采礦工業廢水處理方法研究

何佳樂

(陜西省土地工程建設集團，陜西 西安 710075)

1 引言

采礦業，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，和銷售準備工作[1]。

2 研究背景

近年來，隨著人類社會的發展與人口的增長，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，地表水資源量減少17% ，水資源總量減少12% ，其中海河區地表水資源量減少41% ，水資源總量減少25% ；而且水資源相對豐富地區也出現了區域性甚至流域性缺水的現象。據統計，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，生態嚴重惡化的地區已出現河流斷流、湖泊干涸、濕地萎縮、綠洲消失。而在水資源日益減少的同時，我國仍存在水資源利用方式粗放、用水效率不高的問題，導致水資源供需矛盾進一步凸顯。水資源危機已經成為我國實現可持續發展社會的基礎性和戰略性的重要因素[2]。

3 國內外相關領域研究現狀

3.1 國內外水資源綜合利用技術研究現狀

3.1.1 國外研究現狀

1894年，水資源這一概念被首次提出。1992年可持續發展觀念在聯合國環境與發展首腦會議被提出。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。

人類對水資源的價值觀發生了深刻的變化，從單一對經濟指標的考慮，發展為對于經濟、環境以及可持續發展之間平衡的考量。采取的措施以及研究范圍也從僅僅尋求新水源，發展為開流的同時，采取節源措施。從只注重用水量，發展為同時對于水體污染物總量的控制的關注[2]。

3.1.2 國內研究現狀

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”學術會議在北京召開，對于各層水的相互影響、水資源評估、數據庫的建立、水資源與環境以及水資源利用的規劃進行了研討。1991年，“模擬”方法隨著計算機技術的發展，成為主要研究手段。1992年“地下水與環境”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行了研討[2]。

遙感遙測、地理定位等設備儀器的運用，使得水資源從單一的學科，變得更加充盈與綜合。但存在的問題是，當下許多研究均為重復研究，缺乏多學科發展的系統性。因此，系統性的指導理論與方法需要被建立起來，改善水資源利用現狀[2]。

3.2 國內外礦區水資源利用研究現狀

國外礦區水資源保護始于1983年《采礦水文地質條件變化及保護》，書中對于采礦工業引起的水資源問題進行了論述，并提出了相應的建議。

我國的礦區水資源利用在理論方面已接近國際先進水平。最早探究礦區水資源保護的是山西省陽泉礦務局，對于娘子關泉的保護與治理。之后，“3S”系統、計算機技術各類統計分析方法以及水化學和環境同位素技術的應用，大力推進了礦區水資源的利用與保護技術[2]。

4 加拿大紐芬蘭與拉布拉多省鎳礦區考察與分析

4.1 加拿大采礦工業概況

加拿大的采礦工業生產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國，鎳和鉆石產量排名前五。加拿大的采礦工程主要建立在鎳-銅硫化礦的基礎上[3]。

4.2 加拿大紐芬蘭與拉布拉布拉多省鎳礦區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鎳礦區進行了實地考察與學習。紐芬蘭與拉布拉多省擁有加拿大多種生產礦井、發展中的礦區和礦產大企業，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地區的Hydromet Plant 就屬于巴西淡水河谷公司的一個新型礦區(圖1)。

冶煉金屬的方法主要分為火法冶金和濕法冶金。濕法冶金的優點是原料中有價金屬綜合回收率更高，更易實現生產過程連續性和自動化，并且有利于環境保護。火法冶金的過程簡單，更適用于大規模的生產。火法冶金或濕法冶金的選擇取決于環境保護和經濟效益的綜合考慮。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 地區礦區

對于礦區排出的廢水，礦區為了使得礦區排出的水質達標，并且不影響下游居民的生活，礦產公司需制定水資源管理計劃使得水污染程度最小化。礦區周邊的地表水和地下水應得到監測，在排水前應實施各項水處理方法來保障水質達標。

