微生物与酸矿水的产生

第二节　微生物与酸矿水的产生

当开采黄铁矿(FeS₂)类金属矿或煤层以及将可生成酸的覆盖层暴露于氧化环境时，就会产生酸矿水。这是由于矿山废石中的一些组分如铁的硫化物(黄铁矿、白铁矿)等受到氧气和微生物的作用，氧化成可溶的酸性污染物，一些金属元素如铁、铜和硫等矿物元素会溶解而进入水体，排出水是含高铁、高硫酸盐的酸性水，还含有锰、铝以及悬浮固体，并具有一定的颜色。酸矿水的排入使得自然水体的酸性增大，金属离子的浓度、悬浮物含量和色度增加，水体污染，不但对鱼类和其他水生生物生长不利，还会影响农作物的生长。

酸矿水的产生的作用一是矿石的化学氧化，二是微生物的作用。化学氧化会使矿山酸性增加，pH值一般为4.5～2.5。在这样的酸性环境下，只有耐酸微生物可以生存。异养菌以霉菌、酵母菌为主，能够氧化硫和铁的细菌生长最旺盛。例如，氧化硫硫杆菌可以将硫氧化为硫酸，氧化硫亚铁杆菌和氧化铁亚铁杆菌可以将硫酸亚铁氧化成高铁。通过这些细菌的作用，加剧了酸矿水的产生，使pH值进一步下降，甚至达到pH 0.5。

金属硫化物如CuFeS₂、PbS、NiS、FeS、ZnS等130多种硫化物和硫酸盐都能被氧化产生酸、重金属离子和硫化物。但是酸矿水主要是由分布广泛的黄铁矿和斑铜矿等含有硫化铁的无机矿氧化产生的。硫化物矿、煤矿的开采是产生酸矿水的主要原因。

黄铁矿的氧化过程非常复杂。矿山开采后暴露在空气中，在中性pH值条件下，空气中的氧气和矿石的氧化作用可以自发发生，速度也很快。当pH值低于5时，自发氧化的作用会明显变慢。pH值在4.5～3.5时，柄状铁细菌-生金菌属细菌进行催化反应，当pH值降低到3.5以下时，硫杆菌属中的嗜酸细菌起催化作用。在低pH值条件下，微生物的催化氧化速率比自发的氧化要高出几百倍，因此黄铁矿在氧化开始后，在低pH值条件下微生物的氧化起重要作用。一般情况下，如果没有微生物的催化氧化作用，酸矿水的pH值维持在大约3的水平，一般在3以上。但实际上一般酸性矿水的pH值都在3以下，这说明微生物在酸矿水的形成中起重要作用。

黄铁矿产生酸矿水的化学反应如下:

①黄铁矿(FeS₂)经过自然的氧化生成FeSO₄和H₂SO₄

2 FeS₂+7O₂+2H₂O→2FeSO₄+2H₂SO₄

②氧化硫亚铁杆菌和氧化铁亚铁杆菌将亚铁氧化成高铁。

4FeSO₄+2 H₂SO₄+O₂→2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

③强氧化剂Fe₂(SO₄)3和黄铁矿继续反应，生成更多的H₂SO₄

FeS₂+7Fe₂(SO₄)₃+8H₂O→15FeSO₄+8H₂SO₄+2S

④氧化硫杆菌将硫元素氧化成硫酸。

2S+3O₂+2H₂O→2 H₂SO₄

黄铁矿产生酸性矿水的总化学反应是:

4FeS₂+15O₂+14H₂O→4Fe(OH)₃+8 H₂SO₄

H₂SO₄产生高酸度，而Fe(OH)₃是深棕色的，因此酸矿水的颜色也是深棕色的。酸性矿水酸度高，金属浓度高(含Cu、Fe、Zn、Al、Pb、As、Cd等)，且含有高浓度的硫酸盐，因此对其处理就需要中和并除去溶解的金属和硫酸盐，不能用常规的污水处理方法来解决酸性矿水的污染问题。酸矿水的处理可通过投加石灰提高pH值、利用硫酸还原菌作用，使硫还原为硫化物，以及加入杀菌剂，抑制产酸菌的活动等来实现。生物治理法处理酸性矿水很有潜力。厌氧的硫酸盐还原菌(SRB)，生长在采矿环境中，只要被处理的酸性矿水初始pH值在4以上，从矿山废水中分离出的、并在pH 5的介质中驯化的SRB混合菌株，就能使处理后的酸性矿水pH值增加，从而可有效地同步沉淀酸性矿水中溶解的金属，如Cu和Fe。这些被除去的金属以稳定的硫化物形式而被回收，如Cu₇S₄、FeS₂。该法对硫酸盐的去除同样有效。

微生物的产酸作用也有有利方面。细菌冶金就是利用微生物产生的硫酸和硫酸高铁等强氧化剂，把矿石中的金属提炼出来。

微生物先和铜矿石作用，溶解出硫酸铜:

Cu₂S+2Fe₂(SO₄)₃→2CuSO₄+4FeSO₄+S

然后在酸性条件下，铁和硫酸铜反应，将金属铜从硫酸铜中沉淀出来

Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu

所以，如何化害为利才是环境微生物研究的最终目的。