氧化铝废水“零排放”探讨
摘要：经过2年多的开发 应用 ，中铝贵州公司氧化铝厂在水资源综合利用以及废水“资源化”方面取得突破性的进展，于2000年12月实现了氧化铝废水“零排放”，改善了麦架河及猫跳河流域生态环境，对保护长江上游的生态环境，防止长江水系的污染恶化，具有极为重要的现实意义和深远的 历史 意义。本文着重对氧化铝废水“零排放”的实施进行了阐述。
关键词：氧化铝 零排放 资源化 再生水 赤泥回水
1 前言
贵州铝厂氧化铝厂始建于1958年，设计产能每年40万吨，外排含碱废水一直是困扰我厂的一个重大环境污染 问题 ，其对周围3乡12村的农田以及下游麦架河及猫跳河流域均造成不同程度的污染，同时也造成了大量的碱流失和水资源的浪费，为消除污染，实现国家“一控双达标”(即所有 企业 污染物的排放必须在2000年底实现达标排放)的目标，根据我厂实际情况，经大量的调查、论证，大胆地提出了具有创新性的课题---氧化铝废水“零排放”技术开发与 研究 。
2 废水的来源及特征
氧化铝厂外排废水主要来源于生活污水(澡堂、厕所、宿舍、办公室排水)、生产废水(冲洗地坪、设备等)、设备冷却水、雨排水、外单位排水(热电厂软水站排水及冲灰渣水、轻研所排水等)、工艺管道及设备的跑、冒、滴、漏等;具有总排水量大、不稳定的特点(见表1);其主要污染因子为悬浮物(200～500mg/l);碱(PH值达8～12)。
| 年 度 | 1990 | 1991 | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 |
| 废水排放量 / 万m3 | 501.21 | 433.65 | 421.65 | 445.69 | 316.05 | 335.58 | 319.74 | 247.39 |
| 碱流失量 / t | 14543 | 4117 | 4106 | 3222 | 3061 | 2931 | 2754 | 2440 |
| 悬浮物排放量 / t | 2506 | 2168 | 2108 | 2228 | 1580 | 1896 | 1640 | 898 |
3 技术改造方案实施
本课题是一项综合性的技术开发项目，其设计思路为：(1)治理污染源，对重点车间设备进行防跑碱改造，以降低废水含碱浓度;(2)对水质要求高的设备冷却水，采用自身循环，以减少废水排放量;而对水质要求不高的设备冷却水、有条件的生产用水点等，全部使用再生水代替 工业 新水;(3)充分利用赤泥回水、蒸发坏水代替工业新水，并保证赤泥回水量≥赤泥附液量;(4)根据生产实际情况以及《贵州铝厂工业用水标准》，采用 经济 实用的 方法 进行废水处理。
3.1抓源治本，降低废水含碱浓度
在氧化铝生产过程中，难免有高浓度的含碱废水进入排水系统，使废水含碱度升高， 影响 再生水回用。因此，加强和完善管理及设备维护，对重点车间进行防跑碱设施改造，是降低外排废水含碱浓度的关键。首先在工艺上采用新工艺、新技术(如水泵采用先进的机械密封替代传统的填料密封，用密封性能较好的浆液阀、注塞阀替代传统的闸阀、截止阀等);其次对各生产车间大型槽罐(如沉降槽等)增设防跑碱围子，将泄漏的高浓度含碱污水引入污水槽后再返回工艺流程，有效的防止碱液外泄。具体治理方案见图1。
3.2完善改造部分设备冷却水，减少废水排放量
对水质要求较高的回转窑托轮、排风机、煤磨、格子磨、管磨、溶出磨等设备冷却水，原设计均用工业新水冷却后直接排放(排水量100～200 m3/h)。为减少废水排放量，进行相应的改造。
3.2.1窑磨循环水系统的改造
针对烧成车间煤磨、排风机、烧成窑托轮以及熟料溶出磨、配料格子磨、管磨等设备相对集中的特点，将这些设备的冷却水集中回收循环使用，形成独立的窑磨循环水系统，有利于管道铺设和经济运行。
3.2.2焙烧窑托轮、风机冷却水改造
焙烧车间焙烧窑托轮、风机冷却水耗水量约40～80 m3/h，由于采用单一水源——工业新水供水，一旦发生停水事故，焙烧窑就停运。根据生产实际情况,充分利用现有空压循环水系统的富余能力供水，将焙烧窑托轮、风机冷却水纳入空压循环水系统，不增加水泵开启台数,而且改造时保留原有工业水供水流程，形成双水源供水，不仅减少了废水的排放量，而且提高了供水的可靠性，保证了焙烧窑可靠稳定地运行。
3.3污水处理系统完善改造
