污水处理厂工艺运行分析及模拟优化技术研究——以沈阳北部污水处理厂为例

2002年12月，国家环保总局颁布了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，对我国城镇污水处理厂的出水水质，尤其是对出水的氮、磷指标提出了更加严格的要求。这不仅对污水处理厂的工艺设计提出了挑战，而且对其运行工艺提出了更高要求，因此污水处理厂面临着进行工艺优化及达标改造以满足新的污水排放标准的问题。 本文以沈阳北部污水处理厂为研究对象，结合国际水质协会（IWA）开发推荐的活性污泥模型(ASM2D)，按照设备评估和分析、数据收集和分析、活性污泥模型的设计和校正、方案评估及改造建议4个阶段对该污水处理厂进行了工艺优化分析及模拟优化技术研究，并运用收集到的原始数据对活性污泥模型（ASM2D）进行了校正。随后，在模型校正成功基础上，对北部污水处理厂三种可能的污水设计处理工艺（A2/O工艺、5段式 Bardenpho工艺、组合工艺）进行了预测及筛选，选定了组合工艺作为北部污水处理厂的最佳脱氮除磷改造方案，确保了沈阳北部污水处理厂污水排放稳定达标。同时，为沈阳市其它城市污水处理厂的污水排放达标改造提供了借鉴。 该研究对提高城市污水处理厂设计和运行管理水平，减少投资和运行成本，提高处理效果，逐渐缩小我国在模型研究和应用方面与国外的差距，在实际应用方面及理论研究方面都具有重要意义。

锡成矿与A型花岗岩关系的地球化学研究——以湖南芙蓉锡矿田为例

湖南芙蓉超大型锡矿田位于湘南千里山－骑田岭地区南西部，骑田岭花岗岩体南部。该矿田是郴州－蓝山北东向W-Sn-Pb-Zn成矿代的重要组成部分。本论文在深入细致的野外地质工作基础上，选取有代表性的样品，首先进行了系统的显微鉴定、流体包裹体观察等，然后通过同位素年代学、微量元素、稀土元素和稳定同位素同位素（S、Pb、稀有气体）对比研究，探讨了矿田的成矿物质来源、成矿流体来源及骑田岭A型花岗岩岩浆活动与成矿的关系。最后初步建立了矿田的成矿理论机制。论文取得的主要认识如下： （1）芙蓉锡矿田是新近发现的一个与骑田岭花岗岩有关的超大型锡矿田。该矿田具有有利的成矿地质背景，其规模超大、Sn品位高、找矿潜力大。该矿田所赋存的骑田岭花岗岩样品投影点都落入A2亚类花岗岩范围内，是至今为止发现的与A型花岗岩有关（目前对该种新型锡矿类型研究还较少）的一个罕见的超大型锡矿田。 （2）芙蓉超单元岩体成岩同位素年龄大都在151～160Ma左右，该单元与成矿有关的岩体同位素年龄大都在136～160Ma，本文最新研究则表明芙蓉锡矿田主成矿期为150～160Ma。该矿区成岩与成矿时间比较吻合，正处于我国东南部中生代大规模的陆内岩石圈拉张和伸展，南北向构造体制向东西向的另一个构造体制转换，从而造成我国东南部成矿大爆发的独特地质背景时期。 （3）成矿物质、成矿流体多来源：矿田矿石硫化物流体包裹体的He同位素地球化学研究结果表明，该矿田成矿流体具壳幔两端员混合的特征，其中壳源组分主要由矿区骑田岭花岗岩提供，而幔源组分则可能与华南中生代大规模的地幔物质上涌、岩石圈发生拉张、伸展作用有关；Pb同位素组成表明，芙蓉超大型锡矿田成矿流体中的铅主要来源于上地壳，主要由矿区骑田岭A型花岗岩的岩浆热液提供；S同位素组成表明，该矿田成矿流体中的硫非单一的骑田岭花岗岩岩浆来源，同时有地层硫、生物硫及地幔硫等多种来源硫的混入；岩石、矿石及矿石硫化物的REE地球化学研究结果也进一步表明，在骑田岭花岗岩的岩浆热液作用阶段，岩石圈发生拉张、伸展作用产生的多期次的高温热液参与了矿田的成矿作用。 （4）成矿流体非均一化：矿石的REE地球化学以及S、He同位素组成分布特征表明，该矿田成矿流体均一化程度不完全。 （5）构造、岩浆岩及骑田岭花岗岩与成矿存在密切的关系：芙蓉锡矿田的构造控矿模式是邵阳－郴州断裂及炎陵－郴州－蓝山断裂为深源成矿物质的上涌提供了通道，郴州－临武大断裂为含矿流体的贯入提供了通道，而骑田岭矿区内发育的大小褶皱及断裂为矿质提供了储存空间，并直接控制了矿体的形成和分布；燕山期大规模、多期次的岩浆活动，及区内广泛分布的中酸性花岗岩类与该区Sn、Pb、Zn等有色金属成矿关系密切；区域大面积骑田岭A型花岗岩不仅在时空上与该区成矿密切相关，而且在成矿过程中起到了提供主要成矿物质、成矿流体等重要作用。 （6）初步建立了矿田成矿机制：在骑田岭岩体的岩浆作用阶段，由于中生代华南地幔物质上涌、岩石圈发生拉张、伸展作用，使幔源岩浆上侵，并在这个过程中导致对地壳物质的同化，形成了壳幔混合流体。骑田岭花岗岩岩体冷却，高的K、U、Th含量导致高的热产率，岩体内及围岩中发育的大断裂和小裂隙及围岩中丰富的水，都十分有利于岩浆侵位后数百万年的热液对流循环，形成广泛的蚀变和成矿作用，而芙蓉锡矿田的成矿流体可能就是这种在岩浆作用阶段已发生过壳幔混合的岩浆流体所分异出来的可能混合了浅源流体（包括雨水源、地下水源等）的热液流体。

