关于造纸系统微生物问题的分析与控制(下)

张新元 中国造纸开发公司北京(100000)

5 如何减少纸机系统中的微生物

制定有效的黏泥控制方案是排除微生物的问题，确保最终产品卫生质量的先决条件；更重要的是当工艺变化时应及时调整黏泥控制方案。这一点已经得到行业内人士的普遍认可，尤其是当抄纸系统由酸性抄纸向碱性抄纸过渡的过程中，这成为纸厂技术人员必须考虑的问题。

第一步包括正确理解影响微生物生长的纸机条件，例如温度和pH值，对现存微生物种类或种群的数量及品种具有特别重要的影响。填料、涂布染料以及其他多种抄纸过程中所使用的助剂都能够把微生物污染物带入到抄纸系统中。某些助剂如淀粉还会引起黏泥生成细菌的大规模繁殖。此外，新鲜的补充水以及许多助剂也会成为携带大量微生物的污染源。

为了控制微生物环境，有时只需要测定不同位置微生物种群的总数。而没有必要测定系统中究竟存在哪一种微生物。例如只需要知道系统中存在导致黏泥的微生物物种而不必计较它们是霉菌还是酵母菌。

特定环境中可以通过缩减进入到系统中的污染物来控制微生物的生长，也可以通过使用杀菌防腐剂来抑制微生物的生长。在某种条件下，也可以通过降低营养物含量的办法来控制。

在抄纸系统中，尽量减少或者避免形成浆料或白水滞留区也可以降低厌氧区的形成。

因微生物所引起的问题在很大程度上都可以通过维持纸机清洁，确保纸机设计合理以及密切注意影响微生物生长的环境变化等手段予以避免。同时，控制原材料、控制化学品的纯度以及监控制浆部所制备浆料的微生物含量也同样重要。此外，要特别关注储存涂布损纸浆料的储浆池。

影响系统沉积物控制的关键因素是：

1.良好的管理，阻止沉积物的形成；

2.工厂设计合理，制约微生物生长的条件；

3.使用杀菌防腐剂，控制微生物的生长。

5.1 良好的管理

微生物进入到抄纸系统中的途径有：a.原材料。b.化学品。c.工艺水。

因此，每台纸机所含有的微生物物种、种类会因为抄造条件、原材料质量、所用工艺水以及化学品的不同而不同。

良好的管理意味着尽量降低进入到系统中的微生物总量，防止沉积物的形成。这包括控制进入到系统中的新鲜水、原材料、化学品、所制备助剂中的微生物含量以及有规律地对浆池及流送系统进行清洗，这有助于防止助剂浆料变质。

新鲜水是微生物进入到系统中的一个重要渠道，大量的新鲜水应用于碎浆机、白水盘、沉降机及储水池。因此，合理控制工厂新鲜水中微生物含量就显得尤为重要。对新鲜水进行氯化处理可以控制微生物污染，有效氯的残留量控制在0.3～0.5mg/k g以及与杀菌防腐剂共用可以确保新鲜水中微生物含量处于较低水平。若氯化处理监控不当，将可能会导致设备腐蚀、毛毯性能变差以及其他问题。此外，监控任何助剂中微生物的含量有助于降低污染源。因此，一个有效的控制方案还应包括多种助剂的防腐。建立有规律的微生物检测程序对于总体上控制黏泥具有重要的作用。

有计划地对纸机系统进行清洗也是保证纸机能够正常生产的重要组成部分。

5.2 操作条件

整台纸机的设计十分重要，浆料流送较低的区域如储浆池及蓄水池必须进行严格的控制。

不同阶段浆料量和水流量应该尽可能地缩短存留时间。同时，厌氧菌活动的机会也相应缩减。在搅动很小或者几乎没有搅动的条件下，氧气必然会被好氧菌迅速地消耗掉，结果厌氧菌的生长繁殖就会加快。而在水循环的过程中，一个快速流动的系统也会影响氧气的供应，其结果会有效地抑制厌氧菌的生长。研究结果表明，氧含量在4mg/L时就足以抑制厌氧菌的生长。

