基于溝渠庫廠聯合運用的金屬礦區酸性廢水防控措施研究

廖建文, 陳三雄, 謝江松, 張衛根, 程 勇, 汪新波, 彭志祥, 常 進

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司, 廣東 廣州 510610;2.廣東省樂昌峽水利樞紐管理處, 廣東 韶關 512200; 3.江蘇省地質調查研究院, 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境中，在水、空氣和生物的共同作用下會產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、成分復雜、污染面廣、影響時間長等特點[3-4]，對環境影響極大[5-7]，給人們的健康安全構成巨大風險[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。目前國內對酸性礦山廢水的防控多注重未端治理，常用處理技術有中和法、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還不成熟，在工程上尚未得到廣泛應用。

廣東省大寶山礦位于粵北山區，始建于1958年，是一座大型多金屬硫化物伴生礦床。經過近60 a露天開采，加上缺乏有效管制的民采，導致大量含重金屬離子的酸性廢水進入下游水系和農田，給周圍環境帶來嚴重污染，對該地區人群健康造成威脅，其下游的上壩村是有名的“癌癥村”，已引起廣泛關注和報道[13-15]。據林初夏等[16-17]的調查和研究，大寶山礦區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。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聯合應用的途徑，以期為礦區外排酸性廢水的治理提供科學依據。

1 研究區概況

廣東省大寶山礦位于韶關市曲江區沙溪鎮，1958年建礦，1966年建成投產。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、鎢等多種金屬礦產資源。礦區地處南嶺低山區，屬中亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫約20.3 ℃，多年平均降雨量約為1 673 mm。礦區出露地層絕大多數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。工程建成及后續的加高改造，在一定程度上控制了礦區水土流失和酸性廢水的外排。李屋攔泥庫區為一狹長“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90年代大寶山一帶的民采激增，在攔泥庫集水區內亂采亂挖亂堆亂放，經幾十年的徑流沖刷，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，根據周邊涼橋雨量站1982年以來日雨量系列資料分析，庫區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，徑流系數根據庫區下墊面條件確定為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形成酸性廢水，處理這些廢水的成本極高。庫區內含酸性物質的堆積物主要集中在“V”型山谷的谷底。而山谷兩側山坡為未被采礦破壞的林地，植被生長良好，該區域徑流在入庫之前尚未污染，可以將該區域清水截至攔泥庫下游天然溝道，實現雨污分流。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，通過攔泥庫的調蓄后進入污水處理廠處理，實現達標排放。

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，建設截排水工程對李屋攔泥庫集水區地表徑流進行雨污分流，在最大限度減少酸性廢水產生量的基礎上，合理利用攔泥庫攔蓄調節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)的聯合運用，對酸性廢水進行控制和處理，達到一定標準下廢水不外排的目的。酸性廢水防控技術體系見圖1。

圖1 研究區酸性廢水防控技術體系

3 防控技術體系及工程規模

3.1 雨污分流

根據對李屋攔泥庫集水區現狀的調查，污水區主要包括“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，此范圍內的污水匯流到李屋攔泥庫，后經污水處理廠處理；清水區包括“V”型山谷兩側山坡植被生長良好的區域，面積約5.99 km2。此范圍內的清水經截洪溝、排洪渠引至李屋攔泥庫下游河道。

工程區域無實測流量資料，雨污分流工程的洪水計算采用設計暴雨推求法計算洪峰流量，設計標準為一年一遇，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，將清水區降雨徑流截流后排至庫區下游溝道。雨污分流主要工程斷面及過流情況見表1。

表1 研究區雨流分污工程基本情況

3.2 攔泥庫調蓄及污水處理廠

攔泥庫基本淤滿，已無調蓄能力，為減小下游污水處理廠規模，需進行擴容增加其調蓄能力。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攔泥庫的攔蓄調節，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”工藝，處理污水中的Mn，Zn，Cu，Fe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。

考慮到當前投入水平和經濟承受能力，采用5年一遇降雨條件下污水不外排作為設計標準。清淤擴容及污水處理廠規模由徑流調節計算結果確定，徑流調節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內的入庫流量(m3/s)；q出——計算時段Δt內水庫出庫流量(m3/s)，包括用水量、蒸發損失量、滲漏損失量等； ΔV——計算時段Δt內蓄水量的變化值。

參照年調節水庫興利庫容的計算方法，根據李屋攔泥庫設計代表年來水過程，扣除雨污分流的清水量、水庫蒸發和滲漏等損失水量，結合設定的用水量進行徑流調節(完全年調節)計算，求得的興利庫容即為清淤擴容量，設定的用水量即為污水處理廠規模。依據徑流調節計算結果，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，污水處理規模為4.50×104t/d，污水處理廠年運行天數為312 d。即在建設清污分流工程的基礎上，清淤騰空攔泥庫調節庫容2.81×106m3，建設處理規模為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總徑流量的45%，大大減少了酸性廢水產生量。理論上講，雨污分流截流量越大，未端治理的污水量就越小，外排水防控的標準就可越高，但截流工程規模的確定受集水區地形條件、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狀等多因素的綜合考慮。如按滿足更高過流標準實施建設，如20年一遇洪水過流要求確定截洪溝規模，以4#截洪溝為例，斷面尺寸為寬4.1 m,高2.1 m。以工程區現有地形，除本身施工難度較大外，還會產生較大挖填方量，形成高陡邊坡，可能引發水土流失甚至是滑坡等地質災害。因此，單一擴大截洪溝斷面來提高外排酸性廢水的防控標準不可取。

攔泥庫位于山區，山區洪水的特點是暴漲暴落，流量大，歷時短，徑流在年際年內的分布極不均衡。雨污分流后，入庫徑流通過攔泥庫的庫容調節，將洪水期產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。由于攔泥庫調節庫容及污水處理廠規模采用完全年調節水庫興利庫容的計算方法確定，顯而易見，經攔泥庫調蓄后，不均衡徑流來水按照污水處理廠規模重新進行了年內分配，重新分配后的流量要遠小于洪峰流量，且全年不發生棄水(即達到完全處理)，不僅降低了短歷時暴雨下大規模處理高洪量廢水的風險，也減小了污水處理廠建設規模和投入。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處理。

本文提出的基于溝渠庫廠聯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。然而，由于洪水發生是一個隨機事件，需應對可能遭遇的超標準洪水。可在下游建設應急壩，并設置拋灑石灰等中和劑和絮凝劑的作業平臺，同時完善應急預案及機制，防范超標準洪水發生時可能造成的環境污染突發事件。

5 結論與展望

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

據統計[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”的生態戰略思想極不相稱，酸性礦山廢水治理任務艱巨。本研究提出的將酸性礦山廢水源頭控制技術與未端治理技術相結合的綜合技術體系，為金屬礦區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。在應用本技術體系時應注意：①防控標準應根據酸性廢水污染現狀、經濟水平、施工難度等綜合確定，并制定超標準洪水條件下的應急預案；②未端污水處理廠的規模與雨污分流、攔泥庫調蓄庫容直接相關，雨污分流工程規模和攔泥庫調蓄庫容越大，未端污水處理廠的規模就越小。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，應盡量提高雨污分流工程規模和攔泥庫調蓄庫容；③調蓄庫容可根據礦山條件采用新建攔泥庫、加高現有攔泥庫或尾礦庫、清淤擴容等多種方法實現，新建攔泥庫、加高攔泥庫或尾礦庫必須按照行業規程規范進行設計、施工和管理，確保安全運行。