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造紙業“高污染”帽子是這樣摘除的……
中國紙業網造紙廠設備:2019-8-11 19:01:03 造紙機械|衛生紙機|銅版紙|瓦楞紙|造紙業
  造紙業40年來發展波瀾壯闊,氣勢磅礴,2018年全國紙及紙板生產量10435萬噸,位居全球首位,較1978年的439萬噸提高23.8倍,規模以上企業超2700家。世界單機產能最大的75萬噸瓦楞原紙板紙機等在我國相繼投產,行業發展可謂是翻天覆地慨而慷。總體上,造紙行業從產能落后、污水橫流的高污染行業轉變成綠色環保、技術密集、與國計民生密切相關的朝陽產業。下面就改革開放40年來我國清潔化制漿造紙及污染控制方面走過的艱辛探索和取得的豐碩成果做一簡要回顧與總結。

     

1  艱苦探索的20年(80年代初至90年代末)

改革開放初期,中小型造紙企業如雨后春筍般涌現,數量近萬家,這有力地振興了地方經濟、增加就業、提升人民生活水平。但因環保意識和相關法律缺乏,也缺乏先進廢水處理經驗,造成嚴重的環境污染。筆者1984~1988年在衡陽造紙廠工作期間,親眼目睹蒸煮黑液因回收工藝難度大、成本高而直接外排,造成河道魚蝦絕跡、泡沫翻騰、氣味濃重、人人掩鼻,全國上下“談紙色變”,造紙行業被戴上“高污染”的帽子,一戴近幾十年,成為了造紙人切膚之痛。尤其1994年發生了眾多小紙漿廠廢水未經處理直排淮河,導致震驚中外的淮河流域水污染事件。這一事件引起了中央的高度重視,也激發了造紙行業解決環境污染問題的決心和信心。

因此筆者立志依靠科技改變造紙行業高污染現狀,1988年考取了西北輕工業學院(現陜西科技大學),重新拿起書本攻讀碩士學位,1992年考取華南理工大學攻讀博士學位,研究處理造紙廢水污染的先進方法和技術。1995年博士畢業后進入廣西大學任教,一直致力于清潔化制漿造紙和廢水末端治理的研究。在1994~1996年間廢水生物處理、清潔化漂白、先進制漿方法等科研成果在《北方造紙》(《中華紙業》前身)發表,為今后攻克難關打下良好基礎。

造紙行業從1992年開始執行新的更為嚴格的排放標準《造紙工業水污染物排放標準》(GB3544-92),COD排放量降低至<500毫克/升。從1997年開始狠抓節能減排,淘汰落后產能,關閉年產5000噸以下紙漿的小廠,并將關停并轉年產1萬噸以下紙漿的制漿造紙廠,不再建年產幾萬噸以下的新紙漿廠;推進造紙向大中型規模轉化、向木漿廠轉化,特別是盡量不以麥草為原料,推進較環保的機械漿和廢紙制漿。到90年代末,就基本解決了對淮河等流域的重大污染問題。近90家大型企業建立堿回收系統,大量污染物無序排放得以控制。紙和紙板產量從1980年的544萬噸提高到2000年的3050萬噸,增加了5.6倍。

 

2  穩步推進的10年(2000年至2009年)

雖然黑液堿回收問題得以解決,但大量中段廢水污染負荷仍然很高,廢水量依然很大,造紙行業依然面臨高濃有機廢水處理及資源化利用問題。據統計最高峰時2009年造紙行業排放廢水44.1億噸,占工業排放廢水量的18.8%,CODCr排放量占工業總排放量的28.9%,給環境帶來巨大壓力。積極研討制定新的國家造紙行業排放標準GB 3544-2001,并于2001年頒布,對廢水和COD的排放量實行了限制,制漿漂白木漿COD排放標準降至<350毫克/升,排放量<150米3/噸。2007年我國首次發布《造紙產業發展策略》,制定嚴格污染控制政策,之后國家頒布了更加嚴格的GB 3544-2008排放標準,廢水的排放限值逐步降低到50米3/噸,廢水中COD排放限值降為100毫克/升,提升到國際先進水平。不經過嚴格處理難以達標,并且主要處理技術被國外壟斷,大量企業面臨著關停風險,制約了行業的可持續發展。

