造纸污泥回填纸幅工艺的研究

韩 卿， 阮秀娟， 张 拓

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院， 陕西 西安 710021)



造纸污泥回填纸幅工艺的研究

韩 卿， 阮秀娟， 张 拓

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

以造纸废水处理过程中产生的终端污泥为辅料，以酶转化淀粉和羧甲基纤维素钠为增强剂，分别对污泥在纸幅表面/层间进行回填的应用性能进行了研究.结果表明：纸幅中添加污泥有助于改善成纸物理强度性能，当污泥回填量为5.0%时，成纸的主要物理强度可达到最优值；以5.0%用量将污泥回填于纸幅层间时，羧甲基纤维素钠比酶转化淀粉有更好的增强效果，其中羧甲基纤维素钠的最佳用量为4.0%(对绝干污泥).对纸张表面及Z向结构中污泥粒子分布的扫描电镜(SEM)观察分析表明，采用表面/层间回填法利用污泥的过程中大部分污泥粒子在纸幅表面或层间集中成层.

造纸污泥； 纸幅回填； 物理强度； 资源化利用

0 引言

造纸污泥是制浆造纸过程中产生的一类大宗固体废物，具有产量大、含水率高、成分复杂等特点，对其进行合理处置并综合利用已成为当前造纸行业内亟待研究的环保难题.近年来，针对造纸污泥的资源化利用问题，国内已经开展了相关研究工作[1-3].研究认为，造纸污泥主要由纤维有机质(纤维素、半纤维素和木质素等)以及无机填料粒子等组成[4].因此，将造纸污泥作为一种辅料回用于纸张生产过程在理论上具有可行性.Patrick Huber等[5]研究了传统浆内加填法利用造纸污泥的技术问题，认为造纸污泥在纸浆中的添加量不宜超过1.0%，否则会导致纸张强度性能的严重下降.

本文提出了纸幅回填法利用造纸污泥的技术思路，即将污泥配制成一定浓度的浆液施加于湿纸幅的表面或层间.与浆内加填法相比，采用纸幅回填法利用造纸污泥具有诸多优点，如有利于提高污泥粒子在纸幅中的保留率和降低白水浊度，从而有利于清洁抄纸湿部化学环境；同时，有利于调控污泥粒子在纸幅网络结构中的分布特性，以解决由于污泥粒子在纸幅中均匀分布可能对纤维间结合强度造成的不利影响.本文研究旨在为纸幅回填法利用造纸污泥技术的实现提供必要的实验依据.

1 实验部分

1.1 原料

(1)纤维原料：以旧瓦楞箱纸制备纸浆纤维，控制打浆度为23 °SR，纤维数均长度：663μm，重均长度：1 070μm.

(2)造纸污泥：取之于陕西某造纸企业，为废水处理场产生的终端混合污泥(含生化污泥)，外观为褐灰色，含水率为70.59%，污泥粒子中位径为27.43μm.

(3)酶转化淀粉：以用量为0.04%(对淀粉)的α-淀粉酶对市售玉米淀粉进行糊化制得，浆液浓度为1.0%.

(4)羧甲基纤维素钠：市售，粘度为260～300 mPa·s，使用前预先配制成浓度为1.0%的浆液.

1.2 实验设备/仪器与测试方法

1.2.1 实验设备/仪器

纸样抄取器，TD10-200；槽式打浆机，ZQS2-23；油压机，TD11-41；环境扫描电子显微镜+能谱仪，FEI Q45+EDAX Octane Prime.

1.2.2 测试方法

纸张抗张强度按GB/T 453-2002测定；纸张撕裂强度按GB/T 455.1-1989测定；纸张环压强度按GB/T 2679.8-1995测定；纸张内结合强度按TAPPI UM403标准测定纸板的Scott内结合强度.

1.3 造纸污泥回填纸幅的工艺流程

造纸污泥回填纸幅的工艺流程如图1所示.

图1 污泥回填纸幅的工艺流程

2 结果与讨论

2.1 污泥用量对成纸物理强度性能的影响

考虑到本实验所采用的污泥粒子中位径为27.43μm，而抄纸成形网孔为198～246μm[6]，所以污泥粒子在采用常规浆内添加法作为造纸填料时依靠机械截留及吸附作用难以实现污泥粒子较高的留着率.本论文提出了纸幅回填法利用污泥的技术方案，即将污泥配成适当浓度的浆液后将其均匀施加于湿纸幅的表面或层间.以纸幅表面加填法抄造100 g/m2定量的瓦楞原纸，考察污泥用量对成纸抗张指数、撕裂指数、环压指数的影响情况，结果如表1所示.

施工程序按实际荷载加载步骤进行：①所有钢结构单元安装；②桥面板重量加载；③桥面系纵、横梁与桥面板联合截面形成；④二期恒载加载；⑤运营阶段荷载加载、组合。

表1 污泥用量对瓦楞原纸物理强度的影响

以层间加填法抄造200 g/m2定量的箱纸板，考察污泥用量对成纸抗张指数、撕裂指数、环压指数及内结合强度性能的影响情况，结果如表2所示.

