摘要

追求污水處理碳中和運行目標產生了從污水中前端分離碳源（碳捕捉）的歐洲概念，使之用于后端厭氧消化轉化甲烷。我國市政污水碳源（COD）濃度普遍偏低，連脫氮除磷碳源需求都難以滿足，這就限制了碳捕捉的理論和實踐。然而，另外一種碳捕捉概念似乎是普遍適用的，那就是前端篩分纖維素。纖維素物質本身化學結構異常復雜、穩固，在污水好氧處理以及污泥厭氧消化過程中都難以降解，最后大多殘留于消化污泥之中，從而加大剩余污泥產量。況且，纖維素與絲狀細菌結構上有相似之處，存在“架橋”而導致污泥膨脹的可能。因此，將纖維素在污水處理前端以大孔徑膜分離方式篩分出來應該是為污水、污泥處理減負的重要舉措；篩分后的纖維素可回收用作他用（如生產透水瀝青等），纖維素篩分后可降低整體運行能耗40%，增加處理負荷30%。

作者簡介：郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環境工程專業教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術、污水處理數學模擬技術、可持續環境生物技術。現為國際水協期刊《Water Research》區域主編（Editor）。

污水是資源與能源載體這一理念目前已形成共識，以“碳中和”為目的的運行實踐已成為歐美等發達國家普遍追求的目標。于是，發掘和利用污水潛能正引導著污水處理走向能源自給新時代。在此方面，研究及應用最多的是利用剩余污泥中的化學熱（COD），使之厭氧消化后產生甲烷（CH4）被利用。另外，在污水處理前端“捕捉”進水COD（碳源分離），將其直接用于后端厭氧消化產CH4的概念和實踐在歐洲也開始嘗試，即“污泥增量”概念。歐洲大多數國家市政污水有機物（COD）濃度較高，可達500~1 000 mg/L，滿足生物脫氮除磷后碳源仍有富余。因此，有研究者設想將脫氮除磷后多余COD在污水處理前端提前分離出來，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的技術，也有各種前端碳源分離技術（如篩分、混凝沉淀、甚至磁分離等）。

我國市政污水有機物濃度普遍偏低，很多時候難以滿足生物脫氮除磷對碳源的需要。因此，前端碳源分離用于后端污泥厭氧消化產CH4的歐洲理念雖好但很難適合中國。然而，有一種前端碳源分離的歐洲概念卻是普遍適用的，即從污水處理的前端將纖維素物質篩分出來，予以回收、利用。在介紹污水中纖維素物質來源、含量、結構特征、生物降解性的基礎上，重點介紹歐洲前端篩分纖維素的概念、目的、意義、實驗、實踐，以供了解和參考。

0 1

污水中的纖維素

荷蘭經驗表明，污水COD中23%來源于如廁手紙。阿姆斯特丹下水管網服務人口當量約120萬人，有12 000~15 000 t/a手紙進入污水管網；這相當于原水SS中有40%直接來源于手紙分解后的纖維素，折算COD為17 000~21 000 t/a，即構成25%~30%的進水COD負荷。

手紙，再加上廚余殘渣、合流制中雜草/樹葉等構成了污水中總纖維素(學名為木質纖維素物質)。木質纖維素由半纖維素（木糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖以及它們的單體衍生物）、纖維素（D-吡喃型葡萄糖）和木質素（苯丙烷單元）組成。它們的分子結構與聚合物的穩定聚合狀態是導致這類物質生物降解性變差的主要原因。木質纖維素中的三種基本成分往往并不彼此獨立存在，鏈狀纖維素分子所組成的纖維束骨架通過半纖維素的聯結作用使得木質素纏繞包裹在纖維束周圍,形成整體結構致密穩定的復雜聚合物，如圖1所示。

圖1 木質纖維素結構

由于木質素的穩定包裹作用和本身降解的復雜性、頑固性，使得木質素在生物處理過程中實際起到了保護纖維素和半纖維素的作用，這就阻礙了水解酶發揮有效作用，使得木質纖維素整體的生物降解性能較低。除非存在對木質纖維素結構的“破穩”作用（如預處理），否則，木質纖維素在好氧（污水處理）及厭氧（污泥處理）過程均難以降解，最后大多殘留于消化后剩余污泥之中，使之占殘余有機成分比例高達39%。表1為一些國家和地區原污泥中木質纖維素的含量，可高達剩余污泥重量的1/3。

表1 不同國家和地區剩余污泥（生污泥）中木質纖維素含量

0 2

前端篩分纖維素概念

木質纖維素結構異常穩定，通過曝氣等活性污泥法難以降解，它們大多數最后被吸附于剩余污泥；在隨后的污泥厭氧消化過程亦難以降解，只能留存于消化后的熟污泥中，或填埋/回田后緩慢自然生物降解，或隨污泥一起干化、焚燒。此外，木質纖維素因其結構與絲狀菌相似，可能還具有與絲狀菌一樣的某些“架橋”作用，具有誘發污泥膨脹的嫌疑。進言之，木質纖維素也會成為消化污泥的“骨架”，導致熟污泥濃縮脫水后體積無法進一步減少。因此，纖維素對于污水、污泥處理來說,最好的辦法就是通過篩分方式在污水處理的前端將其“拿下”，不讓其進入后續處理過程。這樣，污泥量大、污泥膨脹等弊端均會被消除,被篩分出的纖維素可用作多種用途。前端篩分纖維素單元可根據具體情況，最好設置在污水處理流程的沉砂池后，一般采用大孔徑膜低耗過濾即可實現。

