竇文芳，劉澤華，李 群

（中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點實驗室，天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457）

根據(jù)當(dāng)前的國家產(chǎn)業(yè)政策和環(huán)保形勢，預(yù)計未來幾年，我國造紙業(yè)仍然以改革、整合、發(fā)展為主題，要時刻保持創(chuàng)新活力[1]。在制漿造紙行業(yè)面臨原料短缺、機械設(shè)備運行能耗高的現(xiàn)狀下，如何改善這一境況已經(jīng)提上議程，而制漿造紙過程中纖維回收的設(shè)備及回收方式對于節(jié)能降耗、促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

在制漿造紙水循環(huán)過程中，所產(chǎn)生的廢水中包括大量紙漿纖維，若不回收，不僅浪費資源，還會造成環(huán)境污染。對于造紙企業(yè)，應(yīng)根據(jù)相關(guān)政策的要求[2]，降低用水量及能耗，快速發(fā)展纖維回收技術(shù)，加快設(shè)備的升級改造。造紙白水是指造紙工段產(chǎn)生的廢水，主要含有大量的細小纖維、填料等懸浮物，以及相關(guān)功能性助劑等，同時也含有很多的溶解性膠體物質(zhì)（DCS）[3]。纖維回收是指在原紙的生產(chǎn)過程中，對白水循環(huán)中的纖維進行回收，目的是資源循環(huán)再利用，節(jié)約原料成本。

纖維回收一方面可以將回收的纖維用于造紙，另一方面可以降低污水處理負荷，減少藥劑消耗。一般情況下，為了減少污染和清水消耗，白水循環(huán)過程中通常采用過濾和氣浮等方式進行纖維回收，可以提高經(jīng)濟效益和保護生態(tài)環(huán)境[4]。如果對植物纖維進行多次回用，可以降低原料成本，提高造紙企業(yè)的經(jīng)濟產(chǎn)能，減少對環(huán)境的危害。

在造紙工業(yè)廢水中，除了含有纖維、填料、涂料等固體懸浮物，還包含施膠劑、濕強劑、防腐劑等功能性助劑。其中的纖維是造紙過程中需要的原材料，可以采用纖維回收機回收水中的纖維。造紙廢水回收技術(shù)包括廠內(nèi)和廠外兩種，其中廠內(nèi)纖維回收系統(tǒng)主要用于造紙白水的纖維回收，一方面通過白水循環(huán)降低白水的排放量，另一方面采用氣浮、沉淀、過濾等方法進行紙漿纖維回收；廠外纖維回收是指造紙廢水處理設(shè)施中的收漿除渣系統(tǒng)，廠內(nèi)纖維回收優(yōu)于廠外纖維回收。

1 纖維回收技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

由于全球環(huán)境保護意識的提高和造紙技術(shù)的發(fā)展，造紙生產(chǎn)過程中纖維回收的方法和技術(shù)也在逐步發(fā)展。造紙廠中約有相當(dāng)于總產(chǎn)量1%~3%的好纖維是在紙機設(shè)備正常生產(chǎn)情況下在流出去的白水中被浪費掉的，即使安裝了效率較高的白水回收設(shè)備，纖維的平均流失量也高達總產(chǎn)量的1%~1.5%[5]。生產(chǎn)過程總是伴隨著挑戰(zhàn)，為了保持市場活力和滿足社會發(fā)展需求，大量造紙企業(yè)以實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水降耗、降低成本為目的，大力發(fā)展纖維回收設(shè)備。對于制漿造紙過程，水的循環(huán)回用是一條重要的清潔生產(chǎn)途徑，由于白水中含有許多細小纖維，有效進行白水回收和處理便尤為關(guān)鍵。纖維回收率的提高能極大地降低制漿造紙的原料成本以及能源消耗。影響造紙白水的成分及含量的因素很多，因此很難找到適合于任何造紙廠纖維回收的處理方法，所以具體的技術(shù)設(shè)備應(yīng)視各造紙廠的具體情況來選擇。

