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钢铁严防重金属污染 保生态水系安全,提升废水资源化水平 走低碳循环之路

已有 607 次阅读 2021-4-7 09:07 |系统分类:观点评述

      

      近期,本人接受《中国环境报》记者采访,对钢铁行业如何防控铊类重金属污染,如何有效提升废水资源化水平等问题进行回答,但总觉有言之未尽之处,在此做补充说明,与各位同仁朋友探讨,请大家指正。


一、严格管控铊类重金属污染,保生态水系安全  

2021年1月20日,嘉陵江入川断面水质自动监测站数据显示铊浓度超标,事件发生以来长江上游嘉陵江及其支流铊浓度超标事件备受各方关注。1月28日,生态环境部在新闻例行发布会上就此事的调查进展进行了公布,经排查,铊浓度超标事件污染来自嘉陵江两条支流,基本确定甘肃厂坝有色金属有限责任公司成州锌冶炼厂、陕西略阳钢铁有限责任公司分别造成嘉陵江支流青泥河、东渡河铊浓度异常。生态环境部获悉消息后,高度重视并连夜派出工作组现场督导,在多方努力下,自1月21日20时,东渡河水质持续达标,1月27日2时起,青泥河入嘉陵江水质达标。

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 图:东渡河水体应急处置工程

2010年10月18日,广东省北江上游曾发生过铊污染事件,事故原因为中金岭南有色股份公司韶关冶炼厂违法排污所致。2017年5月5日,嘉陵江广元段也曾发生过铊污染事件,经调查,事故原因为汉中市宁强县燕子砭镇汉中锌业铜矿有限责任公司排放含铊废水所致,事故原因均为有色冶金行业排放含铊废水所致。在本次嘉陵江铊污染事件中,污染源分别来自有色冶金和钢铁冶金企业,其中青泥河铊污染源头为甘肃某有色冶金企业,八渡河铊污染则来自陕西某钢铁冶金企业。本人参与了事故现场调研,从钢铁行业环保技术工作者的视角,提出如下启示与建议,避免钢铁企业再发生类似重金属污染污染事件。

      启示1:高度重视含铊原料矿石的源头管控

铊是一种典型的稀有分散元素,在地壳中的丰度较低,极少单独形成具有开发价值的矿床,通常与长石、云母等硅酸盐矿物和铅、锌、铜、砷、梯、硒等元素的硫化矿物共生。一般来说,铊会伴随煤炭、金属矿物的消耗过程进入环境,每年的排放量高达5000 t。冶金、电力、化工、矿山采选工业排放的废水和烟尘是铊进入环境的主要途径,带来水体和土壤污染,造成慢性中毒、危害公众健康。与较为常见的五毒元素(汞、镉、铅、铬和砷)相比,铊的危险性和毒性更大,微量摄入即可致死,因此铊化合物是世卫组织重点限制清单中列出的主要危险废物之一,也被我国列入优先控制的污染物名单。

铊污染的的来源是冶炼过程中使用铊的矿石和辅料。这就要求钢铁企业在原料采购过程中,选择铊含量较低的铁矿石和辅料,根据企业条件建立相应标准。要求原料供应方提供铊含量检测报告。原料使用过程中,企业要定期抽检。值得注意的是,因铊与硫易伴生,钢铁企业往往对硫酸渣等高硫原料重点检查,而易忽略进口矿石原料的铊类重金属检测。在本次铊污染源调查中发现,进口矿石同样存在铊超标现象。在呼吁国家相关部门尽快制定进口铁矿石铊含量标准的同时,钢铁企业自身也要重视对进口矿石的铊含量的检测工作。

因钢铁企业的经营属市场行为,需考虑经济可行性,如不可避免需使用含铊量较高矿石冶炼,则企业除应加强对原料监管之外,应制定全厂铊元素平衡图,做好铊从进厂到出厂的全过程评价工作,切实做到定量管控和定期监测。

启示2:重点抓好烧结炼铁区域关键点管控

结合本次调研情况,钢铁企业的烧结、炼铁区域铊污染源风险较大,应作为重点管控对象。在烧结工序中,铊类化合物会在高温条件下发生气化,随烟气会进入后续脱硫工序。在采用闭路或者半闭路循环的烟气脱硫系统中,铊随碱性吸收液的多次循环并逐步富集,最终随脱硫废液排出系统,企业务必要重点监管脱硫废液的终端处置过程。此外,全厂渣处理工序的用水管控同样值得关注,如炼铁的高炉水冲渣,因存在大量的渣水换热蒸发,往往作为钢铁企业低品质水的集中消纳点。科学利用钢铁生产的特有条件协同消纳场内低品质水是值得提倡的,但应以做到两个无害为前提,即前端充分脱毒无害环境和人员,后端则应对资源化利用过程无害。

