铜矿山污水库防渗工艺探讨*

李道明 余国平 汪金卫 张建军 肖利兴 陶 喆

（中国瑞林工程技术股份有限公司）

我国是世界上铜储量较多的国家之一，截至2014年底，我国铜矿区数2 159个，保有资源储量9 689万t，基础储量为2 836万t，江西、云南、新疆、西藏和内蒙古5个省（自治区）占全国总量的63%，其中江西已探明的铜工业储量占全国铜工业储量的1/3，是中国铜业出产最大的基地，已建有德兴铜矿、永平铜矿、武山铜矿、东乡铜矿、城门山铜矿、银山铅锌铜矿六大铜矿山［1-7］。铜矿山主要以露采为主，开采过程中会产生大量的废土、废石，需要寻找合适的场地即排土场进行堆放，由于没有及时封场覆盖，在大自然的作用下会产生大量的污水。早期建设的污水库普遍考虑坝面防渗或垂直防渗，易造成污水渗漏等环境污染事件［8-9］，已难以满足现在的环保要求，且大部分调蓄能力不足，为此需要新建污水库。本研究将从污水性质、防渗标准等方面，对铜矿山污水库的防渗工艺进行分析论述，并根据库址场地条件，提出了采用2种水平防渗结构层，为同类项目防渗设计提供借鉴和参考。

1 污水性质

铜矿类型多样，按成矿不同可分为斑岩型、砂页岩型、铜镍硫化物型、黄铁矿型、铜—铀—金型、自然铜型、脉型、碳酸岩型、矽卡岩型，共9类。我国有近一半的铜矿储量类型为斑岩型，以硫化金属矿为主，例如国内现已建成的最大斑岩型铜矿山——江西德兴铜矿，其特点是矿体埋藏浅，易于露天开采，在开采过程中会产生大量的含硫化物废石，堆放至排土场。这些废石主要为黄铁矿、辉铜矿及黄铜矿，在空气、水和微生物的作用下，被氧化成硫酸亚铁、硫酸，并进一步生成硫酸铁，在一系列化学反应过程中生产的硫酸、高价铁盐又可对其它金属硫化物起到氧化作用，再进一步把辉铜矿以硫酸盐形式析出，经雨水冲刷，易形成大量的含重金属离子的强酸性污水。铜矿山排土场产生的酸性污水通常呈红褐色，重金属离子浓度高，量大且不稳定，持续时间长，矿山开采结束后仍有流出，表1为江西省某大型铜矿山排土场现场取样调查的酸性污水水质检测结果。

注：pH无量纲。

从表1可以看出，酸性污水中的重金属浓度要低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》（GB 5085.3—2007）［10］规定的限值，不属于危险废物，但pH超出相关规范《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）［11］及《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010））［12］规定的6～9范围，且锌、铜、镉、镍浓度均要高于最高允许排放浓度。

2 防渗标准

我国铜矿开采历史已久，早期建设的污水库由于当时环保标准规范少，基本未考虑防渗措施，后来随着人们的环保意识提高，才逐渐普遍考虑坝面采用黏土斜墙或设置垂直帷幕进行防渗处理；但大部分污水库由于施工原因或地质条件未探清楚，导致黏土斜墙或垂直帷幕失效，最后还是造成污水渗漏，后续不仅治理难度大，费用也高，已污染的土地或地下水影响时间长。近年来国家颁布或修订了一系列与污水收集相关的环保标准规范［13-16］，但至今还没颁布针对有色金属矿山特别是铜矿山污水库防渗的标准规范，目前铜矿山污水库的防渗工艺设计主要参照《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》（GB 18599—2020）、《有色金属工业环境保护工程设计规范》（GB 50988—2014）、《有色金属堆浸场浸出液收集系统技术标准》（GB/T 51404—2019）等标准或规范，其中文献［13］根据一般工业固体废物的性质，要求II类场应采用单人工复合衬层作为防渗衬层并提出相应的防渗技术要求，为水平防渗；文献［15］在水污染防治中规定“含第一类污染物且浓度超标污水的收集、输送沟渠和检查井、收集池等应防渗”，并在附录中给出了水池、水沟防渗要求；文献［16］规定堆浸场应采取防渗措施以及新建堆浸场防渗系统应选择水平防渗系统，要求堆浸场的收集池、溶液池的防渗标准不应低于堆浸场的防渗标准，并依据不同的场地基础条件，给出了相应的防渗结构层。以上3项标准或规范具体的防渗技术要求对比见表2。

