基于物質(zhì)流分析的電鍍行業(yè)重金屬減排研究

楊婧，孫強*，汪濤，陳桐生，劉偉民

（環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655）

國內(nèi)的電鍍行業(yè)企業(yè)具有規(guī)模小且多分散在各個工業(yè)系統(tǒng)中的特點。如果要求這類企業(yè)無論規(guī)模大小都單獨建設(shè)電鍍廢水處理設(shè)施，所需投資費用巨大，而且處理設(shè)施的投資并不隨廢水量的減少而減少，因此對小型企業(yè)無疑是個沉重的壓力。電鍍廠點的分散造成工業(yè)布局上的不合理，而許多廠點設(shè)在居民區(qū)，也會給周邊造成嚴重的環(huán)境污染。

針對上述問題，國內(nèi)外采用電鍍行業(yè)區(qū)域集中或建設(shè)電鍍中心的辦法。通過調(diào)整電鍍廠點的布局以妥善控制電鍍污染。在各項環(huán)保政策的推進下，集中規(guī)劃、集中治理、集約發(fā)展的電鍍工業(yè)園區(qū)應(yīng)運而生。近幾年，長江三角洲和珠江三角洲的電鍍工業(yè)園區(qū)建設(shè)發(fā)展迅速。然而，目前我國針對電鍍工業(yè)園區(qū)的管理還未進入成熟階段，導(dǎo)致電鍍園區(qū)的建設(shè)、運營出現(xiàn)諸多問題。此外，雖然環(huán)境保護主管部門已在全國的層面要求電鍍工業(yè)園區(qū)大力開展清潔生產(chǎn)工作，但對電鍍工業(yè)園區(qū)實施清潔生產(chǎn)的措施、方法的研究，以及對重金屬減排效果的量化評估仍存在空白。

因此，為了將電鍍園區(qū)建設(shè)成為生態(tài)園區(qū)，進一步提高園區(qū)的清潔生產(chǎn)水平，減少重金屬排放，本文運用針對特定物質(zhì)的物質(zhì)流分析(Substance Flow Analysis，SFA)方法，建立了基于電鍍園區(qū)重金屬流的SFA 模型，分析電鍍生產(chǎn)工藝全過程中的重金屬物料流向，量化其在生產(chǎn)過程中的代謝規(guī)模和強度，研究其代謝途徑及影響因素，并提出相應(yīng)的減排措施。本文的研究結(jié)果可應(yīng)用于量化電鍍園區(qū)清潔生產(chǎn)的實施效果，對管理部門具有重要的參考價值。

1 何謂物質(zhì)流分析

物質(zhì)流分析是以物質(zhì)守恒定律為基本原則，研究目標系統(tǒng)中物質(zhì)輸入、儲存、分解等數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，進而追蹤物質(zhì)流向的一種方法。根據(jù)研究對象層次不同，可分為針對特定區(qū)域系統(tǒng)的物質(zhì)流分析(Material Flow Analysis，MFA)以及針對特定物質(zhì)的物質(zhì)流分析[1]。

SFA 作為一種理解和刻畫特定物質(zhì)在某一特定系統(tǒng)內(nèi)流動狀況的分析工具[2-3]，主要包含物質(zhì)、過程、庫存與流4 個要素[4]。最初，SFA 被用來分析經(jīng)濟系統(tǒng)中自然資源和物質(zhì)的流動狀況[5]，后來隨著環(huán)境問題引起人們重視，SFA 開始廣泛應(yīng)用于追蹤環(huán)境系統(tǒng)中各種有害物質(zhì)的流動狀況，評估城市和區(qū)域?qū)用娴沫h(huán)境影響[6]，分析金屬和營養(yǎng)元素生命周期代謝以及物質(zhì)社會庫存。迄今為止，國內(nèi)外已開展了大量SFA 研究工作，主要集中于國家和區(qū)域?qū)用?，小尺度的物質(zhì)流分析相對較少。在環(huán)境治理領(lǐng)域，園區(qū)及企業(yè)層面的物質(zhì)流分析便是污染物的物質(zhì)平衡分析。因此，本文主要采用SFA 的方法對電鍍行業(yè)的重金屬流向進行分析。

