CN104674590B

CN104674590B - 造纸黑液的处理方法及其处理设备

Info

Publication number: CN104674590B
Application number: CN201310635289.XA
Authority: CN
Inventors: 郭其昌
Original assignee: XINSHI FILM TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XINSHI FILM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN104674590A

Abstract

一种造纸黑液的处理方法，是提取黑液至一处理槽，该处理槽内沉降有一无管壳的开放式圆型平板膜单元，以进行膜分离过滤，并同时透过曝气扰动、膜旋转时的刷洗剪力，以及定时刮膜的三种方式，来降低滤膜表面固形物的堆积与吸附，使得滤膜不容易产生堵塞，以延长滤膜的使用周期、降低成本，并且使后续的精滤处理能顺利地进行，并回收许多有利用价值的有机物，以符合环保回收效益。

Description

造纸黑液的处理方法及其处理设备

技术领域

本发明是有关于一种造纸废水的处理方法及设备，且特别是有关于一种以膜分离技术来回收碱水及浓缩黑液再利用，且能够使膜孔不易堵塞，而能有效降低操作成本的造纸黑液的处理方法及其处理设备。

背景技术

在造纸制浆过程中，原料在添加石灰或烧碱等药物进行蒸煮之后，只取其中有用的纤维以制成浆料，而剩余的木质素、半纤维素和烧碱，则形成色深且具恶臭的废液被抛弃，这种化学制浆所产生的蒸煮废液即“黑液”。

黑液是造纸工业废水的主要污染源之一，所产生的COD、 BOD占制浆总过程污染物总量的90%以上，而黑液中70%的固体物为有机物，包括木质素、聚糖类、腐殖酸和纤维素降解产物等，而30%的固体物为无机物，包括游离的钠盐（碱）和含硅的化合物等。

以往对于造纸黑液的处理主要有碱回收法、酸析法、膜分离法、絮凝沉淀法以及生物处理法。

碱回收法是将黑液透过蒸发器来脱水，以产生浓缩黑液，由于浓缩黑液中仍存在着高比例的木质素与半纤维素，所以，只能通过碱炉进行焚烧，以将木质素等可燃物烧除，这时产生的灰烬主要成份为含碱的碳酸纳（Na₂CO₃），然后加水溶融后，形成含少量铁离子的绿液，接着再加入消石灰进行苛化，以生成碱水（NaOH），最后再回到纸浆蒸煮的生产流程中利用。

由于碱回收法须先以蒸发器来进行脱水，而蒸发器又是以燃烧煤碳为动力，目前平均一吨的黑液至少需要120公斤的煤碳进行脱水处理，所以运行的费用高，对于中小规模的制浆厂很难适用，而且，燃烧过程也烧掉了许多有利用价值的有机物（如木质素、松节油、皂化物），显然不是一种经济有效的处理方式。

酸析法的原理是在黑液中加入酸进行产酸发酵，以使木质素沉淀析出。根据木质素在酸性条件下可以从黑液中析出的原理，在黑液中透过CO₂或盐酸、硫酸中和，以调节黑液的PH值至5以下，使木质素析出，并使木质素脱去纳，再经过沉淀和机械脱水，即可分离得到木质素。采用酸析法来脱出造纸黑液中的木质素，虽然可以有效地去除黑液中的有机污染物，降低污染物负荷，但是这种方法需要消耗大量的酸，相对的就需要使用耐酸设备，也会产生二次污染问题，所以使用上仍然受到一定的限制。

除了以酸析法来析出木质素之外，木质素的分离也可以通过添加各种药剂进行沉淀、絮凝，加上活性污泥曝气或厌氧发酵等生物处理技术等方式来达成，但这类技术投资也较大，且占地面积很大，处理时间长、运行费用高，对于污染治理效果也不是很理想。

