CN104203872A - 一种用于家庭有机废物的改进的厌氧消化*** - Google Patents

一种用于家庭有机废物的改进的厌氧消化*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种紧凑型厌氧消化***，其用于将家庭废物生物质材料转化成富甲烷沼气和具有约9％至40％固体的浓缩堆肥浆料用于农业土壤应用。水平厌氧消化器容器包含水平容器，其提供隔热并且优选底部为圆柱形，所述容器内部安装有至少一个具有4至100个均匀分布的径向的或水平的或对角的挡板的轴，并且其与所述容器外侧的手柄或轮子连接以从外面旋转所述轴，所述容器的一端配备有至少一个口用于引入粗生物质废物，在相反端配备有另外一组用于排出稳定化之废物的口，并且在所述用于排出稳定化之废物的口的水平上方具有一个受阀控制的气体口，小的手动粉碎机与消化器容器耦接，所述粉碎机用于捣碎/切碎/碾碎大而硬的固体(例如骨头)以得到优选小于10mm粒径的颗粒。使废物落入消化器内，并在通过旋转与消化器内具有挡板之轴连接的手柄进料时缓慢混合。

Description

一种用于家庭有机废物的改进的厌氧消化***
以下说明书具体描述了本发明的特征及其实施方式。
技术领域
本发明涉及用于家庭有机废物的改进的厌氧消化器。更具体地，本发明提供了便利***，其包含有助于消化具有高固体和较低水分的家庭有机废物的厌氧微生物。本发明的消化器使得能够对生物可降解的废物进行厌氧消化，以在产生源处释放营养物质和微量营养物质、稳定化的消化物和富甲烷的沼气，所述废物例如家庭废物、变质食物、农作物生物质、动物废物、植物和动物废物的混合物、垃圾、农业废物、水草、花园切割物等。本发明还有助于由生物质生产用于常规家庭用途的生物燃料。本发明还有助于将经厌氧消化的料渣与生物来源的木质素纤维素废物混合，以留住营养物质并使其缓慢地释放至土壤。
背景技术
在世界上的大多数地方，由家庭活动产生的废物给城市增加了主要的物体(bulk)，其常常最终以部分处理或未处理的形式倾倒，从而导致严重的环境污染。由于这些生物可降解废物难以专门收集、储存以及运输至处理厂而不腐败，所以其管理是个严重的问题。在通过现有方法管理和处理期间，难以控制由废物生物质的可腐败组分产生的臭气和浸出物。这通常在常见并广泛使用的需氧堆肥厂中观察到。通常使用的相对便宜的小规模和大规模野外堆肥方法具有若干缺点，并且无法以家庭水平用于没有可用土地的城市和半城市地区。发现对生物可降解废物进行替代的厌氧消化和稳定化或堆肥是合适的方法，尤其是在气候条件温和的地方或处于隔热条件下时，但是难以以家庭水平来实施该方法。
目前使用的小尺寸或家庭尺寸的厌氧设备需要大量水来运作，其中可将固体直接进料或在一些情况下磨碎后进料。这样的设备总是排放大量的部分消化和未消化的有机物质，固体低于5％。它们最初是漂浮圆顶模式和固定圆顶模式(Lichtman，1983，VITA，Virginia，USA；Leach，1987，Biomass 12，155-184)。由于带有恶臭的部分消化流出物的大量排放和对淡水的常规需求，对这些消化器的管理极其困难。脂肪是食物废物中的重要成分，在这样的大范围使用的家庭级消化器/通常建造的沼气设备中，脂肪几乎不分解，从而变成污染和臭气公害的严重源头。为了避免脂肪以及类似材料的问题，需要在加载至当前使用的***之前将其从废物中分离出来并进行需氧处理或埋入土壤。类似地，除非将固体生物质以机械的方式磨碎并加载至常规的沼气设备中，否则它们不会充分降解和矿物化。如果废物的产生来自小块土地处的家庭，则通过土壤掩埋的其他常规厌氧生物质堆肥-虽然不适于收集甲烷或控制甲烷排放-也是不可能的。最近介绍的高固体厌氧消化(HSAD)法被设计成在收集、隔离和预加工有机废物后以大规模运行。提出了HSAD用于使消化设备每年处理30,000吨至50,000吨MSW的源分离有机物。此外，对终产物、沼气和稳定化的HSAD堆肥的利用还需将其运输并放置于分销处用于销售。这些高固体消化法具有其他集中化处理设备的所有问题，但是其优点是在无需进行水稀释的情况下分解固体。通常，为了在设备外进行有效利用(offsite utilization)，需要对消化物或堆肥和沼气进行进一步加工。结果，在满足了所有这些昂贵的处理操作后从能源产出和堆肥价值的角度来看，来自这样的集中化加工的净收益变得没有吸引力。在收集、隔离和运输废物过程中的臭气污染十分难闻，并且在人口稠密地区常常难以处理，在这样的***中该问题未解决。
对现有技术的讨论