 启示3:采取水系统多级控铊安全保障措施

本次铊污染路径主要是钢铁企业无意识的雨污混排导致。为避免铊污染事件的发生,钢铁企业应积极采取水系统多级控铊安全保证措施,采取烧结烟气脱硫碱液循环系统、全厂事故应急系统、含铊尘泥处置系统的三级控铊安全保障措施。首先,脱硫废液尽可能实现零排,脱硫废液、废水单独处置不混入其他系统。其次,应建立全厂事故应急系统,应急系统具有事故储存和处置的功能。事故状态下可将脱硫碱液排至应急系统储存池内。事故池在设计上要充分考虑防渗并做渗漏监测。另外,含铊尘泥的处置过程也要做到精细管控,关注污泥车辆运输过程中的轮胎冲洗水是否排入雨水管、丰水季污泥转运间进水导致含铊污泥随雨水外排等,坚决杜绝雨污混排,防止河流洪水季的厂区倒灌。在生产工艺选择上,尽量选择高炉煤气干法除尘、半干法烟气脱硫等工艺,源头减少含铊废液产生量。

另外, 2020年12月31日,生态环境部颁布了《钢铁行业水污染排放标准》(GB13456-2012)修改单。根据修改单要求,钢铁行业新建企业或设施于2021年1月1日正式执行,现有企业或设施于2022年1月1日执行。本修改单中唯一增加的指标即为排水总铊,要求钢铁企业直接排放和间接排放水中铊含量均不得超过0.05mg/L。在《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中规定的铊含量限值为0.0001mg/L。在我国《地标水环境质量标准》(GB3838-2002)中,集中式生活应用水地表水源地特定项目铊标准限值为0.0001mg/L。结合上述标准,具有生产排污许可的钢铁企业在涉铊指标上,既要满足行业排放标准,还要满足受纳水环境质量标准,企业要充分与属地环保部门沟通,科学制定排放标准。

 启示4:打造完备的铊重金属监测检测体系

在2020年12月31日生态环境部颁布的《钢铁行业水污染排放标准》(GB13456-2012)修改单中,对总铊的监测和检测提出了明确要求:1、总铊排放监控位置指脱硫废水处理设施排放口(如无处理设施时,指脱硫废水循环水池出水口);2、企业应按要求开展自行监测,对于总铊,自行监测频次至少为半年一次。3、重点排污单位应当按要求安装重点水污染物排放自动监测设备,与生态环境主管部门的监控设备联网,并保障监测设备正常运行。4、总铊检测方法采用电感耦合等离子体质谱法(HJ700)。综上所述,各钢铁企业应严格按照国标要求,建立铊的监测检测体系,如企业不具备铊的监测检测能力,应委托有资质的第三方进行定期执行,过程数据及时存档并可追溯。在总铊的检测过程中,要注意参照HJ493进行样品保存和检测结果的干扰源消除。

 启示5:建立科学的排放口铊超标应急预案

钢铁企业应建立排放口铊超标的应急预案并报送属地政府环保部门。如出现总排放口铊超标情况,应迅速切断企业涉污排口,第一时间启动应急预案并及时上报,按照既定应急预案做到有效组织、高效运转,最大程度减少事故造成的损害。同时,加强企业应急能力建设,应急物质储备、监测设备维护和人员培训都不能忽视。

