评估工具在促进金属表面涂装行业清洁生产中的重要性外文翻译资料

 2022-08-15 17:01:39

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清洁生产杂志

评估工具在促进金属表面涂装行业清洁生产中的重要性

Arnesh Telukdarie ,Chris Buckley , Michael Koefoed

摘要:在南非的金属涂装行业已经实施各种清洁生产审核,这些研究已经成功地改变了当地金属涂装行业的总体状况。本文详细介绍了丹麦政府赞助的项目所采取的措施。该项目包括使用定制的清洁生产的标杆管理工具进行厂内评估,详细介绍了该工具的工作运行和典型结果。标准评估表明,潜在节水量为78%,化学品的节省约为30%。描述了实现清洁生产目标而进行的工厂改造。详细介绍了这些改造措施对当地市政废水处理工程的影响,并特别提到了减少排放废水中重金属的重要意义。工厂面临的主要挑战一直是评估工具需要的数据以及克服实施改进方案的社会障碍,并且还提出了包括再设计评估工具等建议。

1. 引言

电镀行业提供的服务范围从基本金属镀层到更高级的非金属镀层以及脉冲镀层。电镀工厂为各种工业的/家用的部门提供包括汽车、服装、建筑、航空、电子和军事上的各种产品。

表理处理行业消耗大量对人类和环境有害的化学物质。与其他大多数行业一样,使用的化学物质并不总是最终存在于所生产的产品,这些废物有时会释放到环境中[1,2]。这使人认为电镀行业是全球污染最严重的行业之一的观点[3-5]。

这些废弃物通常被认为是危险或有毒的,其种类包括挥发性有机物、酸/碱废气、六价铬、镍、含金属/氰化物的废水、高金属含量的污泥、油/油脂、油漆残渣等。在一些情况下,这些化学物质会通过废水处理设施进行处理并排放到市政区域环境。

从工厂的收益来看,实际上最重要是产生的废物意味着利润损失,这主要是由于工厂运营不佳所致,最终结果是浪费了原材料。此废物在污水处理厂被处理,从而导致进一步成本的增加。可以说,处理废物的最有效手段是遏制废物的产生。

在金属涂装过程中应用清洁生产原则可以减少或消除这些因素。在不应用清洁生产运营工厂的最终结果是:有毒化学物质的损失、更高的财务影响、更高的员工危险环境、降低的产品质量和可避免的环境排放。

2.南非的金属涂装行业

很难准确确定南非(SA)的金属涂装行业(MFI)的规模[2],也很难得到南非金属涂装行业现有工厂大小和外形的相关数据。甚至由主管部门进行的企业注册也仅提供了该行业的规模与分布的部分图片。最近对金属涂装行业的调查表明,南非有500-600个独立的金属精轧机[2]。这些设施中有许多是在后院设施中运作的,未经过正式注册[3]。据保守估计,拥有大量金属加工业务的公司总数为1200家[2]。

在涉及金属涂装的所有企业中,可以获得只有一小部分(最多25%)公司所用工艺、规模和位置的资料。这项调查被认为是对南非工业部门性质的一个公正的指示[2]。则大多数公司位于豪登省,其次是夸祖鲁纳塔尔省和西开普省,很少有公司位于东开普省,其他一些省份都没有数据。有关金属涂装工艺类型的结果表明,南非的工艺与其他国家的工艺相似[2]。就公司总数而言,电镀占最大的比例(40%)。其他重要工厂主要是阳极氧化和热镀锌,尽管数量很少(lt;10%),见表1。但锌、镍、铜和硬铬电镀是最常见的类型,分别占比约为25%、21%、16%和13%[2]。在南非和其他调查过的国家/地区表明,超过90%的金属涂装行业是中小型企业;大多数员工不到50名。其中,有20%的企业员工少于10名,有60%的企业员工少于50名。到目前为止,单独金属精轧机比内部金属精轧机数量多,但相差不大。

表1 南非金属涂装行业的调查

占总数的比例(%)

电镀 粉末涂装 湿态喷漆 热浸涂装 抛光 阳极氧化

42 29 18 13 12 7

[2]

遗憾的是,由于设备陈旧和维护不善,水资源和能源在厂内消耗过高,浪费过多。许多问题在于缺乏总务管理,这和工人的教育、培训和技能有关。由于水和化学品的过量损失,使得这些物质浪费消耗大。这些问题主要是由于缺乏总务管理方法造成的[8]。在南非的金属涂装操作过程中,电镀、阳极氧化和化学表面处理工艺是最耗水的。Binnieamp;Partners咨询工程师[3]指出,在大多数操作中水的利用率不是最佳的。这项研究还发现,金属涂装行业每年用于漂洗的水量约为80%。表2列出了国际上金属涂装行业中单个金属负载到总负载的数据[9]。

