鋼鐵工業(yè)綜合廢水處理回用工程實例

　　摘 要: 為提高廠區(qū)廢水水資源利用率，某鋼鐵公司采用“格柵+高效沉淀池+V型濾池+超濾(UF)+一級反滲透(RO)+ 二級RO+電去離子(EDI)”工藝處理和再生回用其生產(chǎn)綜合廢水，產(chǎn)水有軟水、除鹽水和超純水等。實際運行結(jié)果表明，該工藝設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了72%～80%的高回收率廢水回用;其中UF系統(tǒng)產(chǎn)水SDI15<2.5，一級RO、二級 RO、EDI產(chǎn)水電導(dǎo)率分別為<30、<2.5、<0.06 μS/cm，特別是其產(chǎn)水電阻>17 MΩ•cm，達到GB/T 6682-2008一級超純水水質(zhì)要求，其它各項產(chǎn)水指標(biāo)均能夠滿足不同生產(chǎn)單元對于不同品類水質(zhì)的需求，實現(xiàn)了廠內(nèi)分區(qū)分質(zhì)供水。

　　王為民; 郭彩榮; 梁丹; 張巖崗， 水處理技術(shù) 發(fā)表時間：2021-09-16

　　關(guān)鍵詞: 鋼鐵工業(yè);綜合廢水;水處理;回用

　　鋼鐵工業(yè)是發(fā)展國民經(jīng)濟與國防建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是衡量一個國家工業(yè)化的重要標(biāo)志，同時，鋼鐵工業(yè)也是生產(chǎn)用水大戶[1-2]。鋼鐵工業(yè)從原料準備到鋼鐵冶煉以至于成品軋制的全過程都需要大量的水，且鋼鐵工業(yè)廢水產(chǎn)生量大，污染面積廣[3-4]。因此，加強鋼鐵工業(yè)廢水的治理、注重循環(huán)利用，對于響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，保護環(huán)境、提高企業(yè)綜合競爭力，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級有著重要的意義[5]。

　　某鋼鐵集團公司鋼鐵精品基地年產(chǎn)商品鋼材 790萬噸。為節(jié)能減排、合理利用水資源、提高廠區(qū)水系統(tǒng)重復(fù)利用率、實現(xiàn)全廠廢水零排放，新建污水處理廠 1 座，采用預(yù)處理+多膜法深度處理工藝，接納處理并回用廠區(qū)所產(chǎn)生的綜合廢水。本文介紹分析此污水處理廠工程。

　　1 廢水水量與水質(zhì)

　　污水處理廠工程主要包括預(yù)處理單元、深度處理單元及配套輔助設(shè)施，設(shè)計處理水量為 30×103 m3 /d。污水處理廠設(shè)計進、出水指標(biāo)見表1。

　　2 工藝流程

　　根據(jù)進水水質(zhì)情況與出水水質(zhì)要求，污水廠采用的工藝流程見圖1。廠區(qū)各單元生產(chǎn)污廢水經(jīng)管網(wǎng)收集后，通過格柵攔截大顆粒漂浮物，經(jīng)除油池進行除油，由污水提升泵供至調(diào)節(jié)池對水質(zhì)、水量進行調(diào)節(jié)，后進入高效沉淀池，投加藥劑使污水通過混合、反應(yīng)、絮凝、沉淀發(fā)揮除硬、澄清的作用，去除廢水中的大部分硬度及部分有機物，保證后續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。高效沉淀池出水調(diào)節(jié)pH后進入V型濾池進行過濾，進一步去除水中的懸浮物(SS)和化學(xué)需氧量(COD)等，保證后續(xù)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行。

　　V 濾濾池出水經(jīng) UF 供水泵進入超濾(UF)系統(tǒng)，進一步降低進水中的膠體、SS 及 COD 等污染物。超濾產(chǎn)水經(jīng)一級反滲透(RO)供水泵進入一級 RO 系統(tǒng)進行預(yù)脫鹽，降低來水中的鹽分，一級 RO 采用 1 級 2 段式設(shè)計，一段產(chǎn)水供給二級 RO 用水，二段產(chǎn)水外供煉鐵煉鋼用戶。二級 RO 對一級 RO 來水進行除鹽，進一步降低水中的鹽分，其產(chǎn)水供電去離子(EDI)裝置及焦化用戶。EDI 裝置用于深度除鹽，進一步去除水中的鹽分，使得產(chǎn)水滿足業(yè)主高壓鍋爐用水要求。二級 RO 濃水及 EDI濃水進入工業(yè)新水池作為補充用水。

