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污水碳源分離新概念——篩分纖維素
追求污水處理碳中和運(yùn)行目標(biāo)產(chǎn)生了從污水中前端分離碳源(碳捕捉)的歐洲概念，使之用于后端厭氧消化轉(zhuǎn)化甲烷。我國(guó)市政污水碳源(COD)濃度普遍偏低，連脫氮除磷碳源需求都難以滿(mǎn)足，這就限制了碳捕捉的理論和實(shí)踐。然而，另外一種碳捕捉概念似乎是普遍適用的，那就是前端篩分纖維素。纖維素物質(zhì)本身化學(xué)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、穩(wěn)固，在污水好氧處理以及污泥厭氧消化過(guò)程中都難以降解，zui后大多殘留于消化污泥之中，從而加大剩余污泥產(chǎn)量。況且，纖維素與絲狀細(xì)菌結(jié)構(gòu)上有相似之處，存在“架橋”而導(dǎo)致污泥膨脹的可能。因此，將纖維素在污水處理前端以大孔徑膜分離方式篩分出來(lái)應(yīng)該是為污水、污泥處理減負(fù)的重要舉措;篩分后的纖維素可回收用作他用(如生產(chǎn)透水瀝青等)，纖維素篩分后可降低整體運(yùn)行能耗40%，增加處理負(fù)荷30%。
污水是資源與能源載體這一理念目前已形成共識(shí)，以“碳中和”為目的的運(yùn)行實(shí)踐已成為歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家普遍追求的目標(biāo)。于是，發(fā)掘和利用污水潛能正引導(dǎo)著污水處理走向能源自給新時(shí)代。在此方面，研究及應(yīng)用zui多的是利用剩余污泥中的化學(xué)熱(COD)，使之厭氧消化后產(chǎn)生甲烷(CH4)被利用。另外，在污水處理前端“捕捉”進(jìn)水COD(碳源分離)，將其直接用于后端厭氧消化產(chǎn)CH4的概念和實(shí)踐在歐洲也開(kāi)始嘗試，即“污泥增量”概念。歐洲大多數(shù)國(guó)家市政污水有機(jī)物(COD)濃度較高，可達(dá)500~1 000 mg/L，滿(mǎn)足生物脫氮除磷后碳源仍有富余。因此，有研究者設(shè)想將脫氮除磷后多余COD在污水處理前端提前分離出來(lái)，以避免其被“以能耗能”而直接氧化至CO2。在此方面，既有利用A/B法A段“捕捉”溶解性COD的技術(shù)，也有各種前端碳源分離技術(shù)(如篩分、混凝沉淀、甚至磁分離等)。
我國(guó)市政污水有機(jī)物濃度普遍偏低，很多時(shí)候難以滿(mǎn)足生物脫氮除磷對(duì)碳源的需要。因此，前端碳源分離用于后端污泥厭氧消化產(chǎn)CH4的歐洲理念雖好但很難適合中國(guó)。然而，有一種前端碳源分離的歐洲概念卻是普遍適用的，即從污水處理的前端將纖維素物質(zhì)篩分出來(lái)，予以回收、利用。在介紹污水中纖維素物質(zhì)來(lái)源、含量、結(jié)構(gòu)特征、生物降解性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹歐洲前端篩分纖維素的概念、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
荷蘭經(jīng)驗(yàn)表明，污水COD中23%來(lái)源于如廁手紙。阿姆斯特丹下水管網(wǎng)服務(wù)人口當(dāng)量約120萬(wàn)人，有12 000~15 000 t/a手紙進(jìn)入污水管網(wǎng);這相當(dāng)于原水SS中有40%直接來(lái)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。
手紙，再加上廚余殘?jiān)?、合流制中雜草/樹(shù)葉等構(gòu)成了污水中總纖維素(學(xué)名為木質(zhì)纖維素物質(zhì))。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(lèi)物質(zhì)生物降解性變差的主要原因。木質(zhì)纖維素中的三種基本成分往往并不彼此獨(dú)立存在，鏈狀纖維素分子所組成的纖維束骨架通過(guò)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?chē)?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。
圖1 木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)
由于木質(zhì)素的穩(wěn)定包裹作用和本身降解的復(fù)雜性、頑固性，使得木質(zhì)素在生物處理過(guò)程中實(shí)際起到了保護(hù)纖維素和半纖維素的作用，這就阻礙了水解酶發(fā)揮有效作用，使得木質(zhì)纖維素整體的生物降解性能較低。除非存在對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的“破穩(wěn)”作用(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(guò)程均難以降解，zui后大多殘留于消化后剩余污泥之中，使之占?xì)堄嘤袡C(jī)成分比例高達(dá)39%。表1為一些國(guó)家和地區(qū)原污泥中木質(zhì)纖維素的含量，可高達(dá)剩余污泥重量的1/3。
表1 不同國(guó)家和地區(qū)剩余污泥(生污泥)中木質(zhì)纖維素含量
02
前端篩分纖維素概念