氧化铝废水“零排放”技术开发与研究中，废水的再生处理、循环利用，是实现废水“零排放”的基础。原污水处理系统将废水处理后作为全厂循环水和烧成循环水的补水，沉淀池底流利用虹吸泥机吸出，但实际排放的废水量远远大于循环水的补水量，加之原设计中只有一个平流沉淀池，当吸泥机出现故障或清理沉淀池时，整个污水处理系统就停止工作，大量废水直接排入环境，改造前流程见图2。因此，有针对性的对污水处理系统进行了完善改造。
3.3.1污水处理系统沉淀池改造 据测定统计，现有的一个污水平流沉淀池的处理能力(最大处理能力Q=500 m3/h)远不能满足生产需求，故新建平流沉淀池一个。
新建平流沉淀池核算：有效水深H=3m、池宽B=9.2m、池长L=40m，污水在沉淀池中的沉降时间2.2h(t = H×A/Q，A为沉降面积)，其长宽比L/B = 4.35>4 ，能确保污水在池内均匀分布。
平流沉淀池水力条件复核：
水流截面积ω=3×9.2=27.6m2;
水池湿周 x = 9.2+3×2=15.2m;
水力半径R =ω/x=27.6÷15.2=1.82m;
水平流速v =Q/ω=500÷27.6÷3600=5.03×10-3 m/s;
弗劳德数Fr=v 2/R·g =(5.03×10-3)2/1.8×9.18=1.41×10-6 。
由 计算 结果看出，改造后的沉淀池完全满足普通平流池的设计参数要求。
新建平流沉淀池的底流污泥采用虹吸泥机连续排放，平均污泥流量80 m3/h左右。改造后的两个平流沉淀池，随废水量的变化既可互为备用又可同时运行，其最大处理能力为1000 m3/h。
3.3.2废水总排放口完善改造
原废水总排放口是氧化铝厂所有废水的唯一汇水点，需考虑完善有效的防洪措施，同时也是污水处理系统理想的污水源取水点，为满足废水“零排放”和泄洪要求，在总排口与洗马河的汇合口安装两个闸板对总排截流，又作雨季泄洪用;废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装1台可升降式人工格栅和2台链式机械格栅，避免了较大的漂浮物进入污水源泵和平流沉淀池，如图3。
3.3.3沉淀池污泥处理流程改造
在污水处理系统的改造中，沉淀池污泥的处置是系统能否正常稳定运行的关键。原设计对沉淀池污泥投加聚丙烯酸钠，在浓缩槽中经2h沉淀后，送至二赤泥贮槽与赤泥一起送赤泥堆场。但实际运行受二赤泥外排贮槽控制性较差和输送量不稳定等因素的影响，污泥浓缩系统的稳定性和可靠性得不到保证。另外，受污泥输送流程的影响，虹吸泥机时常间断运行，造成虹吸泥机堵塞，使污水处理系统不能正常工作。为此，对平流沉淀池污泥处置作了如下改造，见图4。
氧化铝生产过程中，排弃的赤泥，需用热水(300 m3/h)洗涤，原利用全厂循环水在脱硅热水槽中加热后洗涤赤泥，由于该流程对水质的要求不高。故改用未浓缩的平流沉淀池底流送脱硅热水槽代替部分全厂循环水加热后用于赤泥洗涤。该方法彻底打破传统设计的束缚，充分利用本厂生产工艺特点，创造性的把污泥处置与生产工艺流程有机的结合起来。运行1年多来，用平流沉淀池的底流代替部分循环水参与洗涤赤泥，并随赤泥一起沉降后送赤泥堆场，对赤泥的输送系统不产生任何波动，同时还解决了虹吸泥机因间断运行造成虹吸管易堵塞的难题.由于简化了流程，节省了对污泥浓缩、絮凝沉降、干化等一系列的设备投资、管理和运行维护费用，达到了污泥处置经济运行的目的，为污水处理系统稳定运行提供了保证;同时在国内同行业中开创了先河，摸索出一条经济处置氧化铝废水沉淀污泥的新途径，具有极高的推广运用价值。
3.3.4增设沉砂池及配套设施 氧化铝厂的排水系统为“合流制”，污水中夹带大量砂石，易造成虹吸泥机堵塞或因砂石比重较大无法排出而在平流沉淀池内淤积。所以在平流沉淀池的前端增设了两个沉砂池，投用1年多来虹吸泥机运行正常，沉淀池清池周期明显延长。
3.3.5氧化铝废水的深度净化 要使氧化铝废水达到“零排放”，就意味着所有废水经处理后必须全部回用，而处理后再生水水质的好坏是循环使用的基本前提。根据《贵州铝厂工业用水标准》，以及氧化铝厂各再生水用水点的实际情况，对再生水进行深度净化处理的目的是降低再生水的悬浮物浓度(≤20mg/l)。经多次考查、论证并结合本厂污水处理系统的特点，增加了四套高效纤维过滤器及配套设施，对再生水进行深度净化处理。扩建改造后的污水处理系统流程见图5。
3.4 开发利用再生水，提高循环利用率
