專利名稱：：生物廢物處理的制作方法生物廢物處理本發明涉及與生物廢物(例如污水污泥和動物廢物)的處理相關的產物和過程。污水污泥是城市廢水處理過程中沉淀出來的物質，所述城市廢水一般包含生活污水和工業來源的廢水。動物廢物一般是由農場或牧場上的動物飼養活動(AF0)產生的，人們在所述農場或牧場的受限制區域看守和飼養這些動物。AFO在小的土地面積上群集了動物、飼料、糞肥和尿，以及生產活動。把飼料喂給動物而不是動物在牧場、原野中或在草原上放牧。常見類型的AF0包括牛奶場、養牛場、養禽場和養豬場。與AFO相關的污染降低水的質量，威脅飲用水源，而且可能損害大氣質量。然而，如果適當地加以處理和利用，來自動物祠養活動的糞肥可以成為有價值的資源。生物廢物作為肥料和土壤調理劑的來源被廣泛地應用于農業生產。為了使這些廢物適合于這種用途，必須首先對它們進行處理，不僅是為了降低其病原體含量而且為了通過降低其有機質含量而使這些物質穩定。用于這種處理的最常見的方法是中溫厭氧消化法，常常縮寫為MAD。傳統上，所述MAD法通常分兩個階段進行，即，在35。C下持續12至24天的初始消化階段，然后是為期14天的貯藏。初始消化將一部分有機質含量轉化為甲烷。貯藏導致病原體含量的降低。常常將消化過的生物廢物脫水以產生一種餅，目的是降低儲存和運輸的成本。傳統MAD法的缺點包括這一事實，即，該方法很緩慢而且其病原體較少能力非常有限。以前，本申請人公開過在消化之前用于減少病原體的污泥保溫處理(UK0126963.811/09/2001)，該處理提供了改進的病原體減少能力并消除了對貯存階段的需要。然而，該改進方法的總處理時間仍然相當長。此外，不管采用的消化法如何，所有的消化污泥都顯示支持病原體(例如大腸桿菌(Escherichiacoli))再生長以及產生惡臭氣味(如果它們經受強烈的剪切場，例如在采用離心機的脫水過程中會經歷的情況)的趨勢。另外，廢水中的磷酸鹽含量會引起問題。在歐洲，城市廢物水處理方針(UWWTD,91/271/EEC)制定了關于排污的最低標準。這些法規適用于所述排放，不管是內陸地表水、地下水、河口還是或近海水域。這些標準主要基于BOD、SS、N和P，而要符合的水平取決于被服務的人群的大小以及承受水體是被分類為正常、敏感、還是不太敏感。雖然已經有用于從廢水脫除BOD、SS和N的公認方法，但是目前的用于脫除P的方案還不大令人滿意。在大多數情況下，操作者依賴于為了該用途而使用鐵鹽。使用鐵鹽有許多嚴重的缺點，包括供應短缺，殘余鐵對水生環境的有害作用，以及由于鐵的使用而導致的污泥生成的實質增加，這將需要處置。由該過程產生的磷酸鐵不是生物能利用的，因此幾乎沒有農業價值。一種更理想的替代方法是生物磷脫除法(BNR)，這是一種公知的技術，該技術基于積累聚磷酸鹽(poly-P)的生物體在厭氧條件下的活性。Po1y-P積累高度依賴于復合碳源發酵為揮發性脂肪酸(VFA)。一般而言，附加的可溶性有機物質是通過發酵從污水的內部碳源產生的，所述發酵不是污水處理廠的厭氧區域就是在專用的預發酵器中進行。VFA的產生可以是污水中污泥或可沉淀固體的發酵的結果。一般而言，污泥能夠導致VFA濃度的顯著提高，從原生污泥獲得的結果優于從混合污泥獲得的結果。大多數實際尺寸的預發酵器是以原生污泥為進料的。這些預發酵器被稱為"側流預發酵器"。原生污泥是初級澄清池的濃縮底流而且有時也被稱為原污泥。所謂的"在線預發酵器"以原污水為進料而不是以原生污泥為進料。在線預發酵器的一個實例是活性初級罐(APT)。APT通過讓污泥層在初級澄清池中形成來產生VFA。然后在該污泥層中發生發酵和VFA生成。將污泥循環回入口，該循環過程被認為是用活性發酵生物體接種進來的固體，淘析污泥層中形成的VFA。用于BNR的這些已知VFA生成系統釆用未濃縮的污泥在環境溫度下操作。這類系統的缺點包括其大的體積和低的VFA生產速率。