曹恩豪　李　军　胡　劲　檀　校　张维钧　关　平　于开平,*

(1.昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明，650093；2.云南中烟再造烟叶有限责任公司,云南昆明，650106)



·废水处理·

造纸法再造烟叶废水处理与回用技术研究进展

曹恩豪1李军1胡劲1檀校1张维钧1关平2于开平2,*

(1.昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明，650093；2.云南中烟再造烟叶有限责任公司,云南昆明，650106)

为实现烟草行业节能减排和清洁生产的发展和规划要求,国内造纸法再造烟叶企业根据企业所处地区废水处理的现状、自身废水的性质特点,通过废水分类及排放情况研究,有针对性开发废水处理与回用技术,降低水耗,以期实现生产废水零排放。本文综述了造纸法再造烟叶废水处理与回用主要技术现状,主要处理技术,并对未来的发展趋势进行了展望。

造纸法再造烟叶；废水处理；废水回用；工艺介绍

(*E-mail: ynykp@126.com)

再造烟叶,又名烟草薄片,是利用烟末、烟梗、碎烟片等烟草物质为原料采用造纸法制成片状的再生产品,是烟草工农业生产中的综合利用产物,用作卷烟填充料[1]。由于采用了传统造纸法抄造成形技术,每生产1 t再造烟叶产品约产生30～60 t废水[2]。造纸法再造烟叶生产的废水排放量大、成分复杂、色度高、化学需氧量高、纤维悬浮物多、浓度波动较大,属于难处理的高浓度有机废水[3]。从国内外的文献调研及相关国外考察情况来看,国内外对造纸法再造烟叶的高浓废水处理研究尚处于起步阶段,可供借鉴的研究思想、研究技术与方法较少；对中低浓废水(如抄造浓白水)的生化处理工艺研究相对成熟,实际运行处理后基本能够达到现行的废水排放标准,表1对比了国内外不同再造烟叶企业废水处理方式。

国外对造纸法再造烟叶生产过程的外排废水，只是简单回收纤维后排入市政污水管网由大型污水处理厂集中处理；而国内各地区的市政污水集中处理设施还不完善,技术水平尚不能满足要求,不同企业根据自己实际情况,采取自行处理的方式,归纳起来,基本先根据废水特性及排放特点对废水进行分类,然后对高浓废水、中低浓水分别进行处理。本文总结了国内再造烟叶生产废水的分类与排放情况、高浓废水处理技术与中低浓废水处理技术研究进展,分析了再造烟叶生产废水处理技术的发展趋势,指出开发一套科学完善的再造烟叶生产废水处理技术体系,实现源头治污、节能减排、资源合理回收利用,将是保证国内再造烟叶企业实现健康可持续发展的必由之路。

表1　国内外再造烟叶废水处理方式对比

1　废水的分类与排放情况

造纸法再造烟叶生产工艺及不同废水来源如图1所示。根据废水特性及排放特点,再造烟叶生产过程排放的废水可分为高浓废水、中浓废水、低浓废水共三类。高浓废水是再造烟叶生产过程中产生的含有大量烟草有机物的废水，主要来源于两部分,一是梗原料提取后的提取液不能完全用于涂布液而产生的富余梗提取液；二是梗、叶提取液在浓缩前通过沉降净化处理的废液。高浓废水富含大量的蛋白质、糖分、色素、果胶及烟碱等烟草有机物,因而这部分废水表现出较高的化学需氧量(COD)和色度,具有排放不规律、排放水量较小、污染物COD指标排放量较高、色度高、温度高等特点。中浓废水是再造烟叶生产过程中产生高浓废水以外的工艺过程外排的废水，主要来源为片基抄造过程中产生的浓白水。中浓废水具有连续排放、排放水量较大、COD指标排放量较低、悬浮物含量较高、以及色度高等特点。低浓废水是再造烟叶生产过程中用于提取液浓缩蒸发产生的冷凝水和部分清洗过程产生的废水，其中,冷凝水具有连续排放、COD指标排放量低的特点,清洗废水排放量与清洗频率相关、排放量较小的特点。

