苦咸水、海水在国内外矿业中的应用

阎文庆，朱日来

(1.宁夏盈谷黄金有限公司，宁夏 石嘴山 753000；2.山东黄金蓬莱矿业有限公司，山东 蓬莱 265600)



苦咸水、海水在国内外矿业中的应用

阎文庆1，朱日来2

(1.宁夏盈谷黄金有限公司，宁夏 石嘴山 753000；2.山东黄金蓬莱矿业有限公司，山东 蓬莱 265600)

矿业开发面临缺水挑战，但国内外很多地区有丰富的咸水(苦咸水和海水)资源可加以利用。本文介绍了苦咸水和海水的性质，以及在国内外矿山使用现状，说明国内仅有少数矿山使用苦咸水，而国外干旱地区矿山广泛使用苦咸水或海水。考虑直接使用咸水对铅锌、钨和钼矿石的浮选生产不利，还有腐蚀问题和选矿水质恶化等因素，文章认为矿山使用淡化水更适合。目前国内外咸水淡化主要采用反渗透工艺，从使用淡化海水较广泛的智利等国看，海水淡化的投资运营支出受海水运输距离和高差的影响较大，特别是远离大海且海拔高的矿山。文章指出，使用咸水可解决干旱地区矿山用水矛盾，但淡化工艺对生态环境有一定危害。最后提出，干旱缺水地区的矿山应用苦咸水或海水有较大现实意义，我国应重视此方面的应用。

咸水；海水；苦咸水；淡化；矿山；水管理；环境影响

全球的水资源时空分布不均匀，目前许多地区和国家面临着缺水问题，同时不可持续的地下水开采和地下水污染情况也令人担忧，水资源将无法满足未来的所有需求[1]，包括矿业在内的工业用水，同当地的农业用水、居民饮用水的矛盾加剧。未来水的问题将成为矿业开发面临的主要挑战之一。

在我国，政府鼓励和支持沿海地区直接利用海水或利用淡化海水。在国外，矿山对苦咸水、海水的利用率在上升，国际评级机构也在考虑对矿业公司的信用评级时，在项目中增加水资源管理能力。

海洋是最大的水资源，理论上是淡水的理想替代物，加强海水利用有助于解决水资源紧缺问题，特别是在干旱缺水又有丰富矿产资源的地区，如拉美国家的秘鲁、智利等，其他类似的还有阿拉伯半岛、澳大利亚、南非等地的沿海区域。国内矿山利用海水的不多，报道仅有山东的三山岛金矿[2]等少数矿山在利用海水选矿，缺水地区的煤矿在利用类似海水的苦咸水方面有实践经验，如山西同煤集团马脊梁煤矿[3]。另外在矿产资源丰富但干旱缺水的青海、甘肃、内蒙等地，当地普遍存在的苦咸水有利用潜力。

近年来中国公司国际化步伐加快，走出国门进行矿产资源勘查、矿业开发的公司日渐增多，矿业决策人士和技术人员需要考虑适应全球各地的工程问题，可能会涉及到海水、苦咸水的应用及其环保事项，以前没有接触过的苦咸水和海水在矿物加工、尾矿贮存、水处理、环境影响甚至饮用水等问题，都将会成为必须面对的挑战。

1　全球缺水概况

据联合国世界水发展报告称，全球缺水干旱地区主要有非洲北部中部及南部边缘、西亚和中亚地区、拉美北部和中部的沿海地区、阿拉伯半岛等。

非洲约66%的地区缺水，中部、北部和南部边缘是干旱或半干旱气候，撒哈拉以南降雨相对充沛但空间分布不均，洪水和干旱频发，而撒哈拉沙漠则几乎没有降雨。阿拉伯和西亚地区，有世界上最缺水的国家，超过12个属于绝对缺水国。受海水入侵影响，地中海和阿拉伯海湾周边国家苦咸水多。

地处中亚流域的国家，如乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、土库曼斯坦、阿塞拜疆等国都干旱缺水，而农业灌溉又造成土壤盐渍化，水体中盐含量高，很多地方的水是苦咸水。

