污水碳源分离新概念——筛分纤维素

北极星环保网讯: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《WaterResearch》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500~1000mg/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。

01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12000~15000t/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17000~21000t/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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