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我国的造纸污泥产量已居世界之首,大量污泥的堆置会对周边环境造成威胁,传统处理技术又存在二次污染等问题,所以污泥资源化是发展趋势。本研究以造纸污泥综合利用为目的,在对造纸污泥成分分析的基础上,本着“物尽所用”的原则,结合当前环境热点(含磷废水和重金属污染土壤),以污泥成分为主线进行了资源化途径的研究:通过利用造纸污泥有机成分制备羧甲基纤维素(CMC)和利用其无机成分制备除磷剂的工艺研究,探索出两种新的造纸污泥资源化途径,开发出两种造纸污泥资源化产品;对综合利用其两种成分固定土壤重金属的机理进行较为深入的探讨,为其实际应用奠定了理论基础。
采用红外分析、热重分析等手段分析出造纸污泥的成分:有机物含量30.90％,无机物含量69.10%;其中alpha-纤维素含量22.43%;碳酸钙含量63.86%(富钙造纸污泥);铅和铬等重金属未检出说明污泥无重金属污染的潜在危害。
利用造纸污泥有机成分制备CMC的工艺包括:预处理(6.7%的盐酸处理,温度70℃,时间30 min)、碱化反应、醚化反应以及中和、洗涤等后处理。主要制备因素对CMC性能的影响由大到小依次为:醚化温度、氢氧化钠加入量、碱化温度、醚化时间、氯乙酸钠加入量。最佳制备条件为:m(造纸污泥):m(氢氧化钠):m(氯乙酸钠)=0.9:0.8:1.15;碱化温度为40℃;醚化温度为60℃;醚化时间为1h。红外光谱和X-射线衍射分析结果表明CMC取代度高、结晶度低。制备的CMC用作涂布纸张保水剂可以达到GB/T10335.1-2005要求。
利用造纸污泥(PS)中钙质活化粉煤灰(FA)制备除磷剂的工艺包括:研磨、煅烧、酸化(HCl)和后处理。最佳制备条件是:PS/FA=0.5 g/g或PS/FA=2.0g/g,900℃煅烧2 h再酸化1 h(HCl/FA=3 mL/g)。所得产品除磷效率达到92%以上。提高煅烧温度和降低酸化用量有助于破坏原料的晶体结构。除磷过程符合Lagergren二级动力学方程和Langmuir吸附等温方程;除磷速率较高,除磷效果较好;适宜pH范围宽,可在弱酸、中性和碱性的水体中使用;最佳投加量较少,仅0.3g/100mL。
综合利用造纸污泥修复铅(Pb)、铬(Cr)污染土壤的途径研究中,首先,用吸附解吸试验确定了其可行性:添加造纸污泥使Pb2+的吸附平衡时间缩短,提高最大吸附量,使吸附不可逆。其次,重金属形态分析试验结果:褐土中Pb(Ⅱ)(碳酸盐结合态)明显减少,Pb(Ⅲ)(铁锰氧化态)增加;褐土中Cr(Ⅱ)明显减少,Cr(Ⅴ)(残渣态)增加;红壤中Pb(Ⅰ)(可交换态)、Pb(Ⅱ)明显减少,Pb(Ⅲ)、Pb(Ⅳ)(有机结合态)增加;红壤中Cr(Ⅱ)明显减少,Cr(Ⅳ)、Cr(Ⅴ)增加。Pb污染褐土的污泥最佳添加量为9:1(土壤:造纸污泥),其余体系为9:4。在褐土中90 d时重金属各形态的含量稳定,而红壤中只需35 d。固定效果最好的是Pb污染红壤,其生物有效性系数大约由0.7减小为0.1。再次,造纸污泥固定土壤(红壤)重金属(Pb)的机理研究中,利用环境扫描电镜和能谱分析手段发现SP表面形成含铅化合物,说明添加污泥导致Pb(Ⅰ)减少。X-射线光电子能谱分析结果:SP中未检出PbCO3和Pb3(OH)2(CO3)2,说明添加污泥后Pb(Ⅱ)降低;SP中检测到含铅化合物Pb(C2H3O2)4、Pb(C6H5)4和[Pb3Cl2(HSCH2C(NH2)HCOO)2],说明Pb(Ⅳ)增加;Pb(Ⅲ)的增加可以用铁元素特征峰向高结合能方向移动解释。最后,效果评价试验发现添加污泥提高了油菜地上部和地下部的干重,降低了Pb和Cr在油菜中的吸收和积累,尤以Pb在油菜根部中减小幅度最大(95.25%)。