Очистка стоков целлюлозно-бумажных производств: снижение ХПК и цветности

Характеристика сточных вод целлюлозно-бумажных производств и природа их загрязнения

Целлюлозно-бумажная промышленность входит в число наиболее водоёмких отраслей. Для выработки одной тонны бумаги предприятию требуется от 100 до 150 тонн воды, и значительная часть этого объёма превращается в сточные воды со сложным многокомпонентным составом. Образование стоков происходит практически на каждом технологическом переделе — при подготовке древесного сырья, варке целлюлозы, промывке и сортировании целлюлозной массы, отбеливании, а также при формовании бумажного листа на бумагоделательной машине. Каждый из этих процессов вносит в сточные воды специфические загрязняющие компоненты, что формирует крайне неоднородный по составу сток, требующий многоступенчатой очистки.

Химический состав стоков во многом определяется способом варки целлюлозы. На российских комбинатах исторически применяются два метода — сульфатный (щелочной) и сульфитный (кислотный). При сульфатном способе стоки имеют щелочную реакцию с pH 8–9 и выше, содержат продукты расщепления лигнина, сульфиды, меркаптаны и другие дурнопахнущие серосодержащие соединения. Сульфитный способ, напротив, даёт кислые стоки с pH 3,5–4,0, в которых доминируют лигносульфоновые кислоты (около половины общего объёма органики), моно- и полисахариды, смолы и белковые соединения. При сульфитном способе производства небелёной целлюлозы ХПК стоков составляет 400–1000 мг/л при БПК порядка 163–380 мг/л, что свидетельствует о значительной доле трудноокисляемой органики.

Особую роль в формировании загрязнения играет лигнин — высокомолекулярный природный полимер, который при химической обработке древесины переходит в растворимые формы и попадает в стоки. Именно лигнин и его производные являются главным источником двух наиболее проблемных показателей для ЦБП — повышенного ХПК и высокой цветности. Цветность стоков целлюлозно-бумажных производств может достигать 400 градусов по хромо-кобальтовой шкале, что кратно превышает допустимые значения для любой категории водоёмов. Хромофорные группы лигнина придают воде характерный тёмно-коричневый оттенок, который практически не устраняется стандартной биологической очисткой.

Ещё одним значимым фактором является способ отбеливания. На предприятиях, использующих хлорный отбел, в стоки попадают хлорорганические соединения — токсичные и устойчивые к биологическому разложению. Присутствие хлорорганики не только увеличивает ХПК, но и делает невозможной организацию замкнутого водооборота, поскольку хлорид натрия и хлорорганические соединения при рециркуляции нарушают технологический процесс. Переход на бесхлорные схемы отбеливания (ECF — с применением диоксида хлора, или TCF — полностью без хлора) существенно меняет картину: стоки становятся менее токсичными, а возможности их повторного использования значительно расширяются.

Наконец, стоит отметить температурную специфику стоков ЦБП. Их температура, как правило, составляет 30–40 °С.  Это требует учёта при проектировании: зимой повышенная температура помогает поддерживать активность ила, летом же возникает риск перегрева аэротенков (выше 35–37°С), что может потребовать установки охлаждающих устройств.

Нормативные требования к качеству сбросов в Российской Федерации

Вопрос нормативного регулирования сбросов сточных вод ЦБП имеет для проектировщиков очистных сооружений первостепенное значение, поскольку именно нормативные требования определяют состав технологической схемы, количество ступеней очистки и выбор конкретного оборудования. Российское законодательство устанавливает различные требования к качеству сбрасываемых вод в зависимости от категории водного объекта — приёмника стоков.

Для водоёмов хозяйственно-питьевого назначения величина ХПК в очищенных сточных водах не должна превышать 15 мг/дм³, а для водоёмов рекреационного значения — 30 мг/дм³ СанПиН 1.2.3685-21 СанПиН 2.1.5.980-00. При сбросе в водоёмы рыбохозяйственного значения нормируются показатели БПК₅ (не более 2,1 мг/дм³) и БПКполн (не более 3,0 мг/дм³). Для ЦБП, располагающих свои производства вблизи крупных рек, которые часто одновременно относятся к рыбохозяйственным объектам, выполнение этих нормативов представляет серьёзную техническую задачу.

