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鋼鐵廢水回用

一、概述

依據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，去年全國(guó)的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)接近5億噸，占世界粗鋼產(chǎn)量的36％，排名世界第一，并且超過(guò)了第二到第八名的總和。預(yù)計(jì)今年的粗鋼產(chǎn)量將達(dá)到5.2億噸。鋼鐵行業(yè)是全國(guó)的用水大戶，約占全國(guó)工業(yè)用水量的14%，所以鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

國(guó)外大型鋼鐵企業(yè)的噸鋼新水消耗量一般為4噸，國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)平均噸鋼新水消耗量高達(dá)8噸左右，說(shuō)明我國(guó)的噸鋼耗水量有進(jìn)一步下降的具大潛力。國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的新水流程大多采用多級(jí)串聯(lián)使用，水的再利用率都在90％以上。隨著循環(huán)再利用率的提高，水中溶解性總固體和各種難溶鹽濃度成倍增加，設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢趨勢(shì)加劇。水中溶解性總固體和難溶鹽的不斷增加，已成為進(jìn)一步降低噸鋼耗水的瓶頸之一。為了提高水的重復(fù)使用率，必須對(duì)現(xiàn)有排放廢水進(jìn)行深度 處理達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，降低新水的使用量。

反滲透技術(shù)已經(jīng)是廢水回用深度處理的主流工藝，國(guó)內(nèi)許多大型鋼鐵廠已經(jīng)建設(shè)和使用該技術(shù)。在使用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題。最嚴(yán)重的問(wèn)題之一是系統(tǒng)壓差上升快，化學(xué)清洗頻繁，我司經(jīng)過(guò)對(duì)某廢水實(shí)際工程運(yùn)行情況的小試。找到了一款更適用于鋼鐵廢水的深度處理的美國(guó)進(jìn)口低污染反滲透膜元件，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析證明該款膜產(chǎn)品的特性適用于廢水處理。

二、鋼鐵廢水的分類和處理工藝

2.1 分類

鋼鐵廠廢水主要包括：采礦、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼（連鑄）、軋鋼等工藝產(chǎn)生的廢水，還有一些來(lái)自輔助工藝的廢水，像焦化和自備電廠等。

表 1  鋼鐵廢水的來(lái)源和特點(diǎn)

選礦廠多在山區(qū)，水循環(huán)系統(tǒng)自成體系。選礦廢水又稱尾礦水，廢水進(jìn)入尾礦壩后沉淀澄清，可以去除懸浮物，同樣對(duì)重金屬和浮選藥劑也有一定的去除。尾 礦壩的溢流水可以循環(huán)使用，水的循環(huán)利用率可以達(dá)到80％以上。尾礦水不經(jīng)處理就排放或流失會(huì)嚴(yán)重污染水源和土壤，對(duì)周邊居民的生產(chǎn)、生活造成嚴(yán)重影響。 國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)曾嘗試采用石灰法和反滲透對(duì)尾礦滲漏水進(jìn)行處理。通過(guò)兩個(gè)月的中試，反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)和運(yùn)行壓力等參數(shù)都很穩(wěn)定。目前制約尾礦水深度處理的因素，主要因選礦廠的位置偏僻，導(dǎo)致反滲透的產(chǎn)水沒(méi)有用戶。

對(duì)于其它來(lái)源的廢水，多數(shù)鋼鐵企業(yè)是將主要的生產(chǎn)廢水匯總到總排車間統(tǒng)一處理排放，其中軋鋼廢水和焦化廢水通常經(jīng)過(guò)單獨(dú)處理后再匯入總排系統(tǒng)。鋼鐵廢水的深度處理在某種程度上可以說(shuō)是鋼鐵總排廢水的深度處理。

我國(guó)南北方鋼鐵總排廢水深度處理工藝是有差異的，南方水資源豐富，取新水成本較低，如果采用深度處理工藝，例如：反滲透，經(jīng)濟(jì)效益通常不夠理想，但在節(jié)能減排的今天社會(huì)效益仍很顯著。此外，南方水系中溶解性總固體少，廢水深度處理的目的主要是除油、除濁和去除重金屬氧化物，提高水的循環(huán)利用率。相對(duì)于南方而言，北方地區(qū)嚴(yán)重缺水，新水的取水成本高，這時(shí)采用反滲透作為深度處理工藝，就具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 處理工藝

