Поскольку целлюлозно-бумажная промышленность является крупным потребителем природных ресурсов (леса, воды и энергии), на ней лежит большая часть проблем загрязнения воды, воздуха и почвы, являющихся объектом пристального изучения в последние годы. Такое внимание представляется оправданным, учитывая масштабы загрязнения воды в расчете на тонну целлюлозы (например, 55 кг потребления биологического кислорода, 70 кг взвешенных твердых веществ и до 8 кг хлорорганических соединений) и объема целлюлозы, производимой во всем мире в год (примерно 180 миллионов тонн в 1994 г.). К тому же, только около 35% использованной бумаги перерабатывается, а бумажные отходы составляют значительную долю общемирового количества твердых отходов (около 150 миллиона из 500 миллионов тонн ежегодно).
При строительстве целлюлозно-бумажных комбинатов устройства для контроля загрязнения не разрабатывались, и минимизировать объем стоков и концентрацию загрязняющих веществ даже не пытались. С 1970-х годов экологические технологии стали составной частью в составе производств заводов в Европе, Северной Америке и других регионах мира. Рис.72.12 иллюстрирует, как на канадских целлюлозно-бумажных комбинатах в период с 1980 по 1994 гг. шли поиски решения экологических проблем: увеличивалось использование древесных отходов и вторичной бумаги в качестве сырья волокна; снижалось потребление кислорода и содержание хлористых органических веществ в сточных водах.
Рис. 72.12 Экологические показатели использования древесных отходов и вторичной бумаги в производстве, биологической потребности в кислороде (ПБК) и хлорсодержащих органических веществ (АОХ) в сточных водах канадских целлюлозно-бумажных комбинатов, 1980 - 1994 гг
В данной статье рассматриваются основные экологические проблемы, связанные с целлюлозно-бумажными производственными процессами, определяются источники загрязнения, имеющиеся в этих процессах, и кратко описываются технологии контроля, включая внезаводскую обработку и внутризаводские производства. Проблемы, связанные с древесными отходами и фунгицидами для борьбы с синью, более подробно обсуждаются в главе Пиломатериалы.
Проблемы загрязнения воздуха Выбросы в атмосферу оксидированных серных соединений с целлюлозно-бумажных комбинатов наносили ущерб растительности, а выбросы восстановленных серных соединений вызывали жалобы на запах "тухлых яиц". Обследования работников и их семей, в частности, детей, проживающих вблизи целлюлозно-бумажных комбинатов, выявили вредное воздействие определенных выбросов на органы дыхания, а также раздражение слизистой оболочки и головную боль от восстановленных серных соединений. Что касается варочных процессов, потенциально наиболее способными загрязнять воздух являются методы химической варки, особенно крафт-целлюлозы.
Окись серы выбрасывается больше всего при операциях с серой, особенно с применением щелочи кальция или магния. Основными источниками являются продувка периодически действующего варочного котла, испарители и препараты растворов, меньшую долю выбросов дают операции по промывке, сортировке и регенерации. Восстановительные печи в крафт-целлюлозных процессах и энергетические котлы, которые используют в качестве топлива уголь или масла с высоким содержанием серы, также являются источником двуокиси серы.
Восстановленные серные соединения, в том числе сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид и диметилдисульфид, почти исключительно связаны с варкой крафт-целлюлозы и сообщают этим заводам их характерный запах. Основными источниками выбросов серных газов являются восстановительные печи, продувка варочного котла, выпускные вентили котла и вентили промывочной установки; испарители, шламовые резервуары, известегасильные аппараты, печь для обжига извести и сточные воды также могут вносить в это свой вклад. Некоторые операции с серой используют восстановительную среду в своих регенерационных печах и могут вызывать появление запаха серы.
Серные газы, выпускаемые котлом-утилизатором, лучше всего контролировать с помощью уменьшения количества выбросов в источнике. Средства контроля фиксируют степень окисления черного раствора, запаха ослабление сульфидности раствора, понижение запаха в котлах-утилизаторах и правильность эксплуатации регенерационной печи. Серные газы от продувки варочного котла, выпускных вентилей котла и испарителей раствора могут собираться и сжигаться - например, в печи для обжига извести. Дымовые газы от продуктов сгорания собираются с помощью газопромывателей.
Окиси азота образуются в качестве продуктов сгорания при высокой температуре и выделяются из котла-утилизатора, энергетического котла или печи для обжига извести, в зависимости от условий эксплуатации. Образование окиси азота можно регулировать температурой, количеством воздуха и топлива, а также времени нахождения веществ в зоне сгорания. Другие газообразные соединения составляют меньшую долю среди заводских загрязнителей воздуха (например, угарный газ при неполном сгорании, хлороформ при отбеливании и летучие органические вещества при разгрузке варочного котла и испарении растворов).
