酸性矿井废水：这个问题能不能解决？

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欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... 采矿业是南非经济的重要支柱产业。但是从矿井中排出的酸水使该地区的供水系统受到了严重的污染威胁。Keith Gass在本文中讨论了相关的问题，并分析了蠕动计量泵在调整矿井水的酸碱平衡方面所起的作用。 缺乏优质的饮用水和水安全已经成为南非、非洲大陆和世界其他地区亟 待解决的问题。在南非过去的120年中，存在着各种与水有关的问题，例如，受污染的水源，管理不善的堤坝，污水排放与处理设施落后，工业（采矿）行为失控等。由于这些因素的综合影响，导致南非目前面临着供水系统受到严重威胁的处境。研究表明，该地区矿井中的酸水水位正以惊人的速度上升，平均上升速率达到了每日0.59m。这种状况实际上正威胁着当地居民的生存。解决该问题的核心是对水和废水的处理。 本文对于将蠕动计量泵用作工艺中的一部分来调整酸性矿水的酸碱平衡进行了研究。它介绍了在一家铀废水处理厂的成功实施案例，重点讨论（但不局限于）以下方面：购置成本；设备性能（设备可用性和可靠性）；以及计量精度。 南非的水危机 南非的采矿业是推动非洲经济繁荣发展的重要驱动力，但是这种经济驱动因素现在危及着人们的健康和生活质量。目前在Westrand地区，未经处理的酸性矿水不受任何控制地肆意流淌，渗透到正在使用中及已经停用的矿井采矿表层。在有些地方，污水距离溢出面仅1cm（根据Rand Uranium公司在2010年1月14日的测量数据）。这种酸性矿水会进一步污染流向主坝的溪水和河流，对环境造成威胁，并危及依赖这些水坝作为水源的居民健康。 现在，我们都意识到酸性矿井废水（acid mine drainage，AMD）具有极大的破坏性作用，会对环境造成长期深远的恶劣影响。最新研究表明，酸性矿井废水不仅影响南非的水质，还毒害粮食农作物，毁坏历史遗址，导致农业生产衰退，并引起与之有关的失业问题，除此之外，还有很多其他方面的影响，这里就不一一列举了。 普遍而言，在全球，尤其是非洲，它们都面临着供水系统和公用基础设施失效的危机。虽然政府部门早在20世纪70年代初就已经知道了这些问题，但是并未采取有效的措施来解决，以致现在问题变得相当严重，危害盛行，亟需一套管理方案来维持水位，使其至少低于有关环境安全临界值（environmental critical levels，ECLs）。 南非水务部在2010年发布的一篇名为《Witwatersrand市金矿区矿井水管理及对酸性矿井废水的重点治理》（Mine Water Management in the Witwatersrand Gold Fields with Special Emphasis on Acid Mine Drainage）的报告中强调了问题源头和周围环境的复杂性，反对采用单一的或者“一种普遍适用的”解决方案来解决与酸性矿井废水有关的问题。然而，水务部认为，它掌握了充分的信息，能够在矿井水源头、潜在影响、管理策略和处理技术等方面做出有理有据的决策，进而彻底改善Witwatersrand地区目前的状况。 根据水务部的调查发现，在南非的许多地区都存在着酸性矿井废水的问题，包括Witwatersrand金矿、Mpumalanga 和 KwaZulu-Natal煤矿，以及O’Kiep铜矿区。 Witwatersrand的西部、中部和东部流域属于重点问题区域，需要立即采取行动，因为这些区域缺乏适当的措施来管理和控制与酸性矿井废水有关的问题，必须在问题变得更加严重并且蔓延到人口密集的区域之前，立刻采取干预措施。 水务部针对上述重点区域存在的采矿泛滥和酸性矿井废水渗透到周围环境中的现象，指出了它们带来的风险。 由于采矿泛滥而导致的风险如下： ◆ 污染农用和民用所需的浅层地下水资源； ◆ 对土工技术造成影响，例如，在水位上升到接近城市的区域时，其地下基础设施就会泛滥； ◆ 增加地震活动性，可能对当地的房屋和基础设施造成一定的局部影响。 由于酸性矿井废水渗透到周围环境中而引起的风险如下： ◆ 对生态环境产生严重的负面影响； ◆ 对主要的河流系统造成区域性影响 ； ◆ 地势低洼的地区可能发生局部淹没。 