廁紙等纖維素成分在污水中含量不菲，它們在生物處理過程中非但很難降解，反而會增加系統(tǒng)的運行負擔。因此，國際上已開始從污水中分離纖維素的研究與實踐。為探討纖維素對污水生物處理系統(tǒng)性能與運行的影響，采用小試變形uct工藝考察了它們的影響程度并揭示出影響機理。結(jié)果顯示，纖維素存在只會在短期內(nèi)影響cod、n、p去除，表現(xiàn)為曝氣氧量不足。只要提高2～3倍曝氣量便可恢復(fù)出水水質(zhì)。微觀研究揭示，纖維素線性形態(tài)和含有大量官能團特點能夠明顯提高污泥絮體密實度，從而導(dǎo)致絮體內(nèi)氧傳質(zhì)效率下降，這也是纖維素存在時需要加大曝氣量的根本原因。纖維素對絮體的網(wǎng)捕卷掃作用使絮體致密的好處是可強化同步硝化反硝化（snd）作用，亦可減少ss含量。綜合衡量，預(yù)處理分離纖維素有利于節(jié)能降耗，況且，纖維素大部分成分在曝氣過程是難以降解的，最終會進入剩余污泥之中，增加污泥量。可見，從污水中回收纖維素不僅可實現(xiàn)廢物資源再利用

 

，亦有助于節(jié)能降耗，同時為升級污水處理增加處理空間。

 

污水作為能源與資源載體的認識已逐漸被業(yè)界所接受，特別是有機物和氮磷資源。圍繞這些資源的回收技術(shù)路線和產(chǎn)品也一直持續(xù)被研發(fā)并優(yōu)化。事實上，污水中可回收資源并不僅僅局限于這些物質(zhì)，污水中難以降解的有機物——纖維素其實也是一種寶貴資源，回收后可用作瀝青和混凝土添加材料，亦可以用于玻璃纖維、抹布的原材料。因此，從污水中回收纖維素具有可觀的經(jīng)濟效益。污水中的纖維素主要來自于廁紙、廚余垃圾或合流制管道雨水徑流。廁紙中約70%～80%成分為纖維素，在進入污水管道后，廁紙逐步分解為長度約1～1.2 mm的線狀纖維素。因其降解速率緩慢，纖維素大多以懸浮固體（ss）形式進入污水處理廠。根據(jù)不同國家/地區(qū)社會發(fā)展水平和衛(wèi)生條件差異，纖維素一般約占污水處理廠進水總ss的30%～50%（以cod計，約占20～30%）。纖維素進入污水處理廠后，初沉池可截留約20%～70%；生物處理單元基本上對纖維素無降解作用，大部分纖維素最終殘留于剩余污泥中。回收纖維素起源于荷蘭，并已開始工程化應(yīng)用。以旋轉(zhuǎn)帶式過濾機（篩網(wǎng)孔徑=0.35 mm）回收纖維素平均去除約35%（基于ss），其中，纖維素占回收固體部分的比例約為79%。回收纖維素不僅可降低剩余污泥量，還可以有效減少曝氣能耗，相應(yīng)增加處理系統(tǒng)負荷。然而，纖維素對污水生物處理系統(tǒng)，特別是脫氮除磷影響的研究還不多見。為此，通過小試生物脫氮除磷裝置，以人工配制含纖維素生活污水方式，考察纖維素對有機物、氮、磷去除效率以及運行的影響，并分析相應(yīng)機理。

microscopic observation of fibres in settled material from raw influent(a) and fibres of settled material from sieved influent(b) sieve mesh 0.35mm,sieve rate 30 m3/(m2·h)

 

圖片來自文獻：ruiken c j, breuer g, klaversma e, et al. sieving wastewater – cellulose recovery, economic and energy evaluation[j]. water research, 2013, 47(1):43-48.

 

01

 

試驗材料與方法

 

1.1 人工污水配制

 

試驗采用人工配制模擬生活污水。其中，cod由無水乙酸鈉（ch3coona）/工業(yè)級乙酸鈉（ch3coona·3h2o）、葡萄糖（c6h12o6·h2o）、胰乳蛋白胨提供，投加量分別為35.7/78.12、14.15、3.94 g/100 l,最終濃度為450 mg/l；tn由氯化銨（nh4cl）和胰乳蛋白胨提供，投量分別為16.7、3.94 g/100 l，最終濃度為50 mg/l；tp由磷酸二氫鉀（kh2po4）提供，投量為4.39 g/100 l，最終濃度為10 mg/l。通過投加碳酸氫鈉（21.2～42.4 g/100 l）控制堿度在100～200 mg/l（以caco3計）。每100 l水中投加10 ml微量元素濃縮母液，微量元素組分及其占比見照國際水協(xié)出版的《experimental methods in wastewater treatment》。

 

