銅礦山污水庫防滲工藝探討*

李道明 余國平 汪金衛 張建軍 肖利興 陶 喆

（中國瑞林工程技術股份有限公司）

我國是世界上銅儲量較多的國家之一，截至2014年底，我國銅礦區數2 159個，保有資源儲量9 689萬t，基礎儲量為2 836萬t，江西、云南、新疆、西藏和內蒙古5個省（自治區）占全國總量的63%，其中江西已探明的銅工業儲量占全國銅工業儲量的1/3，是中國銅業出產最大的基地，已建有德興銅礦、永平銅礦、武山銅礦、東鄉銅礦、城門山銅礦、銀山鉛鋅銅礦六大銅礦山［1-7］。銅礦山主要以露采為主，開采過程中會產生大量的廢土、廢石，需要尋找合適的場地即排土場進行堆放，由于沒有及時封場覆蓋，在大自然的作用下會產生大量的污水。早期建設的污水庫普遍考慮壩面防滲或垂直防滲，易造成污水滲漏等環境污染事件［8-9］，已難以滿足現在的環保要求，且大部分調蓄能力不足，為此需要新建污水庫。本研究將從污水性質、防滲標準等方面，對銅礦山污水庫的防滲工藝進行分析論述，并根據庫址場地條件，提出了采用2種水平防滲結構層，為同類項目防滲設計提供借鑒和參考。

1 污水性質

銅礦類型多樣，按成礦不同可分為斑巖型、砂頁巖型、銅鎳硫化物型、黃鐵礦型、銅—鈾—金型、自然銅型、脈型、碳酸巖型、矽卡巖型，共9類。我國有近一半的銅礦儲量類型為斑巖型，以硫化金屬礦為主，例如國內現已建成的最大斑巖型銅礦山——江西德興銅礦，其特點是礦體埋藏淺，易于露天開采，在開采過程中會產生大量的含硫化物廢石，堆放至排土場。這些廢石主要為黃鐵礦、輝銅礦及黃銅礦，在空氣、水和微生物的作用下，被氧化成硫酸亞鐵、硫酸，并進一步生成硫酸鐵，在一系列化學反應過程中生產的硫酸、高價鐵鹽又可對其它金屬硫化物起到氧化作用，再進一步把輝銅礦以硫酸鹽形式析出，經雨水沖刷，易形成大量的含重金屬離子的強酸性污水。銅礦山排土場產生的酸性污水通常呈紅褐色，重金屬離子濃度高，量大且不穩定，持續時間長，礦山開采結束后仍有流出，表1為江西省某大型銅礦山排土場現場取樣調查的酸性污水水質檢測結果。

注：pH無量綱。

從表1可以看出，酸性污水中的重金屬濃度要低于《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別標準》（GB 5085.3—2007）［10］規定的限值，不屬于危險廢物，但pH超出相關規范《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）［11］及《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》（GB 25467—2010））［12］規定的6～9范圍，且鋅、銅、鎘、鎳濃度均要高于最高允許排放濃度。

2 防滲標準

我國銅礦開采歷史已久，早期建設的污水庫由于當時環保標準規范少，基本未考慮防滲措施，后來隨著人們的環保意識提高，才逐漸普遍考慮壩面采用黏土斜墻或設置垂直帷幕進行防滲處理；但大部分污水庫由于施工原因或地質條件未探清楚，導致黏土斜墻或垂直帷幕失效，最后還是造成污水滲漏，后續不僅治理難度大，費用也高，已污染的土地或地下水影響時間長。近年來國家頒布或修訂了一系列與污水收集相關的環保標準規范［13-16］，但至今還沒頒布針對有色金屬礦山特別是銅礦山污水庫防滲的標準規范，目前銅礦山污水庫的防滲工藝設計主要參照《一般工業固體廢物貯存和填埋污染控制標準》（GB 18599—2020）、《有色金屬工業環境保護工程設計規范》（GB 50988—2014）、《有色金屬堆浸場浸出液收集系統技術標準》（GB/T 51404—2019）等標準或規范，其中文獻［13］根據一般工業固體廢物的性質，要求II類場應采用單人工復合襯層作為防滲襯層并提出相應的防滲技術要求，為水平防滲；文獻［15］在水污染防治中規定“含第一類污染物且濃度超標污水的收集、輸送溝渠和檢查井、收集池等應防滲”，并在附錄中給出了水池、水溝防滲要求；文獻［16］規定堆浸場應采取防滲措施以及新建堆浸場防滲系統應選擇水平防滲系統，要求堆浸場的收集池、溶液池的防滲標準不應低于堆浸場的防滲標準，并依據不同的場地基礎條件，給出了相應的防滲結構層。以上3項標準或規范具體的防滲技術要求對比見表2。

