Physicochemical gradients, diffusive flux, and sediment oxygen demand within oil sands tailings materials from Alberta, Canada

加拿大阿爾伯塔省油砂尾砂材料的物理化學梯度、擴散通量和沉積物氧需求

來源：Applied Geochemistry 75 (2016) 90-99

 

論文總結

一、論文摘要

本研究調查了加拿大阿爾伯塔省阿薩巴斯卡油砂區兩種不同類型的流體細尾礦（FFT）——新鮮尾礦（FRESH，來自活躍尾礦池）和成熟尾礦（AGED，來自約38年歷史的非活躍尾礦池）中，物理化學梯度（pH、Eh、氧等）的形成過程。摘要指出，油砂開采產生大量FFT廢棄物，儲存于尾礦池中。了解這些尾礦池中物理化學梯度的形成過程，對于其修復和未來構建終點湖（EPL）系統至關重要。本研究通過為期52周的實驗室微宇宙實驗，結合新型微電極剖面技術，旨在區分生物和非生物過程在不同成熟度FFT中的作用。結果表明，在成熟的生物系統中，硫化物的擴散通量在實驗初期為37.6 μmol m?2 day?1，并隨著FeS礦化的進行而隨時間減少。溶解氧（DO）通量與FFT-水界面的固結物理效應和生物耗氧量密切相關。這項比較不同尾礦池材料的整體性研究，為與修復濕地和終點湖發展相關的生物轉化過程、物理化學控制因素以及沉積物耗氧量（SOD）提供了深入見解。

 

二、研究目的

本研究的主要目的包括：

 

區分生物與非生物過程的作用：通過對比新鮮和成熟FFT在受控實驗室條件下的演化，明確微生物活動與純化學反應在尾礦早期成巖過程中各自的貢獻。

量化關鍵物質的通量與梯度：精確測量FFT-工藝影響水（OSPW）界面處溶解氧（O?）和硫化氫（H?S）的擴散通量及濃度梯度，評估沉積物耗氧量（SOD）。

比較不同尾礦的特性：揭示新鮮FFT和成熟FFT在地球化學行為（如硫、鐵循環、甲烷產生）和物理性質（如擴散性）上的差異。

 

支持環境管理與修復：為預測和管理未來將尾礦庫修復為終點湖或濕地過程中的生物地球化學行為提供關鍵參數和概念模型基礎。

 

三、研究思路

研究采用受控實驗室微宇宙實驗與高分辨率原位測量相結合的系統思路：

 

樣品采集與實驗設計：

 

從Syncrude Canada Ltd.的Suncor廠區采集新鮮（STP池）和成熟（P1A池，約38年歷史）FFT及上覆工藝影響水（OSPW）樣品（圖1）。

 

建立2x2因子設計的微宇宙系統，比較兩種FFT材料在：（a）有氧（Oxic）與缺氧（Anoxic）大氣條件；（b）生物活性（Biotic）與滅菌非生物（Abiotic）條件下的演化。實驗持續52周，定期取樣（第2、4、8、16、32、52周）。

 

高分辨率原位測量：

 

使用丹麥Unisense微電極系統測量FFT-OSPW界面垂直剖面的溶解氧（O?）、硫化氫（H?S）、pH和氧化還原電位（Eh），空間分辨率達毫米/亞毫米級。

 

使用Unisense擴散傳感器測量表觀擴散系數，并應用菲克第一定律計算O?和H?S的擴散通量。

 

離線樣品分析：

 

分析FFT的初始化學性質（表2），包括陰離子（SO?2?, Cl?等）、陽離子（Ca, Na, NH??等）和痕量元素（Fe, Mn等）。

 

監測微宇宙頂空中的甲烷（CH?）濃度（圖4）。

 

數據對比與分析：

 

將本研究測量的通量與擴散系數與文獻中其他自然水體（如湖泊、海洋）及另一個尾礦池（WIP）的數據進行對比，評估油砂尾礦的特殊性。

 

通過對比生物與非生物系統、新鮮與成熟FFT的差異，解析物理、化學和生物過程的相對重要性。

 

四、測量數據及研究意義（注明來源）

本研究測量了多類數據，其來源和意義如下：

 

