【摘要】为实现造纸行业各部门用水结构的优化,采用工业水足迹分析方法,明确了造纸行业工业水足迹评价的系统边界,构建了造纸行业工业水足迹核算框架,并选取山东省某典型造纸企业为研究案例,计算了该企业工业水足迹､节水减排后水足迹削减量及贡献率。结果表明:①该造纸企业蓝水足迹为55.90m3/t､灰水足迹为21.80m3/t､隐含水足迹为5.65m3/t。②通过进行清洁生产审核,可以节约蓝水足迹1184209t,隐含水足迹1207184t,灰水足迹785334t,共节约工业水足迹量为3176727t.③工艺技术改进和中水回用技术对企业节约水足迹的贡献率分别为38.88%､42.00%,对节约水足迹总的贡献率为80.88%。研究显示,工艺技术改进和中水回用对节约工业水足迹的贡献率最大,造纸企业节水减排的重点应是提高中水回用率,可通过加强技术改造､引进先进设备完成。

【关键词】山东省造纸企业;工业水足迹;节水减排途径;节水减排量

    纸产品是人类生活的必须品,是现代文明的载体。据中国造纸协会调查资料显示,2013年全国纸及纸制品生产企业约3400家,纸及纸板生产量为10110×104t,消费量为9782×104t,人均年消费量为72kg;其中山东省纸浆和纸板产量分别占全国总量的26.1%､16.5%,位居全国第一[1]。同时,造纸行业又是一个高水耗及高污染的行业,据统计数据显示,2013年山东省造纸行业水耗为50390×104t,占山东省总水耗的22.9%,在全省重点工业中水资源消耗量排第一位;造纸行业废水排放量为45000×104t,占全省工业废水排放总量的27.6%,其中CODcr排放量为85000t,占全省工业CODcr,排放总量的37.2%[1-2]。故造纸行业是山东省重点污染和耗水行业,加强对造纸行业水资源的管理和利用是解决该地区水资源短缺和促进行业可持续发展的重要手段。

    水足迹指的是在一定物质生活标准下,生产一定人群(个体､城市或国家)消费的产品和服务所需要的水资源数量[3-4]。水足迹是一个多维的概念,它可以从产品､消费者､消费群体､厂商､特定地理区域和人类几大维度分别定义[5]。水足迹的概念与评估方法的提出,使人们开始从生命周期的角度研究水资源的来源､去处,为节水减排以及水资源高质高效利用和管理,提供了科学的评判依据和手段[6]。DONG等[7-8]研究了区域水足迹的核算方法;Yu等[9-12]研究了农作物的水足迹的测算;Batan等[13-14]研究了生物能源､火力发电行业的水足迹评价方法。水足迹概念的引入有助于掌握产品生产环节水资源的消耗量,能够推动从消费者的角度减少水资源的使用,为水资源的管理提供了有效的工具。

    工业水足迹是水足迹的重要组成部分,是专门用于分析工业生产过程中水资源消耗(直接)和影响(间接)的物理指标。前者是在生产过程中耗用的新鲜水量,即生产､制造或运行过程中直接用水;后者是生产过程中输入的一系列商品和服务及对环境的影响。工业水足迹可定量分析工业生产对水资源系统产生的压力程度,为工业水资源可持续规划和管理提供新的思路和研究方向[15-16]。工业水足迹分析内容包括各种工业原料､辅料与生产过程中的水资源消耗和水环境污染,即生产过程中的蓝水､灰水和能源､物质消耗及公共部门分摊的隐含水[17-18]。国内外研究对工业水足迹在生产过程中的影响越来越重视,严岩等[19]对几种典型棉纺织产品的工业水足迹评价,从行业层面探究了了纺织产品工业水足迹边界及核算方法;Chooyok等[20-21]对酒精生产过程､乳制品生产系统水足迹进行评价和测算。水足迹理论在企业层面的应用可以为企业生产过程的可持续性提供指示。孙清清等[22]研究了纺织印染企业水足迹测算的过程,为企业层面工业水足迹的计算提供了参考。GU等[23-24]从生命周期的角度对钢铁､碳酸饮料企业提出了水足迹的评价方法。张明等[25-26]研究了工业水足迹在造纸行业的应用,阐述了造纸行业工业水足迹评价体系,为造纸行业水足迹的研究奠定了基础。Manzardo等[27]从生命周期的角度对造纸业的化学混合浆水足迹进行了测算。VAN等旧副研究了不同地区及采用不同树种和废纸作原料对写字纸水足迹的影响。Lutter等[28-30]对不同原材料水足迹的计算方法进行了深入探讨,为原料水足迹的计算方法提供了依据。

