以天津钢铁集团有限公司废水深度处理站工程为例,介绍了典型的钢铁企业综合生产废水的处理流程:调节池-混凝澄清-过滤—反渗透。实际运行表明,系统出水电导率≤50μS/cm,总硬度≤10 mg/L,完全满足天津钢铁集团有限公司的生产用水要求。

1工程概述

天津钢铁集团有限公司地处天津市,属于严重缺水地区。目前,天津钢铁集团有限公司全厂生产用水均采用市政自来水,日取水量约3.2万m3,是天津市的用水大户。随着水资源的日益紧张,如何实现废水的回用,从而减少自来水的取水量,节约水资源,已成为天津钢铁集团有限公司亟需解决的重大课题。

2008年,天津钢铁集团有限公司开始组织筹建废水深度处理站一期工程。废水深度处理站(一期)工程的废水来源主要有四部分:天津钢铁集团有限公司厂内水处理车间混凝澄清设备排泥水、过滤设备反冲洗排水、各循环水系统强制排污水以及雨季时的少量雨水,总水量约500 m3/h。该废水具有如下特点:①受废水排放点工作制度不同影响,水质波动明显;②污染物以无机成分为主,同时含有少量有机污染物,可生化性较差;③含盐量高,主要体现在硬度和电导率指标上;④含有少量浮油。针对废水水质的特点,本工程采用混凝、澄清、过滤、反渗透相结合的处理工艺,处理出水作为电炉炼钢区域的生产用水。废水主要污染物为悬浮物、盐类、有机物及少量浮油等,废水深度处理站设计进出水水质如表1。废水处理工艺流程为废水→格栅→调节池→高效澄清器→中间水池→中速过滤器→多介质过滤器→RO装置→回用水点。

2主要构筑物及设备

2.1格栅间

格栅渠道2条,有效水深1.5 m,尺寸为11.5 m×3 m×6.2 m。自动回转细格栅2台,耙齿间隙为20 mm,格栅宽度为1.1 m,安装倾角75°,功率为0.75 kW。

2.2调节池

由于生产工艺所致,各个车间的生产具有不同特点,导致生产废水的排放不均匀,因此待处理的废水水量和水质在时间上会有变化。调节池的作用在于减小流量波动,同时使待处理废水均质,将进入后续处理系统的水量和水质变化减到最低限度。调节池内设置潜水搅拌器以防止污泥沉淀。在调节池后部的取水井上安装自控自吸泵,用于将废水提升至高效澄清器。水泵出口干管设1台电磁流量计,对进入高效澄清器的废水流量进行测量与累计计量。

调节池1座,有效水深2.9 m,尺寸为24 m×18 m×8 m,有效停留时间为2.5 h。潜水搅拌器3台,单台功率10 kW。废水自控自吸泵3台,单台Q=300 m3/h,H=25 m,N=90 kW,2用1备。雨水立式长轴泵2台,Q=4 748 m3/h,H=10.2 m,N=185 kW。

2.3高效澄清器

高效澄清器是集反应、预沉和斜管分离3个单元为一体的高效水处理设备。与混凝剂、助凝剂和石灰充分混合后的废水进入高效澄清器的反应区,悬浮物和胶体在反应区形成矾花,石灰与水中碳酸氢钙发生反应生成碳酸钙沉淀,使碳酸氢钙得到去除,同时也起到杀菌消毒的作用,有效防止藻类在斜管内繁殖生长。当矾花进入面积较大的预沉区时移动速度放缓,这样可以避免造成矾花的破裂和涡流的形成,也使绝大部分的悬浮固体在该区域沉淀。预沉区剩下的矾花在斜管分离区得到去除,精心的设计使斜管区的配水十分均匀,水流不短路,从而使得分离在最佳状态下完成。矾花堆积在沉淀池下部的收集槽,形成的污泥也在这部分区域进行重力浓缩。废水中的绝大数悬浮物、胶体、油、有机物及暂硬通过污泥排放的形式得以去除。

高效澄清器2台,单台的处理能力为300 m3/h,单台设备尺寸9.2 m×9.2 m×6.8 m,总水力停留时间约为80 min,斜管区上升流速约6.5 m/h。