　　3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)

　　3.1 預(yù)處理單元

　　預(yù)處理單元由格柵、除油池、集水井、調(diào)節(jié)池(事故池)、高效沉淀池、V型濾池、預(yù)處理產(chǎn)水池及輔助生產(chǎn)設(shè)施等構(gòu)成。

　　1)格柵：格柵設(shè)置循環(huán)齒耙式中格柵 2 臺。單臺格柵渠道寬度 1.5 m，渠深約為 6.4 m，安裝角度 75°，每臺格柵均設(shè)置1個柵渣斗。

　　2)調(diào)節(jié)池(事故池)：調(diào)節(jié)池(事故池)三池合建，有效容積≥18 h 的調(diào)節(jié)量。實際生產(chǎn)中各水池分別處于進水、混勻、供水狀態(tài)，實現(xiàn)階段性均質(zhì)、均量供水，為后工序生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件，通過水池中的電導(dǎo)率檢測判斷調(diào)節(jié)池均質(zhì)效果。

　　3)高效反應(yīng)沉淀池：分為混凝區(qū)、反應(yīng)區(qū)、澄清區(qū)、出水 pH 調(diào)節(jié)區(qū)，澄清區(qū)采用斜管沉淀。其設(shè)計處理量35×103 m3 /d，共2座，每座都可單獨運行。其沉淀段入口流速>50 m/h，斜管澄清區(qū)上升流速<12 m/h，污泥循環(huán)系數(shù)為0.01～0.05，流量可調(diào)。

　　4)V型濾池：V型濾池設(shè)置1座，共4格，處理水量 34.46×103 m3 /d，單池有效過濾面積 48 m2 。濾池的設(shè)計濾速<7.50 m/h;濾料為單層均質(zhì)海砂;濾池配水配氣系統(tǒng)選用長柄濾頭，采用氣水反沖洗。

　　3.2 深度處理單元

　　深度處理單元由 UF、一級 RO、二級 RO、EDI及輔助生產(chǎn)設(shè)施等構(gòu)成。

　　1)UF：①板式換熱器。板式換熱器設(shè)置2臺，其熱源采用飽和蒸汽，具備將低溫原水升溫 10℃的能力，控制出口水溫在20 ℃左右，保證超濾、反滲透系統(tǒng)的低能耗穩(wěn)定運行。②自清洗過濾器。自清洗過濾器用在超濾裝置前去除大顆粒，防止劃傷、污堵超濾膜元件。過濾器在反洗的同時可繼續(xù)產(chǎn)水，不影響后續(xù)設(shè)備的穩(wěn)定運行。自清洗過濾器設(shè)置 4 臺，其過濾精度為100 μm。③UF裝置。8套UF裝置并聯(lián)設(shè)置，每套出力156 m3 /h，每套安裝70支有效面積 50 m2 的膜組件。UF膜的設(shè)計膜通量≤50 L/(m2 ·h)，水回收率>90%。污水處理廠采用北京某公司的熱法UF膜，膜材料為 PVDF，平均膜孔徑 0.1 μm，膜面積 50 m2 ，具有耐污染、耐酸堿清洗等優(yōu)勢，最大進水壓力0.4 MPa，使用溫度1～40 ℃，pH耐受1～13。

　　2)一級RO：一級二段式，共設(shè)置6套，產(chǎn)水量為 150 m3 /h，回收率≥72%。一級 RO 膜選用 BW30FR400/34抗污染型反滲透膜。

　　3)二級RO：二級RO設(shè)置3套，產(chǎn)水量173 m3 /h，回收率≥90%。二級反滲透膜選用 BW30HRLE-440 高壓反滲透膜。

　　4)EDI：EDI設(shè)置3套，產(chǎn)水量為65 m3 /h，回收率 ≥92%。每套模塊數(shù)量為 12 塊，EDI 裝置選用 IPLXM45Z EDI模塊。

