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2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 263 碳中和背景下化工生产中的废水、废气处理 碳中和背景下化工生产中的废水、废气处理 崔 帅，冯 凌（盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000）摘 要：摘 要：碳中和目标的提出，促使我国对环境污染问题越发重视，伴随着碳中和目标的提出，我国对化工生产中的废水、废气处理提出了“减排、利用、循环”三项措施。本文从我国化工减排和污染处理角度出发，探讨碳中和背景下如何有效实现化工废水、废气的净化和再利用，旨在响应国家环境保护的号召，减少对环境造成的负面影响，促进我国化工行业绿色可持续发展。关键词：关键词：碳中和；化工生产；废水；废气；环保 引 言 引 言 近年来，我国工业发展取得了较大成就，与此同时，消耗的化工原料和能源也越来越多，排放的废水和废气也越来越多，对环境造成了较大负面影响，引起了环境保护部门的高度重视。国际上对气候和环境的关注程度也日益加深，在全球变暖的大环境下，国际社会对各国作出了环境保护要求，提出了“碳中和”和“碳达峰”的概念。在此背景下，中央经济工作会议提出做好碳达峰、碳中和工作，提出我国二氧化碳排放力争 2030 年前达到峰值，力争 2060 年前实现碳中和的目标。这一目标的提出说明我国化工生产排污形势严峻，如何最大限度处理化工废水和废气成为新时期重要发展目标。1 化工生产废水、废气的成分 1 化工生产废水、废气的成分 我国化工行业发展获得的成就越大，需要消耗的能源和原料就越多，生产排出的废水和废气就越多。常见的废水和废气成分复杂，类型多样，且大多带有剧毒，不易净化。1.1 废水 化工生产中会排放大量工艺废水、冷却水、废气洗涤水、设备及场地冲洗水等废水。这些废水如果未经净化处理，就胡乱排放到水体和土壤中，极易引发安全问题。1.2 废气 常见的工业废气中含有许多氯化物，例如氯碱生产中的废气成分包括氯气、氯化氢、氯乙烯等，氮肥生产中的废气则包含氮氧化物、尿素粉尘、一氧化碳、二氧化硫、氨气和甲烷等；石油工业生产中废气主要包含苯、甲苯、非甲烷总氢；钢铁工业生产中的废气包含粉尘、烟尘和氟化物等。有色金属冶炼过程中产生的废气包含汞、镉、铅、砷等重度有毒物质。石油炼制过程中会产生烧烃、环烧烃、芳烃等有机化合物、硫化物和氮化物构成的废气。2 化工废水废气的危害 2 化工废水废气的危害 未经合理处理就排放的工业废水不仅会造成水体富营养化，出现耗氧量高的现象，引发水质恶化问题，还会污染土壤，导致土壤中重金属含量超标，造成农业减产，农产品富集重金属，危害人的生命安全。废水中存在的重金属还会在生物体内发生积累，达到一定量时，可能会引发大规模生态环境污染，威胁水体周围生物的安全。使用此类未完全净化的废水还会引发重大疾病，造成生命安全和财产损失，因而废水处理受到广泛关注。废气中的有害物质不仅会污染空气，还会降低大气能见度、影响大气层防护功能，导致温室效应、酸雨和臭氧层空洞等气候问题严重的还会引发人体呼吸困难，使人体的血液、肝脏等系统和器官暂时性和永久性病变，危害性极大。当前，化工废水废气引发的气候问题日益严峻，例如1994 年淮河水污染事件中，自来水厂没有彻底净化的水排放一番鱼虾死亡、人员腹泻、呕吐等现象。二氧化碳的过度排放引发了温室效应，导致臭氧层空洞问题，极地气候变暖，冰川融化，极端天气频发；英国伦敦雾事件导致多人发生呼吸系统疾病，进而导致肺炎、肺癌和流感等病患人数成倍增长，导致死亡人数多达 8000 人。3 化工废水废气的来源 3 化工废水废气的来源 化工废水和废气主要来源于工业生产过程，包括工业生产加工过程中化学反应产生的化学试剂、生产设备维修和清洁过程中产生的废水、工业冷却水。化工废气主要来自化工生产中能源消耗产生的废气、化学工艺产生的有害气体。