寶日希勒露天礦采場(chǎng)水資源化利用設(shè)計(jì)研究★

黃玉凱，胡志勇

(1.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

1 概述

地下水原來存儲(chǔ)的狀態(tài)發(fā)生了變化，主要原因是由于開采礦床導(dǎo)致地下水產(chǎn)生縫隙，進(jìn)而讓一些含水層的關(guān)系變得緊密，例如地表水、大氣降水、生活水以及地下水等，這些含水層隨著新型以及原始的縫隙進(jìn)入采掘空間，逐步向采場(chǎng)水轉(zhuǎn)變[1]。采場(chǎng)水是一種廢水，在生產(chǎn)煤炭過程中具有大量的排放產(chǎn)量。1993年，我國通過計(jì)算與統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)煤礦每噸煤涌水量和排放采場(chǎng)水量分別約為4.0億m3和22億m3，而且隨著時(shí)代的發(fā)展與煤炭領(lǐng)域的進(jìn)步，對(duì)排放采場(chǎng)水的數(shù)量變得越來越多[2]。多年來，由于我國對(duì)采場(chǎng)水的認(rèn)知較為渺小，技術(shù)比較落后，采場(chǎng)水沒有被合理應(yīng)用和保護(hù)，經(jīng)常毫無用處的被排放掉。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每地區(qū)開采1 t原煤，采場(chǎng)水排放量將達(dá)到2 t，這種情況不僅會(huì)讓工業(yè)領(lǐng)域和生活領(lǐng)域用水量降低，還會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)、污染貴重的水資源。因此，一定要良好的處理并利用采場(chǎng)水，把采場(chǎng)水當(dāng)做一種珍貴的水資源，即采場(chǎng)水資源化利用已經(jīng)成為了一種必然趨勢(shì)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，采場(chǎng)水的平均使用概率只達(dá)到了22%，在北方國有煤礦中，每年需要排放高達(dá)14億t的采場(chǎng)水，而平均使用概率甚至未達(dá)到20%[3]。由于污水到處橫流，使我國各大水源都產(chǎn)生不同程度的污染，水環(huán)境嚴(yán)重惡化。排水沒有節(jié)制、沒有節(jié)約水資源的想法不僅會(huì)提高煤炭的成本、浪費(fèi)水資源，還會(huì)產(chǎn)生地下水資源白白流失、地面變得塌陷、水資源環(huán)境變得越來越惡劣等問題。所以從保護(hù)水資源和保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，采場(chǎng)水資源化利用也是十分必要的。

2 寶日希勒露天礦采場(chǎng)水資源現(xiàn)狀分析

2.1 寶日希勒露天礦水文地質(zhì)資料分析

寶日希勒露天煤礦地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的呼倫貝爾草原腹地，本區(qū)域具有大量的煤炭資源，厚度較大、角度小、煤炭層較淺、賦存條件好，剝采比小，非常適合露天開采，是國家能源重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)，同時(shí)，由于該地區(qū)位于我國北疆，其特殊的地理位置和生態(tài)環(huán)境使其常被譽(yù)為我國北疆的“生態(tài)屏障”[4]。因此，在煤炭資源的開發(fā)利用過程中，如何對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和地下水資源進(jìn)行合理的保護(hù)和綜合利用，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共處成為了煤炭企業(yè)綠色發(fā)展過程中所面臨的突出問題。

寶日希勒露天礦礦區(qū)為優(yōu)質(zhì)草場(chǎng)，露天采場(chǎng)水具有大量的有毒有害污染物質(zhì)，例如放射性元素等，大部分屬于酸性水和高礦化度水。寶日希勒露天礦采場(chǎng)水排放量很大，正常生產(chǎn)時(shí)期露天礦坑內(nèi)每小時(shí)最大排水量達(dá)1 400 m3，每天排水8 h～10 h，總計(jì)每天需處理的最大廢水量為14 000 m3[5]。沒有經(jīng)過處理的廢水排放后，會(huì)讓草場(chǎng)環(huán)境變得惡劣，影響草場(chǎng)原本具有的生態(tài)平衡和景觀，造成草場(chǎng)土壤板結(jié)，草場(chǎng)退化。另外，生產(chǎn)在工業(yè)領(lǐng)域中會(huì)使用大量的水資源，降低了地表水量，也影響了礦區(qū)草場(chǎng)質(zhì)量。目前礦區(qū)廢水處理率很低，大量的采場(chǎng)廢水排放不僅嚴(yán)重污染了礦區(qū)周圍環(huán)境，還大大加劇了礦區(qū)缺水的嚴(yán)重性程度，甚至還影響到了露天礦的邊坡穩(wěn)定，造成安全生產(chǎn)的隱患。

