專利名稱：生產生物氣體的方法
生產生物氣體的方法本發明涉及用于生產生物氣體的一種方法及一種發酵器。生物氣體可以通過有機基質的厭氧發酵獲得，該有機基質可來自農業、社區及工 業。該轉化成生物氣體(例如甲烷及二氧化碳)的有機部分在厭氧技術中稱為可分解的 CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf，化學需氧量)。可在厭氧反應器中處理的有機物質有許多種。根據所使用的物質的構成，當進行 此種處理時，在發酵過程中將出現不同的化學及物理特性。一方面，由所使用的基質中的重 物質(Schwerstoff)可能導致沉降層的形成，另一方面，由懸浮物質以及含油基質可能導 致這些物質在表面的富集。由這些性質，負責厭氧分解的菌株通常很難與該有機物質接觸。另外，高有機分解池處理負荷(Raumbelastimg)常常會導致在發酵器中形成泡 沫，由此明顯限制該有機分解池處理負荷。在厭氧發酵中可界定出三種微生物的最佳溫度嗜寒性(4-15°C )、嗜溫性 (20-400C )及嗜熱性(45-70°C )，基本上由負責厭氧發酵的微生物的相對生長速率區別最 佳溫度。在厭氧技術中，嗜溫性操作模式通常較嗜熱性模式更常出現。其原因為該方法消 耗的能量較少且穩定性較高。在許多關于嗜熱性操作模式的研究中可測得較高的生化反應 速率、較高的微生物生長速率及較短的水力停留時間(hydraulische Verweilzeit)。但與之相對，在較高的溫度下將出現對止氧劑(例如有機酸、氨及硫化氫)較高的 敏感度，此外，維持較高的溫度需要更多的能量。現已研發出用于具有低CSB濃度(<25克O2/升新鮮基質)的基質的反應器 系統，例如 UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket,上流式厭氧泥床)、EGSB (Expanded Granular Sludge Blanket，膨脹顆粒泥床)、IC (Internal Circulation，內部循環)，然而 其并不適合帶有高顆粒含量和高油及高脂肪部分的高CSB濃度基質流。對于具有高顆粒含量、高CSB濃度及高干燥物質的原料，也可以使用“完全攪 拌槽反應器(CSTR，completely stirred tank reactor) ” 或者栓流槽反應器(PFTR， plug-flow-tank reactor，干式發酵系統)，其與上述的發酵器系統相比必須以較低的有機 分解池處理負荷操作，以保證對于復合構成的基質具有最理想的厭氧分解。然而，由于可能 的低有機分解池處理負荷及基質的高濃度，考慮生物技術上及機械方面，這些系統中的方 法工藝在規模上受到限制。在EP1065268中描述帶有攪拌器的發酵槽。在許多厭氧反應器中會部分出現未混合區域、發酵器中的死水區 (Stromungstotraume)、短路流(Kurzschlussstr0mung)及浮動層(Schwimmdecke)。其
結果為，現有的發酵器體積常常未被充分利用，而未發酵的基質幾乎末被分解就離開該發 酵器。再者，常常需要花費很多工作才能破壞浮動層及沉積層。還已知一種反應器系統，其中將氣體或者也將液體從發酵器的不同部位取出，并 將其轉移至反應器的其它部分(例如反應器的頭部)以實現更好的混合。然而，內容物(例 如蛋白質、脂肪)可能形成大量泡沫，尤其是在分解池處理負荷較高(> 6千克CSB/立方米*天)時，這使得這些系統也無法保證對不希望有的泡沫形成的控制。根據GB521036或者EP0057152設想將發酵液體噴灑在噴淋床(Rieselbett)或者 噴淋床上的發酵液體上，接著再導引其遍及噴淋床。根據DE10318298例如將發酵液體從外部直接泵入發酵器中的發酵液體中，或者 將發酵液體從側向噴射至表面上，而在CN1600749中描述，將發酵液體環形噴射進發酵槽 中。