衡寶林 馬志華 張利輝 李 巍 平貴忠

(1.河北省自動化研究所，河北石家莊，050081;2.河北省承德市環(huán)境保護局，河北承德，067000;3.河北省科學院能源研究所，河北石家莊，050081)

廢紙制漿造紙封閉循環(huán)用水技術(shù)路線研究

衡寶林1馬志華2張利輝3李 巍1平貴忠1

(1.河北省自動化研究所，河北石家莊，050081;2.河北省承德市環(huán)境保護局，河北承德，067000;3.河北省科學院能源研究所，河北石家莊，050081)

以廢紙為原料，對生產(chǎn)過程中各用水單元對水質(zhì)的要求進行分析，通過幾種不同廢水處理技術(shù)對處理后水質(zhì)變化的影響，采取多種水處理技術(shù)相結(jié)合，利用適當?shù)姆蛛A段回用水技術(shù)手段，設(shè)計出廢紙制漿造紙封閉循環(huán)用水技術(shù)路線，在滿足企業(yè)正常生產(chǎn)對水質(zhì)需求的前提下，實現(xiàn)廢水“零排放”目標。

造紙廢水;深度過濾;優(yōu)化回用水管網(wǎng)布局;封閉循環(huán)用水

造紙工業(yè)是用水大戶，也是廢水排放大戶。以廢紙為原料的制漿造紙產(chǎn)品主要是瓦楞原紙和牛皮箱紙板，產(chǎn)品本身要求較高強度，對其他外觀性狀要求不高，生產(chǎn)過程中對用水質(zhì)量要求也相對較低，作為全封閉循環(huán)用水的突破口更容易獲得成功。

目前，在國內(nèi)外許多研究造紙回用水問題的工作中，更多關(guān)注的是制漿、稀漿單元用水的回用要求以及水處理技術(shù)的研發(fā)，對噴淋單元回用水水質(zhì)及技術(shù)開發(fā)相對關(guān)注較少。在生產(chǎn)實踐中，噴淋用水是造成廢紙制漿造紙企業(yè)廢水排放的主要原因，解決噴淋回用水問題是實現(xiàn)廢紙制漿造紙用水全封閉循環(huán)的關(guān)鍵。由于廢紙的來源、產(chǎn)品的用途以及生產(chǎn)工藝各異，產(chǎn)生的廢水水質(zhì)差別較大，因此在實際應用中也必須根據(jù)各企業(yè)廢水水質(zhì)的不同特點進行設(shè)計［1］。

本課題以廢紙為原料，對制漿造紙生產(chǎn)過程中各用水單元對水質(zhì)的要求進行分析，通過幾種不同廢水處理技術(shù)對處理后水質(zhì)變化的影響，采取多種水處理技術(shù)相結(jié)合，利用適當?shù)姆蛛A段回用水技術(shù)手段，設(shè)計出廢紙制漿造紙封閉循環(huán)用水技術(shù)路線，在滿足企業(yè)正常生產(chǎn)對水質(zhì)需求的前提下，實現(xiàn)廢水“零排放”目標。

1 造紙工藝用新鮮水單元分析

1.1 廢紙制漿造紙用新鮮水單元

造紙生產(chǎn)工藝用新鮮水主要單元是:制漿稀釋、紙機噴淋和鍋爐補水，如圖1所示。

圖1 造紙工藝用新鮮水節(jié)點圖

從圖1可知，在4個主要用新鮮水單元中，大部分企業(yè)稀漿用水是利用處理后的中水重復使用1～2次，定期排放廢水并補充新鮮水;沖網(wǎng)、沖毛布和鍋爐補水全部使用新鮮水。

1.2 單元用新鮮水情況分析

1.2.1 網(wǎng)部噴淋用水

網(wǎng)部的主要作用是脫去紙料中絕大部分水分，形成濕紙頁，其脫水方式是過濾、抽吸脫水。一般網(wǎng)部脫去的水量占上網(wǎng)紙料脫水量的95%以上。噴淋沖網(wǎng)的目的是利用高壓水流沖擊網(wǎng)籠，沖洗去掉網(wǎng)上黏附的短纖維、雜質(zhì)等物質(zhì)，保持網(wǎng)的過水性。網(wǎng)部噴淋沖網(wǎng)是新鮮水用量最多的環(huán)節(jié)，約占新鮮水總用量的40%。

