反渗透膜在钢铁行业的应用

      数据显示，2013年我国粗钢产量达到7.82亿吨，超过了全球总产量的50%，钢铁行业用水约占全国工业用水量的14%。钢铁行业是全国的用水大户，反渗透膜技术为钢铁行业节水减排。

     

     随着水资源短缺局面的加剧，钢铁企业通过采用串级用水、循环用水、一水多用和分级使用等方式提高了废水重复利用率，而这些方式实现的重要前提是离子交换技术和反渗透膜技术的应用。特别是近些年来，反渗透膜技术凭借其性能稳定、占地面积小、运行费用低、管理简单等特点而在钢铁行业获得了快速发展。但是由于对钢铁行业废水水量、水质特征认识不足，以及对反渗透膜在钢铁行业应用规模、地区分布、水源、工艺及回用类型等特征的总结不足，影响了其进一步应用。
     一、钢铁行业取、排水特征
     1、取、排水水量特征
近年来，通过不断采用各种先进工艺和技术设备，特别是采用各种节水、废水回用等措施，我国钢铁行业吨钢取水量和吨钢排水量分别由2002年的15.7m3/t、11.0m3/t逐步下降到2009年的4.5m3/t、2.06m3/t（图1）。2007年以来，吨钢取水量达到钢铁企业清洁生产一级标准，2009年吨钢外排水量也接近钢铁企业清洁生产一级标准中吨钢排水量≤2m3/t的标准。但是，与国外钢铁行业相比我国钢铁行业还存在较大的差距，例如吨钢取水量日本鹿岛为2.1m3/t，阿萨洛为2.4m3/t，德国蒂森克虏伯为2.6m3/t[5]。因此要进一步降低吨钢取水量和吨钢排水量，采取适当的水处理技术对钢铁废水回用是必然的选择。
     随着水处理技术的发展和不断应用，我国钢铁行业的水重复利用率由2002年的90.5%逐步提升至2009年的97%，已经达到钢铁企业清洁生产一级标准。相应地，在这期间，吨钢COD排放量由0.56kg/t下降到0.09kg/t，达到钢铁企业清洁生产一级标准，重点钢COD排放量，又可以提高水的重复利用率。所以，降低钢铁行业吨钢取、排水量和吨钢COD排放量，以及提高水重复利用率的关键措施就是大力开展废水回用技术。
     2、废水水质特征
     钢铁厂耗水工序较多，根据耗水量大小主要有电炉、冷轧、炼铁、钢丝、铁合金、钢加工、热轧、炼钢等工序，它们是钢铁厂废水的主要来源。不同工序产生的废水水质差异较大，例如炼铁废水水温高、悬浮物含量大，热轧废水含有大量氧化铁和油脂，冷轧废水含有油脂、乳化液和酸、碱。但是大部分钢铁企业是将各工序的废水（或经单独处理后，如轧钢废水）汇总到总排车间统一处理或排放[1]。因此钢铁企业的废水水质有一定的共性，张智瑞等通过对安钢、韶钢、天刚、唐钢等12个钢铁企业排放的废水水质情况进行汇总，得到表1所示的钢铁企业废水水质情况。从中可以看出废水中pH值呈弱碱性，主要污染为悬浮物和油类，总硬度、总碱度、含盐量较高。
     钢铁厂废水一般要经过简单的物理处理才能排放，传统的处理系统包括：混凝澄清、高密度澄清、曝气生物滤池、快速氧化、V型滤池等。经过这些常规前处理后，水质指标如表1所示。其特点为：pH值有一定下降，基本呈中性；悬浮物和油类得到一定的去除，一般在30mg/L和1.4mg/L左右；CODCr受进水水质影响较大，一般保持在40mg/L以上；总硬度、总碱度、含盐量依然较高。从这些特征可以发现，这类废水非常适合用膜法水处理技术进行回用，特别是对废水进行脱盐，反渗透膜技术以其性能稳定、占地面积小、运行费用低、管理简单等特点而具有较大的优势。
     二、反渗透膜在钢铁企业应用现状和问题
     1、地区分布特点
