造紙工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要組成部分，而廢紙造有利于保護環(huán)境、保護森林和節(jié)約資源。根據(jù)中國造紙協(xié)會發(fā)布的報告，2020年我國造紙工業(yè)紙漿原料中廢紙漿占55%。廢紙造紙工業(yè)生產(chǎn)過程會產(chǎn)生含大量污染物的廢水，其COD、BOD、SS含量高，色度大，有機物成分復(fù)雜，會對水環(huán)境造成嚴重威脅。生物處理法是廢紙造紙廢水處理的主體工藝，厭氧生物處理法、好氧生物處理法和厭氧好氧組合技術(shù)法應(yīng)用較為廣泛。常見的厭氧技術(shù)有厭氧折流板反應(yīng)器、厭氧內(nèi)循環(huán)(IC)反應(yīng)器、升流式厭氧污泥床、顆粒污泥床等多種形式。本文以某廢紙造紙企業(yè)采用IC工藝處理廢紙造紙廢水及資源綜合利用項目為例，對該項目的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益進行分析和評價。
1、工藝方案選取
該企業(yè)是一家以回收的廢舊黃板紙為原料，生產(chǎn)再生包裝紙(主要為高強度瓦楞紙)的制造服務(wù)型企業(yè)，原生產(chǎn)能力為10萬t/a，擴建后總生產(chǎn)能力將達到30萬t/a，須對原有廢水厭氧處理設(shè)施進行改擴建。新生產(chǎn)線投產(chǎn)后正常生產(chǎn)情況下厭氧處理工藝進水的水量水質(zhì)為：廢水量6000m3/d，CODcr4500mg/L，BOD51200mg/L，SS100mg/L，SO4320mg/L，pH6~7。
1.1 厭氧處理工藝方案選取
厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC反應(yīng)器)是目前最高效的厭氧反應(yīng)器之一，已被廣泛應(yīng)用于造紙、啤酒、制藥等廢水處理領(lǐng)域。IC反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上具有高徑比大、占地面積小，運行過程中混合的內(nèi)循環(huán)不需外加動力，承受有機負荷率高、所需水力停留時間短、出水質(zhì)量良好穩(wěn)定、耐沖擊負荷強等優(yōu)點，處理高纖維含量的制漿污水不易堵塞和積累、堿消耗量少、顆粒污泥抗毒性強。項目選擇荷蘭帕克公司生產(chǎn)的IC反應(yīng)器，因其性能相對更高效、節(jié)能、經(jīng)濟和可靠。IC反應(yīng)器設(shè)計直徑12m，高21.5m，有效容積2400m3，設(shè)計COD負荷為32500kg/d，最大產(chǎn)沼氣量8870m3/d，產(chǎn)氣率0.42m/kgCODcr，CODcr去除率65%~75%，最適宜運行溫度35~38℃。經(jīng)計算，IC反應(yīng)器每天產(chǎn)生的沼氣量約8000m3/d，厭氧顆粒污泥約2t/d。
1.2 沼氣利用工藝方案選取
1.2.1 沼氣利用方式
沼氣利用主要有沼氣發(fā)電、鍋爐燃燒、沼氣鍋爐產(chǎn)蒸汽、沼氣制天然氣等方式。該企業(yè)造紙生產(chǎn)每天需要消耗大量的電力和蒸汽，外購電力價格平均為0.71元/kWh，外購蒸汽價格為160元/t，相比之下利用沼氣發(fā)電自用能為企業(yè)節(jié)約更多的能源費用。同時，回收發(fā)電機缸套水和尾氣余熱產(chǎn)蒸汽或熱水對IC反應(yīng)器進水進行增溫和保溫，在夏季通過制冷系統(tǒng)產(chǎn)冷凍水對IC反應(yīng)器過高溫度的進水進行降溫，可大幅提高沼氣能源利用效率，綜合熱效率能達到80%左右。因此選擇沼氣發(fā)電和余熱回收的方式對沼氣加以利用。
1.2.2 沼氣發(fā)電機選取