在美洲，拉美及加勒比许多地区是干旱或半干旱的，墨西哥北部、巴西东北部、秘鲁沿海及智利北部等区域都面临严重用水问题。美国西部和中部的一些地区干旱缺水。

在我国，西北、华北的许多地方是缺水区域，而沿海并不干旱的部分地区又存在着海水入侵等水结构性矛盾。

2　矿业开发与当地水资源

矿业对水的需求量很大，首先，体现在每吨矿的用水单耗数量大。在我国，有色金属选矿需要的用水吨矿单耗一般是：浮选4～7m3，重选20～26m3，浮磁联选23～27m3，重浮联选20～30m3[4]，尽管其大部分是靠生产回水重复使用解决，但还需要引入不少新水来弥补。在智利，近10多年铜业生产过程中新水用量在逐渐减少，但吨矿消耗的新水数据仍较高，如表1所示[5]。

其次，矿业用水体现在占当地总用水量的比例上。在美国，2001、2005和2010三年的矿业(含油气开采)用水分别占全社会总用水量的0.8%、1.2%和1.5%[6-8]。

表1　智利铜业每吨矿石的新水消耗/(m3/t)

秘鲁、智利等安第斯山区国家随着人口增长、工业活动增加，特别是采矿和农业灌溉，使得该地区的用水总量在过去一个世纪增长了10倍之多[1]。在智利矿业最发达的安托法加斯塔大区，2007年的矿业用水占全社会总用水量的66.3%[9]。

国内外许多地方，淡水缺乏的地区存在苦咸水，如我国的北部和西北部、美国西部和西南部；有些干旱缺水但矿产资源丰富的地区靠近海洋，如安第斯山区国家、澳大利亚西南沿海、阿拉伯半岛及其周边、南非南部等地。这些地方的矿山在水资源上同当地农业、居民生活之间的竞争激烈，需要考虑加强苦咸水和海水等非传统水资源的应用。

3　海水和苦咸水

地球上97.5%的水是咸水，余下2.5%是淡水，淡水中只有部分是可利用地表水和地下水。淡水和咸水是按矿化度(TDS)来区别的，水文地质学一般将矿化度小于1.0g/L的水划为淡水，1.0～3.0g/L的划为微咸水，3.0～10.0g/L的划为咸水，10.0～50.0g/L的划为盐水，矿化度>50.0g/L的划为卤水[10]。

3.1海水(Seawater)

3.2苦咸水(saline water或brackish)

苦咸水按成因，简单地可以分为干旱蒸发形成的内陆苦咸水、海水侵入形成的沿海苦咸水和高矿化度工业废水三种。

内陆苦咸水大都处于盆地或地势低洼地带，由于所处地质环境的成土母质含盐高，造成当地水质矿化度高；或者由于排水不畅，蕴含水位浅，在蒸发、浓缩作用下盐分含量上升，形成苦咸水。

沿海苦咸水有两种成因，一是近代海相成陆地，土壤有明显的含盐层，在灌溉水和雨水的淋滤下大量的矿物质进入浅层地下水中；二是由于沿海地区的地层结构，海水同地下水互相串通渗透，地下水过度开采使陆地地下水位下降，引起海水侵入形成的[12]。前者在我国存在于宁夏、新疆、甘肃和内蒙等地，在美国存在于克萨斯、犹他、阿拉斯加和加利福尼亚州等地，后者存在于我国华东沿海地区。

高矿化度工业废水有，煤矿开采造成的矿井水高度矿化、金属选矿过程中高盐分矿料使循环水变为高矿化度水。

4　苦咸水资源及矿业应用

在我国，苦咸水分布面积为160万km2，约占国土面积的16.7%；全国地下水资源中有三分之一是不适宜或需经处理才可饮用的苦咸水[16]。目前作为水资源进行淡化利用的内陆苦咸水，主要是针对矿化度低于5g/L的部分，目前其资源量每年有200.48亿m3，仅青海、甘肃、陕西、宁夏、内蒙古、山西和河南七省区的黄河流域地区，合计就有9.65万km2，每年有20.3亿m3水量[17]。但有关这些地区的矿山在利用苦咸水方面的报道比较少。

我国煤矿每年排放矿井水约22 亿t，其中主要是高矿化度的矿井水，尽管煤矿多数分布在干旱和半干旱地区，水资源相当缺乏，约2/3的煤矿缺水或严重缺水，生产和生活用水都相当紧张，但这些矿井水的利用率却不足20 %，远低于发达国家矿井水利用率80 %的指标[18]。目前利用高矿化度矿井水的煤矿，除前述的马脊梁煤矿外，还有黑龙江集贤煤矿、山东兴隆庄煤矿和河南骏德煤矿等，都是通过淡化处理来实现的。

金属矿方面，山东三山岛金矿和仓上金矿[2]是利用海水入侵形成的井下苦咸水进行生产的；位于浙江沿海的宁波百丰选矿有限公司，是利用加工高含盐量矿石形成的苦咸水进行选矿的。

