造纸废水资源化利用新模式：向造纸废水要效益

   “废纸造纸废水资源化利用关键技术研发与应用”提出了废纸造纸废水资源化利用的新模式，通过研发具有自主知识产权的废水处理新装备及工艺、合成新型造纸助剂对沉渣进行处理，解决了废纸造纸废水及沉渣资源化利用的关键技术问题，实现了废纸造纸的节能减排和清洁生产，开创了我国废纸造纸废水处理的新模式，已在全国56家造纸厂推广应用，每天共处理造纸废水76万吨，减少CODcr排放1140吨/天，节约纤维456吨/天，节约能耗7.2万度/天，年创直接经济效益2.02亿元，取得了良好的环境、经济和社会效益。

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   “以前，一提到造纸，我们马上就会想到水污染。”华南理工大学教授万金泉说，造纸工业的环境污染问题，一直以来都困扰我国造纸业持续发展的关键问题。

    受环保“紧箍咒”的束缚，很多制浆造纸的生产线纷纷落马。“要破解造纸行业的这一老大难问题，需要寻找新的途径，研发新的技术。”

    在年初的全国科技奖励大会上，万金泉领衔的“废纸造纸废水资源化利用关键技术研发与应用”，攻克了废纸造纸废水资源化利用的技术瓶颈，获得2009年度国家科技奖励大会国家科技进步奖二等奖。

    —— 背景阅读 ——

    废纸造纸量逐年递增

    作为世界上造纸量最大的国家，造纸工业是我国可持续发展的支柱产业之一。随着植物资源的短缺和对环境保护的重视，为保护森林资源，减少造纸工业对环境的污染，废纸造纸成为造纸工业的重要发展方向，全国造纸原料中废纸已经占50%以上，现今我国废纸造纸年产量超过4000万吨，且逐年递增。

    但令人担忧的是，据万教授介绍，废纸造纸产生的废水和废水处理过程产生的沉渣量大，每生产1吨纸耗水30—60吨，废水化学耗氧量（CODcr）负荷达1500—2500mg/L，并产生0.34吨的沉渣。目前，由于废纸造纸废水的治理工程投资大、运行能耗高、无法解决废水循环使用过程中污染物的累积问题，难以实现水的长期封闭循环使用；而沉渣利用困难，只能填埋和焚烧，对环境造成污染。

    废纸造纸污染控制技术现状

    目前通用的废纸造纸污染控制技术主要有物化处理技术和生化处理技术，但它们都具有难以克服的缺陷。

    首先，物化处理技术中的沉淀池法，污染物去除率低，絮凝沉淀时间长，沉渣会厌氧发酵；浅层气浮技术污染物去除率低，运行成本高，沉渣含大量微气泡，滤水性差。

    另外，生化处理技术包括SBR法、Carrousel氧化沟、IC厌氧+好氧法等，它们难以实现对废水中难降解有机污染有效降解，废水循环使用后会产生污染物的累积。

    万教授表示，这些技术导致大量的废水和废渣难以利用。废水产生量大，每生产1吨纸耗水30—60 吨，CODcr负荷达1500—2500mg/L，“全国每年废纸造纸产生的废水量约19.8亿吨，这相当于2700万人一年的饮水量；每年由于沉渣无法回用，造成植物纤维浪费500万吨，这相当于损失了6000万棵成年树。”

    —— 新方法 ——

    高效的“一体化”技术

    万金泉说：“传统的造纸工业废水处理方法通常是采用单一的物化或生化处理方法，不仅投资大，而且处理效果差、运行成本高。而我们的废水处理是高效的‘一体化’技术。”

    与其他技术相比，“废纸造纸废水资源化利用关键技术研发与应用”项目既可以保护环境，又可以创造效益。万金泉教授说：“与国内外技术相比，本技术投资减少20%左右，运行成本降低30%以上，难降解污染物的去除率提高20%以上，可实现废纸造纸废水的‘零排放’”。

    该项目的整体工艺可以描述为：造纸废水经格网除去较大杂物进入调节池，废水经调节池水质、水量均衡后，由提升泵送至高效一体化处理设备(投加化学药剂)，经一体化设备处理后的出水80%左右可以回用于车间，其余部分利用重力自流进入共代谢生物反应器进行处理，处理后的水可长期循环使用，实现造纸废水的零排放，物化处理产生的沉渣经NHEP-30处理后回用于生产。

