汙水是資源能源載體已然是行業的共識，汙水管理的轉變也是以此為基礎而展開的。在“雙碳目標”進程中，相比於其他行業，汙水處理行業可實現碳中和的優勢也體現在此——汙水中的資源和能源，而這關鍵在於“路徑”，即相應的回收技術工藝和末端產品應用。近日，Foglia等（2021）對9種汙水資源能源回收技術進行了評價，從經濟社會和環境綜合效益角度展開對比分析排序，包括甲烷生成、磷回收（包括鳥糞石、磷酸鈣鏟平或直接做肥料）、PHB、VFAs回收和纖維素回收。有趣的是，結果顯示進行“纖維素回收”的汙水處理情景取得了最好的經濟社會效益以及最低的環境影響。本期以課題組最新發表的一篇綜述再談汙水纖維素回收。
汙水中纖維素的回收潛力很大嗎？
在往期文章《篩分回收汙水中纖維素物質》中已做過介紹，城鎮生活汙水中纖維素來源於廁紙、廚餘殘渣以及合流製中的雜草與樹葉等，而主要來源則是廁紙的使用。圖1總結了世界上一些國家/地區的衛生紙消費情況，西歐發達地區人均衛生紙使用量約為16 kg/a，而北美地區則高達26 kg/a（這可能是北美地區總是報道搶購衛生紙的原因吧~），以當地人均汙水量進行折算，可得汙水中纖維素量分別大約為157和178 mg/L（以SS計），荷蘭汙水種纖維素量則高達256 mg/L。
而我國雖然人均衛生紙使用量不高，但由於我國人口基數大且人均用水量低，導致我國汙水中纖維素含量並不低（約為118 mg/L），加上我國龐大的人口數量，我國每年進入汙水的纖維素約為650萬噸，如果將這些纖維素回收再加以利用，那麽可以帶來積極的經濟和環境效益。
纖維素在城鎮汙水處理工藝中是如何遷移轉化的？
從馬桶排水開始一直到汙水處理廠的前端，汙水中攜帶的衛生紙會逐漸裂解為纖維素或纖維素絮體。要對其進行回收，了解厘清它的遷移轉化或歸宿是第一步。基於工藝流程為格柵+沉砂池+初沉池（有時不設置）+生物池+二沉池的典型汙水處理，我們總結了纖維素的物質流如圖2所示。
可以看出，汙水處理廠中一級處理單元對纖維素的截留效果非常明顯，其中沉砂池可截留約20%的纖維素，而專門設計用於去除固體顆粒物的初沉池截留率則高達80%，而約10%的纖維素會在生物池中降解。在無初沉池的情形下，大部分纖維素會進入生物池，而且大部分會被生物降解掉（~66%）。
由此可知，典型的物理處理單元或物理過程就可以很好地截留纖維素，也就是在有初沉池時，纖維素大部分歸宿於汙泥中；而一級處理無法很好地截留纖維素時（無初沉池），則會在生物池中被降解掉。也就是說，雖然纖維素分子結構較為複雜，所報道的好氧降解速率並不是很低（這取決於汙泥中纖維素酶的產生量，在無初沉池下，大量纖維素進入生物池，這馴化了汙泥產生纖維素酶的水平），這也就是為什麽纖維素帶來曝氣量上升的原因（詳見往期文章：汙水纖維素回收：一石二鳥）。
纖維素對汙水處理過程是否存在影響？
纖維素對汙水處理過程的影響可以從兩方麵來認識，纖維素的存在對汙水處理的影響以及纖維素回收對汙水處理的影響。由往期文章和文獻調研，纖維素的性質可總結為幾個關鍵詞：多官能團、絲狀結構、粘滯性和可降解性。這四種性質也是纖維素影響汙水處理過程的內部原因。如纖維素性質和影響年輪圖所示（內圈和外圈存在交集說明兩者存在聯係），纖維素的多官能團和絲狀結構會導致汙泥絮體結構和性能的變化，比如發生膨脹；另外，由於纖維素的可降解性、絲狀結構和增加水的粘滯性，則導致氧氣傳質下降，帶來曝氣量的上升。