噴淋水中雜質(zhì)堵塞噴嘴是沖水過程中常見的問題?，F(xiàn)在造紙廠常用的生化處理工藝后的回用水中，有比較多的短纖維和雜質(zhì)懸浮物，用含有大于800 μm顆粒的回用水沖網(wǎng)，極易使高壓噴嘴堵塞，所以網(wǎng)部沖水要求水中不含或盡量含有較少的雜質(zhì)，以防堵塞噴嘴。生產(chǎn)中絕大部分企業(yè)使用新鮮水噴淋來解決這一問題。

1.2.2 毛布清洗用水

毛布在抄紙過程中起著對濕紙頁的支撐作用和吸收其水分的作用，濕紙頁在毛布上經(jīng)過多道壓輥而脫水。毛布脫水過程中會有許多纖維、雜質(zhì)黏附到毛布上堵塞毛布空隙，影響毛布的脫水效果。紙機上設(shè)計了新鮮水高壓噴淋清洗毛布系統(tǒng)，及時沖洗掉黏附到毛布上的雜質(zhì)，保持毛布的過水性。如果用帶有污染物的水來沖洗，一方面會使高壓噴嘴迅速堵塞，更嚴重的是引起毛布空隙堵塞而降低使用壽命。一般大于800 μm的顆粒濃度過大就容易使開孔直徑為1～2 mm的高壓噴嘴堵塞［2］。高壓噴淋水中大于150 μm直徑的顆粒濃度過大，會加重對毛布的堵塞。

1.2.3 稀漿用水

造紙機前貯漿池中的漿料濃度一般都比較高(2%～3%)，這樣高濃度的漿料直接送去網(wǎng)部不利于紙頁的成形，抄出的紙頁勻度很差，通常在上網(wǎng)前把漿料稀釋到0.25%～0.35%的濃度，以適應漿料上網(wǎng)的需要。由于用常規(guī)的處理方法對水處理后，水中的少量細小纖維和許多親和性很小的溶解物質(zhì)及離子會留在循環(huán)用水中，對于一個開放的白水系統(tǒng)來說，這些物質(zhì)可以通過廢水連續(xù)地迅速排出;對于水系統(tǒng)全封閉的紙廠，這些殘留物會隨系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)的增加而增加;這些留在循環(huán)水中的細小纖維和膠黏懸浮物隨著制漿、稀漿用水的再循環(huán)利用進入系統(tǒng)中，造成了在抄造過程中，漿料中大量的細小纖維和膠黏物沉積在毛毯上致使毛毯脫水不良。

企業(yè)生產(chǎn)中為保證毛毯良好的脫水效率，必須經(jīng)常用化學藥品沖洗毛毯，才能削弱膠黏劑與毛纖維、毛孔堵塞物的粘連力，進而溶解膠黏物。頻繁的化學藥劑沖洗對毛毯損傷極大，經(jīng)常使毛毯無法繼續(xù)使用而提早下機。為降低漿料中細小纖維和其他非親合性懸浮物濃度，企業(yè)主要采取定期用新鮮水稀漿、排放廢水的方法減低漿料中親合性懸浮物濃度。這種做法直接導致企業(yè)新鮮水用量上升，廢水排放量增加。

1.2.4 鍋爐補水

造紙企業(yè)鍋爐最重要的作用是給紙機干燥部烘缸提供高溫蒸汽，使烘缸保持工藝所需要的溫度。鍋爐蒸汽通過管道高壓輸送進入烘缸;蒸汽在烘缸內(nèi)冷凝成高溫冷凝水，通過排氣系統(tǒng)以高壓汽水混合形式排出。許多造紙企業(yè)烘缸冷凝水回收是采用開放式系統(tǒng)，只能回收水的部分，高壓蒸汽以散逸方式損失，導致烘缸冷凝水大量損失。烘缸冷凝水不能全部回到鍋爐再利用的直接結(jié)果導致鍋爐補水量增加和鍋爐熱損失上升，在連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)中，采用開放式烘缸冷凝水系統(tǒng)，烘缸冷凝水回收率只有60%，1臺20 t的鍋爐每小時補水量需要8 t以上，造成新鮮水浪費。

