造紙工業是我國國民經濟的重要組成部分，而廢紙造有利于保護環境、保護森林和節約資源。根據中國造紙協會發布的報告，2020年我國造紙工業紙漿原料中廢紙漿占55%。廢紙造紙工業生產過程會產生含大量污染物的廢水，其COD、BOD、SS含量高，色度大，有機物成分復雜，會對水環境造成嚴重威脅。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法應用較為廣泛。常見的厭氧技術有厭氧折流板反應器、厭氧內循環(IC)反應器、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，對該項目的環境效益、經濟效益和社會效益進行分析和評價。
1、工藝方案選取
該企業是一家以回收的廢舊黃板紙為原料，生產再生包裝紙(主要為高強度瓦楞紙)的制造服務型企業，原生產能力為10萬t/a，擴建后總生產能力將達到30萬t/a，須對原有廢水厭氧處理設施進行改擴建。新生產線投產后正常生產情況下厭氧處理工藝進水的水量水質為：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
厭氧內循環反應器(IC反應器)是目前最高效的厭氧反應器之一，已被廣泛應用于造紙、啤酒、制藥等廢水處理領域。IC反應器在結構上具有高徑比大、占地面積小，運行過程中混合的內循環不需外加動力，承受有機負荷率高、所需水力停留時間短、出水質量良好穩定、耐沖擊負荷強等優點，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的IC反應器，因其性能相對更高效、節能、經濟和可靠。IC反應器設計直徑12m，高21.5m，有效容積2400m3，設計COD負荷為32500kg/d，最大產沼氣量8870m3/d，產氣率0.42m/kgCODcr，CODcr去除率65%~75%，最適宜運行溫度35~38℃。經計算，IC反應器每天產生的沼氣量約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電、鍋爐燃燒、沼氣鍋爐產蒸汽、沼氣制天然氣等方式。該企業造紙生產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電自用能為企業節約更多的能源費用。同時，回收發電機缸套水和尾氣余熱產蒸汽或熱水對IC反應器進水進行增溫和保溫，在夏季通過制冷系統產冷凍水對IC反應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。因此選擇沼氣發電和余熱回收的方式對沼氣加以利用。
1.2.2 沼氣發電機選取
結合廢水水質、IC反應器工藝參數和類似項目經驗，預測該項目IC反應器所產沼氣中CH4體積分數為60%~65%，CO2體積分數為32%~35%，H2S體積分數0.3%~0.5%，平均含水率為95%，平均固體顆粒物質濃度為250mg/m。該項目按沼氣產量8000m3/d，沼氣中的CH4濃度取60%，1標方CH4低位熱值為35.9MJ，沼氣發電機組熱耗率為10.3MJ/kWh左右，則1標方沼氣發電量為2kWh左右�？芍�，所產沼氣發電總功率為666kW左右，因此擬選擇安裝兩臺400kW沼氣發電機組，根據不同時段的產沼氣量調整沼氣發電機組的運行工況，沼氣能源可得到充分利用。
1.2.3 余熱利用系統選取
目前，沼氣熱電聯產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%的能量轉化成電能，35%~40%以余熱的形式回收。該企業車間來水溫度18~38℃，
IC反應器適宜運行溫度35~38℃，即當進水溫度低于35℃時需要對其加熱以保證IC反應器的廢水處理效果。因此，項目需要設置一套余熱利用系統回收發電機余熱產蒸汽或熱水用于IC反應器的增溫和保溫或者廠區生產生活。沼氣發電機排出的高溫煙氣可用對應的余熱鍋爐產生飽和蒸汽；同時利用沼氣發電機高溫缸套水的余熱將IC反應器進水加熱�；厥瘴矚庥酂岙a蒸汽的熱能可達沼氣總能的15%~20%，回收缸套水余熱產熱水的熱能可達沼氣總能的20%。
1.2.4 凈化系統選擇
IC反應器產生的沼氣中CO2和水的存在會降低熱值，阻礙燃燒；H2S是有毒氣體，且易腐蝕管道及發動機的金屬部件產生腐蝕，特別是對銅質及鋁質部件腐蝕更為嚴重；固體顆粒的沉積會堵塞管路。因此，需要在發電前對沼氣進行凈化處理。該項目沼氣中硫化氫含量預計為4500~7500mg/m3，采用一級濕式脫硫處理后再串接一級干式脫硫設備的組合脫硫裝置，整體設計以脫硫前硫化氫含量為10000mg/m3進行設計，脫硫后硫化氫含量少于50mg/m3。脫硫過程中產生的單質硫呈固態的形式沉淀在單質硫分離器底部，每隔一定時間打開底部的閥門進行回收。沼氣脫硫后經由氣水分離器、過濾器和沼氣壓縮機進入沼氣發電機組發電。
1.2.5 儲氣柜選擇
IC反應器產生的沼氣需要先經過儲氣柜調節壓力后才能進入沼氣利用系統。儲氣柜的作用主要有以下三點：(1)調節并控制IC反應器出口沼氣壓力，使沼氣穩定進入沼氣利用系統；(2)對沼氣產氣量有一定調節能力，使產氣速度和用氣速度之間保持動態平衡關系；(3)排除冷凝水。沼氣在儲氣柜的停留時間設為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。當沼氣發電機組及配套系統檢修或無法正常工作時，沼氣可直接送入火炬或廠區的鍋爐摻燒系統。
