陈晓彬 刘焕彬 陶劲松，* 李继庚 梁 瑜 王光明

(1. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640;2. 广州市启鸣纸业有限公司，广东广州，511462)

造纸是与国民经济和社会事业发展关系密切的重要基础原材料产业，同时也是水资源消耗大、废水排放量高的产业。如何合理和高效地用水，提高现有水资源的重复利用率是缓解水资源供需矛盾的根本途径。

常规的节水策略主要是通过直观定性分析，通常着眼于单个单元操作或局部用水系统，只能达到一定的节水目的，不能保证整个用水系统的新鲜水使用量和废水产生量达到最小。而以循环经济思想和工业生态学理论为指导的水系统集成技术把企业的整个用水系统作为一个有机的整体来对待，考虑如何合理分配各用水单元的水量和水质，以使系统水的重复利用率达到最大，同时废水的排放量达到最小［1-3］。梁瑜、陈胜等人［4-6］在对造纸企业用水现状进行研究的基础上，提出了造纸企业梯级用水模式，并对卫生纸厂与牛卡纸厂间实行梯级用水改造，改造实践表明，不同纸种造纸企业之间的梯级用水方案可行，并能降低两造纸企业的新鲜水用量、减少废水排放量，经济效益显著，可应用于规模化生产。但该研究仅定性探讨了两造纸企业间梯级用水的可行性，对系统内各梯级用水量仍需作进一步定量的优化分配。水夹点技术就是一种有效的对全局用水网络进行优化分配的水系统集成优化方法，因其方法简单、灵活、实用，易于理解和掌握，在水源节约及废水减量等方面应用，能收到良好的效益［3，7-12］。

本研究试图在造纸企业用水系统梯级利用方案的基础上，仿照自然界生态物质共生代谢和循环利用模式，建立造纸厂内的高级文化用纸、卫生纸和灰纸板车间的三级梯级用水系统。并应用水夹点技术综合优化各级用水分配，指导造纸厂梯级用水系统改造，实现造纸厂内高档纸与低档纸的用水代谢共生。

1 水夹点技术

从20 世纪80 年代开始，水的优化分配问题就已被提出，当时采用的主要是数学规划法加超结构法，且针对的是简单的单组分污染物。1989 年，EI-Halwagi 等人［5］在换热网络思想基础上，提出了质量交换网络的设计方法。1994 年，Wang YP 等人［6］正式提出水夹点(Water Pinch)理论，并将其应用到单杂质的用水网络设计中。Linnhoff March 公司的大量工程实践表明，应用水夹点技术可达到20% ～50%的节水效果［7］。

水夹点技术［9］将用水操作简化为一个从富含杂质的过程流股到水流股之间的质量传递。这里的杂质包括悬浮固体颗粒(SS)、化学耗氧量(COD)以及其他约束水回用的水质因子。水回用的过程集成需通过构建复合浓度-负荷曲线以确定一个夹点，称之为水夹点。所含杂质水平在夹点之上的流股不需要用新鲜水，可回用生产过程中的其他现有水流股。在水夹点分析过程中，需要在用水操作中判别一个预先的新鲜水消耗和废水产生的最小值，再通过水回用、再循环技术，设计一个用水网络来实现新鲜水消耗和废水产生量的目标值，最终通过有效的工艺改变，改造现有的用水网络，实现水回用最大化和废水产生最小化。

2 企业特征调研

本研究是以广东省的一个生产高级文化用纸、卫生纸和灰纸板的造纸企业为研究对象，在对该企业特征进行调研的基础上，进行造纸厂内部多产品用水系统耦合共生代谢技术的研究。该企业在梯级用水改造前的用水网络如图1 所示，用水单元生产数据如表1所示，极限数据如表2 所示。

图1 某综合造纸企业改造前的用水网络图

表1 改造前用水单元生产数据

表2 改造前用水单元极限数据

根据调研结果显示，生产高级文化用纸、卫生纸和灰纸板车间之间，符合循环经济理论中产品多样化和共生代谢原则，所需的水质要求和产生的中间水也呈现梯度，能仿照自然界生态物质循环的方式进行梯级用水改造，拟用新鲜水来生产高级文化用纸，生产文化用纸后的中间水经适当处理后作为生产卫生纸的水源，生产卫生纸排放的中间水经适当处理后继续作为生产灰纸板的水源，做到生产用水按质按量分配，从而减少新鲜水用量和废水排放量。

3 基于水夹点技术构造梯级用水优化网络

梯级用水改造前，该造纸厂的3 个车间分别取新鲜水进行生产，产生的废水直接排至废水处理工序，新鲜水用量大。对造纸厂进行梯级用水改造，把高级文化用纸车间、卫生纸车间及灰纸板车间看作3 个用水单元进行夹点优化计算，以合理分配各用水单元的新鲜水用量。

