鋼鐵廠(chǎng)的廢水和廢水處理

鋼鐵廠(chǎng)的廢水和廢水處理

鋼鐵廠(chǎng)使用大量的水，包括冷卻、抑塵、清潔、溫度控制（熱處理）、運輸廢料（灰燼、淤泥和水垢等）以及其他用途。水是一些工藝的重要組成部分，如煉焦煤的含水量、燒結混合料的造粒、鐵礦石球團生產(chǎn)過(guò)程中的綠色球團、蒸汽生產(chǎn)和電力生產(chǎn)、高爐渣的造粒等。

使用大量的水也會(huì )產(chǎn)生大量的廢水，其中可能含有懸浮物和許多溶解的物質(zhì)和化學(xué)品。廢水的質(zhì)量取決于水的使用過(guò)程和使用的目的。

如果鋼鐵廠(chǎng)未經(jīng)處理的廢水排入受納水體，其主要的環(huán)境影響是：（1）對水生生物的毒性；（2）溶解氧的減少；（3）由于懸浮物造成的淤塞；（4）味道和氣味問(wèn)題；（5）溫度上升影響溶解氧；（6）對水生生物的影響；以及（7）由于漂浮油形成的浮油等。

與原材料、產(chǎn)品和廢氣直接接觸的大量工藝水需要進(jìn)行處理，以實(shí)現水的再利用、水的再循環(huán)，或在排放前將污染物去除到監管部門(mén)規定的水平。

廢水的質(zhì)量可以通過(guò)采用如今為不同工藝開(kāi)發(fā)的改進(jìn)技術(shù)來(lái)控制。現在也有技術(shù)可以處理廢水，以便在同一過(guò)程或其他過(guò)程中循環(huán)使用。廢水的處理也會(huì )導致一些固體廢料的回收，這些廢料可以被回收到工藝中，或者經(jīng)過(guò)一些進(jìn)一步的處理，從而促進(jìn)自然資源的保護。

為了保護水這一資源，現在有一種運動(dòng)，不僅要防止廢水造成污染，還要處理廢水并在一個(gè)封閉的系統中循環(huán)使用，以減少淡水的消耗。

廢水的處理

綜合鋼鐵廠(chǎng)需要進(jìn)行廢水處理的主要工序包括煉焦、煉鐵、煉鋼、熱軋和冷軋以及其他操作，如酸洗、電解鍍錫和其他涂層工藝。

最重要的參數是懸浮物、油脂、苯酚、氰化物、氨和重金屬，如鉛、鋅、鉻和鎳，這些參數一般由法定機構監管。此外，還有幾種用于煉焦和冷軋作業(yè)的有機化合物也受到管制。下面介紹為有效處理鋼鐵廠(chǎng)廢水而采用的正常廢水處理工藝（圖1）。

圖1 污水處理過(guò)程

懸浮物的控制

從廢水中去除懸浮物對于鋼鐵廠(chǎng)中從煉焦到精軋的所有生產(chǎn)車(chē)間來(lái)說(shuō)實(shí)際上是必要的。在煙道和廢氣的清洗和冷卻過(guò)程中，固體顆粒物會(huì )懸浮在工藝水流中，爐渣造粒、除銹、軋輥和產(chǎn)品冷卻、軋機的水槽沖洗以及精整操作中的產(chǎn)品沖洗等。

通常用于去除懸浮物的方法是（i）沉淀，（ii）離心分離，以及（iii）過(guò)濾。

沉淀法也被稱(chēng)為澄清法，包括通過(guò)重力沉淀。該過(guò)程通常在專(zhuān)門(mén)為特定應用設計的澄清器或斜板分離器中進(jìn)行。澄清器通常是圓形的，但也可以建造成矩形的。與澄清器相比，斜板分離器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們需要的地面空間要小得多。然而，當廢水中的油脂濃度較高時(shí)，使用時(shí)需要注意。傾斜板式分離器的缺點(diǎn)是分離器底部的污泥儲存量小。

