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污水纤维素:价值资源、回收节能

     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。

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。

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。

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。

 

 

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