2、資源綜合利用效益分析
廢物資源化符合循環經濟理論的基本要求，廢物資源綜合利用是清潔生產工藝的重要措施。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再利用的環保理念，又為企業甚至社會帶來可觀的經濟效益，具有重要的現實意義。
2.1 環境效益分析
廢紙造紙廢水處理后回用于造紙生產，降低了噸紙廢水排放量，減少廢紙造紙行業環境污染。項目運行后，企業廢水總排放口出水水質可降到《制漿造紙工業水污染物排放標準》(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，改善廠區周圍環境，改善附近居民生活的環境質量。
項目利用IC厭氧處理工藝產生的沼氣發電，變廢為寶，余熱回收又產生大量可利用的熱能，減少了生產對外購電力和蒸汽的需求量。IC厭氧反應器產生的剩余污泥為厭氧顆粒污泥，是沉降性優于活性污泥絮體的自凝聚體。厭氧顆粒污泥不易培養，因而在市場上價格較高，既可作為自身厭氧反應器啟動的備用，又可出售而獲得一定的經濟收益，減少剩余污泥對環境的污染和污泥處理費用。脫硫系統析出的單質硫同樣能回收用于工業生產。
應對氣候變化、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。項目發電系統不僅能銷毀CH4，大量減少CH4排放，也能減少因替代化石能源產生電能而帶來的溫室氣體排放，具有雙重的減排效應，有利于保護地球環境，減緩全球氣候變暖。經估算，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境效益十分顯著，可解決造紙生產所排污水對周邊環境的污染問題，促進企業可持續發展、對改善區域環境和保護地球具有重要意義。
2.2 經濟效益分析
項目能否良好運轉的關鍵因素是經濟效益，只有在具有一定經濟效益的前提之下，才能持續正常運轉。在項目的經濟效益的界定上，除了沼氣用于發電及發電機余熱回收用于生產生活所節約的能源費用作為主要的經濟收益外，厭氧顆粒污泥出售收益和溫室氣體減排收益也可作為經濟收益來源。對項目經濟效益的評價采用財務內部收益率(IRR)和財務凈現值分析法(NPV)。
2.2.1 投資估算
項目主要設備費為750萬元，其中：(1)IC厭氧反應器及配套設施500萬元；(2)400kW沼氣發電機組2臺及配套設施180萬元；(3)沼氣脫硫脫水等凈化系統裝置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，項目建設總投資估算為920萬元，可形成固定資產原值920萬元。
2.2.2 收益估算
項目收益主要為發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，則發電收益為243萬元/a；年產蒸汽量為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
項目固定資產折舊年限設定為15年、殘值率5%，則固定資產折舊費為58.27萬元/a；年維修費率設定為5%，則維修費用為46.0萬元/a；日常維護保養、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
根據業主公司資金安排，項目建設所需資金全部自籌；項目按建設期1年、生產期15年考慮；增值稅稅率為17%，城市維護建設稅及教育費附加分別為7%和5%，企業所得稅為25%，項目基準收益率為8%。
2.2.5 經濟效益評價
項目生產期年平均利潤總額為170萬元，增值稅為56萬元，營業稅金及附加為7萬元，所得稅為42萬元，所得稅后利潤為127萬元。根據項目投資現金流量分析，項目稅后財務內部收益率(IRR)為18.7%，遠大于基準收益率8%。同時，財務凈現值(NPV)為632.7萬元，靜態投資回收期為5年，經濟效益顯著。
2.3 社會效益分析
項目的建設和運行能為當地人增加就業機會，給政府部門帶來一定的財稅收入，對當地的經濟發展起到促進作用，與周邊社會環境相適宜。項目從工藝、設備、產品、原料的消耗等情況的角度看，符合我國的產業政策，符合清潔生產的要求，對我國綠色電力事業有積極地推動作用，有利于能源結構優化，有利于環境保護和資源合理配置，有利于我國經濟與社會的可持續發展。按電力折標系數0.305kg標煤/kWh和蒸汽折標系數0.1286t標煤/t蒸汽計算，項目年可節約標煤1605.8t，節能減排效果顯著。
3、結論
針對廢紙造紙廢水的水質特性，項目選取了高效穩定的IC厭氧處理工藝、沼氣脫硫凈化系統、沼氣發電機組、余熱利用系統等以滿足項目運行要求。項目的實施具有良好的環境效益、經濟效益和社會效益。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再利用的環保理念，也為企業和社會帶來可觀的經濟效益。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，改善廠區周圍環境，改善附近居民生活的環境質量；減少剩余污泥對環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，年可節約標煤1605.8t，節能減排效果顯著。本文可為我國造紙行業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）
