大冶銅綠山礦給排水方案的優化設計

梅 明，胡桂周，魏 陽，郭兆云，王 默

(1.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北武漢 430074；2.大冶有色金屬有限責任公司，湖北大冶 435100)

0 引 言

大冶銅綠山礦是長江中下游重要的金屬礦山之一，始建于20世紀60年代，屬大型國有采選聯合企業，其礦山生產過程中工業廢水長期大量排放對周邊水環境造成了較為深遠的影響.同時，由于區內礦產資源豐富，流域工礦企業眾多，生產廢水的大量集中排放，導致納污水體大冶湖污染嚴重[1-4].近年來，有關大冶湖污染的報道屢見不鮮，不同學科領域的學者對大冶湖流域水環境污染的現狀、原因等展開了不同程度的調查和研究，調查研究認為大冶湖流域工礦企業廢水長期大量外排是造成大冶湖污染的主要原因之一，流域水污染防治必須采取有針對性的綜合治理措施，以修復和改善污染嚴重的大冶湖生態環境[1-8].銅綠山礦為該流域的大型礦山，其礦山周邊環境問題同樣引起了廣泛的關注，有關其環境地球化學效應的研究較多，集中于污染現狀調查并討論其形成的原因和機制[9-14]，但很少就其不利的環境效應展開深入的工程實踐研究，難以切實預防和緩解礦山長期生產過程中導致的不良水環境問題.

鑒于大冶湖流域水環境污染狀況，隨著流域經濟的發展，可以預料流域將面臨日趨嚴重的大冶湖水環境污染問題，工礦企業的發展也將遇到前所未有的環境瓶頸.銅綠山礦為該流域的大型礦山，無論是從社會、環境效益還是從自身的可持續發展考慮，都必須推行水資源高效利用的循環經濟發展模式.筆者在對大港河納污條件初步調查的基礎上，討論造成大港河水環境污染的原因，并將深入調查和剖析銅綠山礦現有給排水系統，找出其長期沿用的給排水系統存在的主要問題，在充分考慮納污水體污染狀況的前提下，闡述銅綠山礦生產廢水源頭控制的工程對策，提出有利于水環境保護的優化方案.為確保推薦方案技術先進，經濟合理可行，并能夠緩解和改善流域水環境，推薦方案的研制以清潔生產與循環經濟的理念為指導，最大限度地提高銅綠山礦廢水重復利用率，實現水資源高效利用，源頭削減廢水及其有毒有害污染物的排放量，達到預防和緩解長期困擾該礦的水環境污染問題，最終實現社會效益、經濟效益和環境效益的統一，實現銅綠山礦建設的可持續發展.

1 工程概況

銅綠山礦位于大冶城區西南約3 km，行政隸屬大冶市金湖街道辦事處管轄，礦床含銅、鐵、金、銀等多種金屬，儲量大、品位高、可選性好.1971年正式投產，產品方案為銅精礦和鐵精礦，銅精礦含金和銀.現有工程主要由采礦、選礦、尾礦庫以及公用輔助等工程組成.前期采礦以露天為主，中期露天和坑內聯合開采，由于淺部礦產資源枯竭，目前轉入對深部隱伏礦體的采掘.選廠位于礦區南向，包括破篩車間、磨浮車間、脫水車間、精礦倉等，主要工序為破碎、球磨、分級、浮選、磁選、脫水等.因采礦規模限制，目前選廠規模2 500 t/d，2010年礦山接替資源勘查獲得XI1礦體，預計采選規模將擴大到4 500 t/d.除分級尾砂濃縮后作為充填料充填采空區外，其它全部經輸砂管道排入尾礦庫，該庫東臨大港河，四面圍壩而成，長1 km，寬0.7 km，壩頂標高37.0 m，總壩高23.0 m，總面積約為0.6 km2，匯水面積約0.56 km2，總庫容約1.6×107m3，防洪標準為興水重現期100年，調洪高度為0.7 m，安全超高0.5 m，調洪庫容為1.5×105m3.采用管架法水力堆放尾砂漿，堆放點分布在尾礦庫西部，北部形成水域，東南角有泄洪鐵管兩根(?800)，東北角有溢流井，配套有回水設施，過剩尾水和匯集雨水通過排水管排入大港河.

