钢铁业水足迹计算与分析

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本文作者：尹婷婷、李恩超、侯红娟 单位：宝山钢铁股份有限公司研究院

蓝水足迹和绿水足迹主要衡量水资源的利用和消耗情况，而灰水足迹是从水质角度评估我们对水环境污染的情况。水足迹综合考虑了水资源利用的三类途径———利用、消耗与净化水污染，与传统水资源评价体系相比，外延和内涵更为丰富，因此在功能上能更好地反映人类对水资源的需求和占有状况。在人类消费的水足迹中，实际生活用水通常是很少的，大部分消耗都是以虚拟水的形式表现出来，因此，虚拟水消费量是水足迹的最主要组成部分。虚拟水［1］(Virtualwater)是由英国学者TonyAllan在20世纪90年代初首次提出，后经不断完善，目前较为精确的定义为:在生产产品和服务中所需要的水资源数量，被称为凝结在产品和服务中的虚拟水量。从目前已有的研究来看，对虚拟水的含量有两种取向:一种是从生产者角度，将虚拟水定义为在产品生产地生产某产品实际使用的水资源量;另一种是从消费者角度出发，将虚拟水定义为在消费地生产同质的该产品所需要的水资源量。由此可见同种同质产品，在世界各地虚拟水含量不尽相同，这与产品虚拟水含量计算与产品加工工艺、生产流程、生产条件紧密相关，如农产品虚拟水含量计算与当地气候、用水量、蒸发蒸腾量、土壤参数、单位面积产量均有关，再经计算得出单位质量产品中的虚拟水含量。由于考虑了社会经济系统中虚拟水的消费量，水足迹真实地反映了一个地区人类消费对水资源的占有情况，为水资源科学管理提供了非常有用的信息。特定区域的人类生产与生活活动对水资源的需求如何，可通过水足迹评价来定量分析与认识。

水足迹计算方法

水足迹的计算方法有两种［2］:一种方法是采用自下而上的方法，它将该国家居民所消费的商品与服务数量，与各自产品和服务的单位产品虚拟水含量相乘求和得到，这里需要注意的是商品的虚拟水含量(WF)会随地域和生产条件的变化而变化，用公式表示为:WF=DU+∑niPi•VWCi(1)式中，DU为生活用水量，Pi为第i种产品消费量，VWCi为第i种产品的单位产品的虚拟水量。这种方法计算繁复，费时费力，相当于进行一次地区内水资源消耗情况的普查。但在计算过程中将生活用水量、各个工业产品与服务中的虚拟水量分别计算，表明了当地经济系统占用水资源的状况及该地区水资源消耗的结构组成。可根据水足迹计算结果，结合当地自然资源情况，从水资源消耗角度合理统筹规划该地区产业结构。另一种是自上而下的方法，水足迹就等于总的区域内水资源利用量加上流入该区域的虚拟水流量再减去流出该区域的虚拟水流量。该方法简单粗犷，应用性强，用以粗略反映地区水资源消耗总量，相对方法一，只可了解消耗概况。

一个国家或地区的水足迹(WFP，m3/a)等于生产该国家或地区居民消费的商品和服务所直接或间接利用的总水量［3］。水足迹由两部分构成，即内部水足迹和外部水足迹:WFP=IWFP+EWFP(2)内部水足迹(IWFP)定义为生产该地区居民所消费的商品与服务所利用的区域内水资源总量。其数量等于国民经济部门的国内水资源利用总量减去通过产品贸易而出口给其他国家的虚拟水量(VWEdom，m3/a)。IWFP=AWU+IWU+DWU－VWEdom(3)式中，前3个组分代表在国民经济各部门中利用的总水量(m3/a):AWU为农业耗水量，等于农作物需水量;IWU和DWU分别为工业与家庭部门抽取水量。这里的农业耗水量包括绿水利用量(降雨形成的土壤水)和蓝水利用量(灌溉水)。由于灌溉输配水系统损失的水量大部分下渗补充区域地下水，或者通过排水沟又回到了河流被其他地方的用户利用，因此，这里不包括农业灌溉中损失的那部分灌溉水。工业和生活用水量一般可以在水资源公报上查找。外部水足迹(EWFP)指由其他国家生产、并为本国居民所消费的产品和服务所消耗的水量［4］，它等于进口虚拟水量(VWI，m3/a)减去向其他国家输出的进口产品再出口的虚拟水量(VWEre－export)。EWFP=VWI－VWEre－export(4)出口虚拟水量与进口虚拟水量之差就是报告期内的国家虚拟水流量平衡。如果平衡项为正，则表明虚拟水净出口;平衡项为负，则表明虚拟水净进口。