此時各類先進廢水處理技術不斷涌現,其中高濃有機廢水厭氧生物處理技術因其實現廢水資源化應用最為廣泛。廢水中有機污染物被微生物代謝而降解同時伴有沼氣的產生,實現了污染物資源化,顯著降低了廢水處理成本,是解決我國造紙廢水污染的最佳途徑。但先進的厭氧反應器如UASB(升流式厭氧污泥床)、EGSB(膨化顆粒污泥床)、IC(厭氧內循環反應器)技術長期被國外壟斷,造成投資和運行成本居高不下,限制了其在我國造紙行業的推廣應用。因此筆者所在團隊潛心研究適合我國造紙行業的厭氧處理技術,研發基于微生物過程強化的高效厭氧菌富集培養及污泥顆粒化加速技術,并創新開發了UMAR(上流式多級厭氧反應器,獲2013年度國家重點新產品)。有效解決了廢水的常規厭氧處理過程甲烷轉化率低、污泥顆粒化時間長等問題。甲烷產率達0.28~0.33m3/(kgCOD),顆粒化時間只需30~60天。

針對廢水經傳統厭氧好氧二級處理仍然難以達標問題,高級氧化、膜過濾、活性炭吸附、砂濾、氧化塘及人工濕地、磁整理等深度處理技術在造紙企業不斷嘗試并取得良好效果,其中南通王子紙業通過膜過濾等技術實現了廢水零排放。這些方法中Fenton高級氧化法具有占地面積小、穩定性高、反應速度快、處理效率高、對有毒污染物破壞徹底、無二次污染、適用范圍廣、易操作等優點,成為當前我國造紙企業應用最廣泛的深度處理方法,現約占廢水深度處理規模的70%~80%。但傳統Fenton法也存在成本較高,Fenton過程H2O2無效降解、催化劑活性較差、傳質效果較差、關鍵設備被荷蘭PAQUES等公司壟斷等問題。筆者團隊針對以上問題,在傳統Fenton技術基礎上,開發了水溶性多金屬多配體自由基緩釋劑和負載型固相催化材料,形成了高效異相催化氧化技術,解決了常規Fenton處理廢水過程化學品消耗量大、應用pH范圍窄等問題,使H2O2用量較傳統技術減少了30%~40%,FeSO4用量減少30%以上,pH值范圍拓展至2~11,酸堿調節費用降低30%~50%。開發了具有自主知識產權的芬頓處理設備UHOFe(上流式多相廢水處理氧化塔,2011年度國家重點新產品)。有效解決了抗負荷沖擊能力差、H2O2FeSO4使用量大等問題,實現了造紙廢水再生水有效回用、污染物超低排放。

創新集成了針對造紙典型廢水的資源化及超低排放處理技術體系,構建了上流式多級厭氧-多級環流好氧-異相催化氧化的廢水處理技術路線,解決了制漿造紙高濃廢水資源化利用與超低排放的瓶頸問題,有力推動了我國制漿造紙清潔化進程。實現了核心設備國產化,打破國外壟斷,徹底結束了外企依靠技術壟斷牟取高額利潤的時代,顯著降低了應用企業的環保投資成本,實現了廢水處理中生物質能(沼氣)高效回收、再生水有效回用、污染物超低排放。2006年依托本技術創立廣西博世科環保股份有限公司,順利實現產業化,技術及設備在玖龍紙業有限公司、俄羅斯北極星紙漿工業聯合體等10個國家近200家大型造紙等企業推廣應用,設備累計銷售額近20億元,回收生物質能5.4億米3,消減COD總量650萬噸。該技術先后獲國家科技進步二等獎和教育部科技進步一等獎,相關理論成果整理成論文5篇在《中華紙業》上發表。

