鋼鐵工業綜合廢水處理回用工程實例

　　摘 要: 為提高廠區廢水水資源利用率，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綜合廢水，產水有軟水、除鹽水和超純水等。實際運行結果表明，該工藝設計合理，運行穩定，實現了72%～80%的高回收率廢水回用;其中UF系統產水SDI15<2.5，一級RO、二級 RO、EDI產水電導率分別為<30、<2.5、<0.06 μS/cm，特別是其產水電阻>17 MΩ•cm，達到GB/T 6682-2008一級超純水水質要求，其它各項產水指標均能夠滿足不同生產單元對于不同品類水質的需求，實現了廠內分區分質供水。

　　王為民; 郭彩榮; 梁丹; 張巖崗， 水處理技術 發表時間：2021-09-16

　　關鍵詞: 鋼鐵工業;綜合廢水;水處理;回用

　　鋼鐵工業是發展國民經濟與國防建設的物質基礎，也是衡量一個國家工業化的重要標志，同時，鋼鐵工業也是生產用水大戶[1-2]。鋼鐵工業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，且鋼鐵工業廢水產生量大，污染面積廣[3-4]。因此，加強鋼鐵工業廢水的治理、注重循環利用，對于響應國家節能減排政策，保護環境、提高企業綜合競爭力，實現產業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商品鋼材 790萬噸。為節能減排、合理利用水資源、提高廠區水系統重復利用率、實現全廠廢水零排放，新建污水處理廠 1 座，采用預處理+多膜法深度處理工藝，接納處理并回用廠區所產生的綜合廢水。本文介紹分析此污水處理廠工程。

　　1 廢水水量與水質

　　污水處理廠工程主要包括預處理單元、深度處理單元及配套輔助設施，設計處理水量為 30×103 m3 /d。污水處理廠設計進、出水指標見表1。

　　2 工藝流程

　　根據進水水質情況與出水水質要求，污水廠采用的工藝流程見圖1。廠區各單元生產污廢水經管網收集后，通過格柵攔截大顆粒漂浮物，經除油池進行除油，由污水提升泵供至調節池對水質、水量進行調節，后進入高效沉淀池，投加藥劑使污水通過混合、反應、絮凝、沉淀發揮除硬、澄清的作用，去除廢水中的大部分硬度及部分有機物，保證后續系統穩定運行。高效沉淀池出水調節pH后進入V型濾池進行過濾，進一步去除水中的懸浮物(SS)和化學需氧量(COD)等，保證后續系統連續穩定運行。

　　V 濾濾池出水經 UF 供水泵進入超濾(UF)系統，進一步降低進水中的膠體、SS 及 COD 等污染物。超濾產水經一級反滲透(RO)供水泵進入一級 RO 系統進行預脫鹽，降低來水中的鹽分，一級 RO 采用 1 級 2 段式設計，一段產水供給二級 RO 用水，二段產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，使得產水滿足業主高壓鍋爐用水要求。二級 RO 濃水及 EDI濃水進入工業新水池作為補充用水。

　　3 主要構筑物及設備參數

　　3.1 預處理單元

　　預處理單元由格柵、除油池、集水井、調節池(事故池)、高效沉淀池、V型濾池、預處理產水池及輔助生產設施等構成。

　　1)格柵：格柵設置循環齒耙式中格柵 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°，每臺格柵均設置1個柵渣斗。

　　2)調節池(事故池)：調節池(事故池)三池合建，有效容積≥18 h 的調節量。實際生產中各水池分別處于進水、混勻、供水狀態，實現階段性均質、均量供水，為后工序生產創造良好條件，通過水池中的電導率檢測判斷調節池均質效果。

　　3)高效反應沉淀池：分為混凝區、反應區、澄清區、出水 pH 調節區，澄清區采用斜管沉淀。其設計處理量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，斜管澄清區上升流速<12 m/h，污泥循環系數為0.01～0.05，流量可調。

　　4)V型濾池：V型濾池設置1座，共4格，處理水量 34.46×103 m3 /d，單池有效過濾面積 48 m2 。濾池的設計濾速<7.50 m/h;濾料為單層均質海砂;濾池配水配氣系統選用長柄濾頭，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及輔助生產設施等構成。

