Очистване на води в целулозно-хартиената промишленост

Целулозно-хартиените заводи се считат за едни от най-замърсяващите по целия свят. В процеса по изработка на хартия се потребява много чиста промишлена вода, а в резултат от това се отделят огромни количества отпадъчни води.

Тези отпадъчни води са замърсени с органични и неорганични вещества, сред които лигнин, целулозни съединения, феноли, меркаптани, сулфиди и хлорни съединения. Количеството и химическият състав на отпадъчните води зависят от мащабите на производството, суровините и от това какъв технологичен процес се използва.

Биохимичната потребност от кислород (БПК) и химичната потребност от кислород (ХПК) на отпадъчните води може да варират от 10 до 40 kg/t, съответно от 20 до 200 kg/t – за въздушно изсушен целулозен пулп. Общо взето, малките целулозно-хартиени фабрики (с продукция по-малко от 100 тона на ден) отделят по-малки количества, но по-замърсени отпадъчни води.

В целулозно-хартиените фабрики за производство на крайния продукт се използват няколко процеса. Процесите на претопяване и избелване са най-главните източници на замърсени води. Замърсителите на отпадъчните води от целулозно-хартиените заводи обикновено са слабо биологично разградими поради наличието на съединения, неподатливи на химично или биологично разлагане.

Тези замърсители са устойчиви на конвенционалните процеси на биологично пречистване и възпрепятстват пречистването на отпадъчните води. Изхвърлянето на подобни отпадъчни води във водни обекти може да има много вредно въздействие върху живите организми в тях. За пречистването на отпадъчните води в целулозно-хартиената промишленост се използват различни технологии.

Химични процеси
Сулфатният процес (крафт-процес) е с основен (алкален) характер. При него лигнинът се разгражда с помощта на натриева основа (NaOH) или на натриев сулфид (Na2S), които са много ефективни по отношение на различни видове дървесина, особено когато тя съдържа замърсители. Недостатък на този процес е силната миризма, дължаща се на тиолите и сулфидите.

Сулфитният процес е на базата на киселини. Резултатът от него не е същият като при алкалния процес. Сулфитният процес е много по-чувствителен към чистотата на технологичната вода. Ако тя съдържа дървесни клони и кори, те нарушават химичния процес и не се разлагат толкова добре, като дървото. Освен това смолата също нарушава процеса.

Полухимични процеси
Процесът NSSC (Neutral Sulphite Semichemical, полухимичен процес с неутрален сулфит) се използва най-често. Производителността на този процес е около 75%. Термомеханичният процес TMP (Thermo-Mechanical Process) се използва най-често при производството на вестникарска хартия. Новият химично-термомеханичен процес CTMP (Chemi-Thermo-Mechanical Process) е много ефективен – производителността му е около 95%.

Комбинациите от процеси с аеробно и анаеробно пречистване се оказват ефективни при отстраняването на разтворими биологично разградими органични замърсители. Цветността на отпадъчните води може да се премахне ефективно чрез третиране с гъбички, коагулация, химично окисление и озониране. Концентрацията на хлорфенолни съединения и адсорбируеми органични халогениди може да бъде намалена ефективно чрез техники за адсорбция, озониране и мембранно филтриране.

Ензими
Използването на ензими за пречистване на отпадъчни води в целулозно-хартиената промишленост се счита за нова възможност. Понастоящем се провеждат много научни изследвания в ензимологията на разлагането на лигнина. Лигниназата, целулазата, пероксидазата и т.н. са най-важните ензими – особено пероксидазата.

Този ензим се използва за обезцветяване на отпадъчни води и избелване. Възможно е и смесването на ензими със специални микроби, които нормално нямат ензимна активност, за премахване на трудноразградими, но безопасни съединения от отпадъчните води. За пречистване на водите се използват също нови ензими и технологията с рДНК (rDNA).

Анаеробни или аеробни процеси
През изминалото десетилетие се проведоха интензивни научни изследвания за приложението на технологията на анаеробния реактор за пречистване на различни видове промишлени отпадъчни води – например от хранителната, текстилната промишленост и производството на хартия и целулоза.

Анаеробната ферментация се състои от няколко взаимозависими, сложни последователни и паралелни биологични реакции, по време на които продукти от една група микроорганизми служат като субстрати за следващата. В резултат органичните вещества се разлагат и образуват смес от метан и въглероден диоксид.

Анаеробната ферментация протича в четири фази: хидролиза/втечняване, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. За да бъдат създадени условия за балансиран процес на ферментация, много важно е различните процеси на биологично разграждане да останат достатъчно взаимосвързани, за да се избегне натрупването на каквито и да било междинни вещества в системата.

Отпадъчните води могат да бъдат пречиствани анаеробно, след което може да следва фаза на биологично пречистване с активна утайка, само по метода на биологичната ципа или чрез комбинация от активна утайка и биологична ципа.

