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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(jiǎn)介

厭氧消化是一種在市政和工業(yè)固體穩(wěn)定過(guò)程的常用技術(shù)。穩(wěn)定化是一個(gè)減少處理過(guò)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(guò)程。厭氧消化被應(yīng)用在各種民營(yíng)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(guò)程的不同之處在于其通過(guò)捕獲沼氣回收能源的可能性。沼氣是消化過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程即可被抑制，消化過(guò)程和沼氣生產(chǎn)也同時(shí)被停止。

厭氧消化過(guò)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(chēng)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(chēng)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(wàn)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(guò)程中產(chǎn)生。消化器操作人員可以通過(guò)監(jiān)測(cè)加料速率、混合和加熱等操作過(guò)程維持VFA和堿度的健康平衡。

雖然厭氧消化過(guò)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(wèn)題的挑戰(zhàn)。

厭氧消化效率可以通過(guò)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(guò)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(guò)程(THP)。該過(guò)程使用極端的壓力和熱來(lái)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(guò)程,但系統(tǒng)仍應(yīng)該仔細(xì)監(jiān)控以防止消化器過(guò)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(cè)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(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)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。基于溫度和pH值在消化器中變化的靈敏度,操作人員可能會(huì)簡(jiǎn)單監(jiān)控消化器中的pH值和溫度變化來(lái)避免消化失敗。然而,通過(guò)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(cè)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(zhǎng))和道恩.泰勒(廠長(zhǎng)助理)面臨著如改善他們的固體處理流程的問(wèn)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(guò)程，操作過(guò)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(cè)消化器的健康狀況，麥地那市開(kāi)始尋找用于監(jiān)控厭氧消化器健康狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)室方法的補(bǔ)充(抓取樣品檢測(cè)VFA、堿度和pH值)。經(jīng)過(guò)全面的市場(chǎng)調(diào)查，工廠決定購(gòu)買(mǎi)哈希EZ7250分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)尤其有用，可以確保消化器投料速率并未導(dǎo)致過(guò)量VFA的產(chǎn)生（這可能導(dǎo)致pH值過(guò)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(guò)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(cè)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(yíng)養(yǎng)缺乏或毒性）

益處：

• 通過(guò)回收廢水中的能量實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化

• 通過(guò)在線監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)試

• pH-使用pH電極

EZ7250分析儀-一次分析同時(shí)測(cè)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(cè)試時(shí)間增加厭氧消化過(guò)程的可見(jiàn)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(guò)一個(gè)集成的過(guò)濾系統(tǒng)（EZ9130重介質(zhì)過(guò)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(hù)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(zhuān)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(lái)自的在線監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)數(shù)據(jù)。

在線分析解決方案

EZ7200系列濃度分析儀是專(zhuān)門(mén)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(cè)量解決方案