宝日希勒露天矿采场水资源化利用设计研究★

黄玉凯，胡志勇

(1.神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000; 2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

1 概述

地下水原来存储的状态发生了变化，主要原因是由于开采矿床导致地下水产生缝隙，进而让一些含水层的关系变得紧密，例如地表水、大气降水、生活水以及地下水等，这些含水层随着新型以及原始的缝隙进入采掘空间，逐步向采场水转变[1]。采场水是一种废水，在生产煤炭过程中具有大量的排放产量。1993年，我国通过计算与统计发现重点煤矿每吨煤涌水量和排放采场水量分别约为4.0亿m3和22亿m3，而且随着时代的发展与煤炭领域的进步，对排放采场水的数量变得越来越多[2]。多年来，由于我国对采场水的认知较为渺小，技术比较落后，采场水没有被合理应用和保护，经常毫无用处的被排放掉。根据统计，每地区开采1 t原煤，采场水排放量将达到2 t，这种情况不仅会让工业领域和生活领域用水量降低，还会严重浪费、污染贵重的水资源。因此，一定要良好的处理并利用采场水，把采场水当做一种珍贵的水资源，即采场水资源化利用已经成为了一种必然趋势。

根据统计可知，采场水的平均使用概率只达到了22%，在北方国有煤矿中，每年需要排放高达14亿t的采场水，而平均使用概率甚至未达到20%[3]。由于污水到处横流，使我国各大水源都产生不同程度的污染，水环境严重恶化。排水没有节制、没有节约水资源的想法不仅会提高煤炭的成本、浪费水资源，还会产生地下水资源白白流失、地面变得塌陷、水资源环境变得越来越恶劣等问题。所以从保护水资源和保护环境的角度出发，采场水资源化利用也是十分必要的。

2 宝日希勒露天矿采场水资源现状分析

2.1 宝日希勒露天矿水文地质资料分析

宝日希勒露天煤矿地处内蒙古自治区东北部的呼伦贝尔草原腹地，本区域具有大量的煤炭资源，厚度较大、角度小、煤炭层较浅、赋存条件好，剥采比小，非常适合露天开采，是国家能源重点发展地区，同时，由于该地区位于我国北疆，其特殊的地理位置和生态环境使其常被誉为我国北疆的“生态屏障”[4]。因此，在煤炭资源的开发利用过程中，如何对区域生态环境和地下水资源进行合理的保护和综合利用，实现人与自然和谐共处成为了煤炭企业绿色发展过程中所面临的突出问题。

宝日希勒露天矿矿区为优质草场，露天采场水具有大量的有毒有害污染物质，例如放射性元素等，大部分属于酸性水和高矿化度水。宝日希勒露天矿采场水排放量很大，正常生产时期露天矿坑内每小时最大排水量达1 400 m3，每天排水8 h～10 h，总计每天需处理的最大废水量为14 000 m3[5]。没有经过处理的废水排放后，会让草场环境变得恶劣，影响草场原本具有的生态平衡和景观，造成草场土壤板结，草场退化。另外，生产在工业领域中会使用大量的水资源，降低了地表水量，也影响了矿区草场质量。目前矿区废水处理率很低，大量的采场废水排放不仅严重污染了矿区周围环境，还大大加剧了矿区缺水的严重性程度，甚至还影响到了露天矿的边坡稳定，造成安全生产的隐患。

根据国家对宝日希勒矿区的环保要求，宝日希勒露天煤矿在生产过程中坑内产生大量的排水需要经过处理达到国家一级排放标准后排放，其中一部分进行合理有效的利用，通过深度处理后回用于道路浇洒或绿化，以及为热电厂和褐煤提质这两个项目提供工业用水水源，经济效益和社会效益显著。

因此，宝日希勒露天矿实施采场水资源化处理的重要性不言而喻。宝日希勒露天矿在采矿和用水安全问题、生产问题以及可持续发展问题都被其深深影响着，也决定着周围矿区大片优质草场的未来命运，必须进行详细研究和整体规划。

2.2 采场水水质情况调查

目前，矿区生产、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。根据矿区总体规划，宝日希勒矿区生产、生活污水排放量为632.68万m3/a，经过污水处理设施后，出水的水质量和GB 20426—2006煤炭工业污染物排放标准相符合。参照此标准，确定污水处理设施出水化学耗氧量(COD)限值为50 mg/L，氨氮质量浓度限值为15 mg/L，生化需氧量(BOD5)限值为20 mg/L，含水悬浮物(SS)的量限值为50 mg/L，总磷质量浓度限值为0.5 mg/L。

