Теоретические основы защиты окружающей среды. Охрана водного бассейна в металлургии. Учебное пособие

3.3.3. Сточные воды от грануляции шлака

Удельный расход воды при гидроударном способе грануляции шлака колеблется в пределах 1,7…3,1 м3 (в среднем 2,4) на 1 т жидкого шлака.

В процессе грануляции до 40 % воды безвозвратно теряется на испарение. Усредненный состав сточных вод характеризуется следующими показателями, мг/л:

3.3.4. Сточные воды от разливки чугуна

На разливочных машинах вода расходуется для охлаждения слитков, транспортных лент, конусных плит, чугуна в вагонах, на душирующие установки, а также на приготовление известкового молока для опрыскивания мульд. Удельный расход воды на разливочные машины составляет от 1,5 до 5 м3 на 1 т чугуна; около 20 % воды в этой операции теряется на испарение, остальное количество отводится в виде сточных вод в канализацию. Основные загрязнения этих сточных вод – механические примеси в виде окалины, известь. Состав примесей характеризуется величинами, представленными в табл. 3.1.

3.3.5. Методы очистки сточных вод доменных цехов

В газоочистке доменных печей используется оборотная вода. При этом сточные воды от газоочисток подвергаются осветлению до со-

41

держания взвешенных веществ 150…200 мг/л и направляются в оборотную систему.

Осветление воды при ее отстаивании происходит медленно, поэтому процесс проводится в радиальных отстойниках с камерой флокуляции и с использованием коагулянтов (FeCl3, Al2(SO4)3 – 30…35 мг/л) совместно с флокулянтами (полиакриламид – 1 мг/л).

Водоснабжение подбункерных помещений доменных печей организуется по оборотной схеме. Для очистки сточных вод применяется несколько разновидностей очистных сооружений, чаще всего горизонтальные многосекционные отстойники, работающие с удельной нагрузкой 1…1,5 м3/(м2· ч). Осветление воды производится до остаточной концентрации взвешенных веществ 100…150 мг/л. В некоторых случаях для очистки сточных вод применяются открытые гидроциклоны при удельных нагрузках 7…8 м3/(м2· ч) с предварительной коагуляцией сульфатом железа (50 мг/л).

Водоснабжение разливочных машин также осуществляется по оборотной схеме. Очистка оборотной воды заключается в удалении из нее механических примесей и продуктов умягчения (СаСО3), образующихся при смешении оборотной воды от разливочных машин с природной подпиточной водой, до остаточного содержания взвесей 100…150 мг/л. Для удаления грубодисперсных примесей чаще всего применяются многосекционные горизонтальные отстойники при удельных нагрузках 0,7…1 м3/(м2· ч).

3.4.Сточные воды сталеплавильных цехов

Всталеплавильных цехах сточные воды образуются в процессах мокрой очистки газов мартеновских печей, конвертеров и электросталеплавильных печей, а также от охлаждения и гидроочистки из-

ложниц и машин непрерывного литья. Удельный расход воды изменяется от 0,7…1 л/нм3 газа в аппаратах газоочистки мартенов и конвертеров до 1…3 л/нм3 газа при газоочистке электропечей. Аб-

солютные расходы воды составляют: для мартеновских печей средней производительности до 2000 м3/ч, а в конвертерных цехах 200…300 м3/ч на один 100–130-тонный конвертер и до 2000 м3/ч на

250–300-тонный.

Сточные воды газоочисток загрязнены, в основном, взвешенными веществами, содержание которых изменяется: в мартеновских цехах – в пределах 200…1800 мг/л, в конвертерных 1500…5000, а в электросталеплавильных от 200 до 2300 мг/л.

42

Поскольку в процессах газоочисток вода используется по оборотной схеме (после отделения ГДП) и в канализацию сбрасываются только продувочные воды, то в них накапливаются соли (в основном кальциевые – хлориды и сульфаты), солесодержание их достигает 2,5…5 г/л. В сточных водах от газоочисток электропечей кроме сульфатов (до 400 мг/л) и кремниевой кислоты (силикатов) присутствуют значительные количества фторидов (до 670 мг/л). Величина рН сточных вод изменяется в пределах от 2,5 до 7,5.

