某钢铁企业生产废水处理工艺设计

周迪，闫镇枭，刘明旺，叶朵，王凤婷，吴琴琴，韩颖

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213125）

钢铁工业是我国国民经济的重要支柱产业之一，也是资源、能源、资金、技术密集型行业[1]。我国某钢铁企业主要生产各种热轧钢材、冷轧钢材和混凝土材料等，其烧结、焦化、炼铁、炼钢和轧钢等车间会产生大量废水，主要为冷轧废水、软水站废水、除盐水站废水、脱硫废水、水洗废水和煤气冷凝水。

冷轧废水是钢铁行业中处理难度较高的废水，随着国家对环境的治理力度逐年加大，对冷轧废水的处理已上升为法律层面[2]。对于钢铁行业冷轧废水的处理技术，必须随着国家对排放指标要求的提升而不断提高，以使处理后的冷轧废水排放指标提升到一个新的高度[3-7]。含油废水来自于冷轧生产线的热镀锌脱脂段、连退的清洗段和磨辊间等工段，该公司送入废水处理站的冷轧废水已经经过气浮除油预处理；软水站废水主要是生产软水时产生的废水，包含树脂再生产生的废水等；除盐水站废水主要包含反渗透浓水等[8-10]；脱硫废水主要来自于烧结球团烟气脱硫单元的排水，该公司采用石灰石-石膏湿法脱硫技术[11-17]；水洗废水主要包含清洗高炉布袋和清洗烧结机头产生的废水[18]；煤气冷凝水主要是高炉煤气冷凝后产生的废水[19-21]。

针对该公司多种来源的废水并结合当地实际情况，采用分而治之的思路进行工程设计。

1 水质分析

1.1 冷轧废水

冷轧废水主要水质见表1。从表1可见冷轧废水的BOD/COD约为0.32，说明该股废水较难生物降解，无法直接进行硝化/反硝化处理，需设置水解酸化工艺，提高BOD/COD的值后再进入后续的处理工艺。

表1 冷轧废水主要水质

1.2 软水站废水

软水站废水主要水质见表2。从表2可知，软水站废水的BOD/COD约为0.39，说明该股废水较易生物降解，可直接进行硝化/反硝化处理。

表2 软水站废水主要水质

1.3 除盐水站废水

除盐水站废水主要水质见表3。从表3可见，除盐水站废水的BOD/COD约为0.31，说明该股废水较难生物降解，无法直接进行硝化/反硝化处理，需设置水解酸化工艺，提高BOD/COD的值后再进入后续的处理工艺。

表3 除盐水站废水主要水质表

1.4 脱硫废水

在脱硫浆液循环使用过程中，悬浮杂质和盐分的浓度会不断升高，其pH值也会不断降低，脱硫浆液性质会发生改变，从而影响到脱硫效率，也会导致副产品石膏的质量下降，并加剧腐蚀脱硫设备。因此，为了避免以上情况的发生，应有效控制脱硫浆液中的杂质，降低杂质的浓度，需要定期从系统内排出一定量的浆液，同时补充一定量的新鲜浆液，排出的浆液主要水质见表4。

表4 脱硫废水主要水质

一般来说，脱硫废水水质呈弱酸性，悬浮物含量高，COD高，盐分含量大，同时水质稳定性差，受原料矿成分、运行工况、脱硫工艺段处理效率等因素影响较大，是钢铁企业最难处理的末端废水之一。

1.5 水洗废水

水洗废水的主要水质见表5，水洗废水水质相当不稳定，受前端烧结原料成分变化而变化。

表5 水洗废水主要水质

水洗废水具有高盐、高氨氮、高硬度的特点，此外还有高浓度的K+，其浓度约4 500 mg/L，钾资源具有较高附加值，从废水中获取氯化钾对于解决我国钾资源严重短缺、钾肥高度依赖国际市场的问题具有重要的战略意义和现实意义。

1.6 煤气冷凝水

煤气冷凝水的主要水质见表6，水质特点为pH低，含盐量高，Cl-浓度高等。

表6 煤气冷凝水主要水质

煤气冷凝水水质呈强酸性的原因是由于炉料中含有较多的氯化物和硫化物，其中氯元素和硫元素随着反应的进行进入到高炉煤气中，在高炉内还原性气氛中与氢、氨等结合形成氯化氢和硫化氢等物质，随着煤气温度的降低，酸性物质与煤气冷凝水一起析出，使煤气冷凝水呈强酸性。

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2 工艺设计

2.1 设计思路

工艺流程设计的原则是优先选择“直排系统”，其次是“零排放系统”，由于冷轧废水、软水站废水和除盐水站废水的盐分含量较低，低于生物抑制限度且B/C不低，而脱硫废水、水洗废水和煤气冷凝水的盐分以及pH对生物活性具有很强的抑制性，所以将冷轧废水、软水站废水和除盐水站废水归置到一起进行处理，将该工艺系统命名为“直排系统”；系统出水排入指定地点，将脱硫废水、水洗废水和煤气冷凝水归置到一起进行处理，将该工艺系统命名为“零排放系统”，产水回用。

该企业当地的环保政策对“直排系统”产水水质必须满足某排放指标，其主要指标如表7所示。

表7 直排系统出水水质

对“零排放系统”产水水质的要求是满足《城市废水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923-2005）表1中敞开式循环冷却水系统补充水标准，主要指标如表8所示。

表8 零排放系统出水水质

对于“零排放系统”要求分盐，产出的氯化钠和氯化钾品质分别达到GB/T 5462-2015《工业盐》日晒工业盐中二级指标和GB/T 7118-2008《工业氯化钾》二级指标，具体标准指标限值如表9、表10所示。

