鋼鐵業水足跡計算與分析

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本文作者：尹婷婷、李恩超、侯紅娟 單位：寶山鋼鐵股份有限公司研究院

藍水足跡和綠水足跡主要衡量水資源的利用和消耗情況，而灰水足跡是從水質角度評估我們對水環境污染的情況。水足跡綜合考慮了水資源利用的三類途徑———利用、消耗與凈化水污染，與傳統水資源評價體系相比，外延和內涵更為豐富，因此在功能上能更好地反映人類對水資源的需求和占有狀況。在人類消費的水足跡中，實際生活用水通常是很少的，大部分消耗都是以虛擬水的形式表現出來，因此，虛擬水消費量是水足跡的最主要組成部分。虛擬水［1］(Virtualwater)是由英國學者TonyAllan在20世紀90年代初首次提出，后經不斷完善，目前較為精確的定義為:在生產產品和服務中所需要的水資源數量，被稱為凝結在產品和服務中的虛擬水量。從目前已有的研究來看，對虛擬水的含量有兩種取向:一種是從生產者角度，將虛擬水定義為在產品生產地生產某產品實際使用的水資源量;另一種是從消費者角度出發，將虛擬水定義為在消費地生產同質的該產品所需要的水資源量。由此可見同種同質產品，在世界各地虛擬水含量不盡相同，這與產品虛擬水含量計算與產品加工工藝、生產流程、生產條件緊密相關，如農產品虛擬水含量計算與當地氣候、用水量、蒸發蒸騰量、土壤參數、單位面積產量均有關，再經計算得出單位質量產品中的虛擬水含量。由于考慮了社會經濟系統中虛擬水的消費量，水足跡真實地反映了一個地區人類消費對水資源的占有情況，為水資源科學管理提供了非常有用的信息。特定區域的人類生產與生活活動對水資源的需求如何，可通過水足跡評價來定量分析與認識。

水足跡計算方法

水足跡的計算方法有兩種［2］:一種方法是采用自下而上的方法，它將該國家居民所消費的商品與服務數量，與各自產品和服務的單位產品虛擬水含量相乘求和得到，這里需要注意的是商品的虛擬水含量(WF)會隨地域和生產條件的變化而變化，用公式表示為:WF=DU+∑niPi•VWCi(1)式中，DU為生活用水量，Pi為第i種產品消費量，VWCi為第i種產品的單位產品的虛擬水量。這種方法計算繁復，費時費力，相當于進行一次地區內水資源消耗情況的普查。但在計算過程中將生活用水量、各個工業產品與服務中的虛擬水量分別計算，表明了當地經濟系統占用水資源的狀況及該地區水資源消耗的結構組成。可根據水足跡計算結果，結合當地自然資源情況，從水資源消耗角度合理統籌規劃該地區產業結構。另一種是自上而下的方法，水足跡就等于總的區域內水資源利用量加上流入該區域的虛擬水流量再減去流出該區域的虛擬水流量。該方法簡單粗獷，應用性強，用以粗略反映地區水資源消耗總量，相對方法一，只可了解消耗概況。

一個國家或地區的水足跡(WFP，m3/a)等于生產該國家或地區居民消費的商品和服務所直接或間接利用的總水量［3］。水足跡由兩部分構成，即內部水足跡和外部水足跡:WFP=IWFP+EWFP(2)內部水足跡(IWFP)定義為生產該地區居民所消費的商品與服務所利用的區域內水資源總量。其數量等于國民經濟部門的國內水資源利用總量減去通過產品貿易而出口給其他國家的虛擬水量(VWEdom，m3/a)。IWFP=AWU+IWU+DWU－VWEdom(3)式中，前3個組分代表在國民經濟各部門中利用的總水量(m3/a):AWU為農業耗水量，等于農作物需水量;IWU和DWU分別為工業與家庭部門抽取水量。這里的農業耗水量包括綠水利用量(降雨形成的土壤水)和藍水利用量(灌溉水)。由于灌溉輸配水系統損失的水量大部分下滲補充區域地下水，或者通過排水溝又回到了河流被其他地方的用戶利用，因此，這里不包括農業灌溉中損失的那部分灌溉水。工業和生活用水量一般可以在水資源公報上查找。外部水足跡(EWFP)指由其他國家生產、并為本國居民所消費的產品和服務所消耗的水量［4］，它等于進口虛擬水量(VWI，m3/a)減去向其他國家輸出的進口產品再出口的虛擬水量(VWEre－export)。EWFP=VWI－VWEre－export(4)出口虛擬水量與進口虛擬水量之差就是報告期內的國家虛擬水流量平衡。如果平衡項為正，則表明虛擬水凈出口;平衡項為負，則表明虛擬水凈進口。

