CN101778944A - 用于在厌氧发酵器中将再生原料中的生物质转换成沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物化学领域并涉及一种在沼气发生设备中使用的方法。本发明的目的在于提供一种方法,该方法实现原料在沼气设备内更短的总停留时间并且/或者实现更高数量和/或质量的沼气。该目的通过一种方法得以实现,其中,将再生原料与液体和甲烷发生所需的其他原材料共同投入至少第一厌氧发酵反应器内并在那里进行发酵过程,随后对发酵残余物进行固液相分离并将分离的固相在至少170℃的温度和至少1.0MPa的压力下进行热压水解,然后将这样处理的固相要么返回到第一厌氧发酵反应器,要么输送到第二厌氧发酵反应器,并进行继续的发酵过程。
Description
技术领域
本发明涉及生物化学和能源生产领域并涉及一种在沼气发生设备中使用的用于在厌氧发酵器中将再生原料中的生物质转换成沼气的方法,该方法既可以在再生原料的单发酵时使用,也可以在农村沼气设备中利用农业粪肥(例如粪水)的共发酵时或者在城市污水处理设备上利用污水处理淤泥的共发酵时使用。
背景技术
在充分利用微生物厌氧混合群体的生化效能情况下将生物质转换成能源上可利用的沼气,无论是在农村沼气设备上,还是在城市污水处理设备的发酵塔上,均得到大规模的实际应用。在此方面所使用的工艺包括发酵器的数量和线路、过程温度(嗜温、嗜热)、底物处理、给料控制、停留时间和空间负荷的非常广泛多样的组合。
在利用再生原料作为沼气发生的主要底物或者共底物时,阻止其化学结构全部转换成沼气。大部分植物原料由微生物很难或者根本不能进入的纤维素、半纤维素和木质素组成。这一点在使用除了输入原料机械粗破碎外不做进一步底物处理的传统发酵工艺时,导致不能令人满意和部分不经济的分解率。底物在厌氧发酵器中的停留时间需要非常长的50-150天,而沼气方式的能源收益率却不能令人满意。
此外,在反应器串联(级联)的情况下,只有第一反应器发挥最大能力,因为大部分微生物上可供支配的有机物在前20-30天内就已经转换。所有后置的反应器在其分解效率和速度上受到很大限制。原因是剩余的有机馏分水解非常缓慢。限制速度的这种分解步骤导致还具有明显储备的甲烷发生受到抑制。
为在发酵时更好地利用再生原料中最初含有的能源,从外部加速水解,也就是将络合大分子分解成其基本成分。为此按照现有技术和特别是从再生原料(基础化学)中获取原料领域存在一系列方法。机械预处理(破碎、研磨)、物理(蒸汽***法、热水处理、热压水解)、化学(酸洗、浸于碱液、湿法氧化)和酶促方法的各种组合例如用于溶解纤维素和半纤维素。但所称的方法不能直接在沼气发生器的应用领域使用,因为所要处理的体积流需要的能源和化学制品高得很不经济。在再生原料发酵或者共发酵方面,现有技术将下列方法用于提高分解:
-机械预分解(例如借助挤压机)
*所处理的底物必须高固体含量-在固体底物第一发酵器之前投入(青贮饲料),
*在第一发酵器内较低加速度分解,该发酵器在无底物处理的情况下也具有良好分解效率,
-酶剂量
*划分成很少的底物组(例如纤维素),
*分解率略有提高
*酶的成本相当高,
-分开的水解/甲烷化,固液分离和pH控制通过返回液相进行(EP 0566056A1)
*难于水解的固体物质与主流分离,
*分离固体材料的生物水解特殊发酵器内进行→水解过于缓慢并受到微生物有限溶解能力的限制,
-串联的第一和第二发酵器之间热裂变(DE 19858187C2、DE10345600A1)
*60-90℃下10-120min→获得甲烷菌的温度过高和溶解难于分解部分的温度过低,
-热裂变作为中间阶段(FR 2711980C2)
*在80-175℃下进行全流处理→非常高的能耗和杀死甲烷菌,
-脱水和加热处理(EP 0737651A1)
*在60℃或者更高的温度下→有效溶解的温度过低。
