基于溝渠庫廠聯(lián)合運用的金屬礦區(qū)酸性廢水防控措施研究

廖建文, 陳三雄, 謝江松, 張衛(wèi)根, 程 勇, 汪新波, 彭志祥, 常 進

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司, 廣東 廣州 510610;2.廣東省樂昌峽水利樞紐管理處, 廣東 韶關(guān) 512200; 3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210018)

中國金屬礦主要為硫化礦，采選過程中殘留的金屬硫化物暴露在氧化環(huán)境中，在水、空氣和生物的共同作用下會產(chǎn)生大量含重金屬離子的酸性礦山廢水(acid mine drainage， AMD)[1-2]。酸性礦山廢水具有pH值低、氧化性強、重金屬離子濃度大、成分復(fù)雜、污染面廣、影響時間長等特點[3-4]，對環(huán)境影響極大[5-7]，給人們的健康安全構(gòu)成巨大風(fēng)險[8-9]，酸性礦山廢水的有效防控是一個非常重要的研究課題。目前國內(nèi)對酸性礦山廢水的防控多注重未端治理，常用處理技術(shù)有中和法、沉降法、吸附法等[10]，但這些未端處理方法都存在運行處理費用高昂、產(chǎn)生二次污染等問題。近些年來，諸如雨污分流、覆蓋法、表面鈍化處理法等酸性礦山廢水源頭控制技術(shù)得到了重視[11-12]，可從源頭上減少酸性廢水的形成，但這些源頭控制技術(shù)還不成熟，在工程上尚未得到廣泛應(yīng)用。

廣東省大寶山礦位于粵北山區(qū)，始建于1958年，是一座大型多金屬硫化物伴生礦床。經(jīng)過近60 a露天開采，加上缺乏有效管制的民采，導(dǎo)致大量含重金屬離子的酸性廢水進入下游水系和農(nóng)田，給周圍環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，對該地區(qū)人群健康造成威脅，其下游的上壩村是有名的“癌癥村”，已引起廣泛關(guān)注和報道[13-15]。據(jù)林初夏等[16-17]的調(diào)查和研究，大寶山礦區(qū)外排的酸性廢水主要源自李屋攔泥庫，李屋攔泥庫外排酸性廢水的治理已成為一項重要而緊迫的任務(wù)。本文擬對廣東省大寶山礦李屋攔泥庫酸性廢水防控策略進行研究，探討將酸性礦山廢水源頭控制與未端治理技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的途徑，以期為礦區(qū)外排酸性廢水的治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣東省大寶山礦位于韶關(guān)市曲江區(qū)沙溪鎮(zhèn)，1958年建礦，1966年建成投產(chǎn)。大寶山礦是南嶺成礦帶的主要組成部分，蘊藏有鐵、銅、硫、鉛、鋅、鉬、鎢等多種金屬礦產(chǎn)資源。礦區(qū)地處南嶺低山區(qū)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫約20.3 ℃，多年平均降雨量約為1 673 mm。礦區(qū)出露地層絕大多數(shù)為晚古生代沉積巖系，地帶性土壤類型為紅壤，地帶性植被類型為典型常綠闊葉林。

李屋攔泥庫位于大寶山礦東南部，距礦部約5.0 km。攔泥壩最大壩高49.0 m，庫容約2.25×107m3，主要作用是攔擋露天采場排土可能引發(fā)的泥石流，1978年建成投入使用，2005年對攔泥壩進行了加高，并在攔泥庫上游新建了梯級鋼筋石籠攔泥壩。工程建成及后續(xù)的加高改造，在一定程度上控制了礦區(qū)水土流失和酸性廢水的外排。李屋攔泥庫區(qū)為一狹長“V”型山谷，地形高程在330～1 022 m，平均坡度40°～50°，局部地段達60°～80°。在攔泥庫上游，礦區(qū)露采的剝離棄土由上向下往李屋攔泥庫方向排土，順坡堆放在溝谷，加上20世紀(jì)90年代大寶山一帶的民采激增，在攔泥庫集水區(qū)內(nèi)亂采亂挖亂堆亂放，經(jīng)幾十年的徑流沖刷，巨量泥沙進入下游的攔泥庫，致使庫容已基本淤滿。庫內(nèi)堆積物中殘留有金屬硫化物(主要為黃鐵礦FeS2)，氧化后形成大量酸性廢水，同時將有毒有害重金屬釋放出來。由于缺少攔泥庫的攔蓄，一遇降雨，酸性廢水便通過攔泥庫溢洪道下泄進入下游，造成酸性水危害，是大寶山礦地區(qū)最主要的污染源[18]，必須進行治理。

