水泥企业废水零排放的实现途径研究

引言

随着习近平总书记“绿水青山就是金山银山”生态文明思想的持续贯彻落实，近年来大气污染治理成效显著，空气质量明显改善。要打好“蓝天、碧水、净土”保卫战，可以预见未来生态环境治理和监管的重心将由大气污染防治向水污染防治和土壤污染防治转移。当前，国内众多水泥企业环境影响评价报告中均提出废水零排放的要求，并阐述了两项主要的实现途径：一是用于增湿塔喷水降温以降低窑尾烟气温度，从而确保布袋除尘器的安全；二是经污水处理站处理后用于厂区的绿化、洒水抑尘和物料储存场所的喷淋设施。但随着生产工艺的变化和环保标准的提高，上述途径已出现如下的明显弊端。

第一，对于带有余热发电的水泥熟料生产线，增湿塔喷水仅在窑尾余热锅炉突发故障、冬季停运烘炉防冻等特殊时段投入，日常难以消化全部工业废水，并且企业污水处理站一般用于处理以有机污染物为主要成分的生活污水，如果用于处理以无机盐为主要成分的工业废水，不仅会增大污水处理站的压力，而且处理效果无法保证。

    第二，在北方地区受气候因素影响，在冰冻期绿化和道路洒水消耗的水量会大幅降低。目前主流的雾化喷淋抑尘工艺对水质要求较高，要利用废水作为水源需增设预处理过滤装置，成本大幅增加。

所以，探索的新的途径，采取新的技术措施来真正实现废水零排放是势在必行的。

一、水泥企业废水的来源分析

水泥企业的废水来源主要包括余热发电循环水系统排污水、水泥窑循环系统排污水、余热锅炉排污水以及日常办公生活产生的生活污水。

生活污水的主要污染物是有机物，在企业废水中所占比例较小，通过生物膜工艺等水处理设施处理后可回用于生产。余热锅炉排污水硬度较低，可直接排入循环水系统进行回收利用。循环水系统排污水是水泥企业废水主要的来源，占企业废水总量的90%以上，包括余热发电循环水系统和水泥窑循环水系统，二者性质相似，主要污染物为无机盐。因冷却塔的蒸发作用，循环水是一个不断浓缩的过程。系统需要通过连续的排污和补水来使循环水的硬度、碱度及浓缩倍率维持在合理范围，避免循环冷却过程中凝汽器、冷油器等设备因结垢造成传热效率降低。所以，利用工艺或技术手段尽可能地减少循环冷却水系统的排污量，是实现企业废水零排放的关键环节。生产运行中要保证循环冷却水的缓蚀阻垢性能，通常将循环水浓缩倍率作为一项重要的控制指标。浓缩倍率是该循环冷却水的含盐量与其补充水的含盐量之比（这里盐指溶解在水中以离子形态存在的无机盐，也有部分企业以氯离子的比值来计算循环水的浓缩倍率）。循环水浓缩倍率提高，可以降低系统的补水量和排污量，达到节约水资源和减轻废水排放对环境造成的污染的目的。但浓缩倍率升高，会使水的硬度、碱度和浊度等指标升高，氯离子、硫酸根离子等腐蚀性离子浓度也随之增加，导致循环水阻垢能力降低、抗腐蚀性下降。所以，循环水浓缩倍率应控制在一个合理的区间，根据补充水质指标一般控制在3~6之间。通常，我们习惯从水平衡角度来分析循环水系统，即：排污水量=补充水量-蒸发损失-风吹损失-渗漏损失。

以某5?000 t/d水泥窑配备的余热发电循环水系统为例，正常运行期间循环水泵两用一备，循环水量约2?500 t/h，循环水温升5 ℃，蒸发系数K按年平均值0.001?2（1/℃）计算，蒸发损失=2?500×0.001?2×5=15 t/h；对于有收水器的机械通风冷却塔，风吹损失约为循环水量的0.3%，约7.5 t/h；对于防渗性能和密封性较好的循环水系统，渗漏损失可忽略不计。为维持浓缩倍率稳定，循环水系统补充水量一般在45 t/h，可以得出余热发电冷却塔排污水量约22.5 t/h。余热发电循环水系统的废水和水泥线循环水池的废水产生总量超过30 t/h。