從其獲得的污泥部分在不經過進一步處理(例如通過消化或堆肥)的情況下也不適合于農業循環。此外，來自這些來源的VFA總是污染有高含量的在發酵過程中從污泥釋放的P。VFA中P的存在使它們在BNR應用中不是那么有效。所有這些因素，連同在許多歐洲國家(例如UK)中所見的正常淡污水，意味著不可能實現令人滿意的BNR,特別是關于P脫除。外部碳源往往是實現一致的工廠性能的唯一可行方法，所述外部碳源可以是VFA,但也可以是甲醇、乙醇或者具有高可溶性COD濃度的廢水，例如來自食品加工廠。本發明的一個目的是消除或減輕上述缺點。于是，本發明的第一個方面提供了一種處理生物廢物的方法，該方法包括如下步驟(l)在中溫范圍內的溫度下，將病原體減少階段中在厭氧條件下的生物廢物發酵一段預定的時間，和(2)隨后分離固相和液相以產生發酵餅和發酵液。本發明的第二個方面提供了按干基計含有至少15%固體的生物廢物來源的發酵餅，它含有超過500毫克/升氨、超過l，OOO毫克/升總揮發性脂肪酸(tVFA)和低于100,000cfu/克干固體的大腸桿菌。更優選地，所述發酵餅具有按干基計至少20%固體，特別是在20%-45%范圍內。優選地，所述餅含有超過1000毫克/升氨、更優選地1500至3500毫克/升。所述餅的tVFA含量優選是至少3000毫克/升，更優選是5000-25000毫克/升，大腸桿菌以低于10，000cfu/克干固體，更優選低于1000的量存在。本發明的笫三個方面提供了生物廢物來源的發酵液，它含有超過10，000毫克/升COD、超過500毫克/升氨、超過1，000毫克/升tVFA和低于5，000毫克/升的懸浮固體。發酵液優選含有至少20,000毫克/升COD,優選地在20，000至40,000范圍內。所述發酵液優選地含有至少1500毫克/升的氨、理想的是在1500-3500毫克/升范圍內，而且具有的tVFA含量為至少3000毫克/升，優選地在5000-25000毫克/升的范圍內。該液體中的懸浮固體優選地低于3000毫克/升。能理解的是，本發明的第二方面和第三方面的發酵餅和發酵液優選地是由本發明的第一方面的方法產生的。所述病原體減少階段(步驟(i))包括實質上原始的生物廢物的發酵，所述實質上原始的生物廢物就是說，沒有向該廢物添加和/或與該廢物混合接種物(例如部分消化的污泥)來接種它。此外，在傳統的中溫厭氧消化中，將所述廢物保持在中溫內并且用部分消化的污泥接種超過12天的時間。與此相反，就本發明來說，通過機械手段立即分離所述發酵廢物的固體部分和液體部分以產生發酵餅和發酵液。能理解的是，術語"生物廢物"一般是指由涉及生物降解性原料的工業操作產生的廢物物流，而且可能含有有害的病原體。這類廢物包括，例如污水污泥、農場空地淤泥、屠宰場廢物以及來自其它工業過程的廢物。此外，該術語"生物廢物"用于指這樣的廢物，它具有較高的有機質含量而且不排除已經有某種程度預處理的可能性。因此，術語"生物廢物"應當廣義地解釋為是指具有高的有機質含量的廢物物流。通常，這將是總化學需氧量(C0D)大于約10，000毫克/升的廢物，盡管在實際應用中所關注的物質可能具有在30,000至100，000毫克/升的范圍的COD以及在5，000至50，000毫克/升的范圍內的BOD(5天)(所述BOD表明進料的生物降解性)。原始的廢物物流可能具有1至40%固體而剩余物為水。所述固體大概部分呈可溶形式，部分呈懸浮形式。優選地，所述固體含量應當在3至15%的范圍內。廢物物流的固體含量可采用任何便利的方式加以調節。例如，可以在所述病原體減少階段之前、期間或甚至之后用廢水稀釋所述廢物物流。已經發現，稀釋可以改進總揮發性脂肪酸的回收。所述廢物物流應當優選地是有很少或者沒有顯著病原體含量的廢物物流。所述中溫范圍被理解為從約25。C至約46。C。在本發明中，優選的操作溫度范圍在32。C和42。C之間。已經發現，適當的發酵時間是從約1天至約6天。在本發明中，優選的發酵時間在2天和5天之間。