工业用水：污染、水处理及解决方案指南

没有水，许多企业及其提供的产品将不复存在。在全球各地，每一步生产制造过程几乎都需要用到水。不管是制药行业用去离子水，还是锅炉给水用软化水，在这些环节，水都不可或缺，并且会在这个星球上所制造出的所有产品中留下印记。简单来说，工业行业耗用的水占全球总耗水量的40%左右。与此同时，许多全球性企业在世界缺水地区拥有生产设施，超过2/3的企业报告面临缺水风险。

 

工业用水：企业可持续发展努力的晴雨表

 

什么是工业用水制造业和其它产业在生产过程中需要使用水制造产品或冷却制造产品所用的设备。美国地质调查局（USGS）给出的定义是：工业用水主要指用于制造、加工、清洗、稀释、冷却或运输产品的水。

 

工业用水和工业废水是工业或商业活动的副产品。许多不同的行业，无论生产的是人们吃的食物还是消费的产品，每一个生产环节几乎都需要水，所产生的废水必须进行严格的管理。

 

根据所生产的产品和该地区的原水质量，需要不同的水处理技术。如，在医疗、电子制造和食品加工行业，去离子水是一种重要的成分。这种所谓的超纯水（EUP），几乎将所有矿物质、溶解气体和污染颗粒从水中去除，以免影响制造出精密而敏感的产品如电路板。

 

同时，锅炉和冷却塔中会使用给水，以确保效率，最大限度地延长锅炉和系统寿命，降低维护成本，保持运行的绩效水平。

 

用水量大且需要进行水处理的行业包括：酿酒/碳酸饮料业、乳制品行业、制糖/炼糖业、纺织制造业、纸浆造纸业、石油和天然气业、汽车和飞机制造业及许多其它诸多行业。

 

由于许多工业设施使用淡水将废物从工厂运走，并运入河流、湖泊和海洋，因此有责任确保污染物被清除并将污染程度保持最低。

 

鉴于重工业的存在，工业用水可能含有多种污染物，包括：铅、汞、硝酸盐、磷酸盐、硫、油和石化产品。

 

 

水的四种工业用途

 

耗水量大的行业包括食品、造纸、化工、炼油或初级金属。以下为几个不同行业用水情况的介绍。

 

1，超纯水在半导体制造中的应用

 

水是半导体和芯片制造的重要组成部分。这些半导体和芯片日常运行于计算机、手机和汽车中。半导体和芯片的整个生产过程都要使用超纯水，包括去除硅片中的杂质。例如，单只8英寸晶圆，大约会用作100个芯片的基板，可能需要多达2000加仑的超纯水。因此，半导体生产商需要寻找到合适的回收、再利用和减少运营所需用水量的方法。美国英特尔公司提供了一个引人瞩目的案例，该公司在建造其最大的水循环利用开发项目，作为其希尔斯堡新D1X工厂的一部分。

 

2，冷却水

 

冷却系统用于去除工艺或设备中的热量。从一种介质中除去的热量被转移到另一种介质或通常是水的工艺流体中。根据《苏伊士水务技术手册》，热量传输的关键在于两种介质之间存在温度差。在大多数冷却系统中，这两种介质的温度都在10-200华氏度之间。水的许多特性，包括所含污染物的行为，都受温度的影响。因此，系统腐蚀、结垢或支持微生物生长的趋势也受到水温的影响。

 

3，油气市场用水

 

在全球范围内，石油和天然气行业耗水量不到总用水量的5%，但这些行业在保护经营所在区域的水质方面发挥着重要作用。在石油工业，从石油开采到炼油厂再到制成石化产品，水被作为原材料之一，用量巨大，产出的废水也很多。用途包括注入水、生产水、工艺水、废水、雨水、冷却水、洗罐水等。

 

4，制浆及造纸用水

 

