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EZ7200 VFA 在厭氧消化器的應(yīng)用

2020-10-12，星期一

厭氧消化簡介

厭氧消化是一種在市政和工業(yè)固體穩(wěn)定過程的常用技術(shù)。穩(wěn)定化是一個(gè)減少處理過程中的污泥病原體含量,使產(chǎn)品安全有益地使用或處理的過程。厭氧消化被應(yīng)用在各種民營企業(yè)中，并且被大約10%的市政污水資源化設(shè)施 (WRRF)所使用。

厭氧消化與其他穩(wěn)定過程的不同之處在于其通過捕獲沼氣回收能源的可能性。沼氣是消化過程的副產(chǎn)品,可用于鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生熱量、利用發(fā)電機(jī)發(fā)電以提供動(dòng)力給連接的發(fā)動(dòng)機(jī)/汽輪機(jī)或進(jìn)一步處理生成其他燃料,如天然氣。這種捕捉廢物流中儲(chǔ)存的能量的能力使厭氧消化成為一個(gè)有吸引力的技術(shù)，水資源回收設(shè)施持續(xù)努力以實(shí)現(xiàn)資源回收以及符合監(jiān)管要求的統(tǒng)一。

厭氧消化器的進(jìn)料包括捕獲的污泥或由上游污水資源化設(shè)施的污水處理過程以及捕獲的脂肪、油、油脂或食品/工業(yè)廢物。雖然厭氧消化器有很多的具體配置(嗜常溫、高溫等)，我們的目標(biāo)是相同的:創(chuàng)建一個(gè)通過微生物的天然降解促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)穩(wěn)定受控分解的環(huán)境。這是在四個(gè)同步的階段完成的:水解、酸化、乙酸化和甲烷生成。

產(chǎn)甲烷細(xì)菌對(duì)許多工藝條件敏感,包括溫度、pH值和各種毒素的存在。最優(yōu)性能發(fā)生在pH值6.8到-7.2之間。如果消化器中的pH值下降,產(chǎn)甲烷過程即可被抑制，消化過程和沼氣生產(chǎn)也同時(shí)被停止。

厭氧消化過程概述

• 水解 – 有機(jī)物/細(xì)胞被分解成可溶性形式

• 酸化 – 可溶性有機(jī)分子被產(chǎn)酸細(xì)菌轉(zhuǎn)化為VFA

• 產(chǎn)乙酸 –VFA進(jìn)一步分解，主要為乙酸(步驟2和步驟3統(tǒng)稱為發(fā)酵)

• 產(chǎn)甲烷 –在產(chǎn)甲烷菌的作用下，VFA和H?轉(zhuǎn)化為CH4(沼氣)和CO?

這是通常被稱為消化器酸化——會(huì)產(chǎn)生氣味，同時(shí)消化系統(tǒng)失敗導(dǎo)致經(jīng)常需要花費(fèi)數(shù)萬美元恢復(fù)，代價(jià)昂貴，十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。當(dāng)堿度較高時(shí)消化器的穩(wěn)定性大大提高。堿度的定義是溶液中酸或酸性介質(zhì)存在時(shí)抵抗pH變化的緩沖能力。在厭氧消化器，堿度會(huì)被上述提到的階段2中產(chǎn)生的VFA消耗掉。幸運(yùn)的是,如上文提到的階段3所述，碳酸氫鹽堿度會(huì)在產(chǎn)甲烷菌將VFA轉(zhuǎn)化為甲烷的過程中產(chǎn)生。消化器操作人員可以通過監(jiān)測加料速率、混合和加熱等操作過程維持VFA和堿度的健康平衡。

雖然厭氧消化過程很好理解，但操作人員仍然普遍面臨著消化失敗或能量回收效率低下問題的挑戰(zhàn)。

厭氧消化效率可以通過溶胞預(yù)處理技術(shù)大大提高。溶胞預(yù)處理提高了消化過程中能量捕獲的效率、環(huán)境可持續(xù)性和固體減少方面得到加強(qiáng)。其中一種這樣的預(yù)處理技術(shù)是熱水解過程(THP)。該過程使用極端的壓力和熱來實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果。雖然厭氧污泥的預(yù)處理可以大大提高整個(gè)消化過程,但系統(tǒng)仍應(yīng)該仔細(xì)監(jiān)控以防止消化器過量投料。

厭氧消化器監(jiān)控

典型的厭氧消化器監(jiān)控包括周期性采集樣品(理想情況下日?qǐng)?bào))由實(shí)驗(yàn)室分析pH值、堿度和VFA濃度。雖然這對(duì)于高度穩(wěn)定的應(yīng)用已經(jīng)足夠，但更多的厭氧消化器受制于操作條件的劇烈變化。在這樣的情況下，可能需要增加額外的監(jiān)測或增加采樣頻率以避免消化失敗，最大限度地提高消化器性能和能量回收率。

