背景

在荷兰，一个污水处理厂能够生产出其自身运行所需的能量或者还有富余，我们称它为能量工厂(Energiefabriek)。能量工厂的数目正在荷兰攀升。这个概念也催生出不少污水污泥消化的新理念和技术创新。改进污水处理的污泥消化能大大提高污水厂的能耗效率。一个最新的理念和技术创新例子叫Ephyra®。在这篇文章里，我们将对这项工艺技术的试验作详细剖析。

 

污水处理的污泥消化一般有几项可行的工艺技术。其中传统方法是中温消化——在30℃--35℃的工艺温度下、完全混合的反应池里进行厌氧消化。而最近市场上冒出了几项改进的工艺技术，不仅提高了污泥降解率、增加了沼气产量，而且有更好的脱水效果。像超声波预处理、高温消化(55℃左右)、污泥热水解(在高温高压下强化有机质的降解能力)等工艺都已经在过去几年得到了应用并取得了不同程度的成功。但上述的各种技术都有其利弊，而且在具体工艺技术的选择时可能得视乎污泥成分的组成、污水厂的规模和当地的具体地理气候等条件。

荷兰的RoyalHaskoningDHV(RHDHV)对有过工程应用的可行技术进行了调研，得到的结论是在荷兰以及其他国家，污泥消化优化技术是有市场可为的。污泥消化的优化处理不仅可以使处理工艺更加高效，回收更多的沼气和更好的脱水性能，更重要的是它能带来更低的投资费用、更低的管理维护费和更高的简化度和稳定性。而RHDHV期待能通过两项技术实现上述的这些结果，其中一个叫Ephyra®，另一个叫Themista®。

这项新技术究竟是如何研发的呢？它又如何证明其可靠性，避免让投资合作方承担过多的风险？

工艺开发一般始于商业计划书，对其做一个系统的调研。通过小试实验、中试、和示范项目来验证和评估这项技术。本文会对Ephyra技术的工艺进行描述并汇报中试研究的结果。

Ephyra是一种基于推流式的湿污泥消化高级工艺，由若干个不同的间隔区组成。这种技术借鉴参考了能够实现高降解效率的德国消化概念Hochlastfaulung(High-RateDigestion–高速消化)。但是德国人的这个理念有几个主要弊端：高建筑高度，高成本和对堵塞的敏感性。而Ephyra在技术上消除了这些缺点，同时增设了几个控制选项，确保稳固、高效的运行表现。

表1
 

图1

表1和图1显示的是传统污泥消化和Ephyra的对比。通过分析消化前后的DS含量和非有机部分(AS灰分)的浓度来分析有机固体含量(DS)的降解情况。数据组成包括了实验室、中试以及全尺寸工程应用的Tollebeek污水厂。

表1和图1显示了根据初始模型计算的干物质的降解情况，以及消化前后的污泥中的DS含量和灰分的含量。而下图则是根据灰分的测量计算展示的干物质的分解过程的变化。

实验团队对五个污水厂的污泥进行了实验室研究。Ephyra跟在荷兰应用的传统消化器的污泥进行了比较。研究表明Ephyra工艺的污泥降解率为38%，而传统反应器为30%（绝对平均改善率是8%，相对是25%）。一般来说，污泥消化的改善意味着更好的脱水效果。根据荷兰污泥脱水的经验，这个提升程度在2%-3%(绝对值)左右。因为脱水效果和PE聚合物的投加对Ephyra的商业可行性分析都十分重要，所以在中试实验中包括了脱水测试。

对于Ephyra能有更好表现的原因，实验团队作出了以下的假设推测：

1.Ephyra反应器的设计，使得消化工艺的不同阶段得以分区发生，包括了水解、酸化、乙酸化和产甲烷等。

2.先进的Ephyra控制器对消化工艺的不同阶段进行了优化，这使得整个工艺即使面对不同的负荷，也有很好的稳固性。也因如此，控制器使一般高负荷对第一阶段带来的不稳定性降至最小。

3.由于固体更好地保留延长了污泥停留时间，实现了HRT和SRT的分离。

为了对Ephyra技术和上面的假设进行测试，我们在2014年12月到2015年3月期间对Zuiderzeeland水委会所属的Tollebeek污水处理厂的污泥进行了中试实验，对污水厂现在的情况和将来使用Ephyra的情况进行了比较分析。其中一个不同点在于目前Tollebeek污水厂污泥的可降解性高于将来的情况，因为目前的进料污泥里初始污泥的含量更高。但是在将来，会有更多污泥从Lelystad污水厂运到Tollebeek污水厂来作消化处理，而里边含有更多的更难分解的二沉池污泥。

