造纸厂污泥的回收利用：关于现行方法和新兴生物炼制法综述

摘要：由于全球范围内城市化快速推进，近年来固体废物的管理已经变得更具挑战性。

纸，作为人类文明的一个重要组成部分，在其生产过程中会产生大量的污泥，全球每年大约产生数百万吨造纸污泥，这无疑需要额外的资金进行处理。

目前，最常见的处理方式就是填埋和焚烧，但这两种方法会严重的污染周边地区的环境甚至危害整个社会。

最近更严格的环保法规和公众环保意识的增强已经迫使纸厂在污泥处理时选择更加绿色的可持续方案。

与此同时，一些有责任心的企业已经把减少源头浪费和循环利用作为其固废管理的重要组成部分，并且发达国家的相关政府部门针对固废管理是采取了诸多措施。

本文综述了目前处理造纸污泥的主要方法及其带来的环境和经济影响；综合讨论了新兴生物炼制法的发展趋势，即污水处理厂，特别是造纸污水处理厂的初沉池、二沉池和混合污泥的高附加值利用。

关键词：复合材料;污泥;环境影响;可再生资源;固体废物管理
Abstract: In a rapidly urbanizing global society, the issue of solid waste management has become even more challenging in recent times. Manufacturing of paper, an integral part of human civilization, generates a substantial amount of effluent sludge, which invariably needs extra monetary resources to dispose-off in millions of tons annually around the world. Currently, most of the widely practiced disposal options, landfilling and incineration, invariably pose serious environmental risks to immediate neighborhoods as well as to society at large. Recent stricter environmental legislations and general public awareness have been forcing paper producers to follow a sustainable approach in dealing with residual biomass generated at their facilities. At the same time, reducing waste at source and recycling have become an integral part of waste management of some responsible companies and governments of the industrialized world have also taken a number of initiatives in this regard. This review presents a holistic overview on current practices in dealing with paper sludge and their environmental and economic implications. Also presented is a comprehensive discussion on emerging biorefinery trends leading to value-added utilization of primary, secondary and mixed biosolids originating from effluent treatments plants, especially from paper mill operations.
Key words: composites; effluent sludge; environmental implications; renewable resources; solid waste management
中图分类号：TX793文献标志码：B 文章编号：1007-9211(2017)04-0072-03
造纸厂污泥的回收利用：
关于现行方法和新兴生物炼制法综述
⊙ 程富江 编译
Recycling of paper mill biosolids:
A review on current practices and emerging biorefinery initiatives
⊙ Compiled by CHENG Fu-Jiang
国外技术oveRsea tech
72
第38卷第4期 2016年2月
1前言
制浆造纸厂在废水处理过程中会产生大量的污泥。

根据世界自然基金会报道，目前每年全球纸张消费量约为4亿t[1]，造纸污泥也随之达到了惊人的数量。

不同的纸张生产过程所产生的污泥量有所不同，大约为纸张生产量的5%～16％。

大部分含有污泥的废弃材料都带有少量其他种类的废料，如机械设备上脱落的废料、苛化过程中的沙子和石灰、贮木场碎片、锅炉灰等[2]。

将这些废弃物中的能量回收后，需要对残余的材料进行处理，这一直都是制浆造纸行业重大的经济负担和生态责任。

虽然污泥处理方法不同，但处理过程中会不可避免地污染土壤、空气和水。

事实上，造纸行业已被列为第六大污染行业，比造纸行业污染程度更大的行业由高到低分别是石油、水泥、皮革、纺织、钢铁。

在过去20年里，公共意识的提高，严格的环境立法，并直言不讳的非政府组织一直在给制浆造纸行业和相关研究人员施加压力，迫使他们研究探索新的污泥循环利用方案，以减少填埋污泥的数量[3]。