澄清器和斜板分離器的設計都是為了將收集的污泥從設備底部連續清除。底流污泥通常在重力作用下被濃縮，然后在幾種類(lèi)型的污泥脫水設備（例如壓濾機、帶式壓濾機或離心機等）中被進(jìn)一步脫水。這樣做是為了減少污泥體積，以便在處置過(guò)程中可以輕松和經(jīng)濟地處理污泥。凝結劑，如明礬、氯化鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵和商業(yè)有機聚電解質(zhì)等，經(jīng)常在澄清前加入廢水中，以促進(jìn)固體顆粒的絮凝。這增加了它們的有效尺寸，從而提高了它們的沉降率。

離心分離是一種利用離心力從水柱中去除懸浮物的技術(shù)。這種分離技術(shù)有時(shí)也被稱(chēng)為旋風(fēng)分離。該過(guò)程高度依賴(lài)于顆粒大小和比重。較大的顆粒和較高的顆粒密度會(huì )提高分離性能。

通過(guò)壓力或重力進(jìn)行的多介質(zhì)或單介質(zhì)過(guò)濾，是去除細小懸浮顆粒的其他方法，這些方法通常適用于鋼鐵廠(chǎng)的廢水。廢水通過(guò)一個(gè)容器中的過(guò)濾介質(zhì)。該系統通常由若干單獨的過(guò)濾單元平行工作。有時(shí)利用側流過(guò)濾來(lái)處理一部分廢水，然后與未經(jīng)過(guò)濾的部分混合。通常情況下，過(guò)濾系統的設計是使其具有通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的最高可行流速，從而使所需的尺寸和成本最小化。

在一個(gè)典型的多介質(zhì)系統中，廢水首先通過(guò)一個(gè)相對較粗的介質(zhì)層（如無(wú)煙煤），然后再通過(guò)一個(gè)細介質(zhì)層（如沙子）。大部分顆粒被粗介質(zhì)層去除，而細介質(zhì)層則對廢水進(jìn)行最后的拋光。多介質(zhì)過(guò)濾器一般用于廢水中油和油脂含量高的情況。高濃度的油脂會(huì )導致單介質(zhì)和多介質(zhì)過(guò)濾器中的介質(zhì)結垢和/或堵塞。

收集的顆粒物要通過(guò)反洗定期從過(guò)濾介質(zhì)上清除。在反洗的操作中，停止流入的廢水，讓處理過(guò)的水流，有時(shí)還有空氣，以相反的方向通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，將收集的固體沖走。

通過(guò)平行安裝一些過(guò)濾器單元，一個(gè)單元可以通過(guò)反洗循環(huán)，而不會(huì )造成廢水流連續處理的中斷。反洗流通常在反洗保溫箱中沉淀，固體通過(guò)濃縮器和污泥脫水設備處理。單介質(zhì)和多介質(zhì)過(guò)濾器都能使廢水流產(chǎn)生高度的透明度。然而，澄清器通常用于預處理含有大量固體的廢水，以便在過(guò)濾前去除大部分微粒。如果廢水中的固體含量較少，可以單獨使用過(guò)濾器，而無(wú)需事先澄清。

通常可以通過(guò)將水再循環(huán)到工藝中來(lái)大大減少排放到受納水流中的懸浮物和其他顆粒物的數量。然而，可行的再循環(huán)程度受到廢水中懸浮物數量和系統中溶解固體濃度增加的限制，這最終會(huì )導致管道和設備中的沉積和堵塞。因此，循環(huán)水量的某一部分總是需要作為吹氣釋放，以控制溶解性固體的濃度到一個(gè)可接受的水平。

油和脂的控制

在連鑄機、熱軋和冷軋機、酸洗、電鍍和涂層作業(yè)的廢水中通常會(huì )發(fā)現油和油脂。這些油來(lái)自于設備、產(chǎn)品潤滑劑和冷卻劑、液壓系統以及在某些過(guò)程中應用于產(chǎn)品的防腐涂層。油和油脂通常通過(guò)幾種方法從廢水中去除，包括撇渣、重力分離、氣浮、過(guò)濾和超濾。如果油不溶于水，則通過(guò)重力分離和撇渣將其從廢水中去除。重力油分離器通常有一個(gè)矩形的腔室，在這個(gè)腔室中，廢水流的速度被充分減緩，以便為油和油脂漂浮到表面提供時(shí)間，在那里，它們被各種可用的撇渣裝置所清除。撇渣裝置的一些例子是旋轉式滾筒撇渣器、繩索和皮帶式撇渣器，以及刮刀，它們也被用來(lái)刮除沉淀在底部的較重的固體物質(zhì)。不溶性油類(lèi)也可以在多介質(zhì)過(guò)濾器中與懸浮固體一起被清除。如果油是乳化的或水溶性的，例如在廢舊冷軋液或沖洗水中發(fā)現的油，則需要用酸或破乳劑來(lái)處理，以打破乳狀液，然后用重力沉淀和撇渣，或用氣浮和/或膜分離技術(shù)。

