高回收率中水回用深度處理工藝在鋼鐵廢水處理中的應(yīng)用

摘" 要：為提高全廠水系統(tǒng)的利用率、減少廠區(qū)廢水的排放量，節(jié)約工業(yè)新水的消耗量及降低企業(yè)用水成本，某鋼鐵企業(yè)通過采用優(yōu)勢工藝組合與膜法梯級濃縮的中水回用深度處理工藝，將傳統(tǒng)雙膜法工藝與反洗水回收處理系統(tǒng)、軟化除硬及濃水濃縮減量工藝有效結(jié)合，使該工藝系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)達到GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標準中低壓鍋爐補給水的水質(zhì)要求，并使該工藝系統(tǒng)的整體回收率提高至90%以上。為企業(yè)實現(xiàn)節(jié)水減排、降本增效的目標，并推動企業(yè)實現(xiàn)全廠廢水近零排放的愿景。

關(guān)鍵詞：膜法處理；梯級濃縮；軟化除硬；濃水濃縮減量；高回收率中水回用深度處理

中圖分類號：X703" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0185-04

Abstract： In order to improve the utilization rate of the whole plant's water system， reduce the discharge of wastewater in the plant， save the consumption of new industrial water and reduce the company's water cost， a steel company has adopted an advantageous process combination and a middle water reuse advanced treatment process with a membrane method step concentration.， effectively combining the traditional dual membrane method process with a backwash water recovery and treatment system， softening and hardness removal， and concentrated water concentration and reduction processes. The water quality of the process system will meet the water quality requirements of medium and low pressure boiler feed water in the standard of \"Water Quality for Industrial Boilers\" （GB/T 1576-2018）， and increase the overall recovery rate of the process system to more than 90%. It has achieved the goals of saving water and emission reduction， reducing costs and increasing efficiency for the enterprise， and promoted the enterprise to realize the vision of near-zero wastewater emission from the whole factory.

Keywords： membrane treatment; step concentration; softening and hardness removal; concentrated water concentration and reduction; high recovery water reuse and advanced treatment

隨著全球水資源短缺與水污染、水生態(tài)問題的不斷惡化，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出，實施國家節(jié)水行動，建立資源剛性約束制度，強化工業(yè)節(jié)水減排、鼓勵再生水利用，進一步提高污水處理率和再生水回用率[1]；對工業(yè)水的取水、用水政策限制和工業(yè)廢水零排放要求日趨嚴格。再生水逐漸成為我國工業(yè)用水的重要水源之一[2]。

鋼鐵和電力企業(yè)是我國工業(yè)用水大戶，隨著污水處理率的不斷提高和污水處理設(shè)施規(guī)模的持續(xù)擴大，大部分鋼鐵和電力企業(yè)基本可以獲得穩(wěn)定的中水水源，因此，中水回用在國內(nèi)也得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[3]。中水回用既解決了企業(yè)水資源短缺問題又實現(xiàn)了污水的二次利用，既經(jīng)濟高效，又節(jié)能環(huán)保，因此越來越多的鋼鐵、電力企業(yè)，特別是其新建工程開始使用再生水，同時舊廠的改造也迫在眉睫，再生水替代常規(guī)水源已成為解決水資源短缺不可或缺的重要舉措[4]。

鋼鐵、電力等傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的綜合廢水，普遍存在懸浮物、有機物含量高、硬度高和含鹽量高且水質(zhì)波動較大等特點，在回收、利用時需對其進行深度處理以達到工業(yè)回用水的要求。膜法處理作為中水回用深度處理的常用工藝，目前廣泛應(yīng)用于以中水為水源的電廠鍋爐補給水處理系統(tǒng)和工業(yè)廢水零排放的濃水濃縮減量系統(tǒng)，并取得了較好的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益[5]。

1" 高回收率中水回用深度處理工藝

1.1" 水源水質(zhì)

