王膽WANG Dan

（昆明理工大學(xué)，昆明 650500）

0 引言

針對露天礦山的高鐵錳水處理研報道較少，據(jù)調(diào)查，云南大部分露天煤礦（包括尋甸縣先鋒礦區(qū)四個中小型露天煤礦和紅河州兩個大型露天煤礦）因其煤層上部賦存的含鐵錳元素硅藻土，導(dǎo)致礦坑廢水均有不同程度有鐵錳超標(biāo)現(xiàn)象。部分礦山企業(yè)建立了相應(yīng)的高鐵錳礦坑廢水處理站，但因以下幾個方面的原因，導(dǎo)致礦坑廢水處理站運行處理效果欠佳：一是對礦坑水水質(zhì)變化幅度預(yù)估不足，水處理站進水水質(zhì)變化較大，導(dǎo)致出水水質(zhì)波動較大；二是未對藥劑投加做試驗，選擇藥劑選擇或投加不當(dāng)，且未能及時對藥劑投加量、出水水質(zhì)等進行監(jiān)控，以致于處理后的礦井水無法達到要求；三是未對降雨匯水量、礦山涌水量及回用、外排量做深入的水平衡驗算，設(shè)計的礦坑水處理規(guī)模不合適，造成礦山企業(yè)投資偏大。

本文以云南先鋒露天煤礦為研究背景，對礦山廢水的水質(zhì)和水量進行深入調(diào)查分析，確定技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的礦山廢水處理工程設(shè)計方案，并通過多因素和單因素混凝攪拌實驗，優(yōu)化礦山廢水處理工藝，保障處理后回用和排放達標(biāo)前提下，讓礦山企業(yè)在水處理工程上投資和運營綜合成本達到最低，增強露天礦山企業(yè)在參與保護水環(huán)境方面的能動性，以期在類似的礦山企業(yè)中推廣開來，對減少礦產(chǎn)資源在開采過程中對環(huán)境的破壞有重要的現(xiàn)實意義。

1 排水設(shè)施存在的問題及利用情況

1.1 采場排水

采場內(nèi)建有一座130000m3的水倉（規(guī)格180m×120m×6m），地下水、地表沖刷廢水及采場內(nèi)疏干井來水均匯集到采場坑底水倉，經(jīng)水倉沉淀后，部分回用于采場道路灑水降塵及排土場綠化，其余廢水經(jīng)6根DN300（Φ315×8）水管由水泵提升坑口排污口，排放到南面的蟒蛇河。

1.2 排土場排水

代理堡箐排土場目前的截排水措施不完善，存在雨、污合流的排水情況，北面和西面的靠山一側(cè)的截水溝不完善，雨水混入到代理堡箐排土場內(nèi)形成淋濾水?，F(xiàn)狀1#涵管收集的淋濾水經(jīng)水溝匯入采場北面的防洪溝，再進入采場東幫的閘塘，最終匯入南面蟒蛇河；2#涵管收集的淋濾水滲水和代理堡箐排土場西面的截水溝雨水混合，向西排后匯入采場西幫小河，后排入礦區(qū)西面的白龍河，最終匯入南面蟒蛇河。

1.3 生活污水

辦公生活區(qū)附近建有處理能力150m3/d的生活污水處理站一座，生活廢水經(jīng)處理后全部回用于辦公生活區(qū)綠化。

生產(chǎn)廢水排水概況如圖1所示。

圖1先鋒露天煤礦生產(chǎn)廢水排放概況示意圖

2 排水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)環(huán)評及環(huán)保的要求，礦井水處理出水需達到《城鎮(zhèn)廢水處理站污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。

3 礦山總體規(guī)劃

由于生活污水經(jīng)處理后全部回用于辦公生活區(qū)綠化，本次研究討論方案未考慮生活廢水排水及辦公生活區(qū)綠化用水。

根據(jù)前面的給排水量計算分析，結(jié)合本工程的各出水口位置及水質(zhì)特點，本研究提出集中式處理與分質(zhì)分散式處理兩個規(guī)劃建設(shè)方案。