結(jié)合廢水水質(zhì)、IC反應(yīng)器工藝參數(shù)和類似項目經(jīng)驗，預(yù)測該項目IC反應(yīng)器所產(chǎn)沼氣中CH4體積分數(shù)為60%~65%，CO2體積分數(shù)為32%~35%，H2S體積分數(shù)0.3%~0.5%，平均含水率為95%，平均固體顆粒物質(zhì)濃度為250mg/m。該項目按沼氣產(chǎn)量8000m3/d，沼氣中的CH4濃度取60%，1標方CH4低位熱值為35.9MJ，沼氣發(fā)電機組熱耗率為10.3MJ/kWh左右，則1標方沼氣發(fā)電量為2kWh左右。可知，所產(chǎn)沼氣發(fā)電總功率為666kW左右，因此擬選擇安裝兩臺400kW沼氣發(fā)電機組，根據(jù)不同時段的產(chǎn)沼氣量調(diào)整沼氣發(fā)電機組的運行工況，沼氣能源可得到充分利用。
1.2.3 余熱利用系統(tǒng)選取
目前，沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組對沼氣的利用效率為70%~85%(含余熱回收)。沼氣總能量的30%~40%的能量轉(zhuǎn)化成電能，35%~40%以余熱的形式回收。該企業(yè)車間來水溫度18~38℃，
IC反應(yīng)器適宜運行溫度35~38℃，即當進水溫度低于35℃時需要對其加熱以保證IC反應(yīng)器的廢水處理效果。因此，項目需要設(shè)置一套余熱利用系統(tǒng)回收發(fā)電機余熱產(chǎn)蒸汽或熱水用于IC反應(yīng)器的增溫和保溫或者廠區(qū)生產(chǎn)生活。沼氣發(fā)電機排出的高溫煙氣可用對應(yīng)的余熱鍋爐產(chǎn)生飽和蒸汽；同時利用沼氣發(fā)電機高溫缸套水的余熱將IC反應(yīng)器進水加熱。回收尾氣余熱產(chǎn)蒸汽的熱能可達沼氣總能的15%~20%，回收缸套水余熱產(chǎn)熱水的熱能可達沼氣總能的20%。
1.2.4 凈化系統(tǒng)選擇
IC反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣中CO2和水的存在會降低熱值，阻礙燃燒；H2S是有毒氣體，且易腐蝕管道及發(fā)動機的金屬部件產(chǎn)生腐蝕，特別是對銅質(zhì)及鋁質(zhì)部件腐蝕更為嚴重；固體顆粒的沉積會堵塞管路。因此，需要在發(fā)電前對沼氣進行凈化處理。該項目沼氣中硫化氫含量預(yù)計為4500~7500mg/m3，采用一級濕式脫硫處理后再串接一級干式脫硫設(shè)備的組合脫硫裝置，整體設(shè)計以脫硫前硫化氫含量為10000mg/m3進行設(shè)計，脫硫后硫化氫含量少于50mg/m3。脫硫過程中產(chǎn)生的單質(zhì)硫呈固態(tài)的形式沉淀在單質(zhì)硫分離器底部，每隔一定時間打開底部的閥門進行回收。沼氣脫硫后經(jīng)由氣水分離器、過濾器和沼氣壓縮機進入沼氣發(fā)電機組發(fā)電。
1.2.5 儲氣柜選擇
IC反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣需要先經(jīng)過儲氣柜調(diào)節(jié)壓力后才能進入沼氣利用系統(tǒng)。儲氣柜的作用主要有以下三點：(1)調(diào)節(jié)并控制IC反應(yīng)器出口沼氣壓力，使沼氣穩(wěn)定進入沼氣利用系統(tǒng)；(2)對沼氣產(chǎn)氣量有一定調(diào)節(jié)能力，使產(chǎn)氣速度和用氣速度之間保持動態(tài)平衡關(guān)系；(3)排除冷凝水。沼氣在儲氣柜的停留時間設(shè)為0.2h，則儲氣柜有效容積至少需要66m3，通過選型，氣柜尺寸設(shè)定為直徑5m，高4m。
1.2.6 項目工藝路線
綜上分析，項目的工藝示意圖見圖1。當沼氣發(fā)電機組及配套系統(tǒng)檢修或無法正常工作時，沼氣可直接送入火炬或廠區(qū)的鍋爐摻燒系統(tǒng)。
2、資源綜合利用效益分析
