專利名稱：由可泵送有機材料生產(chǎn)沼氣的發(fā)酵器的制作方法
由可泵送有機材料生產(chǎn)沼氣的發(fā)酵器 本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的由具有低含量有機干物質(zhì)(oTS)的可泵送有機材料 生產(chǎn)沼氣的發(fā)酵器。 由于涉及可再生能源及其生產(chǎn)的討論已經(jīng)越來越成為公眾關(guān)注的中心，因此對產(chǎn) 生沼氣的發(fā)酵器的興趣也日漸增加。已知這樣的發(fā)酵器使用于農(nóng)業(yè)以及市政污水處理廠。 理論上，這些發(fā)酵器是以這樣的方式運行的，將有機材料儲存于封閉的容器中，并且借助微 生物的活性，將包含在該材料中的有機碳化物轉(zhuǎn)變成甲烷氣體，這些氣體被抽出并且用于 產(chǎn)生熱和/或產(chǎn)生電力。這樣獲得的能量基本上是(A中性的，這是因為在燃燒過程中所 釋放的二氧化碳是通過植物光合作用已預(yù)先從大氣中收回的。 接下來，討論將首先聚焦于發(fā)酵過程，為了生產(chǎn)沼氣，該過程發(fā)生于缺氧的情況 下。整個發(fā)酵過程可以分為幾個階段。在第一階段中，碳水化合物通過任選的并且必須的 微生物，將包含在將要發(fā)酵的基質(zhì)中的脂肪和蛋白質(zhì)分解為低分子碳水化合物(CrCs體)。 在該過程中，碳水化合物被接連著分解為丙酸或丁酸或丁醇；通過P氧化反應(yīng)，脂肪酸被 逐漸分解為G單元，其以乙酸放出；并且根據(jù)Stickland反應(yīng)氨基酸被分解為乙酸、氨氣和 C02。 這些中間產(chǎn)物又被分解為產(chǎn)烷生物基質(zhì)乙酸(CH3C00H)、氫氣(H2)、碳 酸(H2C03)、甲酸(HC00H)和甲醇(CH30H)。此夕卜，通過必須的厭氧性的甲烷桿菌 屬(methanobacterium)、甲烷乂V疊5求菌屬(methanosarcina)禾口甲烷螺方定菌屬 (methanospirillum)的產(chǎn)生甲烷的(產(chǎn)烷)細菌，這些產(chǎn)烷基質(zhì)在下面的反應(yīng)中被分解為 甲烷、二氧化碳和水 1)CH3C00—+H+------> CH4+C02 2) HC03—+H++4H2— > CH4+3H20
3) HC00—+H++3H2— > CH4+2H20
4) CH30H+H2------> CH4+H20 在反應(yīng)2)中所提及的HC03是根據(jù)下面的方程通過溶解于水產(chǎn)生的
5) H20+C02------> HC03—+H+。 超過70%的甲烷是通過乙酸的分解，即通過反應(yīng)1產(chǎn)生的。由于沼氣發(fā)酵涉及混
合過程，其中在不同的階段不同的微生物是活性的，為了獲得最高可能的產(chǎn)量，必須考慮所
有微生物的不同要求。然而，決定性因素是產(chǎn)烷細菌活性所需要的條件。由于它們必須的
厭氧特性，這些細菌需要嚴格的缺氧環(huán)境。此外，它們更喜歡略堿性的pH值。 DE 197 564 85公開了用于農(nóng)業(yè)沼氣廠和市政污水處理廠的具有攪拌單元的消化
池。該池包括圓形基底空間、填料口和攪拌單元，該攪拌單元具有驅(qū)動軸并且安裝在該池的
周邊。攪拌單元被裝在安裝于填料口下面的管中。優(yōu)選地，該管為豎直走向。通過壁加熱
來調(diào)節(jié)發(fā)酵池中內(nèi)容物的溫度。通過位于該池相對高位置的填料口將要發(fā)酵的基質(zhì)倒入發(fā)
酵池中。通過位于靠近底部的出口，將位于該池下部區(qū)域中的發(fā)酵材料泵出并儲存于發(fā)酵器中。 可用于這樣的發(fā)酵器中的基質(zhì)必須具有相對高比例的有機干物質(zhì)(oTS)。例如，能量作物，例如谷物或者小麥具有超過60重量％的oTS比例。使用這樣的能量作物，有可能 以相對小的發(fā)酵器體積獲得高的沼氣產(chǎn)量，這是因為通過這些作物可以獲得最大的體積載 荷。 參數(shù)"體積載荷"是發(fā)酵器生物載荷的量度。假定用于每天2-5kg oTS/mM本積載 荷的常規(guī)沼氣廠。每天2kg oTs/m3的體積載荷被認為是輕載荷。每天超過5kg oTs/m3的 體積載荷即為高載荷。 然而，常規(guī)的沼氣發(fā)酵器僅僅適合于具有高oTS比例的基質(zhì)，即來自可再生源 (NaWaRo)，特別是來自能量作物例如谷物、青貯玉米或者甜菜的基質(zhì)。 具有低oTS比例的基質(zhì)，例如，液體肥料、發(fā)酵渣滓、酒糟(來自酒精發(fā)酵，特別是 生物乙醇生產(chǎn)的殘留物)，來自食品加工工業(yè)的污水淤泥或者高度污染的污水不適合專用 于這些發(fā)酵器中。最多，它們適合用作種子基質(zhì)或者用作與能量谷物基質(zhì)的混合物的一部 分(即為了共發(fā)酵)，這是因為每1113消化池可生產(chǎn)沼氣的量是如此之低，以至于其基本上不 可能收回運行該消化池所需的能量(熱能、開動攪拌單元的電力)。 