湖南芙蓉锡多金属矿床成矿流体地球化学研究

锡的分布和成矿作用通常与花岗岩浆作用具有十分密切的联系。以往研究表明锡矿化与高度分异的S型花岗岩或陆壳改造型花岗岩具有密切的成因联系，但近年来随着大量与A型花岗岩有关的锡矿床的发现，人们开始关注A型花岗岩与锡成矿关系的研究。相对于与S型花岗岩有关的锡矿床来说，与A型花岗岩有关的锡矿床成成矿机理的研究积累少，研究程度相对较低。 湘南地区位于南岭多金属成矿带中部，是我国华南地区重要的有色金属成矿带。近年来在该成矿带上新发现的芙蓉超大型锡多金属矿床为世界瞩目，该矿床的形成与骑田岭花岗岩具有密切的时空关系。近年来研究显示骑田岭花岗岩具有A型花岗岩的特征。本文以芙蓉超大型锡多金属矿床和相关的骑田岭岩体为研究对象，在前人研究的基础上，运用岩石学、矿物学、流体包裹体、微量元素和稳定同位素地球化学等理论和方法，对芙蓉锡矿成矿流体的地球化学特征及其演化机制进行了系统的研究，并在此基础上探讨了骑田岭花岗岩体与芙蓉锡矿间的成因联系和芙蓉锡矿的成因机制。论文取得的主要认识包括以下几个方面： 1. 运用矿物学、岩石化学、微量元素地球化学以及同位素地球化学方法，进一步证实了骑田岭花岗岩体具有A型花岗岩的特征，总体具有偏铝质-弱过铝质、高硅富碱高钾的地球化学特征，早晚两期花岗岩具有同源岩浆演化特征，属于A2型花岗岩。同位素地球化学数据显示花岗岩体具有EMII型富集地幔的特征，形成于华南大陆地壳拉张减薄的构造环境，成岩过程中有地幔物质加入。 2. 通过对矿石矿物组构和成分的岩矿鉴定、扫描电镜和电子探针分析，确定了芙蓉锡多金属矿床原生夕卡岩形成于较氧化的环境，成岩作用主要与早期侵入的角闪石黑云母花岗岩密切相关，锡主要以Sn(IV)进入夕卡岩的造岩矿物晶体内。退蚀变夕卡岩、云英岩和蚀变花岗岩矿化为锡成矿主阶段，三种矿化类型的成矿流体具有相似的地球化学性质，即富Cl、Ti和Sn的特征，而锡石硫化物型矿石形成于成矿晚阶段。 3. 运用流体包裹体地球化学理论和方法以及激光拉曼分析技术，揭示了芙蓉锡矿的成矿流体组成、形成的物理化学条件和演化特征。芙蓉锡多金属矿田成矿流体为CO2-CH4-CaCl2- NaCl-KCl不混溶体系，成矿过程中发生流体不混溶作用。芙蓉锡矿成矿流体盐度为0~50.63 wt%NaCl eq.，密度为0.31~1.12g/cm3，主成矿阶段热液流体的均一温度主要集中在300-450℃，流体压力为179-1800bar，成矿晚阶段锡石硫化物型矿石中均一温度主要集中在150~300℃，流体压力为400-600bar。成矿流体特别是主成矿阶段的流体成矿过程中普遍发生了沸腾现象。从主成矿阶段到成矿晚阶段、矿化期后，热液流体盐度呈降低的趋势，流体成分也从含CO2、CH4的CaCl2-NaCl-KCl-H2O水溶液体系转化为不含CO2的简单NaCl-KCl-H2O水溶液体系。 4. 通过分析主要矿化类型矿石中脉石矿物的稀土元素和稳定同位素特征，揭示了成矿流体来源。研究表明芙蓉矿床成矿期热液脉石矿物的稀土元素地球化学和稳定同位素地球化学显示了与本区花岗岩具明显的相似性，骑田岭黑云母花岗岩形成过程中分异出的岩浆期后热液应是芙蓉矿床成矿流体的主要来源，成矿过程中有少量经过深循环的大气降水加入。 5. 在总结前人研究成果的基础上，综合上述研究，探讨了骑田岭花岗岩体与芙蓉锡矿间的成因联系和芙蓉锡矿的成因机制。本文认为骑田岭岩体中黑云母花岗岩与Sn成矿具有密切的成因联系，芙蓉锡矿田的成矿流体主要来源于黑云母花岗岩岩浆结晶期后分异出的富Cl和Sn的热液流体。芙蓉锡矿成矿流体中锡主要呈Sn(II)与氯离子形成亚锡氯络合物进行迁移，低温的大气降水与高温的岩浆热液流体混合，导致流体体系温度、盐度、压力的降低和富CO2相流体的分离（CO2去气作用），流体的氧逸度升高，使得Sn(II)与氯离子形成亚锡氯络合物解体，Sn(II)被氧化成SnO2并发生沉淀作用。这种流体的混合作用是导致锡石沉淀的最有效的机制。

