黃玉凱，胡志勇

(1.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000; 2.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

1 概述

地下水原來存儲的狀態(tài)發(fā)生了變化，主要原因是由于開采礦床導致地下水產(chǎn)生縫隙，進而讓一些含水層的關系變得緊密，例如地表水、大氣降水、生活水以及地下水等，這些含水層隨著新型以及原始的縫隙進入采掘空間，逐步向采場水轉(zhuǎn)變[1]。采場水是一種廢水，在生產(chǎn)煤炭過程中具有大量的排放產(chǎn)量。1993年，我國通過計算與統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)重點煤礦每噸煤涌水量和排放采場水量分別約為4.0億m3和22億m3，而且隨著時代的發(fā)展與煤炭領域的進步，對排放采場水的數(shù)量變得越來越多[2]。多年來，由于我國對采場水的認知較為渺小，技術比較落后，采場水沒有被合理應用和保護，經(jīng)常毫無用處的被排放掉。根據(jù)統(tǒng)計，每地區(qū)開采1 t原煤，采場水排放量將達到2 t，這種情況不僅會讓工業(yè)領域和生活領域用水量降低，還會嚴重浪費、污染貴重的水資源。因此，一定要良好的處理并利用采場水，把采場水當做一種珍貴的水資源，即采場水資源化利用已經(jīng)成為了一種必然趨勢。

根據(jù)統(tǒng)計可知，采場水的平均使用概率只達到了22%，在北方國有煤礦中，每年需要排放高達14億t的采場水，而平均使用概率甚至未達到20%[3]。由于污水到處橫流，使我國各大水源都產(chǎn)生不同程度的污染，水環(huán)境嚴重惡化。排水沒有節(jié)制、沒有節(jié)約水資源的想法不僅會提高煤炭的成本、浪費水資源，還會產(chǎn)生地下水資源白白流失、地面變得塌陷、水資源環(huán)境變得越來越惡劣等問題。所以從保護水資源和保護環(huán)境的角度出發(fā)，采場水資源化利用也是十分必要的。

2 寶日希勒露天礦采場水資源現(xiàn)狀分析

2.1 寶日希勒露天礦水文地質(zhì)資料分析

寶日希勒露天煤礦地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的呼倫貝爾草原腹地，本區(qū)域具有大量的煤炭資源，厚度較大、角度小、煤炭層較淺、賦存條件好，剝采比小，非常適合露天開采，是國家能源重點發(fā)展地區(qū)，同時，由于該地區(qū)位于我國北疆，其特殊的地理位置和生態(tài)環(huán)境使其常被譽為我國北疆的“生態(tài)屏障”[4]。因此，在煤炭資源的開發(fā)利用過程中，如何對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和地下水資源進行合理的保護和綜合利用，實現(xiàn)人與自然和諧共處成為了煤炭企業(yè)綠色發(fā)展過程中所面臨的突出問題。

寶日希勒露天礦礦區(qū)為優(yōu)質(zhì)草場，露天采場水具有大量的有毒有害污染物質(zhì)，例如放射性元素等，大部分屬于酸性水和高礦化度水。寶日希勒露天礦采場水排放量很大，正常生產(chǎn)時期露天礦坑內(nèi)每小時最大排水量達1 400 m3，每天排水8 h～10 h，總計每天需處理的最大廢水量為14 000 m3[5]。沒有經(jīng)過處理的廢水排放后，會讓草場環(huán)境變得惡劣，影響草場原本具有的生態(tài)平衡和景觀，造成草場土壤板結(jié)，草場退化。另外，生產(chǎn)在工業(yè)領域中會使用大量的水資源，降低了地表水量，也影響了礦區(qū)草場質(zhì)量。目前礦區(qū)廢水處理率很低，大量的采場廢水排放不僅嚴重污染了礦區(qū)周圍環(huán)境，還大大加劇了礦區(qū)缺水的嚴重性程度，甚至還影響到了露天礦的邊坡穩(wěn)定，造成安全生產(chǎn)的隱患。

