追求污水处理碳中和运行目标产生了从污水中前端分离碳源(碳捕捉)的欧洲概念，使之用于后端厌氧消化转化甲烷。我国市政污水碳源(COD)浓度普遍偏低，连脱氮除磷碳源需求都难以满足，这就限制了碳捕捉的理论和实践。然而，另外一种碳捕捉概念似乎是普遍适用的，那就是前端筛分纤维素。纤维素物质本身化学结构异常复杂、稳固，在污水好氧处理以及污泥厌氧消化过程中都难以降解，最后大多残留于消化污泥之中，从而加大剩余污泥产量。况且，纤维素与丝状细菌结构上有相似之处，存在“架桥”而导致污泥膨胀的可能。因此，将纤维素在污水处理前端以大孔径膜分离方式筛分出来应该是为污水、污泥处理减负的重要举措;筛分后的纤维素可回收用作他用(如生产透水沥青等)，纤维素筛分后可降低整体运行能耗40%，增加处理负荷30%。
作者简介：郝晓地(1960-)，男，山西柳林人，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术、污水处理数学模拟技术、可持续环境生物技术。现为国际水协期刊《Water Research》区域主编(Editor)。
污水是资源与能源载体这一理念目前已形成共识，以“碳中和”为目的的运行实践已成为欧美等发达国家普遍追求的目标。于是，发掘和利用污水潜能正引导着污水处理走向能源自给新时代。在此方面，研究及应用最多的是利用剩余污泥中的化学热(COD)，使之厌氧消化后产生甲烷(CH4)被利用。另外，在污水处理前端“捕捉”进水COD(碳源分离)，将其直接用于后端厌氧消化产CH4的概念和实践在欧洲也开始尝试，即“污泥增量”概念。欧洲大多数国家市政污水有机物(COD)浓度较高，可达500~1 000 mg/L，满足生物脱氮除磷后碳源仍有富余。因此，有研究者设想将脱氮除磷后多余COD在污水处理前端提前分离出来，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的技术，也有各种前端碳源分离技术(如筛分、混凝沉淀、甚至磁分离等)。
我国市政污水有机物浓度普遍偏低，很多时候难以满足生物脱氮除磷对碳源的需要。因此，前端碳源分离用于后端污泥厌氧消化产CH4的欧洲理念虽好但很难适合中国。然而，有一种前端碳源分离的欧洲概念却是普遍适用的，即从污水处理的前端将纤维素物质筛分出来，予以回收、利用。在介绍污水中纤维素物质来源、含量、结构特征、生物降解性的基础上，重点介绍欧洲前端筛分纤维素的概念、目的、意义、实验、实践，以供了解和参考。
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污水中的纤维素
荷兰经验表明，污水COD中23%来源于如厕手纸。阿姆斯特丹下水管网服务人口当量约120万人，有12 000~15 000 t/a手纸进入污水管网;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。
手纸，再加上厨余残渣、合流制中杂草/树叶等构成了污水中总纤维素(学名为木质纤维素物质)。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。木质纤维素中的三种基本成分往往并不彼此独立存在，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1所示。
图1 木质纤维素结构
由于木质素的稳定包裹作用和本身降解的复杂性、顽固性，使得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，这就阻碍了水解酶发挥有效作用，使得木质纤维素整体的生物降解性能较低。除非存在对木质纤维素结构的“破稳”作用(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)过程均难以降解，最后大多残留于消化后剩余污泥之中，使之占残余有机成分比例高达39%。表1为一些国家和地区原污泥中木质纤维素的含量，可高达剩余污泥重量的1/3。
表1 不同国家和地区剩余污泥(生污泥)中木质纤维素含量
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前端筛分纤维素概念