2.4中间水池

高效澄清器出水重力流进入中间水池,后经中间提升泵增压进入中速过滤器、多介质过滤器过滤。中间水池有效容积500 m3,中间提升泵设4台,单台Q=185 m3/h,H=43 m,N=45 kW,3用1备。

2.5中速过滤器

中速过滤器内设有不同种类规格的滤料层,高效澄清器出水中残余的悬浮物和油被滤料层阻断和吸附。当过滤一定时间后,中速过滤器出水水质恶化,需要进行反冲洗以恢复中速过滤器出水水质。反冲洗采用专门的反洗水泵和反洗风机。

中速过滤器4台,直径4 m,单台最大处理量为188 m3/h,设计滤速为11.2 m/h,强制滤速为15 m/h,水反冲洗强度为20 m3/(m2·h),气反冲洗强度为23.7 m3/(m2·h)。反冲洗水泵设3台,单台Q=245 m3/h,H=25 m,N=37 kW。反冲洗风机设3台,单台Q=4.97 m3/min,P=0.07 MPa,N=11 kW。

2.6多介质过滤器

多介质过滤器是通过滤料的机械筛滤、沉淀以及接触絮凝等作用,进一步去除水中的悬浮物,同时有机物、细菌乃至病毒也随着悬浮物的降低而被大量去除。多介质过滤器与中速过滤器共用1套反冲洗设备。

多介质过滤器10台,直径3.4 m,单台最大处理量为60 m3/h,设计滤速为5.9 m/h,强制滤速为6.6 m/h,水反冲洗强度为54 m3/(m2·h),气反冲洗强度为65.7 m3/(m2·h)。

2.7反渗透装置

多介质过滤器出水带余压经过保安过滤器进入高压泵吸水管,再由高压泵加压进入反渗透装置,使水中的盐类和细菌等得到去除。反渗透产水经脱CO2器及p H调节后进入反渗透产水储池,再经增压泵并入电炉区域生产新水供水管网,供生产用户使用。浓水进入浓水储池,之后由浓水外输泵送往钢渣处理间、电炉渣场作为闷渣和喷洒用水。

保安过滤器4台,单台处理能力126 m3/h,过滤精度5μm。高压泵4台,单台Q=168 m3/h,H=170 m,N=130 kW,变频控制。反渗透装置4套,单套处理能力126 m3/h,一级两段式按20∶10排列,单套膜片数210片。反渗透产水池1座,有效容积750 m3,池顶设置脱气塔1台,以脱除产水中的CO2。脱气塔1台,处理能力378 m3/h,淋水密度53.5m/h,配套风机N=7.5 kW。产水供水泵4台,单台Q=125 m3/h,H=38 m,N=30 kW,3用1备。浓水供水泵2台,单台Q=125 m3/h,H=38 m,N=30 kW,1用1备。

2.8污泥处理系统

来自高效澄清器的排泥自流进入污泥储池,经污泥加压泵输送至板框压滤机进行脱水,泥饼外运填埋处理。

污泥储池1座,有效容积200 m3,污泥搅拌机1台,N=7.5 kW。污泥进料泵3台,单台Q=60 m3/h,H=60 m,N=37 kW,2用1备。板框压滤机2台,单台过滤面积100 m2,N=7.5 kW。

3工程调试

本工程2010年1月开始正式进入调试阶段。调试初期,多介质过滤器出水SDI一直偏高,一般在6左右,有时在SDI测定过程中甚至出现了断流现象。经过多次调整混凝剂、助凝剂、石灰、次氯酸钠等药剂投加量,但效果不理想,SDI始终不能稳定满足反渗透装置进水要求。根据经验推论,SDI偏高的主要原因是水中的胶体等类物质较多,这些胶体物质如果不在进入反渗透膜前得到有效去除,将对反渗透膜造成污堵,带来严重后果。为了进一步证实SDI偏高的原因,2010年3月调试小组将被污堵的SDI膜片送到天津大学进行原子吸收分析,对污堵膜片的物质进行分析。从分析得到的结果可以看出:

(1)SDI膜片上没有钙、镁污染物的累计,说明不是结垢问题导致的SDI膜片污堵。

(2)SDI膜片上没有明显的铁胶体污染物累计,说明不是无机胶体问题导致的SDI膜片污堵。(3)SDI膜片上的碳、氧元素较空白膜片明显增多,说明有机胶体、同时还包含一些硅氧化物胶体的污染物是导致SDI膜片污堵的主要原因。