尽管数字化促使人们逐步离开印刷产品，但纸浆和造纸行业仍然是美国最大、欧洲第二的工业过程用水用户之一。在制浆、纸浆加工和纸/纸板制造这三个工段，水与包括煮浆、漂白和洗浆在内的85%的活动密切相关。纸浆和造纸工业所消耗的大量水仅用于加工，因此产生了大量受污染的废水。

 

 

工业水污染指的是什么？

 

除了为制造工艺消耗大量的淡水外，工业领域生产的废水还常常含有生产过程中使用的废副产品。根据国家和地区的不同，有不同等级的法规会对哪些废副产品可以或不能排入当地水道作出规定。以下列出的是一些水污染最严重的案例，虽然不能被视为对这个行业全球现象的总括性陈述。

 

纺织业制造水污染

 

纺织制造业被称为“世界上最大的污染源之一”。据说纺织厂产生了1/5的世界工业水污染。如，在中国，高达20%的工业水污染来自纺织印染和后整理行业。据估计，全球有多达20000种化学品用于纺织制造。

 

尽管纺织厂的耗水量很高，但排放的废水可能含有混合化学物质，包括铅、邻苯二甲酸盐、有机氯化物和其它化学物质，同样令人担忧。当这些化学物质被排放到水体中时，最终将到达消费用的水体，从而可能导致人类出现严重的健康问题和疾病。

 

石化行业的水污染

 

石油炼化是全球最大的产业之一。但据美国环保署称，炼油厂的潜在环境危害已经引起了人们对社区的更多关注。炼油过程包括石油产品的分离和混合在内的一系列工序。

 

炼油厂是地下水和地表水污染的潜在主要原因。一些炼油厂使用深井处理工厂内产生的废水，其中一些废水最终进入含水层和地下水。然后，根据经营地所在的国家/地区，对这些废物进行监管。

 

鉴于炼油厂在炼油过程中可能接触到的水源数量（如设备泄漏、渗漏和原油脱盐），炼油厂废水可能受到高度污染。总而言之，陆地河流和城市径流源占因人类活动而引入北美沿海水域的石油污染的一半以上，占全球海洋水域石油污染的20%

 

当这些水源的废水进入海洋环境时，通常是通过河口，一个陆地淡水与海水混合的区域。

 

煤场水污染

 

据塞拉俱乐部称，煤电厂一直对进入水道的有毒金属，如砷、硼和汞负有责任。在一个阶段，美国72%的有毒水污染来自燃煤发电厂。2015年，环保署颁布了一项停止排放的规定，预计每年将减少14亿磅有毒金属、营养物和其他污染物的排放。然而，根据《科学美国人》的说法，在特朗普政府的领导下，这项规定已经被削弱了。

 

工业水处理工业用水用途广泛。进入工厂的原水通常需要处理，以满足严格的质量规范。同时，用过的水也需要处理，以适应循环利用或排放的要求。简而言之，工业水处理系统对水进行处理的目的是为了使其更适合特定用途，无论是供饮用、制造还是排放。

 

常见的工业水处理系统通常包括：

 

•原水处理系统

 

•冷却塔处理

 

•锅炉给水系统

 

•废水处理系统

 

原水处理系统用于对水源进行预处理和优化，通常旨在提高特定应用的生产效率和工艺性能。悬浮/胶质固体、铁、细菌和硬物通常在原水处理期间去除。例如预处理冷却塔/锅炉给水、工艺/生产用水和/或饮用水。通常，原水处理的重点是保护下游设备不受结垢、污染、腐蚀和其它形式的损坏或由于水源水中存在污染物而过早磨损。

 

同时，锅炉给水处理系统用于保护锅炉机组部件免受补给水中某些污染物的损害。这些污染物可能包括溶解固体、悬浮固体和无机物如铁、铜、钙、镁、铝和溶解气体。一个有效的锅炉给水处理系统的工作原理是，在进入锅炉前去除有害杂质，并控制水的酸度和电导率。

 

由于给水、循环水和/或污水中存在污染物，冷却塔水处理系统必须能够保护冷却塔部件不受损坏。这些污染物包括氯化物、硬度、铁、生物材料、二氧化硅、硫酸盐、TDS和/或TSS。

