造纸污泥好氧生物分解干化处理研究

摘要

随着造纸行业的发展及国家对“三废”的处理要求日趋严格，造纸污泥处置已成为制约造纸行业清洁生产和可持续发展的重要问题。本研究采用好氧生物分解干化工艺，对造纸污泥进行减量化、无害化处理试验。经连续运行，结果表明，菌床温度60~80 ℃、含水率24%~40%，处理后含水率20%~30%、粒径≤5 mm的污泥呈细小沙土颗粒状。连续运行6个周期，污泥减量率为76.4%，粪大肠杆菌阴性，未检出蛔虫卵。污泥好氧生物分解干化处理过程无需辅热、效果稳定、处理成本低（折合污泥处理费用166.83元/t），污泥减量效果好，处置产物易于资源化利用，满足造纸企业对造纸污泥的处置要求。

关键词

造纸污泥; 好氧; 生物分解; 干化; 资源化

造纸产业是我国重要的基础原材料产业。随着近年来纸与纸板产量的增加，造纸废水、污泥等污染负荷也显著增加。造纸污泥是造纸废水处理过程中产生的沉淀物、颗粒物和漂浮物^[1]，具有成分复杂、产量大、处理难度大、处理费用高等特点^[2-4]。据统计，每生产1 t再生纸就会产生约0.3~0.4 t造纸污泥（按照含水率80%计）^[5]，是同等市政污水厂污泥产量的5~10倍^[6-8]，其处置费用约占造纸废水处理装置运行费用的50%以上^[9-10]。造纸污泥中含有木质素、纤维素、油墨染料、黏合剂、细菌、病毒、寄生虫卵等^[11]，极易腐败变质，产生臭气，如果处理不当，容易引起二次污染^[12]。

目前，造纸污泥的处置方法主要有卫生填埋、堆肥、焚烧、建材利用等^[13-15]。卫生填埋具有成本低、卫生指标要求低等特点，但是该方法易对地下水和土壤造成严重污染，并且侵占大量土地，不利于当前的社会与经济发展，已逐步取缔^[16-18]。堆肥虽是一种资源化应用方法，但出于安全性考虑，造纸污泥被禁止作为有机肥利用^[19]。焚烧能够彻底地对污泥进行减量化和无害化处理，但由于污泥含水率高需掺煤焚烧，处置费用高，且产生有毒、有害的物质，如二噁英等^[20]。建材利用虽然能有效解决污泥处置问题，但因地域性限制，该方法不能被普及应用。

为解决造纸污泥处理难题，本研究采用好氧生物分解干化工艺对造纸污泥进行处理试验。通过构建大堆体、高透气性菌床，并接种高温好氧微生物对造纸污泥进行生物分解干化，实现对造纸污泥操作简便、运行稳定、无需辅热、处理费用低的处理。该造纸污泥好氧生物分解干化工艺可充分利用高温好氧微生物对污泥中的有机物进行分解，同时生物活动产生生物热，既可使菌床维持在较高的工作温度，又可蒸发污泥中的水分，并有效杀灭污泥中的细菌、病毒和寄生虫卵等，最终实现污泥减量化、无害化处理。

1 试验概况

以河南省平顶山市某再生纸造纸厂为实施例，造纸产能20万t/a，主要生产高档包装用纸，其造纸废水90%以上循环回用于生产，废水处理量4000 m³/d。

造纸废水处理工艺流程如图1所示。

图1  造纸废水处理工艺流程图

Fig. 1  Flow chart of papermaking wastewater treatment process

目前，该厂污泥主要采用外运处置和自备燃煤锅炉掺煤焚烧2种方式处理。因污泥外运处置的方式成本高，而焚烧处理方式受污泥含水率高、黏度大的影响，导致与煤掺混难度大、热值较低；因此，污泥的处理一直是困扰该厂发展的难题。

造纸污泥主要包括来源于造纸废水处理系统的初沉池物化污泥、二沉池剩余生化污泥和深度处理单元的物化污泥，其中深度处理单元包括絮凝沉淀和Fenton氧化。各单元污泥泵入污泥浓缩池混合、重力浓缩，然后经带式压滤机压滤，压滤机压滤后获得的造纸污泥主要指标如表1所示。

