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污水无所不能:纤维素回收利用

发布日期:2021-06-14 来源: IWA国际水协会
  2017年,国际水协会的IWA-Watershare 资源回收最佳实践奖颁给了来自荷兰的CirTec公司。这家公司在荷兰Geestmerambacht污水厂建了一个纤维素回收工厂。这座工厂原位回收污水中的纤维素,提纯后作为辅助材料加入到铺自行车道用的沥青中。对于荷兰这个单车王国,可谓是充满本土特色的创意之举,因此获奖也在情理之中。在过去几年里,他们还在进行相关的研究。本期的IWA微信推送将带大家一起看看污水厂的纤维素有何用途。

  图. 用厕纸铺马路? |图源:Stowa
  厕纸学问知多少?
  视频. 柏林Kunsthochschule的学生为CirTec制作的介绍视频 | 来源:Facebook
  厕纸富含碳素纤维(约70%-80%的成份为纤维素),而在日常生活中通常都被当成废物冲进下水道(或者被扔进纸篓),没多少人意识到它能被循环利用成为干净安全的原材料。据统计,西欧人均废厕纸的年产量10-14kg,这些厕纸(视乎厕纸的质量和成分)大多流入污水厂,据称污水厂每年需以约70欧/吨的成本来处理这些“废纸”。
  但这些被冲进下水道的的厕纸纤维其实是宝贵的潜在资源。纤维素可以用作沥青中的绝热材料,又可以用作玻璃纤维、抹布的化学原材料。有趣的是,荷兰使用的厕纸的纤维素含量也特别高,这也反过来促进了项目在荷兰的开展。
  
  厕纸变马路建材
  既然厕纸可回收成为沥青中的可再生原材料,荷兰人马上动手实践,在弗里斯兰省(Friesland)立了个自行车道修建项目,以此向市民展示这个理念和技术的可行性。
  Cirtec公司其实自2010年开始就着手污水厂的纤维素回收工作,简单点说就是提供一些格栅设备,截留污水中的悬浮固体,从中回收有价值的材料 。
  
  图. CirTec在Stowa资助下开展的早期可行性研究报告 | 图源:STOWA
  经过几年的研发,Cirtec公司跟Wetterskip Fryslân, De Provincie Fryslân, KNN Cellulose, Roelofs, Jansma 和STOWA等机构成立了名为VAZENA的示范项目 (荷兰语全称Van Zeefgoed naar Asfalt,即从格栅截留物到沥青),并推出了名叫CellVation的纤维素回收提纯设备。
  CirTec首先要说服污水厂它家的CellVation工艺对污水厂是有好处的。他们主要有三大理由:
  提高生物处理能力:纤维素在生物好氧曝气池的降解度有限,从上游工艺移除纤维素,去除了水中的惰性物质,提高了污水的可生物降解性。
  降低运行成本:去除了纤维素的污水也意味着下游曝气需求的降低,减少了能耗,污泥产量也会相应减少,后续污泥处置量也变少了。另外,完全去除进水中的毛发和纤维,会相应降低工艺设备的维修次数,延长设备寿命。
  占地要求低:如果污水厂要增加生物处理能力,CellVation工艺中的CellCap精细格栅所需的空间远小于其他替代方案。
  那么实际效果如何呢?
  试验结果
  为了考证CirTec技术的市场前景,Aa and Maas 水委会和KWR在Aarle-Rixtel污水厂对CirTec的Screencap细格栅技术进行调研。主要目的是考察细格栅对下游工艺的影响。
  
  图. 在Aarle-Rixtel WWTP安装的细格栅
  Aarle-Rixtel 污水厂非常适合进行这次测试,因为它有两条一模一样的处理线。研究团队在其中一条的前端安装了细格栅,这样可以很直观地对其运行表现进行观察。细格栅截留的物质主要是厕纸中的纤维素纤维。这些截留物可用于沼气生产,其产能是下游处理工艺产生的污泥的2-3倍。但它们也可以用作纤维原料,例如加工成干净的纤维素用于马路建材。
  