特别是煤炭工业生产废气源、石油和天然气工业生产废气源、钢铁工业生产废气源、有色金属工业生产废气源以及建材工业生产废气源等。4 工业废水、废气的处理 4 工业废水、废气的处理 工业废水废气在当前社会工业大发展的背景下仍会大量产生。这些工业废水废气对环境和人体的污染性和危害性极大，科学、合理地处理这些污染废水和废气是当前亟须解决的问题。经过长期的试验研究，工业生产领域处理废水废气已经形成了一定的处理原则。这些处理原则一方面能最大限度利用废水和废气，节约能源，另一方面又能减少废水废气的排放量，经科学处理的废水和废气污染性大大降低，对环境的负面影响也被降到很低。工业生产有许多细分行业，不同行业和工艺所产生的废水和废气成分和结构不同，因而具有一定的特性。根据不同类型的废水和废气特征，采取相应的处理措施是当前较为科学的一种原则。本文从废水和废气两方面展开讨论。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.069264 崔 帅：碳中和背景下化工生产中的废水、废气处理 4.1 工业废水处理方法 工业废水分很多种，如磨光抛光废水、除油脱脂废水、酸洗磷化废水、磷化废水、阳极氧化废水、综合重金属废水、油墨废水、印染废水。针对磨光和抛光产品产生的废水，一般处理流程是废水调节池混凝反应池沉淀池水解酸化池好氧池二沉池过滤排放。除油脱脂废水一般有有机溶剂脱脂、化学脱脂、电化学脱脂、超声波脱脂。除有机溶剂脱脂外，其他脱脂工艺中由于含碱性物质、表面活性剂、缓蚀剂等组成的脱脂剂，导致废水中主要的污染物为悬浮物、COD、BOD、石油类、色度等。对于含油脂量较大的废水，一般考虑先将废水中的乳化油破除，再采用气浮工艺，具体的工艺有常见的脱脂工艺有：除油脱脂废水隔油池调节池气浮设备厌氧或水解酸化好氧生化沉淀过滤或吸附排放。如果此类废水中含有的 COD 质量分数过高，那么可以先采取厌氧生化处理措施；如果 COD 质量分数不高，仅仅使用好氧生化处理方式即可。图 1 磷化废水处理示意 图 1 磷化废水处理示意 在钢铁生产过程中，对钢铁零件的酸洗除锈工艺会产生酸洗废水，酸洗废水的 pH 呈酸洗，常规 pH 为 23，还包含质量分数较高的亚铁离子和悬浮物。针对这类酸洗废水，常见的工艺处理流程如下：废水调节池中和池曝气氧化池混凝反应池沉淀池过滤池pH 回调池排放等。磷化废水也称皮膜废水，这类废水一般是铁件经含锰、铁、锌等磷酸盐溶液浸泡后表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜，这种废水里的污染物主要成分有悬浮物、COD、锌离子等。含磷废水的处理流程如下：含磷废水原水槽滤槽曝气中和反应池曝气反应池经过沉淀水解池中间池多级氧化池第二中间池砂滤器活性炭过滤器保安过滤器。这种含磷废水处理工艺，工艺设计合理，运行成本低，管理方便，磷产品能够实现回收二次利用。实践中磷化废水处理流程如图 1 所示。阳极氧化废水是电镀工业中常会产生的废水，这种废水一般采用电解法处理。因为阳极氧化废水的主要成分是含铬废水和含氰废水，在开展阳极氧化环节之前，一般需要去除废水中的重金属离子、油以及悬浮物，具体还可用混凝化学法，将废水中大部分的二甲镍离子去除，再将废水导入综合综合隔油池，去除油脂类物质后导入综合废水调节池，再采用电解法处理含酚、含镉、含硫、含有机磷等废水以及食品工业废水。电解法经过预处理工序凝聚吸附废水中呈胶体状态或溶解状态的染料分子，电解氧化还原会破坏生色基团，使水脱色。关于这类废水的处理试验研究已经取得了一定成果。使用这种方式处理的废水经过精密过滤器、两级反渗透系统处理后可以达到 70%中水回用的目的，剩余的 30%废水还需要再次经过混凝、絮凝、气浮和砂滤处理环节，直至达到环保标准方可排放。油墨废水一般来自纸箱及纸质品印刷过程中产生的水性油墨废水，这类废水通常是在更换油墨、清洗印刷设备过程中排出的，含有较多的环状有机物（也称色料）和大分子量的醇基或苯基分散剂，特别是丙烯酸树脂，更是废水的主要内容物，质量分数达到 80%。