2 有效去除回用水中懸浮物的技術(shù)途徑

在造紙過程中幾個主要需要新鮮水的環(huán)節(jié)中，水中懸浮物是影響中水回用的主要因素。廢紙制漿造紙實現(xiàn)水封閉循環(huán)，減少新鮮水用量的關(guān)鍵問題是解決水中細小纖維和親和性溶解物質(zhì)的去除問題。

現(xiàn)階段我國中小造紙廠普遍采用生化-氣浮廢水處理工藝，在此廢水處理工藝中，只有2項去除懸浮物的技術(shù):①沉淀池是利用重力作用，自然沉淀去除水中比較大的懸浮物，一般對≥3000 μm的懸浮顆粒去除效果明顯;②氣浮階段是在絮凝劑作用下，水中懸浮的固體粒子間架橋形成大的絮凝物，壓力溶氣水產(chǎn)生大量的微細氣泡，水中懸浮絮體黏附在微氣泡上，隨氣泡一起浮到水面，形成浮渣，浮渣浮升至液面而實現(xiàn)泥水分離并刮去浮渣，去除懸浮物。常規(guī)造紙廠廢水處理工藝如圖2所示。

圖2 常規(guī)造紙廢水處理工藝示意圖

經(jīng)過沉淀、氣浮處理后，造紙廢水中80%的懸浮物被去除，SS排放濃度一般可以達到20～40 mg/L，能滿足國家廢紙制漿造紙行業(yè)污水排放標準中SS排放濃度最高限值為50 mg/L的排放要求。排水中20%的懸浮物和在絮凝劑作用下形成的一些大的去除不徹底的絮凝物仍然留在水中，水在連續(xù)循環(huán)使用過程中，懸浮物、絮凝物濃度不斷累積上升，對生產(chǎn)造成損害，企業(yè)不得不采取定期排放的解決方式，同時大量新鮮水也不斷補充進入生產(chǎn)過程中。如果能夠充分利用成熟的深度過濾技術(shù)來澄清新鮮水，盡可能地去除水中懸浮物，保證處理后的回用水達到要求，用回用水代替新鮮水可大大節(jié)省新鮮水量，同時減少廢水排放。

過濾是將含懸浮物的廢水流過具有一定孔隙率的過濾介質(zhì)，從而使水中的懸浮物被截留在介質(zhì)表面或內(nèi)部而除去。根據(jù)所采用的過濾介質(zhì)不同，可將過濾分為4類:格篩過濾、微孔過濾、膜過濾和深層過濾。在幾類過濾中，格篩過濾主要去除粗大的懸浮物，如雜草、破布、長纖維和紙漿等。深層過濾和膜過濾是近年來廢水深度過濾普遍采用的方式，尤其是深層過濾技術(shù)，具有過濾效率高、運行成本低的優(yōu)勢，長期以來在水過濾設(shè)計中被廣泛采用。

2.1 深層過濾

深層過濾簡稱砂濾，其所用的介質(zhì)主要為石英砂、無煙煤等顆粒狀濾料，濾料價格便宜，容易獲得，應用成本低。深層過濾主要去除水中的懸浮物，其過濾方式可采用重力式濾池，運行成本低，過濾效果好。

砂濾是深層過濾的主要形式，濾料為天然石英砂。廢水由上到下通過一定厚度、一定粒度石英砂介質(zhì)組成的床層，由于粒狀介質(zhì)之間存在大小不同的孔隙，懸浮物被這些孔隙截留而去除。砂濾的砂粒粒徑一般在0.5～1.2 mm之間，不均勻系數(shù)為2.0，可根據(jù)原水和出水水質(zhì)的要求，采用不同的濾層厚度和過濾速度。砂濾的主要設(shè)施是連接氣浮池，建造砂濾池，砂濾池主要填料是石英砂、煤顆粒等［3］。

2.1.1 砂濾池基本結(jié)構(gòu)

