造紙工業(yè)中污泥的性質(zhì)及其處理處置技術(shù)

楊桂芳苗天博陳葓劉明華（1. 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350108；2. 福建省生物質(zhì)資源化技術(shù)開發(fā)基地， 福建 福州 350108）

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造紙工業(yè)中污泥的性質(zhì)及其處理處置技術(shù)

楊桂芳1,2苗天博1,2陳葓1,2劉明華1,2
（1. 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350108；
2. 福建省生物質(zhì)資源化技術(shù)開發(fā)基地， 福建 福州 350108）

摘 要：造紙污泥是一種生物固體。其再生利用是污泥資源化的重要途徑，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的要求。總結(jié)了近年造紙污泥無害處理情況，從生物質(zhì)化、能源化和資源化三個(gè)方面介紹了造紙污泥處理技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，指出擴(kuò)展造紙污泥利用領(lǐng)域、完善現(xiàn)有處理技術(shù)是未來造紙污泥處理研究的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：造紙污泥 生物質(zhì) 綜合利用 資源化 再生能源

0　前 言

造紙污泥是制漿造紙過程中產(chǎn)生的大宗固體廢棄物。其含水率高、成分復(fù)雜、處理難度大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t紙，就會(huì)產(chǎn)生含水率65%左右的污泥約700 kg。目前，造紙企業(yè)都采取簡(jiǎn)單填埋、露天堆放或焚燒等方式予以處理。這些方法都不同程度地存在著環(huán)境污染嚴(yán)重、資源利用率低等弊端，給行業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步帶來很大阻礙[1-3]。研究各種造紙污泥的基礎(chǔ)特性，根據(jù)污泥的成分特征確定合理的處理技術(shù)路線，對(duì)實(shí)現(xiàn)造紙污泥的資源化利用具有重要意義。因此，如何科學(xué)有效地解決造紙污泥對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無害化和資源化，是造紙企業(yè)和環(huán)保工作者關(guān)注的熱點(diǎn)、焦點(diǎn)。

1　造紙污泥的性質(zhì)及危害

造紙污泥含水率通常很高，按纖維來源可以分為以下幾類[4]：一次污泥，二次污泥，脫墨造紙污泥和混合污泥。造紙污泥含有氮、磷、鉀、鈣、鎂、硅、銅、鐵、鋅、錳等多種植物營養(yǎng)成分以及大量的纖維素類有機(jī)質(zhì)，有效成分高，無重金屬積累，是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的有機(jī)肥料資源（見表1），但它同時(shí)含有多種病原菌，易腐敗發(fā)臭[5]。

表1　不同種類制漿造紙污泥的化學(xué)組成

它與其他工業(yè)廢水污泥有明顯的區(qū)別，主要有以下幾方面的危害：

（1）高含水率。污泥的流變性使得填埋體易造成變形和滑坡，增加了填埋場(chǎng)滲濾液處理量，會(huì)堵塞滲濾液收集系統(tǒng)和排水管，給填埋場(chǎng)帶來了極大的安全隱患，導(dǎo)致管理困難。

（2）鹽分污染。造紙污泥的鹽分含量較高，作用于土壤中，會(huì)明顯提高土壤的導(dǎo)電率，破壞養(yǎng)分平衡，抑制植物吸收，而且會(huì)對(duì)植物根系造成直接傷害，同時(shí)離子間的拮抗作用也會(huì)加速土壤中有效養(yǎng)分的流失。

（3）病原體的危害。造紙污泥中微生物特別是致病菌含量高，棄置或處理不當(dāng)，不僅會(huì)降低污水處理系統(tǒng)的有效處理能力，而且會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

（4）氮磷等養(yǎng)分的污染。在降雨量較大的地區(qū)，雨水的沖刷作用會(huì)造紙污泥中的氮、磷等有機(jī)物成分進(jìn)入地表水體，造成水體的富營養(yǎng)化，進(jìn)而滲入地下水，對(duì)地下水體造成污染和破壞。

（5）環(huán)境質(zhì)量的影響。造紙污泥以填埋和農(nóng)用處理時(shí)，如果對(duì)其處置不當(dāng)，很容易滋生蚊蠅、散發(fā)惡臭，從而引起周圍環(huán)境問題，致使環(huán)境質(zhì)量下降。

