CC BY
73
ЕЩЕ РАЗ К ВОПРОСУ СОЗДАНИЯ МАЛООТХОДНОГО (БЕЗОТХОДНОГО) ПРЕДПРИЯТИЯ, ПРИЕМЛЕМОГО С ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ, В ОБЛАСТИ ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ
И.С. ГЕЛЕС, ПетрГУ, канд. техн. наук
За время промышленной революции, особенно после 1950 г., из недр Земли на поверхность перемещены колоссальные объемы веществ са-
мой различной природы [1, 2]. В производственные процессы включены основные ресурсы поверхностных и подземных вод и значительные
132
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2006
количества атмосферного кислорода [2]. Все это привело и ведет, очевидно, к необратимым негативным последствиям для природы в целом.
Уникальным универсальным сырьем является древесная биомасса, но вопрос о ее самодостаточности в смысле возможности создания такой взаимосвязанной системы процессов, которая бы обеспечила максимально полное использование исходного материала с минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду, на наш взгляд, остается открытым. Технологии химико-механической переработки древесной биомассы связаны с большими потоками собственно сырья, химикатов, водо- и энергопотребления, многотысячными кубометрами технологических растворов, оборотных и сточных вод, парогазовыми выделениями, содержащими зачастую токсические вещества. Очевидно, что гармонизация столь различных, часто противодействующих факторов с целью наиболее полного использования потенциала всех составляющих с минимальными выходами в окружающую среду представляется крайне сложно решаемой проблемой.
Одним из критериев эффективности использования сырьевых ресурсов предложено считать количество отходов на единицу продукции [1]. «...Безотходным производством, строго говоря, является такое производство, в котором все исходное сырье в конечном итоге превращается в ту или иную продукцию. использование, переработка или ликвидация отходов является отдельным самостоятельным направлением.». Безотходность имеет и расширенное трактование, когда распространяется на регион и на межотраслевые связи, включая многократное повторное использование вещей, предметов, изделий и т.д. после исчерпания ими своих функций [3, 4]. Количественной оценкой безотходного предприятия (комплекса) считается использование исходных материальных ресурсов на 90-97 % (0,90-0,97), если они использованы на 80-90 % (0,80-0,90), то это уже малоотходное предприятие. Если выход готовой продукции ниже 80 %, то это - рядовое производство [5]. Такое подразделение принято в химической промышленности.
Предложенные классификации включают в себя также экологические оценки производств. Согласно авторам концепции, первые две категории промышленных предприятий не должны оказывать вредное воздействие на окружающую
среду. Можно представить, что какое-то деревообрабатывающее предприятие полностью использует все виды отходов при практическом отсутствии стоков. Таким образом, оно может быть отнесено к безотходному производству, и соответственно, не наносящему ущерб окружающей среде. Но разве для его функционирования не загублены тысячи га леса, когда полностью разрушается природный ценоз, включая растительный и животный мир? На наш взгляд, работа любого предприятия в той или иной степени отрицательно сказывается на природной среде, а так называемые малоотходные производства в контексте вышеизложенного следует рассматривать только как вынужденно экологически приемлемыми.
Декларированные выше общие принципы не дают конкретных указаний даже по приоритетным направлениям при новых подходах к функционированию производства. В статье «Безотходная технология - основа защиты природной среды» [6] сказано, что «.создание замкнутых водообо-ротных систем - это первый и важнейший этап на пути создания безотходного производства во всех индустриальных отраслях. Другого альтернативного решения сохранения качества природных вод нет... Разработка замкнутых схем должна основываться на локальных методах очистки.». Этот тезис стал основным при развитии концепции малоотходных производств в различных отраслях промышленности, в том числе и в сфере переработки древесной биомассы [7, 8].
При создании максимально замкнутых схем водопользования наряду с системами локальной очистки предусматривается также механическая и биологическая очистка общих стоков с дальнейшим возвратом этой очищенной воды в основное производство. Как показала практика, традиционная биологическая очистка не обеспечивает необходимого показателя по сточным водам не только для сброса в природные водоемы, но и для возврата в производство. Поэтому предлагается дополнительная ступень очистки - доочистка, где используются самые различные методы [9-15].
