造纸污泥制造人造板的现状及展望

王 翔 王传贵

(安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥，230036)

目前，我国造纸工业的纸板产量及总消费量均居世界第一，然而，造纸工业发展带来的造纸污泥污染也越来越严重。造纸污泥是造纸废水在处理过程中产生的沉淀物，主要包括不溶性纤维素、填料、凝聚剂、生化污泥和其他污染物。造纸污泥的含水量很高，经过脱水处理后，含水量仍在75%左右。污泥的固体性质和生物性质决定了其处理的难度大，无论采用焚烧、填埋、投海哪一种处理方式，都存在二次污染、耗费能源、处置空间的问题。据统计，制浆造纸工业废水处理厂的污泥处理费用约占水处理装置运行费用的50%以上［1］。目前，我国建筑装修市场和家具制造业对人造板的需求增长越来越快。同时，人造板工业的快速发展所面临的主要问题就是原料的供应问题，原料成本占人造板成本的60%以上，因此，利用造纸污泥为原料制造人造板不仅可以解决环境污染问题，也可以为生产人造板拓宽原料来源。

1 国内研究成果

目前，国内外在利用造纸污泥生产人造板方面做了不少的研究。利用造纸污泥制造生化纤维板，主要是利用活性污泥中所含的粗蛋白 (有机物)与球蛋白 (酶)能溶解于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液这一性质，在碱性条件下加热、干燥、加压后，发生蛋白质变性作用，从而制成活性污泥树脂 (又称蛋白胶)，使之与漂白、脱脂处理的废纤维压制成板材。

刘贤淼等人［2-4］以脱墨造纸污泥为原料，木材纤维为增强材料，酚醛树脂为胶黏剂，制造木纤维增强污泥纤维板，结果表明，木材纤维附着在污泥纤维板上、下表面的效果要好于木材纤维混合加入污泥纤维板的。随着木材纤维的增加，材料的各项性能指标增加，在分层条件下当木材纤维含量达到50%及以上时，各项力学性能指标才能达到国家标准。他还研究了偶联剂对玻璃纤维增强造纸污泥纤维板的影响，分析了偶联剂用量和玻璃纤维长度对板材物理力学性能的影响以及板材的复合机理。结果表明，随着偶联剂用量的增加，玻璃纤维长度的增加，玻璃纤维增强造纸污泥纤维板的各项性能指标有所提高，当玻璃纤维长度为4 cm，偶联剂用量不小于0.5%(质量分数)时，其各项力学性能指标均可以达到国家标准。红外光谱发现，偶联剂可以改善玻璃纤维表面极性，使其与酚醛树脂胶形成共价连接。扫描电镜发现，偶联剂能增加玻璃纤维表面粗糙度，可以进一步改善玻璃纤维表面润湿性，有利于胶合。此外，他还对造纸脱墨污泥脲醛树脂纤维板进行了研究，分析密度、施胶量、温度、时间对材料物理力学性能的影响。结果表明，热压温度在110～200℃之间、NH4Cl加入量为0.5%，污泥纤维板的静曲强度为1.99～18.33 MPa，平均值为8.21 MPa;弹性模量为0.46～3.22 GPa，平均值为1.57 GPa;内结合强度为1.58～3.15 MPa，平均值为2.25 MPa;沸腾实验后内结合强度为0.66～1.71 MPa，平均值为1.14 MPa;24 h吸水厚度膨胀率为4.36%～7.69%，平均值为5.54%。极差分析可知密度、施胶量、温度、时间对材料各项性能的影响不同，但密度影响都是最大的。SAS分析显示密度、施胶量、温度对材料各项性能的影响都是显著的。

连海兰等人［5］采用杨木化机浆制浆废水处理污泥与马尾松纤维复合制得污泥-纤维复合纤维板，分析污泥添加量、脲醛树脂添加量和热压温度对复合板物理力学性能的影响，并用锥形量热仪分析复合纤维板的燃烧性能。结果表明，随着污泥加入量的增加，污泥-纤维复合板的内结合强度增加，但静曲强度和弹性模量则呈下降趋势;当污泥用量达到15%、施胶量为8%、热压温度为165℃时，污泥-纤维复合板的各项力学性能指标均能达到GB/T11718—1999中密度纤维板国家标准要求。加入15%污泥纤维板的热释放速率及质量损失速率均降低，可明显降低火灾的危险性。