根據(jù)國家對寶日希勒礦區(qū)的環(huán)保要求，寶日希勒露天煤礦在生產(chǎn)過程中坑內(nèi)產(chǎn)生大量的排水需要經(jīng)過處理達到國家一級排放標準后排放，其中一部分進行合理有效的利用，通過深度處理后回用于道路澆灑或綠化，以及為熱電廠和褐煤提質(zhì)這兩個項目提供工業(yè)用水水源，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

因此，寶日希勒露天礦實施采場水資源化處理的重要性不言而喻。寶日希勒露天礦在采礦和用水安全問題、生產(chǎn)問題以及可持續(xù)發(fā)展問題都被其深深影響著，也決定著周圍礦區(qū)大片優(yōu)質(zhì)草場的未來命運，必須進行詳細研究和整體規(guī)劃。

2.2 采場水水質(zhì)情況調(diào)查

目前，礦區(qū)生產(chǎn)、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。根據(jù)礦區(qū)總體規(guī)劃，寶日希勒礦區(qū)生產(chǎn)、生活污水排放量為632.68萬m3/a，經(jīng)過污水處理設施后，出水的水質(zhì)量和GB 20426—2006煤炭工業(yè)污染物排放標準相符合。參照此標準，確定污水處理設施出水化學耗氧量(COD)限值為50 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度限值為15 mg/L，生化需氧量(BOD5)限值為20 mg/L，含水懸浮物(SS)的量限值為50 mg/L，總磷質(zhì)量濃度限值為0.5 mg/L。

通過對露天礦積水坑取樣分析，得到露天礦采場水的水質(zhì)情況。從樣本水質(zhì)分析結(jié)果看，寶日希勒露天礦采場SS質(zhì)量濃度、COD質(zhì)量濃度、BOD5質(zhì)量濃度、氨氮和總磷指標嚴重超標，分別達到316 mg/L,160 mg/L,90 mg/L,48 mg/L,1.4 mg/L，且采場水水質(zhì)呈酸性，這些指標均不能達標，需要經(jīng)過凈化處理達標后才能外排。

2.3 采場水處理工藝設計

在建造污水處理管理系統(tǒng)中，氧化塘污水處理系統(tǒng)同利用其他生物處理法相比有很多優(yōu)勢。例如維護的能力強、只需要很少的建造和運行的費用、處理效率高、工作穩(wěn)定可靠等。尤其通過實踐，我們可以在多級氧化塘系統(tǒng)中了解到其具有很強的凈化污水能力。作為一種組合塘系統(tǒng)，它包括了兼性塘、厭氧塘、好氧塘和綜合生態(tài)塘，同時可以很強的去除重金屬離子和一些難降解的污染物[6]。

寶日希勒露天礦采場水的凈化決定采用這種污水處理系統(tǒng)，其對污水的處理程度接近或達到三級處理，出水用來養(yǎng)魚、灌溉農(nóng)田牧場等等均沒有問題；此外，寶日希勒露天礦有大片塌陷坑可供利用建造氧化塘，無需擔心氧化塘占地面積大的問題。

氧化塘有清水稀釋氧化塘和無稀釋氧化塘兩種，根據(jù)寶日希勒煤業(yè)有限公司露天礦采場的實際情況，采場水資源化處理決定采用無稀釋氧化塘。污水經(jīng)沉淀池沉淀后由耐酸水泵直接打入氧化塘污水處理系統(tǒng)進行凈化處理。凈化完成后，采場水水質(zhì)完全可以達標排放，也可以用于灑水降塵、綠化、養(yǎng)魚、灌溉和洗煤、電廠用水等。其具體處理工藝就是沉淀池+厭氧塘、兼性塘和生態(tài)魚塘組成的多級串聯(lián)氧化塘系統(tǒng)。

根據(jù)露天采場實際情況，寶日希勒露天礦氧化塘污水處理系統(tǒng)采用的具體工藝流程：礦坑水→沉淀池→耐酸泵→排水管→厭氧塘→兼性塘→好氧塘→水泵→排水管→魚塘→閘門→水渠→排放或工業(yè)回用。

