基于物质流分析的电镀行业重金属减排研究

杨婧，孙强*，汪涛，陈桐生，刘伟民

（环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655）

国内的电镀行业企业具有规模小且多分散在各个工业系统中的特点。如果要求这类企业无论规模大小都单独建设电镀废水处理设施，所需投资费用巨大，而且处理设施的投资并不随废水量的减少而减少，因此对小型企业无疑是个沉重的压力。电镀厂点的分散造成工业布局上的不合理，而许多厂点设在居民区，也会给周边造成严重的环境污染。

针对上述问题，国内外采用电镀行业区域集中或建设电镀中心的办法。通过调整电镀厂点的布局以妥善控制电镀污染。在各项环保政策的推进下，集中规划、集中治理、集约发展的电镀工业园区应运而生。近几年，长江三角洲和珠江三角洲的电镀工业园区建设发展迅速。然而，目前我国针对电镀工业园区的管理还未进入成熟阶段，导致电镀园区的建设、运营出现诸多问题。此外，虽然环境保护主管部门已在全国的层面要求电镀工业园区大力开展清洁生产工作，但对电镀工业园区实施清洁生产的措施、方法的研究，以及对重金属减排效果的量化评估仍存在空白。

因此，为了将电镀园区建设成为生态园区，进一步提高园区的清洁生产水平，减少重金属排放，本文运用针对特定物质的物质流分析(Substance Flow Analysis，SFA)方法，建立了基于电镀园区重金属流的SFA 模型，分析电镀生产工艺全过程中的重金属物料流向，量化其在生产过程中的代谢规模和强度，研究其代谢途径及影响因素，并提出相应的减排措施。本文的研究结果可应用于量化电镀园区清洁生产的实施效果，对管理部门具有重要的参考价值。

1 何谓物质流分析

物质流分析是以物质守恒定律为基本原则，研究目标系统中物质输入、储存、分解等数据之间的关系，进而追踪物质流向的一种方法。根据研究对象层次不同，可分为针对特定区域系统的物质流分析(Material Flow Analysis，MFA)以及针对特定物质的物质流分析[1]。

SFA 作为一种理解和刻画特定物质在某一特定系统内流动状况的分析工具[2-3]，主要包含物质、过程、库存与流4 个要素[4]。最初，SFA 被用来分析经济系统中自然资源和物质的流动状况[5]，后来随着环境问题引起人们重视，SFA 开始广泛应用于追踪环境系统中各种有害物质的流动状况，评估城市和区域层面的环境影响[6]，分析金属和营养元素生命周期代谢以及物质社会库存。迄今为止，国内外已开展了大量SFA 研究工作，主要集中于国家和区域层面，小尺度的物质流分析相对较少。在环境治理领域，园区及企业层面的物质流分析便是污染物的物质平衡分析。因此，本文主要采用SFA 的方法对电镀行业的重金属流向进行分析。

2 电镀行业的SFA 分析

以电镀某一重金属M为对象，通过SFA 分析可建立电镀企业金属M 的物质流模型(见图1、表1 及表2)[7]：

(1)输入物质流：金属M 板(PIN1)；配制镀液用的M 盐(PIN2)。

(2)循环物质流：回收液中M 的质量(PCY)。

(3)排放物质流：回收损耗M 量(POTa)；成为缸脚槽渣的杂质含M 量(POTb)；工件、挂具表面附着液含M 量(POTc)；蒸发结晶含M 量(POTd)。

(4)输出物质流：阴极(包括工件、挂具、固定阳极板的设备)表面电解沉淀含M 量(PFN)。

图1 电镀行业中重金属M 的SFA 模型Figure 1 SFA model for heavy metal M in electroplating industry

表1 典型电镀过程中重金属M 的输入物质流分析Table1 1 Analysis of the input flow of heavy metal M in a typical electroplating process

表2 典型电镀过程中重金属M 的输出物质流分析Table 2 Analysis of the output flow of heavy metal M in a typical electroplating process

(5)过程累积物质流：镀前、镀后镀槽内溶液M量变化(Δp)。

电镀工艺流程中，物质流向主要包括：进入系统物质流、流出系统物质流、系统内物质流、回到系统的物质流和附带物质流。在该系统中，根据物质守恒，总输入严格等于总输出，平衡方程如下：

在电镀工艺过程中,假设每个节点都不存在系统积累，以原料或产品形式输入的重金属，除了部分循环回系统中，剩余通过加工或废气废水排出，金属利用率及循环率的计算公式如下：

3 SFA 在电镀园区中的应用研究

为具体分析固废代谢的物质流，以广东省肇庆市某电镀工业园区为例，选取镍作为重金属物质流分析研究的对象，定量评价园区资源利用效率。

该园区占地面积500 hm2，于2004年建成，共有15 家电镀企业，其中通过清洁生产审核的企业10 家，清洁生产实施率为66.7%。生产线共有88 条，涉及的镀种有镍、锌、铬、铜等，其中：镀镍生产线25 条，镀铜生产线40 条，镀锌生产线23 条；自动生产线27 条，半自动生产线29 条，手动生产线32 条。该园区实施清洁生产审核改造前，自动化水平较低(自动生产线占比仅30.7%)，设备较落后。