　　1)UF：①板式換熱器。板式換熱器設置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、反滲透系統的低能耗穩定運行。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產水，不影響后續設備的穩定運行。自清洗過濾器設置 4 臺，其過濾精度為100 μm。③UF裝置。8套UF裝置并聯設置，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，共設置6套，產水量為 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設置3套，產水量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設置3套，產水量為65 m3 /h，回收率 ≥92%。每套模塊數量為 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月進水調試，于2018年初完成項目驗收并移交用戶。污水廠24 h連續穩定產水狀態，系統運行情況穩定，各處理單元產水水質優良，滿足出水用戶水質要求。

　　調試運行期間，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，系統也能很好地處理水量水質的沖擊。一級 RO 單元、二級 RO 單元及 EDI 單元產水回收率均滿足設計要求，說明該工藝運行穩定，適用于鋼鐵冶金類工業廢水。

　　4.2 水質分析

　　綜合廢水在經預處理后產水濁度<1 NTU，預處理工藝很好地應對了工業廢水水質水量波動大的問題;同時可以降低超濾膜污堵風險，有助于延長超濾使用壽命;經 UF處理后出水濁度<0.1 NTU，濁度去除率>99%，且系統運行穩定。

　　污泥密度指數(SDI)是衡量膜進水水質的重要指標，RO 膜的進水水質要求 SDI15<5，系統 UF 產水 SDI15<2.5，顯著優于 RO膜對進水水質的要求，將有利于反滲透的長期運行。

　　其他實際產水水質見表3。

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

　　4.3 工藝優勢與特點

　　采用“預處理+深度處理”工藝處理鋼鐵工業綜合廢水，通過預處理工藝對后續深度處理膜系統單元穩定運行進行保障，經深度處理對綜合廢水進行回用。

　　4.3.1 工藝特點

　　預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，能夠降低后續深度處理單元膜污染風險。

　　深度處理單元，針對UF、RO膜元件對水溫波動的敏感性，在超濾進水前設置板式換熱器，可充分利用鋼廠的余熱蒸汽，保證后續膜系統穩定生產;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、定期反洗和化學清洗的工藝設計，每套 UF 設置 1 臺進水自動調節閥，保證 UF產水量恒定，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性能;

　　一級 RO 采用 1 級 2 段分別出水，同時設置 1 段產水背壓閥恒定 1 段產水流量，其中水質更好的一段產水供二級RO進水，保證了后續二級RO產水水質，且投資低、操作簡便;

　　一級 RO 工藝二段產水可外供為工業軟水、二級RO產水可外供為除鹽水、EDI產水則作為超純水外供，對整個鋼廠不同生產單位，實現按需分區分質供水。

　　4.3.2 配置選型特點

　　考慮到綜合廢水水質波動性大、水質復雜，選用了熱致相法制備的PVDF外壓式UF膜元件，具有耐污染、耐酸堿清洗等優勢，保證了系統長時間運行;

　　針對不同工藝段進水水質特點和各用水水質要求，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運營成本，采用完善的自動化檢測及控制系統，進行集中操作和自動控制，實現了自動化控制生產運行。

　　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，可為企業節省排污費及工業新水取水費共 3元/m(其工業新水來自水庫水并經初 3 步預處理達標后使用)，每年可節約至少 2 300萬元(以目前 70% 處理負荷計);同時經反滲透和 EDI生產的除鹽水、超純水外供生產則經濟效益價值更高。

　　工程投運后為煉鐵煉鋼持續提供安全和高品質的生產用水，其中煉鐵、煉鋼、發電等所用的除鹽水、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，目前該企業生產生活需要當地外部水庫供水量約80～100 kt/d，而污水廠的建成投產，將該水量降低至60～80 kt/d，成功降低了該企業自身約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 論

　　采用“預處理+深度處理”的組合工藝處理鋼鐵企業綜合廢水，具有處理效果好、系統運行穩定、抗沖擊負荷能力強等優點。廢水經預處理后，水中的懸浮物等得到較好的去除，預處理產水濁度<1 NTU，保證了系統后續膜穩定運行。

　　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%，并實現了廠內按需分區分質供水，分別生產了軟水、除鹽水、超純水等回用水，能滿足不同用戶水質要求，其中EDI產水達到GB/T 6682-2008一級水水質標準，成功為企業節約了水資源，提升了經濟效益;

　　“預處理+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廢水零排放的核心環節，對此類廢水處理實現節能減排、資源化、無害化處理具有重要意義，有利于鋼鐵企業的可持續發展，值得在業內進一步推廣。