因此，通過實施本發明的方法大大縮短了制備適用作有價值資源的發酵餅和發酵液所需的時間。適合于本發明的固液分離方法包括所有已知的脫水方法例如離心、壓帶機和壓濾機。這些方法常常需要預處理，例如采用混凝劑和/或pH調節，因此，本發明的方法可以包括一個預處理步驟。該方法產生一種固體含量為20%至40%干重的餅以及一種懸浮固體含量一般低于5，000毫克/升的液體。本發明的方法可以間歇方式操作或者連續操作。優選地，該方法以連續方式操作，采用串聯的許多反應器，目的是避免病原體側流(bypass)。更優選地，從反應器取出少部分的發酵廢物，并且將空氣或氧氣引入該發酵廢物。將該發酵廢物中存在的VFA氧化為二氧化碳，所述二氧化碳產生熱，而熱可用于加熱病原體較少期中的生物廢物，由此提高本發明方法的效率。更優選地，提供串聯的至少3個容器，特別是6個，其中從一個或一個以上容器取出少部分的發酵廢物并將其用于加熱其它容器中的一個或一個以上容器。由所述發酵廢物產生的熱可以用熱交換器移出并循環回所述容器中的一個或一個以上。然后，可以將所述熱被移出的氧化發酵廢物與來自所述容器之一(優選是串聯中的最后一個)的廢物合并并且送入壓濾機。或者，可以每隔一定時間將氧氣或空氣加入所述容器之一(優選第一個容器)，以產生熱。在發酵過程期間，一些細菌菌種釋放酶來將大分子例如脂質、蛋白質和碳水化合物分解成較小的分子，然后其它細菌能利用所述小分子，最終導致氨、乙酸和二氧化碳的形成。已經發現，發酵條件是這樣的，危險的病原體例如大腸桿菌(fsc/er/c力/acoh')和沙門氏菌(i^^o/2e//a)不能幸存而是被消滅。此外，只要發酵的培養基沒有被稀釋，即使使發酵產物經受高剪切速率(例如在離心過程中)，發酵產物也不顯示支持病原體再生長或產生惡臭味的傾向。應當注意的是，盡管所述發酵產物沒有產生惡臭味的傾向，它們確實含有發酵過程中形成的有氣味的殘留化學品例如硫醇化合物。在所述產物被作為肥料循環回土地之前，一般應當將這類化合物從發酵餅中脫除，目的是避免有氣味的妨害。用于處理餅氣味的適當方法包括與氧化劑例如過氧化物或亞氯酸鹽反應。或者，通過簡單暴露于空氣達2天以上的時間，就可以經由自然堆肥過程脫除所述氣味。本發明還提供了用于從所述發酵污泥液產生甲烷氣體的方法。用于本發明的發酵液的適當厭氧消化法包括所有已知的厭氧消化法，例如，在懸浮生長或固定膜系統兩者中的中溫厭氧消化和嗜溫厭氧消化。對于本發明來說，固定膜系統例如上流厭氧污泥床(UASB)反應器是優選的選擇，這是由于其非常短的水力保留時間要求。雖然本發明提供了適合用作肥料或土壤結構改良劑的發酵餅以及適合于產生甲烷的發酵液，但是能理解的是，這類產物的其它用途是可能的。例如，所述發酵餅可以在蠕蟲飼養中喂養蚯封l或者通過堆肥或干燥得到進一步處理以改進貯存和輸送。此外，發酵液可以用作用于其它有用產物例如可生物降解塑料的發酵的原料。在所有情況下，就發酵液和發酵餅兩者而言，分別超過1，500毫克/升和3，000毫克/升的氨和tVFA水平是優選的。所述餅優選地具有按干基計至少20%固體和低于10,000cfu/克干固體的大腸桿菌。所述發酵液優選地具有超過20，000毫克/升COD和低于3，000毫克/升的懸浮固體。在本發明的一個優選實施方案中，所述方法進一步包括在分離固相和液相之前沉淀發酵的生物廢物中所含的正磷酸鹽的步驟。這提供了具有高VFA濃度和低磷酸鹽濃度的液體。于是，本發明的第四個方面提供了生產揮發性脂肪酸含量高且磷酸鹽污染程度低的液體的方法，該方法包括如下步驟(l)在中溫范圍內的溫度下，將厭氧條件下的生物廢物發酵一段預定的時間；(2)沉淀出所述生物廢物中所含的正磷酸鹽；和(3)隨后分離固相和液相。正磷酸鹽是可溶性磷酸鹽形式的磷。采用鹽或金屬氧化物的任何適當沉淀方法都可以用于引起正磷酸鹽的沉淀，但是優選釆用鎂鹽(例如氯化鎂或氧化鎂)以實現鳥糞石形成。