由于色度大，处理工序相对其他类型的废水难度要大。本研究提出的处理思路是“预处理+物化处理+生化处理+深度处理”。具体而言是首先利用格栅作为初筛工具拦截和分离废水中的大体积漂浮物和悬浮物（见图 2），接着采用混凝法和气浮法处理油墨废水，这种方式是基于混凝沉淀去除废水色度，可达到较好的固液分离效果，因此需要用到物化沉淀池，最后，应用水解酸化+好氧工艺的组合方式降解废水中的高分子有机物，氧化分解后的废水褪色，COD 得以降解，效果较好。图 2 废水处理工艺流程 图 2 废水处理工艺流程 4.2 工业废气处理方式 从废气类型角度划分，有机废气净化处理的措施主要有以下几种基本类型：工业废气净化处理、锅炉烟尘废气净化处理、工业酸碱废气处理净化、工业生产异味及工业有害细 崔 帅：碳中和背景下化工生产中的废水、废气处理 265 粒子等。从工业角度而言，当前常见的废气处理方式包括冷凝法、吸附法、燃烧法、光氧催化法、等离子法、UV 光解法等，采用的方法不同，获得的去除效果也有一定差异。本研究选取从工艺角度阐述工业废气如何处理更为科学和高效。4.2.1 冷凝法 冷凝法实施的依据是气态污染物在压力和温度参数差异下其饱和蒸气压有所不同，根据这一点，我们可通过降温和加压的办法将某些气态污染物凝结成液体，以便实现最大化净化和回收再利用的目标。不过这种冷凝方式存在一定短板，即处理成本较高、应用范围较小、单独使用效果不佳、对有机废气的浓度有一定要求。冷凝法仅仅可用于高浓度和高沸点的 VOCs 回收，不适合用于处理低浓度的有机废气；单一使用冷凝法一般很少能收到理想的分离效果，因此这种方法常被作为采用吸附、燃烧法等净化处理高浓度臭气的前处理环节。冷凝法一般局限于溶剂回收应用，应用范围较小。4.2.2 吸附法 吸附法按照吸附的复杂程度可以分为一次性吸附、吸附-回收、吸附-催化燃烧等多种类型。活性炭是吸附法中常用到的材料。活性炭吸附效果好，去除效率也比较高，但是这种方法要求经常更换活性炭，只有多次更换活性炭，才能保证净化达到理想效果。吸附-回收法适用于对中、高浓度，中、小风量，有回收价值的废气进行治理，但若有机气体成份复杂，回收后不能直接用于生产，需要再进行精馏、萃取、分离等后继工作，不但造成二次污染，而且大大增加了治理成本。4.2.3 燃烧法 燃烧法分为直接燃烧法和催化燃烧法两种类型。直接燃烧法一般适用于净化处理质量分数高的 VOCs 废气，而对于自身不能燃烧的中低质量分数的尾气，则需要添加助燃剂或辅助加热，不足之处在于直接燃烧法的能源消耗较大，处理成本比催化燃烧法要高很多，此外，这种方式对技术水平要求较高，不容易控制与掌握燃烧火力、时间和效果。催化燃烧法的优点是燃烧过程是无焰燃烧，相对而言，安全性高。催化燃烧法的起燃温度低，可以有效节约能源；净化率高，不会产生二次污染；工艺较为简单，方便操作且安全；催化燃烧装置体积不大，占用的面积小；处理设备的维修与折旧费不高。这种方式也可以用于高温、中高质量分数的有机废气治理，并且在国内外已经有了丰富而广泛的实践经验，处理效果十分理想。5 结 语 5 结 语 工业废水废气污染性强、危害大，必须经科学合理的处理后方可排放。本文介绍了几种工业废水和工业废气的类型及其处理办法，阐述了当前工业废水废气的常规处理流程，希望能对相关企业和研究者有所启发。未来，随着化工技术的发展，工业废水和废气的产生将会受到更多的限制，处理工艺也将更加简单、高效。当前的处理工艺仍存在一定的缺陷，需要企业和研究机构加大研究力度，尽早研发出适合各类废水废气高效率的处理方法，促进我国环保事业可持续发展。参考文献 参考文献 1 王飞,管刚,袁权民.阳极氧化废水处理工艺分析J.中国环保产业,2021(11):50-51.2 深圳市淼英辉实业有限公司.一种工业酸碱废气处理装置：201920193985.2P.2019.3 吕晓宁.催化燃烧法处理污水处理场有机废气J.环境与发展,2018(10):65+67.4 中国污水处理工程网.印刷油墨污水处理工艺EB/OL.2022.https:/