集中式處理：設(shè)置1座廢水處理站，在礦井水總排口附近。將代理堡箐排土場的淋濾水通過管道輸送到廢水處理站，與采場水倉來水一起混合處理，處理后達標(biāo)排放或回用。集中式處理規(guī)劃示意圖如圖2所示。

表1排放標(biāo)準(zhǔn)

圖2集中式處方案理示意圖

分散式處理：設(shè)置2座廢水處理站。一座在礦坑水總排口附近，只處理采場水倉廢水，處理后達標(biāo)排放或回用；一座設(shè)置在代理堡箐排土場1#暗涵口的閘塘附近，處理代理堡箐排土場的淋濾水，達標(biāo)后全部回用于排土場綠化。分散式處理規(guī)劃示意圖如圖2所示。

綜合以上分析比較，結(jié)合圖2、圖3及表2的內(nèi)容對比可以看出，規(guī)劃方案一和規(guī)劃方案二各有優(yōu)缺點，總結(jié)如下：

①規(guī)劃方案一優(yōu)點：

1）集中式處理，設(shè)備少，集中管理方便，節(jié)省管理和人力成本。

2）中水回用部分不受限制，可任意選擇時間段回用或不回用。

②規(guī)劃方案一缺點：

1）廢水輸送管網(wǎng)長，管網(wǎng)投資高。

2）排土場廢水水質(zhì)水量變化大，匯入礦井水后，增加了處理站處理難度。

3）回用水輸送距離遠，增加中水回用運行成本。

③規(guī)劃方案二優(yōu)點：

1）分散處理，就近回用。特別是中水站靠近排土場區(qū)域，中水回用非常方便。中水站出水執(zhí)行雜用水標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部控制要求，更合理實用。

2）排土場淋濾廢水與礦井水分開處理，大大節(jié)省廢水收集的管網(wǎng)投資，降低了礦坑廢水處理處理難度。

④規(guī)劃方案二缺點：

1）中水站出水不能外排，必須回用，需要增大水池儲存容積。

2）兩個處理站分開管理巡視，增加人工管理強度，管理人工成本相對較高。

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)在對高鐵錳水的處理研究及工程實踐，以上兩種規(guī)劃方案在技術(shù)均可以實現(xiàn)，具體選擇何種方案，要先確定各規(guī)劃方案的工藝選擇，并進行工藝方案優(yōu)化，再分析各方案的投資和運營成本后，從項目整體經(jīng)濟效益最優(yōu)的角度進行比選。

圖3分散式處理方案示意圖

4 污水廠區(qū)設(shè)計

通過前文所述的先鋒露天煤礦高鐵錳生產(chǎn)廢水處理的規(guī)劃方案，結(jié)合工藝方案的分析可知，不同的規(guī)劃方案涉及處理的進水水質(zhì)和出水水質(zhì)不一樣，所以選擇的處理工藝不盡相同。工藝方案的選擇主要本著充分利用已有工程的實際經(jīng)驗、監(jiān)測數(shù)據(jù)和試驗成果的原則進行。

規(guī)劃方案一工藝的選定：礦坑水和排土場淋濾水混合廢水主要系Mn濃度偏高，設(shè)計進水水質(zhì)Mn含量5.6mg/L，設(shè)計出水水質(zhì)要求Mn含量低于2.0mg/L，Mn的去除率須大于64.3%，設(shè)計進水水質(zhì)Fe含量5.7mg/L，考慮在淋濾水和礦坑水混合的調(diào)節(jié)池加曝氣裝置，以達到在深度處理前盡可能氧化Fe2+離子成不溶性的Fe（OH）3沉淀的目的，盡可能減少深度處理前水中Fe濃度，減少Fe對Mn去除的干擾。混凝分離環(huán)節(jié)選擇簡單實用，沉淀效果較好的斜管沉淀。深度處理環(huán)節(jié)選擇有成熟工程經(jīng)驗的錳砂過濾，主要去除水中Mn2+，根據(jù)工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，經(jīng)一級錳砂過濾后，Mn去除率可達到70%以上，能滿足目標(biāo)水質(zhì)要求。消毒環(huán)節(jié)選潔凈、快速，無化學(xué)藥劑的紫外線消毒。

