氧化鋁廢水“零排放”的探討
1、前言
貴州鋁廠氧化鋁廠始建于1958年，設計產能每年40萬噸，外排含堿廢水一直是困擾我廠的一個重大環境污染問題，其對周圍3鄉12村的農田以及下游麥架河及貓跳河流域均造成不同程度的污染，同時也造成了大量的堿流失和水資源的浪費，為消除污染，實現國家“一控雙達標”(即所有企業污染物的排放必須在2000年底實現達標排放)的目標，根據我廠實際情況，經大量的調查、論證，大膽地提出了具有創新性的課題---氧化鋁廢水“零排放”技術開發與研究。
2、廢水的來源及特征
氧化鋁廠外排廢水主要來源于生活污水(澡堂、廁所、宿舍、辦公室排水)、生產廢水(沖洗地坪、設備等)、設備冷卻水、雨排水、外單位排水(熱電廠軟水站排水及沖灰渣水、輕研所排水等)、工藝管道及設備的跑、冒、滴、漏等;具有總排水量大、不穩定的特點;其主要污染因子為懸浮物(200～500mg/l);堿(PH值達8～12)。
3、技術改造方案實施
本課題是一項綜合性的技術開發項目，其設計思路為：(1)治理污染源，對重點車間設備進行防跑堿改造，以降低廢水含堿濃度;(2)對水質要求高的設備冷卻水，采用自身循環，以減少廢水排放量;而對水質要求不高的設備冷卻水、有條件的生產用水點等，全部使用再生水代替工業新水;(3)充分利用赤泥回水、蒸發壞水代替工業新水，并保證赤泥回水量≥赤泥附液量;(4)根據生產實際情況以及《貴州鋁廠工業用水標準》，采用經濟實用的方法進行廢水處理。
3.1、抓源治本，降低廢水含堿濃度
在氧化鋁生產過程中，難免有高濃度的含堿廢水進入排水系統，使廢水含堿度升高，影響再生水回用。因此，加強和完善管理及設備維護，對重點車間進行防跑堿設施改造，是降低外排廢水含堿濃度的關鍵。首先在工藝上采用新工藝、新技術(如水泵采用先進的機械密封替代傳統的填料密封，用密封性能較好的漿液閥、注塞閥替代傳統的閘閥、截止閥等);其次對各生產車間大型槽罐(如沉降槽等)增設防跑堿圍子，將泄漏的高濃度含堿污水引入污水槽后再返回工藝流程，有效的防止堿液外泄。具體治理方案見圖1。
3.2、完善改造部分設備冷卻水，減少廢水排放量
對水質要求較高的回轉窯托輪、排風機、煤磨、格子磨、管磨、溶出磨等設備冷卻水，原設計均用工業新水冷卻后直接排放(排水量100～200m3/h)。為減少廢水排放量，進行相應的改造。
3.2.1、窯磨循環水系統的改造
針對燒成車間煤磨、排風機、燒成窯托輪以及熟料溶出磨、配料格子磨、管磨等設備相對集中的特點，將這些設備的冷卻水集中回收循環使用，形成獨立的窯磨循環水系統，有利于管道鋪設和經濟運行。
3.2.2、焙燒窯托輪、風機冷卻水改造
焙燒車間焙燒窯托輪、風機冷卻水耗水量約40～80m3/h，由于采用單一水源——工業新水供水，一旦發生停水事故，焙燒窯就停運。根據生產實際情況，充分利用現有空壓循環水系統的富余能力供水，將焙燒窯托輪、風機冷卻水納入空壓循環水系統，不增加水泵開啟臺數，而且改造時保留原有工業水供水流程，形成雙水源供水，不僅減少了廢水的排放量，而且提高了供水的可靠性，保證了焙燒窯可靠穩定地運行。
3.3、污水處理系統完善改造
氧化鋁廢水“零排放”技術開發與研究中，廢水的再生處理、循環利用，是實現廢水“零排放”的基礎。原污水處理系統將廢水處理后作為全廠循環水和燒成循環水的補水，沉淀池底流利用虹吸泥機吸出，但實際排放的廢水量遠遠大于循環水的補水量，加之原設計中只有一個平流沉淀池，當吸泥機出現故障或清理沉淀池時，整個污水處理系統就停止工作，大量廢水直接排入環境，改造前流程見圖2。因此，有針對性的對污水處理系統進行了完善改造。
3.3.1、污水處理系統沉淀池改造據測定統計，現有的一個污水平流沉淀池的處理能力(最大處理能力Q=500m3/h)遠不能滿足生產需求，故新建平流沉淀池一個。
