制浆造纸工业节水技术
胡忠宇
（陕西科技大学造纸工程学院，陕西 西安 710021）
摘 要：本文综述了制浆造纸工业节水技术的发展历程和现状，并介绍一些新的现代节水技术。
关键词：节水；洗涤；漂白；中浓
造纸工业是水资源消耗大户,随着造纸工业的快速发展, 对淡水资源的需求与依赖急剧增加。全球范围可以利用的新鲜水越来越少。据统计全球陆地降雨量约100000m3/d, 其中人类可以利用的水约为25%，而这部分有50%~60%已用于农业灌溉。而我国是世界上严重缺水的国家之一, 人均水资源拥有量只有2300 m/d, 为世界平均水平的1/4。
目前, 我国己有11个省、区、市的人均水资源拥有量低于联合国可持续发展委员会确定的1750 m3用水紧张线,其中9个地区低于500 m3的严重缺水线。水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素, 开展造纸行业节水活动, 不但可以减少新鲜水用量,而且可以减少废水排放, 恢复受损环境, 使人类排除当今世界水资源危机和环境污染的困扰, 走上可持续发展之路, 同时还能带来节能、降耗的效益。
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1 造纸工业节水的重要性
中国水资源总量2.8 万亿m3,人均2200m3 ,是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一, 为世界平均水平的1/ 4[1]。实际可利用水资源8000~ 9000亿m3 ,目前估算用水总量接近7000~8000亿m3、用水量接近可用水量的上限, 用水量与美国相当, 但GDP 仅为美国的1/ 8,工业万元产值用水量平均241m3 ,是发达国家的5~ 10倍,工业用水量重复利用40%左右,发达国家达到75~85%。工业取水量如果控制在1~2%以内年增长率,到2010 年取水量也要达到1300亿m3。
水是制浆造纸工业的命脉。无可替代的原料。传统纸业作为用水大户，面对水资源短缺的严重现实，在用水的竞争中，在经济高速发展的今天，有必要把中
国纸业建成国际认可的可持续发展的现代纸业（已不是用水大户，且不构成水污染），在循环经济中优化环境的行业。
水资源可持续利用是我国造纸工业可持续发展的战略问题，其核心是要调整用水结构，提高用水效率。
水与造纸生产的关系：水与造纸过程是紧密相关的。造纸生产过程需要水是基于三个主要原因[2]。一是造纸用的纸浆纤维只有稀释在水中形成悬浮液，才能易于泵送和储存；二是纸业成形的需要，即纸浆必须良好的稀释和分散在水中，才能均匀分布上网通过滤水形成湿纸幅，从而完成纸页成形并得到良好的成形匀度；三是纸页获得强度的需要，只有用水作为纸浆纤维的稀释介质，植物纤维间才能在成形过程中产生氢键结合，获得必要的湿纸幅强度，从而满足纸机抄造性能的要求，并使纸页获得物理强度。理论和实践均表明，纸页的强度主要取决于纤维间氢键结合的强度，而纤维间氢键的结合只有用水作为稀释介质时才能实现，而用乙醇和空气都使不行的。因此，当新的造纸工艺未能在上述三个方面取得突破之前，造纸生产还离不开水。此外，造纸过程还需用水清洗纸机和传输能量等。
当然，一些特殊的造纸工艺，如干法造纸，是可以不用水的，但是其纸页成形机理和纸页强度机理与主流的湿法造纸是完全不同的。目前这种干法造纸工艺还仅仅限于一些特殊用纸的制造，其产量在整个造纸工业中所占的比例很小，生产成本还是较高的，且从目前的发展看来，还难以在主流纸种的生产中实现干法造纸的突破。因此主流的造纸工艺还是离不开水的。
2 制浆造纸节水技术的发展历程[3]
2.1 第一阶段1930—1960年发展历程
德国Brecht教授，1933年，《对纸机利用浆料和耗水情况的认识》 阐明著名的“第一次网下白水”的作用，并提出了工艺水循环使用的基本概念和原理。
表1 纸厂单位清水耗用量（1930年左右）
