造纸工业是我国国民经济的重要组成部分，而废纸造有利于保护环境、保护森林和节约资源。根据中国造纸协会发布的报告，2020年我国造纸工业纸浆原料中废纸浆占55%。废纸造纸工业生产过程会产生含大量污染物的废水，其COD、BOD、SS含量高，色度大，有机物成分复杂，会对水环境造成严重威胁。生物处理法是废纸造纸废水处理的主体工艺，厌氧生物处理法、好氧生物处理法和厌氧好氧组合技术法应用较为广泛。常见的厌氧技术有厌氧折流板反应器、厌氧内循环(IC)反应器、升流式厌氧污泥床、颗粒污泥床等多种形式。本文以某废纸造纸企业采用IC工艺处理废纸造纸废水及资源综合利用项目为例，对该项目的环境效益、经济效益和社会效益进行分析和评价。
1、工艺方案选取
该企业是一家以回收的废旧黄板纸为原料，生产再生包装纸(主要为高强度瓦楞纸)的制造服务型企业，原生产能力为10万t/a，扩建后总生产能力将达到30万t/a，须对原有废水厌氧处理设施进行改扩建。新生产线投产后正常生产情况下厌氧处理工艺进水的水量水质为：废水量6000m3/d，CODcr4500mg/L，BOD51200mg/L，SS100mg/L，SO4320mg/L，pH6~7。
1.1 厌氧处理工艺方案选取
厌氧内循环反应器(IC反应器)是目前最高效的厌氧反应器之一，已被广泛应用于造纸、啤酒、制药等废水处理领域。IC反应器在结构上具有高径比大、占地面积小，运行过程中混合的内循环不需外加动力，承受有机负荷率高、所需水力停留时间短、出水质量良好稳定、耐冲击负荷强等优点，处理高纤维含量的制浆污水不易堵塞和积累、碱消耗量少、颗粒污泥抗毒性强。项目选择荷兰帕克公司生产的IC反应器，因其性能相对更高效、节能、经济和可靠。IC反应器设计直径12m，高21.5m，有效容积2400m3，设计COD负荷为32500kg/d，最大产沼气量8870m3/d，产气率0.42m/kgCODcr，CODcr去除率65%~75%，最适宜运行温度35~38℃。经计算，IC反应器每天产生的沼气量约8000m3/d，厌氧颗粒污泥约2t/d。
1.2 沼气利用工艺方案选取
1.2.1 沼气利用方式
沼气利用主要有沼气发电、锅炉燃烧、沼气锅炉产蒸汽、沼气制天然气等方式。该企业造纸生产每天需要消耗大量的电力和蒸汽，外购电力价格平均为0.71元/kWh，外购蒸汽价格为160元/t，相比之下利用沼气发电自用能为企业节约更多的能源费用。同时，回收发电机缸套水和尾气余热产蒸汽或热水对IC反应器进水进行增温和保温，在夏季通过制冷系统产冷冻水对IC反应器过高温度的进水进行降温，可大幅提高沼气能源利用效率，综合热效率能达到80%左右。因此选择沼气发电和余热回收的方式对沼气加以利用。
1.2.2 沼气发电机选取
结合废水水质、IC反应器工艺参数和类似项目经验，预测该项目IC反应器所产沼气中CH4体积分数为60%~65%，CO2体积分数为32%~35%，H2S体积分数0.3%~0.5%，平均含水率为95%，平均固体颗粒物质浓度为250mg/m。该项目按沼气产量8000m3/d，沼气中的CH4浓度取60%，1标方CH4低位热值为35.9MJ，沼气发电机组热耗率为10.3MJ/kWh左右，则1标方沼气发电量为2kWh左右。可知，所产沼气发电总功率为666kW左右，因此拟选择安装两台400kW沼气发电机组，根据不同时段的产沼气量调整沼气发电机组的运行工况，沼气能源可得到充分利用。
1.2.3 余热利用系统选取
目前，沼气热电联产机组对沼气的利用效率为70%~85%(含余热回收)。沼气总能量的30%~40%的能量转化成电能，35%~40%以余热的形式回收。该企业车间来水温度18~38℃，
IC反应器适宜运行温度35~38℃，即当进水温度低于35℃时需要对其加热以保证IC反应器的废水处理效果。因此，项目需要设置一套余热利用系统回收发电机余热产蒸汽或热水用于IC反应器的增温和保温或者厂区生产生活。沼气发电机排出的高温烟气可用对应的余热锅炉产生饱和蒸汽；同时利用沼气发电机高温缸套水的余热将IC反应器进水加热。回收尾气余热产蒸汽的热能可达沼气总能的15%~20%，回收缸套水余热产热水的热能可达沼气总能的20%。
