酸性鉱山排水

酸性岩排水の影響を受ける場所では、酸性排水の中和に寄与する石灰岩や適切な石灰質層が不足しているか、あるいは十分にアクセスできない（流れの速い酸性水との接触時間が短すぎる、比表面積が小さすぎる、接触が不十分など）場合が多い。このような場合、粉砕した石灰岩を中和剤として現場​​に投入することができる。

しかし、石灰石は大量に入手可能な未加工の原料であり、最も安価な中和剤であるにもかかわらず、用途を制限する可能性のあるいくつかの欠点を抱えている。実際、砕石した石灰石の小さな炭酸カルシウム粒子は_{、溶解度の低いFe -} Al水酸化硫酸塩の薄い不透過性保護膜に囲まれた石膏（CaSO₄・2H₂O ）の被膜を形成しやすい。この被膜は、文献では鎧（シールド、被覆、縁、皮など）と呼ばれることがある。^{[ 21 ]}被膜が存在すると、石灰石の表面を不動態化し、方解石の溶解と溶液中の重炭酸塩のさらなる放出を防ぐ。^{[ 21 ]}

中和すべき酸性排水の量と流量、および工業施設の規模に応じて、酸性鉱山排水を処理する一般的な商業プロセスとして、高密度スラッジ（HDS）プロセスにおける石灰沈殿法が挙げられますが、これはより高価な方法です。この方法では、酸性鉱山排水とリサイクルスラッジを含むタンクに石灰（CaO –水和後のCa(OH) _₂）のスラリーを分散させ、水のpHを約9まで上昇させます。このpHでは、リサイクルスラッジの存在によって、ほとんどの有害金属が不溶性となり沈殿します。必要に応じて、タンクに空気を注入して鉄(II)とマンガン(II)を酸化し、沈殿を促進することもできます。得られたスラリーは、清澄槽などのスラッジ沈殿槽に送られます。この槽では、きれいな水は溢れ出して排出されますが、沈殿した金属沈殿物（スラッジ）は、スラッジ廃棄用の側流とともに酸性鉱山排水処理タンクにリサイクルされます。このプロセスには、ARDの化学組成、その量、その他の要因に応じて、いくつかのバリエーションが存在する。^{[ 22 ]}一般的に、HDSプロセスの生成物には石膏（CaSO4 ）と_未反応の石灰も含まれており、沈降性と再酸性化および金属移動に対する耐性の両方が向上する。

この中和反応の一般式は次のとおりです。

H ₂ SO ₄ + Ca(OH) ₂ → CaSO ₄ + 2H ₂ O

このプロセスのより単純な変種、例えば単純な石灰中和などは、石灰サイロ、混合タンク、沈殿池だけで済む場合がある。これらのシステムは建設コストがはるかに低いが、効率も低い（反応時間が長くなり、微量金属が存在する場合は、より高い濃度の排出物を生成する）。これらは、比較的小規模な流量や、複雑さの低い酸性鉱山排水に適している。^{[ 23 ]}

加工された製鋼スラグから作られたケイ酸カルシウム原料は、バルク溶液から遊離水素イオンを除去してpHを上昇させることにより、AMDシステムの活性酸性を中和するためにも使用できます。ケイ酸アニオンがH ⁺イオンを捕捉（pHを上昇）すると、中性溶質であるモノケイ酸（H4SiO4）が形成されます_{。モノケイ}酸はバルク溶液中に残り、酸性条件の悪影響を修正する上で多くの役割を果たします。バルク溶液中では、ケイ酸アニオンは土壌溶液中のH+カチオンを中和するのに非常に効果的です。[ ^{24 ]作用機}序は石灰石とはかなり異なりますが、ケイ酸カルシウムの酸性溶液を中和する能力は、CCE値が90～100%、相対中和値が98%であることからわかるように、石灰石と同等です。^{[ 25 ]}