為更好地模擬污水中纖維素形態(tài)和性質(zhì)，在第36天直接投加經(jīng)預(yù)處理后的衛(wèi)生紙作為纖維素來源（以ss計為60～80 mg/l）。該衛(wèi)生紙的原材料為原生木漿，產(chǎn)品規(guī)格為120 mm×120 mm/節(jié)（4層），其纖維素含量為（82.10±0.92）%。預(yù)處理方法：將10 g衛(wèi)生紙溶解于100 l自來水中，并連續(xù)攪拌（40 r/min）1 d，使其充分分解至線狀纖維素。

 

1.2 試驗裝置及運行

 

小試裝置為變形uct工藝，由有機玻璃材質(zhì)制成，長×寬×高為1.44 m×0.3 m×0.3 m，有效容積為120 l，通過擋板分為5個反應(yīng)區(qū)。小試裝置反應(yīng)區(qū)構(gòu)成及其體積如圖1所示。每個反應(yīng)池設(shè)有攪拌器，在混合池及好氧池底部各均勻布置6個曝氣頭。好氧池末端連接23 l柱狀沉淀池，設(shè)計表面負荷為0.64 m3/(m2·h)。為避免藻類滋生對試驗產(chǎn)生影響，整個反應(yīng)器池體用黑色遮光布進行遮光處理。

裝置采用連續(xù)流運行模式，根據(jù)進水有無纖維素分為兩階段，第一階段：0～35 d，無纖維素投加；第二階：36～160 d，投加纖維素。兩階段水力負荷均為0.83 l/(l?d)，反應(yīng)器污泥濃度（mlss）控制在3 500 mg/l左右，回流a、b、c分別為150％、300％、40%。污泥停留時間（srt）設(shè)定為10～20 d（根據(jù)實際情況進行調(diào)整）；第一、二階段的污泥回流比（r）分別控制在100%和150%。其中，好氧池溶解氧（do）控制在2～5 mg/l，混合池根據(jù)出水水質(zhì)靈活控制曝氣開關(guān)，第一階段和第二階段均未對混合池進行曝氣，其中do為0.1～0.2 mg/l。

 

1.3 常規(guī)檢測分析方法

 

裝置啟動后，每2～3 d取樣測定進出水水質(zhì)（cod、n、p）。另外，在第15、68、74、159 天于缺氧池/好氧池取2～3 l混合液用于微生物活性測試；在第20、124、140、145 天，在好氧池取2～3 l混合液用于同步硝化反硝化（snd）批次試驗。

 

其他各指標的檢測參考《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4版）》進行。

 

02

 

結(jié)果分析與討論

 

2.1 纖維素對cod與p去除的影響圖2顯示了小試裝置在整個試驗期間出水cod與磷濃度變化。在第一階段進水tcod濃度維持在450 mg/l時，出水tcod平均為（39.7±16.1）mg/l，其中scod為（24.8±10.8） mg/l，符合國家一級a排放標準。然而，當?shù)诙A段加入纖維素后，cod去除效果明顯惡化，出水tcod最高檢測值高達95 mg/l（scod為80 mg/l）。為探究加入纖維素后cod去除效果惡化原因，對出水tcod的構(gòu)成進行了分析。結(jié)果顯示，加入纖維素后出水ss顯著下降，從（48.25±3.29） mg/l降至（21.34±9.71） mg/l，由此可排除污泥沉降性能惡化導(dǎo)致出水cod升高問題。纖維素富含官能團且呈線狀，因此其對污泥具有較好網(wǎng)捕卷掃作用，可促進污泥絮體凝結(jié)并提高其緊密度，這一現(xiàn)象通過污泥鏡檢也得到了印證。然而，不論是因纖維素自身作為cod消耗氧氣，還是導(dǎo)致污泥絮體變得緊密都有可能降低氧傳質(zhì)，從而弱化了對cod的降解效率。為此，在第46 天對好氧池運行進行調(diào)整，將曝氣量提高至0.30~0.50 l/min（添加纖維素前為0.10～0.20 l/min）。結(jié)果，出水cod開始逐漸下降并恢復(fù)至投加纖維素前水平（tcod=49.4 mg/l，scod=34.2 mg/l）。可見，回收纖維素對曝氣池運行有著積極影響，可提高氧氣傳質(zhì)與利用效率。