　　4 運行效果

　　4.1 處理水量

　　工程于2017年8月進水調(diào)試，于2018年初完成項目驗收并移交用戶。污水廠24 h連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)水狀態(tài)，系統(tǒng)運行情況穩(wěn)定，各處理單元產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)良，滿足出水用戶水質(zhì)要求。

　　調(diào)試運行期間，各單元水量及回收率見表 2 所示。

　　由表 2 可知，即使污水廠深度處理單元的處理水量受用戶用水需求及來水水量負荷波動較大，系統(tǒng)也能很好地處理水量水質(zhì)的沖擊。一級 RO 單元、二級 RO 單元及 EDI 單元產(chǎn)水回收率均滿足設(shè)計要求，說明該工藝運行穩(wěn)定，適用于鋼鐵冶金類工業(yè)廢水。

　　4.2 水質(zhì)分析

　　綜合廢水在經(jīng)預(yù)處理后產(chǎn)水濁度<1 NTU，預(yù)處理工藝很好地應(yīng)對了工業(yè)廢水水質(zhì)水量波動大的問題;同時可以降低超濾膜污堵風(fēng)險，有助于延長超濾使用壽命;經(jīng) UF處理后出水濁度<0.1 NTU，濁度去除率>99%，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

　　污泥密度指數(shù)(SDI)是衡量膜進水水質(zhì)的重要指標(biāo)，RO 膜的進水水質(zhì)要求 SDI15<5，系統(tǒng) UF 產(chǎn)水 SDI15<2.5，顯著優(yōu)于 RO膜對進水水質(zhì)的要求，將有利于反滲透的長期運行。

　　其他實際產(chǎn)水水質(zhì)見表3。

　　面對來水水質(zhì)波動大的狀況，由表3并對比表2 可知，污水處理各單元實際產(chǎn)水水質(zhì)均高于設(shè)計出水水質(zhì)要求，表明了本工藝優(yōu)異的抗沖擊負荷能力。 EDI產(chǎn)水(超純水)產(chǎn)水電阻率>17 MΩ·cm，即電導(dǎo)率<0.06 μS/cm，達到 GB/T 6682-2008 一級超純水水質(zhì)要求[6]。

　　4.3 工藝優(yōu)勢與特點

　　采用“預(yù)處理+深度處理”工藝處理鋼鐵工業(yè)綜合廢水，通過預(yù)處理工藝對后續(xù)深度處理膜系統(tǒng)單元穩(wěn)定運行進行保障，經(jīng)深度處理對綜合廢水進行回用。

　　4.3.1 工藝特點

　　預(yù)處理工藝中通過前端原水加氯殺菌、高效沉淀池加石灰除硬和殺菌、V型濾池過濾等，可很好地抑制微生物滋生，降低了原水中的懸浮物(藻類)、暫時硬度、部分 COD 等，能夠降低后續(xù)深度處理單元膜污染風(fēng)險。

　　深度處理單元，針對UF、RO膜元件對水溫波動的敏感性，在超濾進水前設(shè)置板式換熱器，可充分利用鋼廠的余熱蒸汽，保證后續(xù)膜系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn);同時也降低了反滲透的高壓泵運行能耗;

　　UF采用外壓恒流運行、定期反洗和化學(xué)清洗的工藝設(shè)計，每套 UF 設(shè)置 1 臺進水自動調(diào)節(jié)閥，保證 UF產(chǎn)水量恒定，反洗通過氣洗+水洗模式，很好的保證膜組件中膜絲的過濾性能和可恢復(fù)性能;

　　一級 RO 采用 1 級 2 段分別出水，同時設(shè)置 1 段產(chǎn)水背壓閥恒定 1 段產(chǎn)水流量，其中水質(zhì)更好的一段產(chǎn)水供二級RO進水，保證了后續(xù)二級RO產(chǎn)水水質(zhì)，且投資低、操作簡便;

　　一級 RO 工藝二段產(chǎn)水可外供為工業(yè)軟水、二級RO產(chǎn)水可外供為除鹽水、EDI產(chǎn)水則作為超純水外供，對整個鋼廠不同生產(chǎn)單位，實現(xiàn)按需分區(qū)分質(zhì)供水。

