造紙工業中污泥的性質及其處理處置技術

楊桂芳苗天博陳葓劉明華（1. 福州大學環境與資源學院， 福建 福州 350108；2. 福建省生物質資源化技術開發基地， 福建 福州 350108）

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造紙工業中污泥的性質及其處理處置技術

楊桂芳1,2苗天博1,2陳葓1,2劉明華1,2
（1. 福州大學環境與資源學院， 福建 福州 350108；
2. 福建省生物質資源化技術開發基地， 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，符合循環經濟、清潔生產和可持續發展的要求?？偨Y了近年造紙污泥無害處理情況，從生物質化、能源化和資源化三個方面介紹了造紙污泥處理技術研究現狀和應用情況，指出擴展造紙污泥利用領域、完善現有處理技術是未來造紙污泥處理研究的發展方向。

關鍵詞：造紙污泥 生物質 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生的大宗固體廢棄物。其含水率高、成分復雜、處理難度大。據統計，每生產1 t紙，就會產生含水率65%左右的污泥約700 kg。目前，造紙企業都采取簡單填埋、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境污染嚴重、資源利用率低等弊端，給行業發展和社會進步帶來很大阻礙[1-3]。研究各種造紙污泥的基礎特性，根據污泥的成分特征確定合理的處理技術路線，對實現造紙污泥的資源化利用具有重要意義。因此，如何科學有效地解決造紙污泥對環境的污染，實現污泥的減量化、無害化和資源化，是造紙企業和環保工作者關注的熱點、焦點。

1　造紙污泥的性質及危害

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、錳等多種植物營養成分以及大量的纖維素類有機質，有效成分高，無重金屬積累，是一種質優價廉的有機肥料資源（見表1），但它同時含有多種病原菌，易腐敗發臭[5]。

表1　不同種類制漿造紙污泥的化學組成

它與其他工業廢水污泥有明顯的區別，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，增加了填埋場滲濾液處理量，會堵塞滲濾液收集系統和排水管，給填埋場帶來了極大的安全隱患，導致管理困難。

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

（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，不僅會降低污水處理系統的有效處理能力，而且會對生態環境和人類活動構成嚴重的威脅。

（4）氮磷等養分的污染。在降雨量較大的地區，雨水的沖刷作用會造紙污泥中的氮、磷等有機物成分進入地表水體，造成水體的富營養化，進而滲入地下水，對地下水體造成污染和破壞。

（5）環境質量的影響。造紙污泥以填埋和農用處理時，如果對其處置不當，很容易滋生蚊蠅、散發惡臭，從而引起周圍環境問題，致使環境質量下降。

2　污泥處置的目的

對產量大、成分復雜的污泥進行科學、合理的處理處置，既是評價污水處理狀況的重要標準，也是污水處理事業的重要組成部分。污泥處理處置的目的主要有以下3個：

（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、脫水等創造條件。

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

（3）通過處理改變造紙污泥的某些特性。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，從而實現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于泥質要求不一（見表2），主要采取衛生填埋、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行處理。

表2　不同污泥處置方式對污泥泥質的要求

3.1 衛生填埋

污泥的衛生填埋主要是將污泥經過簡單滅菌后填埋在低洼地進行安全填埋處理的一種處置方法。此法的優點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，增加了城市建設用地，并且該方法作為一項比較成熟的技術，在歐美等發達國家運用非常廣泛。Bjarne等[6]認為，發酵產生的CH4對臭氧層的破壞遠大于CO2，更加直接導致氣候變暖；并且填埋過程中對污泥的剪切強度要求較髙、占用面積大、運輸費用高以及病原體擴散、污染地下水等原因，衛生填埋處置被認為是一種不可持續的處置方法。因此，現在越來越多的國家認識到問題的嚴重性，堅決反對建立新的填埋場。

