ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Авторы: J.-C. BOEGLIN, V.I. Acsenov, V.G. Dolina

Описание: В данной статье рассмотрены различные методы очистки сточных вод по каждому из основных переделов черной металлургии

Автор перевода: О.В. Дехтяр

Источник: Traitement des eaux residuaires dans la siderurgie

Наиболее крупными промышленными потребителями воды, а также наиболее крупными источниками образования значительных количеств загрязненных сточных вод являются металлургические предприятия. Так на 1 т. выплавляемой стали расходуется 150-250 м³ воды, которые отводятся в водные объекты, имея различные загрязняющие вещества. Сброс 1 м³ сточных вод делает не пригодными 20-50 м³ чистой воды.

Доля сброса сточных вод различными отраслями промышленности Украины (%) составляет:

1) Черная металлургия – 17,5

2) Химическая промышленность – 14

3) Целлюлозно-бумажная промышленность – 14

4) Машиностроение – 13

5) Нефтеперерабатывающая промышленность – 9,5

6) Пищевая промышленность – 9,5

7) Цветная металлургия – 7,5

8) Легкая промышленность – 3

9) Прочие (ж.д. транспорт, авиатранспорт и т.д.) – 12

Вода в технологических процессах на металлургических предприятиях может выполнять различные функции:

а) технологические – используется в качестве промышленного сырья, растворителя и реакционной среды;

б) экстрагенные – используется для извлечения из продукта нежелательных примесей, очистки газообразных выбросов, очистки твердых отходов от водорастворимых компонентов, мойки оборудования;

в) охлаждающие и транспортирующие.

Из всего многообразия функционального использования водных ресурсов в промышленных технологиях наибольшее количество используется в качестве охладителя (50-70%), растворителя (15-20%), транспортирующего агента (15-25%).

Очистка производственных сточных вод на металлургических заводах решается индивидуально для отдельных производств. Рассмотрим методы очистки сточных вод в отдельных отраслях черной металлургии.

ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

В доменных цехах сточные воды образуются в подбункерных помещениях при гидросмыве рассыпавшейся шихты и обеспыливании вентилируемого воздуха, а также от грануляции доменного шлака.

Сточные воды от охлаждения оборудования являются условно-чистыми. Количество их при водяном охлаждении составляет 15-20 м³ на 1 т выплавляемого чугуна, при испарительном охлаждении - 5-10 м³. Температурный перепад составляет 7-8°С.

Подбункерные сточные воды загрязнены механическими примесями (до 2-3,5 г/л). Общее количество сточных вод составляет около 2-6 м³ на 1 т выплавляемого чугуна. Гранулометрический состав взвешенных веществ очень неравномерен. Их направляют в отстойник, где они отстаиваются. Осадок из отстойников возвращается на агломерационную фабрику для приготовления шихты, а осветленную воду используют в обороте.

При доменном цехе в самостоятельный комплекс выделяют сооружения очистки доменного газа и по обработке сточных вод, образующихся от его очистки. В процессе плавки образуется около 4000 м³ газов на 1т чугуна, содержащих 5-20 г/м³ пыли. Эти газы проходят три этапа очистки: первый - "сухой", на котором задерживается 70-80% пыли, второй - "мокрый" - в скрубберах, орошаемых водой, уносящий около 15% пыли, и третий - на электрофильтрах, где задержанная пыль смывается водой. Общий расход воды составляет 4-9 м³ на 1000 м³ очищаемого газа или 20-30 м³ на 1 т. выплавляемого чугуна.

Очистка воды и подготовка ее к повторному использованию заключается в отстаивании и охлаждении (рис.1).

Рисунок 1 – Схема очистки и возврата сточных вод газоочистки доменного производства

Допустимое содержание взвешенных веществ в очищенной воде - 150 мг/л, что обеспечивается при продолжительности отстаивания 45-60 мин.

Выпадающий на дно отстойников осадок имеет довольно низкую влажность (около 80%) и состоит из тяжелых частиц. Осадок на 60% состоит из веществ, пригодных для возврата в доменную печь. Его удаляют из отстойников с помощью насосов и направляют либо на агломерационную фабрику, либо на брикетирование.

Все сказанное относится к доменным печам, выплавляющим литейный и передельный чугун (г.Днепропетровск, г.Донецк, г.Кривой Рог и др.).

Переработка шлака доменных печей обычно заключается в его грануляции. Количество сточной воды на 1 т. гранулированного шлака составляет 2,5 м³ для кислых и нейтральных шлаков и 5 м³ для основных шлаков. Сточные воды в зависимости от состава выплавляемого чугуна имеют кислую или щелочную реакцию и содержат сероводорода 10-30, сульфатов 100-150, хлоридов 50-80 и взвешенных веществ 300-650 мг/л.

