全膜法水處理技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用

劉永君，周強(qiáng)強(qiáng)

（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(jī)在全球范圍內(nèi)越來越突出，世界各國也紛紛加大了環(huán)境治理的力度，對(duì)環(huán)境保護(hù)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(shù)的創(chuàng)新發(fā)展迅猛，生產(chǎn)過程穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，平時(shí)生產(chǎn)運(yùn)維過程中的能源消耗問題大家關(guān)注的也越來越密切。

目前全國鋼鐵企業(yè)實(shí)行污水零排放的鋼廠90%以上都應(yīng)用的全膜法工藝技術(shù)，此工藝技術(shù)不僅可生產(chǎn)鋼鐵企業(yè)發(fā)電鍋爐、轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐使用的純水和加熱爐、密閉系統(tǒng)補(bǔ)水用的二級(jí)除鹽水，而且應(yīng)用膜處理技術(shù)使?jié)恹}水減量化，可最終做到污水零排放，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保兩不誤。全膜法制備純水、除鹽水的工藝是應(yīng)用超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、EDI（連續(xù)電滲析）系統(tǒng)等不同的膜設(shè)備工藝系統(tǒng)有機(jī)的排列組合在一起，該工藝的這種設(shè)備的出水質(zhì)量穩(wěn)定、無次生污染物排放、自動(dòng)化程度高、操作運(yùn)營維護(hù)簡單、運(yùn)行成本低且占用的地面空間小等優(yōu)點(diǎn)。

目前該系統(tǒng)在某鋼鐵公司已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行8 a，運(yùn)行期間未出現(xiàn)大幅度的水質(zhì)變化。但由于隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，膜設(shè)備噸水耗電量日益增加，對(duì)運(yùn)行成本造成很大的影響。本研究就全膜法工藝在日常運(yùn)維過程中如何降低能源消耗，提高生產(chǎn)效率方面進(jìn)行探討[1-3］。

2 全膜法水處理工藝

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

在深度水處理系統(tǒng)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(fèi)占據(jù)了能源介質(zhì)成本中最大消耗項(xiàng)，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(chǎn)品水有3 種：一級(jí)除鹽水、二級(jí)除鹽水和純水。一級(jí)除鹽水除了進(jìn)一步處理生產(chǎn)二級(jí)除鹽水和純水外，剩余部分作為生產(chǎn)新水的補(bǔ)水利用。所以每類水是上一級(jí)水的深加工，所以可以通過計(jì)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(jīng)過深加工得到的二級(jí)除鹽水和純水，供給發(fā)電鍋爐、煉鋼密閉系統(tǒng)等產(chǎn)品水。

通過近1 a深度水處理系統(tǒng)耗電情況和處理水量隨時(shí)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(nèi)波動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)耗電和處理水量隨時(shí)間變化折線圖

圖2 深度水處理噸水電耗

3 工藝系統(tǒng)

3.1 多介質(zhì)過濾器系統(tǒng)

多介質(zhì)過濾系統(tǒng)為深度水處理系統(tǒng)的預(yù)處理設(shè)施，這是一種用于水處理系統(tǒng)前置處理工具。將多介質(zhì)過濾器放在超濾系統(tǒng)前端可以通過定期的反洗，設(shè)備就有能力重新提升其排污效率來恢復(fù)其截污能力和降低運(yùn)行的阻力，從而實(shí)現(xiàn)凈化水質(zhì)和節(jié)約能源的效果。