干物质的降解

初始的模拟计算显示：尽管进料污泥的可降解性降低了，Ephyra（将来情况）的干物质降解程度和参照样本（现状）持平。实验室和中试实验的结果跟模拟计算是吻合的，甚至比预期更加好，正如图标显示的。
 实验结果被认为是可靠的，原因包括：

●干物质降解是通过两个途径来分析鉴定的：包括了测定无机质的成分和干物质的浓度。

●Tollebeek污水厂的干物质降解实际效果显示其结果跟参照样品在实验室和中试实验的数据具有很高的可比性。

●在中试反应器里的干物质降解情况跟测量到的沼气和甲烷的成分吻合，同样包括其他测量的参数。

 图1的中试结果显示Ephyra在Tollebeek污水厂的案例情况，但是结果依然无法确认Ephyra能否在污泥降解率上提高25%。因此，实验团队在中试之外增加了一个实验室试验——把同样的污泥混合物（启动时只用Tollebeek的污泥，然后加入Lelystad污水厂的污泥）分别加入到Ephyra和参照消化器中，在相近的反应时间进行对比测试。结果在图2显示。

图2：参照反应器（传统污泥消化器）和Ephyra 反应器的干物质的实验室降解情况

当用不同的混合物加入到反应器时，与中试结果相比，Ephyra降解率要高4%（绝对值)。而在实验室的试验里，当进料相同的时候，Ephyra的污泥降解提高率能稳定在10%左右。通过这些试验，Ephyra的高性能表现得到了验证。

脱水

除了测量干物质降解之外，我们对参照样本和Ephyra污泥进行了另外两个工程应用规模的脱水试验。
Ephyra中试反应器的消化污泥的脱水效果明显好于传统反应器的样本，前者含固率高出2%-3%。

Tollebeek污水厂的污泥经脱水后的含固率在23.5%-24%，而Ephyra在25%-25.5%。

另外，测试显示要实现良好的脱水效果，污泥的混合、正确的聚合物类型和投加量以及正确的离心设置点对达到良好的脱水效果都十分关键。 

 

 

现在让我们回到刚才提及的假设推测:
 假设1:反应工艺的分区进行

中试测试确认发酵反应的不同阶段的确在Ephyra反应器的不同部位发生。在不同反应分区的PH(酸度)和redox氧化还原态势有明显区别。前部区域的酸度更高，同时redox值也更高，而在前部生成的脂肪酸在后续区域得到了很好的进一步降解。

假设2:通过良好的污泥进料和回流控制，Ephyra保持了良好的工艺可控性。

Ephyra的部分影响来自反应工艺的分阶进行。要保证工艺的稳定性和最终产品的连续性，需要在峰值流量的情况下也维持这种反应分阶的状态。因此团队开发了特别的控制器，通过控制回流来优化和管理工艺情况。在中试期间Ephyra工艺接受了几个峰值负荷的测试，结果表明其工艺和分阶反应都能维持在稳定的水平上
假设3:通过分离SRT和HRT使得污泥停留时间更长

我们对Ephyra不同反应区间的污泥取样进行了沉置测试。测试显示即使在48小时后也只有很少甚至没有污泥沉降，所以我们下结论说SRT和HRT的分离没有发生。

 

下一步如何推进

四年的实验室研究和半年的中试结果表明Ephyra在污泥消化上的积极作用。中试研究验证甚至改善了实验室的结果，同时显示了它的脱水性能的提高。另外，中试研究对几个假设推测进行了验证，这进一步加深了对Ephyra的运行原理的认识。中试研究获得的知识和信息将增强示范项目设计的耐固性。
 总结

本篇报告描述了Ephyra和传统污泥消化的实验室和中试的对比试验结果。该研究实际上是实验室研究和未来工程应用示范项目之间的三年过渡期。本文对预设和测量结果都作了描述，同时介绍了实验的假设推论的建立、测试和评估等。中试和实验室研究表明了Ephyra对污泥消化和脱水方面的积极影响。中试研究同时为下一步工作的一些关键设计参数提供了宝贵的知识。