酸法地浸采铀是我国天然铀生产的主流技术之一,相比传统开采方法,它对地表生态的破坏较小,但是容易导致地下水的严重污染。随着酸法地浸采铀矿山的逐步退役,地下水污染问题日益凸显,成为亟待解决的环境难题。原位修复因其操作简便、修复范围广、成本低等优势,被认为是最具发展潜力的修复技术之一。本文以我国西北某酸法地浸采铀矿山退役采区为研究对象,采集了其砂岩铀矿层的地下水和岩芯,系统分析了地下水和铀矿层的生物地球化学特性,通过试验发现在强酸性条件下添加碳源无法原位激活酸法地浸采铀矿山退役采区的土著铀还原功能微生物,进而探索了多硫化钙同步去除酸法地浸采铀矿山退役采区铀污染地下水中U(VI)、总Fe、Mn²⁺和SO₄^2-的机理,提出了这类铀污染地下水多硫化钙原位修复新方法。主要的研究内容和结论如下: (1)采用多参数水质测定仪、AAS、IC和ICP-MS,分析了退役采区铀污染地下水的理化性质。结果表明,退役采区铀污染地下水的Eh>550 m V、pH<2.5、含有Fe、Mn²⁺、NO₃^-和SO₄^2-等污染物,具有氧化性强、酸性强、污染物成分复杂三大特性。 (2)通过XRD、XRF、SEM-BES、连续提取等技术手段分析了砂岩铀矿层的矿物学特性。结果表明,砂岩铀矿层中残余的铀大部分以潜在迁移态的形式存在,一旦采区铀矿层的水文地球化学条件发生变化,这些形态的铀容易释放和迁移。砂岩铀矿层中未检测到对铀的迁移、转化和固定起重要作用的黄铁矿,并且其中的石英、长石、白云母和粘土矿物在强酸性环境中对铀的吸附能力很弱,因此砂岩铀矿层在pH<2.5的条件下不能有效阻滞地下水中的U(VI)。 (3)通过高通量测序技术分析了砂岩铀矿层的微生物多样性、丰度和群落结构。结果表明,酸法地浸采铀矿山退役采区的强酸性环境显著降低了微生物的多样性和丰度,但嗜酸微生物的丰度却明显增加。试验检测到了Fe³⁺还原菌和反硝化细菌这两类铀还原功能微生物,但未检测到硫酸盐还原菌。 (4)设计了碳源激活试验,研究了在pH<2.5的条件下添加乙醇原位激活土著铀还原功能微生物去除酸法地浸采铀矿山退役采区铀污染地下水中U(VI)、SO₄^2-、NO₃^-、Fe²⁺和Fe³⁺的效果。结果表明,添加乙醇作为碳源无法降低地下水中这些污染物的浓度,证实了在强酸性条件下酸法地浸采铀矿山退役采区的土著铀还原功能微生物不能被碳源激活。 (5)通过摇瓶试验研究了多硫化钙原位去除酸法地浸采铀矿山退役采区铀污染地下水中U(VI)、总Fe、Mn²⁺和SO₄^2-的效果,以及借助SEM-EDS、XRD和XPS等检测手段分析了多硫化钙修复这类污染物的机理。结果表明,当多硫化钙与岩芯-地下水微模型中氧化性物质的摩尔比为5:1时,pH值从2.37升高至9.48,U(VI)浓度从3.03 mg/L降至0.01 mg/L,总Fe浓度从31.56 mg/L降至检测限以下,Mn²⁺浓度从9.43 mg/L降至0.02 mg/L,SO₄^2-浓度从2515.79 mg/L降至1570.36 mg/L。U(VI)浓度恢复至开采前的水平,总Fe和Mn²⁺浓度达到国家Ⅲ类地下水质量标准。多硫化钙修复这类铀污染地下水的机理是,其水解产物HS^-和H₂S将UO₂²⁺还原为UO₂,将Fe³⁺还原为Fe²⁺后形成Fe S沉淀,与Mn²⁺形成MnS沉淀,将SO₄^2-还原为低价态硫化物。 (6)通过柱试验研究了多硫化钙原位修复酸法地浸采铀矿山退役采区铀污染地下水的可行性。结果表明,添加6 PV浓度为0.141 kg/L的多硫化钙修复液,可分别将45 PV、32 PV、30 PV的铀污染地下水中的U(VI)、总Fe和Mn²⁺恢复到开采前的水平,可将pH值从2.37提高至4.08~4.36。添加6 PV浓度为0.282 kg/L的多硫化钙修复液,可分别将52 PV、42 PV、36 PV铀污染地下水中的U(VI)、总Fe和Mn²⁺恢复到开采前的水平,可将pH值从2.37提高至4.11~4.88。这两种浓度的多硫化钙修复液仅去除了铀污染地下水中部分SO₄^2-,无法将其恢复到开采前的水平。多硫化钙还原这类铀污染地下水中的主要污染物时,其效率依次为U(VI)>Mn²⁺>总Fe>SO₄^2-。这些结果证实了多硫化钙原位修复酸法地浸采铀矿山退役采区铀污染地下水的可行性。