В одних случаях применяют коагулянты [9, 10], в других - флокулянты [11], фильтрацию через песочные фильтры [16], имеются и различные комбинированные методы очистки [12, 13]. Все это приводит к дополнительным расходам и возникновению новых порций шламов наряду с избыточным активным илом, для утилизации ко-
торых пока нет оптимальных решений. Замкнутые водообороты имеют свои отрицательные стороны - повышенное биообрастание, коррозия оборудования, выделение неприятных запахов и др., что вынуждает использовать биоциды. Это не устраняет, а даже усиливает коррозию оборудования. Во многих случаях замкнутая водообо-ротная система приводит к ухудшению качества выпускаемой продукции, усложнению технологических схем [7, 13], коррозии не только оборудования, но и бетонных сооружений [13]. Следует отметить, что высказывания о необходимости создания замкнутых водооборотов как о неких «интеллектуальных достижениях» не имеют под собой основы, по крайней мере, в производстве бумаги - создатель бумагоделательной машины уже предусматривал использование подсеточной воды.
Очевидно, возврат в производство оборотных вод имеет свой оптимум, особенно при выпуске экспортной продукции. Не новой представляется и сама идея мало(без)отходного предприятия с межотраслевой производственной кооперацией. Так, «.. .в годы Великой Отечественной войны на Соликамском ЦБК осуществили полную комплексную схему переработки сульфитного щелока с выработкой этилового спирта, белковых кормовых дрожжей и литейных концентратов.». В новой концепции акцент делается на воздействие производства на природную среду, чему ранее не уделяли должного внимания.
Особое значение имеет то обстоятельство, что ограничение негативного влияния производственной деятельности носит законодательный характер, а не благие пожелания, что ранее полностью отсутствовало. При реализации концепции мало(без)отходных производств применительно к лесному комплексу основное внимание было уделено созданию замкнутых систем водопользования оборотных вод, противоточной промывке, локальной очистке и возврату в производство части сточных вод после их биологической очистки. При этом необходимо обратить внимание на утилизацию различных веществ, растворенных в сточных водах. Например, для получения полуцеллюлозы из древесины березы предложено применять в качестве варочного раствора сульфит-спиртовую барду, последрожжевую бражку и их концентраты.
Сульфитная барда или смесь ее с сульфитным щелоком добавляется в варочный рас-
твор для получения сульфатной целлюлозы. Отработанный щелок от кислой сульфитной варки служит компонентом варочного раствора, содержащего антрахинон, при получении целлюлозы с улучшенными свойствами. Определенное внимание было уделено утилизации щелоков от горячего облагораживания сульфитных целлюлоз. Он использовался для получения как сульфитного варочного раствора, так и сульфатного.
Промывные воды, образующиеся на стадии горячего облагораживания, также рассматриваются как компонент щелочной варки. Не обойдены вниманием щелока от кислородно-щелочной отбелки, причем их можно использовать и при сульфитной и при сульфатной варках. Найдено применение и щелоку от холодного облагораживания целлюлозы. Показано, что использование его в качестве пропиточного раствора, предваряющего сульфитную варку, улучшает размалывае-мость целлюлозы.
Оригинальное решение по использованию сточных вод предложено в патенте США, когда стоки, содержащие активный ил, волокна и кору, обрабатывают щелочным раствором. В результате образуется щелочной экстракт, используемый для растворения плава с получением варочного раствора, а твердый остаток добавляют к волокнистой массе при производстве картона или ДВП. Отработанный раствор от производства химдревмассы, содержащий наряду с компонентами сырья едкий натрий, углекислый натрий, сульфит натрия, считается пригодным для получения сульфитного варочного раствора.
Определенное внимание было уделено сточным водам производства ДВП мокрого формования, так как они содержат повышенное количество углеводных соединений, при гидролизе которых образуются моносахариды. Так, для увеличения выхода РВ эти сточные воды предложено использовать в качестве водной среды при получении варочного раствора для кислой сульфитной варки. Следует особо отметить, что идея увеличить выход редуцирующих веществ (РВ) и, соответственно, кормовых дрожжей, начала находить воплощение на гидролизно-дрожжевом заводе Братского ЛПК. Аналогичное решение рекомендуется для сточных вод (СВ) производства термомеханической массы (ТММ), когда в раствор переходит 6,0-6,2 % исходной древесины. СВ древесно-подготовительных отделов ЦБП считаются одними из наиболее загрязненных.
В результате проведенных экспериментов было установлено, что они могут служить водной средой для получения варочного раствора для кислой сульфитной варки. В гидролизно-дрожжевом производстве основным источником загрязнений выступает последрожжевая бражка [7]. Опыты показали, что такие, сильно загрязненные, стоки пригодны в качестве жидкой фазы при получении целлюлозы щелочными способами. Список подобных разработок можно было бы еще продолжать и продолжать.