1.1 國外的發(fā)展?fàn)顩r

在纖維回收設(shè)備發(fā)展過程中，國外的纖維回收設(shè)備發(fā)展較快，例如多圓盤真空過濾的開發(fā)制造已有近百年歷史，積累了豐富的經(jīng)驗，例如較為熟悉的奧斯龍、克瓦納海麥克、艾姆科等國外公司[6]。早在20世紀70年代，國外大多使用多圓盤式纖維回收設(shè)備來回收白水中的纖維和填料，并迅速得到普遍應(yīng)用，至今已取得長足的發(fā)展。

1.2 國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r

在20世紀70—80年代，許多紙廠采用多種處理方法如過濾法、氣浮法、斜板沉淀法[7-8]等進行封閉白水試驗，其中氣浮法是當(dāng)時造紙企業(yè)纖維回收的主要方式。90年代，保定鈔票紙廠[9]按照“濃淡分流，分質(zhì)處理，回收利用”的原則，在造紙白水處理過程中引入水力篩，設(shè)計了“水力篩－沉淀池－濾池”等工藝，使得纖維回收率大大提高。受到國內(nèi)外經(jīng)濟效益和規(guī)模環(huán)境的影響，大型企業(yè)多使用多圓盤過濾系統(tǒng)進行纖維回收，中小型企業(yè)多采用過濾和氣浮法進行纖維回收，在白水循環(huán)過程中進行纖維回收不僅能降低原料成本，還具有節(jié)能節(jié)耗的作用。

2 纖維回收技術(shù)

在制漿造紙白水處理過程中，由于細小纖維大多在白水中存留，所以纖維回收通常在白水循環(huán)過程中進行。廢水循環(huán)過程中纖維回收技術(shù)的發(fā)展與設(shè)備的改進能促進工廠的經(jīng)濟循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。目前，我國常用的白水回收方法主要包括氣浮法、沉淀法和過濾法。

為了提高纖維回收率，尋找更經(jīng)濟有效的纖維回收技術(shù)，多家企業(yè)以及工廠對現(xiàn)有的技術(shù)不斷進行優(yōu)化及改進。針對造紙白水中的棉漿纖維回收，蘇書智等[10]研究了采用水力篩裝置回收纖維的工藝路線，其通過水力篩回收棉漿造紙廢水中的纖維，不僅纖維回收率高，而且投資省，見效快。此外，維美德公司推出了名為Valmet Pressure-fed Bow Screen的多用途弧形壓力篩，此款設(shè)計通過弧形結(jié)構(gòu)能夠最大限度地提高纖維回收與漿料濃縮工藝的效率，其采用了維美德的最新技術(shù)，具有低能耗、少人工的優(yōu)點，可以用來生產(chǎn)高強度包裝紙板[11]。NASSAR[12]提出了一種內(nèi)部處理循環(huán)，包括再循環(huán)紙機廢水，可通過安裝纖維回收單元來完成，這種安排減少了約90%的淡水使用量，減少了80%~90%的纖維損耗，并增加了13%的紙板產(chǎn)量。HUBBE等[13]演示了一個用于生產(chǎn)紙巾的閉環(huán)系統(tǒng)，通過對白水系統(tǒng)進行再循環(huán)，纖維損耗從2.3%降低到低于1%。通過白水回收可以幫助紙廠減少清水用量，提高纖維回收效率，保證能源的充分利用，并減少污水處理成本。以凱登公司為例，其在白水回收應(yīng)用中的多圓盤過濾及氣浮法回收流程示例見圖1[14]，此方法能夠有效地進行纖維回收和白水處理。纖維回收技術(shù)能夠充分發(fā)揮資源的回收利用，節(jié)約成本，降低能耗，積極響應(yīng)了國家政策的號召，滿足對節(jié)能降耗等能源短缺問題的需求，并且產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，所以未來對纖維回收技術(shù)的改進與利用將會有廣大的市場。

圖1 白水回收應(yīng)用的典型流程示例(以凱登公司為例)

