采矿工业废水处理方法研究

何佳乐

(陕西省土地工程建设集团，陕西 西安 710075)

1 引言

采矿业，是指对固体(金属矿石、非金属矿石、煤炭)、液体(原油)或气体(如天然气)的开采；包括地下及地上采掘、矿井运行，还包括在矿址及其附近从事的旨在加工原材料的所有辅助性工作，如碾磨、选矿、处理，和销售准备工作[1]。

2 研究背景

近年来，随着人类社会的发展与人口的增长，我国用水量与日俱增。然而，受到全球气候和环境的变化的影响，我国水资源正在明显减少，其中最显著的是黄河、淮河、海河和辽河区，地表水资源量减少17% ，水资源总量减少12% ，其中海河区地表水资源量减少41% ，水资源总量减少25% ；而且水资源相对丰富地区也出现了区域性甚至流域性缺水的现象。据统计，我国目前人均水资源2185 m3，不足世界平均水平的1/3，一些流域(如海河、黄河、淮河流域人均占有量更低，生态严重恶化的地区已出现河流断流、湖泊干涸、湿地萎缩、绿洲消失。而在水资源日益减少的同时，我国仍存在水资源利用方式粗放、用水效率不高的问题，导致水资源供需矛盾进一步凸显。水资源危机已经成为我国实现可持续发展社会的基础性和战略性的重要因素[2]。

3 国内外相关领域研究现状

3.1 国内外水资源综合利用技术研究现状

3.1.1 国外研究现状

1894年，水资源这一概念被首次提出。1992年可持续发展观念在联合国环境与发展首脑会议被提出。1994年，四维空间角度的研究方法在法国国家科学研究中心被采用，人类活动对于水资源利用的影响被全方位的评估。

人类对水资源的价值观发生了深刻的变化，从单一对经济指标的考虑，发展为对于经济、环境以及可持续发展之间平衡的考量。采取的措施以及研究范围也从仅仅寻求新水源，发展为开流的同时，采取节源措施。从只注重用水量，发展为同时对于水体污染物总量的控制的关注[2]。

3.1.2 国内研究现状

近几十年来，我国在水资源利用方面同样取得了较大成果。1990年，“水资源管理水文基础”学术会议在北京召开，对于各层水的相互影响、水资源评估、数据库的建立、水资源与环境以及水资源利用的规划进行了研讨。1991年，“模拟”方法随着计算机技术的发展，成为主要研究手段。1992年“地下水与环境”国际会议在北京召开，会议对地下水污染、地下水与土壤等问题进行了研讨[2]。

遥感遥测、地理定位等设备仪器的运用，使得水资源从单一的学科，变得更加充盈与综合。但存在的问题是，当下许多研究均为重复研究，缺乏多学科发展的系统性。因此，系统性的指导理论与方法需要被建立起来，改善水资源利用现状[2]。

3.2 国内外矿区水资源利用研究现状

国外矿区水资源保护始于1983年《采矿水文地质条件变化及保护》，书中对于采矿工业引起的水资源问题进行了论述，并提出了相应的建议。

我国的矿区水资源利用在理论方面已接近国际先进水平。最早探究矿区水资源保护的是山西省阳泉矿务局，对于娘子关泉的保护与治理。之后，“3S”系统、计算机技术各类统计分析方法以及水化学和环境同位素技术的应用，大力推进了矿区水资源的利用与保护技术[2]。

4 加拿大纽芬兰与拉布拉多省镍矿区考察与分析

4.1 加拿大采矿工业概况

加拿大的采矿工业生产60余种矿物和金属，比如金、银、铁、銅、锌、镍。并且，加拿大是最大的铀和钾碱生产国，镍和钻石产量排名前五。加拿大的采矿工程主要建立在镍-銅硫化矿的基础上[3]。

4.2 加拿大纽芬兰与拉布拉布拉多省镍矿区水资源利用与污水处理情况

笔者于2015年在加拿大纽芬兰与拉布拉多省的Hydromet Plant镍矿区进行了实地考察与学习。纽芬兰与拉布拉多省拥有加拿大多种生产矿井、发展中的矿区和矿产大企业，包括巴西淡水河谷公司(VALE)和泰克资源(Teck Resources)。位于纽芬兰与拉布拉多省Long Harbour地区的Hydromet Plant 就属于巴西淡水河谷公司的一个新型矿区(图1)。

冶炼金属的方法主要分为火法冶金和湿法冶金。湿法冶金的优点是原料中有价金属综合回收率更高，更易实现生产过程连续性和自动化，并且有利于环境保护。火法冶金的过程简单，更适用于大规模的生产。火法冶金或湿法冶金的选择取决于环境保护和经济效益的综合考虑。Hyromet Plant 采用湿法冶金法冶炼镍，并且利用多种多样的水资源。

图1 巴西淡水河谷公司在加拿大Long Harbour 地区矿区

对于矿区排出的废水，矿区为了使得矿区排出的水质达标，并且不影响下游居民的生活，矿产公司需制定水资源管理计划使得水污染程度最小化。矿区周边的地表水和地下水应得到监测，在排水前应实施各项水处理方法来保障水质达标。