从我厂废水的排放特点来看，要使氧化铝废水实现“零排放”，必须消化大量生活污水和外单位排水，因此，大力开发再生水的使用极其关键。
| 项目 | 沉淀池进口 | 沉淀池溢流 | 清水池 | 工业新水 |
| 硬度（度） | 47.18 | 18.65 | 7.74 | 11.9 |
| PH值 | 8.299 | 8.795 | 9.43 | 7.0 |
| NT（g/l） | 0.113 | 0.168 | 0.238 | 0.07 |
从表2看出，经沉淀处理后的再生水，除含碱浓度略高外，硬度比工业新水还小，所以在某些对碱度要求不高的场所，完全可用再生水替代工业新水，这不仅可以节约工业新水用量，还能减缓管道和设备的结垢。经大量反复试验，主要从以下方面进行改造。
3.4.1完善再生水输送管道 充分利用原有废弃的工艺物料输送管道，完善再生水输送管网改造，形成全厂范围内的再生水树状输水管网布局。安装2台再生水中间加压管道泵。
3.4.2普通场所的供水改造 厕所、各车间地坪冲洗用水、清理车间洗车场冲洗工艺车用水等，全部改为用再生水代替。
3.4.3再生水用于部分生产设备 泵在氧化铝工艺生产过程中扮演了极其重要的角色。据统计我厂仅泵的耗水量就达80～100 m3/h，将所有泵的引水全部改用再生水代替工业新水。
3.4.4再生水代替工业新水补水 氧化铝生产过程中，需要大量的碱，用含碱的再生水代替工业新水，不但节约工业新水，还可减少碱的损失，逐步降低再生水的含碱浓度(至少可在一定浓度范围内形成平衡点)。再生水代替工业新水补水有5种途径：(1)用于全厂循环水池、烧成循环水池补水;(2)用于4#蒸发循环水补水;(3)各车间清洗槽、罐、刷车、冲洗滤布等均改用再生水;(4)用于石灰炉湿式电除尘清灰、石灰炉循环水池补水;(5)用于过滤真空泵循环水池补水，多品种车间热水槽补水。
3.4.5再生水用于洗涤氢氧化铝 由于洗涤氢氧化铝的热水，通常是用“新水+蒸汽”制作而成。经过试验改用蒸发坏水(因蒸发器串料等影响被污染而含碱的蒸汽冷凝水，水温约为70℃)和真空泵使用后的再生水(水温约为40℃)，代替原来的新水，这不仅节约了工业新水，还充分利用了余热。该项技术在国内同行业中尚属首创。其流程如图6。
此技术开发项目于1999年9月实施并运行，氧化铝厂中心化验室对再生水用于洗涤氢氧化铝后的产品测定结果表明：用再生水洗涤氢氧化铝成品后，氢氧化铝含水率、附碱等各项指标均达到了规程要求。同年出厂综合氧化铝，二级以上品级率为100%，一级品率为99.13%，一级品率比1998年提高2.81%;2000年出厂综合氧化铝，二级以上品级率继续保持100%，其中一级品率为99.91%，较1999年提高0.78%，且带式洗涤氢氧化铝附碱全年有7个月合格率为100%，年平均合格率为99.83%，创历史最好水平。可见用再生水洗涤氢氧化铝对产品的质量没有任何影响。
3.5充分利用赤泥回水，实现真正意义的“零排放”
由于氧化铝生产过程中排出的赤泥带有一定数量的附着液，随赤泥排至赤泥堆场的水量约为140m3/h,只有将赤泥的附着液全部回收利用，才能达到真正意义的“零排放”。经过增设赤泥回水中间加压及大力开发赤泥回水利用等技术改造项目的实施,使赤泥回水用量逐年增加,现回用量已达180～220m3/h,达到了完全回收赤泥附液的目的,不仅节约了大量新水,同时还可回收大量的碱和氧化铝。
4 氧化铝废水“零排放”技术开发与 研究 项目运行效果
污水处理效果：“氧化铝废水‘零排放’技术开发与研究”项目的实施，使氧化铝厂污水处理系统能稳定、连续、持久运行，经深度净化后，出水水质悬浮物含量≤20mg/l，达到贵州铝厂 工业 用水标准;废水处理量及再生水回用量大幅增加，由1997年的140.04万m3,增加到2001年的638.54万m3。
节水减污效果明显：2001年全年用工业新水量382.63万m3,较1997年减少264.47万m3，降低幅度为40.87%;1997年外排废水量247.39万m3，降为2000年底外排废水实现“零排放”。
降低缴纳污水排污费：由1997年的69万元，降为2001年的0.0578万元，降幅达99.92%。
降低环境污染赔偿费：由1997年的32.10万元，降为2001年的23.14万元，降幅达27.91%。
各项环境指标大幅改善：污水排放量、单位产品耗水量等环保指标分别创 历史 最好水平(见表3)。