在全體造紙人共同努力下,這十年間我國采用“全過程水污染控制模式”,大量先進廢水處理技術和造紙新設備投入使用,紙和紙板產量從3050萬噸提高到9270萬噸,增加3倍,但COD排放總量從308.6萬噸降為113萬噸,降低63.4%,占全國工業廢水COD比例由43.8%降為26.0%,使我國造紙行業逐步進入健康發展快車道。2009年萬元工業產值化學需氧量(COD)排放強度降為25千克,水污染物排放指標已達到了國際領先水平。

3  精益求精的10年(2010年至今)

隨著人民日益增長的對美好生活的需要、對綠水青山的渴望,尤其十八大以后國家密集出臺了《水污染防治行動計劃(水十條)》、《控制污染物排放許可制實施方案》、《關于實施工業污染源全面達標排放計劃的通知》、《中華人民共和國水污染防治法修正案(草案)》等政策法規,許多相對《制漿造紙工業水污染物排放標準GB3544-2008》更加嚴格的地方標準也相繼出臺,對造紙等行業提出更為嚴格的環保要求,同時不僅僅要求排放量少,也要求紙漿漂白時具有強致畸、致癌、致突變性的可吸附有機鹵化物(AOX,如氯酚、氯苯、二英等)超低排放。常用方法為全無氯漂白(TCF),如氧氣、臭氧、H2O2、過氧酸生物酶等含氧化學物進行漂白紙漿的過程;無元素氯漂白(ECF),主要以二氧化氯(ClO2)為漂劑;本色漿,不經漂白的紙漿。解決這一嚴重問題最佳途徑是推廣ECF漂白,該技術在歐美使用率已達95%,可使AOX產生量顯著降低,同時漂白漿性能有所提高,但ClO2制備的技術和設備長期受到加拿大Chemetics、ERCO和荷蘭AkzoNobel的技術壟斷,設備投資運行成本高,在中國推廣緩慢。

筆者所在團隊歷時十多年攻關,創新開發了組合還原法和綜合法二氧化氯制備技術和裝備(2015國家重點環境保護實用技術),解決了行業清潔漂白工藝中的關鍵技術和裝備難題。其中組合還原法二氧化氯制備技術的開發克服了單一還原劑二氧化氯生產中存在的反應不穩定、氯氣含量高、副產物綜合利用難等缺陷,實現了二氧化氯質量、操作和成本的最佳平衡;綜合法二氧化氯制備技術集氯酸鹽電解、高純鹽酸合成和二氧化氯反應于一體,具有生產成本低、產能大、無副產品處理等工藝優勢,尤其適合行業內大型紙漿廠需要;同時發明了多重強化無元素氯漂白技術,闡明了ClO2漂白過程殘余木質素和己烯糖醛酸生成AOX的機理,與傳統ClO2漂白相比,顯著減少了ClO2用量,AOX再降低33%以上。

該技術體系擁有完全自主知識產權,徹底打破了國外技術壟斷,從根本上解決了我國紙漿清潔漂白的關鍵技術難題,成果經中國輕工業聯合會鑒定達到國際領先水平,2009年實現產業化應用,2012年首次實現了ClO2制備成套技術出口,使我國成為全球第三個完整掌握上述兩種ClO2制備技術的國家,一舉由ClO2技術進口國變為出口國,《人民日報》多次報道,稱其為“中國智造”的標桿。已在我國、印度尼西亞、印度等國的23家大型造紙企業應用30多套,其中單套ClO2制備系統最大產能已達35t/d,可滿足年產8萬~100萬噸紙漿漂白企業需求。主要應用企業近三年累計生產ECF漂白漿735.3萬噸,新增銷售額269.3億元,新增利潤38.9億元,取得了重大的經濟、社會及生態效益。其中設備生產企業廣西博世科環保科技股份有限公司實現二氧化氯制備裝置直接銷售收入4.56億元,外匯創收2207.2萬美元,新增利稅1.14億元,取得了重大的經濟、社會及生態效益,憑借該技術推動廣西博世科環保科技股份有限公司于2015年順利在深交所成功上市。該成果獲教育部技術發明一等獎和廣西科技進步一等獎,相關理論成果整理成論文6篇發表在《中華紙業》上

