钢铁工业综合废水处理回用工程实例

　　摘 要: 为提高厂区废水水资源利用率，某钢铁公司采用“格栅+高效沉淀池+V型滤池+超滤(UF)+一级反渗透(RO)+ 二级RO+电去离子(EDI)”工艺处理和再生回用其生产综合废水，产水有软水、除盐水和超纯水等。实际运行结果表明，该工艺设计合理，运行稳定，实现了72%～80%的高回收率废水回用;其中UF系统产水SDI15<2.5，一级RO、二级 RO、EDI产水电导率分别为<30、<2.5、<0.06 μS/cm，特别是其产水电阻>17 MΩ•cm，达到GB/T 6682-2008一级超纯水水质要求，其它各项产水指标均能够满足不同生产单元对于不同品类水质的需求，实现了厂内分区分质供水。

　　王为民; 郭彩荣; 梁丹; 张岩岗， 水处理技术 发表时间：2021-09-16

　　关键词: 钢铁工业;综合废水;水处理;回用

　　钢铁工业是发展国民经济与国防建设的物质基础，也是衡量一个国家工业化的重要标志，同时，钢铁工业也是生产用水大户[1-2]。钢铁工业从原料准备到钢铁冶炼以至于成品轧制的全过程都需要大量的水，且钢铁工业废水产生量大，污染面积广[3-4]。因此，加强钢铁工业废水的治理、注重循环利用，对于响应国家节能减排政策，保护环境、提高企业综合竞争力，实现产业升级有着重要的意义[5]。

　　某钢铁集团公司钢铁精品基地年产商品钢材 790万吨。为节能减排、合理利用水资源、提高厂区水系统重复利用率、实现全厂废水零排放，新建污水处理厂 1 座，采用预处理+多膜法深度处理工艺，接纳处理并回用厂区所产生的综合废水。本文介绍分析此污水处理厂工程。

　　1 废水水量与水质

　　污水处理厂工程主要包括预处理单元、深度处理单元及配套辅助设施，设计处理水量为 30×103 m3 /d。污水处理厂设计进、出水指标见表1。

　　2 工艺流程

　　根据进水水质情况与出水水质要求，污水厂采用的工艺流程见图1。厂区各单元生产污废水经管网收集后，通过格栅拦截大颗粒漂浮物，经除油池进行除油，由污水提升泵供至调节池对水质、水量进行调节，后进入高效沉淀池，投加药剂使污水通过混合、反应、絮凝、沉淀发挥除硬、澄清的作用，去除废水中的大部分硬度及部分有机物，保证后续系统稳定运行。高效沉淀池出水调节pH后进入V型滤池进行过滤，进一步去除水中的悬浮物(SS)和化学需氧量(COD)等，保证后续系统连续稳定运行。

　　V 滤滤池出水经 UF 供水泵进入超滤(UF)系统，进一步降低进水中的胶体、SS 及 COD 等污染物。超滤产水经一级反渗透(RO)供水泵进入一级 RO 系统进行预脱盐，降低来水中的盐分，一级 RO 采用 1 级 2 段式设计，一段产水供给二级 RO 用水，二段产水外供炼铁炼钢用户。二级 RO 对一级 RO 来水进行除盐，进一步降低水中的盐分，其产水供电去离子(EDI)装置及焦化用户。EDI 装置用于深度除盐，进一步去除水中的盐分，使得产水满足业主高压锅炉用水要求。二级 RO 浓水及 EDI浓水进入工业新水池作为补充用水。

　　3 主要构筑物及设备参数

　　3.1 预处理单元

　　预处理单元由格栅、除油池、集水井、调节池(事故池)、高效沉淀池、V型滤池、预处理产水池及辅助生产设施等构成。

　　1)格栅：格栅设置循环齿耙式中格栅 2 台。单台格栅渠道宽度 1.5 m，渠深约为 6.4 m，安装角度 75°，每台格栅均设置1个栅渣斗。

　　2)调节池(事故池)：调节池(事故池)三池合建，有效容积≥18 h 的调节量。实际生产中各水池分别处于进水、混匀、供水状态，实现阶段性均质、均量供水，为后工序生产创造良好条件，通过水池中的电导率检测判断调节池均质效果。