優選地，所述生物廢物是含有大于4%固體、理想地至少5%固體的濃縮污水污泥。本發明第四方面的方法產生VFA，其具有超過5000毫克/升總VFA和低于50毫克/升磷酸鹽污染物，更優選地超過7500亳克/升總VFA和低于15毫克/升P污染物。現將僅通過實施例描述本發明的具體實施方案。實施例1.用原污水污泥裝滿容量為1升的瓶。給瓶蓋上蓋后，讓其在35。C的溫度下在病原體減少步驟中發酵4天。在實驗室規模離心機中使發酵污泥的樣品脫水而產生發酵餅和發酵液的樣品。實驗結果歸納于下表1:表1<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>實施例2.在32。C的發酵溫度下重復實施例1中的實驗兩次。在第一次重復中使樣品發酵2天而第二次重復中使其發酵4天。實驗結果歸納于下表2:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>實施例3.在臺式UASB厭氧反應器中處理得自實施例1的發酵液(總計0.75升)以產生曱烷。實驗結果歸納于下表3:表3<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>實施例4.在42。C的溫度下以連續方式操作具有串聯的6個罐的實際尺寸的厭氧發酵器。該發酵器具有150米V天的生產能力，平均水力保留時間為4天。實際尺寸的離心機使所述發酵器的出料脫水。實驗結果歸納于下表4:表4<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>實施例5.采用豬淤漿作為進料重復實施例1中的實驗。實驗結果歸納于下表5:表5<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>實施例6重復實施例1中的實驗。在病原體減少步驟之后，在樣品于實驗室規模離心機中脫水產生發酵餅和發酵液之前，用自得實施例3的0.5升消化液(即，厭氧消化產生曱烷之后具有最低的生物降解物含量)稀釋所述發酵的污泥。在發酵液中回收的總揮發性脂肪酸(tVFA)比從實施例1獲得的高22%。實施例7從按實施例4中所述方式操作的實際尺寸厭氧發酵罐中取出發酵的污泥樣品(2L)。將該樣品分成子樣品a和b。在使兩個樣品脫水之前向子樣品b添加MgO粉末。下表6顯示了液體樣品的分析。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>從該表可見，在分離樣品之前采用MgO沉淀P大大降低了液體樣品中的正磷酸鹽含量，由此提供了可用于BNR用途例如用于從廢水脫P的液體。如下實施例8-10顯示了所述發酵廢物中存在的VFA如何能被氧化成二氧化碳以產生可用于病原體較少階段的熱。實施例8參見附圖中的圖l,顯示了本發明處理生物廢物的又一個方法的工藝流程圖。該工藝由串聯的3個發酵容器(標記為EH1、EH2和EH3)組成。每個容器的容積為400米3，操作溫度為35。C。在操作中，將污泥進料物流(物流l)引入第一容器(EH1)。然后將所述進料物流串聯通過容器EH2和EH3。使來自容器EH3的發酵污泥分成兩路，其中50%的流量流向壓濾機(P)以產生發酵餅物流(物流3)和發酵液物流(物流4)。把來自容器EH3的發酵污泥的其余部分送往容積為800米3的好氧反應器(ATAD)，還給所述反應器提供了氧氣物流(物流2)。ATAD反應器中的生物活性將所述發酵廢物中存在的VFA氧化為二氧化碳和熱。ATAD反應器中的熱使所述污泥的溫度升高至55°C。將氧化污泥物流循環至第一容器(EH1)，該物流在此處與污泥進料物流(物流1)混合。下表7顯示了對每一物流的有關參數的分析。發現了，氧化污泥物流的熱含量能夠在沒有任何外部熱量輸入的情況下保持所述三個發酵容器的操作溫度(35X:)。