鋼鐵行業(yè)廢水深度處理的主要目的是減少新水用量，深度處理后的產(chǎn)品水可以大致分為三個(gè)使用目的。

（1）作為循環(huán)冷卻水的補(bǔ)給水，提高循環(huán)利用率，減輕了主體設(shè)備腐蝕；

（2）供給鍋爐作為補(bǔ)給水；

（3）高端設(shè)備的冷卻循環(huán)水。

傳統(tǒng)鋼鐵廢水總排處理系統(tǒng)包括：高密度澄清、混凝澄清、爆氣生物濾池、深度氧化、快速過(guò)濾等。鋼鐵廢水經(jīng)過(guò)總排處理工藝后的特點(diǎn)為：

①  水溫高（軋鋼廢水的溫度可以達(dá)到70℃），夏天的水溫多在30℃左右，即使是寒冷的北方地區(qū)，冬天水溫也都保持在15℃以上。

②  溶解性總固體高，在新水含鹽量較高的北方地區(qū)，總排廢水的溶解性總固體都在1500以上；

③  油含量2mg/L左右，軋鋼廠在設(shè)備檢修時(shí)，才有一定量的油泄漏到廢水中；

④  COD保持在30以上，COD的主要貢獻(xiàn)是焦化廢水，焦化廢水中含有大量的NH4-N、苯酚，并入總排廢水后NH4-N的含量維持在30mg/L左右；如果能將焦化廢水單獨(dú)處理，不并入深度處理的反滲透系統(tǒng)，將會(huì)大幅度的提高反滲透系統(tǒng)的清洗周期；

⑤  重金屬Fe、Mn含量高，冶煉和軋鋼廢水的鐵離子含量2-10mg/L，通過(guò)爆氣、混凝沉淀等工藝，總排廢水的鐵錳離子含量都能控制在1mg/L以下；

⑥  懸浮物、濁度高，通過(guò)各分廠混凝沉淀處理后的廢水，懸浮物含量都在200mg/L以上，通過(guò)總排廢水處理懸浮物含量穩(wěn)定在30mg/L左右。

為了降低鋼鐵廢水中的溶解性總固體以及其他影響其回用的污染物，使得鋼鐵廢水可以進(jìn)一步回用，膜法水處理技術(shù)就不可或缺。做為脫鹽為目的的單元分離工藝，反滲透技術(shù)以其性能穩(wěn)定、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵廢水回用領(lǐng)域。其中太原鋼鐵、萊蕪鋼鐵、國(guó)豐鋼鐵等鋼鐵公司，反滲透技術(shù)幾年前就早已應(yīng)用到廢水回用的項(xiàng)目中，并成功的使噸鋼新水耗量都下降到3.5噸左右，優(yōu)于世界先進(jìn)水平。并且在反滲透系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為其他鋼鐵公司采用反滲透等膜法水處理技術(shù)回用總排廢水提供了可參考的實(shí)例。

通過(guò)不同組合完成總排廢水的處理工藝＋雙膜工藝（超濾＋反滲透）。還有一些項(xiàng)目是采用多介質(zhì)過(guò)濾＋活性炭＋反滲透的工藝路線。兩種工藝路線的主要區(qū)別是超濾和活性碳。超濾主要去除水中非溶解性的雜質(zhì)，在鋼鐵廢水中，超濾能夠很好的去除廢水中的總鐵，超濾出水的總鐵都能保證在0.1mg/L以下；當(dāng)入 水水質(zhì)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，超濾產(chǎn)水水質(zhì)也能保證在穩(wěn)定的水平。超濾產(chǎn)水的濁度<1NTU，SDI15<3�；钚蕴抗に嚳梢晕�附一些油類和小分子有機(jī) 物，從某鋼鐵企業(yè)的廢水深度處理的數(shù)據(jù)得知，活性炭對(duì)UV254的去除率是超濾膜的4倍。反滲透膜能夠去除懸浮固體、鹽類和小分子有機(jī)物，是一種以壓力為 驅(qū)動(dòng)力的脫鹽裝置，在反滲透使用過(guò)程中最困擾的問(wèn)題就是膜污染，膜污染的種類主要分為：顆粒污染、膠體污染、難溶鹽析出和生物污染。所有的工程公司 （OEM）在系統(tǒng)集成時(shí)，都會(huì)增強(qiáng)預(yù)處理，減輕膜污染，而所有的膜制造廠又以抗污染膜為研發(fā)的方向。

