鋼鐵業(yè)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(lán)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(zhì)角度評估我們對水環(huán)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(tǒng)水資源評價體系相比，外延和內(nèi)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(xiàn)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(xué)者TonyAllan在20世紀(jì)90年代初首次提出，后經(jīng)不斷完善，目前較為精確的定義為:在生產(chǎn)產(chǎn)品和服務(wù)中所需要的水資源數(shù)量，被稱為凝結(jié)在產(chǎn)品和服務(wù)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(chǎn)者角度，將虛擬水定義為在產(chǎn)品生產(chǎn)地生產(chǎn)某產(chǎn)品實際使用的水資源量;另一種是從消費者角度出發(fā)，將虛擬水定義為在消費地生產(chǎn)同質(zhì)的該產(chǎn)品所需要的水資源量。由此可見同種同質(zhì)產(chǎn)品，在世界各地虛擬水含量不盡相同，這與產(chǎn)品虛擬水含量計算與產(chǎn)品加工工藝、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)條件緊密相關(guān)，如農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量計算與當(dāng)?shù)貧夂?、用水量、蒸發(fā)蒸騰量、土壤參數(shù)、單位面積產(chǎn)量均有關(guān)，再經(jīng)計算得出單位質(zhì)量產(chǎn)品中的虛擬水含量。由于考慮了社會經(jīng)濟系統(tǒng)中虛擬水的消費量，水足跡真實地反映了一個地區(qū)人類消費對水資源的占有情況，為水資源科學(xué)管理提供了非常有用的信息。特定區(qū)域的人類生產(chǎn)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(rèn)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(wù)數(shù)量，與各自產(chǎn)品和服務(wù)的單位產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品消費量，VWCi為第i種產(chǎn)品的單位產(chǎn)品的虛擬水量。這種方法計算繁復(fù)，費時費力，相當(dāng)于進(jìn)行一次地區(qū)內(nèi)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(yè)產(chǎn)品與服務(wù)中的虛擬水量分別計算，表明了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟系統(tǒng)占用水資源的狀況及該地區(qū)水資源消耗的結(jié)構(gòu)組成。可根據(jù)水足跡計算結(jié)果，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源情況，從水資源消耗角度合理統(tǒng)籌規(guī)劃該地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。另一種是自上而下的方法，水足跡就等于總的區(qū)域內(nèi)水資源利用量加上流入該區(qū)域的虛擬水流量再減去流出該區(qū)域的虛擬水流量。該方法簡單粗獷，應(yīng)用性強，用以粗略反映地區(qū)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(qū)的水足跡(WFP，m3/a)等于生產(chǎn)該國家或地區(qū)居民消費的商品和服務(wù)所直接或間接利用的總水量［3］。水足跡由兩部分構(gòu)成，即內(nèi)部水足跡和外部水足跡:WFP=IWFP+EWFP(2)內(nèi)部水足跡(IWFP)定義為生產(chǎn)該地區(qū)居民所消費的商品與服務(wù)所利用的區(qū)域內(nèi)水資源總量。其數(shù)量等于國民經(jīng)濟部門的國內(nèi)水資源利用總量減去通過產(chǎn)品貿(mào)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(jīng)濟各部門中利用的總水量(m3/a):AWU為農(nóng)業(yè)耗水量，等于農(nóng)作物需水量;IWU和DWU分別為工業(yè)與家庭部門抽取水量。這里的農(nóng)業(yè)耗水量包括綠水利用量(降雨形成的土壤水)和藍(lán)水利用量(灌溉水)。由于灌溉輸配水系統(tǒng)損失的水量大部分下滲補充區(qū)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(nóng)業(yè)灌溉中損失的那部分灌溉水。工業(yè)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(chǎn)、并為本國居民所消費的產(chǎn)品和服務(wù)所消耗的水量［4］，它等于進(jìn)口虛擬水量(VWI，m3/a)減去向其他國家輸出的進(jìn)口產(chǎn)品再出口的虛擬水量(VWEre－export)。EWFP=VWI－VWEre－export(4)出口虛擬水量與進(jìn)口虛擬水量之差就是報告期內(nèi)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(fù)，則表明虛擬水凈進(jìn)口。