新建平流沉淀池核算：有效水深H=3m、池寬B=9.2m、池長L=40m，污水在沉淀池中的沉降時間2.2h(t=H×A/Q，A為沉降面積)，其長寬比L/B=4.35>4，能確保污水在池內均勻分布。
平流沉淀池水力條件復核：
水流截面積ω=3×9.2=27.6m2;
水池濕周x=9.2+3×2=15.2m;
水力半徑R=ω/x=27.6÷15.2=1.82m;
水平流速v=Q/ω=500÷27.6÷3600=5.03×10-3m/s;
弗勞德數Fr=v2/R·g=(5.03×10-3)2/1.8×9.18=1.41×10-6。
由計算結果看出，改造后的沉淀池完全滿足普通平流池的設計參數要求。
新建平流沉淀池的底流污泥采用虹吸泥機連續排放，平均污泥流量80m3/h左右。改造后的兩個平流沉淀池，隨廢水量的變化既可互為備用又可同時運行，其最大處理能力為1000m3/h。
3.3.2、廢水總排放口完善改造
原廢水總排放口是氧化鋁廠所有廢水的唯一匯水點，需考慮完善有效的防洪措施，同時也是污水處理系統理想的污水源取水點，為滿足廢水“零排放”和泄洪要求，在總排口與洗馬河的匯合口安裝兩個閘板對總排截流，又作雨季泄洪用;廢水全部引入污水泵房送平流沉淀池。由于生活污水中有大量的漂浮物，在污水泵房集水池前安裝1臺可升降式人工格柵和2臺鏈式機械格柵，避免了較大的漂浮物進入污水源泵和平流沉淀池，如圖3。
3.3.3、沉淀池污泥處理流程改造
在污水處理系統的改造中，沉淀池污泥的處置是系統能否正常穩定運行的關鍵。原設計對沉淀池污泥投加聚丙烯酸鈉，在濃縮槽中經2h沉淀后，送至二赤泥貯槽與赤泥一起送赤泥堆場。但實際運行受二赤泥外排貯槽控制性較差和輸送量不穩定等因素的影響，污泥濃縮系統的穩定性和可靠性得不到保證。另外，受污泥輸送流程的影響，虹吸泥機時常間斷運行，造成虹吸泥機堵塞，使污水處理系統不能正常工作。為此，對平流沉淀池污泥處置作了如下改造，見圖4。
氧化鋁生產過程中，排棄的赤泥，需用熱水(300m3/h)洗滌，原利用全廠循環水在脫硅熱水槽中加熱后洗滌赤泥，由于該流程對水質的要求不高。故改用未濃縮的平流沉淀池底流送脫硅熱水槽代替部分全廠循環水加熱后用于赤泥洗滌。該方法徹底打破傳統設計的束縛，充分利用本廠生產工藝特點，創造性的把污泥處置與生產工藝流程有機的結合起來。運行1年多來，用平流沉淀池的底流代替部分循環水參與洗滌赤泥，并隨赤泥一起沉降后送赤泥堆場，對赤泥的輸送系統不產生任何波動，同時還解決了虹吸泥機因間斷運行造成虹吸管易堵塞的難題.由于簡化了流程，節省了對污泥濃縮、絮凝沉降、干化等一系列的設備投資、管理和運行維護費用，達到了污泥處置經濟運行的目的，為污水處理系統穩定運行提供了保證;同時在國內同行業中開創了先河，摸索出一條經濟處置氧化鋁廢水沉淀污泥的新途徑，具有極高的推廣運用價值。
3.3.4、增設沉砂池及配套設施氧化鋁廠的排水系統為“合流制”，污水中夾帶大量砂石，易造成虹吸泥機堵塞或因砂石比重較大無法排出而在平流沉淀池內淤積。所以在平流沉淀池的前端增設了兩個沉砂池，投用1年多來虹吸泥機運行正常，沉淀池清池周期明顯延長。
3.3.5、氧化鋁廢水的深度凈化要使氧化鋁廢水達到“零排放”，就意味著所有廢水經處理后必須全部回用，而處理后再生水水質的好壞是循環使用的基本前提。根據《貴州鋁廠工業用水標準》，以及氧化鋁廠各再生水用水點的實際情況，對再生水進行深度凈化處理的目的是降低再生水的懸浮物濃度(≤20mg/l)。經多次考查、論證并結合本廠污水處理系統的特點，增加了四套高效纖維過濾器及配套設施，對再生水進行深度凈化處理。擴建改造后的污水處理系統流程見圖5。
