采礦工業(yè)廢水處理方法研究

何佳樂

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710075)

1 引言

采礦業(yè)，是指對固體(金屬礦石、非金屬礦石、煤炭)、液體(原油)或氣體(如天然氣)的開采；包括地下及地上采掘、礦井運(yùn)行，還包括在礦址及其附近從事的旨在加工原材料的所有輔助性工作，如碾磨、選礦、處理，和銷售準(zhǔn)備工作[1]。

2 研究背景

近年來，隨著人類社會的發(fā)展與人口的增長，我國用水量與日俱增。然而，受到全球氣候和環(huán)境的變化的影響，我國水資源正在明顯減少，其中最顯著的是黃河、淮河、海河和遼河區(qū)，地表水資源量減少17% ，水資源總量減少12% ，其中海河區(qū)地表水資源量減少41% ，水資源總量減少25% ；而且水資源相對豐富地區(qū)也出現(xiàn)了區(qū)域性甚至流域性缺水的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前人均水資源2185 m3，不足世界平均水平的1/3，一些流域(如海河、黃河、淮河流域人均占有量更低，生態(tài)嚴(yán)重惡化的地區(qū)已出現(xiàn)河流斷流、湖泊干涸、濕地萎縮、綠洲消失。而在水資源日益減少的同時(shí)，我國仍存在水資源利用方式粗放、用水效率不高的問題，導(dǎo)致水資源供需矛盾進(jìn)一步凸顯。水資源危機(jī)已經(jīng)成為我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性的重要因素[2]。

3 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)外水資源綜合利用技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1.1 國外研究現(xiàn)狀

1894年，水資源這一概念被首次提出。1992年可持續(xù)發(fā)展觀念在聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展首腦會議被提出。1994年，四維空間角度的研究方法在法國國家科學(xué)研究中心被采用，人類活動對于水資源利用的影響被全方位的評估。

人類對水資源的價(jià)值觀發(fā)生了深刻的變化，從單一對經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的考慮，發(fā)展為對于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展之間平衡的考量。采取的措施以及研究范圍也從僅僅尋求新水源，發(fā)展為開流的同時(shí)，采取節(jié)源措施。從只注重用水量，發(fā)展為同時(shí)對于水體污染物總量的控制的關(guān)注[2]。

3.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾十年來，我國在水資源利用方面同樣取得了較大成果。1990年，“水資源管理水文基礎(chǔ)”學(xué)術(shù)會議在北京召開，對于各層水的相互影響、水資源評估、數(shù)據(jù)庫的建立、水資源與環(huán)境以及水資源利用的規(guī)劃進(jìn)行了研討。1991年，“模擬”方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，成為主要研究手段。1992年“地下水與環(huán)境”國際會議在北京召開，會議對地下水污染、地下水與土壤等問題進(jìn)行了研討[2]。

遙感遙測、地理定位等設(shè)備儀器的運(yùn)用，使得水資源從單一的學(xué)科，變得更加充盈與綜合。但存在的問題是，當(dāng)下許多研究均為重復(fù)研究，缺乏多學(xué)科發(fā)展的系統(tǒng)性。因此，系統(tǒng)性的指導(dǎo)理論與方法需要被建立起來，改善水資源利用現(xiàn)狀[2]。

3.2 國內(nèi)外礦區(qū)水資源利用研究現(xiàn)狀

國外礦區(qū)水資源保護(hù)始于1983年《采礦水文地質(zhì)條件變化及保護(hù)》，書中對于采礦工業(yè)引起的水資源問題進(jìn)行了論述，并提出了相應(yīng)的建議。

我國的礦區(qū)水資源利用在理論方面已接近國際先進(jìn)水平。最早探究礦區(qū)水資源保護(hù)的是山西省陽泉礦務(wù)局，對于娘子關(guān)泉的保護(hù)與治理。之后，“3S”系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)各類統(tǒng)計(jì)分析方法以及水化學(xué)和環(huán)境同位素技術(shù)的應(yīng)用，大力推進(jìn)了礦區(qū)水資源的利用與保護(hù)技術(shù)[2]。

4 加拿大紐芬蘭與拉布拉多省鎳礦區(qū)考察與分析

4.1 加拿大采礦工業(yè)概況

加拿大的采礦工業(yè)生產(chǎn)60余種礦物和金屬，比如金、銀、鐵、銅、鋅、鎳。并且，加拿大是最大的鈾和鉀堿生產(chǎn)國，鎳和鉆石產(chǎn)量排名前五。加拿大的采礦工程主要建立在鎳-銅硫化礦的基礎(chǔ)上[3]。

