用于生产沼气的方法与流程

1.本文涉及通过向工艺中添加液体沼渣来生产沼气的方法。


背景技术：

2.当生产沼气时，可能使用数种不同的基质，比如屠宰场废物、家庭收集的食物废物、和工业废料。瑞典的国家目标是从家庭收集食物废物并且以生物方法处理该材料以利用营养物和作为沼气的能量。实际上，这意味着食物废物必须厌氧消化以产生沼气，并且沼渣用作生物肥料以使氮和磷回归农地。因此，沼气生产工艺闭合了这些营养物的生物循环。
3.与主要来自家庭的食物或有机废物相关的一个问题是其可能还含有不同类型的杂质，比如塑料、金属、玻璃和织物。这些杂质(包括用于收集和容纳有机废物的塑料袋或容器)必须在废弃物能被消化前除去。这通过废物的预处理来进行，通常以几个步骤来进行，之后获得所谓的浆料，其形成用于消化工艺的基础材料。在容器或袋子中的食物或有机废物通常具有约30％-35％的干物质含量(即65％-70％是水)。在处理有机废物后，浆料通常具有约8％-19.9％的干物质含量(即约80.1％-92％是水)，这意味着不同类型的流体/液体已经被加入废物中。添加流体以获得液体浆料从而得到能被容易地泵送通过系统的浆料，因为如果不添加液体，粘度将不合理地高，这使得用于巴氏灭菌步骤和随后的消化室的泵送和热交换困难。此外，不添加液体，杂质的分离困难，不能同时除去有机物质。按照惯例，由水(主要是淡水/自来水)和不同类型的稀释的液体，如例如来自乳品工业的洗涤水、乳、或其他此类流体组成的稀释流体被用于该过程。
4.然而，将稀释液体混合入食物废物增加了生物肥料的量，但不增加营养物(比如磷和氮)的实际量。这意味着在该过程中发生营养物的浓度的损失。生物肥料由封闭的卡车运输给农民，并且稀释因此导致在水和运输方面增加成本，并且当然给环境造成负担。而且，在消化室中的停留时间(即材料在该室中的时间)缩短并且这导致浆料被消化的时间减少。因此，需要减少对环境的影响、增加在消化室中的停留时间、并且增加生物肥料中营养物的浓度。
5.在预处理中还存在其他施用，比如基质的混合，这要求液体(比如水或其他液体)。为了消化产品，比如酒糟、脂肪、牧草青贮、饲料或其他有机物，可能需要用液体稀释以便获得可泵送的浆料。稀释液体的粘度越低，需要的液体越少。不赞成添加许多水，因为它会稀释生物肥料并且缩短在消化器中的水力停留时间。
6.此外，在一些情况下，需要从基质如被处理的食物废物(浆料)或其他可泵送废物中除去粗砂和砂砾(重的惰性颗粒)。从基质中除去惰性颗粒的最常用的方法是使用水力旋流器，其放大重颗粒的重力，重颗粒随后能与有机废物分离。该方法的主要缺点是旋流器需要水来工作。这既费用大又由于稀释而对于生物肥料的品质不利。此外，它缩短了基质在即将来临的消化器中的停留时间。


技术实现要素：

7.本披露内容的目的是提供用于生产沼气和生物肥料的改进的方法、以及用于稀释在沼气的生产中使用的基质材料的添加剂。
8.本发明是由所附独立权利要求限定的。在所附从属权利要求以及以下描述和附图中阐述了实施方案。
9.根据第一方面，提供了在厌氧消化室中由未处理的有机基质生产沼气的方法，其中所述未处理的有机基质具有在20％至90％总固体范围内的干物质含量，其中该方法包括以下步骤：
10.预处理该未处理的有机基质，以便形成具有在8％至19.9％总固体范围内的干物质含量的浆料，
11.将所述浆料投入消化室；
12.在该消化室中消化所述浆料以产生沼气和沼渣，其中在所述预处理步骤中，使用稀释流体和来自所述消化室的液体沼渣的混合物来稀释该未处理的有机基质。
13.″
未处理的有机基质
″
表示从源头送来的材料，该有机材料可以包括不同类型的废物，通常来自家庭的食物废物、来自工业的食物废物、来自商店的食物废物、屠宰场废物或其他类型的工业产生的有机废物材料，比如饲料和青贮饲料。有机基质还可以是用于生产沼气的不同类型的农作物。
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稀释流体
″
表示用于沼气生产的常规稀释流体，如淡水、来自乳品工业的洗涤流体等。
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液体沼渣