表1  造纸污泥主要指标

Table 1  Main indexes of papermaking sludge

样品	含水率/%	有机质/%	热值/cal·g-1
造纸污泥	69.50	51.66	1020

本研究针对带式压滤机压滤后获得的造纸污泥，采用好氧生物分解干化工艺进行处理，该试验采用箱体式一体化处理设备，搭建的菌床体积为30 m³，设计污泥处理量500 kg/d。

2 试验设备及材料

2.1　试验设备

好氧分解干化处理设备主体采用碳钢防腐材料制作，内部尺寸为7.50 m × 2.25 m × 2.10 m，菌床高度1.80 m，菌床体积30 m³，配备2套行走电机带动螺旋搅拌对污泥和菌床进行搅拌混合，配备1台罗茨风机及1套曝气管道对菌床进行曝气冲氧，具体示意图见图2。行走电机功率均为1.5 kW，行走速度0.36 m/min；螺旋搅拌电机功率2.5 kW，搅拌速度30 r/min；罗茨风机功率5.5 kW，曝气量3.42 m³/min。好氧分解干化处理设备的运行参数为：每天搅拌2个周期，上午、下午各1个周期，每次90 min；每天曝气2次，上午、下午各1次，每次30 min。

图2  造纸污泥好氧分解干化处理设备

Fig. 2  Equipment for aerobic decomposition and drying of papermaking sludge

2.2　试验材料

菌床填充物为长度3~15 cm的不规则方形木块，以取自企业化机浆造纸原料的杨木枝桠材为主。微生物菌种为特定培养的好氧菌群（以嗜热微生物为主），主要包括放线菌、丝状菌、油脂降解菌、木质素降解菌等。菌种激活材料选用鸡粪，取自当地养鸡场。

3 试验工艺流程

造纸污泥好氧生物分解干化工艺流程图见图3，具体工艺介绍如下。

图3  造纸污泥好氧生物分解干化工艺流程图

Fig. 3  Flow chart of papermaking sludge aerobic decomposition and drying process

3.1　菌床搭建

菌床搭建需依次在好氧生物分解干化处理设备中，分3层平铺木块，每一层上投加已混合菌种的鸡粪100 kg，木块平铺完成后通过螺旋搅拌将菌床搅拌均匀，即可完成菌床搭建。菌体的大体积特性能防止热量散失，使菌床温度长时间保持高温状态，为杀灭致病微生物和虫卵提供良好的条件。以木块为主体搭建大堆体、高透气性的微生物菌床，具有孔隙率高、透气性好的特点，既为微生物提供了良好的附着条件，又可为微生物提供曝气供氧通道和水分蒸发通道。

3.2　菌床激活

菌床搭建完成后需每天投加鸡粪100 kg，完成对菌床的激活处理。将鸡粪平铺于菌床之上，打开螺旋搅拌将菌床和鸡粪充分混匀，使微生物与鸡粪充分接触。在微生物分解鸡粪中的有机质过程中，产生的热量可使菌床温度升高，进而激活菌床中的嗜热菌。当菌床中的温度达到55 ℃及以上时，嗜热菌作为优势菌种，以碳水化合物（纤维素、半纤维素等）、蛋白质、淀粉、脂肪为营养源，分解菌床中的有机物，并同时产生生物热。菌床激活时长为3~5天，之后开始投加污泥。

3.3　污泥处理及日常监测

菌床激活后，开始进入正常运行期，菌床体积30 m³，设计污泥处理量500 kg/d。将造纸污泥均匀地平铺于菌床上，打开螺旋搅拌和行走电机，每天对菌床进行1~2 h的混合搅拌，同时曝气充氧12 h。每天投加污泥前定点监测菌床温度，监测点5个，深度0.9 m，取5个监测点温度数据的平均值作为每天的平均温度。同时，每天定点采样5个，采样点深度0.9 m，将5个样品混合均匀后，取样测含水率，作为每天菌床的平均含水率。

