韓 卿 李清林

（陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院，陜西西安，710002）

造紙污泥處理及其資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展

韓 卿 李清林

（陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院，陜西西安，710002）

制漿造紙過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污泥且含水量很高，對(duì)其進(jìn)行濃縮、脫水、干燥處理，將其減量化，可以減少對(duì)后續(xù)處理過程的壓力和對(duì)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(jīng)濟(jì)價(jià)值。如何進(jìn)一步減少污泥的含水率是目前研究的重點(diǎn)。

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(huì)產(chǎn)生相當(dāng)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(chǎn)生的廢水、造紙過程中成型網(wǎng)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(huì)產(chǎn)生大量污泥。對(duì)于一個(gè)年產(chǎn)上萬噸紙的造紙企業(yè)來說，也就相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生至少600萬m3的污泥 （生產(chǎn)1t紙約產(chǎn)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(fèi)用已經(jīng)占整個(gè)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(jīng)濟(jì)利益。故目前污泥的處理也是一項(xiàng)世界公認(rèn)的難題。國內(nèi)外眾多專家學(xué)者及企業(yè)都在不遺余力地開展相關(guān)技術(shù)和工藝的研究。

1 污泥的產(chǎn)生與種類

制漿和造紙過程中產(chǎn)生的廢水，先除去較大的雜質(zhì)與漂浮物，再進(jìn)一步除去少量的有機(jī)物后產(chǎn)生的沉淀物，稱纖維污泥。污水進(jìn)入二級(jí)活性污泥處理系統(tǒng)，經(jīng)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(jī)物進(jìn)行自身繁殖生長、死亡或失去活性的菌膠團(tuán)在二沉池形成的沉淀絮凝體，稱為活性污泥。當(dāng)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(huì)加入特定的絮凝劑（有機(jī)物或者無機(jī)物）、有機(jī)和無機(jī)復(fù)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(chǎn)生的污泥叫化學(xué)污泥。三種污泥產(chǎn)生的過程見圖1。

圖1 制漿造紙廢水產(chǎn)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(jī)物，還含有少量的氮化物、磷化物、多環(huán)芳烴、農(nóng)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(xì)管水，約占20%，可用機(jī)械方法去除；三為顆粒表面吸附水；四為細(xì)胞內(nèi)部結(jié)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?yàn)槲勰喑炙愿?，表面光滑，性質(zhì)不穩(wěn)定且密度小。污泥的固形物中主要是有機(jī)物，這些有機(jī)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(fù)電荷，顆粒彼此之間相互排斥，使整個(gè)體系產(chǎn)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(gè)途徑：一是減少有機(jī)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(jīng)濟(jì)環(huán)保角度來看，后者比前者簡(jiǎn)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(jī)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(chǎn)生污泥的污水處理工藝、污泥的性質(zhì)、污泥量等。此外，還有轉(zhuǎn)鼓式、帶式機(jī)械濃縮方法等，在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)造紙廢水的性質(zhì)和工廠的經(jīng)濟(jì)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(tuán)周圍吸附了大量的微生物及其代謝產(chǎn)物(糖類、脂類、有機(jī)酸和蛋白質(zhì)等),這些吸附物在菌膠團(tuán)的外層形成疏水膜,包裹在有機(jī)質(zhì)疏水膜中的水分稱為菌膠團(tuán)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(dá)到5%～10%的固體物含量，再通過脫水裝置可達(dá)到20%～50%的固含量。脫水工藝主要包括機(jī)械脫水和自然脫水，一般機(jī)械脫水在實(shí)際生產(chǎn)中利用得較多。機(jī)械脫水的關(guān)鍵是要提供足夠大的壓力來克服過濾介質(zhì)的阻力，使固體顆粒被截留在介質(zhì)上。根據(jù)過濾介質(zhì)兩面壓力差來源的不同可將脫水設(shè)備分成四類：依靠污泥自身厚度產(chǎn)生的靜壓力來脫水的設(shè)備；在過濾介質(zhì)的一面造成負(fù)壓的真空吸濾脫水裝置；對(duì)污泥直接加壓把水分?jǐn)D出的壓濾脫水裝置；制造離心力來達(dá)到固液分離的離心脫水裝置。

