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   隨著“十四五規(guī)劃”和“3060雙碳目標”的不斷推進，我國經(jīng)濟進入了從“量”往“質(zhì)”發(fā)展的新階段。作為國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎產(chǎn)業(yè)，鋼鐵行業(yè)面臨由“鋼鐵大國”向“鋼鐵強國”的技術轉(zhuǎn)型。隨著我國生態(tài)環(huán)境承載力接近飽和，行業(yè)節(jié)能減排和技術升級對于整個鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型具有引領作用。新時期的環(huán)境要求下，鋼鐵冶煉三廢治理逐步朝著“煙氣粉塵超低排放、固廢不出廠、廢水零排放”的目標轉(zhuǎn)變。根據(jù)鋼鐵工業(yè)的物質(zhì)流分析，F(xiàn)e、S、N、C等元素均實現(xiàn)了資源化或無害化，但氯元素一直未得到有效消納和關注。

   傳統(tǒng)方法中氯元素通常隨沖渣工藝進入渣中或者直接返回生產(chǎn)工序，沒有得到妥善處置。但大量的氯元素富集，不僅會導致生產(chǎn)設備腐蝕，還會增加廢水處理的難度。此外，大量的氯元素可能會轉(zhuǎn)化為氯化氫，而氯化氫不僅會占據(jù)煙氣凈化催化劑的有效位點，還會和噴入的氨水形成氯化銨，進而氯化銨逃逸在煙氣中形成有色煙羽，直接威脅生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和超低排放效果。因此，在新的環(huán)保要求下，氯元素處置的問題開始凸顯。

   通過對氯元素的物質(zhì)流分析，氯最終將進入廢水中，轉(zhuǎn)變?yōu)楦啕}廢水問題。本文圍繞鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展的需求，通過梳理鋼鐵工業(yè)高鹽廢水的來源，并對比目前常用的幾類高鹽廢水“零排放”處理技術，以期可為鋼鐵工業(yè)的綠色化發(fā)展提供基礎支撐。

1、典型高鹽廢水來源及危害

1.1 高鹽廢水來源及特征

1.1.1 濕法脫硫廢水

   濕法脫硫廢水來源于采用石灰石漿液進行煙氣脫硫時，為防止系統(tǒng)中氯離子富集，而定期排放的廢水。對于聯(lián)合鋼廠，氯主要來源于燒結(jié)煙氣的濕法脫硫。該廢水呈弱酸性，pH值一般為4～6，噸鐵排放量為10～15L。

   由于鋼鐵系統(tǒng)建成的燒結(jié)濕法煙氣脫硫裝置大多是借鑒燃煤電廠濕法脫硫工藝。因此，其水質(zhì)與燃煤電廠濕法脫硫廢水類似，均為高鹽廢水，氯離子質(zhì)量濃度一般達到20g/L，硫酸根離子質(zhì)量濃度一般大于3g/L，且含有較高質(zhì)量濃度的鈣、鎂，硬度可達8g/L(以CaCO3計)以上。此外，由于燒結(jié)煙氣中含有部分粉塵，它會在濕法脫硫過程被脫除，進而發(fā)生溶解而帶入大量的氨氮和重金屬鉈，其氨氮質(zhì)量濃度在1000mg/L左右，鉈質(zhì)量濃度在10mg/L以上。最終，其演變?yōu)楹咧亟饘?鉈)、高鹽、高氨氮、高硬度及含一定質(zhì)量濃度COD的復雜難處理廢水，其水質(zhì)如表1所示。

1.1.2 活性炭法酸性洗滌廢水

   活性炭吸附了煙氣污染物后，可通過高溫進行解吸再生，再生后的活性炭返回吸附塔循環(huán)使用。在高溫解吸過程中會產(chǎn)生含高體積分數(shù)的二氧化硫(7%～15%)，其為酸性高溫富硫氣體。為保證硫資源回收系統(tǒng)的穩(wěn)定性，工序需采取洗滌法對富硫氣體進行洗滌除雜，由此產(chǎn)生了酸性洗滌廢水。其廢水呈強酸性，pH值一般為1～2，噸鐵排放量為2～5L。