 启示6:通过宣传教育强化全员的环保意识

在钢铁企业内,应加强铊污染危害、处理技术、管控方法等内容的宣传教育工作,提升全员的环保意识和管理能力,完善企业环境行为自我约束机制,严格落实企业环保责任制。

 综上,钢铁企业应吸取本次嘉陵江铊污染事件的经验教训,及时基于企业自身条件制定铊污染管控策略并建立有效的保障机制,避免铊污染环境事件再次发生。上述主要站在“防毒”和“限制”的角度结合本次铊污染调研情况进行讨论,但要真正实现标本兼治和良性循环,开发推广经济可行的铊资源化技术同样重要。据调研,铊被广泛用于电子、军工、航天、化工、冶金、通讯等各方面,位列美国2017年发布的《美国的关键矿产资源—经济和环境地质及未来供应展望》报告中所列43种关键金属和欧盟2018年发布的《关键原材料和循环经济》报告中所列27中关键金属之一。从全球范围看,铊是在未来几十年支撑全球发展的战略性关键金属之一,尽管我国目前铊矿并不缺乏,但从生态保护和长远发展着眼,实施环境防控优先,资源化方向引导的重金属管控策略,即可从根本上消除钢铁生产过程中的铊污染风险,又在冶金生产过程中同时富集和分离可用铊产品,这对守护我们的绿水青山和促进钢铁行业高质量发展均具有重要意义。


  二、提升废水资源化技术水平,行低碳循环之路

今年初,国家发改委等10部门联合印发了《关于推进污水资源化利用的指导意见》(以下简称意见),根据意见,我国污水资源化利用的重点领域包括城镇生活污水、工业废水、农业农村污水等三方面。意见提出,要着力推进重点领域污水资源化利用,火电、石化、钢铁、有色、造纸、印染等高耗水行业项目具备使用再生水条件但未有效利用的,要严格控制新增取水许可。钢铁行业作为能源、资源密集型的用水大户,水耗占工业总水耗10%左右,废水排放量占工业废水总排放量的14%。近年来,在政策和经济双重影响下,我国钢铁行业废水回用率有较大提高,但从钢铁企业地域分布上看,钢铁行业内水资源保障任务仍然艰巨。

2020年我国粗钢产量为10.65亿吨,废水产生量约为1.6m3/吨,全年共产生废水16多亿吨,一年按照8000小时算,每小时产生20多万吨废水。从钢铁企业地域分布上看,钢铁集中度高的津冀地区,2020年粗钢产量约为2.5亿吨,而津冀地区属水资源严重短缺区域,在此类区域的钢铁工业发展用水供需矛盾十分突出。

钢铁企业内的废水资源化应主要瞄准全厂综合废水(主要包括钢铁企业烧结、炼铁、炼钢、轧钢等生产工序浊循环水系统排污水和冷轧、焦化等经单独处理后达标排放的废水)回用。综合废水具有量大而且污染程度轻的特点,水量可达企业新水用量的40%,花不大的成本即可将这些废水资源化利用,可大大提高企业水资源利用率,减少吨钢新水用量,性价比较高。在2000年以后,钢铁企业综合废水处理项目建设大幅增速,现基本已成为钢铁企业必备设施。比如在河南济源钢铁有限公司污水处理工程实现了年处理工业废水850万m3,工程投运后,全厂综合废水实现了100%回收、循环使用,改善了企业环境,节省了排污费用,提升了供水安全性,也为企业开辟了可靠的“第二水源”,工程获2020年度冶金行业优秀设计一等奖。

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图:河南济源钢铁有限公司污水处理工程

整体上看,钢铁行业废水回用率指标逐年提升,良性发展,但也存在显著的地区差异性。绝大部分钢铁企业废水回用率都能达到50%以上,缺水地区钢铁企业废水回用率往往达到90%以上。之所以不同企业回用率不同,其实是受工业用水成本的影响较大。有些长江地区附近的企业,取水才几毛钱一吨,因此企业重复利用再生水就没有经济动力,企业往往考虑达标排放,因此废水回用率自然就低。对缺水地区的钢铁企业来说,完善废水回用设施可以较大的节省用水开支。以京津冀地区为例,2012年,工业用水就已经接近8元/吨,但如果把综合废水深度处理后回用,成本也就3-4元/吨,在经济驱动下,企业就会自发配备综合废水深度处理与回用设施。2012年,天津钢铁综合废水处理工程设置了“MF+RO”深度处理设施, 2014年又增设了RO浓盐水再利用设施,全厂综合废水经处理后,部分作为天钢生产用水和循环水系统的补充水;部分再经过深度处理后作为一级除盐水供至全厂高品质用水点,水处理过程中剩余的浓缩液通过渣处理全部消纳。