除了环境和生态问题，北美的制浆造纸工业在过去十年中一直处于财政短缺的情况，这是因为林产及相关产业持续低迷并且投资收益较低。

再加上用于处理混合污泥的资金和运行成本占到污水处理厂的预算总成本的50%。

除此之外，污泥填埋场也日益稀缺。

因此，开发造纸污泥循环利用的新技术已成为当务之急。

最近，科研院所和绿色化学公司一直在努力探索利用生物炼制方法来分流进入垃圾填埋场的大量造纸污泥，与此同时，他们也致力于从富含可利用成分的废弃生物质中研发出新颖的高附加值的消费品。

本文充分讨论了目前利用不同污泥生产各种生物材料及其衍生产品的科研工作和商业应用。

其中小部分杰出产品就是薄膜热成型的热塑性餐具、可完全生物降解园艺用品，生物燃料和无甲醛木材黏合剂。

2 造纸污泥的高附加值利用：新兴生物精炼
经济效益是绿色工艺计划过程中的重要指标，而一种可持续的生产过程主要包括最大程度上降低浪费和将副产品转化为高附加值的商品两种方式。

这一理念在林产和造纸行业中通常称为生物炼制，它已经在近期全球经济衰退的潮流中新兴而起。

过去的15年里，北美在林产工业的经济一直很低迷，接受政府资助的研究项目和林产公司正试图研发新颖的产品，以大幅增加额外税收。

对于造纸污泥及其衍生产品而言，本文通过介绍一些备受瞩目的战略以叙述复杂生物质的高附加值利用。

2.1造纸污泥作为木材胶黏剂
以前在木材胶黏剂的产业中，造纸污泥一般是作为有机填料来回收利用的。

中密度纤维板就是从不同制浆厂和脱墨造纸厂的污泥利用中发展起来的。

虽然甲醛基黏合剂具有良好的性能，但经过一段时间大规模使用后，其危害健康的问题受到了越来越多的关注。

2014年的资料显示，国际癌症研究机构已将甲醛列为可疑致癌物[4]。

2007年7月的一个与此相关且影响巨大的事件被曝光，美国联邦紧急事务管理署先于美国众议院监督部门和政府改革委员会，证实了特地为卡特里娜飓风灾民生产的拖车中甲醛含量超标，是法律规定含量的400倍。

此类事件及其他倡议，促使法院采取更为严格的立法来禁止甲醛树脂的使用。

最常见的生物基黏合剂是蛋白质基黏合剂，动物骨头和皮、牛奶（酪蛋白）、血液、鱼皮和大豆是主要原料。

佩尔瓦伊兹和塞恩首次将造纸污泥基黏合剂单独作为木材黏合剂使用。

在他们的研究中，使用二沉池造纸污泥及其提取出来的蛋白质作为木板黏合剂来制备搭接复合板，如图1所示，并将其效果与传统的合成胶黏剂及生物树脂胶黏剂进行对比。

2.2污泥作为热塑性复合材料
造纸污泥，特别是脱墨污泥，主要成分有纤维和高岭土、滑石、碳酸钙等无机颗粒。

在造纸污泥的大量循环利用中，将这种生物质制成可生物降解热塑性复合材料，生产高附加值产品，具有可观的应用前景。

过去曾研究以热塑性树脂和水泥为基质，从干燥的造纸污泥中产生复合结构，但效果并不理想；主要原因是氢键的结合造成颗粒絮聚，从而导致其分散性较差。

图1 造纸污泥蛋白复合板的研制
国外技术
oveRsea tech
73
Feb ., 2017 Vol.38, No.4
China Pulp & Paper Industry
最近，加拿大多伦多大学生物复合材料和生物材料加工中心（CBBP）的研究人员，通过应用动能衰变系统后，利用特种纸脱墨厂的污泥生产出热塑性复合材料。