    工业水足迹的引入可以从消费者的角度对造纸行业生产过程中水资源消耗及其对环境的影响进行定量分析,便于发现生产环节中存在的耗水问题,能够有针对性的提出节水减排的措施,提高造纸行业水资源的利用率,改善水资源的管理模式,为造纸行业水资源的合理配置提供新的思路和方法。

    综上,该研究以山东省某造纸企业为研究对象,确定造纸工业水足迹的系统边界,计算其工业水足迹的蓝水足迹､绿水足迹和灰水足迹;计算不同节水减排途径水足迹削减量及贡献率,有针对性地提出造纸行业节水减排的有效途径,以期为造纸企业用水管理提供参考依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 系统边界与核算内容

    将造纸工业水足迹评价的系统边界划定为从原料人厂后到产品出厂前的整个工业生产阶段,核算内容(如图1所示)包括输入项(新鲜水､蒸汽､原辅料夹带水)与输出项(废水､固废夹带水､产品夹带水､蒸发损失､跑冒滴漏)。造纸行业采用的添加剂各不相同,并且各添加剂的携水量有限,计算不便,故不再考虑添加剂含水量。

1.2 造纸企业调研

    选取山东省多家造纸厂进行调研,造纸按原料不同分为麦草制浆造纸､木浆造纸､废纸制浆造纸。据《2014年中国造纸年鉴》统计数据分析,由于麦草的增加,其已经没有成本优势,而木浆和废纸制浆的所占比例越来越大,2013年原料结构中木浆:废纸浆:非木浆为26.0:6.9:91,故笔者仅列出传统木浆制浆及废纸制浆造纸工艺流程,具体过程图2､3所示。

图1造纸行业工业水足迹评价的系统边界

图2木浆造纸工艺流程

图3废纸浆造纸工艺流程

1.3 蓝水足迹计算方法

1.3.1 蓝水足迹计算方法

    工业蓝水足迹是指企业对传统水源的消耗,等于取水量减去污水排放量。

1.3.2 绿水足迹计算方法

    工业绿水足迹是指企业收集处理用于生产､生活以及企业内部绿化等目的雨水量。

1.3.3 灰水足迹计算方法

    工业灰水足迹是指企业生产过程中由于排放废水或者固体废物等污染物而引起的水资源污染的量,其值可由生产过程中排放的污染物负荷除以接受水体的环境质量标准浓度(可接受最大污染物浓度)与水体本身污染物的自然本底浓度之差得出。计算时选取废水中最主要的污染物为代表,以反映水环境污染程度。选取CODcr、pH两个污染指标来计算工业灰水足迹。

1.3.4 原辅料水足迹计算方法

    原辅料水足迹也可以称作为隐含水足迹,其包含整个生产过程中所消耗的原料､辅料和能源所隐含的工业水足迹。造纸行业原料众多,以木浆､草浆､废纸浆为主,固体废物包括木浆废渣､麦草浆废渣､污泥､生活垃圾等。

