摘要： 鋼鐵企業(yè)廢水由于污染物組成復(fù)雜，采用反滲透技術(shù)進行脫鹽來深度回用廢水目前還存在一定的挑戰(zhàn)。采用傳統(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)往往無法提供穩(wěn)定的，合格的反滲透進水，從而影響反滲透膜的運行壽命和增加反滲透系統(tǒng)的運行費用。采用以“多介質(zhì)過濾器＋超濾”為核心的預(yù)處理工藝來處理鋼鐵廢水，可以提高RO進水水質(zhì)，保證SDI15小于3，同時多介質(zhì)過濾器可以有效的降低后續(xù)超濾膜的污染負(fù)荷，從而降低超濾的清洗頻率，減少運行費用。同時通過案例研究發(fā)現(xiàn)，針對以軋鋼和冶煉廢水為主的鋼鐵廢水，超濾之前的前處理可以有效的降低原水中的“鐵和油”的含量，從而有效的保護“UF+RO”的雙膜法系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。
關(guān)鍵詞：超濾；反滲透；鋼鐵廢水；膜法水處理；廢水回用

 我國工業(yè)取新水量占全國取水量的20%，鋼鐵取新水量約占全國工業(yè)用新水量的2.2%；在火電、石油石化、紡織、造紙等高耗水工業(yè)中，鋼鐵工業(yè)耗新水量名列第五，平均噸鋼耗水量為14立方米左右[1]。作為世界上最缺水的13個國家之一，水，是制約我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要因素。鋼鐵工業(yè)還是污染大戶，鋼鐵廢水含有工業(yè)廢渣、油、苯、酚等有機物，有害物質(zhì)主要是煉焦環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的，另外，像軋鋼過程中，水會變成酸性，如果不加處理排放到環(huán)境中，會給人類以及各種動植物帶來有害影響[2]。 近些年來，為了減少鋼鐵企業(yè)的廢水排放量，減少噸鋼的新水耗水量，越來越多的企業(yè)尋求高效的廢水處理及回用技術(shù)。膜法處理技術(shù)就是一種有效的分離技術(shù)，經(jīng)過超濾和反滲透等技術(shù)可以去處細菌、懸浮物、鞭毛蟲、酵母、蛋白質(zhì)、病毒、殺蟲劑、顏料、膠體和鹽等污染物�？梢蕴幚碥堜搹U水、煉油廢水、電廠循環(huán)水和市政污水等。膜法水處理技術(shù)的最大優(yōu)勢在于對雜質(zhì)的去處率高，處理后的水質(zhì)不僅以達標(biāo)排放為目的，且可以實現(xiàn)廢水回用，徹底消除或大幅降低化學(xué)藥劑的使用，避免二次污染；系統(tǒng)自動化程度和可靠性高，占地面積��；與其它水處理技術(shù)相比處理費用相當(dāng)。但是，目前由于膜法技術(shù)在鋼鐵行業(yè)廢水回用領(lǐng)域的應(yīng)用還未普及，因此對于雙膜法技術(shù)處理鋼鐵廢水這種復(fù)雜水質(zhì)還存在一定的挑戰(zhàn)。本文將以某鋼廠廢水回用改造工程為案例，詳細研究鋼鐵廢水，尤其是冶煉和軋鋼廢水采用雙膜法技術(shù)進行深度處理回用的工藝設(shè)計和實際運行情況分析，同時也可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多關(guān)于鋼廠廢水處理的技術(shù)文檔。

