苦咸水、海水在國內外礦業中的應用

閻文慶，朱日來

(1.寧夏盈谷黃金有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.山東黃金蓬萊礦業有限公司，山東 蓬萊 265600)

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苦咸水、海水在國內外礦業中的應用

閻文慶1，朱日來2

(1.寧夏盈谷黃金有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.山東黃金蓬萊礦業有限公司，山東 蓬萊 265600)

礦業開發面臨缺水挑戰，但國內外很多地區有豐富的咸水(苦咸水和海水)資源可加以利用。本文介紹了苦咸水和海水的性質，以及在國內外礦山使用現狀，說明國內僅有少數礦山使用苦咸水，而國外干旱地區礦山廣泛使用苦咸水或海水。考慮直接使用咸水對鉛鋅、鎢和鉬礦石的浮選生產不利，還有腐蝕問題和選礦水質惡化等因素，文章認為礦山使用淡化水更適合。目前國內外咸水淡化主要采用反滲透工藝，從使用淡化海水較廣泛的智利等國看，海水淡化的投資運營支出受海水運輸距離和高差的影響較大，特別是遠離大海且海拔高的礦山。文章指出，使用咸水可解決干旱地區礦山用水矛盾，但淡化工藝對生態環境有一定危害。最后提出，干旱缺水地區的礦山應用苦咸水或海水有較大現實意義，我國應重視此方面的應用。

咸水；海水；苦咸水；淡化；礦山；水管理；環境影響

全球的水資源時空分布不均勻，目前許多地區和國家面臨著缺水問題，同時不可持續的地下水開采和地下水污染情況也令人擔憂，水資源將無法滿足未來的所有需求[1]，包括礦業在內的工業用水，同當地的農業用水、居民飲用水的矛盾加劇。未來水的問題將成為礦業開發面臨的主要挑戰之一。

在我國，政府鼓勵和支持沿海地區直接利用海水或利用淡化海水。在國外，礦山對苦咸水、海水的利用率在上升，國際評級機構也在考慮對礦業公司的信用評級時，在項目中增加水資源管理能力。

海洋是最大的水資源，理論上是淡水的理想替代物，加強海水利用有助于解決水資源緊缺問題，特別是在干旱缺水又有豐富礦產資源的地區，如拉美國家的秘魯、智利等，其他類似的還有阿拉伯半島、澳大利亞、南非等地的沿海區域。國內礦山利用海水的不多，報道僅有山東的三山島金礦[2]等少數礦山在利用海水選礦，缺水地區的煤礦在利用類似海水的苦咸水方面有實踐經驗，如山西同煤集團馬脊梁煤礦[3]。另外在礦產資源豐富但干旱缺水的青海、甘肅、內蒙等地，當地普遍存在的苦咸水有利用潛力。

近年來中國公司國際化步伐加快，走出國門進行礦產資源勘查、礦業開發的公司日漸增多，礦業決策人士和技術人員需要考慮適應全球各地的工程問題，可能會涉及到海水、苦咸水的應用及其環保事項，以前沒有接觸過的苦咸水和海水在礦物加工、尾礦貯存、水處理、環境影響甚至飲用水等問題，都將會成為必須面對的挑戰。

1　全球缺水概況

據聯合國世界水發展報告稱，全球缺水干旱地區主要有非洲北部中部及南部邊緣、西亞和中亞地區、拉美北部和中部的沿海地區、阿拉伯半島等。

非洲約66%的地區缺水，中部、北部和南部邊緣是干旱或半干旱氣候，撒哈拉以南降雨相對充沛但空間分布不均，洪水和干旱頻發，而撒哈拉沙漠則幾乎沒有降雨。阿拉伯和西亞地區，有世界上最缺水的國家，超過12個屬于絕對缺水國。受海水入侵影響，地中海和阿拉伯海灣周邊國家苦咸水多。

地處中亞流域的國家，如烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、土庫曼斯坦、阿塞拜疆等國都干旱缺水，而農業灌溉又造成土壤鹽漬化，水體中鹽含量高，很多地方的水是苦咸水。

在美洲，拉美及加勒比許多地區是干旱或半干旱的，墨西哥北部、巴西東北部、秘魯沿海及智利北部等區域都面臨嚴重用水問題。美國西部和中部的一些地區干旱缺水。

在我國，西北、華北的許多地方是缺水區域，而沿海并不干旱的部分地區又存在著海水入侵等水結構性矛盾。

2　礦業開發與當地水資源

礦業對水的需求量很大，首先，體現在每噸礦的用水單耗數量大。在我國，有色金屬選礦需要的用水噸礦單耗一般是：浮選4～7m3，重選20～26m3，浮磁聯選23～27m3，重浮聯選20～30m3[4]，盡管其大部分是靠生產回水重復使用解決，但還需要引入不少新水來彌補。在智利，近10多年銅業生產過程中新水用量在逐漸減少，但噸礦消耗的新水數據仍較高，如表1所示[5]。