與此同時，纖維素投加對磷去除的影響與cod類似，在纖維素投加初期（第36～50 天），出水總磷（tp）和正磷酸鹽（po3-4-p）濃度均開始惡化，去除率分別降低至51.99%和56.32%。從發(fā)生原因來看，do不足是導(dǎo)致磷去除效率下降的主因，可以從增大曝氣量后出水tp逐漸下降得到驗證。然而，出水tp含量在提高曝氣量后的很長一段時間內(nèi)也沒有恢復(fù)至投加纖維素前水平，而是保持在（2.86±1.22） mg/l左右。為進一步分析其原因，在第68 天從曝氣池末端取混合樣進行了聚磷菌（paos）活性測定，并與投加纖維素前的活性進行了對比。結(jié)果顯示，投加纖維素后，反應(yīng)器中paos比釋磷速率和比吸磷速率分別為11.3 和12.0mg/(gvss?h)，與投加前的10.8 、13.4 mg/(gvss?h）相比變化并不是很大。可見，纖維素的投加對paos活性的影響并不大。因此，反應(yīng)器除磷效果恢復(fù)較慢的原因可能與纖維素投加初期導(dǎo)致的跑泥和生物量恢復(fù)較慢有關(guān)。2.2 纖維素對氮去除的影響圖3顯示了在投加纖維素前后裝置對氮去除效果的變化。從整體上看，反應(yīng)器無論是否投加纖維素均能夠很好地完成脫氮，投加前出水tn、nh4+-n和 no3--n平均濃度分別（5.9±3.1）、（0.40±0.96）（4.59±2.22）mg/l，投加后為（7.80±5.46）、（1.30±2.00）、（4.11±2.22） mg/l。只是在纖維素投加初期，出水tn出現(xiàn)明顯惡化，此時出水中nh4+-n明顯增多，這顯然與上述氧傳質(zhì)受限有關(guān)。圖3顯示，在增大曝氣量后對tn的去除效率迅速恢復(fù)，主要是因為硝化能力開始恢復(fù)。

進一步分析反應(yīng)器氮沿程變化趨勢（見圖4），第二階段好氧池中no3--n并沒有隨nh4+-n硝化而積累，說明反硝化并沒有受到抑制，一方面因絮體密實而可能出現(xiàn)了同步硝化反硝化（snd）現(xiàn)象，另一方面也可能涉及纖維素中少量碳源成分降解。

投加纖維素前后的snd效率見圖5，第一階段（未投加纖維素）無論do濃度多大，snd效率均不高（<8%）；即使控制do在0.5 mg/l時，snd效率也不過2.8%。相反，第二階段添加纖維素后，snd效率明顯提高，do=0.5 mg/l時達48.69%；即使do提高至3 mg/l，snd效率依然可以保持在20%。這一結(jié)果深入揭示了纖維素對絮體致密性產(chǎn)生的絮體內(nèi)do梯度之重要作用。

2.3 纖維素對運行的影響纖維素對反應(yīng)器運行影響是兩方面的，似乎均與其對污泥絮體致密程度有關(guān)。圖6總結(jié)了纖維素對反應(yīng)器運行、能耗等方面的影響及其機理。纖維素通過自身線狀形態(tài)和官能團可靠網(wǎng)捕卷掃作用將污泥絮體密實包裹，相當于促進絮凝，可降低出水ss以及其中所含n、p。

纖維素另一個影響表現(xiàn)為影響絮體內(nèi)氧的傳質(zhì)，只有通過加大混合液曝氣量方能讓氧氣滲入絮體，以維持必要的好氧反應(yīng)（碳氧化與硝化）。第二階段的曝氣量較第一階段提高了2～3倍，即增加了50%以上的曝氣耗能。可見，實際污水處理廠若能實施纖維素的回收，可以大大減少曝氣能耗，有助于節(jié)能減排。然而，纖維素從污泥絮體中完全消失對絮體內(nèi)snd現(xiàn)象不利，需要完善宏觀好氧/缺氧環(huán)境以確保脫氮除磷能力。總之，纖維素對生物處理系統(tǒng)的綜合影響并不大，僅限于ss和snd，最大影響則是曝氣量與能耗。因此，作為本身很難降解的有機物，纖維素進入生物系統(tǒng)的正面作用不大，應(yīng)該予以分離回收并加以利用。

 

03

 

結(jié)論

 

纖維素對生物處理系統(tǒng)的影響較為短暫，對cod、n、p去除率的下降影響可以通過加大曝氣量加以解決，但這會成為生物系統(tǒng)能耗增加的主因。纖維素對污泥絮體的網(wǎng)捕卷掃作用可增加絮體致密性，從而強化snd現(xiàn)象并有利于降低出水ss。但也正因為如此，大大降低了絮體內(nèi)氧傳質(zhì)效率，不得不通過增大曝氣量來提高氧向好氧層擴散的推動力。綜合衡量，預(yù)處理分離纖維素有利于節(jié)能降耗，況且，纖維素大部分成分在曝氣過程是難以降解的，最終會進入剩余污泥之中，增加污泥量。因此，從污水中回收纖維素不僅可實現(xiàn)廢物資源再利用，亦有助于污水處理的節(jié)能降耗，同時，為升級污水系統(tǒng)增加了處理空間。

 

來源：北極星水處理網(wǎng)