2　污泥處置的目的

對(duì)產(chǎn)量大、成分復(fù)雜的污泥進(jìn)行科學(xué)、合理的處理處置，既是評(píng)價(jià)污水處理狀況的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是污水處理事業(yè)的重要組成部分。污泥處理處置的目的主要有以下3個(gè)：

（1）降低造紙污泥的含水率。減小造紙污泥的體積，從而為造紙污泥的輸送、消化、脫水等創(chuàng)造條件。

（2）造紙污泥的無害化和穩(wěn)定化。造紙污泥中含有大量的有機(jī)物、病原體等有害物質(zhì)，如果不進(jìn)行穩(wěn)定、無害、處理，必將成為新的污染源，污染水資源和土壤資源。

（3）通過處理改變?cè)旒埼勰嗟哪承┨匦?。去除造紙污泥中的有害成分，使其能夠滿足資源化利用的要求，從而實(shí)現(xiàn)造紙污泥的變廢為寶和資源化利用。

3　造紙污泥的處理處置方式

目前不同造紙污泥處置對(duì)于泥質(zhì)要求不一（見表2），主要采取衛(wèi)生填埋、污泥焚燒、污泥熱干化、污泥堆肥、海洋傾倒和污泥建材利用等方法進(jìn)行處理。

表2　不同污泥處置方式對(duì)污泥泥質(zhì)的要求

3.1 衛(wèi)生填埋

污泥的衛(wèi)生填埋主要是將污泥經(jīng)過簡(jiǎn)單滅菌后填埋在低洼地進(jìn)行安全填埋處理的一種處置方法。此法的優(yōu)點(diǎn)是一方面污泥不需要高度脫水的處理，成本較低；另一方面也解決了污泥占用耕地問題，增加了城市建設(shè)用地，并且該方法作為一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，在歐美等發(fā)達(dá)國家運(yùn)用非常廣泛。Bjarne等[6]認(rèn)為，發(fā)酵產(chǎn)生的CH4對(duì)臭氧層的破壞遠(yuǎn)大于CO2，更加直接導(dǎo)致氣候變暖；并且填埋過程中對(duì)污泥的剪切強(qiáng)度要求較髙、占用面積大、運(yùn)輸費(fèi)用高以及病原體擴(kuò)散、污染地下水等原因，衛(wèi)生填埋處置被認(rèn)為是一種不可持續(xù)的處置方法。因此，現(xiàn)在越來越多的國家認(rèn)識(shí)到問題的嚴(yán)重性，堅(jiān)決反對(duì)建立新的填埋場(chǎng)。

3.2 污泥焚燒

污泥的焚燒主要是將污泥通過流化床焚燒爐對(duì)污泥進(jìn)行處置，達(dá)到減量化處理，并對(duì)污泥中的病原菌、寄生蟲卵等物質(zhì)起到殺滅效果的一種處理方法。污泥的焚燒處置主要有兩種手段：其一是將脫水污泥直接焚燒；其二是脫水污泥經(jīng)過干化或半干化處理后焚燒。但當(dāng)污泥的水分含量超過39%左右時(shí)，需要添加輔助物才能直接將其燃燒。焚燒法的優(yōu)勢(shì)在于減少了污泥的質(zhì)量和體積；可回收熱量進(jìn)行供熱或發(fā)電；可就地處理，運(yùn)輸距離短；處理速度快等。缺點(diǎn)是在處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量有害的氣體和煙塵，產(chǎn)生的有害氣體中NOx、SO2對(duì)大氣環(huán)境造成二次污染，并且煙塵中含有的重金屬隨風(fēng)飄落到水體、土壤中，易造成對(duì)水體、土壤的重復(fù)污染。以上缺點(diǎn)是污泥焚燒技術(shù)在我國難以得到推廣主要原因之一。

3.3 污泥干化

采用熱干化工藝處理脫水污泥進(jìn)一步降低脫水后污泥的含水率（80%左右）。采用該方法處理后，污泥的含水率可降至20%左右。按熱介質(zhì)和污泥接觸方式分可將污泥干化工藝分為以下3種：