2 酸性廢水防控總體思路

李屋攔泥壩上游控制集水面積約13.32 km2，根據(jù)周邊涼橋雨量站1982年以來日雨量系列資料分析，庫區(qū)5 a一遇年降雨量H年·p=20%為2 107.48 mm，10 a一遇年降雨量H年·p=10%為2 263.12 mm，徑流系數(shù)根據(jù)庫區(qū)下墊面條件確定為0.7，推算得5 a一遇徑流量W年·p=20%為1. 965×107m3，10 a一遇徑流量W年·p=10%為2.11×107m3。如果這些降雨徑流全部入庫將在攔泥庫內(nèi)形成酸性廢水，處理這些廢水的成本極高。庫區(qū)內(nèi)含酸性物質(zhì)的堆積物主要集中在“V”型山谷的谷底。而山谷兩側(cè)山坡為未被采礦破壞的林地，植被生長良好，該區(qū)域徑流在入庫之前尚未污染，可以將該區(qū)域清水截至攔泥庫下游天然溝道，實現(xiàn)雨污分流。剩余徑流將進入李屋攔泥庫后受到污染形成酸性廢水，對于這部分廢水，通過攔泥庫的調(diào)蓄后進入污水處理廠處理，實現(xiàn)達標(biāo)排放。

基于以上的分析，外排酸性廢水治理的總體思路是：堅持“源頭防控，末端治理”的原則，建設(shè)截排水工程對李屋攔泥庫集水區(qū)地表徑流進行雨污分流，在最大限度減少酸性廢水產(chǎn)生量的基礎(chǔ)上，合理利用攔泥庫攔蓄調(diào)節(jié)作用和污水處理廠的未端處理，通過溝(截水溝)、渠(排水渠)、庫(攔泥庫)、廠(污水處理廠)的聯(lián)合運用，對酸性廢水進行控制和處理，達到一定標(biāo)準(zhǔn)下廢水不外排的目的。酸性廢水防控技術(shù)體系見圖1。

圖1 研究區(qū)酸性廢水防控技術(shù)體系

3 防控技術(shù)體系及工程規(guī)模

3.1 雨污分流

根據(jù)對李屋攔泥庫集水區(qū)現(xiàn)狀的調(diào)查，污水區(qū)主要包括“V”型山谷谷底排土覆蓋范圍、民采破壞及攔泥庫庫面范圍，面積約7.33 km2，此范圍內(nèi)的污水匯流到李屋攔泥庫，后經(jīng)污水處理廠處理；清水區(qū)包括“V”型山谷兩側(cè)山坡植被生長良好的區(qū)域，面積約5.99 km2。此范圍內(nèi)的清水經(jīng)截洪溝、排洪渠引至李屋攔泥庫下游河道。

工程區(qū)域無實測流量資料，雨污分流工程的洪水計算采用設(shè)計暴雨推求法計算洪峰流量，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為一年一遇，采用明渠均勻流公式計算截排水工程水力斷面要素。雨污分流工程包括建設(shè)1#—11#截洪溝、明渠、1#—14#截洪壩、排洪主隧洞、1#—5#豎井，形成完善的截排水系統(tǒng)，將清水區(qū)降雨徑流截流后排至庫區(qū)下游溝道。雨污分流主要工程斷面及過流情況見表1。

