冷軋廢水深度處理系統工程設計及運行研究

徐達坤

(麥王環境技術股份有限公司，上海 200082)

鋼鐵工業作為我國工業發展的基礎產業，既是用水大戶也是排污大戶。隨著現代化工業的迅速發展，用水量劇增，水資源短缺，已成為鋼鐵工業發展的瓶頸[1-2]。鋼鐵工業中冷軋工段用水量大，污水污染物來源多，成分復雜，處理難度較大，冷軋廢水經處理達標后進行回用是各大鋼鐵企業長期追求的目標，并且進行了大量的探索和嘗試性應用。目前冷軋廢水回用的主要出路有：(1)用作沖渣水或沖灰水，廢水經處理達到排放標準后直接用作沖渣水，不需再建設深度處理設施，相對來講比較簡便，但受到廢水鹽分、管道鋪設及維護等因素的影響，限制了該方案的大規模應用；(2)進行深度處理后，作為循環冷卻水系統的補水或脫鹽水系統的原水進行回用，目前這方面的回用已經取得了一定的突破和進展[3-6]。

對冷軋廢水進行深度處理和回收利用時，需要進行脫鹽處理，目前比較常用的處理方式為雙膜法，經過超濾和反滲透，廢水中細菌、懸浮物、病毒、膠體和鹽等污染物絕大部分都可去除，最后得到能夠回收利用的水資源[7]。

1 工程概況

河北某鋼鐵公司冷軋板生產工藝包含連續酸洗、 熱基熱鍍鋅和酸再生，產生的廢水主要有含酸廢水、稀堿廢水、平整液廢水和乳化液廢水。該公司建有廢水處理站，根據各股廢水性質的不同，先采用分質預處理后，再采用生化處理，廢水站出水達到《鋼鐵工業水污染物排放標準》(GB13456—2012)標準[8-9]。根據項目環評的要求，需要對廢水站出水進行回用，主要作為循環冷卻水系統的補水。因此新建一套深度處理設施以滿足回用的需求。

1.1 進出水水質

廢水處理站出水水質滿足《鋼鐵工業水污染物排放標準》(GB 13456-2012)的要求，詳見表1。廢水經深度處理后主要用于工藝循環冷卻水站的補充水，滿足循環冷卻水補水的水質要求，詳見表2。

表1 設計進水水質標準Table 1 Designed Requirement For Inlet Wastewater

表2 設計出水水質標準Table 2 Designed Requirement For Outlet Wastewater

1.2 設計工藝流程

深度回用系統設計規模為20 m3/h。深度處理系統設計采用“藥劑軟化+離子交換+超濾(UF)系統+反滲透(RO)系統”的處理公益，系統產水送入回用水池，供循環水站補水使用。濃鹽水外排至高爐燜渣。設計工藝流程如圖1所示所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

(1)預處理工藝

預處理段的主要任務是去除廢水中的硬度和懸浮物質。使得其水質符合反滲透系統的進水要求。設計的預處理工藝段包括：藥劑軟化+離子交換器+超濾裝置。

根據廢水中硬度的種類及濃度的不同，可以選擇不同的軟化工藝。冷軋廢水硬度較高，本項目采用二級軟化，即“藥劑軟化+離子交換樹脂軟化”。藥劑軟化方法較為簡單，即為簡單的混凝沉淀工藝，根據廢水堿度不同，采用氫氧化鈉-純堿軟化法或石灰-純堿方法。離子交換器可進一步去除水中鈣鎂離子，降低硬度。

廢水站出水在原水池中混合均勻，經水泵提升至預處理混凝池1和2，自流入絮凝池，在混凝池內投加石灰乳和純堿，以降低硬度，在絮凝池內投加PAM，之后加入鹽酸調節pH值。水中生成礬花絮體后自流入軟化澄清池進行泥水分離。澄清池上清液出水進入多介質過濾器，在多介質過濾器中去除絕大部分懸浮物和部分膠體物質后，再進入離子交換器進一步除去硬度降低反滲透裝置結垢風險。離子交換器出水進入自清洗過濾器，攔截其中可能存在的破碎濾料顆粒及前級中可能泄露的雜質，進入超濾裝置。在超濾裝置中，絕大部分的懸浮物、濁度、色度、以及部分有機物都被去除，使得其出水的SDI小于5，保證出水符合反滲透裝置的進水水質要求，進入超濾水池，作為下一工藝的進水。