王传贵等人［6］利用脱墨制浆产生的污泥生产纤维板，分析了污泥粉末粒度、施胶量、温度、时间对材料物理力学性能的影响。结果表明，脱墨制浆污泥纤维板静曲强度为5.07～13.74 MPa;弹性模量为0.88～2.20 GPa;沸腾实验后内结合强度为0.50～1.73 MPa;施胶量对24 h吸水厚度膨胀率影响最大。SAS分析显示粒度和施胶量对材料各项性能的影响都是显著的。

庞敏等人［7］利用热重-差示扫描热量法研究了制浆造纸污泥与脲醛、酚醛胶黏剂之间的热反应，通过分析可得出，造纸污泥在加热过程中没有明显吸热、放热现象，表现出良好的耐热性。在加热过程中酚胶有明显的吸热、放热现象，而与脲胶混合物则没有明显的热反应特征。造纸污泥与酚胶混合物在加热过程中有吸热、放热反应，较之脲胶混合物热反应特征更明显。这为制造纤维板选择胶种提供了依据。

李道明［8］发明了一种利用造纸污泥生产中密度纤维板的的方法，以造纸污泥为原料，经过机械脱水、成型以及复合成含水率为60%～80%的湿中密度纤维板，然后将湿的中密度纤维板放入压榨烘干机中进一步脱水，在0.3～0.6 MPa压力下高压定型，160～180℃高温烘干20～30 min后制得成品。

吴国峰［9］发明了一种利用造纸污泥制造型材的方法，将造纸污泥收集后脱水，烘干至含水率10%～30%，再混入用量2% ～60%(以绝干原料计)的胶，在20～60 MPa的压力下压出成型，进一步烘干。

此外，由于我国森林资源匮乏，以非木材纤维作为制浆原料在我国所占比例越来越多。据统计，中国历年来非木材浆所占比例为83% ～85%［10］。在南方，我国竹子造纸产业发展迅速，竹子造纸污泥同样也成为人们关心的问题。竹子造纸污泥的干污泥纤维含量高达60%，是制造人造板的良好原料。张秀标等人［11］的研究表明，与木质纤维材料相比，竹子造纸污泥纤维与水的接触角较小，这类材料具有较好的浸润性;与原竹纤维相比，竹子造纸污泥纤维的相对结晶度较大，说明竹子造纸污泥中的纤维仍然具有较高的强度。

2 国外发展状况

Sumin Kim等人［12］采用稻秆、米糠和制浆造纸污泥分别代替部分木材颗粒生产复合板材。结果显示，随着稻秆、米糠含量的显著增加，复合材料的力学强度显著降低，这是因为蜡状物和硅酸盐覆盖在这些材料表面，阻碍了树脂之间的黏合。当10%的木材颗粒被10%造纸污泥代替时，木材-污泥复合材料显示出了与木材颗粒材料相似的力学性能。

Asghar Taramian等人［13］利用造纸污泥 (污泥是化学机械浆和中性盐半化学浆过程中产生)生产碎料板。他们采用0∶100、15∶85、30∶70、45∶55 这 4 种造纸污泥与木材碎料的比例，分别采用3%、4%的异氰酸酯胶以及10%、12%的脲醛树脂胶黏剂进行胶合生产一层及三层碎料板。结果表明，污泥-木材碎料板的力学强度随着污泥含量的增加而减小，使用脲醛树脂胶黏剂胶合的碎料板在力学性能、耐水性以及浸水厚度膨胀方面要优于异氰酸酯胶胶合的碎料板。随着污泥含量的增加，脲胶胶合的碎料板的强度比异氰酸酯胶胶合的碎料板的强度下降的幅度大，采用15%的污泥，12%的脲醛树脂胶黏剂生产的碎料板符合EN，ASTM D1037-99和ANSI A208.1的要求。