Количество воды, потребляемой на охлаждение изложниц, составляет от 300 до 600 м3/ч. При этом до 60 % воды испаряется, остальное количество отводится после использования в канализацию. Основной загрязнитель этого вида сточных вод – механические примеси в виде частиц пыли, окалины, пригара, извести и т.п.

При непрерывном литье заготовок на машинах непрерывного литья образуются два вида сточных вод:

1)от охлаждения кристаллизаторов – удельный расход от 5 до 20 м3/т; в этом процессе вода только нагревается и не загрязняется какими-либо веществами;

2)от зоны вторичного охлаждения (0,5…0,8 м3/т), где вода не только нагревается, но и загрязняется маслами и окалиной.

Системы очистки сточных вод сталеплавильных цехов

Учитывая кислую реакцию сточных вод от газоочисток мартеновских печей, перед возвратом на повторное использование их подвергают нейтрализации известью до величины рН 8,1...8,4. При этом одновременно происходит коагуляция взвешенных веществ. Для дополнительной флокуляции коагулированной взвеси в воду вводится около 1 мг/л полиакриламида. Отделение твердой фазы производится отстаиванием в отстойниках. Время отстаивания (в радиальных отстойниках) для достижения заданного эффекта осветления воды (остаточная концентрация взвеси около 150 мг/л) определяется по формуле Д.М. Минца:

tотст = αtп(hотст/hп) ,

где tп – время отстаивания в покое (экспериментальное);

hотст и hп – высота слоя отстаивания в отстойнике и в покое (экспериментальная); α – коэффициент, учитывающий турбулентность и неравномер-

ность скоростей осаждения взвеси в отстойниках, равный 1,3…1,8.

43

Обычно время отстаивания не превышает 20 минут.

Вместо отстаивания для осветления сточных вод газоочисток мартеновских печей могут применяться открытые гидроциклоны.

Процесс осаждения взвешенных частиц в сточных водах газоочисток конвертеров при создании оборотных систем водоснабжения и водоотведения аналогичен процессу осветления сточных вод от газоочисток мартеновских печей. В этом случае для осветления воды также используются радиальные отстойники, работающие с удельной нагрузкой 1 м3/(м2 · ч), и открытые гидроциклоны (диаметром 6…8 м), работающие с удельной нагрузкой до 14 м3/(м2 · ч).

Для очистки сточных вод газоочисток электросталеплавильных печей рекомендуется применять открытые гидроциклоны диаметром 6 м при нагрузках 5 м3/(м2·ч). При этом остаточная концентрация взвеси в очищенной воде (с предварительной нейтрализацией известковым молоком около 80 мг/л) составляет примерно 150 мг/л. В процессе очистки сточных вод из них удаляется основная масса фторидов и кремниевой кислоты в виде трудно растворимых CaSiO3 и CaF2, а также значительно снижается их солесодержание.

3.5.Сточные воды прокатных цехов

Вцехах горячей прокатки вода расходуется на ряд производственных нужд: на работу машин непрерывного литья заготовок, машин огневой зачистки, листопрокатных станов, охлаждение валков и роликов в печных ролингах, гидросбив окалины в окалиноломателях, охлаждение оборудования клетей. Общее количество сточных вод на

различных операциях стана производительностью 3,6…6 млн т/год может достигать 10…12 тыс. м3 /ч. При этом наибольшее количество воды потребляется и сбрасывается с черновых окалиноломателей, с клетей и моталок, а также с устройств для охлаждения полосы.

Сточные воды загрязнены механическими примесями (от 100…180 мг/л в стоках от моталок до 5000 мг/л в стоках от окалиноломателей с гидросбивом) и маслами от 40…80 до 200…400 мг/л.