　　3)高效反应沉淀池：分为混凝区、反应区、澄清区、出水 pH 调节区，澄清区采用斜管沉淀。其设计处理量35×103 m3 /d，共2座，每座都可单独运行。其沉淀段入口流速>50 m/h，斜管澄清区上升流速<12 m/h，污泥循环系数为0.01～0.05，流量可调。

　　4)V型滤池：V型滤池设置1座，共4格，处理水量 34.46×103 m3 /d，单池有效过滤面积 48 m2 。滤池的设计滤速<7.50 m/h;滤料为单层均质海砂;滤池配水配气系统选用长柄滤头，采用气水反冲洗。

　　3.2 深度处理单元

　　深度处理单元由 UF、一级 RO、二级 RO、EDI及辅助生产设施等构成。

　　1)UF：①板式换热器。板式换热器设置2台，其热源采用饱和蒸汽，具备将低温原水升温 10℃的能力，控制出口水温在20 ℃左右，保证超滤、反渗透系统的低能耗稳定运行。②自清洗过滤器。自清洗过滤器用在超滤装置前去除大颗粒，防止划伤、污堵超滤膜元件。过滤器在反洗的同时可继续产水，不影响后续设备的稳定运行。自清洗过滤器设置 4 台，其过滤精度为100 μm。③UF装置。8套UF装置并联设置，每套出力156 m3 /h，每套安装70支有效面积 50 m2 的膜组件。UF膜的设计膜通量≤50 L/(m2 ·h)，水回收率>90%。污水处理厂采用北京某公司的热法UF膜，膜材料为 PVDF，平均膜孔径 0.1 μm，膜面积 50 m2 ，具有耐污染、耐酸碱清洗等优势，最大进水压力0.4 MPa，使用温度1～40 ℃，pH耐受1～13。

　　2)一级RO：一级二段式，共设置6套，产水量为 150 m3 /h，回收率≥72%。一级 RO 膜选用 BW30FR400/34抗污染型反渗透膜。

　　3)二级RO：二级RO设置3套，产水量173 m3 /h，回收率≥90%。二级反渗透膜选用 BW30HRLE-440 高压反渗透膜。

　　4)EDI：EDI设置3套，产水量为65 m3 /h，回收率 ≥92%。每套模块数量为 12 块，EDI 装置选用 IPLXM45Z EDI模块。

　　4 运行效果

　　4.1 处理水量

　　工程于2017年8月进水调试，于2018年初完成项目验收并移交用户。污水厂24 h连续稳定产水状态，系统运行情况稳定，各处理单元产水水质优良，满足出水用户水质要求。

　　调试运行期间，各单元水量及回收率见表 2 所示。

　　由表 2 可知，即使污水厂深度处理单元的处理水量受用户用水需求及来水水量负荷波动较大，系统也能很好地处理水量水质的冲击。一级 RO 单元、二级 RO 单元及 EDI 单元产水回收率均满足设计要求，说明该工艺运行稳定，适用于钢铁冶金类工业废水。

　　4.2 水质分析

　　综合废水在经预处理后产水浊度<1 NTU，预处理工艺很好地应对了工业废水水质水量波动大的问题;同时可以降低超滤膜污堵风险，有助于延长超滤使用寿命;经 UF处理后出水浊度<0.1 NTU，浊度去除率>99%，且系统运行稳定。

　　污泥密度指数(SDI)是衡量膜进水水质的重要指标，RO 膜的进水水质要求 SDI15<5，系统 UF 产水 SDI15<2.5，显著优于 RO膜对进水水质的要求，将有利于反渗透的长期运行。

　　其他实际产水水质见表3。

　　面对来水水质波动大的状况，由表3并对比表2 可知，污水处理各单元实际产水水质均高于设计出水水质要求，表明了本工艺优异的抗冲击负荷能力。 EDI产水(超纯水)产水电阻率>17 MΩ·cm，即电导率<0.06 μS/cm，达到 GB/T 6682-2008 一级超纯水水质要求[6]。

　　4.3 工艺优势与特点

　　采用“预处理+深度处理”工艺处理钢铁工业综合废水，通过预处理工艺对后续深度处理膜系统单元稳定运行进行保障，经深度处理对综合废水进行回用。

　　4.3.1 工艺特点

　　预处理工艺中通过前端原水加氯杀菌、高效沉淀池加石灰除硬和杀菌、V型滤池过滤等，可很好地抑制微生物滋生，降低了原水中的悬浮物(藻类)、暂时硬度、部分 COD 等，能够降低后续深度处理单元膜污染风险。