此外，尚有采用膜分离法（Membrane Separation）来回收造纸黑液中的木质素，其方法是在一定的操作压力下，通过滤膜来截留黑液中的木质素及固形物，因此可以大幅降低放流液中的COD与BOD值，所以膜分离法具有高分离效能、相对低成本，以及占地面积小的优点，但是，因为黑液中固形物的含量高、黏度大，如果没有良好的前处理或操作条件，滤液流通量便会很快地衰减而产生浓度极化现象，造成滤膜表面严重结垢，甚至堵塞，严重时不得不停下来清洗，甚至只能换装新的滤膜，如此一来，既降低了木质素的回收效能，且增加成本又影响生产，目前虽已有学者针对膜容易堵塞的问题进行了相关的研究与改进，但都只是通过对膜的逆洗、改进操作压力、采用浓度不同的黑液或膜材料来实验，企图减少膜的结垢，但效果仍极为有限，所以，国内至今仍没有采用膜分离法来处理造纸黑液的实厂。

因此，针对造纸黑液采用膜分离技术所衍生的膜易污堵问题，如何寻求有效的膜清洗手段，以延长膜使用寿命、降低生产成本，一直是目前相关产业所迫切努力的目标。

发明内容

因此本发明所提供的一种造纸黑液的处理方法，是在进行膜分离过滤时，透过曝气扰动、膜旋转时的刷洗剪力，以及定时刮膜三种方式，来降低滤膜表面固形物的堆积与吸附，使得滤膜不容易产生堵塞，以延长滤膜的使用周期、降低成本，并且使后续的精滤处理能顺利地进行，符合环保回收效益。

本发明的另一目的，是在提供一种能够有效降低膜堵塞，以延长膜操作寿命，且能增加处理效率的造纸黑液的处理设备。

为达上述目的，本发明的解决方案是：

本发明所提出的一种造纸黑液的处理方法，包含以下步骤：步骤（A）：将经过化学蒸煮后所排放出的废弃黑液引取至一处理槽中，该处理槽中设有至少一旋转式的圆型平板膜单元。步骤（B）：对引入该处理槽内的黑液进行曝气浮除处理，以截除黑液中较大分子的短纤维与固形物。步骤（C）：以真空压力差为驱动力，使黑液通过该圆型平板膜单元的超滤膜来进行固液分离，让黑液中的有机质固形物被截留在处理槽中，而通过超滤膜的渗透液则成为处理水。步骤（D）：在该圆型平板膜旋转的同时，定时地对滤膜表面的黏着物层施以刮动，以降低滤膜表面固形物、胶体的堆积与吸附，进而防止滤膜表面产生结垢。步骤（E）：将通过超滤膜的处理水再经过一纳滤膜的浓缩处理，以获得可供蒸煮制浆再利用的碱水，及含有高浓度木质素的可回收浓缩黑液。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理方法，其中，在步骤（B）中，是同步地对该处理槽内的圆型平板膜单元进行旋转动作，利用旋转剪切流，以提供对超滤膜的刷洗剪力。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理方法，其中，在步骤（E）之后，对通过纳滤浓缩处理的过滤液进行一逆透膜处理，使透析过逆渗透膜的过滤液能成为符合排放标准的排放水。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理方法，其中，在对过滤液进行逆透膜处理之前，更具有对过滤液进行热交换处理，以降低液温对逆透膜的影响。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理方法，其中，在步骤（B）中，共具有两段超滤膜分离的处理程序，设置在前段的超滤膜是以真空压力差为驱动力，而设置在后段的超滤膜则是以正压驱动水体进行膜过滤流程。

本发明所提出的一种造纸黑液的处理设备，包含有一处理槽、至少一旋转式圆型平板膜单元、一超滤产水槽、一刮膜单元及一纳滤膜单元。该处理槽，为一开放式的槽体，用以盛置制浆废弃黑液。该旋转式圆型平板膜单元，采卧式结构而浸入在该处理槽内，其上有多数个等间隔设置的圆形平板状的超滤膜，该等超滤膜中央水密地的轴接有一产水管，该产水管是受一动力单元的驱动而转动，并借由真空压力差为驱动力，促使黑液中的水体透过超滤膜，而形成处理水被泵送入该产水管。该超滤产水槽，接设在该圆型平板膜单元后方，且与该产水管连通，以汇集透析过超滤膜的处理水。该刮膜单元，包含多个枢设在前述超滤膜之间的转动盘、多个设在该转动盘上的刷体以及多个对应前述刷体的挡杆，且前述刷体是与超滤膜表面形成微接触，当超滤膜随着产水管转动时，刷体是受到挡杆的阻滞，而形成对超滤膜表面刮动的作用。该纳滤膜单元，接设在该超滤产水槽的后方，以将通过超滤膜的处理水进一步地分离为回收碱水及浓缩黑液。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理设备，更包含有一正压式的后段超滤膜单元，该后段超滤膜单元是接设在该圆型平板膜单元与该超滤产水槽之间，用以提纯黑液中的木质素。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理设备，更包含有一逆渗透膜单元，该逆渗透膜单元是接设在纳滤膜单元之后。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理设备，更包含有一热交换器，该热交换器是接设在该逆渗透膜单元之前。