工業(yè)生產(chǎn)水足跡

工業(yè)生產(chǎn)水足跡是指支持一個國家(地區(qū))在其本地產(chǎn)品生產(chǎn)與服務(wù)供給過程中所需要的淡水資源量，無論產(chǎn)品與服務(wù)在哪里被消費。生產(chǎn)水足跡可用于衡量國家或地區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)對水資源系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力大小。水資源壓力是指一個國家或地區(qū)生活、生產(chǎn)需要消耗的地表或地下水資源量(等于區(qū)域總生產(chǎn)水足跡高于綠水足跡的差值)占該地區(qū)可更新水資源總量的比重。工業(yè)產(chǎn)品虛擬水量就是在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)和加工過程中所需要的水量，由于工業(yè)產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易量僅占全球虛擬水貿(mào)易總量的10%，且相對于農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，迄今為止人們對工業(yè)產(chǎn)品虛擬水含量計算方法的研究還處于起步階段。工業(yè)生產(chǎn)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(jìn)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(huán)。所以工業(yè)產(chǎn)品的虛擬水量計算十分復(fù)雜，通常都是通過萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量來估算。工業(yè)產(chǎn)品貿(mào)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(qū)每年的工業(yè)用水回收量，GDPi為每年的工業(yè)增加值。

鋼鐵產(chǎn)品水足跡

在工業(yè)生產(chǎn)中，鋼鐵行業(yè)一直是用水大戶，其工業(yè)總?cè)⌒滤考s占全國工業(yè)用新水量的2．2%，僅次于火電、紡織印染和造紙行業(yè)，位于工業(yè)耗水大戶的第四位。近年來，我國鋼鐵工業(yè)處于高速發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋼鐵企業(yè)不斷采用各種先進(jìn)的工藝、技術(shù)裝備，并加強對用水、節(jié)水的管理，使我國鋼鐵工業(yè)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(yè)的用水量仍很大，與國外先進(jìn)水平相比，仍然存在一定差距。水資源短缺已經(jīng)成為我國部分地區(qū)，尤其是北方缺水地區(qū)鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展的制約因素。因此，加強鋼鐵行業(yè)的水務(wù)管理、合理規(guī)劃和利用水資源、實現(xiàn)節(jié)水減排已成為鋼廠所面臨的首要任務(wù)。

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中水的作用主要有:作為設(shè)備和產(chǎn)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(yè)按用水水質(zhì)來分，可分為工業(yè)新水、純水、軟化水、生活水、回用水等。鋼鐵企業(yè)工業(yè)新水主要作為敞開式循環(huán)水系統(tǒng)的補充水;純水、軟化水主要作為密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(shè)備軸封沖洗水、煤氣水封補水、沖渣等。工業(yè)新水通常是從天然水體(如河流、地下水等)取水后進(jìn)行處理而成的;純水、軟化水等一般是由工業(yè)新水脫鹽制取的;生活水取自市政管網(wǎng)或是自建生活水廠用工業(yè)新水進(jìn)行處理制取的;回用水是收集全廠生活污水、工業(yè)廢水后進(jìn)行處理而成的。從用水量分析來看，鋼鐵工業(yè)用水主要是工業(yè)新水用水，鋼鐵企業(yè)噸鋼新水耗水量也是指工業(yè)新水用量。如果能降低工業(yè)新水用量，提高回用水用量，可直接降低鋼鐵行業(yè)對外界的用水需求。

為實現(xiàn)節(jié)水減排，改變鋼鐵企業(yè)發(fā)展中淡水水源的嚴(yán)重缺乏現(xiàn)狀，鋼鐵產(chǎn)業(yè)用水改進(jìn)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(yè)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(chǎn)過程的綜合治理方案中。

