清洁生产技术解决冶金业重金属污染问题

发布时间：2022-7-7 | 阅读次数：593

清洁生产技术解决冶金业重金属污染问题

??国家水专项“锰锌湿法冶金行业重金属水污染物过程减排成套工艺平台”课题创多项国内国际第一

锰、锌是国民经济的重要基础物质，锰是国家重要的战略资源，素有“无锰不成钢”之称。随着现代工业的发展，锰、锌在钢铁冶炼、电子技术、航天工业等各个领域的应用呈急剧扩大之势，尤其是在一些高新技术、航空航天和军事工业中得到了日益广泛的应用。

我国电解锰产能与产量均占世界的98%以上，电解锌产量连续十几年位居世界首位。

中国工程院院士段宁说，电解锰、锌行业的发展对提升国民经济、拉动地方经济起到重要作用，但也造成了严重的环境污染和生态破坏。为了解决这两个行业严重的重金属水污染问题，国家水专项“河流水环境综合整治技术研究与综合示范”主题专门设立了“锰锌湿法冶金行业重金属水污染物过程减排成套工艺平台”课题。该课题经过多年科技攻关，在电解锰、锌行业首次研发成功8项电解车间专用智能制造、自控削污等关键单项技术，以及以多功能机械手、出入槽精准定位为核心的多学科、大跨度、跨领域的多项单体技术集成技术，集成建设了与1万吨电解锌/年生产线相配套的示范工程；课题成果在世界最大电解锰企业宁夏天元锰业等企业应用，减污增效保护工人健康等效果良好。

传统电解锰锌重金属排污大幅超标

据统计，电解车间是锰锌行业重金属废水的主要来源，如年产3万吨电解锰企业，电解车间日产废水达300立方左右，其中六价铬离子浓度高达300毫克/升、锰离子浓度高达2000毫克/升、氨氮浓度最高达13000毫克/升；年产10万吨电解锌企业，电解车间每3天产生泡板重金属工艺废水150立方，其中含有高浓度的锌20克/升、锰3克/升、铜150毫克/升、铅40毫克/升、镉1毫克/升，废水中重金属含量大大超过国家排放标准。

段院士认为，电解锰、锌重金属水污染严重的根本原因是生产流程工艺落后、设备简陋。其现有末端治理技术或难以稳定达标，或成本过高，更无法解决操作环境对工人身体健康的危害。

据对锰、锌企业电解车间183个操作工人868个尿液、头发和指甲样品的分析结果，工人体内镉、铬、铅、砷、锰、锌、硒等含量超标严重.

电解锰锌行业首次研发成功智能削污等技术

锰锌电解车间的重金属废水产生过程源头多、面域大、流程长、移动性强，空间发散。段院士带领“锰锌湿法冶金行业重金属水污染物过程减排成套工艺平台”课题组，根据先减量、再循环原则，综合运用多相态污染物源解析和成因分析、水量平衡、金属元素平衡、工序用时平衡、热力学理论、电化学理论、数理统计模型和控制论正负反馈方法，创新性地研发了锰锌电解车间无高压水枪、无泡板槽、无废水外排处理的清洁生产工艺流程，确定各工序减量百分比、循环百分比、各工序最佳用时和工艺流程总用时等控制性指标。

其中，在电解锰、电解锌行业首次研发成功8项电解车间专用智能制造和自控削污等关键单项技术，以多功能机械手和出入槽精准定位为核心的多学科、大跨度、跨领域的多项单体技术集成技术，将原生产流水线上孤立分布的十几个工序，有机集成为一套成套化大型自动化装备，彻底取消了在电解锰、锌行业电解车间使用了70多年的高压水枪和100多年的泡板槽。

固体源削减技术使酸盐结晶物回收超98%

课题成果中，特别突出的是固体源削减技术。电解阴极板表面的硫酸铵及硫酸锌结晶物是工艺废水中重金属的固体来源，其分布在三维尺寸上具有很大的无规则性，出现频率具有很强的随机性，这也是导致后续使用泡板槽、高压水枪，并产生大量重金属废水的重要原因。

课题组通过研究不同材质表面光学特性差异、人工双目视觉模拟，利用双侧线扫描成像提取、双面视差重建三维轮廓等技术方法，以非接触光学识别原理为基础，首次在湿法冶金行业开发成功硫酸盐智能识别及干法去除技术，硫酸盐结晶物回收98%以上；还开发了脏板智能识别及分拣、变形板灵变识别及分拣等技术。