鋼鐵、電力企業(yè)中水普遍存在高濃度懸浮物、無機鹽、鈣鎂硬度、有機物及微生物等污染物在中水回用系統(tǒng)二次濃縮后會顯著加劇系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕及微生物滋生等問題[6]。因此，中水回用必須進行深度處理以去除相關(guān)污染物，防止上述問題影響系統(tǒng)的正常運行。

某鋼鐵企業(yè)中水回用深度處理系統(tǒng)的水源為廠區(qū)生產(chǎn)廢水預(yù)處理系統(tǒng)的達標產(chǎn)水，設(shè)計進水水質(zhì)見表1。廢水預(yù)處理系統(tǒng)的工藝流程：調(diào)節(jié)池→高效澄清池→硝化/反硝化濾池→接觸消毒。

該中水回用系統(tǒng)的設(shè)計處理水量為700 m3/h，經(jīng)本系統(tǒng)深度處理后的產(chǎn)品水須滿足廠區(qū)工業(yè)生產(chǎn)補充水的水質(zhì)要求（表2）；系統(tǒng)最終產(chǎn)生的濃鹽廢水作為廠區(qū)沖灰渣用水。本系統(tǒng)濃鹽廢水產(chǎn)量要求不得超過50 m3/h。

由表1可知，該廠區(qū)中水懸浮物、鈣鎂硬度、氯離子、硫酸根離子和有機物等污染物含量均較高，如直接采用傳統(tǒng)的超濾+反滲透雙膜法工藝處理，膜系統(tǒng)有較高的微生物滋生、腐蝕、結(jié)垢等潛在風險。

同時，由表2可知，該系統(tǒng)對產(chǎn)水水質(zhì)的要求較高，且系統(tǒng)的總體回收率要求極高，因此整套工藝系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性要求也較高。

1.2" 確定工藝系統(tǒng)

1.2.1" 常規(guī)中水回用深度處理工藝介紹

目前，國內(nèi)中水回用深度處理的主體工藝為石灰-混凝澄清過濾法和超濾+反滲透的膜法處理工藝等[7]。

石灰-混凝澄清過濾工藝是以石灰除硬與混凝、沉淀、澄清過程為核心，通過去除鈣、鎂等硬度物質(zhì)、懸浮物及少量有機物以達到防止系統(tǒng)結(jié)垢的目的，并一定程度降低水中細菌和微生物的濃度，但該工藝會引起產(chǎn)水pH顯著增大（一般可達8～9），提高水中鈣鎂、磷酸鹽、硅酸鹽等的結(jié)垢潛勢；同時該工藝的產(chǎn)水水質(zhì)僅能作為對水質(zhì)要求不高的工藝系統(tǒng)回用，不能達到深度回用的要求，回用率較低；而且該工藝的處理過程還會產(chǎn)生大量污泥，而污泥的處理處置費用普遍較高。

雙膜法工藝目前已成為國內(nèi)中水回用深度處理的主流工藝[8]。該工藝通過采用混凝沉淀/過濾+超濾+反滲透的膜法工藝組合，可以有效抑制膜系統(tǒng)的污堵與結(jié)垢，保證系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)、水量穩(wěn)定、合格。該工藝可顯著去除中水的懸浮物、鐵、硅、氯離子和硫酸根離子等無機鹽和絕大部分有機污染物，實現(xiàn)高品質(zhì)除鹽水的生產(chǎn)，能滿足工業(yè)企業(yè)絕大多數(shù)工藝對回用水的水質(zhì)要求[9]。

但該工藝系統(tǒng)的自用水量較高、系統(tǒng)回收率通常較低，一般僅為60%～70%，仍有大量不可回用的廢水產(chǎn)生、排放，即使通過膜蒸餾工藝對反滲透濃水進行濃縮減量回收處理，該工藝系統(tǒng)的整體回收率也僅能達到85%左右，但額外增加的投資運行費用會大幅降低該系統(tǒng)的經(jīng)濟效益[7]。