根據(jù)國家對(duì)寶日希勒礦區(qū)的環(huán)保要求，寶日希勒露天煤礦在生產(chǎn)過程中坑內(nèi)產(chǎn)生大量的排水需要經(jīng)過處理達(dá)到國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)后排放，其中一部分進(jìn)行合理有效的利用，通過深度處理后回用于道路澆灑或綠化，以及為熱電廠和褐煤提質(zhì)這兩個(gè)項(xiàng)目提供工業(yè)用水水源，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

因此，寶日希勒露天礦實(shí)施采場(chǎng)水資源化處理的重要性不言而喻。寶日希勒露天礦在采礦和用水安全問題、生產(chǎn)問題以及可持續(xù)發(fā)展問題都被其深深影響著，也決定著周圍礦區(qū)大片優(yōu)質(zhì)草場(chǎng)的未來命運(yùn)，必須進(jìn)行詳細(xì)研究和整體規(guī)劃。

2.2 采場(chǎng)水水質(zhì)情況調(diào)查

目前，礦區(qū)生產(chǎn)、生活污水中具有很多污染物，其中主要污染物有SS,COD,BOD5和氨氮等。根據(jù)礦區(qū)總體規(guī)劃，寶日希勒礦區(qū)生產(chǎn)、生活污水排放量為632.68萬m3/a，經(jīng)過污水處理設(shè)施后，出水的水質(zhì)量和GB 20426—2006煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)相符合。參照此標(biāo)準(zhǔn)，確定污水處理設(shè)施出水化學(xué)耗氧量(COD)限值為50 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度限值為15 mg/L，生化需氧量(BOD5)限值為20 mg/L，含水懸浮物(SS)的量限值為50 mg/L，總磷質(zhì)量濃度限值為0.5 mg/L。

通過對(duì)露天礦積水坑取樣分析，得到露天礦采場(chǎng)水的水質(zhì)情況。從樣本水質(zhì)分析結(jié)果看，寶日希勒露天礦采場(chǎng)SS質(zhì)量濃度、COD質(zhì)量濃度、BOD5質(zhì)量濃度、氨氮和總磷指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，分別達(dá)到316 mg/L,160 mg/L,90 mg/L,48 mg/L,1.4 mg/L，且采場(chǎng)水水質(zhì)呈酸性，這些指標(biāo)均不能達(dá)標(biāo)，需要經(jīng)過凈化處理達(dá)標(biāo)后才能外排。

2.3 采場(chǎng)水處理工藝設(shè)計(jì)

在建造污水處理管理系統(tǒng)中，氧化塘污水處理系統(tǒng)同利用其他生物處理法相比有很多優(yōu)勢(shì)。例如維護(hù)的能力強(qiáng)、只需要很少的建造和運(yùn)行的費(fèi)用、處理效率高、工作穩(wěn)定可靠等。尤其通過實(shí)踐，我們可以在多級(jí)氧化塘系統(tǒng)中了解到其具有很強(qiáng)的凈化污水能力。作為一種組合塘系統(tǒng)，它包括了兼性塘、厭氧塘、好氧塘和綜合生態(tài)塘，同時(shí)可以很強(qiáng)的去除重金屬離子和一些難降解的污染物[6]。

寶日希勒露天礦采場(chǎng)水的凈化決定采用這種污水處理系統(tǒng)，其對(duì)污水的處理程度接近或達(dá)到三級(jí)處理，出水用來養(yǎng)魚、灌溉農(nóng)田牧場(chǎng)等等均沒有問題；此外，寶日希勒露天礦有大片塌陷坑可供利用建造氧化塘，無需擔(dān)心氧化塘占地面積大的問題。

氧化塘有清水稀釋氧化塘和無稀釋氧化塘兩種，根據(jù)寶日希勒煤業(yè)有限公司露天礦采場(chǎng)的實(shí)際情況，采場(chǎng)水資源化處理決定采用無稀釋氧化塘。污水經(jīng)沉淀池沉淀后由耐酸水泵直接打入氧化塘污水處理系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。凈化完成后，采場(chǎng)水水質(zhì)完全可以達(dá)標(biāo)排放，也可以用于灑水降塵、綠化、養(yǎng)魚、灌溉和洗煤、電廠用水等。其具體處理工藝就是沉淀池+厭氧塘、兼性塘和生態(tài)魚塘組成的多級(jí)串聯(lián)氧化塘系統(tǒng)。

根據(jù)露天采場(chǎng)實(shí)際情況，寶日希勒露天礦氧化塘污水處理系統(tǒng)采用的具體工藝流程：礦坑水→沉淀池→耐酸泵→排水管→厭氧塘→兼性塘→好氧塘→水泵→排水管→魚塘→閘門→水渠→排放或工業(yè)回用。

2.4 氧化塘處理單元設(shè)計(jì)