Някои от методите, използвани за пречистване на отпадъчни води в целулозно-хартиената промишленост, са флотация чрез разтворен във водата въздух (Dissolved Air Flotation, DAF), филтриране чрез пясъчни филтри, утаяване чрез ламелни утаители, филтриране чрез напорни пясъчни филтри и филтриране чрез мембранни филтри.

Рециклиране на хартия
В зависимост от това, какви химически реагенти се използват за избелване на целулозата, трябва да се извърши съответното пречистване на отпадъчните води. Избелването чрез пероксиди, кислород и озон не е толкова ефективно, колкото използването на хлор или хлорен диоксид, но при него отпадъчните води почти не съдържат химикалите, използвани за пречистване.

В случай на използване на хлор или хлорен диоксид, отпадъчните води съдържат тези два реагента, а това води до повишаване концентрацията на адсорбируемите органични халогениди. От друга страна, избелването с хлор е най-ефективният метод.

Отпадъчните води от рециклиране на хартия съдържат частици, които трябва да бъдат филтрирани. Остатъците от пластмаса, метални части (кламери и т.н.) и други отпадъци също трябва да бъдат филтрирани.

Водооборотни цикли
Намаляването на източниците на вода и повишеното внимание относно опазването на водата карат все повече собственици на промишлени предприятия да проучват възможностите за въвеждане на водооборотни цикли в техните предприятия – стратегия, която паралелно с това намалява и количеството на индустриалните отпадъчни води.

Водооборотният цикъл е привлекателен вариант за някои промишлености, като целулозно-хартиената, които консумират големи количества промишлени води и отделят силно замърсени отпадъчни води, поради което са обект на все повече глоби и такси за изхвърлянето им. Внедряването на водооборотен цикъл в целулозно-хартиената промишленост е все по-често срещано решение, тъй като позволява повторно използване на промишлената вода.

Същевременно от отпадъчните води се извличат целулозни фибри, отделени заедно с тях. По този начин предприятието извлича двойна полза от включването на отпадъчните води в оборотен цикъл.

Мембранните технологии, като микрофилтрация, ултрафилтрация и нанофилтрация, са най-ефективните методи за пречистване на отпадъчните промишлени води до ниво, при което те могат да бъдат подадени в началото на технологичния процес за повторно използване (рециклиране). Освен това, внимателният избор на химикали за пречистване на отпадъчните води също улеснява тяхното рециклиране.

Използването на озон вместо хлор например отстранява задържания за дълго време остатъчен хлор, а отпадъчната вода става по-малко корозивна по отношение на мембраните. Тези фактори, съвместно с корпоративните отговорни инициативи за намаляване потреблението на вода, мотивират операторите на целулозно-хартиени промишлени предприятия да преминат от конвенционално пречистване на водите към мембранни системи.

Наред с това, рециклирането на отпадъчните води постепенно се превръща във все по-голям приоритет.

Степени на разлагане на микрозамърсителите
Според различни изследвания степените на разлагане на микрозамърсителите (kbio, L/gSS·d) не се влияят много от повишаването на възрастта на активната утайка от 25 на 80 дни.

Дългосрочното замърсяване на отпадъчните води с органични микрозамърсители в концентрации, типични за отпадъчни води от населени места, в най-масовия случай не предизвиква непременно разлагане на микрозамърсителите по време на стадия на биологично пречистване. Наличието на основните субстрати за микробиален растеж в най-общия случай не е основният фактор за стартиране и ускоряване процесите на разлагане на микрозамърсителите във фазата на биологично пречистване, макар че съществуват изключения.

Много микрозамърсители, като ацикловир, безафибрат и атенолол, почти навсякъде се разлагат чрез аеробни процеси на пречистване на отпадъчни води. Обратно, съединения като триметоприм, диурон и диклофенак изглежда изискват доста специфични условия на аеробно пречистване, за да бъдат разложени.

Деметилацията и дейодирането на някои специфични микрозамърсители с висока аеробна устойчивост могат да бъдат постигнати в анаеробни условия (напр. деметилацията на венлафаксин и дейодирането на диатризоат). Спектърът на органични микрозамърсители, подлежащи на биологично разлагане в пречиствателните станции за отпадъчни води, може да бъде разширен чрез комбиниране на различни условия на аеробно и анаеробно пречистване.

Това подобрено премахване на микрозамърсители обаче е ограничено до определен брой съединения. Много микрозамърсители могат да се считат за стабилни при биологичните процеси за пречистване на отпадъчни води от населени места. Накрая, съществуват някои вариации при биологичното пречистване на органични микрозамърсители, които нито са напълно изучени, нито е възможно да бъдат обяснени с един параметър на процеса.