1.2.2" 工藝系統(tǒng)簡介

根據(jù)本工程的水源水質(zhì)情況、產(chǎn)水水質(zhì)要求和系統(tǒng)總體回收率的要求，該系統(tǒng)采用一級反滲透除鹽系統(tǒng)+反洗水回收處理系統(tǒng)+軟化除硬工藝+濃水濃縮減量的工藝系統(tǒng)，通過將各子系統(tǒng)的工藝優(yōu)勢組合，實現(xiàn)膜法梯級濃縮。系統(tǒng)的主要工藝流程如圖1所示。

1.2.3" 工藝系統(tǒng)優(yōu)點

該工藝系統(tǒng)是將常規(guī)的雙膜法（超濾+反滲透系統(tǒng)）工藝與回收水（超濾濃水及超濾反洗水）處理系統(tǒng)、軟化除硬系統(tǒng)及濃水（反滲透濃水）濃縮減量系統(tǒng)有效組合，充分利用雙膜法中超濾及一級反滲透系統(tǒng)的除污性能好、脫鹽率高、自動化程度高、產(chǎn)水品質(zhì)高和產(chǎn)水量穩(wěn)定等優(yōu)勢，結(jié)合離子交換軟化除硬工藝對硬度去除率高、可有效降低反滲透濃水在后續(xù)濃縮減量系統(tǒng)結(jié)垢風險的優(yōu)勢；同時，利用濃水濃縮減量系統(tǒng)和回收水處理系統(tǒng)可大幅提高系統(tǒng)產(chǎn)水率、減少系統(tǒng)的廢水排放量、提高系統(tǒng)整體回收率等優(yōu)勢，實現(xiàn)了該中水回用深度處理系統(tǒng)的梯級濃縮與濃水減量目的，使系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)達到GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標準中對低壓鍋爐補給水的相關(guān)水質(zhì)要求；同時，將系統(tǒng)的總體回收率提高至90%以上，且系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水量與濃鹽水排放量大幅降低。

此外，因該廠區(qū)中水的氯離子含量極高，微生物和有機物含量也較高，根據(jù)腐蝕的形成機制，該系統(tǒng)存在極高的氯離子腐蝕和微生物腐蝕風險[7]。尤其在系統(tǒng)經(jīng)過逐級濃縮后，污染物的濃度會成倍增加，系統(tǒng)的腐蝕風險也會顯著加劇。因此，本系統(tǒng)根據(jù)各級工藝系統(tǒng)過流介質(zhì)的腐蝕性，通過采用2205或2507等雙相不銹鋼、316及316L奧氏體不銹鋼、304不銹鋼、硬質(zhì)聚氯乙烯（UPVC）和鋼襯塑等與各級系統(tǒng)介質(zhì)腐蝕性相匹配的高防腐性能材質(zhì)的管道、材料，可有效抑制介質(zhì)對過流材質(zhì)的腐蝕，防止系統(tǒng)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，確保系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行。

同時，通過為系統(tǒng)設(shè)置一系列的電動閥、氣動閥等自動控制閥門、在線檢測儀表及程序控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的全線實時監(jiān)控，能夠精準檢測并判斷系統(tǒng)的各級進出水水質(zhì)情況、壓力、流量的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的整體運行狀況，并可以實現(xiàn)遠程控制自動啟停、切換備用設(shè)備等功能。整套系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的操作均可采用程序自動控制，也可通過集中控制箱人工操作。系統(tǒng)操作簡便靈活，自動化程度高，大幅降低了運行人員的勞動量和人力成本。

綜上，整套系統(tǒng)的運行無須酸堿再生，化學(xué)藥劑消耗極少，對環(huán)境無二次污染，濃鹽水產(chǎn)量和廢水排放量較少，系統(tǒng)總體回收率遠高于常規(guī)雙膜法中水回用深度處理系統(tǒng)的回收率，產(chǎn)水品質(zhì)高、回用范圍廣，具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。

