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化学机械法制浆全过程水污染源的等标污染负荷解析

- ORCID：
蔡慧 ¹
- ORCID：
朱文远 ²
- ORCID：
王淑梅 ²
- ORCID：
徐峻 ³
- ORCID：
曹春昱 ⁴
- ORCID：
刘俊杰 ¹
- ORCID：
田超 ¹
✉

1. 中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102； 2. 南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏南京，210037； 3. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640； 4. 中国造纸学会，北京，100102

中图分类号： TS79； X793

最近更新：2023-03-22

DOI：DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.03.001

目录contents

摘要

采用等标污染负荷法对化学机械法制浆过程各工序的废水量及主要特征水污染物种类、浓度和存在状态进行定量解析。结果表明，备料工序主要水污染物是COD、悬浮物（SS）和BOD；木片洗涤、挤压撕裂、螺旋压榨、筛选净化浓缩工序的主要水污染物是BOD、COD和SS；主要污染源集中在筛选净化浓缩和螺旋压榨工序，其中筛选净化浓缩工序等标污染负荷比为50.12%~51.17%，螺旋压榨工序为43.40%~44.21%，这2个工序等标污染负荷比累计达到90%以上；全过程主要水污染物为BOD、COD和SS，累计负荷比达到了80%以上，是废水治理的重点关注对象。该研究结果可为典型化学机械法制浆生产全过程水污染物的环境影响程度评价和管理控制提供有效依据。

关键词

等标污染负荷法; 制浆造纸; 化学机械法制浆; 制浆废水; 污染源解析

随着国家和各地制浆造纸工业污染物排放标准趋严、环保政策的不断收紧，以及制浆造纸末端治理科学技术的进步，制浆造纸行业的清洁生产和水污染防治取得了明显进步^[

1]。2008年至今，在政策引导和技术投入等共同作用下，虽然纸及纸板产量逐年增加，但制浆造纸行业的新鲜用水量、能源消耗、排水总量等总体呈下降趋势，现代造纸工业已发展成为国民经济中具有典型循环经济属性的产业之一^{[参考文献 2-3}2-3]。

化学机械法制浆因其原料适应性广、制浆得率较高、成纸机械性能和不透明度高、能耗低、水污染负荷小等优点，已成为现代制浆造纸工业发展的新特点、新趋势^[

4]。然而化学机械法制浆生产过程废水含有木质素降解产物、多糖类物质、有机酸和细小纤维等，其难降解有机物成分较多、较复杂，其废水污染问题不可忽视^{[参考文献 5-6}5-6]。典型的化学机械法制浆生产过程为原料备料、洗涤、预汽蒸、预浸渍、木片撕裂压榨机（MSD）挤压撕裂、磨浆、漂白、螺旋压榨、消潜、磨浆、筛选、净化和浓缩等工序^{[参考文献 7

百度学术}7]，相应地产生了备料废水、洗涤废水、MSD挤压撕裂废水、螺旋压榨废水和筛选净化浓缩废水等过程水。定量地解析化学机械法制浆各生产过程的水污染源和污染负荷，是从全过程角度制定化学机械法制浆水污染防治技术、政策的重要依据。

针对工业废水污染源，等标污染负荷法适合于多个污染源、多种污染物的源解析^[

8]，且能够有效表征排放的污染物总量对地表水环境的影响^{[参考文献 9

百度学术}9]。因此本研究采用等标污染负荷法的源解析方法，结合化学机械法制浆过程的水污染特征，开展化学机械法制浆全过程水污染源解析。

1 数据收集和解析方法

1.1　数据收集

制浆造纸企业主要集中于广东、山东、浙江、江苏、河南、安徽等中东部沿海和华南沿海省份，集中度较高。根据实际调研和查阅资料，化学热磨机械法制浆（CTMP）、碱性过氧化氢机械法制浆（APMP）和预调理盘磨化学处理碱性过氧化氢机械法制浆（P-RC-APMP）工艺占化学机械法制浆总规模超过80%，因此，本研究针对制浆集中区的典型化学机械法制浆企业（涵盖CTMP、APMP和P-RC-APMP工艺）调查、收集相关数据，包括确认典型的生产工艺流程、排水节点、各排水工序的废水排放量以及所产生的水污染物类型和浓度等。此外，通过实地调研、专家研讨和实验验证等方式确定各工序的平均废水排放量和各水污染物的浓度，作为本研究水污染源解析过程数据的填补和修正。