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污泥進行處置，達到減量化處理，并對污泥中的病原菌、寄生蟲卵等物質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；其二是脫水污泥經過干化或半干化處理后焚燒。但當污泥的水分含量超過39%左右時，需要添加輔助物才能直接將其燃燒。焚燒法的優勢在于減少了污泥的質量和體積；可回收熱量進行供熱或發電；可就地處理，運輸距離短；處理速度快等。缺點是在處理過程中會產生大量有害的氣體和煙塵，產生的有害氣體中NOx、SO2對大氣環境造成二次污染，并且煙塵中含有的重金屬隨風飄落到水體、土壤中，易造成對水體、土壤的重復污染。以上缺點是污泥焚燒技術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：將燃燒室產生的熱氣與污泥直接混合接觸，使污泥得以加熱，蒸發水分并最終得到干品。

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

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

3.4 污泥堆肥

污泥堆肥是利用污泥中的微生物發酵降解，潮濕的環境下，加入一定量的調理劑和膨松劑（如稻稈、稻草、木屑或生活垃圾等），利用微生物群落對有機物進行氧化分解，將其轉化為類腐殖質。造紙污泥中除了大量的細小纖維外，還含有豐富的有機質、鉀、氮等養分以及部分中微量元素。王德漢等[8]在造紙污泥中加入調理劑、發酵菌、膨松劑等堆肥轉化為產品。BERTRAN等用污泥與葡萄莖進行混合堆肥。實驗表明，在濕度為55%、最高堆肥溫度65℃、氧氣不低于5%~10%（體積分數）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。添加堆肥后土壤的重金屬生物有效性會降低，當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進一步降低。

3.5 污泥建材利用

董曉峰等[10]用造紙污泥為原料生產輕質的建筑節能磚、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，因而具有較強的市場競爭力。陳偉等[11]用廢紙造紙污泥為主要原料制備輕質陶粒，可燒制出能同時用于建筑輕集料和生物濾料的陶粒。

建材行業原料需求量非常大，能夠就地消納大量的污泥，對于有機物含量偏低、不宜農用的污泥是一種有效的處理方式。總的來說，污泥的建材利用多項技術己經成熟，其應用前景良好。

3.6 污泥制備活性炭技術

豐富的碳為把造紙污泥制備活性生物炭的創造有利條件。常用的制備路徑是對污泥先炭化后活化。國內外對這一資源化利用技術進行了大量的研究[12]。美國依利諾斯工藝技術研究所研發了用造紙污泥生產活性炭材料的工藝，在實踐中應用有著良好的效果。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》報道：日本靜岡每年產生造紙污泥約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，研究人員還研究了人造沸石的化學和形態特性，為人造沸石的應用奠定了基礎。

3.8 海洋傾倒

海洋傾倒操作簡單。對于沿江沿海城市來說處理費用很低。但是，隨著社會對生態文明和環境意識的加強，越來越多地關注污泥海洋傾倒對海洋生態環境可能造成的影響。中國政府于1994年初接受3項國際協議，承諾于1994年2月20日起不再海上處置污水污泥等工業廢棄物。從1998年底，歐共體城市廢水處理法令（91/271/EC）已經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、低氧環境下，利用厭氧菌群的生物作用于有機物，使其液化、氣化而分解成穩定物質。經過厭氧消化處理，污泥中的病原體、寄生蟲卵被殺死，實現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、高負荷消化池、二相消化法和兩級消化法等。厭氧消化與其他穩定化工藝相比較具有諸多優勢，使之得以較為廣泛的應用。

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%。環保測試結果表明，合成燃料的二氧化硫排放量、林格曼黑度等級均比現煤低。另外，污泥具有粘結性能，可以作為黏結劑用于無煙粉煤加工成型煤，而污泥在高溫氣化爐內被處理，同時改善了高溫下型煤的內部孔結構，提高型煤的氣化反應性，降低灰渣中的殘炭。

③ 污泥熱解制油。污泥低溫熱解是一種發展中的能量回收型的污泥熱化學處理技術。該技術首先是由Bayer E提出的[14]；Campbdl H W[15]評價了該種方法的經濟性；Bridle T R[16]研究了該過程的二次污染控制方法；Frost R C[17]評價了熱解油的市場應用前景。我國的學者何品晶和歐國榮等也對此技術進行了研究，并討論了轉化過程的機理。從國外的運營經驗來看，目前的投資成本與運行維護費用成本均比較高。不過，該技術的環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，應用前景更廣。

