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采矿尾水重金属污染微生物治理技术研究进展

2024-12-28 9 上传者：管理员

摘要：我国矿产资源丰富，但长期矿山开采活动导致矿区周围水体遭受不同程度的重金属污染，严重影响农产品质量，危害生态环境，甚至威胁人体健康，重金属污染问题也成为了我国亟待解决的环境问题之一。本文主要概括了重金属污染的来源、多种重金属治理方法及其优缺点，重点介绍了光合微藻重金属处理技术的潜力和应用前景，为修复重金属污染技术提供重要参考。

关键词：
微生物治理
矿产资源
经济建设
采矿尾水
重金属污染
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随着国家经济建设不断发展，国民经济中的第二产业（包括采矿业、制造业、建筑业等）发挥着重要作用，人们对矿产资源的需求量也在不断提升。据统计，近十年来，全球金属矿产物质以每年4%到5%的增长率逐年攀升，有利用价值的矿产总量已经达到200亿吨[1]。然而，矿山开采过程中囤积了大量废石和尾矿，在经过氧化和溶解作用后，释放出重金属离子并渗透到地表。这些重金属离子与废液结合后随着地表径流、雨水淋滤等自然作用不断扩散至周围水体，进而引发重金属污染问题。重金属污染物不仅会降低土壤肥力和生产力，还会随食物链富集到人体中，造成不可逆的损伤[2]。目前，针对矿山重金属污染的治理主要采用物理法、化学法、生物法等，其中物化法不仅成本高、能耗高，还可能会造成二次污染。近年来，生物法尤其是光合微生物污染物处理技术因其经济、高效、绿色的优势而备受关注。本文在分析矿山土壤重金属来源的基础上，对当前国内外光合微生物处理重金属污染修DOI:10.19574/j.cnki.issn1672-7665.2025.01.0042025年第1期采矿尾水重金属污染微生物治理技术研究进展23复技术进行总结，以探索更为经济、高效的矿山重金属污染治理方案。

1、矿区重金属污染问题

重金属一般是指高密度金属元素，密度大于5 kg/m3的金属，我国矿山约有54种[3]。采矿尾水中有毒重金属主要为Pb、Cu、Cd、Hg、Zn、Cr、Ni、Co等[5]。重金属来源主要有两个方面，一方面是在矿山开采过程中，矿石粉碎之后会产生大量的粉尘，而粉尘中会携带大量的重金属离子随风排入空气中，随后便随着大气沉降到土壤中；另一方面是自然形成，如岩石的自然风化，经过风化后其中的重金属就会随着空气进入到土壤和水体中。李丹丹等[5]对豫西金矿邻近区农田土壤中的As、Hg、Cr、Cu、Cd和Pb污染情况进行分析，发现土壤中的这些重金属都比实际测量高，属偏中度污染。张军等[6]调查了宝鸡市金陵河下游土壤和沉积物重金属来源，金陵河下游土壤重金属的主要来源是工业源(36.85%)、自然源(19.12%)、农业源(23.42%)和交通源(20.61%)，且金陵河下游土壤与沉积物中Cd属于强风险水平。顾佳等[7]在长江中下游某典型铜矿周边采集表层土壤分析测定了9种重金属Cu、As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn、Mo的含量，结果表明，研究区土壤Cu、Cd、Pb、Zn、As、Mo含量均值高于南京地区背景值，研究区表层土壤达到中等生态风险及以上的点位占67.82%。重金属通过人体的消化系统、呼吸系统以及皮肤进入人体，这些重金属进入身体后可能会与人体内存在的某些物质结合生成毒性更强的金属有机化合物，甚至还会有致癌风险，对人体健康构成威胁，更准确地量化风险仍然不明确[8][9]。因此，解决采矿水体中的重金属污染问题迫在眉睫，亟待寻求经济、有效的解决方案。