用于稳定化生物可降解废物的现有消化方法是需氧或厌氧的，或其组合。适当采用的需氧方法设计成完全稳定化固体废物中的生物可降解物，但是单独采用这样的方法在许多地方的应用中常常要么成本高昂，要么效率低下。一种这样的情况是难以忍受的恶臭以及在缺乏气味控制装置的情况下的操作导致在这样的处理厂及周围地区中十分令人生厌。
用于生物可降解废物之稳定化的最合适的主要加工方法之一是微生物介导的厌氧消化。从植物、动物和厨余垃圾的废物生物质中产生甲烷的厌氧加工是公知的(美国专利No.5,90,931；5,863,434；5,821,111；5,746,919，5,626,755；5,567,325；5,143,835；4,735,724；4,503,154)。这样的微生物方法已经得以使用，并且可用于废物处理中。该原则能够应用于多种规模-从小的家庭规模到用于多种生物可降解材料的大规模，但是需要对***进行合适的设计。
全世界已对厌氧消化固体废物以除去生物可降解物质进行了研究(De Baere 1999，Water Science Technology，41 457-462)。大多数这样的对改进固体消化和生物产甲烷的开发以大规模操作为目标。这些开发很复杂，并且不适合家庭规模。最近报道了在实验室和现场试验中通过使浸出物在新的稳定化床和厌氧稳定化床之间循环而改进固体废物的生物产甲烷(Lai等，2001；Nopharatana等，2002)。用于未分类城市固体废物的浸出床厌氧消化模式被发现可用于得到所装载废物的最终生物化学甲烷潜力的75％的甲烷产率(P.Silvey等，2000)。
在题为“Improvements in and relating to the treatment of cellulosicmaterials”的专利GB0360922A中描述了通过热化学处理改进对包含纤维素材料之废物的消化。其中建议在处理期间添加化学物质然后中和材料。在专利CN1587214A所给出的另一种处理方法中，用厌氧方法处理竹纤维加工废物。用碳酸氢铵和硫酸锌对材料进行初级处理，并用微生物群接种处理产生的水流以生产包含甲烷的气体。
Dale和Malstrom在1981年(美国专利No.4274838)已经开发了用于有机废物(例如进料至长罐的动物肥料)的厌氧消化器。在该罐中提供有若干***和设施以防止浮渣形成，并控制浆料运动和气体收集。该***对在牛胃中进行过预处理的材料基本有效，并且容量大。上述开发是McDonalds 1978(美国专利No.41000023)和Albrs 1979(美国专利No.4,169,048)以及其他专利(美国专利4511370，1985)的改进方法。在某些收集并处理植物生物质以产生甲烷的情况下还讨论了一些分批消化***(Abbasi等，1990，Biological Wastes 34，(4)359-366)。
1981年开发的Valorga工艺在单一阶段使用一种方法来消化生物质，但是在排出生物不可降解物后进行了蒸汽处理。作为将生物质收集并运送至设备处后的集中化***，这是可行的。
Smis等1995(美国专利No.5,389,258)论述了另一种用于厌氧降解有机废物以及产生沼气的方法，其中将固体或半固体进料至顶部的反应器中，在底部收集发酵液，并用泵和复杂的***将所述固体与新鲜固体混合。
在一些有机废物厌氧消化的方法中，需要大比例的水性介质(美国专利5,637,219Robinson等，1997；美国专利No.5,746,919Dague等，1998)。这样的***通常可用于溶解形式或可容易水解形式的生物可降解物。所装载的悬浮固体在这样的***中不完全分解，因此其不适用于厌氧消化固体废物生物质。由于对大量排出物的不适当处理，消化不完全的生物质不仅引起环境问题，而且产生的甲烷量也较少。
在美国专利No.5,500,123，1996中已经提出了二相消化***。TERI(Tata能源研究院，Tata Energy Research Institute)报道了用于纤维型和半固体型的城市固体废物的改造的二相高速消化器。这些工艺由以下组成：从酸化反应器中的植物废物中提取高COD(约15,000mg/l至20,000mg/l)的有机浸出物，然后在上流式厌氧污泥床(up flow anaerobic sludgeblanket，UASB)反应器中处理该浸出物。在该工艺中，液体的处理和处置是严重的问题。
2001年的美国专利6299774教导了用于回收能量、减少潜在污染以及增加有机废物(例如动物肥料)的价值的厌氧消化***。在该***中，在分批反应器、半连续反应器或连续反应器中于低温至高温下处理动物肥料。该工艺声称利用农场现有的处理和储存设备，并且需要最少的监管和技能。其声称以低成本生产高质量的甲烷。与许多其他厌氧消化器不同，该***提倡在高压(优选10psi至100psi)下运行。其他运行要求包括将进料材料制备为浆料。
