降低磨浆能耗、减少环境污染 生物酶或洗刷造纸业“原罪”

　　编者按 为实现我国“双碳”目标，需大力促进纺织、造纸、制药等重点行业的节能减排，而生物技术的应用，无疑会加快这些行业绿色转型的脚步。为此，本报推出“绿色生物制造”系列报道，聚焦生物技术如何助力传统产业走出高能耗、高污染之困。

　　如果将现在的纸张与过去进行对比，不难发现这些年来纸质变得越来越好，也越来越白。

　　然而，光鲜亮丽的纸张背后，却隐藏着造纸工业难以摆脱的高污染、高能耗的“原罪”。

　　与此同时，我国人多树少，木质原料纸浆极度短缺，造纸原料长期依靠进口原生纸浆和废纸。根据生态环境部和其他部委联合发布的公告要求，我国已于2020年底基本实现固体废物零进口，依靠进口废纸造纸已行不通。

　　近年来，在环保和成本的双重压力之下，秸秆等非木质原料，以生物酶辅助处理的高得率机械浆正在使造纸行业的原料结构发生微妙变化，为该产业尤其是包装纸产业带来一场变革。

　　纸张背后的行业之痛

　　造纸术是中国四大发明之一，中国造纸行业常年产销量均位居全球首位，约占全球总量的四分之一。

　　近年来，随着互联网技术的发展，电子阅读大行其道。但在短时间内，纸张在许多领域依然不可替代，比如教材、广告印刷、生活用纸等。

　　不论什么类型的纸张，都要从一根木质纤维做起。“造纸原料主要是用植物材料中的木质纤维。”南京林业大学教授戴红旗介绍说，为了获得木质纤维，需要先将植物原料削片或切短；经碱水高温蒸煮或机械研磨，分离出纤维得到纸浆；纸浆经机械磨浆，并以一定浓度在造纸机上脱水形成湿纸页，再通过压榨进一步脱水，烘干成纸。

　　人类为了获取制造纸浆的木质纤维，必须投入大量的水、电、碱等要素，同时会产生大量黑、臭、毒的废水，以至于许多造纸企业屡屡登上环保黑榜。

　　我国虽然地大物博，但森林资源十分匮乏，人均森林面积只有世界人均水平的1/7，为了减少国内木材资源消耗、减轻废水排放带来的环保压力，近年来我国大量进口国外木浆和废纸，以满足我国国民经济发展的需要。

　　“进口木浆可以直接用于造纸，生产白卡纸、生活用纸、特种纸等；而进口废纸主要用于生产纸板、包装纸和新闻纸等，比如电商快递行业大量使用的包装盒、瓦楞纸、牛皮纸等。”戴红旗说。

　　目前，我国造纸用浆进口比例高达40%。为了缓解造纸纤维原料不足，降低生产成本，造纸企业开始转向合理应用性价比高的非木质原料。

　　“制浆的原料分为木质和非木质两大类，除了林木以外，秸秆、竹子、芦苇、芒秆、棉秆都属于非木质原材料。”戴红旗告诉科技日报记者，过去受技术和工艺限制，非木质原料生产化学浆黑液提取率和碱回收率低，纸浆使用元素氯漂白，产生的废水不仅难处理，而且可吸附有机卤化物（AOX）含量极高，给生态环境造成巨大破坏，对人体健康也有威胁。

　　随着我国经济快速发展，生态环境保护及污染控制力度增强，1990年以后，几乎所有的非木材纤维制浆造纸企业都被关停。到目前为止，仅有四川等少数地区竹浆造纸企业还在运行。

　　非木质纤维制浆迎来新机遇

　　尽管非木质原料制浆生产已完全禁止，但非木质纤维利用技术的研究没有因此而止步。近年来，生物质精炼技术、高得率化学机械浆技术等成为热点，并受到业界的重视，让非木质浆重回造纸行业舞台。

　　“生物精炼可以将非木质纤维原料的各种组分分别资源化利用，特别是对半纤维素、木质素的高值化利用。”戴红旗告诉记者。

　　木质素大约占到非木质纤维原料组成的20%—40%，传统制浆就是脱除木质素，获得用作造纸原料的纸浆纤维。木质素是苯丙烷单元通过醚键、碳—碳键连接的具有三维网状结构的高分子聚合物，视植物纤维原料类型，木质素基本构成的芳香族单体有得失电子功能，能吸收紫外线，也是有应用潜力的储能材料。

　　过去，木质素的价值一直没有被很好开发与利用，制浆厂传统做法是把它通过燃烧回收热能利用。戴红旗介绍说，近年来，基于木质素酚羟基芳香族单体特殊功能，科研人员将木质素替代苯酚作为绿色胶黏剂、储能电解质/储能电极材料、抗紫外膜材料等。

　　另一个目前被看好的技术方向，是高得率化学机械浆技术。该技术不仅可以缓解我国造纸纤维原料短缺的瓶颈，而且具有在废水处理方面难度小、成本低等优点。

　　“这项技术抛弃了过去提取纤维素剩下半纤维素、木质素的思路，而是将木质纤维组分全利用，共同作为纸浆用于造纸。”戴红旗介绍说，高得率化学机械浆以机械方法为主，辅以少量生物酶、化学添加剂，这样一来，使制浆废水处理的工艺大大简化、成本降低，不仅可以大量替代进口商品木浆和废纸原料，而且将消除农作物秸秆焚烧所产生的巨大空气污染问题。

