（环境工程专业论文）宝钢围厂河水回用反渗透深度处理技术研究.pdf

摘要 摘要 本课题以宝钢围厂河水为研究对象，开展了钢铁工业综合外排废水回用处理 技术研究。宝钢围厂河作为宝钢生产废水、生活废水和雨水的受纳水体，水资源 量丰富，其中铁、锰、c l 、s 0 4 厶、电导率和硬度是围厂河水资源化利用的重点 水质控制指标。 课题进行了超滤反渗透组合工艺处理围厂河水的试验研究。结果表明，该 组合工艺对围厂河水处理效果较好，产水水质满足宝钢工业用水、过滤用水、软 化用水的水质要求。但工艺运行稳定性较差，反渗透化学清洗周期较短，产水率 较低，在围厂河水资源化利用中推广应用的难度较大。 人工湿地超滤反渗透组合工艺处理围厂河水的试验研究。结果表明，在回 收率为7 5 、进水电导率为9 0 0 1 8 0 0 u s c m 条件下，反渗透系统脱盐率在9 8 以上，产水电导率在3 0 p s c i n 以下，达到宝钢工业用水、过滤用水、软化用水 水质要求，系统运行稳定，产水率高，化学清洗周期较长。 人工湿地紫外线微滤，反渗透组合工艺处理围厂河水的试验研究。结果表 明，该组合工艺对围厂河水中n a + 、c i 。、s 0 4 2 、c a 2 + 等主要离子去除效果良好， 产水电导率在5 0 p s a n 以下，满足宝钢工业用水、过滤用水、软化用水水质要求。 分别采用了扫描电镜、原子力显微镜、x 射线荧光光谱与红外光谱4 种分析方法， 对受污染膜的切片进行分析，结果表明：反渗透膜表面主要存在以c a 、m g 为主 的无机盐垢，没有明显的微生物污染与有机物。 通过对3 条围厂河水资源回用技术路线的分析比较，人工湿地紫外线微滤 反渗透组合工艺回用技术方案为是宝钢围厂河水资源化利用的较优化方案。 关键词：宝钢，围厂河，水回用，组合工艺，人工湿地，反渗透，紫外消毒 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t i l d yf o c u s e so nt h er e u s eo fb a o s t e e l sf a c t o r ym o a t , a st h e q u a n t i t yo f t h e m o a ti sv e r yl a g r ea n dt h em a i np o l l u t a n ti ni ti sc o n d u c t i v i t y , m n ，f ea n ds oo n , t h i s r e s e a r c hi st of m daw a yt ob e t t e rt h eq u a l i t yo f t h em o a ta n dt or c u s ci t t h es t l l d yf i r s t l yu s e dt h eu f r ot r e a t m e n ts y s t e mt od ot h ee x p e r i m e n t , t h e r e s u l ts h o w e dt h i sc o m b i n a t i o np r o c e s sc a l lt r e a tt h er a ww a t e re f f e c t l v a n dt h e q u a l i t yo ft h ee f f l u e n th a dm e e tt h eb a o s t e e l ss t a n d a r d b u tt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n w a sn o tw e l l ，t h ec l e a n i n gc y c l eo f r ow a s r e l a t i v e l ys h o r t t h es t u d ya l s ou s e dt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d a j f r ot r e a t m e n ts y s t e mt od ot h e e x p e r i m e n t a n dt h er e s u l ts h o w s ，t i l i sc o m b i n a t i o np r o c e s sc a nt r e a tt h er a ww a t e r e f f e c t l y , w h e nr or u nu n d e rt h e7 5 r e c y c l er a t e t h ee f f i u e n t sc o n d u c t i v i t yw a s a b o u t3 0 1 a s c m , d e s a l i n a t i o nr a t ew a sa b o u t9 8 t h ee 舶u e n th a dm e e tt h eb a o s t e e i s s t a n d a r d ，a n dt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o