煤矸石山微生物群落和硫形態(tài)分布特征的探索研究

羅華峰，梁衛(wèi)萍

（宜賓學(xué)院，四川宜賓 644000）

1 煤矸石山硫污染生物治理常見(jiàn)微生物

煤矸石中的硫元素具有很強(qiáng)的遷移能力，不能夠和碳、空氣、水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)受到周邊微生物環(huán)境的影響，例如SOB和SRB，通過(guò)有機(jī)硫的礦化、硫和硫化物的氧化、硫酸鹽的還原和生物固定等方式改變硫的固有形態(tài)使其能夠憑借不同的形式在自然環(huán)境中完成運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化，降低煤矸石的含硫性，有效維護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境和平衡。

煤矸石山硫污染生物治理常見(jiàn)微生物種類(lèi)多樣，目前被熟知被廣泛應(yīng)用于生物脫硫的微生物就已經(jīng)多達(dá)20余種，比如嗜酸氧化亞鐵硫桿菌、嗜酸氧化硫硫桿、硫化芽苞桿菌屬、氧化鐵桿菌、氧化鐵桿菌、微螺球菌屬。這類(lèi)具有脫硫功能的微生物通常生長(zhǎng)在極為惡劣的酸性廢水環(huán)境中，其他微生物質(zhì)難以在這種環(huán)境中存活下去。但是這類(lèi)微生物卻可以與空氣中的CO2、O2及其他微量元素在酸性廢水的環(huán)境中合成單一或多種的細(xì)胞組織，與廢水中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)從而將矸石中含有的硫化元素分解成其他物質(zhì)，從而獲得代謝能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微生物的自養(yǎng)單性生殖，同時(shí)也有效減少了矸石的硫化含量，降低了矸石污染對(duì)周邊環(huán)境的危害。對(duì)比研究數(shù)據(jù)表明，在沒(méi)有微生物細(xì)菌的環(huán)境中金屬礦物在沒(méi)有微生物細(xì)菌的環(huán)境下溶解的速度很慢，但是通過(guò)微生物的催化反應(yīng)卻能夠使得礦物的氧化速率提高上千倍[1]。

2 煤矸石中硫形態(tài)的遷移及分析的手段

2.1 煤矸石中硫形態(tài)的遷移

煤矸石之所以是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的固體廢棄物主要原因在于其成分結(jié)構(gòu)內(nèi)的硫化元素和重金屬離子含量過(guò)高，會(huì)與周?chē)目諝夂退a(chǎn)生氧化反應(yīng)從而對(duì)周邊環(huán)境造成破壞。并且煤矸石中的硫化元素會(huì)以多種形式存在，如：硫化硫、硫酸鹽硫、有機(jī)硫和單質(zhì)硫，會(huì)隨著周邊環(huán)境的變化而發(fā)生遷移。煤矸石結(jié)構(gòu)內(nèi)的硫元素在常規(guī)環(huán)境下是不會(huì)遷移和轉(zhuǎn)化的，但是在特殊條件下煤矸石中的硫化形式就會(huì)發(fā)展改變，通常來(lái)說(shuō)矸石的硫的遷移手段主要有兩種：1）在自燃條件下，當(dāng)煤矸石累計(jì)熱量到達(dá)燃點(diǎn)之后就會(huì)產(chǎn)生自燃，此時(shí)其內(nèi)部溫度最高可達(dá)1000℃，矸石中的硫形式會(huì)因高溫而熔化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S、SO2、SO3等氣體，危害礦區(qū)周邊的大氣層環(huán)境。2）部分煤矸石中的硫化元素會(huì)流入土壤中，形成可溶性硫酸鹽對(duì)周?chē)耐寥篮退Y源造成了污染[2]。

2.2 硫形態(tài)的分析手段

自古以來(lái)，硫元素一直被稱(chēng)作是光譜學(xué)中最無(wú)聲的元素，硫化形式多樣，很難通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)手段觀(guān)測(cè)到硫的化學(xué)形態(tài)。但是可以通過(guò)常見(jiàn)的化學(xué)法、色譜法、伏安法、x射線(xiàn)光電子能譜法等觀(guān)察到硫的物理形態(tài)，從而可以根據(jù)硫的物理性質(zhì)找尋科學(xué)脫硫的辦法?；瘜W(xué)法，顧名思義，即通過(guò)與其他物質(zhì)產(chǎn)生的直接或間接的化學(xué)反應(yīng)測(cè)定其含有的硫化物含量。

