TWI601570B - Papermaking black liquor processing method and processing equipment - Google Patents

Description

造紙黑液的處理方法及其處理設備

本發明是有關於一種造紙廢水的處理方法及設備，且特別是有關於一種以膜分離技術來回收碱水及濃縮黑液再利用，且能夠使膜孔不易堵塞，而能有效降低操作成本之造紙黑液的處理方法及其處理設備。

在造紙製漿過程中，原料在添加石灰或燒碱等藥物進行蒸煮之後，只取其中有用的纖維以製成漿料，而剩餘的木質素、半纖維素和燒碱，則形成色深且具惡臭的廢液被拋棄，這種化學製漿所產生的蒸煮廢液即「黑液」。

黑液是造紙工業廢水的主要汙染源之一，所產生的COD、BOD佔製漿總過程汙染物總量的90%以上，而黑液中70%的固體物為有機物，包括木質素、聚糖類、腐殖酸和纖維素降解產物等，而30%的固體物為無機物，包括游離的鈉鹽(碱)和含矽的化合物等。

以往對於造紙黑液的處理主要有碱回收法、酸析法、膜分離法、絮凝沉澱法以及生物處理法。

碱回收法是將黑液透過蒸發器來脫水，以產生濃縮黑液，由於濃縮黑液中仍存在著高比例的木質素與半纖維素，所以，只能通過碱爐進行焚燒，以將木質素等可燃物燒除，這時產生的灰燼主要成份為含碱的碳酸納(Na₂Co₃)，然後加水溶融後，形成含少量鐵離子的綠液，接著再加入消石灰進行苛化，以生成碱水(NaOH)，最後再回到紙漿蒸煮的生產流程中利用。

由於碱回收法須先以蒸發器來進行脫水，而蒸發器又是以燃燒煤碳為動力，目前平均一噸的黑液至少需要120公斤的煤碳進行脫水處理，所以運行的費用高，對於中小規模的製漿廠很難適用，而且，燃燒過程也燒掉了許多有利用價值的有機物(如木質素、松節油、皂化物)，顯然不是一種經濟有效的處理方式。

酸析法的原理是在黑液中加入酸進行產酸發酵，以使木質素沉澱析出。根據木質素在酸性條件下可以從黑液中析出的原理，在黑液中透過CO₂或鹽酸、硫酸中和，以調節黑液的PH值至5以下，使木質素析出，並使木質素脫去納，再經過沉澱和機械脫水，即可分離得到木質素。採用酸析法來脫出造紙黑液中的木質素，雖然可以有效地去除黑液中的有機汙染物，降低汙染物負荷，但是這種方法需要消耗大量的酸，相對的就需要使用耐酸設備，也會產生二次汙染問題，所以使用上仍然受到一定的限制。

除了以酸析法來析出木質素之外，木質素的分離也可以通過添加各種藥劑進行沉澱、絮凝，加上活性污泥曝氣或厭氧發酵等生物處理技術等方式來達成，但這類技術投資也較大，且佔地面積很大，處理時間長、運行費用高，對於污染治理效果也不是很理想。

此外，尚有採用膜分離法(Membrane Separation)來回收造紙黑液中的木質素，其方法是在一定的操作壓力下，通過濾膜來截留黑液中的木質素及固形物，因此可以大幅降低放流液中的COD與BOD值，所以膜分離法具有高分離效能、相對低成本，以及佔地面積小的 優點，但是，因為黑液中固形物的含量高、黏度大，如果沒有良好的前處理或操作條件，濾液流通量便會很快地衰減而產生濃度極化現象，造成濾膜表面嚴重結垢，甚至堵塞，嚴重時不得不停下來清洗，甚至只能換裝新的濾膜，如此一來，既降低了木質素的回收效能，且增加成本又影響生產，目前雖已有學者針對膜容易堵塞的問題進行了相關的研究與改進，但都只是通過對膜的逆洗、改進操作壓力、採用濃度不同的黑液或膜材料來實驗，企圖減少膜的結垢，但效果仍極為有限，所以，國內至今仍沒有採用膜分離法來處理造紙黑液的實廠。