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>實施例9參見圖2，顯示了實施例8的方法的一個變體的工藝流程圖。該工藝同樣由串聯的3個發酵容器(標記為EH1、EH2和EH3)組成。每個容器的容積為200米3而且操作溫度為35'C。在操作中，將污泥進料物流(物流l)引入第一容器(EH1)。然后，將所述進料物流串聯通過容器EH2和EH3。把來自容器EH3的一少部分的發酵污泥取出并將其送入容積為50米3的好氧反應器(ATAD)，還給該反應器提供了氧氣物流(物流2)。所述ATAD反應器中的生物活性將所述發酵廢物中存在的VFA氧化成二氧化碳和熱。ATAD反應器中的熱通過熱交換器(HEX)移出并循環至第一發酵容器EH1。使減去了過剩熱量的氧化污泥物流與來自發酵容器EH3的剩余污泥合并并且被送往壓濾機(P)以產生發酵餅物流(物流3)和發酵液物流(物流4)。下表8顯示了對每一物流的有關參數的分析。發現了，氧化污泥物流的熱含量能夠在沒有任何外部熱量輸入的情況下保持所述三個發酵容器的操作溫度(35X:)。表8<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>實施例10參見圖3，顯示了用于處理生物廢物的以前方法的另一種變體的工藝流程圖。該工藝由串聯的3個發酵容器(標記為EH1、EH2和EH3)組成。每個容器的容積為200米3而且操作溫度為35"C。在操作中，將污泥進料物流(物流l)引入第一發酵容器(EH1)。然后，將所述進料物流串聯通過容器EH2和EH3。為第一容器EH1提供了氧氣物流(物流2)，時間為每天至多12小時。第一容器(EH1)中的生物活性將所述發酵廢物中存在的VFA氧化成二氧化碳和熱。第一容器(EH1)中產生的熱量將其內容物保持在35'C。于是，所述第一容器EH1在一部分時間充當發酵器，一部分時間充當好氧反應器。把來自發酵容器EH3的發酵污泥送往壓濾機(P)以提供發酵餅物流(物流3)和發酵液物流(物流4)。下表9顯示對每一物流的有關參數的分析。發現了，VFA在第一容器EH1中的氧化所產生的熱量能夠在沒有任何外部熱量輸入的情況<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>權利要求1.處理生物廢物的方法，該方法包括如下步驟(i)在中溫范圍內的溫度下，在病原體減少階段中在厭氧條件下將生物廢物發酵一段預定的時間，和(ii)隨后分離固相和液相以產生發酵餅和發酵液。2.如權利要求1中請求保護的處理生物廢物的方法，其中對實質上原始的、未接種的廢物進行所述發酵步驟。3.如權利要求1或權利要求2中請求保護的處理生物廢物的方法，其中在發酵之前所述廢物的固體含量在3至15%的范圍內。4.如權利要求l、2或3中請求保護的處理生物廢物的方法，其中用于發酵階段的溫度在25'C至46。C的范圍內。5.如權利要求4中請求保護的處理生物廢物的方法，其中用于發酵階段的溫度在32'C至42'C的范圍內。6.如權利要求1至5任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，其中所述發酵時間為從約1天至約6天。7.如權利要求6中請求保護的處理生物廢物的方法，其中所述發酵時間在2天和約5天之間。8.如前述權利要求任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，其中使用串聯的許多反應器以連續方式操作所述發酵步驟。9.如前述權利要求任一項中請求保護的方法，進一步包括在所述病原體減少階段期間去除少部分所述發酵廢物，將空氣/氧氣加入被去除的廢物以及將從中產生的熱導向正在經歷發酵的廢物。10.如權利要求1至8任一項中請求保護的方法，其中在所述發酵步驟期間每隔一段時間將氧氣或空氣加到所述生物廢物中以產生熱。11.