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“廢紙造紙廢水資源化利用關鍵技術研發與應用”提出了廢紙造紙廢水資源化利用的新模式，通過研發具有自主知識產權的廢水處理新裝備及工藝、合成新型造紙助劑對沉渣進行處理，解決了廢紙造紙廢水及沉渣資源化利用的關鍵技術問題，實現了廢紙造紙的節能減排和清潔生產，開創了我國廢紙造紙廢水處理的新模式，已在全國56家造紙廠推廣應用，每天共處理造紙廢水76萬噸，減少CODcr排放1140噸/天，節約纖維456噸/天，節約能耗7.2萬度/天，年創直接經濟效益2.02億元，取得了良好的環境、經濟和社會效益。
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“以前，一提到造紙，我們馬上就會想到水污染。”華南理工大學教授萬金泉說，造紙工業的環境污染問題，一直以來都困擾我國造紙業持續發展的關鍵問題。
受環保“緊箍咒”的束縛，很多制漿造紙的生產線紛紛落馬。“要破解造紙行業的這一老大難問題，需要尋找新的途徑，研發新的技術。”
在年初的全國科技獎勵大會上，萬金泉領銜的“廢紙造紙廢水資源化利用關鍵技術研發與應用”，攻克了廢紙造紙廢水資源化利用的技術瓶頸，獲得2009年度國家科技獎勵大會國家科技進步獎二等獎。
—— 背景閱讀 ——
廢紙造紙量逐年遞增
作為世界上造紙量最大的國家，造紙工業是我國可持續發展的支柱產業之一。隨著植物資源的短缺和對環境保護的重視，為保護森林資源，減少造紙工業對環境的污染，廢紙造紙成為造紙工業的重要發展方向，全國造紙原料中廢紙已經占50%以上，現今我國廢紙造紙年產量超過4000萬噸，且逐年遞增。
但令人擔憂的是，據萬教授介紹，廢紙造紙產生的廢水和廢水處理過程產生的沉渣量大，每生產1噸紙耗水30—60噸，廢水化學耗氧量（CODcr）負荷達1500—2500mg/L，并產生0.34噸的沉渣。目前，由于廢紙造紙廢水的治理工程投資大、運行能耗高、無法解決廢水循環使用過程中污染物的累積問題，難以實現水的長期封閉循環使用；而沉渣利用困難，只能填埋和焚燒，對環境造成污染。
廢紙造紙污染控制技術現狀
目前通用的廢紙造紙污染控制技術主要有物化處理技術和生化處理技術，但它們都具有難以克服的缺陷。
首先，物化處理技術中的沉淀池法，污染物去除率低，絮凝沉淀時間長，沉渣會厭氧發酵；淺層氣浮技術污染物去除率低，運行成本高，沉渣含大量微氣泡，濾水性差。
另外，生化處理技術包括SBR法、Carrousel氧化溝、IC厭氧+好氧法等，它們難以實現對廢水中難降解有機污染有效降解，廢水循環使用后會產生污染物的累積。
萬教授表示，這些技術導致大量的廢水和廢渣難以利用。廢水產生量大，每生產1噸紙耗水30—60 噸，CODcr負荷達1500—2500mg/L，“全國每年廢紙造紙產生的廢水量約19.8億噸，這相當于2700萬人一年的飲水量；每年由于沉渣無法回用，造成植物纖維浪費500萬噸，這相當于損失了6000萬棵成年樹。”
—— 新方法 ——
高效的“一體化”技術
萬金泉說：“傳統的造紙工業廢水處理方法通常是采用單一的物化或生化處理方法，不僅投資大，而且處理效果差、運行成本高。而我們的廢水處理是高效的‘一體化’技術。”
與其他技術相比，“廢紙造紙廢水資源化利用關鍵技術研發與應用”項目既可以保護環境，又可以創造效益。萬金泉教授說：“與國內外技術相比，本技術投資減少20%左右，運行成本降低30%以上，難降解污染物的去除率提高20%以上，可實現廢紙造紙廢水的‘零排放’”。
該項目的整體工藝可以描述為：造紙廢水經格網除去較大雜物進入調節池，廢水經調節池水質、水量均衡后，由提升泵送至高效一體化處理設備(投加化學藥劑)，經一體化設備處理后的出水80%左右可以回用于車間，其余部分利用重力自流進入共代謝生物反應器進行處理，處理后的水可長期循環使用，實現造紙廢水的零排放，物化處理產生的沉渣經NHEP-30處理后回用于生產。
—— 創新點 ——
高效的一級物化處理裝備與技術
