前言
钢铁工业是我国经济建设的基础工业，是一个高能耗、多排放的行业，在生产过程中需要耗用大量的工业水，钢铁工业发展用水供需矛盾十分突出，而我国又是一个水资源严重匮乏的国家，因此，要实现钢铁工业可持续发展，必须加大废水资源循环利用，越来越多的企业在生产实践中不断寻求高效可靠的废水回用技术。
随着膜技术的深入研究和广泛应用，膜法水处理技术被公认为是一种最有效的分离技术，它的中心技术是反渗透膜，它是一种用特殊材料加工制成的，具有半透性能的薄膜，能够在外加压力作用下使水溶液中的某些组分选择性透过，从而达到水体淡化、净化的目的。膜技术在工业水处理领域取得了巨大的成功，因而也被广泛应用于钢铁工业废水回用领域。
1 原水水质分析
随着钢铁工业的发展，钢铁企业的生产工序在不断延伸，钢铁工业排放的废水发生了较大的变化，废水中所含的污染物质在不断增加，水质变得更为复杂。焦化废水含有油、酚氰、氨氮、硫化物、多环芳烃、杂环芳烃、溶解性固体等有毒有害物质；高炉废水在气体净化和炉渣处理过程中产生大量固体物质、金属离子等有害物质；炼钢废水含有大量铸造产品表面的鱼鳞皮，润滑铸模的化学品、助熔粉、植物油等有害物质；热轧在轧钢每一个过程都用高压水去除表面铁鳞（氧化铁皮），废水中含有大量悬浮物、油类等有害物质；冷轧废水含有悬浮物、废乳化油液、酸洗过程中的酸性废液等有害物质。因此，钢铁工业废水同其它洁净水源相比存在以下特性：
(1）悬浮物浓度高、总溶解性固体高；
(2)CODcr、BOD5浓度高；
(3）有机物、微生物含量高；
(4）细菌群落数量多；
(5）氨氮浓度高。
钢铁工业废水为综合性废水，水源复杂多变，原水水质见表1。
2 工艺流程
钢铁工业废水脱盐系统由两大部分组成，即反渗透系统和反渗透之前的预处理系统。从格栅、高密度澄清池、V型滤池、多介质过滤器及超滤装置等工序均为反渗透系统的前处理，目的是去除水中的悬浮物、油、胶体有机物等污染物，保证反渗透系统的安全运行。工艺流程简图1所示。
3 运行中存在的难点
(1）钢铁工业废水悬浮物、胶体、油以及藻类、有机物等含量高，导致反渗透预处理系统易出现斜管沉淀效果差，高密度澄清池出水悬浮物高，造成V型滤池及多介质过滤器滤料污堵，常规反洗效果差，出水水质不合格，而且易造成过滤器滤料板结，需更换滤料，增加生产运行成本。
(2）超滤系统胶体、有机物污堵严重，易造成超滤膜元件断丝，无法保证超滤出水水质合格。
(3）反渗透系统有机物、微生物等污染严重，反渗透膜表面有黏状的茶色污染物，膜元件流道污堵严重，反渗透系统清洗频繁，清洗效果差，清洗后反渗透性能无法彻底恢复到初始状态，而且性能衰减趋势明显。
(4）在钢铁工业废水回用脱盐系统中要使用大量的化学药剂进行杀菌和防止结垢，如使用管理不当，有可能加剧反渗透膜的污堵，甚至造成反渗透膜元件的氧化，发生无可挽回的损失。
4 反渗透运行工况分析
反渗透脱盐率和跨膜压差是反映反渗透膜元件性能衰减及是否损坏的重要参数，为了更好的说明钢铁工业废水回用中反渗透性能变化情况，我们与工业新水反渗透运行工况进行了对比，具体情况如下。
4.1 反渗透脱盐率对比情况
由图2与图3对比可见，随着反渗透系统运行周期的延长，工业废水反渗透系统的脱盐率逐年降低，衰减明显，而工业新水反渗透系统的脱盐率较好，没有明显的下降趋势，说明反渗透系统脱盐率与进水水质有很大关系，高品质进水可以保证反渗透系统长周期稳定运行，延长膜元件使用寿命。因此，在工业废水脱盐系统中，控制好反渗透进水水质尤为重要，能够直接影响反渗透膜元件性能衰减趋势。
4.2 反渗透跨膜压差对比情况
