污水纤维素：价值资源、回收节能
来源：水业碳中和资讯作者：李雅轩 刘然彬等
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。本期以课题组最新发表的一篇综述再谈污水纤维素回收。
污水中纤维素的回收潜力很大吗？
在往期文章《筛分回收污水中纤维素物质》中已做过介绍，城镇生活污水中纤维素来源于厕纸、厨余残渣以及合流制中的杂草与树叶等，而主要来源则是厕纸的使用。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（这可能是北美地区总是报道抢购卫生纸的原因吧~），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。往期文章中（筛分回收污水中纤维素物质）已做过初步介绍，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。
本文则介绍回收纤维素的另一个应用，——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。