2000年顺利通过国家“一控双达标”的验收。
| 指标名称 | 单位 | 1997年 | 1998年 | 1999年 | 2000年 | 2001年 |
| 新水用量 | 万m3 | 647.1 | 639.07 | 480.67 | 384.96 | 382.63 |
| 再生水用量 | 万m3 | 140.04 | 271.34 | 429.67 | 520 | 638.54 |
| 赤泥回水用量 | 万m3 | 116.8 | 122.61 | 140 | 156.68 | 171.47 |
| 污水排放量 | 万m3 | 247.39 | 183.31 | 96.54 | 31.22 | 1.3 |
| 单位产品耗水量 | m3/T-AO | 17.29 | 15.18 | 10.32 | 8.01 | 7.5 |
综合效益 分析 ：“氧化铝废水‘零排放’技术开发与研究”项目的实施，实现了废水的“资源化”和真正意义上的废水“零排放”，消除了对周围河流的水体污染与破坏，减少了碱的流失、节约了工业新水用量、降低了氧化铝生产成本，创造出良好的环境效益，同时也产生极高的 社会 与 经济 效益。
环境效益：
(1)减少向猫跳河流域排放含碱污水247万m3/a、悬浮物897t/a、碱(折合Na2CO3)1463t/a;
(2)消除了氧化铝厂含碱废水对河流生态环境、农田和饮用水源的污染和 影响 ，有利于农业生产及生态环境的保护和恢复。
(3)对保护长江上游水系和长江流域的生态环境具有重要价值和示范意义。
社会效益：
(1)有利于树立 企业 良好形象，为企业可持续 发展 创造有利条件;
(2)有利于密切厂地关系及污染地域社会的安定团结;
(3)有利于改善周围环境，支持地方经济的发展;
(4)为其他企业和同行提供了有益的经验和借鉴。
经济效益：
(1)减少缴纳污水排污费：69万元/年;减少环境污染赔偿费：10万元/年;
(2)回收废水中的碱(折合Na2CO3)：1463t/年，节约费用：176万元/年(Na2CO3按1200元/t计);
(3)节约新水量247万t/a，节约费用：126万元/年;
(4)每吨废水处理费用按0.30元计，则增加运行成本74万元/年;
年经济效益为：69+10+176+126-74=307万元/年。
(5)环保治理投资621万元。
项目投资回收期：T=K/H
式中，T—投资回收期;
K—投资额;
H—投资项目年收益
T=621/307=2.02(年)。
项目投资利润率：
投资利润率=年利润总额/项目总投资×100%=307/621×100%=49.44%。
5 结论
氧化铝废水“零排放”项目的实施具有以下特点：
(1)对氧化铝废水实行综合治理，分类处置，有创新地进行“零排放”治理研究，做到了真正意义的废水“零排放”，满足了“零排放”平衡条件：总排口外排废水量≤0;
送赤泥大坝赤泥附液量≤赤泥附液回用量(赤泥回水量)。
(2)把废水治理与氧化铝生产工艺有机地结合起来，做到了抓源治本、有的放矢、分类治理、综合处置。并采用新工艺、新技术，大胆创新，经济合理，流程简单实用。
(3)根据再生水用户对水质的不同要求，选择合理的污水处理工艺(沉淀—过滤)，实现了废水的经济处理和经济运行。
(4)对重要设备、关键工艺等用水点采用了双水源供水，即再生水与工业新水互为备用，极大的提高了工艺设备的运行可靠性。
贵州铝厂氧化铝废水“零排放”项目的成功，使长期以来一直困扰和制约我厂发展的“氧化铝废水排放” 问题 得到了彻底的解决，使我厂在开展水资源综合利用以及废水“资源化”方面取得重大进展。在同行业特别是联合法生产氧化铝行业中率先实现了真正意义的废水“零排放”。不仅有着每年300余万元的直接经济效益，而且还有着无法估量的社会效益和环境效益，特别是对改善麦架河及猫跳河流域生态环境，保护长江上游生态环境和防止长江水系的污染恶化有着极为重要的现实意义和极佳的示范作用，同时对地方经济的发展和周边社会的稳定也将产生积极作用，对同类企业有着很好的借鉴和推广 应用 价值。
参考 文献
1 张希衡.废水治理工程.西安冶金建筑学院.1983，3.
2 严熙世、范瑾初.给水工程. 中国 建筑工业出版社.1995，6.
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