污水纖維素：價值資源、回收節(jié)能
來源：水業(yè)碳中和資訊作者：李雅軒 劉然彬等
污水是資源能源載體已然是行業(yè)的共識，污水管理的轉(zhuǎn)變也是以此為基礎(chǔ)而展開的。在“雙碳目標(biāo)”進(jìn)程中，相比于其他行業(yè)，污水處理行業(yè)可實(shí)現(xiàn)碳中和的優(yōu)勢也體現(xiàn)在此——污水中的資源和能源，而這關(guān)鍵在于“路徑”，即相應(yīng)的回收技術(shù)工藝和末端產(chǎn)品應(yīng)用。近日，F(xiàn)oglia等（2021）對9種污水資源能源回收技術(shù)進(jìn)行了評價，從經(jīng)濟(jì)社會和環(huán)境綜合效益角度展開對比分析排序，包括甲烷生成、磷回收（包括鳥糞石、磷酸鈣鏟平或直接做肥料）、PHB、VFAs回收和纖維素回收。有趣的是，結(jié)果顯示進(jìn)行“纖維素回收”的污水處理情景取得了最好的經(jīng)濟(jì)社會效益以及最低的環(huán)境影響。本期以課題組最新發(fā)表的一篇綜述再談污水纖維素回收。
污水中纖維素的回收潛力很大嗎？
在往期文章《篩分回收污水中纖維素物質(zhì)》中已做過介紹，城鎮(zhèn)生活污水中纖維素來源于廁紙、廚余殘渣以及合流制中的雜草與樹葉等，而主要來源則是廁紙的使用。圖1總結(jié)了世界上一些國家/地區(qū)的衛(wèi)生紙消費(fèi)情況，西歐發(fā)達(dá)地區(qū)人均衛(wèi)生紙使用量約為16 kg/a，而北美地區(qū)則高達(dá)26 kg/a（這可能是北美地區(qū)總是報道搶購衛(wèi)生紙的原因吧~），以當(dāng)?shù)厝司鬯窟M(jìn)行折算，可得污水中纖維素量分別大約為157和178 mg/L（以SS計），荷蘭污水種纖維素量則高達(dá)256 mg/L。
而我國雖然人均衛(wèi)生紙使用量不高，但由于我國人口基數(shù)大且人均用水量低，導(dǎo)致我國污水中纖維素含量并不低（約為118 mg/L），加上我國龐大的人口數(shù)量，我國每年進(jìn)入污水的纖維素約為650萬噸，如果將這些纖維素回收再加以利用，那么可以帶來積極的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
纖維素在城鎮(zhèn)污水處理工藝中是如何遷移轉(zhuǎn)化的？
從馬桶排水開始一直到污水處理廠的前端，污水中攜帶的衛(wèi)生紙會逐漸裂解為纖維素或纖維素絮體。要對其進(jìn)行回收，了解厘清它的遷移轉(zhuǎn)化或歸宿是第一步�；诠に嚵鞒虨楦駯�+沉砂池+初沉池（有時不設(shè)置）+生物池+二沉池的典型污水處理，我們總結(jié)了纖維素的物質(zhì)流如圖2所示。
可以看出，污水處理廠中一級處理單元對纖維素的截留效果非常明顯，其中沉砂池可截留約20%的纖維素，而專門設(shè)計用于去除固體顆粒物的初沉池截留率則高達(dá)80%，而約10%的纖維素會在生物池中降解。在無初沉池的情形下，大部分纖維素會進(jìn)入生物池，而且大部分會被生物降解掉（~66%）。
由此可知，典型的物理處理單元或物理過程就可以很好地截留纖維素，也就是在有初沉池時，纖維素大部分歸宿于污泥中；而一級處理無法很好地截留纖維素時（無初沉池），則會在生物池中被降解掉。也就是說，雖然纖維素分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所報道的好氧降解速率并不是很低（這取決于污泥中纖維素酶的產(chǎn)生量，在無初沉池下，大量纖維素進(jìn)入生物池，這馴化了污泥產(chǎn)生纖維素酶的水平），這也就是為什么纖維素帶來曝氣量上升的原因（詳見往期文章：污水纖維素回收：一石二鳥）。
纖維素對污水處理過程是否存在影響？
纖維素對污水處理過程的影響可以從兩方面來認(rèn)識，纖維素的存在對污水處理的影響以及纖維素回收對污水處理的影響。由往期文章和文獻(xiàn)調(diào)研，纖維素的性質(zhì)可總結(jié)為幾個關(guān)鍵詞：多官能團(tuán)、絲狀結(jié)構(gòu)、粘滯性和可降解性。這四種性質(zhì)也是纖維素影響污水處理過程的內(nèi)部原因。如纖維素性質(zhì)和影響年輪圖所示（內(nèi)圈和外圈存在交集說明兩者存在聯(lián)系），纖維素的多官能團(tuán)和絲狀結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致污泥絮體結(jié)構(gòu)和性能的變化，比如發(fā)生膨脹；另外，由于纖維素的可降解性、絲狀結(jié)構(gòu)和增加水的粘滯性，則導(dǎo)致氧氣傳質(zhì)下降，帶來曝氣量的上升。