通过对露天矿积水坑取样分析，得到露天矿采场水的水质情况。从样本水质分析结果看，宝日希勒露天矿采场SS质量浓度、COD质量浓度、BOD5质量浓度、氨氮和总磷指标严重超标，分别达到316 mg/L,160 mg/L,90 mg/L,48 mg/L,1.4 mg/L，且采场水水质呈酸性，这些指标均不能达标，需要经过净化处理达标后才能外排。

2.3 采场水处理工艺设计

在建造污水处理管理系统中，氧化塘污水处理系统同利用其他生物处理法相比有很多优势。例如维护的能力强、只需要很少的建造和运行的费用、处理效率高、工作稳定可靠等。尤其通过实践，我们可以在多级氧化塘系统中了解到其具有很强的净化污水能力。作为一种组合塘系统，它包括了兼性塘、厌氧塘、好氧塘和综合生态塘，同时可以很强的去除重金属离子和一些难降解的污染物[6]。

宝日希勒露天矿采场水的净化决定采用这种污水处理系统，其对污水的处理程度接近或达到三级处理，出水用来养鱼、灌溉农田牧场等等均没有问题；此外，宝日希勒露天矿有大片塌陷坑可供利用建造氧化塘，无需担心氧化塘占地面积大的问题。

氧化塘有清水稀释氧化塘和无稀释氧化塘两种，根据宝日希勒煤业有限公司露天矿采场的实际情况，采场水资源化处理决定采用无稀释氧化塘。污水经沉淀池沉淀后由耐酸水泵直接打入氧化塘污水处理系统进行净化处理。净化完成后，采场水水质完全可以达标排放，也可以用于洒水降尘、绿化、养鱼、灌溉和洗煤、电厂用水等。其具体处理工艺就是沉淀池+厌氧塘、兼性塘和生态鱼塘组成的多级串联氧化塘系统。

根据露天采场实际情况，宝日希勒露天矿氧化塘污水处理系统采用的具体工艺流程：矿坑水→沉淀池→耐酸泵→排水管→厌氧塘→兼性塘→好氧塘→水泵→排水管→鱼塘→闸门→水渠→排放或工业回用。

2.4 氧化塘处理单元设计

根据氧化塘的设计准则，结合宝日希勒露天矿的实际情况，对露天矿采场水净化作如下设计：

1)氧化塘选址宜选用废旧河道、低洼地、沼泽及贫瘠地等。宝日希勒露天矿采场附近有很多大的塌陷坑，正好可以用来建设氧化塘的构筑物。

宝日希勒露天矿可以利用这块塌陷坑自身的高低落差经过平整修理建成多级氧化塘系统。可以减少大部分的基建投资，也可以美化生态景观，创造经济效益。

2)宝日希勒矿区常年可见光辐射的时间大于100 kal/(cm2·d)所占比重达不到90%，而且有四、五个月的结冰期，因此考虑氧化塘建造时必须克服这些不利因素。宝日希勒露天矿采场水资源化处理采用处理效率较高的厌氧塘-兼性塘-综合生态塘组合处理工艺，同时三种类型的氧化塘采用串联或并联的形式加强采场水净化处理的效果。

氧化塘处理单元的基本形式：厌氧塘→厌氧塘→兼性塘→兼性塘→好氧塘→生态鱼塘。

3)厌氧塘与好氧塘相比具有下列优缺点：

a.应用范围广。好氧法受到供氧限制，常用于处理中、低浓度有机废水，而厌氧法对高浓度、中浓度、低浓度有机废水均有良好的处理效果。此外，好氧生物法难以降解部分有机物，如固体有机物、部分氨氮染料、着色剂等，而厌氧生物法能有效处理相关污染物。

b.能耗低。受技术条件要求影响，好氧法需要在运行过程中提供大量氧气，从而增加了能量损耗，曝气所需费用会随着废水中有机污染物浓度的增加而增大，提升了水处理成本。而厌氧法不需要充氧，处理过程中还能产生沼气等可燃气体，可作为能源加以利用。当废水中有机污染物浓度达到一定浓度值后，沼气所产生的能量可以抵消处理废水所需能量。当原水BOD5达到1 500 mg/L时，采用厌氧技术处理废水即可产生剩余能量，剩余能量会随着有机物浓度的升高而增加。厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。