工業生產水足跡

工業生產水足跡是指支持一個國家(地區)在其本地產品生產與服務供給過程中所需要的淡水資源量，無論產品與服務在哪里被消費。生產水足跡可用于衡量國家或地區生產系統對水資源系統產生的壓力大小。水資源壓力是指一個國家或地區生活、生產需要消耗的地表或地下水資源量(等于區域總生產水足跡高于綠水足跡的差值)占該地區可更新水資源總量的比重。工業產品虛擬水量就是在工業產品生產和加工過程中所需要的水量，由于工業產品虛擬水貿易量僅占全球虛擬水貿易總量的10%，且相對于農業和畜牧業生產工藝復雜，迄今為止人們對工業產品虛擬水含量計算方法的研究還處于起步階段。工業生產過程中需要一定量水的參與，主要用于冷凝、稀釋和溶劑等作用。一方面，在水的利用過程中通過不同途徑進行消耗;另一方面，又以廢水的形式排入自然界，參與正常水循環。所以工業產品的虛擬水量計算十分復雜，通常都是通過萬元工業產值用水量來估算。工業產品貿易中的虛擬水流量(VWCe)可以通過下式估算［5］:VWCe=IWWeGDPie(5)式中，IWW為e國家或地區每年的工業用水回收量，GDPi為每年的工業增加值。

鋼鐵產品水足跡

在工業生產中，鋼鐵行業一直是用水大戶，其工業總取新水量約占全國工業用新水量的2．2%，僅次于火電、紡織印染和造紙行業，位于工業耗水大戶的第四位。近年來，我國鋼鐵工業處于高速發展階段。隨著科學技術的進步，鋼鐵企業不斷采用各種先進的工藝、技術裝備，并加強對用水、節水的管理，使我國鋼鐵工業平均噸鋼取新水量由2000年的25．24m3/t大幅下降到2006年的6．56m3/t。但總體而言，鋼鐵企業的用水量仍很大，與國外先進水平相比，仍然存在一定差距。水資源短缺已經成為我國部分地區，尤其是北方缺水地區鋼鐵企業生存和發展的制約因素。因此，加強鋼鐵行業的水務管理、合理規劃和利用水資源、實現節水減排已成為鋼廠所面臨的首要任務。

鋼鐵企業生產過程中水的作用主要有:作為設備和產品的冷卻水、蒸汽鍋爐和蓄熱器等的原水、除塵洗滌和工藝用水(如連鑄噴霧、軋鋼除鱗等)以及直流沖渣、沖洗地坪用水等。鋼鐵工業按用水水質來分，可分為工業新水、純水、軟化水、生活水、回用水等。鋼鐵企業工業新水主要作為敞開式循環水系統的補充水;純水、軟化水主要作為密閉式循環冷卻水系統的補充水以及鍋爐、蓄熱器等的用水;回用水主要作為沖洗地坪、場地灑水、設備軸封沖洗水、煤氣水封補水、沖渣等。工業新水通常是從天然水體(如河流、地下水等)取水后進行處理而成的;純水、軟化水等一般是由工業新水脫鹽制取的;生活水取自市政管網或是自建生活水廠用工業新水進行處理制取的;回用水是收集全廠生活污水、工業廢水后進行處理而成的。從用水量分析來看，鋼鐵工業用水主要是工業新水用水，鋼鐵企業噸鋼新水耗水量也是指工業新水用量。如果能降低工業新水用量，提高回用水用量，可直接降低鋼鐵行業對外界的用水需求。

為實現節水減排，改變鋼鐵企業發展中淡水水源的嚴重缺乏現狀，鋼鐵產業用水改進可以從以下幾個方面考慮:

清污分流，減少廢水排放量。鋼鐵工業廢水主要來自水力沖渣、煙氣洗滌、物料沖洗等過程。如果凈水與污水合流排放，既增大處理費用，又浪費大量清水，為此，可以改革工藝，清污分流，盡可能把污染物消化在生產過程的綜合治理方案中。