因此，針對造紙黑液採用膜分離技術所衍生的膜易污堵問題，如何尋求有效的膜清洗手段，以延長膜使用壽命、降低生產成本，一直是目前相關產業所迫切努力之目標。

因此本發明所提供之一種造紙黑液的處理方法，是在進行膜分離過濾時，透過曝氣擾動、膜旋轉時的刷洗剪力，以及定時刮膜三種方式，來降低濾膜表面固形物的堆積與吸附，使得濾膜不容易產生堵塞，以延長濾膜的使用週期、降低成本，並且使後續的精濾處理能順利地進行，符合環保回收效益。

本發明之另一目的，是在提供一種能夠有效降低膜堵塞，以延長膜操作壽命，且能增加處理效率的造紙黑液的處理設備。

本發明所提出之一種造紙黑液的處理方法，包含以下步驟：步驟(A)：將經過化學蒸煮後所排放出的廢棄 黑液引取至一處理槽中，該處理槽中設有至少一旋轉式的圓型平板膜單元。步驟(B)：對引入該處理槽內的黑液進行曝氣浮除處理，以截除黑液中較大分子的短纖維與固形物。步驟(C)：以真空壓力差為驅動力，使黑液通過該圓型平板膜單元的超濾膜來進行固液分離，讓黑液中的有機質固形物被截留在處理槽中，而通過超濾膜的滲透液則成為處理水。步驟(D)：在該圓型平板膜旋轉的同時，定時地對濾膜表面的黏著物層施以刮動，以降低濾膜表面固形物、膠體的堆積與吸附，進而防止濾膜表面產生結垢。步驟(E)：將通過超濾膜的處理水再經過一納濾膜的濃縮處理，以獲得可供蒸煮製漿再利用的碱水，及含有高濃度木質素的可回收濃縮黑液。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理方法，其中，在步驟(B)中，是同步地對該處理槽內的圓型平板膜單元進行旋轉動作，利用旋轉剪切流，以提供對超濾膜的刷洗剪力。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理方法，其中，在步驟(E)之後，對通過納濾濃縮處理的過濾液進行一逆透膜處理，使透析過逆滲透膜的過濾液能成為符合排放標準的排放水。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理方法，其中，在對過濾液進行逆透膜處理之前，更具有對過濾液進行熱交換處理，以降低液溫對逆透膜的影響。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理方法，其中，在步驟(B)中，共具有兩段超濾膜分離的處理程序，設置在前段的超濾膜是以真空壓力差為驅動力，而 設置在後段的超濾膜則是以正壓驅動水體進行膜過濾流程。

本發明所提出之一種造紙黑液的處理設備，包含有一處理槽、至少一旋轉式圓型平板膜單元、一超濾產水槽、一刮膜單元及一納濾膜單元。該處理槽，為一開放式的槽體，用以盛置製漿廢棄黑液。該旋轉式圓型平板膜單元，採臥式結構而浸入在該處理槽內，其上有多數個等間隔設置的圓形平板狀的超濾膜，該等超濾膜中央水密地的軸接有一產水管，該產水管是受一動力單元的驅動而轉動，並藉由真空壓力差為驅動力，促使黑液中的水體透過超濾膜，而形成處理水被泵送入該產水管。 該超濾產水槽，接設在該圓型平板膜單元後方，且與該產水管連通，以匯集透析過超濾膜的處理水。該刮膜單元，包含複數個樞設在前述超濾膜之間的轉動盤、複數個設在該轉動盤上的刷體以及複數個對應前述刷體的擋桿，且前述刷體是與超濾膜表面形成微接觸，當超濾膜隨著產水管轉動時，刷體是受到擋桿的阻滯，而形成對超濾膜表面刮動的作用。該納濾膜單元，接設在該超濾產水槽的後方，以將通過超濾膜的處理水進一步地分離為回收碱水及濃縮黑液。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理設備，更包含有一正壓式的後段超濾膜單元，該。後段超濾膜單元是接設在該圓型平板膜單元與該超濾產水槽之間，用以提純黑液中的木質素。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理設備，更包含有一逆滲透膜單元，該逆滲透膜單元是接設在納濾膜 單元之後。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理設備，更包含有一熱交換器，該熱交換器是接設在該逆滲透膜單元之前。