工业生产水足迹

工业生产水足迹是指支持一个国家(地区)在其本地产品生产与服务供给过程中所需要的淡水资源量，无论产品与服务在哪里被消费。生产水足迹可用于衡量国家或地区生产系统对水资源系统产生的压力大小。水资源压力是指一个国家或地区生活、生产需要消耗的地表或地下水资源量(等于区域总生产水足迹高于绿水足迹的差值)占该地区可更新水资源总量的比重。工业产品虚拟水量就是在工业产品生产和加工过程中所需要的水量，由于工业产品虚拟水贸易量仅占全球虚拟水贸易总量的10%，且相对于农业和畜牧业生产工艺复杂，迄今为止人们对工业产品虚拟水含量计算方法的研究还处于起步阶段。工业生产过程中需要一定量水的参与，主要用于冷凝、稀释和溶剂等作用。一方面，在水的利用过程中通过不同途径进行消耗;另一方面，又以废水的形式排入自然界，参与正常水循环。所以工业产品的虚拟水量计算十分复杂，通常都是通过万元工业产值用水量来估算。工业产品贸易中的虚拟水流量(VWCe)可以通过下式估算［5］:VWCe=IWWeGDPie(5)式中，IWW为e国家或地区每年的工业用水回收量，GDPi为每年的工业增加值。

钢铁产品水足迹

在工业生产中，钢铁行业一直是用水大户，其工业总取新水量约占全国工业用新水量的2．2%，仅次于火电、纺织印染和造纸行业，位于工业耗水大户的第四位。近年来，我国钢铁工业处于高速发展阶段。随着科学技术的进步，钢铁企业不断采用各种先进的工艺、技术装备，并加强对用水、节水的管理，使我国钢铁工业平均吨钢取新水量由2000年的25．24m3/t大幅下降到2006年的6．56m3/t。但总体而言，钢铁企业的用水量仍很大，与国外先进水平相比，仍然存在一定差距。水资源短缺已经成为我国部分地区，尤其是北方缺水地区钢铁企业生存和发展的制约因素。因此，加强钢铁行业的水务管理、合理规划和利用水资源、实现节水减排已成为钢厂所面临的首要任务。

钢铁企业生产过程中水的作用主要有:作为设备和产品的冷却水、蒸汽锅炉和蓄热器等的原水、除尘洗涤和工艺用水(如连铸喷雾、轧钢除鳞等)以及直流冲渣、冲洗地坪用水等。钢铁工业按用水水质来分，可分为工业新水、纯水、软化水、生活水、回用水等。钢铁企业工业新水主要作为敞开式循环水系统的补充水;纯水、软化水主要作为密闭式循环冷却水系统的补充水以及锅炉、蓄热器等的用水;回用水主要作为冲洗地坪、场地洒水、设备轴封冲洗水、煤气水封补水、冲渣等。工业新水通常是从天然水体(如河流、地下水等)取水后进行处理而成的;纯水、软化水等一般是由工业新水脱盐制取的;生活水取自市政管网或是自建生活水厂用工业新水进行处理制取的;回用水是收集全厂生活污水、工业废水后进行处理而成的。从用水量分析来看，钢铁工业用水主要是工业新水用水，钢铁企业吨钢新水耗水量也是指工业新水用量。如果能降低工业新水用量，提高回用水用量，可直接降低钢铁行业对外界的用水需求。

为实现节水减排，改变钢铁企业发展中淡水水源的严重缺乏现状，钢铁产业用水改进可以从以下几个方面考虑:

清污分流，减少废水排放量。钢铁工业废水主要来自水力冲渣、烟气洗涤、物料冲洗等过程。如果净水与污水合流排放，既增大处理费用，又浪费大量清水，为此，可以改革工艺，清污分流，尽可能把污染物消化在生产过程的综合治理方案中。

提高水的重复利用率。大力推行循环利用冷却水。钢铁行业需用大量的水源作为物料和设备冷却水，该用水分为两类:一部分是直接冷却水，主要与物料直接接触受到污染，需经处理后才能循环利用;另一部分是间接冷却水，因不与物料直接接触，使用后仅是水温升高，经降温后可以循环利用，对于钢铁企业降低吨钢新水用量，减少用水成本有着举足轻重的作用。串级用水、一水多用。工业水的串级使用是指根据生产工艺及设备对水质的不同要求，工业水由清到浊重复利用。如制氧机回水供二炼钢车间转炉生产系统使用、高炉热风炉冷却水部分供高炉水力冲渣用等等。通过研究水温、水量平衡，掌握本厂供排水系统布局，力求达到合理串接、一水多用的目的。

改善生产工艺，从源头上减少污染物的排放。推广使用节水、无水的清洁生产工艺。紧抓生产运行管理，使废水污染物排放量控制在最小范围内，开展清洁生产的审核。对加热炉进行汽化冷却技术改造的研究，节水的同时可把热量转化为蒸汽回收利用。强化用水管理，把用水纳入产品原材料消耗定额，并加强企业内部水质监测化验人员培训，邀请相关专家进行指导，组建水质监控与分析队伍，成立水质检测室，形成一套水质监测、分析研究及调控的管理系统，定期对生产过程的供排水进行采样分析，监控水量与水质的变化状况，及时发现和解决生产运行时所存在的问题。

完善废水再生回用系统。首先是水质稳定问题，在钢铁企业的水循环系统中，常发生设备和管道的结垢、腐蚀与微生物繁殖等问题，根据钢铁工业用水的水质特征，选用适宜经济的阻垢剂、防腐剂、絮凝剂;其次是废水处理与再生水回用，由于企业内部无常规供水水源，将生产废水、生活污水以及雨水等非常规多水源集中处理后回用为生产循环水与补给水，其中生产废水主要包括焦化、炼铁、炼钢、轧钢等工业废水。

开发利用海水淡化技术。海水淡化是指将盐度35000mg/L的海水淡化至500mg/L以下的饮用水或工业用水。水电联产、热膜联产是海水淡化的主要技术方法。水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供，利用电厂的蒸汽为海水淡化装置提供动力;热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式(即MED－RO或MSF－RO方式)，满足不同用水需求，降低海水淡化成本。利用钢铁厂富余能源充足的特点及周边海水资源，发展利用海水淡化技术，增加非常规水源，可相当程度上减少对淡水资源的消耗，并充分减少钢铁企业余热能源的浪费。考虑到淡水资源的日益匮乏，水价的逐步上涨，海水淡化的经济与环境效益将逐步提高，必将成为大规模开辟新水源的必然趋势。

反渗透浓水的处理回用。反渗透以其适应范围广、设备简单、自动化程度高、操作方便和出水质量好等优点，在钢铁行业废水处理与纯水制备中得到广泛应用。但反渗透实际产水率在70%左右，浓水含盐量高，处理困难。浓水直接排放，不仅加重了高盐度的污染，而且还浪费了大量宝贵的水资源。真空膜蒸馏是一种近期研究的新型膜分离技术，利用无机盐、大分子的不挥发性质，通过低温蒸馏过程，使水分子通过疏水膜，达到无机盐的分离目的，无机盐截留率接近100%，可用于处理反渗透浓水，能弥补反渗透工艺的不足之处，以实现零排放，具有重要意义。

结语

面临水资源的危机，加强水资源保护、实现水的可持续利用，是保障和支持经济社会可持续发展的必然选择。水足迹分析法为水资源管理提供了一个全新的视角，对工业生产中的水资源发展战略和可持续水资源管理起着巨大的启示作用。但是，由于水足迹分析法是一种新近提出的方法，各方面的研究还处于探索阶段，所以无论在理论上还是在方法上都还需要进一步商榷和完善。