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造纸行业中水回用的应用及进展

                             造纸行业中水回用的应用及进展
                               陈 葓 杨桂芳 苗天博 刘明华
    (1. 福州大学 环境与资源学院, 福建 福州 350108;2. 福建省生物质资源化技术开发基地, 福建 福州 350108)
    摘 要:水资源问题已然成为困扰造纸企业的一个大难题,日益显现的供水不足矛盾开始制约企业的发展。采用造纸工业中的中水回用方式是解决水资源短缺的重要途径,因此着重介绍了造纸生产过程中产生的废水来源、成分及中水处理技术,并对中水回用带来的效益及应用前景进行了浅析。
    关键词:造纸 中水回用 废水处理
    1· 造纸行业及造纸废水
    1.1 造纸废水污染现状
    目前,我国造纸工业的总体水平还不高,能耗高、产品质量低、企业规模小、污染重。据不完全统计,我国县及县以上造纸企业排放废水约占我国工业废水排放量的11%,居第三位;COD 排放占我国COD 排放量的42%,居第一位。为了保护环境,节约资源,控制污染,迫切需要解决造纸工业同环境保护协调可持续发展的问题。
    1.2 造纸废水水质
    现代造纸程序可分为制浆、调制、抄造、加工等主要步骤。造纸废水主要来自于其中制浆和抄纸两个生产过程。若根据生产需要有脱墨工序的话,则还有脱墨废水等。
    在制浆的过程中,需要分离出植物原料中的纤维来制成浆料,除渣、洗浆漂洗等过程中排出称作“黑水”的黑褐色洗涤废水,其中含有大量无机盐、色素及纤维,污染物浓度高。接下来的漂白过程中也会排出大量含酸碱物质的废水。
    在抄纸中浆料所经历的稀释、成型、压榨、烘干等生产过程,也会产生称作“白水”的造纸废水,含有生产过程中添加的胶料和填料,大量纤维。总之,废水主要成分是细小悬浮性纤维、造纸填料、废纸杂质和少量果胶、蜡、糖类以及造纸生产过程中添加的各类有机及无机化合物。其水质的基本特征是:化学需氧量高、悬浮物多、可生化性相对较差。通常纸产品的排水量在100~200 m3/t,低者小于50 m3/t,高者超过200 m3/t。废水水质因排水量而异。
    2· 中水回用
    2.1 概述
    中水,也称再生水。它的水质介于污水和自来水之间,是造纸过程中产生的污水、废水经净化处理后达到国家标准,能在一定范围内使用的非饮用水。第一,可用于厂区景观、园林绿化、车辆冲洗、厂内建筑冲厕等;第二,可直接作为回用水,用于漂洗、除渣、洗浆等对水质要求不高的工段;第三,处理后的中水可直接通过离子交换或反渗透脱盐,减免了反渗透工艺中多级保安过滤和超滤等繁琐工艺。之所以叫“中水”,是因为它的水质指标低于生活饮用水的水质标准,但又高于允许排放的污水的水质标准,处于二者之间。简而言之,中水回用即污水的再生利用。
    造纸中水回用即废水的循环回用,就是将造纸工业中各工艺过程的排出水经一定的处理或者直接回用于对水质要求较低的工艺段。
    2.2 中水回用意义
    造纸行业是用水大户,面对日益紧张的水资源,中水回用正成为造纸行业开源的一条根本途径。中水回用是以废水、污水作为水源,经过适当处理后作为再生资源回用。对于淡水资源缺乏的北方地区,采用中水回用技术既能节约水源,又能使污水无害化,是防治水污染的重要途径,也是我国目前及将来长时间内重点推广的节水举措。
    造纸中水回用要着重解决两个问题,一是脱盐,二是脱色。针对不同的水质要求和回用部位来选择最经济适用合理的处理工艺分质回用,做到优质优用、低质低用。这是推广中水回用技术、降低回用成本的关键。
    2.3 造纸中水回用方式
    由于在生产过程中, 吨纸使用水量达100~150 m3,如此大的用水量如果都用新鲜水,对企业来说是一个巨大的负担,因此必须大量使用经过处理后的回用水,回用率一般应大于60%。
    在废纸造纸过程中,由废水的特性和回用水质要求决定的中水回用方式各不相同,如直接回用、间接回用、封闭循环等。
    (1)直接回用。这是目前造纸白水回用中用得比较多的一种方式,也是效率最高的回用方法。在满足生产系统用水的一定前提下,多余白水尽量回用于制浆系统和纸机对水质要求不很严格的生产工段。比如成形脱水区下来的浓白水,可回用于机前来浆的稀释;而高压脱水区形成的稀白水,可回用于制浆过程以及锥形除渣器各段渣槽的冲洗和稀释等用水的生产过程。