Соотношение ХПК и БПК в стоках является ключевым индикатором при выборе метода очистки. Если разница между этими показателями невелика, стоки хорошо поддаются биологической очистке — в них преобладают легкоокисляемые органические соединения. Когда ХПК многократно превышает БПК, это указывает на присутствие трудноокисляемых веществ, не поддающихся биохимическому разложению, — ситуация, типичная именно для стоков ЦБП из-за высокого содержания лигнина. В таких случаях биологическая очистка сама по себе не позволяет достичь нормативных показателей, и необходимо включать в схему физико-химические методы доочистки.

Методика разработки нормативов допустимых сбросов (НДС) для предприятий регулируется Приказом Минприроды России № 1118. Этот документ определяет порядок расчёта индивидуальных нормативов для конкретного водопользователя с учётом фоновых концентраций загрязняющих веществ, категории водного объекта и расположения контрольного створа. Для предприятий ЦБП разработка НДС особенно сложна, поскольку фоновые показатели водоёмов в промышленных регионах зачастую уже превышают установленные нормативы, что требует применения расчётных методов, учитывающих региональную специфику.

Технологические схемы очистки: от механической подготовки до биологической ступени

Принципиальная схема очистки сточных вод целлюлозно-бумажного производства включает последовательные блоки механической, химической и биологической очистки. На практике конкретная конфигурация определяется видом выпускаемой продукции, способом варки, применяемой схемой отбеливания и требованиями к качеству очищенной воды на выходе.

Механическая очистка представляет собой первый и обязательный этап обработки стоков ЦБП. Её назначение — удаление грубодисперсных примесей, в первую очередь волокнистых материалов, которые являются специфической особенностью данной отрасли. Волокна целлюлозы, попадающие в стоки, сорбируют на своей поверхности газы и крупные органические молекулы, что усложняет последующие стадии очистки и может провоцировать пенообразование и развитие слизеобразующих микроорганизмов. Для их улавливания применяются решётки, волокноуловители и песколовки, после чего стоки направляются в первичные отстойники — как правило, радиального типа. На этом этапе из воды удаляется основная масса взвешенных веществ.

После механической предподготовки стоки проходят стадию реагентной обработки. В смесителе-нейтрализаторе корректируется pH среды (обычно подкислением серной кислотой до значения около 8), после чего вода поступает в усреднитель-преаэратор, где в течение нескольких часов происходит отдувка летучих сернистых соединений и выравнивание состава стоков. Коагуляция и флокуляция с применением солей алюминия и полиакриламида позволяют извлечь из воды нерастворённые и коллоидные органические вещества. На картонно-бумажных производствах, где в стоках преобладают волокнистые и диспергированные загрязнения, высокую эффективность демонстрирует флотация — как напорная, так и импеллерная.

Центральным звеном очистной схемы является биологическая ступень, которая реализуется в аэротенках с активным илом. Сточные воды после предварительной подготовки смешиваются с возвратным активным илом и подвергаются аэрации. Микроорганизмы активного ила поглощают и окисляют растворённые органические соединения, обеспечивая основное снижение БПК. В аэротенках-смесителях, куда помимо промышленных стоков могут направляться хозяйственно-бытовые сточные воды города, нагрузка на ил распределяется равномерно, что позволяет обрабатывать сильнозагрязнённые стоки. Иловая смесь из аэротенков поступает во вторичные отстойники, где происходит разделение: осветлённая вода направляется на дальнейшие стадии, осевший активный ил частично рециркулируется в аэротенки, а избыточный ил отводится на обработку.

При проектировании биологических систем очистки для ЦБП предпочтение отдаётся многоступенчатым схемам. На первой ступени очистка идёт в аэротенках-смесителях, обеспечивающих устойчивую работу при колебаниях нагрузки, на второй — в аэротенках-вытеснителях, где достигается более глубокая очистка от остаточных органических загрязнений. Такая двухступенчатая конфигурация позволяет адаптировать биоценоз активного ила к специфике стоков ЦБП и обеспечить стабильное снижение БПК.

Однако биологическая очистка имеет принципиальное ограничение применительно к стокам целлюлозно-бумажных производств. Лигнин и его производные относятся к трудноокисляемым соединениям, которые практически не поддаются биохимическому разложению в стандартных условиях аэротенков. После прохождения биологической ступени стоки по-прежнему могут иметь повышенный ХПК и значительную остаточную цветность, что не позволяет соблюсти нормативы сброса без дополнительной доочистки.

Методы глубокой доочистки: снижение остаточного ХПК и цветности

Когда биологическая ступень исчерпывает свой потенциал, для достижения нормативных показателей необходимо применение физико-химических и окислительных методов доочистки. Выбор конкретных технологий определяется составом остаточных загрязнений и экономическими возможностями предприятия.