纸 种 新闻纸（包括磨木浆） 清水耗用量/（ m3·t-1） 180~200 纸 种 高级纸 清水耗用量/（ m3·t-1） 200~300 新闻纸（不包括磨木浆） 中级印刷纸 高级和中级书写纸 2~130 45~500 60~600 包装纸（由原生纤维生产） 各种纸 100~150 4~330 学者Klemm的《纸厂纤维回收和节水》涉及的内容： ① 纤维回收的方法，即沉淀、浮选、过滤。 ② 包括生产浆的新闻纸车间用水系统 ③ 污水控制的方法及其演变
④ 适用于不同纸种的“最大限度的封闭系统”举例 ⑤ 采用相当有效的化学助剂控制腐浆 ⑥ pH控制
表2 带制浆的纸厂单位清水耗用量（1955年）
纸 种 清水耗用量/（ m3·t-1） 书写和印刷纸（包括制浆） 中级纸（包括磨木浆） 中级纸（包括磨木浆和浆厂） 200~400 60~120 200~450 新闻纸（包括磨木浆） 新闻纸（包括磨木浆和浆厂） 牛皮纸（包括制浆厂） 纸 种 清水耗用量/（ m3·t-1） 80~120 120~300 120~300 那时，就循环系统而言，除了初循环和第二次循环以外，已经试图形成一个附加的“外部循环”或称为第三循环。 2.2 第二阶段1960—1980年发展历程
在这一阶段，环境污染的严重后果在欧美国家日益显著，尤其是制浆造纸工业的耗水量和污染负荷备受关注。在这个阶段的重点是：① 污水组分分析；② 机械/生物法处理污水；③ 水循环的封闭化。
在这一阶段，纸厂完全封闭循环系统问世，从非常逻辑化、连续性的方式降低污水排放量的技术已进入新领域。其效果是显著的，1969年德国吨纸平均耗水为55m3,1976年已降到36 m3。 2.3 第三阶段1980—1990年发展历程
20世纪80年代初造纸污水处理技术已基本成熟，但污染问题并没有彻底解决，研究工作的重点逐渐转移到生产环节中的用水与节水问题上。开发出了解决水循环中干扰物质影响的一系列方法。生产企业在这一阶段逐渐形成共识的观
点，即：应设计合理的工艺水循环系统，尽量重复利用工艺水，而只排出少量的高浓度污水，带走系统中的污染物。污水可用厌氧、好氧的生物法处理。 2.4 第四阶段1990年至今发展历程
这个阶段是在第三个阶段奠定的基础上，纸业节水技术真正进入成熟阶段。发展的主要标志是：微浮选技术出台，该技术在溶解物质的分离方面是物理和化学方面最佳组合，可以捕集10-2~10m粒子，相当于胶体粒子，因此可除去呈溶解状态的有害物质，可减轻部分的循环和再循环系统的负荷。
其次还有
（1）ECF和TCF漂白技术使制浆造纸全过程用水循环得意实现。 （2）水循环方面形成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ循环标准化的最佳循环回路。 （3）德国造纸研究所（PTS）在数十年的工作中总结出一套水循环系统的特征值——K值理论。通过污染平衡的计算，可找出经济合理的水循环方案。
3 我国造纸工业用水现状分析
据中国造纸协会统计资料报道,目前我国造纸工业企业约3600家,年生产能力约7900万t,纸及纸板年产量达5600万t ,年销售量达5930 万t,年生产量与年销售量已排在了世界第2位,成为世界造纸工业生产、消费和贸易的大国。随着经济的发展,人们对纸品的需求量越来越大的同时,也给环境带来了很大的压力
[4]
。据《2008年中国环境年鉴》统计数据显示,2007年工业用水总量为1403.0亿
m3,其中制浆造纸业用水量为97.6亿m3,紧排在火电、化工之后,居全国行业用水量第3位。2006 年工业污水排放量为208.0亿t,其中造纸业排放量高达37.4 亿t,占总污水排放量的17.98%,居工业污水排放量之首。 3.1 原料结构方面
表3 国际先进水平与中国平均水平用水状况对比
从表3可以看出[5],2007 年中国制浆造纸业生产1t纸耗水量是160m3/t,而国际先进水平在2000 年生产1t纸耗水量仅为30 m3/t,中国的制浆造纸工业达到国际先进水平还有很大的差距。