香花岭锡多金属矿床同位素年代学及地球化学

华南地区中生代地壳拉张、岩石圈伸展减薄与大规模成岩成矿作用的时代分布格局和地球动力学背景一直是国内外关注的重要科学问题。富碱侵入岩及其有关的成矿作用是伸展构造的直接表现之一。近年来的研究发现，南岭中段花山－西山－香花岭－骑田岭NE向的花岗岩带为一中晚侏罗世形成的具有高εNd(t)和低Nd模式年龄的富碱侵入岩带，并伴有大规模的钨锡多金属成矿作用，是研究大规模地壳拉张、岩石圈伸展减薄与该区大规模的钨锡多金属成矿作用的耦合关系及其深部动力学机制的理想对象。本文以香花岭地区花岗岩及其有关的钨锡多金属矿床为研究对象，运用岩石学、元素地球化学、同位素地球化学等方法手段，对香花岭矿区花岗岩的成因和形成构造环境、成矿物质与成矿流体的来源、成矿年代学及成岩成矿的地球动力学背景等方面进行了系统研究，并初步建立了该矿的成矿模式。论文主要获得以下认识： （1）通过对香花岭矿区癞子岭和尖峰岭岩体的主、微量元素及Sr、Nd同位素研究，查明上述两个岩体均具有高硅、富碱及成矿元素，富LILE及Zr、Ga等部分高场强元素(HFSE)，贫Ca、Mg，P，Eu，较高的εNd及较低的Nd模式年龄等特征，具有相同的岩浆源区，属于后造山背景下形成的铝质A型花岗岩（A2型），具有壳、幔混合来源。 （2）利用白云母Ar-Ar同位素定年手段对香花岭锡多金属矿床、香花铺钨多金属矿床及尖峰岭云英岩型锡多金属矿床进行了成矿年代学研究，并首次对该矿的矿石矿物－锡石进行了U-Pb同位素定年。结果表明，香花岭地区钨锡多金属矿床的成矿时限为154-161 Ma，与矿区花岗岩黑云母K-Ar年龄相一致，并与区域主要钨锡矿床的形成时间一致。 （3）微量元素、稀土元素及同位素地球化学的研究表明，香花岭锡多金属矿床与矿区花岗岩具有密切的成因联系，矿区花岗岩不仅为该区成矿作用提供热动力和介质条件，而且为成矿作用提供了主要的物源。此外，矿区内的赋矿地层可能提供了部分成矿物质。早期成矿流体以岩浆水为主，晚期有大量大气降水的加入。 （4）对香花岭锡多金属矿床锡的超常富集机制作了初步探讨，认为该区锡的超常富集可能归功于如下几个因素：首先，富含F等挥发分的花岗岩浆高度分异演化出富含挥发分及成矿元素的超临界流体，成矿流体在流经赋矿地层时萃取了其中的部分成矿元素；其次，伴随着围压的不断降低，成矿流体发生了沸腾及连续的去气作用，导致了成矿流体的高度浓缩，当流体达到饱和或过饱和时，成矿元素沉淀成矿；最后，早期形成的矿床进一步受到后期的叠加改造，从而形成该区高品位的锡矿石。 （5）根据上述研究，香花岭锡多金属矿床与矿区花岗岩具有密切的时间、空间及成因联系，二者应为同一构造背景下形成的产物。结合区域上的研究，香花岭矿区的成岩成矿作用与南岭中段同时代的其他钨锡多金属矿床具有相同的地球动力学背景。这种构造背景可能与该区中－晚侏罗世构造体制转换，地壳拉张－岩石圈伸展减薄背景下，软流圈地幔上涌及发生壳、幔相互作用密切相关。 （6）初步建立了香花岭锡多金属矿床的成因模式：在该区中晚侏罗世大规模地壳拉张、岩石圈伸展减薄背景下，地幔物质上涌到中下地壳，发生壳幔相互作用，形成壳幔混合的花岗岩浆。花岗岩浆经充分分异演化，形成富含挥发分和成矿元素的一种具超临界性质的成矿流体。成矿流体在上升过程中随着围压的不断降低，发生了连续的去气作用，使得成矿流体高度浓缩并沿有利的构造部位成矿，并在后期受到改造、叠加等成矿作用，以至于形成了该区最富的锡矿床。