Озонирование является одним из наиболее эффективных методов снижения цветности стоков ЦБП. Озон — сильный окислитель, разрушающий хромофорные группы лигнина, которые ответственны за окраску воды. Исследования показывают, что при самостоятельном применении озонирования цветность снижается в среднем на 69%, а при комбинировании с предварительной фильтрацией эффект обесцвечивания достигает 75%. По ХПК озонирование обеспечивает снижение порядка 20–30%, что объясняется частичным окислением растворённой органики. Для сточных вод текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности дозы озона 30–40 мг/л при времени контакта около 30 минут позволяют достичь обесцвечивания свыше 80%. При этом озон не увеличивает объём стоков и осадков, поскольку вводится в газообразном состоянии и после реакции превращается обратно в кислород.

Вместе с тем озонирование имеет ограничения. Существенного снижения ХПК при высоких остаточных концентрациях трудноокисляемой органики добиться одним лишь озоном затруднительно. Кроме того, стоимость озонирования в несколько раз превышает затраты на хлорирование, что требует тщательного технико-экономического обоснования. Перспективным направлением является последовательное применение озонирования и биологической доочистки: озон переводит часть трудноокисляемой органики в формы, доступные для микробиологического разложения, после чего вторая биологическая ступень обеспечивает дополнительное снижение ХПК.

Сорбция на активированном угле применяется для извлечения из стоков остаточных органических микрозагрязнений и хлорорганических соединений. Угольные фильтры эффективно удаляют как растворённые, так и коллоидные формы лигнина, снижая ХПК и цветность воды. Ограничением метода является необходимость периодической регенерации или замены сорбента, что увеличивает эксплуатационные расходы, особенно при высоких концентрациях органики в исходных стоках.

Мембранные технологии находят всё более широкое применение в очистке стоков ЦБП. Ультрафильтрация позволяет задерживать высокомолекулярные фракции лигнина и коллоидные частицы, а нанофильтрация — удалять растворённые органические соединения, обеспечивая одновременное снижение ХПК и цветности. Мембранные установки также позволяют оптимизировать замкнутый водооборот предприятия, сокращая потребление свежей воды. Ключевым вызовом при использовании мембранной фильтрации на стоках ЦБП остаётся проблема фоулинга — засорения мембран волокнистыми и органическими загрязнениями, — что требует грамотного подбора режимов предподготовки и промывки.

На практике наибольшую эффективность демонстрируют комбинированные схемы доочистки. На Сыктывкарском ЛПК в ходе масштабной модернизации (2013–2019 гг.) была внедрена третья ступень очистки на основе дисковых фильтров, дополнившая реконструированные первичные и вторичные отстойники, аэротенки и систему обезвоживания осадка. Практика показывает, что именно многоступенчатый подход, сочетающий физико-химическую реагентную обработку, биологическую очистку и финишную доочистку, позволяет предприятиям ЦБП стабильно выполнять нормативные требования к качеству сбросов.

Опыт модернизации очистных сооружений на российских ЦБК

Очистное оборудование большинства российских целлюлозно-бумажных комбинатов было установлено в 1965–1980-х годах и к настоящему времени требует глубокой модернизации. Масштабные проекты реконструкции, реализованные на ряде предприятий, демонстрируют различные подходы к решению задачи снижения ХПК и цветности.

Крупнейшим проектом последних лет стала модернизация очистных сооружений Сыктывкарского ЛПК — предприятия, которое обслуживает не только собственное производство, но и принимает все хозяйственно-бытовые стоки Сыктывкара. С 2013 по 2018 год в проект было инвестировано около 65 миллионов евро. В ходе реконструкции были обновлены шесть первичных и двенадцать вторичных отстойников, модернизированы шесть из восьми аэротенков и преаэратор второй ступени, построены новые илоуплотнители и станция подачи питательных веществ. Принципиально важным нововведением стала третья ступень очистки на дисковых фильтрах, позволяющая снизить содержание взвешенных веществ до минимальных значений. Кроме того, на предприятии был внедрён онлайн-мониторинг качества стоков на всех стадиях очистки, обеспечивающий оперативное управление процессом в режиме реального времени. В декабре 2025 года на комбинате завершилась модернизация основного водовыпуска — последнего элемента комплекса очистных сооружений.

