柴达木盆地某纯碱项目生产中的水资源利用、节约及保护研究

2021-01-02吴秀琴

青海师范大学学报（自然科学版） 2021年3期

吴秀琴

(青海省水利项目技术服务中心，青海西宁 810001)

柴达木盆地是典型的高寒干旱内陆盆地，是我国盐湖资源重要战略基地，首批国家级循环经济试验区，丝绸之路经济带关键区.柴达木盆地依托丰富的盐湖资源，为促进盐湖化工向规模化、集约化、精细化、高值化方向发展，及符合“继续推进东碱西移，巩固提升国家重要纯碱基地”的要求，以传统产业升级和结构调整为目标，发展了一批向多元化、优质化、高端化发展的纯碱产品重点产业项目.本研究结合柴达木盆地某矿业纯碱项目，进行节水潜力分析，以水资源的承载能力作为研究内容，研究水源的保证程度；同时把生态保护作为控制因素，提出环境保护措施，促进水资源可持续利用.

1 基本概况

大柴旦行委位于海西藏族蒙古族自治州西部，行委驻地在大柴旦镇.大柴旦行委所在地深居内陆、地处高原，具有冬季寒冷、夏季凉爽、昼夜温差大、干燥少雨、风速强劲、沙暴多等高原内陆干旱沙漠性气候特征.区内气候十分干旱.据大柴旦气象站资料，多年平均气温1.53℃，最高气温在6～8月份，为12.69～15.35℃，多年平均最低气温出现在1月份，为-17.5℃；全年负温度月从11月份到来年3月.多年平均降雨量81.84mm，多集中在5～9月份，占全年降水量的86.2%.多年平均蒸发量在2115.1mm，潮湿系数为0.037，年平均降水日数(日降水量≥0.1mm的日数)为35.1天，属于干旱气候带.

塔塔棱河为柴达木盆地第八条大河，河水在一般季节出山口数公里后全部渗入地下，转化为地下水，仅洪水季节才直抵巴嘎柴达木湖.塔塔棱河流域地表水资源量为1.204亿m3，地下水资源量为0.9259亿m3，水资源总量为1.473亿m3[1].

2 项目概况

2.1 项目规模

研究项目生产规模为120 万吨/年，其中优质重质纯碱80万t/a、优质轻质纯碱15万t/a、优质食品级纯碱18万t/a、电子级纯碱2万t/a、医药级纯碱5万t/a.以氨碱法生产纯碱，生产工序主要包括盐水、石灰、蒸吸、碳化过滤、轻灰、重灰、压缩、包装(在此工序中含有优质重质纯碱、优质轻质纯碱和食品级纯碱)、高纯碳酸钠(电子级纯碱、医药级纯碱)等部分组成.

2.2 取退水系统

2.2.1 取用水系统

取水水源为塔塔棱河洪积扇地下水，水源地多年平均潜水天然资源量为28.82万m3/d.

用水系统主要有厂区给水系统、生活给水系统及生产、消防给水系统、中水回用系统、全厂循环冷却水系统、浊水循环处理系统、脱盐水系统.项目用水量包括生产用水、生活用水.全年生产运行时间按8000h计，生活用水按365天计，工程全年生产取水量为1217.024万m3/a，生活取水量为4.38万m3/a，总取水量为1221.404万m3/a.

2.2.2 退水系统

退水系统主要包括生产废水、生活污水、污染雨水、清净下水、雨水排水系统，工程排水采用清污分流系统.

本项目废水主要来自热电站锅炉排污、脱盐水站排污及循环水等一般生产废水，送回用水装置进行处理后回用水用于循环水系统补充水，不外排.蒸氨废液和回用水装置排水汇集在厂内废液池，将通过管道送厂外废液排放场进行自然蒸发、沉降处理.全厂废污水排放总量为1332.83m3/h，其中清净废污水排放量为333.03m3/h；蒸氨废液排放量为999.8m3/h.