液相源削减技术削减清洗废水量、挟带金属量约80%

阴极板在电解出槽过程中，极板表面大量挟带液是电解车间清洗废水中重金属的最初液相来源，导致了大量极板清洗重金属废水的产生，通过开发阴极板挟带液的原位“刷收”技术，在极板出槽提升过程中，完成对阴极板挟带液的刷收，使其在原位回用，实现了重金属污染物的液体源源头控制。分别削减电解锰、电解锌电解出槽阴极板挟带液超过75%、80%。

此外，传统锰锌电解车间清洗极板过程中，废水产生量大，直接将其回用于工艺过程中，将导致系统水膨胀和重金属污染等。课题组研发的高效（逆流）针喷清洗技术，实现清洗水量的精确控制，通过优化组合集成高效（逆流）针喷清洗技术、比选喷嘴材质、调整和优化各项参数，实现全极板覆盖清洗和水的高效利用。削减清洗废水量80%以上，这也从水平衡上解决了工艺废水无法完全回用于主体工艺的问题。

“结合阴极板出槽挟带液原位刷收技术、硫酸盐智能识别及干法去除技术，实现电解车间工艺废水无外排处理。”段院士说。

世界首创“电解锰行业重金属水污染减排成套工艺平台”

以机械手为核心，集三维嵌入式软件控制系统、三维运行主体执行系统和三维运行功能执行系统于一体，以机械手带动刷收设备、安全防护装置和导向定位设备，实现了电解出槽阴极板挟带液的原位刷收、精准出入槽及其转运。在大跨度长距离生产流水线上，将上述智能化、阴极板挟带液原位刷收及高效（逆流）针喷清洗等技术设备在全流程上进行贯穿，扩展其不同空间的削污功能，使之成为一个整体，一次性整体解决了湿法电解工艺过程产生的重金属水污染。

段院士说，以上述核心单体技术为基础，在电解锰行业集成建设了与5000吨电解锰/年生产线相配套的成套工艺平台示范工程一座，实现机械手运动误差不超过正负2毫米。

从效果看，示范工程分别削减电解、钝化出槽阴极板挟带液77.84%、75.9%，削减硫酸铵结晶物98%以上，削减清洗废水产生量85.44%，实现硫酸铵及含锰和氨氮废水的循环利用。如在电解锰全行业推广后，年可削减重金属废水285万立方、减排锰615吨、重铬酸钾791吨、氨氮2575吨，经济效益显著。

据悉，“电解锰行业重金属水污染物过程减排成套工艺平台”是具有我国完全自主知识产权的大型成套装备，属世界首创，已申请国家专利15项，实现了国内外电解锰行业电解车间现代化和自动化水平重大突破。

课题组还集成建设了与10000吨电解锌/年生产线相配套的成套工艺平台示范工程一座，该大型成套装备实现机械手运动误差不超过正负1毫米；削减电解出槽阴极板挟带液82.26%，削减硫酸锌结晶物98%以上，削减清洗废水产生量80.12%，实现硫酸锌及含锌清洗水循环利用。在电解锌全行业推广后，年可削减重金属废水152万立方，减排锌17000吨、铅27吨、镉970 公斤。而“电解锌行业重金属水污染物过程减排成套工艺平台”是国内首创的大型成套装备，与国外同类产品相比，在智能制造和自控削污以及价格方面具备明显优势，已申请国家专利13项。

适用于电解铜铅镍等行业，应用前景广阔

段院士表示，“成套工艺平台”是一套大型成套装备，具有平台性质，既可应用于电解锰、锌两个行业，从源头上解决严重的重金属水污染问题，又可在该平台上增减个别部件或设备后，推广应用于电解铜、电解铅和电解镍等行业，具有极好的推广应用前景。

据悉，目前该技术成果已在国内外多家电解锰、锌企业推广应用，其中包括产能占全球1/3的世界最大电解锰企业宁夏天元锰业。

为进一步加快课题成果的推广应用，课题组还积极与国外最大的高纯电解锰生产企业??南非MMC公司建立国际合作关系，联合申请“十三五环境保护国际合作规划”、国家重点研发计划领域科技需求等项目；积极争取并成功将本课题的技术成果纳入工业和信息化部的工业清洁生产关键共性技术案例名录，扩大推广宣传；参加中国有色金属工业协会组织的行业技术交流，大力推广本技术应用等。（中国科技网北京3月17日电）