2 納污水體條件

大港河發源于大冶市靈鄉鎮紅峰水庫，主源于靈鄉以南的朱謝灣，全長34.5 km，積水面積571 km2，在大冶市炕頭橋南村入大冶湖.論文大港河納污條件調查范圍為銅綠山礦尾礦庫排污口區域，主要集中于大港河銅綠山鎮、大冶市區，匯入該河段重要湖泊有三里七湖和紅星湖.三里七湖位于河段上游，接納大冶有色金屬冶煉廠、大冶鐵礦、松山、炭山、秀山等煤礦、大冶電廠、化工廠等生產廢水和大冶市部分居民生活污水，在東南角由閘口匯入大港河.紅星湖位于大冶市區東南角，接納大冶市絕大多數的生活污水，在南部青龍山公園處由水閘與大港河聯通[14].賀躍、胡艷華等[14]測試了大港河調查河段水系沉積物中重金屬含量、磁化率和粒度等指標，認為大港河水系沉積物中重金屬富集明顯，并確認區域礦山開采活動為大港河沉積物中重金屬的主要來源之一.2011年5月對大港河調查河段進行了為期3天的連續監測，調查根據河段水文特征，圍繞總排污口設置了3個監測斷面，具體監測斷面布置情況見圖1.

圖1 大港河水環境監測斷面布置圖Fig.1 Water environment monitoring section arrangement of Dagang River

根據各監測點位連續3天的監測數據，按照《環境影響評價技術導則-地面水環境》(HJ/T 2.3-93)推薦的標準指數法要求統計分析，結果見表1.

根據表1統計數據顯示，大港河背景斷面所有檢出水質參數的單因子指數均小于1，重金屬水

質參數均未檢出，大港河紅旗渠段水質良好.大港河控制斷面重金屬水質參數也均未檢出，但化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)、NH3-N出現不同程度的超標現象，超標率100%，平均值和最大值的單因子指數分別為COD(1.775，1.81)，NH3-N(4.57，4.65)，大港河大冶湖三橋段水質較差.從該河段流經區域分析，最大可能為接納了區域生活污水，生活污水是造成該河段COD、NH3-N污染因子超標的直接原因，應對區域生活污水采取干管截流集中治理措施.大港河削減斷面COD、NH3-N值依然有超標現象，但相對控制斷面有所衰減，COD和NH3-N最大值的單因子指數均為1.01，超標率分別為50%和33.3%，超標不明顯，重金屬As檢出雖未超標，但平均值和最大值的單因子指數分別為0.7和0.84，表現出的環境容量接近飽和，有超標趨勢，且重金屬As環境危害程度大，應對區域排入大港河含As污染因子的污染源采取綜合治理措施.

3 給排水概況

3.1 給水系統概況

銅綠山礦經多年建設，形成了較完善的給水系統，能夠滿足礦山生產各用水單元對水質、水量和水壓的要求.水源采用多水源供水，地面水源大港河，由水泵站直接揚送到礦區高位新水池，地下水源坑涌水，正常涌水量4 500 m3/d，最大涌水量8 000 m3/d，坑內水倉匯集儲水后，接力提升，最終由-365 m中段水泵房揚送到礦區沉淀池，因水質較好，簡單沉淀澄清后可滿足生產用水對水質的要求.為提高水重復利用率，尾礦庫設有回水系統，實現了尾礦庫污水資源化.礦區主要給水處理

表1 大港河水環境質量統計分析結果Table 1 Statistic analysis results of water environment quality of Dagang River

注：單位：mg/L、pH無量綱，采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)III類標準.L為檢出限.

構筑物(1 000 m3沉淀池)，輸配水構筑物(2 000 m3高位調節池)和相當規模的枝狀管網構成了礦區完整的生產給水系統，能夠滿足礦山現階段各生產單元的用水要求.同時，礦區臨近大冶市，區位條件較好，礦區生活用水基本實現了市政管網供水.

