浅谈纸机白水的封闭循环.doc

浅谈纸机白水的封闭循环随着社会和经济的不断发展，环境资源问题日益突出。对于制浆造纸工业来说，其用水量和废水排放在不断增加，对环境的污染也越来越严重。因此，如何合理地利用水资源，减少污水排放已成为当今社会的热门话题。环境保护的压力促使现代制浆造纸工业逐渐采用白水封闭循环。目前，较为可行的是纸机白水的封闭循环回用，提高白水的利用率减少抄纸清水的用量，达到降污节水的目的，实现清洁生产1 国内外造纸用水现状1.1 中国造纸行业耗水量大，整体节水水平较低。中国造纸行业耗水量很大，整体节水水平很低，与国际先进水平相比差距较大。1998年每万元工业总产值取水量为95m，约为发达国家的510倍；1999年用水量为118.6亿m，其中，取水量和重复利用量均为59.3亿m，中国工业用水重复利用率约为50%，仅相当于美国和日本20世纪70年代初的水平，远远低于发达国家重复利用率80%的水平。不少企业设备陈旧、工艺落后、规模较小，吨纸取水量都在100 m以上。近几年，国内许多纸浆造纸企业采用先进的白水回收装置，通过白水的重复利用来达到降低水耗的目的，使我国造纸工业用水情况有所改善。福建南纸、上海泛亚潜力的纸业公司采用多元盘过滤机、超效浅层气浮净水器，新闻纸造纸车间水循环利用率已达到77%79%,重复利用率已达到92%94%，吨纸用水在1012 m。江苏金东纸业的铜版纸、胶版印刷纸，宁波中华纸业的白板纸、白卡纸，苏州金红叶纸业生活用纸的吨纸用水量分别为18、15、9 m。目前我国造纸工业的用水量普遍超标，因此实现纸机白水封闭循环具有很大意义。1.2 国外造纸工业清水用量呈大幅下降趋势国外浆纸工业用水量在20世纪5060年代也很高，但进入20世纪8090年代后，在重视环保与节约自然资源的社会压力和政治法规的制约下，制浆造纸工业用水在一些发达国家中有了显著下降。目前美国造纸工业用水量约为4565 m/t纸，其中造纸用水量为1530 m/t。利用废纸为原料的新闻纸，包括制浆和造纸每吨产品用水量已下降至20 m以内。新墨西哥州的Mckinley箱纸板厂，吨纸板耗新鲜水仅为2 m。国外造纸工业的经验表明，造纸企业实现生产量递增，耗水量递减的可能性是存在的，如美国和奥地利。美国的造纸产量一直位于世界的第一位，并呈逐年上升的趋势，而造纸用水量却在逐年下降；奥地利的造纸总产量从1960你的111.7万t增长到1998年的565.8万t，而清水的使用量却从1.2亿m下降到1.08亿m，单位产品清水耗量从1960年的107.4 m/t纸，降至1998年的19.1 m/t纸。19711996年，发达国家吨纸清水用量大幅度下降（见表一）。德国Stora Enso纸厂2#纸机吨纸仅耗清水4.2 m。芬兰Metsa-Serla Kirkniemi纸厂利用自制SGW和PRMP浆生产35万t/a杂志指和30万t/a高级文化用纸，该厂生产1t未涂布纸大约耗用清水8-10 m。美国Cedar纸板厂以100%废纸（芯层为OCC，面层为MOW）生产年产32万t的花岗石纹挂面纸板，清水用量为7600 m/d，吨纸清水用量为3.8 m；Mckinley纸板厂以100%OCC为原料生产年产19万t挂面纸板，吨纸清水用量仅为1.5 m。表1 国外部分造纸厂吨纸清水用量品种清水用量/ m每吨纸1971年1998年挂面纸板、瓦楞芯纸3080210新闻纸60100612不含机械浆高级纸80180510多层纸板150200815超级压光纸1001501015薄页纸2503001015低定量涂布纸10202 纸机白水回收技术1979年，我国开始推广“纸机封闭循环用水”新技术。