0 3

篩分纖維素研究與應用

膜用于污水處理的歷史雖然不長，但其應用的范圍卻十分廣泛，如在膜反應器（MBR）上的應用。由于MBR中膜分離的是活性污泥絮體或游離細菌，介于微濾和超濾之間，膜孔徑通常為0.1~0.4 μm，需要加壓才能實現泥水分離。針對歐盟對一級處理的嚴格要求(BOD5去除率最低為20%，SS去除率最低為50%)，挪威研究者在9座污水處理廠分別進行了前端膜過濾SS的生產性試驗（膜孔徑為80~850 μm）,結果發現350μm孔徑旋轉帶式膜對SS的過濾、截留效果最好，經離心篩分最大可截留50%~80%的SS，比初沉池效果明顯。

有鑒于此，荷蘭代爾夫特理工大學在某污水廠（處理水量Q=3.84×104m3/d，進水COD=441 mg/L）開展了膜分離（孔徑為0.35 mm）、篩分纖維素的中試。篩分設備與上述挪威試驗相似，直接安裝在6 mm細格柵之后運行［膜通量為30 m3/(m2·h）］。中試結果顯示，0.35mm孔徑膜分離對SS的平均篩分率為50%，其中對COD、TN的去除率分別為35%、1%，對TP的去除率<1%。木質纖維素平均長度一般為1.0~1.2 mm，這與幾種荷蘭市售衛生紙纖維素長度基本一樣，這意味著0.35 mm孔徑膜截留篩分的SS中纖維素成分應占絕大多數。對截留的SS進一步測溫分析顯示，有機成分占94%（6%為無機物），其中纖維素與其他有機質比例約為5∶1，即纖維素成分約占截留SS的80%，過濾前、后水質效果如圖2所示。中試結果與來自其他2座污水處理廠初沉污泥數據對比顯示，雖然這兩個廠初沉池對SS去除率也是50%，但其中纖維素占有機質的比例僅為32%和38%，初沉池截留纖維素的效果顯然不及試驗廠的膜篩分。

圖2 膜過濾前后顯微觀察污水鏡像（膜孔徑為0.35 mm)

前端膜過濾篩分后的纖維素相當于截留了30%的進水COD負荷，回收后有多種用途，可用于造紙及制作隔音材料、生物復合材料、瀝青添加劑、土壤改良劑、生物質燃料等。其中，回收纖維素用作透水瀝青添加劑在荷蘭已有嘗試。相對于摻雜聚酯纖維透水瀝青而言，由纖維素透水瀝青鋪設的路面具有吸能降噪、彈性好、空隙率高等特點，有助于雨水下滲。回收的纖維素重金屬含量極低，可摻雜有機固體廢棄物簡單處理后作為土壤改良劑，能夠消除直接采用剩余污泥回田對植物的某些抑制作用和對地下水的污染風險。

根據中試設備測算，前端膜篩分設備投資回報期約為7年，使用壽命長達15年。更大的經濟利益還在于前端膜篩分的使用可大大節省后端用于污泥處理、處置的費用，約可節約中試廠污泥處理、處置費用125 000歐元/a。移除纖維素這種“惰性”COD對處理負荷的提升也不容忽視，在不增加反應池容積的情況下可增加約1/3的COD去除負荷。由于設置前端膜篩分纖維素，整個污水處理廠至少可以降低40%的能源消耗。

0 4

結 語

污水處理碳中和運行目前不只停留在學術研討階段，歐美等國家已出現一些利用剩余污泥厭氧消化或外源有機物共消化實現碳中和運行的范例。更有歐美人追求污水有機物能源化更高目標，試圖將污水中全部有機物“捕捉”而通過厭氧消化轉化能源。這個理念雖好，但必須采用非傳統方法對氮、磷加以去除或回收。主流厭氧氨氧化似乎可以用自養方式去除氮，但這項技術極具挑戰性（低溫適應性以及殘留COD問題），目前仍停留在學術探索階段，離實踐以及工程控制還有很長的距離。利用污水源熱泵技術雖可容易實現污水處理的碳中和運行，但這是一個跨專業（暖通）的應用領域。

因此，實施污水全部碳捕捉未必是一種普適性技術，特別是針對我國低碳源污水情況。然而，另外一種形式碳捕捉——前端篩分纖維素物質，看上去概念新穎、道理簡單、設備便捷、操作容易，其后果是可實現污泥減量、抑制污泥膨脹、回收纖維素、降低總能耗、增加處理負荷，因此具有廣泛的適用性。

（更多詳細內容參見《中國給水排水》第14期：污水碳源分離新概念——篩分纖維素；作者：北京建筑大學郝曉地，翟學棚，Mark van Loosdrecht，曹達啟）