在減小廢水污染及減少用水需求量方面，該礦區采取以下措施：①通過建造上流堤壩，攔截與轉移地表水(雨水，雪水，溪流，小河)，防止地表水進入礦區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行循環利用，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，從而礦場內的降水流入地下水或其他自然水體；④促進礦區水塘中的水蒸發，以減少污染水的排放；在干旱地區，礦區廢水幾乎均可以被蒸發，達到廢水的零排放，從而使得礦區的污染物可以被控制在礦區內部。⑤在廢棄巖石和金屬堆處設置覆蓋物，以減少接觸降水和地下水的潛在污染性。

5 國內外常用處理工藝及分類

目前國內外對礦區水處理方法分為化學處理、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中和酸性廢水，或用酸或酸性物質中和堿性廢水時，把廢水的pH值調到7左右。常用措施有：將兩種相鄰礦區排放的廢水相互混合先發生中和，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行投加；當中和劑為粒狀或塊狀時，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

膜分離技術是指利用膜的選擇性分離功能實現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到微米級，根據膜孔徑大小的不同，膜分離技術分為微濾(MF)、超濾 (UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)。在分離過程中，施以壓力驅動廢水流過膜層，此時廢水中的工業污染物被截止，而水透過膜，從而實現廢水凈化。

MF與UF孔徑較大，它們具有常規分離機理。而NF和RO屬于無孔膜，其分離機理用溶解—擴散模型和非平衡熱力學模型來解釋。一些NF膜表面附有電荷，它們的分離機理比較復雜，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理主要是因為微生物在適當條件下可將二價鐵氧化，同時微生物會利用處理過程中產生的能量進行不斷繁殖。在工業廢水中投入微生物進行氧化處理，同時，向其中加一定量的中和劑及沉淀劑使金屬離子沉淀，接著在過濾之后達到凈水目的。在我國，微生物法仍處于實驗室探索階段，尚未廣泛應用到工業生產中。

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元素，解決二次污染的問題，具有良好應用前景。但這種方法限制因素是pH值、溫度等條件要求，因此，為使其更廣泛地應用還需要進行更深入的研究[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間,使其沿一定方向流動，在物理、化學、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來實現水質凈化的生態系統。

人工濕地的結構包括人工基質和生長在其上的水生植物。其更詳細的結構單元有：防滲層；基質層(填料、土壤和植物根系)；腐質層(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、水體和基質的共同作用下凈化工業廢水。

其中物理作用是指過濾和沉積，利用基質層及密集的植物莖葉和根系來過濾工業廢水，將懸浮污染物物截留在基質中。化學作用是指利用化學反應將可溶性污染物轉化成不溶狀態，以便于將其分離。

人工濕地系統是一種獨特并復雜的生態凈化體系，其中的各個結構之間是相互影響的。人工濕地系統的優點包括低成本、低能耗、并且植物對于環境有美化作用，是一種環境友好型處理技術。但此方法占地面積較大、處理過程容易受到環境的影響、場地需較高維護費用，這種技術目前仍有待于進一步研究。

6 結論與建議

中國是礦產資源大國，礦業的發展給社會帶來巨大財富的同時，也讓人們面臨了環境危機的困擾。目前，隨著計算機技術的發展，多種用以水資源分析利用的先進技術已被礦工業園區應用，但方法措施仍缺乏系統性與創新性。為此，結合對于相關研究的總結以及國外實地考察，提出如下建議。

(1)加強礦工業水資源利用的信息統計。合理地采樣并進行分層分析，用以進行工業園區水資源污染程度的分類，從而系統性地制定不同程度的治理基準。

(2)對于工業園區涉及的其它相關領域進行研究，如能源、大氣污染、固體廢物等。通過對研究結果的整合，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，加強污水回用來解決水資源緊張問題[7]。

(4)開展礦區水足跡評價，以便于制定更加全面的決策信息[8]。

(5)學習世界先進礦區的布置格局與水處理技術，旨在建立更加綠色環保的礦區。