造纸工业的水资源问题细究



造纸工业的水资源问题细究

1　水是造纸不可或缺的资源

水是造纸不可或缺的资源。不仅在造纸厂内输送所有造纸原材料需要水，水对于纸页成形过程本身也至关重要。

纸张干燥过程中，水使纤维之间靠的足够近以在纤维素纤维之间形成化学键，从而形成连续的高强度纸幅。鉴于水是造纸的生命线，因此历史上的造纸厂都是依丰富水源而建。

尽管水对造纸而言非常关键，但是其并不是造纸的原材料。原材料，比如木材、再生纤维或矿物，经加工转化为最终产品。造纸厂使用水，但是不消耗水。水仅仅是从大自然“借用”的。造纸过程结束时，会将其归还给大自然；显然，造纸行业必须确保归还给大自然的水的水质接近从大自然“借用”的水质。这一要求和承诺催生了各种废水处理技术的开发与投资。

本文使用了Fisher SolveTM——造纸行业的首要业务职智能平台中的数据和分析方法。该平台管理着一个其中录入了全球每一家日产量为50 t或以上浆纸厂数据的数据库。该数据库中存有多个纸厂的进水和出水水量数据和采用的处理方法。比较量度用水量的最佳方法是生产每吨纸耗用的水的体积（m3），本文通篇采用这种方法表示。本文考虑的全球2 734家浆纸厂的用水量分布如图1所示。

所有纸厂的平均用水量为33.27 m3/t（纸）。

图1　所有浆纸厂的用水量分布

浆厂和综合性浆纸厂通常比“单一造纸厂”需要更多的水。按厂类型划分的用水量分布如图2所示。

用水量因纸种而异。大部分商品浆厂为单一制浆厂，因此用水量最高。生产包装纸的纸厂的用水量最低，因为大多数包装纸厂是使用废纸或再生纸为原料的单一造纸厂。卫生纸和纸巾纸厂的用水量也较低，原因同样是因为大多数卫生纸和纸巾纸厂是使用商品浆或废纸为原料造纸的单一造纸厂。图3所示为主要纸种的用水量。

图2　按浆纸厂类型划分的用水量分布

图3　按主要纸种划分的用水量分布

北美造纸厂的用水量似乎高于其他地区的。因北美仅23%的纸是单一的造纸厂生产的，其他为综合性浆纸厂或单一的制浆厂生产的；而在亚太地区和欧洲，单一造纸厂的产量分别占67%和51%。图4所示为按地区分的造纸用水量的分布。

主要造纸国家的用水量按照产量由高到低顺序排列结果如图5所示。

上述国家的产量和用水量数据如表1所示。

由表1可见，中国作为世界上最大的纸张生产国，用水量非常低，原因是中国75%以上的纸是单一造纸厂生产的。相比之下，美国造纸厂吨纸用水量是中国的2倍以上，因其单一造纸厂生产的纸仅占26%。

主要造纸国家单一造纸厂纸产量对用水量的影响如图6所示。位于趋势线下方的国家的用水效率较高。这些国家分别为奥地利、巴西、芬兰、智利和瑞典。

图4　按地区划分的用水量分布

图5　主要造纸国家的用水量

表1　主要造纸国家的纸产量和用水量

2　造纸厂的用水效率

水是造纸厂不可或缺的资源。引入的水很少一部分被蒸发，通过降雨形式降落在该区域的其他地方。其余部分被排放至附近的河流或湖泊，因此大自然的水供应是循环往复的。由于造纸厂不消耗水，因此用水量不是用水效率的直接量度。

图6　主要造纸国家的用水量

用水效率可以通过水使用或处理成本和使用或处理过程中需要的其他资源衡量：新鲜水购买或引入成本-泵送消耗的能源；新鲜水处理成本-化学品和设备；废水处理成本-化学品、能源和人员；废除处理厂建造和维护成本；污泥处理成本；污水排放成本（如果送至城市污水处理厂进行处理）；废水中的能量损失（废水温度总是高于引入水温度）；废水中的化学品和其他物质的损失。

建造和维护废水处理厂资金成本通常是最大的一项成本开支。废水处理厂设计处理水量是一定的；因此，用水量越小，意味着新建或修缮废水处理厂的资金成本越低。如果采用厌氧处理方法[该方法可以产生沼气（甲烷）]，则废水处理成本可以部分收回。沼气的使用可以相应降低化石燃料的使用。

3　造纸厂的用水限制

进入造纸厂的所有新鲜水必须以水蒸气或废水形式离开造纸厂。水会从纸张或纸浆干燥过程中、水冷却塔、废水处理曝气、制浆操作过程中的工艺通风口等处蒸发掉。大部分蒸发量与产量成正比；因此，只有降低新鲜水引入量，才可以降低废水产生量。浆纸厂中新鲜水的使用场合有：化学品补加（制浆厂和造纸厂）、纸浆洗涤（未漂浆和漂白浆车间的洗涤设备）、蒸煮锅补加水、淋浴器（纸机和其他位置）、真空泵和其他泵用密封水、浆料稀释。

单一造纸（非综合性）厂的起始造纸原料为（干燥的）商品浆或废纸。此类造纸厂有可能实现零排污，但是仍然需要使用新鲜水。图7说明了这一点，造纸厂内的所有操作（干燥部除外）位于名为“纸机湿部”的方框内。即使废水或过量白水为零，新鲜水引入量也必须达到1.63 t每吨成纸。

综合性浆纸厂纸机使用的起始造纸原料是高浓纸浆（浓度5%～10%）。即使新鲜水引入量为零，也会有过量白水或废水。每生产1 t纸，将产生至少7.3 t废水，废水产生量与“纸机湿部”方框内造纸厂各操作过程中的废水回收和再利用无关，如图8所示。

图7　单一造纸厂的用水情况

4　结论

水是造纸行业操作不可或缺的资源，但是造纸行业并不消耗水。任何厂区的水排放量等于该厂区的水引入量，因此净消耗量为零。离开浆纸厂的水在排放前必须处理达到“无污染”水平。地方政府法规和工厂的环境承诺对废水水质作出了要求。废水处理不需要重大成本投资，但是投资收益采用传统的货币手段难以衡量。降低用水量可以提高操作效率、减少能源消耗并节省化学品和其他原材料。较低的用水量也意味着只需要建一座较小的废水处理厂。水资源严重短缺的地区，可以将废水处理后在造纸厂再利用。

图8　综合浆纸厂的用水情况

（马倩倩编译）