其次，礦業用水體現在占當地總用水量的比例上。在美國，2001、2005和2010三年的礦業(含油氣開采)用水分別占全社會總用水量的0.8%、1.2%和1.5%[6-8]。

表1　智利銅業每噸礦石的新水消耗/(m3/t)

秘魯、智利等安第斯山區國家隨著人口增長、工業活動增加，特別是采礦和農業灌溉，使得該地區的用水總量在過去一個世紀增長了10倍之多[1]。在智利礦業最發達的安托法加斯塔大區，2007年的礦業用水占全社會總用水量的66.3%[9]。

國內外許多地方，淡水缺乏的地區存在苦咸水，如我國的北部和西北部、美國西部和西南部；有些干旱缺水但礦產資源豐富的地區靠近海洋，如安第斯山區國家、澳大利亞西南沿海、阿拉伯半島及其周邊、南非南部等地。這些地方的礦山在水資源上同當地農業、居民生活之間的競爭激烈，需要考慮加強苦咸水和海水等非傳統水資源的應用。

3　海水和苦咸水

地球上97.5%的水是咸水，余下2.5%是淡水，淡水中只有部分是可利用地表水和地下水。淡水和咸水是按礦化度(TDS)來區別的，水文地質學一般將礦化度小于1.0g/L的水劃為淡水，1.0～3.0g/L的劃為微咸水，3.0～10.0g/L的劃為咸水，10.0～50.0g/L的劃為鹽水，礦化度>50.0g/L的劃為鹵水[10]。

3.1海水(Seawater)

3.2苦咸水(saline water或brackish)

苦咸水按成因，簡單地可以分為干旱蒸發形成的內陸苦咸水、海水侵入形成的沿海苦咸水和高礦化度工業廢水三種。

內陸苦咸水大都處于盆地或地勢低洼地帶，由于所處地質環境的成土母質含鹽高，造成當地水質礦化度高；或者由于排水不暢，蘊含水位淺，在蒸發、濃縮作用下鹽分含量上升，形成苦咸水。

沿海苦咸水有兩種成因，一是近代海相成陸地，土壤有明顯的含鹽層，在灌溉水和雨水的淋濾下大量的礦物質進入淺層地下水中；二是由于沿海地區的地層結構，海水同地下水互相串通滲透，地下水過度開采使陸地地下水位下降，引起海水侵入形成的[12]。前者在我國存在于寧夏、新疆、甘肅和內蒙等地，在美國存在于克薩斯、猶他、阿拉斯加和加利福尼亞州等地，后者存在于我國華東沿海地區。

高礦化度工業廢水有，煤礦開采造成的礦井水高度礦化、金屬選礦過程中高鹽分礦料使循環水變為高礦化度水。

4　苦咸水資源及礦業應用

在我國，苦咸水分布面積為160萬km2，約占國土面積的16.7%；全國地下水資源中有三分之一是不適宜或需經處理才可飲用的苦咸水[16]。目前作為水資源進行淡化利用的內陸苦咸水，主要是針對礦化度低于5g/L的部分，目前其資源量每年有200.48億m3，僅青海、甘肅、陜西、寧夏、內蒙古、山西和河南七省區的黃河流域地區，合計就有9.65萬km2，每年有20.3億m3水量[17]。但有關這些地區的礦山在利用苦咸水方面的報道比較少。

我國煤礦每年排放礦井水約22 億t，其中主要是高礦化度的礦井水，盡管煤礦多數分布在干旱和半干旱地區，水資源相當缺乏，約2/3的煤礦缺水或嚴重缺水，生產和生活用水都相當緊張，但這些礦井水的利用率卻不足20 %，遠低于發達國家礦井水利用率80 %的指標[18]。目前利用高礦化度礦井水的煤礦，除前述的馬脊梁煤礦外，還有黑龍江集賢煤礦、山東興隆莊煤礦和河南駿德煤礦等，都是通過淡化處理來實現的。

金屬礦方面，山東三山島金礦和倉上金礦[2]是利用海水入侵形成的井下苦咸水進行生產的；位于浙江沿海的寧波百豐選礦有限公司，是利用加工高含鹽量礦石形成的苦咸水進行選礦的。

