造纸工业中污泥的性质及其处理处置技术

杨桂芳苗天博陈葓刘明华（1. 福州大学环境与资源学院， 福建 福州 350108；2. 福建省生物质资源化技术开发基地， 福建 福州 350108）



造纸工业中污泥的性质及其处理处置技术

杨桂芳1,2苗天博1,2陈葓1,2刘明华1,2
（1. 福州大学环境与资源学院， 福建 福州 350108；
2. 福建省生物质资源化技术开发基地， 福建 福州 350108）

摘 要：造纸污泥是一种生物固体。其再生利用是污泥资源化的重要途径，符合循环经济、清洁生产和可持续发展的要求。总结了近年造纸污泥无害处理情况，从生物质化、能源化和资源化三个方面介绍了造纸污泥处理技术研究现状和应用情况，指出扩展造纸污泥利用领域、完善现有处理技术是未来造纸污泥处理研究的发展方向。

关键词：造纸污泥 生物质 综合利用 资源化 再生能源

0　前 言

造纸污泥是制浆造纸过程中产生的大宗固体废弃物。其含水率高、成分复杂、处理难度大。据统计，每生产1 t纸，就会产生含水率65%左右的污泥约700 kg。目前，造纸企业都采取简单填埋、露天堆放或焚烧等方式予以处理。这些方法都不同程度地存在着环境污染严重、资源利用率低等弊端，给行业发展和社会进步带来很大阻碍[1-3]。研究各种造纸污泥的基础特性，根据污泥的成分特征确定合理的处理技术路线，对实现造纸污泥的资源化利用具有重要意义。因此，如何科学有效地解决造纸污泥对环境的污染，实现污泥的减量化、无害化和资源化，是造纸企业和环保工作者关注的热点、焦点。

1　造纸污泥的性质及危害

造纸污泥含水率通常很高，按纤维来源可以分为以下几类[4]：一次污泥，二次污泥，脱墨造纸污泥和混合污泥。造纸污泥含有氮、磷、钾、钙、镁、硅、铜、铁、锌、锰等多种植物营养成分以及大量的纤维素类有机质，有效成分高，无重金属积累，是一种质优价廉的有机肥料资源（见表1），但它同时含有多种病原菌，易腐败发臭[5]。

表1　不同种类制浆造纸污泥的化学组成

它与其他工业废水污泥有明显的区别，主要有以下几方面的危害：

（1）高含水率。污泥的流变性使得填埋体易造成变形和滑坡，增加了填埋场渗滤液处理量，会堵塞渗滤液收集系统和排水管，给填埋场带来了极大的安全隐患，导致管理困难。

（2）盐分污染。造纸污泥的盐分含量较高，作用于土壤中，会明显提高土壤的导电率，破坏养分平衡，抑制植物吸收，而且会对植物根系造成直接伤害，同时离子间的拮抗作用也会加速土壤中有效养分的流失。

（3）病原体的危害。造纸污泥中微生物特别是致病菌含量高，弃置或处理不当，不仅会降低污水处理系统的有效处理能力，而且会对生态环境和人类活动构成严重的威胁。

（4）氮磷等养分的污染。在降雨量较大的地区，雨水的冲刷作用会造纸污泥中的氮、磷等有机物成分进入地表水体，造成水体的富营养化，进而渗入地下水，对地下水体造成污染和破坏。