4.2 加拿大紐芬蘭與拉布拉布拉多省鎳礦區(qū)水資源利用與污水處理情況

筆者于2015年在加拿大紐芬蘭與拉布拉多省的Hydromet Plant鎳礦區(qū)進(jìn)行了實(shí)地考察與學(xué)習(xí)。紐芬蘭與拉布拉多省擁有加拿大多種生產(chǎn)礦井、發(fā)展中的礦區(qū)和礦產(chǎn)大企業(yè)，包括巴西淡水河谷公司(VALE)和泰克資源(Teck Resources)。位于紐芬蘭與拉布拉多省Long Harbour地區(qū)的Hydromet Plant 就屬于巴西淡水河谷公司的一個(gè)新型礦區(qū)(圖1)。

冶煉金屬的方法主要分為火法冶金和濕法冶金。濕法冶金的優(yōu)點(diǎn)是原料中有價(jià)金屬綜合回收率更高，更易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程連續(xù)性和自動化，并且有利于環(huán)境保護(hù)。火法冶金的過程簡單，更適用于大規(guī)模的生產(chǎn)。火法冶金或濕法冶金的選擇取決于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的綜合考慮。Hyromet Plant 采用濕法冶金法冶煉鎳，并且利用多種多樣的水資源。

圖1 巴西淡水河谷公司在加拿大Long Harbour 地區(qū)礦區(qū)

對于礦區(qū)排出的廢水，礦區(qū)為了使得礦區(qū)排出的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，并且不影響下游居民的生活，礦產(chǎn)公司需制定水資源管理計(jì)劃使得水污染程度最小化。礦區(qū)周邊的地表水和地下水應(yīng)得到監(jiān)測，在排水前應(yīng)實(shí)施各項(xiàng)水處理方法來保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

在減小廢水污染及減少用水需求量方面，該礦區(qū)采取以下措施：①通過建造上流堤壩，攔截與轉(zhuǎn)移地表水(雨水，雪水，溪流，小河)，防止地表水進(jìn)入礦區(qū)之后接觸暴露的礦石和廢棄巖石所造成的潛在污染；②對于冶煉金屬的水進(jìn)行循環(huán)利用，從而減少待處理的廢水量；③捕捉礦場的降水，并利用班輪和管道將之直接輸入尾礦壩，從而礦場內(nèi)的降水流入地下水或其他自然水體；④促進(jìn)礦區(qū)水塘中的水蒸發(fā)，以減少污染水的排放；在干旱地區(qū)，礦區(qū)廢水幾乎均可以被蒸發(fā)，達(dá)到廢水的零排放，從而使得礦區(qū)的污染物可以被控制在礦區(qū)內(nèi)部。⑤在廢棄巖石和金屬堆處設(shè)置覆蓋物，以減少接觸降水和地下水的潛在污染性。

5 國內(nèi)外常用處理工藝及分類

目前國內(nèi)外對礦區(qū)水處理方法分為化學(xué)處理、物理處理及生物處理等，其中最常用的工藝方法主要包括中和法、微生物法、氧化還原法、人工濕地法及膜分離技術(shù)等。

5.1 中和法

中和法是常用的一種處理方法，其原理是用堿或堿性物質(zhì)中和酸性廢水，或用酸或酸性物質(zhì)中和堿性廢水時(shí)，把廢水的pH值調(diào)到7左右。常用措施有：將兩種相鄰礦區(qū)排放的廢水相互混合先發(fā)生中和，再用中和劑中和剩余的酸和堿；也可以采用濕式投加法，將中和劑制成溶液和漿液進(jìn)行投加；當(dāng)中和劑為粒狀或塊狀時(shí)，此方法為過濾法。常用的堿性中和劑：石灰、電石渣、石灰石和白云石；常用的酸性中和劑：廢酸、粗制酸和煙道氣[3]。

5.2 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是指利用膜的選擇性分離功能實(shí)現(xiàn)廢水的不同組分的分離、純化、濃縮的過程。 膜材料的孔徑通常達(dá)到微米級，根據(jù)膜孔徑大小的不同，膜分離技術(shù)分為微濾(MF)、超濾 (UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)。在分離過程中，施以壓力驅(qū)動廢水流過膜層，此時(shí)廢水中的工業(yè)污染物被截止，而水透過膜，從而實(shí)現(xiàn)廢水凈化。