nw a sa l s ow e l l ，t h ec l e a n i n gc y c l eo fr ow a s m u c hl o n g e r ( a tl e a s tlm o n t h ) f i n a l l y , t h es t u d yu s et h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d u v m f r ot r e a t m e n ts y s t e mt o d ot h ee x p e r i m e n t t h er e s u l ts h o w e dt h i sc o m b i n a t i o np r o c e s sc a nt r e a tt h er a w w a t e re f f e c t l y , a n dt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fr os y s t e mi sg o o d t h e nw eu s es e m ， a f m , x r fa n di rt oa n a l y s et h ep o l l u t e dr om e m b r a h ea n dt h en e wr om e m b r a n e t of m do u tt h em a i np o l l u t a n t a f t c ra n a l y s i n ga l lt h ee x p e r i m e n tr e s u l td e e p l y , i ts h o w e dt h a tt h ec o n s t r u c t e d w e t l a n d u v m f r oc o m b i n a t i o np r o c e s sw a sm o r ee c o n o m i c a la n de f f e c t i v e ，i th a s a g o o dp r o s p e c ti nb a o s t e e l sf a c t o r ym o a tr e u s et r e a t m e n t k e y w o r d s ：b a o s t e e l ，t h ef a c t o r ym o a t , w a t e r c o n s t r u c t e dw e t l a n d , r e v e r s eo s m o s i s u vd i s i n f e c t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：狲左 矿善年3 月印日。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：甜覆签名：捣伸佐 州年；, e l y oe t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 中国钢铁工业及其水回用概况 钢铁是人类社会重要的基础性、功能性材料。钢铁工业在中国经济中占有 重要地位。“十五”期间，我国钢铁行业累计产粗钢1 1 9 1 5 亿吨，满足了国内 市场9 2 8 的需求，为国民经济发展做出了重大贡献。据国家统计局统计，2 0 0 5 年钢铁工业对我国国民经济增长的贡献率达到1 4 3 9 9 6 ，比2 0 0 0 年提高了 8 2 1 t 1 1 。 近年来，随着城市化水平和工业化程度的提高，水资源短缺和水污染加剧 已成为亟待解决的全球性问题，水资源不足已经成为国民经济和社会发展的重 要制约因素。在数量上，我国水资源年平均径流量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，居世界第6 位，而人均占有量不足2 2 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的四分之一，接近国际上水 资源低于人均1 7 0 0 m 3 的严重缺水国家标准。目前，我国已被联合国列为1 3 个 贫水国之一【3 j 。我国水资源短缺的现实导致了我国6 0 0 多座城市中有2 3 出现供 水不足【4 】。与此同时，我国的工业生产也面l 临着产业快速发展与供水能力不足间 的矛盾。作为工业生产用水的大户钢铁行业也正面临着严峻的用水危机， 水资源问题已成为我国钢铁工业发展的重要限制因素。 吨钢耗新水量是衡量钢铁企业水资源利用水平的国际通用标准。“十五” 期间国内钢铁行业的共同努力，很多钢铁企业己从不重视节水和不注意开发非 传统水资源，转变为节流优先、治污为本、多渠道开源提高水循环使用率，保 证钢铁可持续发展战略【2 j 。我国钢铁工业正在积极建设完善水循环系统和设施， 提高循环水技术水平和水重复利用率，如2 0 0 5 年全行业水的重复利用率提高到 9 4 。2 0 0 1 年至2 0 0 5 年冶金行业就可积累减少取水量7 1 6 4 亿m 3 ，2 0 0 6 年至 2 0 1 0 可减少取水量9 9 8 9 亿m 3 ，累计减少取水量1 7 1 5 3 亿m 3 。