鋼鐵總排廢水深度處理的核心部分就是反滲透系統(tǒng)，反滲透系統(tǒng)運(yùn)行的好壞，主要評(píng)價(jià)三個(gè)方面：脫鹽率、產(chǎn)水量和系統(tǒng)壓差。廣州凱膜公司已經(jīng)有了三年的中試數(shù)據(jù)，脫鹽率、產(chǎn)水量和系統(tǒng)壓差的穩(wěn)定性和化學(xué) 清洗恢復(fù)效果都令人非常滿意。

三、系統(tǒng)信息

3．1 設(shè)計(jì)信息

某鋼鐵企業(yè)采用綜合廢水做為水源，經(jīng)過(guò)預(yù)處理和深度處理使廢水達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)就該反滲透系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行做一案例分析。

反滲透設(shè)計(jì)出力：10 m3/h

單套排列方式：2:1（5芯膜殼）

設(shè)計(jì)回收率：70％

設(shè)計(jì)膜通量：19.9L/m²·h

反滲透膜選用美國(guó)進(jìn)口的增強(qiáng)型低污染反滲膜，這是目前全世界脫鹽率最高的抗污染反滲透膜元件。并且在膜元件結(jié)構(gòu)和耐清洗性上做了增強(qiáng)處理。

表 2  中試膜的產(chǎn)品規(guī)格與性能

測(cè)試條件：2000mg/L的NaCl溶液；測(cè)試壓力：1.55MPa；溫度：25℃；回收率15％；pH:6- 7；

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化分析

反滲透系統(tǒng)投運(yùn)6個(gè)月內(nèi)沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何化學(xué)清洗，由于原水含鹽量、溫度變化，系統(tǒng)的操作壓力和產(chǎn)水量也隨之變化。為了能夠準(zhǔn)確的把握反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行 狀況，我們對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化后的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以消除系統(tǒng)運(yùn)行溫度以及操作壓力對(duì)產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)對(duì)的影響，能夠真實(shí)反應(yīng)反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

(1)標(biāo)準(zhǔn)化下的產(chǎn)水量：

Qp:    產(chǎn)水量 （m3/hr）

NDP:   凈推動(dòng)壓力（bar）

TCF:   溫度校正系數(shù)

（2）標(biāo)準(zhǔn)化透鹽率：

SP:    透鹽率(%)

Qp:    產(chǎn)水量 （m3/hr）

TCF:   溫度校正系數(shù)

四、運(yùn)行數(shù)據(jù)

4.1產(chǎn)水量穩(wěn)定性

標(biāo)準(zhǔn)化下的產(chǎn)水量運(yùn)行數(shù)據(jù)表示在圖1中.反滲透的進(jìn)水壓力是實(shí)測(cè)值，反滲透系統(tǒng)是冬天投運(yùn)的，隨著水溫的逐步回升，操作壓力也逐漸降低，冬季系統(tǒng)運(yùn)行壓力保持在1.1MPa，夏季系統(tǒng)壓力0.92MPa。標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量是消除溫度、壓力影響的后的計(jì)算值。從上圖我們看到，初始產(chǎn)水量在11-12m³/hr之間，半年左右的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，產(chǎn)水量一直穩(wěn)定在10m3/h左右，說(shuō)明這款膜元件的耐污染性能強(qiáng)。

圖 1   反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量的標(biāo)準(zhǔn)化曲線

4.2透鹽率穩(wěn)定性

反滲透系統(tǒng)的透鹽率1-2％之間（透鹽率是指鹽的透過(guò)率，它是100%減去脫鹽率得出的）。影響反滲透系統(tǒng)透鹽率的主要因素是給水溫度和給水水質(zhì)。隨著給水溫度升高，透鹽率增加；給水水質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，透鹽率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，變化的趨勢(shì)依具體情況判定。鋼鐵總排廢水的水質(zhì)和溫度每天 都會(huì)發(fā)生波動(dòng)，反滲透系統(tǒng)的透鹽率也會(huì)相應(yīng)的變化。系統(tǒng)在多數(shù)運(yùn)行時(shí)間的透鹽率均為1％，由于給水水質(zhì)的波動(dòng)，透鹽率在某一時(shí)間段出現(xiàn)起伏，但未影響反滲 透膜的性能，期間沒(méi)有經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗。