骑田岭A型花岗岩成演过程中流体聚集及其对锡成矿的制约

以往研究表明锡成矿与S型花岗岩具有密切的成因联系。近年来随着大量与A型花岗岩有关的锡矿床的发现，有关锡成矿与A型花岗岩关系的研究成为地学界关注的热点。 芙蓉超大型锡多金属矿床位于我国著名的南岭钨锡多金属成矿带上，锡矿体位于骑田岭A型花岗岩体的内部或者岩体与围岩的内外接触带。成岩成矿年代学研究表明，成岩与成矿为前后相继的地质事件，具有密切的时空关系。本论文以与芙蓉超大型锡多金属矿床有密切时空关系的骑田岭A型花岗岩为研究对象，在详细野外地质调查的基础上，运用岩石学、矿物学、矿物化学、同位素地球化学、流体地球化学等学科的理论和方法，对骑田岭花岗岩的岩石学特征、岩石成因、成岩物理化学条件、岩浆分异的流体特征、挥发性组分特征以及成岩与成矿的关系等方面进行详细的分析，探讨骑田岭花岗岩成岩过程中流体聚集的机制及其对锡成矿的制约，初步揭示A型花岗岩与锡成矿之间的本质联系。本论文主要取得以下成果和认识： （1）通过对与锡矿有关的骑田岭花岗岩体的主量、微量、稀土元素、同位素和花岗岩中黑云母的微量、稀土元素分析研究发现：骑田岭角闪石黑云母花岗岩和黑云母花岗岩为高度分异演化的花岗岩，具有高硅、富铝、富碱、高钾的特征。随着岩体分异演化程度的增加，花岗岩总体向富硅、富碱的方向演化。岩体轻重稀土分异明显，表现为右倾型模式，Eu负异常明显，表现为中等-强烈的负Eu异常。岩体明显富集Rb、Th等大离子亲石元素及Zr、Hf等高场强元素，而亏损Ba、Nb、Sr、P、Ti。骑田岭花岗岩两个阶段岩石有着相似的Sr、Nd同位素特征，揭示其具有相同的物质来源，是同源岩浆演化的产物，为具壳幔混合特征的A2型花岗岩。 （2）对骑田岭花岗岩体矿物学和矿物化学特征、全岩Sn含量分析研究发现：角闪石黑云母花岗岩的结晶温度为774~796℃，氧逸度（logfO2）为-15.30~-15.0。黑云母花岗岩的结晶温度为714~784℃，氧逸度（logfO2）为-17.5~-20.0。随着岩浆的演化，从角闪石黑云母花岗岩到黑云母花岗岩随着结晶温度的降低，氧逸度也随之减小。随着岩浆的演化，岩体中Cl含量不断的减少，而F含量有所增加，Cl趋向分配进入流体相。随着岩浆分异演化程度的增加，岩体成岩温度降低，氧逸度减小，岩体中Sn含量不断的减少，Sn趋向分配进入富Cl流体，表明岩浆演化过程中分异出富Cl、富Sn的流体。 （3）骑田岭花岗岩石英斑晶中的包裹体研究表明：骑田岭角闪石黑云母花岗岩和黑云母花岗岩在岩浆演化过程中经历了两个阶段，即岩浆阶段和岩浆-热液阶段，分别以出现熔融包裹体、流体-熔融包裹体为特征，其中流体-熔融包裹体的出现是岩浆分异流体的直接证据。结合矿物的结构、构造特征，研究发现骑田岭花岗岩浆演化过程分异出流体。骑田岭花岗岩原生流体包裹体地球化学研究表明，岩浆分异出的流体为H2O-CO2-NaCl-KCl-CaCl2不混溶体系，具有盐度高（32.98~52.04Wt%NaCleq.），密度低（0.27~0.95g/cm3），均一温度较高（190~ 494℃）的特征，压力为600~800bar，成岩过程中发生了沸腾现象。 （4）对芙蓉超大型锡矿床和骑田岭花岗岩研究表明，锡矿与花岗岩有着密切的时间、空间和成因联系。矿体产在花岗岩体内部或者岩体与围岩的接触带，成岩与成矿时限一致，随着岩浆分异演化程度的增加，岩体成岩温度降低，氧逸度降低，岩体中的挥发性组分Cl含量减小，而F含量增加，Cl趋向分配进入流体相，这种流体萃取熔体中的成矿元素Sn，并以氯络合物形式迁移。可以认为，随着岩浆的演化，骑田岭花岗岩岩浆结晶期后分异出的热液流体具有富Cl和Sn的特征。芙蓉超大型锡多金属矿床的成矿流体应主要来源于黑云母花岗岩岩浆结晶期后分异出的岩浆热液。