冶金工業廢水

冶金工業廢水是指冶金工業生產過程排出的廢水。其特點是水量大、種類較多、水質較複雜多變。按廢水來源和特點分，主要有冷卻水、 酸洗廢水、除塵廢水和煤氣、沖渣水、煉焦廢水。

基本介紹

• 中文名：冶金工業廢水
• 外文名： Metallurgical industry wastewater
• 特點：水量大、種類較多、水質較複雜
• 所屬學科：環境科學
• 治理措施：物理方法、物理化學方法、生物法
• 來源：冶金工業生產過程

分類

按廢水來源和特點分，主要有：

1、冷卻水。在冶金工業廢水中所占比例最大，鋼鐵廠的冷卻水約占全部廢水的70%。直接冷卻水，如軋鋼機軋輥和輥道冷卻水、金屬鑄錠冷卻水等，除水溫升高外，水中還含有油、氧化鐵皮和其他物質。間接冷卻水，如高爐爐體、熱風路等冷卻水，使用後水溫升高，未受其他污染；

2、酸洗廢水。軋鋼等金屬加工廠都產生酸洗廢水，包括廢酸和工件沖洗水。酸洗每噸鋼材要排出l～2 m³廢水，其中含有游離酸和金屬離子等；

3、除塵廢水和煤氣、煙氣洗滌水。主要是高爐煤氣洗滌水、平爐和轉爐煙氣洗滌水、燒結和煉焦工藝中的除塵廢水等，含大量懸浮物，水質變化大，水溫較高。每生產1t鐵水，要排出2～4 m³高爐煤氣洗滌廢水，水溫在30℃以上，懸浮物含量為600～3 000mg/L，主要是鐵礦石、焦炭粉和一些氧化物，還含有氰化物、硫化物、酚、無機鹽和鋅、鉻等金屬離子；

4、沖渣水。水溫高，水中含很多懸浮物和少量金屬離子；

5、煉焦廢水。黑色冶金企業中焦化廠每生產1t焦炭，約產生0.25～0.50m³含有酚、苯、焦油、氰化物、硫化物、吡啶的廢水。

冶金工業廢水的治理

物理方法

A 重力沉降法

在重力作用下，廢水中密度大於1的懸浮物下沉，使其從廢水中去除，這種方法稱為重力沉降法。重力沉降法既可分離廢水中原有的懸浮固體(如泥砂、鐵屑、焦粉等)，又可分離在廢水處理過程中生成的次生懸浮固體(如化學沉澱物、化學絮凝體以及微生物絮凝體等)。由於這種方法簡單、易行、分離效果較好，而且分離懸浮物又往往是水處理系統不可缺少的預處理或後續工序，因此套用十分廣泛。

a 沉降類型

根據廢水中可沉物質的濃度高低和絮凝性能的強弱，沉降有下述四種基本類型：

1、自由沉降。自由沉降也稱離散沉降，是指一種無絮凝傾向或有弱絮凝傾向的固體顆粒在稀溶液中的沉降。由於懸浮固體濃度低，而且顆粒間不發生融合，因此在沉降過程中顆粒的形狀、粒徑和密度都保持不變，各自獨立地完成沉降過程。顆粒在泥沙池及初次沉澱池內的初期沉澱即屬於自由沉降。

2、絮凝沉降。絮凝沉降是指一種絮凝性顆粒在稀懸浮液中的沉降。雖然廢水中的懸浮固體濃度不高，但在沉降過程中各顆粒之間互相黏合成較大的絮體，因而顆粒的物理性質和沉降速度不斷發生變化。初次沉澱池內的後期沉澱及二次沉澱池內的初期沉降即屬於絮凝沉降。