在美國，特別是西部和西南部的一些地區，苦咸水的分布和資源情況同我國西部地區有相似之處，雖然近年的礦業用水在增加，但主要是靠提高苦咸水的比例實現的。美國整個礦業(含油氣開采) 2010年的取水量比2005年增加了39%，可淡水用量反而下降了3%，礦化度大于1g/L的苦咸水用量上升了79.6%。表2是美國地質調查局統計的近10年的礦業用水數據變化[6-8]。

5　海水應用于礦業

在國外，許多國家水資源短缺的解決方案是利用海水，特別是南美的安第斯山區國家，其中在礦業上用海水量最大的是智利，其銅礦業近三年應用海水和淡化海水的數據見表3所示[19]。

表2　美國近10年礦業用水變化/(萬t/d)

表3　智利銅礦業方面海水和淡化海水用量/(m3/h)

南美國家礦山利用海水的發展趨勢是，離海近且海拔高度低的礦山，基本使用原始海水；新建或在建的礦山，只要離海不超過200km的，大都選擇用淡化海水，即使是位于高海拔的安第斯山區。

5.1直接用于礦業生產

國際上許多礦山直接使用原始海水進行浸出或者浮選生產，特別是秘魯和智利，其中在智利的安托法加斯塔大區，礦業用水的18%是原始海水。

我國礦山使用原始海水的案例極少。目前各國直接使用海水的部分礦山見表4所示。

流產是牛感染布魯氏桿菌病后最為明顯的癥狀，流產現象出現最嚴重的時間為妊娠后6個月或8個月[1]，即妊娠中后期。這種情況下流產的胎兒出現弱胎或者死胎居多，流產后胎衣滯留在母牛體內，因此，母牛體內會有紅褐色液體流出，如果母牛體質相對較好，可快速恢復并再次受孕，但體質相對較弱的母牛再次受孕的幾率較低。母牛流產的癥狀會隨年齡的增長不再出現，但是母牛體內易形成病菌，該種病菌會長期存在，對牛的身體健康造成嚴重的影響[2]。此外，牛群如果感染布魯氏桿菌，也可能同時患有關節炎，如公牛感染布魯氏桿菌病會引發附睪炎和睪丸炎等。

直接應用海水，僅需對海水進行簡單處理，如添加消毒劑殺滅微生物和細菌、用常規過濾方法除去顆粒物和懸浮物。由于海水的腐蝕性超過淡水，還需要對生產流程的管道、設備進行必要防腐處理。

5.2淡化(Desalination)后用于礦業生產

在國內，海水淡化主要用于發電、石化和鋼鐵等行業，部分煤礦使用苦咸水淡化，但用于金屬礦山的還未見報道。

在國外，淡化海水用于礦山生產的國家地區較多，特別是智利、秘魯等國礦山，這些國家目前處于可研和設計建設階段的大型金屬礦山，幾乎都用淡化海水。國外使用淡化后的海水或苦咸水的部分礦山見表5所列。

6　直接用苦咸水、海水對選礦生產的影響

在我國，有的資料表明，直接使用對部分鉛鋅礦和金礦的浮選生產影響不大，如浙江岱山鉛鋅礦的海水浮選，只是需要提高藥劑用量，選礦指標不受影響[23]；在山東三山島金礦，浮選回收率在使用苦咸水和使用淡水時是基本一致的，另外使用井下苦咸水對三山島金礦降低用水成本和尾礦膠結充填成本有利[2]。

但有的資料表明，礦石中若存在石膏和白云石，在浮選過程中溶解產生Ca2+、Mg2+，會影響白鎢礦、鉛鋅礦的浮選效果，同理，苦咸水或海水中存在的Ca2+、Mg2+，理論上也有同樣影響。

表4　國外直接使用海水的一部分礦山

來源：參考文獻 [20]、[21]、[22]和http：//www.mining-technology.com/search等網頁信息。

表5　國外使用海水或苦咸水淡化的一部分礦山

來源：參考文獻[20]、[21]、[22]和http：//www.mining-technology.com/search等網頁信息。

馬馳等人對河南夜長坪鎢鉬礦研究后認為：石膏在水解作用下礦漿中含有大量Ca2+，消耗大量選礦藥劑，這些Ca2+與浮選藥劑NaCO3發生反應生成Ca(OH)2，Ca(OH)2以罩蓋的形式附著在礦物表面，導致礦物之間分選性降低[24]。梁冬云等人研究云南蘭坪氧化鉛鋅礦難選原因時發現，礦石中的石膏水解產生大量的Ca2+，同浮選藥劑中硫化鈉的硫離子優先生成硫化鈣，在氧化鋅礦物表面生成硫化鋅，故影響了氧化鋅礦物被黃藥捕收，還使硫化鈉用量增加[25]。

