CN101981174A - 生产生物气体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于从有机基质发酵生产生物气体的容器(1)，该容器包括轴流式搅拌器(9)、一个或者若干个用于装填该容器(1)的入口装置(2)、一个或者若干个用于清空该容器(1)及取出发酵残质的出口装置(3，4)、将发酵混合物输入环形管线(7)的外部导管(5)(该环形管线带有若干个用于喷洒该发酵混合物的表面(14)的出口(8)，其中该被喷洒的发酵混合物可选择地来自该容器(1)的下半部)、用于取出所产生的生物气体的装置(11)及用于控制该发酵混合物的温度的设备(10)；一种用于从有机基质发酵生产生物气体的方法、一种用于在发酵生产生物气体中抑制泡沫形成的方法及一种用于在发酵生产生物气体中改善有机基质中油及脂肪的转换的方法，上述方法可在容器(1)中实施。

Description

生产生物气体的方法
本发明涉及用于生产生物气体的一种方法及一种发酵器。
生物气体可以通过有机基质的厌氧发酵获得，该有机基质可来自农业、社区及工业。该转化成生物气体(例如甲烷及二氧化碳)的有机部分在厌氧技术中称为可分解的CSB(Chemischer Sauerstoffbedarf，化学需氧量)。
可在厌氧反应器中处理的有机物质有许多种。根据所使用的物质的构成，当进行此种处理时，在发酵过程中将出现不同的化学及物理特性。一方面，由所使用的基质中的重物质(Schwerstoff)可能导致沉降层的形成，另一方面，由悬浮物质以及含油基质可能导致这些物质在表面的富集。由这些性质，负责厌氧分解的菌株通常很难与该有机物质接触。
另外，高有机分解池处理负荷(Raumbelastung)常常会导致在发酵器中形成泡沫，由此明显限制该有机分解池处理负荷。
在厌氧发酵中可界定出三种微生物的最佳温度：嗜寒性(4-15℃)、嗜温性(20-40℃)及嗜热性(45-70℃)，基本上由负责厌氧发酵的微生物的相对生长速率区别最佳温度。
在厌氧技术中，嗜温性操作模式通常较嗜热性模式更常出现。其原因为该方法消耗的能量较少且稳定性较高。在许多关于嗜热性操作模式的研究中可测得较高的生化反应速率、较高的微生物生长速率及较短的水力停留时间(hydraulische Verweilzeit)。
但与之相对，在较高的温度下将出现对止氧剂(例如有机酸、氨及硫化氢)较高的敏感度，此外，维持较高的温度需要更多的能量。
现已研发出用于具有低CSB浓度(＜25克O2/升新鲜基质)的基质的反应器***，例如UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，上流式厌氧泥床)、EGSB(Expanded Granular Sludge Blanket，膨胀颗粒泥床)、IC(Internal Circulation，内部循环)，然而其并不适合带有高颗粒含量和高油及高脂肪部分的高CSB浓度基质流。
对于具有高颗粒含量、高CSB浓度及高干燥物质的原料，也可以使用“完全搅拌槽反应器(CSTR，completely stirred tank reactor)”或者栓流槽反应器(PFTR，plug-flow-tank reactor，干式发酵***)，其与上述的发酵器***相比必须以较低的有机分解池处理负荷操作，以保证对于复合构成的基质具有最理想的厌氧分解。然而，由于可能的低有机分解池处理负荷及基质的高浓度，考虑生物技术上及机械方面，这些***中的方法工艺在规模上受到限制。
在EP1065268中描述带有搅拌器的发酵槽。
在许多厌氧反应器中会部分出现未混合区域、发酵器中的死水区
Figure BPA00001234553600021
短路流
Figure BPA00001234553600022
