造纸污泥的资源化综合利用研究现状与展望

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摘要：摘 要：造紙污泥处理难度大、处置费用高，造纸污泥的处理处置是影响造纸行业可持续发展的一大难题。造纸污泥传统的处理处置方法主要是填埋法和焚烧法，但这两种方式都存在对环境造成二次污染的隐患，开发高效环保的污泥处置方式成为亟待解决的环境问题。众多

　　摘 要：造紙污泥处理难度大、处置费用高，造纸污泥的处理处置是影响造纸行业可持续发展的一大难题。造纸污泥传统的处理处置方法主要是填埋法和焚烧法，但这两种方式都存在对环境造成二次污染的隐患，开发高效环保的污泥处置方式成为亟待解决的环境问题。众多学者致力于造纸污泥的资源化综合利用研究，以造纸污泥为原材料进行厌氧发酵、好氧堆肥及生产建筑材料等。鉴于造纸污泥中生物质含量丰富，利用造纸污泥中的生物质为原材料，通过一定的改性方法制备出不同的水处理功能材料，实现“以废治废”的目标，不仅符合可持续发展的环保理念，还能为造纸污泥的资源化综合利用提供一种新的思路。综述了造纸污泥的来源、特点、处理处置方式、资源化综合利用的研究现状、造纸污泥中纤维素类物质资源化的研究现状与展望，以期为造纸行业的良性发展提供一定的理论支撑。

　　关键词：造纸污泥;处理处置;资源化综合利用;生物质基功能材料;造纸污泥基功能材料

　　中国是造纸大国，目前，大多数造纸厂的造纸原料以木浆为主。木桨造纸过程中产生大量成分复杂的废水，在《制浆造纸工业水污染物排放标准》(GB 3544—2008)颁布后，废水处理要求越来越高，而污泥产生量越来越大[1]。造纸污泥一般分为一级初沉池污泥、二级生物污泥和三级化学絮凝污泥，其中，约70%的造纸污泥属于一级初沉池污泥[2]。据相关统计，每生产1 t纸，将产生100～500 kg干污泥，通常情况下，根据造纸厂的类型和生产率，干污泥的年产量约3 000～22 000 t[3-4]。中国造纸污泥的平均年产量约1 500万t，是同等规模市政污水处理厂的5～10倍[5]。大多数造纸污泥经过脱水处理后，会通过填埋、焚烧或者堆肥工艺进行处理处置[6-7]。但这些处理处置方法存在诸多不足，如：填埋构筑物占用大量土地，如果处理不当会产生渗滤液污染土壤;焚烧法虽然可以实现污泥减量化的目的，但焚烧过程中会产生二噁英、灰尘等有害物质污染大气;堆肥工艺耗时长、散发恶臭并且容易招致蚊蝇等[8-11]。木浆造纸污泥中生物质含量丰富，重金属含量很低，是一种宝贵的有机质资源[12-13]。因此，将木浆造纸污泥进行资源化综合利用具有十分重要的现实意义和推广应用价值。

　　近年来，利用生物质作为可再生原料生产水处理功能材料受到了愈来愈多研究者的关注，大量生物质基水处理功能材料应运而生[14-17]。生物质具有毒性低、原料来源广、易生物降解、价格低等优点[18-20]。利用造纸污泥中的生物质为原材料，通过化学改性可制备出不同类型的新型生物质基功能材料并应用于水及废水处理中，这既可实现废物资源的综合利用，又可降低水处理材料的制备和应用成本，提高水及废水的处理效果，是实现造纸污泥资源化综合利用的一种新的思路。笔者主要综述造纸污泥的来源、特点、传统处理处置方法、资源化综合利用的研究现状、生物质基功能材料及造纸污泥基功能材料的研究现状，并展望未来研究方向，以期为造纸行业的良性发展以及社会经济的可持续发展提供一定的理论依据。