根據(jù)氧化塘的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，結(jié)合寶日希勒露天礦的實(shí)際情況，對(duì)露天礦采場(chǎng)水凈化作如下設(shè)計(jì)：

1)氧化塘選址宜選用廢舊河道、低洼地、沼澤及貧瘠地等。寶日希勒露天礦采場(chǎng)附近有很多大的塌陷坑，正好可以用來建設(shè)氧化塘的構(gòu)筑物。

寶日希勒露天礦可以利用這塊塌陷坑自身的高低落差經(jīng)過平整修理建成多級(jí)氧化塘系統(tǒng)。可以減少大部分的基建投資，也可以美化生態(tài)景觀，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

2)寶日希勒礦區(qū)常年可見光輻射的時(shí)間大于100 kal/(cm2·d)所占比重達(dá)不到90%，而且有四、五個(gè)月的結(jié)冰期，因此考慮氧化塘建造時(shí)必須克服這些不利因素。寶日希勒露天礦采場(chǎng)水資源化處理采用處理效率較高的厭氧塘-兼性塘-綜合生態(tài)塘組合處理工藝，同時(shí)三種類型的氧化塘采用串聯(lián)或并聯(lián)的形式加強(qiáng)采場(chǎng)水凈化處理的效果。

氧化塘處理單元的基本形式：厭氧塘→厭氧塘→兼性塘→兼性塘→好氧塘→生態(tài)魚塘。

3)厭氧塘與好氧塘相比具有下列優(yōu)缺點(diǎn)：

a.應(yīng)用范圍廣。好氧法受到供氧限制，常用于處理中、低濃度有機(jī)廢水，而厭氧法對(duì)高濃度、中濃度、低濃度有機(jī)廢水均有良好的處理效果。此外，好氧生物法難以降解部分有機(jī)物，如固體有機(jī)物、部分氨氮染料、著色劑等，而厭氧生物法能有效處理相關(guān)污染物。

b.能耗低。受技術(shù)條件要求影響，好氧法需要在運(yùn)行過程中提供大量氧氣，從而增加了能量損耗，曝氣所需費(fèi)用會(huì)隨著廢水中有機(jī)污染物濃度的增加而增大，提升了水處理成本。而厭氧法不需要充氧，處理過程中還能產(chǎn)生沼氣等可燃?xì)怏w，可作為能源加以利用。當(dāng)廢水中有機(jī)污染物濃度達(dá)到一定濃度值后，沼氣所產(chǎn)生的能量可以抵消處理廢水所需能量。當(dāng)原水BOD5達(dá)到1 500 mg/L時(shí)，采用厭氧技術(shù)處理廢水即可產(chǎn)生剩余能量，剩余能量會(huì)隨著有機(jī)物濃度的升高而增加。厭氧法的動(dòng)力消耗約為活性污泥法的1/10。

c.負(fù)荷高。厭氧法的單位容積有機(jī)負(fù)荷量往往高于厭氧法，甚至最大比例可以高于好氧法的10倍左右。

d.污泥的剩余量較少，其縮水性和脫水性呈現(xiàn)突出性質(zhì)。好氧法每消除1 kg COD將產(chǎn)生0.4 kg～0.6 kg的生物量，而厭氧法產(chǎn)生的生物量較低，僅為0.02 kg～0.1 kg。同時(shí)，厭氧法剩余的污泥量僅占好氧法的5%～20%左右，其污泥的去除過程無論在衛(wèi)生學(xué)上還是化學(xué)上都是相對(duì)穩(wěn)定的。因此，把簡單的處置過程和低成本的運(yùn)行費(fèi)用等特點(diǎn)作為處理剩余污泥的優(yōu)勢(shì)方法，并逐漸應(yīng)用到肥料，飼料和餌料的生產(chǎn)領(lǐng)域，已成為當(dāng)前化工研究的趨勢(shì)。

e.厭氧處理過程具有一定的殺菌作用，對(duì)廢水和污泥中存在的寄生蟲卵、細(xì)菌、病毒等生物能夠有效抑制消除。

但是，厭氧生物法也存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)，它處理后的出水水質(zhì)較差，需要經(jīng)過好氧塘做進(jìn)一步處理才能達(dá)標(biāo)排放。

從厭氧塘和好氧塘的特點(diǎn)可以推出，厭氧塘可以承擔(dān)高有機(jī)負(fù)荷，是氧化塘處理單元中的第一級(jí)塘，而且所需占地面積相對(duì)較小。

露天礦采場(chǎng)水經(jīng)沉淀池進(jìn)行預(yù)處理后，出水水質(zhì)中含懸浮物(SS)的量降低到156 mg/L以下，其他水質(zhì)參數(shù)基本沒有變化。因此，露天礦氧化塘處理單元的具體任務(wù)如表1所示。

