CN102056684A - 处理废物和生产甲烷的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理废物并产生甲烷的方法，包括向室中填充废物，废物在其中进行厌氧降解。根据本发明，该方法的主要特征在于向大室和小室中分别填充微有机废物和高有机废物，以及大室中废物降解产生的液体组分流入小室。本发明还涉及一种根据本发明实施该方法的设备。

Description

处理废物和生产甲烷的方法和设备
本发明涉及，概括的说，处理和回收废物的领域。
更精确地，本发明涉及，根据其第一方面，一种处理废物和生产甲烷的方法。该方法包括向至少一个室(chamber)填充所述废物的初始操作，以及在至少一个已填充的室内进行废物厌氧降解的操作，期间产生甲烷。
这样的方法尤其已经由文献FR2812570给出的例子公开了。
文献FR2812570描述的方法包括多个步骤，包括尤其是对废物进行研磨、在厌氧单元中掩埋的准备，以及对湿度和温度的控制。该单元在重新打开后重新使用，废物进行后处理以便于回收。此处的厌氧单元采用了单一类型的反应器。该方法能够处理相似性质的废物，此处指家庭垃圾以及普通工业废物。
废物的储存比如在储存中心是已知的。储存接受很大的体积的所有废物，在其中进行自然降解。然而，该废物处理方法存在耗时长的缺点，通常至少三十年。
废物甲烷化的方法也是已知的，其中特别地，通过加入微生物，激活废物的降解，由此使得降解比在储存中心更快地发生。然而，这种废物处理方法不能够处理所有的废物。
由于这个原因，本发明的目的在于提出一种方法没有上述提及的至少一个缺陷，并且特别地提出一种方法能够更有效地生产甲烷。
为了这个目的，并且依照上文给出的一般的定义，本发明方法的主要特征在于：
-在初始的填充操作中，至少一个大室和至少一个小室中分别填充微有机废物(slightly organic waste)和高有机废物(highly organic waste)，大室的容积至少比小室容积大25倍，
-微有机废物，比如家庭垃圾和/或普通工业废物，与高有机废物相比具有较低的有机负荷，其可在三年内降解，所述高有机废物优选为固体，并且包括例如至少一种选自以下组成的废物类型：来自城市废水净化站的污泥、家庭垃圾的可发酵部分、有机废物处理残渣、食品废物、园艺废物、来自农食品工业的废物和农业残渣，并且
-在降解操作中，至少一个大室产生的液体组分被引入到至少一个小室。
本发明使得能够以加速的方式降解废物有机物，同时产生甲烷，以回收甲烷作为能源。为此，本发明依赖于含有不同性质废物的生物反应器之间的协作。
生物反应器是指用于废物降解的室。
废物降解意味着，由于生物活动特别是微生物，酶和/或真菌活动，分解其所含的有机物。根据本发明的定义，与术语“降解”等同的术语可以为“消化”或者“发酵”或者“生物降解”。
本发明中已降解的废物为至少已经获得60％初始潜在生物气的废物，这就是说已经产生60％在适宜的实验室条件下能够获得的生物气的废物，或者为至少已经获得60％的初始可溶性碳的废物，这就是说已经损失在适宜的实验室条件下能够损失的碳的至少60％的废物。
在本发明中，废物降解在缺氧的情况下发生。因此为厌氧降解。
特别地，本发明的方法能够比简单的地上(above-ground)甲烷化方法更加灵活，并且比传统储存方法更加快速。
本发明的方法具有加快废物降解以及由此加快生物气生产并回收甲烷的优点。
根据本发明优选的方式，在至少一个小室产生的液体组分引入到至少一个大室。
有利地，初始填充操作前不对废物进行任何机械处理。
通常，有些室是可重复使用的，或者换句话说，即在这些室中，挖出废物，使其能够重复使用来在其中降解新的废物。
在这些可逆的室中的处理周期取决于进入的废物的性质，在本发明中，废物是选择过的，因此根据本发明它在小室中的降解不超过三年。
其他的室是“不可逆的”或者“固定的”。一旦这些室中填充了废物，它们不会再打开以从中取出降解后的废物。
在本发明中，优选地，至少一个大室是不可逆的，同时至少一个小室是可逆的。
大室为例如废物储存设备的隔室，以及更特别地，为无危险废物储存设备(NHWSI)的隔室。