现有技术解决方案的缺点主要在于,与沼气设备内再生原料的总停留时间相比气体收益率不够。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种用于在厌氧发酵器内将再生原料的生物质转换成沼气的方法,该方法实现了再生原料在沼气设备内更短的总停留时间以及/或者实现了更高数量和/或质量的沼气。
该目的通过权利要求书中介绍的发明得以实现。具有优点的构成为从属权利要求的主题。
在依据本发明用于在厌氧发酵器中将再生原料中的生物质转换成沼气的方法中,将再生原料与液体和甲烷发生所需的其他原材料共同投入至少第一厌氧发酵反应器内并在那里进行发酵过程,随后对发酵残余物进行固液相分离并将分离的固相在至少170℃的温度和至少1.0MPa的压力下进行热压水解,然后将这样处理的固相要么返回到第一厌氧发酵反应器,要么输送到第二厌氧发酵反应器,并进行继续的发酵过程。
具有优点的是,作为甲烷发生所需的其他原材料添加粪水和/或者污水处理淤泥和/或者过程水。
同样具有优点的是,固液相分离通过压榨、离心分离或者筛分进行。
此外具有优点的是,热压水解通过固相在热压水解之前或者期间的机械处理步骤补充。
具有优点的还有,热压水解通过固相在热压水解之前或者期间的化学和/或者酶促处理步骤补充。
具有优点的还有,热压水解在170-250℃范围内的温度下进行。
同样具有优点的是,热压水解在1-4MPa的压力下进行。
此外具有优点的是,固相在热压水解后输送到第二厌氧发酵反应器,向该反应器输送固液相分离后的至少一部分液相。
具有优点的还有,热压水解通过利用其他过程的废热进行。
利用依据本发明的方法,第一次可以提供一种沼气发生方法,该方法在更短的时间内和/或者产生更高收益率的沼气。在此方面,生物质的总停留时间从以往的50-150天缩短到50天以下。同时通过所投入的生物质80%以上的分解率,无论是所产生的生物质的数量还是质量均可以得到提高。
利用依据本发明的方法将再生原料处理成沼气。再生原料在本发明的框架内是指所有农业种植的用于获取能源目的的原材料。此外,该概念同时也指农业生产中的剩余材料。本发明意义上的再生原料不是污水处理淤泥。
用于依据本发明方法的再生原料与污水处理淤泥之间的区别特别是还在于,再生原料在每个方法阶段均表现出明显更高比例的有机干燥残留物、纤维素和木质素以及还表现出明显更大的粒度。
利用依据本发明的方法可以实现所投入的生物质几乎完全的能源利用并将其转换成沼气。该方法可以将底物中所含的全部初级能源转换成随后流动的沼气。
由于分解速度明显提高,现有的发酵器体积也可以得到更加有效的利用和新规划的设备可以减小尺寸。
利用依据本发明的方法,达到厌氧发酵器甲烷化能力的几乎完全利用。这一点意味着,用于再生原料发酵的同时发酵的沼气设备的所有发酵反应器始终供给这样大量易于转换的底物,使其速度不再受到水解的明显限制。所输送的材料这样迅速地转换,从而始终有足够的乙酸可供甲烷阶段使用。
在第一厌氧发酵反应器内平均停留时间25天情况下,已知约40%的有机原材料分解并转换成沼气。在此方面,该第一厌氧发酵反应器以全部甲烷化效率工作,这一点通过实践中确定到有机酸含量高于厌氧分解链的中间产品而得到证明。特别是更高含量的乙酸要么表明乙酸妨碍所利用的甲烷发生,要么表明该细菌组的高度充分利用。
为在后置的第二厌氧发酵反应器中为发酵过程提供具有类似高比例易于支配的底物,依据本发明实现两个中间步骤。首先对第一厌氧发酵反应器的发酵残留物进行固液相分离。发酵残留物基本上由未分解的再生原料、微生物和水组成。通过简单的离心分离力脱水或者通过压榨,将水与微生物共同分离并可以作为液相输送到第二厌氧发酵反应器或者作为废料处理。
约占第一厌氧发酵反应器发酵残留物总体积20-30%同样分离的固相基本上含有仍存在的气体形成潜能,其可以通过非常难水解的大分子在第二厌氧发酵反应器内的热压水解步骤中几乎完全***释放出来。