通過連續(xù)監(jiān)測能夠反映厭氧消化器健康狀態(tài)的某一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，消化器的穩(wěn)定性和最優(yōu)能量回收率可以安全地持續(xù)保持?；跍囟群蚿H值在消化器中變化的靈敏度,操作人員可能會(huì)簡單監(jiān)控消化器中的pH值和溫度變化來避免消化失敗。然而,通過這種方法反映失敗的本質(zhì)是不夠的。從本質(zhì)上講,一旦pH值變化,由于消化器已存堿度的耗盡，消化器的惡化已經(jīng)不可避免。在這樣的事件中,甲烷的生成已經(jīng)可能被抑制。直接實(shí)時(shí)監(jiān)測消化器中VFA和堿度的比率 (VFA: 堿度)在追蹤整個(gè)厭氧反應(yīng)器的健康方面是更加有效的工具。除了VFA/堿度的比率、特定的碳酸氫鹽堿度水平可以幫助判斷厭氧消化器的穩(wěn)定性，因?yàn)樗c原料的質(zhì)量有關(guān)(比如：更高水平的碳酸氫鹽堿度表明原料中有更高的蛋白質(zhì)含量)。VFA/堿度比例提供了反映產(chǎn)甲烷菌健康狀況的早期指標(biāo)，幫助操作人員保持厭氧消化器最優(yōu)性能和最大能量回收。

案例研究: 麥地那市衛(wèi)生工程——利物浦WWTP

在2010年代早期,俄亥俄州的麥地那市Kenneth W. Hotz水回收公司(原名利物浦污水處理廠)的菲爾·卡明斯(廠長)和道恩.泰勒(廠長助理)面臨著如改善他們的固體處理流程的問題。他們的現(xiàn)存技術(shù)包括一個(gè)老化的濕式空氣氧化工藝，這是一個(gè)能源密集型過程，操作過程需要大量的天然氣和電力。結(jié)合他們的需求, 麥地那市決定轉(zhuǎn)向更有利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和節(jié)省能源的技術(shù)——厭氧消化和熱水解。

從污水處理到資源回收的轉(zhuǎn)變

市政府決定在厭氧消化器采用熱水解預(yù)處理實(shí)現(xiàn)沼氣產(chǎn)量和捕獲的最大化以提高能量回收效率。為保證消化器最佳的投料速率和連續(xù)監(jiān)測消化器的健康狀況，麥地那市開始尋找用于監(jiān)控厭氧消化器健康狀態(tài)的在線監(jiān)測技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)室方法的補(bǔ)充(抓取樣品檢測VFA、堿度和pH值)。經(jīng)過全面的市場調(diào)查，工廠決定購買哈希EZ7250分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測消化器的VFA,碳酸氫鹽堿度和pH值。當(dāng)啟動(dòng)熱分解系統(tǒng)時(shí)，這種監(jiān)測技術(shù)尤其有用，可以確保消化器投料速率并未導(dǎo)致過量VFA的產(chǎn)生（這可能導(dǎo)致pH值過低抑制產(chǎn)甲烷菌），同時(shí)確保最大的沼氣產(chǎn)量。

根據(jù)評(píng)估VFA:堿度比率建議采取的行動(dòng)（Adapted from MOP 16 “Anaerobic Sludge Digestion” 1987).

VFA:堿度的最佳比率根據(jù)具體的應(yīng)用不同而變化。對(duì)于市政系統(tǒng),一個(gè)健康的VFA:堿度范圍可以從0.15到0.3，當(dāng)與生物除磷過程同步時(shí)甚至可以達(dá)到0.4。純粹的工業(yè)應(yīng)用VFA:堿度的比率范圍或略有增加但仍能保持安全健康運(yùn)行。

