據(jù)統(tǒng)計，我國目前共有各類廢棄礦山近10萬座。高硫煤礦與有色金屬礦山閉坑引發(fā)的酸性礦坑廢水（AMD）因強酸性、高硫酸鹽和（類）重金屬等特性，是我國面臨的重大環(huán)境難題，尤其在山西、山東、安徽、江西、云南、四川和貴州等地，廢棄礦山AMD污染事件頻發(fā)，礦山流域水源地及生態(tài)污染嚴重（如圖1所示），成為影響生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善和礦區(qū)水資源供需矛盾加劇的重大生態(tài)環(huán)境問題。但當前我國對礦山生態(tài)環(huán)境的修復仍以復墾、綠化為主，污染治理為輔；針對礦洞涌水的處理以礦井封堵等應急處理和修建污水處理廠等高成本處理措施為主。這些措施短期內(nèi)可能有所成效，但治標不治本，且工程難度大、經(jīng)濟成本高。而針對新近閉坑以及尚未溢出AMD的廢棄礦山缺乏基于監(jiān)測預警的污染防控體系，導致潛在的AMD污染風險難以防控。因此，亟需開展廢棄礦山流域水環(huán)境污染現(xiàn)狀調查、AMD污染過程機制研究和污染防控與治理技術研發(fā)等工作。

圖1 廢棄礦山AMD污染實例

為此，中國科學院南京土壤研究所陳夢舫研究員團隊近期先后至安徽、四川、云南、陜西、山東、廣西、廣東、江西、湖北等地調研了二十余座具有不同典型礦物類型的廢棄礦山，包括金礦、煤礦、硫鐵礦、鉛鋅礦、錫礦、鐵礦等。然后基于調研結果，綜述了廢棄礦山AMD生物化學污染過程，并提出了AMD污染概念模型。

AMD的污染特征與礦山流域地質環(huán)境、礦體中硫化礦物含量及水巖相互作用關系密切。廢棄礦山AMD污染源包括地下采空區(qū)、尾礦庫和廢渣堆場，其中地下采空區(qū)污染過程分為三個階段（如圖2所示）。以煤礦為例，首先是開采階段，煤礦在開采期間，為保證開采區(qū)干燥，需用排水泵進行排水。此時排出的礦井水礦化度較高但污染程度低，通過簡單處理后即可排放到地表。開采區(qū)排水后煤系地層中的硫化礦物（主要為FeS2）暴露在空氣中，氧化產(chǎn)生硫酸和鐵的氧化物/氫氧化物，礦體中伴生的重金屬等有害物質隨之釋放出來。該過程可能持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)百年，取決于開采年限。其次是閉坑階段，礦山閉坑后，采空區(qū)停止排水，地下水逐步反彈，開采階段硫化礦物的氧化產(chǎn)物隨之溶入地下水中，并隨地下水遷移，常與巖石中的碳酸鹽礦物發(fā)生中和反應。而未被氧化的硫化礦物因為地下水淹沒，缺少氧氣，氧化中止。這個過程可能持續(xù)數(shù)個月至數(shù)十年，與礦區(qū)降雨量及水文地質條件有關。最后是溢出階段，當?shù)叵滤磸椫疗胶夂?，最終與地表河流進行水力交換或沿巷道涌出，形成地表徑流，污染下游土壤與地表水體。長期使用污染水體澆灌農(nóng)田或發(fā)生洪水時，可能導致農(nóng)田重金屬污染。一旦受污染地下水暴露在空氣中，還原態(tài)的Fe²⁺將氧化生成Fe³⁺的氧化物和氫氧化物，在河床沉積，形成赭石（ochre）（如圖1所示）。赭石的沉積將影響水生植物的光合作用，使底棲生物窒息，破壞流域生態(tài)環(huán)境。所以新近閉坑以及尚未溢出AMD的廢棄礦山仍處于地下水反彈階段，一旦地下水恢復完畢將釋放至地表，因此AMD污染具有長期性與突發(fā)性。與采空區(qū)類似，尾礦庫及廢渣堆場因長期暴露在空氣中，硫化礦物發(fā)生氧化，在雨水淋洗下產(chǎn)生酸性礦井水下滲污染地下水，也可通過地表徑流污染下游土壤與地表水體。

圖2 地下采空區(qū)污染概念模型

針對高硫煤礦與有色金屬礦山閉坑階段的水-巖相互作用機制及生物化學污染過程不明，被動式、低成本修復材料和技術體系缺乏等關鍵問題，該研究團隊分析目前國內(nèi)外AMD治理技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，初步提出了廢棄礦山AMD污染系統(tǒng)解決方案的思路。

國內(nèi)外AMD治理技術研究現(xiàn)狀：近年來， AMD的治理領域有了較大的發(fā)展，高成本的主動處理技術逐漸被低成本的被動處理技術取代。目前，AMD被動處理技術主要有化學處理和生物處理兩類（如圖3所示）。其中化學處理主要依賴AMD和石灰石等堿性材料的中和反應及金屬的水解和沉淀作用，以石灰石溝渠為主。該類技術雖能有效降低AMD的酸度，但去除硫酸根作用有限，并且運行時金屬沉淀易包覆在石灰石表面，阻礙石灰石的溶解中和并降低水力傳導度。生物處理主要依賴兩類微生物的作用去除硫酸根和重金屬離子：一是通過氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）等好氧微生物催化鐵氧化；二是通過硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria, SRB）等厭氧微生物還原硫酸鹽生成硫化氫和碳酸鹽堿度，以SRB介導的生物反應器和人工濕地為主。但SRB的最適pH是中性，當AMD的pH低于5時效果往往較差，限制了其在實際處理中的廣泛應用。

圖3 AMD被動治理技術選擇流程圖

廢棄礦山AMD污染系統(tǒng)解決方案：首先，開展高精度環(huán)境地質與污染調查，探明地下采空區(qū)、尾礦庫、廢渣堆場及周邊地質結構、水文地質特征等，結合開采歷史、地下巷道分布等信息，構建礦山流域水環(huán)境污染概念模型。其次，探究礦山閉坑階段水巖相互作用機制及生物化學污染過程，應用地下水流動及地球化學耦合模型預測采空區(qū)、尾礦庫及廢渣堆場區(qū)域地下水恢復的動力學過程、非控制性地下水流量及礦井水水質的演變規(guī)律及其對地表水水質的影響。針對新近閉坑以及尚未溢出AMD的廢棄礦山構建基于地理信息系統(tǒng)的多尺度、多維度、可視化、互動式礦區(qū)地下水污染防控技術智慧平臺（如圖4）。針對已溢出AMD的廢棄礦山則發(fā)展高效、低成本的“被動治理”技術的新原理和新方法，形成低成本、可持續(xù)處理高濃度硫酸鹽與鐵、錳等重金屬的AMD系統(tǒng)解決方案，為我國典型廢棄礦山AMD污染的綠色可持續(xù)生態(tài)治理提供可復制、可推廣的工程范例。

圖4 地下水污染防控技術智慧平臺示意圖