雨污联合排水系统在钢铁企业的应用研究
1.前言
近年来，我国钢铁企业通过技术改造，基本实现了厂区内雨污分流的排水体制，将工业污水和雨水分别在两个各自独立的管渠系统内排除。采用分流制排水的主要原因是：①减少污水排放量，满足环境保护的需要；②可以对工业污水单独收集、集中处理并回用，减少工业新水用量。
随着新水用量的日益受限，钢铁企业逐步重视雨水的回收利用，实施雨水利用可在提高水资源综合利用的同时，降低用水成本，如何收集雨水成为首要的问题。
本文从工程实际角度出发，对雨污联合排水系统在钢铁企业的应用作了初步的分析，供参考。
2.建立雨污联合排水系统的设想
所谓雨污联合排水系统，是指采用雨污合流的排水体制，将雨水、工业污水合用一个管渠系统内排除。其前提是，在排水系统的末端设有雨水和污水处理设施，对雨污水进行集中处理。采用雨污联合排水系统可在厂区内减少一套排水管网，节约建设、管理、运营成本。
3.建立雨污联合排水系统的可行性分析
3.1雨水排水的特点
3.1.1水量特点
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，因此雨水排水具有时程变化的周期性。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，因此雨水排水具有时程变化的随机性[1]。
由于雨水排水具有时程变化的周期性和随机性，因此雨水排水具有常年水量稳定、瞬时水量变化大的特点。
3.1.2水质特点
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。以宝钢为例，其宝山厂区雨水排除掉初期径流后，雨水的pH约为7~9，电导率不超过300μS/cm。从总体上来说，雨水对于钢铁企业而言属于优质淡水[2]。
3.2工业污水排水的特点
3.2.1水量特点
钢铁企业工业污水按其来源来分，可以分为循环冷却水系统排污水，脱盐水、软化水及纯水制取设施产生的浓盐水、钢铁厂各工序在生产运行过程中产生的废水等。与雨水排水相比，其排水量相对稳定，排水量随时程变化的范围比较小，工业污水量变化系数也相对较小，一般日变化系数(一年中最大日污水量与平均日污水量的比值)不超过3。
3.2.2水质特点
对于钢铁企业来说，循环用水量占总用水量的比例往往在95%以上，其它如焦化、冷轧废水等特种废水均在相应主工艺单元处理达到全厂工业污水纳管标准后排至全厂工业污水管网或是直接接入全厂回用水管网，因此无论是从水质上讲还是从水量上来说，钢铁企业全厂工业污水也主要来源于循环水系统的排污水(浊循环水系统排污水)，根据浊循环水系统排污水的特点，钢铁企业全厂工业污水一般具有以下主要污染物：浊度、COD、硬度与碱度、油类、盐类等[3][4]。
表2是列举的国内几个钢厂工业污水的主要水质参数表。
表2 国内钢厂工业污水水质参数举例表
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与雨水排水相比，工业污水排水的水质总体上要比雨水排水水质差，但水质也相对恒定。
3.3雨污联合排水系统分析
3.3.1水量分析
从水量分析，雨水排水量随时间变化幅度大，其最大时水量要远远大于工业污水量，但年雨水排水总量远小于工业污水量。
以上海某大型联合钢铁企业为例分析，该企业占地面积约2km2，最终年产钢能力为500万吨。根据雨量公式，当降雨历时5min时，按重现期为3年计算，综合径流系数设为0.8，最大设计小时降雨量为269709m3/h；上海市年平均降雨量约为1200mm，按此估算，该钢铁企业年可收集最大地面雨水量约为1920000m3。根据工厂的总体规划，其工业污水总量约为1200m3/h；按年工作350日估算，年工业污水量约为10080000m3。
因此，对于雨污联合排水系统而言，平时雨水量恒定且较小，降雨时系统排水量远大于平时，具有较大的水量冲击负荷。
3.3.2水质分析
采用雨污联合排水系统后，在不降雨时，管网系统中的水为工业污水；在降雨时，管网系统中的水为雨污混合水。在降雨初期时，由于初期雨水水质也较差，因此降雨初期的雨污混合水的水质是最差的；降雨初期过后，雨污混合水的水质是相对最好的；平时仅为工业污水，雨污联合排水系统中的排水水质居中。雨污联合排水系统也具有较大的污染负荷冲击。
目前国内大型钢铁企业，均逐步在其常规工业污水处理设施之后建设了采用超滤加反渗透的双膜法进行脱盐处理的水处理设施。在工业污水采用双膜法进行深度脱盐处理中的遇到的一个主要问题是工业污水的进水含盐量过高，在数据指标上常以电导率值来体现。全厂工业污水的电导率值一般都在3000μS•cm以上，工业用纯水的电导率值一般要求在10μS•cm以下，工业新水的电导率值一般要求在500μS•cm以下。经过双膜法处理后，产生的工业新水完全可以达到使用的要求，但是如果制成纯水用于生产则可能出现较难达到要求的情况。因此，在工业污水制取纯水工艺中，有采取将部分工业新水补入脱盐系统的原水水池，以起到改善双膜法工艺原水水质。采用雨污联合排水系统后，原工业污水高电导率的问题在降雨时节可得到有效解决，对于节能减排有着积极的意义。
