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李經(jīng)理
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西安高新區(qū)錦業(yè)路錦業(yè)時代A3-307室背景
在荷蘭，一個污水處理廠能夠生產(chǎn)出其自身運行所需的能量或者還有富余，我們稱它為能量工廠(Energiefabriek)。能量工廠的數(shù)目正在荷蘭攀升。這個概念也催生出不少污水污泥消化的新理念和技術(shù)創(chuàng)新。改進污水處理的污泥消化能大大提高污水廠的能耗效率。一個最新的理念和技術(shù)創(chuàng)新例子叫Ephyra®。在這篇文章里，我們將對這項工藝技術(shù)的試驗作詳細剖析。
污水處理的污泥消化一般有幾項可行的工藝技術(shù)。其中傳統(tǒng)方法是中溫消化——在30℃--35℃的工藝溫度下、完全混合的反應池里進行厭氧消化。而最近市場上冒出了幾項改進的工藝技術(shù)，不僅提高了污泥降解率、增加了沼氣產(chǎn)量，而且有更好的脫水效果。像超聲波預處理、高溫消化(55℃左右)、污泥熱水解(在高溫高壓下強化有機質(zhì)的降解能力)等工藝都已經(jīng)在過去幾年得到了應用并取得了不同程度的成功。但上述的各種技術(shù)都有其利弊，而且在具體工藝技術(shù)的選擇時可能得視乎污泥成分的組成、污水廠的規(guī)模和當?shù)氐木唧w地理氣候等條件。
荷蘭的RoyalHaskoningDHV(RHDHV)對有過工程應用的可行技術(shù)進行了調(diào)研，得到的結(jié)論是在荷蘭以及其他國家，污泥消化優(yōu)化技術(shù)是有市場可為的。污泥消化的優(yōu)化處理不僅可以使處理工藝更加高效，回收更多的沼氣和更好的脫水性能，更重要的是它能帶來更低的投資費用、更低的管理維護費和更高的簡化度和穩(wěn)定性。而RHDHV期待能通過兩項技術(shù)實現(xiàn)上述的這些結(jié)果，其中一個叫Ephyra®，另一個叫Themista®。
這項新技術(shù)究竟是如何研發(fā)的呢？它又如何證明其可靠性，避免讓投資合作方承擔過多的風險？
工藝開發(fā)一般始于商業(yè)計劃書，對其做一個系統(tǒng)的調(diào)研。通過小試實驗、中試、和示范項目來驗證和評估這項技術(shù)。本文會對Ephyra技術(shù)的工藝進行描述并匯報中試研究的結(jié)果。
Ephyra是一種基于推流式的濕污泥消化高級工藝，由若干個不同的間隔區(qū)組成。這種技術(shù)借鑒參考了能夠?qū)崿F(xiàn)高降解效率的德國消化概念Hochlastfaulung(High-RateDigestion–高速消化)。但是德國人的這個理念有幾個主要弊端：高建筑高度，高成本和對堵塞的敏感性。而Ephyra在技術(shù)上消除了這些缺點，同時增設(shè)了幾個控制選項，確保穩(wěn)固、高效的運行表現(xiàn)。
表1
圖1
表1和圖1顯示的是傳統(tǒng)污泥消化和Ephyra的對比。通過分析消化前后的DS含量和非有機部分(AS灰分)的濃度來分析有機固體含量(DS)的降解情況。數(shù)據(jù)組成包括了實驗室、中試以及全尺寸工程應用的Tollebeek污水廠。
表1和圖1顯示了根據(jù)初始模型計算的干物質(zhì)的降解情況，以及消化前后的污泥中的DS含量和灰分的含量。而下圖則是根據(jù)灰分的測量計算展示的干物質(zhì)的分解過程的變化。
實驗團隊對五個污水廠的污泥進行了實驗室研究。Ephyra跟在荷蘭應用的傳統(tǒng)消化器的污泥進行了比較。研究表明Ephyra工藝的污泥降解率為38%，而傳統(tǒng)反應器為30%（絕對平均改善率是8%，相對是25%）。一般來說，污泥消化的改善意味著更好的脫水效果。根據(jù)荷蘭污泥脫水的經(jīng)驗，這個提升程度在2%-3%(絕對值)左右。因為脫水效果和PE聚合物的投加對Ephyra的商業(yè)可行性分析都十分重要，所以在中試實驗中包括了脫水測試。
對于Ephyra能有更好表現(xiàn)的原因，實驗團隊作出了以下的假設(shè)推測：
1.Ephyra反應器的設(shè)計，使得消化工藝的不同階段得以分區(qū)發(fā)生，包括了水解、酸化、乙酸化和產(chǎn)甲烷等。
2.先進的Ephyra控制器對消化工藝的不同階段進行了優(yōu)化，這使得整個工藝即使面對不同的負荷，也有很好的穩(wěn)固性。也因如此，控制器使一般高負荷對第一階段帶來的不穩(wěn)定性降至最小。
3.由于固體更好地保留延長了污泥停留時間，實現(xiàn)了HRT和SRT的分離。