萬金泉告訴記者，廢紙造紙廢水中主要污染物為細小纖維、樹脂酸、油墨、染料等，這些污染物以不溶性細小纖維、膠體物質、溶解性的有機物和鹽的形式存在。
通過研究廢水混凝過程，項目組提出了一種集廢水的混凝、沉淀、吸附過濾于一體的新型高效一體化物化處理設備。該工藝與國內外同類沉淀或氣浮處理造紙廢水處理方法相比，SS、CODcr、BOD5的去除率提高20%—35%，水力停留時間縮短30%—40%，能耗降低30％以上。處理后的出水可更好地回用于生產，降低了后續生化處理的處理量和處理負荷及廢水處理的能耗和運行成本。
經物化處理的出水長期循環使用后，造紙用輔料、樹脂酸等可溶性物質會出現累積，對生產造成影響。若將物化處理出水全部經生化處理后再使用，將會大大增加生化處理的負荷和成本。
由于本技術高效的物化處理效果，使得采用本技術處理后的廢水循環使用后累積量較少，但當廢水的回用率超過80%，廢水中的DCS的累積量明顯增大，陰離子垃圾的富集會造成造紙機斷頭、粘網等，對造紙生產造成影響。通過20％廢水進行生化處理，不僅可以解決水中累積的DCS的影響，也可以降低后續二級生化處理的投資規模和處理成本，解決了廢水處理的經濟性和處理效果之間的矛盾。
碳源協同共代謝生物處理新技術
萬金泉說：“對經物化處理后廢水進行定性定量分析，共檢測出主要有機污染物90種，其典型污染物為鄰苯二甲酸二丁酯和二甲苯。采用傳統的生物方法無法實現該類污染物的有效降解，這是造成廢紙造紙廢水無法實現零排放的主要原因之一。”
在這種情況下，只有通過外加碳源進行人工強化誘導微生物產生關鍵酶，在關鍵酶的作用下微生物才能利用該類物質，從而得到降解或轉化，最終去除。
針對碳源共代謝技術的特點，該項目開發了基于共代謝的厭氧、兼氧、好氧生物工藝及共代謝生物反應器。廢水經溢流堰進入輻射狀布水管，使廢水中有機物、共代謝碳源混合。
由于布水管呈輻射狀均勻排列，克服了水在單一水管中流動時由于沿程阻力引起的布水不均勻性，增加了污染物和共代謝微生物的接觸時間，提高了處理效率。
一級物化處理沉渣回用新技術
項目研究表明，造紙沉渣組分中纖維約占72%，無機填料約占20%，其他組分占8%。沉渣中纖維與廢紙漿中的纖維相比細小纖維比例大、表面電荷含量高、負電性強，沉渣纖維仍具有一定的漿張強度，具有回用價值，但如果直接回用于生產，則留著率低、成紙強度差，從而會造成紙機斷頭、堵網等問題，嚴重影響生產的正常進行。
“因此必須通過添加造紙助劑以實現細小纖維的留著和補強才能實現殘渣的回用。”萬金泉說。
而沉渣中細小纖維及無機填料含量較高會導致造紙助劑分散困難、可及度降低。因此能夠實現造紙殘渣回用的助劑應具有高電荷、粒度小、比表面積大等特點，而現有的造紙助劑不能夠滿足上述應用需求。
于是，項目組合成了納米級高電荷兩性聚丙烯酰胺（NHEP-30），經過NHEP-30處理后沉渣中的細小纖維留著率及紙頁強度均可提高30%以上。可作為造紙原料回用于生產，實現資源化利用，解決了造紙廢水中固體相對環境造成的二次污染。
—— 項目效果 ——
廢水處理的新模式
“該技術徹底改變了傳統的造紙工業廢水處理方法，造紙廠實現了節電、節水、節約造紙纖維，實現了向造紙廢水要效益。” 萬金泉說。
與目前同類技術相比廢水處理工程的投資節省30％以上，運行費用降低40％以上，能耗降低30%以上，實現了廢紙造紙廢水的封閉循環和造紙廠的清潔生產。
目前已在廣東、湖南、湖北、山東、黑龍江、江蘇、山西、浙江、廣西、河北、四川等省的56家造紙廠應用，每天共處理造紙廢水76萬噸，每天減少CODcr排放1140噸，每天回收纖維456噸，通過節電、節水、節約造紙纖維等直接年創造經濟效益2.02億元，近三年來累積創經濟效益約5.6億元，取得了良好的經濟和社會效益。
據估算，目前我國廢紙造紙年產量超過4000萬噸，現有以廢紙為原料的造紙廠超過1000家，這些廠家基本上沒有實現廢水的高效資源化利用，可見本技術具有廣闊的市場前景。
以預期400家造紙企業使用本技術、日處理廢水約400萬噸計，通過節支一項可年創直接經濟效益達12億元，而由此帶來的環境和社會效益更大。