　　戴红旗透露，造纸行业已经实施了许多科研项目，并在个别企业进行试点，用麦草生物制浆做生活用纸、包装纸等。

　　生物酶或将促进造纸业绿色转型

　　实际上，在成本和环境的双重压力下，造纸业亦渴求能从污染大户转型为节能减排典范。

　　在使高污染、高耗能的造纸业“改邪归正”方面，生物酶制剂正在发挥着越来越大的作用。

　　戴红旗表示，生物酶具有专一、高效的特点。目前，生物酶应用在造纸行业的技术研究主要集中在磨浆、脱墨、漂白以及去除造纸过程胶黏物等方面。

　　比如，可以利用生物酶对浆料纤维的细胞壁进行改性处理，使纤维加速润涨、松软，促进磨浆的作用效果，降低磨浆能耗、提高成纸强度等。研究表明，生物酶可使磨得每吨纸浆的能耗降低41.4%。

　　此外，造纸工业大量回收利用废纸时，需要对其进行脱墨处理。

　　传统的脱墨方法是使用化学品，在适当的温度及机械作用下，将油墨粒子从纤维上分离下来，然后采用浮选、洗涤或两者相结合的方法将剥离下来的油墨粒子从纸浆中去除。生物酶法脱墨则是利用酶处理废纸，并辅助以浮选或洗涤，以及两者并用的工艺，从而除去油墨。

　　漂白也是造纸过程中的重要步骤。利用酶制剂，可起到“生物助漂”的效果，减少含氯漂白化学品用量，从而减少漂白废水中可吸附有机卤化物的排放量，降低环境污染。

　　然而，生物酶在造纸工业中的应用也并非一帆风顺。

　　戴红旗表示，关于生物酶技术的研发已经取得了一些成果，但是应用仍存在瓶颈。到目前为止，全世界还没有真正意义上的生物制浆厂。原因是，生物酶应用于复杂且大规模的制浆生产还存在一系列技术难题。

　　“此外，生物酶对原料进行预处理所消耗的时间较长，而厂家需要效率保证连续生产，所以更倾向于采用效率更高的物理或者化学预处理方式。”戴红旗说，某些酶制剂本身也存在成本较高、种类有限、受温度和酸碱性环境影响较大、效果不明显等问题。因此，现阶段生物酶技术的应用还是辅助性的，起不到主导作用。

　　同时，他对生物酶在造纸行业的应用前景表示乐观：“总体而言，生物酶专一性较强、效率较高，尤其对高污染、高能耗的造纸工业而言，环保效果明显，和化学品相比具有独特优势。随着技术进步，未来必将在造纸产业中占据主导地位。”

　　来源：科技日报

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01
垃圾渗滤液的处理难点

垃圾渗滤液是一种黑色或者黄褐色的带有恶臭气味的液体。

渗滤液含有大量的有机物和无机物，包括各种难降解有机物(如各种芳香族化合物和腐殖质等)、无机盐(如氨根、碳酸根和硫酸根等)和金属离子(如铬、铅和铜等)。

其中，垃圾渗滤液最典型的特征就是污染物含量高，且大多含有生物毒性。

值得一提的是，渗滤液还含有大量的腐殖质和腐殖酸等大分子有机物。这些有机物虽然没有生物毒性，但由于分子量大，具有很好的化学稳定性，微生物无法实现有效的降解。

只采用活性污泥法不能实现对渗滤液COD的有效去除，必须增加深度处理工艺。

不同填埋时间的渗滤液的特征

那么，中国垃圾渗滤液处理的主要难点有:

1、有机物含量高，且含有大量有毒和大分子有机物。采用单一的物化或者生化工艺无法实现达标排放，必须采用物化联合生化的组合处理工艺进行处理。

2、氨氮含量高，实现彻底有效的脱氮较困难。传统的处理工艺尤其是核心的生物处理工 艺一般能够有效去除渗滤液中的氨氮，但对于总氮的去除并不理想。

3、水质水量的巨大变化增加了稳定达标排放的难度。不同季节不同场龄的渗滤液水质水量相差巨大，这对处理工艺的选择和运行带来了挑战。

4、处理工艺复杂，处理成本高。目前的渗滤液处理厂，为了实现达标排放， 除了采用组合工艺外，往往采用以纳滤或反渗透为主的膜处理工艺作为最后的深度处理，造成渗滤液处理成本长期居高不下。

