全膜法水處理技術在鋼鐵企業(yè)中的應用

劉永君，周強強

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000）

1 前 言

隨著生態(tài)環(huán)境問題和能源危機在全球范圍內越來越突出，世界各國也紛紛加大了環(huán)境治理的力度，對環(huán)境保護和降低能源消耗日益重視，也提出了更高的要求。多年來，工廠污水零排放的新工藝、新技術的創(chuàng)新發(fā)展迅猛，生產過程穩(wěn)定的基礎上，平時生產運維過程中的能源消耗問題大家關注的也越來越密切。

目前全國鋼鐵企業(yè)實行污水零排放的鋼廠90%以上都應用的全膜法工藝技術，此工藝技術不僅可生產鋼鐵企業(yè)發(fā)電鍋爐、轉爐余熱鍋爐使用的純水和加熱爐、密閉系統補水用的二級除鹽水，而且應用膜處理技術使?jié)恹}水減量化，可最終做到污水零排放，生產經濟、環(huán)保兩不誤。全膜法制備純水、除鹽水的工藝是應用超濾系統、反滲透系統、EDI（連續(xù)電滲析）系統等不同的膜設備工藝系統有機的排列組合在一起，該工藝的這種設備的出水質量穩(wěn)定、無次生污染物排放、自動化程度高、操作運營維護簡單、運行成本低且占用的地面空間小等優(yōu)點。

目前該系統在某鋼鐵公司已經穩(wěn)定運行8 a，運行期間未出現大幅度的水質變化。但由于隨著運行時間的累計，膜設備噸水耗電量日益增加，對運行成本造成很大的影響。本研究就全膜法工藝在日常運維過程中如何降低能源消耗，提高生產效率方面進行探討[1-3］。

2 全膜法水處理工藝

某國內大型鋼鐵公司集中水處理深度處理項目在2014 年開始建設，于2015 年9 月正式投產使用，此項工程的處理原水為全廠的生產廢水經園區(qū)預處理后得到合格的中水。中水的產生量為1 640 m3/h，共有設備4套260 m3/h和2套300 m3/h的多介質過濾器系統，4套220 m3/h和2套260 m3/h的超濾系統，6 套180 m3/h 的一級反滲透處理系統，4 套160 m3/h 的二級反滲透處理系統，兩套218 m3/h 的EDI 處理系統，4 套30 m3/h 和2 套50 m3/h 的濃水反滲透處理系統。

在深度水處理系統能源消耗配比中，分別由多到少消耗的能源為中水、電力、壓縮空氣等。中水作為原材料輸入除外，電費占據了能源介質成本中最大消耗項，所以降低噸水的電耗在整體降能增效中就顯得格外的重要。

深度水處理產品水有3 種：一級除鹽水、二級除鹽水和純水。一級除鹽水除了進一步處理生產二級除鹽水和純水外，剩余部分作為生產新水的補水利用。所以每類水是上一級水的深加工，所以可以通過計算各類水之間的原水耗用比例，折合成最初原水，即處理中水的噸水耗電量，即可表征深度水處理噸水耗電量。集中水處理中心將中水經過深加工得到的二級除鹽水和純水，供給發(fā)電鍋爐、煉鋼密閉系統等產品水。

通過近1 a深度水處理系統耗電情況和處理水量隨時間變化（見圖1）和噸水耗電量（見圖2）可以看出，深度水處理噸水電耗是穩(wěn)定的，噸水電耗在1.1～1.6 kW·h/t范圍內波動。

圖1 系統耗電和處理水量隨時間變化折線圖

圖2 深度水處理噸水電耗

3 工藝系統

3.1 多介質過濾器系統

多介質過濾系統為深度水處理系統的預處理設施，這是一種用于水處理系統前置處理工具。將多介質過濾器放在超濾系統前端可以通過定期的反洗，設備就有能力重新提升其排污效率來恢復其截污能力和降低運行的阻力，從而實現凈化水質和節(jié)約能源的效果。

通過對多介質過濾器系統3套設備進行試驗，另外3套作為橫向和縱向對比，對水溫、流量、和反洗時間3個因子多次試驗。現場發(fā)現，溫度對多介質設備運行影響在于溫度越高，多介質過濾器中濾料內截留的污染物繁殖的微生物類苔蘚類越多，導致多介質過濾器進出口壓差增長越快。青島地區(qū)5—9月份平均氣溫在22 ℃以上，有利于中水和多介質過濾器中微生物的繁殖，將多介質過濾器的反洗間隔時間設置為960 min；在3、4、9、10 月份平均氣溫在15～20 ℃，微生物活性減緩，將多介質過濾器的反洗間隔時間設置為1 440 min；在11、12、1、2月平均氣溫在11 ℃以下，中水和多介質過濾器中微生物活性受到抑制，不利于微生物的繁殖，將多介質過濾器的反洗間隔時間設置為1 800 min。因特殊情況導致中水水質中濁度高于5NTU 或多介質產水流量降低10%時，需采取緊急處理措施，多介質過濾器的反洗相應間隔時間縮短。措施采用后，可更好地延長設備使用壽命，預計可節(jié)約中水水量22 018 t/a，年節(jié)約費用3.6 萬元。由于預處理工序中不含殺菌工藝，生活污水中COD 含量高，利于水中微生物繁殖，從而對深度水處理膜設備加速污堵，造成膜處理設備出力下降。當來水中COD 和氨氮含量較高時，容易造成設備頻繁的故障[2］。這個過程中需加大化學清洗力度和頻次，造成生產水的浪費和反復清洗對膜設備的傷害。在集中水處理中水池投加三氯異氰尿酸消毒塊，此藥劑屬于緩釋型固體殺菌劑。此藥劑根據污染物濃度高低來消耗自身有效殺菌物質，從而可比較穩(wěn)定的對中水進行殺菌消毒，對后續(xù)設備起到保護作用。通過采取上述措施后，深度水處理噸水耗電量可降低0.013 kW·h。