在美国，特别是西部和西南部的一些地区，苦咸水的分布和资源情况同我国西部地区有相似之处，虽然近年的矿业用水在增加，但主要是靠提高苦咸水的比例实现的。美国整个矿业(含油气开采) 2010年的取水量比2005年增加了39%，可淡水用量反而下降了3%，矿化度大于1g/L的苦咸水用量上升了79.6%。表2是美国地质调查局统计的近10年的矿业用水数据变化[6-8]。

5　海水应用于矿业

在国外，许多国家水资源短缺的解决方案是利用海水，特别是南美的安第斯山区国家，其中在矿业上用海水量最大的是智利，其铜矿业近三年应用海水和淡化海水的数据见表3所示[19]。

表2　美国近10年矿业用水变化/(万t/d)

表3　智利铜矿业方面海水和淡化海水用量/(m3/h)

南美国家矿山利用海水的发展趋势是，离海近且海拔高度低的矿山，基本使用原始海水；新建或在建的矿山，只要离海不超过200km的，大都选择用淡化海水，即使是位于高海拔的安第斯山区。

5.1直接用于矿业生产

国际上许多矿山直接使用原始海水进行浸出或者浮选生产，特别是秘鲁和智利，其中在智利的安托法加斯塔大区，矿业用水的18%是原始海水。

我国矿山使用原始海水的案例极少。目前各国直接使用海水的部分矿山见表4所示。

流产是牛感染布鲁氏杆菌病后最为明显的症状，流产现象出现最严重的时间为妊娠后6个月或8个月[1]，即妊娠中后期。这种情况下流产的胎儿出现弱胎或者死胎居多，流产后胎衣滞留在母牛体内，因此，母牛体内会有红褐色液体流出，如果母牛体质相对较好，可快速恢复并再次受孕，但体质相对较弱的母牛再次受孕的几率较低。母牛流产的症状会随年龄的增长不再出现，但是母牛体内易形成病菌，该种病菌会长期存在，对牛的身体健康造成严重的影响[2]。此外，牛群如果感染布鲁氏杆菌，也可能同时患有关节炎，如公牛感染布鲁氏杆菌病会引发附睾炎和睾丸炎等。

直接应用海水，仅需对海水进行简单处理，如添加消毒剂杀灭微生物和细菌、用常规过滤方法除去颗粒物和悬浮物。由于海水的腐蚀性超过淡水，还需要对生产流程的管道、设备进行必要防腐处理。

5.2淡化(Desalination)后用于矿业生产

在国内，海水淡化主要用于发电、石化和钢铁等行业，部分煤矿使用苦咸水淡化，但用于金属矿山的还未见报道。

在国外，淡化海水用于矿山生产的国家地区较多，特别是智利、秘鲁等国矿山，这些国家目前处于可研和设计建设阶段的大型金属矿山，几乎都用淡化海水。国外使用淡化后的海水或苦咸水的部分矿山见表5所列。

6　直接用苦咸水、海水对选矿生产的影响

在我国，有的资料表明，直接使用对部分铅锌矿和金矿的浮选生产影响不大，如浙江岱山铅锌矿的海水浮选，只是需要提高药剂用量，选矿指标不受影响[23]；在山东三山岛金矿，浮选回收率在使用苦咸水和使用淡水时是基本一致的，另外使用井下苦咸水对三山岛金矿降低用水成本和尾矿胶结充填成本有利[2]。

但有的资料表明，矿石中若存在石膏和白云石，在浮选过程中溶解产生Ca2+、Mg2+，会影响白钨矿、铅锌矿的浮选效果，同理，苦咸水或海水中存在的Ca2+、Mg2+，理论上也有同样影响。

表4　国外直接使用海水的一部分矿山

来源：参考文献 [20]、[21]、[22]和http：//www.mining-technology.com/search等网页信息。

表5　国外使用海水或苦咸水淡化的一部分矿山

来源：参考文献[20]、[21]、[22]和http：//www.mining-technology.com/search等网页信息。

马驰等人对河南夜长坪钨钼矿研究后认为：石膏在水解作用下矿浆中含有大量Ca2+，消耗大量选矿药剂，这些Ca2+与浮选药剂NaCO3发生反应生成Ca(OH)2，Ca(OH)2以罩盖的形式附着在矿物表面，导致矿物之间分选性降低[24]。梁冬云等人研究云南兰坪氧化铅锌矿难选原因时发现，矿石中的石膏水解产生大量的Ca2+，同浮选药剂中硫化钠的硫离子优先生成硫化钙，在氧化锌矿物表面生成硫化锌，故影响了氧化锌矿物被黄药捕收，还使硫化钠用量增加[25]。