木质纤维素结构异常稳定，通过曝气等活性污泥法难以降解，它们大多数最后被吸附于剩余污泥;在随后的污泥厌氧消化过程亦难以降解，只能留存于消化后的熟污泥中，或填埋/回田后缓慢自然生物降解，或随污泥一起干化、焚烧。此外，木质纤维素因其结构与丝状菌相似，可能还具有与丝状菌一样的某些“架桥”作用，具有诱发污泥膨胀的嫌疑。进言之，木质纤维素也会成为消化污泥的“骨架”，导致熟污泥浓缩脱水后体积无法进一步减少。因此，纤维素对于污水、污泥处理来说,最好的办法就是通过筛分方式在污水处理的前端将其“拿下”，不让其进入后续处理过程。这样，污泥量大、污泥膨胀等弊端均会被消除,被筛分出的纤维素可用作多种用途。前端筛分纤维素单元可根据具体情况，最好设置在污水处理流程的沉砂池后，一般采用大孔径膜低耗过滤即可实现。
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03
筛分纤维素研究与应用
膜用于污水处理的历史虽然不长，但其应用的范围却十分广泛，如在膜反应器(MBR)上的应用。由于MBR中膜分离的是活性污泥絮体或游离细菌，介于微滤和超滤之间，膜孔径通常为0.1~0.4 μm，需要加压才能实现泥水分离。针对欧盟对一级处理的严格要求(BOD5去除率最低为20%，SS去除率最低为50%)，挪威研究者在9座污水处理厂分别进行了前端膜过滤SS的生产性试验(膜孔径为80~850 μm),结果发现350μm孔径旋转带式膜对SS的过滤、截留效果最好，经离心筛分最大可截留50%~80%的SS，比初沉池效果明显。
有鉴于此，荷兰代尔夫特理工大学在某污水厂(处理水量Q=3.84×104m3/d，进水COD=441 mg/L)开展了膜分离(孔径为0.35 mm)、筛分纤维素的中试。筛分设备与上述挪威试验相似，直接安装在6 mm细格栅之后运行[膜通量为30 m3/(m2˙h)]。中试结果显示，0.35mm孔径膜分离对SS的平均筛分率为50%，其中对COD、TN的去除率分别为35%、1%，对TP的去除率<1%。木质纤维素平均长度一般为1.0~1.2 mm，这与几种荷兰市售卫生纸纤维素长度基本一样，这意味着0.35 mm孔径膜截留筛分的SS中纤维素成分应占绝大多数。对截留的SS进一步测温分析显示，有机成分占94%(6%为无机物)，其中纤维素与其他有机质比例约为5∶1，即纤维素成分约占截留SS的80%，过滤前、后水质效果如图2所示。中试结果与来自其他2座污水处理厂初沉污泥数据对比显示，虽然这两个厂初沉池对SS去除率也是50%，但其中纤维素占有机质的比例仅为32%和38%，初沉池截留纤维素的效果显然不及试验厂的膜筛分。
图2 膜过滤前后显微观察污水镜像(膜孔径为0.35 mm)
前端膜过滤筛分后的纤维素相当于截留了30%的进水COD负荷，回收后有多种用途，可用于造纸及制作隔音材料、生物复合材料、沥青添加剂、土壤改良剂、生物质燃料等。其中，回收纤维素用作透水沥青添加剂在荷兰已有尝试。相对于掺杂聚酯纤维透水沥青而言，由纤维素透水沥青铺设的路面具有吸能降噪、弹性好、空隙率高等特点，有助于雨水下渗。回收的纤维素重金属含量极低，可掺杂有机固体废弃物简单处理后作为土壤改良剂，能够消除直接采用剩余污泥回田对植物的某些抑制作用和对地下水的污染风险。
根据中试设备测算，前端膜筛分设备投资回报期约为7年，使用寿命长达15年。更大的经济利益还在于前端膜筛分的使用可大大节省后端用于污泥处理、处置的费用，约可节约中试厂污泥处理、处置费用125 000欧元/a。移除纤维素这种“惰性”COD对处理负荷的提升也不容忽视，在不增加反应池容积的情况下可增加约1/3的COD去除负荷。由于设置前端膜筛分纤维素，整个污水处理厂至少可以降低40%的能源消耗。
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结 语
污水处理碳中和运行目前不只停留在学术研讨阶段，欧美等国家已出现一些利用剩余污泥厌氧消化或外源有机物共消化实现碳中和运行的范例。更有欧美人追求污水有机物能源化更高目标，试图将污水中全部有机物“捕捉”而通过厌氧消化转化能源。这个理念虽好，但必须采用非传统方法对氮、磷加以去除或回收。主流厌氧氨氧化似乎可以用自养方式去除氮，但这项技术极具挑战性(低温适应性以及残留COD问题)，目前仍停留在学术探索阶段，离实践以及工程控制还有很长的距离。利用污水源热泵技术虽可容易实现污水处理的碳中和运行，但这是一个跨专业(暖通)的应用领域。
因此，实施污水全部碳捕捉未必是一种普适性技术，特别是针对我国低碳源污水情况。然而，另外一种形式碳捕捉——前端筛分纤维素物质，看上去概念新颖、道理简单、设备便捷、操作容易，其后果是可实现污泥减量、抑制污泥膨胀、回收纤维素、降低总能耗、增加处理负荷，因此具有广泛的适用性。
(更多详细内容参见《中国给水排水》第14期：污水碳源分离新概念——筛分纤维素;作者：北京建筑大学郝晓地，翟学棚，Mark van Loosdrecht，曹达啟)
延伸阅读：
原标题：污水碳源分离新概念——筛分纤维素