虽然铜矿山排土场产生的污水水质中，至少有1种或1种以上的特征污染物浓度超过GB 8978—1996最高允许排放浓度，且pH在6～9之外（小于6、大于9），按照GB 18599—2020应归为第II类，但该标准适用于新建、改建、扩建的一般工业固体废物贮存场和填埋场的选址、建设、运行、封场、土地复垦的污染控制和环境管理，针对的是固体废物。因此，污水库不能生搬硬套GB 18599—2020的II类场防渗要求进行设计。GB 50988—2014虽然明确了污水池、污水沟的防渗要求，但只是提供了混凝土或钢筋混凝土池子的防渗做法，但铜矿山污水库由于容积大，基本上都是利用自然地形在沟口采用土石料筑坝形成的，与本身具有防渗性能的混凝土或钢筋混凝土池子不一样，因此，也不能直接用于铜矿山污水库的防渗工艺设计。GB/T 51404—2019是适用于有色金属堆浸场防渗系统、浸出液收集系统设计、施工、验收及维护，虽然该标准中的堆浸场收集池和溶液池与铜矿山污水库有些相似，都是用来收集含有重金属的水池，共性都具有污染性，但区别在于堆浸场收集池和溶液池收集的溶液为产品，而铜矿山污水库收集排土场产生的淋溶水为污水，其水质成份及浓度均差别很大，将GB/T 51404—2019直接套用于铜矿山污水库的防渗设计也不合理，易造成投资高以及一味从严等现象。综合以上对比分析，结合近年做过的国内外多个铜矿山污水库的工程设计案例，并考虑到大部分天然基础层、黏土类衬层的防渗性能以及施工、造价等因素，建议铜矿山污水库的防渗工艺根据库址场地基础条件，按以下两类防渗标准进行设计：对于场地基础渗透系数k≤1.0×10-5cm/s的库址，选择单层人工材料衬层防渗标准；而对于场地基础渗透系数k＞1.0×10-5cm/s的库址，选择复合人工材料衬层防渗标准。

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3 防渗结构

无论是单层人工材料衬层还是复合人工材料衬层，都需要用到人工合成材料防渗衬层，目前与环保相关的标准规范所采用的人工合成材料防渗衬层，都是推荐采用高密度聚乙烯（HDPE）膜，且厚度一般都要求不小于1.5 mm，部分标准规范已要求HDPE膜的厚度不应小于2.0 mm。考虑到2.0 mm厚HDPE膜的抗拉伸、穿刺等强度都要好于1.5 mm厚的HDPE膜，施工质量更能得到保证，且目前市场价格相差也越来越小，铜矿山污水库的人工合成材料防渗衬层建议采用2.0 mm厚的HDPE膜。由于HDPE膜属于土工材料，遇到大颗粒土、石块、钢筋等比较尖锐的物体容易被刺穿造成渗漏风险。因此，采用HDPE膜进行防渗时，必须考虑在膜下设保护层；对于保护层材料的选择，应根据保护效果、施工、造价等方面进行考虑，也宜尽量选择土工材料。而复合人工材料衬层的黏土类防渗衬层，库底可采用防渗性能较好的黏土压实而成，边坡上由于黏土机械很难压实，可铺设钠基膨润土防水毯（GCL）。根据铜矿山污水库的场地基础条件、防渗部位，给出2种不同防渗结构方案，见表3。

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4 结语

本研究根据已颁布的与污水收集相关的标准或规范，并结合实际工程水质检测结果，从污水性质、防渗标准等方面分析探讨了铜矿山污水库的防渗工艺技术要求，建议采用2种水平防渗结构，为同类项目的防渗工艺设计提供技术借鉴和参考。铜矿山污水库采用人工合成材料防渗衬层，其防渗效果与材料本身以及施工质量密切相关，应注意2点：①应杜绝使用含有再生料的HDPE膜，从材料本身降低防渗结构破损的风险；②HDPE膜铺设完后进行完整性检测。