表2表面涂装行业产生的金属总量占有毒金属总量的比例

几种金属单质在金属涂装工厂排放的废弃物中占的比例(%)

镉 铬 铜 铅 镍 锌

2 45 45 5 72 43

[9]

漂洗过程是金属涂装行业产生废物的主要来源。从工艺槽移出后,必须进行冲洗以清除机架/零件上的积垢[10],见图1。这导致化学物质和重金属离子被冲洗并排放到废水中。定期排放的废弃工艺槽会增加了废水。为了符合废水排放规定,金属涂装行业做法是安装了管道末端技术,该技术会产生需要严格处理的有毒污泥[11]。废水处理污泥通常是来自金属涂装的主要固体废弃物。

图1 包括投料和废料的电镀工艺流程图

常规处理系统包括pH调节、氰化物的氧化和含铬废水的还原,接着是氢氧化物沉淀、净化,有时会进行过滤或固体脱水。产生的有害污泥必须在被批准的垃圾填埋场中处理[10]。由约翰内斯堡地区的一些金属涂装企业的课题表明,很少有企业积极地进行有效的废水管理,并且基本的预处理(存在预处理的企业)通常操作不符合标准,这导致大量重金属离子进入污水处理系统[12]。

由于多种原因,含重金属离子的工业废水通常会在污水处理厂下游造成问题。这些问题包括:

它们不易从废水中除去,并存在于排入河流的废水中,对水生生物造成不利影响;

重金属抑制了污水处理厂的生物处理过程,从而降低了污水处理厂的处理效率;

如铬和镉等高浓度重金属,其积聚在污泥中限制了市政污水厂的安全处置和回收再利用[9]。

在南非的污水处理厂产生的污泥传统上被用作农田的土壤改良剂,但是由于这种重金属含量很高,一般是不允许的。由于代替品是污泥,所以必须将其在设计上和管理上都合理的垃圾填埋场中进行处理[13]。南非政府或私人拥有的处理/处置场超载,导致地方收取处置费用较高。酸性填埋场中重金属的浸出和迁移速率因强酸性降雨而加快,这在南非的许多工业中心地带很常见。由于缺乏工程批准的垃圾填埋场,所以当地政府越来越严格地监控处理工业废物的处置方法,并且所涉及的成本将在更大程度上考虑到填埋废物产生的额外环境负担。

3.南非清洁金属涂装工厂的生产项目

丹麦环境与发展合作组织(DANCED)于2000年在南非启动了一个为期三年的示范项目,以减少金属涂装行业对环境的负面影响[7]。项目的目标和产出包括:

项目目标:

金属涂装公司实施的清洁生产流程;

发展金属涂装行业的可持续能力和可用容量;

提高公司和监管机构人员的环保意识。

项目产出包括:

对顾问、金属电镀经理和电镀人员进行培训;

对金属涂装公司进行清洁生产基准评估;

对清洁生产方案进行可行性研究;

在金属涂装工厂执行20个示范性清洁生产计划;

增强金属涂装行业和可持续金属涂装贸易组织内部的清洁生产能力。

清洁金属涂装生产项目的主要目标群体是南非的金属电镀和热浸镀锌工业。然而,在金属涂装行业的其他领域也可以应用该项目的方案和成果。

4.制定清洁生产标杆管理

Dahl[14]研发出专用清洁生产管理的工具(BCPT)用来做清洁金属涂装工厂项目的基础[15]。该模型基于单元运行/质量平衡原理,此原理已在大多数为废物减量化俱乐部[13]中进行了讲授,并且被用作清洁生产评估的最通用方法之一。该模型解决了金属电镀中的所有单元操作(见图1),并通过八个参数特征描述了金属电镀厂的清洁生产曲线(见图2)。从获取工厂里八个关键区域的详细数据来进行评审评估,把数据输入到基准工具中,然后,该工具生成并输出简要图,如图2所示。

图2 基准清洁生产工具的环境概况图

八个关键点是:

职业健康和安全;

废水处理厂的操作实践;

废水处理厂的化学品消耗量;

废物减量化;

节水;

冲洗系统的状态;

维护工艺槽;