02
垃圾渗滤液的处理方法

垃圾渗滤液的处理方法主要有4种方法。

（1）直接排往城市污水厂合并处理。

优点：无需再另建处理厂；

缺点：管网的投资费用大；增加了城市污水厂的不稳定因素，很容易使活性污泥出现中毒等不良症状。

（2）向填埋场的循环喷洒处理。

优点：操作简便，处理成本最低；

缺点：没有解决渗滤液的污染问题，渗滤液的产量会越来越大，处理会越来越困难。

（3）预处理后汇入城市污水处理厂合并处理。

优点：处理工艺相对简单，同时降低了城市污水厂的风险；

缺点：投资较大，且城市污水厂的安全隐患依然存在。

（4）单独建设污水站，渗滤液经污水站处理达标后排放。

优点：出水水质有保证，真正实现了渗滤液的有效处理，对环境的危害最小；

缺点：对工艺的要求较高，运行和管理费用较高。

综合以上因素，目前垃圾填埋场主要采用单独建设污水站的方法进行处理。

03
垃圾渗滤液的处理工艺及选择

（1）UASB＋SBR＋CMF＋RO

工艺特点分析：
工艺较为复杂

剩余污泥量小；

有20%~28%的浓缩液需处理 ；

处理量易受水中TDS和温度影响 ；

膜寿命一般有2-3年；

（2）MBR＋NF/RO
工艺特点分析
MBR工艺对NH3-N主要起硝化作用，反硝化能力有限，出水硝酸盐浓度高，溶解氧浓度亦高；

存在生化的生物接种驯化的启动阶段，因此不宜随时开停设备，设备的检修较困难；

系统控制要求较高，BOD、COD及NH3-N主要依靠生化过程去除，生化处理效果好时， 氨才能有效去除；

污泥浓度高，稳定性强，粘度低，易脱水，不易腐败变质。

（3）前处理＋二级DTRO碟管式反渗透工艺

工艺特点分析：
DTRO膜组易受堵塞及污染，反冲洗强度大，膜使用寿命较短；

有20%~25%浓缩液需处理；

产水率易受水中导电率、TDS和温度影响，系统易不稳定；

存在氨氮及盐的累积问题，需做后续工艺处理；

造价偏高。

（4）前处理＋MVC蒸发＋离子交换＋铵结晶回收

工艺特点分析：
工艺简单，自动化程度高，处理过程和效果稳定，管理方便的优点，可节省劳动力投入；

设备容易结垢腐蚀；

有浓缩液产生；

用电量较大；

投资高。

（5）前处理＋A/O系统＋高级氧化＋BAF

工艺特点分析：
出水水质好且稳定达标；

运行成本较低；

无浓缩液产生；

处理过程受环境影响因素小。

综上所述，各处理工艺及管理成本如下图所示：

04
垃圾渗滤液处理存在的问题

近年来，随着生物法和膜法深度处理工艺的广泛应用，在工程实例中也存在很多问题，比如膜浓缩液处理、总氮不达标等问题。

此外，较高的运行成本和二次污染等问题，也制约着生活垃圾处理可持续性发展进程。

（1）浓缩液问题

应用于垃圾渗滤液处理的深度处理工艺大多采用膜法处理，无论是纳滤膜还是反渗透膜，都会产生一定量的浓缩液。

这些浓缩液呈棕黑色，其体积约占垃圾渗滤液水量的13%~30%，并具有有机污染物浓度高、可溶性无机盐组分含量高、水质水量随时间变化大、重金属含量高等特征。

目前垃圾渗滤液膜过滤浓缩液的处理处置方式大致分为三种类型：

转移处置，包括外运和回灌；

进一步减量，包括纳滤、高压反渗透、蒸发、膜蒸馏等；

无害化处理，包括混凝沉淀、电絮凝、高级氧化等技术和 干燥、焚烧、固化／稳定化等手段。

（2）污泥问题

虽然大部分渗滤液处理站工程规模较小，但由于渗滤液污染物浓度高，渗滤液处理站通常会产生数量可观的污泥，大多将脱水后的污泥送往垃圾填埋场填埋处理。

按照填埋标准的要求，进入填埋场的污泥要求含水率不高于60%，而实际情况是极少有将污泥脱水至含水率在60%以下，脱水后污泥含水率大多为80%，更有甚者直接将污泥回灌填埋场，对填埋场的影响较大。

为保证填埋场的正常使用，进入填埋场的污泥必须达到填埋标准方可填埋处理。

（3）总氮问题
总氮难以达标是目前垃圾渗滤液处理的瓶颈问题。高浓度的氨氮不但使运行成本剧增，而且也会影响渗滤液的处理效果。

目前垃圾渗滤液处理常用的脱氮工艺有硝化反硝化生物脱氮、氨吹脱及膜法(反渗透)脱氮等工艺，但上述各种工艺也存在着许多问题，甚至影响渗滤液的处理效果。

硝化反硝化生物脱氮虽说脱氮效果良好、运行稳定，但需要投加大量碳源，导致运行成本大幅升高，而且出水总氮浓度较高，需要辅以深度处理才能使总氮达标排放。

氨吹脱是应用比较早的一种脱氮工艺，其缺点是氨吹脱过程中需投加大量石灰，石灰的运输、储存和使用会污染周围的环境，而且吹脱出的氨需进行回收，如何处置回收的硫酸铵也是一个难题。

采用膜法去除氨氮，利用反渗透膜对氨氮的截留作用达到去除氨氮的目的，但反渗透产生的浓缩液仍含有大量的有机物和氨氮。（来源于网络）