為了避免在表面上形成泡沫，也使用表面較小的發酵器(例如蛋形發酵器)，其主 要在處理來自厭氧廢水處理的污泥的厭氧處理中使用。在農業厭氧技術中大量使用薄膜覆 蓋的發酵器系統。由于很大的直徑，攪拌組件很難放置在最佳位置上。再者，在該機械混合 裝置可能的保養或者維修中必須清空發酵器，因此該方法無法繼續操作，使得這類系統無 法在持續累積殘余物質的工業應用中使用。令人驚訝地，現在已發現一種用于生產生物氣體的方法，在該方法中，能夠在高濃 度及高有機分解池處理負荷下連續轉換富含固體的有機基質，其可應用于小的和大的操作 容積，在其中能夠抑制泡沫形成，尤其是能夠成功應用于富含油或者脂肪的有機基質。在一方面中，本發明提供一種用于從有機基質發酵生產生物氣體的方法一種在發酵制造生物氣體中用于抑制泡沫形成的方法，或者一種在發酵制造生物氣體中用于改善有機基質中的油及脂肪的轉換的方法，其特 征在于，在容器中，以軸向安裝在容器中的攪拌器例如持續或者非持續地攪拌包含水、有機 基質及微生物的發酵混合物，且來自例如容器的下半部分(例如來自容器的下三分之一) 的發酵混合物經外部導管導入帶有若干噴射噴嘴的環形管線中，并且被噴灑遍及(例如持 續地或者斷續地)該容器中該發酵混合物的表面。該被噴灑遍及表面的發酵混合物優選地來自進行發酵的容器，但也可從其它發酵 器導入。優選地，該發酵混合物來自發酵器的下半部分，特別優選地來自例如進行發酵的容 器的下三分之一。在
圖1中示意性地顯示了發酵器(1)，該發酵器包括入口裝置(2)(其具有入口 (2a)及入口導管(2b))、出口裝置(3，4)(其具有出口 (3a,4a)及出口導管(3b，4b))、經外 部的管線(5)、泵(6)、具有出口(8)的環形管線(7)、軸流式攪拌器(9)、用于控制發酵混合 物溫度的裝置(10)以及用于取出氣體的裝置(11)。在另一方面中，本發明提供一種用于從有機基質發酵生產生物氣體的容器(1)，該 容器包括軸流式攪拌器(9)(例如包括驅動裝置(9a)，例如發動機)、一個或者若干個用于 裝填該容器(1)的入口裝置(2)(其優選地剛好固定在容器(1)的底部(12)的上方)、一個 或者若干個用于清空該容器(1)及取出發酵殘質的出口裝置(3，4)(例如剛好固定在容器 (1)的底部(12)的上方的出口裝置(3)和另一固定在容器(1)的上方三分之一處的出口裝 置(4))、外部導管(5)(進入該外部導管(5)的入口(5a)優選地位于容器(1)的下半部分， 該外部導管其用于將發酵混合物輸入帶有若干個出口(8)的環形管線(7)，該環形管線(7) 例如設有噴射噴嘴，必要時還設有折流裝置(13)，用于噴射該發酵混合物的表面(14))、用 于取出所制造的生物氣體的裝置(11)以及用于控制該發酵混合物的溫度的設備(10)。在根據本發明的方法中，該有機基質的性質不重要。例如有機基質必要時可以包括來自例如收集的廢物的經擠壓的有機廢物、食品加工業的殘余物質和/或者其它工業有 機殘余物。根據本發明，有機基質的分解以發酵方式發生，即在微生物——例如能夠將有機 物質分解成生物氣體(例如甲烷或者CO2)的細菌一的存在下發生。這類細菌優選地為嗜 溫性或者嗜熱性細菌或者其混合物。根據本發明的方法優選地為厭氧方法。根據本發明的方法中的容器為一種發酵器(反應器)，優選地為容器(1)。環形管線(7)包括導管，其在容器中的發酵混合物表面上方按這種方法固定，使 得能夠借助出口(8)處的噴射噴嘴用其它發酵混合物盡可能噴灑容器(1)中的發酵混合物 的整個表面(14)。環形管線(7)優選地大致平行于該發酵混合物的表面(14)延伸。環形管 線(7)的形狀并無規定，然而該環形管線(7)應具有不會阻礙該發酵混合物通過的形狀，例 如圓滑的形狀(例如圓形或者橢圓形)，或者有角的形狀(例如具有六個或者更多個角)。 出口(8)以合適的間距(例如以固定的間距)安裝在環形管線(7)上。噴射噴嘴連接在出 口(8)處。