及浮动层(Schwimmdecke)。其结果为，现有的发酵器体积常常未被充分利用，而未发酵的基质几乎末被分解就离开该发酵器。再者，常常需要花费很多工作才能破坏浮动层及沉积层。
还已知一种反应器***，其中将气体或者也将液体从发酵器的不同部位取出，并将其转移至反应器的其它部分(例如反应器的头部)以实现更好的混合。然而，内容物(例如蛋白质、脂肪)可能形成大量泡沫，尤其是在分解池处理负荷较高(＞6千克CSB/立方米*天)时，这使得这些***也无法保证对不希望有的泡沫形成的控制。
根据GB521036或者EP0057152设想将发酵液体喷洒在喷淋床(Rieselbett)或者喷淋床上的发酵液体上，接着再导引其遍及喷淋床。
根据DE10318298例如将发酵液体从外部直接泵入发酵器中的发酵液体中，或者将发酵液体从侧向喷射至表面上，而在CN1600749中描述，将发酵液体环形喷射进发酵槽中。
为了避免在表面上形成泡沫，也使用表面较小的发酵器(例如蛋形发酵器)，其主要在处理来自厌氧废水处理的污泥的厌氧处理中使用。在农业厌氧技术中大量使用薄膜覆盖的发酵器***。由于很大的直径，搅拌组件很难放置在最佳位置上。再者，在该机械混合装置可能的保养或者维修中必须清空发酵器，因此该方法无法继续操作，使得这类***无法在持续累积残余物质的工业应用中使用。
令人惊讶地，现在已发现一种用于生产生物气体的方法，在该方法中，能够在高浓度及高有机分解池处理负荷下连续转换富含固体的有机基质，其可应用于小的和大的操作容积，在其中能够抑制泡沫形成，尤其是能够成功应用于富含油或者脂肪的有机基质。
在一方面中，本发明提供
一种用于从有机基质发酵生产生物气体的方法
一种在发酵制造生物气体中用于抑制泡沫形成的方法，或者
一种在发酵制造生物气体中用于改善有机基质中的油及脂肪的转换的方法，其特征在于，在容器中，以轴向安装在容器中的搅拌器例如持续或者非持续地搅拌包含水、有机基质及微生物的发酵混合物，且来自例如容器的下半部分(例如来自容器的下三分之一)的发酵混合物经外部导管导入带有若干喷射喷嘴的环形管线中，并且被喷洒遍及(例如持续地或者断续地)该容器中该发酵混合物的表面。
该被喷洒遍及表面的发酵混合物优选地来自进行发酵的容器，但也可从其它发酵器导入。优选地，该发酵混合物来自发酵器的下半部分，特别优选地来自例如进行发酵的容器的下三分之一。
在图1中示意性地显示了发酵器(1)，该发酵器包括入口装置(2)(其具有入口(2a)及入口导管(2b))、出口装置(3，4)(其具有出口(3a，4a)及出口导管(3b，4b))、经外部的管线(5)、泵(6)、具有出口(8)的环形管线(7)、轴流式搅拌器(9)、用于控制发酵混合物温度的装置(10)以及用于取出气体的装置(11)。
在另一方面中，本发明提供一种用于从有机基质发酵生产生物气体的容器(1)，该容器包括轴流式搅拌器(9)(例如包括驱动装置(9a)，例如发动机)、一个或者若干个用于装填该容器(1)的入口装置(2)(其优选地刚好固定在容器(1)的底部(12)的上方)、一个或者若干个用于清空该容器(1)及取出发酵残质的出口装置(3，4)(例如刚好固定在容器(1)的底部(12)的上方的出口装置(3)和另一固定在容器(1)的上方三分之一处的出口装置(4))、外部导管(5)(进入该外部导管(5)的入口(5a)优选地位于容器(1)的下半部分，该外部导管其用于将发酵混合物输入带有若干个出口(8)的环形管线(7)，该环形管线(7)例如设有喷射喷嘴，必要时还设有折流装置(13)，用于喷射该发酵混合物的表面(14))、用于取出所制造的生物气体的装置(11)以及用于控制该发酵混合物的温度的设备(10)。
在根据本发明的方法中，该有机基质的性质不重要。例如有机基质必要时可以包括来自例如收集的废物的经挤压的有机废物、食品加工业的残余物质和/或者其它工业有机残余物。