停机期间氧气供应的问题也特别重要，当抄纸浆料和纸机白水在整个系统中循环时，空气会混入到水中，其结果是厌氧菌的生长受到抑制。停机期间，好氧菌迅速地消耗氧气并提供厌氧菌生长的条件。厌氧菌的生长可以通过加强储水池的搅拌或安装通气装置来予以抑制。另一面，储浆池和损纸池需要添加一定量的杀菌防腐剂。在停机期间，为防止助剂变质应该在其中添加作用持久、广谱抗菌的杀菌防腐剂。同时，杀菌防腐剂也可以用于白水或储浆池中，另外，储浆池的通风非常重要，因为，可以防止因厌氧菌活动频繁而产生爆炸性气体。

5.3 使用杀菌防腐剂控制黏泥

解决由于微生物生长伴随有机或无机污染物所引发的黏泥问题，也可以通过使用杀菌防腐剂来予以控制。

杀菌防腐剂及其类似产品被称为黏泥控制剂或微生物控制剂，主要是通过杀死细菌或使其失去生长繁殖能力来控制微生物的生长繁殖，从而保证物料在使用过程中不产生腐败变质。许多活性组份不同的杀菌防腐剂都可以使用。某些杀菌防腐剂的效果是基于破坏细胞膜组织来抑制微生物的新陈代谢作用及其生长繁殖的。其他类型的杀菌防腐剂通过渗透进入生物细菌胞膜并与细胞的重要组份发生反应（如生物酶、蛋白质等）。

5.3.1 造纸系统中常用的杀菌防腐剂

杀菌防腐剂的种类繁多，根据分子结构的不同，可分为无机杀菌防腐剂和有机杀菌防腐剂。

无机杀菌防腐剂根据其作用原理可分为氧化型和还原型。还原型杀菌防腐剂具有杀菌作用和漂白作用，如亚硫酸及其盐，主要用作漂白剂；氧化型杀菌防腐剂杀菌消毒能力强，但化学性质较不稳定，易分解，作用不能持久，且有异臭味，同时其对设备有一定的腐蚀作用，对纤维有一定的降解作用。故多用于设备、容器、半成品及水的消毒杀菌，主要包括氯制剂（次氯酸盐和氯铵）、过氧化物（过氧化氢或过氧化钠）。

有机杀菌防腐剂具有高效、低毒、生物降解性好等优点，目前此类杀菌防腐剂是造纸工业中用得最多的一类。主要包括有机硫、有机溴和含氮硫杂环化合物等高效低毒的杀菌防腐剂。

有机硫杀菌防腐剂的代表性产品是亚甲基双硫氰酸酯（MBT）。MBT灭菌谱较广，对细菌、真菌、藻类均有明显的灭杀作用，可用于纸浆和涂料的防腐；有机溴杀菌防腐剂是一种相对较新的杀菌防腐剂，这类杀菌防腐剂在碱性或高pH值水中或有氨存在的情况下，仍具有杀菌能力强、毒性小、易于降解、对环境影响小等优点，正越来越受到人们的重视，并逐步在造纸行业中得到应用、推广。目前应用于造纸系统的有机溴类杀菌防腐剂品种主要是2-溴-2-硝基丙二醇（BNP）和2-二溴-3-次氨基丙酰胺（DBNPA）；杂环化合物杀菌防腐剂的杀菌机理主要是依靠杂环上的活性部分，如N、H、O与菌体蛋白质中的DNA的碱基形成氧键，吸附在细胞上，从而破坏了细胞内DNA的结构导致DNA失去繁殖能力，从而使细胞死亡。其典型的杀菌防腐剂有异噻唑啉酮、均三嗪、咪唑啉、噻唑，吡啶类，这类杀菌防腐剂的优点是杀菌效率高，配伍性好，不足之处是成本略高，有些化合物水溶性较低。目前，造纸行业应用最多的杂环类杀菌防腐剂主要是异噻唑啉酮及其复配产品；有机醛类杀菌防腐剂起杀菌作用的是醛基，醛基上的氧带负电荷，碳带正电荷。带正电荷的碳与细菌蛋白质的胺基和硫基发生加成反应，从而破坏细菌蛋白质，导致细菌死亡。有机醛类杀菌防腐剂目前应用最多的就是戊二醛。有经验证明，大多数造纸厂通过在系统中添加DBNPA和戊二醛等杀菌防腐剂，可以消除异味，其添加点通常是发生异味处。此外，某些食品级用纸生产中也可以通过在系统中添加杀菌防腐剂和氧化剂来减少成纸中细菌体的总数。例如Betz食品级用纸杀菌剂是氧化剂和专用杀菌剂的混合物，氧化剂通常为ClO2和Cl2；杀菌防腐剂包括磺胺类、DBNPA和戊二醛。