此處所使用的“噴射噴嘴”包括在出口處縮緊的導管(即噴嘴)，亦包括出口處 未縮緊的簡單導管，發酵混合物在壓力下(例如借助泵(6))被擠壓通過該導管。“若干個 噴射噴嘴”包括至少2個噴射噴嘴，優選地為超過2個噴射噴嘴，特別優選的為，有足夠多的 噴射噴嘴，盡可能使該發酵混合物的整個表面(14)均能夠被均勻地噴灑到。例如已證，利 用具有約3000立方米容量的帶有6個固定在六角形環形管線上的噴射噴嘴的發酵器可取 得優越的結果。優選地，噴出物從出口(8)處的噴射噴嘴被導向折流裝置(13)(例如折流板或者 折流盤)，例如用于農業排放液體肥的折流板或者折流盤，發酵混合物由此被噴灑遍及該發 酵混合物的表面(14)。借助折流裝置(13)可將發酵混合物尤其好地分布遍及容器(1)中 的發酵混合物的整個表面(14)上。優選地，發酵混合物沿攪拌裝置(9)的旋轉方向被噴灑 在該發酵混合物的表面(14)上。優選地，出口(8)處的噴射噴嘴及折流裝置(13)設置成 使得該被噴灑的發酵混合物傾斜地沖擊該發酵混合物的表面(14)。出口(8)處的噴射噴嘴 可以可調整地(例如可在所有方向調整)或者固定地安裝在環形管線(7)上。在本發明的 一個實施例中，噴射噴嘴固定地安裝在出口(8)上，在本發明的另一個實施例中，其可調整 地安裝在出口(8)上。容器(1)中的發酵混合物持續或者間斷地被噴灑在該發酵混合物的表面(14)上， 例如當泡沫一形成時，或者持續地，例如在強烈而連續地形成泡沫的情況下和/或者有機 基質含有漂浮在容器(1)中發酵混合物的表面(14)上的含油或者脂肪基質的情況下。在 后一種情況下可通過噴灑較更好并且更快地實現基質的轉換，因為被噴灑的發酵混合物與 表面(14)上的含油或者脂肪基質連續接觸，由此其分解更容易并且被加速。容器(1)包括裝置(10)，借助此裝置可控制發酵混合物的溫度。發酵優選地在介 于嗜溫性及嗜熱性發酵范圍的溫度范圍內進行，例如在30°C至60°C的溫度范圍內(例如 40°C至 50°C )。在本發明的特別優選地實施例中，根據本發明，如下所述進行用于生產生物氣體 的方法，其中參考圖1:該水性有機基質從下方通過接近底部的分配系統(2)供應，以將基質盡可能均勻 地遍及容器的橫剖面引入容器(1)中。若需要時，經外部管線(5)將發酵混合物從容器(1)
5的下三分之一處利用泵(6)引入安裝在該發酵混合物的表面(14)上方的環形管線(7)中， 并且通過出口處的噴射噴嘴(優選地經折流裝置(13))將其噴灑遍及該發酵混合物的表面 (14)，該噴射噴嘴優選地是簡單的導管且出口未緊縮。噴灑的方向為軸流式攪拌器(9)的 旋轉方向。出口(8)處的噴射噴嘴和/或者折流裝置(13)設置成使得該被噴灑的發酵混 合物傾斜地沖擊容器中該發酵混合物的表面(14)，以盡可能地覆蓋反應器中的整個液體表 面。若需要時，附加借助軸流式攪拌器(9)來混合容器(1)中的發酵混合物，例如在強烈傾 向形成泡沫或者該有機基質含有高油或者脂肪含量的情況下。通過軸流式攪拌器(9)的攪 拌可更容易地將可能黏附在生物質(部分分解的有機基質)的氣泡與細菌分開，由此可更 容易地將其輸送至液體表面。取決于該基質(沙子，干燥物質)，大部分已分解的污泥(發酵殘質)通過安裝在 容器(1)的上三分之一處及下方區域的出口裝置(3)和(4)取出。通常沉積物(活性沉積 物、發酵混合物及微生物，其中進行活性的發酵)以高濃度位于容器(1)下三分之一處。特 別地，通過濃縮的沉積物(其通過繞經外部的管線(6)經環形管線(7)被引入容器(1)中 的發酵混合物)在沉降過程中導致增加的活性沉積物聚集并由此導致在容器(1)上部中更 快的基質分解，容器上部中的基質分解被加強。通過將沉積物噴灑在容器(1)中的發酵混合物的表面(14)上，還可額外對可能形 成的泡沫造成機械破壞，其功效可借助出口(8)處的噴射噴嘴增強，該噴射噴嘴優選地傾 斜地沿攪拌方向安裝，必要時與折流裝置(13)聯合，借助該折流裝置可使被噴灑的發酵混 合物特別好地分布遍及容器(1)中的發酵混合物的整個表面(14)。