    —— 创新点 ——

    高效的一级物化处理装备与技术

    通过研究废水混凝过程，项目组提出了一种集废水的混凝、沉淀、吸附过滤于一体的新型高效一体化物化处理设备。该工艺与国内外同类沉淀或气浮处理造纸废水处理方法相比，SS、CODcr、BOD5的去除率提高20%—35%，水力停留时间缩短30%—40%，能耗降低30％以上。处理后的出水可更好地回用于生产，降低了后续生化处理的处理量和处理负荷及废水处理的能耗和运行成本。

    经物化处理的出水长期循环使用后，造纸用辅料、树脂酸等可溶性物质会出现累积，对生产造成影响。若将物化处理出水全部经生化处理后再使用，将会大大增加生化处理的负荷和成本。

    由于本技术高效的物化处理效果，使得采用本技术处理后的废水循环使用后累积量较少，但当废水的回用率超过80%，废水中的DCS的累积量明显增大，阴离子垃圾的富集会造成造纸机断头、粘网等，对造纸生产造成影响。通过20％废水进行生化处理，不仅可以解决水中累积的DCS的影响，也可以降低后续二级生化处理的投资规模和处理成本，解决了废水处理的经济性和处理效果之间的矛盾。

    碳源协同共代谢生物处理新技术

    万金泉说：“对经物化处理后废水进行定性定量分析，共检测出主要有机污染物90种，其典型污染物为邻苯二甲酸二丁酯和二甲苯。采用传统的生物方法无法实现该类污染物的有效降解，这是造成废纸造纸废水无法实现零排放的主要原因之一。”

    在这种情况下，只有通过外加碳源进行人工强化诱导微生物产生关键酶，在关键酶的作用下微生物才能利用该类物质，从而得到降解或转化，最终去除。 

    针对碳源共代谢技术的特点，该项目开发了基于共代谢的厌氧、兼氧、好氧生物工艺及共代谢生物反应器。废水经溢流堰进入辐射状布水管，使废水中有机物、共代谢碳源混合。

    由于布水管呈辐射状均匀排列，克服了水在单一水管中流动时由于沿程阻力引起的布水不均匀性，增加了污染物和共代谢微生物的接触时间，提高了处理效率。

    一级物化处理沉渣回用新技术

    项目研究表明，造纸沉渣组分中纤维约占72%，无机填料约占20%，其他组分占8%。沉渣中纤维与废纸浆中的纤维相比细小纤维比例大、表面电荷含量高、负电性强，沉渣纤维仍具有一定的浆张强度，具有回用价值，但如果直接回用于生产，则留着率低、成纸强度差，从而会造成纸机断头、堵网等问题，严重影响生产的正常进行。

    “因此必须通过添加造纸助剂以实现细小纤维的留着和补强才能实现残渣的回用。”万金泉说。

    而沉渣中细小纤维及无机填料含量较高会导致造纸助剂分散困难、可及度降低。因此能够实现造纸残渣回用的助剂应具有高电荷、粒度小、比表面积大等特点，而现有的造纸助剂不能够满足上述应用需求。

于是，项目组合成了纳米级高电荷两性聚丙烯酰胺（NHEP-30），经过NHEP-30处理后沉渣中的细小纤维留着率及纸页强度均可提高30%以上。可作为造纸原料回用于生产，实现资源化利用，解决了造纸废水中固体相对环境造成的二次污染。

    —— 项目效果 ——

    废水处理的新模式

   “该技术彻底改变了传统的造纸工业废水处理方法，造纸厂实现了节电、节水、节约造纸纤维，实现了向造纸废水要效益。” 万金泉说。

    与目前同类技术相比废水处理工程的投资节省30％以上，运行费用降低40％以上，能耗降低30%以上，实现了废纸造纸废水的封闭循环和造纸厂的清洁生产。

    目前已在广东、湖南、湖北、山东、黑龙江、江苏、山西、浙江、广西、河北、四川等省的56家造纸厂应用，每天共处理造纸废水76万吨，每天减少CODcr排放1140吨，每天回收纤维456吨，通过节电、节水、节约造纸纤维等直接年创造经济效益2.02亿元，近三年来累积创经济效益约5.6亿元，取得了良好的经济和社会效益。

    据估算，目前我国废纸造纸年产量超过4000万吨，现有以废纸为原料的造纸厂超过1000家，这些厂家基本上没有实现废水的高效资源化利用，可见本技术具有广阔的市场前景。