在智利，海水对铜钼硫化矿石的钼浮选有影响，对铜矿的浸出无影响。Laskowski等人对来自智利不同矿山的铜钼硫化矿石，模拟矿山生产条件进行浮选性能研究表明，钼的浮选回收率在用海水时比用淡水要明显低[26]；Torres等人对智利北部的低品位铜矿的硫酸和盐酸浸出试验表明，海水可以代替淡水进行铜矿浸出生产，不影响铜的回收率[27]。

因此，矿山企业更愿意使用淡化水进行生产。

7　淡化(desalination)工艺

7.1淡化后的水质变化

苦咸水和海水淡化后，其矿化度都能降低到淡水水平，国内某煤矿的高矿化度井下水淡化前后的水质情况见表6所示[29]，智利某矿山淡化厂海水淡化前后的水质如表7所示[30]。

7.2淡化工艺

国际上苦咸水和海水的淡化技术日渐成熟，常用工艺有多级闪蒸(MSF)、低温多效(MED)、反渗透(RO)和电渗析(ED)等，前两种属于热法(蒸馏法)，后两种属于膜法。

国内有淡化厂的矿山几乎全部是煤矿，以往采用电渗析的较多，随着更多的煤矿采用反渗透，反渗透工艺成为矿山苦咸水淡化的发展主流。在国外，正如表5所示绝大多数矿山采用反渗透工艺。

同其他工艺相比，反渗透具有能耗低、运行成本低、水利用率高、自动化程度高和模块化程度高等特点。如果使用海水的矿山，离海较远或海拔较高，或者地处偏僻又缺乏能源供应，反渗透技术更加适用。

8　矿山淡化厂的投资与运营支出

8.1国内的淡化成本

国内高矿化度矿井水淡化处理环节除了混凝、沉淀、过滤外，关键工序是脱盐，相对于国外那些远距离输送海水的情况来说，成本较低。国内某煤矿的高矿化度矿井水处理成本见表8所示[29]。

表6　国内某煤矿矿井水淡化前后水质

表7　智利某矿山淡化厂海水淡化前后水质

表8　某煤矿矿井水反渗透处理成本

从我国石化、电力和钢铁等行业看，国内规模化海水淡化的平均成本已经降低至每立方米淡化水6～8元[31]。

8.2在国外受海水输送距离和高差影响

各国矿山淡化成本有差别，主要是受输送距离和高差的影响，根据矿山离海远近和海拔高度不同，其投资和运营支出不同，其中秘鲁和智利的矿山大多地处离海较远的安第斯山区，这方面的支出是最高的，具体对比数据见表9所示[32]。

由于安第斯山区采用海水淡化的矿山规模普遍较大，用水量大，其淡化厂投资金额也较大，表10是智利部分矿山的海水淡化厂投资数据[5]。

8.3国外矿山淡化厂的能耗

在智利，工业能源消耗比例较大的是矿业，特别是北部矿业发达地区。而矿山能耗最大的是选矿和海水利用，2014年分别占矿山总能耗的50%和5%。

建设一个海水淡化厂，若按输送距离170km、输送高度3000m、淡化水量1890m3/h计，通常投资、运营支出及能源消耗比例如表11所示，其能源消耗大部分在水输送方面[33]。

表9　国外矿山海拔高度与淡化支出

表10　智利部分矿山新建或在建淡化厂

表11　某智利矿山淡化支出及能耗比

9　苦咸水、海水的应用意义及存在问题

9.1苦咸水、海水的应用意义

在干旱缺水的沿海国家进行资源开发，利用海水是解决水资源短缺的一个途径。联合国世界水发展报告认为，今后10年水利用方面的发展趋势是海水淡化，其可用水量具有很大潜力，并且成本会逐步变得更容易负担。虽然目前的推广工作还很有限，但在安第斯山区等国家的沿海地区，矿业开发在这方面的实践非常有价值。

