EZ7200 VFA 在厌氧消化器的应用
2020-10-12，星期一
厌氧消化简介
厌氧消化是一种在市政和工业固体稳定过程的常用技术。稳定化是一个减少处理过程中的污泥病原体含量,使产品安全有益地使用或处理的过程。厌氧消化被应用在各种民营企业中，并且被大约10%的市政污水资源化设施 (WRRF)所使用。
厌氧消化与其他稳定过程的不同之处在于其通过捕获沼气回收能源的可能性。沼气是消化过程的副产品,可用于锅炉系统产生热量、利用发电机发电以提供动力给连接的发动机/汽轮机或进一步处理生成其他燃料,如天然气。这种捕捉废物流中储存的能量的能力使厌氧消化成为一个有吸引力的技术，水资源回收设施持续努力以实现资源回收以及符合监管要求的统一。
厌氧消化器的进料包括捕获的污泥或由上游污水资源化设施的污水处理过程以及捕获的脂肪、油、油脂或食品/工业废物。虽然厌氧消化器有很多的具体配置(嗜常温、高温等)，我们的目标是相同的:创建一个通过微生物的天然降解促进有机物质稳定受控分解的环境。这是在四个同步的阶段完成的:水解、酸化、乙酸化和甲烷生成。
产甲烷细菌对许多工艺条件敏感,包括温度、pH值和各种毒素的存在。最优性能发生在pH值6.8到-7.2之间。如果消化器中的pH值下降,产甲烷过程即可被抑制，消化过程和沼气生产也同时被停止。
厌氧消化过程概述
这是通常被称为消化器酸化——会产生气味，同时消化系统失败导致经常需要花费数万美元恢复，代价昂贵，十分费时费力。当碱度较高时消化器的稳定性大大提高。碱度的定义是溶液中酸或酸性介质存在时抵抗pH变化的缓冲能力。在厌氧消化器，碱度会被上述提到的阶段2中产生的VFA消耗掉。幸运的是,如上文提到的阶段3所述，碳酸氢盐碱度会在产甲烷菌将VFA转化为甲烷的过程中产生。消化器操作人员可以通过监测加料速率、混合和加热等操作过程维持VFA和碱度的健康平衡。
虽然厌氧消化过程很好理解，但操作人员仍然普遍面临着消化失败或能量回收效率低下问题的挑战。
厌氧消化效率可以通过溶胞预处理技术大大提高。溶胞预处理提高了消化过程中能量捕获的效率、环境可持续性和固体减少方面得到加强。其中一种这样的预处理技术是热水解过程(THP)。该过程使用极端的压力和热来实现这些结果。虽然厌氧污泥的预处理可以大大提高整个消化过程,但系统仍应该仔细监控以防止消化器过量投料。
厌氧消化器监控
典型的厌氧消化器监控包括周期性采集样品(理想情况下日报)由实验室分析pH值、碱度和VFA浓度。虽然这对于高度稳定的应用已经足够，但更多的厌氧消化器受制于操作条件的剧烈变化。在这样的情况下，可能需要增加额外的监测或增加采样频率以避免消化失败，最大限度地提高消化器性能和能量回收率。
通过连续监测能够反映厌氧消化器健康状态的某一些关键技术指标，消化器的稳定性和最优能量回收率可以安全地持续保持。基于温度和pH值在消化器中变化的灵敏度,操作人员可能会简单监控消化器中的pH值和温度变化来避免消化失败。然而,通过这种方法反映失败的本质是不够的。从本质上讲,一旦pH值变化,由于消化器已存碱度的耗尽，消化器的恶化已经不可避免。在这样的事件中,甲烷的生成已经可能被抑制。直接实时监测消化器中VFA和碱度的比率 (VFA: 碱度)在追踪整个厌氧反应器的健康方面是更加有效的工具。除了VFA/碱度的比率、特定的碳酸氢盐碱度水平可以帮助判断厌氧消化器的稳定性，因为它与原料的质量有关(比如：更高水平的碳酸氢盐碱度表明原料中有更高的蛋白质含量)。VFA/碱度比例提供了反映产甲烷菌健康状况的早期指标，帮助操作人员保持厌氧消化器最优性能和最大能量回收。
案例研究: 麦地那市卫生工程——利物浦WWTP
在2010年代早期,俄亥俄州的麦地那市Kenneth W. Hotz水回收公司(原名利物浦污水处理厂)的菲尔·卡明斯(厂长)和道恩.泰勒(厂长助理)面临着如改善他们的固体处理流程的问题。他们的现存技术包括一个老化的湿式空气氧化工艺，这是一个能源密集型过程，操作过程需要大量的天然气和电力。结合他们的需求, 麦地那市决定转向更有利于环境可持续发展和节省能源的技术——厌氧消化和热水解。
从污水处理到资源回收的转变
市政府决定在厌氧消化器采用热水解预处理实现沼气产量和捕获的最大化以提高能量回收效率。为保证消化器最佳的投料速率和连续监测消化器的健康状况，麦地那市开始寻找用于监控厌氧消化器健康状态的在线监测技术作为实验室方法的补充(抓取样品检测VFA、碱度和pH值)。经过全面的市场调查，工厂决定购买哈希EZ7250分析仪实时监测消化器的VFA,碳酸氢盐碱度和pH值。当启动热分解系统时，这种监测技术尤其有用，可以确保消化器投料速率并未导致过量VFA的产生（这可能导致pH值过低抑制产甲烷菌），同时确保最大的沼气产量。
根据评估VFA:碱度比率建议采取的行动（Adapted from MOP 16 “Anaerobic Sludge Digestion” 1987).