廢物資源化符合循環(huán)經(jīng)濟理論的基本要求，廢物資源綜合利用是清潔生產(chǎn)工藝的重要措施。利用廢紙造紙本身也是變廢為寶的有效途徑。項目在廢紙造紙廢水處理、厭氧污泥利用、沼氣利用等方面的考慮既符合資源循環(huán)再利用的環(huán)保理念，又為企業(yè)甚至社會帶來可觀的經(jīng)濟效益，具有重要的現(xiàn)實意義。
2.1 環(huán)境效益分析
廢紙造紙廢水處理后回用于造紙生產(chǎn)，降低了噸紙廢水排放量，減少廢紙造紙行業(yè)環(huán)境污染。項目運行后，企業(yè)廢水總排放口出水水質(zhì)可降到《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標準》(GB3544-2008)所要求的限值以下：CODc≤90mg/L，BOD5≤20mg/L，SS≤30mg/L。按日排放廢水量6000m3、年生產(chǎn)300d計算，CODC排放量減少7938t，BOD3排放量減少2124t，SS排放量減少5700t；同時，能夠解決沼氣直排的臭氣污染問題，大幅減少H₂S的排放，改善廠區(qū)周圍環(huán)境，改善附近居民生活的環(huán)境質(zhì)量。
項目利用IC厭氧處理工藝產(chǎn)生的沼氣發(fā)電，變廢為寶，余熱回收又產(chǎn)生大量可利用的熱能，減少了生產(chǎn)對外購電力和蒸汽的需求量。IC厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的剩余污泥為厭氧顆粒污泥，是沉降性優(yōu)于活性污泥絮體的自凝聚體。厭氧顆粒污泥不易培養(yǎng)，因而在市場上價格較高，既可作為自身厭氧反應(yīng)器啟動的備用，又可出售而獲得一定的經(jīng)濟收益，減少剩余污泥對環(huán)境的污染和污泥處理費用。脫硫系統(tǒng)析出的單質(zhì)硫同樣能回收用于工業(yè)生產(chǎn)。
應(yīng)對氣候變化、減少溫室氣體排放成為全球共識。CH4全球變暖潛勢為256，即減少1tCH4排放相當于減少25tCO2排放。項目發(fā)電系統(tǒng)不僅能銷毀CH4，大量減少CH4排放，也能減少因替代化石能源產(chǎn)生電能而帶來的溫室氣體排放，具有雙重的減排效應(yīng)，有利于保護地球環(huán)境，減緩全球氣候變暖。經(jīng)估算，項目正常運行后，每年可減少溫室氣體排放約為2.4萬tCO2e。
由此可以看出項目的環(huán)境效益十分顯著，可解決造紙生產(chǎn)所排污水對周邊環(huán)境的污染問題，促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、對改善區(qū)域環(huán)境和保護地球具有重要意義。
2.2 經(jīng)濟效益分析
項目能否良好運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素是經(jīng)濟效益，只有在具有一定經(jīng)濟效益的前提之下，才能持續(xù)正常運轉(zhuǎn)。在項目的經(jīng)濟效益的界定上，除了沼氣用于發(fā)電及發(fā)電機余熱回收用于生產(chǎn)生活所節(jié)約的能源費用作為主要的經(jīng)濟收益外，厭氧顆粒污泥出售收益和溫室氣體減排收益也可作為經(jīng)濟收益來源。對項目經(jīng)濟效益的評價采用財務(wù)內(nèi)部收益率(IRR)和財務(wù)凈現(xiàn)值分析法(NPV)。
2.2.1 投資估算
項目主要設(shè)備費為750萬元，其中：(1)IC厭氧反應(yīng)器及配套設(shè)施500萬元；(2)400kW沼氣發(fā)電機組2臺及配套設(shè)施180萬元；(3)沼氣脫硫脫水等凈化系統(tǒng)裝置50萬；(4)余熱利用裝置10萬元；(5)火炬及其他配套10萬元。安裝項目費按設(shè)備費的20%估算，共150萬元。建筑項目費為20萬元。因此，項目建設(shè)總投資估算為920萬元，可形成固定資產(chǎn)原值920萬元。
2.2.2 收益估算