2.1 氣浮法

2.1.1 氣浮法原理

白水中的固體物吸附空氣后，其表觀密度降低，從而漂浮集聚于液面而與水分離，氣浮法就是根據(jù)此原理。在制漿造紙過程中，由于纖維具有親水性，需對其進行疏水改性，從而達到在氣浮過程中與氣泡附著的回收過程。在20世紀70—80年代，我國的造紙企業(yè)多采用氣浮法進行白水處理的纖維回收，氣浮法的發(fā)展已逐步成熟，常用的氣浮方式為加壓氣浮、射流氣浮、超效淺層氣浮。其中，超效淺層氣浮是目前國內(nèi)用來處理造紙白水，進行纖維回收最常用的一種方式，其使用廣泛且效果良好。葉蒼[15]介紹了超效淺層離子氣浮法技術(shù)在福建南紙股份有限公司的應(yīng)用，以及在這一技術(shù)應(yīng)用過程中的工藝特點、處理效果、運行成本等，說明通過超效淺層離子氣浮法可以確保廢水的排放達標(biāo)以及提高纖維回收率。MIRANDA等[16]研究了C-PAMs和A-PAMs對溶解氣浮（DAF）造紙中溶解物和膠體物絮凝去除率的影響，結(jié)果表明其有助于造紙過程中纖維與雜質(zhì)的分離，且4 h的水力停留時間（HRT）用于沉降，可有效降低紙漿損失。在不同的造紙廠制漿造紙過程中，不同的氣浮法處理方式具有不同的作用效果，因此，需要根據(jù)造紙廠的具體需求選擇合適的纖維回收處理方式。

2.1.2 主要設(shè)備

氣浮法采用的主要設(shè)備包括射流器、容器罐、集水池、浮選槽、充氣設(shè)備等，具體見圖3。

圖3 氣浮法的主要設(shè)備及纖維回收工藝[17]

2.1.3 優(yōu)缺點

氣浮法回收纖維的優(yōu)點在于，處理效果穩(wěn)定可靠，擁有較高的回收效率，回收水質(zhì)好，能夠清除蠟質(zhì)、瀝青以及脂肪性物質(zhì)，對于酸性、中性和堿性的抄造白水均可以有效處理，并且氣浮系統(tǒng)占地面積較小，結(jié)構(gòu)簡單，可給相關(guān)施工操作帶來極大的便利。

氣浮法也存在缺點，如存在較多的動態(tài)設(shè)備，并且故障較多，運行電耗和費用比較高，增加了日常維修工作量等[18]。供氣量、白水濃度、絮凝劑的種類和用量等因素對纖維回收效率也有較大影響，如果空氣量太多，會導(dǎo)致流體湍流，從而破壞絮聚，降低氣浮效果；如果空氣量不足，會降低回收效率，所以控制好溶氣比[19]是提高纖維回收效率的關(guān)鍵。

2.2 沉降法

2.2.1 沉降法原理

沉降法的原理是，廢水中密度較大的懸浮物質(zhì)借助重力作用，從廢水中沉降下來，從而與水分離，達到回收纖維、填料以及澄清白水的目的。根據(jù)懸浮物顆粒的大小、密度、形狀等，存在4種可能的沉降方式，即離散顆粒沉降、絮凝顆粒沉降、區(qū)域沉降和壓縮沉降。在目前的纖維回收沉降法應(yīng)用中，絮凝沉降法應(yīng)用的較普遍。MUKHERJEE等[20]以瓜爾膠、黃原膠和刺槐豆膠為絮凝劑，研究了從造紙廠廢水中回收纖維素纖維的方法。瓜爾膠是一種天然植物提取物質(zhì)，對環(huán)境無害，為造紙廠的紙漿回收提供了一種綠色處理方式。絮凝劑可以沉降白水中的細小纖維和其他細小固體顆粒懸浮物，絮凝沉降法是一種操作簡便、應(yīng)用廣泛的水處理方法，通常應(yīng)用在白水處理。在造紙白水的處理過程中，造紙白水先經(jīng)微孔過濾處理回收纖維，以降低白水中的懸浮物含量，再加入混凝劑和助凝劑，使白水中的細小纖維、填料、膠體性物質(zhì)及部分溶解性有機物聚沉，處理后的澄清水可完全回用于生產(chǎn)或排放[21]。

2.2.2 主要設(shè)備

沉淀塔是目前使用比較多的沉淀設(shè)備，白水由塔頂進入塔體罩內(nèi)，經(jīng)過內(nèi)罩體和分流管的作用使白水形成一定的旋流體，進行離心沉淀。