3.5.1. Отведение и очистка сточных вод цехов горячей прокатки

Отведение и очистка сточных вод проводятся по схеме: загрязненные сточные воды от всех технологических операций с общим расходом 30 000 м3/ч и более направляются на первичную очистку в яму для окалины, расположенную в цехе, а затем перекачиваются за

44

пределы цеха для вторичной очистки, которая производится в горизонтальных отстойниках. Осветленная вода после охлаждения на градирнях возвращается в цех для повторного использования.

Необходимость повышения эффективности очистки сточных вод привела к разработке усовершенствованных схем, включающих 3–4 ступени:

1)первичная очистка от ГДП – последовательно в ямах для окалины и на грубых сетчатых фильтрах;

2)вторичная очистка от взвешенных веществ, масел и нефтепродуктов в отстойниках или гидроциклонах различных конструкций;

3)глубокая очистка с применением фильтров с зернистой загрузкой, а также сетчатых фильтров с более мелкоячеистой сеткой.

При использовании машин непрерывного литья образуется два вида сточных вод:

– от охлаждения кристаллизаторов – сточные воды имеют только

тепловое загрязнение. Их удельный расход составляет на различных предприятиях от 5 до 20 м3 на 1 т металла;

– от зоны вторичного охлаждения – сточные воды загрязнены

ГДП (окалина) до 1400 мг/л и маслами – 50…60 мг/л; их удельный расход составляет 0,5…0,8 м3/т.

Водоснабжение узлов разливочных машин организуется по двум самостоятельным, полностью замкнутым циклам. Очистка загрязненных сточных вод осуществляется в первичном отстойнике (яма для окалины) со временем пребывания 1–2 минуты и вторичных го-

ризонтальных отстойниках, работающих с удельными нагрузками 1…2 м3/(м2 · ч). Эффективность такой очистки по взвешенным веществам и маслам составляет примерно 50 %, что соответствует их остаточным концентрациям в осветленной воде соответственно 60…80

и25…30 мг/л. Процесс очистки интенсифицируется при применении

в качестве вторичных отстойников отстойников-флотаторов, работающих при нагрузках до 16 м3/(м2 · ч).

Сточные воды от машин огневой зачистки подвергаются очистке совместно со сточными водами прокатных станов.

Для листопрокатных станов разработана схема последовательнооборотного водоснабжения с первичной очисткой малозагрязненных сточных вод в яме для окалины и вторичной очисткой сильнозагрязненных сточных вод в отстойниках с камерой флокуляции.

45

3.5.2. Отведение и очистка сточных вод цехов холодной прокатки

В цехах холодной прокатки процессы прокатки полос, лент, труб сопровождаются образованием сточных вод от охлаждения валков и подшипников прокатных станов, от смывания и транспортировки окалины, при обслуживании гидравлических двигателей, от обезжиривания металла и мойки оборудования, при сбросе отработанных травильных растворов и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Удельное количество сточных вод от этих процессов (без расхода воды на охлаждение печей) колеблется в широких пределах в зависимости от ассортимента проката (на 1 т): от 1,5…5 м3 на среднесортный прокат до 5…15 м3 на трубопрокат и до 10 м3 – на проволочные изделия.

Содержание взвешенных веществ в сточных водах цехов холодной прокатки 100…150 мг/л, масел – от 5 до 300 мг/л; сухой оста-

ток – 300…600 мг/л.

При холодной прокатке металла в качестве смазок применяются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), которые после загрязнения в процессе эксплуатации различными примесями отводятся на обезвреживание. Удельные расходы СОЖ колеблются в широких пределах: от 3,8 до 15 м3/т. Они содержат минеральные масла (в соотношении к воде 10:1 до 1:1 по массе) и синтетические жирные кислоты. В последние годы для приготовления СОЖ используются, а следовательно, присутствуют и в сточных водах неионогенные синтетические поверхностно-активные вещества (НСПАВ), такие как стеарокс-6 или стеарокс-20. Срок эксплуатации СОЖ изменяется от 3–7 до 30 дней и более, в зависимости от интенсивности производства.