（1）直接加熱式：將燃燒室產(chǎn)生的熱氣與污泥直接混合接觸，使污泥得以加熱，蒸發(fā)水分并最終得到干品。

（2）間接加熱式：將燃燒爐產(chǎn)生的熱氣通過蒸汽、導(dǎo)熱油等介質(zhì)傳遞、加熱器壁，使器壁另一側(cè)的濕污泥受熱，水分去除。

（3）“直接-間接”聯(lián)合加熱干化：按照設(shè)備形式可分為螺旋式、離心式、噴淋式多效蒸發(fā)器、流化床、多重盤管式、轉(zhuǎn)鼓式、轉(zhuǎn)盤式、帶式、薄膜式等多種形式。但是這些工藝處理存在著能耗大、設(shè)備易磨損、危險(xiǎn)系數(shù)高等缺點(diǎn)[7]。

3.4 污泥堆肥

污泥堆肥是利用污泥中的微生物發(fā)酵降解，潮濕的環(huán)境下，加入一定量的調(diào)理劑和膨松劑（如稻稈、稻草、木屑或生活垃圾等），利用微生物群落對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，將其轉(zhuǎn)化為類腐殖質(zhì)。造紙污泥中除了大量的細(xì)小纖維外，還含有豐富的有機(jī)質(zhì)、鉀、氮等養(yǎng)分以及部分中微量元素。王德漢等[8]在造紙污泥中加入調(diào)理劑、發(fā)酵菌、膨松劑等堆肥轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。BERTRAN等用污泥與葡萄莖進(jìn)行混合堆肥。實(shí)驗(yàn)表明，在濕度為55%、最高堆肥溫度65℃、氧氣不低于5%~10%（體積分?jǐn)?shù)）條件下，污泥的堆肥效果最佳。伍峰、周少奇等[9]研究了堆肥前后和種植作物前后土壤重金屬的5種形態(tài)。添加堆肥后土壤的重金屬生物有效性會(huì)降低，當(dāng)在添加堆肥的土壤上種植作物后，土壤中重金屬的生物有效性將會(huì)進(jìn)一步降低。

3.5 污泥建材利用

董曉峰等[10]用造紙污泥為原料生產(chǎn)輕質(zhì)的建筑節(jié)能磚、人造板或硬制纖維板。這種人造板可用于制作櫥柜等家具，也可以作為音箱板、包裝板等。由于其制作成本較低，因而具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。陳偉等[11]用廢紙?jiān)旒埼勰酁橹饕现苽漭p質(zhì)陶粒，可燒制出能同時(shí)用于建筑輕集料和生物濾料的陶粒。

建材行業(yè)原料需求量非常大，能夠就地消納大量的污泥，對(duì)于有機(jī)物含量偏低、不宜農(nóng)用的污泥是一種有效的處理方式?？偟膩碚f，污泥的建材利用多項(xiàng)技術(shù)己經(jīng)成熟，其應(yīng)用前景良好。

3.6 污泥制備活性炭技術(shù)

豐富的碳為把造紙污泥制備活性生物炭的創(chuàng)造有利條件。常用的制備路徑是對(duì)污泥先炭化后活化。國內(nèi)外對(duì)這一資源化利用技術(shù)進(jìn)行了大量的研究[12]。美國依利諾斯工藝技術(shù)研究所研發(fā)了用造紙污泥生產(chǎn)活性炭材料的工藝，在實(shí)踐中應(yīng)用有著良好的效果。污泥制活性炭這種資源化方法越來越受到人們的重視。

3.7 制備人造沸石

《CA》報(bào)道：日本靜岡每年產(chǎn)生造紙污泥約100萬t，研究人員利用添加硅的方法與造紙污泥灰分合成人工沸石。該合成最佳條件為：采用1.75 mol/L Na2SiO3溶液，溫度120℃保持2 h的高壓，將造紙污泥合成為Nap-1型沸石。與此同時(shí)，研究人員還研究了人造沸石的化學(xué)和形態(tài)特性，為人造沸石的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.8 海洋傾倒

海洋傾倒操作簡(jiǎn)單。對(duì)于沿江沿海城市來說處理費(fèi)用很低。但是，隨著社會(huì)對(duì)生態(tài)文明和環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，越來越多地關(guān)注污泥海洋傾倒對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境可能造成的影響。中國政府于1994年初接受3項(xiàng)國際協(xié)議，承諾于1994年2月20日起不再海上處置污水污泥等工業(yè)廢棄物。從1998年底，歐共體城市廢水處理法令（91/271/EC）已經(jīng)禁止其成員國向海洋傾倒污泥[13]。

