城市污泥的干法预絮凝改性以实现可持续资源回收：对纸张性能的积极影响

《Bioresource Technology》：Dry preflocculation modification of municipal sludge for sustainable resource recovery: The positive impact on the performance of paper

本研究提出一种干式预絮凝改性技术，将市政污泥转化为高性能纸张填料。实验表明，改性后的DMSP填料保持率达79.69%，纤维-填料界面作用增强，纸张拉伸强度（17.64 N·m/g）和抗爆强度（1.77 kPa·m2/g）与纯纤维纸张相当，有效降低制造成本并减少环境污染。

　　市政污泥作为污水处理的副产品，近年来产量迅速增长，给环境带来了严峻的挑战。传统的填埋和焚烧处理方式不仅效率低下，而且缺乏可持续性，导致资源浪费和二次污染。因此，探索市政污泥的资源回收潜力，尤其是在纸张制造中的应用，成为当前研究的重要方向。本文提出了一种新型的干式预絮凝改性技术，将市政污泥转化为高效的纸张填料，不仅有助于解决污泥处理问题，还能够降低纸张制造成本，实现资源的高效利用。

在纸张制造过程中，填料作为仅次于纤维的第二大原料，起到了至关重要的作用。传统填料如碳酸钙能够提升纸张的不透明度和白度，同时降低成本。然而，这些填料由于与纤维之间的结合力较差，容易降低纸张的强度。此外，其低可降解性也引发了环境问题，特别是在回收过程中。因此，开发成本低且性能优越的替代填料显得尤为迫切。在此背景下，将市政污泥转化为纸张填料成为一种创新的解决方案，既能应对污泥处理的难题，又能满足可持续纸张制造的需求。

近年来，许多研究致力于将市政污泥作为纸张填料进行应用。例如，Ochoa De Alda（2008）对欧洲多个造纸厂的20种原始污泥进行了系统评估，指出低灰分污泥具有更好的纤维品质。经过适当处理后，它可以在纸张和纸板行业中使用，其强度性能与回收纤维相当。Cavdar等人（2017）利用造纸厂污泥作为木塑板的填料，通过厌氧处理的黑色污泥，其纤维含量更高，重金属含量更低，显著提高了木塑板的机械性能和尺寸稳定性，填料添加比例可达到20%。Sun等人（2024）则利用污水处理厂产生的市政污泥作为再生纸的填料，当填料添加比例为30%时，再生纸的拉伸强度显著提高，证实了市政污泥作为低成本、高性能生物质填料的可行性。

尽管如此，目前的研究主要集中在造纸厂污泥和污水处理厂污泥上，而针对水处理厂污泥的研究仍较为有限。本文旨在填补这一研究空白。所用的市政污泥来源于水处理厂，是在原水净化过程中通过絮凝、沉淀和过滤形成的。该污泥具有较低的致病微生物和重金属含量，其组成与传统纸张填料如高岭土和碳酸钙相似，显示出作为新型纸张填料的优良潜力。然而，与传统填料类似，直接将市政污泥添加到纸张中可能会削弱纤维之间的结合，从而影响纸张的机械性能。因此，对市政污泥进行适当的改性处理对于其在纸张制造中的成功应用至关重要。

填料改性技术主要包括无机化合物改性技术、表面涂层改性技术、预絮凝改性技术和疏水性改性技术。预絮凝改性技术指的是利用离子聚合物将填料颗粒聚集，并增强其与纸浆纤维的附着。Chauhan和Bhardwaj（2019）采用阳离子和两性淀粉作为絮凝剂，发现预絮凝的无机填料有助于增强纤维之间的结合，提高纸张性能。Kang等人（2020a）通过调整特定工艺参数，优化了碳酸钙的预絮凝处理，提高了纸张强度，同时不损害其他基本性能。预絮凝改性技术被广泛认为可以缓解填料对纸张强度的负面影响，并提高填料含量。