造纸法再造烟叶废水水质随再造烟叶产品类型和品种的不同而波动很大,不同类型废水的主要特性指标如表2所示。从表2可以看出,高浓废水(富余提取液)呈酸性,CODCr、BOD5、总磷、总氮、氨氮、磷酸根以及电导率最高；中浓废水(抄造浓白水)的CODCr、BOD5、总磷、总氮、氨氮、磷酸根以及电导率居中,Ca2+含量较高,这是由于抄造过程中碳酸钙流失导致的；低浓废水(冷凝水)呈碱性,各项指标均较低。

三类废水排放情况如表3所示。从表3可以看出,在每吨产品排放的废水中,高浓废水排放量较少,约占2.7%,但由于其具有非常高的TCOD值,其排放TCOD占比也较高,约占36.0%；中浓废水排放量最高,约占78.5%,其TCOD值相对高浓废水较低,但由于其排放量大,其排放TCOD的总量最高,约占62.3%；低浓废水排放量约占18.8%,但由于本身TCOD值较小,其对于日排放TCOD总量的贡献较小,约占1.7%。针对不同类型的废水,采用不同的处理技术,做到精细化处理,其中高浓废水处理主要以资源化综合利用为主,中低浓废水(白水、冷凝水和冷却水)以回用处理为主；与此同时,为满足废水排放标准,开展了多种深度处理技术研究。图2为中国烟草总公司科技重大专项“污水的深度处理与生产废弃物处理及回收利用技术研究”完成后,造纸法再造烟叶废水处理工艺。