提高水的重復利用率。大力推行循環利用冷卻水。鋼鐵行業需用大量的水源作為物料和設備冷卻水，該用水分為兩類:一部分是直接冷卻水，主要與物料直接接觸受到污染，需經處理后才能循環利用;另一部分是間接冷卻水，因不與物料直接接觸，使用后僅是水溫升高，經降溫后可以循環利用，對于鋼鐵企業降低噸鋼新水用量，減少用水成本有著舉足輕重的作用。串級用水、一水多用。工業水的串級使用是指根據生產工藝及設備對水質的不同要求，工業水由清到濁重復利用。如制氧機回水供二煉鋼車間轉爐生產系統使用、高爐熱風爐冷卻水部分供高爐水力沖渣用等等。通過研究水溫、水量平衡，掌握本廠供排水系統布局，力求達到合理串接、一水多用的目的。

改善生產工藝，從源頭上減少污染物的排放。推廣使用節水、無水的清潔生產工藝。緊抓生產運行管理，使廢水污染物排放量控制在最小范圍內，開展清潔生產的審核。對加熱爐進行汽化冷卻技術改造的研究，節水的同時可把熱量轉化為蒸汽回收利用。強化用水管理，把用水納入產品原材料消耗定額，并加強企業內部水質監測化驗人員培訓，邀請相關專家進行指導，組建水質監控與分析隊伍，成立水質檢測室，形成一套水質監測、分析研究及調控的管理系統，定期對生產過程的供排水進行采樣分析，監控水量與水質的變化狀況，及時發現和解決生產運行時所存在的問題。

完善廢水再生回用系統。首先是水質穩定問題，在鋼鐵企業的水循環系統中，常發生設備和管道的結垢、腐蝕與微生物繁殖等問題，根據鋼鐵工業用水的水質特征，選用適宜經濟的阻垢劑、防腐劑、絮凝劑;其次是廢水處理與再生水回用，由于企業內部無常規供水水源，將生產廢水、生活污水以及雨水等非常規多水源集中處理后回用為生產循環水與補給水，其中生產廢水主要包括焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工業廢水。

開發利用海水淡化技術。海水淡化是指將鹽度35000mg/L的海水淡化至500mg/L以下的飲用水或工業用水。水電聯產、熱膜聯產是海水淡化的主要技術方法。水電聯產主要是指海水淡化水和電力聯產聯供，利用電廠的蒸汽為海水淡化裝置提供動力;熱膜聯產主要是采用熱法和膜法海水淡化相聯合的方式(即MED－RO或MSF－RO方式)，滿足不同用水需求，降低海水淡化成本。利用鋼鐵廠富余能源充足的特點及周邊海水資源，發展利用海水淡化技術，增加非常規水源，可相當程度上減少對淡水資源的消耗，并充分減少鋼鐵企業余熱能源的浪費。考慮到淡水資源的日益匱乏，水價的逐步上漲，海水淡化的經濟與環境效益將逐步提高，必將成為大規模開辟新水源的必然趨勢。

反滲透濃水的處理回用。反滲透以其適應范圍廣、設備簡單、自動化程度高、操作方便和出水質量好等優點，在鋼鐵行業廢水處理與純水制備中得到廣泛應用。但反滲透實際產水率在70%左右，濃水含鹽量高，處理困難。濃水直接排放，不僅加重了高鹽度的污染，而且還浪費了大量寶貴的水資源。真空膜蒸餾是一種近期研究的新型膜分離技術，利用無機鹽、大分子的不揮發性質，通過低溫蒸餾過程，使水分子通過疏水膜，達到無機鹽的分離目的，無機鹽截留率接近100%，可用于處理反滲透濃水，能彌補反滲透工藝的不足之處，以實現零排放，具有重要意義。

結語

面臨水資源的危機，加強水資源保護、實現水的可持續利用，是保障和支持經濟社會可持續發展的必然選擇。水足跡分析法為水資源管理提供了一個全新的視角，對工業生產中的水資源發展戰略和可持續水資源管理起著巨大的啟示作用。但是，由于水足跡分析法是一種新近提出的方法，各方面的研究還處于探索階段，所以無論在理論上還是在方法上都還需要進一步商榷和完善。