3、成層沉降。成層沉降也稱集團沉降。當廢水中的懸浮物濃度較高、顆粒彼此靠得很近時，每個顆粒的沉降都受到周圍顆粒作用力的干擾，但顆粒之間相對位置不變，成為一個整體的覆蓋層共同下沉。此時，水與顆粒群之間形成一個清晰的界面，沉降過程實際上就是這個界面的下沉過程。由於下沉的覆蓋層必須把下面同體積的水置換出來，兩者之間存在著相對運動，水對顆粒群形成不可忽視的阻力，因此成層沉降又稱為受阻沉降。化學混凝中絮體的沉降及活性水淤泥在二次沉澱池中的後期沉降即屬於成層沉降。

B 過濾法

(1) 篩濾。通過網目狀和格子狀設備(如格柵或篩子等)進行液固分離的方法，稱為篩濾。格柵是由一組平行的鋼質柵條製成的框架，傾斜架設在廢水處理構築物前或水泵站集水池進口處的渠道中，用以攔截廢水中的大塊漂浮物，以防阻塞構築物的孔洞、閘門和管道或損壞水泵等機械設備。因此，格柵實際上是一種起保護作用的安全設施。格柵的柵條多用扁鋼或圓鋼製成。扁鋼大多採用50 mm×10 mm或40 mm×10 mm的斷面，其特點是強度大、不易彎曲變形，但水頭損失較大。圓鋼直徑多用10 mm，其特點恰好與扁鋼相反。柵條間距隨欲攔截的漂浮物尺寸而定，大多在15～50mm之間。被攔截在柵條上的柵渣有人工和機械兩種清除方法。一般日截渣量大於0.2m³時，採用機械清渣。對日截渣量大於1t的格柵，常附設破碎機以便將柵渣粉碎，再用水力輸送到污泥處理系統進行處理。

(2) 粒狀介質過濾。廢水通過粒狀濾料(如石英砂)床層時，其中的懸浮物和膠體就被截留在濾料的表面和內部空隙中，這種通過粒狀介質層分離不溶性污染物的方法稱為粒狀介質過濾。它既可用於活性炭吸附和離子交換等深度處理過程之前作為預處理，也可用於化學混凝和生化處理之後作為最終處理過程。過濾工藝包括過濾和反洗兩個基本階段。過濾即截留污染物；反洗即把污染物從濾料層中洗去，使之恢復過濾能力。從過濾開始到結束所延續的時間稱為過濾周期(或工作周期)，從過濾開始到反洗結束稱為一個過濾循環。粒狀介質濾池的種類很多，按過濾速度，可分為慢濾池(濾速為0.04～0.4m³/(m²·h))、快濾池(濾速為4～8m³/(m²·h))和高速濾池(濾速為10～16m³/(m²·h))三種；按作用水頭(即過濾推動力)，分為重力式濾池(作用水頭4～5m)和壓力式濾池作用水頭(15～20m)兩類；按水的流動方向，又分為下向流濾池、上向流濾池和雙向流濾池三種。

C 浮力上浮法

藉助於水的浮力，使廢水中密度小於1或接近於1的固態或液態原生懸浮污染物浮出水面而加以分離，也可以分離密度大於1而在經過一定的物理化學處理後轉為密度小於l的次生懸浮物，這種處理方法稱為浮力上浮法。一般浮力上浮法分為三種，即自然上浮法、氣泡上浮法和藥劑浮選法。

D 離心分離法

物體做高速旋轉時將產生離心力。在離心力場內，所有質點都將受到比其本身重量大許多倍的離心力的作用。用這一離心力分離廢水中懸浮物的方法，稱為離心分離法。

在轉速一定的條件下，離心力場內質點所受到的離心力的大小取決於質點的質量。所以，當含懸浮物的廢水做高速圓周運動時，由於懸浮物的質量與水不同，它們受到的離心力也不相同，質量比水大的懸浮物固體被甩到外圍，而質量比水小的懸浮物(如乳化油)則被推向內層。這樣，如果適當地安排懸浮物和水的各自出口，就可以使懸浮物與水分離。可見，在離心力場中能夠進行離心沉降和離心浮升兩種操作。

