造紙過程纖維回收技術進展

竇文芳，劉澤華，李 群

（中國輕工業造紙與生物質精煉重點實驗室，天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學輕工科學與工程學院，天津300457）

根據當前的國家產業政策和環保形勢，預計未來幾年，我國造紙業仍然以改革、整合、發展為主題，要時刻保持創新活力[1]。在制漿造紙行業面臨原料短缺、機械設備運行能耗高的現狀下，如何改善這一境況已經提上議程，而制漿造紙過程中纖維回收的設備及回收方式對于節能降耗、促進產業發展具有重要意義。

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

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，可以提高經濟效益和保護生態環境[4]。如果對植物纖維進行多次回用，可以降低原料成本，提高造紙企業的經濟產能，減少對環境的危害。

在造紙工業廢水中，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。造紙廢水回收技術包括廠內和廠外兩種，其中廠內纖維回收系統主要用于造紙白水的纖維回收，一方面通過白水循環降低白水的排放量，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施中的收漿除渣系統，廠內纖維回收優于廠外纖維回收。

1 纖維回收技術的發展狀況

由于全球環境保護意識的提高和造紙技術的發展，造紙生產過程中纖維回收的方法和技術也在逐步發展。造紙廠中約有相當于總產量1%~3%的好纖維是在紙機設備正常生產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備，纖維的平均流失量也高達總產量的1%~1.5%[5]。生產過程總是伴隨著挑戰，為了保持市場活力和滿足社會發展需求，大量造紙企業以實現節能節水降耗、降低成本為目的，大力發展纖維回收設備。對于制漿造紙過程，水的循環回用是一條重要的清潔生產途徑，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，所以具體的技術設備應視各造紙廠的具體情況來選擇。

1.1 國外的發展狀況

在纖維回收設備發展過程中，國外的纖維回收設備發展較快，例如多圓盤真空過濾的開發制造已有近百年歷史，積累了豐富的經驗，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備來回收白水中的纖維和填料，并迅速得到普遍應用，至今已取得長足的發展。

1.2 國內的發展狀況

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，其中氣浮法是當時造紙企業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。受到國內外經濟效益和規模環境的影響，大型企業多使用多圓盤過濾系統進行纖維回收，中小型企業多采用過濾和氣浮法進行纖維回收，在白水循環過程中進行纖維回收不僅能降低原料成本，還具有節能節耗的作用。

2 纖維回收技術

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過程中進行。廢水循環過程中纖維回收技術的發展與設備的改進能促進工廠的經濟循環和可持續發展。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，尋找更經濟有效的纖維回收技術，多家企業以及工廠對現有的技術不斷進行優化及改進。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，此款設計通過弧形結構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，具有低能耗、少人工的優點，可以用來生產高強度包裝紙板[11]。NASSAR[12]提出了一種內部處理循環，包括再循環紙機廢水，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%的紙板產量。HUBBE等[13]演示了一個用于生產紙巾的閉環系統，通過對白水系統進行再循環，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。纖維回收技術能夠充分發揮資源的回收利用，節約成本，降低能耗，積極響應了國家政策的號召，滿足對節能降耗等能源短缺問題的需求，并且產生巨大的經濟效益，所以未來對纖維回收技術的改進與利用將會有廣大的市場。

圖1 白水回收應用的典型流程示例(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，我國的造紙企業多采用氣浮法進行白水處理的纖維回收，氣浮法的發展已逐步成熟，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在福建南紙股份有限公司的應用，以及在這一技術應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，結果表明其有助于造紙過程中纖維與雜質的分離，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 主要設備

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

圖3 氣浮法的主要設備及纖維回收工藝[17]

2.1.3 優缺點

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

氣浮法也存在缺點，如存在較多的動態設備，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、區域沉降和壓縮沉降。在目前的纖維回收沉降法應用中，絮凝沉降法應用的較普遍。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，對環境無害，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、應用廣泛的水處理方法，通常應用在白水處理。在造紙白水的處理過程中，造紙白水先經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或排放[21]。

2.2.2 主要設備

沉淀塔是目前使用比較多的沉淀設備，白水由塔頂進入塔體罩內，經過內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 優缺點