木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定，通過(guò)曝氣等活性污泥法難以降解，它們大多數(shù)zui后被吸附于剩余污泥;在隨后的污泥厭氧消化過(guò)程亦難以降解，只能留存于消化后的熟污泥中，或填埋/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，具有誘發(fā)污泥膨脹的嫌疑。進(jìn)言之，木質(zhì)纖維素也會(huì)成為消化污泥的“骨架”，導(dǎo)致熟污泥濃縮脫水后體積無(wú)法進(jìn)一步減少。因此，纖維素對(duì)于污水、污泥處理來(lái)說(shuō),的辦法就是通過(guò)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(guò)程。這樣，污泥量大、污泥膨脹等弊端均會(huì)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，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(guò)濾即可實(shí)現(xiàn)。
03
篩分纖維素研究與應(yīng)用
膜用于污水處理的歷史雖然不長(zhǎng)，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。針對(duì)歐盟對(duì)一級(jí)處理的嚴(yán)格要求(BOD5去除率zui低為20%，SS去除率zui低為50%)，挪威研究者在9座污水處理廠分別進(jìn)行了前端膜過(guò)濾SS的生產(chǎn)性試驗(yàn)(膜孔徑為80~850 μm),結(jié)果發(fā)現(xiàn)350μm孔徑旋轉(zhuǎn)帶式膜對(duì)SS的過(guò)濾、截留效果，經(jīng)離心篩分zui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(處理水量Q=3.84×104m3/d，進(jìn)水COD=441 mg/L)開(kāi)展了膜分離(孔徑為0.35 mm)、篩分纖維素的中試。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，0.35mm孔徑膜分離對(duì)SS的平均篩分率為50%，其中對(duì)COD、TN的去除率分別為35%、1%，對(duì)TP的去除率<1%。木質(zhì)纖維素平均長(zhǎng)度一般為1.0~1.2 mm，這與幾種荷蘭市售衛(wèi)生紙纖維素長(zhǎng)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(duì)截留的SS進(jìn)一步測(cè)溫分析顯示，有機(jī)成分占94%(6%為無(wú)機(jī)物)，其中纖維素與其他有機(jī)質(zhì)比例約為5∶1，即纖維素成分約占截留SS的80%，過(guò)濾前、后水質(zhì)效果如圖2所示。中試結(jié)果與來(lái)自其他2座污水處理廠初沉污泥數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，雖然這兩個(gè)廠初沉池對(duì)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。
圖2 膜過(guò)濾前后顯微觀察污水鏡像(膜孔徑為0.35 mm)
前端膜過(guò)濾篩分后的纖維素相當(dāng)于截留了30%的進(jìn)水COD負(fù)荷，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、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(duì)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?；厥盏睦w維素重金屬含量極低，可摻雜有機(jī)固體廢棄物簡(jiǎn)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(duì)植物的某些抑制作用和對(duì)地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)中試設(shè)備測(cè)算，前端膜篩分設(shè)備期約為7年，使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年。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(duì)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(gè)污水處理廠至少可以降低40%的能源消耗。
04
結(jié) 語(yǔ)
污水處理碳中和運(yùn)行目前不只停留在學(xué)術(shù)研討階段，歐美等國(guó)家已出現(xiàn)一些利用剩余污泥厭氧消化或外源有機(jī)物共消化實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的范例。更有歐美人追求污水有機(jī)物能源化更高目標(biāo)，試圖將污水中全部有機(jī)物“捕捉”而通過(guò)厭氧消化轉(zhuǎn)化能源。這個(gè)理念雖好，但必須采用非傳統(tǒng)方法對(duì)氮、磷加以去除或回收。主流厭氧氨氧化似乎可以用自養(yǎng)方式去除氮，但這項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)性(低溫適應(yīng)性以及殘留COD問(wèn)題)，目前仍停留在學(xué)術(shù)探索階段，離實(shí)踐以及工程控制還有很長(zhǎng)的距離。利用污水源熱泵技術(shù)雖可容易實(shí)現(xiàn)污水處理的碳中和運(yùn)行，但這是一個(gè)跨專(zhuān)業(yè)(暖通)的應(yīng)用領(lǐng)域。
因此，實(shí)施污水全部碳捕捉未必是一種普適性技術(shù)，特別是針對(duì)我國(guó)低碳源污水情況。然而，另外一種形式碳捕捉——前端篩分纖維素物質(zhì)，看上去概念新穎、道理簡(jiǎn)單、設(shè)備便捷、操作容易，其后果是可實(shí)現(xiàn)污泥減量、抑制污泥膨脹、回收纖維素、降低總能耗、增加處理負(fù)荷，因此具有廣泛的適用性。