Kenneth J Hotz WRF水處理公司的厭氧消化器

對(duì)于保持厭氧消化器的最佳性能面對(duì)的挑戰(zhàn)，在線VFA：堿度監(jiān)測可以提供早期預(yù)警：

• 變化的進(jìn)料量

• 混合或未知的進(jìn)料

• 加熱和混合效率

• 細(xì)菌抑制（由于營養(yǎng)缺乏或毒性）

益處：

• 通過回收廢水中的能量實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化

• 通過在線監(jiān)測直接洞察厭氧反應(yīng)器的健康狀態(tài)實(shí)現(xiàn)停機(jī)（消化失?。r(shí)間最小化

Hach EZ7250 分析儀和 EZ9130 過濾系統(tǒng)概述

工廠操作人員通常從厭氧反應(yīng)器取樣后采用以下實(shí)驗(yàn)室方法測試：

• VFA-Hach TNTPlus. (TNT872) 用酯化方法（10240方法）

• 堿度-滴定管滴定，標(biāo)準(zhǔn)方法2320 B-97

• 碳酸氫鹽-實(shí)驗(yàn)室不測試

• pH-使用pH電極

EZ7250分析儀-一次分析同時(shí)測定VFA、堿度、碳酸氫鹽和pH

為了減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間和節(jié)省操作人員的精力，在非實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)間增加厭氧消化過程的可見性，EZ7250被安裝在消化器的主循環(huán)管線的其中一個(gè)取樣點(diǎn)。樣品是通過一個(gè)集成的過濾系統(tǒng)（EZ9130重介質(zhì)過濾系統(tǒng)）輸送，該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于處理復(fù)雜的樣品并減少維護(hù)量。從EZ9130輸送至分析儀后，儀器以每10-15分鐘的頻率(頻率客戶可定制)自動(dòng)分析VFA、碳酸氫鹽、堿度和pH。儀器本身使用很少的試劑運(yùn)行專有的酸/堿滴定算法，可保證樣品不揮發(fā)，可以配置自動(dòng)清洗、校準(zhǔn)、驗(yàn)證等。EZ7250可以基于每個(gè)參數(shù)的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量程進(jìn)行配置以適應(yīng)廣泛的操作應(yīng)用。該市使用5000 mg / L VFA和100 meq/ L堿度量程。

在系統(tǒng)啟動(dòng)期間工廠同步安裝了EZ7250分析儀以監(jiān)控系統(tǒng)性能。在Cambi THP（熱分解工藝）啟動(dòng)期間,分析儀記錄了消化器的重大的和快速的狀態(tài)變化。

在啟動(dòng)期間工廠能夠根據(jù)現(xiàn)場的特定條件調(diào)整自動(dòng)清洗的頻率以提高分析儀的可靠性和準(zhǔn)確性。從那時(shí)起,儀器不斷監(jiān)測消化器的健康狀態(tài)和性能?；谙到y(tǒng)的實(shí)時(shí)特性，工廠認(rèn)為他們有足夠的額外能力與私人企業(yè)討論接受他們的工業(yè)廢物。

一個(gè)真實(shí)的例子

2019年夏末在正常操作期間,工廠發(fā)現(xiàn)輕微,但快速增加的消化器溫度。因?yàn)樗麄円呀?jīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測消化器的健康狀態(tài)使得他們可以監(jiān)控消化器的性能。EZ7250的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)表明這輕微的溫度升高確實(shí)對(duì)消化器微生物有重要影響，可能比產(chǎn)甲烷菌的最優(yōu)溫度條件有點(diǎn)過暖，從而減少他們分解酸的能力。消化器呈現(xiàn)酸濃度增加的趨勢(shì)。在這種情況下,工廠減少了進(jìn)料速度使反應(yīng)器建立一個(gè)新的平衡，給他們時(shí)間允許溫度調(diào)整到最佳條件。

來自的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示溫度的輕微升高對(duì)反應(yīng)器的生物產(chǎn)生了影響

結(jié)論

高度精確和可靠的在線儀表保證了厭氧消化器的健康，為系統(tǒng)管理者和操作者提供以下好處:

• 最小化系統(tǒng)失敗幾率和停機(jī)時(shí)間

• 最大化資源回收效率

EZ7250厭氧消化器監(jiān)控解決方案，加上EZ9130重介質(zhì)過濾系統(tǒng),適合任何厭氧消化系統(tǒng)，可以為所有行業(yè)中厭氧消化器的操作人員在面臨各種挑戰(zhàn)時(shí)提供實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

在線分析解決方案

EZ7200系列濃度分析儀是專門為監(jiān)控(濕)厭氧消化器而設(shè)計(jì)的多參數(shù)滴定儀。

• EZ7250 VFAs 10 - 500 mg/L以醋酸計(jì), 碳酸氫鹽1 - 50 meq/L 或5,000 mg/L以 CaCO3計(jì), 總堿度和酚酞堿度1 - 50 meq/L 或5,000mg/L以CaCO?計(jì)

• EZ7251 VFAs 20 - 1,000 mg/L以醋酸計(jì), 碳酸氫鹽 1 - 50meq/L或 5,000 mg/L以 CaCO3計(jì), 總堿度和酚酞堿度1 -50 meq/L 或 5,000 mg/L 以CaCO?計(jì)

• EZ7252 VFAs 100 - 5,000 mg/L以醋酸計(jì), 碳酸氫鹽 5 -100 meq/L 或10,000 mg/L 以 CaCO3計(jì)，總堿度和酚酞堿度 5 - 100 meq/L 或 10,000 mg/L 以CaCO?計(jì)

• EZ7253 VFAs 500 - 10,000 mg/L以醋酸計(jì)，碳酸氫鹽 5 -100 meq/L 或 10,000 mg/L以 CaCO3計(jì), 總堿度和酚酞堿度 5 - 100 meq/L或 10,000 mg/L 以CaCO?計(jì)

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所有分析儀的選項(xiàng)包括：

• 多流路分析(1-8個(gè)樣品流路)降低了每個(gè)采樣點(diǎn)的成本

• 用于通信的模擬和/或數(shù)字輸出

實(shí)驗(yàn)室測量解決方案