2、重金属污染的治理方法

2.1氧化还原沉淀法

氧化还原沉淀法主要是利用废水中可溶解的重金属离子具有多种价态的特征，向废水中加入相应的还原剂或氧化剂，从而将重金属价态向更容易生成沉淀或毒性较小的价态转变，最终达到废水净化处理的效果[10]。Wang等[11]通过化学沉淀法合成了硫化纳米级零价铁(S-nZVI)，并将其有效应用于Cr(VI)的去除，在填充有S-nZVI的砂柱中进行动态去除实验时，获得了最高（75mg/g）的Cr(VI)去除能力。可见化学沉淀法处理效率高、操作简单，但需要向废水中添加一定量的还原剂或者氧化剂，这不仅用料成本高，而且容易造成水体的二次污染，难以实际应用推广。

2.2膜分离法膜分离法

是利用渗透膜的选择渗透性，使膜保留重金属废水中的大分子物质，去除其中的重金属污染物，应用该技术可以不改变废水中重金属的化学形式。膜分离也可以分为不同的类型，如微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析[10]。ZahidAli等[12]利用新型MOF MIL-101(Cr)制备的FO膜，成功地增强了膜的渗透性，并提高了重金属的截留率，与简单的聚酰胺膜相比，其重金属截留率提高81%。Juan Arévalo等[13]研究了两个实验性的全尺寸膜生物反应器（分别为微滤和超滤）对重金属的去除性能，以及它们对活性污泥中总悬浮固体(TSS)浓度的影响，研究结果显示，除了砷、钼和锑之外，微滤膜和超滤膜对其他重金属元素（包括Be、Sc、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Ba、Sn、Pb、U）的去除效率均高达80%。膜分离法处理快速、高效，但膜面易受污染，需定期清洗或更换，导致处理成本提高，不适宜处理大批量的重金属污染废水。

2.3电絮凝法

电絮凝是指以铁、铝等金属离子为阳极，在直流电的作用下，阳极被腐蚀，产生Fe、Al等阳离子，在经过一系列水解、聚合等过程，发展成为羟基络合物、氢氧化物等，应用该技术可以去除废水中的重金属物。李爽等[14]利用铝电极板电絮凝法去除水中Cr(VI)，考察了各种因素对重金属离子Cr(Ⅵ)去除效果的影响，并在废水中添加一定量的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，结果表明，与不添加CTAB过程相比较，废水中的重金属离子Cr(Ⅵ)去除率从84.56%上升到99.99%。此方法处理是原位反应不会产生二次污染、污泥产量少、装置简单易操作，但对电导率的要求较高并且也会伴随着金属离子残留等问题。2.4植物修复法植物修复法是一种利用植物及其根际微生物的特定功能，来固定并处理土壤、沉积物、污泥以及地表水和地下水中存在的有毒、有害污染物的技术。这一方法依赖于植物的根、叶以及与之相关的微生物系统，通过吸收、降解、挥发和根滤等作用，对水体中的重金属离子进行吸收、转化和固定，进而有效降低废水或土壤中的重金属浓度[16]。常用于重金属污染水体修复的植物主要有芦苇、荷花、浮萍、凤眼莲、浮萍等（表1）。相较于物化法治理采矿尾水的重金属污染，该法具有成本低廉、环境影响较小以及重金属易回收等优点；然而，植物修复效果受限于植物自身生长速度，导致处理周期长。

表1不同植物对重金属离子的去除情况植物

2.5微生物絮凝法

微生物絮凝法是利用微生物在生长代谢过程中产生的代谢物如多糖、蛋白等，能够絮凝重金属离子使其沉淀。生物絮凝剂是天然的高分子材料，具有良好的絮凝能力，安全无毒、易降解且来源较广。Govindan Rajivgandhi等[20]从重金属污染的海洋环境中分离出产生生物絮凝剂的内生放线菌(Nocardiopsis sp)，结果表明其产生的生物絮凝产物可用于吸附重金属，对Cd、Cr、Pb和Hg的去除率分别为55.90%、85.90%、74.70%和51.90%。