2 0 0 6 年全国重 点钢铁企业年平均吨钢耗新水为6 5 6 m 3 t ，比上年同期降低2 3 7 ，已经达到了 一个新的高度。部分企业吨钢取水量指标已达到了国际先进水平，1 2 家5 0 0 万 t 以上企业中，有5 0 企业吨钢取水量低于6 m 3 ，其中宝股、莱钢和济钢等钢铁 企业吨钢取水量已降到4 m 3 以下【3 - 5 】。2 0 0 5 年我国大型钢铁企业吨钢耗水量情况 见表1 1 。 第1 章绪论 表1 12 0 0 5 年我国大型钢铁企业吨钢耗新水量概况 i 企业宝钢济钢菜钢邢钢唐钢邯钢酋钢武钢萍钢本钢鞍钢马钢 1 吨钢耗新 l 水量( 。响 3 7 23 8 73 5 24 0 04 m6 2 65 1 86 0 0 6 ，1 4 9 4 28 ，1 51 0 0 2 但是，目前我国钢铁行业各企业之间的用水和污染治理水平仍然存在很大 差距。据2 0 0 5 年统计，我国6 9 家大中型钢铁企业中，吨钢取水量低于6 m 3 的 企业2 5 家。占3 6 2 ；p 8 m 3 的企业l l 家，占1 5 9 ；低于8 0 的企业共计占 5 2 2 ，其取水量占3 4 5 ，钢产量约占5 8 4 ；水重复利用率高于9 5 的企业 3 3 家，占4 7 8 ，其取水量占3 7 4 ，钢产量约占5 4 5 。总之，节水先进企业 的数量近5 0 ，其钢产量近5 5 ，取水量不足3 8 ，若其余企业达到先进企业 现有的节水水平，将实现节水超过2 5 6 , 7 1 。 综上可知，目前我国钢铁企业的节水工作已经取得了长足的进步，一些大 型钢铁企业的水资源利用率已经达到国际先进水平，但从总体来看，我国钢铁 企业的平均用水水平较国际先进水平依然存在较大的差距，在水资源综合利用 上仍然存在很多问题。宝钢作为我国年钢产量最大、技术最先进的钢铁企业， 代表了我国钢铁工业的发展方向与技术现状，以宝钢作为研究基地，对其水资 源综合利用技术进行研究，对我国其他钢铁企业构建高效的水资源利用体系， 降低吨钢耗新水量具有很好的借鉴意义。 1 。2宝钢与国际先进钢铁企业的比较 1 2 1 宝钢水资源利用概况 宝山钢铁股份有限公司( 简称宝钢) 是宝钢集团下最大的钢铁生产基地， 也是我国最大、最现代化的钢铁联合企业。宝钢被世界钢铁业指南评定为 世界钢铁行业综合竞争力前三名，也是未来最具发展潜力的钢铁企业之一 宝钢建处长江口，选择长江作为其水源地，长江为中国第一大河，水量丰 富、水质较好，但由于地处出海口，在冬季长江来水量较少时，容易受到海水 倒灌的影响，因此在冬季长江枯水季节，利用宝山湖水库的调蓄容量，确保生 产用水，在夏季长江丰水期时，可直接用长江钢泵向第一、二中央水处理厂供 2 第1 章绪论 原水，以节约电力消耗并改善水质。 长江原水送入宝钢第一、第二中央水处理厂，经过加药混凝、沉淀、过滤、 离子交换等处理工艺，分别被制成工业水、过滤水、软化水、纯水，分别送各 自的管网，使各自的管网保持一定的水压，各用户点根据补水需要，随时白管 网补充新水，在本系统内循环使用。 各系统的排污水，经过处理达到排放标准后，排入就近的排水系统，并最 终汇入宝钢围厂河，雨水也经雨排水系统汇入围厂河，最终由排水泵站排入长 江。 近年来，宝钢通过强化管理，建立、健全生产用水管理体制和管理制度； 采用许多先进的节水设备、工艺和技术；努力做好废水回收与处理工作等有效 途径，努力减少吨钢用水量和提高水的重复利用率从而达到节约用水的目的。 经过多年的运行实践，宝钢在节水方面取得了很大的进展。2 0 0 4 年宝钢水循环 率提高到9 7 6 ，废水处理率1 0 0 ，达标率1 0 0 ，吨钢外排废水量降到1 0 8 稃 以下，2 0 0 6 年宝钢吨钢新水耗量更是由设计值9 o 矗下降到了3 6 5 m 3 ，水循环 利用率达n t9 8 2 3 ，进入了世界先进水平。宝钢2 0 0 0 - - 2 0 0 6 年吨钢耗水统计 见图1 1 。 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份 图1 1 宝钢2 0 0 0 2 0 0 6 年吨钢耗水变化情况 宝钢近年来的用水量、水循环率等数据统计参见表1 2 。 3 8 7 6 5 4 3 2 l 0 幂雷*誓v*瓣幂智 第1 章绪论 表1 2 宝钢近年来各种用水的消耗量 原水量工业水量过滤水量软水量纯水量循环率浓缩倍数 年份 ( 7 5m 3 、( 万一)f 万m 3 )( 7 in n( 万一)( )( 倍) 1 9 9 97 6 6 2 - 65 9 7 7 24 2 2 ，23 0 i8 5 3 99 6 5 1 5 2 0 0 0 7 3 2 5 5 6 3 2 93 9 4 33 7 28 5 2 79 6 91 7 2 0 0 l7 0 3 2 65 2 2 7 43 6 4 43 5 69 1 459 6 81 8 2 0 0 26 1 4 654 8 3 5 73 2 543 1 58 9 69 72 2 ，l 2 0 0 46 6 0 14 2 4 2 4 2 0 7 8 63 4 47 9 6 39 7 。