表1 研究區(qū)雨流分污工程基本情況

3.2 攔泥庫調(diào)蓄及污水處理廠

攔泥庫基本淤滿，已無調(diào)蓄能力，為減小下游污水處理廠規(guī)模，需進行擴容增加其調(diào)蓄能力。擴容最直接有效的方法是加高攔泥壩，但攔泥壩西側(cè)有一國道通過，而且攔泥壩于2005年已進行過加高，在國道不改造的情況下攔泥壩已無加高空間，只能采用清淤的方法來騰出庫容，清淤騰庫時可分片分區(qū)采用絞吸式清淤船進行施工。清淤擴容后，進入攔泥庫的不均衡徑流經(jīng)攔泥庫的攔蓄調(diào)節(jié)，由管道均勻排至污水處理廠處理，污水處理廠采用“二級混凝沉淀反應(yīng)”工藝，處理污水中的Mn，Zn，Cu，F(xiàn)e等金屬污染物及其他污染物，廢水處理后排入下游天然河道。

考慮到當(dāng)前投入水平和經(jīng)濟承受能力，采用5年一遇降雨條件下污水不外排作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。清淤擴容及污水處理廠規(guī)模由徑流調(diào)節(jié)計算結(jié)果確定，徑流調(diào)節(jié)的原理為水量平衡原理，水量平衡方程為：

ΔV=(Q入-q出)Δt。

式中：Q入——計算時段Δt內(nèi)的入庫流量(m3/s)；q出——計算時段Δt內(nèi)水庫出庫流量(m3/s)，包括用水量、蒸發(fā)損失量、滲漏損失量等； ΔV——計算時段Δt內(nèi)蓄水量的變化值。

參照年調(diào)節(jié)水庫興利庫容的計算方法，根據(jù)李屋攔泥庫設(shè)計代表年來水過程，扣除雨污分流的清水量、水庫蒸發(fā)和滲漏等損失水量，結(jié)合設(shè)定的用水量進行徑流調(diào)節(jié)(完全年調(diào)節(jié))計算，求得的興利庫容即為清淤擴容量，設(shè)定的用水量即為污水處理廠規(guī)模。依據(jù)徑流調(diào)節(jié)計算結(jié)果，要保證p=20%典型年豐水期酸性廢水不外排，清淤擴容庫容為2.81×106m3，污水處理規(guī)模為4.50×104t/d，污水處理廠年運行天數(shù)為312 d。即在建設(shè)清污分流工程的基礎(chǔ)上，清淤騰空攔泥庫調(diào)節(jié)庫容2.81×106m3，建設(shè)處理規(guī)模為4.50×104t/d的污水處理廠。

4 討 論

通過雨污分流工程的實施，最大截流能力約為35 m3/s，年均截流量約3.80×106m3，年均截流量約占庫區(qū)總徑流量的45%，大大減少了酸性廢水產(chǎn)生量。理論上講，雨污分流截流量越大，未端治理的污水量就越小，外排水防控的標(biāo)準(zhǔn)就可越高，但截流工程規(guī)模的確定受集水區(qū)地形條件、施工和投資等多方面的限制。文中提出的雨污分流工程規(guī)模按能截走一年一遇洪水計算確定，是基于地形條件、投資和已有截排水工程現(xiàn)狀等多因素的綜合考慮。如按滿足更高過流標(biāo)準(zhǔn)實施建設(shè)，如20年一遇洪水過流要求確定截洪溝規(guī)模，以4#截洪溝為例，斷面尺寸為寬4.1 m,高2.1 m。以工程區(qū)現(xiàn)有地形，除本身施工難度較大外，還會產(chǎn)生較大挖填方量，形成高陡邊坡，可能引發(fā)水土流失甚至是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此，單一擴大截洪溝斷面來提高外排酸性廢水的防控標(biāo)準(zhǔn)不可取。