1.3.5 数据处理

    统计数据来源于(2014年山东统计年鉴》(2014年中国环境统计年鉴》(2014年中国造纸统计年鉴》,以及造纸企业清洁生产报告等。涉及的生产数据来自于造纸企业的实地调研和数据收集,其中包括各工艺单元的新鲜水､蒸汽及原辅料质量及其损失;造纸企业生产过程中废水排放量､污染物浓度及经污水处理厂处理后的水质等。造纸行业原辅料的折算系数参考SB/T11058--2013《中华人民共和国国内外贸易行业标准》废纸分类等级规范HJ468--2009(清洁生产标准造纸工业(废纸制浆)》等;原辅料中蒸汽､电力工业水足迹折算系数借鉴文献[19]的研究结果。水足迹灰水计算选取行业特征污染物CODcr、pH为指标,依据GB3838--2002(地表水环境质量标准》,假设水体可接收最大污染物的浓度为V类水质要求,p(CODcr)最小值为0mg/L;参考DB37/656--2006《山东省小清河流域水污染物综合排放标准》重点保护区标准,pH最大可接受值为6-9。

2 结果与讨论

2.1 造纸企业工业水足迹的计算结果

    选取山东省某造纸企业,该企业年产各类机制纸100×104t,生产技术先进,是山东省重点造纸企业,在同行业具有代表性。数据来源于该企业的现场调查和数据收集,包括企业的生产数据､各分厂原辅料和能源的消耗､废物排放､环境功能区划和污染物排放执行标准的数据等。该企业的水平衡和物料平衡如图4所示。

图4造纸企业全厂水平衡

    对该企业的工业水足迹进行计算,计算得出的企业蓝水足迹､隐含水足迹和灰水足迹如表l所示。

2.2 造纸企业节水减排后工业水足迹的核算

    对该企业进行清洁生产审核,分别采用工艺改进､中水回用､原辅料替代､冷却水回用等26项节水减排措施,可以节约蓝水足迹1184209t,隐含水足迹1207184t,灰水足迹785334t,共节约工业水足迹量为3178767t,如表2所示。

表2节水减排措施后企业水足迹的削减量

2.3 节水减排措施对工业水足迹削减的贡献率

    根据节水减排措施分别计算蓝水足迹､隐含水足迹､灰水足迹的削减量及贡献率,结果显示采用流浆箱喷淋水嘴增加喷片､喷淋管改为多孔喷淋水管､打浆工段损纸管线改造､石膏护面纸抄纸车间网部改造､石膏护面纸制浆车间脱墨线改造等工艺技术改进可节约蓝水足迹66409t,隐含水足迹节约1204046t,对节约水足迹的贡献率为38.88%。采用真空泵循环水改用白水､化学浆原木片洗涤补充清水改用纸机白水､化机浆磨机冷却水改为循环水等中水回用技术,可节约蓝水足迹854200t,灰水足迹节约476815t,对节约水足迹的贡献率为42.00%。采用工艺改进和中水回用措施节约的水足迹贡献率为80.88%。具体如表3所示。

表3不同节水减排方案的企业水足迹变化

3 结论

    a)对山东省某典型造纸企业的水足迹的计算结果表明,该企业的蓝水足迹､灰水足迹､隐含水足迹分别为55.90､21.80､5.65m3/t,其总水足迹为83.35m3/t。

    b)通过原材料替代､技术工艺改革､设备维护和更新､过程优化控制､产品更换或改进以及废弃物回收利用和循环使用等途径,在增加投资的条件下,可在企业推行26项节水减排方案,能够节约蓝水足迹1184209t,隐含水足迹1209224t,灰水足迹785334t,共节约工业水足迹量为3178767t。

    c)企业采取工艺技术改进和中水回用技术对节约水足迹的贡献率分别为38.88%､42.00%,对节约水足迹的总的贡献率为80.88%。由此可以看出,工艺技术改进和中水回用技术对节约水足迹贡献率最大,两种工艺技术将是造纸企业节水减排的最佳选择。

    d)为了减少造纸行业工业水足迹的量,可选取的方法:推广造纸行业节水减排措施,减少新鲜水的补充并降低生产过程中废水､废渣的排放量;改善生产工艺,促进生产工程中水资源的循环利用,提高水资源的回收利用率;各部门加强管理,定期检查设备､器械的是否正常运行,防治跑冒滴漏现象,减少对水资源的浪费。

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