在智利，海水對銅鉬硫化礦石的鉬浮選有影響，對銅礦的浸出無影響。Laskowski等人對來自智利不同礦山的銅鉬硫化礦石，模擬礦山生產條件進行浮選性能研究表明，鉬的浮選回收率在用海水時比用淡水要明顯低[26]；Torres等人對智利北部的低品位銅礦的硫酸和鹽酸浸出試驗表明，海水可以代替淡水進行銅礦浸出生產，不影響銅的回收率[27]。

因此，礦山企業更愿意使用淡化水進行生產。

7　淡化(desalination)工藝

7.1淡化后的水質變化

苦咸水和海水淡化后，其礦化度都能降低到淡水水平，國內某煤礦的高礦化度井下水淡化前后的水質情況見表6所示[29]，智利某礦山淡化廠海水淡化前后的水質如表7所示[30]。

7.2淡化工藝

國際上苦咸水和海水的淡化技術日漸成熟，常用工藝有多級閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)、反滲透(RO)和電滲析(ED)等，前兩種屬于熱法(蒸餾法)，后兩種屬于膜法。

國內有淡化廠的礦山幾乎全部是煤礦，以往采用電滲析的較多，隨著更多的煤礦采用反滲透，反滲透工藝成為礦山苦咸水淡化的發展主流。在國外，正如表5所示絕大多數礦山采用反滲透工藝。

同其他工藝相比，反滲透具有能耗低、運行成本低、水利用率高、自動化程度高和模塊化程度高等特點。如果使用海水的礦山，離海較遠或海拔較高，或者地處偏僻又缺乏能源供應，反滲透技術更加適用。

8　礦山淡化廠的投資與運營支出

8.1國內的淡化成本

國內高礦化度礦井水淡化處理環節除了混凝、沉淀、過濾外，關鍵工序是脫鹽，相對于國外那些遠距離輸送海水的情況來說，成本較低。國內某煤礦的高礦化度礦井水處理成本見表8所示[29]。

表6　國內某煤礦礦井水淡化前后水質

表7　智利某礦山淡化廠海水淡化前后水質

表8　某煤礦礦井水反滲透處理成本

從我國石化、電力和鋼鐵等行業看，國內規模化海水淡化的平均成本已經降低至每立方米淡化水6～8元[31]。

8.2在國外受海水輸送距離和高差影響

各國礦山淡化成本有差別，主要是受輸送距離和高差的影響，根據礦山離海遠近和海拔高度不同，其投資和運營支出不同，其中秘魯和智利的礦山大多地處離海較遠的安第斯山區，這方面的支出是最高的，具體對比數據見表9所示[32]。

由于安第斯山區采用海水淡化的礦山規模普遍較大，用水量大，其淡化廠投資金額也較大，表10是智利部分礦山的海水淡化廠投資數據[5]。

8.3國外礦山淡化廠的能耗

在智利，工業能源消耗比例較大的是礦業，特別是北部礦業發達地區。而礦山能耗最大的是選礦和海水利用，2014年分別占礦山總能耗的50%和5%。

建設一個海水淡化廠，若按輸送距離170km、輸送高度3000m、淡化水量1890m3/h計，通常投資、運營支出及能源消耗比例如表11所示，其能源消耗大部分在水輸送方面[33]。

表9　國外礦山海拔高度與淡化支出

表10　智利部分礦山新建或在建淡化廠

表11　某智利礦山淡化支出及能耗比

9　苦咸水、海水的應用意義及存在問題

9.1苦咸水、海水的應用意義

在干旱缺水的沿海國家進行資源開發，利用海水是解決水資源短缺的一個途徑。聯合國世界水發展報告認為，今后10年水利用方面的發展趨勢是海水淡化，其可用水量具有很大潛力，并且成本會逐步變得更容易負擔。雖然目前的推廣工作還很有限，但在安第斯山區等國家的沿海地區，礦業開發在這方面的實踐非常有價值。

未來在干旱缺水地區，無論國內還是國外，在礦山開發涉及的用水問題上，苦咸水和海水的直接使用、淡化后使用，都是值得考慮的一個方案。

9.2礦山使用淡化海水存在的問題

1) 長距離高海拔輸送消耗能源大。海水淡化需要一定的能源，對于離海遠、海拔高的礦山，長距離輸送淡化水就需要更多能源，能源消耗成為礦山使用海水的關鍵成本因素，這就存在一個在供水和能源消耗之間權衡的問題。以智利為例，在建或者規劃建設的許多礦山基本位于距離海岸線80～200km、海拔在1500～4500m的山區，選礦生產所需的淡化水用量一般在500～1000m3/h之間[5]，其能耗在2014年已經達到礦山總能耗的5%，當然用水的成本也就相當高。