根据本发明，有机基质的分解以发酵方式发生，即在微生物——例如能够将有机物质分解成生物气体(例如甲烷或者CO2)的细菌——的存在下发生。这类细菌优选地为嗜温性或者嗜热性细菌或者其混合物。根据本发明的方法优选地为厌氧方法。
根据本发明的方法中的容器为一种发酵器(反应器)，优选地为容器(1)。
环形管线(7)包括导管，其在容器中的发酵混合物表面上方按这种方法固定，使得能够借助出口(8)处的喷射喷嘴用其它发酵混合物尽可能喷洒容器(1)中的发酵混合物的整个表面(14)。环形管线(7)优选地大致平行于该发酵混合物的表面(14)延伸。环形管线(7)的形状并无规定，然而该环形管线(7)应具有不会阻碍该发酵混合物通过的形状，例如圆滑的形状(例如圆形或者椭圆形)，或者有角的形状(例如具有六个或者更多个角)。出口(8)以合适的间距(例如以固定的间距)安装在环形管线(7)上。喷射喷嘴连接在出口(8)处。此处所使用的“喷射喷嘴”包括在出口处缩紧的导管(即喷嘴)，亦包括出口处未缩紧的简单导管，发酵混合物在压力下(例如借助泵(6))被挤压通过该导管。“若干个喷射喷嘴”包括至少2个喷射喷嘴，优选地为超过2个喷射喷嘴，特别优选的为，有足够多的喷射喷嘴，尽可能使该发酵混合物的整个表面(14)均能够被均匀地喷洒到。例如已证，利用具有约3000立方米容量的带有6个固定在六角形环形管线上的喷射喷嘴的发酵器可取得优越的结果。
优选地，喷出物从出口(8)处的喷射喷嘴被导向折流装置(13)(例如折流板或者折流盘)，例如用于农业排放液体肥的折流板或者折流盘，发酵混合物由此被喷洒遍及该发酵混合物的表面(14)。借助折流装置(13)可将发酵混合物尤其好地分布遍及容器(1)中的发酵混合物的整个表面(14)上。优选地，发酵混合物沿搅拌装置(9)的旋转方向被喷洒在该发酵混合物的表面(14)上。优选地，出口(8)处的喷射喷嘴及折流装置(13)设置成使得该被喷洒的发酵混合物倾斜地冲击该发酵混合物的表面(14)。出口(8)处的喷射喷嘴可以可调整地(例如可在所有方向调整)或者固定地安装在环形管线(7)上。在本发明的一个实施例中，喷射喷嘴固定地安装在出口(8)上，在本发明的另一个实施例中，其可调整地安装在出口(8)上。
容器(1)中的发酵混合物持续或者间断地被喷洒在该发酵混合物的表面(14)上，例如当泡沫一形成时，或者持续地，例如在强烈而连续地形成泡沫的情况下和/或者有机基质含有漂浮在容器(1)中发酵混合物的表面(14)上的含油或者脂肪基质的情况下。在后一种情况下可通过喷洒较更好并且更快地实现基质的转换，因为被喷洒的发酵混合物与表面(14)上的含油或者脂肪基质连续接触，由此其分解更容易并且被加速。
容器(1)包括装置(10)，借助此装置可控制发酵混合物的温度。发酵优选地在介于嗜温性及嗜热性发酵范围的温度范围内进行，例如在30℃至60℃的温度范围内(例如40℃至50℃)。
在本发明的特别优选地实施例中，根据本发明，如下所述进行用于生产生物气体的方法，其中参考图1：
该水性有机基质从下方通过接近底部的分配***(2)供应，以将基质尽可能均匀地遍及容器的横剖面引入容器(1)中。若需要时，经外部管线(5)将发酵混合物从容器(1)的下三分之一处利用泵(6)引入安装在该发酵混合物的表面(14)上方的环形管线(7)中，并且通过出口处的喷射喷嘴(优选地经折流装置(13))将其喷洒遍及该发酵混合物的表面(14)，该喷射喷嘴优选地是简单的导管且出口未紧缩。喷洒的方向为轴流式搅拌器(9)的旋转方向。出口(8)处的喷射喷嘴和/或者折流装置(13)设置成使得该被喷洒的发酵混合物倾斜地冲击容器中该发酵混合物的表面(14)，以尽可能地覆盖反应器中的整个液体表面。若需要时，附加借助轴流式搅拌器(9)来混合容器(1)中的发酵混合物，例如在强烈倾向形成泡沫或者该有机基质含有高油或者脂肪含量的情况下。通过轴流式搅拌器(9)的搅拌可更容易地将可能黏附在生物质(部分分解的有机基质)的气泡与细菌分开，由此可更容易地将其输送至液体表面。
