吳鐵 趙春麗
摘要：針對(duì)鋼鐵行業(yè)廢水特點(diǎn)，分析了目前鋼鐵行業(yè)各工序及全廠主要廢水污染控制措施，重點(diǎn)分析了二級(jí)反滲透工藝的主要流程及進(jìn)出水水質(zhì)，以及該工藝存在的主要問題。通過對(duì)大型鋼鐵集團(tuán)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，以太鋼采用的反滲透和蒸發(fā)結(jié)晶工藝為例分析了鋼鐵行業(yè)真正實(shí)現(xiàn)廢水零排放的技術(shù)可行性。該技術(shù)可以很好解決鋼鐵行業(yè)濃鹽水的外排問題。
0引言
我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，而鋼鐵企業(yè)又是耗水大戶，保護(hù)水資源、防治水污染、改善水環(huán)境成為我國(guó)鋼鐵行業(yè)踐行“生態(tài)文明”的重要目標(biāo)，而真正實(shí)現(xiàn)廢水零排放則首當(dāng)其沖。2011年，我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)廢水排放量為62793.24萬(wàn)m3，COD排放量為28529.07t，氨氮排放量為2675.92t。對(duì)水環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，縮減了地表接納水體的環(huán)境容量。因此鋼鐵行業(yè)廢水零排放對(duì)保護(hù)我國(guó)水環(huán)境具有重大的實(shí)際意義。
20世紀(jì)70年代，國(guó)外個(gè)別工業(yè)部門開始摸索“零排放”，那時(shí)主要指沒有廢水從工廠排出，所有廢水經(jīng)過二級(jí)或三級(jí)污水處理，除了回用就只剩下轉(zhuǎn)化為固體的廢渣。我國(guó)目前真正實(shí)現(xiàn)廢水零排放的行業(yè)并不多見，零排放的鋼鐵企業(yè)更是鳳毛麟角，這主要與鋼鐵行業(yè)工序較多，廢水量大、成分復(fù)雜，濃鹽水無(wú)法全部回用等問題有關(guān)。
1鋼鐵行業(yè)主要工序廢水控制措施
1.1原料系統(tǒng)
原料系統(tǒng)的生產(chǎn)廢水主要來(lái)自地坪清掃用水，廢水中主要污染物為SS，送濁環(huán)水處理設(shè)施，經(jīng)粗顆粒分離機(jī)和輻射式沉淀池處理后全部循環(huán)利用。
1.2焦化
蒸氨塔排出的蒸氨廢水、終冷洗苯工段終冷塔排污水以及煤氣管道水封槽排水等，含有酚、氰等污染物，集中后統(tǒng)一送酚氰廢水處理站處理。酚氰廢水處理站一般采用A-A-O內(nèi)循環(huán)生物脫氮工藝。廢水先經(jīng)調(diào)節(jié)、除油、浮選、稀釋等一系列預(yù)處理后，送入生物處理系統(tǒng)，除去廢水中所含COD、酚、氰、氨氮等污染物，最后再經(jīng)混凝沉淀進(jìn)一步去除廢水中COD和SS。處理后出水串級(jí)用于高爐沖渣或轉(zhuǎn)爐燜渣系統(tǒng)補(bǔ)充水。
1.3燒結(jié)、球團(tuán)
燒結(jié)、球團(tuán)生產(chǎn)用水主要是設(shè)備冷卻水。采用循環(huán)系統(tǒng)供水，即設(shè)備排出的熱水首先進(jìn)入熱水池，然后經(jīng)冷卻塔降溫后進(jìn)入冷水池，再供給冷卻水用戶，為保持水質(zhì)穩(wěn)定，有少量生產(chǎn)廢水排出。
1.4煉鐵
高爐爐體和熱風(fēng)爐冷卻采用軟水密閉循環(huán)，冷卻回水經(jīng)干式空冷器降溫、供水泵組加壓后循環(huán)使用，為保持水質(zhì)穩(wěn)定，有少量生產(chǎn)廢水排出。高爐風(fēng)口、爐喉冷卻壁、鼓風(fēng)機(jī)、TRT等設(shè)備間接冷卻水，使用后溫度升高，經(jīng)冷卻后循環(huán)使用，為保持水質(zhì)穩(wěn)定，有少量廢水排出，用作濁環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水。沖渣水與水渣一同流入過濾池，經(jīng)底濾層過濾后循環(huán)使用，可利用焦化酚氰廢水處理站出水及化水站部分濃鹽水進(jìn)行沖渣。
1.5煉鋼連鑄
轉(zhuǎn)爐、精煉爐、連鑄結(jié)晶器及其他設(shè)備間接用水，采用凈循環(huán)水系統(tǒng)，該水使用后僅水溫升高，水質(zhì)未受污染，經(jīng)冷卻后循環(huán)使用。連鑄坯二次噴淋冷卻、沖氧化鐵皮等用水，使用后不僅水溫升高，而且受到氧化鐵皮及油的污染，經(jīng)一次鐵皮沉淀池沉淀，除去大塊鐵皮后，部分返回沖鐵皮，其余部分送化學(xué)除油器進(jìn)一步去除細(xì)小鐵皮和油，再經(jīng)高速過濾器過濾、冷卻塔冷卻后循環(huán)使用，為保持水質(zhì)穩(wěn)定，有少量處理后廢水外排。
1.6熱軋