按產生離心力方式的不同，離心分離設備可分為兩大類：一類是水旋分離設備，其特點是容器固定不動，而由沿切向高速進入器內的廢水本身旋轉來產生離心力；另一類是器旋分離設備，其特點是由高速旋轉的容器帶動器內廢水旋轉來產生離心力，這類設備實際上就是各種離心機。

E 磁力分離法

磁力分離法是藉助外加磁場的作用，將廢水中具有磁性的懸浮固體吸出的方法。此法具有處理能力強、效率高、能耗少、設備緊湊等優點，可用於高爐煤氣洗滌水、煉鋼煙塵淨化廢水、軋鋼廢水和燒結廢水的淨化。

物理化學方法

A 吸附法

吸附法是利用多孔性固體吸附劑的表面，吸附廢水中一種或多種污染物溶質的方法。對溶質有吸附能力的固體物質稱為吸附劑，而被吸附的溶質稱為吸附質。這種方法常用於低濃度工業廢水的處理。

常用的吸附劑有活性炭、沸石、硅藻土、焦炭、木炭、木屑、礦渣、爐渣、礬土、大孔徑吸附樹脂以及腐殖酸類吸附劑等，其中以活性炭使用最為廣泛。經過活性炭吸附處理後的廢水，可以不含色度、氣味、泡沫和其他有機物，能達到水質排放標準和回收利用的要求。

a 吸附過程的機理

在廢水處理中，吸附發生在液-固兩相界面上，由於固體吸附劑表面力的作用，才產生對吸附質的吸附。目前對表面力的性質還不是十分清楚，因此吸附的本質尚在進一步研究中。有人用表面能來解釋，吸附劑要使其表面能減少，只有通過表面張力的減少來達到。也就是說，吸附劑之所以能吸附某種溶質，是因為這種溶質能降低吸附劑的表面張力，所以，吸附劑的表面可以吸附那些能降低其表面張力的物質。

吸附劑和吸附質之間的作用力可分為三種，即分子間力、化學鍵力和靜電引力。通過分子間的引力(即范德華力)而產生的吸附，稱為物理吸附。由於分子引力是普遍存在於各種吸附劑與吸附質之間的力，物理吸附無選擇性。物理吸附的吸附速度和解吸速度都較快，易達到平衡狀態。一般在低溫下進行的吸附主要是物理吸附。如果吸附劑與吸附質之間產生了化學反應，生成化學鍵而引起吸附，這種吸附稱為化學吸附。由於生成了化學鍵，化學吸附是有選擇性的，而且不易吸附和解吸，達到平衡慢，化學吸附放出的熱量也大(40～400kJ/mol)，與化學反應相近。化學吸附隨溫度的升高而增加，所以，化學吸附常在較高溫度下進行。如果一種吸附質的離子由於靜電引力，被吸附在吸附劑表面的帶電點上，由此產生的吸附稱為離子交換吸附。在這種吸附過程中，伴隨著等當量離子的交換。如果吸附質的濃度相同，離子帶的電荷越多，吸附就越強。對於電荷相同的離子，水化半徑越小，越能緊密地接近吸附點，越有利於吸附。這三種吸附隨著外界條件的改變可以相伴發生，由於綜合因素的影響，在一個系統中可能表現出某種吸附起主導作用。在廢水處理中，大部分的吸附是幾種吸附的綜合表現，其中主要是物理吸附。

b 吸附工藝過程

吸附操作分為靜態間歇式和動態連續式兩種，也稱為靜態吸附和動態吸附。廢水處理是在連續流動條件下的吸附，因此主要是動態吸附。靜態吸附一般僅用於實驗研究或小型廢水處理。動態吸附有固定床吸附、移動床吸附和流化床吸附三種方式，其中，固定床吸附是廢水處理工藝中最常用的一種方式。

