纤维素对污水生物处理系统性能的影响及机理分析
厕纸等纤维素成分在污水中含量不菲，它们在生物处理过程中非但很难降解，反而会增加系统的运行负担。因此，国际上已开始从污水中分离纤维素的研究与实践。为探讨纤维素对污水生物处理系统性能与运行的影响，采用小试变形UCT工艺考察了它们的影响程度并揭示出影响机理。结果显示，纤维素存在只会在短期内影响COD、N、P去除，表现为曝气氧量不足。只要提高2～3倍曝气量便可恢复出水水质。微观研究揭示，纤维素线性形态和含有大量官能团特点能够明显提高污泥絮体密实度，从而导致絮体内氧传质效率下降，这也是纤维素存在时需要加大曝气量的根本原因。纤维素对絮体的网捕卷扫作用使絮体致密的好处是可强化同步硝化反硝化（SND）作用，亦可减少SS含量。综合衡量，预处理分离纤维素有利于节能降耗，况且，纤维素大部分成分在曝气过程是难以降解的，最终会进入剩余污泥之中，增加污泥量。可见，从污水中回收纤维素不仅可实现废物资源再利用，亦有助于节能降耗，同时为升级污水处理增加处理空间。
污水作为能源与资源载体的认识已逐渐被业界所接受，特别是有机物和氮磷资源。围绕这些资源的回收技术路线和产品也一直持续被研发并优化。事实上，污水中可回收资源并不仅仅局限于这些物质，污水中难以降解的有机物——纤维素其实也是一种宝贵资源，回收后可用作沥青和混凝土添加材料，亦可以用于玻璃纤维、抹布的原材料。因此，从污水中回收纤维素具有可观的经济效益。污水中的纤维素主要来自于厕纸、厨余垃圾或合流制管道雨水径流。厕纸中约70%～80%成分为纤维素，在进入污水管道后，厕纸逐步分解为长度约1～1.2 mm的线状纤维素。因其降解速率缓慢，纤维素大多以悬浮固体（SS）形式进入污水处理厂。根据不同国家/地区社会发展水平和卫生条件差异，纤维素一般约占污水处理厂进水总SS的30%～50%（以COD计，约占20～30%）。纤维素进入污水处理厂后，初沉池可截留约20%～70%；生物处理单元基本上对纤维素无降解作用，大部分纤维素最终残留于剩余污泥中。回收纤维素起源于荷兰，并已开始工程化应用。以旋转带式过滤机（筛网孔径=0.35 mm）回收纤维素平均去除约35%（基于SS），其中，纤维素占回收固体部分的比例约为79%。回收纤维素不仅可降低剩余污泥量，还可以有效减少曝气能耗，相应增加处理系统负荷。然而，纤维素对污水生物处理系统，特别是脱氮除磷影响的研究还不多见。为此，通过小试生物脱氮除磷装置，以人工配制含纤维素生活污水方式，考察纤维素对有机物、氮、磷去除效率以及运行的影响，并分析相应机理。
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)
图片来自文献：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
试验材料与方法
1.1 人工污水配制
试验采用人工配制模拟生活污水。其中，COD由无水乙酸钠（CH3COONa）/工业级乙酸钠（CH3COONa·3H2O）、葡萄糖（C6H12O6·H2O）、胰乳蛋白胨提供，投加量分别为35.7/78.12、14.15、3.94 g/100 L,最终浓度为450 mg/L；TN由氯化铵（NH4Cl）和胰乳蛋白胨提供，投量分别为16.7、3.94 g/100 L，最终浓度为50 mg/L；TP由磷酸二氢钾（KH2PO4）提供，投量为4.39 g/100 L，最终浓度为10 mg/L。通过投加碳酸氢钠（21.2～42.4 g/100 L）控制碱度在100～200 mg/L（以CaCO3计）。每100 L水中投加10 mL微量元素浓缩母液，微量元素组分及其占比见照国际水协出版的《Experimental Methods in Wastewater Treatment》。