攔泥庫位于山區(qū)，山區(qū)洪水的特點是暴漲暴落，流量大，歷時短，徑流在年際年內(nèi)的分布極不均衡。雨污分流后，入庫徑流通過攔泥庫的庫容調(diào)節(jié)，將洪水期產(chǎn)生的短歷時高洪量酸性廢水蓄存在攔泥庫中，通過污水管道均衡的、有計劃排至污水處理廠處理。由于攔泥庫調(diào)節(jié)庫容及污水處理廠規(guī)模采用完全年調(diào)節(jié)水庫興利庫容的計算方法確定，顯而易見，經(jīng)攔泥庫調(diào)蓄后，不均衡徑流來水按照污水處理廠規(guī)模重新進行了年內(nèi)分配，重新分配后的流量要遠小于洪峰流量，且全年不發(fā)生棄水(即達到完全處理)，不僅降低了短歷時暴雨下大規(guī)模處理高洪量廢水的風(fēng)險，也減小了污水處理廠建設(shè)規(guī)模和投入。此外，為進一步減輕污水處理廠的處理壓力，還可對攔泥庫蓄滯的酸性廢水采取石灰中和法進入預(yù)處理。

本文提出的基于溝渠庫廠聯(lián)合運用的李屋攔泥庫外排水防控方案，可以達到在5 a一遇降雨條件下豐水期酸性廢水不外排的防控目標(biāo)。然而，由于洪水發(fā)生是一個隨機事件，需應(yīng)對可能遭遇的超標(biāo)準(zhǔn)洪水?？稍谙掠谓ㄔO(shè)應(yīng)急壩，并設(shè)置拋灑石灰等中和劑和絮凝劑的作業(yè)平臺，同時完善應(yīng)急預(yù)案及機制，防范超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生時可能造成的環(huán)境污染突發(fā)事件。

5 結(jié)論與展望

廣東省大寶山礦外排酸性廢水已對下游的農(nóng)田和水系造成污染，必須進行治理。本文構(gòu)建的大寶山礦酸性廢水綜合防控技術(shù)體系包括雨污分流、攔泥庫調(diào)蓄、污水處理3個部分。確定防控標(biāo)準(zhǔn)后，采用通用的洪水、徑流調(diào)節(jié)等水文計算方法比選確定各部分的工程規(guī)模，通過溝(截水溝)、渠(排水渠)、庫(攔泥庫)、廠(污水處理廠)的聯(lián)合運用，可以控制酸性廢水在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下不外排。該技術(shù)體系的基礎(chǔ)是雨污分流，從源頭上減少酸性廢水產(chǎn)生量；核心是攔泥庫調(diào)蓄，對不均衡的徑流來水進行攔蓄和年內(nèi)均衡分配；關(guān)鍵是污水處理廠，最終的廢水通過沉淀法等常規(guī)未端處理技術(shù)進行處理后達標(biāo)排放。

據(jù)統(tǒng)計[19]，在中國每開采1 t礦石，廢水的排放量約為1 m3，全國酸性礦山廢水年排放量約為3.60×109t，占全國工業(yè)廢水總排放量的10%左右，而處理率卻僅為4.28%[20]，這與“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)戰(zhàn)略思想極不相稱，酸性礦山廢水治理任務(wù)艱巨。本研究提出的將酸性礦山廢水源頭控制技術(shù)與未端治理技術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù)體系，為金屬礦區(qū)酸性礦山廢水的防控提供了一個全新的解決思路，可用于類似礦山酸性廢水的治理。在應(yīng)用本技術(shù)體系時應(yīng)注意：①防控標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)酸性廢水污染現(xiàn)狀、經(jīng)濟水平、施工難度等綜合確定，并制定超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下的應(yīng)急預(yù)案；②未端污水處理廠的規(guī)模與雨污分流、攔泥庫調(diào)蓄庫容直接相關(guān)，雨污分流工程規(guī)模和攔泥庫調(diào)蓄庫容越大，未端污水處理廠的規(guī)模就越小。由于雨污分流工程、攔泥庫均是一次性投資，而污水處理廠的運行費用較高且是長期投入，在可能的條件下，應(yīng)盡量提高雨污分流工程規(guī)模和攔泥庫調(diào)蓄庫容；③調(diào)蓄庫容可根據(jù)礦山條件采用新建攔泥庫、加高現(xiàn)有攔泥庫或尾礦庫、清淤擴容等多種方法實現(xiàn)，新建攔泥庫、加高攔泥庫或尾礦庫必須按照行業(yè)規(guī)程規(guī)范進行設(shè)計、施工和管理，確保安全運行。