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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(shí)代A3-307室背景
在荷蘭，一個(gè)污水處理廠能夠生產(chǎn)出其自身運(yùn)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(gè)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(jìn)污水處理的污泥消化能大大提高污水廠的能耗效率。一個(gè)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(duì)這項(xiàng)工藝技術(shù)的試驗(yàn)作詳細(xì)剖析。
污水處理的污泥消化一般有幾項(xiàng)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(jìn)行厭氧消化。而最近市場(chǎng)上冒出了幾項(xiàng)改進(jìn)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(qiáng)化有機(jī)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(shí)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(duì)有過工程應(yīng)用的可行技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，得到的結(jié)論是在荷蘭以及其他國(guó)家，污泥消化優(yōu)化技術(shù)是有市場(chǎng)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(fèi)用、更低的管理維護(hù)費(fèi)和更高的簡(jiǎn)化度和穩(wěn)定性。而RHDHV期待能通過兩項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述的這些結(jié)果，其中一個(gè)叫Ephyra®，另一個(gè)叫Themista®。
這項(xiàng)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(xiǎn)？
工藝開發(fā)一般始于商業(yè)計(jì)劃書，對(duì)其做一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)研。通過小試實(shí)驗(yàn)、中試、和示范項(xiàng)目來驗(yàn)證和評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)。本文會(huì)對(duì)Ephyra技術(shù)的工藝進(jìn)行描述并匯報(bào)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(jí)工藝，由若干個(gè)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(guó)消化概念Hochlastfaulung(High-RateDigestion–高速消化)。但是德國(guó)人的這個(gè)理念有幾個(gè)主要弊端：高建筑高度，高成本和對(duì)堵塞的敏感性。而Ephyra在技術(shù)上消除了這些缺點(diǎn)，同時(shí)增設(shè)了幾個(gè)控制選項(xiàng)，確保穩(wěn)固、高效的運(yùn)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(duì)比。通過分析消化前后的DS含量和非有機(jī)部分(AS灰分)的濃度來分析有機(jī)固體含量(DS)的降解情況。數(shù)據(jù)組成包括了實(shí)驗(yàn)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(jì)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(cè)量計(jì)算展示的干物質(zhì)的分解過程的變化。
實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)五個(gè)污水廠的污泥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究。Ephyra跟在荷蘭應(yīng)用的傳統(tǒng)消化器的污泥進(jìn)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(duì)平均改善率是8%，相對(duì)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(yàn)，這個(gè)提升程度在2%-3%(絕對(duì)值)左右。因?yàn)槊撍Ч蚉E聚合物的投加對(duì)Ephyra的商業(yè)可行性分析都十分重要，所以在中試實(shí)驗(yàn)中包括了脫水測(cè)試。
對(duì)于Ephyra能有更好表現(xiàn)的原因，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)作出了以下的假設(shè)推測(cè)：
1.Ephyra反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，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(jìn)的Ephyra控制器對(duì)消化工藝的不同階段進(jìn)行了優(yōu)化，這使得整個(gè)工藝即使面對(duì)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(duì)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(zhǎng)了污泥停留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了HRT和SRT的分離。
為了對(duì)Ephyra技術(shù)和上面的假設(shè)進(jìn)行測(cè)試，我們?cè)?014年12月到2015年3月期間對(duì)Zuiderzeeland水委會(huì)所屬的Tollebeek污水處理廠的污泥進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn)，對(duì)污水廠現(xiàn)在的情況和將來使用Ephyra的情況進(jìn)行了比較分析。其中一個(gè)不同點(diǎn)在于目前Tollebeek污水廠污泥的可降解性高于將來的情況，因?yàn)槟壳暗倪M(jìn)料污泥里初始污泥的含量更高。但是在將來，會(huì)有更多污泥從Lelystad污水廠運(yùn)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(jì)算顯示：盡管進(jìn)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(shí)驗(yàn)室和中試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果跟模擬計(jì)算是吻合的，甚至比預(yù)期更加好，正如圖標(biāo)顯示的。
實(shí)驗(yàn)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(gè)途徑來分析鑒定的：包括了測(cè)定無機(jī)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(shí)際效果顯示其結(jié)果跟參照樣品在實(shí)驗(yàn)室和中試實(shí)驗(yàn)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(cè)量到的沼氣和甲烷的成分吻合，同樣包括其他測(cè)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在中試之外增加了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)——把同樣的污泥混合物（啟動(dòng)時(shí)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(shí)間進(jìn)行對(duì)比測(cè)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(shí)驗(yàn)室降解情況
當(dāng)用不同的混合物加入到反應(yīng)器時(shí)，與中試結(jié)果相比，Ephyra降解率要高4%（絕對(duì)值)。而在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)里，當(dāng)進(jìn)料相同的時(shí)候，Ephyra的污泥降解提高率能穩(wěn)定在10%左右。通過這些試驗(yàn)，Ephyra的高性能表現(xiàn)得到了驗(yàn)證。
脫水
除了測(cè)量干物質(zhì)降解之外，我們對(duì)參照樣本和Ephyra污泥進(jìn)行了另外兩個(gè)工程應(yīng)用規(guī)模的脫水試驗(yàn)。
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(cè)試顯示要實(shí)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(diǎn)對(duì)達(dá)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(cè):
假設(shè)1:反應(yīng)工藝的分區(qū)進(jìn)行
中試測(cè)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(shì)有明顯區(qū)別。前部區(qū)域的酸度更高，同時(shí)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(jìn)一步降解。
假設(shè)2:通過良好的污泥進(jìn)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(gè)峰值負(fù)荷的測(cè)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(shí)間更長(zhǎng)
我們對(duì)Ephyra不同反應(yīng)區(qū)間的污泥取樣進(jìn)行了沉置測(cè)試。測(cè)試顯示即使在48小時(shí)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(jìn)
四年的實(shí)驗(yàn)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(yàn)證甚至改善了實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果，同時(shí)顯示了它的脫水性能的提高。另外，中試研究對(duì)幾個(gè)假設(shè)推測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證，這進(jìn)一步加深了對(duì)Ephyra的運(yùn)行原理的認(rèn)識(shí)。中試研究獲得的知識(shí)和信息將增強(qiáng)示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)的耐固性。
總結(jié)
本篇報(bào)告描述了Ephyra和傳統(tǒng)污泥消化的實(shí)驗(yàn)室和中試的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。該研究實(shí)際上是實(shí)驗(yàn)室研究和未來工程應(yīng)用示范項(xiàng)目之間的三年過渡期。本文對(duì)預(yù)設(shè)和測(cè)量結(jié)果都作了描述，同時(shí)介紹了實(shí)驗(yàn)的假設(shè)推論的建立、測(cè)試和評(píng)估等。中試和實(shí)驗(yàn)室研究表明了Ephyra對(duì)污泥消化和脫水方面的積極影響。中試研究同時(shí)為下一步工作的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)提供了寶貴的知識(shí)。