表2　不同类型废水水质分析

表3　吨产品废水排放情况

图2　造纸法再造烟叶废水处理工艺

2　高浓废水的处理技术

目前国外对造纸法再造烟叶生产过程外排高浓废水，只是简单回收纤维后排入市政污水管网由大型污水处理厂集中处理,而国内各地区的市政污水集中处理设施还不完善,更多采取自行处理的方式。但由于高浓废水COD含量较高、色度高、温度高等特点,导致废水处理系统负荷大,处理效果不好等问题,因此,另辟蹊径处理高浓废水是处理好再造烟叶生产废水的关键。余红涛等人[4]公开了一种片基涂布率高且可高车速运行的再造烟叶高涂布率涂布机,克服了现有技术再造烟叶涂布率低的不足。该涂布机经生产试验证明,应用效果良好,涂布率高,运行稳定,大大提高生产效率,从源头上减少了高浓废水的排放。王焰等人[5]公开了一套涂布率可调可控的再造烟叶涂布系统,该系统结构合理紧凑,运行稳定性高、控制精度高、调节能力强、自动化程度高、操作简捷,可对涂布液的黏度、温度、液位、密度、水分进行精确控制,克服了国内再造烟叶涂布加工系统自动控制水平低的缺陷,提高了涂布质量稳定性和涂布率,从源头上减少了高浓废水的排放。张克娟等人[6]通过在涂布液中添加硅藻土,不仅改善了再造烟叶产品品质,还提高了涂布率,加大涂布液耗量,从而增加梗膏、叶膏的用量,从源头上减少了高浓废水的排放,同时减轻了废水处理系统的运行负荷。余红涛等人[7]公开了一种提取液处理工艺,该工艺将提取液沉降处理后的外排高浓废水收集,通过离心分离处理,离心分离产生的固形物作为有机肥生产原料进行再利用,离心分离清液与沉降处理上清液混合,获得洁净提取液,从综合利用上减少了高浓废水的排放,同时实现了资源化利用。经过回收的固废弃物不但消除了废弃物的二次污染,而且制成的生物有机肥料成本低、肥效好，相对于单纯使用化肥更有利于改良土壤结构、提高土地有机质含量,采用此项技术对造纸法再造烟叶生产企业产生的外排高浓度废水无害化综合利用的推广有积极的借鉴和指导意义[8]。邱晔等人[9]公开了一种造纸法烟草薄片废水处理技术。该技术将废水先经混凝处理、气浮法除去其中固体悬浮物,然后送入曝气池通过好氧微生物处理去除大部分COD物质,可将造纸法烟草薄片生产过程所产生的废水处理至达标排放,而废水处理时产生的废渣和污泥经脱水处理后可作农作物肥料或锅炉燃料。该技术针对性强、处理成本低,可有效解决造纸法烟草薄片生产对环境的二次污染问题。王云祥等人[10]公开了一种废水固-液富集分离的方法,该方法是将废水中烟碱等成分富集于固相进行分离,单级分离COD的去除率可达到70%～80%,处理水再进行生化“强制好氧法”或“厌氧-好氧法”处理回用或排放,而污泥固体可以再利用；该方法包括格栅拦渣、混凝富集反应、沉降、对上层清水进行后续处理和污泥固体浓缩等。该发明优点在于：Ca-Mg系复合凝聚剂容易制备,可针对废水波动进行分质配方；分离所获污泥固体富含烟碱等成分可进行后续提取,作为生物源农药杀虫剂的有效成分,提取后的干泥粉可全部用作粉剂农药杀虫剂的载负剂；无需使用特殊处理设施和设备,同时能够减小生化设施的投资和运行费用。唐向兵等人[11]公开了一种利用烟草废水污泥提取生物碱的方法,该方法按照碱基活化与钙基置换原理,先在污泥中添加预处理剂,经过溶剂抽提和稀酸洗脱交替进行的正-反循环萃取工艺来实现。其提取物经高效液相色谱(HPLC)测定,主要成分(80%)为硫酸烟碱,其余生物碱组分均为烟碱类同系物和衍生物,可为异烟碱、降烟碱等生物碱类,均为其硫酸盐类。本方法所得生物碱可作为生物源农药杀虫剂的有效成分,所用溶剂无色、无味、无毒、低可燃性和相对安全性,对环境没有影响,工艺损耗率极低,可循环使用；姚元军等人[12]公开了一种活化及其再利用的方法,该方法利用分离的污泥,先通过添加碱基活化与钙基置换用剂进行混合、压滤、干燥、粉碎、筛分成为100～200目的泥粉。再进行溶剂活化、浮选除杂、油泥中和。最后进行干燥、研磨、筛分得到200～300目的活性粉体。由于处理过程促使烟碱类生物碱在固-液两相间重新分配,因此获得的泥粉具有实用的生物碱活性,适用于和其他药剂混配成粉状杀虫剂使用,或者作为粉状杀虫剂的添加剂和载负剂。陈西路等人[13]公开了一种造纸法再造烟叶废水处理系统,该系统采用厌氧折流板反应器、改良式序列间歇反应器、MBR池、反渗透膜分离装置、光催化高级氧化装置等技术结合处理烟叶废水,能够使高浓度的烟叶废水脱色、脱臭,大大降低其中的污染物质,确保废水回用于生产,同时具有工艺路线简单,处理成本低等优点。赵应群等人[14]报道了一种高浓废水组合工艺处理系统,该系统以厌氧-好氧生化为主,联合混凝沉淀预处理,并采用Fenton氧化法脱色和去除残余的难生物降解大分子有机物,最终采用砂滤-碳滤脱色处理并进一步降低SS浓度,出水水质优于GB18918—2002城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级A标准的要求。黄申元等人[15]将多余的提取液导入收集反应池,并接入微生物处理数天,再将处理后的反应液引入电解池内进行数小时电解,之后把反应液引入混凝池内加药反应,最后把反应液与常规污水处理工艺中产生的污泥混合后再通过常规污水处理工艺的污泥脱水系统进行压滤。此发明除去多余提取液中的CODCr达90%以上。王义等人[16]成功研制出一套处理规模为500 kg/h的光催化处理设备,该设备结合自制的介孔TiO2对高浓再造烟叶废水进行处理。其中CODCr去除率在99%以上,出水水质澄清,呈中性,提供了实现高浓废水规模化处理的技术支持。