c 活性炭再生

在活性炭本身結構不發生或極少發生變化的情況下，用特殊的方法將其上被吸附的物質從活性炭的孔隙中去除，以便活性炭重新具有接近新活性炭的性能，稱為活性炭再生。活性炭再生的方法主要有水蒸氣吹脫法，溶劑再生法，酸、鹼洗滌法以及焙燒法。

d 影響吸附的主要因素如下：

1、吸附劑本身的性質。吸附劑應滿足吸附容量大、吸附速率高、機械耐磨強度高和使用壽命長的要求。

2、廢水中污染物性質的制約。例如，污染物在水中溶解度越小，越容易被吸附，越不易解吸。有機物的溶解度隨分子鏈長的增加而減少。

B 離子交換法

利用離子交換劑，等當量地交換廢水中離子態污染物的方法稱為離子交換法。能置換陽離子的離子交換劑稱為陽離子交換劑，能置換陰離子的離子交換劑稱為陰離子交換劑。

工業套用的離子交換劑包括有機離子交換劑(如磺化煤和離子交換樹脂)和無機離子交換劑(如沸石、磷酸鋯等)。無機離子交換劑的顆粒結構緻密，僅能進行表面交換，交換容量小，套用不多。有機離子交換劑中，磺化煤是最初使用的交換劑，它是利用煤質本身空間結構為骨架，用硫酸進行磺化，引入活性基因製得。磺化煤成本低、價格便宜，但易粉碎、化學穩定性差，所以被離子交換樹脂所取代。在工業中套用最廣泛的還是離子交換樹脂。離子交換樹脂由骨架和活性基團兩部分組成。骨架又稱為母體，是一種線型結構的高分子有機化合物，再加上一定數量的交聯劑，通過橫鍵架橋作用構成不溶性有機高聚物，具有立體網狀結構形式。

樹脂母體上有很多活性基團，活性基團由固定離子和活動離子(也稱反離子或交換離子)組成。固定離子固定在樹脂骨架上，活動離子則依靠靜電引力與固定離子結合在一起，兩者電性相反、電荷相等，處於電中和狀態。

C 液膜分離法

液膜分離法實質上是一種除鹽的方法。在降低溶液中鹽的總含量的同時，可以得到一種鹽的濃縮液。在廢水處理中主要套用的方法有四種，即反滲透、超濾、電滲析和新近發展起來的液膜分離法。

液膜分離法的特點是：設備結構比較簡單，操作方便，可以在周圍環境溫度下工作，過程能連續，便於實現自動化；但主要缺點是，要解決生成的濃縮液(鹽水)的處理問題。

化學方法

A 混凝沉澱法

對廢水中可能用自然沉降法除去的細微懸浮物和膠體污染物，通過投加混凝劑來破壞細微懸浮顆粒和膠體在水中形成的穩定分散系，使其聚集為具有明顯沉降性能的絮凝體，然後通過重力沉降法予以分離的方法，稱為混凝沉澱法。

混凝沉澱法在工業廢水處理中的套用十分廣泛，在冶金廢水治理中也是十分重要的方法。該法除套用於預處理、中間處理和污泥處理外，在深度處理方面也是重要方法之一；除了用於除色、除濁之外，還可以去除高分子物質、動植物纖維物質、各種有機物、焦油、石油和其他油脂、微生物、氮磷等富營養物質、農藥毒物以及汞、鎘、鉛等重金屬毒物和放射性物質。

混凝沉澱法的優點是設備費用低、處理效果好、操作管理簡便、間歇和連續運行均可，因而其得到普及。但該法存在的問題是需要不斷投加混凝劑，經常性運行費用較高。國內常用的混凝劑為硫酸鋁、聚合氯化鋁、硫酸亞鐵和聚丙烯醯胺。助凝劑常採用活化矽膠和骨膠。助凝劑可以單獨使用，但一般與鐵、鋁鹽混凝劑合用。

B 中和法

中和法是處理酸性廢水和鹼性廢水的主要方法。冶金工業生產中會排放出大量酸性廢水和鹼性廢水。尤其是酸性廢水，不僅量大，而且往往含有許多重金屬離子。中和法不僅能降低廢水中的酸、鹼度，也能使多種金屬離子以氫氧化物沉澱的形式被除去。