　　深度处理单元，针对UF、RO膜元件对水温波动的敏感性，在超滤进水前设置板式换热器，可充分利用钢厂的余热蒸汽，保证后续膜系统稳定生产;同时也降低了反渗透的高压泵运行能耗;

　　UF采用外压恒流运行、定期反洗和化学清洗的工艺设计，每套 UF 设置 1 台进水自动调节阀，保证 UF产水量恒定，反洗通过气洗+水洗模式，很好的保证膜组件中膜丝的过滤性能和可恢复性能;

　　一级 RO 采用 1 级 2 段分别出水，同时设置 1 段产水背压阀恒定 1 段产水流量，其中水质更好的一段产水供二级RO进水，保证了后续二级RO产水水质，且投资低、操作简便;

　　一级 RO 工艺二段产水可外供为工业软水、二级RO产水可外供为除盐水、EDI产水则作为超纯水外供，对整个钢厂不同生产单位，实现按需分区分质供水。

　　4.3.2 配置选型特点

　　考虑到综合废水水质波动性大、水质复杂，选用了热致相法制备的PVDF外压式UF膜元件，具有耐污染、耐酸碱清洗等优势，保证了系统长时间运行;

　　针对不同工艺段进水水质特点和各用水水质要求，有针对性选择 RO 膜元件类型，一级 RO 装置采用宽通道、抗污染苦咸水膜元件，二级 RO装置采用大通量、高脱盐苦咸水膜元件;

　　污水处理厂布置紧凑合理，降低了工程投资及生产运营成本，采用完善的自动化检测及控制系统，进行集中操作和自动控制，实现了自动化控制生产运行。

　　5 效益分析

　　工程总投资为 7 760 万元，工程在实际投运后，处理 1 m3综合废水，可为企业节省排污费及工业新水取水费共 3元/m(其工业新水来自水库水并经初 3 步预处理达标后使用)，每年可节约至少 2 300万元(以目前 70% 处理负荷计);同时经反渗透和 EDI生产的除盐水、超纯水外供生产则经济效益价值更高。

　　工程投运后为炼铁炼钢持续提供安全和高品质的生产用水，其中炼铁、炼钢、发电等所用的除盐水、超纯水，均 100% 来自污水厂的废水回用，整体污水厂处理的废水最高可达 30×103 m3 /d，目前该企业生产生活需要当地外部水库供水量约80～100 kt/d，而污水厂的建成投产，将该水量降低至60～80 kt/d，成功降低了该企业自身约20%～25%的水库淡水资源需求，也缓解了该沿海城市对淡水需求的缺口，具有良好的环境效益。

　　污水处理厂日常运行费用主要包括动力费、药剂费、人工费，其运行成本为1.94元/m3 ，其中电耗为 1.66 kW·h/m3 ，电 价 为 0.66 元/(kW·h)，则 电 费 为 1.10 元/m3 ;污水厂药剂主要有次氯酸钠、聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、硫酸、石灰、盐酸、氢氧化钠、阻垢剂、还原剂、非氧化杀菌剂等，药剂费合计为 0.77元/m3 ;污水处理厂设专职人员 15人，按工资为 4 000 元(人·月)计算，折算后的人工费用为 / 0.07元/m3 。

　　6 结 论

　　采用“预处理+深度处理”的组合工艺处理钢铁企业综合废水，具有处理效果好、系统运行稳定、抗冲击负荷能力强等优点。废水经预处理后，水中的悬浮物等得到较好的去除，预处理产水浊度<1 NTU，保证了系统后续膜稳定运行。

　　深度处理采用“超滤+一级反渗透+二级反渗透+EDI”等多膜法处理，对废水实现了不同程度的脱盐及高回收率回用，一级 RO 回收率>72%，二级 RO 与 EDI 回收率>90%，并实现了厂内按需分区分质供水，分别生产了软水、除盐水、超纯水等回用水，能满足不同用户水质要求，其中EDI产水达到GB/T 6682-2008一级水水质标准，成功为企业节约了水资源，提升了经济效益;

　　“预处理+多膜法深度处理”工艺适用于钢铁类废水的处理，是钢铁类综合废水实现废水零排放的核心环节，对此类废水处理实现节能减排、资源化、无害化处理具有重要意义，有利于钢铁企业的可持续发展，值得在业内进一步推广。