生物技術(shù)對(duì)造紙工業(yè)的影響

楊濘溶

(西藏大學(xué)理學(xué)院 西藏 拉薩 850000)

紙張?jiān)谏钪衅鹬浅Ｖ匾淖饔?學(xué)習(xí)、生活、工作等各方各面都離不開(kāi)紙張。許多工業(yè)及其供應(yīng)商依賴紙張:林業(yè)、木工、紙漿、紙張和紙板生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、包裝、印刷出版和家具生產(chǎn)。造紙技術(shù)為中國(guó)古代四大發(fā)明技術(shù)之一,是古代勞動(dòng)人民的智慧結(jié)晶。造紙行業(yè)對(duì)資源依賴度比較大,市場(chǎng)集中度較低以及資源消耗較高和污染較為嚴(yán)重等特點(diǎn)。自改革開(kāi)放以來(lái),隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性穩(wěn)定發(fā)展,中國(guó)的造紙行業(yè)發(fā)生了根本性的變化,行業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)較為嚴(yán)重,大型造紙企業(yè)并購(gòu)整合與企業(yè)運(yùn)作非常頻繁,國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的造紙品牌也迅速崛起,逐漸成為行業(yè)中的翹楚。在全球范圍內(nèi),每年大約有3億公噸的紙和紙板通過(guò)使用速度越來(lái)越快的造紙機(jī)生產(chǎn)。紙的制造一直涉及分散技術(shù)的方面,最近又有了重要的新發(fā)展。科學(xué)正在侵入歷史上被認(rèn)為是一門藝術(shù)或一種技能的制造實(shí)踐。但也因此,隨著造紙技術(shù)的逐漸發(fā)展,負(fù)面問(wèn)題也越發(fā)嚴(yán)重,需要結(jié)合其他技術(shù)來(lái)共同整改。

圖1 國(guó)內(nèi)處理廢紙的現(xiàn)場(chǎng)圖

生物技術(shù)便是對(duì)生物過(guò)程技術(shù)性的開(kāi)發(fā)過(guò)程。自然界最重要的生物過(guò)程之一是將木材和其他木質(zhì)纖維素物質(zhì)降解為二氧化碳、水和腐殖質(zhì)物質(zhì)。因此,應(yīng)該有可能將生物技術(shù)應(yīng)用于木材轉(zhuǎn)化近年來(lái),新興的生物技術(shù)主要包括基因工程、生物工程、發(fā)酵工程和酶工程[1]。因此,生物技術(shù)對(duì)許多生產(chǎn)生活提供了重要的作用。隨著造紙技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)在存在問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重,包括造紙廢水的排放量大、污染物復(fù)雜等重大危害環(huán)境的因素。從不同的各個(gè)方面進(jìn)行對(duì)造紙技術(shù)的改進(jìn),將生物技術(shù)與造紙技術(shù)進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的危害降低到最小值。近年來(lái),因?qū)垙埖男枨罅枯^大,我國(guó)木材的使用需求量越來(lái)越大,使得對(duì)木材的進(jìn)口量也越來(lái)越大。中國(guó)是亞洲大陸最大的回收紙消費(fèi)國(guó),也是世界第三大消費(fèi)國(guó),僅次于美國(guó)和日本。

出于對(duì)環(huán)保的要求,改善造紙的原材料已經(jīng)成為迫在眉睫的事情。據(jù)調(diào)研顯示,草漿可以作為緩解造紙?jiān)牧暇o缺局面的重要候補(bǔ)材料之一,起初,草漿具有污染環(huán)境較為嚴(yán)重的詬病,為我國(guó)的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了較為嚴(yán)重的危害[2]。自2021年停止對(duì)廢紙的進(jìn)口后,結(jié)合生物質(zhì)精煉技術(shù)、生物酶輔助的熱磨制漿技術(shù)找到了適合應(yīng)用草漿作為原材料的用途之一,即包裝類的紙制品。但又隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,聯(lián)合收割機(jī)對(duì)麥草莖稈的上半部分進(jìn)行收割,使得纖維質(zhì)量最好的麥草莖稈部分無(wú)法得到收割,因此,草漿只能作為現(xiàn)在造紙?jiān)牧系暮蜓a(bǔ)材料之一,并不占據(jù)主導(dǎo)地位。

