钢铁企业雨水资源应用及主要问题浅析.doc

钢铁企业雨水资源应用及主要问题浅析
2009-9-7 9:40:07
金亚飚
(上海宝钢工程技术有限公司)

摘要 钢铁企业是用水大户，节约工业新水量，降低吨钢耗新水指标已经成为钢铁企业节能减排的重要任务之一。雨水作为一种重要的淡水资源，已经日益受到钢铁企业的重视。开发利用雨水资源是钢铁企业摆脱有限水资源束缚、可持续发展的重要出路之一。本文从实际情况出发，对钢铁企业雨水资源应用的前景和需要解决的问题作了初步的分析，供参考。

1.前言
      近年来，我国钢铁工业处于高速发展阶段。随着科学技术进步，钢铁企业不断采用各种先进的工艺、技术装备，并加强对用水、节水的管理，使我国钢铁工业用水量已从高速增长逐步转变为缓慢增长。但从用水量总体而言，钢铁企业的用水量仍很大，水资源短缺也已经成为我国部分地区钢铁企业生存和发展的制约因素。根据国家提出的钢铁联合企业吨钢新水指标，新建≥1000万吨/年的钢厂，其吨钢耗新水指标应控制在4.0m3/吨以下；已建≥1000万吨/年的钢厂，其吨钢耗新水指标应控制在5.0m3/吨以下；其余钢铁联合企业，其吨钢耗新水指标应控制在6.0m3/吨以下；远期目标，钢铁联合企业的吨钢耗新水指标均应控制在4.0m3/吨以下。
     随着新水用量的日益受限，钢铁企业逐步重视中水回用及雨水的回收利用。本文从实际情况出发，对钢铁企业雨水资源应用的前景和需要解决的问题作了初步的分析，供参考。

2.雨水资源的特点
2.1雨水资源在时程变化上存在周期性和随机性
     降雨与气候因素关系密切，影响降雨的气候因素有气温、气压、湿度、风等，而气候因素具有年、季、日及多年的周期变化规律，因此雨水资源具有时程变化的周期性。冬季，我国在强大的西北气流控制下，气候寒冷干燥，全国降水量少；夏季，西南季风和东南季风把大量水汽带入我国，是全国雨量最多的季节；春秋月份的降水量介于冬夏之间。
      影响降雨的各因素时空分布多变，导致降雨在不同时间的数量大小和时程变化在各周期是不同的，就单日或者小段时间内，降雨具有随机性和偶然性，因此雨水资源具有时程变化的随机性。
2.2雨水水量
      我国全年降雨量分布从东南向西北减少。江南平原及东南沿海地区是全国降水量最多地区，降水量为1000-2000mm；长江流域为1000mm以上；黄河流域为800mm左右；华北地区为500-600mm；东北大兴安岭以东地区为500-600mm；大兴安岭以西仅300-500mm[1]。从雨水总量而言，其水量较大；但其降水的周期性和随机性必须在钢铁企业实施雨水资源化的过程中加以考虑。
2.3雨水水质
     雨水是大气降水，其本身水质较好。雨水在降落过程中，空气中的溶解性气体、溶解或悬浮状固体、重金属及细菌等会进入其中。但最终地面雨水中的污染物主要来自降雨对地面或建筑物顶部的冲刷。所以，地面或建筑物顶部的沉积物是雨水中污染物的主要来源。地面或建筑物顶部沉积物的组成决定着雨水污染的性质。地面或建筑物顶部沉积物包括许多污染物质，有固态废弃物碎屑、化学药品、车辆排放物等。具有不同土地使用功能的地面沉积物来源不同。因此，雨水的水质会因地点、时间的不同而有所差异。另外，在降雨过程中，初期雨水污染物含量较高，水质较差；随着降雨历时的延续和径流的持续，雨水径流的表面被不断冲刷，雨水水质逐步改善，污染物逐渐减小、浓度稳定。

3.钢铁企业用水分析
      钢铁工业生产过程中水的作用主要有：作为设备和产品的冷却水，蒸汽锅炉和蓄热器等的原水，除尘洗涤和工艺用水（如连铸喷雾、轧钢除鳞等）以及直流冲渣、冲洗地坪用水等。
钢铁工业按用水水质来分，可分为工业新水、纯水、软化水、生活水、回用水等。钢铁企业工业新水主要用于敞开式循环水系统的补充水。纯水、软化水主要用于密闭式循环冷却水系统的补充水以及锅炉、蓄热器等的用水。回用水主要用于冲洗地坪、场地洒水、设备轴封冲洗水、煤气水封补水、冲渣等。工业新水通常是从天然水体(如河流、地下水等)取水后进行处理而成的；纯水、软化水等一般是由工业新水脱盐制取的；生活水取自市政管网或是自建生活水厂用工业新水进行处理制取。回用水是收集全厂生活污水、工业废水后进行处理而成[2]。
     从用水量分析来看，钢铁工业用水主要是工业新水用水，钢铁企业吨钢新水耗水量也主要是指工业新水用量。如果能降低工业新水用量，提高回用水用量，可直接降低钢铁行业对外界的用水需求。
为实现节水减排，钢铁企业实施将生活污水、工业废水收集后处理制成回用水用于生产，但回用水含盐量较高，无法作为循环水系统的补充水。因为如果将回用水直接补入循环水系统，只能起到补水作用但不改善水体含盐量，将使循环水被进一步浓缩。如果将回用水全部脱盐制成工业新水，不仅制水成本大幅度增加，还会产生大量的浓盐水。因此，淡水水源的缺乏已经成为困扰钢铁企业发展的严重障碍，也是使工业新水耗量进一步降低的难度越来越大。

