北方典型钢铁企业非常规水源综合利用与思考

王小军 ，程继军 ，王利平 ，邢金良 ，李进国 ，贺占超 ，武建国

（1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，210029，南京；2.水利部应对气候变化研究中心，210029，南京；3.冶金工业规划研究院，100711，北京；4.太原钢铁（集团）公司，030003，太原）

我国水资源总量为28 412亿m3，其中北方地区为5 267亿m3，占全国的19%，而南方地区为23 145亿m3，占全国的81%。北方地区国土面积、人口、耕地面积和GDP分别占全国的64%、46%、60%和45%，区域经济发展的不平衡直接导致北方地区水资源开发利用过度问题严重，其中海河、石羊河等流域水资源开发利用率均超100%。

钢铁行业是我国国民经济发展的基础性产业，经过20多年的高速发展，已逐步成为国际上最具竞争力的工业行业，有力支撑了我国经济社会发展需求。我国钢铁工业不仅粗钢产量稳居世界首位，而且工艺技术装备水平、钢材加工产品亦居于国际先进水平。但钢铁工业是典型的高耗水行业，在其快速发展的同时也带来相应的资源和环境压力。目前，在我国北方分布有鞍钢、首钢、太钢、包钢、本钢、邯钢、唐钢、莱钢、安钢、酒钢等一系列大型钢铁企业。全国近60%的钢铁产能集中在缺水的北方地区和生态脆弱的西北内陆，其中缺水最严重的京津冀地区产能超过30%，水资源支撑能力十分薄弱。

在资源约束趋紧、生态环境问题日益突出的背景下，要解决北方地区高耗水企业日益严峻的水资源问题，必须在节水优先的原则下，通过用水系统工艺优化与提升，充分利用非常规水源，提高水资源利用效率。为此，本文选择我国北方地区典型钢铁企业山西太钢不锈钢股份有限公司进行非常规水源利用分析，并通过对企业利用城市处理后的污水以及生产废水等情况进行总结，分析企业在非常规水源利用方面的经验与存在的问题，并提出相关工作建议，为推动钢铁企业水资源高效利用提供参考。

一、企业基本情况

山西太钢不锈钢股份有限公司（简称太钢）位于太原市，始建于1934年8月，前身是西北炼钢厂，1996年1月改制为国有独资公司，1998年独家发起设立太钢不锈钢股份有限公司并在深交所上市，2006年实现钢铁主业整体上市，现已发展成为全球单体工厂规模最大、工艺装备水平最高、品种规格最全的不锈钢企业，形成年产1 200万t钢 （其中430万t不锈钢）的生产能力。太钢拥有完整的钢铁生产工艺流程及相关配套设施，涵盖了焦化、烧结球团、炼铁、炼钢、轧钢、热电等工艺流程。主要产品有不锈钢、冷轧硅钢、碳钢热轧卷板、火车轮轴钢、军工钢等，多种产品市场占有率处于国内领先地位。太钢2006—2017年粗钢产量见图1。

二、所在区域水资源条件及企业用水情况

太原市分属黄河、海河流域，其中黄河流域面积6 253 km2，属汾河水系，海河流域面积735 km2，属牙河水系。全市属北温带大陆性气候，昼夜温差较大，无霜期较长，日照充足，气候年际变化大。经过多年的快速发展，太原成为山西省政治、经济、文化、科教、交通中心，逐步形成了煤炭、冶金、机械、化工、电力等五大支柱行业。

太原市多年平均天然年径流量2.199亿m3，平均径流深31.5 mm，全市多年平均年地下水资源量为5.436亿m3。多年来，受特殊地形和水文地质条件的影响，太原市水资源条件局部差异较大，地区分布和季节分配不均，年际变化大。据统计，太原市水资源高度开发利用，地下水在1985—2005年间累计超采18.4亿m3，其中城区累计超采量约为14亿m3，由此引发石寒泉、晋祠泉等岩溶泉水断流和含水层疏干、地面沉降等水生态环境地质问题。