″
表示取自消化室并且被带回入预处理步骤的材料。
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沼气
″
表示在缺乏氧气的条件下由有机基质的消化产生的气体的混合物。沼气因此主要包括甲烷和二氧化碳，并且它们最经常用于燃料或转化成热或电。沼渣是含有有机废物的浆料的消化过程已经实施之后留下的材料。
14.沼渣也被认为是生物肥料，其被带回到农田，取决于在该过程中使用的有机废物的类型。
15.通过使用常规稀释流体和液体沼渣的混合物，生物肥料的量被减少，作为附加的作用，营养物比如氮和磷的浓度增加。这减少运输成本并且提高生物肥料的价值(每体积单位)。通过用液体沼渣代替一些常规稀释流体，在沼气生产过程中的水消耗量能被减少，这也对环境具有积极的影响。除此之外，沼渣的停留时间增加，这增加浆料降解的程度。
16.根据该第一方面，液体沼渣可以是未充气的或充气的液体沼渣。
17.根据该第一方面，液体沼渣可以是充气的沼渣，其中该方法进一步包括在引入预处理步骤之前在充气室中对所述液体沼渣充气，其中用任何一种选自空气、氧气和氮气的气体以在0.1至100m3气体/m3液体h范围内的流量对沼渣充气。
18.根据该第一方面，液体沼渣是充气的沼渣并且其中该方法包括在引入预处理步骤之前在至少1小时的时间段过程中对所述液体沼渣充气。
19.优选地，在该充气室中的停留时间大于1小时、常规地在1至24小时之间。
20.在该充气步骤过程中，充气的液体沼渣的粘度相比于未处理的沼渣是下降的，粘度测量以cp计。
21.通过对液体沼渣充气，已经发现，以[cp]定义的粘度相比于未充气的液体沼渣已经大大降低。这表示，通过在预处理步骤中使用充气的液体沼渣，有机废物以及形成的浆料的粘度能被降低，但不会像仅使用常规稀释液体那样多地降低消化的浆料中的营养物的浓
度。
[0022]
已经进一步发现，通过对液体沼渣充气以形成浆料，能大大减少或消除在预处理步骤中和在随后的储存和巴氏杀菌步骤中的不希望的副作用，比如甲烷、硫化氢或其他有毒或爆炸性的气体的形成。还已经发现，使用充气的液体沼渣对沼气产量完全没有负面作用，即产量不增加也不下降。
[0023]
已经发现，生物肥料的总量的下降可以高达约20％-25％，这表示营养物，比如铵态氮，在消化室内积累，从而导致营养物增加约20％。
[0024]
根据该第一方面的一个实施方案，相比于常规方法，液体沼渣代替稀释流体的至少5％、或稀释流体的至少25％、或稀释流体的至少50％。
[0025]
根据第二方面，提供了一种用于根据第一方面的方法的添加剂，其中所述添加剂包含来自消化室的充气的液体沼渣。
[0026]
该充气的液体沼渣具有的粘度(测量以cp计)低于未处理的液体沼渣。
[0027]
根据第三方面，提供了一种在引入沼气生产设施之前清洁未处理的有机废物基质的方法，其中该清洁在水力旋流器中进行，并且其中所述水力旋流器使用清洁液体，其中所述清洁液体至少部分由来自消化室的液体沼渣组成。
[0028]
根据该第三方面，所述液体沼渣可以是未充气的或充气的液体沼渣。优选地，该液体沼渣是已经在充气室中处理的充气的液体沼渣。
[0029]
所述充气的液体沼渣具有的粘度(测量以cp计)低于未充气的液体沼渣。
附图说明
[0030]
现在将通过举例方式、参照随附示意图来描述本解决方案的实施方案。
[0031]
图1是根据本发明构思的沼气生产工艺的示意图。
[0032]
图2是显示充气的和未充气的沼渣的粘度的图。
[0033]
图3是显示预水解试验的结果的图。
[0034]
图4是显示来自试验的气体组成的结果的图。
[0035]
图5是显示在来自预水解步骤(浆料的储存)的排气中的硫化氢含量的图。
[0036]
图6是显示在连续试验中特定气体产量的图。
[0037]
图7是显示消化室中铵态氮的量的图。
[0038]
图8是显示ph和碱度的图。
[0039]
图9是显示用水和/或充气沼渣作为液体添加剂的水力旋流器的原理的图。
具体实施方式
[0040]