4.钢铁企业雨水系统的特点
4.1钢铁企业雨水排水系统现状
      现新建钢铁企业均采用分流制排水体制，将雨水和生活污水、工业废水分别在两个以上各自独立的管渠系统内排出。老企业也通过技术改造，完成对原有合流制排水系统的改造。雨水最终以重力流直排天然水体或是设置雨水排水泵房加压后排放水体。
     钢铁企业雨水排水系统收集厂区内各工业主厂房(如炼钢车间、轧钢车间)屋面雨水、配套公辅站(如水处理站、空压站、锅炉房、制氧站、制氢站、机修车间)房屋面雨水以及整个区域内的地坪雨水排水、道路雨水排水等。从实际情况分析，国内钢铁企业已经基本建成了一套完整而独立的雨水排水系统。
4.2钢铁企业雨水水质特点
     钢铁企业内金属粉尘相对含量较高，因此雨水中最主要的污染物是金属粉尘产生的SS，污染物以无机物为主。

5.雨水资源在钢铁企业应用前景分析
5.1从环境保护角度雨水资源化势在必行
      钢铁企业内建筑物、构筑物、道路众多，绿地的占地面积相对较小，厂区范围内不透水面积大，降雨产生的径流量大。大量初期雨水如果直排河流，将会对河流水体构成严重污染，并导致区域生态环境的日趋恶化。因此将雨水作为一种优质的水源进行开发利用势在必行。
5.2从水质上判断雨水资源作为钢铁工业水源的可行性
     雨水是大气降水，其本身是淡水。因此，虽然在地面径流的过程中受到污染，但是总体而言作为制取工业新水的原水是非常合适的。
5.3从水量上判断雨水资源作为钢铁工业水源的可行性
     按吨钢耗新水量为5 m3/吨的指标进行计算，年产钢500万吨、占地3.2km2的钢铁联合企业年需新水量约为2500万m3，其在不同的地区(按2.2中所列区域)全年雨水总量约为96万-640万m3，雨水总量约为工业新水总需求量的3.84-25.6%，其使用的经济价值和环境效益十分可观。因此，雨水资源完全可以作为钢铁工业水源的一部分。
5.4从供水可靠性上判断雨水资源作为钢铁工业水源的可行性
     钢铁企业对工业用水水源的可靠性要求高，生产不允许断水。而雨水资源具有随季节变化的特点。我国是一个季风气候明显的国家，降水的季节分配差异较大。每年雨季降水量约占年总量的70%左右。就大范围而言，一般南方雨季为4-9月，北方为6-9月。因此，从供水可靠性而言，雨水资源应是现有供水水源的补充和备用，而不应以雨水资源作为主要的供水水源。
5.5判断雨水资源作为钢铁工业水源的具体实施的可行性
     国内钢厂目前已经基本建设了完整而独立的雨水排水系统，因此将雨水资源收集、处理并加以利用，是具备可实施条件的。