5.3.2 杀菌防腐剂的选择

选择杀菌防腐剂必须考虑其效果、组份、毒性及局限性。首先是要求杀菌防腐剂具有广谱、高效的特点；理想的广谱杀菌防腐剂应该是在较宽的操作条件下有效，如pH和温度；快速起效是对杀菌防腐剂的根本要求，因为它们能对工艺的变动快速地作出反应。一旦杀菌防腐剂快速地完成了其杀菌和抑菌的功能，其化学成份是否能够容易地降解为无公害的产物就显得尤为重要。

同其他任何组份一样，使用时必须强调其价格性能比（价效比），从采购的角度来说，如果单位价格可以接受的话，其最终的使用价值才是使用者追求的所在。对杀菌防腐剂而言，与其他造纸助剂的兼容性和其高效杀菌能力同等重要。理想的杀菌防腐剂应由活性成份和惰性成份组成。此外，杀菌防腐剂不应含有有机溶剂，重金属离子以及二噁英和呋喃。

好的杀菌防腐剂还应具有较低的使用毒性，且对水生动、植物影响较小，产品应无刺激性且不影响下游的生物废水处理工艺和设施。为了符合以上标准，任何被认为符合制浆造纸企业使用的杀菌防腐剂产品都必须遵循地方、国家的有关规定。

5.3.3 杀菌防腐剂添加点的确定

杀菌防腐剂通常的添加点主要有浆池、涂料配制罐、白水池，有时还有损纸池和表面施胶液稀释罐。但是实际添加点还应根据纸机系统具体情况考虑如下因素：

首先，应考虑杀菌防腐剂的自身特点。目前杀菌防腐剂种类繁多，即使是同一类杀菌防腐剂也因其各成份配比不同而表现出不同的特性；有的杀菌防腐剂起效快，杀菌能力强，应用时以杀菌为主，故而多用于纸机抄前池；而有的杀菌防腐剂起效慢，杀菌效力持久，应用时以防腐为主，故多用于纸机白水池。

其次，是要考虑拟添加部位浆料的浓度。在相同用量的情况下，在浆浓较高处添加时可提高杀菌防腐剂的浓度从而节约用量。例如对于纸机前的网前箱和抄前池，相同添加量在抄前池添加的杀菌防腐剂其浓度为在网前箱添加浓度的3～5倍，杀菌效果也明显优于在网前箱添加。

再次，就是要考虑整台纸机（包括制浆部和抄纸部）工艺流程中各部位的微生物含量，在此基础上可根据不同的目的在不同的部位添加相应的杀菌防腐剂。

最后，在稀浆区（白水区）用两种方法处理：

a：使用磺胺基类杀菌防腐剂；b：直接用季铵盐类处理。

杀菌防腐剂增效剂通常为表面活性剂和分散剂的混合物，经常被加入到标准杀菌防腐剂中以控制沉积物的产生。

此外，对于有表面施胶的纸机系统，由于表面施胶液中往往有较多的淀粉，所以有时也应该在表面施胶液稀释罐中添加部分杀菌防腐剂，尤其是在夏季更应该加以考虑。

5.3.4 杀菌和抑菌效果的评价

评价杀菌和抑菌效果可以从以下两个方面进行。第一方面可称为“微观测试法”，即通过微生物培养实验测试杀菌防腐剂加入前后纸浆和网下白水中菌落数来评价杀菌防腐剂的添加效果。第二方面可称之为“宏观观察法”，即通过在刚清洗完的纸机上投加杀菌防腐剂并记录投加后纸机的生产情况、清洗周期和纸品的外观质量（主要是尘埃度）的变化及纸机网部流浆箱、白水池壁上黏液的分布情况，并以此评价杀菌防腐剂的效果。实际上，这两个方面往往是同时进行的。通过以上这两个方面的工作就可以对杀菌防腐剂的杀菌和抑菌的效果进行综合评价，以选择合适的杀菌防腐剂。