目前的另一种可用的高固体厌氧消化(High Solids AnaerobicDigestion，HSAD)设计成以大于100吨每天的容量运行，已知其在嗜热细菌聚生体(bacterial consortium)的存在下于约55℃下工作(美国能源部下属的国家可再生能源实验室)。其不适于小规模地工作。
Cameraon在1997年的美国专利5,633,163中提出了一种用于处理废水和固体有机废物的装置，其具有装配有堆肥床的需氧处理室。Zhang&Zhang 2002(美国专利No.6,342,378)讨论了另一种用于用厌氧相固体消化器来使固体废物生产沼气的***，其也是一个不适于小规模运行的复杂***。
在美国专利6,663,777 B2(2003)中，Schimel公开了用于将生物质、浆料厌氧转化成能源的装置、***和方法。这是一个复杂的***，其具有许多工艺容器和工艺泵，并且旨在以大容量运行。
在2006年的美国专利7,144,507 B2中描述了干燥循环厌氧消化器，并声称几乎不产生料渣。其基本旨在处理如在废水中的低固体。
2008年Gray和Suto(美国专利No.7410583 B2)的方法描述了处理食物废物和其他有机废物以制备废物浆料和厌氧消化物，其需要若干单元和单元操作。其也旨在以大规模运行。
在KOMPOGAS消化工艺中，通过定期(一般是每天)向嗜热卧式***进料来处理包含高固体的废物。进料至该工艺的是来自城市(主要来源于食品工业)的有机废物。在一些情况下，沼气被升级至用于机动车或输入天然气网络中的天然气标准。然而，整个***的目的不是在具有少量生物质固体的单个家庭中运行。
另一种消化器装置声称通过经浓缩器组件进料在受控温度下运行的消化单元中将湿的生物质材料转化成沼气。生物质需要作为浆料进料，并且该装置通过计算机控制(美国专利No.6663777 B2，2003)。该***旨在作为用于生物质处理的大型设备运行。
Linde-KCA引进了卧式活塞流厌氧***，其中在嗜中温工艺和嗜热工艺二者中都进行生物质的湿消化和干消化。该两步工艺起始于好氧处理，并且水解物通过随内部转子移动的传输***传送至厌氧中。然后使材料脱水。
据报道，迄今，厌氧固体废物处理和能源产生在以下一种或更多种条件下进行：
·设计主要针对集中化处理，并且要求一系列工艺-收集至容器中、转移至较大容器中、运输至消化器处；
·需要对材料预加工以满足消化器的条件；
·运行是能源密集型的，并且在生产的源头(例如家庭水平)运行执行起来复杂；
·运行需要技术人员的力量；
·需要高的资本和维护成本，因为它们旨在以大规模运行；
·***需要沼气能量利用***，这也需要资本投资和运行；
·消化的堆肥需要进一步的加工和营销网络。
在国内外有许多大小公司和组织提供沼气设备。这些市售沼气设备基于传统的沼气设备模式来定大小和规模(印度的KVIC或Deenbindu)，其最初开发用于从牛粪产生沼气(gober气体)，基本用于将动物***物中的可溶有机物的残余物转化为沼气。其具有进料入口和流出出口，以及漂浮的或固定的气体收集室(dome)。这种沼气设备适用于处理经预加工的材料，例如动物胃中的经预加工的材料。使用这些设计使家庭废物产生沼气并进行处理(如当前进行的)的缺点是，在牛粪废物的情况下废物材料没有有效消化并转化成沼气。家庭废物的固体和脂肪消化不完全，并且这导致大量的有污染的、恶臭的、无法处理的排放物。此外，这些沼气设备一般比较庞大，并且在废物进料期间需要添加淡水。在热带地区，沼气厂区域导致蚊子繁殖以及相关的媒介传播疾病。
从一些报道中明显看到国内市售沼气的低效。例如对南印度处理废物的小规模沼气设备的评估报道，其使用一种典型的流行构造(make)，即进料厨余垃圾的“BIOTECH设备”(Nicholas Estoppey，Evaluation ofsmall-scale biogas plants for the treatment of faeces and kitchen waste.eawag Aquatic Research 2010)。在以上样品研究中，每天进料2.9kg废物的2000升容量的设备一直排出11.7升的排放物。根据该报道，每天排出的排放物是水样的，并且由于重度的污染负荷所以在处置之前需要进一步处理。沼气中的最大甲烷含量是65％。这样的沼气设备的气体产生速率(m3/m3消化器/天)为约0.47。
印度的另一种流行构造ARTI被称为紧凑型沼气设备，其提出装入1000升至1500升，这与用于3至5个成员之家庭的BIOTECH构造的建议尺寸几乎相同，并且其每天排出约15升的排放物。这意味着这样的设备也需要额外的水用于其运行。在这种情况下，效率也未见不同，因为沼气组成和气体产生速率与BIOTECH相同。
