综述：美国钢铁工业废水处理与回用机遇

这篇综述系统探讨了美国钢铁工业（I&S）在水资源安全背景下的废水处理与回用策略，重点分析了电炉（EAF）和转炉（BF-BOF）工艺的水耗差异（17.4-28.6 m3 /吨钢），提出通过膜生物反应器（MBR）、反渗透（RO）等先进技术实现闭环水循环，并强调需平衡水质（TDS<500 mg/L）与水量目标。

　　

钢铁工业的水资源挑战与创新路径

摘要

美国作为全球第四大粗钢生产国（2023年产量8070万吨），其钢铁工业面临水资源效率提升的关键转型。研究通过整合行业访谈与文献数据，揭示钢铁行业占制造业取水量26%的现状，并指出电炉（EAF）工艺因闭环冷却系统可实现65%水回用率，显著优于传统转炉（BF-BOF）的30%。

工业用水评估调查

美国能源部"更好工厂计划"对6家代表36%全国钢产量的企业调研显示，冷却塔占水耗首位（83%设施），但过程级数据缺失普遍。典型案例中，一家50年运营企业仅因进水口堵塞遭遇过一次停产，凸显水资源供应韧性。

钢铁工业用水特征

• 工艺差异：热轧工序水耗高达49.7 m³
  /吨，而冷轧仅4.6 m³
  /吨
• 水质要求：锅炉给水需TDS<100 mg/L，而冷却塔耐受1500 mg/L
• 新兴技术：氢基直接还原铁（DRI）工艺将使电解水需求激增3倍

水与废水处理技术

焦化废水含酚类（1000-5000 mg/L）需生物处理+臭氧氧化，而轧钢废水通过电絮凝可去除90%重金属。模块化膜系统虽成本达1.5美元/m³
，但能实现零液体排放（ZLD）。

行业认知与瓶颈

企业自评水管理专业性仅4分（满分10分），主要障碍包括：

• 化学药剂成本波动（如次氯酸钠价格影响防腐预算）
• 数字孪生技术应用受限于实时传感器缺失
• 冷却塔改造需平衡节水与浓缩废水处理成本

未来技术的水足迹

研究预测：

• 绿氢炼钢将使每吨钢水耗增加2-35倍
• 碳捕集（CCUS）工艺需5-100倍现有水耗
• 光伏发电（330 L/MWh）替代燃煤（2220 L/MWh）可降低能源侧水耗

战略管理框架

建议分三阶段实施：

1. 短期（<3年）：安装过程级水表，试点 moss-based 重金属吸附
2. 中期：整合市政再生水（占水源40%）
3. 长期：配套数字孪生系统优化循环冷却

该研究为工业水管理提供了从技术选型到政策协同的全链条解决方案，特别强调需将水质合规（如EPA氰化物排放标准）与节水目标协同规划。