軟化產生的污泥，與前段廢水站的污泥混合處理，不單獨設置污泥處理系統。

(2)一級反滲透除鹽工藝

反滲透裝置用來對原水進行脫鹽，保證其出水滿足循環水補水的要求。超濾產水由一級水泵提升，經投加阻垢劑、還原劑后，進入一級5 μm保安過濾器，去除水中可能存在的剩余顆粒物質，以免高壓泵及反滲透膜元件被損壞；保安過濾器出水由一級反滲透高壓泵升壓，進入一級反滲透裝置。在一級反滲透裝置中，水被分成兩部分，即含鹽量非常少的反滲透產水以及濃縮的濃水，產水進入回用水池，濃水進入一級RO濃水池收集，進入后續工藝繼續處理；反滲透裝置是整個系統的關鍵，用來對原水進行預脫鹽，脫鹽率≥97%。

(3)濃水反滲透裝置減排工藝

一級反滲透濃水經過預處理后進入RO濃水池，再經濃水RO提升泵提升進入5 μm保安過濾器。在進入反滲透高壓泵前投加非氧化殺菌劑、阻垢劑后，由濃水反滲透高壓泵升壓，進入濃水反滲透裝置。濃水反滲透產水出口設置電導儀監視產水水質，合格產水可以進入回用水池作為循環水站補水用。濃鹽水壓力排入濃鹽水池，由濃鹽水外排泵外排至高爐燜渣。

2 主要構筑物及設備參數

2.1 預處理系統

(1)預處理反應池(混凝池1、混凝池2和絮凝池)：2+2+2座(并列運行)，單池容積20 m3，鋼砼防腐。每格反應池內設攪拌機，功率為2.2 kW。

(2)軟化澄清池：2座(并列運行)，單座處理能力60 m3/h，容積100 m3，表面負荷3.3 m3/m2/h，鋼砼防腐。設中心傳動刮泥機2臺，功率1.1 kW，排泥泵4臺(2臺污泥循環用，2臺排泥用)，單臺流量10 m3/h，揚程20 m，功率5.5 kW。

(3)收集水池：1座，鋼砼防腐，容積70 m3。收集水池提升泵2臺(1用1備)，用于將收集的回用水站的內部廢水提升至廢水站，流量50 m3/h，揚程15 m，功率4 kW。

(4)預處理pH調整池：1座，容積15 m3，反應時間大于 5 min。池內設pH在線儀1套。

(5)多介質過濾器：3臺，直徑2600 mm，直邊高度 2000 mm。碳鋼襯膠，水帽ABS。過濾流速8.5 m/h，單臺設計出力45 m3/h。水反沖洗強度為14 L/(m2·s)，沖洗時間 5～15 min，氣沖洗強度取為15 L/(m2·s)，擦洗時間為2 min。

(6)離子交換器：3臺，直徑1600 mm，過濾流速20 m/h，單臺設計出力40 m3/h，承托層石英砂2～3 mm，濾層高度 200 mm，弱酸樹脂層，濾層高度1600 mm。材質碳鋼襯膠。每臺離子交換器出水管路設置1臺樹脂捕捉器。產水口設電磁流量計和pH儀。

(7)自清洗過濾器：3臺，與超濾裝置一一對應。網式自動自清洗，流量45 m3/h，精度100 μm。

(8)超濾裝置：3套，單套進水量為45 m3/h，凈產水量≥40 m3/h，單套水回收率≥90%；PVDF材質中空纖維膜，外壓式，設計凈水通量≤35 L/(m2·h)。反洗水泵流量40 m3/h，揚程25 m，功率7.5 kW。

2.2 一級反滲透除鹽系統

(1)一級RO提升泵：3臺(2用1備)，流量60 m3/h，揚程35 m，功率11 kW。

(2)一級RO保安過濾器：3臺，1支/臺。PP大流量折疊濾芯。處理出力40 m3/h。

(3)一級RO高壓泵：3臺，與3套一級反滲透裝置一一對應，立式離心泵，流量40 m3/h，揚程120 m，功率2 kW。

(4)一級反滲透裝置，：3套，單套進水量為40 m3/h，凈產水量≥26 m3/h，單套水回收率≥65%，脫鹽率≥97%；設計通量不大于15 L/m2h。膜元件型號DOW公司BW30XFR-400/34。單套膜元件48支，總計144支。排列方式位5：3一級二段排列。