濾池型式多種多樣，石英砂濾池使用最為廣泛。濾池大體分為幾類，即自上而下流動的重力式過濾池和自下向上流動的上向式過濾池，以及另外一些其他類型的過濾池。重力式快砂濾池充分利用重力，降低設(shè)備運行成本，是有快砂濾池以來最先使用的濾池，也是國內(nèi)外普遍采用的一種濾池。快砂濾池主要由進水系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)3部分組成。過濾系統(tǒng)由濾料組成，起截流懸浮物作用;反沖洗系統(tǒng)清除截留在濾料孔隙中的懸浮物，恢復其過濾能力［4］?？焐盀V池結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 快砂濾池剖面示意圖

回用水要求懸浮物濃度保持在8 mg/L以下，三層濾料濾池有更好效果。三層濾池是在石英砂濾料上面放置一層粒度較粗的無煙煤，在石英砂濾料下面放置一層粒度更細、密度更大的濾料，一般選用磁鐵礦。三層濾料濾池結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.2 三層濾料濾池設(shè)計原則［5］

(1)三層濾池濾料層設(shè)計原則:在不影響出水SS濃度的情況下，科學安排濾池各部分的高度是設(shè)計的基礎(chǔ)。

圖4 三層濾料濾池剖面示意圖

H=H1+H2+H3+H4+H5

其中:H為濾池總高度;H1為濾板下布水區(qū)高度;H2為濾板厚度;H3為濾層厚度;H4為濾池口水深度;H5為濾池超高。

三層濾料層為煤、砂、磁鐵礦，基本粒徑分別為0.8～2.0 mm、0.5～0.8 mm、0.2～0.5 mm，總厚度為75 cm，三層濾料厚度分別占50% ～55%、35%～45%、5% ～10%。

濾池總面積設(shè)定應考慮濾速和表面負荷:

其中:F為總面積;Q為出水速度;v為過濾速度，根據(jù)試驗而定，一般為5～10 m/h;q為表面負荷，一般為5 ～10 m3/(m2·h)。

(2)反沖洗設(shè)計原則:濾料反沖洗效果直接影響濾料的過濾速度，濾料反沖洗系統(tǒng)沖洗強度設(shè)計原則是既不沖走濾料，又要保證盡可能多地去除濾料縫隙間的懸浮物。三層濾料濾池單水反沖強度和水氣反沖強度參考數(shù)據(jù)見表1。

表1 三層濾料反沖洗強度參考數(shù)據(jù)

在實際設(shè)計中，設(shè)計人員應依據(jù)過濾出水懸浮物濃度、濁度要求，對濾池、濾料和反沖洗系統(tǒng)進行檢測，并根據(jù)施工場地具體情況提供設(shè)計方案。

2.1.3 三層濾料過濾水質(zhì)及適用單元

氣浮處理后的造紙廢水SS濃度在20～40 mg/L之間的較多，經(jīng)過三層濾料過濾的顆粒直徑≥10 μm的雜質(zhì)、絮凝物被介質(zhì)截留，出水中的SS濃度可降低到5 mg/L左右，懸浮物顆?！?0 μm，完全能夠滿足稀漿、沖網(wǎng)用水的水質(zhì)要求［6］。

2.2 超濾膜過濾

膜過濾介質(zhì)為特別的半透膜，是較為先進的過濾方式，主要用于去除水中細菌、病毒、有機物和溶解性物質(zhì)等。膜過濾過程需在一定推動力 (如壓力、電場力等)下進行，設(shè)備運行成本較高［7］。

紙機上的毛布較之篩網(wǎng)孔隙更小，更容易被懸浮物堵塞，影響毛布的過水性。毛布沖洗對水質(zhì)要求更高，無論是正面沖洗還是反面沖洗，循環(huán)水中懸浮物越少，則毛布使用壽命越長。砂濾回用水需進一步通過膜過濾去除水中較大的離子，使回用水充分潔凈，這對保護毛布十分重要。

(1)超濾膜性能:作超濾膜用的高分子材料主要為纖維素衍生物，包括真正起分離作用的皮層和多孔支撐層，這種結(jié)構(gòu)保證了良好的分離效果，超濾膜以壓力差為推動力，能擋住5 nm以上的物質(zhì)，如細菌、膠體、蛋白、部分染料等，所能截留的最小粒子粒徑為0.001 ～0.02 μm。