从现有技术可理解，没有可用的合适机制用于家庭产生之废物生物质的完全消化和稳定化并有助于在产生源处之沼气能源的回收以及用于农业应用的营养物循环。此外，与同一系列的其他***相比，本发明的改进***提供了更高的甲烷产率以及良好稳定化的堆肥。此外，对用于就地处理生物可降解废物之***的需求与现在的环境高度相关。
发明内容
因此，本发明的主要目的是为来自家庭的废物生物质和可腐败物质提供紧凑型高固体厌氧消化***。
本发明的另一个目的是在不进行预加工或预处理的情况下分解生物可降解的有机废物。
本发明的另一个目的是在水较少的条件下分解生物可降解的有机废物。
本发明的另一个目的是通过廉价的微生物法从废物生物质产生富甲烷的沼气。
本发明的另一个目的是在废物产生处有效并方便地分解生物可降解的有机废物。
本发明的另一个目的是使用具有高度保留废物生物质的***在小体积中进行完全消化。
本发明的另一个目的是使用不需要电的***从废物生物质中生产富甲烷沼气。
本发明的另一个目的是收集为常规现场使用或后续使用而产生的富甲烷沼气。
本发明的另一个目的是用紧凑型***来改良生物可降解有机废物以用于农业无污染应用。
本发明的另一个目的是通过厌氧处理来释放结合于生物可降解有机材料中的营养物质。
本发明的另一个目的是由有机废物生产改进水分保持和空气循环质量的具有营养物质的土壤调节剂。
本发明的另一个目的是将营养物质保持在环境友好的材料中，以使其在土壤应用中缓慢释放。
本发明的另一个目的是平衡消化物质(堆肥)的水含量，以方便处理和运输。
本发明的另一个目的是控制来自生物可降解有机物质的污染，所述生物可降解有机物质例如家庭废物、动物和鸟类废物、陆地和水中的杂草，以及农业废物。
本发明的另一个目的是将木质素纤维素废物转化成富含容易获取之营养物质的土壤改良剂。
以上所有目的都通过本发明描述的改进厌氧消化***及其多种实施方案得以实现。
因此，本发明提供了用于家庭有机废物的用于生产稳定化的水分较少的堆肥并得到富甲烷沼气的改进厌氧消化器，其包含长度为300mm至2500mm的水平容器(200升至2500升)，其提供隔热并且末端优选为圆柱形，所述容器内部安装有至少一个具有4至100个优选均匀分布的径向地或水平地或对角地挡板的轴，并且其与所述容器外侧的手柄或轮子连接以从外面旋转所述轴，所述容器的一端配备有至少一个直径为50mm至500mm的口用于引入粗生物质废物，在相反端配备有另外一组直径为50mm至100mm的用于排出稳定化之废物的口，并且在所述用于排出稳定化之废物的口的水平上方具有一个直径为5mm至10mm的受阀控制的气体口，小的手动250ml至1000ml体积的粉碎机与消化器容器耦接，用于捣碎/切碎/碾碎大而硬的固体(例如骨头)以得到较小的颗粒，优选粒径小于10mm的颗粒。
根据本发明的另一个实施方案，其提供了用于消化生物质废物以生产稳定化的水分较少的堆肥并得到富甲烷沼气的***，所述***包含200升至2500升的厌氧消化器，其基本上为长度为300mm至2500mm的水平容器，其根据需要提供隔热并且底部优选为圆柱形，所述容器内部安装有至少一个具有4至100个优选均匀分布的径向地或水平地或对角地挡板的轴，并且其与所述容器外侧的手柄或轮子连接以从外面旋转所述轴，所述容器的一端配备有至少一个直径为50mm至500mm的口用于引入粗生物质废物，在相反端配备有另外一组直径为50mm至100mm的用于排出稳定化之废物的口，并且在所述用于排出稳定化之废物的口的水平上方具有一个直径为5mm至10mm的受阀控制的气体口。
根据本发明的一个特征，在容器内部具有带挡板之轴的消化器的相反两端安装有入口和出口。
本发明的一个重要特征是，所述消化器和/或粉碎机由能够与对生物质废物进行厌氧处理相容的材料制成，例如钢、纤维增强的聚合物、塑料、混凝土等，或其组合。
根据本发明的另一个特征，通过装填生物稳定化的湿有机堆肥或富含厌氧微生物群的沼气设备处理的排出物以及根据需要添加尽可能少的淡水以形成20％至40％总固体的浆料来制造消化器中的起始厌氧菌群。起始厌氧菌群含有天然活性形式的或作为休眠孢子或分离形式的兼性细菌、厌氧细菌、真菌、原生动物和放线菌。
根据本发明的另一个特征，在每次进料粗生物质废物后旋转所述轴若干次，这保证使内部的所述废物混合，增强生物降解的速率，所述生物降解包括大块生物质崩解成较小颗粒，所述颗粒分解成可溶化合物，化合物分解成分子，以挥发脂肪酸(例如乙酸酯)并导致生物产甲烷。
根据本发明的另一个特征，进料后轴的所述若干次旋转释放消化产生的沼气，并使材料易于从进料口向前运动。