3 高效节水分析

随着经济社会发展，水资源供需矛盾日益凸显，加强工业节水力度，提升用水效率，进一步减少水资源消耗将成为常态[2].

3.1 用水合理性分析后的节水潜力

根据对主要用水系统的用水设计参数和污废水处理及回用设计参数的识别分析，认为在原设计基础上，项目仍有一定节水潜力或可以改进的用水环节，主要体现在降低循环水系统补水量.

原设计项目循环水系统为开式冷却水系统，按照气象资料对各循水系统的蒸发损失、风吹损失进行了核减，原设计的循化水系统浓缩倍比N=2.8不合理，核定后N=4.1，符合《工业循环冷却水处理设计规范》(GB50050-2007)3.1.12条规定的间冷开式系统设计浓缩倍率不宜小于5.0，且不应小于3.0的要求，经分析，循环水系统由原设计的592.9m3/h，可节水148.62m3/h，浊水循化水系统由原设计的11m3/h，可节水5.1m3/h，综上比原设计节约水量153.7m3/h.

生活及生产化验用水.项目劳动定员590人，原设计生活用水量为5m3/h，合0.203m3/人·d.与《青海省用水定额》中其他城镇的生活用水定额(0.08m3/人·d)相比偏大，不合理.根据《青海省用水定额》中其他城镇生活用水定额0.08m3/人·d经行核定，该工程生活用水量约2m3/h；通过类比一期项目可知，本期工程生产化验用水量不应该超过2m3/h.故生活及生产化验用水为4m3/h.

通过以上几项分析，原设计的用水系统及用水过程还有154.7m3/h的节水潜力.

3.2 污水处理及回用合理性分析

项目回用水处理站由两大部分组成，一部分为中水处理回用系统，采用了超滤、一级反渗透的核心技术；一部分为脱盐水处理系统，采用了预处理、超滤、二级反渗透的核心技术.其中中水处理回用系统的产水回用，排水进入高浓盐水处理系统进一步处理；高浓盐水处理系统的产水回用，排水送蒸发结晶装置进一步处理.

原设计中水处理回用装置的产品水率为92.7%，采用一级反渗透工艺的脱盐水站产品水率设计值一般在90%，但因中水回用装置所接纳废污水中离子含量及溶解性总固体较新水要高出许多，如采用75%的脱盐水率，则膜的使用寿命、分离效果、处理运行成本和运行稳定性将会大大降低，因此此处适宜采用相对较低的产品水率进行控制，认为原设计90%的产品水率合理可行.

盐水处理装置采用石灰软化、多介质过滤、二级反渗透处理工艺，由预处理和深度处理两个工段组成.经分析设计合理.

3.3 前后水量变化情况说明

通过节水潜力分析，水量略有变化，核定后降低循环水系统补水量，由592.96 m3/h，减少至444.34m3/h，浊水循环水补水量由11m3/h，减少至5.93m3/h，生活及生产化验用水由5m3/h，减少至4m3/h，未预见水量按生产新用水量的1%核定，总体下来，核定后新鲜补充水量减少154.7m3/h.

经分析核算，本项目年均用新水量为1369.96m3/h，其中生产用新水量为1365.96m3/h，生活用新水量为4m3/h，生产用水时间按照8000h、生活用水时间按照365d计算，项目年总用新水量为1096.3万m3，其中生产用水量为1092.8万m3，生活用水量为3.5万m3.

经分析核算，项目废污水经处理达标后大部分回用，蒸氨废液及回用水装置废水排放至废液场，排放量为999.08m3/h.

3.4 合理取用原水量核定及节水评价

经分析核定，项目年总用新水量为1096.3万m3(净)，其中生产用水量为1092.8万m3，生活用水量为3.5万m3.根据取用水方案，本项目生活、生产用水由塔塔棱河水源地打井取水，输水距离47km左右，在输水过程中都会产生一定的水量损失，因此为保证本项目正常生产对水量、水质的要求，须考虑到输水47km的输水损失(按5%计)，损失水量为54.82万m3，则本项目由工业供水工程取用塔塔棱河水源地地下水量为1151.12万m3.