4.3系統(tǒng)壓差穩(wěn)定性

圖2看到，反滲透系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行期間，總系統(tǒng)壓差都保持在0.1MPa左右，兩段壓差都在0.05MPa。如果系統(tǒng)壓差出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，則說(shuō)明污染物在膜表面積聚，其速度會(huì)隨著污染的加重而加快，系統(tǒng)壓差會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)極限值（單支膜元件的承受最大壓差0.1MPa）。系統(tǒng)壓差的變化是反滲透受污染程度的一個(gè) 重要的指標(biāo)，該套系統(tǒng)的壓差沒(méi)有出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在某種程度上可以說(shuō)明膜表面沒(méi)有發(fā)生污染，體現(xiàn)了專利隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)的寬通道抗污染膜元件的優(yōu)勢(shì)。

圖 2 各段壓差和系統(tǒng)壓差的變化

五、 討論

美國(guó)公司進(jìn)口的增強(qiáng)型低污染反滲透復(fù)合膜能在此項(xiàng)目上獲得成功，與業(yè)主和工程公司的設(shè)計(jì)、施工和管理密不可分。就這套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型、設(shè)備管理等方面的內(nèi)容，提出以下幾點(diǎn)供大家探討。

5.1膜通量

膜污堵的速率和膜通量有直接的關(guān)系，通量越高，就會(huì)加快污染物向膜表面遷移的速度，污染物積聚在膜表面的情況就會(huì)加劇。污染物的聚積會(huì)改變水在膜表 面的流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)狀態(tài)的改變又是其它難溶鹽和膠體物質(zhì)析出的誘因。膜污染和膜表面流動(dòng)狀態(tài)的變化互為因果、相互影響。在反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，膜通量的選取 至關(guān)重要，廢水處理中膜通量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值是17－20L/m2·h。

5.2給水隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)

給水隔網(wǎng)的厚度決定了膜元件的壓差大小。對(duì)于給水隔網(wǎng)來(lái)說(shuō)，通常被關(guān)注的是它的厚度，即人們通常說(shuō)的28mil、31mil和34mil。膜元件的 壓差降低與隔網(wǎng)的厚度成反比。在正常的給水流量范圍內(nèi)， 34mil厚度的給水隔網(wǎng)比28mil厚度的給水隔網(wǎng)的膜元件的單只膜的壓降降低50%以上。但這僅僅是描述給水隔網(wǎng)性能的眾多參數(shù)之一，其他的參數(shù)還包括：隔網(wǎng)經(jīng)緯線的截面形狀，經(jīng)緯線夾角角度等。因此，同為34mil厚度的給水隔網(wǎng)在實(shí)際工作中表現(xiàn)的性能也不相同。PROC10型膜元件采用了美國(guó)海德 能公司的專利隔網(wǎng)，從而大幅度降低了系統(tǒng)的運(yùn)行壓力損失。由于壓力損失的減小，延長(zhǎng)了反滲透系統(tǒng)壓差到達(dá)上限值的周期，并且寬通道膜元件在化學(xué)清洗時(shí)，污 染物也能比較順暢的排出系統(tǒng)，清洗效果優(yōu)于其它膜元件。給水隔網(wǎng)的厚度對(duì)單只膜系統(tǒng)壓差的影響表示在圖3中。