生物化學法

廢水的生物化學法(簡稱生化法)，是利用自然界大量存在的各種微生物來分解廢水中的有機物和某些無機毒物(如氰化物、硫化物等)，通過生物化學過程使之轉化為較穩定的、無毒的無機物，從而使廢水得到淨化。目前，生化法主要用來去除廢水中呈膠體狀態和溶解狀態的有機物以及現有物理法不可能去除的細小懸浮顆粒。採用生化法處理廢水，不僅比化學法效率高，而且運行費用低。除可用於城市污水處理外，生化法也可廣泛套用於煉油、石油化工、合成纖維、焦化、煤氣、農藥、紡織印染、造紙等工業廢水的處理，因此，其在廢水處理中十分重要。

冶金工業廢水處理回用技術的發展趨勢

冶金工業廢水的最少量化

廢物最少量化又稱為廢物“減量化”。減量化的要求，是在生產-消費各個不同階段所產生的廢物的數量、體積、種類、有害性質進行全面控制與管理，從源頭做起，實施清潔生產、“最少量化”產生與排放。就國家而言，應當杜絕粗放經營的發展模式，鼓勵和支持清潔生產與工藝，開發和推行先進生產技術與設備，充分、合理地利用原(燃)材料、能源和其他資源。

冶金工業廢水的資源化

廢水循環回收利用是廢物最少量化的一條重要途徑。循環回收利用包括廢水(物)回收和再利用。回收主要指原材料回收和副產品回收；再利用主要包括在該工藝中再利用和作為另一種工藝原料。總體而言，資源利用有兩條基本途徑：一是外延型的利用；二是內涵型的利用。目前，世界各國都把注意力集中在對廢物進行再資源化的開發利用上，一些國家制定一系列政策法規，鼓勵從廢物回收資源、能源，使其廢物再資源化利用率迅速提高。因而促使人們對資源的利用方式從外延型向內延型轉變。

冶金工業廢水的無害化

所謂無害化是對已經產生又無法或目前尚不能回用和綜合利用的廢物與廢水，經過物理、化學或生物方法，進行無害或低危害的安全處理、處置，達到無污染危害的結果。冶金工業廢水種類繁多、成分複雜，特別是焦化廢水，據GC-MS(氣相色譜-質譜)聯用法分析，共約有51種以上有機物全部屬於芳香族化合物和雜環化合物，必須進行無害化處置(理)，因此，廢水無害化是冶金工業廢水污染與危害最終要求。廢水無害化有兩種含義：一是按生產工序用水各異原則，實施串級用水、循環用水、一水多用、分級使用，以實現廢水減量化、資源化與無害化的有效結合；二是採用各種有效處理技術實現無害化處理。

循環經濟發展模式與廢水生態化

循環經濟倡導的是一種全球資源和自然環境相協調、互為依存的社會發展模式，也是建立在物質不斷被循環利用基礎上的經濟發展模式。對冶金工業系統而言，其生態化的核心就是物質和能源的循環，整個系統密閉循環，不向外排放廢棄物。為了從根本上解決冶金工業廢水對水環境的污染與生態破壞，必須把整套循環用水技術引入生產工藝全過程，使廢水和污染物都實現循環利用。冶金企業把生產過程中排出的廢水及其污染物作為資源加以回收，並實現循環利用，其實質是模擬自然生態的無廢料生產過程。儘量採用無廢工藝和無廢技術是為了使這個系統不超過負荷，能正常良好運轉，而工藝的自動化在一定的程度上可以起到系統的調控機能。因此，最少量化、資源化、無害化、生態化用水技術必將成為控制冶金工業水污染的最佳選擇，並將越來越受到人們的重視，是我國乃至世界冶金工業水污染的綜合防治技術今後發展的必然趨勢。