园区内的电镀企业主要以来料加工为主，生产产品样式和品种较多，以金属配件为主。镀种以铜、镍、锌为主。生产工艺流程主要为：镀件经过前处理去油、酸洗后，进入电镀生产线镀碱铜、酸铜、镍后，根据客户及产品的需求，选择镀铬、镀珍珠镍、镀锡等后续加工。电镀企业产生的污水通过管网排入园区污水处理站集中处理。根据园区企业清洁生产审核改造前后的情况，分析改造前后镍的流向情况。

3.1 电镀园区改造前的物质流分析

根据电镀企业的特征数据，分析每电镀加工10 kg镍产品所产生的平均物质流，SFA 模型见图2。金属镍利用率及残余物形成率计算如下：

根据物质流向，分析污染物排放结构，分别核算Ni2+的6种流向占残余物形成率的比例，如表3 所示。其中清洗水是镍排放的主要环节，流失比例占残余物形成率的67.2%。

表3 电镀园区清洁生产改造前镍流失比例Table 3 Nickel loss before cleaner production in the electroplating industrial park

图2 电镀园区清洁生产改造前镍物质流模型图Figure 2 SFA model of nickel before cleaner production in an electroplating industrial park

3.2 基于SFA 的电镀工业园区重金属减排措施分析

采用电镀分散式金属在线回收与园区整体回收相结合的方式(见图3)来实现重金属的减排，重点控制有组织、有目的的残余物，优先考虑这类残余物产生最小化的各类方案。采取的措施包括：(1)合理设计电镀工艺，使用低浓度镀液工艺，减少流失；(2)合理设计、上挂电镀工件，减少工件兜液；(3)上挂时将兜液面尽量向下，减少随工件带出的重金属；(4)使用在线回收技术，如安装槽边回收系统，使用离子交换、膜处理以及电离等方法，在电镀槽边回收清洗水中的重金属，从而减少废水中的重金属。根据电镀园区改造前污染物排放结构分析，电镀清洗水中的金属流失是重金属流失的主要环节。参考如图4 所示的三级反渗透单元[8]对清洗水循环系统进行改进。另外还对园区总污水站含镍废水深度处理进行了技术改造。

图3 电镀园区物质流代谢拓扑结构图Figure 3 Topological chart of substance flow in the electroplating industrial park

图4 清洗水回用示意图Figure 4 Diagram of cleaning water reuse

经清洁生产改造后，园区的自动化水平由之前的30.7%提高到63.6%。

3.3 电镀园区改造后的物质流分析

清洁生产审核改造后镍物质流分析模型如图5 所示。经计算，Ni 的利用率达到了92.3%，残余物形成率为7.7%。

分别核算Ni2+的6种流向占残余物形成率的比例，如表4 所示。改造后进入废水中的Ni2+大大削减，清洗水中Ni2+在残余物形成率中的占比下降到28.2%。

表4 电镀园区清洁生产改造后镍流失比例Table 4 Nickel loss after cleaner production in the electroplating industrial park

3.4 金属利用率分析

电镀加工10 kg 镍，改造前清洗水中Ni2+流失1.33 kg，改造后降为0.24 kg，改造后清洗水中镍相对于改造前排放减少了81.9%。清洁生产前后清洗水中镍在残余物形成率占比率从67.2%降低到28.2%。电镀园区金属镍利用率指标从国内一般水平提升到国内先进水平，大大削减了重金属的排放量。污染物排放强度也呈现下降趋势。

4 结语

物质流分析是研究电镀行业物质代谢的重要方法。通过建立电镀园区物质流模型，可定量分析各重金属流向的强度，系统研究电镀园区重金属物质代谢规模、效率以及污染物排放结构，并分析其变化的趋势和结果。基于指标的输入和输出端的量化有助于对基本物质的总需求量进行理解和解释。根据重金属再生代谢分析，可理清电镀行业重金属流失流与工艺节点的影响关系。

本研究成果有利于重点治理电镀行业存在的资源利用以及环境污染等问题，为电镀园区可持续发展政策的制定提供参考。

[1]AYRES R U.Industrial metabolism and the grand nutrient cycles [M]//VAN DEN BERGH J C J M.Handbook of Environmental and Resource Economics.Cheltenham:Edward Elgar Publishing Limited,1996.

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[3]VAN DER VOET E,VAN EGMOND L,KLEIJN R,et al.Cadmium in the European community:A policy-oriented analysis [J].Waste Management &Research,1994,12 (6):507-526.

[4]武娟妮,石磊.工业园区磷代谢分析──以江苏宜兴经济开发区为例[J].生态学报.2010 (9):2397-2405.

[5]AYRES R U.Resources,environment and economics:Applications of the materials/energy balance principle [M].New York:John Wiley &Sons Ltd.,1978.

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[7]杨婧,温勇,幸毅明.电镀行业镍物质流模型的建立及减排对策[J].材料保护,2013,46 (1):13-15,18.

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