2.2.3 優(yōu)缺點

沉降法的優(yōu)點是沉淀處理方法成熟、穩(wěn)定，在處理過程中電耗較低，操作維護簡單，運行費用相對于其他纖維回收方式更低。化學(xué)絮凝處理造紙白水具有投資少、工期短、處理系統(tǒng)運行管理簡單、操作靈活、處理效果好等特點?；瘜W(xué)絮凝處理能有效去除再生造紙廢水中的SS、色度以及有機物等，得到的泥漿經(jīng)過適當(dāng)處理后還能用作生產(chǎn)箱紙板的紙漿，處理的上清液可以作為工業(yè)水循環(huán)使用，因此其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益相當(dāng)顯著。

沉降法的缺點是占地面積較大，污泥需經(jīng)濃縮后脫水。用沉降的方法分離細小纖維和填料的時間長，效率低，適合小型紙機；當(dāng)白水濃度過大時，白水會在塔錐體部分繼續(xù)沉淀，此時，受到連續(xù)從塔錐底排出的尾漿所形成向下分流量作用，進入錐體部分的濃白水的沉淀速度逐漸加快，使塔錐部尾漿濃度按錐體高度形成穩(wěn)定的濃度梯度，此為沉淀塔穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

2.3 過濾法

2.3.1 過濾法原理

過濾法是將廢水中的懸浮物通過一層有孔眼的過濾介質(zhì)或裝置進行分離，根據(jù)尺寸的大小決定廢水中懸浮物顆粒的截留，通過各種過濾方式將纖維過濾出來。過濾機已廣泛應(yīng)用在白水循環(huán)纖維回收過程中，例如：雙鼓過濾機、多圓盤式過濾機、真空過濾機、壓榨過濾機等。造紙企業(yè)最大的用水點就是紙機設(shè)備，如果能把紙機生產(chǎn)用水處理后回用則可以節(jié)省大量清水，從而產(chǎn)生顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。其中，多圓盤過濾法用于大、中型制漿造紙廠，主要用于造紙白水中纖維、填料及水的回收（見圖4）。

圖4 多圓盤真空過濾機用于紙漿濃縮及白水回收的流程[6]

2.3.2 主要設(shè)備

過濾裝置或介質(zhì)包括格柵、篩網(wǎng)、過濾機等，應(yīng)按廢水中懸浮物的性質(zhì)進行選擇，才能達到良好的收集效果。

過濾機被廣泛應(yīng)用于除去廢液中的纖維及其他懸浮物，進行纖維回收。常用的過濾機為轉(zhuǎn)鼓式、圓盤式、履帶式等[22]，隨著國內(nèi)紙廠規(guī)模日漸擴大，以及對水資源、能源、環(huán)保等方面的要求，多圓盤真空過濾機已成為白水回收、紙漿篩選精選后濃縮的優(yōu)選設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。袁磊等[23]介紹了煙草薄片公司主要使用的回收裝置是弧形篩、旋翼篩和帆布式過濾裝置，并比較了不同回收裝置對于纖維回收的處理效果，結(jié)果表明帆布式過濾裝置對纖維的回收效果最好。程文業(yè)等[24]對國內(nèi)外多圓盤過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析，并提出了改進措施，可以最大限度地提高了白水利用率，進而提高纖維回收率，且設(shè)備整體性能已基本達到國際先進水平。

圖5 多圓盤過濾機結(jié)構(gòu)[25]

2.3.3 優(yōu)缺點

多圓盤過濾的過濾效率高，過濾質(zhì)量穩(wěn)定，濾液損失少；且多圓盤結(jié)構(gòu)的配置齊全，操作方便，便于維護；過濾過程在全封閉不銹鋼拋光容器和衛(wèi)生管路中進行，滿足了纖維回收安全過濾及衛(wèi)生性的要求。由于具有處理白水量大、便于操作、能源消耗低等特點，多圓盤過濾機經(jīng)常被造紙企業(yè)用于白水回收的水處理[26]。

