專利名稱：生物材料的降解方法
技術領域：
本發明涉及一種生物材料的降解方法和一種與此有關的生物氣體裝置及其用途。
生物物質的發酵是一種由來已久就已知的方法。基于各種不同的發展，已經開發出了一步法、兩步法或多步法。除了從液體廢料發酵發展而來的濕法發酵外，干法發酵同樣進行了實際應用。
兩步干法-濕法發酵的原理是由Gosh在1978年首次提出來的。其中將廢料在一個厭氧反應器中滲濾。隨后滲濾水在一個甲烷反應器中發酵為生物氣體。該方法被Rijkens和Hofank(US4400195)在80年代進一步開發用于有機廢料并進行了專利保護。
這一方法兩次轉化到實際應用中，在Ganderkese為ANM方法和在Breda為Prethane-Rudad方法。
Wellinger和Suter同樣在80年代使用固體糞便進行了試驗，而Widmer使用市場廢物和屠宰廢料進行了試驗。在此過程中滲濾器也是以有氧水平下操作的。
根據這種方法(用于殘余廢物)開發的最新設備是在Sansenheck的ISKA滲濾法和BIOPERCOLAT法(DE198 46 336A1)。其中在機械預處理(例如過篩，金屬分離)后的廢物在一個滲濾器中進行水解。滲濾器在此過程中裝有攪拌裝置，使得廢物被連續輸送通過反應器。在2-3天的停留時間后對滲濾物進行脫水并用于進一步的處理或者進行存放。滲濾水在砂凈化和纖維凈化后在一個甲烷反應器中厭氧發酵為生物氣體。如此純化的水直接或在純化(用于脫氮(Entstickung))后用作滲濾水。
本發明基于的任務是在降解生物材料時能夠實現合乎需要地控制生物氣體的產生。
該任務通過一種其特征如主權利要求中所述的降解方法得到解決。有利的實施方案在從屬權利要求中進行表征。
本發明的任務通過一種降解方法獲得解決，其中在一個滲濾器中裝填生物材料，通過篩網分離滲濾液體并再噴灑到生物材料上，過量的滲濾液體加入緩沖容器中，從那里泵入到一個生物氣體反應器中并發酵成生物氣體，其中將純化的滲濾液體作為廢水轉移到一個貯存緩沖容器中并從那里廢水可再轉移到滲濾器中。
因此，根據本發明的是一種降解生物材料的方法，同時可合乎需要地控制生物氣體的生成，其中在一個有氧操作的滲濾器中裝填生物材料，通過篩網分離滲濾液體并再噴灑到生物材料上，過量的滲濾液體送入一個單獨的緩沖容器中，從那里泵入到一個生物氣體反應器中并發酵成生物氣體，其中將純化的滲濾液體作為廢水轉移到一個單獨的貯存緩沖容器中并從那里可再轉移到滲濾器中。
該降解方法具有的優點是，它是以降解生物材料的簡單技術為基礎的。在其過程中能夠實現合乎需要地控制生物氣體的產生并由此相應地調節生物氣體的需要，例如用于發電(Verstromung)或生熱，用在高峰時段或在弱負荷時段。在已知設備情況下生物氣體產生不能或只能在很短期間內進行控制以滿足消耗需求，而使用本發明的降解方法可以快速適應實際需要。
可以視作為生物材料的是所有源自生物體的物質，特別地它可以是生物廢料、夏季剪枝、工業廢料、食物殘渣、住宅廢料、農業廢料、廚房廢料、再生原料和類似物質。
優選地將滲濾液體存放。合乎需要地控制生物氣體的產生通過相應尺寸大小的緩沖容器(最多24h緩沖)對于滲濾液體來說是可行的，因為用于生物氣體產生的反響時間由于所發現的甲烷反應工藝技術操作方式而在小時的數量級范圍。在此期間氣體存放器的功能可以被存放滲濾液體而代替。