   由于富硫氣體來源于活性炭加熱解析，因此其成分主要為低沸點或高揮發(fā)性的物質(zhì)，這使得酸性洗滌廢水的成分相對濕法脫硫廢水來說，會更加單一，基本不含金屬離子。如鐵離子質(zhì)量濃度低于200mg/L，鉛離子質(zhì)量濃度低于5mg/L;但還有一部分硬度，鈣鎂離子質(zhì)量濃度平均為100mg/L左右。此外，該廢水鹽度較高，氯離子質(zhì)量濃度一般達到50g/L，硫酸根離子質(zhì)量濃度一般大于3g/L，氟離子質(zhì)量濃度一般大于500mg/L。其水質(zhì)如表2所示。

1.1.3 全廠綜合廢水回用濃鹽水

   鋼鐵企業(yè)綜合污水處理與回用是實現(xiàn)有效節(jié)水的重要指施。為保障回用水質(zhì)量，一般采用高壓反滲透進行廢水脫鹽處理，經(jīng)過脫鹽處理后，大部分可進行返鋼鐵冶煉工藝使用，但同時會產(chǎn)生一部分濃鹽水。濃鹽水污染物質(zhì)量濃度高、含鹽量高，直接排放不能達到排放標準，常規(guī)的生化處理難度大。濃鹽水一般呈弱堿性，pH值為7～8，噸鐵排放量15～25L。

   由于濃鹽水來源較為單一，其污染物相對來說較簡單，其中陽離子以鈉離子為主，存在一定的硬度，其他雜質(zhì)較少。陰離子主要由氯離子和硫酸根組成，為高氯、低硫酸根廢水，其氯離子質(zhì)量濃度約為50g/L。其水質(zhì)如表3所示。

1.1.4 高鹽固廢洗灰水

   隨著《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》的實施，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的固廢處置面臨巨大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵生產(chǎn)時將產(chǎn)生占鋼量約10%的含鐵粉塵，全國年產(chǎn)出量達8000萬噸。除部分被鋼鐵系統(tǒng)自循環(huán)回收外，仍有約50%的諸如燒結(jié)機頭灰、提鐵減鋅表冷灰等因重金屬和堿金屬含量高而需單獨處理。

   燒結(jié)機頭灰來源于燒結(jié)過程中，燒結(jié)機機頭排出的粉塵，粉塵一般通過多級電除塵器去除和收集。其中電除塵器后前端收集的機頭灰氯質(zhì)量分數(shù)不高，可直接返回燒結(jié)配料。后端收集得到的灰，雖然其中含有15%左右的鐵，具有回收的價值，但氯質(zhì)量分數(shù)較高，一般為20%～30%，主要以KCl形式存在。據(jù)統(tǒng)計，后端的燒結(jié)機頭灰噸鐵產(chǎn)生量為2～5kg。提鐵減鋅表冷灰主要來源于采用回轉(zhuǎn)窯或轉(zhuǎn)底爐對高爐布袋灰進行鋅富集過程中產(chǎn)生的粉塵，粉塵通過表冷器降溫后實現(xiàn)收集。其含有21%左右的氧化鋅，具有回收的價值，但同時含有10%～20%的氯，主要以NaCl形式存在。據(jù)統(tǒng)計，提鐵減鋅表冷灰的噸鐵產(chǎn)生量為3～8kg。除了鋼鐵廠內(nèi)部產(chǎn)生的高鹽固廢外，隨著冶金爐窯功能價值的提升，鋼鐵冶煉也承擔著消納社會廢棄物的責任，從而會帶入大量的含氯固廢。如，燒結(jié)機協(xié)同處理垃圾焚燒飛灰時，灰中含有10%～20%的氯，其主要以NaCl形式存在。

   固廢中氯質(zhì)量分數(shù)較高，直接返回燒結(jié)等火法處理，會造成設備腐蝕。因此，需要通過水洗脫氯的方式進行固廢的預處理。水洗工序一般為三級逆流工藝，可實現(xiàn)含氯固廢中氯離子低于2%，但由此該過程會產(chǎn)生大量高質(zhì)量濃度的含鹽廢水，其pH值為5～9;且污染物較為復雜，含有較高濃度鉀鈉離子，以及含有高濃度的鈣鎂及重金屬。陰離子主要由氯離子和硫酸根組成，為高氯、低硫酸根廢水，其氯離子質(zhì)量濃度一般大約為100～160g/L。其水質(zhì)如表4所示。