Xinglian Geng等人［14-15］采用制浆废水一级污泥混合20%的二级污泥制造纤维板，研究了热压参数和蜡含量对造纸污泥纤维板性能的影响。结果表明，纤维板的内结合强度受板材密度和热压温度的显著影响，热压时间和蜡含量与内结合强度没有直接联系;造纸污泥纤维板静曲强度同样受板材密度和热压温度的共同作用，热压时间和蜡含量对静曲强度没有影响;弹性模量所受影响与静曲强度一样，但热压温度的影响小于静曲强度;板材密度对24 h吸水厚度膨胀率影响较小，但受到热压温度和时间的显著影响，而蜡含量对其没有显著影响。此外，他们还对脱墨污泥 (DPS)和一级污泥 (PS)混合20%的二级污泥(SS)基本性能进行了研究，研究表明，与DPS相比，PS混合20%的SS含有较小的灰分，较高的纤维素含量以及更多和更长的纤维，较小的pH值和较高的缓冲能力，这些特点说明PS比DPS更适合制造纤维板。他们采用云杉-松树-冷杉 (SPF)混合纤维与PS及DPS按照不同比例制造纤维板，采用用量为12%的脲醛树脂胶黏剂，结果表明，在相同的污泥含量下，PS-SPF比 DPS-SPF有更高的力学性能;当PS∶SPF为7∶3时，PS-SPF的力学性能指标高于ANSI A208.2-2002规定的中密度纤维板120等级的指标;当DPS∶SPF为3∶7时，其力学指标达到 ANSI A208.2-2002规定的中密度纤维板120等级指标的要求。

Sebastien Migneault等人［16］分别采用生产 TMP、CTMP、KP三种浆产生的污泥生产无胶纤维板，其中SS∶PS 分别为1∶9、2∶8、3∶7。结果表明，增加 SS 的含量，CTMP制浆污泥纤维板的内结合可以增加90%，膨胀厚度增加92%。红外光谱和X射线光电子能谱分析表明，内结合强度的增加是由于蛋白质和木素存在于污泥纤维表面，在热压过程中，增加了附着力，表面污染物会明显降低内结合强度。当CTMP中PS与SS比例为3∶7时，纤维板的性能能满足ANSI对于硬纸板的要求。利用CTMP制浆污泥可获得最好的物理力学性能，TMP制浆污泥次之，KP制浆污泥最差。

据报道［17］，英国废物和再生资源利用部门经过2年的研究认为，废纸脱墨制浆污泥是一种有利价值的资源，可广泛应用于制造建筑材料。英国造纸工厂废纸脱墨污泥排放总量为100万t/a，为了充分利用造纸污泥，重点研究了污泥的特性，制造建筑材料所需设备和最终产品的应用。英国威尔士大学生物组成研究中心与建筑研究所的科技人员，研究了利用造纸工厂废纸脱墨污泥的技术与经济可行性，并预测了产品的应用发展前景，得出6种类型建筑材料污泥配用量的质量分数分别为:软质纤维板80%、中密度纤维板45%、硬质纤维板80%～100%、用污泥胶合的水泥板30%、低密度水泥制品2.5%～5%和贴面地砖80%～85%。这些建筑材料大多是连续生产而不是间歇加工，对污泥的需求量大，作用效果表明，这些建筑材料的物理性能和机械强度很高。

丹麦Full Cirdeproducts公司开发了脱墨污泥制作高质量建筑板的方法［18］，可直接用于建筑和装修中，在这一过程中不需要用胶黏剂、水泥或任何有害助剂，车间没有固体废料，所有边角料、砂磨残余物料等均在生产中循环利用。建筑板应用后还可以回收，循环利用。该生产要求污泥质量均匀，来源稳定，污泥中的纤维含量一般在25%～40%，如果超过50%，则板易挠曲。

3 展望

(1)造纸污泥在利用时会有臭味，如何低成本除臭需要进一步研究。

(2)造纸污泥资源化利用得到的产品，其质量的可靠性、耐久性以及是否真的环境友好依旧需要进一步的研究。

(3)如何更好、更高价值地利用造纸污泥，是今后研究的重点。

造纸污泥是一种很有利用价值的潜在资源，世界上许多国家都在大力发展污泥处理处置和利用的各种技术。循环利用造纸污泥是提高资源再生利用的一种可持续发展模式，对解决能源消耗、环境污染、降低成本等有着重要的意义。

［1］Talat Mahmood，Allan Elliott.A review of secondary sludge reduction technologies for the pulp and paper industry［J］.Water Research，2006，40:1093.

［2］Xianmiao Liu.Paper deinking sludge fiberboard reinforced by wood fiber［J］.Material Review，2010，24(15):418.

刘贤淼.木纤维增强造纸脱墨污泥纤维板研究［J］.材料导报，2010，24(15):418.