在本發明一個優選的實施方案中，通過篩板的穿孔的壁不連續地加載壓縮空氣沖擊。以此方式篩板的堵塞問題得到解決或松動，可以再次保證滲濾液體自由流過篩板。
在滲濾器中優選為常壓。空氣接觸是無害的。空氣可以連續或不連續地獨立于壓縮空氣沖擊而進入滲濾器中。此外可以加熱滲濾器。滲濾器中的溫度應該大約為30℃。有利地，滲濾器進行有氧操作。
整個液體在系統中泵送循環。作為廢水離開生物反應器的滲濾液體優選不連續地排出并裝入新鮮的液體。由此避免了外來物質富集在循環中。
在緩沖容器中和/或在貯存緩沖容器中優選分離沉淀物和/或漂浮物。這一過程可以通過使用各種不同的分離器或高效分離器例如離心機進行。
發酵成為生物氣體的過程優選借助于細菌進行。在此過程中發酵是在來自多種細菌源的細菌基質參與下進行的。生物氣體反應器是可加熱的，特別是可從外部加熱的。由此在生物氣體反應器中可以一直保持恒定的溫度。該溫度或者在大約37℃或者在55℃。
此外，本發明通過一種生物氣體裝置得以解決，該裝置包括至少一個帶有篩板和泵的滲濾器，一個緩沖容器，至少一個生物氣體反應器和至少一個貯存緩沖容器，其中滲濾器在這里根據車房法(Garagenverfahren)在有氧區域中構成。
優選地，生物氣體反應器包括至少兩個并聯的滲濾器。在其過程中滲濾液體通過每個滲濾器一個單獨的泵根據使用原料而連續或不連續地噴灑到生物材料上。因此產生用于每個滲濾器的可以單獨操作的液體循環。可以在各個滲濾器之間進行連接以使生物材料通過一定的細菌種類進行接種。
此外，使用至少兩個滲濾器具有以下的優點任何時間都可以進行加載和卸載固體物質。此外通過模塊構造可以實現與各種物質生成或能量下降相匹配或者可以各自控制在滲濾器中的底物特異的停留時間。由于滲濾器的有氧操作方式，不可能形成甲烷并因此在滲濾器中不可能有爆炸危險的氣氛。
在降解生物材料時生產了酸，因此滲濾器優選是耐酸性的。但是滲濾液體吸收了生成的酸和其他物質并且滲濾液體富含了易發酵的物質。
同樣可以想到的是將強酸性的液體流與滲濾液體一起在生物氣體反應器中處理。例如，在保藏工業中一方面會產生帶有有機負擔的高廢水流，大部分是強酸性的，但另一方面也有固體廢料。通過合乎要求地利用固體廢料可以補償逐年波動的酸性廢水產生，使得在目前少量廢水生成下總是還存在生物氣體的良好產生。
進一步優選地，滲濾器有一個篩板。這是用于進行固/液分離的。分離的滲濾液體匯集在板上或在篩板下面并通過泵連續或不連續地循環噴灑到生物材料上。過量的滲濾液體在相應加料位下泵入到緩沖容器中并從那里泵入生物氣體反應器中。
滲濾器中的溫度應該為大約30℃，因此滲濾器優選是可加熱的。
根據本發明優選的是，發酵成為生物氣體的過程借助于加入和/或固定的細菌進行。
生物氣體反應器基本上是氣密性的并根據廢水技術中常規的反應器原理(UASB[升流式厭氧污泥床]，淤漿床，固定床反應器)操作。
固定床生物氣體反應器可以作為活塞流反應器(過濾器)進行操作，使得在滲濾器中的停留時間和在生物氣體反應器中的停留時間都可以被確定。