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图:天津钢铁综合废水处理工程

意见在指导思想部分提出,城镇污水资源化的利用以工业利用和生态补水为主要途径。事实上,意见正反映了钢铁行业近些年实际在做的产城融合相关工作。2019年我国城镇污水排放量约750亿立方米,再生水利用量尚不足100亿立方米。对钢铁行业来说,城市污水/再生水具有水量水质稳定的特性,经适当处理可制备生产新水、软化水、除盐水,是钢铁企业理想的‘新水源’。在2009年,河钢唐钢污水处理中心项目就分别建有两个序列,其中一个序列就是处理全厂的综合废水并回用。另一个序列就是将城市污水厂的再生水直接接到厂里,然后经过厂里处理后,作为全厂新水的补充水。同年,太原钢铁厂区内也建成了50000吨/天的城市生活污水处理中心,处理太原市北沙河、北涧河和尖草坪地区的生活污水,经生化、脱盐处理后,全部回用于太钢生产,实现了城市污水的工业资源化利用。总之,钢铁行业利用城市污水/再生水起步并不晚,在很多地区取得了卓有成效的成果。

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图:河钢唐钢污水处理中心项目

对标意见要求,钢铁行业废水资源化工作还存在一些不够精细的地方。十四五期间,我觉得应以“精细管控+多元协同”为发展方向,全面提升钢铁企业废水资源化水平,“精细管控”应以基于水质精准解析的膜污染控制和多级水循环系统的智能管控为关键点,“多元协同”则应从企业内的废物资源化协同处置、企业间的废水资源化协同和产城间的水资源协同三个维度进行深入思考并实施,按照意见的方向引领进行升级、优化,促进钢铁行业绿色可持续发展。”

钢铁行业最迫切需要改进、升级优化的是如何在生产中科学的把浓盐水有效又经济地消纳掉。这是一个过程性难题,是钢铁企业进一步提高废水回用率的瓶颈。针对钢铁企业浓盐水资源化利用,应因地制宜,一企一策的制定浓盐水资源化利用方案,首先企业应建立全厂的盐平衡管控,切实提升重视程度,特别应杜绝生产过程中人为加入的盐类物质。从技术角度,一企一策的制定具有行业和地域特点的浓盐水资源化利用方案,执行过程中首先应重在梳理与管控,避免一刀切的上马蒸发类末端处置设施。此外,RO膜污堵的精准管控应提升到显著位置,深究其理,外化于行。同时,在有条件地区也应积极推广微藻人工湿地等低成本高成效的处理方式,拓展区域生态补水资源化路径。

还有一个值得思考的问题是,园区内企业间废水梯级利用存在一定的风险。意见中提出,有条件的工业园区统筹废水综合治理与资源化利用,建立企业间点对点用水系统,实现工业废水循环利用和分级回用。 推进园区内企业间串联用水、分质用水、一水多用和梯级利用。废水资源化利用首先要把各类废水看做为一种资源进行管控。如在北京亦庄产业园区内,很多食品企业的废水经脱毒除油后,就可成为良好的城市污水脱氮碳源,可直接送至城市污水厂进行处理,即可减少企业治污成本有可减少城市污水厂碳源购置费用。

意见还对工业企业提出要求,即开展企业用水审计、水效对标和节水改造,推进企业内部工业用水循环利用;完善工业企业、园区污水处理设施建设,提高运营管理水平,确保工业废水达标排放。开展工业废水再生利用水质监测评价和用水管理,推动地方和重点用水企业搭建工业废水循环利用智慧管理平台“我认为意见中这些描述是非常精准的,指明了众多钢铁行设计院、研究院和服务商的业务发展方向。比如,获工信部2019年钢铁行业绿色制造系统解决方案供应商第一名的中冶京诚工程技术有限公司,在2015年便建立了工程数字化中心,以设计为先导,以智能化为目标,为工程注入数字化基因,实现工程建造全生命期信息的数字化交付,为钢铁行业注入了数字化新动能。


作者:

                   

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梁思懿  教授级高工

中冶京诚工程技术有限公司 水务事业部 主任工程师

清华大学创新领军工程博士

ISO/TC282 国际标准化组织水回用技术委员会 委员

工业水处理及资源化循环经济技术中心 副主任

北京科技大学 荣誉教授

中国电子装备技术开发协会绿色制造专家委员会 副主任


参考链接:

嘉陵江铊污染源头竟是钢铁企业,该如何预防?

https://mp.weixin.qq.com/s/tAT15V1U5YWKjNwfTbzb0w

钢铁行业怎么深挖废水回用潜力?

https://res.cenews.com.cn/h5/enews.html?content=13749&t=1617670140959




http://blog.sciencenet.cn/blog-3421185-1280700.html

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