通过回收蒸氨废清液，节水2t/t碱，通过其他节水措施，节水约1.53 t/t 碱，年节水量约423.6 万吨，基本满足青海省当地政府纯碱生产节水40%的目标，每吨产品的新鲜水耗水量为10.14 吨，远远低于行业12～14t/t 碱的水平，达到国内领先水平.

分析核定了非工艺用水环节新水补充量(浊水系统、循环水系统)，经核定后的用水定额为9.11m3/t，较原设计核减1 m3/t用水量.核定后的用水定额与已建成的同类企业——青海某碱业有限公司100万t/a纯碱项目综合用水定额11.1m3/t相比，较为节水.

经核定后的用水量已充分体现节水，由于目前青海省内大型碱业项目还未回收利用蒸氨废液，研究项目中回收约10%废清液，补充到化盐水；回收约10%废清液，补充到化灰水，在节水工艺上已经位于行业前列.

4 水资源保证能力分析

纯碱项目供水水源位于海西州大柴旦镇塔塔棱河洪积扇西翼，塔塔棱河冲洪积扇范围定为东起库尔雷克山，西至绿梁山，北达塔塔棱河出山口，东南抵小柴旦湖，即为塔塔棱河冲洪积山间平原区.总面积约为220km2，其中河谷平原区为80km2.地理坐标：东经95°21′～95°33′，北纬37°35′～37°44′.

4.1 地下水资源评价

根据《柴达木盆地塔塔棱河流域地下水资源调查报告》[3]，以塔塔棱河冲洪积扇前、后缘沟口为均衡区，用补给量总和法确定地下水天然补给量.在忽略大气降水入渗量以及冲洪积扇两翼小支沟中的洪水补给的情况下，勘探区的主要补给均衡项为塔塔棱河河水渗漏补给量和渠道渗漏量.计算得：地下水天然补给量枯水年(p=74.5%)为16.69万m3/d，平水年(p=50.9%)为27.70万m3/d，丰水年(p=25.5%)34.89万m3/d，勘探年(2009年10月-2010年10月，p=7.3%)为35.31万 m3/d，多年平均为28.82万m3/d.

4.2 地下水可供水量计算

4.2.1 冲洪积扇地下水可开采量

应用《青海省大柴旦行委盐化工业园供水塔塔棱河水源地水文地质勘探报告》[4]成果，用数值模型方法计算允许开采量.

(1)数值模型计算范围

数值模型的建模范围不局限于勘查区，建模区(计算区)向外围扩展至大、小柴旦湖地区，即扩展至整个大小柴旦盆地.扩展后的建模区，构成完整水文地质单元，不仅可分析本次勘探水源地的局部开采能力，还可从盆地全局角度分析资源的保证程度.外围由以下几类边界构成：大、小柴旦湖边界；第四系与基岩接触边界；地下分水岭边界，总面积942km2.

(2)可开采量分析

以地下水现状作为初始条件，用“多年平均径流+特枯年考验序列”作为塔塔棱河水文环境；在西部矿业设计开采3万m3/d、大柴旦湖区预留10万m3/d开采量、牧场灌渠引水1m3/s、五彩矿业一期水源地开采量4万m3/d的基础上，进行为期30年数值模型分析.

综合统计整理分析模拟结果，按允许开采量相关约束条件，分别进行评述.

全盆地资源补给保证程度：在预留大柴旦开采10万m3/d条件下、五彩矿业一期水源地分别开采4万m3/d，西部矿业水源地开采量3.0万m3/d，牧场灌渠引水1m3/s的前提下，盆地地下水资源总量变化不大，为28.11～28.22万m3/d，盆地总开采量分别为17.05万m3/d，全盆地开采利用率分别为60.5%.有资源补给保证.