3　中低浓废水的处理与回用技术

王忠泽等人[17]公开了一种污水回收利用系统,该系统通过回收利用除尘污泥水,既有效利用了原本废弃的除尘收集的粉尘,节约了资源,又可有效回收较紧缺的叶组原料,提高其使用效率,提高叶膏得率,大幅减少废水排放,也提高了原材料的利用率,并解决环保和增效的问题。周国华等人[18]探讨了组合膜技术工艺对造纸法再造烟叶产生的废水进行处理研究。采用预处理-微滤膜处理-纳滤膜处理-反渗透处理工艺。实验结果表明,当废水的CODCr为2400 mg/L、电导率为793 μS/cm、悬浮物为580 mg/L及色度为85倍时,经过上述组合膜工艺流程处理,相应的出水指标分别为66 mg/L、46 μS/cm、1 mg/L及1倍。经处理后的废水可以回用于生产。张世文等人[19]公开了一种生产废水处理及再生循环利用方法,该方法包括以下步骤：除渣 → 化学脱钙 → 气浮 → 厌氧处理 → 电解 → A/O处理 → 二次电解 → 膜处理/曝气生物滤池生化 → 三次电解 → 脱盐 → 再生水。该发明基于化学脱钙技术、生物化学技术、电化学技术、BAF技术和膜技术相结合,再造烟叶生产废水经过处理,75%～85%可以再生循环利用,既减少废水排放,避免废水对环境污染,又减少水资源浪费,成本较低,效能较高。黄晶[20]研究发现浓缩冷凝水中含有大量的有机酸,其酸碱性与浓缩器内的污垢成分大致一致,根据相似相溶原理,将这些冷凝水收集用于浓缩器的清洗,发现具有一定的效果。通过对其在浓缩器清洗中的应用进行可行性分析,以每月工作时间为22天,生产量为440 t,涂布率50%,每天叶膏浓缩2次,梗膏浓缩1次计算,发现配备一个10 m3的罐子,就可以利用浓缩蒸发冷凝水来清洗浓缩器,并完成生产、贮存、清洗间的周转。该浓缩冷凝水回收系统工艺简单,操作容易。唐向阳等人[21]利用微纳米气泡独有的特性使其具有良好的气浮效果,将微纳米曝气和气浮工艺相结合,以壳聚糖为絮凝剂,将浓度为0.3%的壳聚糖冰醋酸溶液,按1.25%的用量分别投加到稀白水、浓白水和提取液中。经微纳米气浮后,稀白水的CODCr和SS的去除率为77.5%和33.5%；浓白水的CODCr、SS、氨氮去除率分别为67.0%、76.3%和79.7%。微纳米气浮后的稀白水和浓白水的CODCr、SS、氨氮浓度达到了生产回用标准。胡念武[22]研究采用臭氧、过氧化氢、紫外线、活性炭、硅藻土、丁香油等方法来处理循环水,克服网下白水在循环期间会逐渐滋长微生物,在2～3天后会因为变质而不能继续使用的问题。发现丁香油在较低浓度下即具有很好的灭菌和降低氨氮含量的效果。因此,采用丁香油处理造纸法再造烟叶的生产循环水具有较好的经济性和实用价值。孙德平等人[23]公开了一种延长再造烟叶生产循环水使用周期的净化剂及其使用方法,该方法中净化剂按质量百分比计由75%～90%的丁香油、3%～10%的二氧化硅、2%～5%的单宁、1%～5%的柠檬酸和1%～5%的氢氧化钠组成,其中,丁香油的质量分数为0.001%～0.1%。其使用方法是：将混合好的净化剂添加至造纸法再造烟叶的生产循环水中,并充分搅拌,使其均匀分布在循环水中；然后对生产循环水中的氨氮含量进行检测。本发明的净化剂环保,效率高,成本低,有效地抑制了再造烟叶生产循环水中微生物的生长繁殖,在不影响产品质量的情况下,尽可能地延长了循环水的利用周期,实现了“节能降耗”、提高生产效率、降低成本的目标。唐向兵等人[24]公开了一种造纸法再造烟叶生产中的白水回收系统,该系统包括白水池,还包括第一泵和圆形振动筛分机,白水池的出口、第一泵、圆形振动筛分机的进口顺序连通,圆形振动筛分机设有两个出口,两个出口中的其中一个出口与浆池相连通,两个出口中的另一个出口与水池相连通。