3.4　菌床筛分

当菌床运行过程中出现温度连续下降至55 ℃以下，且菌床含水率升高，出现大量细小颗粒物的现象时，表明菌床运行已达到一定程度，菌床中暂存的以无机物为主的污泥分解产物已累积较多，并对菌床空隙形成堵塞现象，阻碍了曝气供氧通道和水分蒸发通道，影响了好氧微生物的生命活动及水分的蒸发，此时应对菌床进行筛分。菌床筛分采用5 mm振动筛或滚筒筛，2次筛分间隔约为40~60天。筛上物以附着微生物菌种的木块为主，作为菌床填料返回菌床循环使用。筛下物以造纸污泥的好氧生物分解干化产物为主，其主要成分为造纸污泥中包含的无机物，此时污泥含水率20%~30%，粒径≤5 mm，可资源化用于土壤改良、制砖建材、掺煤焚烧、矿山修复等。

4 结果与讨论

4.1　菌床温度变化

温度作为好氧生物分解干化试验运行过程中最重要的指标，反映了菌床中微生物的活性，微生物活性越高，有机质分解效率越高，同时菌床中水分蒸发越快。菌床搭建完成后，通过3~4天的激活，第一个处理周期每天投加造纸污泥500 kg，菌床平均温度变化如图4所示。

图4  菌床平均温度

Fig. 4  Average temperature of the pile

由图4可见，菌床起始温度为37 ℃，前4天为菌床启动阶段，此时菌床温度持续升高，第5天时菌床温度升至60 ℃，菌床激活完成。此后每天投加污泥，进入污泥好氧生物分解干化处理阶段，第8天时菌床温度最高，达到70 ℃。随后菌床温度保持在60~70 ℃，菌床运行温度稳定。在间歇曝气充氧和搅拌的条件下，菌床处于有氧状态。在菌床启动阶段，添加的鸡粪中含有大量易生物降解的有机物，给菌床中的微生物提供了充足的营养物质，微生物活性迅速增强，释放大量热量，菌床温度快速升至60 ℃。在污泥好氧生物分解干化处理阶段，随着污泥的加入，菌床中的微生物持续分解污泥中有机物，同时嗜热微生物通过细胞代谢的过程产生生物热，对菌床温度的升高起到决定性作用。菌床的大堆体特性又能够有效地保温，减缓热量散失。因此，在一定条件下，菌床的产热量和散热量保持动态平衡，能长时间保持高温状态。当运行至第37天时，菌床温度开始下降，直至第40天时菌床温度降至47 ℃，这是由于随着每天投加污泥，菌床中污泥分解后残余的无机质越来越多，堵塞了菌床空隙及透气通道，导致菌床中好氧微生物缺氧，活性下降，产生的生物热减少，产热量小于散热量，导致菌床温度下降。此时，对菌床进行筛分，筛上物返回菌床循环使用，筛下物作为处置产物移除系统。筛分后1~3天，菌床温度迅速恢复至60~70 ℃。

4.2　菌床含水率变化

对运行过程中菌床含水率进行连续监测，结果如图5所示。由图5可知，菌床起始含水率为24%，在第1个运行周期内菌床含水率随着运行时间呈缓慢上升趋势，整体保持在24%~40%。主要是因为随着每天投加污泥，菌床中污泥分解后残余的无机质越来越多，堵塞了菌床空隙及透气通道，影响了菌床中水分的蒸发，因此，菌床含水率整体呈缓慢上升，菌床筛分后含水率迅速恢复至27%。筛分过后，菌床含水率略高于菌床起始含水率，主要原因是菌床吸收了污泥中的水分，污泥处理和筛分的过程并未完全蒸发水分，所以筛分后的菌床含水率略高于起始菌床。

