王胆WANG Dan

（昆明理工大学，昆明 650500）

0 引言

针对露天矿山的高铁锰水处理研报道较少，据调查，云南大部分露天煤矿（包括寻甸县先锋矿区四个中小型露天煤矿和红河州两个大型露天煤矿）因其煤层上部赋存的含铁锰元素硅藻土，导致矿坑废水均有不同程度有铁锰超标现象。部分矿山企业建立了相应的高铁锰矿坑废水处理站，但因以下几个方面的原因，导致矿坑废水处理站运行处理效果欠佳：一是对矿坑水水质变化幅度预估不足，水处理站进水水质变化较大，导致出水水质波动较大；二是未对药剂投加做试验，选择药剂选择或投加不当，且未能及时对药剂投加量、出水水质等进行监控，以致于处理后的矿井水无法达到要求；三是未对降雨汇水量、矿山涌水量及回用、外排量做深入的水平衡验算，设计的矿坑水处理规模不合适，造成矿山企业投资偏大。

本文以云南先锋露天煤矿为研究背景，对矿山废水的水质和水量进行深入调查分析，确定技术上可行、经济上合理的矿山废水处理工程设计方案，并通过多因素和单因素混凝搅拌实验，优化矿山废水处理工艺，保障处理后回用和排放达标前提下，让矿山企业在水处理工程上投资和运营综合成本达到最低，增强露天矿山企业在参与保护水环境方面的能动性，以期在类似的矿山企业中推广开来，对减少矿产资源在开采过程中对环境的破坏有重要的现实意义。

1 排水设施存在的问题及利用情况

1.1 采场排水

采场内建有一座130000m3的水仓（规格180m×120m×6m），地下水、地表冲刷废水及采场内疏干井来水均汇集到采场坑底水仓，经水仓沉淀后，部分回用于采场道路洒水降尘及排土场绿化，其余废水经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 排土场排水

代理堡箐排土场目前的截排水措施不完善，存在雨、污合流的排水情况，北面和西面的靠山一侧的截水沟不完善，雨水混入到代理堡箐排土场内形成淋滤水。现状1#涵管收集的淋滤水经水沟汇入采场北面的防洪沟，再进入采场东帮的闸塘，最终汇入南面蟒蛇河；2#涵管收集的淋滤水渗水和代理堡箐排土场西面的截水沟雨水混合，向西排后汇入采场西帮小河，后排入矿区西面的白龙河，最终汇入南面蟒蛇河。

1.3 生活污水

办公生活区附近建有处理能力150m3/d的生活污水处理站一座，生活废水经处理后全部回用于办公生活区绿化。

生产废水排水概况如图1所示。

图1先锋露天煤矿生产废水排放概况示意图

2 排水标准

根据环评及环保的要求，矿井水处理出水需达到《城镇废水处理站污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。

3 矿山总体规划

由于生活污水经处理后全部回用于办公生活区绿化，本次研究讨论方案未考虑生活废水排水及办公生活区绿化用水。

根据前面的给排水量计算分析，结合本工程的各出水口位置及水质特点，本研究提出集中式处理与分质分散式处理两个规划建设方案。

集中式处理：设置1座废水处理站，在矿井水总排口附近。将代理堡箐排土场的淋滤水通过管道输送到废水处理站，与采场水仓来水一起混合处理，处理后达标排放或回用。集中式处理规划示意图如图2所示。

表1排放标准

图2集中式处方案理示意图

分散式处理：设置2座废水处理站。一座在矿坑水总排口附近，只处理采场水仓废水，处理后达标排放或回用；一座设置在代理堡箐排土场1#暗涵口的闸塘附近，处理代理堡箐排土场的淋滤水，达标后全部回用于排土场绿化。分散式处理规划示意图如图2所示。

综合以上分析比较，结合图2、图3及表2的内容对比可以看出，规划方案一和规划方案二各有优缺点，总结如下：

①规划方案一优点：

1）集中式处理，设备少，集中管理方便，节省管理和人力成本。

2）中水回用部分不受限制，可任意选择时间段回用或不回用。

②规划方案一缺点：

1）废水输送管网长，管网投资高。

2）排土场废水水质水量变化大，汇入矿井水后，增加了处理站处理难度。

3）回用水输送距离远，增加中水回用运行成本。

③规划方案二优点：

1）分散处理，就近回用。特别是中水站靠近排土场区域，中水回用非常方便。中水站出水执行杂用水标准和内部控制要求，更合理实用。

2）排土场淋滤废水与矿井水分开处理，大大节省废水收集的管网投资，降低了矿坑废水处理处理难度。

④规划方案二缺点：

1）中水站出水不能外排，必须回用，需要增大水池储存容积。

2）两个处理站分开管理巡视，增加人工管理强度，管理人工成本相对较高。

根据国内外现在对高铁锰水的处理研究及工程实践，以上两种规划方案在技术均可以实现，具体选择何种方案，要先确定各规划方案的工艺选择，并进行工艺方案优化，再分析各方案的投资和运营成本后，从项目整体经济效益最优的角度进行比选。

