汙水纖維素:價值資源、回收節能

2022-05-27 15:33:51   來源:   評論:0 點擊:   字體大小:

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。

1.jpg

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。

1.jpg

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。

1.jpg

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。

1.jpg

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。



返回列表 打印
幣遊