根据以上分析,调试小组决定从强化混凝、微絮凝过滤,增加石灰、次氯酸钠投加量等方面提高对有机胶体的去除作用,具体方法如下:

(1)对高效澄清器进行局部改造,增设螺杆泵,将高效澄清器排泥斗上部的污泥回流至高效澄清器絮凝反应区,从而增加絮凝区的污泥浓度,加大胶体污染物在絮凝区的碰撞概率,增大所生成矾花的尺寸,改善其沉降性能。

(2)进一步优化石灰投加量,充分发挥石灰对胶体有机物的吸附作用。

(3)增加中速过滤器入口处絮凝剂的投加量,充分发挥过滤器的“接触絮凝”作用,对没能在高效澄清器中去除的胶体有机物进行网捕,截留在过滤器填料中。

(4)进一步优化次氯酸钠投加量,一方面对废水中微生物进行有效去除,另一方面避免微生物在过滤器滤料中滋生。

经过以上改造工作,高效澄清器出水浊度由原来≤20 N TU改善为≤10 NTU,多介质过滤器出水浊度由原来≤2 NTU降为0,SDI在多数情况下≤5,基本满足反渗透进水条件。

2010年5月,开始向反渗透装置供水。在运行过程中还出现了当中速过滤器、多介质过滤器进行正洗操作时,反渗透进水高压泵泵前低压报警进而停泵的现象,分析原因是中速过滤器、多介质过滤器正洗操作时排水强度过高,使得高压泵泵前管道背压不足,导致高压泵停泵。后将中速过滤器和多介质过滤器正洗排水管道管径由D N100缩小至D N50,降低正洗排水强度,同时为保证正洗效果,又在正洗程序上延长了正洗时间,使得该问题得到解决。

4运行效果

本工程2010年8月正式投产,运行近1个月,系统实际进水水量为250 m3/h,这样高效澄清器运行1台,中速过滤器运行2台,多介质过滤器运行5台,反渗透装置运行2套,反渗透产水188 m3/h,浓水产水62 m3/h,产水电导率≤50μS/cm,总硬度≤10 mg/L,系统脱盐率≥97%,回收率≥75%,完全满足设计要求,但本工程因天津钢铁集团有限公司电炉停产,目前一直处于待产状态,预计2011年上半年与电炉一同恢复生产。运行期间各处理系统主要工艺参数为:高效澄清器药剂投加量分别为PAC 6 mg/L,PAM0.15 mg/L,石灰乳120 mg/L;高效澄清器24 h排泥一次,每次排泥时间30 s;中速过滤器药剂投加量分别为PAC 10 mg/L,盐酸72 mg/L,次氯酸钠5 mg/L;中速过滤器反洗周期8 h;多介质过滤器反洗周期16 h;反渗透药剂投加量分别为还原剂3 mg/L,非氧化性杀菌剂3 mg/L,阻垢剂3 mg/L;反渗透高压泵运行压力1.8 MPa。系统各处理系统出水水质见表2。

5技术经济分析

本工程建设投资为2 994.7万元,流动资金254.5万元。生产期为20年,平均单位经营成本2.69元/m3,其中药剂费0.66元,电费1.43元,人工费0.07元,膜元件及滤芯更换费0.53元。若本工程满负荷运行,每年可节约自来水340万m3(电炉按年工作时间按6 800 h计),天津钢铁集团有限公司目前自来水使用费为5.6元/m3,这样每年可节省自来水使用费1 904万元。综合考虑运行成本,本工程全部投资内部收益率为24.37%,投资回收期为5.5年,经济效益显著。

6结论及建议

(1)本工程采用混凝澄清+过滤+反渗透相结合的处理工艺对天津钢铁集团有限公司电炉区域生产废水和部分雨水进行处理,处理出水水质稳定,可满足天津钢铁集团有限公司各生产系统的用水要求。

(2)超滤工艺截留精度较高,可对废水中的复杂有机胶体、无机胶体等污染物进行有效去除,使反渗透进水SDI稳定≤4,可对反渗透起到更好的保护作用,从而降低反渗透膜清洗频率,减小清洗难度。