生物氣體由甲烷(CH4)[50-85體積％]，二氧化碳(CO2)[15-50體積％]以及氧氣，氮氣和微量氣體(尤其是硫化氫)組成。利用本發明的降解方法，可以產生具有65-80體積％的高甲烷含量的生物氣體。尤其可以直接用于加熱目的或者借助于塊式熱電廠用于聯合發電和產熱。氣體的產生通過有機物質的厭氧發酵進行。
為了提高生物氣體產率，經常使用輔助發酵酶(例如再生原料或來自食品業的廢料)。發酵的有機物質可以接著在農業上用作為高價值的肥料。
在發酵過程后純化的滲濾水作為廢水離開甲烷反應器并在貯存緩沖容器中進行中間存放，并可以從那里送回到滲濾器中。
為了在生物氣體反應器中一直可以保持恒定的溫度，生物氣體反應器優選是可加熱的。在此過程中溫度或者在大約37℃或者在大約55℃。
在本發明的一個優選實施方案中，貯存緩沖容器是可通風的。這樣的優點是，來自生物氣體反應器的細菌被殺死，使得利用甲烷細菌接種水解作用和由此生物氣體的產生變得在滲濾器中是不可能的。
為了能夠避免各種不同的物質在廢水中的堆積，一部分循環水被排出并裝入新鮮水。
此外，本發明的任務通過生物氣體裝置用于制備生物氣體和貯存滲濾液體的用途獲得解決。
通過與空氣混合，生物氣體容易形成爆炸性混合物，因此其制備和存放需要特別的安全措施。
這樣的爆炸危險可以通過本發明的方法大大避免掉，因為滲濾器是以有氧操作方式為基礎的和因此抑制了甲烷的形成。此外，不需要對生物氣體進行存放，因為僅僅存放滲濾液體。
下面借助于附圖進一步描述本發明。具體地，
圖1表示本發明生物氣體裝置的示意圖。
圖1表示用于合乎需要地制備生物氣體的生物氣體裝置1的示意圖。
滲濾器2以車房法進行構造，即它是一種帶有耐酸襯里的容器或其他空間。它是這樣構成的，即它可以利用常規技術(例如使用齒輪裝料機)進行裝載和卸料。此外，底板和/或壁配備有篩板3，使得在該處可以進行固/液分離。為了避免堵塞或為了松動材料，可以通過該穿孔的壁不連續地加載壓縮空氣沖擊。在其他情況下，滲濾器2在環境壓力下操作，空氣接觸是無害的并且也可以獨立于壓縮空氣沖擊而連續或不連續地進行。滲濾液體匯集在板上或在篩板3下面并通過每個滲濾器2各一個泵4連續或不連續地循環噴灑到生物材料上。滲濾液體將生成的酸和其他物質溶解在固定床上。因此滲濾液體中富含有易發酵的物質。
過量的滲濾液體在相應加料位下泵入到緩沖容器5中。固體物質和/或漂浮物質任選地事先在沉淀器8中分離。從那里滲濾液體用泵40氣密性地泵入生物氣體反應器6中。這一過程是根據廢水技術中常規的反應原理(UASB-，淤漿床-，固定床反應器)操作的。在生物氣體反應器6中滲濾液體很快發酵成為生物氣體。如此純化的滲濾液體作為廢水離開生物氣體反應器6并在貯存緩沖容器7中進行中間存放，之后根據需要返回到滲濾器2中，并在那里使液面升高。由此液體一直進行循環。為了避免各種不同的物質在液體中堆積，一部分循環液體被不連續地排出并裝入新鮮液體(水)。
緩沖容器5和貯存緩沖容器7除了貯存作用外同樣用作被不連續地取出的沉淀物質或懸浮物質的沉淀器。另外，存在著通過使用高效沉淀器(例如離心機)從單個緩沖容器5和/或貯存緩沖容器7中分離其他不希望的物質的可能性。
貯存緩沖容器7在需要時同樣可以通風，以便有利于在貯存緩沖容器7中進一步的生物降解或不希望的物質如氨的分離。通過對貯存緩沖容器7的通風，此外基本上殺死了從生物反應器排出的細菌，使得利用甲烷細菌接種水解作用和因此生物氣體的產生變得在滲濾器2中是不可能的。
