煤矸石山微生物群落和硫形态分布特征的探索研究

2021-01-08罗华峰梁卫萍

天津化工 2021年3期

罗华峰，梁卫萍

（宜宾学院，四川宜宾 644000）

1 煤矸石山硫污染生物治理常见微生物

煤矸石中的硫元素具有很强的迁移能力，不能够和碳、空气、水发生化学反应，同时也会受到周边微生物环境的影响，例如SOB和SRB，通过有机硫的矿化、硫和硫化物的氧化、硫酸盐的还原和生物固定等方式改变硫的固有形态使其能够凭借不同的形式在自然环境中完成运输和转化，降低煤矸石的含硫性，有效维护周边生态环境和平衡。

煤矸石山硫污染生物治理常见微生物种类多样，目前被熟知被广泛应用于生物脱硫的微生物就已经多达20余种，比如嗜酸氧化亚铁硫杆菌、嗜酸氧化硫硫杆、硫化芽苞杆菌属、氧化铁杆菌、氧化铁杆菌、微螺球菌属。这类具有脱硫功能的微生物通常生长在极为恶劣的酸性废水环境中，其他微生物质难以在这种环境中存活下去。但是这类微生物却可以与空气中的CO2、O2及其他微量元素在酸性废水的环境中合成单一或多种的细胞组织，与废水中的矿物质发生反应从而将矸石中含有的硫化元素分解成其他物质，从而获得代谢能量，进而实现微生物的自养单性生殖，同时也有效减少了矸石的硫化含量，降低了矸石污染对周边环境的危害。对比研究数据表明，在没有微生物细菌的环境中金属矿物在没有微生物细菌的环境下溶解的速度很慢，但是通过微生物的催化反应却能够使得矿物的氧化速率提高上千倍[1]。

2 煤矸石中硫形态的迁移及分析的手段

2.1 煤矸石中硫形态的迁移

煤矸石之所以是煤矿生产过程中的固体废弃物主要原因在于其成分结构内的硫化元素和重金属离子含量过高，会与周围的空气和水产生氧化反应从而对周边环境造成破坏。并且煤矸石中的硫化元素会以多种形式存在，如：硫化硫、硫酸盐硫、有机硫和单质硫，会随着周边环境的变化而发生迁移。煤矸石结构内的硫元素在常规环境下是不会迁移和转化的，但是在特殊条件下煤矸石中的硫化形式就会发展改变，通常来说矸石的硫的迁移手段主要有两种：1）在自燃条件下，当煤矸石累计热量到达燃点之后就会产生自燃，此时其内部温度最高可达1000℃，矸石中的硫形式会因高温而熔化逐渐转变为H2S、SO2、SO3等气体，危害矿区周边的大气层环境。2）部分煤矸石中的硫化元素会流入土壤中，形成可溶性硫酸盐对周围的土壤和水资源造成了污染[2]。

2.2 硫形态的分析手段

自古以来，硫元素一直被称作是光谱学中最无声的元素，硫化形式多样，很难通过现有技术手段观测到硫的化学形态。但是可以通过常见的化学法、色谱法、伏安法、x射线光电子能谱法等观察到硫的物理形态，从而可以根据硫的物理性质找寻科学脱硫的办法。化学法，顾名思义，即通过与其他物质产生的直接或间接的化学反应测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 控制燃烧法

控制燃烧法即在煤矸石火势尚未完全燃烧前就能够及时预察，通过有效的防燃措施将自燃的风险有效扼杀。但是控制燃烧法也有很大的弊端，虽然煤矸石自燃及时控制住了火势，防止污染进一步扩大，空气中的部分有害气体在经过轻微燃烧后也得到了净化，然而燃烧产生的烟气温度较高且带有一定腐蚀性，如果是采用管道埋地和防腐处理等物理控制燃烧法，需要消耗大量物力、人力及财力，同时危险系数和难度较大。通常来说控制燃烧法使用频率较少，在实际处理过程中很难判断何时会产生大规模的自燃，从而导致更为严重的人员损伤。

3.1.2 泡沫法

通过向火区注入泡沫灭火剂，将火源与空气隔绝，利用泡沫的空隙吸收煤矸石自燃产生的热量，使得煤矸石表面温度降低，从根源上杜绝火源，实现灭火的目的。泡沫法与注浆法相比，优势在于其能够长时间地保留水分，注入的灭火的泡沫不会立即从煤矸石的缝隙中流出，与注水法相比，泡沫法的优势在于其密度较小，能够很好地隔绝空气中的氧气，吸收热量，快速使得自燃周边的环境冷却下来。但是泡沫法仅适用于小规模的自燃灭火，而且泡沫的稳定性会随环境的变化而波动，尤其是在风雨条件下，泡沫法灭火效果极差。

3.1.3 挖除火源法

挖除火源法与其他方法相比更为直接，从根本上将火源灭绝。挖掘火源法首先确定自燃的燃烧范围，找到自燃的源头所在，并将那部分的煤矸石全部挖掘放置到另外一个地方去自然冷却，防止其产生的热量使其他的煤矸石也引发自燃反应。然而挖掘火源法只适合小范围内的自燃，该方法直接有效，且操作简单，成功率极高。但是对于大面积范围的自燃，挖除火源法难度系数较高，工作人员和挖掘设备难以进入到火灾区内，自燃的煤矸石过多，如果继续采用此种方法进行灭火，会存在一定人员伤亡风险。所以挖除火源法往往是被当作是自燃初期灭火措施或者自燃灭火辅助措施。

3.1.4 深部注浆法

深部注浆法是目前来说使用频率较高，应用范围较广的灭火手段，其原理与泡沫灭火法类似，都是通过降低热量和隔绝氧气来实现灭火的目的。深部注浆法能够使得自燃的煤矸石温度快速降低，通过水分子将煤矸石与氧气充分隔绝，防止再次发生自燃。但是深部注浆法必须要工作人员将设备放入到火灾区域内，一旦燃烧范围面积变大，工作人员将难以进入，该灭火措施难以实施。

3.2 化学方法

煤矸石大量堆积除了会产生自燃和氧化反应形成有害气体破坏大气层之外，其中的硫化元素也会随着环境的变化而发生迁移从而对周边的土壤及水资源造成一定的污染，从而形成酸性土壤及酸性废水。目前我国针对此已经采取了大量研究来试图找寻处理酸性土壤及废水的方法，主要包括以石灰石或石灰为中和剂的中和法和采用湿地法进行处理的化学手段。