冶金工業(yè)中廢水處理工藝及改造研究

王 睿

(太原重工股份有限公司安全環(huán)保部，山西 太原 030024)

引 言

冶金工業(yè)生產(chǎn)中的很多環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生工業(yè)廢水，比如基礎(chǔ)設(shè)備檢修中的油污染、地面沖刷時(shí)產(chǎn)生的廢水，更重要的是來自于一些原料中的重金屬元素污染[1-2]。冶金工業(yè)廢水如果不加以有效處理，直接排放到環(huán)境中必然會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，還可能引起生物中毒現(xiàn)象，威脅生態(tài)平衡[3-4]。企業(yè)生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢水內(nèi)部包含有大量重金屬鉻元素[5]。以往主要采用還原沉淀法對工業(yè)廢水進(jìn)行處理，但隨著國家對環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的處理方法已經(jīng)無法滿足需要，需要對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[6]。本文主要針對冶金工業(yè)中的廢水處理工藝進(jìn)行優(yōu)化改造，確保處理結(jié)果達(dá)到了環(huán)保要求。

1 傳統(tǒng)冶金工業(yè)廢水處理工藝概述

本文所述企業(yè)設(shè)計(jì)的冶金工業(yè)廢水處理能力為20 m3/h。車間生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的廢水通過管道運(yùn)送到調(diào)節(jié)池中，然后利用泵將其輸送至還原池內(nèi)。為了確保還原效果，設(shè)計(jì)的還原池分成兩級(jí)。還原前首先需要對工業(yè)廢水pH值進(jìn)行調(diào)整，主要是往廢水中添加硫酸，確保廢水的pH值在2.6～3，為還原反應(yīng)創(chuàng)造良好的化學(xué)環(huán)境。然后添加Na2S2O5還原劑將鉻元素還原成為鉻離子。還原反應(yīng)完成后，工業(yè)廢水流到中和池中，同樣分為兩級(jí)。向中和池中添加Ca(OH)2與鉻離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以獲得Cr(OH)3沉淀物。通過上述連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，可以將工業(yè)廢水中的鉻元素進(jìn)行清除，然后進(jìn)行泥水分離，就可以確保冶金工業(yè)廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

采用上述還原沉淀法對冶金工業(yè)廢水進(jìn)行處理時(shí)，雖然能夠顯著降低工業(yè)廢水中的鉻元素含量。但隨著工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，上述工藝已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實(shí)需要，主要是無法將工業(yè)廢水內(nèi)鉻元素的含量穩(wěn)定的控制在排放標(biāo)準(zhǔn)以下。另一方面，從上述的還原沉淀法工藝流程可以看出，整個(gè)處理過程中需要消耗大量的硫酸、Na2S2O5、Cr(OH)3等化學(xué)物質(zhì)。這種處理方式本身就不是非常環(huán)保，且會(huì)顯著提升企業(yè)的廢水處理成本，經(jīng)濟(jì)效益一般。

2 傳統(tǒng)冶金工業(yè)廢水處理工藝缺陷分析

針對傳統(tǒng)廢水處理工藝中鉻元素含量無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的問題，對其處理工藝過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)存在的問題主要包含以下幾點(diǎn)：第一，對還原反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定過于嚴(yán)格，導(dǎo)致向還原池內(nèi)添加了過多的Na2S2O5還原劑。另外，整個(gè)還原控制系統(tǒng)對于還原劑的添加并沒有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，而是通過人工方式向還原池內(nèi)添加還原劑。不僅會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，且添加時(shí)間存在延遲，無法保障精度；第二，傳統(tǒng)的廢水處理工藝中中和劑采用的是Ca(OH)2，雖可很好的與鉻離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物。但整個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生大量的泥且內(nèi)部包含有很多Ca元素，對于鉻元素的再利用不利；第三，為了確保泥水分離效果，需要在沉淀池中加入PAM，作用是在沉淀池內(nèi)形成較大的絮體并逐漸長大，最終進(jìn)行沉淀。在傳統(tǒng)的處理工藝中PAM主要是在沉淀池前端管道中添加，這種添加方式導(dǎo)致PAM與工業(yè)廢水的反應(yīng)時(shí)間相對較短，無法進(jìn)行徹底反應(yīng)，會(huì)在一定程度上影響沉淀效果。上述這些缺陷問題的存在，導(dǎo)致排放的工業(yè)廢水中鉻元素的含量無法穩(wěn)定的控制在低水平。因此，需要采取有效措施對其進(jìn)行優(yōu)化改造。

3 冶金工業(yè)廢水處理工藝優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)傳統(tǒng)冶金工業(yè)廢水處理工藝在實(shí)踐中暴露出的問題，需要采取針對性的措施進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，才能夠保證廢水處理效果，防止工業(yè)廢水對環(huán)境造成污染。以下從三個(gè)方面對廢水處理工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.1 還原反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及控制系統(tǒng)優(yōu)化