如權利要求9中請求保護的處理生物廢物的方法，進一步包括將所述移除了熱的被氧化的發酵廢物與其它發酵廢物結合，用于后繼的分離。12.如前述權利要求任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，其中分離固相和液相的方法選自由離心、壓帶才幾和壓濾才幾組成的組。13.如前述權利要求任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，進一步包括在所述固液分離之前預處理所述發酵的生物廢物的步驟。14.如前述權利要求任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，進一步包括在所述病原體減少階段之前、期間或之后用廢水稀釋所述生物廢物的步驟。15.如前述權利要求任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，進一步包括用厭氧消化法消化所述被分離的發酵液的步驟。16，如前述權利要求任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，進一步包括在分離固相和液相之前使所述發酵的生物廢物中所含的任何正磷酸鹽沉淀的步驟。17.如權利要求16中請求保護的處理生物廢物的方法，其中將鎂鹽加到所述發酵的廢物中以沉淀出所述正磷酸鹽。18.如權利要求16中請求保護的處理生物廢物的方法，其中將氧化鎂加到所述發酵的廢物中以沉淀出所述正磷酸鹽。19.如權利要求16至18任一項中請求保護的處理生物廢物的方法，其中所述發酵液的VFA超過5000毫克總VFA/升，而且磷酸鹽污染低于50毫克/升。20.通過權利要求1至14任一項的方法產生的發酵餅。21.權利要求20中請求保護的發酵餅作為土壤肥料的用途。22.通過權利要求1至19任一項的方法產生的發酵液。23.權利要求22中請求保護的發酵液用于產生甲烷氣體的用途。24.按千基計含有至少15%固體的生物廢物來源的發酵餅，它含有超過500毫克/升的氨、超過1，000毫克/升的總揮發性脂肪酸(tVFA)和低于100，000cfu/克干固體的大腸桿菌。25.如權利要求24中請求保護的發酵餅，其中該發酵餅具有按干基計至少20%固體，含有超過1000毫克/升的氨，具有至少3000毫克/升的tVFA含量，而且大腸桿菌以低于10，000cfu/克干固體的量存在。26.生物廢物來源的發酵液，它含有超過10，000毫克/升的COD，超過500毫克/升的氨，超過1，000毫克/升的tVFA以及低于5，000毫克/升的懸浮固體。27.如權利要求26中請求保護的發酵液，其中所述發酵液含有至少20，000毫克/升的C0D、至少1500毫克/升的氨，具有至少3000毫克/升的tVFA含量而且具有低于3000毫克/升的懸浮固體含量。28.生產揮發性脂肪酸含量高且磷酸鹽污染程度低的液體的方法，該方法包括如下步驟(1)在中溫范圍內的溫度下，在厭氧條件下將生物廢物發酵一段預定的時間；(2)沉淀出所述生物廢物中所含的正磷酸鹽；和(3)隨后分離固相和液相。全文摘要處理生物廢物的方法，該方法包括如下步驟(1)在中溫范圍內的溫度下，將病原體減少階段中在厭氧條件下的實質上原始的生物廢物發酵一段預定的時間，和(2)隨后分離固相和液相以產生發酵餅和發酵液。所述發酵餅具有按干基計至少15％固體并含有超過500毫克/升氨、超過1,000毫克/升總揮發性脂肪酸(tVFA)和低于100,000cfu/克干固體的大腸桿菌。所述發酵液含有超過10,000毫克/升COD、超過500毫克/升氨、超過1,000毫克/升tVFA和低于5,000毫克/升的懸浮固體。文檔編號A61K33/02GK101233085SQ200680028115公開日2008年7月30日申請日期2006年7月4日優先權日2005年7月5日發明者S·李申請人:聯合公用事業公開公司