    (2)间接回用。将经过白水机回收及回收纤维后的白水,制浆过程中的黑水等造纸废水,进行中水回用处理,降低其内污染物浓度,如水质好的回用水可用作对水质要求较高的生产过程如洗毯、洗网等,也可以送至打浆调料部分做稀释用水及送往制浆车间。
    (3)封闭循环。工艺用水及其他资源如废水中的填料、纤维等得到回收和利用,做到废水不外排。但目前难度很大。
    2.4 造纸中水回用处理技术 
    目前,在造纸中水回用处理工艺中,人们实践了生化法、气浮法、膜分离法、真空过滤法等,其中稳定运行和经济运行时控制因素,直接影响到回用水的生产和再利用。因此,采用多方法结合的经济工艺受到了人们的重视。通常来说,会采用生化法来继续降低有机物含量,采用气浮或真空过滤进行深度处理,采用膜分离技术获得良好的水质。
    (1)生化法。生化法是处理造纸白水的重要方法,通过人为创造适于微生物生存、繁殖的条件和环境,使微生物大量繁殖,并提高其氧化分解有机物效率,来氧化分解有机物并将其转化为无机物的一种废水处理方法。生化法根据所使用微生物的种类的不同,可分为厌氧法、好氧法及生物酶法[1]。
    ①厌氧法。厌氧法是在无氧的条件下,通过利用厌氧微生物来处理废水的方法。它的操作条件要求比好氧法严格,但有其独具的优势和特点,如在经济上会更有吸引力。目前现有的厌氧法有厌氧流动床法、厌氧滤床法、UASB 法、厌氧旋转圆盘法、厌氧发酵反应器法、厌氧池法、厌氧塘法、厌氧接触反应器等。其中在研究和应用上较热门的是UASB 法。
    ②好氧法。好氧法是在有氧条件下,通过利用好氧微生物处理废水的方法。常用的好氧处理方法有生物转盘、生物膜法、氧化塘法、生物接触氧化、活性污泥法、生物流化床生物滤池等。
    ③生物酶法。酶处理与其他微生物处理技术相比,具有的优点是:对温度、浓度和有毒物质适应范围广,反应速度快,催化效能高,可重复使用,反应条件温和,对废水质量及设备情况要求较低等。但酶的种类和浓度、pH、污染物种类和浓度、污染物以及絮凝剂和吸附剂之间的协同效应等是影响酶处理效率的主要因素。
    (2)气浮法。在一定的压力下,把空气溶解在水内作为工作介质,然后将浸在被处理的白水中的特定释放器骤然减压后,得以释放出来,产生无数微小气泡,与经过凝聚反应后白水中的杂质颗粒粘附,使其密度小于水的密度,浮于水面上,变为浮渣而除去,净化白水。气浮法处理白水是目前白水回用中较为常用的一种回用技术,其中的常规溶气气浮法很早就应用于造纸白水的处理,而后来开发出的射流气浮白水回用技术和最近又开发出的超效浅层气浮技术也得到了很好地应用。尽管如此,气浮法仍存在不足[2]:气浮回收纤维、填料带气泡,回用生产系统影响抄纸质量;对水中的重质纤维、填料不易选浮上来,易造成气浮池底堆积纤维、填料而腐烂变臭,需经常清池,影响了整个生产过程。
    (3)膜分离法。膜技术作为新的分离净化和浓缩技术,具有高效、节能、工艺简便、投资少、污染小等优点,可以在常温下操作,过程中无相变化。目前利用膜分离法处理造纸废水的研究工作已取得一定的进展,并已开始进入工业化生产阶段。膜分离法适用于处理几乎所有的制浆造纸废水(如涂布废水、亚硫酸盐废液、硫酸盐浆漂白碱性废水、机械浆废水等),特别对漂白废水色度、悬浮物和毒性有着明显的去除效果。另外,利用膜技术还可取代部分蒸发的过程,节约能源资源,为造纸行业清洁生产新工艺提供了技术支持和保障。
    ①超滤(UF)。目前在造纸工业研究应用较多的膜技术要数超滤分离技术。可作为制浆废液的预处理单元,将废液浓缩后送碱回收,分离的水溶液还可以回用;AOX 类物质去除,以降低排水毒性;黑液浓缩液中木素提纯与分子质量分级;漂白废水中深色有机物脱色等。
    UF 技术处理漂白废水,选用透过6 000~8 000相对分子质量的膜,COD、AOX、色度去除都可达到满意的效果。如日本造纸公司三岛工厂[3] 采用超滤技术处理硫酸盐木浆漂白E 段废液,处理废水量为4 000 m3/d,COD、色度、总固形物去除率分别达到78.7%、93.7% 和35.5%。渗透液作为洗涤水继续回用,浓缩液则送至碱回收系统。
    通常是在较低的温度下进行超滤过程,因其不发生相变,不需加热,故其设备投资和运行费用较低。膜分离技术的应用有利于对超滤浓缩液的蒸发、解决碱回收过程的硅干扰,因此人们对超滤技术在废液浓缩方面上的应用极为关注。廖永德等[4]、Maria C Arca 等[5]、广西大学的李仲民等[6] 皆对其有所研究。