1.2　解析方法

等标污染负荷法的主要思想是以水污染物排放标准限值为解析基准，将各污染工序排放的不同污染物数据进行标准化处理，计算得到各污染工序和各种污染物的等标污染负荷大小及等标污染负荷比，从而使不同污染工序和不同污染物能在相同尺度上进行相互比较^[

10-14]，该方法简单易行且具有一定的科学性、合理性，等标污染负荷法的基本公式如下。

i水污染物在j工序中的等标污染负荷（P_ij，m³/Adt）计算见式(1)。

P_{i j} = \frac{C_{i j}}{C_{o i}} \cdot Q_{i j}

（1）

式中，C_ij是i水污染物在j工序中的平均浓度，mg/L；C_oi是i水污染物的排放标准限值，mg/L； Q_ij是含i水污染物在j工序的废水排放量，m³/Adt。

j工序所有水污染物的等标污染负荷之和（P_nj，m³/Adt）计算见式(2)。

P_{n j} = \sum_{i = 1}^{n} P_{i j} = \sum_{i = 1}^{n} \frac{C_{i j}}{C_{o i}} \cdot Q_{i j}

（2）

i水污染物在所有工序中的等标污染负荷之和（P_ni，m³/Adt）计算见式(3)。

P_{n i} = \sum_{j = 1}^{n} P_{i j} = \sum_{j = 1}^{n} \frac{C_{i j}}{C_{o i}} \cdot Q_{i j}

（3）

j工序的等标污染负荷比（K_j）计算见式(4)。

K_{j} = \frac{P_{n j}}{P_{j 总}} \times 100 %

（4）

式中，P_j_总是所有工序等标污染负荷总和。

i水污染物的等标污染负荷比（K_i）计算见式(4)。

K_{i} = \frac{P_{n i}}{P_{i 总}} \times 100 %

（5）

式中，P_i_总是所有水污染物等标污染负荷总和。

1.3　解析基准及污染因子

本研究以《制浆造纸工业水污染物排放标准》（GB 3544—2008）中的水污染物排放限值为解析基准，选用2011年7月1日执行的“新建制浆造纸企业水污染排放限值”中规定的水污染物排放浓度限值，对化学机械法制浆全过程中的废水排放进行水污染源解析。同时，考虑化学机械法制浆废水来源和水污染特性，最终筛选的污染因子为化学需氧量（COD）、生物化学需氧量（BOD）、悬浮物（SS）、氨氮、总氮和总磷^[

15-16]。

2 化学机械法制浆全工艺流程水污染源解析

2.1　化学机械法制浆工艺流程和排水节点

目前，CTMP、APMP和P-RC-APMP工艺占化学机械浆总规模超过80%，除CTMP无需添加H₂O₂漂白助剂外，其他生产工艺流程基本相同。综合来看，化学机械法制浆工艺流程为植物原料经备料、木片洗涤处理后，在化学药剂作用下预浸渍，而后送磨浆工序对原料进行磨解，再经漂白处理后进行洗涤、筛选、生产纸浆。典型的化学机械法制浆（以P-RC-APMP为例）生产工艺流程和排水节点如图1所示。

图1 典型化学机械法制浆（P-RC-APMP）工艺过程排水节点简图

Fig.1 Schematic diagram of drainage nodes for typical chemi-mechanical pulping (P-RC-APMP)

2.2　水污染源解析

化学机械法制浆废水主要由备料、洗涤、压榨、筛选净化等工段产生，废水中主要污染物有木质素降解产物、流失的细小纤维、残留的化学品、多糖类物质和有机酸等^[

17]，污染因子主要为COD_Cr、BOD₅、SS、氨氮、总氮及总磷。典型化学机械法制浆各工序的平均废水排放量和污染因子浓度如表1所示。

表1 典型化学机械法制浆各工序废水量及污染物浓度

Table 1 Amount of wastewater and pollutant concentration in each process of typical chemi-mechanical pulping

