花垣县某电解锰渣尾矿库综合治理案例

花垣县某电解锰渣尾矿库综合治理案例

艾国军  刘晓月  胡斌

航天凯天环保科技股份有限公司

摘  要：花垣县某锰渣尾矿库由于库内存在两处泉眼，导致每天产生大量渗滤液。渗滤液处理站运营费用高，且出水难达标对周边环境与水体造成严重污染。本项目采用锰渣回采并转运至新建填埋场的治理路线对原尾矿库进行综合治理。实施后减排渗滤液21.9万m3/a，减排氨氮49.93t/a，减排锰5.67t/a。彻底解决原尾矿库区污染问题，实现了安全、环境和社会效益的统一。

关键词：电解锰渣；尾矿库；渗滤液；防渗

电解锰作为一种重要的冶金、化工原料，被广泛用于钢铁冶金、有色冶金、化学工业、电子信息、医药、新能源、航空工业等各个领域，在钢铁冶金工业中的应用更是超过了90%。经过半个多世纪的发展，我国已经成为全球最大的电解锰生产国、消费国、出口国，产能和产量约占世界的95%以上[1]。伴随电解制锰的过程会产生大量的副产物电解锰渣，目前我国电解锰渣储存量约1.3亿t，以2018年电解金属锰产量140万t计算，电解锰渣年增量在840万~1400万t[2]。电解锰渣具有含水率高（25~30%）、颗粒细小（40~250μm）、迁移性和流动性大的特点[3]，其中含有Mn2+、NH+4、Co2+、Zn2+、Cu2+等离子在内的各种污染物和大量水溶性盐，呈酸性或弱酸性，属于一般工业固体废物Ⅱ类[4]。近年来锰渣堆场的建设基本严格按照国家规范规定执行，但受施工质量或地质条件因素影响，还是有个别渣库会出现渗漏情况，导致大量污染物迁移到周边的土壤及水体中，破坏生态平衡，危害人体健康[5]。

1.项目背景

湖南省湘西花垣县、重庆市秀山县、贵州省铜仁市松桃县三个地区接壤，同时上述三个地区集中了我国最为丰富的锰矿，因此也被称为中国的“锰三角”。其中，湖南花垣县的锰矿储藏量约为3000×104t，锰含量高达17.9%，被誉为“东方锰都”[6]。党中央、国务院高度重视“锰三角”及周边地区的生态环境污染问题，从2005年开始至今开展了5轮次综合整治。湖南省人民政府办公厅于2017年12月28日下发了《关于对花垣县矿山环境污染问题实施挂牌督办的通知》（湘政办函[2017]123号），对花垣县矿山环境污染问题实施挂牌督办。

花垣县某尾矿库于1999年投产使用，2019年完成尾矿库闭库。库区堆存锰渣14.2万m3（后续实际开挖量为19.93万m3），总坝高25.7m，为五等库。由于库内存在两处泉眼，渗水量约为21.9万m3/年，渗滤液处理运营费用约为385万元/年。库区岩体受区域地质构造影响，裂隙发育较为密集，按裂隙产状大致可将库区裂隙分为北西向裂隙和北北东裂隙两组。另外地表浅部岩石风化裂隙较发育，多呈闭合状。由于上述两组构造节理裂隙的发育及风化作用影响使岩体的完整性遭受破坏，岩体割成块状与碎裂状。对尾矿库库区渗漏有一定影响。库区上游无长年大的地表水体，库区水补给主要来源为大气降水。大雨或暴雨期间形成地表径流，流量随降雨量和历时长短而相应变化。地表径流向西汇入尾矿库下游的小溪，流经约1000m后汇入清水江。库区总汇水面积为0.479 km2。锰渣渗滤液中硫酸盐、氨氮、锰等含量较高，废水处理难达标，对周边环境与水体造成严重污染，附近村民农业生产、生活用水质量也造成严重影响。根据周边地表水监测数据显示：氨氮含量为10.15mg/L，超过《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中Ⅴ类标准限制4倍（限值2.0mg/L）；锰含量为10.41mg/L，超过《污水综合排放标准》（GB8978-1996）标准限制4倍（限制2.0mg/L）。为彻底解决尾矿库渗滤液的污染问题，从根本上降低环境风险，2020年开始对原尾矿库的锰渣进行回采并转运至新建填埋场，实现尾矿库区综合治理。

2.总治理路线

综合考虑原尾矿库水文地质现状以及泉眼涌水造成渗滤液处理量大、出水难达标、长期运营费用高等问题，为彻底解决原尾矿库区污染问题，减少锰渣中重金属对河流、湖泊等水体的污染风险，项目采用将锰渣库锰渣回采转运至新建填埋场的方案对库区进行综合治理，总治理路线见图1。

