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        污水無所不能:纖維素回收利用

        發布日期:2021-06-14 來源: IWA國際水協會
          2017年,國際水協會的IWA-Watershare 資源回收最佳實踐獎頒給了來自荷蘭的CirTec公司。這家公司在荷蘭Geestmerambacht污水廠建了一個纖維素回收工廠。這座工廠原位回收污水中的纖維素,提純后作為輔助材料加入到鋪自行車道用的瀝青中。對于荷蘭這個單車王國,可謂是充滿本土特色的創意之舉,因此獲獎也在情理之中。在過去幾年里,他們還在進行相關的研究。本期的IWA微信推送將帶大家一起看看污水廠的纖維素有何用途。

          圖. 用廁紙鋪馬路? |圖源:Stowa
          廁紙學問知多少?
          視頻. 柏林Kunsthochschule的學生為CirTec制作的介紹視頻 | 來源:Facebook
          廁紙富含碳素纖維(約70%-80%的成份為纖維素),而在日常生活中通常都被當成廢物沖進下水道(或者被扔進紙簍),沒多少人意識到它能被循環利用成為干凈安全的原材料。據統計,西歐人均廢廁紙的年產量10-14kg,這些廁紙(視乎廁紙的質量和成分)大多流入污水廠,據稱污水廠每年需以約70歐/噸的成本來處理這些“廢紙”。
          但這些被沖進下水道的的廁紙纖維其實是寶貴的潛在資源。纖維素可以用作瀝青中的絕熱材料,又可以用作玻璃纖維、抹布的化學原材料。有趣的是,荷蘭使用的廁紙的纖維素含量也特別高,這也反過來促進了項目在荷蘭的開展。
          
          廁紙變馬路建材
          既然廁紙可回收成為瀝青中的可再生原材料,荷蘭人馬上動手實踐,在弗里斯蘭省(Friesland)立了個自行車道修建項目,以此向市民展示這個理念和技術的可行性。
          Cirtec公司其實自2010年開始就著手污水廠的纖維素回收工作,簡單點說就是提供一些格柵設備,截留污水中的懸浮固體,從中回收有價值的材料 。
          
          圖. CirTec在Stowa資助下開展的早期可行性研究報告 | 圖源:STOWA
          經過幾年的研發,Cirtec公司跟Wetterskip Fryslan, De Provincie Fryslan, KNN Cellulose, Roelofs, Jansma 和STOWA等機構成立了名為VAZENA的示范項目 (荷蘭語全稱Van Zeefgoed naar Asfalt,即從格柵截留物到瀝青),并推出了名叫CellVation的纖維素回收提純設備。
          CirTec首先要說服污水廠它家的CellVation工藝對污水廠是有好處的。他們主要有三大理由:
          提高生物處理能力:纖維素在生物好氧曝氣池的降解度有限,從上游工藝移除纖維素,去除了水中的惰性物質,提高了污水的可生物降解性。
          降低運行成本:去除了纖維素的污水也意味著下游曝氣需求的降低,減少了能耗,污泥產量也會相應減少,后續污泥處置量也變少了。另外,完全去除進水中的毛發和纖維,會相應降低工藝設備的維修次數,延長設備壽命。
          占地要求低:如果污水廠要增加生物處理能力,CellVation工藝中的CellCap精細格柵所需的空間遠小于其他替代方案。
          那么實際效果如何呢?
          試驗結果
          為了考證CirTec技術的市場前景,Aa and Maas 水委會和KWR在Aarle-Rixtel污水廠對CirTec的Screencap細格柵技術進行調研。主要目的是考察細格柵對下游工藝的影響。
          
          圖. 在Aarle-Rixtel WWTP安裝的細格柵
          Aarle-Rixtel 污水廠非常適合進行這次測試,因為它有兩條一模一樣的處理線。研究團隊在其中一條的前端安裝了細格柵,這樣可以很直觀地對其運行表現進行觀察。細格柵截留的物質主要是廁紙中的纖維素纖維。這些截留物可用于沼氣生產,其產能是下游處理工藝產生的污泥的2-3倍。但它們也可以用作纖維原料,例如加工成干凈的纖維素用于馬路建材。
          
          圖. 細格柵截留物的潛在用途
          結果顯示,引入細格柵的處理線的出水水質沒有受到影響,兩條線的污泥SVI也相當接近,脫水性能也沒有顯著改變。但是,安裝了細格柵的處理線的曝氣能耗降低了15%,污泥產量減少10%,污水處理處理能力提高10%。試驗結果也促成了CirTec公司和Hollands Noorderkwartier水委會在Geestmerambacht污水廠的日產400kg的纖維素回收工廠項目。這些回收的纖維素有部分運至英格蘭,作為生產生物復合材料的原材料。剩下的纖維素還有待解決。
          
          圖. 位于Geestmerambacht污水廠的纖維素回收系統
          潛在用途
          通過初步測試說服污水廠使用細格柵回收纖維素之后,CirTec下一步要做的就是開發下游產品了。
          纖維素雖然占截留物總質量的70-80%,但截留物里還有其他物質,例如頭發、脂質、砂石等。這些雜質限制了纖維素的回收潛力。因此CirTec和荷蘭最大的垃圾回收公司Attero合作,將Beemster污水廠回收的格柵截留物運到Attero運營的Wijster垃圾處理廠。Wijster垃圾廠作為中試地點,用纖維素作為碳源生產生物塑料(PLA),剩下的物質送入消化罐生產沼氣。剛才提到的Aarle-Rixtel 污水廠的截留物直接運到污泥焚燒廠進行處理,并沒有做進一步加工。水委會還在為此尋找更好的出路。
          污水中的纖維素的回收利用還在研究階段,包括考察纖維素提純成為瀝青添加劑、生物塑料和生物燃料等,荷蘭多個污水廠已開展了相關的實驗。最新的一個項目是一個叫WOW!的多國協作項目。該項目由荷蘭水委會Vallei en Veluwe牽頭,一共有六個國家的機構參與,包括盧森堡大學、德國凱澤斯勞滕大學、英國水務公司Severn Trent等機構,CirTec也有參與其中。該項目總預算640萬歐元,其中歐盟資助經費達380萬。WOW!是Wider business Opportunities for raw materials from Wastewater的縮寫,顧名思義,該項目旨在從污水中尋求商機,回收各種原材料,包括纖維素、脂質和PHA生物塑料。其中纖維素和生物塑料都是CirTec此前已經在研究的對象。該項目從2018年開始,計劃到2021年結題。
          
          污水中的纖維素最后能不能變廢為寶呢?雖然荷蘭CirTec已經向我們展示其可行性,但要成為可靠的商品,似乎還有很長的一段研發路要走。
          除了CirTec,歐盟地平線2020的一個子項目SMART-PLANT也有關于纖維素資源化的相關研究,感興趣的讀者可以向我們索取相關資料。
          
          圖. SMART-Plant的纖維素資源化技術路線圖 | 圖源:Smart-plant.eu
          參考資料
          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
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