反渗透系统在水处理行业的应用

齐立峰

包钢股份动供总厂

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快速发展。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；钢铁行业；应用

引言

反渗透技术是近几十年来兴起的水处理技术，具有高脱盐率、环保、适应水质范围广等特点，广泛用于地表水回用、废水回用、海水淡化等领域。钢铁行业在生产过程中会产生大量的工业废水、生活废水，但目前钢铁企业打算兴建和已建的废水处理工程，基本上都没有涉及到脱盐工艺，处理后的水含盐量很高，不能满足钢铁企业循环水系统补充水的要求，因此钢铁企业综合废水处理中的脱盐处理是中水回用迫切需要解决的问题。包钢集团针对废水特点，选用高压反渗透技术作为废水回用的主要水处理方案，且所使用的反渗透膜为抗污染膜。经该工艺处理后产生的大量优质的产品水（约90％）可用于钢厂的生产工艺中，同时产生的少量浓水（约10％）可用于冲渣和焦化厂熄焦等，从而实现了钢厂废水的零排放，实现了真正意义上的节能减排。

一、钢铁企业废水处理工艺的应用

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2020年的97%，已经达到钢铁企业清洁生产一级标准。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2020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，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。

钢铁厂耗水工序较多，根据耗水量大小主要有炼铁、炼钢、冷轧、钢加工、热轧等工序，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。因此钢铁企业的废水水质有一定的共性，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：预沉、沉淀、过滤、高密度澄清、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。

二、反渗透膜在钢铁企业应用现状和问题

截止到2021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%。

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）水资源较丰富，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。

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。

反渗透膜材质逐渐由聚酰胺类复合膜就取代醋酸纤维素类分离膜成为了全世界反渗透和纳滤膜产业的支柱。这种高度交联和全芳香结构，决定了其高度的化学物理稳定性和耐久性， 能够承受强烈的化学清洗； 高密度的亲水性酰胺基团则使其具有高产水量和高脱盐率的综合性能。该膜在水通量、脱盐率、脱除有机物和抗生物降解方面具有极高的性能表现，适应目前工业界最宽的运行和清洗pH值范围，具有极高的抗压密化能力，最高使用温度可达45℃（热消毒型元件耐温更高） ，能够承受pH1～pH13的无机酸碱强力清洗，极耐磨损，在非常恶劣的使用条件下，表现出比其它品牌更长久、更稳定的无故障运行性能。

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%。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，SDI<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。

膜性能下降的主要原因，来水水质差污堵、结垢、微生物污染、氧化等方面，在日常检查过程中可以通过Cl、Fe、生物污染均存在不同气味来判断，系统冲洗时及拆膜后应注意有无异常的漂白粉味、铁腥味、鱼腥味或臭味。亦可通过称重能直观的判断污染程度和类别，往往污染严重的膜会比新膜重很多。所以安装新膜之前称重记录以备今后使用，是一个好的习惯。

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