通過對(duì)多介質(zhì)過濾器系統(tǒng)3套設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，另外3套作為橫向和縱向?qū)Ρ龋瑢?duì)水溫、流量、和反洗時(shí)間3個(gè)因子多次試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)多介質(zhì)設(shè)備運(yùn)行影響在于溫度越高，多介質(zhì)過濾器中濾料內(nèi)截留的污染物繁殖的微生物類苔蘚類越多，導(dǎo)致多介質(zhì)過濾器進(jìn)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(zhì)過濾器中微生物的繁殖，將多介質(zhì)過濾器的反洗間隔時(shí)間設(shè)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(zhì)過濾器的反洗間隔時(shí)間設(shè)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(zhì)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(zhì)過濾器的反洗間隔時(shí)間設(shè)置為1 800 min。因特殊情況導(dǎo)致中水水質(zhì)中濁度高于5NTU 或多介質(zhì)產(chǎn)水流量降低10%時(shí)，需采取緊急處理措施，多介質(zhì)過濾器的反洗相應(yīng)間隔時(shí)間縮短。措施采用后，可更好地延長設(shè)備使用壽命，預(yù)計(jì)可節(jié)約中水水量22 018 t/a，年節(jié)約費(fèi)用3.6 萬元。由于預(yù)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(duì)深度水處理膜設(shè)備加速污堵，造成膜處理設(shè)備出力下降。當(dāng)來水中COD 和氨氮含量較高時(shí)，容易造成設(shè)備頻繁的故障[2］。這個(gè)過程中需加大化學(xué)清洗力度和頻次，造成生產(chǎn)水的浪費(fèi)和反復(fù)清洗對(duì)膜設(shè)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(jù)污染物濃度高低來消耗自身有效殺菌物質(zhì)，從而可比較穩(wěn)定的對(duì)中水進(jìn)行殺菌消毒，對(duì)后續(xù)設(shè)備起到保護(hù)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(tǒng)

超濾系統(tǒng)采用外壓式PVDF 中空纖維膜，公稱直徑為0.1 μm，物質(zhì)的截留率≥95%。超濾系統(tǒng)由于水中微生物等一些比較細(xì)小污染物的污堵，運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)造成跨膜壓差增大，透水率下降等現(xiàn)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(yùn)行過程中，需警惕超濾裝置的跨膜壓差突然升高或產(chǎn)水水量急劇降低的現(xiàn)象。若出現(xiàn)此種現(xiàn)象，需及時(shí)獲取截留在膜絲表面的污染物，分析其成分，及時(shí)進(jìn)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(chǎn)水側(cè)能夠檢測(cè)出余氯的含量（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(yùn)行，這樣的措施可降低超濾膜的生物污染，減小運(yùn)行過程中的跨膜壓差，也減少了超濾化學(xué)清洗次數(shù)。

因鋼鐵企業(yè)污水中含鐵離子比較多，在超濾裝置運(yùn)行3個(gè)月左右（水質(zhì)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下），需要進(jìn)行一次草酸清洗。若運(yùn)行過程中出現(xiàn)水質(zhì)大幅度調(diào)整（如濁度或COD 超出進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)的200%以上），跨膜壓差升高20%以上，則需及時(shí)進(jìn)行化學(xué)清洗。因草酸有很強(qiáng)的還原能力，三價(jià)鐵離子不能溶解于水中，當(dāng)遇到草酸就會(huì)被還原成二價(jià)鐵離子并能夠溶于水中，可有效疏通膜絲孔徑的污堵物質(zhì)，降低運(yùn)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(tǒng)程序步進(jìn)時(shí)，有的超濾設(shè)備進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)，其他超濾系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行下一步的汽水反洗，對(duì)設(shè)備容易造成污堵風(fēng)險(xiǎn)，增加超濾設(shè)備跨膜壓差，耗電量增加。因程序一旦更改，會(huì)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(dòng)步進(jìn)方法和注意事項(xiàng)，使所有超濾設(shè)備正常步進(jìn)，設(shè)備能夠進(jìn)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(tǒng)錯(cuò)流管的錯(cuò)流閥起到防止超濾膜絲孔洞污堵、保護(hù)超濾膜的作用。錯(cuò)流閥開度2 個(gè)或以下，容易導(dǎo)致膜元件污堵；錯(cuò)流閥開度5個(gè)以上，容易造成水量浪費(fèi)。正常生產(chǎn)時(shí)注意設(shè)備進(jìn)行化學(xué)清洗，將錯(cuò)流閥完全關(guān)閉。當(dāng)正常生產(chǎn)時(shí)，將錯(cuò)流閥根據(jù)跨膜壓差，開度在3～5個(gè)。防止超濾膜被污染物污堵，減緩擴(kuò)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(tǒng)

