污水碳源分离新概念——筛分纤维素

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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)

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