6.雨水资源在钢铁企业应用主要问题分析
6.1关于可利用的雨水量的问题
　　雨水资源在实际利用时要受到许多因素的制约，如气候条件、降雨季节的分配、雨水水质情况以及建筑物或构筑物的布局和结构等其它因素的影响。因此所谓雨水利用，主要是根据利用的目的，通过合理的规划，在技术和经济可行的条件下使降雨量尽可能多地转化为可利用雨量。
雨水主要有屋面、地面、绿地三种汇流介质。在这三种汇流介质中比较而言，地面径流雨水水质较差；绿地径流雨水基本以渗透为主，可收集雨量有限；比较而言屋面雨水即便于收集利用，水质也相对较好，其利用价值最高。
     钢铁企业内建有大量的工业厂房，主工艺车间的屋面面积小则几千平方米，大则十几万平方米。主工艺车间包括附属公辅配套站房的屋面面积一般占整个工厂占地面积的1/3以上(按建筑容积率不小于0.3考虑)。地面径流雨水包括道路雨水和场地地坪雨水。随着钢铁企业内生产管理的日益加强和环境的不断改善，其道路和场地地坪的污染也大为减少。因此，对于钢铁企业的可利用雨水量应包括屋面雨水和地面径流雨水。但在地面径流雨水的收集方面，也需要根据实际情况区别对待。例如对于钢铁企业内的石灰窑区域的场地雨水应直接排入全厂生产废水处理系统。
6.2关于初期雨水的处理问题
初期雨水是从水质和环境角度来讲的。如果将初期雨水弃流排放入天然水体会严重破坏水体生态环境。如果将初期雨水排入全厂生活污水管网或生产废水管网，会给生活污水处理设施或生产废水处理设施带来较大的冲击负荷。
对钢铁企业的初期雨水加以分析，初期雨水中污染物的含量虽然可能较高，但是多为固体颗粒和无机杂质(如氧化铁粉尘颗粒等)，经过简单沉淀处理后水质是可以达到较好的标准的。因此，可以考虑将初期雨水引至工业新水处理设施加以处理利用，即初期雨水应加以回收利用。
6.3关于雨水处理设施的问题
     由于雨水资源在时程变化上存在周期性和随机性，因此单独建设雨水处理设施对于钢铁企业而言是不合适的。雨水的处理应和厂区工业新水处理统一考虑。
     目前国内大型钢铁企业一般以天然水体(江河湖水)为工业水源。工业新水处理通常采用畜凝、沉淀、过滤的处理工艺。表1是某大型钢铁联合企业工业新水处理设施原水水质和处理后工业新水水质表。钢铁企业雨水水质(包括初期雨水水质)以悬浮物为例，一般仅为几十mg/L，因此按照表1的数据进行分析，雨水符合原水进水的要求。因此采用工业新水处理设施处理雨水是合理的。
表1 水质表
水质项目
单       位
原水
工业新水
pH

7.9~8.7
7~8
悬浮物
mg/l
200
≤10
全硬度
mg/l（以CaCO3计）
180
180
Ca硬度
mg/l（以CaCO3计）
120
100
M－碱度
mg/l（以CaCO3计）
150
110
氯离子
mg/l（以Cl－计）
200
220
硫酸离子
mg/l（以SO42－计）
60
80
全铁
mg/l (以Fe计)
5
≤1
可溶性SiO2
mg/l (SiO2计)
12
6
电导率
цS/cm
700
800
TOC
µg/l

蒸发残渣（溶解）
mg/l
600
<600
6.4雨水、工业新水、原水之间的关系
     当雨水资源作为工业新水处理设施取水的原水后，并不意味着钢铁企业工业新水处理设施无须再从天然水体中取水，雨水资源只是作为总取水量的一部分。当雨季来临时，大量雨水进入工业新水处理系统，工业新水处理设施可以适当减少从天然水体的取水量。当雨季结束时，工业新水处理设施仍应按照生产要求从天然水体中取水。雨水、工业新水、原水三者之间存在着平衡的关系。
6.5雨水与厂区回用水的关系
     在钢铁企业，通常把全厂的生产废水、生活污水处理后做回用水使用。由于回用水含盐量较高，因此其用途远比工业新水的范围小，用量也远比工业新水的用量小，另外回用水用水量波动性大。
从技术上讲，将雨水处理用作厂区的回用水是可行的。但是降雨量的季节波动性和随机性很大。如将雨水与回用水系统联合运行，会加剧回用水系统的波动。在这种情况下，要使系统正常运行，必须增大调蓄设施。而当雨季结束后，将会使雨水和回用水的系统无法满负荷运行。因此不宜将雨水和回用水系统结合。
6.6关于雨水排水系统管理的问题
      当雨水成为钢铁企业的有效水源后，应加强对全厂雨水排水系统的监督和管理。在很多企业，雨排水系统同时也会成为一个杂排水系统。要实现雨水的资源化，应当杜绝将一切不符合排入雨水系统的排水排入雨水管网。具体措施如下：
（1）凡不允许直接排放的污水系统，系统内的各种水池（槽）和给排水设备均不得设置通向雨水排水系统的溢流管和放空管；
（2）受粉尘、油污、酸碱等污染的地坪，其冲洗水未经处理，不应直接排入雨水排水系统；
（3）对于定（年）修时，有较多污水排出的设备或设施，应设置污水收集坑（槽），其污水通过管道或槽车送往有能力进行处理的单元进行处理，而不应将该部分污水排入雨水排水系统；
（4）专用的汽车停车场的汽车冲洗水系统排污水应送入全厂性含油排水系统集中处理，如确有困难，无法送入时，须经处理达标后排放，不能排入雨水排水系统。

7.小结
我国人均占有水资源约为世界人均占有量的1/4，总量少，而且存在严重的时空分布不均。开发利用雨水资源是钢铁企业摆脱有限水资源束缚、可持续发展的出路。

参考文献
[1]郭雪宝.水文学[M].上海：同济大学出版社，1989.
[2]金亚飚.钢铁工业污水回用方式和提高回用率的探讨[J].工业水处理，2009，1：80-83.
金亚飚，男，学士，高级工程师/注册公用设备工程师，从事钢铁企业给排水设计和冶金环境保护研究工作，兼任《环境科学与技术》杂志特约编委、《科技创新导报》杂志特约编委，jinyabiao@