加熱爐等設(shè)備間接冷卻水，使用后僅水溫升高，水質(zhì)未受污染，經(jīng)冷卻后循環(huán)使用，為保持水質(zhì)穩(wěn)定，有少量排水補(bǔ)入濁環(huán)水系統(tǒng)。軋鋼生產(chǎn)線產(chǎn)生的濁廢水主要來(lái)自軋輥冷卻、沖氧化鐵皮等用水，使用后含有氧化鐵皮和少量油，經(jīng)旋流沉淀池沉淀、高速過濾器過濾及化學(xué)除油器除油，再經(jīng)冷卻塔冷卻后循環(huán)使用，為保持水質(zhì)穩(wěn)定，有少量處理后廢水外排。
1.7冷軋
含鉻廢水經(jīng)還原、中和處理后，再經(jīng)高效澄清池澄清、過濾器過濾，通過除鹽水站單獨(dú)處理后回用于高爐沖渣、轉(zhuǎn)爐悶渣等。
2鋼鐵企業(yè)綜合污水處理廠
我國(guó)多數(shù)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)大都設(shè)有綜合污水處理廠，但多數(shù)只是對(duì)全廠各工序匯集的生產(chǎn)、生活廢水進(jìn)行常規(guī)的氣浮、生化、混凝、沉淀、消毒等處理，無(wú)深度處理(除鹽)流程，出水可部分回用于生產(chǎn)系統(tǒng)，但長(zhǎng)期運(yùn)行造成鹽度積累，必須外排部分廢水以保持全廠循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定，所以必須考慮出水脫鹽問題。
目前常用的脫鹽技術(shù)主要有離子交換、電滲析、反滲透等。
離子交換是利用離子交換劑，使交換劑在水溶液中電離出交換離子和原水中可交換離子之間發(fā)生等質(zhì)量規(guī)則的可逆性交換，導(dǎo)致水質(zhì)改善而離子交換劑的結(jié)構(gòu)不發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化的水處理方式。離子交換最主要的消耗來(lái)源于酸堿再生消耗的藥劑費(fèi)用，同時(shí)離子交換酸堿再生易造成酸堿廢水污染。通常，離子交換脫鹽適宜的范圍為含鹽量小于300mg/L，過高的含鹽量將導(dǎo)致設(shè)備過大、再生頻繁、勞動(dòng)強(qiáng)度高、操作過于復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用過高。
電滲析法是在外加直流電場(chǎng)作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，即陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子透過，陰離子交換膜只允許陰離子透過，使水中陰陽(yáng)離子作定向移動(dòng)，從而達(dá)到離子從水中分離的一種物理化學(xué)過程。電滲析較適用于含鹽量在300～500mg/L的脫鹽處理。
反滲透主要是將溶劑和溶劑中離子范圍的溶質(zhì)分開，只允許水、溶劑通過，可脫除水中絕大部分的鹽分及大分子有機(jī)物。反滲透由于分離過程不需加熱，沒有相的變化，耗能較少，設(shè)備體積小，操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，因此在水處理中應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，已成為重要的水處理方法，是目前脫鹽的最經(jīng)濟(jì)有效的手段之一。對(duì)含鹽量超過500mg/L的水，最經(jīng)濟(jì)的脫鹽手段是反滲透。鋼鐵企業(yè)綜合污水處理廠初級(jí)處理出水中含鹽量常高達(dá)3000mg/L以上，因此采用反滲透是最經(jīng)濟(jì)有效的手段。
鋼鐵行業(yè)廢水深度處理工藝采用預(yù)處理+深度處理(二級(jí)反滲透)的主工藝，去除廢水中主要污染物和鹽類，保證最終出水的總含鹽量(TDS)、硬度、懸浮物、Cl-等指標(biāo)滿足回用水要求，原水回收率為70%～75%。一級(jí)反滲透出水可直接作為凈環(huán)補(bǔ)充新水，二級(jí)反滲透出水可作為鍋爐用軟水補(bǔ)充水，反滲透濃鹽水(TDS≈10000mg/L)通過單獨(dú)的管網(wǎng)部分回用于煉鋼燜渣、煉鐵沖渣等處。
全廠生產(chǎn)廢水處理站二級(jí)反滲透處理工藝流程見圖1。出水水質(zhì)見表1。
此種廢水深度處理工藝已在五礦營(yíng)口中板有限責(zé)任公司3萬(wàn)m3/d綜合污水處理廠和安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司10萬(wàn)m3/d綜合污水處理廠等企業(yè)投入使用，反滲透出水水質(zhì)可穩(wěn)定滿足企業(yè)凈環(huán)水用水水質(zhì)要求。此外，寶鋼集團(tuán)有限公司、太原鋼鐵集團(tuán)有限公司、首鋼遷安鋼鐵有限責(zé)任公司、唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司等大型鋼鐵集團(tuán)、酒泉鋼鐵集團(tuán)、天津鋼鐵集團(tuán)有限公司廢水深度處理均采用了反滲透處理工藝。
3存在問題
1)該工藝存在的主要問題是濃鹽水的去向。由于反滲透過程產(chǎn)生大量濃鹽水，有15%～40%的濃鹽水難以處理，含鹽量高，用于噴灑地坪、高爐沖渣和轉(zhuǎn)爐悶渣等的水量有限，剩余部分沒有去處，只能排入外環(huán)境。