依照上述本發明所述之造紙黑液的處理設備，其中，該處理槽底部更設有一曝氣單元，該曝氣單元可對黑液噴送出加壓的微細氣泡。

參照第1圖與第2圖，本發明之造紙黑液的處理方法及其處理設備，包含有以下步驟：

步驟(A)：將經過化學蒸煮後所排放出的廢棄黑液引取至一處理槽10中，該處理槽10為一頂面開放的槽體，其內設有至少一旋轉式的圓型平板膜單元20，及一位於該處理槽10底部的曝氣單元30。該圓型平板膜單元20是呈無管殼的水平臥式結構(開放式的圓型平板膜片)，並採浸入式沉降在該處理槽10內，其上有多數個等間隔設置的圓形平板狀的超濾膜21(UF Membrane)，該等超濾膜21中央水密地的軸接有一產水管22。

步驟(B)：對引入的黑液利用位於該處理槽10底部的曝氣單元30進行曝氣浮除處理，利用該曝氣單元30所噴送出的加壓微細氣泡，以截除黑液中較大分子的短纖維與固形物，並具有對超濾膜21形成曝氣擾動的效果。此外，在曝氣處理的同時，更有讓該圓型平板膜單元20的超濾膜21產生旋轉，其驅動方式是透過位於該 產水管22一端的動力單元23(馬達)，以驅使該產水管22及超濾膜21形成同心轉動，利用膜旋轉所形成的剪切流，來對超濾膜21形成刷洗剪力，以減輕膜表面的凝膠層(濾餅)的成長，維持膜的造水通量。

步驟(C)：對該處理槽10內的黑液進行超濾膜過濾，在本步驟中，是採取兩段式的超濾膜分離流程，其中，前段的超濾膜分離方式，是以設置在於該處理槽10中的超濾膜21來進行，其手段是用一負壓抽水泵40來對該產水管22進行抽真空，以形成真空壓力差，使黑液通過超濾膜21來進行固液分離，讓黑液中的有機質固形物(木質素、游離矽)被截留在處理槽10中，而通過薄膜的滲透液則成為匯流到該產水管22內的處理水，並藉著抽水泵40繼續推送至位於處理槽10外的一後段超濾膜單元50，俾利用抽水泵40的正壓推力來對處理水進行二次膜分離濃縮，最後，通過後段超濾膜單元50的處理水就被送至一超濾產水槽60中匯集。

步驟(D)：在該圓型平板膜單元20的超濾膜21旋轉的同時，定時地對濾膜表面的黏著物層施以刮動，以降低濾膜表面固形物、膠體的堆積與吸附，進而防止濾膜表面產生結垢；如第3圖所示，刮動膜面的方式是採用一刮膜單元70來進行，該刮膜單元70包含複數個樞設在前述超濾膜21之間的轉動盤71、複數個呈放射狀裝設在該轉動盤上的刷體72，以及複數個對應前述刷體72的擋桿73，前述的刷體72可以採用質軟的橡膠、海棉或短纖材料製成，並與超濾膜21表面形成微接觸，而擋桿73則呈可樞轉地設置在該處理槽10上方的一架 體80上，實際上更可以透過外部PLC(Programmable Logic Controller)的控制，驅使擋桿73進行鐘擺運動，如此，當超濾膜21隨著產水管22轉動，且刷體72觸擊到擋桿73時，擋桿73就會對刷體72形成間歇式的阻滯，刷體72就對超濾膜21表面施以刮擦、掃動作用，也具有形成擾流作用，自然能防止濾膜產生結垢現象。