3.4、開發利用再生水，提高循環利用率
從我廠廢水的排放特點來看，要使氧化鋁廢水實現“零排放”，必須消化大量生活污水和外單位排水，因此，大力開發再生水的使用極其關鍵。
經沉淀處理后的再生水，除含堿濃度略高外，硬度比工業新水還小，所以在某些對堿度要求不高的場所，完全可用再生水替代工業新水，這不僅可以節約工業新水用量，還能減緩管道和設備的結垢。經大量反復試驗，主要從以下方面進行改造。
3.4.1、完善再生水輸送管道充分利用原有廢棄的工藝物料輸送管道，完善再生水輸送管網改造，形成全廠范圍內的再生水樹狀輸水管網布局。安裝2臺再生水中間加壓管道泵。
3.4.2、普通場所的供水改造廁所、各車間地坪沖洗用水、清理車間洗車場沖洗工藝車用水等，全部改為用再生水代替。
3.4.3、再生水用于部分生產設備泵在氧化鋁工藝生產過程中扮演了極其重要的角色。據統計我廠僅泵的耗水量就達80～100m3/h，將所有泵的引水全部改用再生水代替工業新水。
3.4.4、再生水代替工業新水補水氧化鋁生產過程中，需要大量的堿，用含堿的再生水代替工業新水，不但節約工業新水，還可減少堿的損失，逐步降低再生水的含堿濃度(至少可在一定濃度范圍內形成平衡點)。再生水代替工業新水補水有5種途徑：(1)用于全廠循環水池、燒成循環水池補水;(2)用于4#蒸發循環水補水;(3)各車間清洗槽、罐、刷車、沖洗濾布等均改用再生水;(4)用于石灰爐濕式電除塵清灰、石灰爐循環水池補水;(5)用于過濾真空泵循環水池補水，多品種車間熱水槽補水。
3.4.5、再生水用于洗滌氫氧化鋁由于洗滌氫氧化鋁的熱水，通常是用“新水+蒸汽”制作而成。經過試驗改用蒸發壞水(因蒸發器串料等影響被污染而含堿的蒸汽冷凝水，水溫約為70℃)和真空泵使用后的再生水(水溫約為40℃)，代替原來的新水，這不僅節約了工業新水，還充分利用了余熱。該項技術在國內同行業中尚屬首創。其流程如圖6。
此技術開發項目于1999年9月實施并運行，氧化鋁廠中心化驗室對再生水用于洗滌氫氧化鋁后的產品測定結果表明：用再生水洗滌氫氧化鋁成品后，氫氧化鋁含水率、附堿等各項指標均達到了規程要求。同年出廠綜合氧化鋁，二級以上品級率為100%，一級品率為99.13%，一級品率比1998年提高2.81%;2000年出廠綜合氧化鋁，二級以上品級率繼續保持100%，其中一級品率為99.91%，較1999年提高0.78%，且帶式洗滌氫氧化鋁附堿全年有7個月合格率為100%，年平均合格率為99.83%，創歷史最好水平。可見用再生水洗滌氫氧化鋁對產品的質量沒有任何影響。
3.5、充分利用赤泥回水，實現真正意義的“零排放”
由于氧化鋁生產過程中排出的赤泥帶有一定數量的附著液，隨赤泥排至赤泥堆場的水量約為140m3/h，只有將赤泥的附著液全部回收利用，才能達到真正意義的“零排放”。經過增設赤泥回水中間加壓及大力開發赤泥回水利用等技術改造項目的實施，使赤泥回水用量逐年增加，現回用量已達180～220m3/h，達到了完全回收赤泥附液的目的，不僅節約了大量新水，同時還可回收大量的堿和氧化鋁。
4、氧化鋁廢水“零排放”技術開發與研究項目運行效果
污水處理效果：“氧化鋁廢水‘零排放’技術開發與研究”項目的實施，使氧化鋁廠污水處理系統能穩定、連續、持久運行，經深度凈化后，出水水質懸浮物含量≤20mg/l，達到貴州鋁廠工業用水標準;廢水處理量及再生水回用量大幅增加，由1997年的140.04萬m3，增加到2001年的638.54萬m3。
節水減污效果明顯：2001年全年用工業新水量382.63萬m3，較1997年減少264.47萬m3，降低幅度為40.87%;1997年外排廢水量247.39萬m3，降為2000年底外排廢水實現“零排放”。