目前，酸性矿井水的危机导致南非的洁净天然水资源变得愈发稀有，有关法规要求工业界必须更加密切地注意他们的生产工艺对环境造成的影响。强迫采矿业寻求一些方法来优化他们的工艺，并在将生产废水排向周围环境之前对水进行回收利用和处理。其中的难点在于如何在不损害现有系统和生产目标，并且不妨碍南非经济发展的前提下实现上述目的。 泵——解决方案的重要部分 采矿是一个艰难困苦的过程。采矿业同样是一个苛刻的行业，它不仅受到诸多目标的驱动，例如采矿盈利、设备效率、生产成本最小化以及收益最大化等，而且还必须遵循有关环境保护法规的要求。矿业公司必须在达到工作目标的同时解决问题，确保将对环境产生的影响维持在最低程度。矿业公司单凭自身的努力无法实现该目标，行业内所有的相关人士都应该努力找寻最佳解决方案，以保证最优的工艺流程，并能在不产生过多资金支出的情况下对现有的系统进行修改。 选泵的重要性 并非所有的公司都会努力寻找解决泵送问题的最佳方案。我们知道，各种类型的泵都有它们自己的优缺点——具体取决于特定的应用类型。当面对有限的泵技术和产品时，通常的做法是使泵“适合”工艺需要，而不必保证所选的泵是适合应用的最佳解决方案。此外，在实际应用中现在还有一种应用趋势是根据当前的经济状况购买比较便宜的泵，却往往忽略能耗产生的额外费用，以及由于停机和维修所造成的生产损失。寿命周期成本对于保持当前和长期的盈利情况相当重要。一些人认为，将泵升级成效率更高的产品是一项不必要的花费，许多公司不愿意采取这种做法。但是，在有些时候，这种升级改造是绝对必要的。例如，在某些高能耗应用中，由于缺乏备用零件而导致泵停机，并使停工成本超过生产成本；在某些应用中，设备维护成本特别高，甚至超过了一台新泵的初始采购价，在上述这些情况下就应该对泵进行升级。通常泵用户不愿意更改他们的泵，因为他们对可用的技术缺乏充分的了解。通常，“因为一直以来我们都使用这些泵”的这种说法并不意味着现有的泵是最合适的。某些泵的用户不愿意改变的主要原因在于，如果使用新的泵，他们就需要掌握更多的知识和维护技能，而他们却缺乏对其他泵技术的了解。因此，这些泵的用户常会因为生产、停机和维修而浪费大量资金。 在任何工作中，安全、可靠、高效地处理泵送介质都是最重要的问题。这一点在处理矿井水的工艺中尤其重要。处理液体时不仅需要了解处理工艺本身，有时甚至还需要对液体进行试验研究和测试。优化工艺生产率和节约能源的关键在于，确保适合应用的最佳解决方案有据可循，提供最好的产品、方案和技术支持。当务之急是要认识到改善系统性能的机会，并获取关于泵送系统的综合技术数据，此外也要收集信息帮助用户认识到提高性能的潜在可能。 可以用“系统方法”对性能和效率的提高做出最准确的描述。对于泵系统具有成本效益的运行和维护工作来说，不仅要关注单独的泵部件，更要注意整体系统的性能。用于优化泵送系统的系统方法不仅会分析系统的供需双方，还会对两者之间的相互影响进行分析，关注的重点从单个部件转移到整个系统的性能。通常，工作人员都会过分注意泵当前的即时需求，而忽略了更加广泛的问题：“系统参数如何对泵产生影响？” 用于石灰定量给料的蠕动泵 给水务部提供建议的专家称，解决当前酸性矿井水这一问题的最佳工艺是由南非科学与工业研究委员会（South Africa's Council for Scientific and Industrial ResearchCSIR）研发的ABC（碱-钡-钙）工艺，它包括以下步骤： 1.石灰和/或硫化钙预处理； 2.采用钡盐去除矿水中的硫酸盐； 3.污泥处理。 这是最为全面的一种处理工艺，能够确保经过处理的水完全适合排放到自然环境中，但并不一定适合人们饮用。 在针对特定的应用挑选合适的泵时，其中一项重要的考虑因素就是泵送介质的特点。当泵送石灰时，介质的高黏性常常导致泵的堵塞，因而不可避免地需要对泵进行维护。当处理酸性矿井废水时，我们不仅要尽力避免这样的问题出现，而且还要尽量减小对环境造成不良的当前影响和潜在影响，所以我们不希望出现可能导致设备停机的工艺问题。 蠕动泵是一种用于输送各类流体的容积式泵。液流容纳于安装在泵壳内部的一条软管中。其实际泵送原理（称为蠕动）是基于软管的交替挤压和松开，将介质吸入管内，同时推动软管中的物质离开泵，其泵送方式与食物在人体肠道内的运动方式相同。该工艺使得蠕动泵变成了一台准确的给料泵或计量泵，每次都泵送等量的液流。调整pH值是一项非常细致的工作，所以用于定量给料的泵必须非常准确。