生物技術對造紙工業的影響

楊濘溶

(西藏大學理學院 西藏 拉薩 850000)

紙張在生活中起著非常重要的作用,學習、生活、工作等各方各面都離不開紙張。許多工業及其供應商依賴紙張:林業、木工、紙漿、紙張和紙板生產、轉換、包裝、印刷出版和家具生產。造紙技術為中國古代四大發明技術之一,是古代勞動人民的智慧結晶。造紙行業對資源依賴度比較大,市場集中度較低以及資源消耗較高和污染較為嚴重等特點。自改革開放以來,隨著中國國民經濟的持續性穩定發展,中國的造紙行業發生了根本性的變化,行業內部的競爭較為嚴重,大型造紙企業并購整合與企業運作非常頻繁,國內優秀的造紙品牌也迅速崛起,逐漸成為行業中的翹楚。在全球范圍內,每年大約有3億公噸的紙和紙板通過使用速度越來越快的造紙機生產。紙的制造一直涉及分散技術的方面,最近又有了重要的新發展。科學正在侵入歷史上被認為是一門藝術或一種技能的制造實踐。但也因此,隨著造紙技術的逐漸發展,負面問題也越發嚴重,需要結合其他技術來共同整改。

圖1 國內處理廢紙的現場圖

生物技術便是對生物過程技術性的開發過程。自然界最重要的生物過程之一是將木材和其他木質纖維素物質降解為二氧化碳、水和腐殖質物質。因此,應該有可能將生物技術應用于木材轉化近年來,新興的生物技術主要包括基因工程、生物工程、發酵工程和酶工程[1]。因此,生物技術對許多生產生活提供了重要的作用。隨著造紙技術的快速發展,現在存在問題越發嚴重,包括造紙廢水的排放量大、污染物復雜等重大危害環境的因素。從不同的各個方面進行對造紙技術的改進,將生物技術與造紙技術進行融合,實現對環境的危害降低到最小值。近年來,因對紙張的需求量較大,我國木材的使用需求量越來越大,使得對木材的進口量也越來越大。中國是亞洲大陸最大的回收紙消費國,也是世界第三大消費國,僅次于美國和日本。

出于對環保的要求,改善造紙的原材料已經成為迫在眉睫的事情。據調研顯示,草漿可以作為緩解造紙原材料緊缺局面的重要候補材料之一,起初,草漿具有污染環境較為嚴重的詬病,為我國的生態環境帶來了較為嚴重的危害[2]。自2021年停止對廢紙的進口后,結合生物質精煉技術、生物酶輔助的熱磨制漿技術找到了適合應用草漿作為原材料的用途之一,即包裝類的紙制品。但又隨著現在科學技術的發展,聯合收割機對麥草莖稈的上半部分進行收割,使得纖維質量最好的麥草莖稈部分無法得到收割,因此,草漿只能作為現在造紙原材料的候補材料之一,并不占據主導地位。

造紙工業的制造過程可分為制漿、漂白和造紙三個步驟。在這三個步驟中,漂白是繁瑣的,含有木質素的紙漿需要化學處理和物理處理相結合。制漿造紙是造紙過程中纖維素纖維與木質素組分分離的第一步。制漿造紙工業通常采用兩種不同的制漿方法,即化學制漿和化學機械制漿。在化學制漿這一過程中,木屑通常在氫氧化鈉和硫化鈉的存在下在更高的溫度(165-170°C)下烹飪,以將木質素和木材樹脂從纖維素中分離出來。大約92-95%的化學物質(氫氧化鈉、硫化鈉和石灰)可以回收和再次使用。化學制漿法-堿法堿制漿法用于將農業殘渣(如小麥、稻草和甘蔗渣)轉化為紙漿。在這種情況下,原料通常在燒堿的存在下在150-160°C的溫度下烹飪,以從纖維素材料中分離木質素。在化學機械制漿過程中,首先用溫和的燒堿基化學藥劑處理木屑,從纖維素中提取樹脂和木質素,然后進行機械精制。