2.4 氧化塘處理單元設計

根據(jù)氧化塘的設計準則，結(jié)合寶日希勒露天礦的實際情況，對露天礦采場水凈化作如下設計：

1)氧化塘選址宜選用廢舊河道、低洼地、沼澤及貧瘠地等。寶日希勒露天礦采場附近有很多大的塌陷坑，正好可以用來建設氧化塘的構筑物。

寶日希勒露天礦可以利用這塊塌陷坑自身的高低落差經(jīng)過平整修理建成多級氧化塘系統(tǒng)?？梢詼p少大部分的基建投資，也可以美化生態(tài)景觀，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

2)寶日希勒礦區(qū)常年可見光輻射的時間大于100 kal/(cm2·d)所占比重達不到90%，而且有四、五個月的結(jié)冰期，因此考慮氧化塘建造時必須克服這些不利因素。寶日希勒露天礦采場水資源化處理采用處理效率較高的厭氧塘-兼性塘-綜合生態(tài)塘組合處理工藝，同時三種類型的氧化塘采用串聯(lián)或并聯(lián)的形式加強采場水凈化處理的效果。

氧化塘處理單元的基本形式：厭氧塘→厭氧塘→兼性塘→兼性塘→好氧塘→生態(tài)魚塘。

3)厭氧塘與好氧塘相比具有下列優(yōu)缺點：

a.應用范圍廣。好氧法受到供氧限制，常用于處理中、低濃度有機廢水，而厭氧法對高濃度、中濃度、低濃度有機廢水均有良好的處理效果。此外，好氧生物法難以降解部分有機物，如固體有機物、部分氨氮染料、著色劑等，而厭氧生物法能有效處理相關污染物。

b.能耗低。受技術條件要求影響，好氧法需要在運行過程中提供大量氧氣，從而增加了能量損耗，曝氣所需費用會隨著廢水中有機污染物濃度的增加而增大，提升了水處理成本。而厭氧法不需要充氧，處理過程中還能產(chǎn)生沼氣等可燃氣體，可作為能源加以利用。當廢水中有機污染物濃度達到一定濃度值后，沼氣所產(chǎn)生的能量可以抵消處理廢水所需能量。當原水BOD5達到1 500 mg/L時，采用厭氧技術處理廢水即可產(chǎn)生剩余能量，剩余能量會隨著有機物濃度的升高而增加。厭氧法的動力消耗約為活性污泥法的1/10。

c.負荷高。厭氧法的單位容積有機負荷量往往高于厭氧法，甚至最大比例可以高于好氧法的10倍左右。

d.污泥的剩余量較少，其縮水性和脫水性呈現(xiàn)突出性質(zhì)。好氧法每消除1 kg COD將產(chǎn)生0.4 kg～0.6 kg的生物量，而厭氧法產(chǎn)生的生物量較低，僅為0.02 kg～0.1 kg。同時，厭氧法剩余的污泥量僅占好氧法的5%～20%左右，其污泥的去除過程無論在衛(wèi)生學上還是化學上都是相對穩(wěn)定的。因此，把簡單的處置過程和低成本的運行費用等特點作為處理剩余污泥的優(yōu)勢方法，并逐漸應用到肥料，飼料和餌料的生產(chǎn)領域，已成為當前化工研究的趨勢。

e.厭氧處理過程具有一定的殺菌作用，對廢水和污泥中存在的寄生蟲卵、細菌、病毒等生物能夠有效抑制消除。

但是，厭氧生物法也存在一個很大的缺點，它處理后的出水水質(zhì)較差，需要經(jīng)過好氧塘做進一步處理才能達標排放。

從厭氧塘和好氧塘的特點可以推出，厭氧塘可以承擔高有機負荷，是氧化塘處理單元中的第一級塘，而且所需占地面積相對較小。

露天礦采場水經(jīng)沉淀池進行預處理后，出水水質(zhì)中含懸浮物(SS)的量降低到156 mg/L以下，其他水質(zhì)參數(shù)基本沒有變化。因此，露天礦氧化塘處理單元的具體任務如表1所示。

