某冶煉廠廢水回用處理工藝介紹蔚志成

趙玉東

［關鍵詞］冶煉廢水；廢水回用；廢水處理

隨著經濟的發展，冶煉企業近年來工藝革新迅猛，用水量也在不斷增大，成為用水主力軍，隨著國家和地方不斷加強水資源用量的控制及廢水排放標準的提高，企業廢水回用勢在必行。就目前全國水處理工藝技術的發展，利用膜分離技術處理冶煉廢水逐漸成為冶煉企業深度處理的首選技術[2，3]。

膜分離術處理技術應用于冶煉廢水的深度處理已經趨于成熟工藝，而膜技術的優點是結構緊湊、占地面積小、操作安全、易實現自動化控制且出水水質穩定可靠。但是滲透膜回收率有限，會產生一定量的濃水，濃水中含有各種有機物和無機鹽，若直接排放會造成水資源的浪費，還會帶來嚴重的環境污染[4]。這需要后續的多效蒸發進行蒸發結晶處理，不僅可以提高冶煉廢水循環利用效率還可以達到水的零排放，解決了冶煉廢水對環境的污染。

1. 某冶煉廢水回收處理存在的難題

1.1 水質不穩定，各項指標變化大

某冶煉廢水按水質分為酸性排水，普通生產排水。

酸性排水指制酸系統產生的污酸、脫硫系統產生的污酸含鋅、鉛、鎘、銅、汞等多種重金屬、砷金屬、有機物等，其指標含量和原料礦粉的雜質含量有著直接關系，污酸會隨著原料進入冶煉爐的雜質含量變化上下浮動，處理起來有一定的難度。目前污酸處理工藝主要有兩種：一種是硫化法，另一種硫酸亞鐵―石灰法。兩種處理工藝都可以對污酸中F、As有很好的去除效果，但是部分雜質如部分重金屬離子、Cl離子和有機物的去除效果不理想，同時在污酸中和過程中增加了Ca²⁺，產出的廢水水質重金屬、有機物、硬度等指標達不到生產用水的要求。

酸性廢水經硫酸亞鐵―石灰法處理后，其水質指標見表1。

普通生產排水指各車間排出的生產廢水、循環水外排水及化學水處理站的膿水，無有毒有害污染物，水中含鹽高、硬度高、二氧化硅高、鐵高。其水質指標見表2。

1.2 處理難度大，回收成本高

冶煉廢水的回收循環利用，必須要有一個配套完善的廢水回收再利用工藝處理系統。首先制酸系統產生的污酸、脫硫系統產生的污酸，需要經過污酸處理系統進行初步處理。其次污酸處理完后形成的廢水和反滲透產生的高濃水、循環水池排廢水混合后經過前期預處理進行水質調節，才能進入膜深度處理系統。廢水經過膜系統處理后80%以上的水可以回用，其中20%經過濃縮后的廢水，想要繼續回用，膜系統已經無法處理，需要經過蒸發系統進行濃縮結晶。

冶煉廢水回用工藝復雜、參數控制要求高、處理難度大，回用的水可以當作生產用水，但是相比較地下水成本要高出很多倍，給企業增加了經濟負擔。冶煉企業在考慮到生產成本的情況下，一般很少會選擇冶煉廢水的回用，在不同省份環保要求下，有的冶煉企業對產生的冶煉廢水進行簡單處理后達標進行排放。

2 某冶煉廠廢水回收處理工藝

在環保標準不斷提高和水資源匱乏的雙重壓力下，冶煉廢水的回用已經成為冶煉企業生產系統的首要任務。

隨著水處理技術和設備的不斷創新，以膜分離技術為主體的冶煉廢水深度處理回收利用工藝已經成為石油化工、電力、冶金等行業中工業廢水和循環水深度處理的首選技術，被大部分冶煉企業使用。某冶煉廠廢水回用處理工藝步驟主要包括：預處理單元、超濾單元、抗污染反滲透膜單元、海水淡化膜單元[3]。通過膜分離技術真正地實現了冶煉廢水的回用，但是膜系統回收率有限無法做到全部回收利用，這需要通過多效蒸發系統來處理海水淡化膜單元產生的濃水，進一步提高廢水回收利用率，避免了水資源的浪費和冶煉廢水給環境造成的污染。

工藝流程：

預處理單元→多介質過濾器→超濾單元→抗污染反滲透膜單元→濃水箱→濃水多介質過濾器→海淡膜單元→多效蒸發系統→沖渣水池。

2.1 預處理單元

預處理單元即為進入膜系統處理前的水質調節過程，冶煉廢水的特點是硬度高、重金屬離子含量高、二氧化硅高，水質較差無法滿足進入膜系統處理的要求，因此需要用藥劑對其進行水質調節。