图1 太钢2006—2017年粗钢产量

表1 各工序用水系统水量指标

太钢属于高耗水企业，主要用水环节遍布钢铁生产全流程，涵盖了焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢、冷轧等生产工序，以及生产辅助设施等，主要有风机、除尘设备、高炉炉体及其辅助设备、炼钢炉体、氧枪、连铸机及结晶器、加热炉及其辅助设备、轧机等用水设备。生产用水主要包括设备间接冷却用水、设备直接冷却用水、煤气洗涤用水、高炉冲渣用水等，各工序用水系统水量指标见表1。

通过不断改进工艺提升用水水平，目前吨钢取水量、水重复利用率分别为3.01 m3/t、98.5%，钢铁行业平均吨钢取水量、水重复利用率分别为3.17 m3/t、97.71%，2015—2017 年太钢水效指标见表2。2016年，太钢吨钢取水量、直接冷却水循环率、废水回用率、水重复利用率、用水综合漏失率分别为 2.35 m3/t、98.15%、82.03%、98.5%、4.83%，均优于《节水型企业钢铁行业》（GB/T 26924—2011） 中吨钢取水量≤4.2 m3/t、直接冷却水循环率≥95%、废水回用率≥75%、水重复利用率≥97%、用水综合漏失率≤8%的规定。

三、太钢水资源综合利用情况

受水资源条件制约，太钢目前主要取水水源包括自来水、汾河水、城市中水和处理回用的城市污水。太钢现已基本不用汾河水源，主要通过购买北郊生活污水处理厂的中水作为生产用新水，另外依靠其地理位置优势，引入城市污水再生利用，使污水全面实现资源化利用，见图2。

表2 太钢2015—2017年水效指标

图2 太钢2006—2017年取水及污水处理利用情况

1.城市污水处理利用

自2007年，太钢回收处理尖草坪地区及流经北涧河、北沙河的生活污水。城市生活污水处理回用工程采用MSBR法进行处理，设计处理能力5万m3/d。处理后的中水作为膜处理的源水，产生除盐水用以生产，进而替代新水源，日可回用除盐水量3.25万m3，部分用于厂区绿化、道路洒水，部分直接勾兑到工业新水管网内，实现生活污水最大程度利用。

2.厂区污水处理回用

自20世纪90年代，太钢先后建成3个污水处理系统，共计处理污水13亿多t，并回用于生产系统，减少了太钢新水的消耗，同时减少了企业外排水量。2013年年底，太钢新建了一套工业废水膜处理系统，日处理工业废水约4.88万m3，产生除盐水3.36万m3。2015年，进一步实施了工业废水扩容提效改造工程，日处理工业废水18万m3。全面实施超滤和反渗透深度处理，处理后的污水全部补充到太钢生产循环水系统中，提高了工业废水处理及回用效率。

3.实施分质用水，梯级利用

通过分类处理，推行分质用水、串接使用等一系列节水技术，将非常规水源利用于主要工序，如净循环水系统的排污水补充给污循环水系统，污循环水系统的排污水补充给煤气洗涤循环水系统，煤气洗涤系统水系统的排污水补充给水渣循环水系统等。

2005年，太钢改造分质供水、分质排水、分质处理的管网工程，以满足各用户对水质的不同要求，形成了优水优用、劣水劣用、污水回用的模式。改造后用水种类主要有：生活水、工业新水、工业循环水、软化水、除盐水、浓盐水等。2006年，太钢采用表面蒸发冷却器技术，实施工艺设备间接冷却水闭路循环系统整改，大大降低了生产循环水损耗，年可节约新水300多万t。在轧区冷水站工程中，将水温要求低的冷轧用水系统采用低温闭路循环系统，满足了不锈钢新系统的用水要求。同时，将初轧和不锈热轧的主电机冷却及油库冷却用水，由新水直接冷却系统改造为冷冻水密闭循环冷却系统，使3 500 m3/h的直接冷却水得到循环利用。