为更好地模拟污水中纤维素形态和性质，在第36天直接投加经预处理后的卫生纸作为纤维素来源（以SS计为60～80 mg/L）。该卫生纸的原材料为原生木浆，产品规格为120 mm×120 mm/节（4层），其纤维素含量为（82.10±0.92）%。预处理方法：将10 g卫生纸溶解于100 L自来水中，并连续搅拌（40 r/min）1 d，使其充分分解至线状纤维素。
1.2 试验装置及运行
小试装置为变形UCT工艺，由有机玻璃材质制成，长×宽×高为1.44 m×0.3 m×0.3 m，有效容积为120 L，通过挡板分为5个反应区。小试装置反应区构成及其体积如图1所示。每个反应池设有搅拌器，在混合池及好氧池底部各均匀布置6个曝气头。好氧池末端连接23 L柱状沉淀池，设计表面负荷为0.64 m3/(m2·h)。为避免藻类滋生对试验产生影响，整个反应器池体用黑色遮光布进行遮光处理。
图1 变形UCT小试装置工艺流程
装置采用连续流运行模式，根据进水有无纤维素分为两阶段，第一阶段：0～35 d，无纤维素投加；第二阶：36～160 d，投加纤维素。两阶段水力负荷均为0.83 L/(L∙d)，反应器污泥浓度（MLSS）控制在3 500 mg/L左右，回流A、B、C分别为150％、300％、40%。污泥停留时间（SRT）设定为10～20 d（根据实际情况进行调整）；第一、二阶段的污泥回流比（R）分别控制在100%和150%。其中，好氧池溶解氧（DO）控制在2～5 mg/L，混合池根据出水水质灵活控制曝气开关，第一阶段和第二阶段均未对混合池进行曝气，其中DO为0.1～0.2 mg/L。
1.3 常规检测分析方法
装置启动后，每2～3 d取样测定进出水水质（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测试；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）批次试验。
其他各指标的检测参考《水和废水监测分析方法（第4版）》进行。
02
结果分析与讨论
2.1 纤维素对COD与P去除的影响图2显示了小试装置在整个试验期间出水COD与磷浓度变化。在第一阶段进水TCOD浓度维持在450 mg/L时，出水TCOD平均为（39.7±16.1）mg/L，其中SCOD为（24.8±10.8） mg/L，符合国家一级A排放标准。然而，当第二阶段加入纤维素后，COD去除效果明显恶化，出水TCOD最高检测值高达95 mg/L（SCOD为80 mg/L）。为探究加入纤维素后COD去除效果恶化原因，对出水TCOD的构成进行了分析。结果显示，加入纤维素后出水SS显著下降，从（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恶化导致出水COD升高问题。纤维素富含官能团且呈线状，因此其对污泥具有较好网捕卷扫作用，可促进污泥絮体凝结并提高其紧密度，这一现象通过污泥镜检也得到了印证。然而，不论是因纤维素自身作为COD消耗氧气，还是导致污泥絮体变得紧密都有可能降低氧传质，从而弱化了对COD的降解效率。为此，在第46 天对好氧池运行进行调整，将曝气量提高至0.30~0.50 L/min（添加纤维素前为0.10～0.20 L/min）。结果，出水COD开始逐渐下降并恢复至投加纤维素前水平（TCOD=49.4 mg/L，SCOD=34.2 mg/L）。可见，回收纤维素对曝气池运行有着积极影响，可提高氧气传质与利用效率。
图2 小试装置出水COD、TP和PO3-4-P变化
