造纸过程纤维回收技术进展

窦文芳，刘泽华，李 群

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津300457）

根据当前的国家产业政策和环保形势，预计未来几年，我国造纸业仍然以改革、整合、发展为主题，要时刻保持创新活力[1]。在制浆造纸行业面临原料短缺、机械设备运行能耗高的现状下，如何改善这一境况已经提上议程，而制浆造纸过程中纤维回收的设备及回收方式对于节能降耗、促进产业发展具有重要意义。

在制浆造纸水循环过程中，所产生的废水中包括大量纸浆纤维，若不回收，不仅浪费资源，还会造成环境污染。对于造纸企业，应根据相关政策的要求[2]，降低用水量及能耗，快速发展纤维回收技术，加快设备的升级改造。造纸白水是指造纸工段产生的废水，主要含有大量的细小纤维、填料等悬浮物，以及相关功能性助剂等，同时也含有很多的溶解性胶体物质（DCS）[3]。纤维回收是指在原纸的生产过程中，对白水循环中的纤维进行回收，目的是资源循环再利用，节约原料成本。

纤维回收一方面可以将回收的纤维用于造纸，另一方面可以降低污水处理负荷，减少药剂消耗。一般情况下，为了减少污染和清水消耗，白水循环过程中通常采用过滤和气浮等方式进行纤维回收，可以提高经济效益和保护生态环境[4]。如果对植物纤维进行多次回用，可以降低原料成本，提高造纸企业的经济产能，减少对环境的危害。

在造纸工业废水中，除了含有纤维、填料、涂料等固体悬浮物，还包含施胶剂、湿强剂、防腐剂等功能性助剂。其中的纤维是造纸过程中需要的原材料，可以采用纤维回收机回收水中的纤维。造纸废水回收技术包括厂内和厂外两种，其中厂内纤维回收系统主要用于造纸白水的纤维回收，一方面通过白水循环降低白水的排放量，另一方面采用气浮、沉淀、过滤等方法进行纸浆纤维回收；厂外纤维回收是指造纸废水处理设施中的收浆除渣系统，厂内纤维回收优于厂外纤维回收。

1 纤维回收技术的发展状况

由于全球环境保护意识的提高和造纸技术的发展，造纸生产过程中纤维回收的方法和技术也在逐步发展。造纸厂中约有相当于总产量1%~3%的好纤维是在纸机设备正常生产情况下在流出去的白水中被浪费掉的，即使安装了效率较高的白水回收设备，纤维的平均流失量也高达总产量的1%~1.5%[5]。生产过程总是伴随着挑战，为了保持市场活力和满足社会发展需求，大量造纸企业以实现节能节水降耗、降低成本为目的，大力发展纤维回收设备。对于制浆造纸过程，水的循环回用是一条重要的清洁生产途径，由于白水中含有许多细小纤维，有效进行白水回收和处理便尤为关键。纤维回收率的提高能极大地降低制浆造纸的原料成本以及能源消耗。影响造纸白水的成分及含量的因素很多，因此很难找到适合于任何造纸厂纤维回收的处理方法，所以具体的技术设备应视各造纸厂的具体情况来选择。

1.1 国外的发展状况

在纤维回收设备发展过程中，国外的纤维回收设备发展较快，例如多圆盘真空过滤的开发制造已有近百年历史，积累了丰富的经验，例如较为熟悉的奥斯龙、克瓦纳海麦克、艾姆科等国外公司[6]。早在20世纪70年代，国外大多使用多圆盘式纤维回收设备来回收白水中的纤维和填料，并迅速得到普遍应用，至今已取得长足的发展。

1.2 国内的发展状况

在20世纪70—80年代，许多纸厂采用多种处理方法如过滤法、气浮法、斜板沉淀法[7-8]等进行封闭白水试验，其中气浮法是当时造纸企业纤维回收的主要方式。90年代，保定钞票纸厂[9]按照“浓淡分流，分质处理，回收利用”的原则，在造纸白水处理过程中引入水力筛，设计了“水力筛－沉淀池－滤池”等工艺，使得纤维回收率大大提高。受到国内外经济效益和规模环境的影响，大型企业多使用多圆盘过滤系统进行纤维回收，中小型企业多采用过滤和气浮法进行纤维回收，在白水循环过程中进行纤维回收不仅能降低原料成本，还具有节能节耗的作用。

