銅礦山污水庫防滲工藝探討*

李道明 余國平 汪金衛(wèi) 張建軍 肖利興 陶 喆

（中國瑞林工程技術(shù)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(qū)數(shù)2 159個，保有資源儲量9 689萬t，基礎(chǔ)儲量為2 836萬t，江西、云南、新疆、西藏和內(nèi)蒙古5個?。ㄗ灾螀^(qū)）占全國總量的63%，其中江西已探明的銅工業(yè)儲量占全國銅工業(yè)儲量的1/3，是中國銅業(yè)出產(chǎn)最大的基地，已建有德興銅礦、永平銅礦、武山銅礦、東鄉(xiāng)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(chǎn)生大量的廢土、廢石，需要尋找合適的場地即排土場進(jìn)行堆放，由于沒有及時封場覆蓋，在大自然的作用下會產(chǎn)生大量的污水。早期建設(shè)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(huán)境污染事件［8-9］，已難以滿足現(xiàn)在的環(huán)保要求，且大部分調(diào)蓄能力不足，為此需要新建污水庫。本研究將從污水性質(zhì)、防滲標(biāo)準(zhǔn)等方面，對銅礦山污水庫的防滲工藝進(jìn)行分析論述，并根據(jù)庫址場地條件，提出了采用2種水平防滲結(jié)構(gòu)層，為同類項目防滲設(shè)計提供借鑒和參考。

1 污水性質(zhì)

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(nèi)現(xiàn)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(chǎn)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(jìn)一步生成硫酸鐵，在一系列化學(xué)反應(yīng)過程中生產(chǎn)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(jìn)一步把輝銅礦以硫酸鹽形式析出，經(jīng)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(chǎn)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(wěn)定，持續(xù)時間長，礦山開采結(jié)束后仍有流出，表1為江西省某大型銅礦山排土場現(xiàn)場取樣調(diào)查的酸性污水水質(zhì)檢測結(jié)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(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5085.3—2007）［10］規(guī)定的限值，不屬于危險廢物，但pH超出相關(guān)規(guī)范《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）［11］及《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 25467—2010））［12］規(guī)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(biāo)準(zhǔn)

我國銅礦開采歷史已久，早期建設(shè)的污水庫由于當(dāng)時環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范少，基本未考慮防滲措施，后來隨著人們的環(huán)保意識提高，才逐漸普遍考慮壩面采用黏土斜墻或設(shè)置垂直帷幕進(jìn)行防滲處理；但大部分污水庫由于施工原因或地質(zhì)條件未探清楚，導(dǎo)致黏土斜墻或垂直帷幕失效，最后還是造成污水滲漏，后續(xù)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(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前銅礦山污水庫的防滲工藝設(shè)計主要參照《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18599—2020）、《有色金屬工業(yè)環(huán)境保護(hù)工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50988—2014）、《有色金屬堆浸場浸出液收集系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51404—2019）等標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，其中文獻(xiàn)［13］根據(jù)一般工業(yè)固體廢物的性質(zhì)，要求II類場應(yīng)采用單人工復(fù)合襯層作為防滲襯層并提出相應(yīng)的防滲技術(shù)要求，為水平防滲；文獻(xiàn)［15］在水污染防治中規(guī)定“含第一類污染物且濃度超標(biāo)污水的收集、輸送溝渠和檢查井、收集池等應(yīng)防滲”，并在附錄中給出了水池、水溝防滲要求；文獻(xiàn)［16］規(guī)定堆浸場應(yīng)采取防滲措施以及新建堆浸場防滲系統(tǒng)應(yīng)選擇水平防滲系統(tǒng)，要求堆浸場的收集池、溶液池的防滲標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于堆浸場的防滲標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)不同的場地基礎(chǔ)條件，給出了相應(yīng)的防滲結(jié)構(gòu)層。以上3項標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范具體的防滲技術(shù)要求對比見表2。

雖然銅礦山排土場產(chǎn)生的污水水質(zhì)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(yīng)歸為第II類，但該標(biāo)準(zhǔn)適用于新建、改建、擴建的一般工業(yè)固體廢物貯存場和填埋場的選址、建設(shè)、運行、封場、土地復(fù)墾的污染控制和環(huán)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(jìn)行設(shè)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(shè)計。GB/T 51404—2019是適用于有色金屬堆浸場防滲系統(tǒng)、浸出液收集系統(tǒng)設(shè)計、施工、驗收及維護(hù)，雖然該標(biāo)準(zhǔn)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(qū)別在于堆浸場收集池和溶液池收集的溶液為產(chǎn)品，而銅礦山污水庫收集排土場產(chǎn)生的淋溶水為污水，其水質(zhì)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(shè)計也不合理，易造成投資高以及一味從嚴(yán)等現(xiàn)象。綜合以上對比分析，結(jié)合近年做過的國內(nèi)外多個銅礦山污水庫的工程設(shè)計案例，并考慮到大部分天然基礎(chǔ)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(jù)庫址場地基礎(chǔ)條件，按以下兩類防滲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計：對于場地基礎(chǔ)滲透系數(shù)k≤1.0×10-5cm/s的庫址，選擇單層人工材料襯層防滲標(biāo)準(zhǔn)；而對于場地基礎(chǔ)滲透系數(shù)k＞1.0×10-5cm/s的庫址，選擇復(fù)合人工材料襯層防滲標(biāo)準(zhǔn)。

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3 防滲結(jié)構(gòu)

無論是單層人工材料襯層還是復(fù)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(huán)保相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已要求HDPE膜的厚度不應(yīng)小于2.0 mm?？紤]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(zhì)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(fēng)險。因此，采用HDPE膜進(jìn)行防滲時，必須考慮在膜下設(shè)保護(hù)層；對于保護(hù)層材料的選擇，應(yīng)根據(jù)保護(hù)效果、施工、造價等方面進(jìn)行考慮，也宜盡量選擇土工材料。而復(fù)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(shè)鈉基膨潤土防水毯（GCL）。根據(jù)銅礦山污水庫的場地基礎(chǔ)條件、防滲部位，給出2種不同防滲結(jié)構(gòu)方案，見表3。

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4 結(jié)語

本研究根據(jù)已頒布的與污水收集相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，并結(jié)合實際工程水質(zhì)檢測結(jié)果，從污水性質(zhì)、防滲標(biāo)準(zhǔn)等方面分析探討了銅礦山污水庫的防滲工藝技術(shù)要求，建議采用2種水平防滲結(jié)構(gòu)，為同類項目的防滲工藝設(shè)計提供技術(shù)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(zhì)量密切相關(guān)，應(yīng)注意2點：①應(yīng)杜絕使用含有再生料的HDPE膜，從材料本身降低防滲結(jié)構(gòu)破損的風(fēng)險；②HDPE膜鋪設(shè)完后進(jìn)行完整性檢測。