相比之下，湿式涂层改性方法虽然具有简单的工艺流程和较短的处理时间，但其生成的填料悬浮液在长期储存过程中容易发生腐败和劣化，这显著增加了运输成本。脱水、干燥和研磨可以改善储存和运输性，但干燥过程会增加能耗。此外，机械研磨可能会破坏表面涂层层，影响改性效果。与之相比，干式预絮凝技术则是在干燥之后再进行改性处理，尽管这种方法增加了干燥成本，但它允许更好的控制颗粒尺寸，并确保一致的改性效果。此外，干燥后的粉末填料易于长期储存和运输。然而，目前干式预絮凝技术尚未广泛应用于市政污泥的改性处理，其改性效果和可行性仍需进一步研究。

本文提出了一种新型的干式预絮凝改性技术，并评估了其对纸张性能的影响。首先，对市政污泥颗粒的特性进行了研究，分析了不同改性方法对颗粒尺寸和分布的影响。随后，对填充有市政污泥颗粒的纸张样品进行了综合评估，包括其物理性能和机械强度。更重要的是，本文揭示了改性过程和纸张界面增强的机制。通过干式预絮凝改性技术处理市政污泥，并将其作为纸张填料，不仅能够有效降低纸张制造成本，还能够实现市政污泥的资源回收，缓解环境污染。这一方法为类似废弃物资源的高效利用提供了一条新的途径。

在实验材料方面，本文采用了打浆度为20–25 °SR的木材浆作为纸张样品的制备原料。市政污泥由江苏江南水务有限公司提供。分析级的阳离子淀粉由廊坊 composer 惠伟科技有限公司购得。实验室制备的去离子水作为实验用水。高岭土、碳酸钙和滑石粉则由新百自动化有限公司提供。这些材料的选择确保了实验的可靠性和可重复性，为后续的改性处理和性能评估提供了基础。

在市政污泥颗粒的改性过程中，本文采用了多种方法进行比较。其中，干式预絮凝技术是一种较为先进的方法，它通过干燥处理污泥颗粒，使其在后续的改性过程中更容易控制颗粒尺寸，并提高颗粒的均匀分布。与其他方法相比，干式预絮凝技术能够减少颗粒在储存和运输过程中的损失，同时降低能耗。此外，干燥后的粉末填料能够更好地与纸浆纤维结合，从而提高纸张的机械性能和填料保留率。

在实验过程中，本文对市政污泥颗粒的物理特性进行了详细分析，包括其粒径分布和表面特性。通过对比不同改性方法后的颗粒特性，发现干式预絮凝处理后的颗粒具有更均匀的分布和更适中的粒径。具体而言，干式预絮凝处理后的颗粒中位数为42.86 μm，而未经处理的污泥颗粒中位数仅为7.290 μm。这种粒径的调整使得颗粒能够更好地填充纤维之间的空隙，同时增强与纤维之间的氢键作用和静电相互作用，从而提高填料的保留率。

实验结果表明，填充有干式预絮凝处理市政污泥颗粒的纸张样品在多个性能指标上均优于传统填料处理的样品。例如，其拉伸指数和破裂指数与纯纤维纸张样品相当，而填料保留率则达到了79.69%，几乎是未经处理污泥颗粒保留率的三倍。这些性能的提升主要得益于改性过程中产生的电荷中和、扫聚絮凝和氢键作用，这些作用显著改变了颗粒的形态，并改善了纤维与填料之间的相互作用。

此外，本文还探讨了干式预絮凝技术在实际应用中的可行性。通过实验数据的分析，发现该技术不仅能够提高填料的保留率，还能够改善纸张的机械性能。同时，该技术在处理过程中产生的废弃物较少，符合环保要求。这些优势使得干式预絮凝技术成为一种具有广泛应用前景的污泥处理方法。

总的来说，本文通过实验研究，揭示了干式预絮凝技术在市政污泥处理中的潜力。该技术能够有效提高填料的保留率和纸张的机械性能，同时降低处理成本和环境污染。未来，随着环保意识的提高和资源回收技术的发展，干式预絮凝技术有望在市政污泥处理领域得到更广泛的应用。此外，该技术还可以推广到其他类型的污泥处理，为类似废弃物资源的高效利用提供参考。通过进一步的研究和优化，干式预絮凝技术有望成为一种可持续、高效的污泥处理方案，为环境保护和资源回收做出更大的贡献。