2 纤维回收技术

在制浆造纸白水处理过程中，由于细小纤维大多在白水中存留，所以纤维回收通常在白水循环过程中进行。废水循环过程中纤维回收技术的发展与设备的改进能促进工厂的经济循环和可持续发展。目前，我国常用的白水回收方法主要包括气浮法、沉淀法和过滤法。

为了提高纤维回收率，寻找更经济有效的纤维回收技术，多家企业以及工厂对现有的技术不断进行优化及改进。针对造纸白水中的棉浆纤维回收，苏书智等[10]研究了采用水力筛装置回收纤维的工艺路线，其通过水力筛回收棉浆造纸废水中的纤维，不仅纤维回收率高，而且投资省，见效快。此外，维美德公司推出了名为Valmet Pressure-fed Bow Screen的多用途弧形压力筛，此款设计通过弧形结构能够最大限度地提高纤维回收与浆料浓缩工艺的效率，其采用了维美德的最新技术，具有低能耗、少人工的优点，可以用来生产高强度包装纸板[11]。NASSAR[12]提出了一种内部处理循环，包括再循环纸机废水，可通过安装纤维回收单元来完成，这种安排减少了约90%的淡水使用量，减少了80%~90%的纤维损耗，并增加了13%的纸板产量。HUBBE等[13]演示了一个用于生产纸巾的闭环系统，通过对白水系统进行再循环，纤维损耗从2.3%降低到低于1%。通过白水回收可以帮助纸厂减少清水用量，提高纤维回收效率，保证能源的充分利用，并减少污水处理成本。以凯登公司为例，其在白水回收应用中的多圆盘过滤及气浮法回收流程示例见图1[14]，此方法能够有效地进行纤维回收和白水处理。纤维回收技术能够充分发挥资源的回收利用，节约成本，降低能耗，积极响应了国家政策的号召，满足对节能降耗等能源短缺问题的需求，并且产生巨大的经济效益，所以未来对纤维回收技术的改进与利用将会有广大的市场。

图1 白水回收应用的典型流程示例(以凯登公司为例)

2.1 气浮法

2.1.1 气浮法原理

白水中的固体物吸附空气后，其表观密度降低，从而漂浮集聚于液面而与水分离，气浮法就是根据此原理。在制浆造纸过程中，由于纤维具有亲水性，需对其进行疏水改性，从而达到在气浮过程中与气泡附着的回收过程。在20世纪70—80年代，我国的造纸企业多采用气浮法进行白水处理的纤维回收，气浮法的发展已逐步成熟，常用的气浮方式为加压气浮、射流气浮、超效浅层气浮。其中，超效浅层气浮是目前国内用来处理造纸白水，进行纤维回收最常用的一种方式，其使用广泛且效果良好。叶苍[15]介绍了超效浅层离子气浮法技术在福建南纸股份有限公司的应用，以及在这一技术应用过程中的工艺特点、处理效果、运行成本等，说明通过超效浅层离子气浮法可以确保废水的排放达标以及提高纤维回收率。MIRANDA等[16]研究了C-PAMs和A-PAMs对溶解气浮（DAF）造纸中溶解物和胶体物絮凝去除率的影响，结果表明其有助于造纸过程中纤维与杂质的分离，且4 h的水力停留时间（HRT）用于沉降，可有效降低纸浆损失。在不同的造纸厂制浆造纸过程中，不同的气浮法处理方式具有不同的作用效果，因此，需要根据造纸厂的具体需求选择合适的纤维回收处理方式。

2.1.2 主要设备

气浮法采用的主要设备包括射流器、容器罐、集水池、浮选槽、充气设备等，具体见图3。

图3 气浮法的主要设备及纤维回收工艺[17]

2.1.3 优缺点

气浮法回收纤维的优点在于，处理效果稳定可靠，拥有较高的回收效率，回收水质好，能够清除蜡质、沥青以及脂肪性物质，对于酸性、中性和碱性的抄造白水均可以有效处理，并且气浮系统占地面积较小，结构简单，可给相关施工操作带来极大的便利。