④ 生物制氫。由于造紙污泥內有機質含量豐富，因此可將污泥中的有機質通過生物技術和高溫熱解技術轉化成燃料。目前，污泥制氫技術研究情況，見表3。

表3 污泥制氫研究

方法　原理　研究進展生物制氫　利用微生物在常溫下進行酶催化反應可制得氫氣的原理進行大多數都集中在細胞核酶固定化技術上，如探討產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方式轉化為高品位氣體燃氣或合成氣，再分離出氫氣，需加入活性氣體和水蒸氣英國Newcastle 大學的Midillia采用高溫氣化污泥的方法來制取氫氣，發熱量4 MJ·m-3，氣體中氫氣體積分數為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（22.05 MPa），以超臨界水反應作為反應介質與溶解于其中的有機物發生強烈的化學反應生成氫氣東京大學Yoshida 設計了3段式連續超臨界水氣化制氫反應器。日本三菱公司在650℃、25 MPa的條件下反應，混合氫氣占60%[18]

（3）制備水處理劑。草漿是我國的主要生產原料，目前對于制漿造紙過程中產生的造紙污泥處理方式較為簡單，多為焚燒、填埋，但是有用成分未得到合理開發利用。造紙污泥的主要成分是木質素，其中含有一定數量的酚羥基、醇羥基、羰基和羧基等活性官能團，官能團上氧原子的未共用電子對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金屬，達到阻垢緩蝕的目的。蔣玲等[19]從造紙污泥中回收木質素，再接枝聚合改性獲取木質素季銨鹽脫色絮凝劑，脫色效果好、絮凝速度快，具有很大研究價值。

（4）污泥回用于造紙。英國Aylesford新聞紙工廠采用北美技術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。由于廢紙造紙廢水中含有約50%的纖維，可以將其處理后回用[20]。由于這些纖維較為細小，會直接造成抄造紙的質量下降、造紙機易斷頭等問題，因此，在回用時最好用于較低車速的造紙機以及抄造檔次較低的紙。福建優蘭發集團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，經小型圓網紙機制成泥板，同時添加適量濕強劑，增加污泥紙板強度，送入壓力烘干機進行高壓定型、高溫烘干、半成品切邊。

4　造紙污泥回收利用存在的問題

雖然人們對造紙污泥的成分分析和回收利用技術做了大量的研究和實踐，但造紙污泥存在的成分復雜、來源不穩定、含水率偏高等問題，均制約著對它的規?；厥绽?。造紙污泥資源化、能源化利用之前需要進行成分分析、分離、干化處理等步驟，操作復雜，能耗較高，增加了回收利用成本，產品附加值相對較低，技術推廣受到限制。

5　結束語

世界上許多國家在大力研究造紙污泥處理處置技術，現代高溫污泥熱解與污泥油化技術已經在國外應用，但運行成本普遍較高。污泥制氫技術比較前沿，目前還處于探索起步階段，沒有實際的工程經驗可借鑒，需要進一步深入研究。超臨界水氣化制氫技術具有良好的環保優勢和應用前景，具有生物質氣化與能量高轉化率、有機物無害化、產品品位高等優點。污泥制活性炭等吸附材料的開發則具有環保和經濟雙重效益。目前國內許多研究機構都在積極進行探索，中國林業科學研究院林產化學工業研究所在生物質資源利用研究方面國內頗具影響力；目前也正致力于造紙污泥制備活性炭、熱解等生物質利用技術的研究開發。

造紙污泥作為一種新型的生物質資源化利用不僅能夠解決污泥處理處置的環境問題，更能產生一定的經濟效益，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。

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楊桂芳（1986—） 男 在讀研究生 研究方向為環境友好材料。郵箱：yangguifang860405@163.com

劉明華，郵箱：mhliu2000@fzu.edu.cn。

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