2 電鍍行業(yè)的SFA 分析

以電鍍某一重金屬M為對象，通過SFA 分析可建立電鍍企業(yè)金屬M 的物質(zhì)流模型(見圖1、表1 及表2)[7]：

(1)輸入物質(zhì)流：金屬M 板(PIN1)；配制鍍液用的M 鹽(PIN2)。

(2)循環(huán)物質(zhì)流：回收液中M 的質(zhì)量(PCY)。

(3)排放物質(zhì)流：回收損耗M 量(POTa)；成為缸腳槽渣的雜質(zhì)含M 量(POTb)；工件、掛具表面附著液含M 量(POTc)；蒸發(fā)結(jié)晶含M 量(POTd)。

(4)輸出物質(zhì)流：陰極(包括工件、掛具、固定陽極板的設(shè)備)表面電解沉淀含M 量(PFN)。

圖1 電鍍行業(yè)中重金屬M 的SFA 模型Figure 1 SFA model for heavy metal M in electroplating industry

表1 典型電鍍過程中重金屬M 的輸入物質(zhì)流分析Table1 1 Analysis of the input flow of heavy metal M in a typical electroplating process

表2 典型電鍍過程中重金屬M 的輸出物質(zhì)流分析Table 2 Analysis of the output flow of heavy metal M in a typical electroplating process

(5)過程累積物質(zhì)流：鍍前、鍍后鍍槽內(nèi)溶液M量變化(Δp)。

電鍍工藝流程中，物質(zhì)流向主要包括：進入系統(tǒng)物質(zhì)流、流出系統(tǒng)物質(zhì)流、系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)流、回到系統(tǒng)的物質(zhì)流和附帶物質(zhì)流。在該系統(tǒng)中，根據(jù)物質(zhì)守恒，總輸入嚴格等于總輸出，平衡方程如下：

在電鍍工藝過程中,假設(shè)每個節(jié)點都不存在系統(tǒng)積累，以原料或產(chǎn)品形式輸入的重金屬，除了部分循環(huán)回系統(tǒng)中，剩余通過加工或廢氣廢水排出，金屬利用率及循環(huán)率的計算公式如下：

3 SFA 在電鍍園區(qū)中的應(yīng)用研究

為具體分析固廢代謝的物質(zhì)流，以廣東省肇慶市某電鍍工業(yè)園區(qū)為例，選取鎳作為重金屬物質(zhì)流分析研究的對象，定量評價園區(qū)資源利用效率。

該園區(qū)占地面積500 hm2，于2004年建成，共有15 家電鍍企業(yè)，其中通過清潔生產(chǎn)審核的企業(yè)10 家，清潔生產(chǎn)實施率為66.7%。生產(chǎn)線共有88 條，涉及的鍍種有鎳、鋅、鉻、銅等，其中：鍍鎳生產(chǎn)線25 條，鍍銅生產(chǎn)線40 條，鍍鋅生產(chǎn)線23 條；自動生產(chǎn)線27 條，半自動生產(chǎn)線29 條，手動生產(chǎn)線32 條。該園區(qū)實施清潔生產(chǎn)審核改造前，自動化水平較低(自動生產(chǎn)線占比僅30.7%)，設(shè)備較落后。

園區(qū)內(nèi)的電鍍企業(yè)主要以來料加工為主，生產(chǎn)產(chǎn)品樣式和品種較多，以金屬配件為主。鍍種以銅、鎳、鋅為主。生產(chǎn)工藝流程主要為：鍍件經(jīng)過前處理去油、酸洗后，進入電鍍生產(chǎn)線鍍堿銅、酸銅、鎳后，根據(jù)客戶及產(chǎn)品的需求，選擇鍍鉻、鍍珍珠鎳、鍍錫等后續(xù)加工。電鍍企業(yè)產(chǎn)生的污水通過管網(wǎng)排入園區(qū)污水處理站集中處理。根據(jù)園區(qū)企業(yè)清潔生產(chǎn)審核改造前后的情況，分析改造前后鎳的流向情況。

3.1 電鍍園區(qū)改造前的物質(zhì)流分析

根據(jù)電鍍企業(yè)的特征數(shù)據(jù)，分析每電鍍加工10 kg鎳產(chǎn)品所產(chǎn)生的平均物質(zhì)流，SFA 模型見圖2。金屬鎳利用率及殘余物形成率計算如下：