撇渣可用于任何含有漂浮在表面的成分的廢水，通常用于去除游離油、油脂和肥皂。撇渣通常與氣浮或澄清一起使用，以改善對沉淀物和漂浮物的去除。撇渣器的去除效率是要漂浮的物質(zhì)的密度和廢水在池中的停留時(shí)間的函數。重力式分離器往往更適合于流經(jīng)系統的表面油量相當大且穩定的情況下使用。

氣浮工藝通常用于分離密度接近于水的密度的可漂浮物質(zhì)，因此僅靠重力無(wú)法有效分離。在浮選過(guò)程中，廢水中釋放的氣泡（通常是空氣）會(huì )附著(zhù)在油和細小的固體顆粒上，使它們更快地漂浮到水面上，并以泡沫的形式被撇出。有時(shí)會(huì )使用化學(xué)添加劑來(lái)改善浮選過(guò)程的性能。

超濾過(guò)程包括使用壓力和半透性聚合物或陶瓷膜來(lái)分離懸浮在液相中的乳化或膠體材料。超濾裝置中使用的膜形成了一個(gè)分子篩，根據分子顆粒在尺寸、形狀和化學(xué)結構上的差異，保留了這些分子顆粒。該膜允許溶劑和低分子量的分子通過(guò)。在超濾過(guò)程中，廢水被泵送通過(guò)一個(gè)管狀膜單元。水和一些低分子量物質(zhì)在0.7公斤/平方厘米到7公斤/平方厘米的壓力下通過(guò)膜。乳化的油滴和懸浮顆粒被保留下來(lái)，得到濃縮，并被不斷地清除。

重金屬的控制

監管機構通常限制鋼鐵廠(chǎng)高爐車(chē)間、鋼鐵熔煉車(chē)間以及酸洗、冷軋、電鍍和熱涂層作業(yè)的工藝水的重金屬排放。用于去除這些微量金屬的通常方法是化學(xué)沉淀，然后進(jìn)行澄清或過(guò)濾。

眾所周知，重金屬在水中的溶解度是pH值的一個(gè)函數。通常情況下，隨著(zhù)pH值的增加，金屬的溶解度會(huì )降低。因此，為了去除溶解的金屬，廢水要在帶有pH值控制器的混合池中用堿性材料進(jìn)行處理。在大多數化學(xué)沉淀過(guò)程中，重金屬的分離是通過(guò)氫氧化物和硫化物沉淀。在氫氧化物沉淀中，通常使用石灰，它是最便宜的試劑，盡管苛性鈉、氫氧化鎂或其他堿性物質(zhì)有時(shí)也被用于此目的。在pH值提高到溶解的金屬以氫氧化物形式沉淀的水平后，水通過(guò)一個(gè)澄清器和/或通過(guò)一個(gè)過(guò)濾器來(lái)去除沉淀的金屬氫氧化物。通常需要添加凝結劑。在堿性pH值下使用凝結劑，如氯化鐵，會(huì )形成氧化氫表面，從而通過(guò)吸附作用提高金屬的額外去除率。其他凝結劑，如明礬、硫酸亞鐵和聚合絮凝劑也可用于改善顆粒的形成。

如果鉻以六價(jià)形式存在，它必須首先被化學(xué)還原為三價(jià)形式，才能沉淀。這種還原反應的速度是系統的pH值條件的一個(gè)函數。舉例來(lái)說(shuō)，如果使用二氧化硫、亞硫酸氫鈉或廢酸洗液作為還原劑，系統的pH值要在2.0和3.0的范圍內調整。六價(jià)鉻也可以在相對較高的pH值（從8.5到9.5）下用亞硫酸氫鈉還原成三價(jià)鉻。還原后的三價(jià)鉻離子會(huì )轉化為不溶性的氫氧化鉻，并通過(guò)沉淀去除。