表1 氧化塘處理單元任務表

根據(jù)很多氧化塘方面專家的經(jīng)驗，氧化塘設計以有機負荷計為準的效果比以水力負荷計得到的效果好，誤差小。所以，寶日希勒露天礦氧化塘的設計取采場水有機負荷作為氧化塘設計的標準。

3 寶日希勒露天礦采場水資源化利用途徑

采場水經(jīng)多級串聯(lián)氧化塘處理后，出水水質(zhì)良好，可以有以下幾種用途。

3.1 工業(yè)用水

寶日希勒礦區(qū)規(guī)劃中有建設大電廠和大化工園區(qū)的規(guī)劃，這兩項規(guī)劃實施后每年均需要消耗水資源量達數(shù)百萬立方米之多。而且電廠用水和化工用水對水質(zhì)的要求都比較低，魚塘出水水質(zhì)完全可以達到電廠用水和化工用水對水質(zhì)的要求標準。距離氧化塘污水處理系統(tǒng)不遠的地方有一電廠，采場水經(jīng)過凈化處理后可以拿來做一電廠循環(huán)冷卻用水。現(xiàn)在，寶日希勒能源有限公司正在建設褐煤提質(zhì)項目工程，這個工程投產(chǎn)后每年也需要消耗大量的水資源，經(jīng)過氧化塘處理的采場水也可以用于褐煤提質(zhì)工程用水。

3.2 礦區(qū)灑水降塵

露天采礦揚塵量大，灰塵濃度高，按照采礦規(guī)程礦區(qū)須進行灑水降塵處理。礦區(qū)灑水降塵對水質(zhì)的要求比電廠用水和化工用水還低很多，通過兼性塘處理后，采場水的出水可以在礦區(qū)利用，主要功能為灑水降塵。寶日希勒露天礦區(qū)每年灑水降塵需要的水量也有幾十萬立方米之多。采場水出水還可以用來做消防用水的水源。

3.3 礦區(qū)綠化

大型露天礦每年都需要對大片塌陷區(qū)進行采區(qū)回填復墾、綠化。采區(qū)復墾綠化需要消耗大量水資源，寶日希勒露天礦采場水經(jīng)過多級串聯(lián)氧化塘處理后可以作為采區(qū)回填復墾和綠化園區(qū)所需用水。

3.4 牧場灌溉

寶日希勒礦區(qū)周圍為優(yōu)質(zhì)草場，每年需要對草場進行精心護理。經(jīng)過不同等級串聯(lián)氧化塘處理后，寶日希勒露天礦采場水的出水質(zhì)量可以達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類標準，完全可以用來對草場進行灌溉，有助于保護草原的生態(tài)環(huán)境。

3.5 水產(chǎn)養(yǎng)殖

寶日希勒露天礦可以利用采場水排放量大和出水水質(zhì)較好的優(yōu)點，結(jié)合露天礦養(yǎng)魚塘發(fā)展多種養(yǎng)殖業(yè)，建成水生態(tài)系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括水生植物、菌藻、底棲動物、蚌、魚、鴨、鵝、等食物鏈共同構造。

4 結(jié)語

我國“十一五”規(guī)劃提出我國要以“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”為目標，建造一種良好的社會環(huán)境，而采場水資源化利用不僅可以減少污水排放量，提高采場水資源利用率，而且可以減小采場水對正常采礦活動安全程度的影響，具有十分顯著的經(jīng)濟效益。

寶日希勒露天礦采場水排放量大，其凈化過程最好通過多級串聯(lián)氧化塘工藝對污水進行處理，這樣可以充分利用露天礦塌陷區(qū)節(jié)省大量基建投資。將采場水按照厭氧塘、兼性塘、好氧塘和生態(tài)魚塘組成的多級串聯(lián)氧化塘系統(tǒng)凈化處理后，出水水質(zhì)完全可以達到《煤炭工業(yè)污染物排放標準》的要求，可以回用于電廠循環(huán)冷卻用水、消防用水和礦區(qū)灑水降塵綠化等用水大戶，有利于保護礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境，有利于“和諧礦區(qū)”“綠化礦區(qū)”的建設，具有非常顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。