При горении образуются твердые несгоревшие частицы, небольшим источником их могут являться так же резервуары-растворители расплава. Более 50% частиц на целлюлозном заводе очень мелкие (менее 1мкм в диаметре) и состоят из сульфата натрия () и карбоната натрия (), образующиеся в условиях регенерационных печей, печей для обжига извести и резервуаров-растворителей расплава; из NaCl от сжигания отходов бревен, которые выдерживались в соленой воде. Выбросы печей для обжига извести содержат значительное количество крупных частиц, вследствие захвата солей кальция и возгонки натриевых соединений. Крупные частицы могут также содержать пыль и органические продукты сгорания, особенно от разрушения футеровки энергетических котлов. Ослабления концентраций выбросов можно достичь, прогоняя дымовые газы сквозь электростатические фильтры или газопромыватели. Последние усовершенствования в технологии энергетических котлов включают мусоросжигатели с кипящим слоем, которые работают при очень высоких температурах, результатом чего является более эффективное преобразование энергии и возможность сжигания менее однородных древесных отходов.
Проблемы загрязнения воды Загрязненные сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов убивают живущие в воде организмы, ведут к биоаккумулированию токсических соединений в рыбе, портят вкус питьевой воды в нижнем течении. Стоки целлюлозно-бумажных комбинатов классифицируются по физическим, химическим или биологическим характеристикам, причем наиболее важными являются содержание твердых веществ, потребление кислорода и токсичность.
Содержание твердых веществ в сточных водах обычно классифицируется в зависимости от их доли, которая находится во взвешенном состоянии (против растворенной), доли взвешенных твердых веществ, которые могут осаждаться, и доли тех и других в летучем состоянии. Самой нежелательной является осаждаемая часть, потому что она может формировать плотный слой осадка вблизи места слива, который быстро истощает растворенный кислород в принимающей воде и создает возможность быстрого размножения анаэробных бактерий, которые вырабатывают метан и восстановленные серные газы. Несмотря на то, что неоседающие твердые вещества обычно растворяются в принимающей воде и поэтому вызывают меньше беспокойства, они могут переносить токсические органические вещества к водным организмам. Взвешенные твердые вещества, сбрасываемые целлюлозно-бумажными комбинатами, содержат частицы коры, древесного волокна, песок, гравий из механических дробилок древесной массы, добавки для производства бумаги, отстой растворов, побочные продукты процессов обработки воды и микробные клетки от операций по вторичной переработке.
Производные соединения древесины, растворенные в варочных растворах, включая олигосахариды, простые сахара, производные лигнина малого молекулярного веса, уксусную кислоту и растворенные волокна целлюлозы, требуют основного количества биологически потребляемого кислорода (БПК) и химически потребляемого кислорода (ХПК). К сложным соединениям, токсичным для водных организмов, относятся: хлорсодержащая органика (АОХ; от отбеливания, особенно крафт-целлюлозы); смоляные кислоты; ненасыщенные жирные кислоты; дитерпеновые спирты (особенно от окорки и механического дробления массы); ювабионы (особенно от сульфитной и механической варки); продукты распада лигнина (особенно от сульфитной варки); синтетическая органика, например, противоосадочные добавки, масла и жиры; производственные химикаты, добавки для производства бумаги и окисленные металлы. Хлорсодержащие органические вещества вызывают особое опасение, поскольку они крайне токсичны для морских организмов и могут биоаккумулироваться. Эта группа соединений, включая прежде всего полихлорсодержащие дибензол-п-диоксины, диктует необходимость сокращения использования хлора при отбеливании целлюлозы. _________________________ Термин транскрибирован (прим. переводчика)
Количество и источники взвешенных твердых веществ, потребление кислорода и токсические выбросы зависят от процесса (таблица 72.7). Вследствие растворимости извлекаемых из древесины веществ при малом или нулевом восстановлении химикатов и смоляных кислот, сульфитная и химико-термомеханическая варка целлюлозы дают высокотоксичные стоки с большим БПК. В прошлом заводы по производству крафт-целлюлозы использовали больше хлора для отбеливания, а их стоки были более токсичными; тем не менее, стоки с заводов по производству крафт-целлюлозы, где для отбеливания не используется , а применяется вторичная переработка, обычно не выбрасывают или выбрасывают мало высокотоксичных отходов, а их токсичность сильно снижена.