1 項目介紹及水質(zhì)特點分析
  該鋼廠在2001年就建成了一套以軋鋼廢水、冶煉廢水以及部分生活污水為水源的反滲透除鹽系統(tǒng)，產(chǎn)水主要用作不銹鋼冷軋工序的工藝用水 ，設(shè)計反滲透能力1400m3/h。由于該廢水水源復(fù)雜，它包括冶煉和軋鋼兩種廢水，同時包括部分生活污水。原水水源的復(fù)雜性使得該廢水回用系統(tǒng)在設(shè)計時對工藝的把握上就存在風(fēng)險性，因為當(dāng)時在國內(nèi)沒有類似的復(fù)雜廢水水質(zhì)的膜法回用處理經(jīng)驗，無法借鑒其它系統(tǒng)的設(shè)計和運行經(jīng)驗。在2006年時，根據(jù)5年的運行經(jīng)驗，針對這種復(fù)雜的廢水水質(zhì)特性，對該系統(tǒng)進行了改造，改造主要的工作集中在反滲透預(yù)處理部分，因為目前膜法市場存在一種共識，即反滲透系統(tǒng)運行的好壞主要決定于預(yù)處理系統(tǒng)是否能有效的保護反滲透運行，比如，SDI15能否小于4。
表 1. 系統(tǒng)設(shè)計水質(zhì)：

從表1可知，原水的設(shè)計指標(biāo)存在幾個特點：
（1） 高含鹽量（電導(dǎo)率<3300μs/cm），高硬度（總硬度<1200 mg/l）,高的硬度限制了一段RO工藝的回收率，一般設(shè)計值為75％，同時為了避免RO的結(jié)垢傾向，尤其是一級二段RO的垢化傾向，有必要在RO前添加阻垢劑來延緩硬度在RO膜表面的結(jié)垢。
（2） 高污染指標(biāo)：從原水水質(zhì)指標(biāo)分析，廢水中含有高的鐵（3～6 mg/l），油（5-10 mg/l），以及高的COD指標(biāo)。高的鐵含量往往引起膜的鐵污染，無論是超濾還是RO膜在這種水源中都存在這個風(fēng)險。因此，這對這種水源，可以采用“氧化＋沉淀”工藝將Fe含量降低的0.5 mg/l以下,甚至為0 mg/l。從膜系統(tǒng)長期溫度運行的角度考慮，油應(yīng)該避免進入膜系統(tǒng)，包括UF和RO,在本案中油的含量最高可達10mg/l，這對于膜的運行存在較大的風(fēng)險，容易發(fā)生膜的污堵，而且油污染很難采用常規(guī)的化學(xué)試劑進行有效的清洗。另外,高的COD對于膜系統(tǒng)的運行影響較大，主要表現(xiàn)在：（a）引起有機物污染；(b)引起微生物污染；對于廢水水質(zhì)，在高COD條件下尤其容易引起微生物污染，而生物污染是引起反滲透系統(tǒng)污堵的最普遍現(xiàn)象。同時，由于目前市場上的反滲透膜基本上都是PA膜，PA膜的特點之一是不能耐受高的氧化劑，因此在RO系統(tǒng)前不能通過大劑量的氧化殺菌氛圍來控制微生物的生長，所以生物污染是目前膜法廢水回用中最需解決的問題（見圖1）

針對以上這種水質(zhì)特點，本案采用了如下工藝路線：

 2 工藝路線介紹
2.1前處理工藝介紹
 前處理系統(tǒng)主要目的是去除水中的大部分鐵、錳、懸浮物、膠體、懸浮物及部分有機物等，減輕預(yù)處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和提高其產(chǎn)水水質(zhì)。前處理系統(tǒng)主要包括：曝氣氧化池系統(tǒng)、次氯酸鈉加藥系統(tǒng)、機械反應(yīng)沉淀池系統(tǒng)、絮凝劑加藥系統(tǒng)、助凝劑加藥系統(tǒng)、斜板沉淀池等，詳見表2。
表2. 前處理設(shè)備表

曝氣氧化池系統(tǒng)：采用空氣曝氣法，向水中溶入氧，同時散去CO2 提高pH 值，使二價鐵離子轉(zhuǎn)化為三價鐵離子，形成氫氧化鐵膠體，在后續(xù)的沉淀過濾中去除。在曝氣的同時投加次氯酸鈉提高對二價鐵的氧化能力、并加堿調(diào)節(jié)pH 值。
 機械反應(yīng)沉淀池系統(tǒng)：進水中投加絮凝劑和助凝劑后，在反應(yīng)池內(nèi)機械攪拌混合，在斜板沉淀進行絮體和水的分離。

