高效厭氧消化器系統(tǒng)及方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種從有機(jī)材料生成生物氣的厭氧消化器系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括其中含有產(chǎn)酸和水解細(xì)菌培養(yǎng)物的水解反應(yīng)器（就所述培養(yǎng)物而言所述有機(jī)材料是水解底物），其中含有產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物的生物氣制造反應(yīng)器，和其中含有產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器。所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器的操作條件調(diào)整成增加所述系統(tǒng)的消化率和能量轉(zhuǎn)換效率。還公開了使用所述系統(tǒng)的方法。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本PCT申請(qǐng)要求2010年5月14日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/345，029號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用全文納入本文以用于所有目的。專利技術(shù)背景
本專利技術(shù)總體涉及高效厭氧消化器系統(tǒng)及其使用方法。相關(guān)技術(shù)描述生物消化眾所周知是一種污水處理和環(huán)境保護(hù)方法。近期生物消化在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域脫穎而出。生物消化過程中產(chǎn)生的生物氣能用于運(yùn)行電力生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)和出于加熱目的的鍋爐。附圖說明圖1A、1B和IC描述使用單個(gè)反應(yīng)容器的常規(guī)消化器系統(tǒng)。圖1A顯示干式厭氧堆肥(Dranco)過程。Dranco消化器是干式、單級(jí)、高溫厭氧消化系統(tǒng)(Verma, 2002)。進(jìn)料被引入所述消化器頂部并流入在其中螺旋鉆移除厭氧消化液的錐形底部。部分厭氧消化液用于接種來料并加入蒸氣以使溫度增至高溫范圍。剩余厭氧消化液脫水產(chǎn)生廢水和濾餅。所述濾餅包含活性細(xì)菌、一些氨和好氧穩(wěn)定用作堆肥的未消化固體。優(yōu)選分類廢物以維持堆肥質(zhì)量。所述反應(yīng)器內(nèi)沒有混合，除了生物氣相對(duì)底物向下推流移動(dòng)的一些鼓泡。據(jù)報(bào)道 Dranco消化器維持高平均有機(jī)加載率(12-15kg VS/m3/d)以處理城市有機(jī)固體廢物。圖1B顯示運(yùn)行Kompogas工藝的系統(tǒng)。Kompogas消化器是高固體推流設(shè)計(jì)。圓柱形反應(yīng)器水平定向且包含輔 助脫氣和勻化的內(nèi)轉(zhuǎn)子(Lissens等2001 ;Nichols2004)。所述系統(tǒng)預(yù)制成15，000或25，000噸/年(t/y)尺寸。內(nèi)部固體含量必須小心維持在23-28% 以使系統(tǒng)適當(dāng)流動(dòng)。因此，一些工藝用水和厭氧消化液與進(jìn)入的有機(jī)廢物混合，所述有機(jī)廢物還提供接種(Lissens等200)。停留時(shí)間為高溫條件下15-20天。圖1C顯示Valorga系統(tǒng)。Valorga系統(tǒng)是干式、單級(jí)消化器，處理總固體(TS)為 25-30%的推流厭氧消化液(NicholS2004)。與其他推流消化器不同，Valorga設(shè)計(jì)使用加壓生物氣以混合。這消除了對(duì)接種環(huán)的需求。所述垂直圓柱形消化器包含跨三分之二消化器直徑的分區(qū)延伸。這迫使材料在底部進(jìn)入以在離開前環(huán)壁繞流(de Laclos等，1997)。根據(jù) Nichols(2004)，總固體(TS)低于20%的原料在Valorga系統(tǒng)中運(yùn)行不好，因?yàn)樯傲３恋聿⒛Y(jié)生物氣注入口。停留時(shí)間為21天且生物氣產(chǎn)量報(bào)道為220-270m3/t VS(NichoIs2004)。圖2描述順序分批厭氧堆肥(SEBAC)系統(tǒng)，包括2或3批、順序加載的濾床消化器，從而滲濾液能通過噴霧器在消化器間轉(zhuǎn)移(Chynoweth等，1991;Chynoweth 等，1992; Okeefe等，1993; Forster-Carneiro等，2004)。將粗略切碎的城市生活垃圾有機(jī)部分(OFMSW)置于分批式消化器中。來自成熟消化器的滲濾液噴射到新鮮材料上作為接種物，而滲濾液再循環(huán)到成熟堆積物頂部直至甲烷生成穩(wěn)定。然后，消化器轉(zhuǎn)至內(nèi)部再循環(huán)， 直到甲烷生成隨著分批成熟而變慢。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，SEBAC工藝用純食物廢物加載時(shí)啟動(dòng)困難(Forster-Carneiro等，2004)。需要填充劑以防止壓緊和允許滲濾液引流。早期先導(dǎo)研究分別報(bào)道了停留時(shí)間為21和42天時(shí)甲烷產(chǎn)量為160和190m3/t VS (Chynoweth 等，1992)。廢物流包含60%紙和紙板、10%塑料和6%庭園廢物，作者報(bào)道了所述產(chǎn)量代表 80-90%最終產(chǎn)甲烷能力。常規(guī)厭氧相固體(APS)系統(tǒng)分解生物可降解材料以處理廢物、生成生物氣、或兩者都有。現(xiàn)有APS系統(tǒng)的運(yùn)行原理是分階段多相的固體厭氧消化。由于厭氧消化使用混合且高度競(jìng)爭(zhēng)的微生物培養(yǎng)，所述培養(yǎng)能基本降解有機(jī)物中所有生物可降解組分，厭氧消化成為廢物降解和處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。與其他生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)如乙醇發(fā)酵相比，厭氧消化成本更低且更適應(yīng)分布操作的不同尺寸。用于厭氧消化工藝的細(xì)菌和真菌具有有效的酶系統(tǒng)以降解有機(jī)聚合物，如纖維(例如纖維素和半纖維素)、 蛋白和脂肪。