項目收益主要為發(fā)電收益和余熱回收利用收益，還有出售厭氧顆粒污泥收益和溫室氣體減排收益。項目年總發(fā)電量為480萬kWh，除去運行時的自用電量，年可供電量為400萬kWh，電價0.71元/kWh，則發(fā)電收益為243萬元/a；年產(chǎn)蒸汽量為3000t，蒸汽價格為160元/t，則蒸汽收益為48萬元/a；年可出售厭氧顆粒污泥600t，售價為600元/t，則出售厭氧顆粒污泥收益為36萬元/a；年溫室氣體減排量為2.4萬tCO2e，按10元/tCO2e，則其收益為24萬元/a。因此，項目年收益可達351萬元/a。
2.2.3 成本估算
項目固定資產(chǎn)折舊年限設(shè)定為15年、殘值率5%，則固定資產(chǎn)折舊費為58.27萬元/a；年維修費率設(shè)定為5%，則維修費用為46.0萬元/a；日常維護保養(yǎng)、管理需要4人，工資及福利每人每年按5萬元計算，則為20萬元/a；藥劑費用為50.0萬元/a。因此，運行費用為116萬元/a，總成本費用為174.27萬元/a。
2.2.4 其他基本參數(shù)
根據(jù)業(yè)主公司資金安排，項目建設(shè)所需資金全部自籌；項目按建設(shè)期1年、生產(chǎn)期15年考慮；增值稅稅率為17%，城市維護建設(shè)稅及教育費附加分別為7%和5%，企業(yè)所得稅為25%，項目基準收益率為8%。
2.2.5 經(jīng)濟效益評價
項目生產(chǎn)期年平均利潤總額為170萬元，增值稅為56萬元，營業(yè)稅金及附加為7萬元，所得稅為42萬元，所得稅后利潤為127萬元。根據(jù)項目投資現(xiàn)金流量分析，項目稅后財務(wù)內(nèi)部收益率(IRR)為18.7%，遠大于基準收益率8%。同時，財務(wù)凈現(xiàn)值(NPV)為632.7萬元，靜態(tài)投資回收期為5年，經(jīng)濟效益顯著。
2.3 社會效益分析
項目的建設(shè)和運行能為當?shù)厝嗽黾泳蜆I(yè)機會，給政府部門帶來一定的財稅收入，對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展起到促進作用，與周邊社會環(huán)境相適宜。項目從工藝、設(shè)備、產(chǎn)品、原料的消耗等情況的角度看，符合我國的產(chǎn)業(yè)政策，符合清潔生產(chǎn)的要求，對我國綠色電力事業(yè)有積極地推動作用，有利于能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有利于環(huán)境保護和資源合理配置，有利于我國經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展。按電力折標系數(shù)0.305kg標煤/kWh和蒸汽折標系數(shù)0.1286t標煤/t蒸汽計算，項目年可節(jié)約標煤1605.8t，節(jié)能減排效果顯著。
3、結(jié)論
針對廢紙造紙廢水的水質(zhì)特性，項目選取了高效穩(wěn)定的IC厭氧處理工藝、沼氣脫硫凈化系統(tǒng)、沼氣發(fā)電機組、余熱利用系統(tǒng)等以滿足項目運行要求。項目的實施具有良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。在廢紙造紙廢水處理、厭氧顆粒污泥利用、沼氣利用等廢物資源化方面的考慮不僅符合資源循環(huán)再利用的環(huán)保理念，也為企業(yè)和社會帶來可觀的經(jīng)濟效益。項目運行后每年可減少CODg排放7938t，減少BOD5排放2124t，減少SS排放5700t；能夠解決沼氣直排的臭氣污染問題，大幅減少H2S的排放，改善廠區(qū)周圍環(huán)境，改善附近居民生活的環(huán)境質(zhì)量；減少剩余污泥對環(huán)境的污染和污泥處理費用；年可減少溫室氣體排放約2.4萬tCO2e，年可節(jié)約標煤1605.8t，節(jié)能減排效果顯著。本文可為我國造紙行業(yè)廢水厭氧處理及資源綜合利用項目的實施提供參考。（來源：中國科學院廣州能源研究所，中國科學院廣州地球化學研究所，中國科學院大學）
