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造紙工業(yè)的水資源問題細究

1　水是造紙不可或缺的資源

水是造紙不可或缺的資源。不僅在造紙廠內(nèi)輸送所有造紙原材料需要水，水對于紙頁成形過程本身也至關(guān)重要。

紙張干燥過程中，水使纖維之間靠的足夠近以在纖維素纖維之間形成化學(xué)鍵，從而形成連續(xù)的高強度紙幅。鑒于水是造紙的生命線，因此歷史上的造紙廠都是依豐富水源而建。

盡管水對造紙而言非常關(guān)鍵，但是其并不是造紙的原材料。原材料，比如木材、再生纖維或礦物，經(jīng)加工轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品。造紙廠使用水，但是不消耗水。水僅僅是從大自然“借用”的。造紙過程結(jié)束時，會將其歸還給大自然；顯然，造紙行業(yè)必須確保歸還給大自然的水的水質(zhì)接近從大自然“借用”的水質(zhì)。這一要求和承諾催生了各種廢水處理技術(shù)的開發(fā)與投資。

本文使用了Fisher SolveTM——造紙行業(yè)的首要業(yè)務(wù)職智能平臺中的數(shù)據(jù)和分析方法。該平臺管理著一個其中錄入了全球每一家日產(chǎn)量為50 t或以上漿紙廠數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中存有多個紙廠的進水和出水水量數(shù)據(jù)和采用的處理方法。比較量度用水量的最佳方法是生產(chǎn)每噸紙耗用的水的體積（m3），本文通篇采用這種方法表示。本文考慮的全球2 734家漿紙廠的用水量分布如圖1所示。

所有紙廠的平均用水量為33.27 m3/t（紙）。

圖1　所有漿紙廠的用水量分布

漿廠和綜合性漿紙廠通常比“單一造紙廠”需要更多的水。按廠類型劃分的用水量分布如圖2所示。

用水量因紙種而異。大部分商品漿廠為單一制漿廠，因此用水量最高。生產(chǎn)包裝紙的紙廠的用水量最低，因為大多數(shù)包裝紙廠是使用廢紙或再生紙為原料的單一造紙廠。衛(wèi)生紙和紙巾紙廠的用水量也較低，原因同樣是因為大多數(shù)衛(wèi)生紙和紙巾紙廠是使用商品漿或廢紙為原料造紙的單一造紙廠。圖3所示為主要紙種的用水量。

圖2　按漿紙廠類型劃分的用水量分布

圖3　按主要紙種劃分的用水量分布

北美造紙廠的用水量似乎高于其他地區(qū)的。因北美僅23%的紙是單一的造紙廠生產(chǎn)的，其他為綜合性漿紙廠或單一的制漿廠生產(chǎn)的；而在亞太地區(qū)和歐洲，單一造紙廠的產(chǎn)量分別占67%和51%。圖4所示為按地區(qū)分的造紙用水量的分布。

主要造紙國家的用水量按照產(chǎn)量由高到低順序排列結(jié)果如圖5所示。

上述國家的產(chǎn)量和用水量數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可見，中國作為世界上最大的紙張生產(chǎn)國，用水量非常低，原因是中國75%以上的紙是單一造紙廠生產(chǎn)的。相比之下，美國造紙廠噸紙用水量是中國的2倍以上，因其單一造紙廠生產(chǎn)的紙僅占26%。

主要造紙國家單一造紙廠紙產(chǎn)量對用水量的影響如圖6所示。位于趨勢線下方的國家的用水效率較高。這些國家分別為奧地利、巴西、芬蘭、智利和瑞典。

圖4　按地區(qū)劃分的用水量分布

圖5　主要造紙國家的用水量

表1　主要造紙國家的紙產(chǎn)量和用水量

2　造紙廠的用水效率

水是造紙廠不可或缺的資源。引入的水很少一部分被蒸發(fā)，通過降雨形式降落在該區(qū)域的其他地方。其余部分被排放至附近的河流或湖泊，因此大自然的水供應(yīng)是循環(huán)往復(fù)的。由于造紙廠不消耗水，因此用水量不是用水效率的直接量度。

圖6　主要造紙國家的用水量

用水效率可以通過水使用或處理成本和使用或處理過程中需要的其他資源衡量：新鮮水購買或引入成本-泵送消耗的能源；新鮮水處理成本-化學(xué)品和設(shè)備；廢水處理成本-化學(xué)品、能源和人員；廢除處理廠建造和維護成本；污泥處理成本；污水排放成本（如果送至城市污水處理廠進行處理）；廢水中的能量損失（廢水溫度總是高于引入水溫度）；廢水中的化學(xué)品和其他物質(zhì)的損失。

建造和維護廢水處理廠資金成本通常是最大的一項成本開支。廢水處理廠設(shè)計處理水量是一定的；因此，用水量越小，意味著新建或修繕廢水處理廠的資金成本越低。如果采用厭氧處理方法[該方法可以產(chǎn)生沼氣（甲烷）]，則廢水處理成本可以部分收回。沼氣的使用可以相應(yīng)降低化石燃料的使用。

3　造紙廠的用水限制

進入造紙廠的所有新鮮水必須以水蒸氣或廢水形式離開造紙廠。水會從紙張或紙漿干燥過程中、水冷卻塔、廢水處理曝氣、制漿操作過程中的工藝通風(fēng)口等處蒸發(fā)掉。大部分蒸發(fā)量與產(chǎn)量成正比；因此，只有降低新鮮水引入量，才可以降低廢水產(chǎn)生量。漿紙廠中新鮮水的使用場合有：化學(xué)品補加（制漿廠和造紙廠）、紙漿洗滌（未漂漿和漂白漿車間的洗滌設(shè)備）、蒸煮鍋補加水、淋浴器（紙機和其他位置）、真空泵和其他泵用密封水、漿料稀釋。

單一造紙（非綜合性）廠的起始造紙原料為（干燥的）商品漿或廢紙。此類造紙廠有可能實現(xiàn)零排污，但是仍然需要使用新鮮水。圖7說明了這一點，造紙廠內(nèi)的所有操作（干燥部除外）位于名為“紙機濕部”的方框內(nèi)。即使廢水或過量白水為零，新鮮水引入量也必須達到1.63 t每噸成紙。

綜合性漿紙廠紙機使用的起始造紙原料是高濃紙漿（濃度5%～10%）。即使新鮮水引入量為零，也會有過量白水或廢水。每生產(chǎn)1 t紙，將產(chǎn)生至少7.3 t廢水，廢水產(chǎn)生量與“紙機濕部”方框內(nèi)造紙廠各操作過程中的廢水回收和再利用無關(guān)，如圖8所示。

圖7　單一造紙廠的用水情況

4　結(jié)論

水是造紙行業(yè)操作不可或缺的資源，但是造紙行業(yè)并不消耗水。任何廠區(qū)的水排放量等于該廠區(qū)的水引入量，因此凈消耗量為零。離開漿紙廠的水在排放前必須處理達到“無污染”水平。地方政府法規(guī)和工廠的環(huán)境承諾對廢水水質(zhì)作出了要求。廢水處理不需要重大成本投資，但是投資收益采用傳統(tǒng)的貨幣手段難以衡量。降低用水量可以提高操作效率、減少能源消耗并節(jié)省化學(xué)品和其他原材料。較低的用水量也意味著只需要建一座較小的廢水處理廠。水資源嚴重短缺的地區(qū)，可以將廢水處理后在造紙廠再利用。

圖8　綜合漿紙廠的用水情況

（馬倩倩編譯）