1.2 高鹽廢水的危害

   高鹽鹽水具有污染物質(zhì)量濃度高、含鹽種類多且量大、硬度高的水質(zhì)特點，常規(guī)的生化處理難度較大。一般通過物化法進行深度處理，如高級氧化、膜濃縮。處理后的廢水主要含有鈉和氯離子，一般處置方式為將該股廢水摻入燒結(jié)進行配料消納，但這種方法長期使用會造成氯離子在系統(tǒng)累積，造成設備腐蝕、結(jié)瘤等工藝危害。如果將該高鹽廢水處理達標后直排放，會造成土壤板結(jié)、水分流失。直接排入海水中會導致局部溶解氧降低，對生物造成危害。

   為加強高鹽廢水管控，廢水“零排放”及資源化要求日趨嚴格。2021年1月12日，十部委聯(lián)合發(fā)布《關于推進污水資源化利用的指導意見》，提出積極推動工業(yè)廢水資源化利用。推進企業(yè)內(nèi)部工業(yè)用水循環(huán)利用，提高重復利用率。

2、高鹽廢水零排放處置方法及比較

2.1 高鹽廢水零排放處置方法

2.1.1 沖渣法

   高爐渣、鋼渣需要在一定壓力、水量的水流沖擊下，將1500℃左右的液態(tài)熔渣淬化成顆粒狀，而在此過程中水會被蒸發(fā)，廢水中剩余的鹽進入渣中。沖渣法顧名思義就是將高鹽廢水排入渣池，然后利用渣的熱量實現(xiàn)高鹽廢水的處理。由于沖渣對水質(zhì)要求較低，因此，高鹽廢水通過簡單處理后即可用作沖渣水。由于該方法成本低，高鹽廢水沖渣也是目前鋼廠最為常用的方法之一。

   由于冷卻后的高爐渣、鋼渣主要用于建筑原料，當其中氯離子過高后，會對其使用造成潛在威脅。為規(guī)范高爐渣、鋼渣的利用方法，2019年住建部頒布了《鋼鐵渣處理與綜合利用技術標準》(GB/T51387—2019)，其明確指出:渣中氯質(zhì)量分數(shù)應小于0.06%。因此，在新的標準規(guī)范要求下，采用沖渣法處理高鹽廢水存在著一定的局限性。使用過程中需要核算和檢測采用高鹽廢水沖渣后，渣中氯質(zhì)量分數(shù)的變化，以確保其滿足要求。

2.1.2 煙道余熱蒸發(fā)法

   考慮到煙氣具有一定余熱，可將廢水霧化后噴入具有一定溫度的煙道中，利用煙氣的余熱將廢水蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶鹽，然后通過除塵器捕集，實現(xiàn)高鹽廢水的處理。目前，利用煙氣余熱蒸發(fā)廢水的技術主要在燃煤電廠應用，涉及的干燥模式主要有主煙道煙氣蒸發(fā)和旁路煙氣蒸發(fā)兩種。

   由于高鹽廢水蒸發(fā)需要一定的煙氣溫度，同時還會產(chǎn)生一定量的結(jié)晶鹽。根據(jù)鋼鐵工業(yè)煙氣特征分析，具備煙道余熱蒸發(fā)廢水的煙氣主要有燒結(jié)大煙道、燒結(jié)環(huán)冷機煙氣、焦化大煙道尾氣。經(jīng)計算，取10%環(huán)冷機煙氣量即可實現(xiàn)4m3/h高鹽水的蒸發(fā)，其煙氣溫度平均會降低150℃。

   該方法主體設備為霧化噴嘴、除塵器及壓縮空氣機，具有流程短、運行費用低、廢水零排放的優(yōu)點。但由于高鹽廢水往往較為復雜，得到的結(jié)晶鹽通常為雜鹽，需要進一步的外運處置。