依据本发明的热压水解过程然后例如在附加的反应器内或者也可以在第一与第二厌氧发酵反应器之间的管道内进行。对此具有优点的是可以使用区域热电站的废热。这种非常大的能量例如借助废气热交换输送到固相,并且固相以循环方式在10到120min之间在至少170℃和1.0MPa下经历热压水解。热压水解的附加支持可以通过固相的机械运动实现。通过利用较高温度的热压水解,固相中基本上含有的纤维素和木质素被从相分离后的发酵残留物中分离并分解成其基本成分(单体),并因此易于在发酵反应器内继续转换成沼气。这一点以往在现有技术的解决方案中是不可能的。
将这样处理的固相全部输送到第二厌氧发酵反应器,其在那里几乎完全并以比较高的速度转换成沼气。
在仅存在一个厌氧发酵反应器的情况下,可以将进行热压水解的固相再返回该反应器。因此基本上只能进行断续的过程。但这种解决方案的优点是,减少作为原材料的所需新鲜生物质的用量。
但依据本发明的方法也可以在多个发酵反应器内实现,只要这些反应器例如已经存在。
通过固液相分离此外取得的优点是,处理体积明显降低,这一点意味着节省或者更加有效利用所投入的热能。此外,由此第一厌氧发酵反应器后发酵残留物内完好的甲烷菌和其他微生物不进行热处理并此外可以在第一或者第二厌氧发酵反应器内使用。
另一个优点在于提高第二反应器内的水合停留时间,因为一部分液相可以从总方法中收回。
依据本发明的方法另一个优点在于其通过固液相分离产生的高度灵活性。第二厌氧发酵反应器的环境状况可以通过改变液相添加进行影响,这样对运行稳定性并因此对沼气收益率产生积极影响。
附图说明
下面借助实施例对本发明进行详细说明。其中:
图1示出采用两个发酵器的方法示意图;以及
图2示出采用一个发酵器的方法示意图。
具体实施方式
由60%的玉米和40%的黑麦组成的50t青贮饲料每天与100m3的粪水共同输送到作为第一发酵反应器连续运转的厌氧搅拌压煮锅反应器。在该第一发酵阶段中,在20天水合停留时间内,输入物中所包含的有机底物约40%转换成沼气。
利用螺杆挤压机对该第一阶段的发酵残余物(约136t/d)进行脱水。在此方面,产生约4%固体材料含量的约107t液相和约30%干燥残余物的约31t固体材料。液相的三分之二转移到后面的发酵器2,剩余的三分之一进行最终贮存(物质利用)。分离的固相在220℃和2.5MPa下进行30分钟的处理。这一点在利用区域热电站(BHKW)废热的情况下以循环方式进行。在该热压水解之后,部分液化的固体材料同样进入第二发酵反应器。所含的有机部分在第二发酵反应器内20天的水合停留时间期间,几乎完全转换成沼气。两个发酵器中所达到的有机物总分解率总计为80%。
Claims (9)
1.用于在厌氧发酵器中将再生原料中的生物质转换成沼气的方法,其中将再生原料与液体和甲烷发生所需的其他原材料共同投入至少第一厌氧发酵反应器内并在该第一厌氧发酵反应器进行发酵过程,随后对发酵残余物进行固液相分离并将分离的固相在至少170℃的温度和至少1.0MPa的压力下进行热压水解,然后将这样处理的固相要么返回到所述第一厌氧发酵反应器要么输送到第二厌氧发酵反应器,并进行继续的发酵过程。
2.按权利要求1所述的方法,其中,添加粪水和/或者污水处理淤泥和/或者过程水,作为甲烷发生所需的其他原材料。
3.按权利要求1所述的方法,其中,固液相分离通过压榨、离心分离或者筛分进行。
4.按权利要求1所述的方法,其中,热压水解通过固相在热压水解之前或者期间的机械处理步骤而得到补充。
5.按权利要求1所述的方法,其中,热压水解通过固相在热压水解之前的化学和/或酶促处理步骤而得到补充。
6.按权利要求1所述的方法,其中,热压水解在170-250℃范围内的温度下进行。
7.按权利要求1所述的方法,其中,热压水解在1-4MPa的压力下进行。
8.按权利要求1所述的方法,其中,固相在热压水解后被输送到第二厌氧发酵反应器,固液相分离后的至少一部分液相被输送到该第二厌氧发酵反应器。
9.按权利要求1所述的方法,其中,热压水解通过利用其他过程的废热而进行。
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