因此，本发明建议在室，如甲烷化反应容器，和NHWSI隔室之间设连接器，该连接器使其尤其能够处理那些不能在传统的甲烷化容器中直接处理的废物。
根据本发明的方法也可以包括将来自于至少一个小室的已降解的废物挖出的最终步骤。
如必要的话，挖出废物使其能够实施一项或多项重新使用已降解的废物材料的操作，例如作为替代的固体燃料使用，农业再利用，或者再循环，以及能够通过再利用室处理新的废物来支持可持续发展的政策。
本发明的目的之一是增加废物中的水含量并接种它，以优化其降解。
为了这个目的，室可接种它们产生的液体组分或者渗滤液，以及/或接种来自于至少一个其他室的液体组分。
除了用液体组分作为接种物，本发明的方法可以包括，优选在初始的填充操作中，在至少一个小室和/或至少一个大室中引入微生物、真菌和/或酶的接种操作，以便于它们参与废物降解。
在本发明一个特定的实施例中，连续或者间断地向至少一个液体介质室中填充高有机废液，比如由农食品工业排出的工业废液，所述废液在至少一个液体介质室中进行厌氧降解操作，大室的体积比液体介质室体积至少大25倍；以及在至少一个大室产生的液体组分和/或至少一个小室产生的液体组分被引入到至少一个液体介质室。
有利地，在至少一个液体介质室中由厌氧消化操作产生的液体组分被引入到至少一个大室和/或至少一个小室。
根据本发明，液体介质室优选设置在地面上。
在本发明中，室是密封防漏的。特别地，氧气不能进入其中。
根据本发明的方法也可以包括预处理操作，包括对分别在至少一个大室中、在至少一个小室中和在至少一个液体介质室中产生的至少一种液体组分在引入到任意一个室之前进行处理的步骤，特别是通过热处理、硝化作用、加入缓冲剂、加入微生物、加入酶和/或加入真菌。
根据其第二方面，本发明涉及一种处理废物并产生甲烷的装置，用于实施本发明的方法。该装置包括：
-至少一个大室，适用于接收微有机废物，比如无危险废物储存设备的隔室；和至少一个小的室，适用于接收高有机废物；大室的容积至少比小室的容积大25倍；并且所述微有机废物与高有机废物相比具有较低的有机负荷，其在三年之内可降解，
-将至少一个大室排出的液体组分引入到至少一个小室的设备，并且优选地，和
-将至少一个小室排出的液体组分引入到至少一个大室的设备。
根据本发明一个具体实施方式，至少一个小室适用于接收高有机固体废物，并且该装置还包括：
-至少一个液体介质室，适用于接收高有机废液，以及一个大室，其容积至少比该液体介质室的容积大25倍，和
-将至少一个大室排出的液体组分和/或至少一个小室排出的液体组分引入到至少一个液体介质室的设备。
有利地，根据本发明的装置还包括将来自于至少一个液体介质室的液体组分引入到至少一个大室和/或至少一个小室的设备。
本发明其他的特征和优点将通过以下详细描述显示出来，如附图1所示且不受其限制，该附图为根据本发明实施本发明方法的装置示意图。
图1中的装置进行了将未预先进行机械处理的废物填充到室1、2、3的初始操作。
这是因为，不同于已知的传统的方法，本发明中，废物可以直接在废物来源地单独进行任何预先的选择，而不需要机械操作。
填充伴有或不伴有接种。
接种意味着加入能够加速废物降解的微生物和/或其他分子或生物体。
在填充操作中也能表征废物的特性。特别是对废物的本质特性进行识别，记录湿度水平和/或可挥发性物质的比例，和/或评价产生甲烷的潜力。例如，包括绿色废物、水果、蔬菜、肉类、木材如托板(pallets)、塑料材料、纸、纸板、污泥和/或纺织品的废物。
一旦室1、2、3被填充，其中的废物在厌氧条件下进行降解，即在无氧条件下，温度优选为30°至60℃，最优选为35℃。
通过注入来自于三种类型的室1、2、3的液体组分增加废物的降解速率。由此获得优化的甲烷产量。
在图1中，该装置包括一个大室1、一个小室2和一个液体介质室3。
大室1是固定装置，比如生物反应器类型的NHWSI。其设置在地下。
设置在地面上的小室2是甲烷化容器，也被称为消化反应器。另外，根据本发明，小室也可以是地下的密封单元。
液体介质室3是地上反应容器。
大室1的容积至少比小室2和液体介质室3的容积大25倍。
例如，小反应器2和/或液体介质室3具有500至3000立方米(m3)的容积，优选为1000至2000m3。