尾礦初始化學性質（來自表2）：

 

數據：提供了新鮮（FRESH）和成熟（AGED）FFT的固體含量、水分、瀝青含量、pH、電導率以及主要離子（如SO?2?, Na?, NH??）和痕量元素（如Fe）的濃度。例如，新鮮FFT的SO?2?濃度（~251 mg L?1）遠高于成熟FFT（~61.4 mg L?1）。

 

研究意義：這些基礎數據揭示了兩種FFT根本的化學差異。成熟FFT較低的SO?2?表明其經歷了更長時間的微生物硫酸鹽還原消耗。高鹽度（高Na?, Cl?）和堿性pH是油砂OSPW的典型特征，為理解其獨特的生物地球化學環境（如硫酸鹽還原潛力、金屬形態）提供了初始背景。

 

物理化學變化的視覺證據（來自圖2和圖3）：

 

 

數據：圖2顯示，在實驗2周后，有氧生物（AGED??BIO）系統中出現赭石色沉淀，表明Fe2?氧化為Fe(III)氫氧化物；而缺氧生物（AGED??BIO）系統呈現黑色，暗示FeS形成。圖3在16周后進一步展示了不同處理（有氧/缺氧，生物/非生物）下FFT顏色和分層結構的顯著差異。

 

研究意義：這些視覺證據直觀地展示了不同氧化還原條件下鐵、硫循環主導的地球化學路徑。有氧條件下的氧化環境利于鐵氧化物形成，而缺氧還原環境則促進硫化鐵沉淀，直接印證了微生物活動驅動的氧化還原分帶現象。

 

溶解氧（DO）與硫化氫（H?S）微剖面與通量（來自正文結果部分，數據匯總于類似表5、表6的文本中）：

 

 

數據：DO在FFT-水界面之下極短距離內（2-3 mm）即被消耗殆盡。計算得出的O?通量在新鮮FFT有氧生物系統中最高（初始7.52 mmol m?2 day?1），并隨時間推移因固結作用而下降；成熟FFT的O?通量相對穩定（~3.20-3.29 mmol m?2 day?1）。H?S僅在缺氧生物系統中檢測到，其通量在成熟FFT中最高（峰值37.6 μmol m?2 day?1），且隨實驗進行因FeS形成而下降。

 

研究意義：這些通量數據直接量化了FFT-水界面的關鍵生物地球化學過程強度。O?的快速消耗和高SOD表明界面存在強烈的耗氧過程（化學氧化和微生物呼吸）。H?S的通量及其隨時間下降的趨勢，證實了硫酸鹽還原活性以及后續硫化物被鐵固定（生成FeS）的過程，揭示了硫在尾礦中的歸宿。

 

甲烷（CH?）頂空濃度（來自圖4）：

 

數據：僅在成熟FFT的缺氧系統中檢測到微量CH?（最高~0.2%），且隨后消失。而非生物對照的成熟FFT中，CH?濃度隨線性增長至13.9%。

 

研究意義：該數據揭示了微生物對甲烷產生的抑制效應。生物系統中CH?的缺失暗示存在厭氧甲烷氧化（AOM）或產甲烷菌被硫酸鹽還原菌（SRB）競爭抑制。而非生物系統中CH?的持續釋放，可能源于FFT孔隙水中殘留CH?在固結過程中的物理逸出，或非生物反應，這突出了微生物群落對溫室氣體（CH?）排放的關鍵控制作用。

 

表觀擴散系數（來自正文結果部分，數據匯總于類似表4的文本中）：

 

數據：新鮮FFT的表觀擴散系數（~2.11-2.21 × 10?? cm2 s?1）高于成熟FFT（~0.756-1.61 × 10?? cm2 s?1）。

 

研究意義：擴散系數的差異反映了FFT物理結構（如孔隙度、固結程度）隨時間的演變。新鮮FFT更“疏松”，利于溶質擴散；成熟FFT因長期固結而更“致密”，擴散能力降低。這是影響所有溶質（O?, H?S, 營養鹽）遷移和反應速率的關鍵物理參數。

 

五、研究結論

本研究主要結論如下：

 

