矿山含硫固废堆微生态学及其环境效应研究

摘要

煤矿开采过程中产生大量的副产品煤矸石，煤矸石中普遍含有黄铁矿和白铁矿等硫化物矿物，硫化物矿物在地表环境中的自然氧化会导致酸和重金属的释放，造成严重的环境污染。 本研究通过对安徽铜陵矿区和山西四台矿区的含硫固废堆的实地调研、取样和测试等，对比各地矿区含硫固废堆的物质组成及其环境特征；对含硫固废堆中微生物优势菌群、菌落结构、及最适生长环境条件进行研究，并对其中的特征菌群进行分离和16S rDNA分子生物学测序鉴定；模拟实验研究优势菌群在煤矸石堆环境中对硫化物风化分解作用过程及动力学参数；研究在微生物作用下硫化物中有害元素的释放行为。研究显示，含硫废石堆场淋滤水pH值大都在2.5左右，淋滤液多为红褐色，有高含量的Fe3+、Al3+、硫酸盐及重金属等有害化学污染物，流入附近河流和农田中，造成一定程度的生态破坏；对从酸性水中提取得到的9个菌株的16S rDNA序列测得结果显示，9条序列分属于两大类菌群，即嗜酸硫杆菌属(Acidiphilium sp.)和嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)，此为含硫固废堆的风化环境中的特征优势菌群；对铜陵新桥硫铁矿含硫废石的模拟风化实验，进行不同实验参数条件下的有菌与无菌反应体系对比以及对其中有害重金属As、Cu、Zn、Ni、Pb溶出规律研究，结果表明，环境中液相的初始pH值、温度、固液相的比值和矿物的粒度都会对微生物在黄铁矿的风化过程所起的作用产生影响，在有菌和培养基同时存在时，黄铁矿的氧化速率达到0.71mmol.d-1.L-1，是无菌对照组的35.5倍；5种重金属元素As、Cu、Zn. Ni、Pb的释放行为明显受到微生物、pH值、温度、固液比等因素的影响，有菌存在体系中As、Cu、Zn、Ni释放速率及释放量大大提高，但Pb元素的释放却表现反常，有菌存在时释放速率和释放量均受到抑制。

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致谢

第一章绪 论

1.1研究意义

1.2国内外研究进展

1.2.1 AMD形成过程中微生物的作用及机理研究进展

1.2.2酸性水中微生物多样性研究

1.2.3黄铁矿细菌氧化的动力学研究

1.2.4重金属迁移释放研究进展

1.3研究内容及研究路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

第二章研究区概况及样品采集

2.1安徽铜陵地区地质构造及自然资源

2.1.1地貌特征及自然资源

2.1.2地质构造简介

2.2新桥矿区

2.2.1新桥矿的环境问题

2.3山西四台矿区地质及资源简介

2.3.1自然地理条件

2.3.2区域地质构造

2.3.3矿井水文地质

2.3.4煤层含硫量及酸性水分布

2.4样品采集与测定

2.4.1采集样品的位置和种类

2.4.2环境样品测试结果

第三章含硫固废堆优势微生物分离、纯化与基因鉴定

3.1实验材料

3.1.1样品来源

3.1.2仪器设备

3.2实验方法

3.2.1细菌的分离与纯化

3.2.2细菌16S rDNA基因的提取与扩增

3.2.3测序及系统发育树的构建

3.3结果与分析

3.3.1细菌培养过程中的形态特征和变化

3.3.2.细菌的生理生化特性分析

3.3.3 PCR扩增结果

3.3.4细菌测序结果

3.3.5系统发育树的建立

第四章微生物对黄铁矿氧化产酸的影响

4.1前言

4.2氧化实验设计与实验过程

4.2.1样品来源及其预处理

4.2.2实验仪器及设备

4.2.3实验参数的确定

4.2.4实验方法与过程

4.3不同pH条件下的细菌作用对黄铁矿氧化速率的影响

4.3.1实验条件

4.3.2结果与分析

4.4温度对生物氧化黄铁矿的影响

4.4.1实验方法

4.4.2结果与分析

4.5固液比对生物氧化黄铁矿的影响

4.5.1实验设计

4.5.2结果与分析

4.6不同粒度对生物氧化黄铁矿的影响

4.6.1实验方法

4.6.2结果与讨论

第五章 微生物对含硫固废堆中有害元素迁移转化的影响

5.1前言

5.2实验设计及过程

5.2.1实验主要设备

5.2.2样品准备

5.2.3批实验过程

5.3化学成分测定

5.4反应体系中微量元素的释放行为讨论

5.4.1不同pH条件下细菌对微量元素释放行为的影响

5.4.2不同温度条件下细菌对微量元素释放行为的影响

5.4.3不同固液比条件下细菌对微量元素释放行为的影响

5.5有害元素的释放速率出溶率计算

5.5.1不同pH条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率和出溶率分析

5.5.2不同温度条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率和出溶率分析

5.5.3不同固液比条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率和出溶率分析

5.6环境效应

第六章结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献