篩分回收污水中纖維素物質(zhì)

編者按：污水中20%有機(jī)質(zhì)來源于廁紙，主要成分乃纖維素物質(zhì)。纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、穩(wěn)定，在污水好氧處理以及后續(xù)污泥厭氧消化過程中都很難降解，它們大多殘留于消化污泥之中。纖維素與絲狀細(xì)菌結(jié)構(gòu)上有相似之處，在污水處理過程中可以充當(dāng)“骨架”而現(xiàn)象可能出現(xiàn)與污泥膨脹類似的污泥絮體蓬松現(xiàn)象。可見，纖維素非但難以降解，而且會影響污水處理正常運(yùn)行。因此，有必要將纖維素在污水處理前端以大孔徑膜分離方式篩分出來并予以回收。其實(shí)，纖維素是一種可被充分利用的資源，可以用作泡沫混凝土、透水瀝青等建筑材料的填充劑，這些實(shí)踐已在荷蘭嘗試并取得了令人滿意的效果。本期回顧2017年發(fā)表于《中國給水排水》文章，在介紹污水中纖維素物質(zhì)來源、含量、結(jié)構(gòu)特征、生物降解特性基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹荷蘭前端篩分纖維素概念、目的、意義、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐，以供了解和參考。

01 污水中的纖維素

污水中總纖維素（學(xué)名為木質(zhì)纖維素物質(zhì)）主要是由廁紙、廚余殘?jiān)?、合流制中的雜草與樹葉等構(gòu)成。木質(zhì)纖維素由半纖維素(木糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖以及它們的單體衍生物)、纖維素(D－吡喃型葡萄糖)和木質(zhì)素(苯丙烷單元)組成。它們的分子結(jié)構(gòu)與聚合物的穩(wěn)定聚合狀態(tài)是導(dǎo)致這類物質(zhì)生物降解性變差的主要原因。一般來說，木質(zhì)纖維素中的三種基本成分不會彼此獨(dú)立存在，鏈狀纖維素分子所組成的纖維束骨架通過半纖維素的聯(lián)結(jié)作用使得木質(zhì)素纏繞包裹在纖維束周圍，形成整體結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定的復(fù)雜聚合物，如圖1所示。

木質(zhì)纖維素整體生物降解性能較低，源于木質(zhì)素穩(wěn)定包裹作用和本身降解復(fù)雜性、頑固性，使木質(zhì)素在生物處理過程中實(shí)際起到了保護(hù)纖維素和半纖維素的作用，最終阻礙水解酶發(fā)揮有效作用。除非對木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)進(jìn)行“破穩(wěn)”(如，預(yù)處理)，否則，木質(zhì)纖維素在好氧(污水處理)及厭氧(污泥處理)過程中均難以被降解，最后大多殘留于消化后的剩余污泥之中；在殘余有機(jī)成分中占比高達(dá)39%。

荷蘭經(jīng)驗(yàn)表明，污水COD中23%來源于廁紙。阿姆斯特丹下水管網(wǎng)服務(wù)人口當(dāng)量約120萬，每年有12 000~15 000 t/a廁紙進(jìn)入污水管網(wǎng)（歐洲如廁手紙普遍直接丟棄馬桶沖入下水道），廁紙成為污水中總纖維素的主要來源，這相當(dāng)于原水SS中有40%直接來源于手紙分解后的纖維素，折算COD為17 000~21 000 t/a，即，構(gòu)成25%~30%的進(jìn)水COD負(fù)荷。

02 前端篩分纖維素概念

由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定，在污水處理中通過曝氣等活性污泥法難以使其降解，最后它們大多數(shù)會吸附于剩余污泥之中，在隨后的污泥厭氧消化過程亦難以降解，只能留存于消化后的熟污泥中，在填埋或回田后緩慢自然生物降解，或隨污泥一起干化、焚燒。

此外，木質(zhì)纖維素因其結(jié)構(gòu)與絲狀菌相似，可能還具有與絲狀菌一樣的某些“架橋”作用，具有與污泥膨脹類似的使污泥絮體蓬松之嫌疑。進(jìn)言之，木質(zhì)纖維素也會成為消化污泥的“骨架”，導(dǎo)致熟污泥濃縮脫水后體積無法進(jìn)一步減少。

因此，纖維素對于污水、污泥處理來說，最好的辦法就是通過篩分方式在污水處理的前端將其“拿下”，不讓其進(jìn)入后續(xù)處理過程。這樣，污泥量大、污泥膨脹等弊端均會被消除，被篩分出的纖維素可用作多種用途。前端篩分纖維素單元可根據(jù)具體情況，最好設(shè)置在污水處理流程的沉砂池后，一般采用大孔徑膜低耗過濾即可實(shí)現(xiàn)。