根据本发明的另一个特征，通过微生物群在所得的消化器中的生长经水解、酸化、乙酸化和生物产甲烷来促进进料废物在冷冻温度以上进行生物降解和生物产甲烷，所述进料废物包括含有植物的食物废物、大米、谷物、肉类、蛋黄、变质牛奶或其制备物以及甜品、植物皮、植物切屑、果皮，腐烂的食物、水果和植物。
根据本发明的优选实施方案，在材料特别坚硬(例如骨头和种子)或尺寸超过2厘米至3厘米的情况下，对废物材料进行粉碎以使废物的消化和稳定化更快，然后将其进料至所述口，并借助于配备的手柄轻轻混合几分钟，其中腐败生物质中的混合微生物群使得材料水解、分解、酸化、乙酸化以及生物产甲烷，从而产生富甲烷沼气和用于农业应用的富营养物质堆肥。
根据本发明的优选实施方案，消化和生物产甲烷的厌氧过程最适于在嗜中温至嗜热温度条件下进行，因为在＜20℃和＞55℃时速率会下降，并且如果自然的环境温度比较极端，则按照任何已知标准技术通过对所述消化器进行合适的隔热、加热或冷却来控制。
根据本发明的优选实施方案，所述***在6.8至9.0的近中性pH条件下自动运行并工作，不需要通过额外添加酸或碱来缓冲。
本发明的一个重要特征是，所述经消化的排放物包含9％至40％的总固体。
本发明的这些及其他目的、特征和优点将从下文对本发明实施方案的描述中变得更加显而易见，这些实施方案仅作为非限制性实例给出。
附图说明
下文的附图是本说明书的一部分，并且通过包含这些附图来进一步描述本发明。可通过单独引用它们或结合本文提供的具体实施方案的详细描述来更好地理解本发明。
图1是本发明的紧凑型厌氧消化***的一个实施方案的示意图。
图2是图1所示***的一些部件的示意图，其示出直接进料口、粉碎进料机口以及混合装置上的挡板。
图2b是图1所示***的粉碎进料机的截面示意图。
发明详述
下文详细讨论了本发明的一些优选实施方案。应理解，虽然讨论了具体步骤、构造和布置，但是其仅用于举例说明的目的。本领域技术人员将理解，可使用其他步骤、构造、数量和布置而不脱离本发明的精神和范围。应理解，虽然之前的描述设想了一个特定实施方案，但是本发明可用于许多其他实施方案和其他实施例。
本发明可包括用于厌氧消化生物质废物的改进***，以产生富甲烷沼气、使结合的营养物质释放并且以较少的水稳定化废物用于农业土壤应用。因此，本发明***的优选实施方案进料生物可降解废物，特别是家庭来源的生物可降解废物，例如不同大小、性质和水含量的食物废物、厨余垃圾、农业残余物等。所述***包含组合的已知特征和未知特征，以提供改进的、高效的并且适于特别是在产生源处(例如家庭)对废物生物质进行厌氧消化。所述***设计成以较少的水分进行厌氧消化，从而具有高保留以在小体积中进行完全降解，并且避免使用额外的水，产生浓缩的堆肥，从而利于处理和运输。
图1是根据本发明的改进厌氧消化***的一个实施方案的示意图，图2包括具有粉碎机和不具有粉碎机的进料口的图，以及来自进料侧的轴上挡板的概览，其具有以下特征：用于对废物生物质进行厌氧消化的水平制造的密闭容器(1)，其配备有废物生物质引入口(2)以及与其(2)连接的旋转手柄(2.1)，气体释放口(4)以及经堆肥材料排出口(5)，并且还配备有用于借助手柄(3.1)以在外部混合内部材料的设备，所述手柄(3.1)使用现有技术的机械固定装置(例如轴承或衬套)固定在消化器容器中具有适当构造的轴上，在所述轴上，径向地或水平地或对角地或以对内部材料进行有效搅拌的其他模式布置有挡板(3)或类似固定装置，以使颗粒、微生物、酶、水分运动，并且使气体释放，促进材料流缓慢地向排出口流动。
用于进料的一个或更多个口制造成可使进料的材料方便地加载并且防止沼气泄露，并且其可接收具有多种特征的进料，例如浆料、粉末、研磨的废物或粉碎的废物，并且安装有合适的盖或阀以控制水从外部落进来。一个或更多个排出口可选择为允许经消化的废物材料容易地通过，而不干扰包括沼气收集在内的功能，并且不发生泄漏，防止空气和外部的水进入消化器容器，其后可连接合适的储藏室以收集稳定化的料渣用于以后用作土壤肥料。在所述储藏室中，提供了诸如锯屑、泥炭或椰壳泥炭的材料来吸收经消化材料中的水分，使其容易处理并用于土壤应用。在所述装置中产生并收集的沼气通过由阀调节的口来释放，所述口可为可得的标准化制品或是特别制造的，并且具有合适的内径，其可以为了该目的以不小于5mm提供于容器顶部，在这里在所述过程期间持续地收集沼气并储存。可在所述容器本身中进行沼气的额外储存，前提是，所述容器体积大和/或具有可用的额外沼气储存***，并连接至所述厌氧***的由阀控制的沼气口。
废物生物质进料包括厨余垃圾-经烹饪或未经烹饪的食物材料、变质食物、动物和植物来源的组织、蛋壳和蛋黄、花园废物、废纸、水果、果皮、动物废物，这些废物包含简单形式或复杂形式的一种或更多种组分，例如碳水化合物、蛋白质和脂肪，并且这些组分可转变或转化为甲烷或容易利用的营养物质，例如用于农业应用的堆肥。