工序	平均废水排放量/m³·Adt^-1	污染物浓度/mg·L^-1
工序	平均废水排放量/m³·Adt^-1	COD_Cr	BOD₅	SS	氨氮	总氮	总磷
备料	1.0	1000~2000	100~300	500~1000	0.5~2.0	1.0~4.0	0.2~2.0
木片洗涤	1.0	3000~4000	800~1000	1000~2000	1.0~5.0	2.0~9.0	0.2~2.0
MSD挤压撕裂	0.8	11000~19000	4000~9000	3300~10000	5.0~150.0	20.0~290.0	3.0~25.0
螺旋压榨	7.0	17000~26000	5000~7000	7500~10000	5.0~150.0	20.0~290.0	3.0~25.0
筛选净化浓缩	24.0	7000~10000	2000~2500	1000~1500	5.0~100.0	20.0~180.0	2.0~15.0

2.2.1　备料

对化学机械法制浆企业调研，得到备料工序平均排放废水量为1.0 m³/Adt。备料工序废水中COD_Cr和BOD₅主要来自于泥沙、木屑、树皮及一些水溶性物质；SS主要来自于原料中的泥沙、灰尘及不溶的细小纤维等。

2.2.2　木片洗涤

木片洗涤工序平均排放废水量为1.0 m³/Adt，其废水中含有一定量的木材抽出物，这些木材抽出物以溶解胶体的形式存在。木质素溶解后成为COD_Cr的主要来源；SS主要来自于不能溶解的细小纤维、泥沙、灰分等；氨氮、总氮、总磷主要是来自于原料和过程添加剂的溶解性蛋白等。

2.2.3　MSD挤压撕裂

MSD挤压撕裂工序产生的废水量较小（平均排放废水量为0.8 m³/Adt），其废水中含纤维原料溶出的有机酸、木质素等有机物，以及粗纤维等杂质，色度较深；SS浓度也较高，主要来自于细小纤维、泥沙、灰分等。

2.2.4　螺旋压榨

螺旋压榨工序是化学机械法制浆过程中重要的脱水环节（平均排放废水量为7.0 m³/Adt），这部分废水中含有粗纤维、泥沙等杂质，其各项污染因子的浓度见表1。

2.2.5　筛选净化浓缩

筛选净化浓缩工序的浆料浓度低、用水量大（平均排放废水量为24.0 m³/Adt），筛选出的浆料通过多圆盘过滤机进行纤维浓缩和滤液分离，分离的滤液分为浊滤液和清滤液，浊滤液循环回用到漂白、消潜等工序的浆料稀释，清滤液则循环回用到系统各补水点。

3 结果与讨论

3.1　各工序各水污染物的等标污染负荷

典型化学机械法制浆各工序各水污染物的等标污染负荷计算结果见表2。根据解析准则，按等标污染负荷的大小排序，备料工序水污染物从高到低的顺序为COD_Cr>SS>BOD₅>总磷>总氮>氨氮；木片洗涤、挤压撕裂、螺旋压榨和筛选净化浓缩工序顺序均为BOD₅>COD_Cr>SS>总磷>总氮>氨氮。

表2 典型化学机械法制浆各工序水污染物的等标污染负荷

Table 2 Equivalent pollution load of water pollutants in each process of typical chemi-mechanical pulping

工序	等标污染负荷/m³·Adt^-1
工序	COD_Cr	BOD₅	SS	氨氮	总氮	总磷
备料	10.0~20.0	5.0~15.0	10.0~20.0	0.04~0.20	0.10~0.30	0.30~2.50
木片洗涤	30.0~40.0	40.0~50.0	20.0~40.0	0.08~0.42	0.13~0.60	0.25~2.50
MSD挤压撕裂	88.0~152.0	160.0~360.0	52.8~160.0	0.30~10.00	1.10~15.50	3.00~25.00
螺旋压榨	1190.0~1820.0	1750.0~2450.0	1050.0~1400.0	2.90~87.50	9.30~135.30	26.30~218.80
筛选净化浓缩	1680.0~2400.0	2400.0~3000.0	480.0~720.0	10.00~200.00	32.00~288.00	60.00~450.00