調節后的水質要求如表3。

工藝流程：冶煉廢水→水質調節池（壓縮空氣+曝氣頭）→石灰乳→碳酸鈉→板框式壓濾機（濾液）→pH值調節（硫酸）→殺菌劑→清水池。

（1）水質調節過程中藥劑和廢水在傳統的攪拌下反應慢而且不均勻，需要在調節池底部加裝橡膠盤式膜片微孔曝氣頭，曝氣頭間隔0.5 m，氣源為0.1 Mpa的壓縮空氣，此混合方式藥劑和水可以充分混合快速反應，同時壓縮空氣可以將水中的Fe²⁺氧化成Fe³⁺使其和水中的OH^-形成Fe（OH）₃沉淀。

（2）廢水在曝氣作用下加入石灰乳溶液提高pH值，將pH值提高至11～11.5，廢水中重金屬和二氧化硅形成氫氧化物和硅酸鈣沉淀，水中含量降低，其含量變化見pH值和二氧化硅關系圖。但是石灰乳加入水中后引進了Ca²⁺含量會增加，導致硬度上升，后續需要加Na₂CO₃溶液將水中的Ca²⁺去除來降低硬度。

（3）廢水加入石灰乳反應半小時后，加入Na₂CO₃溶液，使CO₃^2-和Ca²⁺形成CaCO₃沉淀來降低硬度。但是隨著Na₂CO₃溶液不斷地加入，廢水中的二氧化硅會在水中反向溶解，溶解量會隨著Na₂CO₃溶液的加入不斷增長。因此Na₂CO₃溶液的加入量要進行嚴格控制，在硬度和二氧化硅兩個指標之間找到一個平衡范圍。

在實際生產過程中，經過不斷的試驗調節Na₂CO₃溶液的加入量，化驗廢水中硬度和二氧化硅的含量變化，經過對比和綜合分析，硬度控制在5～7 mmoL/L 后，水中二氧化硅含量13～17 mg/L，此時廢水的硬度和二氧化硅指標都符合進入膜系統前的指標要求，Na₂CO₃溶液用量少，生產成本低（圖1、圖2）。

（4）水質調節過程中形成的沉淀，通過板框壓濾機過濾，過濾的清液pH值過高需要用硫酸進行回調，pH值控制在6.8～7.2，pH值過高或過低都會導致后續膜處理系統結垢，影響其產水水質或對膜產生不可逆的損傷，如果控制不及時可能導致膜直接報廢，影響正常生產，造成經濟損失。

2.2 超濾單元

工藝流程：清水池→超濾原水箱→超濾原水泵→多介質過濾器→超濾膜（產水）→超濾產水箱。

冶煉廢水經過預處理單元后，板框壓濾液避免不了帶出漿液，過濾精度也達不到要求，需多介質過濾器進一步攔截，減少超濾單元中濾袋更換頻次、預防漿液進入超濾膜劃傷膜絲。

根據冶煉廢水的性質，超濾單元一般采用外壓式具有較強的抗氧化性及耐酸堿能力PVDF材質的超濾膜，通俗說就是污堵后抗清洗能力強。

超濾膜的作用就是進一步對多介質過濾器出水進行精濾，去除水中的淤泥、黏土等大顆粒以及和賈第蟲、隱抱子蟲、藻類和一些細菌等，降低水中的懸浮物和SDI，可以有效控制有機物對反滲透膜污堵風險。

超濾膜系統回收率可達90%，10%的錯流水可以重新返回前期預處理系統進行水質調節。超濾膜根據其運行特點需要定期清洗，且清洗周期短、操作步驟繁瑣，因此對自動化程度要求較高，需要設定運行程序后根據產水周期自動對其進行氣洗、水洗、加強洗（加入藥劑）等，來保證超濾單元的正常產水效果。

2.3 抗污染反滲透膜單元

工藝流程：超濾產水箱→反滲透原水泵→（還原劑+阻垢劑）反滲透膜產水（兩段）→回用水箱→生產用水點→一段反滲透膜濃水→二段反滲透膜濃水→海淡原水箱。

前幾道工序，只是對廢水進行了物理過濾處理，其含鹽量并未改變，需要利用反滲透膜性進行脫鹽。由于冶煉廢水成分復雜、水質較差，反滲透膜選用美國陶氏CR100，此膜特點是耐用、壓差低水流分布均勻、抗污染性能好、耐化學清洗，膜穩定脫鹽率在99.4% 以上，可以保證反滲透膜系統連續且穩定地運行[2]。

為了保證抗污染反滲透單元的回收率和運行效率，抗污染反滲透設置段間增壓泵來發揮膜通量的均衡作用。同時在一段與二段之間設置旁通，一段與二段可以成套運行，也可以單段運行，當其中的一段膜污堵清洗時，可以切換到另一段繼續運行，降低膜清洗時廢水處理的運行壓力。實現并控制膜通量均衡和抗污染級反滲透單元回收率達到70%以上。

抗污染反滲膜單元運行過程中，要重點監測進水實時電極電位（氧化性物質），根據監測數值及時控制加入還原劑的量，電極電位一般控制在100 mv以下，避免反滲透膜被氧化，脫鹽率下降，影響產水水質。抗污染反滲透產水品質見表4。