綜上，規(guī)劃方案一選擇調(diào)節(jié)曝氣池+混凝+斜管沉淀+一級錳砂過濾+紫外消毒儀+清水池處理工藝，出水達標(biāo)回用或排放。

規(guī)劃方案二工藝的選定：礦坑內(nèi)廢水經(jīng)坑底水倉長時間沉淀后，水質(zhì)較好，設(shè)計進水水質(zhì)Mn含量3.0mg/L，設(shè)計出水水質(zhì)要求Mn含量低于2.0mg/L，Mn的去除率須大于33%，設(shè)計進水水質(zhì)Fe含量1.5mg/L，pH范圍6.5-7.5系中性廢水，根據(jù)國內(nèi)針對高鐵錳礦井廢水的研究現(xiàn)狀，考慮適當(dāng)調(diào)節(jié)增大pH后，通過混凝沉淀可達到Mn去除率超過33%的目的，具體可行性通過試驗室小試試驗驗證。

表2兩種規(guī)劃方案對比表

圖4工藝流程圖

綜上，規(guī)劃方案二中礦坑廢水選擇混凝+斜管沉淀+紫外消毒儀+清水池處理工藝，出水達標(biāo)回用或排放。

根據(jù)以上分析可知，排土場淋濾水水質(zhì)超標(biāo)較為嚴(yán)重，設(shè)計進水水質(zhì)Fe含量28mg/L，設(shè)計出水水質(zhì)要求Fe含量低于1.2mg/L，F(xiàn)e去除率須大于96%，設(shè)計進水水質(zhì)Mn含量20mg/L，設(shè)計出水水質(zhì)Mn含量小于2.3mg/L，Mn去除率須大于89%，考慮在兩處淋濾水匯集的調(diào)節(jié)池加曝氣裝置，增加水中氧容量，以達到在深度處理前盡可能氧化Fe2+離子并水解成不溶性的Fe（OH）3沉淀的目的，盡可能減少深度處理前水中Fe濃度，減少Fe對Mn去除的干擾。其次通過混凝和斜管沉淀環(huán)節(jié)預(yù)處理，去除大部污染物質(zhì)，再通過深度處理，以達到目標(biāo)去除率，深度處理環(huán)節(jié)選擇有成熟工程經(jīng)驗的錳砂過濾，主要去除水中Mn2+，根據(jù)相應(yīng)的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，經(jīng)二級錳砂過濾后，F(xiàn)e、Mn離子的去除率可分別達到98%、95%，能滿足目標(biāo)水質(zhì)要求。消毒環(huán)節(jié)選潔凈、快速，無化學(xué)藥劑的紫外線消毒。

綜上，規(guī)劃方案二中排土場淋濾水選擇曝氣調(diào)節(jié)池+混凝斜管沉淀+二級錳砂過濾+紫外線消毒儀+清水池的處理工藝。

污水廠區(qū)工藝設(shè)計：

根據(jù)實際情況，先鋒礦礦坑水處理工藝已經(jīng)過多次論證，根據(jù)進出水水質(zhì)要求，確定采用坑下預(yù)處理+絮凝沉淀+二級曝氣+二級過濾進行處理。礦坑水處理站內(nèi)處理工藝流程如圖4。

本設(shè)計優(yōu)化將PAM投加點前移至進絮凝沉淀之前。

根據(jù)2018年月所做的水質(zhì)全分析，礦坑水總堿度105mg/L、HCO32-濃度114.2mg/L、游離CO2濃度0.94mg/L、可溶性SiO2濃度11.78mg/L，處理工藝可考慮盡量去除CO2，提高礦坑水堿度以利鐵錳去除，礦坑水可溶性SiO2濃度正常，對空氣氧化法除鐵影響不大。

由于坑下水倉容積大，礦坑水處理站內(nèi)不再考慮設(shè)事故池以節(jié)約占地。

5 小結(jié)

采用本工藝處理露天礦高鐵錳廢水可以穩(wěn)定達到一級A標(biāo)，對于該項目來說，無論是經(jīng)濟實力還是技術(shù)指標(biāo)都能達到要求。對于解決目前出水水質(zhì)問題提出了很好的工程示范。