3.2　各工序等标污染负荷总和及负荷比

表3为典型化学机械法制浆各工序水污染物等标负荷总和及负荷比。由表3可知，典型化学机械法制浆过程各工序等标污染负荷总和从高到低的顺序为筛选净化浓缩>螺旋压榨>MSD挤压撕裂>木片洗涤>备料，其中筛选净化浓缩工序等标污染负荷比为50.12%~51.17%；螺旋压榨工序为43.40%~44.21%；MSD挤压撕裂工序为3.35%~5.13%；木片洗涤工序为0.95%~0.99%；备料工序为0.28%~0.41%。可以看出，典型化学机械法制浆的水污染主要集中在筛选净化浓缩工序和螺旋压榨工序，这2个工序累计负荷比达90%以上。

表3 典型化学机械法制浆各工序水污染物等标污染负荷总和及负荷比

Table 3 Total pollution load and load ratio of water pollutants in each process of typical chemi-mechanical pulping

工序	各工序等标污染负荷总和/m³·Adt^-1	各工序等标污染负荷比/%	累计负荷比/%
备料	25.4~57.9	0.28~0.41	0.28~0.41
木片洗涤	90.5~133.5	0.95~0.99	1.27~1.36
MSD挤压撕裂	305.2~722.5	3.35~5.13	4.62~6.49
螺旋压榨	4028.5~6111.6	43.40~44.21	48.83~49.89
筛选净化浓缩	4662.0~7058.0	50.12~51.17	100

3.3　各水污染物等标污染负荷总和及负荷比

表4为典型化学机械法制浆各水污染物等标污染负荷总和及负荷比。由表4中数据可得，典型化学机械法制浆过程各水污染物等标污染负荷总和从高到低的顺序为BOD₅>COD_Cr>SS>总磷>总氮>氨氮，其中BOD₅的等标污染负荷比为41.72%~47.80%、COD_Cr为31.47%~32.90%、SS为16.62%~17.70%、总磷为0.99%~4.96%、总氮为0.47%~3.12%、氨氮为0.15%~2.12%。依据等标污染负荷法的解析准则，化学机械法制浆过程中的主要污染物为BOD₅、COD_Cr和SS，这3种水污染物的累计负荷比为89.80%~98.40%。

表4 典型化学机械法制浆各水污染物等标污染负荷总和及负荷比

Table 4 Total pollution load and load ratio of water pollutants in each process of typical chemi-mechanical pulping

特征污染物	各污染物等标污染负荷总和/m³·Adt^-1	各污染物等标污染负荷比/%	累计负荷比/%
COD_Cr	2998.0~4432.0	31.47~32.90	31.47~32.90
BOD₅	4355.0~5875.0	41.72~47.80	73.19~80.70
SS	1612.8~2340.0	16.62~17.70	89.80~98.40
氨氮	13.4~298.1	0.15~2.12	91.92~98.55
总氮	42.6~439.7	0.47~3.12	95.04~99.02
总磷	89.8~698.8	0.99~4.96	100

4 结论

通过现场调研、采集废水样品、专家研讨、实验验证结合查阅文献报告等，得到了化学机械法制浆生产全过程从备料到筛选净化浓缩各工序排放废水的排放量、水污染物种类和浓度等数据，对典型化学机械法制浆生产全过程水污染源有了比较清晰的认识。

4.1 采用等标污染负荷法解析了化学机械法制浆过程中的废水污染源，由解析结果可知，备料工序主要水污染物是COD、悬浮物和BOD；木片洗涤、MSD挤压撕裂、螺旋压榨、筛选净化浓缩工序的主要水污染物是BOD、COD和悬浮物。

4.2 化学机械法制浆生产全过程的主要水污染源集中在筛选净化浓缩工序和螺旋压榨工序，其中筛选净化浓缩工序等标污染负荷比为50.12%~51.17%，螺旋压榨工序为43.40%~44.21%，这2个工序等标污染负荷比累计达到90%以上。

4.3 化学机械法制浆生产全过程中的主要水污染物为BOD、COD和悬浮物，累计负荷比达到了80%以上，是化学机械法制浆生产水污染治理的重点关注对象。

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CPP [百度学术]

化学机械法制浆全过程水污染源的等标污染负荷解析

摘要

关键词

1 数据收集和解析方法

1.1 数据收集

1.2 解析方法

1.3 解析基准及污染因子

2 化学机械法制浆全工艺流程水污染源解析

2.1 化学机械法制浆工艺流程和排水节点

2.2 水污染源解析