取决于该基质(沙子，干燥物质)，大部分已分解的污泥(发酵残质)通过安装在容器(1)的上三分之一处及下方区域的出口装置(3)和(4)取出。通常沉积物(活性沉积物、发酵混合物及微生物，其中进行活性的发酵)以高浓度位于容器(1)下三分之一处。特别地，通过浓缩的沉积物(其通过绕经外部的管线(6)经环形管线(7)被引入容器(1)中的发酵混合物)在沉降过程中导致增加的活性沉积物聚集并由此导致在容器(1)上部中更快的基质分解，容器上部中的基质分解被加强。
通过将沉积物喷洒在容器(1)中的发酵混合物的表面(14)上，还可额外对可能形成的泡沫造成机械破坏，其功效可借助出口(8)处的喷射喷嘴增强，该喷射喷嘴优选地倾斜地沿搅拌方向安装，必要时与折流装置(13)联合，借助该折流装置可使被喷洒的发酵混合物特别好地分布遍及容器(1)中的发酵混合物的整个表面(14)。进一步的功效可以这样获得：被喷洒的沉积物具有较低的pH值(该pH值通过在容器(1)的下三分之一的水解分解过程调节)，而低pH值有利于破坏泡沫以及带有活性生物质的漂浮物的分解。
该方法中另一个参数为该工艺温度，该温度借助用于控制该发酵混合物的温度的装置(10)调节，特别优选地为40℃-50℃。
在本发明提供的容器(1)或者方法中，使用嗜温性及嗜热性细菌的最理想的性质(生长速率，碳水化合物、蛋白质以及脂肪的分解)，由此以及与机械装置的组合，反应器***可在至多为15[千克CSB/立方米*天]的有机分解池处理负荷下操作。
容器(1)优选地为根据图1所述的容器。
根据本发明发酵生产生物气体时，在用于抑制泡沫形成的方法或者用于改善有机基质中的油和脂肪的转换的方法中，优选地使用根据本发明所提供的用于发酵生产生物气体的方法，其中优选地使用容器(1)。
根据本发明的用于生产生物气体的方法的优点为其可用于工业。另一优点为该方法可用于小的和大的发酵混合体积，例如用于1立方米至7000立方米的体积内。另一优点为可以减少或者阻止泡沫形成。另一优点为该方法可在高氮气浓度下操作。例如显示，根据本发明的用于生产生物气体的方法可在有机基质中至多为9克TKN(Total Kjeldahl Nitrogen，总凯氏氮/升新鲜基质)的总氮气浓度下毫无问题地操作。
示例：
连续将每日量为150立方米的有机基质(由来自垃圾收集处的经挤压的有机垃圾的混合物、来自食品加工工业的残余物以及工业有机残余物和水组成)引入3000立方米的发酵器(操作容积为2850立方米，其根据图1设计且含有用于在水性发酵溶液中厌氧分解有机基质的细菌)中。该基质具有17％的干燥基质含量及260克O2/千克的CSB浓度，所产生的有机分解池处理负荷为14[千克CSB/立方米*天]。
有机基质通过位于底部的分配***(其高于发酵器底部约一米)被引入。在发酵器下部生物质浓度较高(沉积物床)，由此新鲜供应的基质遇到高浓度的活性生物质。
在反应器的下三分之一处连续地取出一定量的含有较高干燥基质含量的沉积物(体积为90立方米)，将沉积物经外部导管输送至发酵器顶部并借助喷射喷嘴通过该发酵器上方的(在气体区中)环形管线沿轴流式搅拌器的旋转方向将其喷洒至发酵混合物上。由此可以抑制在发酵中形成的泡沫(蛋白质-脂肪化合物)，使漂浮的物质(例如脂肪和油、纤维物质)与来自该反应器下方的活性生物质接触。使用轴流式搅拌器进行机械搅拌。搅拌器的旋转速度介于0至60转/分钟之间。该间断操作的搅拌器用于改善下方沉积物层中微生物形成的气体(甲烷、二氧化碳)的释放并用于在控制下进行的整个反应器***中的干燥基质浓缩。
用于取出气体的装置(9)位于该发酵器的最高点。