图3.1 纸厂各原料所占比例
图3.2 不同原料纸浆耗水量
由图3.1、图3.2可见，我国以木浆和非木浆为原料制浆在总原料中所占的比例依然很大，而3者制浆的耗水量分别为60、110、11 m3/t。其中，废纸浆比非木浆节约用水约100 m3/t，废水排放量减少约100m3/t。 3.2 备料洗涤技术方面
在制浆备料过程中,干法剥皮耗水量要大大低于湿法剥皮,但其剥皮能力较湿法剥皮下降了50%左右,因此一般造纸厂还是选用湿法剥皮。我国大多数中小造纸厂仍使用直流洗涤,用水量为5~40 m3/t。 3.3 制浆工艺方面
制浆方法主要有化学法、机械法以及化学机械法3种。这3种制浆方法的用水量为: 机械法<化学机械法<化学法。我国制浆厂基本都使用化学法硫酸盐制浆工艺, 而国际先进的造纸企业已成功使用化学热磨机械制浆工艺。
表4 两种制浆技术比较
制浆工艺 硫酸盐制浆 CTMP 制浆得率/% 45 90 新鲜水用量/（ m3·t-1） 113 12 废水中SS/（ kg·t-1） 10 5 基建指数 1.0 0.5 由表4可以看出，化学热磨机械制浆的制浆得率是硫酸盐制浆的2倍，新鲜水用量可减少%，废水中SS和基建指数均可降低一半。 3.4 洗涤筛选方面
图3.3 开放与封闭的制浆流程
我国大多数制浆厂使用传统的开式筛选技术,其耗水量为80m3/t,排水量为70m3/t[6]。如果洗涤系统也是开放的,则耗水量可高达200~ 300m3/t。而国际上现在使用的封闭洗浆—中浓筛选技术耗水量为30m3/t,洗浆废水排出量为16m3/t,耗水量至少可减少50m3/t。 3.5 漂白技术方面
在制浆造纸工厂,实行封闭循环,最大的障碍就是漂白废水的循环使用。我国中小纸浆造纸厂的漂白工艺中,由于元素氯的大量使用,导致了排水中存在高浓度的含氯有机物,如二嗯英等。这些物质不但有很强的毒性,而且直接影响了废水的回用率。而国际先进技术现已发展了无元素氯漂白和全无氯漂白。由于水中有机氯含量大大降低,工厂的水封闭循环就成为可能。表3是工厂采用无元素氯漂白和全无氯漂白后各工段的用水情况。
其他方面如生产方面，我国制浆过程中主要还是采用的低浓操作，对水的消耗量较大；在白水回用的方面，我国只做到40%左右的稀白水处理后回用，而国外达到80%。
4 制浆造纸节水新技术
4.1 备料洗涤循环技术
湿法备料洗涤水中的污染物主要是一些重力沉降性能良好的树皮、泥沙、木屑、叶穗杂物和原料的水抽出物等。这部分洗涤水筛滤去除漂浮杂物及沉淀去除泥沙等物质之后即可循环使用,同时还可使用污水经二级处理后的出水和纸机白水来补充循环洗涤水,而不必使用清水,充分提高了水的回用率。采用洗涤水循环之后,可使湿法洗涤水用量降低至0. 4~ 1.1m3/t,水的回用率可达78%~ 99% [7]。
非木纤维原料的干湿法备料是在普通干法备料的后面, 增加湿法备料设备, 如用于麦草湿法备料的水力碎草机、斜螺旋脱水机；用于竹片洗涤的竹片洗涤机等。湿法备料洗涤水中的固体物主要是泥沙及叶、穗等杂物,可通过筛网和沉淀除去后循环使用。
4.2 漂白系统用水的循环技术
在采用多段漂白条件下，碱性废液（E、H和D段）可循环回用以减少水的使用量并减少污染，但C段一般不宜回用。回用后整个漂白工段实际清水用量
可节约约30%以上。 4.3 中浓技术
随着浆厂（包括二次纤维、机械浆）规模的扩大和中浓氧脱木素、中浓漂白等技术的采用,传统的浆料低浓（1%~6%）处理, 输送贮存已不适应要求,必须采用中浓（8%~15%）技术。中浓技术（主要指浓度为9%~13%） 最核心的是中浓输送和中浓混合。实现了中浓输送、中浓混合之后,进而就可以实现中浓氧脱木素、中浓漂白、中浓洗涤、中浓打浆等工艺操作。