由图4与图5对比可见，工业废水反渗透系统的跨膜压差相对于工业新水反渗透系统的增长速度很快，说明工业废水反渗透系统污堵快。因此，在日常生产运行过程中，要密切关注反渗透系统的跨膜压差变化情况，及时采取各种措施，如加强非氧化性杀菌，合理控制药剂投加量，及时组织反渗透系统冲洗和清洗维护，降低反渗透系统的跨膜压差，保证反渗透系统的安全运行。
5 反渗透运行管理的重点
通过对钢铁工业废水反渗透系统运行情况和工业新水反渗透运行情况对比，可以看出，反渗透装置是否能够运行稳定，除了要有合理的工艺流程设计和针对水质选择合适的膜元件外，完全取决于反渗透系统的运行管理水平。良好的运行管理，不仅可以使反渗透装置达到设计目标，而且可以提高反渗透系统运行的安全稳定性，延长膜元件的使用寿命。
5.1 有机污染物控制
在钢铁工业废水回用中，影响反渗透系统长期稳定运行的主要因素就是有机物污染。有机物污堵后，反渗透系统进水压力迅速上升，产水量急剧下降，导致反渗透系统无法正常运行，如不及时采取措施，很快就会造成系统瘫痪。为了控制有机物污染，我们采取了多种措施：
一是在污水处理厂的高密度澄清池出水端设置次氯酸钠投加点，余氯值控制在0.3 mg/L左右。
二是在多介质过滤器进水端设置次氯酸钠投加点，余氯值控制在0.5 mg/L左右。
三是对保安过滤器进行改造，实现保安过滤器在线杀菌。
通过以上措施，加强了全工序杀菌，抑制有机物、微生物的滋生，减少有机物污染。但在加强系统杀菌的同时，要做好反渗透进水余氯监测，确保无氧化性物质进入反渗透系统，防止反渗透膜元件被氧化。在日常运行管理中严格监测余氯值，每班进行2次余氯值测定，根据余氯值及时调整次氯酸钠的投加量。
5.2 淤泥密度指数（SDI）控制
在反渗透系统中，淤泥密度指数（SDI）是用来衡量反渗透进水水质的一个重要指标，它是水中胶体和微粒浓度的一种量度，与普通的浊度仪相比，它是从不同的角度反映进水水质的情况[1]。因此，反渗透系统的日常运行管理，SDI检测是一项非常重要的工作，每天要对反渗透系统进水进行检测。一般来讲，反渗透系统的进水SDI不能大于5，否则会对反渗透系统造成威胁。2020年10月份某公司脱盐水站因没有严格执行反渗透系统日常对进水SDI值的监测，导致不合格水进入反渗透系统，短短半个小时，造成反渗透膜元件大面积损伤，造成高达180余万元的直接经济损失。如图6所示，对损伤的反渗透膜片进行染色测试，膜片大面积划伤，膜元件报废。因此，在日常运行管理中，要严格控制反渗透进水SDI值，大于5时不允许进入反渗透系统，最好进水SDI值控制在3以下。那么，如何控制反渗透进水SDI值？一是在污水处理系统中调整混凝剂和助凝剂的投加量，根据现场分析研究，通过一系列烧杯试验，将混凝剂的投加量由原来的25 mg/L调整为35 mg/L，助凝剂由原来的0.6 mg/L调整为0.8 mg/L。二是通过多介质过滤器继续去除水中的悬浮物和杂质，通过不断地反洗将污染物排出系统，降低水中的浊度。三是通过超微滤设备，截留水中的胶体颗粒，从而再次降低水中的浊度。利用完善的预处理系统，严格控制反渗透进水的SDI值。通过图7可以看出，反渗透进水的SDI值均控制在3以下。
5.3 流量控制