2) 海水淡化對生態環境有影響。首先是濃鹽水(Brine或concentrate)的問題。以目前使用反滲透工藝的礦山為例，淡化水產量僅是處理海水量的42%，余下的是含鹽量達原始海水2倍的濃鹽水，濃鹽水的含鹽量高溫度高，僅被少數企業當做副產品進行回收利用，大多數被作為廢棄物排回大海。由于海洋生物對鹽度的適應范圍有限，濃鹽水排回大海后，對于該區域的海洋生物影響很大，甚至使生物資源遭到嚴重破壞。反滲透工藝排出的濃鹽水溫度比環境溫度高3～5℃，礦山淡化廠大量排出的濃鹽水熱能，直接影響海洋生物的繁殖和生長，另外溫度變化會導致接收水體的溶解氧含量降低，間接影響海洋生態。其次是淡化產生的污染物，有淡化過程中添加的藥劑，如生物滅殺劑、抑垢劑、防沫劑、防蝕劑、酸洗劑，這些化學藥劑包括次氯酸納、氯化鐵、硫酸或鹽酸、六偏磷酸納或相關的化學品、以及亞硫酸氫鈉等；還有水輸送管道腐蝕產生的重金屬污染，主要是銅、鎳、鉬、鉻和鋅等。這些污染物隨濃鹽水返回到大海，同樣對海洋生物的繁殖生長有害。

10　結　語

總的來說，應用苦咸水、海水對于缺水干旱地區的礦業項目開發，具有現實意義。國外在海水及其淡化水用于金屬礦的研究、應用和實踐較多，而國內對苦咸水及其淡化處理僅在煤炭行業有一些經驗。同美國、智利等國家相比，我國礦山在利用苦咸水、海水方面還有很大差距。對于礦業開發所需的規模化原始海水應用、海水淡化處理、海水對選礦生產影響、使用海水的環保問題等的認識和研究，我們還有許多工作要做，業內人士應給予足夠重視。

在水缺乏和容易引起用水沖突的地方進行礦業開發，使用苦咸水、海水等非傳統水資源是一個有益方案，我們應該學習美國在礦業上推廣苦咸水應用的經驗，借鑒秘魯和智利等國礦業在海水使用上的實踐，在未來礦業開發中加強苦咸水和海水的利用。

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Use of salt water in domestic and foreign mining industries

YAN Wen-qing1，ZHU Ri-lai2

(1.Ningxia Yinggu Gold Co.，Ltd.，Shizuishan 753000，China； 2.Shandong Gold Penglai Mining Co.，Ltd.，Penglai 265600，China)

With mines a sustainable water supply is crucial.Salt water，including saline water and seawater，is an alternative solution when there is lack of fresh water.This paper lists and describes the properties of saline water and seawater，and the use of salt water and desalinated water in both China’s domestic and global mining industries，and it further states that internationally in the mining industry the use of saline water is already mature and extensive，more than the case in China’s domestic mining sector.This article discusses the considerations that the erosion the direct use of saline water can cause and unfavorable factors that the saline water may influences in the operation of lead-zinc and molybdenum ores’ flotation，and gives the consideration that desalinated water may be more suitable for mining operations.Up to date，the Reverse Osmosis Technology is most used in the desalination of salt water，and the cost of this operation largely depends on the transportation distance and the elevation where the desalinated water is needed，particularly for those mines in very remote and elevated areas.It also explains that using salty water can be a solution in arid areas，however，taking risks to cause environmental damages.It gives the conclusion that in China’s domestic mining sector，use of salt water for those mines in remote and arid areas is a viable solution，and suggests the concerned government authorities to engage more investment and investigation in this application.

salt water；seawater；saline water；desalination；mine；management of water；environmental impact

2016-03-31

閻文慶(1966-)，男，漢，內蒙古人，1989年畢業于武漢科技大學選礦工程專業，高級工程師，從事選礦技術和境外礦業項目研究。E-mail：yanwenqing@sina.com

朱日來(1965-)，男，漢，1990年畢業于包頭科技大學采礦工程專業，高級工程師，從事礦山管理工作。

TD218，P747，TV213

A

1004-4051(2016)10-081-07