2.1.3 蒸發(fā)結(jié)晶分鹽法

   蒸發(fā)結(jié)晶分鹽法主要利用高鹽廢水中各類鹽溶解度隨溫度變化不同的特征，從而實現(xiàn)結(jié)晶鹽的分離，其在化工行業(yè)應用比較成熟。針對Na2SO4、NaCl為主的廢水，由于硫酸鈉的溶解度隨溫度變化較為明顯，可采用熱法鹽硝聯(lián)產(chǎn)工藝和冷凍脫硝聯(lián)產(chǎn)工藝進行分離，如濕法脫硫廢水、活性炭法制酸廢水、濃鹽水。針對KCl、NaCl為主的廢水，如燒結(jié)機頭灰洗灰水、垃圾焚燒飛灰洗灰水，可基于氯化鉀的溶解度隨溫度變化具有明顯變化的特點進行分離，常采用50/100℃的變溫蒸發(fā)，根據(jù)其鉀鈉比的變化，可選擇順流蒸發(fā)和逆流蒸發(fā)兩種。

   蒸發(fā)結(jié)晶分鹽法雖然能回收高純的氯鹽，實現(xiàn)氯元素的資源化。但應用于鋼鐵工業(yè)高鹽廢水處理還存在運行費用高和運行故障率高的問題。鋼鐵各工序生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水通常匯總于總排水口，進行統(tǒng)一處理。這會導致廢水量大，從而稀釋水中鹽分的質(zhì)量濃度，這使得處理過程中需要多次濃縮，從而增加廢水的運行成本。此外，鋼鐵流程較長，各工序運行狀況不一致，廢水匯總到一起后，存在水質(zhì)波動較大的問題，易造成結(jié)晶運行不穩(wěn)定、產(chǎn)物純度不高等難題。

   為解決上述難題，不少學者提出“鋼鐵廠廢水分級、分質(zhì)循環(huán)協(xié)同利用”和“多組分高鹽廢水協(xié)同蒸發(fā)”的技術路線，通過富集廢水鹽濃度和多套蒸發(fā)器共用，提高能源效率，降低運行成本，如采用濕法脫硫廢水進行燒結(jié)灰的水洗。

2.2 高鹽廢水零排放技術對比

   各高鹽廢水零排放方法對比如表5所示。由表5可知，沖渣法具有運行費用低、投資低的優(yōu)勢，但存在可能導致渣中氯超標的風險;而煙道余熱蒸發(fā)法具有操作簡單的優(yōu)勢，在電廠應用較廣，缺點是為會產(chǎn)生大量的含鹽固廢，以及對于噴霧流場的控制要求較為嚴格;對于蒸發(fā)結(jié)晶法，其具有能實現(xiàn)氯元素資源化的優(yōu)勢，但存在成本高、操作復雜的不足。綜上，在高鹽廢水不回用工序和外排的前提下，蒸發(fā)結(jié)晶分鹽法具有回收氯資源的顯著優(yōu)勢，不會造成二次污染，但在實際應用過程中，應重點關注降本增效與結(jié)晶堵塞的問題。

3、結(jié)語

   (1)隨著環(huán)保標準的日趨嚴格，鋼鐵工業(yè)的高鹽廢水處理問題逐步凸顯，氯離子的資源化對于發(fā)展綠色鋼鐵具有重要意義。

   (2)鋼鐵工業(yè)主要的高鹽廢水來源有燒結(jié)濕法脫硫廢水、活性炭法酸性洗滌廢水、全廠綜合廢水回用濃鹽水、高鹽固廢洗灰水，其中前兩類廢水來源于工序環(huán)保設施產(chǎn)生的副產(chǎn)物，第三類廢水來源于生產(chǎn)提質(zhì)，第四類廢水來源于固廢的預處理。

   (3)高鹽廢水不能回用工序和外排，常用的高鹽廢水零排放技術包括沖渣法、煙道余熱蒸發(fā)法、蒸發(fā)結(jié)晶分鹽法。相比于其他兩類方法，蒸發(fā)結(jié)晶分鹽法具有能實現(xiàn)高鹽廢水中氯元素資源化的優(yōu)勢，不會造成二次污染。但需要進一步降低運行成本及攻克蒸發(fā)過程的堵塞情況。