5.3.5 杀菌防腐剂使用过程中必须明确的几个问题

（1）杀菌和抑菌作用

杀菌防腐剂对微生物的作用有的是真正地把细菌杀死，有的只是由于微生物的生命活动的某一过程受到抑制，所以有杀菌和抑菌之名。杀菌防腐剂的杀菌和抑菌作用往往与其浓度和作用时间有关，同一杀菌防腐剂，浓度高或作用时间长可以杀灭细菌；而浓度低或作用时间短只能起到抑制作用。另外，同一杀菌防腐剂对不同微生物的作用也完全不同，对某种微生物可起灭杀作用而对另一种微生物可能只有抑制作用。

（2）有效浓度

使用杀菌防腐剂对其用量要适当控制，因为有时当细菌受到一种化学物质威胁时，有一种使其代谢活动加速的趋势，不足以致死的剂量实际上反而可能会刺激细菌的生长。所以杀菌防腐剂在使用中均存在一个最低有效浓度的概念，如果使用浓度过低起不到杀菌和抑菌的效果，而使用浓度过高则会导致生产成本偏高。在实际生产中应保证杀菌防腐剂的浓度比最低有效浓度稍高一点。杀菌防腐剂的杀菌和抑菌有效浓度主要与杀菌防腐剂的有效成分有关，有效成分不同其有效浓度也就不同。

（3）不同有效成分的杀菌防腐剂交替使用

没有一种杀菌防腐剂能够有效地杀死所有存在于造纸系统中的微生物。因此人们在努力开发广谱抗菌的杀菌防腐剂。然而，也有利用杀菌防腐剂控制微生物黏泥问题的方案采用针对性强的杀菌防腐剂，以减少生物膜的形成。为了避免微生物群落产生抗药性，应该定期更换使用不同杀菌机理的杀菌防腐剂。

（4）刷车周期杀菌防腐剂供应商技术人员在设定添加方案时，必须兼顾成本和效果这两个因素。事实上，在造纸系统中添加过量的杀菌防腐剂是不经济的，那么，如何平衡成本和效果的关系呢？这就涉及到“刷车周期”的概念。

所谓“刷车周期”就是指在一个正常添加了杀菌防腐剂的造纸系统中，每隔一定的时间就需要对纸机系统进行有计划的停机刷洗，这段间隔的时间就称为“刷车周期”（重点刷洗部位是流浆箱，网部脱水元件以及整个纸机的短循环系统）。考虑到纸厂对成本的控制比较严格，因此技术人员在设计添加方案时，必须同时根据经验设定一个“刷车周期”以便管理人员对系统进行更有效的管理。诸如：更换品种，零部件维修的安排，毛布，网子的更换等问题。

（5）值得强调并需要引起造纸工作者重视的是，有些纸机系统出现使用效果不够理想或造成使用失败，究其原因：或未正确使用杀菌防腐剂；或未选择使用正确的杀菌防腐剂的产品、类型。

杀菌防腐剂并不是弥补糟糕的企业生产的卫生环境。卫生条件差的生产企业使用杀菌防腐剂，消耗殆尽，不仅效果不佳，而且造成浪费及产品质量下降、成本上升。

6 系统中微生物数量的测试方法

许多不同类型的微生物在制浆和抄纸过程工艺水中繁殖的速度非常快，其中细菌的种类和数量尤为引人注意。在某种条件下，例如温度的变化伴随着溶解氧浓度降低时，微生物的数量可能发生大的变化。此外，停滞区偶然的细菌繁殖也可能会污染整个系统。对纸厂的工艺水和沉积物进行微生物含量的测试，可以获得关于抄纸系统有用的信息，将有助于及早发现可能和将要发生的微生物问题。