提高水的重復(fù)利用率。大力推行循環(huán)利用冷卻水。鋼鐵行業(yè)需用大量的水源作為物料和設(shè)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(jīng)處理后才能循環(huán)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(jīng)降溫后可以循環(huán)利用，對于鋼鐵企業(yè)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(yè)水的串級使用是指根據(jù)生產(chǎn)工藝及設(shè)備對水質(zhì)的不同要求，工業(yè)水由清到濁重復(fù)利用。如制氧機回水供二煉鋼車間轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)系統(tǒng)使用、高爐熱風(fēng)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(tǒng)布局，力求達(dá)到合理串接、一水多用的目的。

改善生產(chǎn)工藝，從源頭上減少污染物的排放。推廣使用節(jié)水、無水的清潔生產(chǎn)工藝。緊抓生產(chǎn)運行管理，使廢水污染物排放量控制在最小范圍內(nèi)，開展清潔生產(chǎn)的審核。對加熱爐進(jìn)行汽化冷卻技術(shù)改造的研究，節(jié)水的同時可把熱量轉(zhuǎn)化為蒸汽回收利用。強化用水管理，把用水納入產(chǎn)品原材料消耗定額，并加強企業(yè)內(nèi)部水質(zhì)監(jiān)測化驗人員培訓(xùn)，邀請相關(guān)專家進(jìn)行指導(dǎo)，組建水質(zhì)監(jiān)控與分析隊伍，成立水質(zhì)檢測室，形成一套水質(zhì)監(jiān)測、分析研究及調(diào)控的管理系統(tǒng)，定期對生產(chǎn)過程的供排水進(jìn)行采樣分析，監(jiān)控水量與水質(zhì)的變化狀況，及時發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)運行時所存在的問題。

完善廢水再生回用系統(tǒng)。首先是水質(zhì)穩(wěn)定問題，在鋼鐵企業(yè)的水循環(huán)系統(tǒng)中，常發(fā)生設(shè)備和管道的結(jié)垢、腐蝕與微生物繁殖等問題，根據(jù)鋼鐵工業(yè)用水的水質(zhì)特征，選用適宜經(jīng)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(yè)內(nèi)部無常規(guī)供水水源，將生產(chǎn)廢水、生活污水以及雨水等非常規(guī)多水源集中處理后回用為生產(chǎn)循環(huán)水與補給水，其中生產(chǎn)廢水主要包括焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工業(yè)廢水。

開發(fā)利用海水淡化技術(shù)。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(yè)用水。水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜聯(lián)產(chǎn)是海水淡化的主要技術(shù)方法。水電聯(lián)產(chǎn)主要是指海水淡化水和電力聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，利用電廠的蒸汽為海水淡化裝置提供動力;熱膜聯(lián)產(chǎn)主要是采用熱法和膜法海水淡化相聯(lián)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(fā)展利用海水淡化技術(shù)，增加非常規(guī)水源，可相當(dāng)程度上減少對淡水資源的消耗，并充分減少鋼鐵企業(yè)余熱能源的浪費?？紤]到淡水資源的日益匱乏，水價的逐步上漲，海水淡化的經(jīng)濟與環(huán)境效益將逐步提高，必將成為大規(guī)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(yīng)范圍廣、設(shè)備簡單、自動化程度高、操作方便和出水質(zhì)量好等優(yōu)點，在鋼鐵行業(yè)廢水處理與純水制備中得到廣泛應(yīng)用。但反滲透實際產(chǎn)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(shù)，利用無機鹽、大分子的不揮發(fā)性質(zhì)，通過低溫蒸餾過程，使水分子通過疏水膜，達(dá)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(xiàn)零排放，具有重要意義。

結(jié)語

面臨水資源的危機，加強水資源保護(hù)、實現(xiàn)水的可持續(xù)利用，是保障和支持經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)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(yè)生產(chǎn)中的水資源發(fā)展戰(zhàn)略和可持續(xù)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(jìn)一步商榷和完善。