冶金工業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保部，山西 太原 030024)

引 言

冶金工業生產中的很多環節都會產生工業廢水，比如基礎設備檢修中的油污染、地面沖刷時產生的廢水，更重要的是來自于一些原料中的重金屬元素污染[1-2]。冶金工業廢水如果不加以有效處理，直接排放到環境中必然會對環境造成嚴重的污染，還可能引起生物中毒現象，威脅生態平衡[3-4]。企業生產時產生的工業廢水內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廢水進行處理，但隨著國家對環境保護要求的不斷提高，傳統的處理方法已經無法滿足需要，需要對其進行優化改進[6]。本文主要針對冶金工業中的廢水處理工藝進行優化改造，確保處理結果達到了環保要求。

1 傳統冶金工業廢水處理工藝概述

本文所述企業設計的冶金工業廢水處理能力為20 m3/h。車間生產時產生的廢水通過管道運送到調節池中，然后利用泵將其輸送至還原池內。為了確保還原效果，設計的還原池分成兩級。還原前首先需要對工業廢水pH值進行調整，主要是往廢水中添加硫酸，確保廢水的pH值在2.6～3，為還原反應創造良好的化學環境。然后添加Na2S2O5還原劑將鉻元素還原成為鉻離子。還原反應完成后，工業廢水流到中和池中，同樣分為兩級。向中和池中添加Ca(OH)2與鉻離子發生化學反應，可以獲得Cr(OH)3沉淀物。通過上述連續的化學反應，可以將工業廢水中的鉻元素進行清除，然后進行泥水分離，就可以確保冶金工業廢水達到排放標準。

采用上述還原沉淀法對冶金工業廢水進行處理時，雖然能夠顯著降低工業廢水中的鉻元素含量。但隨著工業排放標準的不斷提升，上述工藝已經無法滿足現實需要，主要是無法將工業廢水內鉻元素的含量穩定的控制在排放標準以下。另一方面，從上述的還原沉淀法工藝流程可以看出，整個處理過程中需要消耗大量的硫酸、Na2S2O5、Cr(OH)3等化學物質。這種處理方式本身就不是非常環保，且會顯著提升企業的廢水處理成本，經濟效益一般。

2 傳統冶金工業廢水處理工藝缺陷分析

針對傳統廢水處理工藝中鉻元素含量無法達到排放標準的問題，對其處理工藝過程進行了詳細分析，發現存在的問題主要包含以下幾點：第一，對還原反應標準設定過于嚴格，導致向還原池內添加了過多的Na2S2O5還原劑。另外，整個還原控制系統對于還原劑的添加并沒有實現閉環控制，而是通過人工方式向還原池內添加還原劑。不僅會產生一定的誤差，且添加時間存在延遲，無法保障精度；第二，傳統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生反應生成沉淀物。但整個過程會產生大量的泥且內部包含有很多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，作用是在沉淀池內形成較大的絮體并逐漸長大，最終進行沉淀。在傳統的處理工藝中PAM主要是在沉淀池前端管道中添加，這種添加方式導致PAM與工業廢水的反應時間相對較短，無法進行徹底反應，會在一定程度上影響沉淀效果。上述這些缺陷問題的存在，導致排放的工業廢水中鉻元素的含量無法穩定的控制在低水平。因此，需要采取有效措施對其進行優化改造。

3 冶金工業廢水處理工藝優化改進

根據傳統冶金工業廢水處理工藝在實踐中暴露出的問題，需要采取針對性的措施進行優化改進，才能夠保證廢水處理效果，防止工業廢水對環境造成污染。以下從三個方面對廢水處理工藝進行優化改進。