Отработанные СОЖ представляют собой особый вид сточных вод, очень опасный для водных объектов, так как они содержат большое количество устойчиво эмульгированных нефтепродуктов (10…30 г/л), а также свободных масел. Общее количество эфирорастворимых веществ в эмульсионных стоках достигает 20…50 г/л.

Перед травлением поверхностей прокатных изделий производится

их химическое или электрохимическое обезжиривание. Для этого используются растворы щелочи, карбоната натрия, тринатрийфосфата и СПАВ (ОП-7, ОП-10 и др.). После загрязнения в процессе эксплуатации механическими примесями, консервантами и смазками отработанные обезжиривающие растворы должны подвергаться обезвреживанию (1 раз в 0,5–1 месяц). Такие растворы содержат до 2 г/л

46

механических примесей, 0,5…1 г/л остатков смазок и масел, 0,5…4 г/л СПАВ.

Количество отработанных обезжиривающих растворов изменяется в зависимости от типа стана или агрегата, а расход промывных вод от промывки после обезжиривания составляет 60…80 м3/ч на один непрерывный стан холоднокатаного листа при концентрации в них щелочей 1,5…2 г/л, масел – 0,5…0,8 г/л, СПАВ – 0,4…0,5 г/л.

После обезжиривания прокат подвергается травлению. Для травления применяются в основном растворы серной и соляной, реже – азотной кислот, а также их смеси с плавиковой и ортофосфорной (иногда с добавками уксусной) кислотами. В процессе травления растворы кислот загрязняются, в них накапливаются соли железа, концентрация кислот уменьшается и периодически они отводятся в виде отработанных травильных растворов (ОТР) или концентрированных сточных вод на обезвреживание или регенерацию. Состав наиболее типичных ОТР представлен в табл. 3.2.

При промывке изделий после травления часть раствора на их поверхности выносится в промывные воды. Состав промывных вод изменяется в еще более широких пределах, чем состав ОТР, поскольку зависит не только от последнего, но и от технологии промывки, состава и расхода воды, подаваемой на промывку, интенсивности процесса травления и других факторов.

47

Концентрация вещества в промывной воде может быть рассчитана из следующих уравнений:

Св/Cэ = q/Q – при прямоточной 1-ступенчатой или непроточной промывке;

Св/Cэ = (q/Q)n – при противоточной каскадной промывке,

где Св и Сэ – концентрации вещества в промывной и технологической (травильной) ваннах;

Q – расход воды на промывку, л/ч;

q – удельный вынос травильного раствора, л/м2.

Удельный вынос электролита зависит от профиля обрабатывае-

мой поверхности и вязкости раствора и изменяется от 0,06 до

0,18 л/м2:

– на проволоке (непрерывный процесс) – 0,06;

Очистка эмульсионных сточных вод цехов холодной прокатки должна обязательно включать реагентную обработку для разложения эмульсий. В качестве деэмульгаторов применяются электролиты: cерная или соляная кислоты, растворы хлорного железа, известковое молоко, отработанные травильные растворы. Обработка эмульсионных сточных вод реагентами проводится в реакторах периодического действия. Процесс длится около суток с подогревом паром. Продукты разложения всплывают на поверхность и удаляются специальными сборными устройствами. Далее осветленные сточные воды с содержанием масел 400…800 мг/л подвергаются дальнейшей очистке импеллерной флотацией, при которой содержание эфирорастворимых веществ снижается до 100…120 мг/л. Последующую обработку сточных вод рекомендуется проводить совместно с промывными водами травильных отделений.

Отработанные обезжиривающие растворы, содержащие до 2 г/л

ГДП, 0,5…1 г/л смазок и масел, 60…200 г/л щелочей и СПАВ, эффективно очищаются электрофлотацией, обеспечивающей удаление механических примесей на 75–86 %, масел – на 80–90 %, после чего раствор возвращается на повторное использование в процессах обезжиривания.