2.2 預(yù)處理工藝介紹
 預(yù)處理主要目的是進一步去除水中的懸浮物、膠體、色度、濁度、有機物等妨礙后續(xù)反滲透運行的雜質(zhì)。在本案中預(yù)處理系統(tǒng)主要包括：多介質(zhì)過濾器＋自清洗過濾器＋超濾裝置。

2.2.1 多介質(zhì)過濾器
 多介質(zhì)過濾器主要通過濾層截留去除水中大部分懸浮物和膠體。從實際的運行情況來看，多介質(zhì)過濾器產(chǎn)水SDI 值冬季可保證SDI15在4左右，夏季SDI15在4 以上（見圖2）。之所以會有這樣的波動主要是因為夏季微生物繁殖較為嚴(yán)重，多介質(zhì)過濾器本身對微生物沒有良好的過濾控制能力，因此使得夏季多介質(zhì)產(chǎn)水水質(zhì)惡化，這也是為什么考慮在多介質(zhì)后面增加超濾系統(tǒng)的原因之一。

 2.2.2超濾（UF）系統(tǒng)
    本案在2001年建成之初并沒有采用超濾作為反滲透的核心預(yù)處理，而是采用”多介質(zhì)＋兩級保安過濾器（精度分別為20um和5um）”，但是由于運行過程中發(fā)現(xiàn)采用這種預(yù)處理工藝在夏季等水質(zhì)惡化的季節(jié)，預(yù)處理產(chǎn)水水質(zhì)往往也跟著惡化，從而使得后續(xù)的反滲透工藝運行污染負(fù)荷增大，運行費用增加，因此在改造過程中增加了超濾（UF）核心預(yù)處理工藝來有效的去除懸浮物，微生物以及膠體等污染物，提高并且穩(wěn)定預(yù)處理出水水質(zhì)，表現(xiàn)在SDI15<3,從而有效的保護反滲透長期穩(wěn)定的運行。
    在本案中核心預(yù)處理選用DOWTM SFP2860超濾膜元件，其材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF材），過濾精度為0.03um，采用外壓過濾形式。具體系統(tǒng)配置見表3：
表3 超濾系統(tǒng)配置

超濾與傳統(tǒng)預(yù)處理比較具有以下優(yōu)勢：
（1） 產(chǎn)水水質(zhì)好，SDI一般小于<3，可完全滿足反滲透的進水要求，有效的保護反滲透的長期穩(wěn)定的運行。同時，產(chǎn)水SDI值不隨進水濁度的變化而波動，具有較強的抗沖擊能力；
（2） 自動化程度高，全自動運行；
（3） 占地面積小。在本案中，采用雙層布置，每層6套裝置，上下兩層共12套裝置，采用雙層布置可有效的節(jié)約裝置的占地面積，對于改造項目來說是一種可取的布置方案(見圖3)。
（4） 節(jié)省化學(xué)藥劑用量，降低廢水處理費用。

 超濾運行工況分析：

 經(jīng)過1年多的連續(xù)運行，超濾系統(tǒng)的壓差隨著水溫和污染情況的變化存在一定的波動 的由圖4所示，系統(tǒng)壓差基本控制在0.7bar以下，但是在夏季（7～8月）運行時，系統(tǒng)受到微生物污染的影響較大，從上圖可知，超濾系統(tǒng)存在兩個較明顯的壓差上升區(qū)間，壓差最高可達化學(xué)清洗（CIP）的設(shè)置點（1.5bar）左右，但是通過化學(xué)清洗，尤其是1000～2000mg/l濃度的NaClO清洗后，可以恢復(fù)超濾系統(tǒng)的壓差，說明系統(tǒng)的污染源主要是微生物。因此為了控制系統(tǒng)的微生物污染，夏季時在超濾系統(tǒng)前連續(xù)投加一定量的NaClO來控制微生物的繁殖，為了增強生物控制力度，可控制超濾產(chǎn)水的余氯值在0.5~1mg/l之間，當(dāng)然，在RO前需用還原劑還原。