2.6光合微藻重金属处理技术

微生物修复是一种通过细菌、真菌、藻类等微生物将重金属离子由水体富集到微生物体内，或改变其形态转化为沉淀态，从而有效降低水体重金属含量的方法[22]。该技术具有不占用耕地、环保、能耗低、运行成本低和生物质回收再利用的多重优势；其中，光合微藻因其独特的生长特性和重金属吸收特点而引起广泛关注。微藻处理重金属污染的概念图如图1所示。微藻以太阳光为能源，无需额外补糖，仅以大气中的CO2为碳源，同步吸收、转化污水中氮、磷、金属元素等物质为自身提供营养。处理结束后，其生物质和胞内多糖、蛋白质、脂质等生物活性物质可以进一步用于制备生物柴油和开发利用高值产物。微藻对重金属的高效去除能力源于其独特的重金属耐受机制。Sonia Choudhary等[22]研究了Chlorella minutissima在Cr(Ⅵ)胁迫下的适应性反应机制，发现微藻对Cr(Ⅵ)诱导的胁迫表现出非凡的耐受性，对Cr(Ⅵ)去除率达到89%；此外，Chlorella minutissima通过还原机制还将有毒的Cr(Ⅵ)转化为危害较小的Cr(III)，从而实现Cr的去除。Zhang等[23]研究了Graesiellasp. MA1对Cu2+和Mn2+重金属的解毒和去除作用，结果表明Graesiella sp. MA1对Cu2+和Mn2+表现出一定的去除能力，去除率分别为42.59%和47.22%；此外，该菌株通过调节抗氧化系统中超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽的水平来减轻重金属的毒性作用。傅里叶红外光谱仪和X射线光电子能谱仪分析表明，微藻表面与蛋白质和多糖相关的羧基、酰胺I和酰胺Ⅱ等官能团与Cu2+和Mn2+结合进行细胞外去除。微藻处理重金属的原理是一个复杂的过程，涉及多种机制和因素。未来通过合理利用微藻的这些特性，可以有效地降低水体中的重金属污染水平。

图1微藻处理含重金属废水并合成生物活性物质

3、总结

与展望矿山开采工艺中的重金属污染给矿区附近的居民带来农业以及生活用水的风险，若未能及时治理，重金属物质会随着空气进入到土壤和水体中，严重时还可能会影响人体健康。因此，亟需采用一定的修复手段来治理矿山开采过程中的重金属污染。光合微藻处理重金属是一种环境友好的生物修复技术，利用微藻的光合作用特性及其细胞表面对重金属的强大吸附能力，有效去除水体和土壤中的重金属污染。此法具有成本低、效果显著且不会造成二次污染的优势，在重金属污染治理中具有良好的应用前景；然而，其处理效果受诸多因素影响，如光照、温度、pH值以及接触时间等。未来研究可以通过优化这些因素，进一步提高微藻处理重金属污染水体的性能，为矿区附近居民提供更加安全的生活环境。

参考文献:

[1]尚余星.地下金属矿山采矿技术进展及研究方向[J].世界有色金属, 2022,(17): 28–30.

[4]陈奇.矿山环境治理技术与治理模式研究[D].中国矿业大学（北京）, 2011.

[5]李丹丹,李耀辉,田翊,等.豫西金矿邻近区农田土壤重金属污染特征及来源解析[J].四川环境,2024,43(4): 67–75.

[6]张军,王子华,姚薇,等.宝鸡市金陵河下游土壤-沉积物重金属污染生态风险评价和来源解析[J].干旱区资源与环境, 2024,38(9): 177–189.

[7]顾佳,苏海涛,赵培松,等.长江中下游典型铜矿周边土壤重金属环境污染风险和来源分析[J].金属矿山, 2024,(7): 268–275.

[10]胡程程,黄志伟,吴亚杰,等.重金属废水污染的常用治理方法研究[J].皮革制作与环保科技,2023,4(6): 21–23.

[14]李爽,邱春生,孙力平,等.铝板电絮凝法去除重金属离子Cr(Ⅵ)的研究[J].工业水处理,2016,36(1): 48–51.

基金资助:福建省科技重大专项（2023YZ037002）；

文章来源:邱艳婷.采矿尾水重金属污染微生物治理技术研究进展[J].福建冶金,2025,54(01):22-25.