在對冶金工業(yè)廢水進(jìn)行還原時(shí)，還原劑的投放量是按照氧化還原電位值作為標(biāo)準(zhǔn)的。在傳統(tǒng)的廢水處理工藝中，兩級(jí)還原池內(nèi)設(shè)定的氧化還原電位值分別為-250 mV和-180 mV。氧化還原電位值標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定得越低，意味著需要投放更多的還原劑。由于本工藝中采用了兩級(jí)還原池，在第一級(jí)還原池中還原反應(yīng)已經(jīng)基本完成，在第二級(jí)還原池中的還原反應(yīng)相對較少。但該工藝中仍然將氧化還原電位值標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為-180 mV，標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)苛。為了確定最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 氧化還原電位值標(biāo)準(zhǔn)對鉻元素濃度的影響

由圖1可知，不管進(jìn)水中鉻元素濃度為多少，隨氧化還原電位值的不斷降低，出水中鉻元素濃度隨之不斷降低。主要原因在于標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置得越低，需要向還原池中投入更多的還原劑，還原過程更加徹底，出水中鉻元素濃度自然降低。從圖中還可以看出，隨著氧化還原電位值的降低，出水中鉻元素濃度并非無限降低，而是降低到一定程度后基本保持穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終將二級(jí)還原池中的氧化還原電位值標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為25 mV。

另外，將還原劑控制系統(tǒng)從開環(huán)控制設(shè)置為閉環(huán)控制，此時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)的根據(jù)檢測結(jié)果添加還原劑的劑量，以此保證添加劑量的精確性和及時(shí)性。

3.2 中和劑成分優(yōu)化

將Ca(OH)2作為中和劑時(shí)導(dǎo)致沉淀得到的鉻泥中包含有大量的鈣元素，影響了鉻元素的再利用。結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，決定將Ca(OH)2和NaOH的混合物作為中和劑，此舉不僅能夠保證鉻離子沉淀，還可以顯著降低鉻泥中鈣元素的含量。兩種化合物之間的比例必然會(huì)對出水中鉻元素含量產(chǎn)生影響，本研究進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作，以確定最優(yōu)的比例。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ca(OH)2和NaOH兩者之間的比例分別為0.8、0.6、0.4和0.2時(shí)，出水中鉻元素的含量大小分別為0.071、0.082、0.102、0.113 mg/L，對應(yīng)的污泥體積分別為264、214、179、139 mL。結(jié)合冶金工業(yè)相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，最終將兩種化合物之間的比例確定為0.6。

3.3 PAM投放位置的優(yōu)化

傳統(tǒng)冶金工業(yè)廢水處理工藝中，PAM是在沉淀池前端管道中進(jìn)行添加。由于管道長度相對較短，導(dǎo)致藥劑無法與工業(yè)廢水內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生充分反應(yīng)，無法形成有效的絮體，最終影響沉淀效果?；谝陨鲜聦?shí)，可以將PAM藥劑的投放位置適當(dāng)提前。結(jié)合實(shí)際情況，最終決定將PAM藥劑的投放位置設(shè)置在二級(jí)中合池前，確保PAM藥劑在工業(yè)廢水內(nèi)部有充分的時(shí)間發(fā)生反應(yīng)，提升沉淀效果。

4 工藝優(yōu)化改進(jìn)的應(yīng)用效果分析

綜上所述，冶金工業(yè)廢水處理改造方案，在工程實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用，對其應(yīng)用效果進(jìn)行了連續(xù)一個(gè)月時(shí)間的測試。記錄每天進(jìn)水中鉻元素含量和出水中鉻元素含量，最終的檢測結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，在測試階段進(jìn)水中鉻元素的含量維持在400 mg/L～1 000 mg/L內(nèi)。經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后的廢水處理工藝進(jìn)行處理后，出水中的鉻元素含量降低到了0.03 mg/L～0.07 mg/L內(nèi)。完全能夠滿足冶金工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 冶金工業(yè)廢水處理工藝改造效果分析圖

另一方面，經(jīng)過初步統(tǒng)計(jì)，對冶金工業(yè)廢水處理工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)前，每月平均產(chǎn)生的鉻泥約為15 t，而對工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，對應(yīng)的每月鉻泥產(chǎn)量約為7.3 t。鉻泥產(chǎn)量的降低得益于還原劑和中和劑投入量的減少。通過對工業(yè)廢水處理工藝的優(yōu)化改進(jìn)，不僅降低了出水中鉻元素含量，使之達(dá)到工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還顯著降低了化學(xué)劑的使用量，減小了企業(yè)的生產(chǎn)成本。產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)語

對冶金工業(yè)廢水處理工藝方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，所得結(jié)論主要如下：

1) 對傳統(tǒng)冶金工業(yè)廢水處理工藝缺陷進(jìn)行了分析，主要問題在于還原劑添加標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格、控制系統(tǒng)不完善、中和劑類型選擇存在缺陷、PAM藥劑投放位置不合適等；

2) 對于傳統(tǒng)處理工藝暴露出的問題，針對性的進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。適當(dāng)降低二級(jí)還原池中還原劑的添加標(biāo)準(zhǔn)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行完善實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，Ca(OH)2和NaOH的混合物作為中和劑，將PAM藥劑投放位置設(shè)置在二級(jí)中和池前；

3) 對優(yōu)化后的廢水處理工藝方案進(jìn)行實(shí)踐測試，發(fā)現(xiàn)能夠顯著降低出水中鉻元素含量，在工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。同時(shí)顯著降低了處理過程中各種藥劑的添加量，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，產(chǎn)生了良好的社會(huì)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。