图1示出了该工艺的概况。在常规的沼气生产中，有机废物材料，比如食物废物、工业废物等，被带入预处理罐1，在这里废物材料被预处理并因此与稀释液体如水(淡水)或来自乳品或果汁工业的液体混合。在一个比如位于林雪平城市沼气厂处的设施中，每年使用大约45000-50000公吨液体。在预处理食物废物后，形成浆料，该浆料通常具有12％-19.9％的干物质含量，即浆料材料。该预处理的废物通常被带到预处理中的第二步，其是至少一个巴氏杀菌室1或2或预水解室(用于处理的有机废物-浆料-的储存罐)，其中巴氏杀菌室2减少或杀死病原微生物。在这里，发生某种程度的预水解。在巴氏杀菌步骤之后，
废物浆料材料被带入消化室3，在那里废物浆料材料在厌氧条件下被连续消化以形成称为沼气的气体，即甲烷、二氧化碳等。消化后的残留物被称为沼渣，并且通常具有3％-9％的干含量。沼渣被用作生物肥料并且在封闭的罐中被带给农民，或者被带到处理设施以增加干含量。从如在瑞典林雪平市中的城市沼气厂的设施，每年产生大约80000-120000公吨的生物肥料，该生物肥料通常具有3000-4000mg/l的铵态氮含量。农民正常地想要尽可能高的铵态氮和磷含量。而且，运输给农民的大体积的沼渣关乎高成本。
[0041]
根据本发明的一个实施方案(未显示在附图的流程图中)，一部分液体沼渣从消化室3被带到预处理室1以代替一些在该预处理步骤中常规使用的稀释液体。预处理步骤表示沼气工艺中的一步骤，其中，基质材料，即未消化的不同来源的有机废物材料，在被带到消化室之前被处理。
[0042]
来自消化器室的沼渣正常具有3％-9％的总固体(ts)含量，取决于进入的基质和消化器内材料的降解程度。此外，铵含量根据基质类型变化，但是如果食物废物是主要的基质，那么铵含量典型地在2000至4000mg/l的范围内(表达为铵态氮)。
[0043]
根据本发明方法的替代的实施方案，一部分或全部的沼渣被带到充气室或罐4。在充气室中，提供空气流经沼渣，由此形成液体充气沼渣材料。该液体充气沼渣材料相比于未处理的沼渣具有更低的干含量，正常在基于总固体2％-8％范围内。在图1中显示，从消化室移出的所有液体沼渣被带到反应室并在其中被充气，然而，仅对需要用于在预处理室中稀释的那部分充气已经足够。
[0044]
可进行充气，但不限于用空气、纯氧气、和氧气/氮气的混合物充气。在一个实施方案中，用于反应室中的气体包含在1至100％范围内的o2。正常地，在空气中的21％的o2用作充气气体。在一个实施方案中，反应室中的空气的流量在0.1至100m3气体/m3液体h、更优选地0.2至50m3气体/m3液体h、和甚至更优选地0.5至5m3气体/m3液体h范围内。
[0045]
根据一个实施方案，充气室中的液体沼渣的停留时间在1至500小时、更优选地2至100小时和甚至更优选地12至48小时的范围内。在一个实施方案中，停留时间是至少1小时、或至少2小时。
[0046]
根据该实施方案，充气的液体沼渣材料的粘度相比于未处理的，即没有充气的液体沼渣材料，下降了至少1％、更优选地10％、和甚至更优选地25％。该粘度的下降可能对预处理步骤中产生的浆料是必需的，因为它必须具有某种粘度以便在系统中被投料。
[0047]
根据本发明，大约50％的稀释液体能被液体沼渣材料-未处理的或处理的都可-代替。优选地，使用充气的液体沼渣。代替大约50％的稀释液体导致生物肥料的总量下降大约20％-25％(在瑞典林雪平市中的城市沼气设施中列出的条件下)。这导致铵态氮在沼渣室中以及在生物肥料中的积累，这继而导致铵态氮增加大约20％-25％。因此，水的消耗量以及将生物肥料从现场运输到农田的需要减少了，因此提供相当大的经济节约。这些量和改进全都涉及工厂的特定条件和用于工艺的原材料的特定条件。
[0048]
实验数据
[0049]
已经以数种不同的设置进行了试验。第一试验设置目的在于模拟针对食物废物(食物废物和液体沼渣以及食物废物和充气的液体沼渣-当储存浆料时自然发生预水解(受控的或不受控的))的半连续投料储存罐。在罐中形成微生物培养物，其能进行浆料的预水解。该预水解反应器在55℃的温度下操作。在第二试验设置中，模拟预水解和随后的275天
的连续沼气过程(即消化室)。
[0050]
在这两组试验设置中，使用根据表1的混合物基质。
[0051]
表1.
