用于处理矿井废水的缓解策略：综述

《Journal of Geochemical Exploration》：Mitigating strategies adopted for the treatment of mining wastewater: A review

　　钱德里卡·森加尔（Chandrika Sengar）| 阿希什·卡普尔（Ashish Kapoor）| 波努萨米·森蒂尔·库马尔（Ponnusamy Senthil Kumar）| 加雅特里·兰加萨米（Gayathri Rangasamy）
印度北方邦坎普尔市哈考特巴特勒技术大学化学工程系，邮编208002

**摘要**
矿井废水由于其酸性常被称为酸性矿井排水（acid mine drainage，简称AMD）。当矿物质（如FeS2）与微生物、水和空气（氧气）接触时，会发生AMD的产生。这一相互作用会产生H+离子，从而降低矿井废水的pH值。此类废水排放到陆地和水体系统中会导致严重的环境和健康问题。这些影响的主要原因是废水中含有Fe、Cu、Mn、SO42?等污染物，它们可导致人类和水生生物患上多种疾病。因此，本综述旨在探讨用于缓解矿井废水污染的各种策略。这些缓解方法包括：
1. **吸附法**：通过表面作用去除AMD中的污染物；
2. **生物方法**：利用微生物或生物元素处理矿井废水；
3. **氧化自由基和氧化还原反应**：通常称为高级氧化过程（advanced oxidation processes）；
4. **电化学方法**；
5. **基于膜的技术**：在允许水通过的同时去除污染物。
这些处理方法不仅降低了AMD中污染物的浓度，还能回收Fe、Cu、Mn等资源，以满足日益增长的需求。本文还回顾了每种缓解技术及其最近的研究进展。其中，结合两种或更多方法的混合技术在水体和金属的可持续回收方面表现出显著效果。

**引言**
采矿活动旨在提取煤炭。矿井废水的地球化学成分受煤中微量元素和矿物质的影响较大。无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤是主要的煤炭类型（Srivastava和Jha，2025）。这些煤炭类型中富含Cu、Ni、Pb、Mn、Gd、Eu和Zn等元素（Yossifova等，2024），导致水中离子负荷增加。这些煤炭还含有铝硅酸盐、黄铁矿、石膏和粘土等矿物（Yang等，2021）。不同矿井（如西班牙、美国、苏格兰、土耳其、印度和中国）产生的AMD化学特性存在差异。例如，印度比哈尔邦的贾杜古达铀矿（Jaduguda uranium mine）中的污染物浓度为：U（0.43 mg/L）、Na（454 mg/L）、K（34 mg/L）、Ca（348 mg/L）、Mg（41 mg/L）、Cu（27 mg/L）、Al（0.34 mg/L）、Fe（0.3 mg/L）、NO3?（39 mg/L）、Ni（0.3 mg/L）、PO43?（2 mg/L）和SO42?（2000 mg/L）（Verma和Loganathan，2025）。智利的矿山数据显示：Al（10.29 mg/L）、Cu（61.79 mg/L）、Mn（12.36 mg/L）和SO42?（1002 mg/L）（Menzel等，2021）。总体而言，AMD含有多种污染物，其中Fe浓度范围为0.18–740 mg/L，Cu为0.34–148 mg/L，Al为80–402 mg/L，Zn为0.1–526 mg/L，Cd为10?4–4 mg/L，Mn为0.1–74.63 mg/L，SO42?为126.8–6762 mg/L（Zhang等，2023）。

AMD是高度酸性的水，富含硫酸盐（SO42?）、氟化物（F?）和有毒重金属（Gupta等，2024；Hu等，2022）。它由黄铁矿（FeS2）在微生物催化下氧化形成（Zhang等，2023）。AMD会污染地下水、河流和灌溉系统，降低pH值后使重金属溶解并改变地质化学性质（Rambabu等，2020）。AMD形成的主要原因是FeS2的氧化，但其他含硫矿物（如CuFeS2、NiS、PbS、CuS和(Zn,Fe)S）也参与其中（Masindi等，2022）。矿物氧化过程中，金属以离子形式释放到水中，同时产生SO42?和H+（见图1(a)）。AMD中的重金属、SO42?和H+是主要的有害成分，对淡水和海洋生态系统及人类健康构成威胁（Srivastava和Jha，2025）。这些有害物质会改变水的物理化学性质：Cu使水呈绿色，Al使水变白，Mn使水变黑，Fe3+和Fe2+使水呈红色，SO42?和总溶解固体影响水的味道、颜色和硬度（Masindi等，2022）。AMD还在生态、化学和生物学上对生物造成影响，例如pH值下降（H+作用）。AMD破坏食物链和栖息地，导致食物来源和猎物减少，暴露于其中的生物会出现行为异常、呼吸问题、消化问题、神经系统障碍甚至死亡（Jiao等，2023；Miranda等，2021；Gupta等，2022）。由于这些危害，AMD处理策略的应用率不断提高。

**研究进展**
过去五六年间，研究人员在环境科学、生态学、环境工程和水资源等领域开展了大量研究（数据来源于Web of Science，见图1(b)）。图1(b)显示了2020–2025年间发表的相关论文数量，涵盖AMD处理的多个绿色和可持续发展领域。尽管Web of Science分类中采矿和矿物加工相关的研究较少，但总体来看，环境科学受到更多关注。这些综述文章得到了学者们的广泛认可，引用指数增长表明其在AMD处理领域的重要性和影响力。图1(b)显示，AMD处理相关文章的引用数量逐年增加，说明该领域的研究热度持续升高。

**结论**
本综述回顾了各种AMD缓解策略，包括吸附法、生物方法、高级氧化过程、基于膜的技术和电化学方法，并分析了这些技术的最新进展。这些方法有助于去除和回收金属及矿物质。

**部分内容摘要**
- **吸附法**：是最简单的基本方法之一，用于处理AMD。通过等温线和动力学研究分析了金属去除机制（见表1）。使用ε-MnO2处理AMD，通过蠕动泵将KMnO4加入MnSO4·H2O溶液中并持续搅拌后冻干。在pH=2时，其对Cd的吸附能力为8.5 mg/g，Fe为65.64 mg/g，Pb为172.14 mg/g。
- **生物方法**：生物元素可有效去除AMD中的污染物，应用于微生物法和人工湿地技术（见表2）。
- **高级氧化法**：因涉及环境污染而受到重视，旨在将重金属和有机污染物氧化为毒性较低或更易去除的形式（Ryskie等，2021）。
- **基于膜的技术**：微滤、超滤、纳滤、反渗透和正向渗透等膜处理方法可捕获重金属（Ryskie等，2021）。
- **电化学方法**：开发用于替代传统石灰石（CaCO3）中和法处理污泥。组合使用这些方法可提高去除效率（见表5）。

**作者贡献声明**
钱德里卡·森加尔（Chandrika Sengar）：撰写、编辑、验证、方法论、研究、概念化；
阿希什·卡普尔（Ashish Kapoor）：验证、监督、方法论、研究、概念化；
波努萨米·森蒂尔·库马尔（Ponnusamy Senthil Kumar）：可视化、验证、方法论、研究、概念化；
加雅特里·兰加萨米（Gayathri Rangasamy）：验证、监督、方法论、研究、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢彼此在撰写本文过程中的协作、支持与宝贵贡献，同时感谢印度北方邦坎普尔哈考特巴特勒技术大学化学工程系及本地工程学院污染控制与环境工程中心的支持。