在這十年間環保監管部門通過實施嚴格的排放標準,加強對企業的排放指標監管,實施排污許可證制度,清除落后產能。與此同時造紙行業響應中央綠色發展的號召,采用新技術新設備,按照“十三五”《輕工業發展規劃(2016-2020年)》,積極踐行綠色發展、綠色制造,用科技創新守護綠水青山。通過幾代造紙人努力,造紙行業對水污染控制技術已逐步完善,造紙行業萬元工業產值新鮮水用量由2005年的183.0噸降至2015年的40.6噸,萬元工業產值化學需氧量(COD)排放強度由2005年的69千克降至2015年的4.7千克,已經成長為資源節約型、環境友好型的現代造紙工業,終于擺脫了困擾造紙人幾十年的“污染大戶”黑帽子。

 

4  建立“一校一企深度融合”創新模式

筆者利用廣西大學教授、廣西博世科環保科技股份有限公司國家級企業技術中心主任雙重身份,為了使科技成果不束之高閣“閑躺著睡大覺”,建立了“企業提出需求-學校基礎研究-校企合作開發-企業推廣應用”循環式的科研機制,積極構建了“基礎研究與工程技術開發互為支撐,一校一企深度融合”的產學研模式,實現了基礎研究與技術成果轉化間的無縫對接,促進了高濃有機廢水處理及資源化利用問題、紙漿清潔化漂白等科技成果的快速轉化,《中華紙業》在專訪“紙業轉型升級需要更多自主創新成果”中進行深入報道。團隊將利用該模式在清潔化制漿造紙、土壤污染治理、流域生態修復、黑臭水體治理等方面繼續深耕,加速技術產業化,用科技創新守護我國綠水青山。

 

王雙飛教授研發團隊


5  展望未來

近期來看,根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中要求我國“十三五”期間資源消耗和污染物減排方面:全社會萬元GDP用水量下降23%,單位GDP能源消耗降低15%,主要污染物COD、氨氮排放總量減少10%,二氧化硫、氮氧化物排放總量減少15%。長期來看,根據《國家創新驅動發展戰略綱要》要求,發展資源高效利用和生態環保技術,建設資源節約型和環境友好型社會;發展智能綠色制造技術,推動制造業向價值鏈高端攀升,到2050年建成世界科技創新強國。這給我們造紙行業帶來了巨大的機遇和挑戰,要求造紙行業踏踏實實、精益求精,用科學精神、工匠精神來實現這一目標。從宏觀上、整體上統籌:調整產業區域結構,推進產業協調發展;優化企業規模結構,推進企業兼并重組;增加紙及紙制品的功能、品種和質量,向專、精、特、新方向發展。加強纖維原料高效技術、高速紙機自動化控制集成技術、清潔生產和資源綜合利用等技術的研發及應用;提高環境管理水平,降低污染排放水平;加強廢紙回收利用,推進綠色低碳消費。相信通過造紙人共同努力,造紙行業定能變得更加綠色環保,順利完成“十三五”目標,穩步邁向2050世界科技創新強國目標。

總之,在這40年里,感謝《中華紙業》雜志一路同行,一如既往堅持科學與實用并重,深入報道推廣我國造紙工業新成就和重要科技成果,為行業持續發展獻計獻策,為企業和政府、企業和高校,搭建合作平臺,宣傳綠色經濟可持續發展理念,助力造紙行業健康發展,成為我國造紙界聲望高、影響力大的技術性刊物,在國內外享有盛譽。作為一名造紙人對《中華紙業》40年來陪伴和支持表示由衷感謝,期待在今后工作中精誠合作,共同為造紙行業發展貢獻力量,用科技創新繪就美麗新畫卷。

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