На Архангельском ЦБК подход к улучшению качества стоков реализован через модернизацию самого производственного процесса. К 2021 году здесь введена в эксплуатацию новая выпарная станция, построенная по технологии наилучших доступных технологий (НДТ). Выпарные станции на целлюлозно-бумажных предприятиях традиционно являются одним из основных источников токсичных сточных вод, сбрасываемых в канализацию. Новая станция АЦБК позволила снизить содержание суммарно восстановленной серы в конденсатах на 97–98%, а трудноразлагаемых загрязнений — на 92%. Такой внутрипроизводственный подход — сокращение загрязнённости стоков на стадии их образования — является одним из наиболее эффективных способов снижения нагрузки на очистные сооружения. По итогам 2024 года АЦБК сократил образование отходов производства на 10,4% по сравнению с предыдущим годом.

Показательным примером является и реконструкция центральных очистных сооружений Архангельска, которые были построены более 50 лет назад для нужд Соломбальского ЦБК и после его ликвидации в 2018 году перешли к муниципалитету. Эти сооружения производительностью 130 тысяч кубометров в сутки нуждались в капитальном ремонте. С 2021 года компания-концессионер ведёт поэтапную реконструкцию: к настоящему времени отремонтированы первичные и вторичные отстойники, следующим этапом запланирована реконструкция аэротенков — ключевого звена биологической очистки.

Отдельного упоминания заслуживает история Байкальского ЦБК, ставшая символом экологических проблем российской целлюлозно-бумажной отрасли. Комбинат, работавший с 1966 года на берегу озера Байкал, использовал хлорное отбеливание, что делало невозможным создание замкнутого водооборота. Попытка перехода на замкнутый цикл в 2008 году завершилась остановкой производства из-за неработоспособности изношенных очистных сооружений. После окончательного закрытия комбината в 2013 году осталось 6,5 миллиона тонн отходов, включая шлам-лигнин в картах-накопителях, ликвидация которых ведётся до сих пор. Этот опыт убедительно показал, что эксплуатация устаревших очистных сооружений при хлорной технологии не только наносит непоправимый экологический ущерб, но и ведёт к накоплению проблем, стоимость решения которых многократно превышает затраты на своевременную модернизацию.

Проектные решения и перспективы

Современная практика проектирования очистных сооружений для предприятий ЦБП строится на принципе комплексного подхода, объединяющего внутрипроизводственные мероприятия по снижению загрязнённости стоков и многоступенчатую внеплощадочную очистку.

Переход на бесхлорные схемы отбеливания остаётся одним из главных приоритетов. На сегодняшний день лишь несколько российских комбинатов полностью отказались от использования элементарного хлора — в их числе Архангельский ЦБК, а также Сыктывкарский ЛПК, внедривший бесхлорную отбелку в рамках модернизации. Отказ от хлора не только снижает токсичность стоков и упрощает задачу очистки, но и открывает техническую возможность для создания замкнутого водооборота. Единственный российский комбинат, полностью реализовавший замкнутый водооборотный цикл, — Селенгинский целлюлозно-картонный комбинат, — работает при условии полного отсутствия хлора в технологическом процессе.

Информационно-технические справочники по наилучшим доступным технологиям становятся основным ориентиром при проектировании новых и реконструкции действующих очистных сооружений. Опыт внедрения НДТ на АЦБК показал, что модернизация выпарных станций в соответствии с принципами НДТ позволяет кардинально сократить поступление токсичных загрязнений в систему очистки стоков, снизить эксплуатационные затраты на внеплощадочную очистку и уменьшить расход энергии на перекачку сточных вод.

Автоматизация и онлайн-мониторинг качества стоков выходят на первый план в управлении очистными сооружениями. Системы непрерывного контроля ХПК, БПК, цветности и содержания взвешенных веществ, внедрённые на Сыктывкарском ЛПК, позволяют оперативно реагировать на изменения состава поступающих стоков, корректировать дозы реагентов и режимы аэрации, предотвращая нарушения нормативов на выходе из очистных сооружений.

Для вновь проектируемых объектов оптимальная технологическая схема включает механическую предподготовку с улавливанием волокна, реагентную обработку для извлечения коллоидной органики, двухступенчатую биологическую очистку в аэротенках, физико-химическую доочистку для удаления высокомолекулярных соединений лигнина и финишную стадию — фильтрацию, озонирование или мембранную обработку в зависимости от требуемой степени очистки и экономических условий. Интеграция внутрипроизводственных мер (замена технологии отбелки, модернизация выпарных станций, оптимизация промывки) с многоступенчатой внеплощадочной очисткой позволяет достигать нормативных показателей по ХПК и цветности при разумных капитальных и эксплуатационных затратах.