主要措施包括气浮法、斜板（斜管）沉降法、多元盘过滤机等。当时推广最快的是射流气浮法白水回收。当今世界上最先进的白水回收技术是KROFTA超效浅层气浮新技术，近几年国内已引进多台设备用于纸机白水回收，收到了很好的效果。2.1 射流气浮法纸机白水回收技术射流气浮法适用于造纸白水中纤维、填料及水的回收；也适用于各类废水处理中的固液分离及污泥浓缩。其主要原理为：压力溶气水经减压释放出直径约为50m气泡的气-水混合液与含有悬浮物的废水（如纸机白水中的纤维和填料）混合，形成气-固复合物进入气浮池进行分离。分离后的水则由设在气浮池适当位置的集水管道收集后送至清水池，浮在池表面的悬浮物（如纸浆、填料）则收集到浆池，不能上浮的沉淀物沉积在气浮池的泥斗中定期排放，以保证出水水质稳定。2.2 多盘式真空过滤机处理纸机白水早在20世纪70年代，国外就大量采用多盘式纤维回收机回收纸机白水中的纤维和填料，并迅速得到普遍应用，至今已经取得长足发展，如原芬兰奥斯龙公司设计生产的多盘式真空过滤机，其过滤面积最大达1140。该技术适用于大、中型制浆造纸长，主要用于造纸白水中纤维、填料及水的回收。主要特点是：过滤过程连续，工艺过程稳定，对抄纸工艺没有负面影响。适应性好，它对各种白水中纤维和填料的回收都具有良好效果，对涂布纸白水回收效果也很显著。该设备占地面积小，节省基建开支，并对老生产线的改造也具有良好的适应性和灵活性。运行费用低，真空系统除特殊情况，一般不用真空泵，运行过程中处有限的电耗外，无其他附加的消耗费用。纤维和填料的回收率高，一般能达到95%以上。清滤液的固形物含量低。自动化程度高，可利用计算机和各种仪表控制。虽然正常运行时有时需加入一定量的预挂浆，但回收过程中完全能把预挂浆全部回收，并且过滤后的浆和水可不经过处理直接进入造纸工艺流程。2.3 超效浅层气浮技术处理纸机白水超效浅层气浮技术是当今世界上最先进的白水回收技术，其原理与传统溶气气浮相同。不同的是它先进的快速气浮系统，超效浅层气浮池成功地运用了 “浅池理论”和“零速”原理，通过精心设计，集凝聚、气浮、撇渣、沉淀和刮泥等多项功能于一体，是一种水质净化处理的高效设备。超效气浮技术的特点是：溶气水质量很高，其气泡直径一般在10m左右，大大增加了微气泡与悬浮物的接触面积和接触点，有利于上浮作用。实践证明，气泡直径越小越不易破裂，避免了上浮过程中及上层浮出物因气泡破裂造成悬浮物重新下降。超效浅层气浮的第一个关键技术是溶气水的制造。其溶气罐构造独特（是专利技术），体积很小，但溶气效果很好，这是它优于其他气浮形式的关键所在。池子很浅，一般水位控制在600mm左右，大大缩短了气浮时间，一般35min即可完成气浮过程，因此，气浮效率可比射流深池气浮提高5倍以上。布水均匀，且释放出的水直接上升，基本无横向流动，避免了横流对上浮作用的影响。出浆独特，采用连续运转的回转勺式汇浆器，对上层积聚的悬浮物去除及时，且干扰很小，避免了浮出物的重新下降。释放器有特色，释放均匀，有利于提高气浮效果。靠近池底部有连续运转的沉淀物清除刮板，便于及时清除沉淀物，保证了池底干净及有效的气浮水深。KROFTA技术的先进性已受到国内很多企业的重视，国内已有多家设备厂对其进行了消化吸收，并制造出了与国外同等水平的先进设备。超效浅层气浮装置表面负荷和容积负荷高，占地空间小，净化效率高。