在进料废物期间或之后不向***中添加额外的水，直接添加废物生物质，并且优选使用附接的手动粉碎机或任何标准***粉碎或研磨坚硬生物材料以将其粒径减小至优选小于10mm，以利于运行，并且还可无需制成其浆料亦可进料。
对水平消化器的预加载用来自标准家用沼气设备或消化器的包含生物稳定化的湿有机堆肥的厌氧消化或部分厌氧消化的材料来完成，并根据需要添加尽可能少的淡水，以形成含有20％至40％总固体的浆料，所述有机堆肥富含以其天然活性形式或休眠孢子或分离形式存在的细菌、真菌、原生动物和放线菌的厌氧微生物群。
可用于本发明的厌氧消化器的微生物的典型种类包括：真细菌、古细菌、酵母菌、原生动物、真菌和放线菌，并且涉及的常见生物有：变形杆菌属(Proteus sp.)、沙门氏菌属(Salmonella sp.)、气杆菌属(Aerobactersp.)、大肠杆菌(Escherichia coli)、枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、芽孢杆菌属(Bacillus sp.)、微球菌属(Micrococcus)、共养杆菌属(Sytrophobacter)、共养单胞菌属(Syntrophomonas)、拟杆菌属(Bacteroides)、纤线菌属(Leptonema)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、梭菌属(Clostridium sp.)、Lacteriodes、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、消化球菌属(Peptococcus)、乳杆菌属(Lactobacillus)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、产甲烷球菌属(Methanococcus)、甲烷杆菌属(Methanobacillus)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷丝菌属(Methanothrix sp.)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)，并且在其独立和互养生长期间均能够分解生物质并导致产生沼气。
通过进料口(2a)向所述***直接添加或在粉碎(2b)后添加废物生物质，在所述粉碎机(2b)中，一旦旋转所连接的手柄(2.1)，进料的材料即被切割成较小的尺寸，然后通过旋转所述厌氧消化器中的所述手柄进行混合，其中，在腐败生物质中的混合微生物群的作用下，使材料进行水解、分解、酸化、乙酸化和生物产甲烷，并且产生富甲烷的沼气以及用于农业应用的富营养物质堆肥。所述消化和生物产甲烷的厌氧过程可最适于在嗜中温至嗜热温度下进行，在＜20℃和＞55℃时速率会下降，并且可按照任何已知标准技术通过对所述消化器进行合适的隔热、加热或冷却来控制。所述***可在6.8至9.0的近中性pH条件下运行和工作，所述pH条件可在所述***中自动维持，无需通过额外添加化学物质、酸或碱来进行缓冲。
除了作为浆料或粉末的废物生物质外，废物材料的厌氧消化还可通过进料长度＜25cm、宽度＜10cm并且厚度＜3cm的材料(坚硬的骨头除外)来进行，从而导致完全快速的消化，并且恒定地接收稳定化的排出物。
由厌氧消化产生的沼气通过位于所述***顶部的由阀控制的气口释放，并且其可直接与燃烧器连接或在储存后用于加热目的，或者如果需要满足燃烧器/发电机的规定的话在纯化***后与任何标准的发电装置连接。沼气的产生速率为250升/天至2500升/天不等，其中进料的废物为120gm干重至1kg干重不等，并且其中根据废物的种类以及进行的改造，初始水含量为40％至95％。排出物中挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)的含量降低至mg水平，国内的沼气设备通常比这多一百倍。结果，实现了VFA到甲烷的较高转化率，并且经消化的材料没有腐败的气味。所述***中产生的沼气主要包含＞75％的甲烷和＜25％的二氧化碳，并且由于处理中的材料的pH维持在约8.0或更高，硫化氢的含量为痕量，该pH范围下释放的游离H2S比通常7.0或更低的pH条件(其通常为运行导致的高水含量和国内沼气设备中的条件)下所释放的低得多。