    在印钞废水处理中,UF 处理柔版印刷水基油墨已得到实际应用,废水回用率达到了80% ~90%[7]。
    对于造纸白水的处理,应先经初级处理(如用格栅、斜网过滤等)白水中较多的悬浮物,再通过微滤技术进行预处理,尽可能地去除白水中的各种悬浮物、胶体物质等,最后利用超滤技术,积极创造造纸白水全封闭循环的条件。Jonsson 和Wimmerstedt[8] 所研究的中用超滤技术,可将纸机白水中99% 的悬浮物分离出来,经超滤后的清水不但可用于洗网,而且可用于洗毛布,达到白水全部回用。
    ②微滤(MF)。要除去废水中粒径大于100nm 的微粒、胶体物质及高分子有机物,可采用微滤(MF)技术。微滤是一个筛分过程,在造纸方面的研究主要集中于超滤前的预过滤和涂布废水中高档涂料过滤,尽可能多地回收利用废水中的有用资源,去除存在于废水中的悬浮物,为后续处理段减轻负担。
    ③反渗透(RO)。一般认为反渗透(RO)的透过机理是选择性吸附一毛细管流机理,是界面现象和在压力下流体通过毛细管的综合结果,经历了高压(大于10 MPa)、低压(小于2 MPa)、超低压(小于1 MPa)的阶段。可以用于蒸煮废液、造纸白水、硫酸盐废液的处理。
    ④膜生物反应器。膜生物反应器(MembraneBioreactor,简称MBR)是一个生化反应系统,由膜组件(MF、UF、或NF)与生物反应器结合而成。根据膜组件在生物反应器中不同的作用,MBR 可分为分离膜生物反应器、萃取膜生物反应器、曝气膜生物反应器。浙江工业大学使用MBR 处理造纸综合废水,出水CODCr 可降低至100 mg/L 以下(系统水力停留时间为18 h),整个反应器的总去除率最高可达90% 以上。
    各种膜技术也存在明显问题,那就是膜的污染。纸厂废水中的高浓度污染物,所含的碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物、金属离子可造成沉淀污染;造纸废水有机物量大、流程长、易滋生微生物,造成膜上微生物的粘附和生长;所含的木素、纤维素、多糖等有机物易造成吸附污染。如今解决的方法有:采用新型的耐酸、耐碱、耐溶剂的分离膜,遵守操作规程,均可有效地延长膜的使用寿命。
    (4)真空过滤法。此项技术主要用于造纸白水中纤维、填料及水的回收,过滤后的浆和水可不经过处理直接进入造纸工艺流程。它适用于大、中型制浆造纸厂,是目前用得较多的一种白水处理方法。国产多盘真空过滤机已投入使用于一些造纸厂,对白水有着很好的处理效果。此法的特点:过滤速度快、处理量大、工艺过程稳定、运行费用低,且处理后的白水可直接回用,很大提高了白水循环回用的程度[9]。
    在造纸废水的中水处理技术中,各种处理方法都存在着不足[10]。由于造纸废水排水量大,水质中悬浮物含量高,单一采用一种处理方法无法将废水处理到更高的回用标准,因此在选择处理工艺,应根据废水特性,通过组合中水处理工艺才可得到更好的效果。
    3· 中水回用效益分析及应用前景
    中水回用的效益主要体现在三个方面:节约水资源、经济效益和环境效益。在造纸行业中设置中水回用,创造了可观的环境效益,缩减了自来水的消耗量,减少了排向水域的污水量,补充了水资源的短缺,降低了污水处理费用,做到了环境效益与经济效益的统一;同时,节约了水资源费用、取水与远距离输送水的能耗与建设费用,并且以中水为原水进一步深化处理的成本低于以天然水为原水的成本。因此,中水回用具有较好的应用前景。中水回用技术在技术经济可行的情况下应给予大力推广。
    4· 结束语
    中水回用,是解决水资源危机的重要途径,也是协调水资源和水环境的根本出路。开发和利用见效快、投资省、运行成本低的中水回用技术已经成为确保社会经济可持续发展的重要课题。对于用水量大、污染物复杂的造纸废水,经中水回用技术处理后,可使污水、废水的排放量、水环境污染得以大大减少,有效地利用和节约有限宝贵的淡水资源,杜绝水资源浪费现象。在造纸行业及其他行业中开展中水回用是促进社会、经济可持续发展的重要环节,对缓解水资源危机有着非常深远的战略意义。虽然很多很好的处理方法都有一定的成效,但国内的技术还不太成熟,不能很好的协调处理效果和成本间的关系,造纸行业的中水回用问题还需要做进一步的研究。
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