造紙工業(yè)的制造過(guò)程可分為制漿、漂白和造紙三個(gè)步驟。在這三個(gè)步驟中,漂白是繁瑣的,含有木質(zhì)素的紙漿需要化學(xué)處理和物理處理相結(jié)合。制漿造紙是造紙過(guò)程中纖維素纖維與木質(zhì)素組分分離的第一步。制漿造紙工業(yè)通常采用兩種不同的制漿方法,即化學(xué)制漿和化學(xué)機(jī)械制漿。在化學(xué)制漿這一過(guò)程中,木屑通常在氫氧化鈉和硫化鈉的存在下在更高的溫度(165-170°C)下烹飪,以將木質(zhì)素和木材樹(shù)脂從纖維素中分離出來(lái)。大約92-95%的化學(xué)物質(zhì)(氫氧化鈉、硫化鈉和石灰)可以回收和再次使用?；瘜W(xué)制漿法-堿法堿制漿法用于將農(nóng)業(yè)殘?jiān)?如小麥、稻草和甘蔗渣)轉(zhuǎn)化為紙漿。在這種情況下,原料通常在燒堿的存在下在150-160°C的溫度下烹飪,以從纖維素材料中分離木質(zhì)素。在化學(xué)機(jī)械制漿過(guò)程中,首先用溫和的燒堿基化學(xué)藥劑處理木屑,從纖維素中提取樹(shù)脂和木質(zhì)素,然后進(jìn)行機(jī)械精制。

漂白一詞通常指的是用化學(xué)藥品、氣體、蒸汽等去除任何一種紙漿中的木質(zhì)素,但預(yù)處理一詞用于酶法去除木質(zhì)素的紙漿。預(yù)漂白是一種環(huán)保和清潔的木質(zhì)素去除過(guò)程,可以節(jié)省10-15%的氯基和其他化學(xué)品。在造紙工業(yè)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是漂白階段,漂白的目的是去除原材料中的有色物質(zhì),以獲得具有一定白度的紙漿。但是,漂白技術(shù)對(duì)環(huán)境的污染仍然很嚴(yán)重。傳統(tǒng)的脫墨方法包括洗滌法和浮選法[3]。其中,洗滌法的設(shè)備比較簡(jiǎn)單,但是用水量較大,環(huán)境污染十分嚴(yán)重,適用于中小企業(yè)。浮選法也是化學(xué)脫墨方法中的一種,適用于大型的企業(yè),但是得出的紙漿容易呈現(xiàn)出發(fā)黑的現(xiàn)象,結(jié)果待測(cè)性較大,除此之外,對(duì)環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重。因此,我們可以通過(guò)改變漂白方法以達(dá)到對(duì)污染環(huán)境的整改。我們可以通過(guò)生物漂白,利用生物技術(shù)中的酶降解纖維細(xì)胞中的纖維素,使得木素更加容易與漂白所需要的試劑進(jìn)行反應(yīng),進(jìn)而將木素溶解,減少對(duì)環(huán)境的危害。目前,超濾法處理堿性廢水的效果最好,而且可以以合理的成本進(jìn)行處理。但是隨著紙張用量的大幅度增加使得造紙廢水的排放量增大,導(dǎo)致利用超濾法比較不現(xiàn)實(shí)。采用氯漂白法去除紙漿中殘留的5～10%的木質(zhì)素。這個(gè)過(guò)程之后是用二氧化氯或次氯酸鹽處理紙漿的幾個(gè)階段,使紙漿變白。大多數(shù)中小型紡織廠采用的漂白工藝是以單質(zhì)氯為基礎(chǔ)的。然而,很少有大型木材廠/農(nóng)用廠采用二氧化氯的無(wú)元素氯漂白工藝。漂白技術(shù)目前已在國(guó)內(nèi)少數(shù)大型紙漿廠得到應(yīng)用,首先采用氧脫木質(zhì)素,然后再通過(guò)其他物質(zhì)來(lái)提高紙漿的亮度。

