尾矿地下水污染治理方案的设计研究

郭晓冬

(霍州煤电吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 吕梁 033200)

1 概述

尾矿库往往是较大的污染源，含有大量金属元素。尾矿库在堆积过程中，在雨水地表径流以及自然化学反应等情况下，会发生淋溶现象，将尾矿中含有的金属离子以游离态形式释放出来，使金属离子活化，经过一些列的物理迁移，很有可能进入地下水，污染地下水，进而转移到人类体内，对健康造成长期影响。地下水资源是人类生活洁净水的重要来源，重金属离子的进入会对人类生活以及农作物的生长产生长期不利影响，需要重点控制此类情况的发生[1-3]。

2 尾矿重金属淋溶机理

以黄铁矿为例，进行淋溶机理的说明，淋溶过程主要涉及到的化学反应见式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

金属矿在不同条件下，金属离子被氧化后，活性与游离性都有所提高，更容易经过反应析出矿物质中，进入各种水体。主要反应作用如式(4)～式(5)。

(4)

(5)

3 浸出液下渗量计算

3.1 工况设计

按照固体废物相关环保标准要求，Ⅱ类工业固体废物填埋场底层设计要求如下：当底层天然基础层的渗透系数大于1.0×10-7cm/s时，应采用天然或人工材料构筑防渗层，防渗层的厚度应相当于渗透系数1.0×10-7cm/s或厚度1.5 m的黏土层的防渗性能。以尾矿库为背景，通过防渗层的设置，计算正常工况和非正常工况下的尾矿库渗透液的产生量。

1) 正常工况:根据标准要求，在尾矿库底层防渗层采用厚度不低于1.5 mm、渗透系数相当于1.0×10-11cm/s的HDPE膜；

2) 非正常工况:铺设的防渗层属性与正常工况相同，但防渗层不是完整的，而是存在10%左右的残缺。

3.2 尾矿浸出液下渗量计算

在进行尾矿库浸出液的下渗量计算时，本文采用专业的软件进行分析计算，即采用SEEP2D模块进行计算。

1) 数学模型

坝体库区内渗流的模型见式(1)～式(6)。

(1)

H(x,z)/S1=H1(x,z)

(2)

(3)

H(x,z)/S3=H3(x,z)

(4)

H(x,z)/S4=z

(5)

(6)

式中:S1为尾矿库库区上边界；S2为尾矿库下边界隔水边界；S3为尾矿库库区下边界；S4为尾矿库渗滤液界面边界；S5为尾矿库上边界隔水边界；n为尾矿库边界的外法线方向；H为计算区域内的水头分布；K为尾矿库底层防渗层的渗透系数。

2) 概念模型

设计模型时，以尾矿库截面作为研究对象。模型的最高点为堆积尾矿的最高部位，以此往下，分别是防渗层和底下岩层。该模型中，将尾矿库配置的澄清水池作为边界(水位高程1 238.4 m)，下游以尾矿库最低边定水头边界(水位高程1 176 m)，如图1。

3) 计算参数的选取

根据相关资料，计算中涉及到的相关参数具体数值如表1所示。

4) 计算结果

由表1可知，对于模型中的尾矿库，尾矿库直接堆积，没有防渗漏层的情况下，计算渗漏量约为13.4 m3/d·m，也就是941 m3/d；如果在底层铺设具有一定厚度且渗透率属性在一定范围内的HDPE膜后，模型中的尾矿库渗漏量则减少为0.036 m3/d·m，即2.80 m3/d。也就是说，在铺设了满足标准要求的防渗层后，渗透量仅为没有铺设渗透层的0.3%，这足以说明防渗透膜的作用；在计算非正常工况下的渗透量，即与第二种情况相同的铺设条件，但渗透层有10%破损的情况下，模型中尾矿库的渗漏量为1.26 m3/d·m，也就是97.02 m3/d，仍然远低于没有铺设防渗层的情况。

图1 尾矿库二维计算模型(m)

表1 渗滤液渗出量参数表

4 地下水环境保护措施

通过尾矿库模型渗透量在工况和非工况以及没有任何防渗措施情况下渗透量的计算，得出在不同情况下的相关数据，根据数据说明，本文提出了源头控制、过程控制及末端控制等措施。

1) 源头控制:尾矿库渗滤液主要是由于尾矿经过雨水冲刷以及自然化学反应产生的，从源头对其控制，是最理想的方式，可以采用的方法主要有以下两种：

a) 尾矿库区内的出水不能直接外排，针对不同的出水，选择不同的处理方式，如果是雨水以及其他表面径流，可以引入澄清池，进行澄清后，用以洗煤用水等再利用；如果是渗滤液，则要对其进行收集，进行危险废物鉴定后，按照相关标准要求处理，处理原则是，在不产生二次污染的情况下，对渗滤液进行化学处理，使其污染性降到最低，既实现了防止渗滤液污染地表径流，从而渗入地下水，污染地下水的情况，又符合国家提倡的一水多用的环保思路。

b) 以清污分流为原则，在尾矿库大坝设置雨水导流渠，将尾矿库去的雨水等直接引入澄清池等过渡设备中，使雨水尽量少地进入库区，这样一方面可以减少流水对尾矿的冲刷，另一方面也可以减少尾矿堆积淋溶化学反应的程度，降低反应中条件的达成。

2) 过程控制:根据以上计算结果，在库区底部增加合适的防渗层可以有效降低渗滤液在底层中的渗透率，从而降低其渗入地下水的速度，减少对地下水的污染。根据环保部相关标准，采用防渗层性能应不低于厚度1.5 m且渗透系数1.0×10-7cm/s的黏土防渗性能。在大坝建设过程中，严格按照该标准设计铺设防渗层，可以有效防止渗滤液污染地下水的情况。

3) 末端控制:为了有效导流大坝上部导流渠以及防止尾矿库澄清池溢出情况的发生，在尾矿库与排洪口之间设置合理尺寸的蓄水池，既可以防止上述情况发生，又可以起到事故池的作用，同时也符合环评思想。

5 结论

尾矿库在堆积过程中，会发生淋溶现象，将尾矿中含有的金属离子以游离态形式释放出来，经过一系列的物理迁移，很有可能会进入地下水，污染地下水，进而转移到人类体内，对健康造成长期影响。针对这些情况，研究了金属离子的淋溶机理以及迁移过程影响因素，着重对防渗层与渗透量的关系作了计算说明，通过计算数据结果，说明了防渗层对渗滤液渗透有很好的预防作用。另外，通过防渗层工况与非工况情况下的对比计算，得出防渗层在出现10%左右破损的情况下，防渗效果会降低约20倍左右，因此，在尾矿库设计施工工程中，保证防渗层的完好是非常重要的，而且在运行过程中，通过相关运行参数的采集来检测防渗层的完整度同样具有现实意义。