依照上述本发明所述的造纸黑液的处理设备，其中，该处理槽底部更设有一曝气单元，该曝气单元可对黑液喷送出加压的微细气泡。

本发明所运用的处理方法及设备，不仅适用于造纸工业中的黑液浓缩，并能自黑液中分离出碱水回到煮浆制程再利用，又可取得木质素等副产物，以利后续的提纯与分解，更重要的是，黑液在进行超滤浓缩处理时，利用了曝气扰动、旋转膜的膜面剪切力，再加上定时扫动刮膜的三种特殊方式，来降低滤膜表面固形物的堆积与吸附，以达到防止滤膜结垢的生成，也因为膜不易结垢，所以滤膜对于黑液的耐浊度能力大幅增加，为后续的二次精滤与纳滤浓缩处理流程提供了良好的前处理作用，能保持滤液的流通量，有别于以往滤膜只能以逆洗方式来处理，膜也容易堵塞的问题。

附图说明

图1为本发明的造纸黑液的处理方法及其处理设备的方块流程；

图2为本发明该实施例的设备流程图；

图3为该刮膜单元对超滤膜进行刮垢处理的设备结构图；

图4为该后段超滤膜内部设有喷洗单元的剖视图；

图5本发明的另一实施样态的设备流程图。

【主要组件符号说明】

10 处理槽 20 圆型平板膜单元

21 超滤膜 22 产水管

23 动力单元 30 曝气单元

40 负压抽水泵 50 后段超滤膜单元

51 后段超滤膜 52 膜管

60 超滤产水槽 70 刮膜单元

71 转动盘 72 刷体

73 挡杆 80 架体

90 纳滤膜单元 91 纳滤产水槽

100 逆渗透膜单元 110 热交换器。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

参照图1与图2，本发明的造纸黑液的处理方法及其处理设备，包含有以下步骤：

步骤（A）：将经过化学蒸煮后所排放出的废弃黑液引取至一处理槽10中，该处理槽10为一顶面开放的槽体，其内设有至少一旋转式的圆型平板膜单元20，及一位于该处理槽10底部的曝气单元30。该圆型平板膜单元20是呈无管壳的水平卧式结构（开放式的圆型平板膜片），并采浸入式沉降在该处理槽10内，其上有多数个等间隔设置的圆形平板状的超滤膜21（UF Membrane），该等超滤膜21中央水密地的轴接有一产水管22。

步骤（B）：对引入的黑液利用位于该处理槽10底部的曝气单元30进行曝气浮除处理，利用该曝气单元30所喷送出的加压微细气泡，以截除黑液中较大分子的短纤维与固形物，并具有对超滤膜21形成曝气扰动的效果。此外，在曝气处理的同时，更有让该圆型平板膜单元20的超滤膜21产生旋转，其驱动方式是透过位于该产水管22一端的动力单元23（马达），以驱使该产水管22及超滤膜21形成同心转动，利用膜旋转所形成的剪切流，来对超滤膜21形成刷洗剪力，以减轻膜表面的凝胶层（滤饼）的成长，维持膜的造水通量。

步骤（C）：对该处理槽10内的黑液进行超滤膜过滤，在本步骤中，是采取两段式的超滤膜分离流程，其中，前段的超滤膜分离方式，是以设置在于该处理槽10中的超滤膜21来进行，其手段是用一负压抽水泵40来对该产水管22进行抽真空，以形成真空压力差，使黑液通过超滤膜21来进行固液分离，让黑液中的有机质固形物（木质素、游离硅）被截留在处理槽10中，而通过薄膜的渗透液则成为汇流到该产水管22内的处理水，并借着抽水泵40继续推送至位于处理槽10外的一后段超滤膜单元50，俾利用抽水泵40的正压推力来对处理水进行二次膜分离浓缩，最后，通过后段超滤膜单元50的处理水就被送至一超滤产水槽60中汇集。