蠕动泵具有线性流速的特点和优秀的可重复性，这使其成为最精确的解决方案。 泵送的液流不会与任何运动部件相接触，因为它被完全容纳于软管内。旋转钮经过软管的长度方向，使泵的吸入端和排出端之间完全密封。当泵的电机旋转时，此密封压力沿着软管移动，迫使管内的物质离开泵，进入排放管道。在压力释放处，软管恢复原状，形成真空，从而将物质引入泵的吸入端。吸入作用和排放作用二者相结合就形成了一台自吸式容积泵，即蠕动泵。泵两端之间的完美密封意味着不会有任何物质渗漏出来；再加上泵的线性流速特点，从而使蠕动泵成为定量给料应用中最理想的解决方案。 此外，由于被泵送的流体完全容纳在软管之中，因此也使蠕动泵的采用成为一种安全环保的泵送解决方案，完全零污染。不仅如此，这也减少了维护时间，因为软管是其中唯一的磨损零件。 脉动效应意味着固体颗粒处于悬浮状态，通过使用具有最长平均使用寿命和最优性能设计的橡胶软管能够消除固体在软管中的沉积。软管泵的设计就是用来处理这些困难的工作，确保最佳工艺流程。 酸性矿井废水案例研究 在2002年9月，Randfontein的西部盆地地区遭受洪水，使得酸性矿井水开始向地面渗透，这是Rand Uranium公司第一次遇到酸性矿井水的问题，于是它采用了ABC工艺来解决该问题。若要防止酸性矿井水不受控制地溢出，必须持续地泵送和处理矿井废水。 在2011年4月时，工厂每天处理1200万升酸水。水是从8号矿井地表下65m处泵送上来的。2010/2011年雨季非比寻常的巨大降雨量使得问题愈发严重。水位已经上升到了地表下41m处，并且开始从17和18号矿井下溢出，并流向Black Reef Incline Decant大坝。在大坝处，首先用石灰岩对水进行预处理（图1）以保护泵和管道，使之在处理过程中保持良好状态。然后将水泵送至4.2km远处的水处理厂，在那里完成余下的处理工作（图2）。在刚开始进行处理时，水的pH值大约为3，通过定量添加石灰石和石灰对水进行处理之后，pH值大约为8.5。废水还要经过曝气（氧化）工艺，以保证水在被泵送至Crocodile河之前达到水务部的相关水质规定（图3）。 结论 为了管理并最终彻底解决酸性矿井废水的问题，我们必须考虑三个方面的主要问题：渗透预防与管理；进水控制；以及水质管理。 渗透预防和管理 西部盆地地区的经验表明，如果任由矿井发生淹水并渗透到周围环境中去，那么将造成极为严重的影响，考虑到2010/2011年的极大降雨量，情况则更是如此。 水务部建议，利用水泵抽水来控制盆地地区的水位，使其维持在或者低于相关的环境安全临界液位。在西部盆地地区，则需要通过抽水来降低目前已达地表的水位。 进水控制 为了减小未来发生淹水的几率和最终的渗透水量，需要对水进行泵送和处理，这样做的工作成本极为高昂。所以必须减少相关的水量。有多种水源因素会造成矿井遭受水淹，其中包括降雨直接排放的水量，渗透到矿坑内的地下水，地表径流的水流入浅层矿井巷道和开放的地表矿道内，从矿山废渣中渗透出来的水，以及从包含水、地下水和雨水的水网系统中流失的水。实现进水控制的方法包括，通过为浅表性径流开凿水道来防止矿井上方的浅层地下水被再次注水；对表面裂纹和矿山开口进行密封；以及其他一些措施。在某些地区已经证实了一种切实可行的措施，那就是从为矿洞供水的地下蓄水层中抽走一些洁净的地下水，从而减少可能被污染的水量。这样做还为该地区提供了一种额外的清洁水源。水、地下水和雨水系统中可能出现的水的流失问题也必须加以解决。 水质管理 即使上述措施都得以实施，酸性矿井水的问题仍然可能出现，所以需要对水进行处理以使其适合预定的使用方向或者排放到地表径流。多家机构已经对一系列的处理方法和技术进行了评审和确认。考虑到不同盆地地区之间的水质差异性，以及矿洞内的水质可能会随时间而得到改善，必须对基础设施进行详细审查，尤其是在这种特别重视泵送要求的情况下更需要仔细检查，以确保基础设施在处理这类问题时具有最佳的系统性能。 解决酸性矿井废水问题的核心是水处理厂——可能是最重要的基础设施，它完全取决于所安装设备的设计和质量。我们可以看出，酸性矿井废水已经对环境造成的危害性的影响，我们必须确定一个长期可行的解决方案来解决这个问题。这是一项艰巨的任务，但是业内各方都已承诺努力寻找最佳的解决方案，这将帮助我们实现必要的措施来解决该问题。(end)

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