与此同时，纤维素投加对磷去除的影响与COD类似，在纤维素投加初期（第36～50 天），出水总磷（TP）和正磷酸盐（PO3-4-P）浓度均开始恶化，去除率分别降低至51.99%和56.32%。从发生原因来看，DO不足是导致磷去除效率下降的主因，可以从增大曝气量后出水TP逐渐下降得到验证。然而，出水TP含量在提高曝气量后的很长一段时间内也没有恢复至投加纤维素前水平，而是保持在（2.86±1.22） mg/L左右。为进一步分析其原因，在第68 天从曝气池末端取混合样进行了聚磷菌（PAOs）活性测定，并与投加纤维素前的活性进行了对比。结果显示，投加纤维素后，反应器中PAOs比释磷速率和比吸磷速率分别为11.3 和12.0mg/(gVSS∙h)，与投加前的10.8 、13.4 mg/(gVSS∙h）相比变化并不是很大。可见，纤维素的投加对PAOs活性的影响并不大。因此，反应器除磷效果恢复较慢的原因可能与纤维素投加初期导致的跑泥和生物量恢复较慢有关。2.2 纤维素对氮去除的影响图3显示了在投加纤维素前后装置对氮去除效果的变化。从整体上看，反应器无论是否投加纤维素均能够很好地完成脱氮，投加前出水TN、NH4+-N和 NO3--N平均浓度分别（5.9±3.1）、（0.40±0.96）（4.59±2.22）mg/L，投加后为（7.80±5.46）、（1.30±2.00）、（4.11±2.22） mg/L。只是在纤维素投加初期，出水TN出现明显恶化，此时出水中NH4+-N明显增多，这显然与上述氧传质受限有关。图3显示，在增大曝气量后对TN的去除效率迅速恢复，主要是因为硝化能力开始恢复。
图3 装置出水TN、NH4+-N和 NO3--N浓度的变化
进一步分析反应器氮沿程变化趋势（见图4），第二阶段好氧池中NO3--N并没有随NH4+-N硝化而积累，说明反硝化并没有受到抑制，一方面因絮体密实而可能出现了同步硝化反硝化（SND）现象，另一方面也可能涉及纤维素中少量碳源成分降解。
图4 上清液中TN、NH4+-N和 NO3--N浓度的沿程变化
投加纤维素前后的SND效率见图5，第一阶段（未投加纤维素）无论DO浓度多大，SND效率均不高（<8%）；即使控制DO在0.5 mg/L时，SND效率也不过2.8%。相反，第二阶段添加纤维素后，SND效率明显提高，DO=0.5 mg/L时达48.69%；即使DO提高至3 mg/L，SND效率依然可以保持在20%。这一结果深入揭示了纤维素对絮体致密性产生的絮体内DO梯度之重要作用。
图5 投加纤维素前后SND效率对比
2.3 纤维素对运行的影响纤维素对反应器运行影响是两方面的，似乎均与其对污泥絮体致密程度有关。图6总结了纤维素对反应器运行、能耗等方面的影响及其机理。纤维素通过自身线状形态和官能团可靠网捕卷扫作用将污泥絮体密实包裹，相当于促进絮凝，可降低出水SS以及其中所含N、P。
图6 纤维素对污水生物处理运行影响与机理
纤维素另一个影响表现为影响絮体内氧的传质，只有通过加大混合液曝气量方能让氧气渗入絮体，以维持必要的好氧反应（碳氧化与硝化）。第二阶段的曝气量较第一阶段提高了2～3倍，即增加了50%以上的曝气耗能。可见，实际污水处理厂若能实施纤维素的回收，可以大大减少曝气能耗，有助于节能减排。然而，纤维素从污泥絮体中完全消失对絮体内SND现象不利，需要完善宏观好氧/缺氧环境以确保脱氮除磷能力。总之，纤维素对生物处理系统的综合影响并不大，仅限于SS和SND，最大影响则是曝气量与能耗。因此，作为本身很难降解的有机物，纤维素进入生物系统的正面作用不大，应该予以分离回收并加以利用。
03
结论
纤维素对生物处理系统的影响较为短暂，对COD、N、P去除率的下降影响可以通过加大曝气量加以解决，但这会成为生物系统能耗增加的主因。纤维素对污泥絮体的网捕卷扫作用可增加絮体致密性，从而强化SND现象并有利于降低出水SS。但也正因为如此，大大降低了絮体内氧传质效率，不得不通过增大曝气量来提高氧向好氧层扩散的推动力。综合衡量，预处理分离纤维素有利于节能降耗，况且，纤维素大部分成分在曝气过程是难以降解的，最终会进入剩余污泥之中，增加污泥量。因此，从污水中回收纤维素不仅可实现废物资源再利用，亦有助于污水处理的节能降耗，同时，为升级污水系统增加了处理空间。
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