实践证明，对吨纸排水量较小，废水含污浓度高的废纸造纸废水，若只采用一级物化处理很难达到国家规定的污染物排放标准，而超效气浮装置和二级生化处理相结合的方法可使造纸废水达标排放，是处理废纸造纸废水行之有效的办法。3 白水封闭循环系统3.1白水封闭循环有研究者将白水封闭循环划分等级，以白水回用率的多表示系统的封闭程度。100%的白水回用则称为系统全封闭。也有人将吨纸耗清水的多少作为划分系统开放与封闭的标准。吨纸清水用量超过2.85m视为开放系统，低于2.85m视为全封闭系统。因此，白水封闭循环的程度可通过白水的回用率来衡量。3.2 “零排放”“零排放”就是指经过处理的废水被完全回收利用。对于造纸白水系统来说，“零排放”的概念是要求没有废物排放，而不是指没有水排放。“零排放”是白水封闭循环的最高层次，该目标很难达到。因为在实际生产中，纸机白水的封闭循环程度越高，其处理成本越高，而且会影响纸页的质量。目前在世界范围内，制浆造纸“零排放”企业还仅限于浆厂和以二次纤维或未漂浆生产瓦楞原纸及挂面纸板的纸厂。3.3 纸机白水的性质和特点纸机白水中所含物质包括溶解物（DS）、胶体物（CS）和悬浮物。DS和CS来自木材、水和生产过程中添加的各种有机和无机添加剂及应用的化学药品。有机物包括木材降解产物、添加剂和各种聚合物等；无机物包括各种金属阳离子和阴离子，如作为填料或涂料加入的CaCO3、滑石粉、白土、TiO2等和作为施胶或助留、助滤剂加入的硫酸铝。悬浮物通过沉淀、过滤或气浮等方法就可以除去。CS一般容易从白水中除去，甚至于较小的胶黏物也可能在添加某些有效的助剂以后在溶气气浮时除去，但还不能全部除去。DS是白水循环时逐渐积累的溶解性盐基，如Na+、SO42-。由于白水长时间循环，DS不断增加，导致白水pH值逐渐降低，造成部分设备和白水管道的腐蚀，尤其是白水回用率较高的造纸厂，腐蚀问题更严重，但现有的添加剂在气浮池中很难去除。因此，除了正确选用防腐蚀材料和在白水系统中添加缓蚀剂外，还要选择恰当的白水回用率。如果对白水进行彻底处理，虽然达到了“零排放”，但成本很高，而且又会影响生产的正常运行。研究表明，纸机白水会用率在70%75%时，既可以节约用水又能满足生产上的防腐蚀要求；如果将白水回用率提高到90%，投加一定量的缓蚀剂也可以达到防腐蚀的目的，在经济上也是合理的，且不影响产品质量。3.4 废纸造纸纸机白水的封闭循环当今全球都十分重视废纸的回收利用。利用废纸制浆造纸，工艺简单，水耗大大减少，且污染负荷只是用木材、麦草等自然原料造纸的1/15。废纸造纸可实现“零排放”，既节约生化处理的运行费用和设备的投资，又满足了环保的要求。3.4.1 废纸造纸的封闭与全封闭目前在美国和欧洲已有一些利用废纸生产瓦楞纸、箱板纸、油毡纸、涂布纸板等品种的工厂实现“零排放”。这是因为其湿部化学均比较简单，对产品外观要求不高，产品质量和纸机的运转对可溶性胶体有机物和无机物的存在不像一些高级纸种那样敏感，在某些程度上意味着产品质量与湿部的封闭无关，产品质量几乎不受积累物的影响。这些纸板厂可以使用较为简单的废水循环和处理方式，达到“零排放”。实现“零排放”的工厂有两个因素可以利用，一是某些化学物质，如Ba2+、AI3+、Fe3+等离子有较高净电荷密度和较大的粒度，对纤维和填料有一定的亲和力，它们会吸附在纸页上并随同纸页抄成产品。二是根据废纸回收工厂的特点，总会有8%20%的塑料、蜡、木块等外来物质和纤维、填料等作为废弃物被排出废纸处理系统之外，这些废弃物水分含量一般都在50%以上。