3.2 排水系統概況

銅綠山礦坑內排水采用各中段接力的排水方式，最終由-365 m中段水泵房提升后排入礦區管渠系統，再轉入尾砂漿輸送管道排入尾礦庫.選廠精礦脫水產生的銅精溢流水和鐵精溢流水車間混凝沉淀處理后全部回用，能夠保證部分選礦廢水重復利用，尾水隨尾砂漿直接輸送至尾礦庫.礦區生活污水尚未落實相應的處理措施，暫時經排水管渠收集后排入尾礦庫.尾礦庫是該礦排水系統中類似穩定塘功能的中心水處理構筑物，其接納排入的坑口廢水、選礦廢水和生活污水，形成了以尾礦庫為匯的合流制排水系統，尾礦庫接納的廢水經自然凈化后部分回用、少量耗損，其余最終排

入大港河.

現有排水系統方案具體見圖2.

圖2 現有排水系統方案圖Fig.2 Schematic drawing of existing drainage system

3.3 水平衡測試

為掌握企業內各用水單元對水量的要求，需根據企業給排水管網布設做好水平衡測試，并繪制好水平衡圖.同時，根據水平衡測試結果可以剖析企業是否具有提高水重復利用率，實現水資源高效利用的可能性，在此基礎上方能合理提出科學用水和減少排污量等改造方案.因此，筆者對銅綠山礦現有工程各用水單元進行水平衡測試，根據測試結果，繪制水量平衡圖，為后續問題的提出和方案的改造設計提供數據參考.

現有工程水平衡測試結果見表2，水平衡圖見圖3.

3.4 存在的問題

根據銅綠山礦給排水系統調查和水平衡測試分析，現有給排水系統主要存在以下5個方面的問題.

a. 銅綠山礦露天開采基本結束，因前期露天開采涌水量小，生產用水需要從大港河取水.由于淺部礦產資源枯竭，今后將以深部采礦為主，深部涌水量大，水質好、水量穩定，實現礦山涌水資源化，能夠滿足生產用水要求，并能源頭削減排污量.礦山至今仍沿用原有大港河取水系統，增加了運行管理費用，降低了水重復利用率，增大了排污量，不利于水環境保護.

b. 銅綠山礦現有排水制度采用以尾礦庫為匯的合流制排水方式，尾礦庫接納采礦廢水、選礦廢水和生活污水，導致庫內混合污水水質成分和性質復雜化，污水自然凈化難度增大，在庫內有限的自然凈化周期內其出水水質相對較差，難以滿足生產工藝用水水質要求，不利于尾礦庫污水資源化，水重復利用率也難以達到較高的指標要求.

c. 尾礦庫直接接納未處理的生活污水，導致尾礦庫有機污染負荷增大.同時，預計該礦采選規模擴大后廢水排入尾礦庫的量將大幅度增加，特別是深部掘進，揭露面積增大，涌水量也將大幅度增加，均排入尾礦庫，尾礦庫的水力負荷增大，庫內污水難以做到有效的控制出流，采用連續出流，則污水水力停留時間縮短，出水水質難以滿足穩定達標的排放要求.

d. 根據水平衡測試，礦山深部采掘涌水量大，在確保選礦廢水優先回用的前提下，少量涌水資源化就能滿足礦山生產各用水單元對水量的要求，仍有大量富余，匯流排入尾礦庫，在尾礦庫污水回用量有限的情況下，必將導致尾礦庫污水過剩外排，因污水受尾水惡化，成分復雜，污染較重，攜帶排放不利于水環境保護.

表2 水平衡測試結果表Table 2 Results table of water balance test

注：①坑口廢水(涌水和回水形成的混合水)混凝沉淀處理后回用總量；②水平衡測試中各用水單元輸入輸出測試結果差值計為耗損水量.

e. 尾礦庫是礦山生產活動中最主要的潛在風險源之一，必須采取綜合的防范措施.銅綠山尾礦庫除接納選礦尾水，還另行接納了坑口廢水，隨著采掘深度增加，揭露面積增大，涌水量增大，同時采選規模擴大后排入尾礦庫的廢水量也將大幅度增加，因尾礦庫容積負荷有限，接納大量的坑口廢水，安全和環境風險將大幅增加.