降低繳納污水排污費：由1997年的69萬元，降為2001年的0.0578萬元，降幅達99.92%。
降低環境污染賠償費：由1997年的32.10萬元，降為2001年的23.14萬元，降幅達27.91%。
各項環境指標大幅改善：污水排放量、單位產品耗水量等環保指標分別創歷史最好水平。
2000年順利通過國家“一控雙達標”的驗收。
綜合效益分析：“氧化鋁廢水‘零排放’技術開發與研究”項目的實施，實現了廢水的“資源化”和真正意義上的廢水“零排放”，消除了對周圍河流的水體污染與破壞，減少了堿的流失、節約了工業新水用量、降低了氧化鋁生產成本，創造出良好的環境效益，同時也產生極高的社會與經濟效益。
環境效益：
(1)減少向貓跳河流域排放含堿污水247萬m3/a、懸浮物897t/a、堿(折合Na2CO3)1463t/a;
(2)消除了氧化鋁廠含堿廢水對河流生態環境、農田和飲用水源的污染和影響，有利于農業生產及生態環境的保護和恢復。
(3)對保護長江上游水系和長江流域的生態環境具有重要價值和示范意義。
社會效益：
(1)有利于樹立企業良好形象，為企業可持續發展創造有利條件;
(2)有利于密切廠地關系及污染地域社會的安定團結;
(3)有利于改善周圍環境，支持地方經濟的發展;
(4)為其他企業和同行提供了有益的經驗和借鑒。
經濟效益：
(1)減少繳納污水排污費：69萬元/年;減少環境污染賠償費：10萬元/年;
(2)回收廢水中的堿(折合Na2CO3)：1463t/年，節約費用：176萬元/年(Na2CO3按1200元/t計);
(3)節約新水量247萬t/a，節約費用：126萬元/年;
(4)每噸廢水處理費用按0.30元計，則增加運行成本74萬元/年;
年經濟效益為：69+10+176+126-74=307萬元/年。
(5)環保治理投資621萬元。
項目投資回收期：T=K/H
式中，T—投資回收期;
K—投資額;
H—投資項目年收益
T=621/307=2.02(年)。
項目投資利潤率：
投資利潤率=年利潤總額/項目總投資×100%=307/621×100%=49.44%。
5、結論
氧化鋁廢水“零排放”項目的實施具有以下特點：
(1)對氧化鋁廢水實行綜合治理，分類處置，有創新地進行“零排放”治理研究，做到了真正意義的廢水“零排放”，滿足了“零排放”平衡條件：總排口外排廢水量≤0;
送赤泥大壩赤泥附液量≤赤泥附液回用量(赤泥回水量)。
(2)把廢水治理與氧化鋁生產工藝有機地結合起來，做到了抓源治本、有的放矢、分類治理、綜合處置。并采用新工藝、新技術，大膽創新，經濟合理，流程簡單實用。
(3)根據再生水用戶對水質的不同要求，選擇合理的污水處理工藝(沉淀—過濾)，實現了廢水的經濟處理和經濟運行。
(4)對重要設備、關鍵工藝等用水點采用了雙水源供水，即再生水與工業新水互為備用，極大的提高了工藝設備的運行可靠性。
貴州鋁廠氧化鋁廢水“零排放”項目的成功，使長期以來一直困擾和制約我廠發展的“氧化鋁廢水排放”問題得到了徹底的解決，使我廠在開展水資源綜合利用以及廢水“資源化”方面取得重大進展。在同行業特別是聯合法生產氧化鋁行業中率先實現了真正意義的廢水“零排放”。不僅有著每年300余萬元的直接經濟效益，而且還有著無法估量的社會效益和環境效益，特別是對改善麥架河及貓跳河流域生態環境，保護長江上游生態環境和防止長江水系的污染惡化有著極為重要的現實意義和極佳的示范作用，同時對地方經濟的發展和周邊社會的穩定也將產生積極作用，對同類企業有著很好的借鑒和推廣應用價值。
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