超濾膜過濾性能參數(shù):膠體去除率＞99.0%，出水濁度＜0.1 NTU，懸浮物去除率100%，出水SDI＜2;系統(tǒng)運行壓力小于0.5 MPa，工作壓力低，無相態(tài)變化，高效節(jié)能;在常溫下操作，最高溫度小于45℃，適于對熱敏性物質(zhì)的分離;具有良好的耐酸堿性，pH值范圍在2～11.5。

(2)系統(tǒng)壓力:超濾膜系統(tǒng)需要增加水泵來提升水壓，一般選擇水泵的揚程和流量應當?shù)扔诨蚵源笥谠O(shè)計的供水量和工作壓力，以滿足超濾系統(tǒng)正常運行。

P0=ΔP1+P2+H/100+P3，其中:P0為進水需要的壓力 (MPa);ΔP1為預過濾的最大壓損(MPa);P2為過濾所需的跨膜壓差 (MPa);P3為與溫度、水泵性能參數(shù)有關(guān)，一般取0.1～0.15 MPa;H為膜組件的平均高度 (m)。

超濾膜組件最大進水壓力為0.5 MPa，最大跨膜壓差為0.2 MPa。為了盡量維持系統(tǒng)流量穩(wěn)定，必須對膜進行反洗，反洗泵給系統(tǒng)的跨膜壓差最大設(shè)置為0.15 MPa，反洗流量為設(shè)計產(chǎn)水流量的2～3倍。超濾膜過濾投資和運行成本都較高，不宜用于大量污水過濾。但在造紙企業(yè)供水系統(tǒng)中，只用于毛布沖洗用水過濾是經(jīng)濟的，超濾膜過濾殘留的含雜質(zhì)廢水可直接用于鍋爐房噴煤和沖爐渣，無需另行處理。

3 回用水流程設(shè)計

傳統(tǒng)的造紙企業(yè)供水一般設(shè)有新鮮水、網(wǎng)下白水制漿和處理后中水回用三部分回用水管道系統(tǒng)。建設(shè)針對不同用水單元水質(zhì)要求的中水獨立循環(huán)系統(tǒng)考慮不足，致使回用處理成本過高，企業(yè)難以接受。只有將優(yōu)化設(shè)置回用水網(wǎng)絡和循環(huán)水深度處理技術(shù)相結(jié)合，以較低成本實現(xiàn)造紙工藝用水全循環(huán)，使回用成本達到企業(yè)要求，才能保證企業(yè)自覺地利用水封閉循環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)降低新鮮水用量和減少廢水排放。

使用砂濾和超濾膜過濾進行廢水深度處理，進行回用水管網(wǎng)設(shè)計，四級循環(huán)回用水管道設(shè)計方案是常用又有效的方案。此設(shè)計能在保證回用水水質(zhì)情況下，達到降低水處理成本的目的。在中水回用設(shè)計中對水質(zhì)要求高的噴淋單元，用雜質(zhì)含量較低的四級處理水，而對水質(zhì)要求不太嚴格的制漿單元，可以使用雜質(zhì)含量較高的二級處理水，這樣既能有效利用中水，又能降低企業(yè)水循環(huán)使用成本。

(1)一級循環(huán):廢紙制漿造紙碎漿機用水對產(chǎn)品外觀影響較小，可以直接回用紙機網(wǎng)下白水，圓網(wǎng)濃縮機濃縮的白水也可以一部分回用到碎漿機上，無須經(jīng)過任何處理即可循環(huán)回用。網(wǎng)部白水最好分段回收，真空箱之前的紙層干度低于調(diào)漿箱處紙料的濃度，因此該部分白水往往可以全部用于稀釋，不足部分用真空箱白水補充。

(2)二級循環(huán):一級循環(huán)網(wǎng)部剩余的白水要經(jīng)過白水回收設(shè)備回收其中纖維，通過廢水處理站沉淀-生化-氣浮處理后，去除大部分懸浮物，再投入第二級循環(huán)，送往打漿調(diào)料部分作為稀釋用水。

(3)三級循環(huán):經(jīng)過砂濾后的水中懸浮物濃度已低于5 mg/L，懸浮物顆粒≤10 μm，進入三級循環(huán)可以直接用于噴網(wǎng)、稀漿用水。