 

在工业水环境中，废水处理系统用于将废水流处理成可在运行中重复使用或安全排放到环境中的废水。处理系统的复杂性很大程度上取决于影响工厂和废水成分的适用性法规。但是以下步骤代表了可用于各种工况的常见技术，如澄清、消毒、软化和分配。

 

工业水质的要求

 

对工业水质的要求因具体的应用、所在区域和地方法规的不同而大不相同。例如，食品和饮料制造用超纯水与石油和天然气开采和处理用水的要求不同。即使在这些细分领域，不同的食品（例如奶制品、糖果）和饮料（从软饮料到酒精饮料）对水质的要求也会有所不同。加上当地法规和全球法规的差异，使得对水质的要求非常复杂。但就食品工业用水而言，应符合当地安全饮用水标准或世界卫生组织（世卫组织）饮用水质量指南的要求。

 

即便在超纯水分类中，纯水也被分为五种级别，其中的每种级别都由不同的标准和惯例进行定义。甚至“高纯度”水的定义也被用于描述一系列的纯水规格。各种等级的纯水用于不同用途，包括：

 

o去离子水——中压锅炉给水、肾透析补充、电池补充；

 

o纯净水——药品、化妆品、化学品制造；

 

o无热原水——洗瓶、组织培养、注射用水；

 

o高纯水——高压锅炉、热电联供系统、实验室；

 

o超纯水——微电子、超临界锅炉。超纯水的总有机碳限值通常为0.05mg/L，C的电阻率为18兆欧.cm。

 

工业水解决方案

 

有许多工业用水解决方案可供选择，这些解决方案将由几个因素决定：该地区的原水质量、工厂所在区域的法规、正在生产的产品类型和所需水的纯度等。例如，半导体制造所需的超纯水解决方案与制浆造纸废水处理所需的解决方案存在很大差异。通常用于市政水处理的解决方案，如膜，也用于工业应用。此外，由于污染物范围更广，且浓度会随时间变化，因此工业水处理方案往往比市政水处理方案更具多样性。下面列出了几种工业水解决方案和工艺。

 

厌氧消化（AD）

 

包括纸浆和造纸厂在内的工业现场产生大量有机废物，这些废物可以以甲烷的形式转化为可再生能源。厌氧消化是在缺氧的情况下，在一个叫做厌氧消化器的密封无氧罐中分解有机物的过程。厌氧处理工厂废水被广泛接受，但仅适用于少数特定的废水类型。全尺寸反应器的化学需氧量（COD）去除率在30%～90%之间，化学制浆冷凝液流和造纸废水的COD去除率最高，分别达75%～90%、60%-80%。

 

去离子（DI）

 

去离子（DI）是通过离子交换工艺从溶液中除去所有离子化矿物和盐。由于水中含有的大多数非颗粒型杂质为溶解盐，去离子产生的高纯度水通常类似于蒸馏水。去离子过滤器的工作原理是用正氢分子和负氢分子将水中的正、负污染物分子交换出来。带正电荷的化学物质如钠、钙、铁和铜随氢分子变化，带负电荷的化学物质如碘、氯化物和硫酸盐的位置与氢氧化物分子交换。

 

这一过程通常由两个电荷相反的离子化树脂床完成：阳离子（负）树脂和阴离子（正）树脂。阳离子树脂将带正电的离子从溶液中除去，以交换化学等当量的氢离子。带负电荷的离子被阴离子树脂除去，以交换化学等当量的氢氧化物离子。在这个过程中引入的氢和氢氧化物离子结合形成纯水分子。

 

膜

 

膜技术在各种纯水的生产中有着重要的作用。根据可用的给水情况，可将额外的膜技术作为预处理技术。超滤（UF）或微滤（MF）技术可以有效地用作反渗透（RO）的预处理，具体取决于向水处理系统供水的性质和可变性。