作者簡介：郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)。現(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。

荷蘭經(jīng)驗表明，污水COD中23%來源于如廁手紙。阿姆斯特丹下水管網(wǎng)服務(wù)人口當(dāng)量約120萬人，有12 000~15 000 t/a手紙進(jìn)入污水管網(wǎng)；這相當(dāng)于原水SS中有40%直接來源于手紙分解后的纖維素，折算COD為17 000~21 000 t/a，即構(gòu)成25%~30%的進(jìn)水COD負(fù)荷。

手紙，再加上廚余殘渣、合流制中雜草/樹葉等構(gòu)成了污水中總纖維素(學(xué)名為木質(zhì)纖維素物質(zhì))。木質(zhì)纖維素由半纖維素（木糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖以及它們的單體衍生物）、纖維素（D-吡喃型葡萄糖）和木質(zhì)素（苯丙烷單元）組成。它們的分子結(jié)構(gòu)與聚合物的穩(wěn)定聚合狀態(tài)是導(dǎo)致這類物質(zhì)生物降解性變差的主要原因。木質(zhì)纖維素中的三種基本成分往往并不彼此獨立存在，鏈狀纖維素分子所組成的纖維束骨架通過半纖維素的聯(lián)結(jié)作用使得木質(zhì)素纏繞包裹在纖維束周圍,形成整體結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定的復(fù)雜聚合物，如圖1所示。

圖1 木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)

由于木質(zhì)素的穩(wěn)定包裹作用和本身降解的復(fù)雜性、頑固性，使得木質(zhì)素在生物處理過程中實際起到了保護(hù)纖維素和半纖維素的作用，這就阻礙了水解酶發(fā)揮有效作用，使得木質(zhì)纖維素整體的生物降解性能較低。除非存在對木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的“破穩(wěn)”作用（如預(yù)處理），否則，木質(zhì)纖維素在好氧（污水處理）及厭氧（污泥處理）過程均難以降解，最后大多殘留于消化后剩余污泥之中，使之占?xì)堄嘤袡C(jī)成分比例高達(dá)39%。表1為一些國家和地區(qū)原污泥中木質(zhì)纖維素的含量，可高達(dá)剩余污泥重量的1/3。

表1 不同國家和地區(qū)剩余污泥（生污泥）中木質(zhì)纖維素含量

木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定，通過曝氣等活性污泥法難以降解，它們大多數(shù)最后被吸附于剩余污泥；在隨后的污泥厭氧消化過程亦難以降解，只能留存于消化后的熟污泥中，或填埋/回田后緩慢自然生物降解，或隨污泥一起干化、焚燒。此外，木質(zhì)纖維素因其結(jié)構(gòu)與絲狀菌相似，可能還具有與絲狀菌一樣的某些“架橋”作用，具有誘發(fā)污泥膨脹的嫌疑。進(jìn)言之，木質(zhì)纖維素也會成為消化污泥的“骨架”，導(dǎo)致熟污泥濃縮脫水后體積無法進(jìn)一步減少。因此，纖維素對于污水、污泥處理來說,最好的辦法就是通過篩分方式在污水處理的前端將其“拿下”，不讓其進(jìn)入后續(xù)處理過程。這樣，污泥量大、污泥膨脹等弊端均會被消除,被篩分出的纖維素可用作多種用途。前端篩分纖維素單元可根據(jù)具體情況，最好設(shè)置在污水處理流程的沉砂池后，一般采用大孔徑膜低耗過濾即可實現(xiàn)。

膜用于污水處理的歷史雖然不長，但其應(yīng)用的范圍卻十分廣泛，如在膜反應(yīng)器（MBR）上的應(yīng)用。由于MBR中膜分離的是活性污泥絮體或游離細(xì)菌，介于微濾和超濾之間，膜孔徑通常為0.1~0.4 μm，需要加壓才能實現(xiàn)泥水分離。針對歐盟對一級處理的嚴(yán)格要求(BOD₅去除率最低為20%，SS去除率最低為50%)，挪威研究者在9座污水處理廠分別進(jìn)行了前端膜過濾SS的生產(chǎn)性試驗（膜孔徑為80~850 μm）,結(jié)果發(fā)現(xiàn)350μm孔徑旋轉(zhuǎn)帶式膜對SS的過濾、截留效果最好，經(jīng)離心篩分最大可截留50%~80%的SS，比初沉池效果明顯。