反滲透系統(tǒng)為深度水處理核心主體裝置。在正常的生產(chǎn)運(yùn)維過程中，為了得到足夠產(chǎn)水量，不增加膜數(shù)量的前提下，增加進(jìn)水的壓力就可以增加設(shè)備產(chǎn)水量。但是在日常的運(yùn)行過程中，這必然會(huì)帶來電力能源的大量消耗。系統(tǒng)的來水總流量對(duì)反滲透系統(tǒng)的脫鹽率和最終產(chǎn)水量也有影響，只是這種影響一般與給水壓力成正相關(guān)。一般隨著系統(tǒng)給水流量的增大，膜表面的流速也會(huì)增加，這樣影響膜的進(jìn)水壓力隨之增大，與此同時(shí)因?yàn)榱魉俚脑龃鬁p小了膜表面的濃差極化的數(shù)值，從而提高了系統(tǒng)的脫鹽率。從另一個(gè)角度分析，溫度對(duì)反滲透膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量和膜系統(tǒng)的脫鹽率的影響也非常大。當(dāng)進(jìn)水的溫度升高時(shí)（設(shè)計(jì)溫度25～35 ℃最佳），對(duì)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(tǒng)的產(chǎn)水量也會(huì)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(tǒng)產(chǎn)水量可增加或減小3%左右[3］。

酸堿度值對(duì)反滲透膜系統(tǒng)的影響存在兩個(gè)方面：①反滲透膜化學(xué)清洗時(shí)，在不同酸堿度值的清洗效果也存在很大差異，以及化學(xué)清洗時(shí)要求的酸堿度值的范圍。對(duì)此，在日常生產(chǎn)運(yùn)行過程中來水的酸堿度值應(yīng)該接近弱堿性，即酸堿度值在8左右最好。②反滲透設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)脫鹽率的影響。兩個(gè)因素：反滲透系統(tǒng)中水的碳酸鹽體系存在的平衡關(guān)系；反滲透膜在酸堿度值在8左右時(shí)脫鹽率最高。從第一點(diǎn)來說，在反滲透系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)反滲透膜元件正?？沙惺艿乃釅A度值范圍在1.5～12.5。通常采用堿性溶液可去除有機(jī)污染，酸性溶液來去除無機(jī)鹽垢[4］。合理的跨膜壓差之內(nèi)的膜設(shè)備運(yùn)行，使噸水耗能降低的最有效途徑，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況試驗(yàn)，得到一段跨膜壓差＜0.2 MPa，二段跨膜壓差＜0.05 MPa 時(shí)，一級(jí)反滲透設(shè)備產(chǎn)水率在72%～74%，二級(jí)反滲透設(shè)備產(chǎn)水率在86%～88%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在夏季溫度高時(shí)，反滲透系統(tǒng)膜設(shè)備里面細(xì)菌微生物生長速度快，非氧間斷投加時(shí)，設(shè)備不能得到很好的殺菌效果。與膜維護(hù)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(jí)反滲透系統(tǒng)前，根據(jù)每日化驗(yàn)中水水質(zhì)中的COD 數(shù)值，判斷是否增加非氧化殺菌劑的投加次數(shù)，如當(dāng)COD 大于40 mg/L 時(shí)，選擇1 d 加2 次，每次加20 min；當(dāng)30＜COD＜40 mg/L，則1 d 加1 次，每次加20 min；當(dāng)20＜COD＜30 mg/L，則隔1 d 加1 次，每次20 min；當(dāng)COD＜20 mg/L，則1周加2次，每次20 min。從而使得一級(jí)保安過濾器更不容易發(fā)生堵塞，保護(hù)反滲透裝置不受到污染。相同時(shí)間段內(nèi)，保安過濾器和反滲透擴(kuò)膜壓差增長速度變慢。原水處理多介質(zhì)過濾器、一級(jí)、二級(jí)、濃水反滲透，四個(gè)班組對(duì)設(shè)備隨機(jī)開啟，造成設(shè)備開啟次數(shù)最高的比最低的高了2.3倍。造成設(shè)備之間不能均勻制水，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不均。

