纖維素對污水生物處理系統(tǒng)性能的影響及機(jī)理分析
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(yùn)行負(fù)擔(dān)。因此，國際上已開始從污水中分離纖維素的研究與實(shí)踐。為探討纖維素對污水生物處理系統(tǒng)性能與運(yùn)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(jī)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(tuán)特點(diǎn)能夠明顯提高污泥絮體密實(shí)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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(rèn)識已逐漸被業(yè)界所接受，特別是有機(jī)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(shí)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(jī)物——纖維素其實(shí)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)水總SS的30%～50%（以COD計(jì)，約占20～30%）。纖維素進(jìn)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?zé)o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(jī)（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(fù)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(jī)物、氮、磷去除效率以及運(yùn)行的影響，并分析相應(yīng)機(jī)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(xiàn)：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(yàn)材料與方法
1.1 人工污水配制
試驗(yàn)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(jì)）。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(jì)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(yàn)裝置及運(yùn)行
小試裝置為變形UCT工藝，由有機(jī)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(jì)表面負(fù)荷為0.64 m3/(m2·h)。為避免藻類滋生對試驗(yàn)產(chǎn)生影響，整個反應(yīng)器池體用黑色遮光布進(jìn)行遮光處理。
圖1 變形UCT小試裝置工藝流程
裝置采用連續(xù)流運(yùn)行模式，根據(jù)進(jìn)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(fù)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(shí)際情況進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)。
其他各指標(biāo)的檢測參考《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4版）》進(jìn)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(yàn)期間出水COD與磷濃度變化。在第一階段進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)?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(dá)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(jìn)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(tuán)且呈線狀，因此其對污泥具有較好網(wǎng)捕卷掃作用，可促進(jìn)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(yùn)行進(jìn)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(yùn)行有著積極影響，可提高氧氣傳質(zhì)與利用效率。
圖2 小試裝置出水COD、TP和PO3-4-P變化
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(yàn)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(jìn)一步分析其原因，在第68 天從曝氣池末端取混合樣進(jìn)行了聚磷菌（PAOs）活性測定，并與投加纖維素前的活性進(jìn)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?yàn)橄趸芰﹂_始恢復(fù)。
圖3 裝置出水TN、NH4+-N和 NO3--N濃度的變化
進(jìn)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(shí)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。
圖4 上清液中TN、NH4+-N和 NO3--N濃度的沿程變化
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(dá)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。
圖5 投加纖維素前后SND效率對比
2.3 纖維素對運(yùn)行的影響纖維素對反應(yīng)器運(yùn)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(yùn)行、能耗等方面的影響及其機(jī)理。纖維素通過自身線狀形態(tài)和官能團(tuán)可靠網(wǎng)捕卷掃作用將污泥絮體密實(shí)包裹，相當(dāng)于促進(jìn)絮凝，可降低出水SS以及其中所含N、P。
圖6 纖維素對污水生物處理運(yùn)行影響與機(jī)理
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(shí)際污水處理廠若能實(shí)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(jī)物，纖維素進(jìn)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(qiáng)化SND現(xiàn)象并有利于降低出水SS。但也正因?yàn)槿绱耍蟠蠼档土诵躞w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(kuò)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(jìn)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(shí)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。
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