该实用新型技术中的圆形振动筛分机能同时产生水平振动和上下振动,避免了现有工艺采用微滤机仅产生旋转自然重力，容易出现筛网堵塞、分离效果不佳等问题,较好地达到固液分离的目的,能够实现从白水中高效回收浆料,提高烟草原料的有效使用率及产品的得率。王茜茜等人[25]公开了一种利用聚合硫酸铁和聚丙烯酰胺处理废水的方法,该方法在造纸法再造烟叶生产的废水中先加入聚合硫酸铁,搅拌后再加入聚丙烯酰胺,与废水充分混合后,再经絮凝、沉降后排放；聚合硫酸铁的加入量为：质量分数10%～50%的聚合硫酸铁溶液,按质量分数0.5%～2.5%的比例添加至待处理废水中；聚丙烯酰胺的加入量为：质量分数0.05%～0.5%的聚丙烯酰胺溶液,按质量分数0.1%～0.5%的比例添加至待处理废水中。该方法能实现降低再造烟叶废水中 COD和色度的目的,使处理后的废水能够达到国家二级排放标准。唐向兵等人[26]公开了一种造纸法烟草薄片生产废水的处理方法。该方法将生产废水通过格栅粗滤,自流进入废水调节池；然后通过提升泵将废水调节池中的废水提升至混凝器中投加Ca-硅藻土系复合凝聚剂反应5～10 min,然后投加聚合硫酸铁、聚丙烯酰胺分离剂进入静态反应池反应,反应时间为50～60 min；再将低浓度有机废水的pH值调节为偏酸性后泵入超声微电解反应器中,通过超声波和微电极共同反应,使废水中COD物质快速消解,反应时间为30～60 min；最后再将废水用活性炭吸附和石英砂过滤。该方法具有处理时间短、处理效果好的优点,具有广泛的适用性。陈荣[27]报道了一种深度处理工艺,该工艺包括厌氧反应器技术、高效絮凝处理技术和SBR序批式反应器技术,利用该工艺中厌氧反应器技术、高效絮凝处理技术处理造纸法再造烟叶生产废水,CODCr从6000 mg/L降到2000 mg/L以下,再用去除率高达90%的SBR序批式反应器技术进行深度处理,废水经处理可达标排放。干仕伟[28]报道了一种絮凝-沉淀-气浮-脉冲上流式厌氧污泥床反应器(UASB)-好氧-气浮-臭氧曝气生物滤池(BAF)组合工艺在CODCr浓度较高的烟草薄片废水治理上的应用,该工程规模4000 m3/d,该工艺自2011年12月投产至今处理效果稳定,各项出水指标均可达到广东省地方标准DB44/26—2001水污物排放限值第二时段第二类污染物最高允许排放浓度的一级标准。王俊等人[29]以工业废弃物为主要原料合成PAFCS,选用PAFCS混凝-Fenton氧化工艺对造纸法烟草薄片废水进行深度处理。对PAFCS混凝处理后水样,直接投加硫酸亚铁和双氧水进行Fenton氧化,经工艺优化处理后的废水即可满足环保要求。该方法工艺简便,易于实现,处理费用低,达到以废治废的目的。杨涛等人[30]完成的中国烟草总公司科技项目通过对造纸法再造烟叶系统用水水质、水量要求的深入剖析分析,揭示了再造烟叶生产各环节用水的水质要求；通过对微生物种类、生产繁殖环境的分析,开发了白水微生物控制技术；研究浓白水不同电荷需求量对纸机运行效果的影响程度,筛选出了合适的、安全的阴离子垃圾捕捉剂；根据系统白水成分分析及生产用水要求,构建了白水分段处理、分级回用的集成技术体系,并使部分白水回用至提取工序,形成了多项技术成果；建立了白水使用及排放标准,为行业白水综合处理利用提供技术支撑；白水综合处理分级回用体系及多技术成果的应用有效提高了再造烟叶系统白水利用效率,大幅降低了生产用水消耗,达到了国际领先水平。