參閱第4圖所示，更進一步地，也為了延長後段超濾膜51的使用週期，後段超濾膜51是採用類似前段超濾膜的結構，但外部以一膜管52封裝，並且膜管52內周面上伸設有一噴洗單元53，該噴洗單元53的一噴水管531恰對應該後段超濾膜51，當啟動一空氣泵浦532時，高壓空氣便經由該噴水管531的曝氣口打入該膜管52內部，以快速沖擊清潔超濾膜袋的表面，由於其相關的操作方式同申請人名下第I348389號發明專利，此不再多加說明。

附帶說明的是，因為前段超濾膜21的過濾已截留黑液中80%的固形物，所以後段超濾膜51的過濾產生污堵的情況相當低，因此不需要再施加刮膜的處理。

步驟(E)：將通過超濾膜51的處理水再經過一納濾膜單元90(參照第5圖)，利用其納濾膜(NF Membrane)對處理水來進行濃縮處理，以獲得可供蒸煮製漿再利用的碱水，及含有高濃度木質素的可回收濃縮黑液，這裡的濃縮黑液可再與經由超濾膜過濾時所所生成的固形物混合，以提取其中的木質素，在本實施例中，碱水可先暫存於一納濾產水槽91內。

因此，本發明所運用的處理方法及設備，不僅適用 於造紙工業中的黑液濃縮，並能自黑液中分離出碱水回到煮漿製程再利用，又可取得木質素等副產物，以利後續的提純與分解，更重要的是，黑液在進行超濾濃縮處理時，利用了曝氣擾動、旋轉膜的膜面剪切力，再加上定時掃動刮膜的三種特殊方式，來降低濾膜表面固形物的堆積與吸附，以達到防止濾膜結垢的生成，也因為膜不易結垢，所以濾膜對於黑液的耐濁度能力大幅增加，為後續的二次精濾與納濾濃縮處理流程提供了良好的前處理作用，能保持濾液的流通量，有別於以往濾膜只能以逆洗方式來處理，膜也容易堵塞的問題。

而且，本發明所使用的處理設備，也因為在超濾膜過濾即採用無管殼的開放式膜板結構，所以膜板除了可以直接以水柱進行沖洗之外，還可以透過上述的三種方式直擊膜面，因此濾膜不易堵塞，能適用於濁度極高的黑液，也有效延長了膜的使用壽命，降低了黑液的處理成本。

值得一提的是，續參照第5圖所示，本發明在步驟(E)之後，還可以對通過納濾濃縮處理的過濾液進行一逆透膜處理，其方式是利用一逆滲透膜單元100來進行固液分離，該逆滲透膜單元是接設在該納濾膜單元90的納濾產水槽91後，以除去過濾液中的有機鹽碱及色度，而且，為了降低液溫對逆透膜的影響，該逆滲透膜單元100前更接設有一熱交換器110，來對過濾液進行熱交換；藉此，使透析過逆滲透膜的過濾液能成為符合排放標準的排放水，或是回收成為噴洗濾膜的清洗水，而被逆滲透膜所阻擋的醣類則可進一步再利用(如作為 發酵原料來生產酒精)，以達到環保回收的效益。

以上所述者，僅為本發明之一實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧處理槽

20‧‧‧圓型平板膜單元

21‧‧‧超濾膜

22‧‧‧產水管

23‧‧‧動力單元

30‧‧‧曝氣單元

40‧‧‧負壓抽水泵

50‧‧‧後段超濾膜單元

51‧‧‧後段超濾膜

52‧‧‧膜管

60‧‧‧超濾產水槽

70‧‧‧刮膜單元

71‧‧‧轉動盤

72‧‧‧刷體

73‧‧‧擋桿

80‧‧‧架體

90‧‧‧納濾膜單元

91‧‧‧納濾產水槽

100‧‧‧逆滲透膜單元

110‧‧‧熱交換器

第1圖為本發明之造紙黑液的處理方法及其處理設備的方塊流程。

第2圖為本發明該實施例之設備流程圖。

第3圖為該刮膜單元對超濾膜進行刮垢處理的設備結構圖。

第4圖為該後段超濾膜內部設有噴洗單元的剖視圖。

第5圖本發明之另一實施樣態的設備流程圖。

10‧‧‧處理槽

20‧‧‧圓型平板膜單元

21‧‧‧超濾膜

22‧‧‧產水管

23‧‧‧動力單元

30‧‧‧曝氣單元

40‧‧‧負壓抽水泵

50‧‧‧後段超濾膜單元

60‧‧‧超濾產水槽

90‧‧‧納濾膜單元

Claims (6)