На наш взгляд, отдельные, казалось бы, независимые технические решения переросли в новое направление технической политики - утилизацию растворенных компонентов древесного сырья из различных отработанных растворов и СВ. Такой новый подход позволит сократить потребление свежей воды, повысить выход определенных видов продукции и соответственно коэффициент использования исходной древесины, снизить расход энергии, но в конечном итоге он не ведет к радикальному снижению нагрузки на биологические очистные сооружения, так как в большинстве случаев новые варианты СВ содержат повышенное количество трудноудаляемых соединений. Нужно отметить, что в настоящее время на предприятиях ЦБП РФ используется только аэробный вариант биологической очистки. В то же время известен анаэробный способ, который имеет ряд преимуществ перед аэробным. В частности, этот процесс позволяет переводить полимеры различной природы (углеводы, производные лигнина и т.п.) в мономерные вещества. В конечном счете из части органических соединений образуется биогаз, состоящий главным образом из метана и СО2. Это значит, что в результате анаэробной очистки получают один из самых эффективных энергоносителей - метан, который по химическому составу наиболее близок к водородному топливу, являющемуся самым экологически чистым и энергоемким [2]. Однако отмеченная биотехнология не способна деструктурировать все классы органических соединений.
Сочетание анаэробной и аэробной очисток позволит в максимальной степени снизить нагрузку на окружающую среду, но такая система связана с существенными капитальными и эксплутационными затратами. На наш взгляд, в ЦБП, особенно при производстве небеленой сульфатной целлюлозы, имелись все ос-
новные составляющие, связанные с созданием мало(без)отходных производств. Тем не менее, отсутствие системного подхода и комплексной оценки последствий, связанных с ущербом среде обитания, и ряд других причин привели к тому, что ЦБП стала одним из основных загрязнителей природы. До сих пор щелока от различных видов сульфитной варки загрязняют поверхностные воды, что обуславливает проблематичность существования сульфит-целлюлозного производства в России. Особо следует отметить, что развитие концепции мало(без)отходного производства сопровождается ужесточением требований по количеству и составу загрязнений. При оценке перспектив развития ЦБП, акцентируя особое внимание на вопросах сохранения природной среды, в первую очередь были выделены такие направления, как создание нового оборудования и отбелка целлюлозы. При этом на первый план выдвигались вопросы сульфатного производства, так как отбелка такой целлюлозы отягощена эколого-экономическими проблемами. Считается, что вопросы отбелки с минимизацией хлорорганических соединений в СВ гораздо легче решить, если получать небеленую целлюлозу с пониженным содержанием остаточного лигнина. Обращает на себя внимание мнение о том, что проблемы отбелки с замкнутым циклом оборотных вод гораздо проще решаются для сульфитных целлюлоз. Ряд таких предприятий за короткий срок стал «экологически чистым», поскольку для отбелки использовали только кислород и перекись водорода.
Имеются различные взгляды, предложения и разработки в сфере создания мало(без)отход-ных предприятий. Обычно такого рода технологии рассматриваются в рамках одного вида производства, например сульфатной или сульфитной целлюлозы. Разрабатывая замкнутую систему оборотных вод сульфатного производства с включением в цикл вод отбелки, авторы предложили довольно сложную схему. Особенность ее состоит в том, что при отбелке сохранялась стадия хлорирования, где только часть элементарного хлора (15 % и 50 %) заменялась на двуокись хлора. Именно наличие ионов хлора обусловило чрезмерное усложнение схемы, но были минимизированы объемы сточных вод, поступающих на очистку.
Другим направлением в создании предприятия, приемлемого с разных точек зрения, является получение небеленой сульфатной целлю-
лозы с низким содержанием остаточного лигнина. Это достигается тем, что в сам процесс варки вносятся существенные изменения . Получаемые целлюлозы можно отбелить по так называемой полностью или частично бесхлорной схеме. В первом случае при отбелке совершенно отсутствуют реагенты, содержащие хлор, а во втором - исключается элементарный хлор, но применяется двуокись хлора. Такие схемы позволяют включать значительную часть оборотных вод ступеней отбелки в промывку небеленой целлюлозы, растворение плава и другие стадии и сводить к минимуму объем сточных вод.
