造紙污泥處理及其資源化利用技術(shù)
行業(yè)動態(tài)
每年，制漿造紙工業(yè)中會產(chǎn)生相當(dāng)量的廢水。而這些廢水主要來自制漿過程中的黑液、蒸發(fā)冷凝器的冷凝水、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)干燥處脫水等。與造紙企業(yè)配套的廢水處理流程和工藝與市政污水的處理基本相同，但各段工序處理過程中仍會產(chǎn)生大量污泥。對于一個年產(chǎn)上萬噸紙的造紙企業(yè)來說，同時也就相應(yīng)地會產(chǎn)生至少600萬m3的污泥（生產(chǎn)1t紙約產(chǎn)生10%濃度、6.5m3稀污泥量），給后續(xù)污泥脫水和污泥的處置帶來很大的問題。目前，污泥處理費用已經(jīng)占整個廢水處理工程基建投資的20%～50%。可以毫不夸張地說污泥處理的好壞直接影響到企業(yè)的環(huán)境效益和經(jīng)濟利益。故目前污泥的處理也成為一項 公認的難題。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
制漿和造紙中段廢水先除去較大的雜質(zhì)與漂浮物后，再進一步除去懸浮物，產(chǎn)生的沉淀物，稱纖維污泥。污水進入二級活性污泥處理系統(tǒng)，經(jīng)通氧（可以是純氧也可以是空氣）曝氣，生化反應(yīng)后，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絮凝體沉淀，稱為活性污泥。在此反應(yīng)過程中為了保持反應(yīng)器中微生物的活性和濃度，有部分的污泥在此系統(tǒng)中被回用。剩余污泥與纖維污泥混合，借助纖維污泥的助濾作用，有利于混合污泥下一道脫水與濃縮工序的操作。在脫水過程中會加入有機或者無機絮凝劑、有機和無機復(fù)配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。
2 污泥的特性
污泥的主要成分是水分（99%左右）和有機物，還有少量的氮化物、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(nèi)部結(jié)合水。后兩種水共占10%左右，須用加熱方法去除。污泥難處理就是因為污泥持水性高，表面光滑，性質(zhì)不穩(wěn)定且密度小。當(dāng)前降低污泥脫水成本的主要措施是：購買價廉高效的絮凝劑，配制較佳濃度的絮凝劑。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、BOD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(chǎn)生穩(wěn)定分散狀態(tài)，加劇了污泥脫水的難度。
3 污泥的處理
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(jīng)濟環(huán)保角度來看，第二種方法比 種方法簡單易行且更有效。
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來降低污泥的含水率和減少污泥的體積，減少后續(xù)構(gòu)筑物或處理單元的壓力。濃縮的形式多樣，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)、污泥量和需達到的含固率要求。重力濃縮是污泥在重力場的作用下自然沉降的分離方式，與沉淀池的機理一樣，不需要外加能量，是一種節(jié)能的污泥濃縮法。氣浮法是通過機械作用產(chǎn)生大量的微氣泡與污泥中的微粒黏附形成密度小于水的氣浮體，上浮到水面形成浮渣而被除去的技術(shù)，可以獲得穩(wěn)定的浮泥和較澄清的水質(zhì)，高效濃縮污泥，但是氣浮法要求的固體負荷和水力負荷大，電耗也較大。離心濃縮法是利用離心力分離污泥和水的方法，它是利用污泥和水的密度不同，在離心力場中受到的離心力不同而使兩者分離達到污泥濃度的提高。此外，還有轉(zhuǎn)鼓機械、帶式機械濃縮方法等，在實際生產(chǎn)中根據(jù)造紙廢水的性質(zhì)和工廠的經(jīng)濟效益來具體選擇。
3.2 污泥的脫水
污泥中所含的水分可以分為自由水（70%）、菌膠團包含水（27%）、毛細管水（2%）和結(jié)合水（1%）。自由水的去除較為容易，毛細管水和結(jié)合水雖然較難去除，但含量很少，可以忽略。菌膠團中心為固體顆粒，周圍吸附了大量的微生物及其代謝的產(chǎn)物（糖類、脂類、有機酸和蛋白質(zhì)等），這些吸附物在菌膠團的外層形成疏水膜，包裹在有機質(zhì)疏水膜中的水分稱為菌膠團包含水，這部分水分很難去除，且量較大。