4　结　语

经过10年的努力,造纸法再造烟叶己成为烟草行业不可缺少的主要原料,同时生产过程中产生的大量废水带来严重的污染问题,给企业带来沉重的处理负担；通过不断研究,尤其再造烟叶技术升级重大专项实施后,在造纸法再造烟叶废水的处理方面已取得了一定的成绩,但是仍存在如下技术难题和问题,如废水中大量的Ca2+、Mg2+离子会降低生化处理效率、使膜生物反应器中的生物膜钙化失效；现有的废水处理工艺流程复杂、耗时长、费用高、效率低；国家废水排放标准要求越来越高等。

为达到节能减排和清洁生产发展和规划要求,未来研究工作重点如下：

(1)在现有废水处理技术的基础上,优化现有工艺流程,简化工艺流程,缩短处理时间,降低中低浓度废水处理成本、降低废水排放量、提高废水排放水质；提高生产废水回用率,逐步实现再造烟叶生产废水零排放。

(2)开展再造烟叶废水处理过程中的活性污泥细菌多样性分析,选育耐Ca2+、Mg2+,具有高降解活性的专属菌种,提高生化处理系统的运行效率。

(3)通过不同学科交叉跨界联合攻关,开发新型净化工艺和技术,提高废水处理关键工序段处理效率、精细化水平。如采用纳米曝气机提高表面曝气效率,通过开发新型氧化-絮凝-吸附材料提高COD、SS的去除率等。

总之,开发一套科学完善的再造烟叶生产废水处理技术体系是国内再造烟叶企业的研究重点,也是实现健康可持续发展的必由之路；对促进烟草行业的环境与经济可持续发展,达到烟草行业经济发展和环境保护的双赢意义重大。

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(责任编辑：马忻)

Research Progress in the Paper-making Process Reconstituted Tobacco Effluent Treatment and Reuse Technologies

CAO En-hao1LI Jun1HU Jin1TAN Xiao1ZHANG Wei jun1GUAN Ping2YU Kai-ping2,*

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,YunnanProvince, 650093;2.ChinaTobaccoYunnanReconstitutedTobaccoCo.,Ltd.,Kunming,YunnanProvince, 650106)

In order to achieve the goal of energy conservation and emission reduction and tomeet the requirement of cleaner production development in tobacco industry, the paper-making process reconstituted tobacco companies focused on developing effluent treatment and reuse technologies to reduce water consumption based on its effluent characteristics and local effluent treatment situation, in order to achieve zero emission eventually. The main treatment and reuse technologies for papermaking process reconstituted tobacco effluent were reviewed in this paper, finally the outlook for the future trends of effluent treatment were discussed.

the paper-making process reconstituted tobacco; wastewater treatment; wastewater reuse; process introduction

曹恩豪先生,在读硕士研究生；主要研究方向：环境材料及其应用。

2016- 03-28(修改稿)

中国烟草总公司科技重大专项“污水的深度处理与生产废弃物处理及回收利用技术研究”(计划文号:中烟办[2012]242号,合同号: 110201201033(ZZ-14));云南中烟工业有限责任公司科技计划重点项目“再造烟叶生产废水零排放关键技术研究及应用”(计划文号:滇烟工技[2015]48号,任务书编号:2015GY01)。

于开平先生，E-mail:ynykp@126.com。

X793

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.015