发酵残质(发酵器内容物)在上方三分之一处借助发酵器的出口及出口管(3)取出，而在下三分之一处借助发酵器的出口及出口管(2)取出。
生物气体的产量为5.8立方米生物气体/立方米发酵器体积*天，而生物气体的甲烷含量为60％至65％。此方法在40℃-50℃下操作。
此方法采用各3000立方米的发酵器***连续操作并产生优越的结果。

Claims (14)

1.一种从有机基质发酵生产生物气体的方法，其特征在于，在带有轴向安装的搅拌器的容器中搅拌包含水、有机基质及微生物的发酵混合物，且所述发酵混合物经外部导管输入带有若干个喷射喷嘴的环形管线，并且被喷洒遍及所述容器中的发酵混合物的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被喷洒的发酵混合物来自所述容器的下三分之一处。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述发酵混合物沿搅拌器的旋转方向被喷洒在所述容器中所述发酵混合物的表面上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，被喷洒的所述发酵混合物经折流装置被喷洒在所述发酵混合物的表面上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷射喷嘴及所述折流装置设置成使得所述被喷洒的发酵混合物倾斜地冲击所述容器中的发酵混合物的表面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述发酵在介于中温发酵范围至高温发酵范围的温度范围内进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述发酵在30℃至60℃的温度范围内进行。
8.根据权利要求6或者7所述的方法，其特征在于，所述发酵在40℃至50℃的温度范围内进行。
9.一种用于从有机基质发酵生产生物气体的容器(1)，其包括轴流式搅拌器(9)、一个或者若干个用于装填所述容器(1)的入口装置(2)、一个或者若干个用于清空所述容器(1)及取出发酵残质的出口装置(3，4)、用于将发酵混合物输入带有若干个用于喷洒所述发酵混合物的表面(14)的出口(8)的环形管线(7)的外部导管(5)、用于取出所产生的生物气体的装置(11)以及用于控制所述发酵混合物的温度的设备(10)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述出口(8)设有喷射喷嘴，必要时设有折流装置(13)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述出口(8)的喷射喷嘴或者必要时的折流装置(13)设置成使得所述被喷洒的发酵混合物倾斜地冲击所述发酵混合物的表面(14)。
12.根据权利要求10或者11所述的方法，其特征在于，所述被喷洒的发酵混合物沿所述轴流式搅拌器(9)的旋转方向冲击所述发酵混合物的表面(14)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的容器，其特征在于，进入所述外部导管(5)的所述入口(5a)位于所述容器(1)的下半部分。
14.一种在发酵生产生物气体中抑制泡沫形成的方法，或者一种在发酵生产生物气体中改善有机基质中油和脂肪的转换的方法，其特征在于，在容器中使用轴向安装的搅拌器搅拌包含水、有机基质及微生物的发酵混合物，且所述发酵混合物经外部导管输入带有若干个喷射喷嘴的环形管线，且被喷洒遍及所述容器中的所述发酵混合物的表面。
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