（5）环境质量的影响。造纸污泥以填埋和农用处理时，如果对其处置不当，很容易滋生蚊蝇、散发恶臭，从而引起周围环境问题，致使环境质量下降。

2　污泥处置的目的

对产量大、成分复杂的污泥进行科学、合理的处理处置，既是评价污水处理状况的重要标准，也是污水处理事业的重要组成部分。污泥处理处置的目的主要有以下3个：

（1）降低造纸污泥的含水率。减小造纸污泥的体积，从而为造纸污泥的输送、消化、脱水等创造条件。

（2）造纸污泥的无害化和稳定化。造纸污泥中含有大量的有机物、病原体等有害物质，如果不进行稳定、无害、处理，必将成为新的污染源，污染水资源和土壤资源。

（3）通过处理改变造纸污泥的某些特性。去除造纸污泥中的有害成分，使其能够满足资源化利用的要求，从而实现造纸污泥的变废为宝和资源化利用。

3　造纸污泥的处理处置方式

目前不同造纸污泥处置对于泥质要求不一（见表2），主要采取卫生填埋、污泥焚烧、污泥热干化、污泥堆肥、海洋倾倒和污泥建材利用等方法进行处理。

表2　不同污泥处置方式对污泥泥质的要求

3.1 卫生填埋

污泥的卫生填埋主要是将污泥经过简单灭菌后填埋在低洼地进行安全填埋处理的一种处置方法。此法的优点是一方面污泥不需要高度脱水的处理，成本较低；另一方面也解决了污泥占用耕地问题，增加了城市建设用地，并且该方法作为一项比较成熟的技术，在欧美等发达国家运用非常广泛。Bjarne等[6]认为，发酵产生的CH4对臭氧层的破坏远大于CO2，更加直接导致气候变暖；并且填埋过程中对污泥的剪切强度要求较髙、占用面积大、运输费用高以及病原体扩散、污染地下水等原因，卫生填埋处置被认为是一种不可持续的处置方法。因此，现在越来越多的国家认识到问题的严重性，坚决反对建立新的填埋场。

3.2 污泥焚烧

污泥的焚烧主要是将污泥通过流化床焚烧炉对污泥进行处置，达到减量化处理，并对污泥中的病原菌、寄生虫卵等物质起到杀灭效果的一种处理方法。污泥的焚烧处置主要有两种手段：其一是将脱水污泥直接焚烧；其二是脱水污泥经过干化或半干化处理后焚烧。但当污泥的水分含量超过39%左右时，需要添加辅助物才能直接将其燃烧。焚烧法的优势在于减少了污泥的质量和体积；可回收热量进行供热或发电；可就地处理，运输距离短；处理速度快等。缺点是在处理过程中会产生大量有害的气体和烟尘，产生的有害气体中NOx、SO2对大气环境造成二次污染，并且烟尘中含有的重金属随风飘落到水体、土壤中，易造成对水体、土壤的重复污染。以上缺点是污泥焚烧技术在我国难以得到推广主要原因之一。

3.3 污泥干化

采用热干化工艺处理脱水污泥进一步降低脱水后污泥的含水率（80%左右）。采用该方法处理后，污泥的含水率可降至20%左右。按热介质和污泥接触方式分可将污泥干化工艺分为以下3种：

（1）直接加热式：将燃烧室产生的热气与污泥直接混合接触，使污泥得以加热，蒸发水分并最终得到干品。

（2）间接加热式：将燃烧炉产生的热气通过蒸汽、导热油等介质传递、加热器壁，使器壁另一侧的湿污泥受热，水分去除。

（3）“直接-间接”联合加热干化：按照设备形式可分为螺旋式、离心式、喷淋式多效蒸发器、流化床、多重盘管式、转鼓式、转盘式、带式、薄膜式等多种形式。但是这些工艺处理存在着能耗大、设备易磨损、危险系数高等缺点[7]。

3.4 污泥堆肥

污泥堆肥是利用污泥中的微生物发酵降解，潮湿的环境下，加入一定量的调理剂和膨松剂（如稻秆、稻草、木屑或生活垃圾等），利用微生物群落对有机物进行氧化分解，将其转化为类腐殖质。造纸污泥中除了大量的细小纤维外，还含有丰富的有机质、钾、氮等养分以及部分中微量元素。王德汉等[8]在造纸污泥中加入调理剂、发酵菌、膨松剂等堆肥转化为产品。BERTRAN等用污泥与葡萄茎进行混合堆肥。实验表明，在湿度为55%、最高堆肥温度65℃、氧气不低于5%~10%（体积分数）条件下，污泥的堆肥效果最佳。伍峰、周少奇等[9]研究了堆肥前后和种植作物前后土壤重金属的5种形态。添加堆肥后土壤的重金属生物有效性会降低，当在添加堆肥的土壤上种植作物后，土壤中重金属的生物有效性将会进一步降低。

3.5 污泥建材利用

董晓峰等[10]用造纸污泥为原料生产轻质的建筑节能砖、人造板或硬制纤维板。这种人造板可用于制作橱柜等家具，也可以作为音箱板、包装板等。由于其制作成本较低，因而具有较强的市场竞争力。陈伟等[11]用废纸造纸污泥为主要原料制备轻质陶粒，可烧制出能同时用于建筑轻集料和生物滤料的陶粒。