4 優化設計方案

4.1 優化設計原則

a. 根據銅綠山礦“十二五”規劃，立足礦山建設發展全局，統一規劃和設計，在滿足礦山近期需要的同時，也能適應今后發展的要求.

b. 綜合考慮礦山原有給排水系統設施條件，并妥善處理好原有給排水系統設施與改造方案的銜接利用關系.

圖3 現有工程水平衡圖(m3/d)Fig.3 Water balance figure of existing engineering(m3/d)

c. 應力求做到設計方案技術先進，經濟合理，安全適用，并通過技術經濟論證綜合決策，確定最佳優化設計方案.

d. 綜合平衡，提高選礦廢水重復利用率，力求實現廢水閉路回用，最大限度將廢水分配和消納于各級生產工序中，實現水資源的高效利用.

e. 根據污水資源化要求和納污水體條件，不宜沿用合流制系統，宜采用分質分流、清污分流的管渠系統單獨排除，滿足水環境保護要求.

f. 妥善處理好開發天然水資源與涌水資源化的關系，妥善處理好污水排放與回用的關系，最終應有利于礦山建設的可持續發展.

4.2 給水系統方案

對礦區給水系統進行優化改造，主要改造內容為優先回用精礦溢流水和尾礦庫污水，并適當利用涌水補充耗損水量，可以滿足礦山生產各用水單元對水量的要求，停用但仍保留原大港河新鮮水系統，當尾礦庫回水系統故障或涌水發生突變時，能沿用新鮮水系統，確保礦山生產用水安全.鑒于采掘行業對生產用水水質要求不高的特點，混凝沉淀后的精礦回水和自然凈化后的尾礦庫回水均能滿足礦山生產工藝用水水質要求.同時，選礦廢水廠內少量混凝回用和尾礦庫自然凈化回用可以控制廢水因全部廠內多次重復使用造成水質惡化的情況，適當比例的尾礦庫自然凈化回用能夠有效預防水質惡化而影響重復使用.因此，選礦廢水“兩級”全部回用具有技術可行性.給水系統改造所需設施均可沿用原有，只需適當提高尾礦庫污水回用系統回水能力即可.

4.3 排水系統方案

對礦區排水系統進行優化改造，將以尾礦庫為匯的合流制系統改為分流制系統.主要改造內容為選礦廢水除廠內精礦溢流水混凝后全部回用外，其余均隨尾砂排入尾礦庫，尾礦庫除接納選礦廢水外不再另行接納坑口廢水和生活污水.尾礦庫接納的選礦廢水經自然凈化后通過尾礦庫回水設施全部回用，尾礦庫不再設置為全礦總排污口，只設置臨時泄洪排水管渠.礦區另建一套排水系統，該排水系統接納相應處理后的過剩坑口廢水和生活污水經總排污口排入大港河.排水系統優化設計后礦區可以達到“雨污分流”、“清污分流”、“分質處理”、“一水多用”的環境保護要求，可以實現選礦廢水和尾礦庫污水全部回用，避免了因其它廢水排入尾礦庫導致尾礦庫污水不能全部回用外排的現象.雖然不可避免的通過其它排水管渠外排礦區其它廢水，但相應處理后排放的坑口廢水和生活污水水質較好，遠小于尾礦庫接納礦區所有廢水混合排放造成的環境影響，環境正效益更明顯，具有顯著的環境可行性.現有尾礦庫建有尾礦庫污水回水系統，能夠滿足尾礦庫污水全部回用的要求，同時本改造設計只需新增一套排水管渠系統，在礦區現有排水系統基礎上優化改造設計，易實現且工程建設投資費用較低，具有一定的經濟可行性.

排水系統優化設計方案具體見圖4.