　　4.3.2 配置選型特點

　　考慮到綜合廢水水質(zhì)波動性大、水質(zhì)復(fù)雜，選用了熱致相法制備的PVDF外壓式UF膜元件，具有耐污染、耐酸堿清洗等優(yōu)勢，保證了系統(tǒng)長時間運行;

　　針對不同工藝段進水水質(zhì)特點和各用水水質(zhì)要求，有針對性選擇 RO 膜元件類型，一級 RO 裝置采用寬通道、抗污染苦咸水膜元件，二級 RO裝置采用大通量、高脫鹽苦咸水膜元件;

　　污水處理廠布置緊湊合理，降低了工程投資及生產(chǎn)運營成本，采用完善的自動化檢測及控制系統(tǒng)，進行集中操作和自動控制，實現(xiàn)了自動化控制生產(chǎn)運行。

　　5 效益分析

　　工程總投資為 7 760 萬元，工程在實際投運后，處理 1 m3綜合廢水，可為企業(yè)節(jié)省排污費及工業(yè)新水取水費共 3元/m(其工業(yè)新水來自水庫水并經(jīng)初 3 步預(yù)處理達標(biāo)后使用)，每年可節(jié)約至少 2 300萬元(以目前 70% 處理負荷計);同時經(jīng)反滲透和 EDI生產(chǎn)的除鹽水、超純水外供生產(chǎn)則經(jīng)濟效益價值更高。

　　工程投運后為煉鐵煉鋼持續(xù)提供安全和高品質(zhì)的生產(chǎn)用水，其中煉鐵、煉鋼、發(fā)電等所用的除鹽水、超純水，均 100% 來自污水廠的廢水回用，整體污水廠處理的廢水最高可達 30×103 m3 /d，目前該企業(yè)生產(chǎn)生活需要當(dāng)?shù)赝獠克畮旃┧考s80～100 kt/d，而污水廠的建成投產(chǎn)，將該水量降低至60～80 kt/d，成功降低了該企業(yè)自身約20%～25%的水庫淡水資源需求，也緩解了該沿海城市對淡水需求的缺口，具有良好的環(huán)境效益。

　　污水處理廠日常運行費用主要包括動力費、藥劑費、人工費，其運行成本為1.94元/m3 ，其中電耗為 1.66 kW·h/m3 ，電 價 為 0.66 元/(kW·h)，則 電 費 為 1.10 元/m3 ;污水廠藥劑主要有次氯酸鈉、聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、硫酸、石灰、鹽酸、氫氧化鈉、阻垢劑、還原劑、非氧化殺菌劑等，藥劑費合計為 0.77元/m3 ;污水處理廠設(shè)專職人員 15人，按工資為 4 000 元(人·月)計算，折算后的人工費用為 / 0.07元/m3 。

　　6 結(jié) 論

　　采用“預(yù)處理+深度處理”的組合工藝處理鋼鐵企業(yè)綜合廢水，具有處理效果好、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點。廢水經(jīng)預(yù)處理后，水中的懸浮物等得到較好的去除，預(yù)處理產(chǎn)水濁度<1 NTU，保證了系統(tǒng)后續(xù)膜穩(wěn)定運行。

　　深度處理采用“超濾+一級反滲透+二級反滲透+EDI”等多膜法處理，對廢水實現(xiàn)了不同程度的脫鹽及高回收率回用，一級 RO 回收率>72%，二級 RO 與 EDI 回收率>90%，并實現(xiàn)了廠內(nèi)按需分區(qū)分質(zhì)供水，分別生產(chǎn)了軟水、除鹽水、超純水等回用水，能滿足不同用戶水質(zhì)要求，其中EDI產(chǎn)水達到GB/T 6682-2008一級水水質(zhì)標(biāo)準，成功為企業(yè)節(jié)約了水資源，提升了經(jīng)濟效益;

　　“預(yù)處理+多膜法深度處理”工藝適用于鋼鐵類廢水的處理，是鋼鐵類綜合廢水實現(xiàn)廢水零排放的核心環(huán)節(jié)，對此類廢水處理實現(xiàn)節(jié)能減排、資源化、無害化處理具有重要意義，有利于鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，值得在業(yè)內(nèi)進一步推廣。