尾礦地下水污染治理方案的設計研究

郭曉冬

(霍州煤電呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200)

1 概述

尾礦庫往往是較大的污染源，含有大量金屬元素。尾礦庫在堆積過程中，在雨水地表徑流以及自然化學反應等情況下，會發生淋溶現象，將尾礦中含有的金屬離子以游離態形式釋放出來，使金屬離子活化，經過一些列的物理遷移，很有可能進入地下水，污染地下水，進而轉移到人類體內，對健康造成長期影響。地下水資源是人類生活潔凈水的重要來源，重金屬離子的進入會對人類生活以及農作物的生長產生長期不利影響，需要重點控制此類情況的發生[1-3]。

2 尾礦重金屬淋溶機理

以黃鐵礦為例，進行淋溶機理的說明，淋溶過程主要涉及到的化學反應見式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

金屬礦在不同條件下，金屬離子被氧化后，活性與游離性都有所提高，更容易經過反應析出礦物質中，進入各種水體。主要反應作用如式(4)～式(5)。

(4)

(5)

3 浸出液下滲量計算

3.1 工況設計

按照固體廢物相關環保標準要求，Ⅱ類工業固體廢物填埋場底層設計要求如下：當底層天然基礎層的滲透系數大于1.0×10-7cm/s時，應采用天然或人工材料構筑防滲層，防滲層的厚度應相當于滲透系數1.0×10-7cm/s或厚度1.5 m的黏土層的防滲性能。以尾礦庫為背景，通過防滲層的設置，計算正常工況和非正常工況下的尾礦庫滲透液的產生量。

1) 正常工況:根據標準要求，在尾礦庫底層防滲層采用厚度不低于1.5 mm、滲透系數相當于1.0×10-11cm/s的HDPE膜；

2) 非正常工況:鋪設的防滲層屬性與正常工況相同，但防滲層不是完整的，而是存在10%左右的殘缺。

3.2 尾礦浸出液下滲量計算

在進行尾礦庫浸出液的下滲量計算時，本文采用專業的軟件進行分析計算，即采用SEEP2D模塊進行計算。

1) 數學模型

壩體庫區內滲流的模型見式(1)～式(6)。

(1)

H(x,z)/S1=H1(x,z)

(2)

(3)

H(x,z)/S3=H3(x,z)

(4)

H(x,z)/S4=z

(5)

(6)

式中:S1為尾礦庫庫區上邊界；S2為尾礦庫下邊界隔水邊界；S3為尾礦庫庫區下邊界；S4為尾礦庫滲濾液界面邊界；S5為尾礦庫上邊界隔水邊界；n為尾礦庫邊界的外法線方向；H為計算區域內的水頭分布；K為尾礦庫底層防滲層的滲透系數。

2) 概念模型

設計模型時，以尾礦庫截面作為研究對象。模型的最高點為堆積尾礦的最高部位，以此往下，分別是防滲層和底下巖層。該模型中，將尾礦庫配置的澄清水池作為邊界(水位高程1 238.4 m)，下游以尾礦庫最低邊定水頭邊界(水位高程1 176 m)，如圖1。

3) 計算參數的選取

根據相關資料，計算中涉及到的相關參數具體數值如表1所示。

4) 計算結果

由表1可知，對于模型中的尾礦庫，尾礦庫直接堆積，沒有防滲漏層的情況下，計算滲漏量約為13.4 m3/d·m，也就是941 m3/d；如果在底層鋪設具有一定厚度且滲透率屬性在一定范圍內的HDPE膜后，模型中的尾礦庫滲漏量則減少為0.036 m3/d·m，即2.80 m3/d。也就是說，在鋪設了滿足標準要求的防滲層后，滲透量僅為沒有鋪設滲透層的0.3%，這足以說明防滲透膜的作用；在計算非正常工況下的滲透量，即與第二種情況相同的鋪設條件，但滲透層有10%破損的情況下，模型中尾礦庫的滲漏量為1.26 m3/d·m，也就是97.02 m3/d，仍然遠低于沒有鋪設防滲層的情況。

圖1 尾礦庫二維計算模型(m)

表1 滲濾液滲出量參數表

4 地下水環境保護措施

通過尾礦庫模型滲透量在工況和非工況以及沒有任何防滲措施情況下滲透量的計算，得出在不同情況下的相關數據，根據數據說明，本文提出了源頭控制、過程控制及末端控制等措施。

1) 源頭控制:尾礦庫滲濾液主要是由于尾礦經過雨水沖刷以及自然化學反應產生的，從源頭對其控制，是最理想的方式，可以采用的方法主要有以下兩種：

a) 尾礦庫區內的出水不能直接外排，針對不同的出水，選擇不同的處理方式，如果是雨水以及其他表面徑流，可以引入澄清池，進行澄清后，用以洗煤用水等再利用；如果是滲濾液，則要對其進行收集，進行危險廢物鑒定后，按照相關標準要求處理，處理原則是，在不產生二次污染的情況下，對滲濾液進行化學處理，使其污染性降到最低，既實現了防止滲濾液污染地表徑流，從而滲入地下水，污染地下水的情況，又符合國家提倡的一水多用的環保思路。

b) 以清污分流為原則，在尾礦庫大壩設置雨水導流渠，將尾礦庫去的雨水等直接引入澄清池等過渡設備中，使雨水盡量少地進入庫區，這樣一方面可以減少流水對尾礦的沖刷，另一方面也可以減少尾礦堆積淋溶化學反應的程度，降低反應中條件的達成。

2) 過程控制:根據以上計算結果，在庫區底部增加合適的防滲層可以有效降低滲濾液在底層中的滲透率，從而降低其滲入地下水的速度，減少對地下水的污染。根據環保部相關標準，采用防滲層性能應不低于厚度1.5 m且滲透系數1.0×10-7cm/s的黏土防滲性能。在大壩建設過程中，嚴格按照該標準設計鋪設防滲層，可以有效防止滲濾液污染地下水的情況。

3) 末端控制:為了有效導流大壩上部導流渠以及防止尾礦庫澄清池溢出情況的發生，在尾礦庫與排洪口之間設置合理尺寸的蓄水池，既可以防止上述情況發生，又可以起到事故池的作用，同時也符合環評思想。

5 結論

尾礦庫在堆積過程中，會發生淋溶現象，將尾礦中含有的金屬離子以游離態形式釋放出來，經過一系列的物理遷移，很有可能會進入地下水，污染地下水，進而轉移到人類體內，對健康造成長期影響。針對這些情況，研究了金屬離子的淋溶機理以及遷移過程影響因素，著重對防滲層與滲透量的關系作了計算說明，通過計算數據結果，說明了防滲層對滲濾液滲透有很好的預防作用。另外，通過防滲層工況與非工況情況下的對比計算，得出防滲層在出現10%左右破損的情況下，防滲效果會降低約20倍左右，因此，在尾礦庫設計施工工程中，保證防滲層的完好是非常重要的，而且在運行過程中，通過相關運行參數的采集來檢測防滲層的完整度同樣具有現實意義。