污泥通過濃縮后可以達到5%～10%的固體濃度，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(chǎn)中利用的較多。機械脫水的關(guān)鍵的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：利用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)的一面造成負壓，如真空吸濾脫水裝置；對污泥直接加壓把水分擠出的壓濾脫水裝置；制造離心力來達到水分的去除。
近年來利用超聲波來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(chǎn)生高溫和高壓等極端條件，能改變構(gòu)成疏水膜物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)，破壞菌膠團結(jié)構(gòu)，提高污泥的脫水性能，同時釋放到水體中的有機質(zhì)還可作為厭氧發(fā)酵的營養(yǎng)源。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(jīng)高強度、長時間處理，污泥顆粒粒徑約5μm左右，表面積大大增加，但周圍吸附大量的自由水，使污泥的脫水性降低，污泥顆粒相互粘聯(lián)成松散的絮狀，難沉降；高頻（＞1000kHz）超聲波的化學(xué)效應(yīng)較強，低頻（＜100kHz）超聲波的物理效應(yīng)較強。利用超聲波處理污泥主要是要破壞菌膠團的物理結(jié)構(gòu)，所以低頻的處理效果較好。還有人研究發(fā)現(xiàn)，在污泥的厭氧發(fā)酵過程中，用適當(dāng)強度的超聲波對污泥進行適當(dāng)時間的處理，能促進微生物的生長，提高有機物的去除能力。超聲波的作用機理和效應(yīng)非常復(fù)雜，其作用條件如聲波強度、作用時間、頻率均影響到處理的效果，且它們之間還互相影響，目前對操作條件的優(yōu)化還沒有進行系統(tǒng)的研究。
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，蒸發(fā)率相對較高，環(huán)境衛(wèi)生條件允許的廠礦。現(xiàn)在使用較多的是污泥干化床，其脫水機理主要是滲透、溢流和蒸發(fā)等。污泥進入干化床后，自由水在重力作用下脫離泥層，一部分從底部滲入砂層，然后由積水系統(tǒng)排走，另一部分形成上清液層，通過溢流去除。其中的蒸發(fā)過程是主要的部分，取決于日照量和日照時間。要達到目標固含量必須經(jīng)過一段時間的蒸發(fā)。
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菌和病原體，并對產(chǎn)物消毒，大幅度減少污泥的體積與質(zhì)量，但保持污泥的營養(yǎng)物質(zhì)，使其可以循環(huán)利用。干燥過的污泥可以被用來資源化利用從而獲得一定的經(jīng)濟效益。按照熱介質(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)。直接加熱干燥是指將污泥和加熱蒸汽直接接觸，讓熱介質(zhì)低速流過污泥層從而吸收污泥中 的水分，處理后的干污泥再和熱介質(zhì)進行分離。需要注意的是用此法排出的廢水和廢氣必須經(jīng)過無害化處理后才能排放，且所需要的熱介質(zhì)體積很大，故動力消耗大。間接加熱干燥技術(shù)是指污泥和加熱介質(zhì)不直接接觸，通過熱交換器將熱傳遞給濕污泥使污泥中的水分得以蒸發(fā)，污泥量減少的技術(shù)。此時的加熱介質(zhì)除了可壓縮性的蒸汽外還可以是非壓縮性的物質(zhì)，如液態(tài)的熱水、熱油等。相比于直接加熱法中加熱介質(zhì)可能污染污泥，此法省卻了后續(xù)的熱介質(zhì)與干污泥分離的過程。間接加熱法干燥過程中蒸發(fā)的水分在冷凝器中冷凝，可被循環(huán)利用。而一部分的熱介質(zhì)也可以直接被回流到原系統(tǒng)中再利用，節(jié)約了能源。
3.4 污泥的焚燒
