造紙污泥處理及其資源化利用技術研究進展

韓 卿 李清林

（陜西科技大學造紙工程學院，陜西西安，710002）

造紙污泥處理及其資源化利用技術研究進展

韓 卿 李清林

（陜西科技大學造紙工程學院，陜西西安，710002）

制漿造紙過程中會產生大量的污泥且含水量很高，對其進行濃縮、脫水、干燥處理，將其減量化，可以減少對后續(xù)處理過程的壓力和對環(huán)境的威脅。處理后的污泥可以被填埋、土地化利用、回收制備各種材料等，顯示出很高的經濟價值。如何進一步減少污泥的含水率是目前研究的重點。

污泥處理 濃縮脫水 干燥焚燒 資源化利用

每年，制漿造紙工業(yè)中會產生相當量的廢水。而這些廢水主要來自制漿過程中黑液濃縮后的剩余液體、蒸發(fā)冷凝器的冷凝水和中段洗滌、篩選、漂白過程中產生的廢水、造紙過程中成型網干燥處脫出的水等。造紙企業(yè)配套的廢水處理流程和工藝與市政污水的處理方法基本相同，但各段工序處理過程中仍會產生大量污泥。對于一個年產上萬噸紙的造紙企業(yè)來說，也就相應地會產生至少600萬m3的污泥 （生產1t紙約產生6.5m310%濃度的稀污泥），給后續(xù)污泥脫水和污泥的最終處置帶來極大的問題。目前，污泥處理費用已經占整個廢水處理工程的基建投資的20%～50%?？梢院敛豢鋸埖卣f污泥處理得好壞直接影響到企業(yè)的環(huán)境效益和經濟利益。故目前污泥的處理也是一項世界公認的難題。國內外眾多專家學者及企業(yè)都在不遺余力地開展相關技術和工藝的研究。

1 污泥的產生與種類

制漿和造紙過程中產生的廢水，先除去較大的雜質與漂浮物，再進一步除去少量的有機物后產生的沉淀物，稱纖維污泥。污水進入二級活性污泥處理系統，經通氧（可以是純氧也可以是空氣）曝氣，耗氧微生物利用廢水中的有機物進行自身繁殖生長、死亡或失去活性的菌膠團在二沉池形成的沉淀絮凝體，稱為活性污泥。當剩余污泥與纖維污泥混合后，借助纖維污泥的助濾作用，混合污泥下一道脫水與濃縮工序的操作變得容易。在脫水過程中會加入特定的絮凝劑（有機物或者無機物）、有機和無機復合絮凝劑等來加大污泥的沉淀性能，使其含水率下降，此過程中產生的污泥叫化學污泥。三種污泥產生的過程見圖1。

圖1 制漿造紙廢水產生的三種污泥來源

2 污泥的特性

污泥的主要成分是水分(99%左右)和有機物，還含有少量的氮化物、磷化物、多環(huán)芳烴、農藥殘留、病原體和重金屬等。一般污泥中的水分可大致分為四種。一為自由水，即顆粒間的空隙水，約占70%，可用濃縮的方法去除；二為毛細管水，約占20%，可用機械方法去除；三為顆粒表面吸附水；四為細胞內部結合水。后兩種水共占10%左右，須用加熱方法去除。污泥難處理就是因為污泥持水性高，表面光滑，性質不穩(wěn)定且密度小。污泥的固形物中主要是有機物，這些有機物可以被微生物利用降解從而減少廢水中的COD、BOD5等污染物的濃度。此外污泥的表面帶負電荷，顆粒彼此之間相互排斥，使整個體系產生穩(wěn)定分散狀態(tài)，加劇了污泥脫水的濃度。

3 污泥的處理

常見污泥處理工藝流程如圖2。從污泥的組成成分和處理流程看，污泥減量有兩個途徑：一是減少有機物的量(消化、焚燒)，二是降低污泥的含水率(濃縮、脫水、干燥、焚燒)。但是從經濟環(huán)保角度來看，后者比前者簡單易行且更有效。

圖2 常見污泥處理流程

3.1 污泥的濃縮

污泥濃縮是指利用機械或物化的方法使污泥增稠，降低污泥的含水率和減少污泥的體積。。污泥濃縮的途徑多樣，主要有重力濃縮法、氣浮濃縮法、離心濃縮法三大類。濃縮工藝的選擇主要取決于產生污泥的污水處理工藝、污泥的性質、污泥量等。此外，還有轉鼓式、帶式機械濃縮方法等，在實際生產中根據造紙廢水的性質和工廠的經濟效益來具體選擇。