生物過程主導地球化學演化：微生物活動（硫酸鹽還原、鐵還原、甲烷循環）是驅動FFT中物理化學梯度（O?, H?S, Eh）形成和演化的主要力量，非生物過程貢獻相對較小。

尾礦年齡影響地球化學行為：新鮮FFT和成熟FFT表現出顯著差異。成熟FFT具有更低的硫酸鹽、更低的溶質擴散系數和更穩定的O?通量，反映了長期老化（固結、微生物群落演替）的影響。

硫、鐵、碳循環緊密耦合：H?S的產生及其后續與活性鐵反應生成FeS，是FFT中硫的主要歸宿。這種耦合作用有效固定了硫化物，可能是一種自我限制機制，降低了其向環境釋放的風險。甲烷的產生則受到硫酸鹽還原的強烈抑制（或存在AOM）。

擴散通量具有獨特性與可比性：FFT中的O?和H?S擴散通量低于許多高生產力的天然水生系統，但與某些淡水湖泊相似。不同尾礦池（WIP, FRESH, AGED）的通量存在差異，表明其特性并非均一，管理策略需因地制宜。

 

對修復的啟示：FFT中存在的微生物介導的自我限制機制（如硫化物固定、甲烷氧化）可能有利于其長期穩定性。然而，任何修復措施（如添加改良劑）都需謹慎評估，以免破壞這種微妙平衡，導致不良物質（如H?S, CH?）的釋放。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的研究意義（詳細解讀）

本研究使用丹麥Unisense微電極系統獲得的數據具有至關重要的研究意義：

 

實現界面過程的高分辨率原位量化：Unisense電極的毫米/亞毫米級空間分辨率，使得能夠精確描繪FFT-水界面處極陡的化學梯度（如O?在2-3 mm內耗盡）。這種高分辨率測量是準確計算擴散通量的前提，避免了傳統分層取樣帶來的擾動和空間平均效應，獲得了更真實的界面過程圖像。

精確計算關鍵通量，評估環境負荷：基于微電極測量的濃度梯度（dC/dx）和同步測得的FFT特異性表觀擴散系數（D），通過菲克第一定律直接計算出O?消耗通量（SOD）和H?S產生通量。這些通量值是評估尾礦庫對上覆水體氧化狀態影響（SOD）以及潛在毒性物質（H?S）釋放風險的核心定量指標，為環境模型提供了關鍵參數。

區分物理與生物控制因素：通過對比生物系統和非生物（滅菌）系統的微剖面，Unisense數據幫助剝離了物理過程（擴散、吸附）和生物過程（微生物呼吸、硫酸鹽還原）對溶質分布的相對貢獻。例如，O?在生物系統中更淺的滲透深度直接證明了生物耗氧（BOD）的主導作用。

揭示地球化學空間分帶與過程耦合：O?和H?S的微剖面共同刻畫了FFT中清晰的氧化還原分帶序列：極薄的有氧表層之下，迅速過渡到缺氧區，并伴隨H?S的產生。H?S的出現深度和濃度與硫酸鹽還原活性相關，而其峰值后的下降則暗示了與鐵耦合的沉淀反應（FeS形成）。這種高分辨率的空間信息是理解“硫-鐵”等元素耦合循環機制的直接證據。

監測長期動態與演化趨勢：在52周的實驗期內，定期進行微電極測量，得以捕捉界面地球化學條件的時序變化。例如，觀察到H?S通量隨時間的下降，這與FeS礦化的積累過程相吻合，為了解尾礦老化過程中的地球化學演化提供了動態視角。

 

技術優勢支撐研究可靠性：Unisense電極的原位、實時、高精度測量，最大限度地減少了對脆弱FFT樣品的擾動，確保了所獲數據的準確性，為研究結論提供了堅實的技術支撐。

 

總之，丹麥Unisense電極數據不僅是獲取高精度化學濃度值的工具，更是解析油砂尾礦中微觀生物地球化學過程機理的“探針”。它將宏觀的通量現象與微觀的界面反應和物理結構聯系起來，極大地增強了對尾礦環境行為預測和能力評估的科學性和準確性，對尾礦庫的管理和修復規劃具有重要的指導價值。