VFA:碱度的最佳比率根据具体的应用不同而变化。对于市政系统,一个健康的VFA:碱度范围可以从0.15到0.3，当与生物除磷过程同步时甚至可以达到0.4。纯粹的工业应用VFA:碱度的比率范围或略有增加但仍能保持安全健康运行。
Kenneth J Hotz WRF水处理公司的厌氧消化器
对于保持厌氧消化器的最佳性能面对的挑战，在线VFA：碱度监测可以提供早期预警：
变化的进料量
混合或未知的进料
加热和混合效率
细菌抑制（由于营养缺乏或毒性）
益处：
Hach EZ7250 分析仪和 EZ9130 过滤系统概述
工厂操作人员通常从厌氧反应器取样后采用以下实验室方法测试：
EZ7250分析仪-一次分析同时测定VFA、碱度、碳酸氢盐和pH
为了减少实验时间和节省操作人员的精力，在非实验室测试时间增加厌氧消化过程的可见性，EZ7250被安装在消化器的主循环管线的其中一个取样点。样品是通过一个集成的过滤系统（EZ9130重介质过滤系统）输送，该系统被设计用于处理复杂的样品并减少维护量。从EZ9130输送至分析仪后，仪器以每10-15分钟的频率(频率客户可定制)自动分析VFA、碳酸氢盐、碱度和pH。仪器本身使用很少的试剂运行专有的酸/碱滴定算法，可保证样品不挥发，可以配置自动清洗、校准、验证等。EZ7250可以基于每个参数的三个标准量程进行配置以适应广泛的操作应用。该市使用5000 mg / L VFA和100 meq/ L碱度量程。
在系统启动期间工厂同步安装了EZ7250分析仪以监控系统性能。在Cambi THP（热分解工艺）启动期间,分析仪记录了消化器的重大的和快速的状态变化。
在启动期间工厂能够根据现场的特定条件调整自动清洗的频率以提高分析仪的可靠性和准确性。从那时起,仪器不断监测消化器的健康状态和性能。基于系统的实时特性，工厂认为他们有足够的额外能力与私人企业讨论接受他们的工业废物。
一个真实的例子
2019年夏末在正常操作期间,工厂发现轻微,但快速增加的消化器温度。因为他们已经能够实时监测消化器的健康状态使得他们可以监控消化器的性能。EZ7250的在线监测数据表明这轻微的温度升高确实对消化器微生物有重要影响，可能比产甲烷菌的最优温度条件有点过暖，从而减少他们分解酸的能力。消化器呈现酸浓度增加的趋势。在这种情况下,工厂减少了进料速度使反应器建立一个新的平衡，给他们时间允许温度调整到最佳条件。
来自的在线监测数据显示温度的轻微升高对反应器的生物产生了影响
结论
高度精确和可靠的在线仪表保证了厌氧消化器的健康，为系统管理者和操作者提供以下好处:
EZ7250厌氧消化器监控解决方案，加上EZ9130重介质过滤系统,适合任何厌氧消化系统，可以为所有行业中厌氧消化器的操作人员在面临各种挑战时提供实时的监测数据。
在线分析解决方案
EZ7200系列浓度分析仪是专门为监控(湿)厌氧消化器而设计的多参数滴定仪。
EZ7250 VFAs 10 - 500 mg/L以醋酸计, 碳酸氢盐1 - 50 meq/L 或5,000 mg/L以 CaCO3计, 总碱度和酚酞碱度1 - 50 meq/L 或5,000mg/L以CaCO₃计
EZ7251 VFAs 20 - 1,000 mg/L以醋酸计, 碳酸氢盐 1 - 50meq/L或 5,000 mg/L以 CaCO3计, 总碱度和酚酞碱度1 -50 meq/L 或 5,000 mg/L 以CaCO₃计
EZ7252 VFAs 100 - 5,000 mg/L以醋酸计, 碳酸氢盐 5 -100 meq/L 或10,000 mg/L 以 CaCO3计，总碱度和酚酞碱度 5 - 100 meq/L 或 10,000 mg/L 以CaCO₃计
EZ7253 VFAs 500 - 10,000 mg/L以醋酸计，碳酸氢盐 5 -100 meq/L 或 10,000 mg/L以 CaCO3计, 总碱度和酚酞碱度 5 - 100 meq/L或 10,000 mg/L 以CaCO₃计
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所有分析仪的选项包括：
实验室测量解决方案
