篩分回收污水中纖維素物質
編者按：污水中20%有機質來源于廁紙，主要成分乃纖維素物質。纖維素化學結構異常復雜、穩定，在污水好氧處理以及后續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。纖維素與絲狀細菌結構上有相似之處，在污水處理過程中可以充當“骨架”而現象可能出現與污泥膨脹類似的污泥絮體蓬松現象。可見，纖維素非但難以降解，而且會影響污水處理正常運行。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，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年發表于《中國給水排水》文章，在介紹污水中纖維素物質來源、含量、結構特征、生物降解特性基礎上，重點介紹荷蘭前端篩分纖維素概念、目的、意義、實驗、實踐，以供了解和參考。
01 污水中的纖維素
污水中總纖維素（學名為木質纖維素物質）主要是由廁紙、廚余殘渣、合流制中的雜草與樹葉等構成。木質纖維素由半纖維素(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)和木質素(苯丙烷單元)組成。它們的分子結構與聚合物的穩定聚合狀態是導致這類物質生物降解性變差的主要原因。一般來說，木質纖維素中的三種基本成分不會彼此獨立存在，鏈狀纖維素分子所組成的纖維束骨架通過半纖維素的聯結作用使得木質素纏繞包裹在纖維束周圍，形成整體結構致密穩定的復雜聚合物，如圖1所示。
木質纖維素整體生物降解性能較低，源于木質素穩定包裹作用和本身降解復雜性、頑固性，使木質素在生物處理過程中實際起到了保護纖維素和半纖維素的作用，最終阻礙水解酶發揮有效作用。除非對木質纖維素結構進行“破穩”(如，預處理)，否則，木質纖維素在好氧(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；在殘余有機成分中占比高達39%。
荷蘭經驗表明，污水COD中23%來源于廁紙。阿姆斯特丹下水管網服務人口當量約120萬，每年有12 000~15 000 t/a廁紙進入污水管網（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，構成25%~30%的進水COD負荷。
02 前端篩分纖維素概念
由于木質纖維素結構異常穩定，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，木質纖維素因其結構與絲狀菌相似，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。進言之，木質纖維素也會成為消化污泥的“骨架”，導致熟污泥濃縮脫水后體積無法進一步減少。
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”，不讓其進入后續處理過程。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具體情況，最好設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現。
03 篩分纖維素研究與應用
首先是有關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，但其應用的范圍卻十分廣泛，如，在膜反應器(MBR)上的應用。由于MBR中膜分離的是活性污泥絮凝體或游離細菌，介于微濾和超濾之間，膜孔徑通常為0.1~0.4 μm，需要加壓才能實現泥水分離。
有挪威研究者為了針對歐盟在一級處理上的嚴格要求(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行了前端膜過濾SS的生產性試驗(膜孔徑為80~850 μm)，結果發現350 μm孔徑旋轉帶式膜對SS的過濾、截留效果最好，經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進水COD=441 mg/L)。篩分設備與上述挪威試驗相似，直接安裝在6 mm細格柵之后運行［膜通量為30 m3/(m2·h)］。中試結果顯示，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%。木質纖維素平均長度一般為1.0~1.2mm，這與幾種荷蘭市售衛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中纖維素成分應占絕大多數。對截留的SS進一步測溫分析顯示，有機成分占94%(6%為無機物)，其中纖維素與其它有機質比例約為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，將中試結果與來自其它2座污水處理廠初沉污泥數據對比，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質的比例僅為32%和38%，初沉池截留纖維素的效果顯然不及試驗廠的膜篩分。前端膜過濾篩分后的纖維素相當于截留了30%的進水COD負荷。
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、生物復合材料、混凝土/瀝青添加劑、土壤改良劑、生物質燃料等。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的路面具有吸能降噪、彈性好、空隙率高等特點，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險。
根據中試設備測算，前端膜篩分設備投資回報期約為7年，使用壽命長達15 a。更大的經濟利益還在于前端膜篩分的使用可大大節省后端用于污泥處理、處置的費用，約可節約中試廠污泥處理、處置費用125 000歐元/a。移除纖維素這種“惰性”COD對處理負荷的提升也不容忽視，在不增加反應池容積的情況下可增加約1/3的COD去除負荷。由于設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 結語
盡管碳捕捉、碳分離的一些概念在國際上出現，但那都是針對歐美等國家進水中高有機物（COD>600 mg/L）提出的分離COD用于厭氧消化產甲烷舉措。顯然，這種措施對我國污水碳源普遍不足的現實并不適用，否則，前端回收的COD在處理過程中還得外加碳源再補回來進行脫氮除磷。因此，對中國而言，前端碳分離以捕捉纖維素物質更為簡單而現實。此外，纖維素分離不僅可實現資源回收，亦可實現污泥減量、降低運能耗、增加處理負荷等優點。
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