污泥中有一定量的有機物，造紙廢水處理后產(chǎn)生的污泥中仍然含有熱值很高的可燃有機物。其熱值可達2000～3500kcal/kg干物質(zhì)，遠遠高于可焚燒處理的要求。近年來因為污泥焚燒處理可以迅速和較大限度地實現(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世紀末，在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(lǐng)域才剛剛起步。
焚燒法的優(yōu)點主要有以下四點：大大減少了污泥的體積和重量，因而需要處理的物質(zhì)很少，有時焚燒灰可制成有用的產(chǎn)品；污泥處理速度快，不需長期儲存；污泥可就地焚燒，不需長距離運輸；可以回收能量，用于發(fā)電或供熱。焚燒法的主要缺點是：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；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到某一范圍內(nèi)；污泥中的灰分含量也會影響污泥燃燒質(zhì)量的好壞。
污泥焚燒要在一定溫度、有氧等條件下，污泥中的有機質(zhì)發(fā)生燃燒反應(yīng)，使有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化成CO2、H2O、N2等相應(yīng)的氣相物質(zhì)，反應(yīng)過程釋放的熱量維持反應(yīng)的溫度條件，使處理過程能持續(xù)進行。焚燒裝置有回轉(zhuǎn)爐、多膛爐、流化床爐等。其中流化床爐在近幾年中備受青睞。流化床用于污泥處理的原理是：使流化床上的惰性材料（通常為砂子）與干化污泥一起被床底的進氣托起呈懸浮狀態(tài)，污泥在焚燒爐中的停留時間只有數(shù)秒就能完全被燃燒。焚燒灰與氣體一起從爐頂不經(jīng)旋風(fēng)分離器進行氣固分離，熱氣體用于預(yù)熱空氣，熱焚燒灰用于預(yù)熱干燥污泥，以便回收熱量。
流化床焚燒爐的優(yōu)點是：傳熱效率高，焚燒時間短；干燥和焚燒集成為一體，同時可除去臭味；爐膛內(nèi)熱容量大，停止運行后，每小時降溫不到5℃。故可以連續(xù)或間歇運行，操作可用自動儀表控制。其缺點是：操作復(fù)雜，運行效果不及其他焚燒爐穩(wěn)定，動力消耗較大；飛灰量很大，煙氣處理要求高，需采用濕式收塵。
但是并非所有的污泥都可以進行焚燒。在實際生產(chǎn)中，造紙廠的污泥常用三種方式進行焚燒：在專門設(shè)計的污泥焚燒爐內(nèi)焚燒；在燃燒樹皮鍋爐內(nèi)焚燒；在燃燒化學(xué)燃料的動力爐中焚燒。不論采用哪一種焚燒方式，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，水分便會擠占污泥中有機物的份額，從而使污泥的發(fā)熱值下降。另外，在焚燒過程中污泥帶來的水分將轉(zhuǎn)變成蒸汽，需要大量的熱量。而依靠污泥自身燃燒是無法滿足這部分能量需求的，只能由其他燃料提供，這樣就給造紙企業(yè)在污泥處理成本上增加了負擔(dān)。而灰分不同于水分，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)驗值表明：如果造紙廠的污泥灰分高于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)垢以及某些化學(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)長的一段時期內(nèi)，大部分 均采用填埋的方式處理各種類型的污泥。造紙污泥衛(wèi)生填埋場和市政垃圾衛(wèi)生填埋場一樣，地址須選擇在地基滲透系數(shù)低且地下水位不高的區(qū)域。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(xué)性質(zhì)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。不僅浪費資源，還存在安全隱患、施工難度大、滲濾液無法有效處理等問題。目前隨著環(huán)保問題的日益突出， 各國目前都頒布法規(guī)限制有機物含量大于5%的污泥進行填埋。近幾年美國大部分的污泥填埋場已被關(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?？梢钥隙ǖ氖窃谝院笫Ｓ辔勰嘈l(wèi)生填埋的比例和空間將越來越小，因為填埋并不能避免環(huán)境污染，而只是延緩了污染的時間和程度。我國政府也在十二五計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