[0052][0053][0054]
在开始试验之前，分析液体(未处理的)沼渣和充气的液体沼渣(空气；24小时，0.5lo2/lh；温度38℃)的粘度。这些数据显示，相比于未处理的液体沼渣，在充气的液体沼渣中，粘度大大降低。这令人惊奇地证明是充气过程的重要作用，因为用于有机废物材料的预处理的稀释液体、因为形成的浆料需要某种粘度以能够在系统中投料。测定的结果披露在图2中。根据一个实施方案，在充气室中提供的液体沼渣比未处理的沼渣具有显著更低的粘度。在该示例中的剪切速率50(s-1
)下，粘度从41cp下降至14cp，相比于未处理的沼渣下降了66％。
[0055]
预水解反应器试验
[0056]
该试验显示，当再引入液体沼渣代替(单独)使用水作为稀释液体时，铵态氮的浓度增加。这是由于液体沼渣含有大约3000mg铵/l和水0mg/l的事实。由于液体沼渣被连续地再引入消化室，这也将对生物肥料的浓度具有影响。
[0057]
该试验显示，发生了某种气体的生产，其中该气体主要包含二氧化碳和一些氢气，
但是仅含有痕量的甲烷。另一方面，引入未处理的液体沼渣导致出现非常高浓度的硫化氢，由于其对材料、人和沼气工艺的腐蚀性、毒性和抑制作用，这会是成问题的。
[0058]
当使用充气的液体沼渣时，硫化氢浓度或水平非常低，并且在根据常规工艺(即常规稀释流体)处理食物废物的比较试验中也显著更低。因此，通过使用充气的沼渣作为液体来混合和稀释有机废物，存在数种优点。
[0059]
在图3至5中显示了试验结果。
[0060]
对液体沼渣充气导致抑制甲烷气体的生产(这已经披露于文章https：//www.avfallsverige.se/aktuellt/nyhetsarkiv/artikel/luftning-av-biogodsel-for-reducerina-av-vaxthusgasemissioner-etapp-2/中)。
[0061]
对液体沼渣充气导致液体沼渣的粘度大大降低。
[0062]
混合充气的液体沼渣与有机废物，比如食物废物或食物废物浆料，不会导致关于预处理步骤中的甲烷气体、硫化氢、或其他有毒或爆炸性气体(比如氢气)生产的任何副作用。
[0063]
对充气的液体沼渣和未处理的液体沼渣两者的混合在食物废物的预水解过程中使氮浓度从大约200mg/l增加到1000mg/l，这致使生物肥料的量下降，这继而致使运输成本降低、生物肥料价值升高(基于单位体积计算)、水的使用减少、并且用于消化的浆料中的能含量升高。
[0064]
连续试验
[0065]
在连续试验(每天投料一次)中，目的是不仅模拟预水解，而且将形成的浆料投料至连续沼气生产室。该实验经过275天。所有反应器一开始都灌输(inoculated)了来自林雪平市沼气厂(瑞典)的消化器的沼渣。使用的反应器为此目的进行特别的调节，全都描述于nordell等人的专利(专利se 1150954 a1)中。预水解反应器在60℃的温度下操作。消化器在42℃的温度下操作。作为模型工厂，使用瑞典林雪平市的城市沼气生产厂。在该工厂中，占主要量的食物废物用作有机材料，还有一些屠宰场废物和其他少量工业废物部分，比如脂肪、酒糟和酒精。确定停留时间在消化步骤中是35天并且在预水解步骤(储存罐)中是三(3)天，即与预水解试验中大致相同。实验过程中，消化器中的有机物加载速率是4.0-4.5kg vs/m3天。前30天用作启动期，其中两个反应器接收相同的浆料(食物废物、乳、水)。之后，实验开始并且连接到实验反应器的预水解开始以描述于表1中的量接收沼渣。