3.2 超濾系統

超濾系統采用外壓式PVDF 中空纖維膜，公稱直徑為0.1 μm，物質的截留率≥95%。超濾系統由于水中微生物等一些比較細小污染物的污堵，運行一段時間會造成跨膜壓差增大，透水率下降等現象，也是造成水泵用功增大、噸水耗電量增大的重要原因。因此，在日常運行過程中，需警惕超濾裝置的跨膜壓差突然升高或產水水量急劇降低的現象。若出現此種現象，需及時獲取截留在膜絲表面的污染物，分析其成分，及時進行清洗消除；其次要注意超濾前端氧化殺菌劑的投加量，保證能在超濾產水側能夠檢測出余氯的含量（根據現場運行良好的狀態(tài)下，余氯含量保證0.2～0.5 mg/L），使超濾膜能夠持續(xù)存在無菌狀態(tài)下運行，這樣的措施可降低超濾膜的生物污染，減小運行過程中的跨膜壓差，也減少了超濾化學清洗次數。

因鋼鐵企業(yè)污水中含鐵離子比較多，在超濾裝置運行3個月左右（水質運行穩(wěn)定的前提下），需要進行一次草酸清洗。若運行過程中出現水質大幅度調整（如濁度或COD 超出進水標準的200%以上），跨膜壓差升高20%以上，則需及時進行化學清洗。因草酸有很強的還原能力，三價鐵離子不能溶解于水中，當遇到草酸就會被還原成二價鐵離子并能夠溶于水中，可有效疏通膜絲孔徑的污堵物質，降低運行壓力，節(jié)省電能，還可以延長超濾裝置的使用壽命。

超濾系統程序步進時，有的超濾設備進行化學清洗時，其他超濾系統不會進行下一步的汽水反洗，對設備容易造成污堵風險，增加超濾設備跨膜壓差，耗電量增加。因程序一旦更改，會造成其他程序之間步序混淆。采取方案：在操作規(guī)程中添加手動步進方法和注意事項，使所有超濾設備正常步進，設備能夠進行正常汽水反洗，并且能夠做到每天1 次堿洗和每周1 次的酸洗頻率，減少了超濾的污堵，節(jié)約了噸水電耗。超濾系統錯流管的錯流閥起到防止超濾膜絲孔洞污堵、保護超濾膜的作用。錯流閥開度2 個或以下，容易導致膜元件污堵；錯流閥開度5個以上，容易造成水量浪費。正常生產時注意設備進行化學清洗，將錯流閥完全關閉。當正常生產時，將錯流閥根據跨膜壓差，開度在3～5個。防止超濾膜被污染物污堵，減緩擴膜壓差增長速度，并且提高制水率，節(jié)約噸水電耗。

通過采取上述措施后，深度水處理噸水耗電量可降低0.024 kW·h。

3.3 反滲透系統

反滲透系統為深度水處理核心主體裝置。在正常的生產運維過程中，為了得到足夠產水量，不增加膜數量的前提下，增加進水的壓力就可以增加設備產水量。但是在日常的運行過程中，這必然會帶來電力能源的大量消耗。系統的來水總流量對反滲透系統的脫鹽率和最終產水量也有影響，只是這種影響一般與給水壓力成正相關。一般隨著系統給水流量的增大，膜表面的流速也會增加，這樣影響膜的進水壓力隨之增大，與此同時因為流速的增大減小了膜表面的濃差極化的數值，從而提高了系統的脫鹽率。從另一個角度分析，溫度對反滲透膜系統的產水量和膜系統的脫鹽率的影響也非常大。當進水的溫度升高時（設計溫度25～35 ℃最佳），對所有的反滲透膜元件的影響，由于水的黏度隨著水溫的升高而降低，反滲透系統的產水量也會隨之增大。一般在相同的水壓下，水溫上升或下降1 ℃，反滲透系統產水量可增加或減小3%左右[3］。