表2 污泥用量对箱板纸物理强度的影响

由表1和表2中的实验数据可以看出，无论是纸幅表面还是层间加填，成纸的物理强度随污泥回填量的增加呈现出先增大后减少的变化趋势.当污泥回填量为5.0%时，纸张的各项物理强度均可达到最大值.污泥用量对成纸物理强度性能的具体影响如下所述.

2.1.1 对抗张强度的影响

成纸抗张强度不仅受纤维平均长度的影响，也受到纤维间结合强度等因素的影响[7].在污泥回填纸幅过程中，一部分污泥粒子会在纸幅表面或层间集中成层，另一部分污泥粒子由于湿纸幅的真空脱水和压榨而“渗透迁移”到纸幅纤维网络的孔隙中.集中成层的污泥粒子会对成纸抗张强度产生正面影响，而“渗透迁移”的污泥粒子根据其渗透迁移量不同，对成纸抗张强度会有不同的作用效果.当渗透迁移量少(如污泥用量≤5.0%)时，污泥中含有的部分氢键官能团可能有助于污泥与纤维间的结合，从而有助于成纸抗张强度的改善；而当渗透迁移量进一步增大(如污泥用量>5.0%)时，污泥中含有的大量矿物填料可能会对纤维间的有效结合产生一定的“阻隔”作用而对成纸抗张强度产生一定的负面影响.

回填有污泥粒子的纸张，其抗张强度不仅反映了克服拉断纤维所需的能量功，也反映了克服纤维与污泥粒子以及污泥粒子间的结合力(摩擦力)所做的功[8].当污泥用量较低(如污泥用量≤5.0%)时，纸幅中污泥的存在对成纸抗张强度呈正向影响性，具体表现为成纸抗张强度的提高，而当污泥加填量进一步增大时，“渗透迁移”在纸幅纤维网络中的污泥粒子对纤维间有效结合的“阻隔”作用可能会影响成纸抗张强度的形成，具体表现为成纸抗张强度的下降.

2.1.2 对环压强度的影响

环压强度是瓦楞原纸和箱纸板重要的应用性能.由表1和表2可知，无论是表面加填还是层间加填，纸张的环压强度随污泥用量的增加呈现出先增大后减小的趋势，当污泥用量为5.0%时达到最大值，较空白纸样的增幅分别为13.41%和14.63%.回填污泥对成纸环压强度的影响可以做如下解释：在适当的污泥用量(如5.0%)下，纸幅表面或层间回填的污泥粒子大多在纸张表面或Z向结构中集中成层，经脱水干燥后会形成具有一定环压强度的干污泥层，对成纸环压强度的提高做出了贡献；但当污泥用量进一步增大(如>5.0%)时，可能是由于污泥粒子在纤维网络中“渗透迁移”量的增大加大了对纤维间结合性的“干扰破坏”，致使回填污泥对成纸环压强度的正向影响性有所减弱.

2.1.3 对内结合强度的影响

内结合强度是纸板类产品重要的应用性能.由表2可知，采用层间加填法利用污泥的过程中，随着污泥用量的增加，成纸内结合强度呈现出先增大后减小的趋势.当污泥用量为2.5%～10.0%时，成纸的内结合强度呈现出不同程度的增幅，其中，当污泥用量为5.0%时，成纸内结合强度可达到最高值，较空白样的增幅为24.81%.纸幅中添加污泥对成纸内结合强度的影响可以做如下解释：污泥中含有的纤维质、生物菌体等有机大分子结构上含有的氢键官能团使污泥本身具有一定的水和性和黏结性，经干燥后可以使污泥粒子间、污泥与纤维间产生一定的氢键结合和黏结强度，从而对成纸内结合强度的形成产生了积极的促进作用.但当污泥用量进一步提高时，污泥粒子对成纸内结合强度的正向影响性有所减弱，相关作用机理还有待进一步研究.