Взвешенные твердые вещества стали представлять меньшую проблему, потому что большинство заводов теперь утилизирует первичное осветление (например, свободное осаждение или флотация с растворенным в жидкости воздухом), удаляя от 80 до 95% осаждающихся твердых веществ. Технологии по обработке вторичных водных отходов - пруды с аэрацией, системы активного ила и биологической фильтрации - используются для сокращения БПК, ХПК и хлорсодержащей органики в стоках.
Внутризаводские средства уменьшения количества осаждающихся твердых веществ, ПБК и токсичности включают сухую окорку и транспортировку бревен, улучшенную сортировку стружки, позволяющую осуществлять варку одноразмерной стружки, расширенную делигнификацию во время варки, изменения в варочных химических перерабатывающих операциях, альтернативные технологии отбеливания, высокоэффективную промывку целлюлозы, восстановление волокна из аэрированного потока и улучшенную локализацию проливов. Однако неполадки в процессе (особенно если они приводят к намеренному сбросу в канализацию растворов) и эксплуатационные нарушения (особенно использование невыдержанной древесины с высоким содержанием экстрактов) все еще могут вызывать токсические выбросы.
Относительно недавно введенная стратегия экологического контроля, нацеленная на полное устранение загрязнения воды, - это концепция "замкнутого завода". Такие заводы являются привлекательной альтернативой в местах с недостатком водных ресурсов, так как при этом создаются потоки, снабжающие процесс или принимающие стоки. Закрытые системы успешно применяются на заводах химико-термомеханической и сульфитной целлюлозы на основе натрия. "Замкнутые заводы" отличаются тем, что жидкий сток выпаривается, а конденсат перерабатывается, фильтруется и затем используется повторно. Другие особенности "замкнутых" заводов - это изолированные сортировочные цеха, противоточная промывка в отбелочном цехе и системы контроли солей. Хотя этот подход эффективен для минимизации загрязнения воды, пока не совсем ясно, как будет воздействовать на работников концентрация всех загрязняющих потоков внутри завода. Коррозия является самой большой проблемой для заводов, использующих замкнутые системы, а концентрации бактерий и эндотоксина в рабочей воде повторного цикла возрастают.
Обработка твердых веществ Состав твердых веществ (осадка), удаляемых из систем обработки жидких стоков, меняется в зависимости от их источника. Твердый осадок первичной обработки в основном представляет собой волокна целлюлозы. Основной компонент твердого осадка вторичной обработки - это микробиологические клетки. Если завод использует хлорсодержащие отбеливающие добавки, первичный и вторичный осадок может также состоять из хлорсодержащих органических соединений, и этот фактор следует учитывать при определении степени необходимой обработки.
Перед сбросом осадок сгущается в установках свободного осаждения и механически обезвоживается в центрифугах, вакуумных фильтрах или с помощью ленточных или винтовых прессов. Осадок первичной обработки обезводить относительно легко. Вторичный осадок содержит большое количество внутриклеточной воды и образует цементирующую основу шлама; поэтому требуется добавление химических осадителей. Достаточно обезвоженный осадок применяется в земледелии (например, вносится в пахотные или лесные земли, используется как компост или восстановитель почвы) или сжигается. Хотя сжигание - дорогостоящий и экологически небезопасный процесс, он может оказаться предпочтительным, потому что способен уничтожать или уменьшать содержание токсических веществ (например, хлорсодержащей органики), которые могут вызвать серьезные экологические проблемы при просачивании в грунтовые воды.
Твердые отходы образуются и в результате других заводских операций. Зола из энергетических котлов может использоваться для земляного полотна автодорог, в качестве строительного материала и как улавливатель пыли. Отходы из печей для обжига извести могут использоваться для смягчения кислотности почвы и улучшения химического состава почвы.
) и карбоната натрия (
), образующиеся в условиях регенерационных печей, печей для обжига извести и резервуаров-растворителей расплава; из NaCl от сжигания отходов бревен, которые выдерживались в соленой воде. Выбросы печей для обжига извести содержат значительное количество крупных частиц, вследствие захвата солей кальция и возгонки натриевых соединений. Крупные частицы могут также содержать пыль и органические продукты сгорания, особенно от разрушения футеровки энергетических котлов. Ослабления концентраций выбросов можно достичь, прогоняя дымовые газы сквозь электростатические фильтры или газопромыватели. Последние усовершенствования в технологии энергетических котлов включают мусоросжигатели с кипящим слоем, которые работают при очень высоких температурах, результатом чего является более эффективное преобразование энергии и возможность сжигания менее однородных древесных отходов.
, а применяется вторичная переработка, обычно не выбрасывают или выбрасывают мало высокотоксичных отходов, а их токсичность сильно снижена.