酸性矿山排水是采矿活动结束后遗留的最严峻的环境挑战之一。它由暴露的硫化物矿物(如黄铁矿)与空气、水反应生成,具有低pH、高硫酸盐和高重金属浓度的特点,对水生生态系统造成持久性破坏。在众多处理技术中,以“石灰石”为核心填料的“被动处理系统”,特别是“生态滤床”,因其低运行成本、可持续性和生态友好性而受到广泛关注。

传统的主动处理AMD方法需要持续投加石灰等碱剂,成本高昂且产生大量污泥。而被动处理系统旨在利用自然发生的物理、化学和生物过程来净化水质。其中,石灰石在生态滤床中扮演着多重角色。首先,其最直接的作用是化学中和。石灰石的溶解消耗水中的H⁺,逐步提高pH值,为后续处理步骤创造适宜的碱性环境。随着pH的上升,水中的Fe³⁺、Al³⁺等三价金属离子会迅速水解形成氢氧化物沉淀,从而被去除。
然而,石灰石单独使用存在局限性,即可能被AMD中的Fe³⁺和Al³⁺在其表面形成不溶性“钝化层”(如氢氧化铁、羟基硫酸铝),包裹颗粒并阻止其进一步溶解,导致系统失效。为解决这一问题,发展了以石灰石为基础的厌氧生态系统,即“还原性石灰石排水沟”。该系统将石灰石与一种有机基质(如锯末、稻草、粪肥)混合填充。有机质在厌氧环境下被微生物分解,消耗水中的溶解氧,并为“硫酸盐还原菌”提供碳源和电子供体。
SRB是此系统中的“生物引擎”。它们利用有机碳作为能源,将水中的硫酸盐还原为硫化物。这一过程产生两个关键环境效益:一是生成的硫化物与溶解的重金属离子(如Cd²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺)反应,形成极难溶的金属硫化物沉淀,这是一种非常稳定且长期的固定机制;二是硫酸盐还原过程本身会产生碱度,与石灰石溶解产生的碱度协同作用,更有效地中和酸度。
因此,在这种生态滤床中,石灰石、有机质和SRB构成了一个高效的净化联合体。石灰石提供初始中和及钙离子;有机质创造厌氧环境并供养微生物;SRB则负责深度去除硫酸盐和重金属。水流经滤床后,pH显著提升,金属和硫酸盐浓度大幅降低。

该技术的研究前沿集中在优化填料配比、探索新型廉价有机基质、理解微生物群落结构及其长期活性,以及解决系统在寒冷气候下的运行效能和堵塞问题。尽管存在挑战,但基于石灰石的生态滤床代表了一种将矿物学、微生物学和工程学相结合的“生态工程”典范,为治理遍布全球的AMD污染提供了一条经济、可持续且与环境共生的修复路径。