气浮法也存在缺点，如存在较多的动态设备，并且故障较多，运行电耗和费用比较高，增加了日常维修工作量等[18]。供气量、白水浓度、絮凝剂的种类和用量等因素对纤维回收效率也有较大影响，如果空气量太多，会导致流体湍流，从而破坏絮聚，降低气浮效果；如果空气量不足，会降低回收效率，所以控制好溶气比[19]是提高纤维回收效率的关键。

2.2 沉降法

2.2.1 沉降法原理

沉降法的原理是，废水中密度较大的悬浮物质借助重力作用，从废水中沉降下来，从而与水分离，达到回收纤维、填料以及澄清白水的目的。根据悬浮物颗粒的大小、密度、形状等，存在4种可能的沉降方式，即离散颗粒沉降、絮凝颗粒沉降、区域沉降和压缩沉降。在目前的纤维回收沉降法应用中，絮凝沉降法应用的较普遍。MUKHERJEE等[20]以瓜尔胶、黄原胶和刺槐豆胶为絮凝剂，研究了从造纸厂废水中回收纤维素纤维的方法。瓜尔胶是一种天然植物提取物质，对环境无害，为造纸厂的纸浆回收提供了一种绿色处理方式。絮凝剂可以沉降白水中的细小纤维和其他细小固体颗粒悬浮物，絮凝沉降法是一种操作简便、应用广泛的水处理方法，通常应用在白水处理。在造纸白水的处理过程中，造纸白水先经微孔过滤处理回收纤维，以降低白水中的悬浮物含量，再加入混凝剂和助凝剂，使白水中的细小纤维、填料、胶体性物质及部分溶解性有机物聚沉，处理后的澄清水可完全回用于生产或排放[21]。

2.2.2 主要设备

沉淀塔是目前使用比较多的沉淀设备，白水由塔顶进入塔体罩内，经过内罩体和分流管的作用使白水形成一定的旋流体，进行离心沉淀。

2.2.3 优缺点

沉降法的优点是沉淀处理方法成熟、稳定，在处理过程中电耗较低，操作维护简单，运行费用相对于其他纤维回收方式更低。化学絮凝处理造纸白水具有投资少、工期短、处理系统运行管理简单、操作灵活、处理效果好等特点。化学絮凝处理能有效去除再生造纸废水中的SS、色度以及有机物等，得到的泥浆经过适当处理后还能用作生产箱纸板的纸浆，处理的上清液可以作为工业水循环使用，因此其经济效益和环境效益相当显著。

沉降法的缺点是占地面积较大，污泥需经浓缩后脱水。用沉降的方法分离细小纤维和填料的时间长，效率低，适合小型纸机；当白水浓度过大时，白水会在塔锥体部分继续沉淀，此时，受到连续从塔锥底排出的尾浆所形成向下分流量作用，进入锥体部分的浓白水的沉淀速度逐渐加快，使塔锥部尾浆浓度按锥体高度形成稳定的浓度梯度，此为沉淀塔稳定运行的关键。

2.3 过滤法

2.3.1 过滤法原理

过滤法是将废水中的悬浮物通过一层有孔眼的过滤介质或装置进行分离，根据尺寸的大小决定废水中悬浮物颗粒的截留，通过各种过滤方式将纤维过滤出来。过滤机已广泛应用在白水循环纤维回收过程中，例如：双鼓过滤机、多圆盘式过滤机、真空过滤机、压榨过滤机等。造纸企业最大的用水点就是纸机设备，如果能把纸机生产用水处理后回用则可以节省大量清水，从而产生显著的环境效益和经济效益。其中，多圆盘过滤法用于大、中型制浆造纸厂，主要用于造纸白水中纤维、填料及水的回收（见图4）。

图4 多圆盘真空过滤机用于纸浆浓缩及白水回收的流程[6]

2.3.2 主要设备

过滤装置或介质包括格栅、筛网、过滤机等，应按废水中悬浮物的性质进行选择，才能达到良好的收集效果。

过滤机被广泛应用于除去废液中的纤维及其他悬浮物，进行纤维回收。常用的过滤机为转鼓式、圆盘式、履带式等[22]，随着国内纸厂规模日渐扩大，以及对水资源、能源、环保等方面的要求，多圆盘真空过滤机已成为白水回收、纸浆筛选精选后浓缩的优选设备，其结构如图5所示。袁磊等[23]介绍了烟草薄片公司主要使用的回收装置是弧形筛、旋翼筛和帆布式过滤装置，并比较了不同回收装置对于纤维回收的处理效果，结果表明帆布式过滤装置对纤维的回收效果最好。程文业等[24]对国内外多圆盘过滤系统结构进行分析，并提出了改进措施，可以最大限度地提高了白水利用率，进而提高纤维回收率，且设备整体性能已基本达到国际先进水平。

