同乐城 报导:

针对制浆造纸工业废水减排需求,南京工业大学、南京九思高科技有限公司等提出了“以化工产品生产方法”将制浆废水“吃干榨尽”的研究思路,研发出以多膜集成为核心的制浆废水零排放新工艺,实现了制浆废水的资源化利用,破解了制浆废水零排放治理的世界难题,还建成了全球首套膜法制浆废水零排放示范工程,并因此获得了2019年国家科技进步二等奖。

深度处理回用 经济效益显著

据介绍,制浆造纸工业属于高耗水、高排放的行业,其中制浆废水污染物成分极为复杂,难以实现废水资源化回收利用。项目组通过调研走访发现,国内外制浆废水均是达标处理后排入江河湖海,没有深度处理回用实现废水零排放的案例,因此迫切需要通过科学技术实现制浆废水零排放与综合利用,破解制浆废水零排放这一国际难题。

项目组针对制浆造纸工业废水减排的迫切需求,通过对制浆废水复杂成分的分析检测,提出了“以化工产品生产方法”将制浆废水“吃干榨尽”的研究思路,发明了“高效预处理、多膜集成技术、高效蒸发结晶”等相结合的膜法制浆废水零排放新工艺,开发出超亲水特种超滤膜的制备方法、水质软化与膜污染协同控制技术,建成了30万平方米/年的特种超滤膜规模化生产线,实施了4万吨/日全球首套膜法制浆废水零排放工程。

该项目研制的特种超滤膜与国际先进水平膜产品相比,膜通量提高30%,化学清洗周期延长了1倍。项目组针对工业废水中硬度和COD易造成反渗透膜结垢,限制水回收率提高的问题,开发出水质软化与反渗透污染协同控制技术,提高了反渗透膜的水回收率,降低了药剂消耗和运行成本。此外,该项目建成的首套膜法制浆废水零排放工程,与原排海计划相比,投资成本和运行成本减少了一半,具有明显的经济及环境效益。

“惯例”背后的环保悖论

启东,是地处万里长江入海口北侧的一个县级市,这里三面环水,形似半岛,水产丰富。

3年前,当总投资19.8亿美元、设计年产80万吨高档纸、71.4万吨木浆的江苏王子制纸有限公司,将配建一条造纸制浆废水排海管道的消息传到启东,世代以渔业为生的当地百姓,不由地开始担心造纸制浆废水会影响生态和近海渔业养殖。

启东民众认为,造纸废水直排大海,污染环境、危及生态、破坏渔业资源。而在行业内,造纸制浆废水经处理后直排大海是国际“惯例”,王子公司是世界第三、亚洲第一大造纸企业,在日本国内和其他发达国家,都采用同样的工艺和处理方法。这是一场事关发展与保护、经济利益与生态效益之间的冲突。

“死棋”牵出的技术困局

由于政府“永久停建”的承诺,这条尚未完工的排海管道,成为一步“死棋”,留下了巨大的困局:

——不排大海,则日本最大在华投资项目王子造纸制浆尾水无处排放,南通面临可能超过100亿元的巨额违约赔偿,经济上、外交上的负面连锁反应难以估量;

——就地处理,国内外都没有造纸制浆废水“零排放”先例可循,有专家论证,在现有的技术条件下,要实现零排放,仅前期投入就需30亿元,超出修建排海管道所需12亿元的一倍多,地方财政难以为继。

“制浆尾水零排放,当时国内外业界普遍认为不可能。”项目实施人、南京工业大学膜科学技术研究所杨刚教授说。

记者采访获悉,造纸制浆废水处理有三大技术障碍无法逾越:一是成分复杂,有300—600种物质,特别是含有大量的胶体物质、木质素、短纤维等,极易造成纳米级的过滤膜污染堵塞,3个月必须更换,成本极高;二是含有高浓度的有机物,使得脱水不彻底,副产盐无法结晶;三是预处理过程中的臭气难以控制,影响环境。

关键时刻,时任江苏省省长助理兼科技厅厅长、中国工程院院士、中国膜科学973项目首席科学家的徐南平主动请缨,带领南京工业大学膜科学研究所的40多位研发人员,接下了造纸制浆废水“零排放”的世界性技术难题。

他们将要完成的任务是,全天候、24小时无条件运行,将制浆废水变成可回收利用的中水、工业用盐及干泥,实现废水全量回收利用。

此时,基本没有专门留给他们的科研攻关时间。

“膜法”制胜的创新丰碑

“要实现‘零排放’,科学锁定制浆废水的成分十分重要。”杨刚介绍,由于制浆废水成分复杂,水质比课题组想像的更差,就连日本王子公司也在不断修正指标,仅从每次提供的水质参数上看,一次比一次恶劣。

“我们没有任何退路,只能背水一战!”徐南平院士告诉记者。为了尽快获得实验数据,将日本原厂的废水空运到南通进行研究。

在对水样多次科学分析的基础上,项目团队提出了成套设计工艺。

这套装置的工艺分别为预处理、膜集成和蒸发结晶3个流程,每个流程都包含着诸多复杂技术与工艺,环环相扣,缺一不可。如预处理中,科研人员采用生物膜降解技术,不仅可将臭味去除,还有效解决了过滤膜的污染堵塞难题。