圖4 排水系統優化設計方案Fig.4 Optimization design of drainage system

4.4 水平衡方案

根據企業水平衡測試獲知的各用水單元對水質、水量的要求，在考慮最大限度提高企業水重復利用率，實現水資源高效利用和源頭削減排污量的原則下，按照論文提出的給排水系統優化設計方案，做好給排水系統優化設計后的水平衡方案，并繪制水平衡方案圖，為優化設計方案新增并確定水處理構筑物規模、水泵等設備選型、管網改造和管渠設計等提供基礎參考數據.

優化水平衡方案見表3，水平衡方案圖見圖5.

5 方案效益分析

根據水平衡測試數據和優化水平衡方案數據，匯總統計兩種不同方案的用水量指標，重復利用率指標，污水排放量及其污染物濃度、總量指標，統計結果見表4.由表4結果顯示，推薦設計方案新水用量減少了684 m3/d，污水排放量削減了647 m3/d，全礦水重復利用率提高了11.9%，選礦廢水重復利用率提高了13.3%，尾礦庫污水回用率提高到98.8%，實現了選礦廢水串聯使用，完全消納，實現了水資源的高效利用.雖然該表顯示的主要污染物SS、COD、NH3-N等削減量不明顯，也尚不能反映重金屬等微量污染物削減效果，但完全消納水質成分復雜，水環境影響較大的選礦廢水，代替排放成分簡單的坑口水和生活污水，環境效益明顯.

6 結 語

銅綠山礦長期沿用以尾礦庫為匯的合流制排水系統，筆者通過系統調查認為其不利于尾礦庫污水資源化，降低了水資源重復利用率，增大了排污量，削弱了尾礦庫自然凈化效果，加劇了尾礦庫安全和環境風險，不利于流域水環境保護.為預防和緩解大冶湖流域日益突出的水環境污染問題，論文在對銅綠山礦現有給排水系統深入調查和水平衡測試的基礎上，對銅綠山礦長期沿用的給排水系統進行了適當的優化調整探討，提出了技術經濟可行的優化設計方案，環境效益對比數據表明：該優化設計方案提高了水資源的重復利用率，實現了水資源的高效利用，源頭削減了廢水及其有毒有害污染物的排放量，環境效益明顯，能為銅綠山礦現有給排水系統的調整改造提供科學指導，對實現銅綠山礦建設的可持續發展具有重要意義.同時，也能為類似工礦企業的給排水工程優化設計或調整改造提供重要參考.

表3 優化水平衡方案表Table 3 Scheme table of optimization water balance

注：①坑口廢水混凝沉淀處理后估算回用總量；②水平衡優化方案中各用水單元估算耗損水量.

圖5 優化水平衡方案圖(m3/d)Fig.5 Schematic drawing of optimization water balance(m3/d)

序號Q水量(m3/d)/利用率指標污染物指標方案編號F1①F2②方案編號F1F21總用水量16 59016 590污染因子C1③M1④C2⑤M22新水用量⑥1 194510pH7.84693重復利用水量12 89614 872SS2542.662435.844重復利用率77.7%89.6%COD18.731.9120.630.765循環利用水量2 2662 266NH3-N0.591.010.731.096循環利用率14%14%硫化物0.02 L0.02 L7坑口水利用量2 5001 208總銅0.004 L0.004 L8坑口水利用率47%22.7%總鋅0.05 L0.05 L9選礦廢水重復利用量<10 630⑦12 606總鎘0.009 L0.009 L10選礦廢水重復利用率<71.7%85%總鉛0.05 L0.05 L11尾礦庫廢水重復利用量5 6307 606總砷0.007 L0.007 L12尾礦庫廢水重復利用率51.5%98.8%Cr6+0.004 L0.004 L13QP排污量5 1714 524

注：①原有設計方案；②優化設計方案；③污染物實測排放濃度(mg/L)；④污染物年排放量(t/a)；⑤采用權重法估算的濃度(mg/L)；⑥新水量未統計坑口水利用量；⑦尾礦庫回水為混合污水.

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