2" 實際運行情況

該中水回用深度處理系統(tǒng)自正式投運以來，總體運行效果良好。在規(guī)范化操作和嚴格管理制度的控制下，整套系統(tǒng)全線運行穩(wěn)定，產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于廠區(qū)對回用水水質(zhì)的要求。

目前，該系統(tǒng)實際處理水量～500 t/h，系統(tǒng)具有一定的富余處理能力。系統(tǒng)實際運行的進水水質(zhì)見表3，實際產(chǎn)水水質(zhì)見表4，主要污染物去除率如圖2所示，各級子系統(tǒng)的實際產(chǎn)水率及系統(tǒng)總體回收率見表5，系統(tǒng)整體回收率如圖3所示。

如表3、表4所示，該系統(tǒng)的實際進水水質(zhì)比原設(shè)計進水水質(zhì)更惡劣，尤其是進水懸浮物、氯離子、硬度和含鹽量等主要污染物的濃度與原設(shè)計水質(zhì)相比幾乎成倍增加，但是系統(tǒng)的產(chǎn)水品質(zhì)穩(wěn)定，且各項指標均可達到廠區(qū)對回用水的水質(zhì)要求。

由圖2可知，該系統(tǒng)對各主要污染物的去除率均較高。濁度的平均去除率為～99.5%，氯離子的平均去除率為98%～98.5%，硬度的平均去除率高于99.5%，系統(tǒng)的平均脫鹽率高于97.5%。

由表5和圖3可知，該系統(tǒng)的實際處理水量～500 t/h，經(jīng)各級子系統(tǒng)的逐級濃縮處理后，系統(tǒng)實際運行總體回收率高達～93.35%，濃鹽水與廢水產(chǎn)量～33.5 t/h，小于50 t/h。系統(tǒng)總體回收率遠高于常規(guī)中水回用處理系統(tǒng)，系統(tǒng)的最終濃鹽水產(chǎn)量達到預(yù)期要求。

3" 結(jié)論

通過將超濾+反滲透的常規(guī)雙膜法中水回用深度處理系統(tǒng)產(chǎn)生的超濾反洗水、沖洗廢水和反滲透濃水分別經(jīng)回收處理和濃水濃縮減量處理，使系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)達到GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標準中低壓鍋爐補給水的水質(zhì)要求，將系統(tǒng)的總體回收率提高至90%以上。系統(tǒng)目前實際處理水量～500 t/h，實際回收率高達93.35%，可為企業(yè)節(jié)約工業(yè)新水量～12 000 m3/d，減少廢水排放量～11 200 m3/d。實現(xiàn)了企業(yè)節(jié)水減排、節(jié)約成本、低碳運行的愿景。

隨著國家不斷強化工業(yè)企業(yè)節(jié)水減排、鼓勵再生水的利用，提高工業(yè)廢水及污水處理率和再生水回用率已成為工業(yè)廢水處理的發(fā)展趨勢。高回收率中水回用深度處理工藝系統(tǒng)的應(yīng)用，完成了企業(yè)節(jié)水減排、節(jié)約成本的目標，并推動了企業(yè)全廠廢水近零排放愿景的實現(xiàn)。該工藝系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢。

我國中水資源豐富，該系統(tǒng)將中水經(jīng)深度處理后的產(chǎn)水品質(zhì)高，產(chǎn)水量穩(wěn)定可靠，可滿足絕大多數(shù)工業(yè)企業(yè)對再生水的使用要求，回用范圍較廣。

隨著超濾、反滲透膜技術(shù)發(fā)展的日益成熟和膜產(chǎn)品生產(chǎn)成本的不斷降低，膜法工藝系統(tǒng)的投資、運行經(jīng)濟性不斷提高，以工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的中水代替清潔水源的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益越發(fā)突出。

隨著工業(yè)廢水零排放要求的日趨嚴格，中水回用的需求與使用比例將不斷增加，以深度處理后的中水作為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水源將成為工業(yè)用水的主流趨勢，市場應(yīng)用前景廣闊。

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