4.强化节水管理，有效配置水资源

太钢结合生产情况，制定《太钢生产单位精细化节水管理制度》《供水系统超量补水考核管理规定》《降低吨钢耗新水指标实施措施》《污水处理回用管理考核细则》《反渗膜膜系统运行维护规程》等管理办法，规范水资源利用。在水资源管理过程中，以量化指标、细化措施、强化责任、硬化奖惩为基础，根据主要生产工艺的用水特征，对用水效率指标进行控制。由此实现水资源从提取、收集、转供、加压、分配、循环利用到资源治理全过程集中管理，并重点保证各水系统实现合理的分质供水、分质用水，强化节奖超罚力度，实现水资源整体效能的提升。

通过以上措施，太钢以钢铁生产安全优质水源保供为基础，以废水利用为主要手段，辅以必要的工艺节水，在全工序推广应用分质供水、串级用水、闭路循环、蒸发空冷、反渗透膜处理等先进节水工艺技术，利用企业污水处理工艺对市政中水进行再生回用，充分利用非常规水源，同时以增强节水意识、建立节水体系、优化水源匹配为手段，最大程度减少取水量。目前，太钢在生产过程中优先采用节水生产工艺，全面实施“三干”技术，即焦炉配套干熄焦、高炉煤气干法除尘、转炉煤气干法除尘，从主体装备工艺方面取消新水使用，并先后建成轧钢废水处理系统、冶炼废水处理系统、膜法水处理系统、生活污水处理系统、中水深度处理系统、轧钢废水分质处理系统等工程，用水效率显著提高，优于国内其他同类型企业，见图 3、表 3。用，有力提升了水资源利用效率。结合城市污水治理，太钢直接收集周边区域生活污水，采用生物和物理技术处理，达到中水利用的水质标准，或直接消纳利用周边城市污水处理厂处理后的中水，对中水进一步深度处理。中水水源的硬度、氯离子、总含盐

图3 用水强度控制趋势

表3 2016年国内外同类企业水效对标

四、结 语

（1）太钢是高耗水企业，所在区域水资源短缺，供需矛盾尖锐。要解决企业面临的水资源短缺问题，必须在节水优先的原则下，强化水资源综合利用，并充分利用非常规水源，全面做好用水节水工作。

（2）通过城市污水治理与中水利用，太钢实现了非常规水源的高效利量等结垢、腐蚀性水质指标优于钢铁企业外排水的相关水质指标。另外，太钢通过全面回收生活污水、生产废水，利用综合污水处理厂对厂区综合污水进行高效澄清、过滤预处理以及深度脱盐处理等全面治理，实现综合污水的再生回用，实现用水效率的大幅度提升，成为国内外同类企业中的水效领跑企业。

（3）太钢通过城市污水再生利用、中水利用和工业废水再生利用等非常规水源综合利用，为北方内陆型钢铁企业水资源高效利用提供了参考。目前，我国北方钢铁企业多数位于缺水地区，应结合实际情况，制定切实可行的非常规水源利用方案，对生产废水、生活污水、雨水利用、海水淡化等不同水源综合利用，在用水工艺方面进一步创新突破，实现优水优用。

（4）有效防控城市污水等非常规水源利用风险。太钢在利用城市污水的过程中，受到外部因素影响，使非常规水源利用风险增加。2017年，由于太原市市政河道改造，一部分生活污水被预先截流，太钢城市污水再生利用系统难以收集到足够的生活污水，不能满负荷运行，造成产水量下降。因此，钢铁企业在利用城市污水或中水过程中，应重点对城市污水或中水来源可靠性进行论证。同时，应在水资源统一配置过程中，做好非常规水源与常规水源协同配置，并在实施过程中，综合做好预案编制、风险防控等工作，确保水源得到有效保障。 ■