步骤（D）：在该圆型平板膜单元20的超滤膜21旋转的同时，定时地对滤膜表面的黏着物层施以刮动，以降低滤膜表面固形物、胶体的堆积与吸附，进而防止滤膜表面产生结垢；如图3所示，刮动膜面的方式是采用一刮膜单元70来进行，该刮膜单元70包含多个枢设在前述超滤膜21之间的转动盘71、多个呈放射状装设在该转动盘上的刷体72，以及多个对应前述刷体72的挡杆73，前述的刷体72可以采用质软的橡胶、海棉或短纤材料制成，并与超滤膜21表面形成微接触，而挡杆73则呈可枢转地设置在该处理槽10上方的一架体80上，实际上更可以透过外部PLC（Programmable Logic Controller）的控制，驱使挡杆73进行钟摆运动，如此，当超滤膜21随着产水管22转动，且刷体72触击到挡杆73时，挡杆73就会对刷体72形成间歇式的阻滞，刷体72就对超滤膜21表面施以刮擦、扫动作用，也具有形成扰流作用，自然能防止滤膜产生结垢现象。

参阅图4所示，更进一步地，也为了延长后段超滤膜51的使用周期，后段超滤膜51是采用类似前段超滤膜的结构，但外部以一膜管52封装，并且膜管52内周面上伸设有一喷洗单元53，该喷洗单元53的一喷水管531恰对应该后段超滤膜51，当启动一空气泵浦532时，高压空气便经由该喷水管531的曝气口打入该膜管52内部，以快速冲击清洁超滤膜袋的表面，由于其相关的操作方式同申请人名下中国台湾第I348389号发明专利，此不再多加说明。

附带说明的是，因为前段超滤膜21的过滤已截留黑液中80%的固形物，所以后段超滤膜51的过滤产生污堵的情况相当低，因此不需要再施加刮膜的处理。

步骤（E）：将通过超滤膜51的处理水再经过一纳滤膜单元90（参照图5），利用其纳滤膜（NF Membrane）对处理水来进行浓缩处理，以获得可供蒸煮制浆再利用的碱水，及含有高浓度木质素的可回收浓缩黑液，这里的浓缩黑液可再与经由超滤膜过滤时所生成的固形物混合，以提取其中的木质素，在本实施例中，碱水可先暂存于一纳滤产水槽91内。

因此，本发明所运用的处理方法及设备，不仅适用于造纸工业中的黑液浓缩，并能自黑液中分离出碱水回到煮浆制程再利用，又可取得木质素等副产物，以利后续的提纯与分解，更重要的是，黑液在进行超滤浓缩处理时，利用了曝气扰动、旋转膜的膜面剪切力，再加上定时扫动刮膜的三种特殊方式，来降低滤膜表面固形物的堆积与吸附，以达到防止滤膜结垢的生成，也因为膜不易结垢，所以滤膜对于黑液的耐浊度能力大幅增加，为后续的二次精滤与纳滤浓缩处理流程提供了良好的前处理作用，能保持滤液的流通量，有别于以往滤膜只能以逆洗方式来处理，膜也容易堵塞的问题。

而且，本发明所使用的处理设备，也因为在超滤膜过滤即采用无管壳的开放式膜板结构，所以膜板除了可以直接以水柱进行冲洗之外，还可以透过上述的三种方式直击膜面，因此滤膜不易堵塞，能适用于浊度极高的黑液，也有效延长了膜的使用寿命，降低了黑液的处理成本。