 由于現(xiàn)場沒有安裝在線SDI儀，因此本系統(tǒng)在運行的1年多時間里抽查了超濾產(chǎn)水的SDI值。由圖5所示，超濾產(chǎn)水SDI15的控制在3以下（95％），但是存在某些時間產(chǎn)水SDI大于3（小于4），主要是在夏季以及原水水質(zhì)惡化或者變化較嚴(yán)重時。為了使膜法系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行，尤其對于廢水水質(zhì)，保持原水水質(zhì)的穩(wěn)定是必需的。

  在本系統(tǒng)中采用在線濁度儀檢測超濾產(chǎn)水濁度，由圖6可知，超濾的產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.1NTU以下，當(dāng)然，由于管路污染等原因，超濾產(chǎn)水濁度在某些時候會有所下降，但完全在可控范圍內(nèi)。

2.2.3 反滲透（RO）系統(tǒng)
 超濾是作為反滲透的預(yù)處理存在的，因此RO運行的好壞也是考量整個預(yù)處理系統(tǒng)的必要參數(shù)。

 經(jīng)過1年多的連續(xù)運行，該系統(tǒng)二段RO的壓差保持穩(wěn)定，在0.7~1bar左右波動；但一段RO的壓差隨著水質(zhì)和水溫的波動存在一定的變化，主要表現(xiàn)在夏季微生物繁殖的較為嚴(yán)重的時候，壓差有明顯的上升，最高壓差超過4bar，達到了化學(xué)清洗的值，而經(jīng)過化學(xué)清洗后，壓差基本恢復(fù)，但在夏季經(jīng)過較短的時間壓差仍舊會逐漸升高，達到化學(xué)清洗的規(guī)定值。說明針對這種復(fù)雜的鋼鐵廢水，由于COD高，在夏季微生物較為嚴(yán)重，表現(xiàn)在化學(xué)清洗周期明顯縮短。這種微生物并不是因為超濾無法去除而引起的，我們知道，超濾對細菌的去除率達到4～6log以上[4]。發(fā)生生物污染往往是因為超濾與RO系統(tǒng)之間存在二次污染引起的。當(dāng)然，對這種高COD的廢水水質(zhì)，有機物污染也較為嚴(yán)重。因此，針對這種高COD的廢水，易發(fā)生微生物污染的水源，增加非氧化殺菌系統(tǒng)是有必要的，而且可以針對季節(jié)和不同的污染情況可采取不同的控制微生物的措施。

3 結(jié)束語
 對于以冶煉和軋鋼廢水為主要廢水組成的鋼鐵工業(yè)廢水回用系統(tǒng)來講，采用傳統(tǒng)的“多介質(zhì)＋保安過濾器/活性碳”工藝作為RO的預(yù)處理存在諸多問題：主要是產(chǎn)水SDI值不達標(biāo)，尤其是在夏季，往往會超過4，不合格的預(yù)處理產(chǎn)水會嚴(yán)重影響后續(xù)的RO運行，往往會增加RO的清洗頻率以及降低RO的脫鹽率。因此采用以“多介質(zhì)＋超濾”為核心的預(yù)處理工藝，針對復(fù)雜的廢水水質(zhì)，再輔以必要的前處理工藝，可以改善RO的進水水質(zhì)，延長RO的運行壽命。當(dāng)然，采用以“超濾＋反滲透”為核心的雙膜法技術(shù)來處理復(fù)雜的鋼鐵廢水目前同樣存在較大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：膜系統(tǒng)微生物污染的處理措施，對于超濾系統(tǒng)，采用PVDF材質(zhì)的膜，由于可以耐受最高達到5000ppm的氧化劑，因此采用定期的氧化劑化學(xué)加強反洗（CEB）工藝可以控制微生物污染；對于RO膜，采用非氧化殺菌劑來控制微生物污染同樣是一種選擇。對于復(fù)雜的鋼鐵廢水，原水中的鐵，油等指標(biāo)往往超出膜系統(tǒng)的進水限制，因此像“曝氣氧化＋沉淀”工藝作為超濾系統(tǒng)的前處理工藝往往不可省略。

參考文獻
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