沉降法的優點是沉淀處理方法成熟、穩定，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。化學絮凝處理造紙白水具有投資少、工期短、處理系統運行管理簡單、操作靈活、處理效果好等特點。化學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，得到的泥漿經過適當處理后還能用作生產箱紙板的紙漿，處理的上清液可以作為工業水循環使用，因此其經濟效益和環境效益相當顯著。

沉降法的缺點是占地面積較大，污泥需經濃縮后脫水。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；當白水濃度過大時，白水會在塔錐體部分繼續沉淀，此時，受到連續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定的濃度梯度，此為沉淀塔穩定運行的關鍵。

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或裝置進行分離，根據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。過濾機已廣泛應用在白水循環纖維回收過程中，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。造紙企業最大的用水點就是紙機設備，如果能把紙機生產用水處理后回用則可以節省大量清水，從而產生顯著的環境效益和經濟效益。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 主要設備

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

過濾機被廣泛應用于除去廢液中的纖維及其他懸浮物，進行纖維回收。常用的過濾機為轉鼓式、圓盤式、履帶式等[22]，隨著國內紙廠規模日漸擴大，以及對水資源、能源、環保等方面的要求，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選設備，其結構如圖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，結果表明帆布式過濾裝置對纖維的回收效果最好。程文業等[24]對國內外多圓盤過濾系統結構進行分析，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 多圓盤過濾機結構[25]

2.3.3 優缺點

多圓盤過濾的過濾效率高，過濾質量穩定，濾液損失少；且多圓盤結構的配置齊全，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生管路中進行，滿足了纖維回收安全過濾及衛生性的要求。由于具有處理白水量大、便于操作、能源消耗低等特點，多圓盤過濾機經常被造紙企業用于白水回收的水處理[26]。

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

3 纖維回收的應用

由于纖維回收具有重要的應用價值，不僅能夠降低制漿造紙原料生產成本，降低能耗，而且對于環境友好，極大地促進了制漿造紙企業的發展。隨著國內外制漿造紙企業的發展，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化為有價值的能源產品的適用性，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采用沉降等技術方法回收纖維的做法，通過沉降技術使得回收纖維在羅馬尼亞造紙和紙板生產中的利用率為88.4%，回收的纖維被應用于瓦楞紙板和衛生紙等的生產，降低了廢料對環境的危害。高瑩[29]研究了采用化學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，不僅可以降低能耗，節約成本，還能達到C級瓦楞紙板的物理性能指標。將造紙廠產生的廢棄纖維作為燃料或者填埋都會對環境造成危害，纖維回收技術公司（FRT）針對此問題開發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。針對資源短缺的現狀，馬志娟[31]分析了纖維回收利用技術現狀，提出應用物化技術、生物技術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的發展前景。

綜上可知，制漿造紙白水循環過程中的纖維回收不僅可以降低能耗、節約原料、清潔用水，還可以實現纖維的綜合利用，減少污染排放。制漿造紙白水循環過程中的纖維回收利用，不僅需要依托國內纖維回收技術、方法、設備的快速發展，還要學習國外先進技術、設備，更需要根據不同企業的實際需要選擇合適的纖維回收方式和設備等。

4 展望

從目前造紙企業的能源消耗情況和循環經濟的發展趨勢來看，對白水循環封閉系統進行纖維回收是制漿造紙工業發展的必然趨勢。當前，在白水循環過程中還不能夠100%進行纖維回收，科研人員仍需要不斷設計新的白水循環系統方案，優化纖維回收單元來提高纖維回收率。為助力2060年實現碳中和，國內造紙行業必須重視對白水封閉循環回用和纖維回收技術的研究，并通過對氣浮、沉淀、多圓盤過濾等纖維回收技術的升級改造提高纖維回收率。纖維回收對于造紙企業的循環經濟發展而言其價值是非常可觀的，必定會促進造紙企業在纖維回收利用、降低纖維原料成本以及能源消耗等方面的技術發展。

纖維回收技術將會朝著節能減排、高效循環的方向發展。通過上述對制漿造紙過程中纖維回收設備的分析可知，在制漿造紙過程中的纖維回收具有較多的工藝，隨著國家對節能減排的大力支持，會極大推動具有高效節能優勢的纖維回收技術發展。當前，我國與國外先進技術和裝備的水平還有一定差距，未來需要大力發展循環經濟，促進技術的成熟與升級，加快實現纖維回收技術的智能化、節能化和綠色化。