     截止到2010年，反渗透膜在我国钢铁企业的投运规模已超过36.6万m3/d，呈典型的地区分布特征。总体来说，主要可以分为以下四类地区：第一类是山西、河北、内蒙古，分别占总应用规模的28.9%、26.0%、17.5%，它们的应用规模之和占到了总规模的72.3%以上；其次是山东和安徽，它们的应用规模占比分别为5.8%、7.5%；第三类是北京、河南、上海，它们的应用规模占比分别是3.9%、3.8%、3.2%；第四类为天津、江苏、广东，分别为1.3%、0.79%、1.3%，而其他地区尚无反渗透膜应用。
     通过将反渗透膜应用规模地区分布与人均水资源量、地区钢铁产量的地区分布进行比较，发现如下特征：（1）水资源极度匮乏（人均水资源量在1000m3以下）、钢铁产量很大（3000万吨以上）的地区，反渗透膜技术应用最多，如河北、山西、山东；（2）有一定水资源（人均水资源量在1000~2500m3之间），但生态环境脆弱地区，反渗透膜技术的应用也较大，如内蒙古；（3）水资源较丰沛，钢铁产量小的地区基本没有发展反渗透技术，如江西、四川、广西、云南、福建等。（4）钢铁产量小，但水资源紧缺地区，反渗透技术得到了一定发展，如北京、天津、河南、上海等。从中还可以发现未来反渗透膜技术得到较快发展的地区将是辽宁、江苏、湖北、湖南等钢铁产量大，但水资源紧缺地区。
     2、水源、工艺、回用特点反渗透膜作为钢铁企业脱盐水处理工艺，其水源主要有冶炼轧钢废水、地表水、综合废水、市政污水等。通过对反渗透在钢铁企业中的29个应用实例的水源统计，发现其水源主要是冶炼轧钢废水、综合废水、市政污水等非常规水源，具体见表2。此外，唐钢利用企业周边的矿井废水作为反渗透膜工艺的水源，取得了非常好的效果（文献）。而利用地表水、地下水等常规水源作为反渗透的水源比重不到24%，这可能跟钢铁企业大都处在水资源较为紧缺地区有关。可以预见，随着水资源进一步短缺和对水资源回收利用程度的加大，常规水源的比重将进一步减小。
     从工艺类型看，目前反渗透在钢铁废水回用主要有三种工艺，即：超滤+反渗透、多介质过滤+反渗透、多介质过滤+超滤+反渗透，其中前两种工艺的占比之和超过90%（表2）。它们的主要区别在于反渗透的预处理，即超滤和活性炭。超滤主要是能去除水中非溶解性杂质，特别是钢铁废水中的总铁，其产水的浊度（NTU）在1以下，SDI15<3。活性炭工艺通过吸附作用去除油类和小分子有机物，保证后续反渗透膜的进水安全。因此，在具体应用时可根据废水性质进行选用，一般来说废水中当含油脂较多（如轧钢冶炼废水）时，可优先考虑多介质过滤+反渗透工艺，当废水中含非溶解性杂质较多（如炼铁废水）时，则可考虑超滤+反渗透工艺。而当废水中这两类污染物质都较多时，可考虑多介质+超滤+反渗透，这也是该工艺有接近10%应用规模的原因。
     从回用类型看，反渗透膜出水主要运用于污水综合回用、工业用纯水、循环水系统补水、冷轧用水等，各回用类型所占比重见表2。一般来说，一级反渗透出水的的电导率在25μS/cm以下，基本能满足以上回用水水质要求，但要满足锅炉补水水质标准，需要增加后续处理单元，如多级反渗透膜或电渗析等，使得除盐水的电导率在5μS/cm以下，这样就增加了处理成本，这是目前除盐水回用于锅炉补给水的占比只有1.77%的重要原因。

     反渗透膜的运用降低了回用水的含盐量，提高了水资源的循环利用率，大大降低了废水排放量。

    

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