小柴旦湖区地下水资源：在预留大柴旦开采10万m3/d条件下、五彩矿业一期水源地分别开采4万m3/d，西部矿业水源地开采量3.0万m3/d，牧场灌渠引水1m3/s的前提下，小柴旦区补给量分别为9.89万m3/d，即补给量随开采量的增加而增加，目前总开采量为7.5万m3/d，开采利用率分别为70.8%.考虑到该区开采对生态环境影响较小，并有人工灌溉牧场对原生态环境有所改善，局部区域开采利用率上限可提高至70%～75%.利用率仍在允许限度之内，有资源补给保证，生态环境亦在可承受范围内.

大柴旦湖区地下水资源：在大柴旦区预留10万m3/d条件下、五彩矿业一期水源地开采4万m3/d，大柴旦区补给资源量为18.28万m3/d，届时大柴旦区开采利用率为55%，有充分资源补给保证，并有少量后备资源空间和安全余量.

研究项目取水在大柴旦区预留开采10万m3/d之内，故项目取水有充分资源补给保证，在水资源承载能力范围之内.

4.2.2 地下水水质分析

塔塔棱河河水是冲洪积扇潜水的主要补给源，环境水文地质条件良好.区内地表水(塔塔棱河河水)除洪水期和冰雪融水季节，河水大多数时间为无色、无嗅、清澈(浑浊度不超过3度)，不含肉眼可见物.据水质分析资料，塔塔棱河中、上游一带水中各离子含量均低.依据中华人民共和国国家标准《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，区内地下水为无色、无味、无嗅、无色、清澈(浑浊度小于3度)，不含肉眼可见物，属弱碱性水.放射性总α、总β未超标，标志工业污染的五项毒物酚、氰化物、砷、汞、六价铬均未超标，地下水除铁离子(Fe2+、Fe3+)超标外，其他各项指标都符合饮用水水质标准.

5 项目取退水对生态环境的影响

5.1 取水对天然绿洲生态用水的影响

根据已有资料，小柴旦湖湖水年蒸发量约占塔塔棱河年径流量的一半，河水的补给基本可以维持巴嘎柴达木湖现状面积，并保持绿洲带的生态平衡，如果过量开采地下水或大量引走塔塔棱河地表水，均有可能引起地下水位不同程度的下降，造成地下水袭夺部分泄出量，导致湿地面积缩小和植被的退化.研究表明，地下水位埋深大于4m时将会影响草本植被的生长，而柽柳等深根灌木的生存，要维持其生长地下水位埋深也不能超过10m.因此，为防止植物的逆向演替，保持物种的多样性，在细土带地区地下水位应保持在4m以上.

目前，分析区内湿地面积稳定在0.57×104hm2，主要依赖于地下水泄出的泉水和季节性洪水补给才得以维持，虽然该地区生态需水量占塔塔棱河年径流量的份额较少，但其对塔塔棱河河水补给的依赖性很强，一旦由于开采地下水造成湿地面积萎缩，将影响该地区动植物的生存.另外，塔塔棱河洪积扇地下水位变幅受河水入渗补给影响较明显，枯水期与丰水期地下水位变幅在1.18～8.95m之间，且枯水期地下水位滞后河水最小流量1～2个月.因此，地下水在开采过程中应合理设计，否则会因地下水位下降太大，导致绿洲带地下水位难以恢复，进而影响植被的生长以及湿地的盎然生机.所以，地下水在开采过程中保证洪积扇前缘生态需水量是关键.

5.2 取水对下游湖泊生态用水的影响

塔塔棱河洪积扇部分以地下径流的形式向北西补给大柴达木湖外，其余最终渗漏于小柴旦盆地，储存于小柴旦盆地的承压含水层中，排泄于小柴达木湖，消耗于蒸发.据本次水资源分析对大、小柴旦盆地地下水天然资源复核计算结果，本项目拟建水源地3.4533万m3/d的开采量，仅占天然补给量为28.82万m3/d的11%，所占份额较少.

人工开采量增大后，不影响汛期洪流流入小柴旦湖的流量，但改变了天然排泄量，与现状相比，地下水蒸发、泉水、越流之和减少，使小柴旦湖总入湖量减少，导致湖水面积有一定的萎缩.鉴于湖滨地带为盐沼带，生态环境不敏感，总体来说，不会发生明显的生态环境问题.