c.负荷高。厌氧法的单位容积有机负荷量往往高于厌氧法，甚至最大比例可以高于好氧法的10倍左右。

d.污泥的剩余量较少，其缩水性和脱水性呈现突出性质。好氧法每消除1 kg COD将产生0.4 kg～0.6 kg的生物量，而厌氧法产生的生物量较低，仅为0.02 kg～0.1 kg。同时，厌氧法剩余的污泥量仅占好氧法的5%～20%左右，其污泥的去除过程无论在卫生学上还是化学上都是相对稳定的。因此，把简单的处置过程和低成本的运行费用等特点作为处理剩余污泥的优势方法，并逐渐应用到肥料，饲料和饵料的生产领域，已成为当前化工研究的趋势。

e.厌氧处理过程具有一定的杀菌作用，对废水和污泥中存在的寄生虫卵、细菌、病毒等生物能够有效抑制消除。

但是，厌氧生物法也存在一个很大的缺点，它处理后的出水水质较差，需要经过好氧塘做进一步处理才能达标排放。

从厌氧塘和好氧塘的特点可以推出，厌氧塘可以承担高有机负荷，是氧化塘处理单元中的第一级塘，而且所需占地面积相对较小。

露天矿采场水经沉淀池进行预处理后，出水水质中含悬浮物(SS)的量降低到156 mg/L以下，其他水质参数基本没有变化。因此，露天矿氧化塘处理单元的具体任务如表1所示。

表1 氧化塘处理单元任务表

根据很多氧化塘方面专家的经验，氧化塘设计以有机负荷计为准的效果比以水力负荷计得到的效果好，误差小。所以，宝日希勒露天矿氧化塘的设计取采场水有机负荷作为氧化塘设计的标准。

3 宝日希勒露天矿采场水资源化利用途径

采场水经多级串联氧化塘处理后，出水水质良好，可以有以下几种用途。

3.1 工业用水

宝日希勒矿区规划中有建设大电厂和大化工园区的规划，这两项规划实施后每年均需要消耗水资源量达数百万立方米之多。而且电厂用水和化工用水对水质的要求都比较低，鱼塘出水水质完全可以达到电厂用水和化工用水对水质的要求标准。距离氧化塘污水处理系统不远的地方有一电厂，采场水经过净化处理后可以拿来做一电厂循环冷却用水。现在，宝日希勒能源有限公司正在建设褐煤提质项目工程，这个工程投产后每年也需要消耗大量的水资源，经过氧化塘处理的采场水也可以用于褐煤提质工程用水。

3.2 矿区洒水降尘

露天采矿扬尘量大，灰尘浓度高，按照采矿规程矿区须进行洒水降尘处理。矿区洒水降尘对水质的要求比电厂用水和化工用水还低很多，通过兼性塘处理后，采场水的出水可以在矿区利用，主要功能为洒水降尘。宝日希勒露天矿区每年洒水降尘需要的水量也有几十万立方米之多。采场水出水还可以用来做消防用水的水源。

3.3 矿区绿化

大型露天矿每年都需要对大片塌陷区进行采区回填复垦、绿化。采区复垦绿化需要消耗大量水资源，宝日希勒露天矿采场水经过多级串联氧化塘处理后可以作为采区回填复垦和绿化园区所需用水。

3.4 牧场灌溉

宝日希勒矿区周围为优质草场，每年需要对草场进行精心护理。经过不同等级串联氧化塘处理后，宝日希勒露天矿采场水的出水质量可以达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，完全可以用来对草场进行灌溉，有助于保护草原的生态环境。

3.5 水产养殖

宝日希勒露天矿可以利用采场水排放量大和出水水质较好的优点，结合露天矿养鱼塘发展多种养殖业，建成水生态系统，此系统包括水生植物、菌藻、底栖动物、蚌、鱼、鸭、鹅、等食物链共同构造。

4 结语

我国“十一五”规划提出我国要以“资源节约型、环境友好型”为目标，建造一种良好的社会环境，而采场水资源化利用不仅可以减少污水排放量，提高采场水资源利用率，而且可以减小采场水对正常采矿活动安全程度的影响，具有十分显著的经济效益。

宝日希勒露天矿采场水排放量大，其净化过程最好通过多级串联氧化塘工艺对污水进行处理，这样可以充分利用露天矿塌陷区节省大量基建投资。将采场水按照厌氧塘、兼性塘、好氧塘和生态鱼塘组成的多级串联氧化塘系统净化处理后，出水水质完全可以达到《煤炭工业污染物排放标准》的要求，可以回用于电厂循环冷却用水、消防用水和矿区洒水降尘绿化等用水大户，有利于保护矿区周围生态环境，有利于“和谐矿区”“绿化矿区”的建设，具有非常显著的经济效益和环境效益。