大室1具有例如80000m3至4000000m3的容积。
根据本发明的方法和装置可以处理不同来源的废物。
通常接收在NHWSI中的废物通常先引入到大室1中然后进行降解。该废物特别地为家庭废物和/或普通工业废物(OIW)。
具有高有机物成分的废物被引入到小反应器2中并降解，比如污泥、家庭废物的可发酵部分(FFHW)、废物处理中的有机残渣，或者任何其他的含有高有机部分的废物特别包括食品废物、可发酵废物和园艺废物。
初始引入到室2中的废物优选不含材料如木材、纺织品、纸类和纸板，或仅仅含有少量上述物质。
室2中的废物可在三年内降解，或者优选一年内。
最后，具有高有机部分的废液，例如取自工业的样品，尤其是农食品工业，被引入到液体介质室3并降解。
连续或者间断地向室3中供给废液。当室3中废物降解后产生的液体达到了现行法律的排放标准时，可以将其排出以便由等体积的新的废液来代替它。室3中废物的停留时间取决于进入时的性质。
由此填充了废物的室1、2和3各自释放出甲烷，甲烷可以回收并重新利用。
储存废物，比如在室1中，的优势是大体积原样接收所有的废物，而不需要前处理，在其中进行自然降解。然而，该处理废物的方法存在耗时长的缺点。
废物的甲烷化，比如在室2中，的优点主要是活化废物的降解，以便于其比在储存中心更快地降解。然而，该废物处理方法不能处理所有的废物。
本发明的方法比已知的方法更加高效，其提出了废物储存，特别是在室1中，和废物的甲烷化，特别是在室2中，的协同配合。
此外，本发明提出了对不同室1、2、3排出的液体组分的有利使用。
这是因为来自于室的液体组分被注入到另一个室中或者同一个室中。因此，液体组分的注入增加了室1、2、3中废物的水含量，并且允许有机物和/或废物接种物的循环。
这些液体组分或者渗滤液的不同注入流路如下：
-流路4、5和6：由室1、2或3排出的液体组分注入同一室1、2或3中；
-流路7和8：由大室1排出的液体组分注入小室2中和/或注入液体介质室3中；这些流路7、8优选不仅利用由大室1产生的渗滤液来增加小室2中和/或液体介质室3中被处理的废物中的水含量，也降解这些渗滤液中溶解的有机碳；
-流路9：将由小室2排出的液体组分注入到大室1中；
-流路10和11：将由液体介质室3排出的液体组分注入到大室1和小室2中。
流路7的渗滤液的注入速率可进行变化以便在小室2中分离酸化阶段和产甲烷阶段。在这种情况下，促进了室2中被处理的废物的有机物质转化为室2中排出的液体组分。收集并分析这些组分，然后注入到大室1中，由此在其中产生甲烷。
另外，可以优化渗滤液注入到室的速率，由此其中的废物有时间进行降解直到产甲烷阶段。在这种情况下，流路7至11优选在水流进入的位置向室的废物中接种活性微生物。
在渗滤液注入一个室之前，可以在室渗滤液排出口附近进行多种分析，由此获得物理和化学特性，比如pH和温度。
作为或不作为这些分析结果的后果，由一个室排出的渗滤液可以在引入同一个或者另一个室之前进行处理。预处理可以是例如沉淀、硝化反应、氧化、添加缓冲剂、添加反应试剂、加热或者生物接种，特别是接种细菌、病毒和/或真菌。
根据本发明的装置可以例如包括至少一个用于加热渗滤液到35℃的容器，由此其包含的微生物在最适宜条件下降解预先加入该加热后渗滤液的废物中的有机物质。
也可以安装温度传感器，特别是在小室中，以便于知道废物中的温度，并且能够在需要的加热之后，注入特别是由大室排出的液体组分，其温度允许废物的降解。
在大室的排出口，优选地，控制液体组分的pH至少为6.8。
一旦在小室2中的废物被降解，在打开室2之前进行通风步骤以挖出其中的废物，由此终止和/或停止废物的降解。
然后挖出的废物在干燥之前可以放在地面上并且堆肥。由此挖出的部分废物能够作为有机肥料和/或替代燃料使用，其他部分可以填埋在2级和/或3级废物储存设备中。
本发明可以包括多个各室1、2或3类型的室。
作为例子，可以使用13个同类型的小室作为室2并且设置在地下，并且每个月填充13个小室中的一个，由此总是有一个室的已处理的废物被挖出以便回收。由13个小室排出的液体组分注入到与室1同类型的大室中，这就是说注入到一个生物反应器型的NHWSI隔室中。从该隔室中排出的液体组分还被注入到小室中。
本发明与现有方法相比还具有以下优点：