2　盐平衡原理及脱盐工艺介绍

导致设备结垢的主要物质是循环水中的钙、镁离子，目前虽可以采用离子交换的工艺来选择性地去除水中的钙、镁离子来软化水质从而避免系统结垢，但软化树脂再生过程需耗费大量的工业盐，产生的高浓度含氯废水也会给环境造成一定影响，并且不能消除水中阴离子对系统造成的腐蚀影响。所以，采用整体脱盐工艺来降低循环水中无机盐含量的效果更佳。闭式循环冷却水系统总容积是固定的，补充水的水质也相对稳定，要使浓缩倍率保持稳定，只需要维持循环水系统的含盐量在合理范围，即维持循环水系统的盐平衡。所以要实现在循环水系统零排污的前提下保持盐平衡，需采用一定的除盐工艺技术来去除循环水系统中的盐分，使进出系统的盐分保持一致。循环水系统中的溶解盐是随补水连续进入系统的，蒸发损失中的含盐量很低，可忽略不计，风吹损失水量能带走一部分盐分，由此可得出：脱盐量=补水含盐量-风吹损失含盐量

确定了循环水系统脱盐量，便可根据计算结果有针对性地选择除盐工艺和设备规格。当前主要的脱盐工艺包括离子交换法、电吸附法、反渗透法等。

离子交换法是利用废水中阴、阳离子与交换树脂上的氢离子和氢氧根离子进行交换，从而达到去除废水中盐分的一种分离方法，该方法技术成熟，对预处理环节要求较低，但操作复杂，实现自动化难度较大，再生需要使用大量酸碱，再生废水处理存在环境污染隐患。电吸附除盐技术是通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，大大降低溶液本体浓度，从而实现对水溶液的除盐。电吸附脱盐技术易于实现自动化操作，处理过程无须使用化学药剂，不产生废水，但除盐率相对较低，并且因实际应用中单位电耗和铁耗过大等因素一定程度上限制了该方法的应用。反渗透脱盐是以压力为推动力，利用反渗透膜的选择透过性，从含有各种无机物、有机物和微生物的水体中提取较纯净的水，是当前较先进、稳定、高效的除盐方式，工艺简单，易于实现自动化控制，缺点是对预处理要求较高，运行中有废水产生。

3　循环水脱盐工艺可行性研究

既然循环水系统的溶解盐是由系统补水带入的，不妨直接对补水进行脱盐处理，从源头上减少盐分的带入，并且补水的水质要优于循环水水质，可以降低脱盐设备的预处理要求。当前应用最广泛的脱盐工艺是反渗透法，循环水系统采取反渗透工艺进行脱盐处理，其工艺流程如图1。

整套水处理系统以多介质过滤器+活性炭过滤器+超滤系统为预处理，以反渗透装置为核心脱盐装置，该工艺可以保证系统用水的水质要求，处理后的水质良好且稳定，浓水可以直接用于绿化、喷淋等资源化利用，沉淀池污泥定期由压滤机处理后形成泥饼送入水泥窑进行无害化处置。该工艺采用超滤系统为预处理，预处理产水水质好，对后面反渗透设备的运行会更加有利，反渗透使用寿命更长，又能提高整套系统的回收率，提高水的利用率。水处理设备的运行会产生一定的成本，主要是水泵的电耗和更换RO膜及滤芯产生的费用。但相对运行成本，无论是从经济方面还是环保方面均能给企业创造更加可观的收益。

（1）经反渗透工艺处理后的补水中无机盐和有机杂质基本被去除，循环水系统阻垢能力和抗腐蚀能力大大提高，不仅能有效延长设备的使用寿命，凝汽器等换热设备的传热效率也能得到保障，有助于余热发电系统整体效率的提升。

（2）循环水系统的补水量和废水排放量将大大降低，产生的废水主要是反渗透运行中产生的浓水，采用一级反渗透工艺时废水产生量较循环水系统排污量可降低70%以上，如采用二级浓水反渗透，废水产生量较系统排污量可降低90%以上，产生的浓水有机污染物含量较低，可直接用于绿化、洒水。对于上例所示规模的水泥企业，采用一级反渗透工艺平均可节约用水15 t/h，年节水量可超过10万t，减少数十万元的水费支出。

（3）循环水系统基本不再需要添加阻垢剂、杀菌剂等化学药品，每年不仅能节省十余万元的化学药品费用，而且能够避免含上述化学药品的废水进入环境造成的危害。

（4）可以有效实现生活污水和工业废水的分别处理，减轻污水处理站的压力，保持生活污水处理效果。

4　结论

笔者认为，零产生是零排放的最佳途径。但目前尚无成熟的技术工艺来实现工业废水的零产生，通过采用合理的技术来尽可能减少废水的产生，并对产生的废水进行合理的回收利用，是当前和今后水泥企业要实现废水零排放的重要改进方向。