近年來利用超聲波對(duì)污泥進(jìn)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(chǎn)生高溫和高壓等極端條件，能破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu),提高污泥的脫水性能。超聲波對(duì)污泥的作用受超聲波強(qiáng)度、作用時(shí)間和頻率的影響。高強(qiáng)度、短時(shí)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(jīng)高強(qiáng)度、長時(shí)間處理,污泥顆粒粒徑約5μm左右。高頻(＞1000kHz)超聲波的化學(xué)效應(yīng)較強(qiáng)，低頻(＜100kHz)超聲波的物理效應(yīng)較強(qiáng)，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(shù)。干化一般是利用自然能量（太陽能、風(fēng)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(xì)管水、吸附水和顆粒內(nèi)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(xiàn)在使用較多的是污泥干化床，其作用機(jī)理主要是滲透、溢流和蒸發(fā)等。達(dá)到最終的目標(biāo)固含量需經(jīng)過一段時(shí)間，受外界的干擾較大。在世界范圍內(nèi)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?，F(xiàn)在采用較多的是加熱干燥技術(shù)，它可以有效地去除細(xì)菌和病原體，大幅度減少污泥的體積與質(zhì)量，且能保持其營養(yǎng)物質(zhì)，使其可以循環(huán)利用。按熱介質(zhì)是否與污泥相接觸，可將污泥熱干燥技術(shù)分成兩類：直接加熱技術(shù)和間接加熱干燥技術(shù)。相比于直接加熱法中加熱介質(zhì)可能污染污泥，間接法省卻了后續(xù)的熱介質(zhì)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(jī)物，有機(jī)物有可燃性且熱值很高，其熱值可達(dá)2000～3500 kcal/kg干物質(zhì)。近年來因?yàn)槲勰喾贌幚砜梢匝杆俸妥畲笙薅鹊貙?shí)現(xiàn)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(jīng)發(fā)展成為污泥處理的主要方向之一。到20世紀(jì)末，日本污泥焚燒方法占污泥處理總量的60%以上，歐盟達(dá)到20%以上，我國在此領(lǐng)域才剛剛起步。

總地來說，焚燒法的優(yōu)點(diǎn)主要有以下四點(diǎn)：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(zhì)很少，焚燒灰可制成有用的產(chǎn)品；②污泥處理速度快，不需長期儲(chǔ)存；③污泥可就地焚燒，不需長距離運(yùn)輸；④可以回收能量，用于發(fā)電或供熱。但也有缺點(diǎn)：①污泥中的重金屬會(huì)隨著煙塵的擴(kuò)散而污染空氣，殘留灰燼也富含污染物，再進(jìn)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(dāng)成燃料，這就要求脫水程度一定要達(dá)到某一范圍內(nèi)；③污泥中的灰分含量也會(huì)影響污泥燃燒質(zhì)量的好壞。

但是并非所有的污泥都可以進(jìn)行焚燒。污泥中灰分、水分等因素對(duì)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(huì)下降。而灰分是由造紙廠的生產(chǎn)原料、抄造工藝等客觀因素決定的，基本無法減少其含量。經(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)以及某些化學(xué)物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)積累，給操作與設(shè)備維護(hù)帶來困難。

4 污泥的資源化處置

4.1 污泥填埋

在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，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(jìn)行衛(wèi)生填埋具有投資少、容量大、見效快，實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但由于污泥填埋對(duì)污泥的土力學(xué)性質(zhì)要求較高，需要大面積的場(chǎng)地和大量的運(yùn)輸費(fèi)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(shí)間和程度。近幾年美國大部分的污泥填埋場(chǎng)已被關(guān)閉，歐盟也規(guī)定填埋必須和焚燒相結(jié)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(jìn)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(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀、鈣等多種植物生長所需的無機(jī)營養(yǎng)成分，是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的有機(jī)肥料。污泥土地化利用的成功案例已經(jīng)很多。例如英國Bridewater造紙公司早在20世紀(jì)90年初已完成了脫墨污泥作為改良土壤組織結(jié)構(gòu)、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(duì)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(chǎng)，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(jìn)行了“造紙廢泥”田間試驗(yàn)分析，結(jié)果表明造紙“廢泥”中含有較高的有機(jī)質(zhì)和植物需要的營養(yǎng)元素，對(duì)植物生長無毒，也不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造污染，是一種理想的有機(jī)肥源。