表9 氯化钠产品盐品质明细表

表10 氯化钾产品盐品质明细表

2.2 直排系统工艺设计

2.2.1 工艺流程

“直排系统”工艺流程如图1所示。冷轧废水、软水站废水、除盐水站废水和“零排放系统”的蒸发冷凝液反渗透浓水进入调节池1，与脱水滤液混合均匀后进入水解酸化池，进行水解酸化反应以提高B/C比；出水则进入反硝化池和硝化池，进行脱碳和脱氮反应，同时设置内回流；出水进入二沉池进行泥水分离，部分污泥回流至水解酸化池；二沉池出水进入生化产水池中，与活性炭过滤器反洗水混合均匀后进入混凝沉淀池1中进一步降低COD，混凝沉淀池1出水进入活性炭过滤器，以保障出水水质。

图1 “直排系统”工艺流程图

2.2.2 主要工艺参数

反硝化池和硝化池采用活性污泥法，污泥浓度设计为2 000～2 500 mg/L，其中反硝化池设计的停留时间为15～20 h，硝化池设计的停留时间为30～35 h，BOD负荷为0.075～0.090 kg BOD/（kg MLSS·d），硝化液回流比设计为300%～400%。

二沉池采用辐流式沉淀池，表面负荷设计为0.75～0.80 m3/（m2·h），污泥的回流比设计为50%～100%。

混凝沉淀池1设计停留时间为40～60 min，沉淀区的表面负荷设计为1.2～1.5 m3/（m2·h），投加的混凝剂浓度为50～150 mg/L，投加的絮凝剂浓度为1～5 mg/L。

活性炭过滤器采用固定床形式，活性炭采用碘值大于800，滤速设计约为8～10 m3/h，反洗强度设计为10～15 L/（m2·s），活性炭的更换周期约为6个月。

2.3 “零排放系统”工艺设计

2.3.1 工艺流程

“零排放系统”工艺流程如图2所示。由于脱硫废水和水洗废水的水质特点比较类似，均为高TDS、高硬度废水，而煤气冷凝水的pH和总硬度较低，故不宜将它们三股水混合，而是先将脱硫废水和水洗废水排入调节池2中，混合均匀后进入软化工艺段进行软化除硬，出水进入特种超滤工艺段进行泥水分离，出水进入调节池3，再将煤气冷凝水排入调节池3中，既体现了处理流程的合理性，又可以节省软化过程中pH回调时所消耗的酸量。

图2 “零排放系统”工艺流程图

调节池3出水进入NF1工艺段进行分盐，NF1清液进入NF清液池，NF1浓液进入NF2工艺段再次进行分盐，NF2浓液经过物料分离膜工艺段去除COD后排入调节池2，经过两级纳滤分盐浓缩后的浓液中的硫酸根离子浓度非常高，通过软化工艺段在极高的pH值条件下，与钙离子结合生成硫酸钙沉淀，从而既可以降低碳酸钠的投加量，又可以减少一套硫酸钠蒸发结晶系统。NF2清液则进入NF清液池，与NF1清液混合；物料分离膜浓液为高浓度COD低盐废水，直接进入蒸发结晶工艺段的杂盐干燥段进行干燥处理。

NF清液池出水进入RO1工艺段进行浓缩，RO1清液回用，RO1浓液进入RO1浓液池，RO1浓液池出水进入RO2工艺段再次进行浓缩，由于RO2清液TDS较高，无法直接回用，故设置RO3工艺段对其进行分离提纯，RO3清液回用，RO3浓液回流至RO1浓液池；RO2浓液进入混凝沉淀池2工艺段去除COD后进入氯化钠蒸发结晶工艺段，母液干燥。

蒸发冷凝液中含有一定量的氨氮，同样也无法直接回用，故设置进入RO4工艺段对其进行提标，RO4清液回用，RO4浓液进入“直排系统”处理。

2.3.2 主要工艺参数

软化工艺段采用两级软化的形式，第一级设计为传统的高密沉淀池，沉淀区的表面负荷设计为10～15 m3/（m2·h），总停留时间设计为30～60 min；第二级设计为简单的浓缩池，主要用于加药除钙和特种超滤浓液的沉淀。

各类膜设计清洗周期为12～24 h，化学清洗周期设计为30～45 d，NF1通量设计为≤15 LMH，NF2通量设计为≤15 LMH，RO1通量设计为≤14 LMH，RO2通量设计为≤12 LMH，RO3通量设计为≤15 LMH，RO4通量设计为≤20 LMH。

混凝沉淀池2设计停留时间为40～60 min，沉淀区的表面负荷设计为1.2～1.5 m3/（m2·h），投加的混凝剂浓度为200～300 mg/L，投加的絮凝剂浓度为1～5 mg/L。

3 结论

（1）某钢铁生产过程中产生的各股废水性质不同，采用分质处理的方法，需结合当地环保实际要求和企业现状，将冷轧废水、软水站废水和除盐水站废水归置到“直排系统”进行处理，出水指标满足该企业当地的环保政策，其中COD＜50 mg/L，BOD＜20 mg/L，氨氮＜5 mg/L和总氮＜15 mg/L；将脱硫废水、水洗废水和煤气冷凝水归置到“零排放系统”处理，产水满足《城市废水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923-2005）表1中敞开式循环冷却水系统补充水标准，产出的氯化钠和氯化钾品质分别满足GB/T 5462-2015《工业盐》日晒工业盐中二级指标和GB/T 7118-2008《工业氯化钾》二级指标。

（2）“零排放系统”工艺流程采用物料分离膜替代高级氧化技术去除COD，大大降低了投资成本和运行成本，同时废水中自带的硫酸根经过多级浓缩后与废水中自带的钙离子，在较高pH环境下，以较低的运行成本取得了较高的软化效果。