進一步的功效可以這樣 獲得被噴灑的沉積物具有較低的PH值(該pH值通過在容器(1)的下三分之一的水解分 解過程調節)，而低PH值有利于破壞泡沫以及帶有活性生物質的漂浮物的分解。該方法中另一個參數為該工藝溫度，該溫度借助用于控制該發酵混合物的溫度的 裝置(10)調節，特別優選地為40°C -50°c。在本發明提供的容器(1)或者方法中，使用嗜溫性及嗜熱性細菌的最理想的性質 (生長速率，碳水化合物、蛋白質以及脂肪的分解)，由此以及與機械裝置的組合，反應器系 統可在至多為15 [千克CSB/立方米*天]的有機分解池處理負荷下操作。容器(1)優選地為根據圖1所述的容器。根據本發明發酵生產生物氣體時，在用于抑制泡沫形成的方法或者用于改善有機 基質中的油和脂肪的轉換的方法中，優選地使用根據本發明所提供的用于發酵生產生物氣 體的方法，其中優選地使用容器(1)。根據本發明的用于生產生物氣體的方法的優點為其可用于工業。另一優點為該方 法可用于小的和大的發酵混合體積，例如用于1立方米至7000立方米的體積內。另一優 點為可以減少或者阻止泡沫形成。另一優點為該方法可在高氮氣濃度下操作。例如顯示， 根據本發明的用于生產生物氣體的方法可在有機基質中至多為9克TKN(Total Kjeldahl Nitrogen,總凱氏氮/升新鮮基質)的總氮氣濃度下毫無問題地操作。示例連續將每日量為150立方米的有機基質(由來自垃圾收集處的經擠壓的有機垃圾 的混合物、來自食品加工工業的殘余物以及工業有機殘余物和水組成)引入3000立方米的 發酵器(操作容積為2850立方米，其根據圖1設計且含有用于在水性發酵溶液中厭氧分解有機基質的細菌)中。該基質具有17%的干燥基質含量及260克O2/千克的CSB濃度，所 產生的有機分解池處理負荷為14 [千克CSB/立方米*天]。有機基質通過位于底部的分配系統(其高于發酵器底部約一米)被引入。在發酵 器下部生物質濃度較高(沉積物床)，由此新鮮供應的基質遇到高濃度的活性生物質。在反應器的下三分之一處連續地取出一定量的含有較高干燥基質含量的沉積物 (體積為90立方米)，將沉積物經外部導管輸送至發酵器頂部并借助噴射噴嘴通過該發酵 器上方的(在氣體區中)環形管線沿軸流式攪拌器的旋轉方向將其噴灑至發酵混合物上。 由此可以抑制在發酵中形成的泡沫(蛋白質-脂肪化合物)，使漂浮的物質(例如脂肪和 油、纖維物質)與來自該反應器下方的活性生物質接觸。使用軸流式攪拌器進行機械攪拌。 攪拌器的旋轉速度介于0至60轉/分鐘之間。該間斷操作的攪拌器用于改善下方沉積物 層中微生物形成的氣體(甲烷、二氧化碳)的釋放并用于在控制下進行的整個反應器系統 中的干燥基質濃縮。用于取出氣體的裝置(9)位于該發酵器的最高點。發酵殘質(發酵器內容物)在上方三分之一處借助發酵器的出口及出口管(3)取 出，而在下三分之一處借助發酵器的出口及出口管(2)取出。生物氣體的產量為5. 8立方米生物氣體/立方米發酵器體積*天，而生物氣體的 甲烷含量為60%至65%。此方法在40°C -50°C下操作。此方法采用各3000立方米的發酵器系統連續操作并產生優越的結果。
權利要求
一種從有機基質發酵生產生物氣體的方法，其特征在于，在帶有軸向安裝的攪拌器的容器中攪拌包含水、有機基質及微生物的發酵混合物，且所述發酵混合物經外部導管輸入帶有若干個噴射噴嘴的環形管線，并且被噴灑遍及所述容器中的發酵混合物的表面。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述被噴灑的發酵混合物來自所述容器 的下三分之一處。