重金属が存在すると、ケイ酸カルシウムは石灰石とは異なる反応を示します。石灰石はバルク溶液のpHを上昇させるため、重金属が存在すると、溶解度の低い金属水酸化物の沈殿が促進され、石灰石粒子の表面に不透過性の金属水酸化物コーティング（アーマリングと呼ばれる）が形成される傾向が著しく高まります。石灰石粒子は、不透過性で保護的なFe-Al水酸化硫酸塩の薄い外膜に包まれた石膏の皮で覆われます。アーマリングはCaCO _3の溶解を遅らせ、石灰石粒子が溶液中にアルカリ性をさらに放出するのを防ぎます。^{[ 21 ]}ケイ酸カルシウム凝集体では、ケイ酸種が金属水酸化物の表面に吸着されると、シリカ層（単層および二層）の発達により、中性または負の表面電荷を持つコロイド複合体が形成されます。これらの負に帯電したコロイドは、互いに（また負に帯電したケイ酸カルシウム顆粒とも）静電的に反発し合います。隔離された金属コロイドは安定化され、安定した分散状態を維持します。これにより、金属の沈殿が効果的に阻止され、材料の被覆（材料粒子の周囲に不浸透性の皮膜が形成され、溶解を防ぎ、反応性を低下させること）に対する脆弱性が低減されます。^{[ 24 ]}

陽イオン交換プロセスは、酸性鉱山排水の潜在的な処理方法として以前から研究されてきました。その原理は、イオン交換樹脂が鉱山水から潜在的に有毒な金属（陽イオン樹脂）または塩化物、硫酸塩、および硫酸ウラニル錯体（陰イオン樹脂）を除去できるというものです。^{[ 26 ]}汚染物質が吸着されると、樹脂上の交換サイトを再生する必要があり、これには通常、酸性および塩基性試薬が必要で、汚染物質が濃縮された形で含まれる塩水が生成されます。水管理および供給（AMD処理）で2013年のIChemE賞を受賞した南アフリカの企業は、鉱山排水（およびAMD）を経済的に処理する特許取得済みのイオン交換プロセスを開発しました。

1980年代には、東部アパラチアの廃炭鉱から発生する酸性鉱山排水を処理するために、人工湿地システムが提案されました。^{[ 27 ]} 一般的に、湿地には、石灰石ベースの処理プロセスによって中和されたほぼ中性の水が流入します。^{[ 28 ]}金属の沈殿は、ほぼ中性のpHでの酸化、有機物との錯体形成、炭酸塩または硫化物としての沈殿によって発生します。後者は、硫酸イオンを硫化物イオンに還元できる堆積物中の嫌気性細菌によって発生します。これらの硫化物イオンは、重金属イオンと結合して、溶液から重金属を沈殿させ、プロセス全体を効果的に逆転させることができます。

人工湿地ソリューションの魅力は、その比較的低コストにある。処理できる金属負荷量（高流量または金属濃度による）には限界があるが、現在の実務者は、大量の水（キャンベル鉱山の人工湿地の説明を参照）や高酸性水（適切な前処理を施せば）を処理できる人工湿地の開発に成功している。通常、中性付近の水を受け入れる人工湿地からの排水は、pH6.5～7.0で十分に緩衝され、容易に放流できる。堆積物中に保持される金属沈殿物の中には、大気中の酸素にさらされると容易に酸化されて再移動するものもある（例えば、硫化銅や元素状セレンなど）。そのため、堆積物が大部分において恒久的に水没した状態を保ち、不溶性で移動しない状態を維持することが非常に重要である。気候温暖化による長期にわたる干ばつは、猛暑の夏に水供給量が減少し、蒸発が加速して人工湿地が干上がってしまう場合、それらの適切な機能と安全性を損なう可能性がある。

効果的な人工湿地の例としては、ポート・タルボット上流のアファン川渓谷にあるアフォン・ペレナ川が挙げられます。そこでは、ウィットワース鉱山からの高濃度鉄分を含む排水が効果的に処理されています。

酸性溶液中のほとんどの卑金属は、H₂SやNaHSなどの遊離硫化物と接触すると沈殿する_。反応後の固液分離により、卑金属を含まない排水が得られ、これは排出するか、硫酸塩を低減するためのさらなる処理を行うことができる。また、経済的価値のある金属硫化物濃縮物も得られる可能性がある。

代替案として、いくつかの研究者は生物由来の硫化物を用いた金属の沈殿を研究してきた。このプロセスでは、硫酸還元細菌（SRB）が酸素の代わりに硫酸を最終電子受容体として用いて有機物を酸化する 。その代謝産物には、有機物の酸化によって生成される重炭酸塩（水の酸性を中和できる）と、多くの有毒金属と非常に不溶性の沈殿物を形成する硫化水素が含まれる。このプロセスは有望ではあるものの、さまざまな技術的理由から採用が遅れている。^{[ 29 ]}