值得一提的是，续参照图5所示，本发明在步骤（E）之后，还可以对通过纳滤浓缩处理的过滤液进行一逆透膜处理，其方式是利用一逆渗透膜单元100来进行固液分离，该逆渗透膜单元是接设在该纳滤膜单元90的纳滤产水槽91后，以除去过滤液中的有机盐碱及色度，而且，为了降低液温对逆透膜的影响，该逆渗透膜单元100前更接设有一热交换器110，来对过滤液进行热交换；借此，使透析过逆渗透膜的过滤液能成为符合排放标准的排放水，或是回收成为喷洗滤膜的清洗水，而被逆渗透膜所阻挡的醣类则可进一步再利用（如作为发酵原料来生产酒精），以达到环保回收的效益。

以上所述者，仅为本发明的一实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种造纸黑液的处理方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤（A）：将经过化学蒸煮后所排放出的废弃黑液引取至一处理槽中，该处理槽中设有至少一旋转式的圆型平板膜单元；

步骤（B）：对引入该处理槽内的黑液进行曝气浮除处理，以截除黑液中较大分子的短纤维与固形物，且同步地对处理槽内的圆型平板膜单元进行旋转动作，利用旋转剪切流，以提供对超滤膜的刷洗剪力；

步骤（C）：以真空压力差为驱动力，使黑液通过圆型平板膜单元的超滤膜来进行固液分离，让黑液中的有机质固形物被截留在处理槽中，而通过超滤膜的渗透液则成为处理水；

步骤（D）：在该圆型平板膜旋转的同时，定时地对滤膜表面的黏着物层施以刮动，以降低滤膜表面固形物、胶体的堆积与吸附，进而防止滤膜表面产生结垢；步骤（E）：将通过超滤膜的处理水再经过一纳滤膜的浓缩处理，以获得可供蒸煮制浆再利用的碱水，及含有高浓度木质素的可回收浓缩黑液。

2.如权利要求1所述的造纸黑液的处理方法，其特征在于：在步骤（E）之后，对通过纳滤浓缩处理的过滤液进行一逆透膜处理，使透析过逆渗透膜的过滤液能成为符合排放标准的排放水。

3.如权利要求2所述的造纸黑液的处理方法，其特征在于：在对过滤液进行逆透膜处理之前，更具有对过滤液进行热交换处理，以降低液温对逆透膜的影响。

4.如权利要求1所述的造纸黑液的处理方法，其特征在于：在步骤（C）中，共具有两段超滤膜分离的处理程序，设置在前段的超滤膜是以真空压力差为驱动力，而设置在后段的超滤膜则是以正压驱动水体进行膜过滤流程。

5.一种造纸黑液的处理设备，其特征在于，包含有：

一处理槽，为一开放式的槽体，用以盛置制浆废弃黑液；

至少一旋转式圆型平板膜单元，采卧式结构而浸入在处理槽内，其上有多数个等间隔设置的圆形平板状的超滤膜，该等超滤膜中央水密地的轴接有一产水管，该产水管是受一动力单元的驱动而转动，并借由真空压力差为驱动力，促使黑液中的水体透过超滤膜，而形成处理水被泵送入产水管；

一超滤产水槽，接设在圆型平板膜单元后方，且与产水管连通，以汇集透析过超滤膜的处理水；

一刮膜单元，包含多个枢设在前述超滤膜之间的转动盘、多个设在该转动盘上的刷体以及多个对应前述刷体的挡杆，且前述刷体是与超滤膜表面形成微接触，当超滤膜随着产水管转动时，刷体是受到挡杆的阻滞，而形成对超滤膜表面刮动的作用；

一纳滤膜单元，接设在该超滤产水槽的后方，以将通过超滤膜的处理水进一步地分离为回收碱水及浓缩黑液。

6.如权利要求5所述的造纸黑液的处理设备，其特征在于：更包含有一正压式的后段超滤膜单元，该后段超滤膜单元是接设在圆型平板膜单元与超滤产水槽之间，用以提纯黑液中的木质素。

7.如权利要求5所述的造纸黑液的处理设备，其特征在于：更包含有一逆渗透膜单元，该逆渗透膜单元是接设在纳滤膜单元之后。

8.如权利要求7所述的造纸黑液的处理设备，其特征在于：更包含有一热交换器，该热交换器是接设在逆渗透膜单元之前。

9.如权利要求5所述的造纸黑液的处理设备，其特征在于：处理槽底部更设有一曝气单元，该曝气单元可对黑液喷送出加压的微细气泡。