3.根據權利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述發酵混合物沿攪拌器的旋轉方 向被噴灑在所述容器中所述發酵混合物的表面上。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，被噴灑的所述發酵混合物經 折流裝置被噴灑在所述發酵混合物的表面上。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述噴射噴嘴及所述折流裝 置設置成使得所述被噴灑的發酵混合物傾斜地沖擊所述容器中的發酵混合物的表面。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述發酵在介于中溫發酵范 圍至高溫發酵范圍的溫度范圍內進行。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述發酵在30°C至60°C的溫度范圍內進行。
8.根據權利要求6或者7所述的方法，其特征在于，所述發酵在40°C至50°C的溫度范 圍內進行。
9.一種用于從有機基質發酵生產生物氣體的容器(1)，其包括軸流式攪拌器(9)、一個 或者若干個用于裝填所述容器(1)的入口裝置(2)、一個或者若干個用于清空所述容器(1) 及取出發酵殘質的出口裝置(3，4)、用于將發酵混合物輸入帶有若干個用于噴灑所述發酵 混合物的表面(14)的出口(8)的環形管線(7)的外部導管(5)、用于取出所產生的生物氣 體的裝置(11)以及用于控制所述發酵混合物的溫度的設備(10)。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述出口(8)設有噴射噴嘴，必要時設有 折流裝置(13)。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述出口(8)的噴射噴嘴或者必要時 的折流裝置(13)設置成使得所述被噴灑的發酵混合物傾斜地沖擊所述發酵混合物的表面 (14)。
12.根據權利要求10或者11所述的方法，其特征在于，所述被噴灑的發酵混合物沿所 述軸流式攪拌器(9)的旋轉方向沖擊所述發酵混合物的表面(14)。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的容器，其特征在于，進入所述外部導管(5) 的所述入口(5a)位于所述容器(1)的下半部分。
14.一種在發酵生產生物氣體中抑制泡沫形成的方法，或者一種在發酵生產生物氣體 中改善有機基質中油和脂肪的轉換的方法，其特征在于，在容器中使用軸向安裝的攪拌器 攪拌包含水、有機基質及微生物的發酵混合物，且所述發酵混合物經外部導管輸入帶有若 干個噴射噴嘴的環形管線，且被噴灑遍及所述容器中的所述發酵混合物的表面。全文摘要
本發明提供一種用于從有機基質發酵生產生物氣體的容器(1)，該容器包括軸流式攪拌器(9)、一個或者若干個用于裝填該容器(1)的入口裝置(2)、一個或者若干個用于清空該容器(1)及取出發酵殘質的出口裝置(3，4)、將發酵混合物輸入環形管線(7)的外部導管(5)(該環形管線帶有若干個用于噴灑該發酵混合物的表面(14)的出口(8)，其中該被噴灑的發酵混合物可選擇地來自該容器(1)的下半部)、用于取出所產生的生物氣體的裝置(11)及用于控制該發酵混合物的溫度的設備(10)；一種用于從有機基質發酵生產生物氣體的方法、一種用于在發酵生產生物氣體中抑制泡沫形成的方法及一種用于在發酵生產生物氣體中改善有機基質中油及脂肪的轉換的方法，上述方法可在容器(1)中實施。
文檔編號C12M1/107GK101981174SQ200980112508
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月26日 優先權日2008年3月26日
發明者M·格拉斯姆格, S·克羅姆斯, W·A·H·斯米茨 申請人:恩巴西斯有限責任公司