建材行业原料需求量非常大，能够就地消纳大量的污泥，对于有机物含量偏低、不宜农用的污泥是一种有效的处理方式。总的来说，污泥的建材利用多项技术己经成熟，其应用前景良好。

3.6 污泥制备活性炭技术

丰富的碳为把造纸污泥制备活性生物炭的创造有利条件。常用的制备路径是对污泥先炭化后活化。国内外对这一资源化利用技术进行了大量的研究[12]。美国依利诺斯工艺技术研究所研发了用造纸污泥生产活性炭材料的工艺，在实践中应用有着良好的效果。污泥制活性炭这种资源化方法越来越受到人们的重视。

3.7 制备人造沸石

《CA》报道：日本静冈每年产生造纸污泥约100万t，研究人员利用添加硅的方法与造纸污泥灰分合成人工沸石。该合成最佳条件为：采用1.75 mol/L Na2SiO3溶液，温度120℃保持2 h的高压，将造纸污泥合成为Nap-1型沸石。与此同时，研究人员还研究了人造沸石的化学和形态特性，为人造沸石的应用奠定了基础。

3.8 海洋倾倒

海洋倾倒操作简单。对于沿江沿海城市来说处理费用很低。但是，随着社会对生态文明和环境意识的加强，越来越多地关注污泥海洋倾倒对海洋生态环境可能造成的影响。中国政府于1994年初接受3项国际协议，承诺于1994年2月20日起不再海上处置污水污泥等工业废弃物。从1998年底，欧共体城市废水处理法令（91/271/EC）已经禁止其成员国向海洋倾倒污泥[13]。

3.9 污泥资源化、能源化利用

（1）生产造纸用填料和涂布颜料。脱墨污泥主要成分是碳酸钙和高岭土，都是无机颜料，纯度提取到一定程度，可以回用作造纸的填料或涂布颜料，这是利用脱墨污泥资源化利用很好途径。英国ECC International公司利用脱墨污泥中的碳酸钙和高岭土在不同的分解温度下彻底燃烧不含炭粒，也不煅烧过头，即形成水泥状煅烧物。

（2）能源化利用。城市污水厂污泥中含有大量的有机物，热值较高，具有较高的能源利用前景。目前，污泥能源化技术可以分为三类：污泥消化制沼气、污泥热解制油和污泥合成燃料。

① 污泥消化制沼气。污泥厌氧消化是在无氧、低氧环境下，利用厌氧菌群的生物作用于有机物，使其液化、气化而分解成稳定物质。经过厌氧消化处理，污泥中的病原体、寄生虫卵被杀死，实现了污泥的减量化和无害化。目前，污泥厌氧消化处理的主要工艺有厌氧接触消化法、高负荷消化池、二相消化法和两级消化法等。厌氧消化与其他稳定化工艺相比较具有诸多优势，使之得以较为广泛的应用。

② 污泥合成燃料。研究表明，由35%污泥、50%坝煤、15%添加剂（含固硫剂）配制的合成燃料，其热效率比坝煤热效率高出14.71%。环保测试结果表明，合成燃料的二氧化硫排放量、林格曼黑度等级均比现煤低。另外，污泥具有粘结性能，可以作为黏结剂用于无烟粉煤加工成型煤，而污泥在高温气化炉内被处理，同时改善了高温下型煤的内部孔结构，提高型煤的气化反应性，降低灰渣中的残炭。

③ 污泥热解制油。污泥低温热解是一种发展中的能量回收型的污泥热化学处理技术。该技术首先是由Bayer E提出的[14]；Campbdl H W[15]评价了该种方法的经济性；Bridle T R[16]研究了该过程的二次污染控制方法；Frost R C[17]评价了热解油的市场应用前景。我国的学者何品晶和欧国荣等也对此技术进行了研究，并讨论了转化过程的机理。从国外的运营经验来看，目前的投资成本与运行维护费用成本均比较高。不过，该技术的环境效益和资源化效益是很可观，该法相比于焚烧处理，效果更好，能量回收率更高，应用前景更广。