图1  尾矿库环境综合整治项目总路线图

2.1.原尾矿库治理工程设计

2.1.1.锰渣回采工艺设计

原尾矿库库区锰渣采用挖机分层挖掘回采，挖机转运、装车，运往5km处的新建填埋场进行填埋。回采分层高度根据锰渣特性确定，硬塑锰渣开挖高度为3m，开挖边坡1:2，可塑锰渣分层开挖高度为2 m，开挖边坡1:3，软塑锰渣分层开挖高度为2 m，开挖边坡1:4。

回采边坡稳定性分析采用瑞典圆弧法进行计算。原尾矿库为五等库，瑞典圆弧法坝坡抗滑稳定最小安全系数指标为：正常运行K≥1.15。土层物理力学指标见下表。

表1各土层及尾矿物理力学指标表

稳定计算分析采用北京理正岩土软件《理正岩土系列软件6.5》程序。稳定分析仅考虑正常运行工况。计算结果见下表。

表2回采边坡抗滑稳定计算结果表

由上表可知，硬塑、可塑、软塑锰渣回采过程中正常工况边坡抗滑稳定安全系数均大于规范值，回采边坡稳定。

2.1.2.坝体处理设计

为防止库区锰渣回采完成后库内积水，设计将坝体从上至下分层进行挖出，开挖坝体石方用于运输道路路面铺设。为防止回采过程中洪水漫顶，坝体从上至下挖除，挖除过程中始终保持高于滩面标高约1m，坝体开挖总方量约4500m3。尾矿库内锰渣及受污染的土层回采完成后，原滩面开挖的粘土及场区道路开拓的土层全部运至回采完成的库区，并确保库区从库尾向坝前形成一个顺坡。

2.1.3.库内渗水点处理设计

原尾矿库回采完成后，为防止渗水点清水进入下游尾矿库形成新的废水，设计对渗水点采用C20砼排水沟引至下游尾矿库隧洞内，排水沟断面尺寸B×H=0.5m×0.5m，底板及壁厚0.2m。

2.1.4.截水沟设计

锰渣转运完成后，在锰渣堆积边线和山体结合处及左、右岸坝肩新建环场截水沟，断面为矩形，采用C20防腐砼浇筑，B×H=0.8×0.6m，底板及壁厚均为0.2m，最小坡降为2.5%，每隔10m设置一道伸缩缝，拐点处增设一道。将库内的渗水点地下水汇集，导排至库外。

2.2.新建填埋场设计

新建填埋场总容量为20.45万m3，设计总坝高13m，为五等库，可满足原尾矿库废渣及污染土壤的填埋要求。

2.2.1.堆积坝设计

为满足填埋场堆渣需求，设计在初期坝顶内侧起坡堆筑一级子坝，堆积坝顶标高609.0m，堆高2.0m，外坡比1:3.0。堆渣完成后，在外坡面进行封场处理。

2.2.2.地下水/渗滤液导排系统设计

（1）导排盲沟

沿场底铺设南—北方向的主盲沟，主盲沟两侧每间隔20m布设一道支盲沟，与主盲沟相连，主盲沟与支盲沟成树枝状。

主盲沟尺寸：下底宽1.2m、上底宽2.0m、高1.2m，主盲沟内预埋一根400g/m²土工布包裹的DN315的HDPE花管，坡度不小于2.0%。

支盲沟尺寸：下底宽0.6m、上底宽0.8m、高1.2m，支盲沟内预埋1根400g/m2土工布包裹的DN200的HDPE花管，坡度不小于2.0%。

花管上开孔，孔径Ф16mm，轴向间距180mm，圆周方向除底部120度夹角范围内不开孔外，其余均匀布7孔。管周围埋粒径Ф20~60mm卵石或砾石，石料的渗透系数k≥10-3cm/s。HDPE管应满足《给水用聚乙烯（PE）管材》（GB/T13663-2000）的要求，其连接方式采用热熔焊接。

（2）导流层

导流层采用卵石或砾石等材料，材料的碳酸钙含量不大于10%，渗透系数K≥10-3m/s，粒径φ30-50mm。导流层厚为0.3m，采用级配反滤结构以防止堵塞而影响导流。