也就是说，一个100t/d的废纸加工厂，纤维得率以80%计，每天要有20t的水随同废弃物一同排出，焚烧或填埋。生产中可以充分利用这两个因素来控制胶体物质在废水回收系统中的积聚，努力实现废水的“零排放”。德国在20世纪80年代约有10余家废纸回用的小造纸厂实现了白水全封闭，这些厂的吨纸清水用量是1.01.5m，相当于纸机干燥部蒸发的水量，达到了“零排放”。山东华泰纸业公司于2000年新上的年产16万t新闻纸项目，实现了水的全封闭循环利用，吨纸耗水不足15m。3.4.2 废纸造纸实现废水“零排放”的条件进入废纸处理系统的材料要比较清洁，含杂质比较少，应使用经挑选过的OCC、新瓦楞纸切边等。生产的最终产品对外观质量没有特别严格的要求，诸如瓦楞芯纸、箱板纸、油毡纸等。抄纸过程施用的化学品要精确控制，尽量使它们不在回水中积聚。抄纸过程的施胶剂大多使用松香胶而不用烷基烯酮二聚体（AKD）和烯基琥珀酸酐（ASA）等易于水解的合成胶，以免胶料在回水中积聚。有的纸厂只在纸机干燥部进行表面施胶。在全封闭系统中不用淀粉，因为它会水解并留在水中，从而滋生细菌，形成粘腐性物质。4 白水封闭系统的“阴离子垃圾”（AT）问题随着纸机白水封闭循环程度的提高，纸机湿部干扰性的阴离子杂质的聚集和浓度越来越高，阴离子垃圾的问题更加突出。阴离子垃圾包括半纤维素、亲脂抽出物、木素、中性多糖、带电多糖、蛋白质等。胶体粒子是由抽出物、碳水化合物和木素类物质组成。这些物质又分为溶解物和胶体物两类。溶解物和胶体物是造纸废水中封闭循环中最主要的组分。白水中的溶解物（DS）与胶体物（CS）统称为胶溶物（DCS）。在造纸系统中，阴离子垃圾含量一般可用浆料滤出液的阳离子需求CD来表示。4.1 DCS的危害及来源随着纸机白水的封闭循环程度越来越高，阴离子垃圾也随之越积越多，会产生许多负面影响，其主要危害表现如下：DCS中的阴离子物质是“阴离子垃圾”的主要组分，在浓度较高时，会削弱阳离子型助剂的使用效果；胶体具有粘性，易发生沉积，是产生二次胶粘物障碍的重要原因；DCS积累过多，导致水系统化学环境恶化和操作失常；增加水处理负荷和化学品用量，阻碍过程用水封闭循环和引起腐浆。DCS一方面来源于可溶性木材抽出物（小分子木素、淀粉、糖类等）、树脂等天然物质，另一方面来源于废纸浆中混入的胶粘剂类物质；同时造纸过程中加入的化学助剂和浆中的细小纤维碎片也是DCS的重要组分。这些物质的几何尺寸一般小于10m，因此控制起来具有相当大的难度，且控制对象仅限于胶体物质（CS）。4.2 “阴离子垃圾”对纸张性能的影响系统封闭循环后阴离子垃圾会直接影响到纸机的操作和成纸的质量。但由于各纸厂的生产原料、纸种和生产条件等不同，纸机白水封闭循环对成纸性能的影响并没有一个统一的评价标准。下面主要介绍白水系统封闭对新闻纸、纸板和包装纸性能的影响。对于新闻纸，其裂断长、抗张强度、耐破指数、伸长率和结合力均随着DCS的增长而降低；在光学性能方面，白度随着污染物的增加而降低，光散射系数、光吸收系数和不透明度一般随着污染物的增加而增加。研究发现，CS比DS对新闻纸裂断长的影响更大。对于纸板和包装用纸，物理强度没有受到不良影响，反而有一定程度的提高，纸板耐破度和环压强度指标呈上升趋势，而白水系统中的油类物质的积累会使纸页的物理强度大大降低。4.3 减轻“阴离子垃圾”的措施在现代造纸系统中，常采用化学方法对DCS进行控制。其中，减少造纸体系中阴离子垃圾的影响最有效的方法是用阴离子垃圾捕捉剂（ATC）或定着剂对浆料进行预处理。ATC一般为高阳电荷密度的线性低分子量的聚合物，包括