漂白一詞通常指的是用化學藥品、氣體、蒸汽等去除任何一種紙漿中的木質素,但預處理一詞用于酶法去除木質素的紙漿。預漂白是一種環保和清潔的木質素去除過程,可以節省10-15%的氯基和其他化學品。在造紙工業中一個重要的環節就是漂白階段,漂白的目的是去除原材料中的有色物質,以獲得具有一定白度的紙漿。但是,漂白技術對環境的污染仍然很嚴重。傳統的脫墨方法包括洗滌法和浮選法[3]。其中,洗滌法的設備比較簡單,但是用水量較大,環境污染十分嚴重,適用于中小企業。浮選法也是化學脫墨方法中的一種,適用于大型的企業,但是得出的紙漿容易呈現出發黑的現象,結果待測性較大,除此之外,對環境的污染也十分嚴重。因此,我們可以通過改變漂白方法以達到對污染環境的整改。我們可以通過生物漂白,利用生物技術中的酶降解纖維細胞中的纖維素,使得木素更加容易與漂白所需要的試劑進行反應,進而將木素溶解,減少對環境的危害。目前,超濾法處理堿性廢水的效果最好,而且可以以合理的成本進行處理。但是隨著紙張用量的大幅度增加使得造紙廢水的排放量增大,導致利用超濾法比較不現實。采用氯漂白法去除紙漿中殘留的5～10%的木質素。這個過程之后是用二氧化氯或次氯酸鹽處理紙漿的幾個階段,使紙漿變白。大多數中小型紡織廠采用的漂白工藝是以單質氯為基礎的。然而,很少有大型木材廠/農用廠采用二氧化氯的無元素氯漂白工藝。漂白技術目前已在國內少數大型紙漿廠得到應用,首先采用氧脫木質素,然后再通過其他物質來提高紙漿的亮度。

造紙工業中工業廢水排放量比較大,又隨著目前對紙張的需求量的提升,因此,對造紙產生的廢水進行處理成為現在解決造紙行業產生的環境污染的重要解決源頭之一。造紙廢水中含有大量的纖維素、木質素和各種化學藥品,耗氧量大、難處理,因此被各大國家列為了污染環境的重大危害之一。目前,解決造紙技術產生廢水的方法有物理法、化學法、物理化學法、生物法、膜技術和光催化等等[4]。生物處理法為現在最常見的方法,其中又主要包括活性污泥法、生物膜法和厭氧生物法等,這幾種方法的優勢和劣勢如表1所列。

表1 不同生物處理法的優劣勢對比

造紙廢水中的含硫化合物目前被認定為是一個較為嚴重的問題。厭氧條件可以導致產生有毒的H2S氣體,以及其他含硫化合物,產生令人厭惡的氣味。造紙廢水的特性是高度變化的,特別是在比較不同的造紙操作時。所觀察到的許多變化可歸因于從特定種類的制漿、漂白或造紙過程中產生的廢水流的不同特性。此外,廢水的性質將取決于在處理過程中使用了多少淡水。

目前的廢水處理系統需要去除廢水中懸浮的顆粒物,這是消除水中急性毒性的重要一步。在過程中,通常分為兩步驟,一是重力分離,二是進行生物處理。在造紙廢水中有許多難以降解的物質,例如木質素磺酸、氯代樹脂酸、氯代酚、二惡英和氯代碳氫化合物等。雖然說這些物質在很多情況下的毒性很低,但是較難分解,對環境也造成了一定的危害。此外,研究表明,高分子氯化物質并不穩定。在其他物質中,它緩慢地轉化,在某種程度上會被微生物轉化。漂白廢水生物處理必須考慮的另一個因素是在漂白過程中氯鹽的形成。因此,現在使用所謂的仿生催化劑代替酶的新方法最近受到越來越多的關注,因為這種催化劑在工業規模上使用更經濟和理想。

基于上述的分析,將生物技術應用到造紙技術中是現在最常用也是最容易解決環境污染方法的問題之一。具有木質分解特性的微生物可以降解紙漿和造紙廠廢水中含有有毒和難降解化合物的污染物。木質分解微生物包括真菌、放線菌、酵母、細菌和藻類,它們都能產生降解木質纖維素的酶[5]。酶處理可以作為單一步驟應用,也可以與其他物理和化學方法一起應用[5]。因此,可以在造紙產生的廢水中添加菌類,利用菌類來降解目標污染物,因其生長速度快,會一直維持相應的生物數量。雖然重點是對造紙產生的廢水進行處理,但重要的是要記住,凈化廢水并不是唯一的目標。一個更廣泛的目標是實現可持續生產,其中環境性能和競爭力攜手并進,提供廣泛的有用產品。為了有效地使用和處理水,可持續的綜合水管理受到多種驅動因素的推動。

結論

隨著生活質量及教育質量的提高,國內對紙張的用量越來越大,同樣也帶來了較為嚴重的環境問題。生物技術在廢水處理中的應用范圍正在逐漸擴大,在造紙廢水方面的應用也逐漸引起重視,使得環境問題得到逐步解決。