В качестве одного из вариантов «экологически чистого» производства целлюлозы считается технология кислородно-щелочной делигни-фикации древесного сырья. Получаемый щелок содержит органических веществ (по ХПК) в 3-4 раза ниже, нежели сульфатный. Это считается важной положительной стороной этого способа варки. Однако авторы обходят молчанием вопрос о том, как использовать такой щелок. По-видимому, применить его в качестве топлива нецелесообразно из-за низкой его теплотворной способности. Более того, все летучие кислоты окисляют до воды и СО2. Очевидно, это энергозатратный процесс. В варианте окислительного аммонолиза даже при небольшом объеме сточных вод неизбежно эвтрофирование природных вод. Имеются самые различные разработки по построению бессточной схемы того или иного предприятия. В частности, группа специалистов одной из консалтинговых фирм предложила свой вариант бессточного производства газетной бумаги. За основу принято положение, согласно которому газетная бумага будет производиться из 95 % ТММ, отбеленной дитионитом, и 5 % сульфатной целлюлозы (покупной). Оставив в стороне вопросы белизны и печатных свойств такой бумаги, рассмотрим меры по предотвращению загрязнения поверхностных вод. Небольшое количество сточных вод от окорки и стоки от ТММ совместно с концентратом от ультрафильтрационной установки, куда поступают сточные воды от промывки ТММ и некоторые другие, упариваются в вакуум-выпарной установке и сжигаются совместно с отходами окорки в котельной. Для работы выпарки используется нефтяное топливо. Отходы сортирования ТММ после размола сгущаются на дисковом фильтре, стоки с которого поступают в окорочный отдел.
Сточные воды от буммашины выдерживаются в больших емкостях, после чего подвергаются биологической очистке. Доочистку ведут путем введения флокулянтов и фильтрацией через песочные фильтры. Часть такой воды возвращают в производство. Такая «накачка» технологической схемы энергозатратными «очистными» установками приведет в конце концов к экономической неэффективности производства, так как база энергоносителей все время сокращается, а стоимость соответственно возрастает. В данном проекте, на наш взгляд, необходимость сохранения природной среды чрезвычайно тяжелым бременем ложится на производство. Указанные выше разработки рассматривают производство обычно в довольно узких рамках. Поэтому все вспомогательные цеха и очистные сооружения существенно повышают себестоимость продукции. Во многих случаях такие предприятия оказываются не в состоянии решить груз проблем. Так, например, автономно стоявшие гидролизные заводы и цеха мокрого формования в основном прекратили свою работу.
Выше отмечалась тенденция использования компонентов древесины, перешедших в различные технологические растворы и сточные воды. В результате образовывались стоки с повышенной концентрацией трудноокисляемых веществ. Например, использование сточных вод ТММ или ДВП мокрого формования в гидролизном производстве наряду с ростом РВ ведет к возрастанию в стоках производных фурана, левули-новой кислоты, продуктов деструкции лигнина и т.п. Значительное количество трудно биоразруша-емых соединений содержат стоки мокрой окорки, конденсаты выпарных станций, сточные воды сульфит-целлюлозных заводов и др.
Необходимо еще раз отметить, что технология производства беленой сульфатной целлюлозы как господствующего способа, на наш взгляд, находится в кризисном состоянии. Необходимость поддержания здоровой среды обитания требует все больших затрат. В связи с этим сокращение материальных, водных и энергетических ресурсов в целлюлозно-бумажной промышленности все более выходит на первый план. По нашему мнению, это можно реализовать не простым сочетанием, а определенным комбинированием отдельных производств, когда указанная нами тенденция утилизации компонентов древесного сырья и соответствующих реагентов
будет находить свое логическое завершение не только в промежуточных процессах, но, главным образом, в финальных - в виде готовой продукции, регенерации химикатов и использовании энергетического потенциала компонентов сточных вод. Основной отстаиваемый нами тезис состоит в использовании самых загрязненных стоков в основных технологиях химической переработки древесного сырья, а не в их очистке с целью дальнейшего возврата в производство. При этом центром утилизации и одновременно очистки выступает щелочная варка, способная «переварить» как саму древесную биомассу, так и сопутствующие вещества. Здесь процессы переработки исходного сырья и регенерации химикатов и тепла наиболее полно сочетаются и отработаны. Реальность такого подхода показана рядом независимых опытов. Однако не исключается, что в ряде случаев придется чем-то и поступиться. На наш взгляд, со временем, кстати, не столь далеком, необходимо будет сократить производство сульфатной целлюлозы высокой белизны как энергозатратной.