3 煤矸石山硫污染治理方法

3.1 物理方法

3.1.1 控制燃燒法

控制燃燒法即在煤矸石火勢(shì)尚未完全燃燒前就能夠及時(shí)預(yù)察，通過(guò)有效的防燃措施將自燃的風(fēng)險(xiǎn)有效扼殺。但是控制燃燒法也有很大的弊端，雖然煤矸石自燃及時(shí)控制住了火勢(shì)，防止污染進(jìn)一步擴(kuò)大，空氣中的部分有害氣體在經(jīng)過(guò)輕微燃燒后也得到了凈化，然而燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度較高且?guī)в幸欢ǜg性，如果是采用管道埋地和防腐處理等物理控制燃燒法，需要消耗大量物力、人力及財(cái)力，同時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)和難度較大。通常來(lái)說(shuō)控制燃燒法使用頻率較少，在實(shí)際處理過(guò)程中很難判斷何時(shí)會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的自燃，從而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的人員損傷。

3.1.2 泡沫法

通過(guò)向火區(qū)注入泡沫滅火劑，將火源與空氣隔絕，利用泡沫的空隙吸收煤矸石自燃產(chǎn)生的熱量，使得煤矸石表面溫度降低，從根源上杜絕火源，實(shí)現(xiàn)滅火的目的。泡沫法與注漿法相比，優(yōu)勢(shì)在于其能夠長(zhǎng)時(shí)間地保留水分，注入的滅火的泡沫不會(huì)立即從煤矸石的縫隙中流出，與注水法相比，泡沫法的優(yōu)勢(shì)在于其密度較小，能夠很好地隔絕空氣中的氧氣，吸收熱量，快速使得自燃周邊的環(huán)境冷卻下來(lái)。但是泡沫法僅適用于小規(guī)模的自燃滅火，而且泡沫的穩(wěn)定性會(huì)隨環(huán)境的變化而波動(dòng)，尤其是在風(fēng)雨條件下，泡沫法滅火效果極差。

3.1.3 挖除火源法

挖除火源法與其他方法相比更為直接，從根本上將火源滅絕。挖掘火源法首先確定自燃的燃燒范圍，找到自燃的源頭所在，并將那部分的煤矸石全部挖掘放置到另外一個(gè)地方去自然冷卻，防止其產(chǎn)生的熱量使其他的煤矸石也引發(fā)自燃反應(yīng)。然而挖掘火源法只適合小范圍內(nèi)的自燃，該方法直接有效，且操作簡(jiǎn)單，成功率極高。但是對(duì)于大面積范圍的自燃，挖除火源法難度系數(shù)較高，工作人員和挖掘設(shè)備難以進(jìn)入到火災(zāi)區(qū)內(nèi)，自燃的煤矸石過(guò)多，如果繼續(xù)采用此種方法進(jìn)行滅火，會(huì)存在一定人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。所以挖除火源法往往是被當(dāng)作是自燃初期滅火措施或者自燃滅火輔助措施。

3.1.4 深部注漿法

深部注漿法是目前來(lái)說(shuō)使用頻率較高，應(yīng)用范圍較廣的滅火手段，其原理與泡沫滅火法類(lèi)似，都是通過(guò)降低熱量和隔絕氧氣來(lái)實(shí)現(xiàn)滅火的目的。深部注漿法能夠使得自燃的煤矸石溫度快速降低，通過(guò)水分子將煤矸石與氧氣充分隔絕，防止再次發(fā)生自燃。但是深部注漿法必須要工作人員將設(shè)備放入到火災(zāi)區(qū)域內(nèi)，一旦燃燒范圍面積變大，工作人員將難以進(jìn)入，該滅火措施難以實(shí)施。

3.2 化學(xué)方法

煤矸石大量堆積除了會(huì)產(chǎn)生自燃和氧化反應(yīng)形成有害氣體破壞大氣層之外，其中的硫化元素也會(huì)隨著環(huán)境的變化而發(fā)生遷移從而對(duì)周邊的土壤及水資源造成一定的污染，從而形成酸性土壤及酸性廢水。目前我國(guó)針對(duì)此已經(jīng)采取了大量研究來(lái)試圖找尋處理酸性土壤及廢水的方法，主要包括以石灰石或石灰為中和劑的中和法和采用濕地法進(jìn)行處理的化學(xué)手段。

3.3 生物方法

當(dāng)前，通過(guò)微生物修復(fù)礦山硫污染的方式：通過(guò)SOB與煤矸石中的硫化合物產(chǎn)生反應(yīng)，加快煤矸石的脫硫進(jìn)程，降低硫含量，從而就能夠從本質(zhì)上杜絕硫和碳產(chǎn)生反應(yīng)，無(wú)法達(dá)到煤矸石自燃的熱量。