图5  菌床整体含水率变化情况

Fig. 5  Changes in the overall moisture content of the pile

4.3　污泥处置产物检测

取筛下物样品，参照行业标准《有机肥料》（NY/T 525—2021）进行检测，结果如表2所示。

表2  污泥处置产物样品检测结果

Table 2  Detection results of sieve residue

含水率/%	有机质/%	热值/cal·g-1	粪大肠菌群数	蛔虫卵死亡率
28	19.5	798	阴性	未检出蛔虫卵

由表2可知，污泥处置产物的含水率为28%，与处理前污泥含水率（69.5%）相比，水分减少59.7%，表明污泥干化效果较好。污泥有机质含量由51.7%降至19.5%，减少了62.3%，表明部分有机质被微生物分解。污泥热值由1020 cal/g降至798 cal/g，主要是由于污泥中的部分有机质被分解，无机质含量相对增加，污泥热值降低。粪大肠菌群数检测结果呈阴性，未检出蛔虫卵，说明经好氧生物分解干化处理后，污泥中粪大肠菌群和蛔虫卵被有效灭活，实现了污泥的无害化处理。

筛下物的实物如图6所示。由图6可知，造纸污泥好氧分解干化处理的筛下物整体呈沙土颗粒状，利于与煤混合掺烧。

图6  造纸污泥好氧分解干化产物

Fig. 6  Products of aerobic decomposition and drying of papermaking sludge

经统计计算，第1个处理周期共投入污泥20 t，筛下物总质量5.1 t，污泥减量率为74.5%。

4.4　工艺稳定性试验及可行性分析

第1个周期结束后，继续运行6个周期，共256天，菌床温度、含水率检测数据如图7所示。

图7  连续运行6个周期菌床温度和含水率变化

Fig. 7  Temperature and moisture content changes of pile during 6 continuous operation cycles

由图7可知，菌床长期运行，以运行周期为单位时，其平均温度稳定在60~80 ℃，第2个和第3个周期中嗜热菌群占据绝对主导地位，菌床温度更多停留在70~80 ℃，其他时段温度维持在60~70 ℃，菌床含水率在24%~40%，与第1个周期相比，一致性较好，表明菌床运行相对稳定。

试验期间，累计投加污泥128 t，污泥处置产物即筛下物合计30.2 t，污泥减量率为76.4%，菌床运行稳定，污泥减量率高。

5 成本分析

污泥处理成本主要包括原材料费、菌种费、电费、人工费等，其中材料费0.4万元、菌种费0.6万元为菌床搭建时一次性投入，其他运行费用包括电费、人工费。

电费：电价按照0.7元/kWh，全天用电量22 kWh，污泥处理电费15.4元/t污泥。

人工费：工作人员1名。由于本工艺操作简单，每天工作时间3 h，工作人员由污水厂工作人员兼任。工作人员月工资3000元，按照时间折算月工资为1100元，污泥处理人工费73.3元/t污泥。

试验期间累计处理污泥128 t，材料费0.4万元、菌种费0.6万元，合计1万元，因此材料费、菌种费78.13元/t污泥。

综合每吨造纸污泥处理费用为166.83元。

6 技术可行性分析

造纸污泥采用好氧生物分解干化工艺，第1个周期共投入污泥20 t，其中含水13.9 t，有机质3.15 t。筛下物总质量5.1 t，筛下物中含水1.43 t，有机质0.71 t。因此，水分减少12.47 t，水分减量率89.7%，有机质减少2.44 t，有机质减量率77.3%，污泥总减量率74.5%。

连续运行6个周期，菌床温度稳定维持在60~80 ℃，含水率维持24%~40%，污泥减量率76.4%，筛下物中未检出粪大肠菌群和蛔虫卵。表明该工艺运行稳定、技术可行、菌床长期维持高温环境对粪大肠菌群和蛔虫卵具有良好的杀灭效果。污泥好氧生物分解干化处理效果较好，污泥减量显著，好氧生物分解干化处置产物含水率较低，易于后续的资源化处置。

7 结论

采用木块搭建大堆体、高透气性菌床，以嗜热菌为主对造纸污泥进行好氧生物分解干化处理。经连续运行，该工艺对造纸污泥减量率（连续6个周期时为76.4%）高，可有效杀灭污泥中的病虫卵，运行过程无需辅热、效果稳定、操作简单、二次污染少。好氧生物分解干化处理后，污泥含水率20%~30%、粒径≤5 mm，具有含水率低、呈细小沙土颗粒状的特点，利于后续的资源化利用。试验期间折合污泥处理费用166.83元/t，低于目前常用的污泥处理工艺，经济效益和社会效益显著。