3.1 确定水夹点位置

确定水夹点位置有两种方法，极限负荷曲线法和问题表法，前者能在图上直观地反应出夹点的具体位置，后者则是能在构建问题表的过程中计算出夹点的坐标，精确地确定水夹点位置。

3.1.1 极限负荷曲线

利用表2 中各用水单元的极限数据即可确定用水单元的极限曲线，为了达到用水网络的全局优化，必须从整体考虑系统的用水情况。因此需要将所有用水单元的用水情况综合用复合曲线来分析。图2 给出了极限曲线构造复合曲线的方法。

每个浓度区间内，将该区间内所有用水单元的COD 负荷进行加和得到该浓度区间的复合曲线，该复合曲线斜率的倒数(即水的流量)计算如式(1)所示。

式中，Fv为区间v 中的水流量，t/h;为区间v 中单元j 的COD 负荷，kg/h;v为区间v 中单元j中杂质s 的出口浓度，mg/L;为区间v 中单元j中杂质s 的进口浓度，mg/L;p 为用水单元个数;μ为浓度区间个数。

3.1.2 问题表

复合曲线可以直观地指出夹点的位置，用问题表可以更精确地确定水夹点位置。问题表的计算如表3所示，可知夹点在COD 为1800 mg/L 处，最小新鲜水流量为67 t/h。

3.2 水源分配构造梯级用水网络

在构造水网络的过程中，只要依据“夹点之上不使用新鲜水，夹点之下不排放废水，不能有跨越夹点的匹配”的原则［9］，就可以使设计出的水网络的新鲜水用量等于仅考虑直接回用时的目标值。

为了进行匹配，先按式(2)计算各单元在各浓度区间的杂质。

?

然后按式(3)计算出各单元对应各浓度区间COD 负荷的最小流量。

设计网络过程如图3 所示，改造后的梯级用水网络如图4 所示。

4 节水潜力分析

经过水夹点技术构造新的用水网络，企业新鲜水用量由原来的5470 t/d下降到1584 t/d，平均新鲜水用量由原来的27.5 t 水/t 纸下降到8 t 水/t 纸，下降了71%，年节水量约121 万t。具体情况见表4。可见该企业节水空间很大，需要进行梯级用水改造。

表4 夹点优化结果与优化前实际运行数据比较

5 梯级用水网络改造

依据水夹点技术分析得到的梯级用水网络，该企业做了如下改造，改造后企业用水网络如图5 所示。

5.1 高级文化用纸车间节水改造

(1)新增250 m3屋顶白水池

白水池置于制浆工段水力碎浆机屋顶上，总长度18 m，宽度为车间横向墙体的宽度，约10 m，池内有效高度1.5 m。白水池分两格，每格均约为125 m3，白水在每格中逐格溢流。

①高级文化用纸车间机外白水全部泵送至屋顶白水池中，白水系统处理能力为50 m3/h。根据用白水的要求不同，在生产中从不同格中取用白水，二段与三段除渣器稀释、10 m3水力碎浆机、3 m3水力碎浆机、2 m3水力碎浆机、浓调白水直接从白水池中取用。

②白水在进入白水塔之前，增加1 套白水脉冲回收器，白水塔内新增搅拌机1 台，处理后白水进入5#白水池用作洗网水及真空泵冷却水等;多余部分溢流至卫生纸车间。

③对相关白水管道进行改造。

(2)新建白水过渡池

虽然新的白水系统已投入使用，但还存在配套问题，现纸机上的白水已收集到屋顶白水池使用，还需要建1 个20 m3的过渡池收集2 个脱水机排出的白水，然后通过液位控制泵输送到屋顶白水池进入系统使用。目的是使所有的白水全部得到回收利用，同时还可以把原来的6#池做浆料储存池以缓解错峰时的用浆压力。

这样改造后不仅可以提高高级文化用纸车间的白水循环利用率，还能将高级文化用纸车间过量的白水送到卫生纸车间利用，实现第一梯度梯级利用，提高水资源利用效率。

5.2 卫生纸车间节水改造

(1)高级文化用纸车间溢流白水开始是进入1#白水塔处理后进行回用，后改为经斜筛处理后，进入300 m3清水池作为新鲜水使用，并把过滤的纤维等回用到卫生纸车间作为填料。

(2)为了降低生产内部系统吨纸新鲜水用量，在减少水质对产品质量影响的前提下充分利用好白水，制浆车间生产废水经改造后的1#白水塔处理后回送到卫生纸制浆生产。针对1#白水塔存在的塔体容积小、沉降面积受限、高度不够、反应运程短、制约废水处理量等问题，对2#白水塔进行加高改造，使之比1#白水塔再加高2.3 m，即共加高3.5 m，以增加行程、反应混合时间和有效容积。2#白水塔加高后，总高度10.5 m，反应行程从缓冲槽入口计起有36.5 m，比1#白水塔增加了5 m，有效容积258 m3，比1#白水塔增加了68 m3，废水处理能力约为90 ～110 m3/h。