180天后，用充气的沼渣代替沼渣再循环，直到第275天，此时实验结束。当使用未处理的沼渣时，在当天使用来自实验反应器的新鲜沼渣来再循环。对来自实验反应器的沼渣的充气一星期进行一次，用大约1l o2/l h的空气流量，t＝38c并且暴露时间是24h。为了有助于试验，连续将来自预水解的气态相通风并且没有测定气体产量/组成。以这种方式设计该试验，因为焦点是检查对生物肥料和消化室中工艺的稳定性的影响。每天用食物废物、水、乳、沼渣或充气的沼渣投料预水解反应器(参见表1)。并且随后将来自那些的浆料投料到消化器中，一个消化器用由食物废物、水和乳形成的浆料投料；并且另一个反应器用由食物废物、沼渣(或充气的沼渣)、水和乳形成的浆料投料。在图6至8中提供使用未处理的和充气的液体沼渣之间的比较试验。
[0066]
试验证明，再引入未处理的和充气的液体沼渣导致生物肥料中铵态氮含量(以及还有总氮含量)的增加，此外，所有类型的惰性材料、金属和矿物将当然以相同的比率出现
浓度上升。图7显示来自用不同浆料投料的两种消化器的沼渣的铵态氮含量。用由充气的沼渣-混合物生产的浆料投料的反应器比对照具有稳定更高的铵态氮含量。此外，在稳态条件下(3个停留时间，或从沼渣的再循环开始约105天，因此135天)，铵态氮的增加是800mg/l。实验的其余部分显示稳定增加的铵值，相比于对照反应器，在实验反应器中平均增加850mg/l。这对应于相对于对照反应器中的铵态氮大约28％的增加(图7)。对沼气的生产没有负面影响，即产量没有增加也没有减少。
[0067]
此外，用充气的沼渣(或沼渣)代替水导致相比于对照反应器中的7.8更高的ph，8.0(图8)。这是由铵离子的量增加造成的，其促使ph上升并且潜在地对沼气工艺加压。然而，在两个反应器中，挥发性脂肪酸浓度在整个试验过程中低或低于检测极限(数据未显示)。此外，增加量的铵和碳酸盐导致更高的缓冲能力，这在沼气工艺中是令人期望的(图8)。
[0068]
在水力旋流器中使用添加剂代替水
[0069]
在一些情况下，需要从基质比如被处理的食物废物(浆料)或另外的可泵送废物或材料中除去粗砂、砂砾、玻璃等和重的惰性颗粒。进行该操作的最常用的方法是使用水力旋流器，其放大重颗粒的重力，重颗粒随后能与有机废物分离。
[0070]
实施例
[0071]
在林雪平市沼气厂(瑞典林雪平市)，旋流器安装在用于已处理的食物废物-浆料-的储存罐的循环中。该浆料在正常情况下具有14％-16％的ts含量。每年大约90000吨浆料将通过该过程。旋流器使用大约10-15l水/min来工作，导致每年消耗5000m3水。因此，由于在该步骤中加入的额外的水，在该工厂处浆料的稀释是5％-6％，以便从有机浆料分离重的惰性颗粒，比如(但不限于)粗砂和砂砾。
[0072]
高的水消耗量既是成本又稀释生物肥料，同时缩短基质在即将来临的消化器中的停留时间。通过替代地使用充气的沼渣(和因此具有低粘度的液体)，水消耗量相对于通常使用的用水的技术可以削减1％-100％。此外，由于在应该分离粗砂的基质流中混入了充气的沼渣，最重要的是避免了气泡和气体形成。由于充气的沼渣缺乏溶解的甲烷并且具有低含量的二氧化碳，这是合适的液体。最后，充气的沼渣具有低粘度，这是能够在旋流器中使用沼渣作为逆流的要求。通过在旋流器中使用充气的沼渣，能避免稀释，因为充气的沼渣含有大量的氮和磷等，这是生物肥料中令人期望的。甚至更肯定地，这削减了在工艺结束时将生物肥料运输给农民所需的运输工具的量。参见图9。