在减小废水污染及减少用水需求量方面，该矿区采取以下措施：①通过建造上流堤坝，拦截与转移地表水(雨水，雪水，溪流，小河)，防止地表水进入矿区之后接触暴露的矿石和废弃岩石所造成的潜在污染；②对于冶炼金属的水进行循环利用，从而减少待处理的废水量；③捕捉矿场的降水，并利用班轮和管道将之直接输入尾矿坝，从而矿场内的降水流入地下水或其他自然水体；④促进矿区水塘中的水蒸发，以减少污染水的排放；在干旱地区，矿区废水几乎均可以被蒸发，达到废水的零排放，从而使得矿区的污染物可以被控制在矿区内部。⑤在废弃岩石和金属堆处设置覆盖物，以减少接触降水和地下水的潜在污染性。

5 国内外常用处理工艺及分类

目前国内外对矿区水处理方法分为化学处理、物理处理及生物处理等，其中最常用的工艺方法主要包括中和法、微生物法、氧化还原法、人工湿地法及膜分离技术等。

5.1 中和法

中和法是常用的一种处理方法，其原理是用碱或碱性物质中和酸性废水，或用酸或酸性物质中和碱性废水时，把废水的pH值调到7左右。常用措施有：将两种相邻矿区排放的废水相互混合先发生中和，再用中和剂中和剩余的酸和碱；也可以采用湿式投加法，将中和剂制成溶液和浆液进行投加；当中和剂为粒状或块状时，此方法为过滤法。常用的碱性中和剂：石灰、电石渣、石灰石和白云石；常用的酸性中和剂：废酸、粗制酸和烟道气[3]。

5.2 膜分离技术

膜分离技术是指利用膜的选择性分离功能实现废水的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程。 膜材料的孔径通常达到微米级，根据膜孔径大小的不同，膜分离技术分为微滤(MF)、超滤 (UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。在分离过程中，施以压力驱动废水流过膜层，此时废水中的工业污染物被截止，而水透过膜，从而实现废水净化。

MF与UF孔径较大，它们具有常规分离机理。而NF和RO属于无孔膜，其分离机理用溶解—扩散模型和非平衡热力学模型来解释。一些NF膜表面附有电荷，它们的分离机理比较复杂，可用电荷模型和空间位阻模型予以解释[4]。

5.3 微生物法

利用微生物法的处理机理主要是因为微生物在适当条件下可将二价铁氧化，同时微生物会利用处理过程中产生的能量进行不断繁殖。在工业废水中投入微生物进行氧化处理，同时，向其中加一定量的中和剂及沉淀剂使金属离子沉淀，接着在过滤之后达到净水目的。在我国，微生物法仍处于实验室探索阶段，尚未广泛应用到工业生产中。

生物法过程简单、成本低廉，可回收金属元素，并可去除水中的氮磷等营养元素，解决二次污染的问题，具有良好应用前景。但这种方法限制因素是pH值、温度等条件要求，因此，为使其更广泛地应用还需要进行更深入的研究[4]。

5.4 人工湿地法

人工湿地污水处理技术是一种人工将污水有控制地投配到种有水生植物的土地上，按不同方式控制有效停留时间,使其沿一定方向流动，在物理、化学、生物作用下，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等处理技术来实现水质净化的生态系统。

人工湿地的结构包括人工基质和生长在其上的水生植物。其更详细的结构单元有：防渗层；基质层(填料、土壤和植物根系)；腐质层(落叶及微生物尸体等)；水体层和湿地植物。人工湿地法所用基本原理就是在湿地植物、水体和基质的共同作用下净化工业废水。

其中物理作用是指过滤和沉积，利用基质层及密集的植物茎叶和根系来过滤工业废水，将悬浮污染物物截留在基质中。化学作用是指利用化学反应将可溶性污染物转化成不溶状态，以便于将其分离。

人工湿地系统是一种独特并复杂的生态净化体系，其中的各个结构之间是相互影响的。人工湿地系统的优点包括低成本、低能耗、并且植物对于环境有美化作用，是一种环境友好型处理技术。但此方法占地面积较大、处理过程容易受到环境的影响、场地需较高维护费用，这种技术目前仍有待于进一步研究。

6 结论与建议

中国是矿产资源大国，矿业的发展给社会带来巨大财富的同时，也让人们面临了环境危机的困扰。目前，随着计算机技术的发展，多种用以水资源分析利用的先进技术已被矿工业园区应用，但方法措施仍缺乏系统性与创新性。为此，结合对于相关研究的总结以及国外实地考察，提出如下建议。

(1)加强矿工业水资源利用的信息统计。合理地采样并进行分层分析，用以进行工业园区水资源污染程度的分类，从而系统性地制定不同程度的治理基准。

(2)对于工业园区涉及的其它相关领域进行研究，如能源、大气污染、固体废物等。通过对研究结果的整合，制定更加综合的管理方案[6]。

(3)利用生物絮凝剂等微生物方法，加强污水回用来解决水资源紧张问题[7]。

(4)开展矿区水足迹评价，以便于制定更加全面的决策信息[8]。

(5)学习世界先进矿区的布置格局与水处理技术，旨在建立更加绿色环保的矿区。