  图. 细格栅截留物的潜在用途
  结果显示,引入细格栅的处理线的出水水质没有受到影响,两条线的污泥SVI也相当接近,脱水性能也没有显著改变。但是,安装了细格栅的处理线的曝气能耗降低了15%,污泥产量减少10%,污水处理处理能力提高10%。试验结果也促成了CirTec公司和Hollands Noorderkwartier水委会在Geestmerambacht污水厂的日产400kg的纤维素回收工厂项目。这些回收的纤维素有部分运至英格兰,作为生产生物复合材料的原材料。剩下的纤维素还有待解决。
  
  图. 位于Geestmerambacht污水厂的纤维素回收系统
  潜在用途
  通过初步测试说服污水厂使用细格栅回收纤维素之后,CirTec下一步要做的就是开发下游产品了。
  纤维素虽然占截留物总质量的70-80%,但截留物里还有其他物质,例如头发、脂质、砂石等。这些杂质限制了纤维素的回收潜力。因此CirTec和荷兰最大的垃圾回收公司Attero合作,将Beemster污水厂回收的格栅截留物运到Attero运营的Wijster垃圾处理厂。Wijster垃圾厂作为中试地点,用纤维素作为碳源生产生物塑料(PLA),剩下的物质送入消化罐生产沼气。刚才提到的Aarle-Rixtel 污水厂的截留物直接运到污泥焚烧厂进行处理,并没有做进一步加工。水委会还在为此寻找更好的出路。
  污水中的纤维素的回收利用还在研究阶段,包括考察纤维素提纯成为沥青添加剂、生物塑料和生物燃料等,荷兰多个污水厂已开展了相关的实验。最新的一个项目是一个叫WOW!的多国协作项目。该项目由荷兰水委会Vallei en Veluwe牵头,一共有六个国家的机构参与,包括卢森堡大学、德国凯泽斯劳滕大学、英国水务公司Severn Trent等机构,CirTec也有参与其中。该项目总预算640万欧元,其中欧盟资助经费达380万。WOW!是Wider business Opportunities for raw materials from Wastewater的缩写,顾名思义,该项目旨在从污水中寻求商机,回收各种原材料,包括纤维素、脂质和PHA生物塑料。其中纤维素和生物塑料都是CirTec此前已经在研究的对象。该项目从2018年开始,计划到2021年结题。
  
  污水中的纤维素最后能不能变废为宝呢?虽然荷兰CirTec已经向我们展示其可行性,但要成为可靠的商品,似乎还有很长的一段研发路要走。
  除了CirTec,欧盟地平线2020的一个子项目SMART-PLANT也有关于纤维素资源化的相关研究,感兴趣的读者可以向我们索取相关资料。
  
  图. SMART-Plant的纤维素资源化技术路线图 | 图源:Smart-plant.eu
  参考资料
  https://www.facebook.com/CirTecBV1/videos/2282617041845695
  https://www.cirtec.nl/en/gebruikt-toiletpapier-krijgt-tweede-leven/
  https://www.kwrwater.nl/en/actueel/wwtp-capacity-increases-by-10-with-finescreen-technology/
  https://edepot.wur.nl/326365
  https://www.cirtec.nl/en/cados/
  http://www.smart-plant.eu/images/publications/smart-processes/19_PPT_Recovery%20of%20Volatile%20Fatty%20Acids%20from%20cellulosic%20sludge___5th%20international__.pdf
  https://www.youtube.com/watch?v=xMcmizDC7iQ&feature=emb_logo
  https://www.nweurope.eu/projects/project-search/wow-wider-business-opportunities-for-raw-materials-from-wastewater/
  https://www.youtube.com/watch?v=0vPLxwmf2dY
  https://www.stowa.nl/sites/default/files/assets/PUBLICATIES/Publicaties%202013/STOWA%202013-21.pdf
  https://www.stowa.nl/sites/default/files/assets/PUBLICATIES/Publicaties%202010/STOWA%202010-19.pdf
  https://edepot.wur.nl/425970