图3分散式处理方案示意图

4 污水厂区设计

通过前文所述的先锋露天煤矿高铁锰生产废水处理的规划方案，结合工艺方案的分析可知，不同的规划方案涉及处理的进水水质和出水水质不一样，所以选择的处理工艺不尽相同。工艺方案的选择主要本着充分利用已有工程的实际经验、监测数据和试验成果的原则进行。

规划方案一工艺的选定：矿坑水和排土场淋滤水混合废水主要系Mn浓度偏高，设计进水水质Mn含量5.6mg/L，设计出水水质要求Mn含量低于2.0mg/L，Mn的去除率须大于64.3%，设计进水水质Fe含量5.7mg/L，考虑在淋滤水和矿坑水混合的调节池加曝气装置，以达到在深度处理前尽可能氧化Fe2+离子成不溶性的Fe（OH）3沉淀的目的，尽可能减少深度处理前水中Fe浓度，减少Fe对Mn去除的干扰。混凝分离环节选择简单实用，沉淀效果较好的斜管沉淀。深度处理环节选择有成熟工程经验的锰砂过滤，主要去除水中Mn2+，根据工程经验数据，经一级锰砂过滤后，Mn去除率可达到70%以上，能满足目标水质要求。消毒环节选洁净、快速，无化学药剂的紫外线消毒。

综上，规划方案一选择调节曝气池+混凝+斜管沉淀+一级锰砂过滤+紫外消毒仪+清水池处理工艺，出水达标回用或排放。

规划方案二工艺的选定：矿坑内废水经坑底水仓长时间沉淀后，水质较好，设计进水水质Mn含量3.0mg/L，设计出水水质要求Mn含量低于2.0mg/L，Mn的去除率须大于33%，设计进水水质Fe含量1.5mg/L，pH范围6.5-7.5系中性废水，根据国内针对高铁锰矿井废水的研究现状，考虑适当调节增大pH后，通过混凝沉淀可达到Mn去除率超过33%的目的，具体可行性通过试验室小试试验验证。

表2两种规划方案对比表

图4工艺流程图

综上，规划方案二中矿坑废水选择混凝+斜管沉淀+紫外消毒仪+清水池处理工艺，出水达标回用或排放。

根据以上分析可知，排土场淋滤水水质超标较为严重，设计进水水质Fe含量28mg/L，设计出水水质要求Fe含量低于1.2mg/L，Fe去除率须大于96%，设计进水水质Mn含量20mg/L，设计出水水质Mn含量小于2.3mg/L，Mn去除率须大于89%，考虑在两处淋滤水汇集的调节池加曝气装置，增加水中氧容量，以达到在深度处理前尽可能氧化Fe2+离子并水解成不溶性的Fe（OH）3沉淀的目的，尽可能减少深度处理前水中Fe浓度，减少Fe对Mn去除的干扰。其次通过混凝和斜管沉淀环节预处理，去除大部污染物质，再通过深度处理，以达到目标去除率，深度处理环节选择有成熟工程经验的锰砂过滤，主要去除水中Mn2+，根据相应的工程经验数据，经二级锰砂过滤后，Fe、Mn离子的去除率可分别达到98%、95%，能满足目标水质要求。消毒环节选洁净、快速，无化学药剂的紫外线消毒。

综上，规划方案二中排土场淋滤水选择曝气调节池+混凝斜管沉淀+二级锰砂过滤+紫外线消毒仪+清水池的处理工艺。

污水厂区工艺设计：

根据实际情况，先锋矿矿坑水处理工艺已经过多次论证，根据进出水水质要求，确定采用坑下预处理+絮凝沉淀+二级曝气+二级过滤进行处理。矿坑水处理站内处理工艺流程如图4。

本设计优化将PAM投加点前移至进絮凝沉淀之前。

根据2018年月所做的水质全分析，矿坑水总碱度105mg/L、HCO32-浓度114.2mg/L、游离CO2浓度0.94mg/L、可溶性SiO2浓度11.78mg/L，处理工艺可考虑尽量去除CO2，提高矿坑水碱度以利铁锰去除，矿坑水可溶性SiO2浓度正常，对空气氧化法除铁影响不大。

由于坑下水仓容积大，矿坑水处理站内不再考虑设事故池以节约占地。

5 小结

采用本工艺处理露天矿高铁锰废水可以稳定达到一级A标，对于该项目来说，无论是经济实力还是技术指标都能达到要求。对于解决目前出水水质问题提出了很好的工程示范。