造紙工業(yè)中工業(yè)廢水排放量比較大,又隨著目前對(duì)紙張的需求量的提升,因此,對(duì)造紙產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理成為現(xiàn)在解決造紙行業(yè)產(chǎn)生的環(huán)境污染的重要解決源頭之一。造紙廢水中含有大量的纖維素、木質(zhì)素和各種化學(xué)藥品,耗氧量大、難處理,因此被各大國(guó)家列為了污染環(huán)境的重大危害之一。目前,解決造紙技術(shù)產(chǎn)生廢水的方法有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物法、膜技術(shù)和光催化等等[4]。生物處理法為現(xiàn)在最常見(jiàn)的方法,其中又主要包括活性污泥法、生物膜法和厭氧生物法等,這幾種方法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)如表1所列。

表1 不同生物處理法的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

造紙廢水中的含硫化合物目前被認(rèn)定為是一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題。厭氧條件可以導(dǎo)致產(chǎn)生有毒的H2S氣體,以及其他含硫化合物,產(chǎn)生令人厭惡的氣味。造紙廢水的特性是高度變化的,特別是在比較不同的造紙操作時(shí)。所觀察到的許多變化可歸因于從特定種類的制漿、漂白或造紙過(guò)程中產(chǎn)生的廢水流的不同特性。此外,廢水的性質(zhì)將取決于在處理過(guò)程中使用了多少淡水。

目前的廢水處理系統(tǒng)需要去除廢水中懸浮的顆粒物,這是消除水中急性毒性的重要一步。在過(guò)程中,通常分為兩步驟,一是重力分離,二是進(jìn)行生物處理。在造紙廢水中有許多難以降解的物質(zhì),例如木質(zhì)素磺酸、氯代樹(shù)脂酸、氯代酚、二惡英和氯代碳?xì)浠衔锏?。雖然說(shuō)這些物質(zhì)在很多情況下的毒性很低,但是較難分解,對(duì)環(huán)境也造成了一定的危害。此外,研究表明,高分子氯化物質(zhì)并不穩(wěn)定。在其他物質(zhì)中,它緩慢地轉(zhuǎn)化,在某種程度上會(huì)被微生物轉(zhuǎn)化。漂白廢水生物處理必須考慮的另一個(gè)因素是在漂白過(guò)程中氯鹽的形成。因此,現(xiàn)在使用所謂的仿生催化劑代替酶的新方法最近受到越來(lái)越多的關(guān)注,因?yàn)檫@種催化劑在工業(yè)規(guī)模上使用更經(jīng)濟(jì)和理想。

基于上述的分析,將生物技術(shù)應(yīng)用到造紙技術(shù)中是現(xiàn)在最常用也是最容易解決環(huán)境污染方法的問(wèn)題之一。具有木質(zhì)分解特性的微生物可以降解紙漿和造紙廠廢水中含有有毒和難降解化合物的污染物。木質(zhì)分解微生物包括真菌、放線菌、酵母、細(xì)菌和藻類,它們都能產(chǎn)生降解木質(zhì)纖維素的酶[5]。酶處理可以作為單一步驟應(yīng)用,也可以與其他物理和化學(xué)方法一起應(yīng)用[5]。因此,可以在造紙產(chǎn)生的廢水中添加菌類,利用菌類來(lái)降解目標(biāo)污染物,因其生長(zhǎng)速度快,會(huì)一直維持相應(yīng)的生物數(shù)量。雖然重點(diǎn)是對(duì)造紙產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理,但重要的是要記住,凈化廢水并不是唯一的目標(biāo)。一個(gè)更廣泛的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn),其中環(huán)境性能和競(jìng)爭(zhēng)力攜手并進(jìn),提供廣泛的有用產(chǎn)品。為了有效地使用和處理水,可持續(xù)的綜合水管理受到多種驅(qū)動(dòng)因素的推動(dòng)。

結(jié)論

隨著生活質(zhì)量及教育質(zhì)量的提高,國(guó)內(nèi)對(duì)紙張的用量越來(lái)越大,同樣也帶來(lái)了較為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。生物技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用范圍正在逐漸擴(kuò)大,在造紙廢水方面的應(yīng)用也逐漸引起重視,使得環(huán)境問(wèn)題得到逐步解決。