對(duì)操作運(yùn)行崗位運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整，甲班開啟設(shè)備次序?yàn)锳、B、C、D（E、F），乙班開啟設(shè)備次序?yàn)锽、C、D（E、F）、A，丙班開啟設(shè)備次序?yàn)镃、D（E、F）、A、B，丁班開啟設(shè)備次序?yàn)镈（E、F）、A、B、C。這樣可使設(shè)備間較好的均勻制水，防止設(shè)備維護(hù)不均，導(dǎo)致設(shè)備跨膜壓差增大，耗能量增加。

集中水處理反滲透設(shè)備化學(xué)清洗后直接用產(chǎn)水沖洗后進(jìn)行投產(chǎn)使用，使得設(shè)備堿洗后會(huì)造成膜設(shè)備膜孔增大，造成設(shè)備短時(shí)間流量增大、跨膜壓差減小的設(shè)備清洗效果良好的假象，并且膜孔增大，使污染物質(zhì)容易透過膜孔，污染產(chǎn)水側(cè)；設(shè)備酸洗后膜孔減小，也容易造成設(shè)備短時(shí)間流量減小的設(shè)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(xué)堿洗（酸洗）后，對(duì)反滲透膜設(shè)備過一遍酸（或堿）處理，使膜組件能夠及時(shí)恢復(fù)原始狀態(tài)，避免上述問題發(fā)生，并對(duì)膜組件設(shè)備起到良好的保護(hù)作用。

通過以上措施設(shè)備運(yùn)行能耗可以降低0.089 kW·h/t。

3.4 EDI（連續(xù)電滲析）系統(tǒng)

EDI 系統(tǒng)通過電流的作用把水電解為H+和OH-而連續(xù)地產(chǎn)生高品質(zhì)的水，同時(shí)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(zhì)。連續(xù)電滲析模塊每隔一段時(shí)間就需要進(jìn)行化學(xué)清洗或消毒，原因?yàn)闈馑矣捕冉Y(jié)垢、無機(jī)物對(duì)離子交換介質(zhì)或膜的污染、有機(jī)物對(duì)離子交換介質(zhì)或膜的污染、整個(gè)系統(tǒng)管道和組件的生物污染。膜組件的定期清洗和運(yùn)行過程中的隨時(shí)監(jiān)控跨膜壓差是監(jiān)督EDI 運(yùn)行電耗的有效途徑。但因EDI 進(jìn)水水質(zhì)和產(chǎn)水水質(zhì)過優(yōu)，所以EDI進(jìn)水和產(chǎn)水水質(zhì)都很穩(wěn)定，設(shè)備日常運(yùn)行維護(hù)也很穩(wěn)定，運(yùn)行能耗無太大的差異。

3.5 六西格瑪工具在系統(tǒng)中的應(yīng)用

運(yùn)用六西格瑪工具，通過曲面響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，模型總得效果顯著，且不存在失擬現(xiàn)象，得到的響應(yīng)曲面方程：

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

通過曲面響應(yīng)試驗(yàn)分析得出結(jié)論。最節(jié)約能耗的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模式為，原水進(jìn)水濁度小于3NTU，進(jìn)水流量在（195±5）m3/h時(shí)，通過采取以上的運(yùn)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(fèi)60.73萬元。

4 結(jié) 語

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