3.9 污泥資源化、能源化利用

（1）生產(chǎn)造紙用填料和涂布顏料。脫墨污泥主要成分是碳酸鈣和高嶺土，都是無機(jī)顏料，純度提取到一定程度，可以回用作造紙的填料或涂布顏料，這是利用脫墨污泥資源化利用很好途徑。英國ECC International公司利用脫墨污泥中的碳酸鈣和高嶺土在不同的分解溫度下徹底燃燒不含炭粒，也不煅燒過頭，即形成水泥狀煅燒物。

（2）能源化利用。城市污水廠污泥中含有大量的有機(jī)物，熱值較高，具有較高的能源利用前景。目前，污泥能源化技術(shù)可以分為三類：污泥消化制沼氣、污泥熱解制油和污泥合成燃料。

① 污泥消化制沼氣。污泥厭氧消化是在無氧、低氧環(huán)境下，利用厭氧菌群的生物作用于有機(jī)物，使其液化、氣化而分解成穩(wěn)定物質(zhì)。經(jīng)過厭氧消化處理，污泥中的病原體、寄生蟲卵被殺死，實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化和無害化。目前，污泥厭氧消化處理的主要工藝有厭氧接觸消化法、高負(fù)荷消化池、二相消化法和兩級(jí)消化法等。厭氧消化與其他穩(wěn)定化工藝相比較具有諸多優(yōu)勢(shì)，使之得以較為廣泛的應(yīng)用。

② 污泥合成燃料。研究表明，由35%污泥、50%壩煤、15%添加劑（含固硫劑）配制的合成燃料，其熱效率比壩煤熱效率高出14.71%。環(huán)保測(cè)試結(jié)果表明，合成燃料的二氧化硫排放量、林格曼黑度等級(jí)均比現(xiàn)煤低。另外，污泥具有粘結(jié)性能，可以作為黏結(jié)劑用于無煙粉煤加工成型煤，而污泥在高溫氣化爐內(nèi)被處理，同時(shí)改善了高溫下型煤的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高型煤的氣化反應(yīng)性，降低灰渣中的殘?zhí)俊?/p>

③ 污泥熱解制油。污泥低溫?zé)峤馐且环N發(fā)展中的能量回收型的污泥熱化學(xué)處理技術(shù)。該技術(shù)首先是由Bayer E提出的[14]；Campbdl H W[15]評(píng)價(jià)了該種方法的經(jīng)濟(jì)性；Bridle T R[16]研究了該過程的二次污染控制方法；Frost R C[17]評(píng)價(jià)了熱解油的市場(chǎng)應(yīng)用前景。我國的學(xué)者何品晶和歐國榮等也對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了研究，并討論了轉(zhuǎn)化過程的機(jī)理。從國外的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)來看，目前的投資成本與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用成本均比較高。不過，該技術(shù)的環(huán)境效益和資源化效益是很可觀，該法相比于焚燒處理，效果更好，能量回收率更高，應(yīng)用前景更廣。

④ 生物制氫。由于造紙污泥內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量豐富，因此可將污泥中的有機(jī)質(zhì)通過生物技術(shù)和高溫?zé)峤饧夹g(shù)轉(zhuǎn)化成燃料。目前，污泥制氫技術(shù)研究情況，見表3。

表3 污泥制氫研究

方法　原理　研究進(jìn)展生物制氫　利用微生物在常溫下進(jìn)行酶催化反應(yīng)可制得氫氣的原理進(jìn)行大多數(shù)都集中在細(xì)胞核酶固定化技術(shù)上，如探討產(chǎn)氫菌種的篩選及包埋劑的選擇等高溫氣化制氫污泥通過熱化學(xué)方式轉(zhuǎn)化為高品位氣體燃?xì)饣蚝铣蓺?，再分離出氫氣，需加入活性氣體和水蒸氣英國Newcastle 大學(xué)的Midillia采用高溫氣化污泥的方法來制取氫氣，發(fā)熱量4 MJ·m-3，氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)為10%~11%超臨界氣化制氫水溫度和壓力均高于臨界溫度（374.3 ℃）和臨界壓強(qiáng)（22.05 MPa），以超臨界水反應(yīng)作為反應(yīng)介質(zhì)與溶解于其中的有機(jī)物發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)生成氫氣東京大學(xué)Yoshida 設(shè)計(jì)了3段式連續(xù)超臨界水氣化制氫反應(yīng)器。日本三菱公司在650℃、25 MPa的條件下反應(yīng)，混合氫氣占60%[18]

