筛分回收污水中纤维素物质
编者按：污水中20%有机质来源于厕纸，主要成分乃纤维素物质。纤维素化学结构异常复杂、稳定，在污水好氧处理以及后续污泥厌氧消化过程中都很难降解，它们大多残留于消化污泥之中。纤维素与丝状细菌结构上有相似之处，在污水处理过程中可以充当“骨架”而现象可能出现与污泥膨胀类似的污泥絮体蓬松现象。可见，纤维素非但难以降解，而且会影响污水处理正常运行。因此，有必要将纤维素在污水处理前端以大孔径膜分离方式筛分出来并予以回收。其实，纤维素是一种可被充分利用的资源，可以用作泡沫混凝土、透水沥青等建筑材料的填充剂，这些实践已在荷兰尝试并取得了令人满意的效果。本期回顾2017年发表于《中国给水排水》文章，在介绍污水中纤维素物质来源、含量、结构特征、生物降解特性基础上，重点介绍荷兰前端筛分纤维素概念、目的、意义、实验、实践，以供了解和参考。
01 污水中的纤维素
污水中总纤维素（学名为木质纤维素物质）主要是由厕纸、厨余残渣、合流制中的杂草与树叶等构成。木质纤维素由半纤维素(木糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖以及它们的单体衍生物)、纤维素(D－吡喃型葡萄糖)和木质素(苯丙烷单元)组成。它们的分子结构与聚合物的稳定聚合状态是导致这类物质生物降解性变差的主要原因。一般来说，木质纤维素中的三种基本成分不会彼此独立存在，链状纤维素分子所组成的纤维束骨架通过半纤维素的联结作用使得木质素缠绕包裹在纤维束周围，形成整体结构致密稳定的复杂聚合物，如图1所示。
木质纤维素整体生物降解性能较低，源于木质素稳定包裹作用和本身降解复杂性、顽固性，使木质素在生物处理过程中实际起到了保护纤维素和半纤维素的作用，最终阻碍水解酶发挥有效作用。除非对木质纤维素结构进行“破稳”(如，预处理)，否则，木质纤维素在好氧(污水处理)及厌氧(污泥处理)过程中均难以被降解，最后大多残留于消化后的剩余污泥之中；在残余有机成分中占比高达39%。
荷兰经验表明，污水COD中23%来源于厕纸。阿姆斯特丹下水管网服务人口当量约120万，每年有12 000~15 000 t/a厕纸进入污水管网（欧洲如厕手纸普遍直接丢弃马桶冲入下水道），厕纸成为污水中总纤维素的主要来源，这相当于原水SS中有40%直接来源于手纸分解后的纤维素，折算COD为17 000~21 000 t/a，即，构成25%~30%的进水COD负荷。
02 前端筛分纤维素概念
由于木质纤维素结构异常稳定，在污水处理中通过曝气等活性污泥法难以使其降解，最后它们大多数会吸附于剩余污泥之中，在随后的污泥厌氧消化过程亦难以降解，只能留存于消化后的熟污泥中，在填埋或回田后缓慢自然生物降解，或随污泥一起干化、焚烧。
此外，木质纤维素因其结构与丝状菌相似，可能还具有与丝状菌一样的某些“架桥”作用，具有与污泥膨胀类似的使污泥絮体蓬松之嫌疑。进言之，木质纤维素也会成为消化污泥的“骨架”，导致熟污泥浓缩脱水后体积无法进一步减少。
因此，纤维素对于污水、污泥处理来说，最好的办法就是通过筛分方式在污水处理的前端将其“拿下”，不让其进入后续处理过程。这样，污泥量大、污泥膨胀等弊端均会被消除，被筛分出的纤维素可用作多种用途。前端筛分纤维素单元可根据具体情况，最好设置在污水处理流程的沉砂池后，一般采用大孔径膜低耗过滤即可实现。
03 筛分纤维素研究与应用
