反渗透膜在我国钢铁行业的应用

pood反渗透膜在我国钢铁行业的应用肖庆聪，郁达伟，郑祥*，邱天然(中国人民大学环境学院，北京100872)摘要：随着国家对钢铁行业节水减排要求的提高，反渗透膜技术在钢铁行业的应用获得了较快发展。通过文献调研、公开资料、电话调查等方式统计了我国钢铁行业水量、水质数据以及反渗透技术在我国钢铁行业的应用案例，明晰了钢铁废水水量、水质特征。在此基础上，从应用规模、地区分布、水源、工艺及回用类型等方面，分析了反渗透膜技术在我国钢铁行业的应用特征；从应用潜力、多水源-分质供水工艺集成、废水零排放模式探索三方面展望了反渗透膜技术在我国钢铁行业的应用前景。关键词：反渗透；膜技术；钢铁；应用ApplicationofROMembraneinChineseIronandSteelIndustryXiaoQing-cong,YuDa-wei,ZhengXiang*,ZengFan-gang(SchoolofEnvironment&NaturalResources,RenminUniversityofChina,Beijing100872,China)Abstract:AstheimprovingrequirementsofwaterconservationandemissionreductioninChineseironandsteelindustry,theapplicationofROmembranetechniqueinironandsteelindustryhavedevelopedrapidly.Throughliteraturereviews,publiclydisclosedinformationandtelephonesurveys,etc,thedataofwaterquality&quantityandtheapplicationcasesofROmembranetechniqueinChineseironandsteelindustryweregatheredandthecharacteristicsofwastewaterquality&quantityofsteelindustryweredescribed.Onthesebasis,theapplicationcharcateristicsoftheROmembraneinsteelindustrywereanalyzedthroughtheaspectsofapplicationscale,regionaldistribution,watersupplies,processesandreusetypes,etc.Finally,theapplicationprospectsoftheROmembraneinsteelindustrywereprospectedthroughtheaspectsofapplicationpotential,processesintergrationofmulti&quality-dividedwatersupply,andexplorationofzerodischargeofwastewater,etc.Keywords:RO;membranetechnique;ironandsteel;application0.引言据中国钢铁协会统计，2010年我国粗钢产量达到62665万吨，占世界粗钢产量的37.75%。钢铁行业是全国的用水大户，约占全国工业用水量的14%[1]。因此钢铁行业的节水基金项目：国家“十一五”重大科技专项（NO.2009ZX07209–005），北京科技新星(2008A110)，霍英东教育基金优选资助课题(114040)通讯联系人。E-mail:[e-mail]；[e-mail]；pood减排具有重要的环保意义和社会效益。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[2]，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[3]。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加快发展[4]。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。因此本文通过调研、公开资料、电话调查等方式统计了我国钢铁行业水量、水质数据以及反渗透技术在我国钢铁行业的应用案例，在这基础上，明晰钢铁废水水量、水质特征，分析反渗透膜技术在我国钢铁行业的应用特征，以期为反渗透膜技术在钢铁行业的进一步发展明确方向。1.钢铁行业取、排水特征1.1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。图1我国钢铁企业吨钢取、排水量变化情况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（图2）。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（图2），重点钢铁企业这一指标已在0.081kg/t以下。但是，由于我国钢铁产量大，钢铁行业COD排放总量依然很大，如2009年为5.1万吨。同时我国吨钢COD排放水平与世界先进水平相距甚远[6]。通过采用钢铁废水回用技术，既可以减少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。pood图2我国钢铁企业水重复利用率、吨钢COD排放量变化情况1.2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[7]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[8]。表1钢铁废水水质情况项目废水水质指标*经常规前处理后水质指标**pH7.7~9.86.8~8.5SS（mg/L）190.3330CODCr(mg/L)94.1440油类（mg/L）11.871.4pood总硬度(CaCO3)（mg/L)385.56305.3总碱度（mg/L)189.14125电导率（μS/cm)1931.861378.5-*来源于张智瑞等对安钢、韶钢、天刚、唐钢等12钢厂统计；-**来源于笔者对包钢、武钢、首钢、韶钢、太钢等8个钢厂统计。2.反渗透膜在钢铁企业应用现状和问题2.1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（图3）。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%，而其它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（图3），我们发现如下特征：（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。从中我们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。图3反渗透膜在钢铁行业应用的地区分布情况2.2水源、工艺、回用特点pood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，SDI153。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。表2反渗透技术水源、工艺、回用类型情况分类占比（%）水源：厂区污水厂回用水2.82地表水23.03地下水0.02煤矿矿井废水3.28市政污水8.48冶炼轧钢废水49.