6 1 2 2 国际先进钢铁企业水资源利用分析 目前，许多国际先进钢铁企业都非常重视对水资源的开发和利用，水资源 利用水平普遍较高，主要表现在以下两个方面：吨钢耗新水量低：平均吨钢 耗新水量大约为6 6 8 m 3 t 。其中，纽柯由于以电炉炼钢短流程为主，所以吨钢耗 新水量极低，达到了1 o m 3 t 以下，安赛乐、浦项、蒂森克虏伯、博思格的吨钢 耗新水量也都达到了4 o m 3 t 以下，j f e 、中钢、塔塔的吨钢耗新水量处于 5 0 - - 8 o m 3 t 之间，新日铁和住友金属的吨钢耗新水量稍高，超过了1 0 o m 3 t ； 水循环利用率高：平均水循环利用率大约为9 4 7 。其中，安赛乐、浦项、蒂 森克虏伯、中钢、博思格等钢铁企业的水循环利用率都超过了9 7 ，其余钢铁 企业的水循环利用率也都在9 0 以上或接近9 0 i $ - 1 4 1 。 在对这些国际先进钢铁企业的水资源利用情况做进一步分析和总结之后， 可以发现这些钢铁企业主要从以下2 个方面加强了对水资源的最优化利用： 具有完善的水资源循环利用体系；多种水源的开发利用。 1 2 2 1完善的水资源循环利用体系 以米塔尔、安赛乐为代表的国际先进钢铁企业都非常重视水资源循环系统 的建设与完善，这些企业均具有完善的水资源循环利用系统，水循环利用率基 本保持在9 7 以上，而有些则达到了零排放的目标。因此可知，水资源循环利 用系统是否完善直接制约着一个钢铁企业的新水耗量与废水排放量水平。综合 来看，国际先进钢铁企业的水资源循环利用系统主要包括两部分： ( 1 ) 各部门废水的就地循环利用 根据各部门废水性质的不同，采取有针对性的水处理技术和设施，进行简 4 第l 章绪论 单的处理后，将其回用至部门内的用水工序，这样可以最大限度的降低废水处 理的成本，所以许多国际先进钢铁企业都非常重视各生产部门废水的就地循环 利用。如韩国浦项公司，它有超过9 8 的部门废水经各自的水处理设施处理后 就地回用，剩余的2 废水被送到最终废水处理站进行集中处理后排放。 ( 2 ) 综合废水的深度处理及回用 在企业内部的水资源循环利用系统中采用先进的深度水处理技术，可以有 效的帮助企业解决废水回用出路的问题，一般情况下，采用普通二级处理工艺 处理之后的产水，无法满足钢铁企业内高水质要求用户的水质标准，因此回用 出路相对集中于那些低水质要求用户，造成水量过剩，最终只能采取对外排放 的措施，因此使企业的水循环利用率无法有效的得到提高。 而米塔尔集团以及安塞乐等国际先进钢铁集团通过在水处理循环系统中引 入诸如反渗透等深度处理工艺，对生产废水进行进一步的处理，使生产废水在 循环系统中经过深度处理后达到了更高的水质要求，可以回用于高水质要求用 户，从而为废水的循环利用提供了更多样化的途径，直接帮助企业提高了水资 源循环利用率，减少了新水取水量。而米塔尔集团更是凭借其完善的水循环系 统，使整个水资源循环利用系统达到了零排放( z e d ) 的要求，效果显著”】。 此外，日本住友金属工业公司在其在自身的水循环系统中引入了自主研发 的k n 反应器，用以有效的去除生产废水中直径在纳米级别的细小颗粒，从而使 得废水在经过处理之后能够回用于那些对水质要求更严的生产工序，进一步提 高了生产废水的回用比率，达到了较好的效剁1 6 1 。 简而言之，随着各大钢铁联合企业产能的逐步提高，除了通过先进生产技 术降低用水水量之外，扩大生产废水的回用途径也是提高废水循环利用率的有 效手段之一，而要做到回用途径的多样化，势必需要企业采用更先进更有效的 水处理技术，以使产水不单单满足低端回用的要求，同时也能满足高端高水质 用户的要求，这样才能有效的降低企业整体的废水排放水平。 1 2 2 2多元化的取水策略 目前，淡水资源紧缺已成为一个全球性的问题，因此多数国际先进钢铁企 业为了可持续发展的需要，也为了应对传统水资源紧缺的问题，积极寻求多元 化的取水策略。其中，海水和雨水是被利用最多的非传统水资源。 第l 章绪论 ( 1 ) 部分使用海水作为生产用水 与淡水资源相比，海水具有水资源量充足的特点，因此采用海水替代淡水 作为生产用原水也是一种有效的“节水”措施。目前，海水淡化已是一项非常 成熟的技术，而制约海水淡化技术应用的主要障碍就是其成本高的问题，但随 着膜技术的不断进步和完善，海水淡化的成本正在逐渐降低，海水淡化成了越 来越多淡水资源缺乏地区工业用水的首选。 日本由于其地理位置较为特殊，四面环海，海水资源充足，但淡水资源却 非常缺乏，因此非常重视对海水资源的开发和利用。在海水利用方面，日本一 直走在世界前列。在日本的钢铁工业用水中，海水所占的比例非常高，诸如新 日铁、j f e 等钢铁企业，其海水取水量占总取水量的2 0 左右。 有些国家为了鼓励企业开发利用非传统的水资源，将企业自取的海水和苦 咸水水量不纳入定额计量管理的范围，这可以促进钢铁企业越来越多地利用海 水作为其生产用水。 ( 2 ) 收集雨水进行处理回用 对于雨水充足或雨水比较集中的地区，收集雨水进行简单处理后作为工业 用水，就可以花很少的投资，达到很好的节水效果。目前，许多国际大型钢铁 企业均十分重视雨水资源的收集利用，在自身的水资源循环系统中包含雨水收 集处理回用系统。 