3.2 污泥的脫水

如上所述，污泥中所含的自由水的去除較為容易。但是污泥中菌膠團周圍吸附了大量的微生物及其代謝產物(糖類、脂類、有機酸和蛋白質等),這些吸附物在菌膠團的外層形成疏水膜,包裹在有機質疏水膜中的水分稱為菌膠團包含水,這部分水很難去除,且量較大。

污泥通過濃縮后可以達到5%～10%的固體物含量，再通過脫水裝置可達到20%～50%的固含量。脫水工藝主要包括機械脫水和自然脫水，一般機械脫水在實際生產中利用得較多。機械脫水的關鍵是要提供足夠大的壓力來克服過濾介質的阻力，使固體顆粒被截留在介質上。根據過濾介質兩面壓力差來源的不同可將脫水設備分成四類：依靠污泥自身厚度產生的靜壓力來脫水的設備；在過濾介質的一面造成負壓的真空吸濾脫水裝置；對污泥直接加壓把水分擠出的壓濾脫水裝置；制造離心力來達到固液分離的離心脫水裝置。

近年來利用超聲波對污泥進行脫水處理的研究越來越多。超聲波具有較高的能量，能在水中急劇放電，產生高溫和高壓等極端條件，能破壞菌膠團結構,提高污泥的脫水性能。超聲波對污泥的作用受超聲波強度、作用時間和頻率的影響。高強度、短時間的處理效果較好,處理后污泥顆粒粒徑約80μm左右,污泥的脫水性能提高，沉淀性好；經高強度、長時間處理,污泥顆粒粒徑約5μm左右。高頻(＞1000kHz)超聲波的化學效應較強，低頻(＜100kHz)超聲波的物理效應較強，所以低頻的處理效果更好。

3.3 污泥的干化和干燥

干化和干燥都是污泥處理中常用到的技術。干化一般是利用自然能量（太陽能、風能等）將污泥減量化的一種方式。而干燥是在外界作用力的干擾下使污泥的含水量減少的方法。干化主要去除的是污泥中的自由水，而干燥主要去除的是毛細管水、吸附水和顆粒內部水。

干化方法適用于氣候比較干燥，土地有空閑，環(huán)境衛(wèi)生條件允許的廠礦?，F在使用較多的是污泥干化床，其作用機理主要是滲透、溢流和蒸發(fā)等。達到最終的目標固含量需經過一段時間，受外界的干擾較大。在世界范圍內干化處理工藝越來越少。

干燥可以使污泥的含水率降低至10%左右。現在采用較多的是加熱干燥技術，它可以有效地去除細菌和病原體，大幅度減少污泥的體積與質量，且能保持其營養(yǎng)物質，使其可以循環(huán)利用。按熱介質是否與污泥相接觸，可將污泥熱干燥技術分成兩類：直接加熱技術和間接加熱干燥技術。相比于直接加熱法中加熱介質可能污染污泥，間接法省卻了后續(xù)的熱介質與干污泥分離的過程。

3.4 污泥的焚燒

我們知道，污泥中還有一定量的有機物，有機物有可燃性且熱值很高，其熱值可達2000～3500 kcal/kg干物質。近年來因為污泥焚燒處理可以迅速和最大限度地實現減量化，不必考慮病原菌的滅菌處理，既解決了污泥的出路又充分利用了污泥中的能源等因素。焚燒法已經發(fā)展成為污泥處理的主要方向之一。到20世紀末，日本污泥焚燒方法占污泥處理總量的60%以上，歐盟達到20%以上，我國在此領域才剛剛起步。

總地來說，焚燒法的優(yōu)點主要有以下四點：①大大減少了污泥的體積和重量,因而最終需要處理的物質很少，焚燒灰可制成有用的產品；②污泥處理速度快，不需長期儲存；③污泥可就地焚燒，不需長距離運輸；④可以回收能量，用于發(fā)電或供熱。但也有缺點：①污泥中的重金屬會隨著煙塵的擴散而污染空氣，殘留灰燼也富含污染物，再進行填埋也容易造成環(huán)境污染；②污泥必須保證比較低的含水率才能當成燃料，這就要求脫水程度一定要達到某一范圍內；③污泥中的灰分含量也會影響污泥燃燒質量的好壞。

但是并非所有的污泥都可以進行焚燒。污泥中灰分、水分等因素對焚燒的影響都很大。如果污泥中的含水率較高，污泥的發(fā)熱值會下降。而灰分是由造紙廠的生產原料、抄造工藝等客觀因素決定的，基本無法減少其含量。經驗值表明：如果造紙廠的污泥灰分如果高于50%，焚燒起來就有一定的困難，并且還可能引起蒸發(fā)器結構以及某些化學物質在系統內積累，給操作與設備維護帶來困難。