4.3 污泥焚燒后的資源化利用

造紙污泥焚燒后產(chǎn)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(fù)合填充劑。該技術(shù)以造紙廢水污泥為原料，經(jīng)過氯酸鈉殺菌和表面改性處理后，采用分級(jí)干燥、粉碎、再分級(jí)、調(diào)質(zhì)處理等工藝，將造紙污泥加工改性成一種新型而具有獨(dú)特功能和多種用途的復(fù)合填充劑。美國威斯康星州Minergy集團(tuán)研制出利用造紙污泥生產(chǎn)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(chǎn)原料，如將干度為50%的污泥送進(jìn)水泥廠的轉(zhuǎn)窯中來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥；脫墨污泥制高質(zhì)量建筑板材等，產(chǎn)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(diào)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(fù)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(shù)將脫墨污泥中的纖維轉(zhuǎn)化為酒精；將污泥熱轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的膠合物等。目前，也有研究者報(bào)道水解剩余污泥提取蛋白質(zhì)的技術(shù)，但是研究領(lǐng)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(zhì)，既可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的利用，同時(shí)也為蛋白質(zhì)尋找到一個(gè)新的來源。這些新技術(shù)都有待于進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)語

造紙污泥脫水性能的研究是一個(gè)熱點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)。污泥的固含量每增加一個(gè)百分比就會(huì)給制漿造紙廠帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益，也將大大緩解對(duì)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(jī)械法強(qiáng)制脫水，動(dòng)力消耗大，往往效果并不明顯。以后一段時(shí)間，科研人員的工作重點(diǎn)將是盡量在脫水之前進(jìn)行更有效的預(yù)處理方法的研究，以減少機(jī)械脫水時(shí)的難度。同時(shí)，污泥的資源化利用中傳統(tǒng)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。

[1]李永，朱海，許翠英等.造紙污泥處理及資源化應(yīng)用技術(shù)[J].中國造紙，2008,27（11）：59-62

[2]張淑玲，柳桐，王磊.造紙污泥資源化利用[J].天津造紙，2009,3:14-16

[3]沈清江，秦夢(mèng)華，徐清華等.造紙污泥的回收利用[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2006,25（2）：54-56

[4]張?zhí)帐|.制漿廢水污泥的特性與處理[J].紙與造紙，2003,4：63-65

[5]曾庭華，嚴(yán)建華，蔣旭光等.造紙污泥的流化床焚燒技術(shù)研究 [J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），1999，33（3）：254-256

[6]王楠，李悅.青島市剩余污泥處理現(xiàn)狀分析及資源化利用[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2010,35（2）：84

[7]張揚(yáng)，劉秉鉞，趙長明.造紙污泥脫水與污泥焚燒處理技術(shù)[J].黑龍江造紙，2009,2:53-55

[8]鄧文義，嚴(yán)建華，李曉東.造紙污泥干化及焚燒系統(tǒng)污染物排放特性 [J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008，14（6）：546

[9]王松林.污泥沉降和濃縮實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008,31（2）：98-99

[10]劉賢淼，費(fèi)本化，江澤慧.竹漿造紙污泥的特性及資源化利用[J].中國造紙學(xué)報(bào)，2009,24（4）：68-69

[11]Paul S.Wiegand,Jay P.Unwin.Alternative management of pulp and paper industry solid wastes[J].Tappi Journal.1994,77(4):91-92

[12]Acker Smith,William H.Malloy.Color reduction studies at a bleached kraft pulp mill[M].Tappi Journal.1999:87-89

[13]S.G.Krigtin,M.Sain.Detemination of the mineral constituents of recycled paper mill sludge[J].Tappi Journal.2008,4:9-12

2011－3－2

自動(dòng)控制