印度的塔塔钢铁公司专门建造了一个客积为3 4 2 2 4 万l n 3 的d i m n a 水库， 用来收集雨季时的雨水和地表径流，作为其钢铁总厂在枯水季节的补充水源， 这样既解决了塔塔钢铁总厂在枯水季节的用水问题，又大大减少了它从其它水 源地的取水量，取得了一举两得的效果。 米塔尔集团则拥有独立的雨水收集处理系统，这些系统主要将收集的雨水 经过处理之后回用于一些低水质要求用户，从而达到进一步减少企业的新水需 求量的目的，同时也很好的避免了雨水直接排放对环境水体的污染，效果良好。 1 2 3 宝钢与国际先进钢铁企业的比较分析 宝钢集团作为我国年钢产量最大、技术最先进的钢铁企业，代表了我国钢 铁工业的发展方向与技术现状，通过宝钢集团与世界其他先进钢铁联合企业的 比较，能够更有利于发现我国钢铁工业在节能环保方面尤其是水资源的合理利 6 第1 章绪论 用上与世界先进水平的差距，并探索有效的解决途径。与国内许多大型钢铁企 业相比，宝钢的耗水指标遥遥领先，新水用量远远低于国内其他企业。相比较 国际先进大型钢铁企业，宝钢在新水耗量上也处于世界领先水平【1 7 - 1 9 1 ，这主要 得益于宝钢严格的管理系统与先进的节水技术。但相比安赛乐与蒂森克虏伯等 世界一流的钢铁企业，宝钢在用水水平上还有进一步提升的空间。相比这些国 际大型钢铁企业，宝钢自身存在的最主要差距是对非传统水源的利用不足。 目前，宝钢在非传统水源利用方面与世界先进企业相比( 诸如米塔尔、安 赛乐等) ，仍旧存在较大差距。米塔尔、安赛乐等公司之所以能够达到很低的新 水耗量水平，与他们对企业内非传统水源的充分利用有着很大关系，米塔尔集 团具有独立的生产废水收集处理回用系统与雨水收集处理系统，生产废水一部 分经过深度处理技术之后回用于高水质要求用户，而另一部分废水与雨水则经 过简单的处理之后回用至低水质要求用户，如此在实现了企业废水零排放的同 时，有效的降低了自身的新水耗量。 相比之下，宝钢目前虽然拥有生产废水与雨水资源的收集系统，且有着较 好的串级利用系统，但是大部分废水资源只是在经过简单的处理之后被用于冲 渣、浇灌等低水质要求用户，而生产过程所产生的废水量远高于这些低水质要 求用户的需水量，所以导致大量的废水资源与雨水资源闲置，并未得到充分有 效的利用。因此可知，宝钢若能采取措施对这些大量的非传统水源进行处理回 用，对于宝钢进一步降低新水耗量会起到很大的帮助。 1 3 宝钢围厂河概况及其水回用可行性分析 1 3 1 宝钢围厂河概况 宝山钢铁股份有限公司围厂河以练祈河为界，分为东区围厂河与西区围厂 河。东区围厂河如图1 2 所示。沿围厂河分布着炼铁、炼钢、冷扎、热轧、钢管、 制水等生产部门。围厂河主要是用来收集各生产部门处理后的排放废水、厂区 雨水及部分生活污水，收集的综合废水通过靠近长江的纬五路河段所设置的二 号、三号两个泵站排入长江，在此过程中，围厂河不仅起到了调蓄厂区所有排 水的作用，同时还与沿河的绿化带形成了良好的景观效应。 围厂河呈环形闭合，全长约为1 2 3 k m ，纵向长约4 3 k m ，横向长约1 7 k i n 。 7 第1 章绪论 围厂河平均河床宽约为3 8 m ，河堤平均高度约为5 1 m ，堤岸平均坡度为l ：2 5 。 为保证蓄水和防洪要求，通过泵站的排水和倒灌来控制围厂河的水位。一般常 水位控制在2 5 - 3 2 m 。 围厂河接纳沿河各部门排出的处理后废水，由位于纬五路河段上的二号排 水泵站和三号排水泵站排出，围厂河内水体大致水流方向是从纬十一路流向经 三路和经六路，最后流向纬五路河段。 图1 2 宝钢围厂河平面图 1 3 2 围厂河水可回用量分析 宝钢围厂河水由各生产部门达标排放的废水、厂区生活污水和雨水三部分 组成。 ( 1 ) 生产部门排水 宝钢工业用排水部门较多，其中包括冷扎、炼铁、化工等排水大户，工业 废水是围厂河水的主要水体来源，根据j - i x 部门排水情况调查得到生产废水排 放量约为1 6 7 万m 3 ，d ，合约6 0 9 万m 3 ，年。 ( 2 ) 生活污水 自上世纪8 0 年代宝钢建厂完成投入运行后，宝钢不断扩大厂区面积，增加 生产部门，生活污水排放量也不断提高，导致原有生活污水处理厂水处理能力 不能满足企业日益发展的需要，所以有部分污水直排入围厂河内，水量约为0 6 刃m | d ，合约2 1 9 页矗f 年。 第1 章绪论 ( 3 ) 雨水 上海地区全年雨量充沛，且宝钢厂区面积较大，汇入围厂河的大量雨水是 可利用的水资源，由于围厂河排水泵站的雨水泵运行情况记录不祥，本课题根 据室外排水设计规范等资料，通过计算宝钢生产区的综合径流系数以及上 海宝山地区年平均降雨量来确定围厂河所收集的地表径流量为1 0 5 9 万m a 圣g 。 综上可知，宝钢围厂河每年共收纳各类水体约1 8 8 7 万m 3 ，水量较大，排入 长江即会对环境产生一定的污染，但如经处理后回用，实现废水资源化利用， 则可加快钢铁工业走上环境友好的良性发展之路。 1 3 3 围厂河水质概况与特征污染物分析 宝钢非传统水源受纳水体一围厂河全长约2 0 7 k m ，蓄水容量包括雨水管 渠约1 5 0 万m 3 ，河段分东区和西区，之间设有闸板隔断。东区水质色度好、水 量充沛( 库容约1 0 0 万m 3 ) ，西区水量小、色度差。