3.1 還原反應標準及控制系統優化

在對冶金工業廢水進行還原時，還原劑的投放量是按照氧化還原電位值作為標準的。在傳統的廢水處理工藝中，兩級還原池內設定的氧化還原電位值分別為-250 mV和-180 mV。氧化還原電位值標準設定得越低，意味著需要投放更多的還原劑。由于本工藝中采用了兩級還原池，在第一級還原池中還原反應已經基本完成，在第二級還原池中的還原反應相對較少。但該工藝中仍然將氧化還原電位值標準設置為-180 mV，標準過于嚴苛。為了確定最優的標準值，進行了相關的實驗，結果如圖1所示。

圖1 氧化還原電位值標準對鉻元素濃度的影響

由圖1可知，不管進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。主要原因在于標準值設置得越低，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定。結合實驗結果，最終將二級還原池中的氧化還原電位值標準設置為25 mV。

另外，將還原劑控制系統從開環控制設置為閉環控制，此時系統可以自動的根據檢測結果添加還原劑的劑量，以此保證添加劑量的精確性和及時性。

3.2 中和劑成分優化

將Ca(OH)2作為中和劑時導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。結合相關實驗和實踐經驗，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對出水中鉻元素含量產生影響，本研究進行了相關的實驗工作，以確定最優的比例。結果發現，當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，出水中鉻元素的含量大小分別為0.071、0.082、0.102、0.113 mg/L，對應的污泥體積分別為264、214、179、139 mL。結合冶金工業相關排放標準，最終將兩種化合物之間的比例確定為0.6。

3.3 PAM投放位置的優化

傳統冶金工業廢水處理工藝中，PAM是在沉淀池前端管道中進行添加。由于管道長度相對較短，導致藥劑無法與工業廢水內部物質發生充分反應，無法形成有效的絮體，最終影響沉淀效果。基于以上事實，可以將PAM藥劑的投放位置適當提前。結合實際情況，最終決定將PAM藥劑的投放位置設置在二級中合池前，確保PAM藥劑在工業廢水內部有充分的時間發生反應，提升沉淀效果。

4 工藝優化改進的應用效果分析

綜上所述，冶金工業廢水處理改造方案，在工程實踐中進行應用，對其應用效果進行了連續一個月時間的測試。記錄每天進水中鉻元素含量和出水中鉻元素含量，最終的檢測結果如圖2所示。從圖2中可以看出，在測試階段進水中鉻元素的含量維持在400 mg/L～1 000 mg/L內。經過優化改進后的廢水處理工藝進行處理后，出水中的鉻元素含量降低到了0.03 mg/L～0.07 mg/L內。完全能夠滿足冶金工業廢水排放標準。

圖2 冶金工業廢水處理工藝改造效果分析圖

另一方面，經過初步統計，對冶金工業廢水處理工藝進行優化改進前，每月平均產生的鉻泥約為15 t，而對工藝進行優化改進后，對應的每月鉻泥產量約為7.3 t。鉻泥產量的降低得益于還原劑和中和劑投入量的減少。通過對工業廢水處理工藝的優化改進，不僅降低了出水中鉻元素含量，使之達到工業排放標準。同時還顯著降低了化學劑的使用量，減小了企業的生產成本。產生了良好的經濟效益和社會效益。

5 結語

對冶金工業廢水處理工藝方案進行了優化改進，所得結論主要如下：

1) 對傳統冶金工業廢水處理工藝缺陷進行了分析，主要問題在于還原劑添加標準過于嚴格、控制系統不完善、中和劑類型選擇存在缺陷、PAM藥劑投放位置不合適等；

2) 對于傳統處理工藝暴露出的問題，針對性的進行優化改進。適當降低二級還原池中還原劑的添加標準，對控制系統進行完善實現閉環控制，Ca(OH)2和NaOH的混合物作為中和劑，將PAM藥劑投放位置設置在二級中和池前；

3) 對優化后的廢水處理工藝方案進行實踐測試，發現能夠顯著降低出水中鉻元素含量，在工業排放標準范圍內。同時顯著降低了處理過程中各種藥劑的添加量，降低了企業生產成本，產生了良好的社會社會效益和經濟效益。