4.建立雨污联合排水系统的具体方式
4.1雨污联合排水系统管网设置
目前，钢铁企业雨水排水管网常采用重力流无压敞开式管网系统。在排水入天然水体处在必要的情况下，设置雨水排水泵房。
钢铁企业工业污水排水管网常采用压力流管网系统。各排水点均设置增压设施将工业污水排至全厂工业污水管网。
由水量分析可以得知，雨水的瞬时量要远大于工业污水排水量，因此应以原雨水排水系统的管网作为雨污联合排水系统的管网。以原雨水排水系统管网作为雨污联合排水系统的管网后，一方面可以节省各工业污水排水点排水入原工业污水管网的动力，另一方面也极大的增加了工业污水排放的便利性，对于规范工业污水的收集工作也非常有益。
4.2水处理设施的设置
雨污联合排水系统设置的关键在于后续的水处理设施。从当前实际情况出发，在钢铁企业设置专门的大型雨水处理设施和雨水储存设施不符合现状和国情，因此雨水处理往往应该与工业新水处理、工业污水处理等结合在一起统一考虑。钢铁企业现普遍建有工业新水处理设施和工业污水处理设施。在降雨初期，雨污混合水水质较差，考虑将该部分水引入工业污水处理设施处理。降雨初期过后，雨污混合水的水质相对较好，考虑进入工业新水处理设施。不降雨时，雨污联合排水系统管网中均为工业污水，仍全部进入工业污水处理设施进行相关处理。
附图一为雨污联合排水系统工艺原理图，供参考。
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5.雨污联合排水系统的运行控制
5.1雨污联合排水系统水质控制问题
在实际生产运行过程中，如何控制雨污联合排水系统出水的去向是实现雨污联合排水系统正常运行的关键，即如何界定初期雨水的问题。
由于雨水是优质的淡水资源，因此可以考虑以电导率值来作为界定降雨初期雨污混合水、工业污水、降雨后期雨污混合水的标志。
在雨污联合排水系统管网末端设置分配井，分配井设通往工业新水处理设施的出口和通往工业污水处理设施的出口。分配井的两个出口设置电动阀门，分配井内另设置电导率仪。不降雨时，管网中为工业污水，工业污水的电导率值较高，开启分配井通往工业污水处理设施的电动阀门，关闭分配井通往工业新水处理设施的电动阀门，使工业污水能够正常送往工业污水处理设施处理。降雨初期，管网中的雨污混合水水质较差，导致电导率值也较高，开启分配井通往工业污水处理设施的电动阀门，关闭分配井通往工业新水处理设施的电动阀门，使初期雨水和工业污水形成的雨污混合水能够送往工业污水处理设施处理。降雨后期，管网中的雨污混合水水质较好，导致电导率值也较低，开启分配井通往工业新水处理设施的电动阀门，关闭分配井通往工业污水处理设施的电动阀门，使水质较好的雨污混合水能够送往工业新水处理设施处理。
如果因降雨量较少，雨水量小于工业污水量，导致雨污混合水的电导率值较高，也可以将该部分雨污混合水送工业污水处理设施处理。
界定降雨初期雨污混合水、工业污水、降雨后期雨污混合水的电导率值应根据具体情况加以确定，甚至要通过一段时间的实践运行才行。
5.2雨污联合排水系统水量调节问题
在实际生产运行过程中，需要解决的另外一个问题是雨水的调蓄。在不设置专门的雨水储存池或调节池的前提下，充分挖掘工业新水处理设施和工业污水处理设施的调节功能成为必然的措施。工业新水调节池、新水池和工业污水的调节池、回用水池都可以提供一部分调节容积。另外在降雨时，工业新水不再从天然水体取水，而是以雨水作为水源，这也是很大一部分的容积。但相对于巨大的瞬时雨水量而言，可能还有不足。
因此，在设计雨污联合排水系统时，首先要在条件许可前提下，适当增大工业新水处理设施和工业污水处理设施水池的调节能力；另外，雨污联合排水系统并非需要覆盖全厂，对于雨水可以按照不同的区域加以选择。如大型厂房的屋面雨水，其水质较好，可纳入雨污联合排水系统；其它环境较差的区域可以不纳入雨污联合排水系统的范畴。
6.小结
雨污联合排水系统的应用是钢铁企业实现雨水资源化、保护环境的重要手段。雨污联合排水系统是一项目系统工程，其设计需要周密的考虑。
参考文献
[1]郭雪宝.水文学[M].上海：同济大学出版社，1989.
[2]肖丙雁.宝钢分公司实施雨水利用的潜力分析[J].冶金环境保护，2009，3:47-50.
[3]金亚飚.浅谈钢铁企业工业污水处理现状和存在的问题[J].中国环保产业，2009，1：31-34.
[4]金亚飚.钢铁企业全厂工业污水采用双膜法工艺脱盐处理浅谈[J].冶金环境保护，2008，6：28-32.
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@baosteel.com/jyb707@sina.com。
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