當(dāng)然，從正面看，纖維素的可降解性，用于污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷，甲烷產(chǎn)量高、污泥產(chǎn)率低。從這些影響上來看，纖維素具有回收的價值，因?yàn)榛厥諏ξ鬯幚韮?nèi)部有好處——減少泥產(chǎn)量（下降23%）、降低曝氣耗能（下降32%~40%）、減少對膜組件的污染。但是，人們也會擔(dān)心回收纖維素是否會對污水處理產(chǎn)生不利影響，答案是“并無明顯影響”，這在往期文章中已有介紹（參見：污水纖維素回收：一石二鳥）。
那如何有效回收污水中的纖維素呢？
從上文纖維素的遷移轉(zhuǎn)化可以看出，回收纖維素的位點(diǎn)應(yīng)該在生物池之前，粗格柵或沉砂池之后，即前端回收。初沉池就可以很好地對纖維素進(jìn)行截留，但是初沉池的污泥“蘿卜白菜一勺燴”，纖維素是吸附包裹在污泥中的，還得對污泥進(jìn)一步處理才能得到纖維素。實(shí)際上，目前對污水中纖維素回收最有效的方法是旋轉(zhuǎn)帶式過濾器（RBF），這在往期文章中已有初步介紹，在此主要介紹下RBF集成裝置的組成和工作過程。
實(shí)際上，RBF技術(shù)源自北歐，屬于強(qiáng)化型一級處理技術(shù)，由于北歐氣溫較低，污水經(jīng)過RBF后可能就直接排放了；有時，RBF也用于CSO的污染控制。目前，RBF技術(shù)已是高度集成化成型裝置。如上圖所示，集成裝置一般包含三個單元：進(jìn)水/出水腔室、旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)、污泥濃縮和收集單元。進(jìn)水在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的篩網(wǎng)時，部分SS（主要是纖維素）被截留在篩網(wǎng)上，然后旋轉(zhuǎn)至壓縮單元并被刮除進(jìn)收集單元排出。
也就是說，RBF裝置自帶同步脫水功能，即可以通過螺旋壓榨機(jī)對收集到的篩分固體進(jìn)行濃縮脫水。由此可知，纖維素的回收較為簡單且效率高，這也就是Foglia等（2021）的評價中纖維素回收最優(yōu)的原因之一。當(dāng)然，RBF也存在過濾工藝通常的問題——即阻塞（由于處理前端，尤其是油脂的阻塞）。因此需要篩網(wǎng)進(jìn)行定期清洗，這可以通過集成到裝置中的反沖洗（可采用熱水反沖洗）、刮除器等來實(shí)現(xiàn)，也亟需開發(fā)更為高效經(jīng)濟(jì)的方法。
污水中纖維素回收后的下游產(chǎn)業(yè)鏈如何呢？
污水中是資源能源的載體早已得到廣泛認(rèn)知，但部分路徑得不到推廣應(yīng)用的原因之一就是下游產(chǎn)業(yè)鏈的打通問題，即應(yīng)用市場。而纖維素在這方面并不用擔(dān)心，這是Foglia等（2021）的評價中纖維素回收最優(yōu)的另一個原因。往期文章中（篩分回收污水中纖維素物質(zhì)）已做過初步介紹，在荷蘭，回收的纖維素已作為瀝青添加劑用于道路鋪設(shè)。另外，還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。
本文則介紹回收纖維素的另一個應(yīng)用，——纖維素輔助污泥脫水（CADoS）。由上文可知，由于纖維素的絲狀結(jié)構(gòu)，纖維素進(jìn)入污泥后會發(fā)生膨脹。但是，荷蘭工程人員觀察到，這一特性有助于污泥脫水。按照纖維素:污泥=0.3:1的比例投加，同時使用少量的聚合電解質(zhì)輔助，便可得到30%干重的泥餅，可大大節(jié)省污泥脫水的藥劑投加量和能耗，正所謂“原湯化原食”。由此可知，回收的纖維素既可以原位就地利用，也可以外運(yùn)進(jìn)入市場，保障了纖維素回收的市場動力。
據(jù)筆者的了解，目前并沒有查到國內(nèi)的相關(guān)應(yīng)用。不過好像有過應(yīng)用案例，但并不清楚什么原因而停止了。實(shí)際上，隨著污水處理提標(biāo)改造的進(jìn)行，已經(jīng)逐步重視一級處理單元的優(yōu)化，部分污水廠升級后，增加了精細(xì)格柵或膜格柵，孔徑在幾個mm左右，而這一孔徑大小跟RBF相差不大，因此，設(shè)計有膜格柵的水廠可專門監(jiān)測下柵渣，沒準(zhǔn)就是 “被忽視浪費(fèi)的資源”，對其回收可能還會帶來一定的經(jīng)濟(jì)收益。在污水已是資源成為共識的今天，在開發(fā)回收技術(shù)的同時挖掘打通上下游產(chǎn)業(yè)鏈、推動資源回收落地應(yīng)用應(yīng)是我們必須思考和探究的方向，這也讓我想起了周星馳電影里的一句經(jīng)典臺詞：“就算是一張衛(wèi)生紙都有它的用處”——回收纖維素。