④ 生物制氢。由于造纸污泥内有机质含量丰富，因此可将污泥中的有机质通过生物技术和高温热解技术转化成燃料。目前，污泥制氢技术研究情况，见表3。

表3 污泥制氢研究

方法　原理　研究进展生物制氢　利用微生物在常温下进行酶催化反应可制得氢气的原理进行大多数都集中在细胞核酶固定化技术上，如探讨产氢菌种的筛选及包埋剂的选择等高温气化制氢污泥通过热化学方式转化为高品位气体燃气或合成气，再分离出氢气，需加入活性气体和水蒸气英国Newcastle 大学的Midillia采用高温气化污泥的方法来制取氢气，发热量4 MJ·m-3，气体中氢气体积分数为10%~11%超临界气化制氢水温度和压力均高于临界温度（374.3 ℃）和临界压强（22.05 MPa），以超临界水反应作为反应介质与溶解于其中的有机物发生强烈的化学反应生成氢气东京大学Yoshida 设计了3段式连续超临界水气化制氢反应器。日本三菱公司在650℃、25 MPa的条件下反应，混合氢气占60%[18]

（3）制备水处理剂。草浆是我国的主要生产原料，目前对于制浆造纸过程中产生的造纸污泥处理方式较为简单，多为焚烧、填埋，但是有用成分未得到合理开发利用。造纸污泥的主要成分是木质素，其中含有一定数量的酚羟基、醇羟基、羰基和羧基等活性官能团，官能团上氧原子的未共用电子对能与金属离子生成螯合物，金属离子形成配位键，阻止金属离子的沉淀，且可吸附在金属表面保护金属，达到阻垢缓蚀的目的。蒋玲等[19]从造纸污泥中回收木质素，再接枝聚合改性获取木质素季铵盐脱色絮凝剂，脱色效果好、絮凝速度快，具有很大研究价值。

（4）污泥回用于造纸。英国Aylesford新闻纸工厂采用北美技术从废纸脱墨污泥中回收纤维和含碳酸钙和白土的填料，用于造纸，能提高纸张平滑度、光泽度和不透明度。由于废纸造纸废水中含有约50%的纤维，可以将其处理后回用[20]。由于这些纤维较为细小，会直接造成抄造纸的质量下降、造纸机易断头等问题，因此，在回用时最好用于较低车速的造纸机以及抄造档次较低的纸。福建优兰发集团利用污泥中含有部分流失的浆料纤维，再添约20%的废棉绒，将污泥配浆后，经小型圆网纸机制成泥板，同时添加适量湿强剂，增加污泥纸板强度，送入压力烘干机进行高压定型、高温烘干、半成品切边。

4　造纸污泥回收利用存在的问题

虽然人们对造纸污泥的成分分析和回收利用技术做了大量的研究和实践，但造纸污泥存在的成分复杂、来源不稳定、含水率偏高等问题，均制约着对它的规模化回收利用。造纸污泥资源化、能源化利用之前需要进行成分分析、分离、干化处理等步骤，操作复杂，能耗较高，增加了回收利用成本，产品附加值相对较低，技术推广受到限制。

5　结束语

世界上许多国家在大力研究造纸污泥处理处置技术，现代高温污泥热解与污泥油化技术已经在国外应用，但运行成本普遍较高。污泥制氢技术比较前沿，目前还处于探索起步阶段，没有实际的工程经验可借鉴，需要进一步深入研究。超临界水气化制氢技术具有良好的环保优势和应用前景，具有生物质气化与能量高转化率、有机物无害化、产品品位高等优点。污泥制活性炭等吸附材料的开发则具有环保和经济双重效益。目前国内许多研究机构都在积极进行探索，中国林业科学研究院林产化学工业研究所在生物质资源利用研究方面国内颇具影响力；目前也正致力于造纸污泥制备活性炭、热解等生物质利用技术的研究开发。

造纸污泥作为一种新型的生物质资源化利用不仅能够解决污泥处理处置的环境问题，更能产生一定的经济效益，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

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杨桂芳（1986—） 男 在读研究生 研究方向为环境友好材料。邮箱：yangguifang860405@163.com

刘明华，邮箱：mhliu2000@fzu.edu.cn。

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