(5)深度處理回用水池：1座，容積300 m3，鋼砼防腐。

2.3 濃水反滲透系統

(1)濃水RO進水池：1座，175 m3，鋼砼防腐。

(3)濃水RO保安過濾器：2臺，1支/臺。PP大流量折疊濾芯，處理出力40 m3/h。

(4)濃水RO高壓泵：2臺，與2套濃水反滲透裝置一一對應，立式離心泵，流量21 m3/h，揚程200 m，功率18.5kW。

(5)濃水反滲透裝置：2套，單套進水量為21 m3/h，凈產水量≥11.5 m3/h，單套水回收率≥55%，脫鹽率≥97%。膜元件型號DOW公司BW30XFR-400/34。單套膜元件20支，總數量40支。排列方式按3∶1進行一級二段排列。

(6)濃鹽水池，1座，250 m3，鋼砼防腐。

3 運行控制

3.1 進水水質控制

深度處理系統的進水是廢水處理站的產水，污水站良好的運行管理才能確保進水水質穩定。運行過程中，加強與上游廢水站的溝通，確保來水水質穩定。該項目運行一年，統計系統進水質均值如表3所示，實際進水水質優于設計值。

表3 進水水質Table 3 Inlet wastewater quality

3.2 預處理優化

縱觀國內雙膜法深度處理回用中出現的問題，絕大部分都是發生在預處理工序上，做好預處理段的運行控制是系統良好運行的關鍵。冷軋廢水的主要污染物為 CODcr、石油類和硬度等。本項目中CODcr和油類在廢水處理站得到了較好的處理，能滿足后續膜系統的要求，因此預處理段需要主要關注硬度的去除。本項目進水的硬度約200～400 mg/L，預處理藥劑軟化后硬度一般控制在80 mg/L以下。之后廢水進入離子交換器，運行效果如表4所示，廢水中硬度得到了有效的去除。

表4 離子交換器處理效果Table 4 Treatment result for ion exchanger

但在運行過程中，我們也發現了系統存在的一些問題：(1)離子交換器出水無自動檢測裝置，產水只能通過人工取樣檢測，離子交換器失效后，廢水中鈣鎂離子會進入超濾系統，可能對膜系統造成損傷。(2)離子交換器再生成本過高，單臺離子交換器再生—轉型過程需要消耗鹽酸約0.6～0.8 t，液堿約0.4～0.6 t，藥劑成本約1200元/次，耗二級除鹽水約40 t。考慮到水、電成本，單臺陽床每次再生成本約為2000元。同時離子交換器再生廢液也難以得到有效處理。(3)系統經藥劑軟化后，硬度可控制在80 mg/L以下，經一級RO濃縮后，濃水硬度在300 mg/L以下，滿足濃水RO進水條件，濃水RO單元產水的水質也滿足回用要求。綜合考慮到系統回用水質要求及成本情況，離子交換器暫未投入使用。

3.3 提高膜系統運行效率

為避免膜系統出現嚴重污堵影響出水效率與質量，保證反滲透系統的高效穩定運行，運行中注意做好如下措施：(1)需要定期根據產水電導率情況，評估系統處理效果，對膜元件進行檢測分析；(2)為保證雙膜系統進水水質達到要求，降低污堵頻率，需要定期更換保安過濾器濾芯；(3)及時進行系統清洗，確保系統穩定運行。

4 運行情況分析

4.1 運行效果

深度回用系統產水水質如表5所示，不難看出，深度回用處理出水水質完全符合循環水補水的的水質要求。

表5 出水水質Table 5 Outlet wastewater quality

4.2 技術經濟分析

對深度處理系統運行能源消耗、藥劑費、人工費等進行統計，處理運行成本分析見表6，不含大修及折舊，運行成本約為3.73元/噸。

續表6

5 結 論

鋼鐵企業冷軋板生產廢水經污水廠處理后，進入深度處理系統。深度處理系統設計采用“藥劑軟化+離子交換+超濾(UF)系統+反滲透(RO)系統”工藝。實際運行中，通過優化系統運行，出水電導率良好，滿足循環水站的使用要求。工藝運行結果表明：該工藝處理效果理想，各項運行指標良好，深度處理段處理費用約為3.73元/噸。