根据水质调查结果：东区围 厂河水质枯水期常年平均电导率在7 0 0 1 2 0 0 u s c m 之间，雨水期常年平均电导 率在5 0 0 8 0 0 u s c m 之间，属于中低等污染水质。围厂河河水其他水质指标见表 1 3 。 表1 3 宝钢东区围厂河河水水质指标 电导率m 碱度钙硬度c r硫酸根总铁 水质指标 p h ( u s e m )( m e c l )( r a g l )( r a g l )( r a g l )( m g l ) 数值 8 1 3 0 2 1 0 9 2 5 5 2 4 3 1 7 01o 锰总磷油份细菌总数 c o d s i 0 2 水质指标 ( m g l ) ( m g l ) ( m g l )( m s l 1 0 4 ) ( m g l ) ( m g , l ) 数值 l5 0 5 3 023 l1 0 要实现宝钢围厂河废水的资源化利用，作为工业企业中的工艺与产品用水， 即需要需符合我国建设部于2 0 0 5 年颁布的城市污水再生利用工业用水水质 ( g b 厂r1 9 9 2 3 - 2 0 0 5 ) 标准，也需要符合宝钢对于回用水水质的要求。城市污水 再生利用工业用水水质( g b 厂r1 9 9 2 3 - 2 0 0 5 ) 标准与宝钢对工艺与产品用水各 项水质指标的具体要求见表1 4 与表1 5 。 9 第1 章绪论 表1 4 城市污水再生利用工业用水水质( g b t1 9 9 2 3 2 0 0 5 ) 标准 序号项目工艺与产品用水 l p h 6 5 - - 8 5 2 悬浮物( m e l l ) 3 浊度( n t u ) 5 4 b o d 5 ( n a g l ) 1 0 5 c o d e r ( m g l ) 6 0 6 铁( r a g l ) o - 3 7 锰( r a g l ) o 1 8 二氧化硅( s i 0 2 ) 3 0 9 总硬度( 以c a c 0 3 计) 。( m g l ) 4 5 0 1 0 总碱度( 以c a c 0 3 计) ， m g l ) 3 5 0 l l 氨氮( 以n 计，m g l ) 1 0 1 2 总磷( 以p 计，m g l ) 1 表1 5 宝钢对回用水水质的要求 水质指标单位工业水过滤水软化水纯水 p h7 0 - 8 07 o 一8 o 7 o - 8 5 7 o 9 o 电导率 5 0 0 5 0 0 5 0 0 1 0 m g l 碱度 1 1 0 1 1 0 1 1 0 l ( 以c a c 0 3 计) 平时m g l 6 0 6 0 6 0 微量 a - 最大m g l 1 2 0 1 2 0 1 2 0 微量 s s m e c l 1 0电微量微量 m e c l 总硬度 1 5 0 1 5 0电微量 ( 以c a c 0 3 计) m e , l 钙硬度 1 0 0 l o o乜微量 ( 以c a c 0 3 计) f e m g l o 5 0 5 0 5 微量 s o ， m e , l 5 0 5 0 5 0微量 s i 0 2m g l 6 6 6 微量 对比表1 3 可知，围厂河水中f e 、m n 浓度分别在l m g l 和1 5 m g l 左右， 而电导率则基本在1 3 0 0t t s c m 左右。对比表1 4 与表1 5 中的水质要求可知，这 l o 第1 章绪论 三种水质指标的含量偏高，尤其是电导率，较难通过一般的二级处理手段得到 有效的去除，因此是围厂河水进一步资源化利用的主要限制指标，是影响围厂 河水回用的特征污染物。 1 4人工湿地与反渗透脱盐技术 1 4 1 人工湿地生态处理技术概述 人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是 通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处 理【2 0 l 。人工湿地污水处理技术是2 0 世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处 理技术，一般由人工基质和生长在其上的水生植物( 如芦苇、香蒲等) 组成， 是一个独特的“基质植物微生物”生态系统【2 1 1 。当污水通过系统时，其中污染 物质和营养物质被系统吸收、转化或分解，从而使水质得到净化。 根据系统布水方式和污水在湿地床中流动的方式不同又分为三种类型：表 面流湿地、水平潜流湿地和垂直潜流湿地。 ( 1 ) 表面流人工湿地 这种类型的人工湿地和自然湿地类似，废水从湿地表面流过。但是，自由 表面流人工湿地是人工设计、监督管理的湿地系统，去污效果优于自然湿地系 统。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地 面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限。自由表面流人工湿逾中氧的来源 主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用，但传输能力十分有 限。这种类型的湿地系统的运行受气候影响较大，夏季有孳生蚊蝇的现象。 ( 2 ) 水平潜流人工湿地 这种类型的人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得名。它由一个或多 个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，防止污染地下水。与自由表 面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大和污染负荷大，对b o d 、 c o d 、s s 、重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象。 这种类型人工湿地的缺点是控制相对复杂，脱磷、除氮的效果不如垂直潜流人 工湿地。 ( 3 ) 垂直潜流人工湿地 第1 章绪论 污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过 大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水 平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对有机物的去除能力 不如水平潜流人工湿地系统，落干，、淹水时间较长，控制相对复杂，夏季有孳生 蚊蝇的现象。 目前人工湿地已被国内外许多学者或工程技术人员经过工艺改进或者与其 他系统进行组合后用于农业面源污染、城市或公路径流等非点源污染的治理。 美国、德国等的一些技术人员还将其推广应用于处理小城镇、行政事业单位和 垃圾场渗出液。但是，应用人工湿地处理工业废水的实例并不多见，主要集中 在应用人工湿地处理矿山酸性废水、淀粉工业废水、制糖工业废水、褐煤热解 废水、炼油废水、油砂废水、油田采出水、造纸废水、食品加工和奶制品加工 废水。这些废水的特征污染物主要是金属离子、b o d 、c o d 和油。 在美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水( 4 0 0 多处 人工湿地被用于处理煤矿废水，5 0 多处人工湿地用于处理生物污泥，近4 0 处人 工湿地应用处理暴雨径流，超过3 0 处人工湿地系统用于处理奶产品加工废水) 阱2 3 】，在丹麦、德国、英国各国至少有2 0 0 处人工湿地( 主要为潜流湿地) 系统 在运行【2 4 】，新西兰也有8 0 多处人工湿地系统被投入使用【2 卯。 北美2 3 的湿地是自由表面流湿地，其中一半是自然湿地( 1 - 1 0 0 0 h m 2 ) ，其 余为人工自由表面流湿地( 通常比较小，6 0 6 , 于1 0 h m 2 ) 。自然湿地水力负荷 小于人工湿地，系统水深范围一般为3 0 4 0 c m 。 在欧洲应用较多的则是地下潜流系统，特别是在一些东欧国家应用较广泛。 在系统中种植有芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物，为了保证潜流，绝大多数系统 还采用砾石作为填料。此类系统趋向于对近1 0 0 0 人口当量的乡村级社区进行二 级处理，北美则趋向对人口较多的地区进行高级处理，在澳大利亚和南非则用 于处理各类废水【2 6 2 - 0 。 1 4 2 反渗透脱盐技术概述 反渗透脱盐技术是当代先进的水处理脱盐技术之一，其基本原理是渗透的 逆向过程，渗透是水从稀溶液一侧通过半透膜向浓溶液一侧自发的流动的过程。 半透膜只允许水通过，而阻止溶解固形物( 盐类) 的通过，见图1 3 ( a ) 。溶液 第l 章绪论 随着水的流入而不断被稀释。当水向浓溶液流动而产生的压力p 足够用于阻止 水继续流入时，渗透处于平衡状态，见图1 3 ( b ) 。平衡时，水从任一边通过半 透膜向另一边流入的数量相等，即处于动态平衡状态，而此时的压力p 称为溶 液的渗透压。当在浓溶液上有外加压力，且该压力大于渗透压时，浓溶液中的 水就会通过半透膜流向稀溶液，使得浓溶液的浓度更大，这过程就是渗透的 相反过程，即反渗透，见图1 3 ( c ) 。 外加隘力 ( a ) 渗透；( b ) 渗透平衡；( 0 ) 反渗透 图1 3 反渗透原理示意图 简而言之，反渗透的原理就是在进水侧施加操作压力以克服自然渗透压， 当高于自然渗透压的操作压力施加于进水侧时，水分子自然渗透流动方向就会 逆转，进水中的水分子部分通过膜成为稀溶液侧的净化产水【2 耵。 反渗透作为膜分离技术之一，在分离膜领域内占有重要地位。1 9 5 3 年美国 佛罗里达大学的r e i d 等人最早提出反渗透海水淡化，1 9 6 0 年美国加利福尼亚大 学的l o e b 和s o u r i r a j a n 研制出第一张可实用的反渗透膜。从此以后，反渗透膜 开发有了重大突破。膜材料从初期单一的醋酸纤维素非对称膜发展到用表面聚 合技术制成的交联芳香族聚酞胺复合膜。操作压力也扩展到高压( 海水淡化) 膜，中压( 醋酸纤维素) 膜，低压( 复合) 膜和超低压( 复合) 膜【2 9 1 。 膜组件的形式近年来也呈现出多样化的趋势。除了传统的中空纤维式、卷 式、管式及板框式以外，又开发出回转平膜、浸渍平膜式等。工业水处理上应 用最多的是卷式膜，它占据了绝大多数陆地水脱盐和越来越多的海水淡化市场。 中空纤维膜在海水淡化应用中仍占有很高的份额。