1.2.4 净化系统选择
IC反应器产生的沼气中CO2和水的存在会降低热值，阻碍燃烧；H2S是有毒气体，且易腐蚀管道及发动机的金属部件产生腐蚀，特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重；固体颗粒的沉积会堵塞管路。因此，需要在发电前对沼气进行净化处理。该项目沼气中硫化氢含量预计为4500~7500mg/m3，采用一级湿式脱硫处理后再串接一级干式脱硫设备的组合脱硫装置，整体设计以脱硫前硫化氢含量为10000mg/m3进行设计，脱硫后硫化氢含量少于50mg/m3。脱硫过程中产生的单质硫呈固态的形式沉淀在单质硫分离器底部，每隔一定时间打开底部的阀门进行回收。沼气脱硫后经由气水分离器、过滤器和沼气压缩机进入沼气发电机组发电。
1.2.5 储气柜选择
IC反应器产生的沼气需要先经过储气柜调节压力后才能进入沼气利用系统。储气柜的作用主要有以下三点：(1)调节并控制IC反应器出口沼气压力，使沼气稳定进入沼气利用系统；(2)对沼气产气量有一定调节能力，使产气速度和用气速度之间保持动态平衡关系；(3)排除冷凝水。沼气在储气柜的停留时间设为0.2h，则储气柜有效容积至少需要66m3，通过选型，气柜尺寸设定为直径5m，高4m。
1.2.6 项目工艺路线
综上分析，项目的工艺示意图见图1。当沼气发电机组及配套系统检修或无法正常工作时，沼气可直接送入火炬或厂区的锅炉掺烧系统。
2、资源综合利用效益分析
废物资源化符合循环经济理论的基本要求，废物资源综合利用是清洁生产工艺的重要措施。利用废纸造纸本身也是变废为宝的有效途径。项目在废纸造纸废水处理、厌氧污泥利用、沼气利用等方面的考虑既符合资源循环再利用的环保理念，又为企业甚至社会带来可观的经济效益，具有重要的现实意义。
2.1 环境效益分析
废纸造纸废水处理后回用于造纸生产，降低了吨纸废水排放量，减少废纸造纸行业环境污染。项目运行后，企业废水总排放口出水水质可降到《制浆造纸工业水污染物排放标准》(GB3544-2008)所要求的限值以下：CODc≤90mg/L，BOD5≤20mg/L，SS≤30mg/L。按日排放废水量6000m3、年生产300d计算，CODC排放量减少7938t，BOD3排放量减少2124t，SS排放量减少5700t；同时，能够解决沼气直排的臭气污染问题，大幅减少H₂S的排放，改善厂区周围环境，改善附近居民生活的环境质量。
项目利用IC厌氧处理工艺产生的沼气发电，变废为宝，余热回收又产生大量可利用的热能，减少了生产对外购电力和蒸汽的需求量。IC厌氧反应器产生的剩余污泥为厌氧颗粒污泥，是沉降性优于活性污泥絮体的自凝聚体。厌氧颗粒污泥不易培养，因而在市场上价格较高，既可作为自身厌氧反应器启动的备用，又可出售而获得一定的经济收益，减少剩余污泥对环境的污染和污泥处理费用。脱硫系统析出的单质硫同样能回收用于工业生产。
应对气候变化、减少温室气体排放成为全球共识。CH4全球变暖潜势为256，即减少1tCH4排放相当于减少25tCO2排放。项目发电系统不仅能销毁CH4，大量减少CH4排放，也能减少因替代化石能源产生电能而带来的温室气体排放，具有双重的减排效应，有利于保护地球环境，减缓全球气候变暖。经估算，项目正常运行后，每年可减少温室气体排放约为2.4万tCO2e。
由此可以看出项目的环境效益十分显著，可解决造纸生产所排污水对周边环境的污染问题，促进企业可持续发展、对改善区域环境和保护地球具有重要意义。
2.2 经济效益分析