未来在干旱缺水地区，无论国内还是国外，在矿山开发涉及的用水问题上，苦咸水和海水的直接使用、淡化后使用，都是值得考虑的一个方案。

9.2矿山使用淡化海水存在的问题

1) 长距离高海拔输送消耗能源大。海水淡化需要一定的能源，对于离海远、海拔高的矿山，长距离输送淡化水就需要更多能源，能源消耗成为矿山使用海水的关键成本因素，这就存在一个在供水和能源消耗之间权衡的问题。以智利为例，在建或者规划建设的许多矿山基本位于距离海岸线80～200km、海拔在1500～4500m的山区，选矿生产所需的淡化水用量一般在500～1000m3/h之间[5]，其能耗在2014年已经达到矿山总能耗的5%，当然用水的成本也就相当高。

2) 海水淡化对生态环境有影响。首先是浓盐水(Brine或concentrate)的问题。以目前使用反渗透工艺的矿山为例，淡化水产量仅是处理海水量的42%，余下的是含盐量达原始海水2倍的浓盐水，浓盐水的含盐量高温度高，仅被少数企业当做副产品进行回收利用，大多数被作为废弃物排回大海。由于海洋生物对盐度的适应范围有限，浓盐水排回大海后，对于该区域的海洋生物影响很大，甚至使生物资源遭到严重破坏。反渗透工艺排出的浓盐水温度比环境温度高3～5℃，矿山淡化厂大量排出的浓盐水热能，直接影响海洋生物的繁殖和生长，另外温度变化会导致接收水体的溶解氧含量降低，间接影响海洋生态。其次是淡化产生的污染物，有淡化过程中添加的药剂，如生物灭杀剂、抑垢剂、防沫剂、防蚀剂、酸洗剂，这些化学药剂包括次氯酸纳、氯化铁、硫酸或盐酸、六偏磷酸纳或相关的化学品、以及亚硫酸氢钠等；还有水输送管道腐蚀产生的重金属污染，主要是铜、镍、钼、铬和锌等。这些污染物随浓盐水返回到大海，同样对海洋生物的繁殖生长有害。

10　结　语

总的来说，应用苦咸水、海水对于缺水干旱地区的矿业项目开发，具有现实意义。国外在海水及其淡化水用于金属矿的研究、应用和实践较多，而国内对苦咸水及其淡化处理仅在煤炭行业有一些经验。同美国、智利等国家相比，我国矿山在利用苦咸水、海水方面还有很大差距。对于矿业开发所需的规模化原始海水应用、海水淡化处理、海水对选矿生产影响、使用海水的环保问题等的认识和研究，我们还有许多工作要做，业内人士应给予足够重视。

在水缺乏和容易引起用水冲突的地方进行矿业开发，使用苦咸水、海水等非传统水资源是一个有益方案，我们应该学习美国在矿业上推广苦咸水应用的经验，借鉴秘鲁和智利等国矿业在海水使用上的实践，在未来矿业开发中加强苦咸水和海水的利用。

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Use of salt water in domestic and foreign mining industries

YAN Wen-qing1，ZHU Ri-lai2

(1.Ningxia Yinggu Gold Co.，Ltd.，Shizuishan 753000，China； 2.Shandong Gold Penglai Mining Co.，Ltd.，Penglai 265600，China)

With mines a sustainable water supply is crucial.Salt water，including saline water and seawater，is an alternative solution when there is lack of fresh water.This paper lists and describes the properties of saline water and seawater，and the use of salt water and desalinated water in both China’s domestic and global mining industries，and it further states that internationally in the mining industry the use of saline water is already mature and extensive，more than the case in China’s domestic mining sector.This article discusses the considerations that the erosion the direct use of saline water can cause and unfavorable factors that the saline water may influences in the operation of lead-zinc and molybdenum ores’ flotation，and gives the consideration that desalinated water may be more suitable for mining operations.Up to date，the Reverse Osmosis Technology is most used in the desalination of salt water，and the cost of this operation largely depends on the transportation distance and the elevation where the desalinated water is needed，particularly for those mines in very remote and elevated areas.It also explains that using salty water can be a solution in arid areas，however，taking risks to cause environmental damages.It gives the conclusion that in China’s domestic mining sector，use of salt water for those mines in remote and arid areas is a viable solution，and suggests the concerned government authorities to engage more investment and investigation in this application.

salt water；seawater；saline water；desalination；mine；management of water；environmental impact

2016-03-31

阎文庆(1966-)，男，汉，内蒙古人，1989年毕业于武汉科技大学选矿工程专业，高级工程师，从事选矿技术和境外矿业项目研究。E-mail：yanwenqing@sina.com

朱日来(1965-)，男，汉，1990年毕业于包头科技大学采矿工程专业，高级工程师，从事矿山管理工作。

TD218，P747，TV213

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1004-4051(2016)10-081-07