有鑒于此，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)在某污水廠（處理水量Q=3.84×10⁴m³/d，進(jìn)水COD=441 mg/L）開展了膜分離（孔徑為0.35 mm）、篩分纖維素的中試。篩分設(shè)備與上述挪威試驗相似，直接安裝在6 mm細(xì)格柵之后運(yùn)行［膜通量為30 m³/(m²·h）］。中試結(jié)果顯示，0.35mm孔徑膜分離對SS的平均篩分率為50%，其中對COD、TN的去除率分別為35%、1%，對TP的去除率<1%。木質(zhì)纖維素平均長度一般為1.0~1.2 mm，這與幾種荷蘭市售衛(wèi)生紙纖維素長度基本一樣，這意味著0.35="">

圖2 膜過濾前后顯微觀察污水鏡像（膜孔徑為0.35 mm)

前端膜過濾篩分后的纖維素相當(dāng)于截留了30%的進(jìn)水COD負(fù)荷，回收后有多種用途，可用于造紙及制作隔音材料、生物復(fù)合材料、瀝青添加劑、土壤改良劑、生物質(zhì)燃料等。其中，回收纖維素用作透水瀝青添加劑在荷蘭已有嘗試。相對于摻雜聚酯纖維透水瀝青而言，由纖維素透水瀝青鋪設(shè)的路面具有吸能降噪、彈性好、空隙率高等特點，有助于雨水下滲?；厥盏睦w維素重金屬含量極低，可摻雜有機(jī)固體廢棄物簡單處理后作為土壤改良劑，能夠消除直接采用剩余污泥回田對植物的某些抑制作用和對地下水的污染風(fēng)險。

根據(jù)中試設(shè)備測算，前端膜篩分設(shè)備投資回報期約為7年，使用壽命長達(dá)15年。更大的經(jīng)濟(jì)利益還在于前端膜篩分的使用可大大節(jié)省后端用于污泥處理、處置的費用，約可節(jié)約中試廠污泥處理、處置費用125 000歐元/a。移除纖維素這種“惰性”COD對處理負(fù)荷的提升也不容忽視，在不增加反應(yīng)池容積的情況下可增加約1/3的COD去除負(fù)荷。由于設(shè)置前端膜篩分纖維素，整個污水處理廠至少可以降低40%的能源消耗。

污水處理碳中和運(yùn)行目前不只停留在學(xué)術(shù)研討階段，歐美等國家已出現(xiàn)一些利用剩余污泥厭氧消化或外源有機(jī)物共消化實現(xiàn)碳中和運(yùn)行的范例。更有歐美人追求污水有機(jī)物能源化更高目標(biāo)，試圖將污水中全部有機(jī)物“捕捉”而通過厭氧消化轉(zhuǎn)化能源。這個理念雖好，但必須采用非傳統(tǒng)方法對氮、磷加以去除或回收。主流厭氧氨氧化似乎可以用自養(yǎng)方式去除氮，但這項技術(shù)極具挑戰(zhàn)性（低溫適應(yīng)性以及殘留COD問題），目前仍停留在學(xué)術(shù)探索階段，離實踐以及工程控制還有很長的距離。利用污水源熱泵技術(shù)雖可容易實現(xiàn)污水處理的碳中和運(yùn)行，但這是一個跨專業(yè)（暖通）的應(yīng)用領(lǐng)域。

因此，實施污水全部碳捕捉未必是一種普適性技術(shù)，特別是針對我國低碳源污水情況。然而，另外一種形式碳捕捉——前端篩分纖維素物質(zhì)，看上去概念新穎、道理簡單、設(shè)備便捷、操作容易，其后果是可實現(xiàn)污泥減量、抑制污泥膨脹、回收纖維素、降低總能耗、增加處理負(fù)荷，因此具有廣泛的適用性。