MF與UF孔徑較大，它們具有常規(guī)分離機(jī)理。而NF和RO屬于無孔膜，其分離機(jī)理用溶解—擴(kuò)散模型和非平衡熱力學(xué)模型來解釋。一些NF膜表面附有電荷，它們的分離機(jī)理比較復(fù)雜，可用電荷模型和空間位阻模型予以解釋[4]。

5.3 微生物法

利用微生物法的處理機(jī)理主要是因?yàn)槲⑸镌谶m當(dāng)條件下可將二價(jià)鐵氧化，同時(shí)微生物會利用處理過程中產(chǎn)生的能量進(jìn)行不斷繁殖。在工業(yè)廢水中投入微生物進(jìn)行氧化處理，同時(shí)，向其中加一定量的中和劑及沉淀劑使金屬離子沉淀，接著在過濾之后達(dá)到凈水目的。在我國，微生物法仍處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，尚未廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。

生物法過程簡單、成本低廉，可回收金屬元素，并可去除水中的氮磷等營養(yǎng)元素，解決二次污染的問題，具有良好應(yīng)用前景。但這種方法限制因素是pH值、溫度等條件要求，因此，為使其更廣泛地應(yīng)用還需要進(jìn)行更深入的研究[4]。

5.4 人工濕地法

人工濕地污水處理技術(shù)是一種人工將污水有控制地投配到種有水生植物的土地上，按不同方式控制有效停留時(shí)間,使其沿一定方向流動，在物理、化學(xué)、生物作用下，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的生態(tài)系統(tǒng)。

人工濕地的結(jié)構(gòu)包括人工基質(zhì)和生長在其上的水生植物。其更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)單元有：防滲層；基質(zhì)層(填料、土壤和植物根系)；腐質(zhì)層(落葉及微生物尸體等)；水體層和濕地植物。人工濕地法所用基本原理就是在濕地植物、水體和基質(zhì)的共同作用下凈化工業(yè)廢水。

其中物理作用是指過濾和沉積，利用基質(zhì)層及密集的植物莖葉和根系來過濾工業(yè)廢水，將懸浮污染物物截留在基質(zhì)中。化學(xué)作用是指利用化學(xué)反應(yīng)將可溶性污染物轉(zhuǎn)化成不溶狀態(tài)，以便于將其分離。

人工濕地系統(tǒng)是一種獨(dú)特并復(fù)雜的生態(tài)凈化體系，其中的各個(gè)結(jié)構(gòu)之間是相互影響的。人工濕地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括低成本、低能耗、并且植物對于環(huán)境有美化作用，是一種環(huán)境友好型處理技術(shù)。但此方法占地面積較大、處理過程容易受到環(huán)境的影響、場地需較高維護(hù)費(fèi)用，這種技術(shù)目前仍有待于進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論與建議

中國是礦產(chǎn)資源大國，礦業(yè)的發(fā)展給社會帶來巨大財(cái)富的同時(shí)，也讓人們面臨了環(huán)境危機(jī)的困擾。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多種用以水資源分析利用的先進(jìn)技術(shù)已被礦工業(yè)園區(qū)應(yīng)用，但方法措施仍缺乏系統(tǒng)性與創(chuàng)新性。為此，結(jié)合對于相關(guān)研究的總結(jié)以及國外實(shí)地考察，提出如下建議。

(1)加強(qiáng)礦工業(yè)水資源利用的信息統(tǒng)計(jì)。合理地采樣并進(jìn)行分層分析，用以進(jìn)行工業(yè)園區(qū)水資源污染程度的分類，從而系統(tǒng)性地制定不同程度的治理基準(zhǔn)。

(2)對于工業(yè)園區(qū)涉及的其它相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究，如能源、大氣污染、固體廢物等。通過對研究結(jié)果的整合，制定更加綜合的管理方案[6]。

(3)利用生物絮凝劑等微生物方法，加強(qiáng)污水回用來解決水資源緊張問題[7]。

(4)開展礦區(qū)水足跡評價(jià)，以便于制定更加全面的決策信息[8]。

(5)學(xué)習(xí)世界先進(jìn)礦區(qū)的布置格局與水處理技術(shù)，旨在建立更加綠色環(huán)保的礦區(qū)。