Для осветления сточных вод грануляционных установок применяют горизонтальные отстойники, что явно недостаточно, т.к. они совершенно не очищают стоки от сероводорода, сульфатов и хлоридов.

Кислые сточные воды нейтрализуются известью, для щелочных сточных вод нейтрализации не требуется.

Все каналы и лотки систематически очищаются от откладывающихся на стенках кальциевых и кремниевых соединений.

СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

При производстве стали сточные воды образуются после охлаждения сталеплавильных печей и конверторов и после мокрой очистки газов.

При охлаждении сталеплавильных печей образуются условно-чистые стоки.

Количество сточных вод от мокрой очистки мартеновских газов составляет 7-10 м³ на 1000 м³ газа, что соответствует 3,7-5,2 м³ на 1 т выплавляемой стали. Средняя концентрация взвешенных веществ составляет 3 г/л, максимальная — 17 г/л.

В целях повторного использования сточных вод на газоочистке их необходимо осветлять до остаточного содержания взвешенных частиц 150-200 мг/л.

Для очистки сточных вод мартеновской газоочистки применяют радиальные отстойники или открытые гидроциклоны без коагуляции и с коагуляцией. В системе оборотного водоснабжения рН воды обычно равно 3.

Количество сточных вод, образующихся от мокрой очистки газов кислородных конвертеров, зависит от способа отвода и очистки газов. Количество сточных вод от газоочисток одного 100-130 т конвертора составляет 200-300 м³/ч, а 250-400 т конвертера - 2000-4000 м³/ч. Конвертерный цех состоит из двух-трех агрегатов. Поэтому количество сточных вод от газоочисток современного конвертерного цеха достигает 4000-6000 м³/ч.

Сточные воды от очистки конверторного газа загрязнены твердыми взвешенными частицами и растворимыми химическими веществами.

При проектировании систем очистки необходимо предусмотреть улавливание крупных взвешенных частиц (более 500 мкм) из сточных вод перед их поступлением на очистные сооружения.

Очистку сточных вод рекомендуется производить:

- в открытых гидроциклонах для газоочисток конвертерных цехов с расходом сточных вод 600-900 м³/ч;

- в отстойниках с камерой флокуляции для больших конвертеров (250-400 т), работающих п с расходом воды на цех 2000-4000 м³/ч;

- в флокуляторах гидроциклонного типа для конвертеров любой емкости.

Для интенсификации работы очистных сооружений используют добавки флокулянтов.

Концентрация твердых взвешенных веществ в шламовой пульпе от открытых гидроциклонов 100-150 г/л; от отстойников и флокуляторов 300-400 г/л.

Шламовая пульпа направляется на обезвоживание с последующей утилизацией шлама, а сливы после сгустителей и фильтрат обезвоживающих установок возвращаются на очистные сооружения для обработки их коагулянтами.

При стабильной обработке оборотной воды конвертерных газоочисток системы могут работать в полностью замкнутом (бессточном) режиме без сброса воды в водоемы.

При мокрой очистке газов электросталеплавильных дуговых печей образуются сточные воды в количестве 2-4 м³ на 1000 м³ газа или 3-6 м³ на 1 т выплавляемой стали. Они характеризуются содержанием мелкодисперсных взвешенных веществ 1000-10000 мг/л, наличием окислов железа, сульфатов, хлоридов, фторидов и др.

Сточные воды от взвешенных веществ могут очищаться как в радиальных отстойниках, так и в открытых гидроциклонах.

На рис.3 приведена принципиальная схема водоснабжения газоочисток сталеплавильных агрегатов с использованием открытых гидроциклонов.

Рисунок 3 – Схема водоснабжения газоочисток сталеплавильных агрегатов

ПРОКАТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

В прокатных цехах сточные воды образуются от ряда производственных процессов, таких как охлаждение нагревательных печей, подшипников и валков прокатных станов; смыв окалины.

Цехи горячей прокатки

В зависимости от типа прокатного стана количество сточной воды составляет 5-10 м³ на 1 т прокатываемого металла. Вода нагревается всего на 3-5°С.

Сточные воды загрязнены окалиной и маслом. Они содержат масло в количестве 30-50мг/л. Удельные количества загрязненных сточных вод приведены в табл.1.

Для возможности повторного использования сточные воды необходимо очищать. Очистка осуществляется обычно в две ступени. В качестве первой ступени очистки применяют первичные отстойники (горизонтальные, радиальные). Далее - вторичные отстойники с продолжительностью отстаивания 1-2 ч. Вместо вторичных отстойников возможно применение напорных гидроциклонов.

Возможна и третья ступень очистки, для которой применяют кроме сетчатых фильтров электромагнитные фильтры и гравийные или песчаные фильтры.