В последние десятилетия в связи с резким сокращением в мире производства сульфитной целлюлозы интерес к проблемам этого способа существенно упал. Очевидно, следует масштабно интенсифицировать исследования в области утилизации лигносульфонатов как в традиционных направлениях, так и в сфере их химической модификации с получением высокостоимостных продуктов, например ионообменных материалов. Общие и частные решения в этой сфере позволили бы расширить выработку беленых сульфитных целлюлоз, технологии отбелки которых, как показала практика работы ряда предприятий, приемлемы с экономической и экологической точек зрения. Построение таких сложных комплексных производств возможно на основе создания различных моделей с их всесторонней оценкой. Несомненно, требуется проведение и больших экспериментальных работ с тем, чтобы избежать различных возможных негативных проявлений («гипсация» и повышенная коррозия оборудования, образование новых токсикантов и т.д.). На наш взгляд, такой подход, представляющий новый этап совершенствования и создания процессов и технологий химико-механической переработки древесного сырья, обеспечит их существование и дальнейшее развитие.
Библиографический список
1. Громов, Б.В. Итоги науки и техники. Серия «Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов». Т. 9. Безотходное промышленное производство. Основные принципы безотходных производств / Б.В. Громов,
B.А. Зайцев, Б.Н. Ласкорин и др. - М., 1981. - 217 с.
2. Состояние Мира 2001. Доклад Института Worldwatch о развитии по пути к устойчивому обществу. - М.: Весь Мир, 2003. - 416 с.
3. Балацкий, О.Ф. Безотходное производство: экономика, технология, управление / О.Ф. Балацкий, Б.В. Ермоленко, А.Ю. Журавский и др. // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. - М., 1987. - 184 с.
4. Зайцев, В.А. Безотходное производство: вопросы теории и практики / В.А. Зайцев // Химическая промышленность. - 1987. - № 5. - С. 3-8.
5. Гильденберг, Е.З. Методология оценки химических производств на их соотвествие категориям мало- и безот-ходности / Е.З. Гильденберг, М.И. Кацин, Л.А. Слесаре-ва // Химия в защите окружающей среды. - 1990. - Т. XXXV. - № 1. - С. 129-132.
6. Ласкорин, Б.Н. Безотходная технология - основа защиты природной среды / Б.Н. Ласкорин // Вестник АН СССР. Программа биосферных и экологических исследований АН СССР. - 1988. - № 11. - С. 51-56.
7. Евилевич, А.З. Безотходное производство в гидролизной промышленности / А.З. Евилевич, Е.Н. Ахмина, М.Н. Раскин и др. - М.: Лесная пром-сть, 1982. - 182 с.
8. Терентьев, О.А. Охрана окружающей среды в целлюлозно-бумажной промышленности / О.А. Терентьев, М.А. Евилевич // Проблемы качества природных вод.
- Черноголовка, 1997. - С. 185-197.
9. Заморуев, Б.М. Замкнутый цикл оборотных вод в целлюлозно-бумажном производстве / Б.М. Заморуев // Бумажная промышленность. - 1967. - № 2. - С. 16-18.
10. Черноусов, Ю.И. О влиянии цеховых сточных вод на процесс химической очистки промстоков / Ю.И. Черноусов, В.Н. Костыгин, М.Л. Мурская и др. // Проблемы производства полуфабрикатов и очистки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. сб. тр. ВНИИБ. - М., 1975. - Вып 67. - С. 155-160.
11. Макаров, В.А. Использование катионных полимерных флокулянтов для доочистки сточных вод гидролизно-дрожжевого производства / В.А. Макаров, Ю.И. Холь-кин, В.А. Елкин и др. // Гидролизная и лесохимическая промышленность. - 1990. - № 3. - С. 10-12.
12. Кагановский, А.М. Анализ существующих технологических схем доочистки биологически очищенных городских и промышленных сточных вод с целью применения для нужд промышленного водоснабжения / А.М. Кагановский, Т.М. Ткачук // Химия и технология воды. - 1991. - Т. 13. - № 6. - С. 511-516.
13. Гончаров, А.И. Программа превращения Селенгинского ЦКК в экологически чистое предприятие. Этапы осуществления / А.И. Гончаров, Н.А. Алдохин, К.М. Прошкин и др. // Бумажная промышленность. - 1991. - № 6-7. -
C. 6-7.
14. Никитин, Я.В. Решение проблем Байкала - водооборот на целлюлозно-картонном предприятии / Я.В. Никитин, М.К. Григорьева // Бумажная промышленность. - 1991.
- № 6-7. - С. 8-10.
15. Murch K., Hartmann J. Vermeidung von Reststoffen aus der Abwasserreiniqunqsanlage (ARA) // Wochenbl. Papierfabrikation 1990. Vol. 118, No 2. S. 55-61.