该机理导致了最高的消化水平，甚至是以0.1％至50％的范围进料之废物的生物可降解性差的脂肪亦被降解并最终转化为沼气产物，并且实践中在经消化的排放物中残留极少或没有游离脂肪，经测量为50mg/kg至250mg/kg干物质，主要源自微生物细胞脂肪。气体产生速率(每天产生的沼气体积/消化器容积)为1.0或更高，这比现有模式的两倍还多。
所述厌氧消化***中的固体基于进料中的水分为7％干重至40％干重不等，优选约15％干重至40％干重。
排出物的稠度通常是稠而黑褐色的浆料，总固体范围为9％至40％，并且其可根据进料的水分而变化，并且若进料水分高度变化的废物可为5％至60％。排出物中的相对粒径为低于0.2cm，并且在进料大纤维和骨头而不进行粉碎的情况下可出现更长颗粒。较高水平的生物降解是由于较少水分的厌氧消化增加了废物的滞留时间，从而实现生物反应物的较高浓度以及废物的完全消化。由于在机理中基本去除所进料废物中的挥发性固体，并且其中许多聚合材料(例如纤维素成分)也被微生物活性分解时，所以测量到了生物质废物更高程度的降解。
实施例
厨余垃圾的厌氧消化
本方法在350升容量的厌氧消化器中进行，并且每天进料由以下组成厨余垃圾：每天不同比率的蔬菜皮、鱼处理废物(fish dressing wastes)、腐烂的水果、含大米的经烹饪食物、蔬菜、鸡肉、甜点、发霉的面包和饼干、蛋黄、蛋壳、果皮、脂肪、鸡骨头，以及花园的草和叶子，并且一起称重为约500gm至1500gm。
一天的进料组成如下，其中总湿重为503.66gm，并且干固体为116.94gm(总固体含量23.22％)。
消化器初始加载15kg水含量为55％的牛粪以及15kg来自厨余垃圾沼气设备(常规的少固体类型)的水含量为96％的排出物，并且在添加新鲜的家庭厨余垃圾之前使其在25℃至30℃的大气温度下维持15天。所包含的值是连续运行该***四个月后，并通过进料厨余垃圾且维持在22℃至30℃的大气温度条件下建立稳定性能之后得到的。来自***的平均沼气产量为高于400升/天，并且沼气的甲烷含量大于75％。经消化的排出物的pH范围为7.9至8.3，约9.7％至20.8％的干固体。当向所述厌氧消化器进料5％至20％水平的总脂时，排出物中的可提取脂肪是60mg/kg干重。
本发明的优点
本发明实现了安全处理家庭的生物可降解废物，利用生物可降解废物，将废物材料转化为稳定的堆肥，利用惰性木质素纤维素废物来稳定地释放营养物质，提高土壤、谷物植物中的水分保留，以及将所述材料应用于提供更好的通气，并且防止土壤压紧，有利于改善农业。本发明避免了如世界范围内常规使用的家用沼气设备所要求的使用额外的水用于厌氧消化。本发明提供了在废物产生源处无成本地进行营养物质回收及其利用。本发明还使得能够容易地处理、运输以及方便地直接使用稳定化的堆肥。本发明可以在土壤改善中有效地利用木质素纤维素废物。本发明还促进了有机材料中储存之碳的产生甲烷的转化，以及甲烷的收集和就地直接用作燃料目的的用途，这省去了储存/运输成本，或避免了有害物质的排放。本发明导致对生物可降解废物进行分散化处理，这可以避免收集、多水平分类、在运输和处理区域中排放有害物质方面的困难，并且减少集中化处理上的公共负担。
本消化器是紧凑型的(大小是现有市售模型的1/3，因此节省了制造成本并且需要的占地(footprint)较小)，没有来自排出物的污染和蚊子繁殖(废物管理的完全解决方案)，沼气包含较高的甲烷(高于75％的甲烷)以及较低的二氧化碳(低于25％)从而导致更高的燃料效率，与10升以上的市售模式排除体积相比约1kg的较小排出体积(容易储存用于特定的堆肥应用)。此外，与现有家庭沼气设备不同的是，本发明的消化器可分解所有生物可降解废物。

Claims (14)

1.改进的厌氧消化器，其用于家庭有机废物以生产稳定化的水分较少的堆肥并得到富甲烷沼气，其包含水平容器，所述容器提供隔热并且末端优选为圆柱形，所述容器内部安装有至少一个具有4至100个均匀分布的径向的或水平的或对角的挡板的轴，并且其与所述容器外侧的手柄或轮子连接以从外面旋转所述轴，所述容器的一端配备有直径为50mm至500mm的口用于引入粗生物质废物，在相反端提供有另外一组直径为50mm至100mm的用于排出稳定化之废物的口，并且在用于排出稳定化之废物的所述口的水平上方具有一个直径为5mm至10mm的受阀控制的气体口，250ml至1000ml体积的小的手动粉碎机与所述消化器容器耦接，所述粉碎机用于捣碎/切碎/碾碎大而硬的固体，其与入口连接。