-在填充室之前不需要对废物进行预处理；
-厌氧降解灵活，根据在可逆生物反应器中的废物以及发生的代谢途径(仅仅酸化阶段或者酸化和甲烷化两个阶段的组合)，依靠一个小的可逆生物反应器和一个尺寸至少比其大25倍的不可逆生物反应器的组合来实现；以及
-在同一位置管理废物及其副产物，从而避免依赖运输，并因此节省时间以及避免了运输途中的污染，特别是温室气体的释放。

Claims (13)

1.处理废物和生产甲烷的方法，所述方法包括在至少一个室中填充所述废物的初始操作，以及废物在至少一个已经填充的室中厌氧降解的操作，期间产生甲烷，所述方法的特征在于：
-在初始的填充操作中，至少一个大室(1)和至少一个小室(2)分别填充微有机废物和高有机废物，大室(1)的容积比小室(2)的容积大至少25倍，
-微有机废物，比如家庭垃圾和/或普通工业废物，与高有机废物相比具有较低的有机负荷，并可在三年内降解，所述高有机废物优选为固体，并且包括如至少一种选自以下组的废物类型：来自于城市废水净化站的污泥、家庭垃圾的可发酵部分、有机废物处理残渣、食品废物、园艺废物、农食品工业的残渣和农业残渣，以及
-在降解操作中，在至少一个大室(1)中产生的液体组分被引入到至少一个小室(2)中。
2.如权利要求1所述的方法，其中至少一个小室(2)中产生的液体组分被引入到至少一个大室(1)中。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中在初始填充操作之前没有对废物进行任何机械处理。
4.如权利要求1至3任一所述的方法，其还包括将降解后废物从至少一个小室(2)中挖出的最终操作。
5.如权利要求1至4任一所述的方法，其还包括优选地在初始的填充操作时的接种操作，包括向至少一个小室(2)和/或至少一个大室(1)中引入微生物、真菌和/或酶，由此它们参与废物的厌氧降解。
6.如权利要求1至5任一所述的方法，其中大室(1)是无危险废物储存设备的隔室。
7.如权利要求1至6任一所述的方法，其中连续或者间断地向至少一个液体介质室(3)填充高有机废液，比如农食品工业排出的工业废液，所述废液在至少一个液体介质室(3)中进行厌氧降解，大室(1)的容积比液体介质室(3)的容积大至少25倍；并且在至少一个大室(1)产生的液体组分和/或在至少一个小室(2)中产生的液体组分被引入到至少一个液体介质室(3)中。
8.如权利要求7所述的方法，其中在至少一个液体介质室(3)中厌氧降解产生的液体组分被引入到至少一个大室(1)和/或至少一个小室(2)中。
9.如权利要求1至8任一所述的方法，其还包括预处理操作，包括在将分别在至少一个大室(1)中、在至少一个小室(2)中和在至少一个液体介质室(3)中产生的至少一种液体组分引入到任一室(1、2、3)中之前，对该液体组分进行处理，特别是通过热处理、硝化反应、加入缓冲剂、加入微生物、加入酶和/或加入真菌来进行处理。
10.用于实施权利要求1至9任一所述方法的处理废物和产生甲烷的装置，所述装置包括：
-至少一个大室(1)，适用于接收微有机废物，比如无危险废物储存设备的隔室；以及至少一个小室(2)，适用于接收高有机废物；大室(1)的容积比小室(2)的容积大至少25倍，所述微有机废物与高有机废物相比具有较低的有机负荷，其可在三年内降解，以及
-将由至少一个大室(1)产生的液体组分引入到至少一个小室(2)的设备。
11.权利要求10所述的装置，还包括将由至少一个小室(2)产生的液体组分引入到至少一个大室(1)的设备。
12.权利要求10或11所述的装置，其中至少一个小室(2)适用于接收高有机固体废物，所述装置还包括：
-至少一个液体介质室(3)，适用于接收高有机废水，并且大室(1)的容积比液体介质室(3)的体积大至少25倍，和
-将由至少一个大室(1)排出的液体组分和/或由至少一个小室(2)排出的液体组分引入到至少一个液体介质室(3)的设备。
13.如权利要求12所述的设备，其还包括将液体组分由至少一个液体介质室(3)引入到至少一个大室(1)和/或至少一个小室(2)的设备。
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