2.4 海水淡化膜單元

工藝流程：海淡原水箱→海淡原水泵→多介質過濾器→（阻垢劑）海水淡化膜→產水→回用水箱→生產用水點→海淡濃水→多效蒸發原水箱。

海水淡化膜單元用來處理反滲透膜系統產生的濃水，根據濃水的水質特點，海水淡化膜系統膜型號選用具有高脫鹽、低能耗的陶氏SW30HRLE-400。

抗污染反滲透膜單元產生的濃水會逐漸失去溶解平衡，無機鈣、硅鹽析出，形成新的平衡，析出的無機鹽需利用多介質過濾器進行攔截，來降低海水淡化膜單元的袋式、保安濾芯的更換頻次，預防顆粒物進入高壓泵及海淡膜造成無機鹽污堵。

由于反滲透膜單元產生的濃水中含鹽量過高，為了保證海水淡化膜單元連續穩定地運行，其回收率一般設置在45%左右[3]，海水淡化膜產水水質如表5。

海水淡化膜單元是膜分離技術處理的最后一步，冶煉廢水通過反滲透膜、海淡膜不斷地分離濃縮，回收率可達到80%以上，作為生產用水來回用。海水淡化膜系統產出20%的高濃水，膜分離技術已經無法再進行處理，冶煉企業可以根據實際情況利用這部分水作為冶煉爐沖渣水，還可以進行蒸發結晶進一步回收處理。

3 多效蒸發系統

多效蒸發是利用多效，在負壓的情況下進行蒸發的一種方法，將前一效蒸發出的二次蒸汽作為后一效的熱源進行再利用，以提高能量的利用率[5]，效率遠高于單效蒸發。

其主要的優點有：在負壓下可以降低溶液的沸點、與常壓相比傳熱推動力大，傳熱面積小、蒸發溫度低對材料的腐蝕和熱損失小、加熱源可以采用低壓或者低品位蒸汽[6]，提高了能量的利用率。

目前國內廢水蒸發系統技術成熟、設備創新快。金屬冶煉企業得根據其自身特點，一般選用冶煉鍋爐產生的余熱蒸汽作為多效蒸發系統的熱源，不僅可以節省運行成本，還可以對蒸汽進行冷凝回收利用。

一套多效蒸發裝置主要由預熱器、蒸發器、冷凝器、分離器、真空系統、泵、管件、閥門及控制系統組成。多效蒸發能量利用率高、運行穩定，被越來越多用戶和行業所接受。

其工藝流程如圖3：

海水淡化膜系統產出的濃水硬度、二氧化硅、有機物含量過高，已經無法再利用膜系統進行處理，這就需要利用多效蒸發系統對其進行蒸發結晶，當水中雜質濃縮到一定程度后進行脫鹽。

根據海水淡膜系統產出的濃水水質特點，蒸發系統設備材質選擇十分重要，分離器、加熱器、泵、管道要選用耐高鹽腐蝕的材質，來保證其后期運行穩定。

目前多效蒸發系統實際運行過程中，受物料物性、海拔、工藝參數、運行操作等因素影響，生產會有以下問題：

（1）真空度達不到生產要求，真空度不僅影響蒸發溫度，還會對蒸發量、能耗比產生影響。

（2）進水水質，濃縮液含鹽量較為復雜，不同鹽分的析出溫度不同，導致濃縮液脫鹽率較低。

（3）脫鹽效果不好，后續會導致加熱器結垢換熱效率降低，生產效率受影響。

（4）蒸發系統腐蝕嚴重，產水水質不達標影響正常生產。

蒸發系統中生產存在的問題是大部分企業的通病，想要使系統穩定生產以上問題必須分析解決，真空度不夠一般是設備密封不好存在泄漏或者是冷凝器冷卻水量不夠，二次汽不能及時冷凝，造成二次汽堆積影響真空。

針對脫鹽效果部分企業會升級更新脫鹽裝置，但是溶解度高的鹽還是很難析出，脫鹽效率依然有限，蒸發系統長時間運行腐蝕問題仍然存在。還有的企業根據鹽分的析出溫度不同將鹽分類脫出，將有價值的鹽和雜鹽單獨分離，有價值的鹽進行外售，但是通過系統運行后綜合成本過高，投入成本遠大于銷售成本，系統腐蝕還是沒有得到解決。

該冶煉廠根據自身特點，結合公司實際情況，將多效蒸發系統的濃縮液當作冶煉爐的沖渣水。多效蒸系統取消脫鹽步驟，徹底解決了多效蒸發系統出鹽難和系統腐蝕的問題，不會產生固廢鹽，蒸發系統設備可以連續穩定運行，產水水質達標，蒸發系統生產運行實現了無人值守（表6）。

4 結語

本文主要介紹了某冶煉企業廢水回用處理工藝，包括其水質特點、控制參數、運行存在的問題及優化措施等。該冶煉廠利用膜處理技術進行冶煉廢水的深度處理，前期投資小，運行成本低，工藝操作簡單，產水水質穩定，回收率高，可以最大程度地實現水資源的回用。多效蒸發系統自動化程度高，運行靈活，操作維護方便，對膜處理技術產生的濃水進行蒸發結晶可以做到冶煉企業的廢水的零排放，減少了水資源的浪費和對環境的污染。