（3）排出系统

填埋库区地下水通过主盲沟穿过下游拦渣坝后直接排至拦渣坝下游水沟。

渗滤液通过在场底渗滤液导排层、导排盲沟导排至集渗井。考虑到环保要求和坝体的稳定性，在场内距离左坝肩18m处设置一集渗井。集渗井采用C25钢筋混凝土浇筑，断面为矩形，L×B×H=2.0m×2.0m×16.5m，边墙及底板厚度均为0.4m。集渗井底部标高593.0m，顶部标高609.5m，基础以强风化白云岩为持力层，底部设0.2m厚C15素砼垫层，集渗井总容积为66m3。集渗井四周设置φ110PVC导渗管，管壁钻梅花形孔并外包两层土工布，导渗管垂直方向每隔1m设一排。填埋场封场完成后，在集渗井上部加盖钢筋砼盖板，盖板厚0.2m，顶部预留抽水孔。填埋场封场后，前期渗滤液一般在11.03m3/d，一年后基本不会产生新的渗滤液。前期可根据集渗井内渗滤液量的大小定期对渗滤液进行抽出外运处理。

2.2.3.防渗系统设计

本项目填埋废渣为一般II类工业固体废物，防渗系统拟采用HDPE膜单层防渗结构。场底、边坡以及封场防渗层结构设计（由上向下）见表3。

表2  防渗层结构设计表

2.3.生态恢复设计

原尾矿库锰渣清挖完成后、新填埋场封场后，对整个区域进行生态恢复，覆30mm营养土，均匀压实后按10g/m2播撒狗牙根、高羊茅混合草籽，保持水分直到发芽成活。

2.4.地下水监测井设计

在新建填埋场布设3口地下水监测井，其中一口作为背景值的监测井设置在填埋场的上游处，另两个布设在坝体的下游处。

地下水监测井管材为HDPE管，管径DN60，其中花管段长500mm，花管呈梅花型布孔，开孔孔径φ10mm，孔位交叉布置，轴向间距250mm，花管采用190g/m2长丝无纺土工布包裹，花管下端采用端帽密封。监测井打孔尺寸300mm，花管端孔壁与管壁之间用粒径10~20mm的碎石填充，碎石段上部为粘土夯实填充，地面以下500mm采用C25细砼填充，监测井管伸出地面250mm，端帽封堵，地面上设保护盖板。

3.实施效果

本项目的实施将原尾矿库19.93万m

3锰渣及污染土转运至新建填埋场进行安全填埋处置，彻底解决原尾矿库渗滤液污染问题，减少锰渣中重金属对河流、胡泊等水体的污染风险。同时通过覆土绿化实现生态恢复面积1.58万m2，改善了生态环境，为居民的生产生活提供安全保障。经测算：矿区综合治理后减排渗滤液21.9万m3/a，减排氨氮49.93t/a，减排锰5.67t/a。矿区内所有土壤的重金属的含量满足《重金属污染场地土壤修复标准》（DB43/T1125-2016）工业用地标准限值，土壤的pH值、重金属水浸浓度满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准要求。矿区范围内地下水满足《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）Ⅲ类标准要求。

4.结论及建议

原尾矿库渗水污染问题是一个长期困扰当地人民生产、生活的重大问题，通过对原尾矿库锰渣回采转运至新建填埋场进行安全填埋处理，实现矿区土壤以及水体稳定达标，彻底消除原尾矿库渗水污染问题的同时，改善和恢复生态环境，促进该地区社会稳定和发展，实现了安全、环境和社会效益的统一，可供类似尾矿库重金属污染治理提供参考。在后期环境监管方面要做好地下水及填埋场长期检测工作，确保填埋场和回填区的安全稳定。对矿区内后续建设项目的设计与施工严格把关，严控风险事件的发生。

参考文献：

[1]D’HARAMBURE A,杨玉芳,杨娟.全球锰矿产业现状及发展趋势分析[J].中国锰业,2021,39(4):1 -4.

[2]蒙正炎,高遇事,贾韶辉,等.电解锰渣综合治理技术研究应用现状和思考[J].中国锰业,2022,40(2):1-5.

[3]杜兵,汝振广,但智钢,等.电解锰渣处理处置技术及资源化研究进展与展望[J].桂林理工大学学报,2015,35(01):152-159.

[4]毛秋红.电解金属锰渣污染现状及治理对策研究—以贵州省为例[J].中国锰业,2023,41(5):1-6.

[5]万雪林.组合隔渗工程在锰渣库污染应急治理中的应用[J].中国煤炭地质,2022,34(1):12-15,19.

[6]张复明.矿产开发负效应与资源生态环境补偿机制研究[J].中国工业经济，2009，(12):5-15.

[7]涂丕程,陈国生,杜丹丹.“锰三角”湖南矿区矿产资源开发生态补偿方式与机制构建研究[J].经济研究导刊,2021,(4):123-125.