污水中纤维素的回收潜力巨大，如何有效回收成为重要问题

2022-06-27 14:14:01

污水是资源能源载体已然是行业的共识，污水管理的转变也是以此为基础而展开的。

在“双碳目标”进程中，相比于其他行业，污水处理行业可实现碳中和的优势也体现在此——污水中的资源和能源，而这关键在于“路径”，即相应的回收技术工艺和末端产品应用。

近日，Foglia等（2021）对9种污水资源能源回收技术进行了评价，从经济社会和环境综合效益角度展开对比分析排序，包括甲烷生成、磷回收（包括鸟粪石、磷酸钙铲平或直接做肥料）、PHB、VFAs回收和纤维素回收。

有趣的是，结果显示进行“纤维素回收”的污水处理情景取得了最好的经济社会效益以及最低的环境影响。

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。

污水中纤维素的回收潜力很大吗？

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。

图1总结了世界上一些国家/地区的卫生纸消费情况，西欧发达地区人均卫生纸使用量约为16 kg/a，而北美地区则高达26 kg/a，以当地人均污水量进行折算，可得污水中纤维素量分别大约为157和178 mg/L（以SS计），荷兰污水种纤维素量则高达256 mg/L。

而我国虽然人均卫生纸使用量不高，但由于我国人口基数大且人均用水量低，导致我国污水中纤维素含量并不低（约为118 mg/L），加上我国庞大的人口数量，我国每年进入污水的纤维素约为650万吨，如果将这些纤维素回收再加以利用，那么可以带来积极的经济和环境效益。

纤维素在城镇污水处理工艺中是如何迁移转化的？

从马桶排水开始一直到污水处理厂的前端，污水中携带的卫生纸会逐渐裂解为纤维素或纤维素絮体。

要对其进行回收，了解厘清它的迁移转化或归宿是第一步。

基于工艺流程为格栅+沉砂池+初沉池（有时不设置）+生物池+二沉池的典型污水处理，我们总结了纤维素的物质流如图2所示。

可以看出，污水处理厂中一级处理单元对纤维素的截留效果非常明显，其中沉砂池可截留约20%的纤维素，而专门设计用于去除固体颗粒物的初沉池截留率则高达80%，而约10%的纤维素会在生物池中降解。

在无初沉池的情形下，大部分纤维素会进入生物池，而且大部分会被生物降解掉（~66%）。

由此可知，典型的物理处理单元或物理过程就可以很好地截留纤维素，也就是在有初沉池时，纤维素大部分归宿于污泥中；而一级处理无法很好地截留纤维素时（无初沉池），则会在生物池中被降解掉。

也就是说，虽然纤维素分子结构较为复杂，所报道的好氧降解速率并不是很低（这取决于污泥中纤维素酶的产生量，在无初沉池下，大量纤维素进入生物池，这驯化了污泥产生纤维素酶的水平），这也就是为什么纤维素带来曝气量上升的原因（详见往期文章：污水纤维素回收：一石二鸟）。

纤维素对污水处理过程是否存在影响？

纤维素对污水处理过程的影响可以从两方面来认识，纤维素的存在对污水处理的影响以及纤维素回收对污水处理的影响。

由往期文章和文献调研，纤维素的性质可总结为几个关键词：多官能团、丝状结构、粘滞性和可降解性。

这四种性质也是纤维素影响污水处理过程的内部原因。

如纤维素性质和影响年轮图所示（内圈和外圈存在交集说明两者存在联系），纤维素的多官能团和丝状结构会导致污泥絮体结构和性能的变化，比如发生膨胀；另外，由于纤维素的可降解性、丝状结构和增加水的粘滞性，则导致氧气传质下降，带来曝气量的上升。

当然，从正面看，纤维素的可降解性，用于污泥厌氧消化产甲烷，甲烷产量高、污泥产率低。

从这些影响上来看，纤维素具有回收的价值，因为回收对污水处理内部有好处——减少泥产量（下降23%）、降低曝气耗能（下降32%~40%）、减少对膜组件的污染。

但是，人们也会担心回收纤维素是否会对污水处理产生不利影响，答案是“并无明显影响”，这在往期文章中已有介绍（参见：污水纤维素回收：一石二鸟）。

那如何有效回收污水中的纤维素呢？

从上文纤维素的迁移转化可以看出，回收纤维素的位点应该在生物池之前，粗格栅或沉砂池之后，即前端回收。

初沉池就可以很好地对纤维素进行截留，但是初沉池的污泥“萝卜白菜一勺烩”，纤维素是吸附包裹在污泥中的，还得对污泥进一步处理才能得到纤维素。

实际上，目前对污水中纤维素回收最有效的方法是旋转带式过滤器（RBF），这在往期文章中已有初步介绍，在此主要介绍下RBF集成装置的组成和工作过程。

实际上，RBF技术源自北欧，属于强化型一级处理技术，由于北欧气温较低，污水经过RBF后可能就直接排放了；有时，RBF也用于CSO的污染控制。

目前，RBF技术已是高度集成化成型装置。

如上图所示，集成装置一般包含三个单元：进水/出水腔室、旋转筛网、污泥浓缩和收集单元。

进水在经过旋转的筛网时，部分SS（主要是纤维素）被截留在筛网上，然后旋转至压缩单元并被刮除进收集单元排出。

也就是说，RBF装置自带同步脱水功能，即可以通过螺旋压榨机对收集到的筛分固体进行浓缩脱水。

由此可知，纤维素的回收较为简单且效率高，这也就是Foglia等（2021）的评价中纤维素回收最优的原因之一。

当然，RBF也存在过滤工艺通常的问题——即阻塞（由于处理前端，尤其是油脂的阻塞）。

因此需要筛网进行定期清洗，这可以通过集成到装置中的反冲洗（可采用热水反冲洗）、刮除器等来实现，也亟需开发更为高效经济的方法。

污水中纤维素回收后的下游产业链如何呢？

污水中是资源能源的载体早已得到广泛认知，但部分路径得不到推广应用的原因之一就是下游产业链的打通问题，即应用市场。

而纤维素在这方面并不用担心，这是Foglia等（2021）的评价中纤维素回收最优的另一个原因。

在荷兰，回收的纤维素已作为沥青添加剂用于道路铺设。

另外，还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。

除此以外，回收纤维素还有另一个应用——纤维素辅助污泥脱水（CADoS）。

由上文可知，由于纤维素的丝状结构，纤维素进入污泥后会发生膨胀。

但是，荷兰工程人员观察到，这一特性有助于污泥脱水。

按照纤维素:污泥=0.3:1的比例投加，同时使用少量的聚合电解质辅助，便可得到30%干重的泥饼，可大大节省污泥脱水的药剂投加量和能耗，正所谓“原汤化原食”。

由此可知，回收的纤维素既可以原位就地利用，也可以外运进入市场，保障了纤维素回收的市场动力。

据笔者的了解，目前并没有查到国内的相关应用。

不过好像有过应用案例，但并不清楚什么原因而停止了。

实际上，随着污水处理提标改造的进行，已经逐步重视一级处理单元的优化，部分污水厂升级后，增加了精细格栅或膜格栅，孔径在几个mm左右，而这一孔径大小跟RBF相差不大，因此，设计有膜格栅的水厂可专门监测下栅渣，没准就是 “被忽视浪费的资源”，对其回收可能还会带来一定的经济收益。

在污水已是资源成为共识的今天，在开发回收技术的同时挖掘打通上下游产业链、推动资源回收落地应用应是我们必须思考和探究的方向，这也让我想起了周星驰电影里的一句经典台词：“就算是一张卫生纸都有它的用处”——回收纤维素。