　　1 造纸污泥的来源及特性

　　造纸污泥来源于制浆造纸厂废水处理工艺中的初沉池污泥、生物处理过程中产生的生物污泥以及某些深度处理过程中产生的化学絮凝污泥[21-22]。其中，初沉池污泥约占70%，生物污泥和化学污泥约占30%[7]。初沉池污泥颗粒细小，易脱水，主要包括废水处理中脱除的碳酸盐、纤维、填料及一些筛选废渣等细渣;生物污泥是指废水经活性污泥法等生物处理单元处理后的剩余污泥，具有亲水性强、含水量大、无机物含量低、过滤性能差等特点;化学絮凝污泥是某些处理厂对造纸废水进行深度处理过程中产生的絮凝沉淀，具有颗粒细小、难降解的有机物浓度高、过滤性能极差等特点[1， 23]。据相关统计，每处理1 t造纸厂废水就会产生1 350 kg含水量约80%的造纸污泥，是同等规模市政污水处理厂的5～10倍[24-26]。在日本和美国，造纸污泥的年产量分别为3×106、8×106 t，而中国造纸行业固体废物的年产量高达3×107 t，其中，造纸污泥占1.5×107 t[27]。造纸污泥排放量大、成分复杂、含水量高、固形物含量低、处理难度大、处置费用高。

　　在中国，造纸原料大多数以木浆为主，在造纸废水处理过程中产生大量木浆造纸污泥。木浆造纸污泥中生物质含量丰富，主要是纤维素、半纤维素及木质素，重金属含量很低，是一种宝贵的有机质资源。纤维素是一种由β-1、β-4糖苷键连接的纤维二糖线性多糖聚合物。纖维素链之间通过氢键和范德华力相互连接，使微纤维具有较高的拉伸强度[28]。微纤维通过半纤维素相互连接，并被木质素复合物覆盖，这些特殊而复杂的结构使纤维素能够抵抗化学和生物攻击。半纤维素聚合物是由己糖、戊糖和酸形成的无规则、无定形的、具有支链结构的杂多糖。木质素是一种芳香醇类聚合物，是由β-O-4、β-β、β-5、β-1、4-O-5等不同形式的单元间键合在一起形成的异构的、高度交联的天然大分子物质[29]。木质素通过在纤维素和半纤维素之间形成交联，起到水泥刚性三维结构的作用[30]。半纤维素的短支链可以结合微纤维与木质素相互作用形成的网络结构，形成刚性纤维素半纤维素木质素基质。

　　以山东省日照市某造纸厂初沉池的造纸污泥为例，其有机质含量为69.9%、灰分含量为30.1%、污泥pH值为7.11±0.50[31]。造纸污泥中的金属元素主要是Al、Fe、Ca、Na和Mg，重金属含量很低，该污泥样品的全金属分析如表1所示。

　　2 造纸污泥的处理处置方式

　　目前，制浆造纸工业产生的固体废物大多数采用焚烧或填埋法方式进行处理处置，其中填埋法应用更广泛。但是，造纸污泥排放量大并且含水量高，进行焚烧和填埋的过程中操作难度大且花费高，因此，在焚烧和填埋前需要对造纸污泥进行脱水减量处理。

　　2.1 污泥脱水

　　造纸污泥中的水分为游离水、结合水和胞腔水3种形式(如图1所示)，其中最难脱除的是结合水和胞腔水[32]。重力沉降法可以有效地脱除游离水;过滤离心法可以脱除结晶水;而胞内水通常需要通过干燥蒸发等方法去除，处理难度大且能耗高。

　　污泥脱水一般分为以下步骤[21]：1)通过重力沉降法使污泥自然下沉，待固液分离后将上清液回流至污水进水口进行集中处理，从而达到污泥增稠的目的。2)采用化学法或加热法进行污泥调理，其中以化学调理法最为常用。通过添加无机混凝剂、有机高分子絮凝剂或者两者的复配体系使污泥颗粒絮凝形成较大的絮状物，从而脱稳聚沉。加热法是同时通过加热、加压以及投加化学药剂来改善污泥的析水性能的一种污泥调理方法，可以有效地脱除胞腔水。但是，由于操作过程中能耗大，目前没有大规模应用。3)化学调理后的污泥通过机械法对其进行进一步脱水处理，一般包括离心法、过滤法、压滤法或者3种方法的任意组合。离心机、真空过滤机和带式压榨过滤机是目前最常用的机械脱水设备。其中，离心机适用于无机污泥脱水处理;真空过滤机适用于含纤维的初沉池污泥脱水处理;而带式压滤机适用于有机污泥、无机污泥和混合污泥的脱水处理。污泥脱水后的脱水液一般回流至污水进水口与原水进行统一处理，图2为某造纸厂废水处理的工艺流程图。

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