项目能否良好运转的关键因素是经济效益，只有在具有一定经济效益的前提之下，才能持续正常运转。在项目的经济效益的界定上，除了沼气用于发电及发电机余热回收用于生产生活所节约的能源费用作为主要的经济收益外，厌氧颗粒污泥出售收益和温室气体减排收益也可作为经济收益来源。对项目经济效益的评价采用财务内部收益率(IRR)和财务净现值分析法(NPV)。
2.2.1 投资估算
项目主要设备费为750万元，其中：(1)IC厌氧反应器及配套设施500万元；(2)400kW沼气发电机组2台及配套设施180万元；(3)沼气脱硫脱水等净化系统装置50万；(4)余热利用装置10万元；(5)火炬及其他配套10万元。安装项目费按设备费的20%估算，共150万元。建筑项目费为20万元。因此，项目建设总投资估算为920万元，可形成固定资产原值920万元。
2.2.2 收益估算
项目收益主要为发电收益和余热回收利用收益，还有出售厌氧颗粒污泥收益和温室气体减排收益。项目年总发电量为480万kWh，除去运行时的自用电量，年可供电量为400万kWh，电价0.71元/kWh，则发电收益为243万元/a；年产蒸汽量为3000t，蒸汽价格为160元/t，则蒸汽收益为48万元/a；年可出售厌氧颗粒污泥600t，售价为600元/t，则出售厌氧颗粒污泥收益为36万元/a；年温室气体减排量为2.4万tCO2e，按10元/tCO2e，则其收益为24万元/a。因此，项目年收益可达351万元/a。
2.2.3 成本估算
项目固定资产折旧年限设定为15年、残值率5%，则固定资产折旧费为58.27万元/a；年维修费率设定为5%，则维修费用为46.0万元/a；日常维护保养、管理需要4人，工资及福利每人每年按5万元计算，则为20万元/a；药剂费用为50.0万元/a。因此，运行费用为116万元/a，总成本费用为174.27万元/a。
2.2.4 其他基本参数
根据业主公司资金安排，项目建设所需资金全部自筹；项目按建设期1年、生产期15年考虑；增值税税率为17%，城市维护建设税及教育费附加分别为7%和5%，企业所得税为25%，项目基准收益率为8%。
2.2.5 经济效益评价
项目生产期年平均利润总额为170万元，增值税为56万元，营业税金及附加为7万元，所得税为42万元，所得税后利润为127万元。根据项目投资现金流量分析，项目税后财务内部收益率(IRR)为18.7%，远大于基准收益率8%。同时，财务净现值(NPV)为632.7万元，静态投资回收期为5年，经济效益显著。
2.3 社会效益分析
项目的建设和运行能为当地人增加就业机会，给政府部门带来一定的财税收入，对当地的经济发展起到促进作用，与周边社会环境相适宜。项目从工艺、设备、产品、原料的消耗等情况的角度看，符合我国的产业政策，符合清洁生产的要求，对我国绿色电力事业有积极地推动作用，有利于能源结构优化，有利于环境保护和资源合理配置，有利于我国经济与社会的可持续发展。按电力折标系数0.305kg标煤/kWh和蒸汽折标系数0.1286t标煤/t蒸汽计算，项目年可节约标煤1605.8t，节能减排效果显著。
3、结论
针对废纸造纸废水的水质特性，项目选取了高效稳定的IC厌氧处理工艺、沼气脱硫净化系统、沼气发电机组、余热利用系统等以满足项目运行要求。项目的实施具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。在废纸造纸废水处理、厌氧颗粒污泥利用、沼气利用等废物资源化方面的考虑不仅符合资源循环再利用的环保理念，也为企业和社会带来可观的经济效益。项目运行后每年可减少CODg排放7938t，减少BOD5排放2124t，减少SS排放5700t；能够解决沼气直排的臭气污染问题，大幅减少H2S的排放，改善厂区周围环境，改善附近居民生活的环境质量；减少剩余污泥对环境的污染和污泥处理费用；年可减少温室气体排放约2.4万tCO2e，年可节约标煤1605.8t，节能减排效果显著。本文可为我国造纸行业废水厌氧处理及资源综合利用项目的实施提供参考。（来源：中国科学院广州能源研究所，中国科学院广州地球化学研究所，中国科学院大学）