《科技创新与品牌》杂志社创新成果

造纸行业发展新思路废纸造纸废水零排放

 

 

        2005年3月,胡锦涛总书记首次提出中国要“努力建设资源节约型、环境友好型社会”,随后,10月召开的十六届五中全会将建设资源节约型和环境友好型社会确定为国民经济与社会发展中长期规划的一项战略任务。时至今日,资源节约型、环境友好型社会的建设和维护仍然需要全社会的共同努力,其中重要环节之一的循环经济也要依赖各个行业全方位的推进。
        西安交通大学贺延龄教授主持研发的“废纸造纸废水零排放技术”(以下简称“零排放技术”),就是一项资源节约型、环境友好型的创新性技术。它的应用不仅能够节水、节电、节约原料等资源,更能够有效减少甚至杜绝造纸行业的污染排放,改善生态环境。零排放技术的清洁生产、节能减排效应,迎合了目前造纸业先进技术匮乏的市场需求,为饱受诟病的造纸业转型发展提供了新的发展思路。
        废纸造纸是有别于采用植物原料的化学、半化学制浆方法的造纸工艺,是典型的“资源—产品—再资源化”的循环经济过程。废纸造纸不仅单位原料成本低、节约植物资源,更是另一种意义上的变废物为资源;另一方面,废纸造纸本身产生的污染物较少,且其废水更易于处理。