根據(jù)物質(zhì)流向，分析污染物排放結(jié)構(gòu)，分別核算Ni2+的6種流向占殘余物形成率的比例，如表3 所示。其中清洗水是鎳排放的主要環(huán)節(jié)，流失比例占殘余物形成率的67.2%。

表3 電鍍園區(qū)清潔生產(chǎn)改造前鎳流失比例Table 3 Nickel loss before cleaner production in the electroplating industrial park

圖2 電鍍園區(qū)清潔生產(chǎn)改造前鎳物質(zhì)流模型圖Figure 2 SFA model of nickel before cleaner production in an electroplating industrial park

3.2 基于SFA 的電鍍工業(yè)園區(qū)重金屬減排措施分析

采用電鍍分散式金屬在線回收與園區(qū)整體回收相結(jié)合的方式(見圖3)來實現(xiàn)重金屬的減排，重點控制有組織、有目的的殘余物，優(yōu)先考慮這類殘余物產(chǎn)生最小化的各類方案。采取的措施包括：(1)合理設(shè)計電鍍工藝，使用低濃度鍍液工藝，減少流失；(2)合理設(shè)計、上掛電鍍工件，減少工件兜液；(3)上掛時將兜液面盡量向下，減少隨工件帶出的重金屬；(4)使用在線回收技術(shù)，如安裝槽邊回收系統(tǒng)，使用離子交換、膜處理以及電離等方法，在電鍍槽邊回收清洗水中的重金屬，從而減少廢水中的重金屬。根據(jù)電鍍園區(qū)改造前污染物排放結(jié)構(gòu)分析，電鍍清洗水中的金屬流失是重金屬流失的主要環(huán)節(jié)。參考如圖4 所示的三級反滲透單元[8]對清洗水循環(huán)系統(tǒng)進行改進。另外還對園區(qū)總污水站含鎳廢水深度處理進行了技術(shù)改造。

圖3 電鍍園區(qū)物質(zhì)流代謝拓撲結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Topological chart of substance flow in the electroplating industrial park

圖4 清洗水回用示意圖Figure 4 Diagram of cleaning water reuse

經(jīng)清潔生產(chǎn)改造后，園區(qū)的自動化水平由之前的30.7%提高到63.6%。

3.3 電鍍園區(qū)改造后的物質(zhì)流分析

清潔生產(chǎn)審核改造后鎳物質(zhì)流分析模型如圖5 所示。經(jīng)計算，Ni 的利用率達到了92.3%，殘余物形成率為7.7%。

分別核算Ni2+的6種流向占殘余物形成率的比例，如表4 所示。改造后進入廢水中的Ni2+大大削減，清洗水中Ni2+在殘余物形成率中的占比下降到28.2%。

表4 電鍍園區(qū)清潔生產(chǎn)改造后鎳流失比例Table 4 Nickel loss after cleaner production in the electroplating industrial park

3.4 金屬利用率分析

電鍍加工10 kg 鎳，改造前清洗水中Ni2+流失1.33 kg，改造后降為0.24 kg，改造后清洗水中鎳相對于改造前排放減少了81.9%。清潔生產(chǎn)前后清洗水中鎳在殘余物形成率占比率從67.2%降低到28.2%。電鍍園區(qū)金屬鎳利用率指標從國內(nèi)一般水平提升到國內(nèi)先進水平，大大削減了重金屬的排放量。污染物排放強度也呈現(xiàn)下降趨勢。

4 結(jié)語

物質(zhì)流分析是研究電鍍行業(yè)物質(zhì)代謝的重要方法。通過建立電鍍園區(qū)物質(zhì)流模型，可定量分析各重金屬流向的強度，系統(tǒng)研究電鍍園區(qū)重金屬物質(zhì)代謝規(guī)模、效率以及污染物排放結(jié)構(gòu)，并分析其變化的趨勢和結(jié)果?；谥笜说妮斎牒洼敵龆说牧炕兄趯疚镔|(zhì)的總需求量進行理解和解釋。根據(jù)重金屬再生代謝分析，可理清電鍍行業(yè)重金屬流失流與工藝節(jié)點的影響關(guān)系。

本研究成果有利于重點治理電鍍行業(yè)存在的資源利用以及環(huán)境污染等問題，為電鍍園區(qū)可持續(xù)發(fā)展政策的制定提供參考。

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