［3］Xianmiao Liu.Effect of coupling agent on paper sludge fiberboard reinforced by fiberglass［J］.Journal of Building Materials，2011，14(3):423.

刘贤淼.偶联剂对玻璃纤维增强造纸污泥纤维板的影响［J］.建筑材料学报，2011，14(3):423.

［4］Xianmiao Liu.Study on Paper Deinking Sludge Fiberboard Using Urea Formaldehyde Resin［J］.Science＆ Technology Review，2009，27(19):74.

刘贤淼.造纸脱墨污泥脲醛树脂纤维板研究［J］.科技导报，2009，27(19):74.

［5］Hailan Lian.Study on preparation and properties of fiberboard using APMP of poplar sludge and pinus massoniana fiber composites［J］.Journal of Nanjing Forestry University，2012，36(4):98.

连海兰.杨木化机浆污泥/马尾松纤维复合板的制备及性能研究［J］.南京林业大学学报，2012，36(4):98.

［6］WANG Chuan-gui，JIANG Ze-hui，LIU Xian-miao，et al.Study on Fiberboard Made from Paper Sludge［J］.China Pulp ＆ Paper，2009，28(6):76.

王传贵，江泽慧，刘贤淼，等.造纸污泥制造纤维板研究［J］.中国造纸，2009，28(6):76.

［7］Ming Pang，Chuangui Wang，Xianmiao Liu.The thermal reaction between paper mill sludge and adhesive［J］.Journal of Anhui Agricultural University，2008，35(3):396.

庞 敏，王传贵，刘贤淼.造纸污泥与脲醛、酚醛胶粘剂之间的热反应［J］.安徽农业大学学报，2008，35(3):396.

［8］Daoming Li.The method of MDF made from paper sludge:CN，1773015A［P］.2006-05-17.

李道明.利用造纸污泥生产中密度板及生产方法:中国，1773015A［P］，2006-05-17.

［9］Guofeng Wu.The method of section material made from paper sludge:CN，101045616 A［P］.2007-10-03.

吴国峰.利用造纸污泥制作型材的方法:中国，101045616 A［P］.2007-10-03.

［10］LIN Qian-yuan.The Evaluation and Prospects About Non-wood Pulping Pollution Prevention of China's Papermaking Industry［J］.China Pulp＆ Paper，2006，25(5):47.

林乔元.中国造纸工业非木材制浆污染防治的评价与展望［J］.中国造纸，2006，25(5):47.

［11］Xiubiao Zhang，Chuangui Wang.Wettability and Crystallinity of Bamboo Paper Mill Sludge［J］.China Wood-Based Panels，2011(5):13.

张秀标，王传贵.竹造纸污泥润湿性和结晶度的研究［J］.中国人造板，2011(5):13.

［12］Sumim Kim，Hyun-Joong Kim，Jin Chul Park.Application of recycled paper sludge and biomass materials in manufacture of green composite pallet［J］.Resources，Conservation and Recyling，2009，53:674.

［13］Asghar Taramian，Kazem Doosthoseini，Sayyed Ahmad Mirshokraii，et al.Particleboard manufacturing:An innovative way to recycle paper sludge［J］.Waste Management，2007(27):1739.

［14］Xinglian Geng，James Deng，S.Y.Zhang.Effect of hot-pressing parameters wax content on the properties of fiberboard made from paper mill sludge［J］.Wood and Fiber Science，2006，38(4):736.

［15］Xinglian Geng，James Deng，S.Y.Zhang.Characteristic of paper miu slude and its wtilization for the mamufacture of wedium density fiberboard［J］.Wood and Fiber Science，2007，39(2):345.

［16］Sebastien Migneault，Ahmed Koubaa，Bernard Riedl，et al.Binerless Fiberboard Made from Primary and Secondary Pulp and Paper Sludge［J］.Wood and Fiber Science，2011，43(2):180.

［17］Guangyu Yao.Paper sludge is a promising and available building materials［J］.China Paper Newsletter，2005(1):22.

姚光裕编译.造纸污泥是一种可利用有发展前途的建筑材料［J］.造纸信息，2005(1):22.

［18］Ning Wang，Tieshan Wu.The comprehensive utilization of papermaking waste residue and sludge［J］.Tiles ＆ Bricks，2005(4):12.

王 宁，吴铁山.造纸废渣和污泥的综合利用［J］.砖瓦，2005(4):12. CPP