溶解的金屬離子和某些陰離子通常被化學(xué)沉淀，并通過(guò)沉淀或過(guò)濾等物理手段去除。除了使用堿性化合物外，以下是可以使用的其他試劑。

1、金屬硫化物-除硫化鉻外，金屬硫化物的溶解度低于金屬氫氧化物的溶解度。因此，使用硫化物沉淀工藝可以提高溶解金屬的去除率。可溶性的硫化物，如硫化氫或硫化鈉，以及不溶性的硫化物，如硫化亞鐵，都可以用來(lái)將許多重金屬離子沉淀為不溶性的金屬硫化物。目前，使用有機硫化物處理廢水已成為流行的做法。通常，硫化物沉淀的過(guò)程包括澄清和過(guò)濾。

2、碳酸鹽-碳酸鹽沉淀物可用于去除金屬，方法是使用碳酸鹽試劑（如碳酸鈣）直接沉淀或使用二氧化碳將氫氧化物轉化為碳酸鹽。

化學(xué)沉淀作為從廢水中去除金屬的機制是一個(gè)復雜的過(guò)程，通常包括兩個(gè)步驟，即（i）不需要的金屬的沉淀，和（ii）去除沉淀物。在完全沉淀后，通常會(huì )有少量的金屬溶解在廢水中。殘留的溶解金屬量取決于所使用的處理化學(xué)品、金屬的溶解度和共沉淀效應。這種方法去除任何特定金屬的效果取決于廢水中特定金屬的部分（因此也包括沉淀物）和去除懸浮固體的效果。

生物處理

生物氧化是通常用于處理焦爐和副產(chǎn)品工廠(chǎng)廢水的技術(shù)。這些廢水含有大量的苯酚、氰化物、硫氰酸鹽和氨，以及較低濃度的其他有機化合物，主要是因為含有這些物質(zhì)的焦爐原氣的冷凝。生物處理是一種傳統方法，用于處理來(lái)自焦爐和副產(chǎn)品工廠(chǎng)的廢水，然后再進(jìn)行處理。

由于生物氧化對成分負荷和pH值的波動(dòng)非常敏感，廢水首先通過(guò)一個(gè)平衡池，以平衡濃度、溫度和流量。傳統的生物氧化方法通常包括一個(gè)單級或兩級系統。在單級系統中，該過(guò)程被設計為在該過(guò)程的唯一階段減少有機化合物和氨。在一個(gè)典型的兩階段系統中，第一階段被設計為減少有機化合物，第二階段通常用于硝化作用（去除氨）。有時(shí)，通過(guò)仔細控制，碳化物和氮化物處理可以在同一個(gè)曝氣池中進(jìn)行。通常情況下，硫氰酸鹽的生物處理會(huì )導致廢水中的氨氣增加。這需要在生物氧化處理廠(chǎng)的設計中加以考慮。

這兩種曝氣系統通常利用活性污泥法，然后是澄清器。活性污泥過(guò)程是一個(gè)類(lèi)似于污水處理廠(chǎng)中應用的懸浮生長(cháng)過(guò)程。在曝氣系統中，以懸浮固體形式存在的大量微生物或生物質(zhì)（稱(chēng)為活性污泥）被提供氧氣，這使其能夠減少廢水中的生物可降解成分。可以開(kāi)發(fā)出能夠有效降解苯酚和其他有機物、硫氰酸鹽、游離氰化物和氨的微生物種群。

所需的氧氣由機械表面曝氣機提供，或通過(guò)氣泡在池中擴散，也可以不使用浸沒(méi)式渦輪攪拌器。處理后的水從池子里溢出到澄清池，活性污泥在那里被沉淀下來(lái)，循環(huán)到曝氣池中。澄清池的溢流水被排出。其他生物處理過(guò)程也可以使用，包括固定膜、填料塔、流化床和整體澄清的懸浮生長(cháng)過(guò)程。