酸堿度值對反滲透膜系統的影響存在兩個方面：①反滲透膜化學清洗時，在不同酸堿度值的清洗效果也存在很大差異，以及化學清洗時要求的酸堿度值的范圍。對此，在日常生產運行過程中來水的酸堿度值應該接近弱堿性，即酸堿度值在8左右最好。②反滲透設備在正常運行時對脫鹽率的影響。兩個因素：反滲透系統中水的碳酸鹽體系存在的平衡關系；反滲透膜在酸堿度值在8左右時脫鹽率最高。從第一點來說，在反滲透系統進行化學清洗時反滲透膜元件正常可承受的酸堿度值范圍在1.5～12.5。通常采用堿性溶液可去除有機污染，酸性溶液來去除無機鹽垢[4］。合理的跨膜壓差之內的膜設備運行，使噸水耗能降低的最有效途徑，根據現場系統運行情況試驗，得到一段跨膜壓差＜0.2 MPa，二段跨膜壓差＜0.05 MPa 時，一級反滲透設備產水率在72%～74%，二級反滲透設備產水率在86%～88%。同時發(fā)現在夏季溫度高時，反滲透系統膜設備里面細菌微生物生長速度快，非氧間斷投加時，設備不能得到很好的殺菌效果。與膜維護廠家商討優(yōu)化合同后，在5—10月份加大非氧化殺菌劑的投加方式。在一級反滲透系統前，根據每日化驗中水水質中的COD 數值，判斷是否增加非氧化殺菌劑的投加次數，如當COD 大于40 mg/L 時，選擇1 d 加2 次，每次加20 min；當30＜COD＜40 mg/L，則1 d 加1 次，每次加20 min；當20＜COD＜30 mg/L，則隔1 d 加1 次，每次20 min；當COD＜20 mg/L，則1周加2次，每次20 min。從而使得一級保安過濾器更不容易發(fā)生堵塞，保護反滲透裝置不受到污染。相同時間段內，保安過濾器和反滲透擴膜壓差增長速度變慢。原水處理多介質過濾器、一級、二級、濃水反滲透，四個班組對設備隨機開啟，造成設備開啟次數最高的比最低的高了2.3倍。造成設備之間不能均勻制水，設備維護保養(yǎng)不均。

對操作運行崗位運行模式進行調整，甲班開啟設備次序為A、B、C、D（E、F），乙班開啟設備次序為B、C、D（E、F）、A，丙班開啟設備次序為C、D（E、F）、A、B，丁班開啟設備次序為D（E、F）、A、B、C。這樣可使設備間較好的均勻制水，防止設備維護不均，導致設備跨膜壓差增大，耗能量增加。

集中水處理反滲透設備化學清洗后直接用產水沖洗后進行投產使用，使得設備堿洗后會造成膜設備膜孔增大，造成設備短時間流量增大、跨膜壓差減小的設備清洗效果良好的假象，并且膜孔增大，使污染物質容易透過膜孔，污染產水側；設備酸洗后膜孔減小，也容易造成設備短時間流量減小的設備清洗效果不理想的假象。為避免以上問題，可使反滲透化學堿洗（酸洗）后，對反滲透膜設備過一遍酸（或堿）處理，使膜組件能夠及時恢復原始狀態(tài)，避免上述問題發(fā)生，并對膜組件設備起到良好的保護作用。

通過以上措施設備運行能耗可以降低0.089 kW·h/t。

3.4 EDI（連續(xù)電滲析）系統

EDI 系統通過電流的作用把水電解為H+和OH-而連續(xù)地產生高品質的水，同時通過通電電流和離子交換樹脂的作用來連續(xù)不斷地凈化水質。連續(xù)電滲析模塊每隔一段時間就需要進行化學清洗或消毒，原因為濃水室硬度結垢、無機物對離子交換介質或膜的污染、有機物對離子交換介質或膜的污染、整個系統管道和組件的生物污染。膜組件的定期清洗和運行過程中的隨時監(jiān)控跨膜壓差是監(jiān)督EDI 運行電耗的有效途徑。但因EDI 進水水質和產水水質過優(yōu)，所以EDI進水和產水水質都很穩(wěn)定，設備日常運行維護也很穩(wěn)定，運行能耗無太大的差異。

3.5 六西格瑪工具在系統中的應用

運用六西格瑪工具，通過曲面響應試驗設計，模型總得效果顯著，且不存在失擬現象，得到的響應曲面方程：

深度水處理噸水電耗=4.51+0.037 進水濁度-0.035 進水流量-0.005 8 進水濁度×進水濁度+10-5×8.58×進水流量×進水流量+0.000 28×進水濁度×進水流量

通過曲面響應試驗分析得出結論。最節(jié)約能耗的現場生產模式為，原水進水濁度小于3NTU，進水流量在（195±5）m3/h時，通過采取以上的運維方式，全膜法深度水處理電耗由1.186 kW·h/t 降低至1.060 kW·h/t，年節(jié)約電費60.73萬元。

4 結 語

全膜法深度水處理工藝在制備高品質的純水、除鹽水的時，具有比傳統工藝低耗高效、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢。如果在日常運維過程中，能夠通過多方位試驗，找取現場最優(yōu)的運行模式和清洗方式，可以大大降低全膜法深度水處理運行的能源消耗，既可以延長設備使用壽命，也可以提高設備出功效率，起到了事半功倍的效果。