加工化学品的消耗[14]。

单元处理的效率是根据每个生产单元所消耗的金属、化学品、水、及产生的废水和污泥来计算的。通过有代表性最佳可用技术(BAT)中的内置目标值在模型中对结果进行基准测试(这些目标值是Dahl [14]提供的预定值),使得公司可以将其清洁生产与全球任何地方的公司之间的最佳性能进行比较,参见图3。通过重复进行基准测试,该公司可以根据大多数环境管理系统(例如 ISO 14000)[16]认证的要求来衡量其清洁生产的改进。

图3 环境基准水平[16]

审核过程的第一阶段需要审核员进行工厂访问/走访。此次访问只为定性地指出潜在的改进领域。审核者应根据其清洁生产经验来确定需要改进的地方。概括性报告的目的是通过说明潜在的节约领域来提高这些不规范工厂的兴趣。

审核的下一阶段从预评审的文件开始。预评审文件用于获取工厂的基本运营数据。该文件应在审核前两周分发给各公司,它有七页,总共有九个表格要完成,要求接受审核的公司经理要在审核之前先完成文件里面的内容。

预评审的文件需要不同工厂类别下的各种数据。要填写完善第一个表的内容需要工厂生产率的信息。工厂的生产率是年初至今工厂内电镀材料的平方面积。由于电镀公司没有保留或使用此类数据,因此很难获得此数据。所有公司都根据电镀的物品的尺寸比例或数量向客户收费。因为电镀产品有着复杂的尺寸和多种不同形状。被审查的公司没有足够的技术水平或时间来完成确定镀件表面面积的信息。因为这些公司每年要做电镀金属从十个组件到数千个组件不等,并且发现不可能对所有表面面积进行统计。

出于环境评审的目的,审核员和公司的经理必须获得所需表面积的信息,表面积的数据是获取当年镀覆的组件以及组件数量的记录来估计。事实证明,这是一个挑战,因为确切的零件和数字电镀编号记录一般情况下是不存在的。所以公司估算镀层表面积的过程通常需要4小时至一天的时间,具体取决于镀层组件的种类。

Flemming模型的另一个重要参数是电镀厚度。公司被要求输入镀层厚度,所以这些公司是根据化学品供应商提供的随机样本进行表面厚度分析(这种分析需要训练有素的人员以及昂贵的设备)。假定电镀的表面足够,公司的电镀是基于电镀槽中的时间进行的。这些公司最终凭借员工的目视检查来确保覆盖镀层表面,他们没有能力在所有镀覆元件范围内完成此类测试。此外必须记住这一点,电镀厚度取决于部件的形状。一旦获得了这些数据,便可以完成表格的其余部分。

4.1.1 化学品和水量的消耗表

工厂要完成有关实际化学品消耗的部分(见表3)。数据表要求每个储罐不同组分的年度消耗量。

表3审核员完成的审核表错误!链接无效。电镀公司根据从化学品供应商处获得的信息来管理。根据供应商的储罐分析通常每周加药一次。为此,公司必须从其销售部门或采购部门获取年度消费数据。 拥有大量库存的公司发现很难获得相关数据,必须要进行实际审核才能确定年初至今的化学品消耗量。由于消耗量无法直接测量,因此某些化学物质难以计量。一个典型的例子是:在较长时间后更换阳极,必须在指定时间内根据消耗量进行比例分配。

4.1.2 工艺槽的维护

需要完成的第三张表是所有工艺槽的维护。这里所需的典型数据是储罐容量和每个工艺储罐的准确化学物质的分解。企业对目前的工艺槽管理实践制定了各种规范。结果发现,化学品供应商通常在管理罐中化学品时填写此表,而且每周要完成一次浴液分析。

4.1.3 冲洗台

审核需要冲洗系统硬件的详细信息;其中包括水箱的配置、流量模式和原水的来源等。Flemming系统依靠统计信息来确定运行效率。冲洗系统的这部分相对容易完成,但是在量化每个单独过程所需的确切水量时有难度。

工厂必须输入流入每个水箱的确切水量。如果没有这些数据,公司必须使用存储桶和秒表方法确定消耗量。调查表的这一部分公司可以不用记录,但是当审计员进入现场时,必须确定这些数据。

4.1.4 危废和废水的处理

工厂必须提供有关危险废物数量和成分的相关数据,这包括处理危废的步骤以及与废物处理和处置的相关成本。

审核时必须确定与废水处理设施相关的硬件和设备校准,审核还需要废物准确的化学成分,以及处理化学品的化学配方。

整个完整调查表将由公司作为审核前做成数据表完成。从结果中发现,公司的响应时间从一周到三周不等完成预审计的数据表,这时间取决对信息的可得性和对现有可用格式进行数据组织。

在进行审核

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