造紙污泥是一種生物固體廢棄物，它含有大量的纖維素類有機質(zhì)和氮、磷、鉀、鈣等多種植物生長所需的無機營養(yǎng)成分，有效含量比豬糞還高，是一種質(zhì)優(yōu)價廉的有機肥料。污泥土地化利用的成功案例已經(jīng)很多。例如英國Bride-water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(jié)構(gòu)、提高土壤pH值的研究工作。脫墨污泥已被用于改良低質(zhì)土壤，并在其上成功種植9萬棵樹和一些灌木叢。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公司采用造紙污泥土地化利用項目，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27t濕污泥，可以大大提高樹葉中的營養(yǎng)成分含量。生物污泥可以增加土壤中的有機物含量。將污泥堆成營養(yǎng)床，并把幼苗栽種到營養(yǎng)床上，具有較好的效果。我國的李慧菊等也進行了“造紙廢泥”田間試驗分析，結(jié)果表明造紙“廢泥”中含有較高的有機質(zhì)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)境造成污染，是一種理想的有機肥源。
4.3 污泥的焚燒資源化利用
造紙污泥焚燒后產(chǎn)生的殘留物可以用來制備各種材料。例如日本某公司研制成功了用造紙污泥灰合成沸石。造紙污泥灰合成人造沸石時，用“添硅法”來消除灰分中過剩鈣的影響。采用添加硅的方法與造紙污泥灰分合成人工沸石，合成人工沸石的較佳條件為：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“造紙脫墨污泥制備復(fù)合填充劑”的綜合利用技術(shù)。該技術(shù)以造紙廢漿污泥為原料，經(jīng)過氯酸鈉殺菌和表面改性處理后，采用分級干燥、粉碎、再分級、調(diào)質(zhì)處理等工藝，可將造紙廢漿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(fù)合填充劑。美國威斯康星州Minergy集團在 范圍內(nèi) 研制出利用造紙污泥生產(chǎn)優(yōu)良的玻璃骨料產(chǎn)品。玻璃骨料是一種類似玻璃狀的材料，可用作噴砂砂粒，屋頂木瓦材料以及瀝青鋪路等領(lǐng)域。
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)量建筑板材的方法，直接用于建筑和裝修工業(yè)等。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，也可用于制造原使用碳酸鈣作為填充劑的其它防水卷材，包括改性瀝青基防水卷材和高分子防水卷材。造紙污泥在電力部門被用來發(fā)電。由于造紙污泥具有比較好的吸附性和調(diào)節(jié)pH值的功能，可以選擇性地利用造紙污泥。
4.4 污泥的其他資源化利用
例如利用脫墨污泥制備瀝青復(fù)合改性劑，用此改性劑拌制的瀝青碎石混合料能有效抗老化，減少瀝青從石料上剝落，并能節(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，將脫墨污泥熱轉(zhuǎn)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(zhì)的技術(shù)，但是研究領(lǐng)域僅局限于生活污泥的水解，如果水解造紙污泥提取蛋白質(zhì)，既可以實現(xiàn)廢棄物的治理，同時也為蛋白質(zhì)尋找到一個新的來源。這些新技術(shù)都有待于進一步深入研究，探討其可行性。
5 結(jié)語
造紙污泥脫水性能的研究是一個熱點也是一個難點。污泥中的固含量增加一個百分比將會給制漿造紙廠帶來很大的經(jīng)濟效益，也將大大緩解對環(huán)境的壓力。但是目前脫水性能的研究還僅 于用機械法強制脫水，動力消耗大但往往效果并不明顯。目前科研人員的工作重點是盡量在脫水之前進行更有效的預(yù)處理以減少機械脫水時的壓力。而污泥的資源化利用傳統(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越來越被人們重視。