今天世界上反渗透膜水处理 装置的能力己达到每天千万吨以上。 第1 章绪论 反渗透技术于8 0 年代初在我国得到应用，首先用于电子工业超纯水及饮料 业用水的制备，而后用于电厂用水处理，9 0 年代起在饮用水处理方面获得普及， 现在反渗透己进入到家庭饮用纯水领域f 3 叩1 1 。 今后反渗透的主要研究发展方向有：开发抗氧化性、抗酸碱性以及高透 水性的新型膜材料；开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等 性能的反渗透膜组件；反渗透膜组件与超滤、微滤、纳滤、e d i 等膜组件的 组合应用；新型气体膜分离材料的研制【3 2 矧。 第2 章课题背景与研究内容 第2 章课题背景与研究内容 2 1课题研究背景 宝钢集团作为我国年钢产量最大、技术最先进的钢铁企业，代表了我国钢 铁工业的发展方向与技术现状，与国内许多大型钢铁企业相比，宝钢的耗水指 标遥遥领先，新水用量远低于国内其他企业。相比国际先进大型钢铁企业，宝 钢在新水耗量上也处于世界先进水平，这主要得益于宝钢严格的管理系统与先 进的节水技术。 宝钢2 0 0 5 2 0 0 6 年的吨钢耗新水量约为3 7 3 m 3 t ，已达到世界先进水平， 但与米塔尔、安赛乐、蒂森克虏伯等国际领先钢铁企业相比，仍存在一定的差 距，数据显示2 0 0 5 年时，这些国外钢铁企业的吨钢耗新水量已经达到了3 5 m 3 t 以下的水平，领先于宝钢的用水水平。 通过宝钢集团与这些世界领先钢铁联合企业的用水情况比较可见，宝钢在 非传统水源的处理利用上仍然与这些企业存在较大的差距。米塔尔、安赛乐等 公司之所以能够达到很低的新水耗量水平，与他们对企业内非传统水源的充分 利用有着很大关系，米塔尔集团具有独立的生产废水收集处理回用系统与雨水 收集处理系统，生产废水一部分经过深度处理技术之后回用于高水质要求用户， 而另一部分废水与雨水则经过简单处理之后回用至低水质要求用户，在实现了 企业废水零排放的同时，有效的降低了自身的新水耗量。 相比之下，宝钢目前虽然拥有厂区围厂河用以收集生产废水与雨水资源， 且有着较好的串级利用系统，但是大部分废水资源只是在经过简单的处理之后 被用于冲渣、浇灌等低水质要求用户，而生产过程所产生的废水量远高于这些 低水质要求用户的需水量，所以导致大量废水资源与雨水资源闲置，并未得到 充分有效的利用。因此，宝钢采取有效的措施对大量的非传统水源进行深度处 理后回用至生产过程，可以使宝钢吨钢新水耗量向世界先进水平迈进。 2 2 研究内容 由于宝钢综合废水受纳水体围厂河的主要水质特点是电导率、铁、锰 第2 章课题背景与研究内容 含量偏高，限制了围厂河水的进一步资源化利用。因此本课题拟开展人工湿地 反渗透技术处理宝钢围厂河水的试验研究，研究主要包括以下内容： ( 1 ) 超滤反渗透工艺处理宝钢围厂河水试验研究 研究超滤反渗透工艺处理宝钢围厂河水时的运行情况与处理效果，获取工 艺运行中超滤与反渗透的运行参数，包括超滤的膜通量、运行压力以及反渗透 的最适回收率与脱盐率等参数。 ( 2 ) 人工湿地超滤反渗透工艺处理宝钢围厂河水试验研究 研究组合工艺中人工湿地、超滤、反渗透的处理效果与运行情况。通过监 测人工湿地产水的浊度与s d i ，考察人工湿地对后续膜处理系统的预处理效果。 通过通量选择试验获取超滤系统的最适膜通量，并进行恒流运行，研究超滤系 统对于反渗透进水预处理的效果。通过回收率选择试验获取组合工艺中反渗透 系统的最适回收率，通过连续运行，研究反渗透系统在最适回收率下的运行情 况及对围厂河水中电导率与主要离子的脱除效果。 ( 3 ) 人工湿地紫外线，微滤反渗透工艺处理宝钢围厂河水探索性研究 在前述研究的基础上，对人工湿地紫外线，微滤反渗透组合工艺处理宝钢围 厂河水进行探索性研究。探究该组合工艺中紫外线消毒技术对反渗透进水中细 菌总数的控制效果及反渗透系统在进行围厂河水处理时的运行情况与脱盐效 果，分析该组合工艺的可行性与应用前景。此外，通过对受污染膜的切片分柝， 研究该组合工艺在处理宝钢围厂河水时反渗透膜的污染类型与主要污染物，并 制定相应的清洗策略。 2 3测试指标及分析方法 试验研究中，测定铁、锰、p h 、浊度、电导率和c o d 值及s o ? 、c l 、n a + 等指标，各指标分析方法均按照国家标准分析方法或国家环境局组织编写的水 和废水监测分析方法( 第四版) 一书所规定的方法进行测定。具体分析指标与 方法参见表2 1 。 1 6 第2 章课题背景与研究内容 表2 1 各项指标监测分析方法 序号监测项目分析方法 l水温温度计法 2 溶解氧( d o )电化学探头法 3 p h 值 玻璃电极法 4 电导率电导仪法 5 浊度浊度仪法 6 总硬度e d t a 滴定法 7 钙硬度e d t a 滴定法 8总碱度酸碱指示剂滴定法 9化学需氧量( c o d )重铬酸盐法 1 0 氨氮纳氏试剂比色法 l l 硝态氮紫外分光光度法 1 2 总氮过硫酸钾氧化紫外分光光度法 1 3 总磷钼锑抗分光光度法 1 4铁 邻菲l 罗啉分光光度法 1 5锰 高碘酸钾氧化光度法 1 6钠火焰原子吸收法 1 7二氧化硅硅钼黄光度法 1 8硫酸根离子色谱法 1 9 氯离子离子色谱法 2 0细