传统的平板计数法，微生物培养测试所需要的时间较长，因此该法仅能提供关于微生物总数的有限信息，而微生物总数并不能反映纸机系统的动态性能，因此这种方法被认为是不可靠的。但仍被众多杀菌防腐剂供应商作为现场测试微生物含量的重要方法，如所谓的Easy-cult法和Petrifilm（商标为3M）法。这些方法均可以用于测定浆料、白水和淀粉悬浮液及其他过程助剂中污染物（微生物）的总量，也可以用于评价杀菌防腐剂的使用效果。这些测试方法的优点是无需装备齐全的实验室就可以进行微生物检测，其缺点仍然是需要较长的微生物培养时间。

目前较为先进的快速测试系统微生物的方法也比较多。例如，测定细胞组份的变化以及测量介质中某些指标的变化，如耗氧量、导电性能以及浊度等。所有的生物细胞都含有ATP，其职能是在细胞中转换和储存能量。过氧化氢酶是一种普遍存在于微生物细胞中的生物酶，其功能是防止细胞中的过氧化氢积累到致毒的水平，过氧化氢实质上是厌氧菌新陈代谢的副产品。ATP和过氧化氢酶均可以被快速且容易地检测和监控。然而，在复杂多变的环境中（如抄纸系统循环水），检测ATP的意义并不大。但是，如果检测程序合适，即便存在潜在的干扰物质也不会对测定结果产生影响。测定过氧化氢酶的缺点是并非所有微生物细胞都会产生生物酶。一个相当容易并且能快速的方法是测定每一个可疑位置的氧化还原电位以及溶解氧的水平，如果系统的这些数值较低，则说明系统中的微生物活动频繁，同时也说明系统处于厌氧状态，进而预示着系统将可能出现微生物问题。

在许多情况下，挥发性酸如醋酸、丙酸、丁酸的含量提高也预示着系统中微生物活动频繁。这些酸都是厌氧型微生物新陈代谢的结果，普遍存在于抄纸系统中的很多种细菌都属于厌氧型微生物，因此在氧气含量较低的环境中它们的繁殖速度较快。鉴于此种情况，某些工厂有规律地记录工艺循环水中丁酸的水平。以便掌握系统中微生物含量的情况，了解抄纸系统的运转状况，主动采取措施，保证生产能够正常进行，获得良好的产品。

7 微生物黏泥控制技术的发展方向

随着人们对黏泥沉积物的组份及生物膜的形成机理等的认识越来越充分，使可供选择的黏泥控制剂种类也越来越多，相应的黏泥控制程序也日趋完善。

今后微生物黏泥控制技术的发展方向主要是加强开发和使用广谱、高效、低毒的复合型杀菌防腐剂，采用生物技术和生物化学技术等新兴技术以及采用多种技术共用的微生物黏泥控制技术等。

随着人们环保意识的普遍增强，近年来，杀菌防腐剂的生产供应商们都在努力开发应用广谱、高效、低毒、使用范围广且对环境安全的多功能制剂，同时加强开发和使用复合型杀菌防腐剂。复合型杀菌防腐剂是指将各种单一的杀菌防腐剂复配或把某一杀菌防腐剂与表面活性剂和溶剂复配。通过研究各组份之间的协同增效和互补杀菌、抑菌作用以达到提高杀菌和抑菌效率及降低成本的目的。这种杀菌防腐剂的杀菌效力往往不是简单的叠加作用，而是相乘作用。这种所谓的增效作用，通常在降低使用量的情况下，仍然能够保持足够的杀菌和抑菌效力并且能够同时拓宽抗菌谱。

此外，采用生物技术也可以控制黏泥问题和微生物繁殖问题。例如，利用黏泥分解酶和可灭杀特殊细菌的过滤性微生物控制技术已经研发成功，但其缺点是仅仅可以去除黏泥而不是去除产生黏泥的有机体。

现在，已经研制出来采用生物化学技术控制微生物的特殊杀菌防腐剂产品。该生物化学方法使用改性木素磺酸盐作为复合模型，其机理是利用静电荷中和作用处理微生物代谢产物，进而使营养物对于微生物失去作用，从而抑制微生物的生长和繁殖，同时它还可以螯合存在于循环系统中的微量元素。

总之，目前微生物控制技术研究的重点就是如何使用杀菌防腐剂在较低的浓度下起效以及发展无毒性产品，以便实现纸机系统的清洁生产。