編者按：污水中20%有機(jī)質(zhì)來(lái)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(guò)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(guò)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?？梢?jiàn)，纖維素非但難以降解，而且會(huì)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(lái)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(guó)給水排水》文章，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)⒑狭髦浦械碾s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(lái)說(shuō)，木質(zhì)纖維素中的三種基本成分不會(huì)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(guò)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(duì)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(guò)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(lái)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(wàn)，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(lái)源，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。

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(guò)曝氣等活性污泥法難以使其降解，最后它們大多數(shù)會(huì)吸附于剩余污泥之中，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，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(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)，最好的辦法就是通過(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，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(guò)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(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(duì)歐盟在一級(jí)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(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)350 μm孔徑旋轉(zhuǎn)帶式膜對(duì)SS的過(guò)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(kāi)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(duì)SS平均篩分率為50%，其中對(duì)COD的去除率為35%、對(duì)TN的去除率為1%、對(duì)TP的去除率<1%。木質(zhì)纖維素平均長(zhǎng)度一般為1.0~1.2mm，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(guò)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(lái)自其它2座污水處理廠初沉污泥數(shù)據(jù)對(duì)比，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。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。

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(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)備投資回報(bào)期約為7年，使用壽命長(zhǎng)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(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)

盡管碳捕捉、碳分離的一些概念在國(guó)際上出現(xiàn)，但那都是針對(duì)歐美等國(guó)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(duì)我國(guó)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(guò)程中還得外加碳源再補(bǔ)回來(lái)進(jìn)行脫氮除磷。因此，對(duì)中國(guó)而言，前端碳分離以捕捉纖維素物質(zhì)更為簡(jiǎn)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)。