Электромагнитные фильтры имеют различные конструкции. Вода, проходя через намагниченную фильтрующую загрузку, очищается от взвешенных веществ и отводится через другой патрубок.

Гравийные или песчаные фильтры имеют различную конструкцию. Загрузку такого фильтра выполняют из гравия или щебня крупностью 40-60 мм. Гравий или щебень выполняет роль каркаса, препятствующего поперечному движению загрузочного материала при промывке.

Такие фильтры очищают сточные воды с содержанием взвешенных твердых частиц не более 100 мг/л до остаточного содержания их 5-8 мг/л.

Эффект очистки по взвешенным веществам достигает не более 50-70%, при этом очистка от растворенных веществ в фильтрах такого типа не происходит.

Цехи холодной прокатки

При холодной прокатке металла сточные воды, образующиеся от охлаждения оборудования, нагревательных агрегатов, масло- и воздухоохладителей, не загрязняются, а только нагреваются на 5-8°. Количество их составляет 25-30 м³ на 1 т прокатываемого металла.

Загрязненные сточные воды поступают от системы технологической смазки валков и прокатываемого металла.

В качестве технологических смазок применяют эмульсии или водяные растворы, называемые смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ). В их состав входят различные растительные или минеральные масла.

СОЖ необходимо использовать многократно в замкнутой циркуляционной системе. В процессе прокатки СОЖ загрязняются мельчайшими механическими примесями, а также солями и кислотами, остающимися после травления. Кроме того, СОЖ нагревается на 10-15%. Общее количество содержащихся в СОЖ частиц 200-650 мг/л.

В эмульсиях содержание неэмульгированных масел допускается не более 200мг/л, общая жесткость воды не должна превышать 2 мг-экв/л, предельная концентрация хлоридов - 25 мг/ л, сульфатов - 60 мг/л.

Маслоэмульсионные стоки очищают методом флотации при продолжительности процесса 6-10.

Флотация - это физико-химический метод очистки сточных вод от нерастворенных загрязнений и некоторых растворенных. Этот метод обеспечивает высокую эффективность очистки сточных вод от нерастворимых примесей и взвешенных веществ на 90-98%. Флотационные установки применяют для удаления из сточных вод масел, жиров, нефтепродуктов, смол, гидроокисей тяжелых металлов, полимеров и т.д.

При очистке промышленных сточных вод извлекают преимущественно мелкие шламовые частицы. Для их флотации нужны очень мелкие воздушные пузырьки, размерами в несколько микрон, и высокая степень насыщения сточных вод такими пузырьками. Для получения таких пузырьков во флотоаппараты иногда добавляют реагенты - пенообразователи (сосновое масло и пр.).

Напорные флотационные установки осуществляют подачу сточных вод во флотационную камеру насосом, с помощью которого производят насыщение жидкости воздухом. Отстаивание с флотацией уменьшает количество взвешенных веществ с 8-162 до 7-100 мг/л, эффект очистки 70-99%, и нефтепродуктов с 20000 до 7-174 мг/л, эффект очистки 68-99%.

Из приведенного выше видно, что все металлургические предприятия оказывают очень вредное воздействие на окружающую среду — водоемы, атмосферу и почву. Среди основных предприятий металлургии наибольшими загрязнителями являются: доменные цехи, сталеплавильное производство.

На долю доменного, сталеплавильного и прокатного производств приходится и наибольшее расходы воды на 1т производимой ими продукции. Эти воды могут быть в виде свежей чистой воды, условно-чистыми или загрязненными сточными водами.

Наиболее рациональным в решении проблем охраны водоемов от загрязнений сточными водами является создание замкнутых систем водоснабжения и водоотведения промпредприятий с использованием очистных сточных вод в системах технического и оборотного водоснабжения и забором свежей воды из водоисточников в основном для целей питьевого водоснабжения.

Существует три системы водоснабжения и водоотведения на металлургических предприятиях: последовательная (прямоточная), оборотная и замкнутая.

Прямоточная система подразумевает использование свежей воды в металлургическом цикле, ее очистку и сброс в водоем.

Оборотное водоснабжение и водоотведение – когда вся вода или ее часть все время находится в обороте.

Если оборотная система работает без какого-либо сброса оборотной воды в источник, то она является замкнутой. Вода из источника или другой системы поступает в нее лишь для восполнения потерь. Такие системы являются наиболее экологически чистыми. Это идеальный цикл, к которому нужно стремиться.

Огромные объемы потребления воды, дефицит источников водоснабжения и необходимость их охраны от загрязнения вынуждают предприятия максимально снижать сброс отработанных вод в источники и забор из них свежей воды, то есть максимально внедрять оборотные системы водоснабжения и максимально стремиться к достижению замкнутых циклов. Однако следует отметить, что создание оборотных и замкнутых систем требует дополнительных финансовых затрат, по сравнению с прямоточной системой.