4 污泥的資源化處置

4.1 污泥填埋

在相當長的一段時期內，大部分國家均采用填埋的方式處理各種類型的污泥。雖然污泥進行衛(wèi)生填埋具有投資少、容量大、見效快，實用性強的優(yōu)點，但由于污泥填埋對污泥的土力學性質要求較高，需要大面積的場地和大量的運輸費用，地基需作防滲處理以免污染地下水等。填埋并不能最終避免環(huán)境污染，而只是延緩了污染的時間和程度。近幾年美國大部分的污泥填埋場已被關閉，歐盟也規(guī)定填埋必須和焚燒相結合，只有焚燒灰才能被填埋。我國政府也將在十二五規(guī)劃中限制并進一步取締造紙污泥的填埋處理。

4.2 污泥的土地化利用

造紙污泥含有大量的纖維素類有機質和氮、磷、鉀、鈣等多種植物生長所需的無機營養(yǎng)成分，是一種質優(yōu)價廉的有機肥料。污泥土地化利用的成功案例已經很多。例如英國Bridewater造紙公司早在20世紀90年初已完成了脫墨污泥作為改良土壤組織結構、提高土壤pH值的研究工作。移植蚯蚓后，蚯蚓繁殖很快，這就證明脫墨污泥對蚯蚓無毒害。美國Jefferson Smurfit Corporation公司將造紙污泥送至公司的松樹種植場，作為土壤營養(yǎng)增加劑。研究表明，如每年為每畝種植園提供27 t濕污泥，可以大大提高樹葉中的營養(yǎng)成分含量。我國的李慧菊等也進行了“造紙廢泥”田間試驗分析，結果表明造紙“廢泥”中含有較高的有機質和植物需要的營養(yǎng)元素，對植物生長無毒，也不會對生態(tài)環(huán)境造污染，是一種理想的有機肥源。

4.3 污泥焚燒后的資源化利用

造紙污泥焚燒后產生的殘留物可以用來制備各種材料，見圖4。

圖4 造紙污泥焚燒后資源化利用

日本某公司研制成功了用造紙污泥灰合成沸石。合成人工沸石的最佳條件為：采用1.75mol/L的Na2SO3溶液，在溫度120℃保持2h的高壓，將造紙污泥灰分合成為NAP-1型沸石。上海挪亞環(huán)境資源開發(fā)有限公司利用造紙脫墨污泥，制備出了復合填充劑。該技術以造紙廢水污泥為原料，經過氯酸鈉殺菌和表面改性處理后，采用分級干燥、粉碎、再分級、調質處理等工藝，將造紙污泥加工改性成一種新型而具有獨特功能和多種用途的復合填充劑。美國威斯康星州Minergy集團研制出利用造紙污泥生產優(yōu)良的玻璃材料。此材料可用作噴砂砂粒、屋頂木瓦材料以及瀝青鋪路等。

除此之外，造紙污泥還可回收用作生產原料，如將干度為50%的污泥送進水泥廠的轉窯中來生產優(yōu)質水泥；脫墨污泥制高質量建筑板材等，產品可直接用于建筑和裝修行業(yè)。使用造紙廢泥(白泥或脫墨污泥)作為填充劑代替碳酸鈣，可以制造氯化聚乙烯防水卷材；造紙污泥在電力部門被用來發(fā)電。而且造紙污泥具有比較好的吸附性和調節(jié)pH值的功能，可以用來改造鹽堿地。

4.4 污泥的其他資源化利用

此外，利用脫墨污泥制備瀝青復合改性劑，減少瀝青從石料上剝落，節(jié)省瀝青的用量；利用生物技術將脫墨污泥中的纖維轉化為酒精；將污泥熱轉化為有價值的膠合物等。目前，也有研究者報道水解剩余污泥提取蛋白質的技術，但是研究領域僅局限于生活污泥的水解，如果能水解造紙污泥提取蛋白質，既可以實現廢棄物的利用，同時也為蛋白質尋找到一個新的來源。這些新技術都有待于進一步深入研究。

5 結語

造紙污泥脫水性能的研究是一個熱點也是一個難點。污泥的固含量每增加一個百分比就會給制漿造紙廠帶來很大的經濟效益，也將大大緩解對環(huán)境的壓力。但是就目前脫水性能的研究而言，還僅僅限于用機械法強制脫水，動力消耗大，往往效果并不明顯。以后一段時間，科研人員的工作重點將是盡量在脫水之前進行更有效的預處理方法的研究，以減少機械脫水時的難度。同時，污泥的資源化利用中傳統方法所占的比例越來越少，以造紙污泥為原材料制備新型材料將越來越被人們重視。

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2011－3－2

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