Очистка промывных вод (ПВ) после обезжиривания, не содержащих СПАВ, осуществляется напорной флотацией. В присутствии

48

СПАВ в обрабатываемую воду вводятся соли железа или алюминия для сорбции их образующимися соответствующими гидроксидами.

Обезвреживание отработанных травильных растворов (ОТР) и

промывных вод от травления металла производится несколькими способами:

1)нейтрализацией Na2CO3, NaOH, NH4OH, CaCO3, CaO c отделе-

нием образующегося осадка гидроксида железа отстаиванием;

2)регенерацией ОТР при кристаллизации железного купороса

(FeSO4· 7H2O);

3)термической регенерацией ОТР;

4)электрохимическими методами переработки ОТР. Нейтрализация – это реакция ионов водорода и гидроксид-ионов,

имеющая место при взаимодействии кислот и оснований: Н+ + ОН– → Н2О.

В понятие нейтрализации сточных вод травильных отделений входит обезвреживание свободных кислот, образование малорастворимых продуктов (гидроксидов и основных солей металлов, карбонатов металлов и др.) и отделение их от жидкой фазы (воды). В отработанных травильных растворах и промывных водах от травления содержатся свободные кислоты H2SO4, HCl, HNO3, HF, H3PO4 и их соли с металлами – железом, никелем, хромом и др. Для нейтрализации кислых сточных вод травильных отделений используются различные щелочные реагенты: едкий натр, кальцинированная сода, аммиак, известь, известняк, доломит, магнезит; различные щелочные сточные воды (например, от процессов обезжиривания) и щелочные отходы химических и металлургических производств: цементная пыль, феррохромовый шлак и др. Наибольшее распространение для нейтрализации кислых сточных вод травильных отделений получило применение извести в виде ее суспензии – известкового молока. При нейтрализации образуются кальциевые, магниевые, натриевые соли соответствующих кислот и гидроксиды металлов типа Ме(ОН)2, а также менее растворимые основные соли хМе(ОН)2 · уМеSO4, xMe(OH)2 · уМеСl2 и др.

При нейтрализации кальцинированной содой образуются труднорастворимые карбонаты типа МеСО3 вследствие реакции гидролиза карбонатов:

СО32– + Н2О ↔ НСО3– + ОН– ↔ СО2↑ + 2ОН–,

49

а также основные карбонаты типа хМе(ОН)2 · уМеСО3, менее растворимые, чем соответствующие гидроксиды, основные сульфаты и, тем более, основные хлориды.

Одной из основных задач при нейтрализации является отделение образующихся малорастворимых соединений от жидкой фазы ввиду высокой дисперсности их частиц и большого сродства с водой. Для этого могут использоваться:

1)гравитационное осаждение – отстаивание в отстойниках или осветлителях (основной метод) или отделение в поле центробежных сил (в центробежных сепараторах или центрифугах);

2)флотация: напорная, электрофлотация;

3)фильтрование через зернистые загрузки (при этом может иметь место загипсовывание фильтрующего слоя загрузки) или пористые (тканевые) перегородки – применяется в основном при небольших расходах воды и больших концентрациях выделяемых твердых частиц, главным образом при обезвоживании осадков, выделяемых в отстойниках и в процессах флотации.

Скорость осаждения взвешенных частиц в отстойниках или осветлителях может быть увеличена при применении органических полиэлектролитов – флокулянтов, например полиакриламида, утяжелителей взвеси, окислением двухвалентного железа Fe (II) в трехвалентное – Fe (III) при продувке сырого осадка воздухом.

Для уменьшения объемов шлама применяется нейтрализация с получением уплотненного осадка, что достигается его нагреванием. При этом гидроксиды железа (II), образующиеся первоначально в

процессе нейтрализации ОТР, могут переходить в оксиды: α-Fe2O3 – гематит, γ-Fе2O3 – маггемит, а также гидроксиды типа α-FeOOH – гетит и γ-FeOOH – лепидокрокит или Fe2O3 – магнетит.

Суммарно дегидратация гидроксидов может быть представлена схемой:

50