中浓操作节水、节能、降污的效果非常显著。生产同种的单位纸浆, 采用中浓技术可比采用低浓技术节约50%左右的电能, 降低30%以上的热能消耗, 用水量也降低一半, 并使漂白段排出液的污染负荷降低40%以上。例如下表给出了瑞典某日产500t绝干浆的五段漂白浆厂，采用中浓后与低浓的对比数据。
表5 中浓与低浓漂白对比
项目 面积/m2 低浓操作 中浓操作 2 000 300 占地 体积/m3 40 000 2 600 能耗 热/MJ/t浆 1 100 500 电/kWh/t浆 120 40 废水量 m3/t浆 30 15 4.4 粗浆洗涤和封闭筛选技术
传统的粗浆洗涤和筛选是两个单元,清水分别加入各自系统。筛浆机是低浓常压筛,低浓开式筛选,其用水量及废水量均较大,不但费水,且使废水处理负荷增加 ,能耗高。新的洗筛流程是把两者结合在一起 ,筛选置于最后一台洗浆机之前,采用中浓压力筛进行封闭式热筛选,清水从最后一台洗浆机加入,进行逆流洗涤。
采用先进的封闭筛选技术,不仅纸浆的质量好,可以减少纤维流失,而且节水 、省电、废水量少。据报道,封闭筛选较之常规筛选,可节水节电各50%,吨浆耗水量仅为30~40m3 ,废水回用率100%,废水量降低60%以上。而常规筛选的吨浆清水消耗量约80 m3,产生的中段废水量吨浆约70 m3。目前,先进的纸浆厂 ,均采用封闭筛选技术。
4.5 造纸、纸板机系统排水封闭工艺[9]
（1）冷却用水（空气压缩机站、润滑油系统、液压系统及表面施胶站用水）
及真空泵封闭用水,经冷却塔冷却,单独封闭回用,新水只需补充冷却塔用水。
（2）纸机网部、毛毯、辊子的冲洗水、脱水元件的润滑润湿水及真空系统的水都要经处理后回用。
4.6 碱回收蒸发站污冷凝水的回用
改善多效黑液蒸发站冷凝水 系统的合理配置,对节水减污有重要意义 。Ⅰ效蒸发器新蒸汽冷凝水,回用于碱回收炉给水；Ⅱ、Ⅲ效蒸发器产生的二次蒸汽冷凝水比较清洁 ,可用于制浆的粗浆洗涤。后几效蒸发器和表面冷凝器的加热元件应设计成自汽提结构,将产生的二次蒸汽冷凝水分为两部分 ,其中80%~90%为轻污染冷凝水,其余10%~20%为重污染冷凝水,这部分重污染水通过蒸发站的汽提后与轻污水混合用于苛化工段白泥洗涤和制浆车间粗浆洗涤。这样改进的多效蒸发站重 、轻污染冷凝水分流系统 ,对节水和降污有重要作用,可节水8m3浆。 4.7 白水回用技术
该水水量虽然很大,但属于造纸行业污染较轻、较易于回收的水,回收的白水可在本车间内代替新水使用。根据白水中固形物含量不同,分别回用于系统的不同部位,如纸机网部白水循环到流浆箱,用来稀释纸浆,真空箱脱水用作喷水管,工艺用水量可减少至少150m3/t浆[10]。目前常用的白水处理技术有多圆盘过滤、气浮和沉淀。
在白水处理回收技术中,多圆盘过滤机是大型造纸企业白水回收设备中的最佳选择。经过过滤机回收后纸浆仍送回纸机抄造,滤后浊滤水回收做损纸的碎解,清滤水用作浆料浓度调一节控制、化学品稀释水和过滤网的洗涤等。 4.8 废水回用技术
制浆造纸废水经过严格处理后 ,其COD和SS值已降到理想的数值,如COD在80mg/L以下 ,这样的废水可以部分或全部回用于生产。此外,若处理的废水的负荷较高,处理COD和SS有一定的去除率,但是仍然无法达标排放时,可以将处理后的水用于对水质要求不是很高的制浆工段或洗涤工段。
5 结语
造纸企业节水虽是一件可持续发展的大事 ,但是长期以来 ,节水意识淡薄,浪费严重,一时要扭转这种局面还不是一件容易的事 ,节水需要有上级文件的规
定 ,要依靠技术的进步 ,如研究中浓技术 ,就能大幅降低用水量。但是节水是涉及管理与技术两方面的事 ,涉及面很宽,人人都有关系 ,因此要把节水工作做好,一定要两条腿走路 、一定要研究节水技术,像前面提到的洗浆技术的提高,筛选技术的提高；另一方面要加强管理就是要发动群众人人关心节水工作,人人想办法动脑子把身边浪费水的现象加以克服 ,也就是节水工作要打一次人民战争,才能取得节水的全面胜利。 参考文献
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