多年來，厭氧消化技術(shù)從單一的環(huán)境管理工藝發(fā)展到生成可再生能源的可行工藝。隨著對(duì)再生能源以及減少溫室氣體排放和環(huán)境退化的需求日益增長，厭氧消化獲得了更多的關(guān)注。現(xiàn)有高固體和厭氧消化器的示例是Zhang等的美國專利號(hào)6，342，378和Zhang的美國專利號(hào)7，556，737。這些專利公開了加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校(UC Davis)開發(fā)的厭氧相固體消化器(APS-消化器)。APS-消化器結(jié)合了分批和連續(xù)消化器的特色(Zhang和Z hang, 1999; Zhang, 2002; Hartman, 2004)。所述示范性系統(tǒng)包括5個(gè)反應(yīng)器4個(gè)水解反應(yīng)器和I個(gè)生物氣制造反應(yīng)器。原料加載到各個(gè)水解反應(yīng)器內(nèi)并通過胞外酶和產(chǎn)酸細(xì)菌作用， 使廢物溶解并轉(zhuǎn)變成簡單有機(jī)酸。收集所述酸并轉(zhuǎn)移至生物氣制造反應(yīng)器，在其中它們通過產(chǎn)甲烷細(xì)菌進(jìn)一步還·原成甲烷。多個(gè)水解反應(yīng)器使得各分批水解反應(yīng)起點(diǎn)之間有時(shí)間間隔。盡管有分批加載和操作安排，此時(shí)間間隔有助于相對(duì)恒定的生物氣生產(chǎn)率。各批次完全消化后，移除固體和液體并好氧穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，APS消化器系統(tǒng)能消化稻秸，減少 40-60%的TS且生成400-500m3生物氣/t VS,這與更易降解底物所見的產(chǎn)率相當(dāng)(Zhang和 Zhang, 1999)。其他在APS消化器上測(cè)試的底物包括用后食物廢物、食物加工廢料和畜肥。 餐館食物廢物和綠色垃圾(剪草)的生物氣產(chǎn)量分別為600和440m3/tVS，停留時(shí)間12天且生物氣生產(chǎn)率是3-3. 5m3/m3/d。現(xiàn)有厭氧消化技術(shù)分成2類-處理固體廢物的和處理廢水的。對(duì)于固體和液體材料都需要處理的應(yīng)用如食品加工廠，現(xiàn)有技術(shù)有局限。依然需要提高厭氧消化技術(shù)的性能。現(xiàn)有厭氧消化器需要大量孵育時(shí)間以在可排放流出物前使內(nèi)容物消化和生物穩(wěn)定。另外，需要繼續(xù)在增加產(chǎn)量和降低成本方面提高效率。根據(jù)上述內(nèi)容，有方法和設(shè)備克服已知生物消化器(包括厭氧消化器)的上述和其他缺點(diǎn)是有益的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的多個(gè)方面針對(duì)從有機(jī)材料生成生物氣的厭氧消化器系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括水解反應(yīng)器、生物氣制造反應(yīng)器和生物穩(wěn)定反應(yīng)器，所述水解反應(yīng)器中包含以有機(jī)材料作為水解底物的產(chǎn)酸細(xì)菌和水解細(xì)菌培養(yǎng)物，所述生物氣制造反應(yīng)器中包含產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物，所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器中包含產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物。所述水解反應(yīng)器還包括接受有機(jī)材料的入口，從水解反應(yīng)器排放水解流出物的出口，和從水解反應(yīng)器排放生物氣的氣孔。所述生物氣制造反應(yīng)器還包括接受來自水解反應(yīng)器出口的水解流出物的生物氣制造反應(yīng)器入口，從生物氣制造反應(yīng)器排放生物氣制造流出物的反應(yīng)器出口，和從生物氣制造反應(yīng)器排放生物氣的氣孔。所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器還包括接受來自生物氣制造反應(yīng)器出口的生物氣制造流出物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器入口，從生物穩(wěn)定反應(yīng)器排放生物穩(wěn)定流出物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器出口，和從生物穩(wěn)定反應(yīng)器排放生物氣的氣孔。在多個(gè)實(shí)施方式中，所述生物氣制造反應(yīng)器具有約6. 8-約8. 2的受控內(nèi)部pH。在多個(gè)實(shí)施方式中，所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器具有約6. 8-約8. 2的受控內(nèi)部pH。在多個(gè)實(shí)施方式中，所述生物氣制造反應(yīng)器具有約25°C -約55°C的受控內(nèi)部溫度。在多個(gè)實(shí)施方式中，所本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.05.14 US 61/345,0291.一種從有機(jī)材料生成生物氣的厭氧消化器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括其中含有水解細(xì)菌培養(yǎng)物的水解反應(yīng)器，所述有機(jī)材料就所述培養(yǎng)物而言是水解底物，所述水解反應(yīng)器還包括接受有機(jī)材料的水解入口；從水解反應(yīng)器排放水解流出物的第一水解出口 ；和從水解反應(yīng)器排出生物氣的氣孔；其中含有產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物的生物氣制造反應(yīng)器，所述生物氣制造反應(yīng)器還包括接受來自水解反應(yīng)器出口的水解流出物的生物氣制造反應(yīng)器入口 ；從生物氣制造反應(yīng)器排放生物氣制造流出物的生物氣制造反應(yīng)器出口 ；和從生物氣制造反應(yīng)器排出生物氣的氣孔；和其中含有產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器，所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器還包括接受來自生物氣制造反應(yīng)器出口的生物氣制造流出物的第一生物穩(wěn)定反應(yīng)器入口 ； 從生物穩(wěn)定反應(yīng)器排放生物穩(wěn)定流出物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器出口 ；和從生物穩(wěn)定反應(yīng)器排出生物氣的氣孔。