“这是国际上目前最为先进合理的工艺。”杨刚说。

膜集成是关键环节,占到处理水量的90%多。通过膜材料这个特殊的“筛子”,将大部分好水过滤出来,是实现零排放的重要保障。

最终,南京工业大学研究人员精心设计出的膜集成环节过滤出的纯水,水质指标COD小于3,电导率小于150,比自来水都好。

此时,几万吨废水中还剩下几百吨高盐水需要处理。如何让盐分结晶,顺利提取出来,做到既有效又节能,是整个工艺的最后一道工序。但国内外没有可供参考的案例。某国外造纸企业采用了蒸发技术,但最终出来的都是糊状物,盐分根本提取不出。

为此,研究人员采取了机械再压缩蒸发结晶技术,结合恰当的进水条件和过程条件控制,实现了有效结晶。前来采购的精细化工厂都不敢相信,这白花花的工业盐竟然出自制浆废水。

最后剩余的干泥,含有钙、镁等成份,被用在建筑工程中,是实惠又安全的材料。

3个月完成设计,6个月完成建设与安装,一年实现试运营。在王子公司制浆生产线建成投产之前,废水处理工程全部建成,中方完全履行了双方签订的协议。

看似“天方夜谭”的世界级难题,攻克了!

目前,这套全球唯一的制浆废水中水回用装置已经在南通经济技术开发区“能达水务有限公司”顺利运行一年多。

开发区环保局局长王朝辉表示,能达公司是中水回用工程的实施主体,制浆废水日处理能力设计峰值达4万吨,平均值3.65万吨,王子公司日产制浆废水3.2万—3.6万吨,全部在这里集中处理。监测数据显示,处理后产生的中水水质良好,主要水质指标如COD、浊度、硬度、pH值等,均优于长江水甚至自来水。

经测算,目前每吨中水运行成本约为5元,售价为2元,地方财政只需要补贴运行成本3元。与排海管道工程相比,建设资金和运行费用都有显著降低。经过适应性运行后,将有可能进一步降低运行成本。

由于售价低、水质好,这些回用中水已经成为开发区内企业争抢的香饽饽,仅王子公司每天就引中水1.2万吨用于造纸,江山农化每天也使用5000吨,用于锅炉补充水或循环冷却水。园区每年因此可节水2000万吨,并减少向水体排放COD、BOD分别为1500吨和400吨。一项技术便释放出大量的环境容量指标,为地方经济发展“腾出”巨大空间。

相关专家表示,包括造纸行业在内的一批工业项目,尽管是达标排放,但对水环境的伤害仍然不小,长此以往必然会造成水体不堪重负。

“中水回用工程具有很大的科技推广价值。”徐南平表示,这次成功实践,让他们有信心解决几乎所有工业废水的处理问题。只要科学分析相关工业废水的成分,有针对性地进行相关膜材料集成,均可实现全部中水回用,也就是零排放。如果各地政府能够下定决心进行推广,这项技术将对中国乃至世界的水资源保护、水环境治理发挥不可估量的作用。

攻克核心难点 实现三大创新

该项目技术的主要创新点是攻克了基于核心膜材料制备、膜污染控制、多膜集成工艺等的制浆废水零排放关键技术。

首先,项目组发明了两亲共聚物成膜方法,研制出超亲水高强度特种超滤膜,实现了工业化生产与规模化应用。他们创造性地将采用聚偏氟乙烯(PVDF)为主体相的两亲共聚物成膜方法,使得膜材料具有永久亲水性,还实现了超滤膜微结构的精准调控,解决了制浆废水处理中超滤膜易污染和断丝问题,提高了运行稳定性。

其次,项目组开发出水质软化与反渗透膜污染协同控制技术,提高了反渗透膜的水回收率,延长了膜清洗周期。他们发明了高盐体系膜污染控制与清洗方法,建立了反渗透膜隔网与膜分离性能的关系,提高了反渗透膜抗污染的能力;开发出水质软化与反渗透膜污染协同控制技术,将反渗透膜的水回收率从70%提高到90%以上,降低了反渗透膜脱盐过程药剂消耗40%,解决了反渗透膜用于工业废水处理过程水回收率低的问题,降低了膜系统的运行成本。

最后,项目组以多膜集成为核心,发明了膜法制浆造纸废水零排放技术工艺包,实施了全球首套膜法制浆废水零排放工程。他们发明了“高效预处理、多膜集成、高效蒸发结晶”等为一体的制浆废水资源化处理技术工艺包,在南通实施4万吨/日处理规模的制浆废水零排放工程,获得净化水及工业盐、干泥等副产物,实现资源化利用。

技术国际领先 应用领域广泛

“面向制浆造纸废水零排放的膜制备与多膜集成技术及应用”被中国石油和化学工业联合会鉴定为:该项技术成果创新性强,总体技术居国际领先水平。

相关成果在制浆造纸、精细化工、盐化工、医药工业等废水资源化中得到推广应用。其中,该项目开发的膜法制浆造纸废水零排放技术工艺包技术,已在南通能达水务有限公司实施,建成了全球首套制浆废水零排放工程,净化水回用至江苏王子、江山农化等公司;膜法中水回用技术在金华盛纸业有限公司、江苏三吉利化工股份有限公司等十多家企业应用;特种超滤膜与组件技术在南京九思高科技有限公司建成30万平方米/年的规模化生产线,在南京久盈公司成果转化并推广应用;膜法制浆造纸废水零排放技术已由江苏久吾高科技股份有限公司推广应用至造纸、化工、制药等领域。

该项目的技术创新性十分突出,获得中国发明专利30项,发表学术论文22篇,项目成果的实施产生了较好的经济和社会效益,全球首套制浆造纸废水零排放成套工艺还入选国家“十二五”科技成就展,为经济社会高质量发展作出了重要贡献。

本文来源:中国科技网,中国化工报

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