2.2 增强剂对成纸物理强度性能的协同影响性

(a)增强剂用量对成纸抗张指数的影响

(b)增强剂用量对成纸撕裂指数的影响

(c)增强剂用量对成纸环压指数的影响

(d)增强剂用量对成纸内结合强度的影响图2 增强剂用量对成纸物理强度性能的影响

相比于其他增强性助剂，酶转化淀粉和羧甲基纤维素钠均具有浆液粘度较低、成本较低、流动性和对纸张增强效果较好等特点，因而被广泛应用于造纸工业[9].为进一步改善回填污泥纸张的物理强度性能，在以5.0%的污泥用量进行纸幅层间回填的过程中，研究了羧甲基纤维素钠和酶转化淀粉作为增强剂对定量为200 g/m2的箱纸板物理强度的影响性，结果如图2所示.由图2可知，随着增强剂用量的增加，纸张的环压指数、抗张指数、撕裂指数、内结合强度都呈现出逐渐上升的趋势.当增强剂用量为4.0%(对绝干污泥)时，添加酶转化淀粉纸张的抗张强度、撕裂强度、环压强度、内结合强度较空白样(污泥填加量为5.0%的纸样，下同)分别提高了10.14%、12.0%、12.24%和10.22%；添加羧甲基纤维素钠纸张的抗张强度、撕裂强度、环压强度、内结合强度较空白样分别提高了11.73%、15.27%、17.45%和32.95%.由此可见，在相同用量情况下，羧甲基纤维素钠较酶转化淀粉对回填污泥纸幅具有更优的增强效果.同时发现，当增强剂用量由4.0%增加到6.0%时，成纸的各项物理强度增幅不大.所以，在以5.0%的污泥用量抄造箱板纸时，上述两种增强剂的适宜用量可确定为4.0%.

2.3 回填污泥纸张中污泥粒子分布特性的表征

回填污泥(回填量为5.0%)在纸张表面及Z向结构中的分布情况如图3所示.图3中，T表示纸张上表面，B表示纸张下表面.

2.3.1 表面回填纸张中污泥粒子的分布

2.3.2 层间回填纸张中污泥粒子的分布

与图3(a)相比较，从图3(e)上可看到少量的污泥粒子存在于纸张底面的纤维上，这从侧面反映了少量污泥粒子在纸张Z向结构中发生“渗透迁移”并转移到成纸底面.与图3(b)相比较，图3(f)上可看到大量污泥粒子在纸张Z向结构中呈集中分布的状态.

由此可以推知，在污泥回填纸幅过程中，大量污泥粒子在纸幅表面和层间的集中成层及少量污泥粒子的“渗透迁移”均有助于改善成纸的相关物理强度性能.

2.3.3 加填方式对成纸强度性能影响的讨论

Jesus A.G. Ochoa de Alda[10]和曾金枝等[11]对传统的浆内加填法利用造纸污泥研究表明，该类方法利用造纸污泥时普遍存在污泥用量较低(1.0%～3.0%)的问题.这可能是由于污泥粒子在纸幅Z向结构中的均匀分布使纸浆纤维间结合力较差所致.

本文采用纸幅回填法利用造纸污泥，成纸物理强度的改善主要源于以下三个方面：(1)纸幅Z向结构中污泥粒子的非均匀分布减少了污泥粒子对纸浆纤维间有效结合面积的不利影响；(2)污泥粒子自身成层而产生的强度对成纸物理强度的改善起到了一定的促进作用；(3)增强剂的添加对成纸物理强度的进一步改善起到了协同补强作用.

(a)未添加污泥纸张表面(T) (b)未添加污泥纸张断面结构

(c)表面加填纸张表面(T) (d)表面加填纸张断面结构

(e)层间加填纸张表面(B) (f)层间加填纸张断面结构图3 污泥粒子在纸张表面及断面结构中分布的SEM图

3 结论

(1)将适当用量的造纸污泥采用纸幅回填法进行利用有助于改善成纸的环压强度、内结合强度等性能指标；当污泥用量为5.0%时，成纸主要物理强度指标可达到最优值.

(2)层间加填法利用造纸污泥过程中，使用适当用量如4.0%的酶转化淀粉和羧甲基纤维素钠均有助于进一步改善成纸的物理强度性能，但羧甲基纤维素钠具有更好的协同增强效果.

(3)纸幅回填法利用造纸污泥的过程中绝大多数污泥粒子会在纸幅表面或层间纤维网络中得以留着.

[1] 蔡 彬,檀 笑,彭香琴,等.造纸污泥作为造纸原料资源化利用可行性探索及案例分析[C]//中国环境科学学会学术年会.成都：中国环境科学学会,2014:1-6.

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【责任编辑：陈 佳】

Study on technology of paper sludge backfilling into paper web

HAN Qing， RUAN Xiu-juan， ZHANG Tuo

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

The backfilling performance of paper sludge was studied in this paper.In this process,terminal sludge generated in papermaking wastewater treatment process was used as filler and enzymatic conversion starch and sodium carboxymethyl cellulose were used as strengthening agent.The results showed that adding sludge into paper web would be helpful to improve physical strength index of paper and a strong physical strength can be obtained when the addition of the sludge was 5.0%.When the loading of the sludge was 5.0% in interlayer filling process,a better effect can be obtained to use sodium carboxymethyl cellulose than to use enzymatic conversion starch and the appropriate amount of sodium carboxymethyl cellulose should be 4.0% (on oven dry sludge weight).Observing the distribution of the sludge particles in the surface and Z-direction structure of the paper by the SEM showed that most sludge particles were retained on the surface or interlayer of the paper and forming a concentrated layer.

paper sludge; paper web backfill; physical strength; resource utilization

2016-06-27

华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金项目(201314)

韩 卿(1965-)，男，青海西宁人，教授，博士，研究方向：清洁生产与资源化利用

1000-5811(2016)06-0024-05

TS79; X793

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