对于反渗透系统来讲，合理的流量控制也是决定反渗透系统能否正常运行的一个重要控制参数。反渗透膜元件的透水量是有限的，进水流量过高，反渗透系统的进水压力就会升高，压力升高，膜元件容易压实，导致膜元件性能降低；进水流量过低，膜元件表面流速降低，水体中物质易沉积在膜表面，产水结垢或微生物污染，浓水流量过大，造成水资源浪费；浓水流量过低，膜元件表面流速低，冲刷力不够，易发生浓差极化现象，膜元件发生结垢或污堵。同时，不同的水源，因水体中物质成分不同，反渗透系统的流量控制也是不同的，因此，要根据水质实际情况选择合理的流量。通常对于工业新水水源，由于水中的胶体、悬浮物、无机盐、有机物含量较少，可以选择较高的流量，一般8英寸单支膜元件流量控制在20～25L/（m2.h）。而钢铁工业废水，在生产中由于受到污染，产生了大量的悬浮物、杂质，因水温影响滋生了大量的微生物等有机物，因循环使用不断浓缩，含盐量也显著增加。对于这类污染较为严重的废水，流量一定不能过高，否则会对反渗透系统造成严重的污堵，一般8英寸单支膜元件流量控制在17～20 L/（m2.h）。
5.4 化学药剂控制
在钢铁工业废水回用脱盐系统中，反渗透设备要加入各种不同化学药剂，在使用过程中要合理科学，以达到降低反渗透设备污染和结垢的目的。反渗透设备常用药剂主要包括阻垢剂、还原剂、杀菌剂、清洗剂。阻垢剂其主要作用是阻止或减缓反渗透膜表面无机垢的形成，再配合使用杀菌剂减少微生物污堵，在此情况下减少前端药剂使用量、降低清洗频率、减少清洗成本、降低能耗，为企业节约成本。合理科学使用药剂，首先要根据水源水质情况（以最差的水质为依据）选择适用的药剂，适用于宽泛PH值的阻垢剂可以大大降低设备酸碱的使用量。其次，水源离子浓度的高低决定了反渗透进水的结垢倾向，好的阻垢剂能够保证反渗透设备的正常运行而且投加量少。药剂种类确定后，要根据反渗透供应商的加药软件对投加量进行测算。在实际使用中投加量的控制要做到准确，药剂投加量不足或投加量过大都会对反渗透设备的运行造成损伤或污堵。如还原剂投加量不足，ORP（氧化还原电位[2]）值大于0，水体呈氧化性，超过300 mV就存在着反渗透膜元件被氧化的可能。而投加过量，易产生厌氧菌，也会造成反渗透系统的污堵，因此，合理科学的使用化学药剂能够保证反渗透设备安全、良好的运行状态，延长设备使用寿命从而大大降低使用成本。
5.5 反渗透压力控制
反渗透系统的进水压力、段间压力是反渗透日常运行管理中重要的监控参数之一，一般厂商要求反渗透系统的最高进水压力不超过1.5 MPa。对于新的膜元件，给水通道顺畅，阻力小，渗透性好，压力低。随着反渗透系统的运行时间的延长，污染物的不断累积，膜元件透水阻力加大，产水量降低，要保证一定的产水量，需不断提高进水压力。在反渗透系统运行初期，我们一般将进水压力控制在1.0 MPa以下，段间压差控制在0.35 MPa以下，根据运行压力及时组织反渗透系统化学清洗，恢复膜元件性能，延长反渗透膜元件的使用寿命。
5.6 停机保护
反渗透装置停机保护可分为短期停机保护和长期停机保护。
短期停机保护是指停运5～30天的系统[3]。系统停运后，利用给水或反渗透产水对系统进行冲洗，将系统中气体全部排出，充满水，关闭进出口所有阀门，每隔5天重复一次该操作。
长期停机保护是指停运30天以上的系统[3]。系统停运后，首先进行化学清洗，清洗后，利用反渗透产水配制1%的亚硫酸氢钠保护液，充满反渗透装置膜元件，关闭进出口阀门，防止膜元件氧化及污染。每隔30天重复操作一次。系统重新投入使用前，先用低压冲洗1 h，然后高压冲洗10～20 min，直至系统冲洗干净。
6 结论
反渗透系统的运行管理，重点是做好日常重点参数管控，加强日常正确的维护运行管理，减少反渗透系统的污堵，延长反渗透膜元件的使用寿命。该系统自投产以来，运行稳定，指标良好，未发生因系统污堵而影响正常供水的现象，保证了公司除盐水在正常供应。反渗透装置在钢铁行业废水资源回用的成功应用，为进一步提高水资源循环利用和节能减排工作提供了有利依据。