1. 一種造紙黑液的處理方法，包含以下步驟：步驟(A)：將經過化學蒸煮後所排放出的廢棄黑液引取至一處理槽中，該處理槽中設有至少一旋轉式的圓型平板膜單元；步驟(B)：對引入該處理槽內的黑液進行曝氣浮除處理，以截除黑液中較大分子的短纖維與固形物；步驟(C)：以真空壓力差為驅動力，使黑液通過該圓型平板膜單元的超濾膜來進行固液分離，讓黑液中的有機質固形物被截留在處理槽中，而通過超濾膜的滲透液則成為處理水；步驟(D)：在該圓型平板膜旋轉的同時，定時地對濾膜表面的黏著物層施以刮動，以降低濾膜表面固形物、膠體的堆積與吸附，進而防止濾膜表面產生結垢；以及步驟(E)：將通過超濾膜的處理水再經過一納濾膜的濃縮處理，以獲得可供蒸煮製漿再利用的碱水，及含有高濃度木質素的可回收濃縮黑液，之後，對通過納濾濃縮處理的過濾液進行一逆透膜處理，使透析過逆滲透膜的過濾液能成為符合排放標準的排放水，且在對過濾液進行逆透膜處理之前，更具有對過濾液進行熱交換處理，以降低液溫對逆透膜的影響。
2. 如申請專利範圍第1項所述之造紙黑液的處理方法，其中，在步驟(B)中，是同步地對該處理槽內的圓型平板膜單元進行旋轉動作，利用旋轉剪切流，以 提供對超濾膜的刷洗剪力。
3. 如申請專利範圍第1項所述之造紙黑液的處理方法，其中，在步驟(C)中，共具有兩段超濾膜分離的處理程序，設置在前段的超濾膜是以真空壓力差為驅動力，而設置在後段的超濾膜則是以正壓驅動水體進行膜過濾流程。
4. 一種造紙黑液的處理設備，包含有：一處理槽，為一開放式的槽體，用以盛置製漿廢棄黑液；至少一旋轉式圓型平板膜單元，採臥式結構而浸入在該處理槽內，其上有多數個等間隔設置的圓形平板狀的超濾膜，該等超濾膜中央水密地的軸接有一產水管，該產水管是受一動力單元的驅動而轉動，並藉由真空壓力差為驅動力，促使黑液中的水體透過超濾膜，而形成處理水被泵送入該產水管；一超濾產水槽，接設在該圓型平板膜單元後方，且與該產水管連通，以匯集透析過超濾膜的處理水；一刮膜單元，包含複數個樞設在前述超濾膜之間的轉動盤、複數個設在該轉動盤上的刷體以及複數個對應前述刷體的擋桿，且前述刷體是與超濾膜表面形成微接觸，當超濾膜隨著產水管轉動時，刷體是受到擋桿的阻滯，而形成對超濾膜表面刮動的作用；一納濾膜單元，接設在該超濾產水槽的後方，以將通過超濾膜的處理水進一步地分離為回收碱水及濃縮黑液； 一逆滲透膜單元，接設在納濾膜單元之後，以進行固液分離；及一熱交換器，是接設在該逆滲透膜單元之前，以對過濾液進行熱交換。
5. 如申請專利範圍第4項所述之造紙黑液的處理設備，更包含有一正壓式的後段超濾膜單元，該後段超濾膜單元是接設在該圓型平板膜單元與該超濾產水槽之間，用以提純黑液中的木質素。
6. 如申請專利範圍第4項所述之造紙黑液的處理設備，其中，該處理槽底部更設有一曝氣單元，該曝氣單元可對黑液噴送出加壓的微細氣泡。