（3）制備水處理劑。草漿是我國的主要生產(chǎn)原料，目前對(duì)于制漿造紙過程中產(chǎn)生的造紙污泥處理方式較為簡(jiǎn)單，多為焚燒、填埋，但是有用成分未得到合理開發(fā)利用。造紙污泥的主要成分是木質(zhì)素，其中含有一定數(shù)量的酚羥基、醇羥基、羰基和羧基等活性官能團(tuán)，官能團(tuán)上氧原子的未共用電子對(duì)能與金屬離子生成螯合物，金屬離子形成配位鍵，阻止金屬離子的沉淀，且可吸附在金屬表面保護(hù)金屬，達(dá)到阻垢緩蝕的目的。蔣玲等[19]從造紙污泥中回收木質(zhì)素，再接枝聚合改性獲取木質(zhì)素季銨鹽脫色絮凝劑，脫色效果好、絮凝速度快，具有很大研究?jī)r(jià)值。

（4）污泥回用于造紙。英國Aylesford新聞紙工廠采用北美技術(shù)從廢紙脫墨污泥中回收纖維和含碳酸鈣和白土的填料，用于造紙，能提高紙張平滑度、光澤度和不透明度。由于廢紙?jiān)旒垙U水中含有約50%的纖維，可以將其處理后回用[20]。由于這些纖維較為細(xì)小，會(huì)直接造成抄造紙的質(zhì)量下降、造紙機(jī)易斷頭等問題，因此，在回用時(shí)最好用于較低車速的造紙機(jī)以及抄造檔次較低的紙。福建優(yōu)蘭發(fā)集團(tuán)利用污泥中含有部分流失的漿料纖維，再添約20%的廢棉絨，將污泥配漿后，經(jīng)小型圓網(wǎng)紙機(jī)制成泥板，同時(shí)添加適量濕強(qiáng)劑，增加污泥紙板強(qiáng)度，送入壓力烘干機(jī)進(jìn)行高壓定型、高溫烘干、半成品切邊。

4　造紙污泥回收利用存在的問題

雖然人們對(duì)造紙污泥的成分分析和回收利用技術(shù)做了大量的研究和實(shí)踐，但造紙污泥存在的成分復(fù)雜、來源不穩(wěn)定、含水率偏高等問題，均制約著對(duì)它的規(guī)?；厥绽?。造紙污泥資源化、能源化利用之前需要進(jìn)行成分分析、分離、干化處理等步驟，操作復(fù)雜，能耗較高，增加了回收利用成本，產(chǎn)品附加值相對(duì)較低，技術(shù)推廣受到限制。

5　結(jié)束語

世界上許多國家在大力研究造紙污泥處理處置技術(shù)，現(xiàn)代高溫污泥熱解與污泥油化技術(shù)已經(jīng)在國外應(yīng)用，但運(yùn)行成本普遍較高。污泥制氫技術(shù)比較前沿，目前還處于探索起步階段，沒有實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，需要進(jìn)一步深入研究。超臨界水氣化制氫技術(shù)具有良好的環(huán)保優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，具有生物質(zhì)氣化與能量高轉(zhuǎn)化率、有機(jī)物無害化、產(chǎn)品品位高等優(yōu)點(diǎn)。污泥制活性炭等吸附材料的開發(fā)則具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)雙重效益。目前國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)都在積極進(jìn)行探索，中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在生物質(zhì)資源利用研究方面國內(nèi)頗具影響力；目前也正致力于造紙污泥制備活性炭、熱解等生物質(zhì)利用技術(shù)的研究開發(fā)。

造紙污泥作為一種新型的生物質(zhì)資源化利用不僅能夠解決污泥處理處置的環(huán)境問題，更能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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楊桂芳（1986—） 男 在讀研究生 研究方向?yàn)榄h(huán)境友好材料。郵箱：yangguifang860405@163.com

劉明華，郵箱：mhliu2000@fzu.edu.cn。

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