(4)四級循環(huán):超濾膜過濾后的水中基本不含懸浮物，屬于高品質(zhì)水，進入第四級循環(huán)可以用作毛布沖洗等用水水質(zhì)要求較高的工段。

四級循環(huán)供水流向示意圖如圖5所示。從圖5可看出，這樣的設(shè)計充分考慮了廢水處理流程各個環(huán)節(jié)水質(zhì)差異和用水單元水質(zhì)要求，分階段提供不同水質(zhì)的回用水，盡量減少最終膜處理的循環(huán)水量，可以使水處理成本達到企業(yè)可接受的水平。

對于一個規(guī)模較大的工廠，涉及到的用水單元和水循環(huán)回路都比較多，回用過程復雜，要找到多個回用方案中成本最低的，必須通過系統(tǒng)工程方法來進行回用水管網(wǎng)設(shè)計。

圖5 四級循環(huán)供水流向示意圖

4 結(jié)論

將廢水深度過濾技術(shù)與優(yōu)化回用水管網(wǎng)布局相結(jié)合，以降低水處理成本，是實現(xiàn)廢紙制漿造紙企業(yè)廢水零排放的有效技術(shù)途徑。企業(yè)應按照各用水單元對水質(zhì)的要求，建立多個回用水循環(huán)系統(tǒng)，獨立循環(huán)用水，既避免生產(chǎn)過程中懸浮物對設(shè)備堵塞導致設(shè)備使用故障的增加，又不會因過高的廢水深度處理成本導致企業(yè)生產(chǎn)成本明顯上升。這樣就可以減少造紙企業(yè)新鮮水用量，并減少廢水排放量乃至“零排放”，達到造紙行業(yè)清潔生產(chǎn)目的。

［1］陳壁波．廢紙造紙廢水處理工藝的研究［J］．中國造紙，2009，28(11):16．

［2］鄺仕均．造紙工業(yè)節(jié)水及紙廠廢水零排放［J］．中國造紙，2007，26(8):45．

［3］Liptak B G．環(huán)境工程師手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985．

［4］張亞杰，倪席平，洪覺民，等．普通快濾池的技術(shù)改造問題［中昌集團網(wǎng)］．臺州中昌水處理設(shè)備有限公司信息中心，http://www．zhongchangcn．com/news-Show．a(chǎn)sp?ID=58，2010-08-18．

［5］污水過濾處理工程技術(shù)規(guī)范［S］．中華人民共和國國家環(huán)境保護標準(征求意見稿)．

［6］劉榮臣．自動連續(xù)砂過濾工藝在水處理中的應用［J］．價值工程，2010，29(9):242．

［7］季金漢．造紙廢水零排放中應用膜技術(shù)［J］．江蘇造紙，2009(4):46．

Technology of Water Closed Cycle in the Recycled Fiber Mills

HENG Bao-lin1MA Zhi-hua2ZHANG Li-hui3，*LI Wei1PING Gui-zhong1
(1．Hebei Institute of Automation，Shijiazhuang，Hebei Province，050081;2．Chengde Environmental Protection Agency of Hebei，Chengde，Hebei Province，067000;3．Institute of Energy Resources，Hebei Academy of Sciences，Shijiazhuang，Hebei Province，050081)
(*E-mail:zlhkxy@sohu．com)

The main factor affecting papermaking wastewater reuse is its high concentration of total suspended solids which causes plug up of the water jet equipment and felt，affecting the production．Because of the high cost of wastewater deep filtration，and increase of production costs，most companies are reluctant to construct wastewater deep filtration facilities，it causes low water reuse rate．Combining using wastewater deep filtration and optimization of reuse pipe network layout，the waster water quality can meet the requirement of the production units，and also can lower the cost of the water deep filtration，it is the effective way to reduce the wastewater discharge in the recycled fiber mills．

papermaking wastewater;deep filter;optimize the layout of reuse water distribution network;closed loop water

X703.1

A

0254-508X(2011)10-0033-05

衡寶林先生，農(nóng)藝師;研究方向:清潔生產(chǎn)對企業(yè)競爭力的影響。

2011-05-13(修改稿)

河北省科技計劃項目 (09457270D);河北省科學院科技計劃項目 (10716)。

(責任編輯:常 青)