為了對Ephyra技術(shù)和上面的假設(shè)進行測試，我們在2014年12月到2015年3月期間對Zuiderzeeland水委會所屬的Tollebeek污水處理廠的污泥進行了中試實驗，對污水廠現(xiàn)在的情況和將來使用Ephyra的情況進行了比較分析。其中一個不同點在于目前Tollebeek污水廠污泥的可降解性高于將來的情況，因為目前的進料污泥里初始污泥的含量更高。但是在將來，會有更多污泥從Lelystad污水廠運到Tollebeek污水廠來作消化處理，而里邊含有更多的更難分解的二沉池污泥。
干物質(zhì)的降解
初始的模擬計算顯示：盡管進料污泥的可降解性降低了，Ephyra（將來情況）的干物質(zhì)降解程度和參照樣本（現(xiàn)狀）持平。實驗室和中試實驗的結(jié)果跟模擬計算是吻合的，甚至比預期更加好，正如圖標顯示的。
實驗結(jié)果被認為是可靠的，原因包括：
●干物質(zhì)降解是通過兩個途徑來分析鑒定的：包括了測定無機質(zhì)的成分和干物質(zhì)的濃度。
●Tollebeek污水廠的干物質(zhì)降解實際效果顯示其結(jié)果跟參照樣品在實驗室和中試實驗的數(shù)據(jù)具有很高的可比性。
●在中試反應器里的干物質(zhì)降解情況跟測量到的沼氣和甲烷的成分吻合，同樣包括其他測量的參數(shù)。
圖1的中試結(jié)果顯示Ephyra在Tollebeek污水廠的案例情況，但是結(jié)果依然無法確認Ephyra能否在污泥降解率上提高25%。因此，實驗團隊在中試之外增加了一個實驗室試驗——把同樣的污泥混合物（啟動時只用Tollebeek的污泥，然后加入Lelystad污水廠的污泥）分別加入到Ephyra和參照消化器中，在相近的反應時間進行對比測試。結(jié)果在圖2顯示。
圖2：參照反應器（傳統(tǒng)污泥消化器）和Ephyra 反應器的干物質(zhì)的實驗室降解情況
當用不同的混合物加入到反應器時，與中試結(jié)果相比，Ephyra降解率要高4%（絕對值)。而在實驗室的試驗里，當進料相同的時候，Ephyra的污泥降解提高率能穩(wěn)定在10%左右。通過這些試驗，Ephyra的高性能表現(xiàn)得到了驗證。
脫水
除了測量干物質(zhì)降解之外，我們對參照樣本和Ephyra污泥進行了另外兩個工程應用規(guī)模的脫水試驗。
Ephyra中試反應器的消化污泥的脫水效果明顯好于傳統(tǒng)反應器的樣本，前者含固率高出2%-3%。
Tollebeek污水廠的污泥經(jīng)脫水后的含固率在23.5%-24%，而Ephyra在25%-25.5%。
另外，測試顯示要實現(xiàn)良好的脫水效果，污泥的混合、正確的聚合物類型和投加量以及正確的離心設(shè)置點對達到良好的脫水效果都十分關(guān)鍵。
現(xiàn)在讓我們回到剛才提及的假設(shè)推測:
假設(shè)1:反應工藝的分區(qū)進行
中試測試確認發(fā)酵反應的不同階段的確在Ephyra反應器的不同部位發(fā)生。在不同反應分區(qū)的PH(酸度)和redox氧化還原態(tài)勢有明顯區(qū)別。前部區(qū)域的酸度更高，同時redox值也更高，而在前部生成的脂肪酸在后續(xù)區(qū)域得到了很好的進一步降解。
假設(shè)2:通過良好的污泥進料和回流控制，Ephyra保持了良好的工藝可控性。
Ephyra的部分影響來自反應工藝的分階進行。要保證工藝的穩(wěn)定性和最終產(chǎn)品的連續(xù)性，需要在峰值流量的情況下也維持這種反應分階的狀態(tài)。因此團隊開發(fā)了特別的控制器，通過控制回流來優(yōu)化和管理工藝情況。在中試期間Ephyra工藝接受了幾個峰值負荷的測試，結(jié)果表明其工藝和分階反應都能維持在穩(wěn)定的水平上
假設(shè)3:通過分離SRT和HRT使得污泥停留時間更長
我們對Ephyra不同反應區(qū)間的污泥取樣進行了沉置測試。測試顯示即使在48小時后也只有很少甚至沒有污泥沉降，所以我們下結(jié)論說SRT和HRT的分離沒有發(fā)生。
下一步如何推進
四年的實驗室研究和半年的中試結(jié)果表明Ephyra在污泥消化上的積極作用。中試研究驗證甚至改善了實驗室的結(jié)果，同時顯示了它的脫水性能的提高。另外，中試研究對幾個假設(shè)推測進行了驗證，這進一步加深了對Ephyra的運行原理的認識。中試研究獲得的知識和信息將增強示范項目設(shè)計的耐固性。
總結(jié)
本篇報告描述了Ephyra和傳統(tǒng)污泥消化的實驗室和中試的對比試驗結(jié)果。該研究實際上是實驗室研究和未來工程應用示范項目之間的三年過渡期。本文對預設(shè)和測量結(jié)果都作了描述，同時介紹了實驗的假設(shè)推論的建立、測試和評估等。中試和實驗室研究表明了Ephyra對污泥消化和脫水方面的積極影響。中試研究同時為下一步工作的一些關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)提供了寶貴的知識。