多圓盤過濾的缺點是設(shè)備投資大，制造要求高，為形成真空需將設(shè)備架高或使用真空泵，卸料較難，濾網(wǎng)易堵塞等。

3 纖維回收的應(yīng)用

由于纖維回收具有重要的應(yīng)用價值，不僅能夠降低制漿造紙原料生產(chǎn)成本，降低能耗，而且對于環(huán)境友好，極大地促進了制漿造紙企業(yè)的發(fā)展。隨著國內(nèi)外制漿造紙企業(yè)的發(fā)展，對于回收的纖維的用途也變得十分廣泛。

通過熱解法處理回收纖維，可以回收能源加以利用。BROWN等[27]評估了通過緩慢熱解法將廢紙回收廠的纖維殘留物轉(zhuǎn)化為有價值的能源產(chǎn)品的適用性，對回收纖維進行熱解，從而達到熱量回收利用的目的，提高了回收纖維的利用率。PUITEL等[28]闡述了羅馬尼亞造紙工業(yè)采用沉降等技術(shù)方法回收纖維的做法，通過沉降技術(shù)使得回收纖維在羅馬尼亞造紙和紙板生產(chǎn)中的利用率為88.4%，回收的纖維被應(yīng)用于瓦楞紙板和衛(wèi)生紙等的生產(chǎn)，降低了廢料對環(huán)境的危害。高瑩[29]研究了采用化學(xué)助劑回收造紙廢水中的超短纖維，將回收的纖維用于瓦楞紙生產(chǎn)，不僅可以降低能耗，節(jié)約成本，還能達到C級瓦楞紙板的物理性能指標(biāo)。將造紙廠產(chǎn)生的廢棄纖維作為燃料或者填埋都會對環(huán)境造成危害，纖維回收技術(shù)公司（FRT）針對此問題開發(fā)了一種機械再制漿方法[30]，可以逐漸地分離纖維，同時保留大部分污染物，纖維可以很容易地從污染物中篩選出來，用于再次制漿造紙。針對資源短缺的現(xiàn)狀，馬志娟[31]分析了纖維回收利用技術(shù)現(xiàn)狀，提出應(yīng)用物化技術(shù)、生物技術(shù)等來提高纖維回收率，并展望了回收纖維用于紙和紙板再生產(chǎn)的發(fā)展前景。

綜上可知，制漿造紙白水循環(huán)過程中的纖維回收不僅可以降低能耗、節(jié)約原料、清潔用水，還可以實現(xiàn)纖維的綜合利用，減少污染排放。制漿造紙白水循環(huán)過程中的纖維回收利用，不僅需要依托國內(nèi)纖維回收技術(shù)、方法、設(shè)備的快速發(fā)展，還要學(xué)習(xí)國外先進技術(shù)、設(shè)備，更需要根據(jù)不同企業(yè)的實際需要選擇合適的纖維回收方式和設(shè)備等。

4 展望

從目前造紙企業(yè)的能源消耗情況和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展趨勢來看，對白水循環(huán)封閉系統(tǒng)進行纖維回收是制漿造紙工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前，在白水循環(huán)過程中還不能夠100%進行纖維回收，科研人員仍需要不斷設(shè)計新的白水循環(huán)系統(tǒng)方案，優(yōu)化纖維回收單元來提高纖維回收率。為助力2060年實現(xiàn)碳中和，國內(nèi)造紙行業(yè)必須重視對白水封閉循環(huán)回用和纖維回收技術(shù)的研究，并通過對氣浮、沉淀、多圓盤過濾等纖維回收技術(shù)的升級改造提高纖維回收率。纖維回收對于造紙企業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展而言其價值是非常可觀的，必定會促進造紙企業(yè)在纖維回收利用、降低纖維原料成本以及能源消耗等方面的技術(shù)發(fā)展。

纖維回收技術(shù)將會朝著節(jié)能減排、高效循環(huán)的方向發(fā)展。通過上述對制漿造紙過程中纖維回收設(shè)備的分析可知，在制漿造紙過程中的纖維回收具有較多的工藝，隨著國家對節(jié)能減排的大力支持，會極大推動具有高效節(jié)能優(yōu)勢的纖維回收技術(shù)發(fā)展。當(dāng)前，我國與國外先進技術(shù)和裝備的水平還有一定差距，未來需要大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，促進技術(shù)的成熟與升級，加快實現(xiàn)纖維回收技術(shù)的智能化、節(jié)能化和綠色化。