2.根据权利要求1所述的改进的厌氧消化器，其中所述消化器示意性地由本文提供的图表示，所述消化器包含用于对废物生物质进行厌氧消化的水平制造的密闭容器(1)，其配备有废物生物质进料口或入口(2)、气体释放口(4)以及经堆肥材料的排出口或出口(5)，并且还配备有用于借助手柄(3.1)来混合内部材料的设备，所述手柄(3.1)使用诸如轴承或衬套的机械固定装置安装在具有适当构造的轴上，在所述轴上，径向地或水平地或对角地或以对内部材料进行有效搅拌的任何其他模式布置有挡板(3)或类似固定装置，以促使颗粒、微生物、酶、水分运动，并且释放气体，促进材料流缓慢地向排出口流动，所述消化器的所述进料口(2)还配备有旋转手柄(2.1)以利于捣碎/切碎/碾碎有机废物，并且在粉碎后通过(2b)引入进料，或不经粉碎通过(2a)直接引入进料。
3.根据权利要求1至2所述的改进的厌氧消化器，其中在所述容器内部具有带挡板的所述轴(3)的所述消化器的相反两端上安装有所述入口(2)和出口(5)，所述轴用于搅拌所述消化器内的废物材料。
4.根据权利要求1至3所述的改进的厌氧消化器，其中与入口(2)连接的所述手柄(2.1)用于将进料的材料切割成较小的尺寸，并且旋转所述手柄(3.1)以混合所述进料的材料，并使其缓慢移动通过所述消化器，在所述消化器中混合的微生物群作用于腐败中的生物质，使得进料的废物生物质进行水解、分解、酸化、乙酸化以及生物产甲烷。
5.根据权利要求1至4所述的改进的厌氧消化器，其中所述消化器和/或粉碎机由能够与对生物质废物进行厌氧处理相容的材料制成，其中所述材料为钢、纤维增强的聚合物、塑料、混凝土或其组合。
6.根据权利要求1所述的改进的厌氧消化器，其中所述***中产生的沼气主要包含＞75％的甲烷和＜25％的二氧化碳，并且气体产生速率(每天产生的气体体积/消化器容积)是1.0或以上。
7.根据权利要求1所述的改进的厌氧消化器，其中所述厌氧消化***中产生的废物固体基于进料中的水分为7％干重至40％干重不等，优选约15％干重至40％干重，并且排出物体积为约1kg/天。
8.一种改进的厌氧消化方法，其使用权利要求1中所述的厌氧消化器，所述方法包括以下步骤：
向所述厌氧消化器中进料生物可降解废物；
最优在嗜中温至嗜热的温度条件下进行厌氧消化和厌氧生物产甲烷的工艺，以产生沼气并排出废物固体。
9.根据权利要求7所述的改进的厌氧消化方法，其中最优在对所述水平容器(1)进行适当绝热来控制的温度范围为＜20℃至＞55℃的嗜中温至嗜热温度条件下进行所述厌氧消化和厌氧生物产甲烷的工艺。
10.根据权利要求8所述的改进的厌氧消化方法，其中用选自以下的微生物进行厌氧消化和厌氧生物产甲烷的工艺：真细菌、古细菌、酵母菌、原生动物、真菌和放线菌，并且涉及的常见生物有：变形杆菌属(Proteussp.)、沙门氏菌属(Salmonella sp.)、气杆菌属(Aerobacter sp.)、大肠杆菌(Escherichia coli)、枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、芽孢杆菌属(Bacillussp.)、微球菌属(Micrococcus)、共养杆菌属(Sytrophobacter)、共养单胞菌属(Syntrophomonas)、拟杆菌属(Bacteroides)、纤线菌属(Leptonema)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、梭菌属(Clostridium sp.)、Lacteriodes、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、消化球菌属(Peptococcus)、乳杆菌属(Lactobacillus)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、产甲烷球菌属(Methanococcus)、甲烷杆菌属(Methanobacillus)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷丝菌属(Methanothrix sp.)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)。
11.根据权利要求8所述的改进的厌氧消化方法，其中在水分尽可能少的条件下进行生物降解，并且不需要用电来产生沼气。
12.根据权利要求8所述的改进的厌氧消化方法，其中在6.8至9的近中性pH条件下自动进行所述方法，无需通过额外添加酸或碱来缓冲。
13.根据权利要求1所述的改进的厌氧消化器，其中废物选自由以下组成的家庭废物材料：不同比率的蔬菜皮、鱼处理废物、腐烂的水果、含大米的经烹饪食物、蔬菜、鸡肉、甜点、发霉的面包和饼干、蛋黄、蛋壳、果皮、脂肪、鸡骨头，以及花园的草和叶子。
14.一种用于家庭有机废物的改进的厌氧消化器，其如本文参照说明书附图所述。
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