图5 改造后企业用水网络

改造后，从高级文化用纸车间溢流来的白水得到充分利用，同时也回收利用了卫生纸制浆车间的部分废水。

5.3 灰纸板车间节水改造

高级文化用纸、卫生纸及灰纸板车间废水经斜筛过滤后，集中回收至2000 m3白水池供灰纸板生产使用，滤渣送灰纸板车间作为填料;灰纸板生产除了化学品稀释使用新鲜水之外，其他均取自2000 m3白水池，新鲜水用量为3 m3/h。

改造后，卫生纸车间产生的废水和少量高级文化用纸车间的废水可以收集供灰纸板车间使用，实现第二梯度梯级利用，将水资源利用效率最大化。

6 改造后评价

6.1 夹点优化结果与实际改造后运行数据吻合度分析

依据夹点优化梯级用水网络，对企业原有的用水网络进行改造，改造后企业新鲜水用量由原来的5470 t/d 下降到2784 t/d，平均吨纸新鲜水用量由原来的27. 5 t 水/t 纸下降到13. 9 t 水/t 纸，下降了49. 1%，年节水量84 万t，具体情况见表5。结果表明，通过梯级用水改造以后，企业水资源利用状况得到很好改善，基本和夹点优化结果相吻合。

表5 夹点优化结果与改造后实际运行数据比较

6.2 经济分析

新鲜水成本以0.5 元/t 计，节水年经济效益为:84(万t/a)×0.5(元/t)=42(万元/a);因为节约了84 万t/a 的新鲜水，同时可以节约84 万t/a 的废水处理费用，以废水处理0.8 元/t 计算，可以节约资金84(万t/a)×0.8(元/t)=67.2(万元/a)。

年回收纤维等固废物约3500 t/a，以300 元/t计，年经济效益为:3500 (t/a)× 300 (元/t)=105(万元/a)。

新鲜水能耗以0.086 kg 标煤/t 水计，节水的年节能量为:84(万t/a)× 0.086(kg 标煤/t 水)=

72.2 t(标煤/a)。

7 结 论

传统的节水途径采取局部单元操作的方法，节水潜力有限，难以达到全局用水的合理分配。因而需要以循环经济思想和工业生态学理论为指导的水系统集成技术，把企业的整个用水系统作为一个有机的整体来对待，充分发掘系统的节水潜力。水夹点技术可以有效地节约新鲜水用量，减少废水排放量。实践结果表明，水夹点技术应用于该造纸厂的梯级用水系统改造有一定的指导意义，通过优化改造，全厂新鲜水用量由原来的5470 t/d 下降到2784 t/d，平均吨纸新鲜水用量由原来的27.5 t 水/t 纸下降到13.9 t 水/t 纸，下降了49.1%，年节水量84 万t，节水效果显著。

［1］ China Paper Association.2010 annual report of China paper industry［J］. China Pulp ＆ Paper Industry，2011，32(11):8.中国造纸协会. 中国造纸工业2010 年度报告［J］. 中华纸业，2011，32(11):8.

［2］ LIANG Yu. Influence of Water Reusing between Tissue Paper Mill and Kraft Paper Mill on Kraft Paper Properties［J］. Paper and Paper Making，2011，30(10):4.梁 瑜. 梯级用水对牛卡纸成纸性能的影响［J］. 纸和造纸，2011，30(10):4.

［3］ LIANG Yu. A feasibility study on water stairs-using between a tissue paper mill and a kraft paper mill［J］. China Pulp ＆ Paper Industry，2011，32(24):31.梁 瑜. 卫生纸厂与牛卡纸厂梯级用水的可行性研究［J］. 中华纸业，2011，32(24):31.

［4］ CHEN Sheng. Study on the Feasibility of Water Cascade Using Between Two Papermaking Mills［J］. China Pulp ＆ Paper，2011，30(10):38.陈 胜. 卫生纸造纸白水处理后回用于牛卡纸造纸的生产试验［J］. 中国造纸，2011，30(10):38.

［5］ EI-Halwagi M M，Manousiouthakis V. Synthesis of Mass-exchange Networks［J］. AIChE J.，1989，35(8):1233.

［6］ Wang Y P and Smith R. Wastewater minimization［J］. Chem Eng Sci.，1994，49(7):981.

［7］ Linnhoff March Corp. Linnhoff March Corp［EB/OL］. http://www.linnhoffmarch.com/.

［8］ Mann J G，Liu Y A. Industrial water reuse and wastewater minimization［M］. Beijing:China Petrochemical Press，2001.Mann J G，Liu Y A. 工业用水节约与废水减量［M］. 北京:中国石化出版社，2001.

［9］ FENG Xiao，LIU Yongzhong，SHEN Renjie，et al. Water system integration optimization——A system synthesis method of saving water and reducing emission［M］. Beijing:Chemical Industry Press，2008.冯 霄，刘永忠，沈人杰，等. 水系统集成优化——节水减排的系统综合方法［M］. 北京:化学工业出版社，2008.