03 篩分纖維素研究與應(yīng)用

首先是有關(guān)膜處理在篩分纖維素上的研究。膜用于污水處理的歷史雖然不長，但其應(yīng)用的范圍卻十分廣泛，如，在膜反應(yīng)器(MBR)上的應(yīng)用。由于MBR中膜分離的是活性污泥絮凝體或游離細(xì)菌，介于微濾和超濾之間，膜孔徑通常為0.1~0.4 μm，需要加壓才能實(shí)現(xiàn)泥水分離。

有挪威研究者為了針對歐盟在一級處理上的嚴(yán)格要求(BOD5去除率最低為20%，SS去除率最低為50%)，在9座污水處理廠分別進(jìn)行了前端膜過濾SS的生產(chǎn)性試驗(yàn)(膜孔徑為80~850 μm)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)350 μm孔徑旋轉(zhuǎn)帶式膜對SS的過濾、截留效果最好，經(jīng)離心篩分最大可截留50%~80%的SS，比初沉池效果明顯。

有鑒于此，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)在某污水廠開展了膜分離(孔徑為0.35 mm)、篩分纖維素的中試(處理水量Q=3.84×104m3/d進(jìn)水COD=441 mg/L)。篩分設(shè)備與上述挪威試驗(yàn)相似，直接安裝在6 mm細(xì)格柵之后運(yùn)行［膜通量為30 m3/(m2·h)］。中試結(jié)果顯示，0.35 mm孔徑膜分離對SS平均篩分率為50%，其中對COD的去除率為35%、對TN的去除率為1%、對TP的去除率＜1%。木質(zhì)纖維素平均長度一般為1.0~1.2mm，這與幾種荷蘭市售衛(wèi)生紙纖維素長度基本一樣，這意味著0.35 mm孔徑膜截留篩分的SS中纖維素成分應(yīng)占絕大多數(shù)。對截留的SS進(jìn)一步測溫分析顯示，有機(jī)成分占94%(6%為無機(jī)物)，其中纖維素與其它有機(jī)質(zhì)比例約為5:1，即纖維素成分約占截留SS的80%。過濾前、后水質(zhì)效果如圖2所示。

為了比較膜篩分在截留纖維素上是否具有明顯作用，將中試結(jié)果與來自其它2座污水處理廠初沉污泥數(shù)據(jù)對比，雖然這兩個廠初沉池對SS去除率也是50%，但其中纖維素占有機(jī)質(zhì)的比例僅為32%和38%，初沉池截留纖維素的效果顯然不及試驗(yàn)廠的膜篩分。前端膜過濾篩分后的纖維素相當(dāng)于截留了30%的進(jìn)水COD負(fù)荷。

這些纖維素回收后有多種用途，可用于造紙及制作隔音材料、生物復(fù)合材料、混凝土/瀝青添加劑、土壤改良劑、生物質(zhì)燃料等。其中，回收纖維素用作透水瀝青添加劑在荷蘭已有嘗試。相對于摻雜聚酯纖維透水瀝青而言，由纖維素透水瀝青鋪設(shè)的路面具有吸能降噪、彈性好、空隙率高等特點(diǎn)，有助于雨水下滲。回收的纖維素重金屬含量極低，可摻雜有機(jī)固體廢棄物簡單處理后作為土壤改良劑，能夠消除直接采用剩余污泥回田對植物的某些抑制作用和對地下水的污染風(fēng)險。

根據(jù)中試設(shè)備測算，前端膜篩分設(shè)備投資回報(bào)期約為7年，使用壽命長達(dá)15 a。更大的經(jīng)濟(jì)利益還在于前端膜篩分的使用可大大節(jié)省后端用于污泥處理、處置的費(fèi)用，約可節(jié)約中試廠污泥處理、處置費(fèi)用125 000歐元/a。移除纖維素這種“惰性”COD對處理負(fù)荷的提升也不容忽視，在不增加反應(yīng)池容積的情況下可增加約1/3的COD去除負(fù)荷。由于設(shè)置前端膜篩分纖維素，整個污水處理廠至少可以降低40%的能源消耗。

04 結(jié)語

盡管碳捕捉、碳分離的一些概念在國際上出現(xiàn)，但那都是針對歐美等國家進(jìn)水中高有機(jī)物（COD>600 mg/L）提出的分離COD用于厭氧消化產(chǎn)甲烷舉措。顯然，這種措施對我國污水碳源普遍不足的現(xiàn)實(shí)并不適用，否則，前端回收的COD在處理過程中還得外加碳源再補(bǔ)回來進(jìn)行脫氮除磷。因此，對中國而言，前端碳分離以捕捉纖維素物質(zhì)更為簡單而現(xiàn)實(shí)。此外，纖維素分離不僅可實(shí)現(xiàn)資源回收，亦可實(shí)現(xiàn)污泥減量、降低運(yùn)能耗、增加處理負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。