污水處理

污水處理廠(chǎng)有兩種處理廢水的方法。以下是這些方法。

傳統的污水處理包括三個(gè)階段，即一級、二級和三級處理。一級處理包括將污水暫時(shí)保存在一個(gè)靜止的罐子里，重的固體可以沉淀到底部，而油、油脂和較輕的固體則漂浮到表面。沉淀和漂浮物被清除，剩余的液體被排放或進(jìn)行二級處理。二次處理可以去除溶解和懸浮的生物物質(zhì)。二級處理通常是由本地的、水生的微生物在管理的棲息地進(jìn)行。二級處理可能需要一個(gè)分離過(guò)程，在排放或三級處理之前將微生物從處理后的水中去除。三級處理通常被定義為比一級和二級處理更多的東西。處理后的水有時(shí)會(huì )在排放前進(jìn)行化學(xué)或物理消毒（例如，通過(guò)瀉湖和微濾），或者用于園藝目的。

在第二種方法中，也就是臭氧處理法，進(jìn)入的原污水通過(guò)一個(gè)條形濾網(wǎng)室，以去除粗大的懸浮物、纖維、塑料等，并被收集到一個(gè)化糞池/收容池。化糞池通常有24小時(shí)至48小時(shí)的容納能力，有適當的隔間來(lái)分離進(jìn)入的污水中存在的重型污泥固體。污水輸送泵將原污水輸送到手動(dòng)自潔過(guò)濾器、壓力砂過(guò)濾器，然后再輸送到臭氧發(fā)生器。臭氧被注入到原污水中，并混合到一個(gè)接觸室/保溫箱中。臭氧氧化污水中的有機物，從而將污水的BOD（生物需氧量）/COD（化學(xué)需氧量）水平降低到可接受的限度。臭氧處理后的污水通過(guò)一個(gè)壓力砂濾器過(guò)濾，以去除微量懸浮物/濁度等。出水可以適當地重新用于園藝等方面。

終端處理

鋼鐵廠(chǎng)內廢水處理的一個(gè)常見(jiàn)做法是將幾種不同類(lèi)型的廢水合并到一個(gè)所謂的終端處理廠(chǎng)進(jìn)行處理。這種做法在處理來(lái)自各種精加工作業(yè)的廢水方面特別成功。這些廢水通常含有懸浮物、冷軋產(chǎn)生的游離油和乳化油、酸洗沖洗水產(chǎn)生的酸、以及酸洗和涂層工藝產(chǎn)生的重金屬。在一個(gè)典型的系統中，酸流與乳化油流混合以打破乳狀液。然后，合并的廢物通過(guò)一個(gè)重力油分離器，用石灰中和以去除酸和沉淀的重金屬，并在一個(gè)澄清器或過(guò)濾器中處理以去除固體和任何剩余的油。

斷點(diǎn)加氯

氯化是處理氨氣、苯酚和游離氰化物的技術(shù)之一。長(cháng)期以來(lái)，氯被用作飲用水處理設施中的生物殺傷劑，并以其強大的氧化潛力而聞名。當氯氣被添加到水中時(shí)，氯分子發(fā)生水解，產(chǎn)生次氯酸和次氯酸根離子，共同構成了可用的游離氯。堿性氯化（在有過(guò)量氯存在的情況下，pH值大于9.5）是銷(xiāo)毀游離氰化物的必要條件。

術(shù)語(yǔ) "斷點(diǎn)氯化 "來(lái)自于觀(guān)察樣品在增加氯氣劑量時(shí)，剩余氯氣的最大減少點(diǎn)。理論上，處理氨的氯氣數量比是7.6份氯氣對1份氨。在實(shí)踐中，一般需要8：1至10：1的數量比。最佳pH值通常在6.0至7.0之間。需要注意提供足夠的氯來(lái)完成反應，以避免形成氯胺。此外，在總的氯需求中必須考慮到苯酚、亞硝酸鹽、亞鐵、亞硫酸鹽、硫化氫、游離氰化物和其他有機物的競爭需求。為了維持所需的pH值，可能還需要在廢水中添加堿度。每氧化1.0毫克/升的氨氮，就會(huì )消耗大約14.3毫克/升的堿度（以CaCO3計）。有時(shí)還需要對最終排放物進(jìn)行脫氯處理。這通常是通過(guò)添加二氧化硫、亞硫酸氫鈉或活性碳來(lái)完成。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝性能相當穩定，空間要求低，并能在一個(gè)步驟中降低氨的濃度。這種處理方法的缺點(diǎn)是可能形成三鹵甲烷（THM），增加總溶解固體（TDS），以及相對較高的運行成本。這就是為什么該技術(shù)通常只適用于處理小濃度的污染物，或作為拋光處理。