图5 多圆盘过滤机结构[25]

2.3.3 优缺点

多圆盘过滤的过滤效率高，过滤质量稳定，滤液损失少；且多圆盘结构的配置齐全，操作方便，便于维护；过滤过程在全封闭不锈钢抛光容器和卫生管路中进行，满足了纤维回收安全过滤及卫生性的要求。由于具有处理白水量大、便于操作、能源消耗低等特点，多圆盘过滤机经常被造纸企业用于白水回收的水处理[26]。

多圆盘过滤的缺点是设备投资大，制造要求高，为形成真空需将设备架高或使用真空泵，卸料较难，滤网易堵塞等。

3 纤维回收的应用

由于纤维回收具有重要的应用价值，不仅能够降低制浆造纸原料生产成本，降低能耗，而且对于环境友好，极大地促进了制浆造纸企业的发展。随着国内外制浆造纸企业的发展，对于回收的纤维的用途也变得十分广泛。

通过热解法处理回收纤维，可以回收能源加以利用。BROWN等[27]评估了通过缓慢热解法将废纸回收厂的纤维残留物转化为有价值的能源产品的适用性，对回收纤维进行热解，从而达到热量回收利用的目的，提高了回收纤维的利用率。PUITEL等[28]阐述了罗马尼亚造纸工业采用沉降等技术方法回收纤维的做法，通过沉降技术使得回收纤维在罗马尼亚造纸和纸板生产中的利用率为88.4%，回收的纤维被应用于瓦楞纸板和卫生纸等的生产，降低了废料对环境的危害。高莹[29]研究了采用化学助剂回收造纸废水中的超短纤维，将回收的纤维用于瓦楞纸生产，不仅可以降低能耗，节约成本，还能达到C级瓦楞纸板的物理性能指标。将造纸厂产生的废弃纤维作为燃料或者填埋都会对环境造成危害，纤维回收技术公司（FRT）针对此问题开发了一种机械再制浆方法[30]，可以逐渐地分离纤维，同时保留大部分污染物，纤维可以很容易地从污染物中筛选出来，用于再次制浆造纸。针对资源短缺的现状，马志娟[31]分析了纤维回收利用技术现状，提出应用物化技术、生物技术等来提高纤维回收率，并展望了回收纤维用于纸和纸板再生产的发展前景。

综上可知，制浆造纸白水循环过程中的纤维回收不仅可以降低能耗、节约原料、清洁用水，还可以实现纤维的综合利用，减少污染排放。制浆造纸白水循环过程中的纤维回收利用，不仅需要依托国内纤维回收技术、方法、设备的快速发展，还要学习国外先进技术、设备，更需要根据不同企业的实际需要选择合适的纤维回收方式和设备等。

4 展望

从目前造纸企业的能源消耗情况和循环经济的发展趋势来看，对白水循环封闭系统进行纤维回收是制浆造纸工业发展的必然趋势。当前，在白水循环过程中还不能够100%进行纤维回收，科研人员仍需要不断设计新的白水循环系统方案，优化纤维回收单元来提高纤维回收率。为助力2060年实现碳中和，国内造纸行业必须重视对白水封闭循环回用和纤维回收技术的研究，并通过对气浮、沉淀、多圆盘过滤等纤维回收技术的升级改造提高纤维回收率。纤维回收对于造纸企业的循环经济发展而言其价值是非常可观的，必定会促进造纸企业在纤维回收利用、降低纤维原料成本以及能源消耗等方面的技术发展。

纤维回收技术将会朝着节能减排、高效循环的方向发展。通过上述对制浆造纸过程中纤维回收设备的分析可知，在制浆造纸过程中的纤维回收具有较多的工艺，随着国家对节能减排的大力支持，会极大推动具有高效节能优势的纤维回收技术发展。当前，我国与国外先进技术和装备的水平还有一定差距，未来需要大力发展循环经济，促进技术的成熟与升级，加快实现纤维回收技术的智能化、节能化和绿色化。