2)濃鹽水含鹽量高、腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢，對(duì)管道、噴頭等腐蝕嚴(yán)重，容易造成堵塞?；赜脻恹}水于生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)管道要求較高，需采用高強(qiáng)度、抗腐蝕的鈦合金等，一次性投資較大。
鋼鐵聯(lián)合企業(yè)將部分濃鹽水排至外環(huán)境，導(dǎo)致海水、河水鹽濃度越來(lái)越高，對(duì)水生生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)“零排放”。
4“零排放”解決方案
濃鹽水處理的技術(shù)難點(diǎn)在于其有機(jī)污染物的降解、高含鹽水減量處理技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)、適用的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)的開發(fā)上。該領(lǐng)域技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn):一是開發(fā)高含鹽水濃縮減量處理裝置的預(yù)處理技術(shù)和新型耐高鹽膜材料處理高含鹽廢水工藝裝置。二是開發(fā)濃含鹽干燥結(jié)晶處理工藝技術(shù)。如焙燒技術(shù):開發(fā)適合高含鹽無(wú)機(jī)物焙燒干燥結(jié)晶爐型，開發(fā)專用焙燒爐，選擇適合鋼廠工況下較為經(jīng)濟(jì)的燃燒介質(zhì)。再如，余熱回收利用技術(shù):開發(fā)出多級(jí)多效蒸發(fā)器，并通過生產(chǎn)性試驗(yàn)，研究各級(jí)余熱回收配比、完善設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)余熱回收最大化。三是進(jìn)行濃含鹽廢水回用及最終消納目標(biāo)的選擇研究。
太鋼廢水零排放處理方案采用預(yù)處理單元+膜處理單元+濃縮結(jié)晶單元工藝(見圖2)。太鋼濃鹽水水質(zhì)具有含鹽量較高、硬度較高、水質(zhì)成分復(fù)雜等特點(diǎn)，用TMF膜組件和傳統(tǒng)石灰軟化相結(jié)合的水處理技術(shù)去除水中硬度和金屬物質(zhì)，經(jīng)過石灰純堿軟化和機(jī)械攪拌澄清池濃縮分離，去除80%～85%的鈣鎂硬度和95%金屬物質(zhì)及對(duì)濃水反滲透有威脅的有機(jī)化合物。經(jīng)過投加石灰純堿TMF單元和鈉床軟化單元處理過的濃鹽水再進(jìn)入濃鹽水反滲透單元。最剩余濃鹽水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理(見圖3)，產(chǎn)生凝結(jié)水和雜鹽，凝結(jié)水回收利用，結(jié)晶雜鹽袋裝后作為融雪劑或作他用，最終真正實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”。
該項(xiàng)工藝的處理效果見表2，濃鹽水經(jīng)反滲透工藝處理后，出水水質(zhì)較好，滿足回用水水質(zhì)要求。
5 總結(jié)
本文介紹了鋼鐵行業(yè)廢水深度處理工藝及存在的問題，綜合污水處理廠采取二級(jí)反滲透可使出水滿足回用水要求，達(dá)到提高水循環(huán)利用率，節(jié)約水資源的目的。但該技術(shù)存在一個(gè)嚴(yán)重問題，即濃鹽水的后續(xù)處理問題，若未經(jīng)處理排至外環(huán)境，就會(huì)造成嚴(yán)重的水環(huán)境影響，無(wú)法真正做到廢水零排放。
太鋼采用預(yù)處理單元+膜處理單元+濃縮結(jié)晶單元工藝對(duì)濃鹽水進(jìn)行減量化處理，最后剩余濃鹽水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理，產(chǎn)生凝結(jié)水和雜鹽，凝結(jié)水回收利用，結(jié)晶雜鹽袋裝后做為融雪劑或做它用，最終真正實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”。
鋼鐵行業(yè)濃鹽水處理項(xiàng)目投資大，運(yùn)行成本高。因此，在保證經(jīng)濟(jì)可行的前提下，建議國(guó)內(nèi)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)逐步采用濃鹽水蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)或開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)可行的新技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廢水零排放，為踐行“生態(tài)文明”，實(shí)現(xiàn)“美麗中國(guó)”做出中國(guó)鋼鐵行業(yè)應(yīng)有的貢獻(xiàn)。