生物氣體設備1根據本發明特別地這樣運行，使得有氧的滲濾循環和厭氧的生物氣體生產循環嚴格地相互分離。由此確保了在滲濾器2的區域中和/或貯存緩沖容器7的區域中不存在與安全性有關量的游離生物氣體(甲烷)。這導致了整個設備的操作安全性得到改善。
附圖標記列表1生物氣體設備2滲濾器3篩板4泵5緩沖容器6生物反應器
7貯存緩沖容器8沉淀器40泵A廢水B生物材料F新鮮水L空氣
權利要求
1.生物材料的降解方法，其中在一個滲濾器(2)中裝填生物材料，通過篩網分離滲濾液體并再噴灑到生物材料上，過量的滲濾液體送入一個緩沖容器(5)中，從那里泵入到一個生物氣體反應器(6)中并發酵成生物氣體，其中將純化的滲濾液體作為廢水轉移到一個貯存緩沖容器(7)中并在此將廢水從那里可再轉移到滲濾器(2)中。
2.根據權利要求1的降解方法，其特征在于貯存滲濾液體。
3.根據權利要求1或2的降解方法，其特征在于通過篩板(3)的穿孔壁不連續地加載壓縮空氣沖擊。
4.根據權利要求1-3任一項的降解方法，其特征在于在滲濾器(2)中為常壓。
5.根據權利要求1-4任一項的降解方法，其特征在于有氧操作滲濾器(2)。
6.根據權利要求1-5任一項的降解方法，其特征在于不連續地排出一部分廢水并裝入新鮮液體。
7.根據權利要求1-6任一項的降解方法，其特征在于在緩沖容器(5)中和/或在貯存緩沖容器(7)中分離沉淀物和/或漂浮物。
8.根據權利要求1-7任一項的降解方法，其特征在于發酵成為生物氣體的過程是借助于加入和/或固定的細菌進行的。
9.用于根據上述權利要求任一項的方法的生物氣體裝置(1)，包括至少一個帶有篩板(3)和泵(4)的滲濾器(2)，一個緩沖容器(5)，至少一個生物氣體反應器(6)和至少一個貯存緩沖容器(7)。
10.根據權利要求9的生物氣體裝置(1)，其特征在于它包括至少兩個并聯的滲濾器(2)。
11.根據權利要求9或10的生物氣體裝置(1)，其特征在于滲濾器(2)是耐酸性的。
12.根據權利要求9-11任一項的生物氣體裝置(1)，其特征在于滲濾器(2)是可加熱的。
13.根據權利要求9-12任一項的生物氣體裝置(1)，其特征在于生物氣體反應器(6)是氣密性的。
14.根據權利要求9-13任一項的生物氣體裝置(1)，其特征在于生物氣體反應器(6)是可加熱的。
15.根據權利要求9-14任一項的生物氣體裝置(1)，其特征在于貯存緩沖容器(7)是可通風的。
16.根據權利要求9-15任一項的生物氣體裝置用于制備生物氣體和貯存滲濾液體的用途。
全文摘要
本發明涉及生物材料的降解方法，其中在一個滲濾器中裝填生物材料，通過篩網分離滲濾液體并再噴灑到生物材料上，過量的滲濾液體泵入一個緩沖器中，從那里加入到一個生物氣體反應器中并發酵成生物氣體，其中將純化的滲濾液體作為廢水轉移到貯存緩沖器中并從那里可再轉移到滲濾器中。
文檔編號C05F17/00GK101094735SQ200580042903
公開日2007年12月26日 申請日期2005年11月3日 優先權日2004年11月3日
發明者G·布施, M·塞伯 申請人:科特布斯布蘭登堡工業大學