贺延龄(左)向西安市市长陈宝根介绍零排放技术项目情况


        造纸工业的零排放技术是涉及生物工程、废水处理和造纸工艺的较复杂的系统工程,需要长期的实践研究基础和多种技术的集成。
        贺延龄教授是“厌氧—好氧处理实现废纸造纸废水零排放处理工艺”发明专利(专利号:200510042779.4)持有人之一,中国造纸废水厌氧生物处理领域最有影响的开拓者之一,长期从事水资源可持续利用、水污染控制以及环境微生物学研究。上世纪90年代中期,他曾留学荷兰,在国际厌氧生物技术权威G.Lettinga教授领导的实验室工作,并参与了荷兰皇家科学艺术院有关造纸的科研项目,对厌氧生物技术进行了深入研究,积累了深厚的理论基础知识和实践经验。回国后,贺延龄又主持完成了多项废水处理回用、厌氧技术应用等相关领域的课题项目研究,以十余年的经验积累,为“零排放技术”的研发奠定了坚实的基础。
        贺延龄介绍,“零排放技术”是通过循环水的处理工程结合造纸用水系统的优化实现的,其循环水处理过程包括“循环水的分级处理技术”和“循环水的分级回用技术”。
        在零排放中,废水即循环水。“循环水的分级回用是在对用水系统的水量、水质和工艺要求的科学分析与衡算的基础上,根据不同生产工序的出水水质和进水水质要求,确定各关键工序的回用水限制性水质参数及其极限进出口浓度,结合经验,运用过程工业水系统集成优化理论与方法,最终实现水的清污分流和多级循环,达到清水用量最小化和废水零排放的目标。在满足以上要求的同时,伴随能源、水的节约与物料(纤维和填料)回收,显著降低了造纸成本。”贺延龄解释道。
        “循环水的分级处理采用高效厌氧反应器技术为核心的处理工艺,对生物处理工艺的控制是循环水分级处理技术的关键,以高效厌氧反应器技术为核心,通过微生物来‘消化’造纸过程中产生的以挥发性脂肪酸(VFA)为主的可降解有机物,使其降解变为甲烷和细胞物质而除去。而厌氧处理产生大量的CO2,也能够在生物厌氧颗粒污泥形成后,加速钙的沉淀作用,最终加速生物软化,降低循环水的硬度。”值得一提的是,循环水处理过程中产生的沼气,也可充分回收用于造纸干燥过程或用于生产蒸汽,这也是该技术“变废为宝”的特色之一。
        贺延龄教授介绍,西安交大的零排放技术,还包括了对关键设备的开发。用于零排放的新的“高负荷体外自循环厌氧颗粒污泥悬浮床反应器”(专利号:200510042780.7)和“上流实验氧污泥床”(UASB)反应器在净化循环水的同时,还可消化好氧过程产生的剩余污泥,降低系统污泥量,消除废水中的硫酸盐。因其负荷高、不消耗曝气动力等优点,使处理成本比传统的生物处理大幅度降低。
        该技术已通过陕西省科学技术成果鉴定,并申请获得了国家发明专利。鉴定报告显示,该项技术具备以下四项技术创新:
        1.针对国内废纸残余木素高,污染负荷高,胶体与钙、硅酸盐含量高的特点,开发了以厌氧—好氧生物处理为核心的一整套循环水处理工艺,持续稳定地实现了废纸造纸的废水零排放;
        2.针对造纸废水悬浮物含量高、浓度大的特点,研制了改良型的UASB反应器,结构的革新使其可同时消化好氧过程产生的剩余污泥,降低了系统污泥量,处理成本比传统的生物处理大幅度降低;
        3.通过严格控制厌氧UASB反应器和好氧反应器的参数,使得系统在转化有机物的同时,将废水中的盐类富集于生物污泥中除去,以低成本实现了循环水的生物软化,满足了生产用水的要求;
        4.在国内首次将集成优化方法应用于造纸工业的用水网络改造,并实现了造纸工业循环水的多级回用水系统。
        作为陕西省唯一通过省科技厅成果鉴定的零排放项目,此项技术“在该领域及其类似领域具有普适性,具有推广应用的广阔前景……从总体上看,该项技术先进,具有创新性,技术成熟,应用效果明显,节水、节能、减污、增效显著,可以在废纸生产本色纸领域大范围推广应用,整体技术达到了国际先进水平,在生物软化效果、草浆废纸为原料的零排放、涉及纸种的多样性等方面达到国际领先水平。”项目获得2008年陕西省科学技术一等奖,2010年“第十九届国家发明展金奖”、国际发明协会联合会“最佳发明奖”。
        贺延龄所在的西安交通大学是国内第一家废纸造纸零排放工程的实施者,拥有该技术及相关技术设备的发明专利,并成功设计、实施了多项工程,取得了显著的经济效益和社会效益,赢得了行业内外的广泛认可。该项技术的研发得到国家和陕西省科技、环保管理部门的积极支持,列入我国科技重大专项“水体污染物控制与治理”项目—“渭河关中段重污染行业水污染控制技术研究集成”课题和陕西省重大科技专项“造纸废水零排放关键技术研究与工程示范”的研究内容,有力地促进了该项目的研发和成果转化。
        在贺延龄教授及其团队的共同努力推进下,现在各项关键技术成熟,已经成功运用于国内20余家造纸企业。
        在示范工程中,废纸造纸厂对循环水的处理采用以厌氧生物处理为主,好氧生物处理技术为辅的技术路线,能够有效消除废水中的溶解性有机物、钙盐、硫酸盐、胶体的积累,使废水处理后完全满足回用要求;能够大量节省水电资源(吨纸用水量降低到1.5~2.5m3,比传统生物处理节电70%以上);并获得显著的减排效果(减少污泥排放95%以上,完全不再排放废水),实现纤维和能源(沼气)的回收利用。零排放技术是资源循环利用的有效方式。
        造纸行业示范应用表明,它能够显著提高废水处理水平,促进废水处理规范化管理,推动了节水治污在低成本下实现,为工业废水处理技术进步、节能减排的推进和循环经济的发展作出了积极贡献。
        加强废纸回收利用,推广造纸行业节能减排新技术,不仅具有相当大的经济效益和社会效益,对造纸业的原料结构调整、行业转型发展也提供了新的思路。同时,它对于相关地区生态环境的改善和循环经济的发展也有极大的借鉴意义。

陕西省、西安市领导多次视察零排放技术示范项目现场

        贺延龄,1988年获博士学位,荷兰留学归国人员、博士生导师。主要从事水资源可持续利用、水污染控制以及环境微生物学研究,先后被纽约科学院、美国微生物学会、国际水学会吸收为成员,先后担任陕西省化工学会环境专业委员会主任委员、陕西省环境科学技术学会常务理事。承担过包括国家重点科技攻关、国家高科技项目(863)、国家和省自然科学基金、省重点、省科技发展基金以及企业委托的科学研究和科技服务项目等共计42项。在国内外学术期刊、国际会议发表论文90余篇,出版专著两部。