该技术使用机械缠绕和静电力解决了生物污泥松散的絮聚结构；然而，松散的絮凝结构利于其分散，否则将不能与热塑性或风干材料黏结。

借助专项技术，使得C B B P能够产生污泥基半商业热塑性片材，包括薄膜热成型产品（图2）。

C B B P的另一个研究工作就是开发二沉池污泥基聚酰胺复合材料。

由于尼龙11的化学相容性和表面热力学参数较为适合，因此该项目将其作为主聚合物基质。

将干燥二沉池污泥和尼龙按不同配方进行复合和注塑，形成测试模型。

性能评价结果显示，使用漆酶对二沉池污泥进行预处理后，能够显著改善复合材料的机械强度。

2.3
造纸污泥作为吸附剂材料
虽然过去的很多研究已经表明，将造纸污泥转变为活性炭而作为一种吸附材料是可行的，但是昂贵的生产成本严重阻碍了其商业化进程。

最近，由于绿色环保化学的发展突飞猛进，使得人们重新开始注意到这一领域。

这一发展势头也使得将造纸污泥应用于选择性地脱除水中重金属离子和作为硬表面清洗剂成为趋势。

较早的颗粒商品是通过K AOF I N的专利生产过程作为地面吸附剂（美国专利4343751）制备的。

现代工业生产中，漏油事故频繁而严重，因此急需一种低成本的吸附材料。

利用造纸厂废弃生物质作为生产原材料能够为环境友好型吸附剂的开发提供一种廉价有效的途径。

最近，I N S O L和斯洛文尼亚的技术环境和物流中心（T E L C）联合开发出一项利用造纸污泥生产吸附剂的新型技术；而且该项目现在已经处于商业化阶段。

同时利用造纸污泥作为辅助原料生产高附加值的吸附剂，还能将纸张生产过程中过剩的能
量利用起来，而一般情况下这部分能量是被直接排放的。

2.4
造纸污泥作为生物燃料
石油燃料本身及其相关环境治理成本不断上涨，这极大地促进了可替代能源的开发利用。

为了优化沼气的工业生产过程，至少是在半工业应用中，已经对富含生物质的造纸污泥，特别是二沉池污泥进行全面的研究。

由于造纸污泥的水分含量较高，通过直接焚烧获取生物能源在经济上是不可行的。

然而，通过厌氧消化来利用造纸污泥生产沼气具有可观的前景。

并且据报道，在污泥管理方案中通过调整其能量平衡，可以使厌氧消化更具有可行性，从而生产出高价值的沼气。

与牧草青贮饲料共同消化，可以使这一过程更加便捷高效，牛粪/猪粪或城市污泥也能够改善制浆造纸厂污泥中氮含量较低的情况。

该领域最新的商业进展就是“微污泥”技术，该技术使用了具有细胞破碎器之称的高压均质机。

2011年4月，温哥华（加拿大）的范式环保技术公司已在克拉夫顿工厂安装了该系统，好氧细菌首先被细胞粉碎机破裂，然后由厌氧发酵生产沼气，这样能够使废水活性污泥系统中的养分循环收益有所增加。

3 结论
造纸污泥是在废水处理厂的生物转化过程产生的，其中含有多种有用成分。

最近，通过对造纸污泥利用技术的不断研究探索，已经找到了多种将污泥高效地转变为高附加值的消费品和工业产品的途径。

本文为绿色研究公司和造纸厂等指明了造纸污泥的不同利用途径，即通过生物炼制的方法，将造纸污泥转变为工程复合材料制品、生物基胶黏剂、溢出控制特种材料和生物
燃料。

主要参考资料
[1]/what_we_do/footprint/forestry/sustainable-pulppaper/aboutpulppaperproductionuse/.
[2]/osw/conserve/imr/irc-meet/03-paper .pdf.
[3]/waste-management/papermill-sludgeberm-must-be-cleaned-up/1000054424.
[4]www.iarc.fr/en/media-centre/pr/2004/pr153.html.
[收稿日期:2016－03－06]
图2 污泥基热塑性复合材料
（加拿大多伦多大学）
国外技术oveRsea tech
74
第38卷第4期 2016年2月。