圖3 給水隔網(wǎng)的厚度對(duì)單只膜系統(tǒng)壓差的影響

5.3濃水流量

在反滲透系統(tǒng)計(jì)算報(bào)告中，都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)β值即濃差極化因子，一級(jí)反滲透系統(tǒng)的允許的最大濃差極化因子為1.20。濃差極化因子越大，發(fā)生膜污染的可 能性就越大。增加膜系統(tǒng)給水側(cè)的切向流速是降低系統(tǒng)污染的有效方法之一。在其它條件（產(chǎn)水量、回收率、膜通量）不變的情況下，濃差極化因子的大小取決排列 方式，選用膜面積大的膜元件，能夠減小用膜數(shù)量，增大濃水流量，減小β值。同樣，選擇7芯裝壓力容器，也可以增大濃水流量。所以，很多鋼鐵廢水回用項(xiàng)目上 都采用400ft2的反滲透膜并選用7芯裝壓力容器，目的就是增大濃水流量，加大反滲透膜表面的切向流速，減緩污染物富集。此外，還可以通過(guò)增加濃水循環(huán) 來(lái)降低β值，但這樣能耗會(huì)稍稍增加，在給水條件很惡劣情況下，也可以考慮采用濃水循環(huán)。

5.4膜元件機(jī)械破損

膜元件外殼的玻璃鋼（FRP）與壓力容器之間有一定的間隙，沒(méi)有端面排氣構(gòu)造的膜元件，間隙里是充滿空氣的。反滲透系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中，膜元件外殼與 壓力容器內(nèi)壁間的壓力差很大，可達(dá)1MPa以上。FRP受力膨脹變型，易造成FRP疲勞破裂。尤其是在污水系統(tǒng)中，污染物富集迅速、壓差大，F(xiàn)RP破裂幾 率更大。FRP破裂會(huì)造成膜元件性能下降（主要影響脫鹽率），在系統(tǒng)選膜時(shí)，應(yīng)當(dāng)予以考慮。

5.5藥劑投加

鋼鐵廢水深度處理工藝中有很多加藥點(diǎn)，常規(guī)的加藥點(diǎn)有：酸、堿投加（調(diào)節(jié)pH）、混凝劑投加、氧化型殺菌劑投加、還原劑投加、阻垢劑投加等。加藥設(shè) 備和藥劑的選型、投加、計(jì)量在這里不做討論，只想強(qiáng)調(diào)這些藥劑投加對(duì)反滲透系統(tǒng)的影響都非常大，酸、堿投加可以影響反滲透系統(tǒng)脫鹽率和碳酸鹽結(jié)垢傾向。過(guò) 量投加混凝劑會(huì)造成反滲透系統(tǒng)污堵，可以適當(dāng)放寬混凝沉淀、快速過(guò)濾等設(shè)備的出水指標(biāo)，混凝劑投加應(yīng)當(dāng)和反滲透的污堵掛鉤。殺菌劑、還原劑和阻垢劑對(duì)反滲 透膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，如果這三種藥劑在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，可能會(huì)對(duì)膜元件性能造成不可逆的破壞，對(duì)這三種藥劑投加的運(yùn)行管理，要做到每天校 核投加計(jì)量。設(shè)備制造時(shí)也應(yīng)該考慮有一些方便校核的計(jì)量裝置。

5.6數(shù)據(jù)紀(jì)錄與分析

反滲透系統(tǒng)一定要有完整的運(yùn)行數(shù)據(jù)紀(jì)錄：給水壓力、中間壓力、濃水壓力、給水流量、濃水流量、給水電導(dǎo)率（或者是TDS）、產(chǎn)水電導(dǎo)率、濃水電導(dǎo)率 （或者是TDS）、給水pH、給水溫度、給水ORP。將每天的運(yùn)行數(shù)據(jù)錄入反滲透的標(biāo)準(zhǔn)化軟件，標(biāo)準(zhǔn)化軟件能以圖形的方式將系統(tǒng)運(yùn)行的情況體現(xiàn)出來(lái)，方便 管理人員判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常情況，及時(shí)檢查設(shè)備、調(diào)整參數(shù)，避免事故發(fā)生。

六、結(jié)論

增強(qiáng)型低污染反滲透復(fù)合膜具有：高脫鹽、寬通道、耐清洗、膜面積大、機(jī)械破損率低等性能優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的脫鹽率，壓差以及產(chǎn)水量表現(xiàn)穩(wěn)定，實(shí)例表明，證明了反滲透膜法水處理技術(shù)適用于鋼鐵廢水的深度處理。當(dāng)然，反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行維護(hù)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性同樣至關(guān)重要，必須給予高度重視。