表1 氧化塘處理單元任務(wù)表

根據(jù)很多氧化塘方面專家的經(jīng)驗(yàn)，氧化塘設(shè)計(jì)以有機(jī)負(fù)荷計(jì)為準(zhǔn)的效果比以水力負(fù)荷計(jì)得到的效果好，誤差小。所以，寶日希勒露天礦氧化塘的設(shè)計(jì)取采場(chǎng)水有機(jī)負(fù)荷作為氧化塘設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 寶日希勒露天礦采場(chǎng)水資源化利用途徑

采場(chǎng)水經(jīng)多級(jí)串聯(lián)氧化塘處理后，出水水質(zhì)良好，可以有以下幾種用途。

3.1 工業(yè)用水

寶日希勒礦區(qū)規(guī)劃中有建設(shè)大電廠和大化工園區(qū)的規(guī)劃，這兩項(xiàng)規(guī)劃實(shí)施后每年均需要消耗水資源量達(dá)數(shù)百萬立方米之多。而且電廠用水和化工用水對(duì)水質(zhì)的要求都比較低，魚塘出水水質(zhì)完全可以達(dá)到電廠用水和化工用水對(duì)水質(zhì)的要求標(biāo)準(zhǔn)。距離氧化塘污水處理系統(tǒng)不遠(yuǎn)的地方有一電廠，采場(chǎng)水經(jīng)過凈化處理后可以拿來做一電廠循環(huán)冷卻用水?，F(xiàn)在，寶日希勒能源有限公司正在建設(shè)褐煤提質(zhì)項(xiàng)目工程，這個(gè)工程投產(chǎn)后每年也需要消耗大量的水資源，經(jīng)過氧化塘處理的采場(chǎng)水也可以用于褐煤提質(zhì)工程用水。

3.2 礦區(qū)灑水降塵

露天采礦揚(yáng)塵量大，灰塵濃度高，按照采礦規(guī)程礦區(qū)須進(jìn)行灑水降塵處理。礦區(qū)灑水降塵對(duì)水質(zhì)的要求比電廠用水和化工用水還低很多，通過兼性塘處理后，采場(chǎng)水的出水可以在礦區(qū)利用，主要功能為灑水降塵。寶日希勒露天礦區(qū)每年灑水降塵需要的水量也有幾十萬立方米之多。采場(chǎng)水出水還可以用來做消防用水的水源。

3.3 礦區(qū)綠化

大型露天礦每年都需要對(duì)大片塌陷區(qū)進(jìn)行采區(qū)回填復(fù)墾、綠化。采區(qū)復(fù)墾綠化需要消耗大量水資源，寶日希勒露天礦采場(chǎng)水經(jīng)過多級(jí)串聯(lián)氧化塘處理后可以作為采區(qū)回填復(fù)墾和綠化園區(qū)所需用水。

3.4 牧場(chǎng)灌溉

寶日希勒礦區(qū)周圍為優(yōu)質(zhì)草場(chǎng)，每年需要對(duì)草場(chǎng)進(jìn)行精心護(hù)理。經(jīng)過不同等級(jí)串聯(lián)氧化塘處理后，寶日希勒露天礦采場(chǎng)水的出水質(zhì)量可以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，完全可以用來對(duì)草場(chǎng)進(jìn)行灌溉，有助于保護(hù)草原的生態(tài)環(huán)境。

3.5 水產(chǎn)養(yǎng)殖

寶日希勒露天礦可以利用采場(chǎng)水排放量大和出水水質(zhì)較好的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合露天礦養(yǎng)魚塘發(fā)展多種養(yǎng)殖業(yè)，建成水生態(tài)系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括水生植物、菌藻、底棲動(dòng)物、蚌、魚、鴨、鵝、等食物鏈共同構(gòu)造。

4 結(jié)語

我國“十一五”規(guī)劃提出我國要以“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”為目標(biāo)，建造一種良好的社會(huì)環(huán)境，而采場(chǎng)水資源化利用不僅可以減少污水排放量，提高采場(chǎng)水資源利用率，而且可以減小采場(chǎng)水對(duì)正常采礦活動(dòng)安全程度的影響，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

寶日希勒露天礦采場(chǎng)水排放量大，其凈化過程最好通過多級(jí)串聯(lián)氧化塘工藝對(duì)污水進(jìn)行處理，這樣可以充分利用露天礦塌陷區(qū)節(jié)省大量基建投資。將采場(chǎng)水按照厭氧塘、兼性塘、好氧塘和生態(tài)魚塘組成的多級(jí)串聯(lián)氧化塘系統(tǒng)凈化處理后，出水水質(zhì)完全可以達(dá)到《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，可以回用于電廠循環(huán)冷卻用水、消防用水和礦區(qū)灑水降塵綠化等用水大戶，有利于保護(hù)礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境，有利于“和諧礦區(qū)”“綠化礦區(qū)”的建設(shè)，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。