雖然銅礦山排土場產生的污水水質中，至少有1種或1種以上的特征污染物濃度超過GB 8978—1996最高允許排放濃度，且pH在6～9之外（小于6、大于9），按照GB 18599—2020應歸為第II類，但該標準適用于新建、改建、擴建的一般工業固體廢物貯存場和填埋場的選址、建設、運行、封場、土地復墾的污染控制和環境管理，針對的是固體廢物。因此，污水庫不能生搬硬套GB 18599—2020的II類場防滲要求進行設計。GB 50988—2014雖然明確了污水池、污水溝的防滲要求，但只是提供了混凝土或鋼筋混凝土池子的防滲做法，但銅礦山污水庫由于容積大，基本上都是利用自然地形在溝口采用土石料筑壩形成的，與本身具有防滲性能的混凝土或鋼筋混凝土池子不一樣，因此，也不能直接用于銅礦山污水庫的防滲工藝設計。GB/T 51404—2019是適用于有色金屬堆浸場防滲系統、浸出液收集系統設計、施工、驗收及維護，雖然該標準中的堆浸場收集池和溶液池與銅礦山污水庫有些相似，都是用來收集含有重金屬的水池，共性都具有污染性，但區別在于堆浸場收集池和溶液池收集的溶液為產品，而銅礦山污水庫收集排土場產生的淋溶水為污水，其水質成份及濃度均差別很大，將GB/T 51404—2019直接套用于銅礦山污水庫的防滲設計也不合理，易造成投資高以及一味從嚴等現象。綜合以上對比分析，結合近年做過的國內外多個銅礦山污水庫的工程設計案例，并考慮到大部分天然基礎層、黏土類襯層的防滲性能以及施工、造價等因素，建議銅礦山污水庫的防滲工藝根據庫址場地基礎條件，按以下兩類防滲標準進行設計：對于場地基礎滲透系數k≤1.0×10-5cm/s的庫址，選擇單層人工材料襯層防滲標準；而對于場地基礎滲透系數k＞1.0×10-5cm/s的庫址，選擇復合人工材料襯層防滲標準。

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3 防滲結構

無論是單層人工材料襯層還是復合人工材料襯層，都需要用到人工合成材料防滲襯層，目前與環保相關的標準規范所采用的人工合成材料防滲襯層，都是推薦采用高密度聚乙烯（HDPE）膜，且厚度一般都要求不小于1.5 mm，部分標準規范已要求HDPE膜的厚度不應小于2.0 mm。考慮到2.0 mm厚HDPE膜的抗拉伸、穿刺等強度都要好于1.5 mm厚的HDPE膜，施工質量更能得到保證，且目前市場價格相差也越來越小，銅礦山污水庫的人工合成材料防滲襯層建議采用2.0 mm厚的HDPE膜。由于HDPE膜屬于土工材料，遇到大顆粒土、石塊、鋼筋等比較尖銳的物體容易被刺穿造成滲漏風險。因此，采用HDPE膜進行防滲時，必須考慮在膜下設保護層；對于保護層材料的選擇，應根據保護效果、施工、造價等方面進行考慮，也宜盡量選擇土工材料。而復合人工材料襯層的黏土類防滲襯層，庫底可采用防滲性能較好的黏土壓實而成，邊坡上由于黏土機械很難壓實，可鋪設鈉基膨潤土防水毯（GCL）。根據銅礦山污水庫的場地基礎條件、防滲部位，給出2種不同防滲結構方案，見表3。

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4 結語

本研究根據已頒布的與污水收集相關的標準或規范，并結合實際工程水質檢測結果，從污水性質、防滲標準等方面分析探討了銅礦山污水庫的防滲工藝技術要求，建議采用2種水平防滲結構，為同類項目的防滲工藝設計提供技術借鑒和參考。銅礦山污水庫采用人工合成材料防滲襯層，其防滲效果與材料本身以及施工質量密切相關，應注意2點：①應杜絕使用含有再生料的HDPE膜，從材料本身降低防滲結構破損的風險；②HDPE膜鋪設完后進行完整性檢測。