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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(xì)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(yīng)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(yù)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(yīng)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(dāng)?shù)氐木唧w地理氣候等條件。
荷蘭的RoyalHaskoningDHV(RHDHV)對有過工程應(yīng)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(dān)過多的風(fēng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)荷，也有很好的穩(wěn)固性。也因如此，控制器使一般高負(fù)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(yù)期更加好，正如圖標(biāo)顯示的。
實驗結(jié)果被認(rèn)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(yīng)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(rèn)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(yīng)時間進行對比測試。結(jié)果在圖2顯示。
圖2：參照反應(yīng)器（傳統(tǒng)污泥消化器）和Ephyra 反應(yīng)器的干物質(zhì)的實驗室降解情況
當(dāng)用不同的混合物加入到反應(yīng)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(dāng)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(yīng)用規(guī)模的脫水試驗。
Ephyra中試反應(yīng)器的消化污泥的脫水效果明顯好于傳統(tǒng)反應(yīng)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(yīng)工藝的分區(qū)進行
中試測試確認(rèn)發(fā)酵反應(yīng)的不同階段的確在Ephyra反應(yīng)器的不同部位發(fā)生。在不同反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)荷的測試，結(jié)果表明其工藝和分階反應(yīng)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(yīng)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(rèn)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(yīng)用示范項目之間的三年過渡期。本文對預(yù)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。