2.一種從有機(jī)材料生成生物氣的厭氧消化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括其中含有細(xì)菌培養(yǎng)物的水解反應(yīng)器，用于從含生物可降解固體的有機(jī)材料生成生物氣，所述水解反應(yīng)器還包括接受有機(jī)材料的水解入口；從水解反應(yīng)器排放水解流出物的水解出口 ；和從水解反應(yīng)器排出生物氣的氣孔；其中含有細(xì)菌培養(yǎng)物的生物氣制造反應(yīng)器，用于從含生物可降解固體的有機(jī)材料生成生物氣，所述生物氣制造反應(yīng)器還包括接受來自水解反應(yīng)器出口的水解流出物的生物氣制造反應(yīng)器入口 ；從生物氣制造反應(yīng)器排放生物氣制造流出物的生物氣制造反應(yīng)器出口 ；和從生物氣制造反應(yīng)器排出生物氣的氣孔；和其中含有細(xì)菌培養(yǎng)物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器，用于從基本不含生物可降解固體的有機(jī)材料生成生物氣，所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器還包括接受來自生物氣制造反應(yīng)器出口的生物氣制造流出物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器入口 ；從生物穩(wěn)定反應(yīng)器排放生物穩(wěn)定流出物的生物穩(wěn)定反應(yīng)器出口 ；和從生物穩(wěn)定反應(yīng)器排出生物氣的氣孔。3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器包括維持產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物的容器，其中所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器出口與所述生物穩(wěn)定反應(yīng)容器垂直表面連通。4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物氣制造反應(yīng)器包括維持產(chǎn)甲烷細(xì)菌培養(yǎng)物的容器，其中所述生物氣制造反應(yīng)器出口與所述生物氣制造反應(yīng)容器垂直表面連通。5.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物氣制造反應(yīng)器具有高于約 30°C的受控內(nèi)部溫度。6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物氣制造反應(yīng)器具有約.25°C-約55°C的受控內(nèi)部溫度。7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物氣制造反應(yīng)器具有約.6. 8-約8. 2的受控內(nèi)部pH。8.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述有機(jī)材料是選自固體、液體和其組合的成員。9.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水解反應(yīng)器還包括產(chǎn)乙酸細(xì)菌培養(yǎng)物。10.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器具有等于或低于所述生物氣制造反應(yīng)器的受控內(nèi)部溫度。11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物穩(wěn)定細(xì)菌培養(yǎng)物基本不含產(chǎn)乙酸細(xì)菌。12.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器具有約.6.8-約8. 2的受控內(nèi)部pH。13.如權(quán)利要求1、2或12中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物氣制造反應(yīng)器配置成加工選自液體、固體和其組合的成員。14.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括所述生物氣制造反應(yīng)器上游的研磨機(jī)，用于機(jī)械減小所述有機(jī)材料中的固體顆粒尺寸。15.如權(quán)利要求1、2或13中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括位于所述生物氣制造反應(yīng)器和所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器之間的固液分離器，所述分離器配置成分離生物氣制造流出物的纖維狀固體組分與液體組分。16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述纖維狀固體組分具有約60%-約70%的含水量。17.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括流動(dòng)地位于所述生物氣制造反應(yīng)器和所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器之間的濾器方式。18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述濾器方式選自研磨機(jī)、網(wǎng)格、濾器、篩、過濾器、狹板和其組合之一。19.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，從所述水解反應(yīng)器排放的生物氣包括氫和二氧化碳，從所述生物氣制造反應(yīng)器排放的生物氣包括甲烷和二氧化碳，從所述生物穩(wěn)定反應(yīng)器排放的生物氣包括甲烷。20.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述有機(jī)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：R·張，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)，
類型：
國別省市：