首先是有关膜处理在筛分纤维素上的研究。膜用于污水处理的历史虽然不长，但其应用的范围却十分广泛，如，在膜反应器(MBR)上的应用。由于MBR中膜分离的是活性污泥絮凝体或游离细菌，介于微滤和超滤之间，膜孔径通常为0.1~0.4 μm，需要加压才能实现泥水分离。
有挪威研究者为了针对欧盟在一级处理上的严格要求(BOD5去除率最低为20%，SS去除率最低为50%)，在9座污水处理厂分别进行了前端膜过滤SS的生产性试验(膜孔径为80~850 μm)，结果发现350 μm孔径旋转带式膜对SS的过滤、截留效果最好，经离心筛分最大可截留50%~80%的SS，比初沉池效果明显。
有鉴于此，荷兰代尔夫特理工大学在某污水厂开展了膜分离(孔径为0.35 mm)、筛分纤维素的中试(处理水量Q=3.84×104m3/d进水COD=441 mg/L)。筛分设备与上述挪威试验相似，直接安装在6 mm细格栅之后运行［膜通量为30 m3/(m2·h)］。中试结果显示，0.35 mm孔径膜分离对SS平均筛分率为50%，其中对COD的去除率为35%、对TN的去除率为1%、对TP的去除率＜1%。木质纤维素平均长度一般为1.0~1.2mm，这与几种荷兰市售卫生纸纤维素长度基本一样，这意味着0.35 mm孔径膜截留筛分的SS中纤维素成分应占绝大多数。对截留的SS进一步测温分析显示，有机成分占94%(6%为无机物)，其中纤维素与其它有机质比例约为5:1，即纤维素成分约占截留SS的80%。过滤前、后水质效果如图2所示。
为了比较膜筛分在截留纤维素上是否具有明显作用，将中试结果与来自其它2座污水处理厂初沉污泥数据对比，虽然这两个厂初沉池对SS去除率也是50%，但其中纤维素占有机质的比例仅为32%和38%，初沉池截留纤维素的效果显然不及试验厂的膜筛分。前端膜过滤筛分后的纤维素相当于截留了30%的进水COD负荷。
这些纤维素回收后有多种用途，可用于造纸及制作隔音材料、生物复合材料、混凝土/沥青添加剂、土壤改良剂、生物质燃料等。其中，回收纤维素用作透水沥青添加剂在荷兰已有尝试。相对于掺杂聚酯纤维透水沥青而言，由纤维素透水沥青铺设的路面具有吸能降噪、弹性好、空隙率高等特点，有助于雨水下渗。回收的纤维素重金属含量极低，可掺杂有机固体废弃物简单处理后作为土壤改良剂，能够消除直接采用剩余污泥回田对植物的某些抑制作用和对地下水的污染风险。
根据中试设备测算，前端膜筛分设备投资回报期约为7年，使用寿命长达15 a。更大的经济利益还在于前端膜筛分的使用可大大节省后端用于污泥处理、处置的费用，约可节约中试厂污泥处理、处置费用125 000欧元/a。移除纤维素这种“惰性”COD对处理负荷的提升也不容忽视，在不增加反应池容积的情况下可增加约1/3的COD去除负荷。由于设置前端膜筛分纤维素，整个污水处理厂至少可以降低40%的能源消耗。
04 结语
尽管碳捕捉、碳分离的一些概念在国际上出现，但那都是针对欧美等国家进水中高有机物（COD>600 mg/L）提出的分离COD用于厌氧消化产甲烷举措。显然，这种措施对我国污水碳源普遍不足的现实并不适用，否则，前端回收的COD在处理过程中还得外加碳源再补回来进行脱氮除磷。因此，对中国而言，前端碳分离以捕捉纤维素物质更为简单而现实。此外，纤维素分离不仅可实现资源回收，亦可实现污泥减量、降低运能耗、增加处理负荷等优点。
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