當然，從正麵看，纖維素的可降解性，用於汙泥厭氧消化產甲烷，甲烷產量高、汙泥產率低。從這些影響上來看，纖維素具有回收的價值，因為回收對汙水處理內部有好處——減少泥產量（下降23%）、降低曝氣耗能（下降32%~40%）、減少對膜組件的汙染。但是，人們也會擔心回收纖維素是否會對汙水處理產生不利影響，答案是“並無明顯影響”，這在往期文章中已有介紹（參見：汙水纖維素回收：一石二鳥）。
那如何有效回收汙水中的纖維素呢？
從上文纖維素的遷移轉化可以看出，回收纖維素的位點應該在生物池之前，粗格柵或沉砂池之後，即前端回收。初沉池就可以很好地對纖維素進行截留，但是初沉池的汙泥“蘿卜白菜一勺燴”，纖維素是吸附包裹在汙泥中的，還得對汙泥進一步處理才能得到纖維素。實際上，目前對汙水中纖維素回收最有效的方法是旋轉帶式過濾器（RBF），這在往期文章中已有初步介紹，在此主要介紹下RBF集成裝置的組成和工作過程。
實際上，RBF技術源自北歐，屬於強化型一級處理技術，由於北歐氣溫較低，汙水經過RBF後可能就直接排放了；有時，RBF也用於CSO的汙染控製。目前，RBF技術已是高度集成化成型裝置。如上圖所示，集成裝置一般包含三個單元：進水/出水腔室、旋轉篩網、汙泥濃縮和收集單元。進水在經過旋轉的篩網時，部分SS（主要是纖維素）被截留在篩網上，然後旋轉至壓縮單元並被刮除進收集單元排出。
也就是說，RBF裝置自帶同步脫水功能，即可以通過螺旋壓榨機對收集到的篩分固體進行濃縮脫水。由此可知，纖維素的回收較為簡單且效率高，這也就是Foglia等（2021）的評價中纖維素回收最優的原因之一。當然，RBF也存在過濾工藝通常的問題——即阻塞（由於處理前端，尤其是油脂的阻塞）。因此需要篩網進行定期清洗，這可以通過集成到裝置中的反衝洗（可采用熱水反衝洗）、刮除器等來實現，也亟需開發更為高效經濟的方法。
汙水中纖維素回收後的下遊產業鏈如何呢？
汙水中是資源能源的載體早已得到廣泛認知，但部分路徑得不到推廣應用的原因之一就是下遊產業鏈的打通問題，即應用市場。而纖維素在這方麵並不用擔心，這是Foglia等（2021）的評價中纖維素回收最優的另一個原因。往期文章中（篩分回收汙水中纖維素物質）已做過初步介紹，在荷蘭，回收的纖維素已作為瀝青添加劑用於道路鋪設。另外，還可用於造紙及製作隔音材料、生物複合材料、混凝土/瀝青添加劑、土壤改良劑、生物質燃料等。
本文則介紹回收纖維素的另一個應用，——纖維素輔助汙泥脫水（CADoS）。由上文可知，由於纖維素的絲狀結構，纖維素進入汙泥後會發生膨脹。但是，荷蘭工程人員觀察到，這一特性有助於汙泥脫水。按照纖維素:汙泥=0.3:1的比例投加，同時使用少量的聚合電解質輔助，便可得到30%幹重的泥餅，可大大節省汙泥脫水的藥劑投加量和能耗，正所謂“原湯化原食”。由此可知，回收的纖維素既可以原位就地利用，也可以外運進入市場，保障了纖維素回收的市場動力。
據筆者的了解，目前並沒有查到國內的相關應用。不過好像有過應用案例，但並不清楚什麽原因而停止了。實際上，隨著汙水處理提標改造的進行，已經逐步重視一級處理單元的優化，部分汙水廠升級後，增加了精細格柵或膜格柵，孔徑在幾個mm左右，而這一孔徑大小跟RBF相差不大，因此，設計有膜格柵的水廠可專門監測下柵渣，沒準就是 “被忽視浪費的資源”，對其回收可能還會帶來一定的經濟收益。在汙水已是資源成為共識的今天，在開發回收技術的同時挖掘打通上下遊產業鏈、推動資源回收落地應用應是我們必須思考和探究的方向，這也讓我想起了周星馳電影裏的一句經典台詞：“就算是一張衛生紙都有它的用處”——回收纖維素。