在塔塔棱河洪积扇西翼潜水开采量为4.0×104m3/d时，对大柴旦盆地水资源影响很小，但有可能主要引起开采区下游大柴旦盆地局部地下水位下降、局部泄出带流量减少和部分地段沼泽湿地轻微退化.借鉴西北地区已有地下水开发利用经验，在浅埋带开采地下水的情况下，所开采的水量几乎全部由夺取蒸发量组成，当地下水位相出现轻微下降时，蒸发量则明显减少，故下游大柴旦湖及沼泽湿地不会出现明显的生态环境恶化问题.

5.3 退水影响分析

本工程排水采用清污分流系统，生活污水经排水管道收集后送至园区污水处理厂处理达标后，送往园区各绿化区；生产退水基本除蒸氨废液外，其余退水基本全部回用，退水排放量999.08m3/h，其中蒸氨废液排放量为975m3/h.退水全部排入全吉山北东废液排放场，不进入河道.

6 环境保护及措施

6.1 废渣处置措施

(1)建设项目废渣产生量较大，且无法保证可以完全综合利用，综合考虑按照《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599-2001)中“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和厚度1.5m的黏土层的防渗性能”的规定及按Ⅱ类场地标准进行一般固体废渣堆放场建设.

(2)该项目蒸氨液中的固相废弃物经渣场沉淀后，临时堆放，条件成熟时可以用于生产钙镁肥、建筑材料或水泥、烧结砖等.随生产下水排放的石灰渣可用于铺路或筑坝.锅炉渣用作水泥原料、制砖或铺路的材料.

6.2 蒸氨废液处置措施

6.2.1 废液处置

废液处理是工程“三废”治理的重点，蒸氨废液中CaCl2和NaCl含量较高，并含有少量的含钙固体物，因此将蒸氨废液送至渣场沉淀后，上清液流入另一储液池，倒换干燥，沉渣经干燥后翻边堆放.清液贮存在废液排放场，形成人工盐湖，自然蒸发贮存；或根据市场情况，同步建设废液综合利用装置，生产氯化钙产品和氯化钠副产品，氯化钙向外销售，氯化钠返回至纯碱生产工序.废清液贮存区周围筑坝围拦并进行防渗漏处理，以防废液溢流或渗漏造成环境污染.项目建设时，充分考虑清液排放量与蒸发量的关系，保持一定程度的富余量，避免废清液储池能力不足.

6.2.2 废液排放场污染防治措施

根据双环渗水试验结果表明，废液排放场天然基础层的饱和渗透系数均大于1×10-5cm/s，场地土不具备天然防渗条件，故需在废液排放场建设前进行废液排放场防渗设计.本项目防渗采用双防渗系统，上部为人工材料防渗层；下部为复合材料防渗层，务必达到最大限度的防止渗滤液的渗出.废液排放场防渗系统以柔性结构为主，采用双人工衬层.其主要结构由下到上依次为：基础层、地下水排水层、压实的黏土衬层、高密度聚乙烯膜、膜上保护层、渗滤液次级集排水层、高密度聚乙烯膜、膜上保护层、渗滤液初级集排水层、土工布.

6.3 地下水污染防治措施

根据项目场地天然包气带的防污性能、污染控制难易程度及污染物的类型，将厂区划分为重点防渗区、一般防渗区和简单防渗区.厂区包气带的防污性能弱，污染物中只含有其他类污染物，再根据各区的污染控制难易程度，对全厂可能会影响地下水的区域进行防渗处理.根据《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610-2016)中关于地下水污染分区防渗的要求，对这些区域的地面采用相应的措施进行防渗处理，以达到各防渗区的防渗技术要求，防止污染物下渗造成地下水污染.具体的防渗措施参照(GB/T50934)《石油化工工程防渗技术规范》，但是不能低于本次评价的防渗等级.