這是因為由于低oTS比例的事實，其不可能以這些基質(zhì)獲得高體積載荷而不冒產(chǎn) 烷生物被大量沖出的危險。 另外，常規(guī)發(fā)酵器長期存在必須濃縮丙酸的問題，丙酸起始于一特定濃度，具有抑 制細菌和抑制真菌的效果。如果在高體積載荷的過程中，揮發(fā)性脂肪酸，例如乙酸的形成比 它們通過產(chǎn)烷生物的分解慢，則發(fā)生該問題。在常規(guī)的發(fā)酵器中，它們的濃度通過沖出以及 產(chǎn)烷細菌的復(fù)制持續(xù)降低，這需要10-14天，與花費0. 5-2小時的成酸劑相比以非常慢的速 度發(fā)生。因此，常規(guī)發(fā)酵器體系中的內(nèi)容物酸化的非?？?停止了甲烷生成)并且形成丙 酸。 液體肥料形成了具有相對高pH值的缺氧體系。因此，非常適合提供在沼氣發(fā)酵器 中的產(chǎn)烷生物細菌所要求的環(huán)境。然而，微生物使液體肥料中的有機干物質(zhì)代謝所花的時 間比使能量作物中的有機干物質(zhì)代謝所花的時間長。因此，需要將液體肥料留在消化器中 更長時間。 例如，具有400LUs(家畜單位，1LU相應(yīng)于500kg活體重量)的牧場每天產(chǎn)生約 20m3液體肥料需要處理。這將需要具有50天的儲存期和常規(guī)設(shè)計池容量為1， OOOm3的消 化池。 牛的液體肥料包括約6重量％的平均oTS比例。如果預(yù)期每噸oTS500m3沼氣的 產(chǎn)量，根據(jù)下列方程式 20m3液體肥料*0. 6重量％ = 1. 2噸oTS (方程式1)
1. 2噸oTS*500 = 600m3 (方程式2) 則上述實例將產(chǎn)生600m3/天的沼氣產(chǎn)量。 然而，如果相同尺寸的發(fā)酵器中裝載了能量谷物，則由于較高的oTS比例，有可能 產(chǎn)生較高的體積載荷，這將導(dǎo)致大大提高的反應(yīng)器比沼氣產(chǎn)量。 由于沼氣發(fā)酵器涉及相當大的電力消耗(特別是攪拌單元和加熱體系)，將其用 于專用或主要使用低含量有機干物質(zhì)(oTS)的起始材料，例如液體肥料的常規(guī)沼氣發(fā)酵器 是不劃算的。 然而，在農(nóng)業(yè)中，非常需要對農(nóng)場產(chǎn)生的肥料(動物廢物和排泄物)，特別是液體
5肥料進行生物處理。 在法律上，對于將液體肥料施于農(nóng)地上有非常嚴格的要求。例如，僅僅清潔的液體 肥料可以被施到奶牛牧場上。通過化學(xué)(用NaOH)或者熱工藝進行衛(wèi)生處理，并且在任一 情況下都涉及非常相當大的花費。 當然可以考慮在適溫范圍(> 55°C )操作的沼氣發(fā)酵器中進行這樣的衛(wèi)生處理。 然而，如上所述，常規(guī)的發(fā)酵器不適合用于有效的大規(guī)模處理液體肥料。
另外，在將清潔的以及未處理的液體肥料施用到田地、草地或者牧場的時候，促進 了破壞氣候的氣體的產(chǎn)生。不僅促進了二氧化碳(C02)的產(chǎn)生，而且特別促進了甲烷氣體 (CH》、氨氣(NH3)和一氧化二氮(N20)的產(chǎn)生，它們侵入大氣，從而促進了溫室效應(yīng)。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)酵器以及用于生產(chǎn)沼氣的方法，其可以經(jīng)濟地 發(fā)酵具有低含量有機干物質(zhì)(oTS)的有機材料。 然而，該發(fā)酵器還應(yīng)該能夠以高體積載荷(> 5kg oTS/m3消化池x d)用高度濃縮 的基質(zhì)混合物生產(chǎn)高度有效且穩(wěn)定的甲烷。尤其，由于固定的生物質(zhì)以及活性生物質(zhì)(優(yōu) 選產(chǎn)烷生物)的回收，在混合區(qū)域回收和接種是可能的。 本發(fā)明另一個目的是提供發(fā)酵器以及用于經(jīng)濟地處理和衛(wèi)生處理液體肥料 (Gillle)的方法。 該目的是通過權(quán)利要求1的特征實現(xiàn)的。從屬權(quán)利要求涉及優(yōu)選的技術(shù)方案。應(yīng) 該認為所提到的所有范圍都包括各自的邊界值。 相應(yīng)地，設(shè)計了由具有低含量有機干物質(zhì)(oTS)的可泵送有機材料產(chǎn)生沼氣的發(fā) 酵器，其包括 a)至少一個用于可泵送有機材料的入口， b)至少一個用于可泵送有機材料的固定床反應(yīng)器，其具有至少一個第一部分和一 個第二部分，以及 c)至少一個用于剩余發(fā)酵殘渣的出口。 定義"具有低含量有機干物質(zhì)的有機材料"應(yīng)該主要涉及這樣的材料，這些材料包 括少于50重量％，優(yōu)選少于25重量％，并且特別優(yōu)選少于10重量％的oTS比例。
這樣的材料包括，例如，液體肥料，即由動物廢物、尿、廄肥、飼料剩余物以及飲水 槽水泄漏構(gòu)成的農(nóng)場生產(chǎn)的肥料(它們絕大部分具有少于10重量％的oTS比例)。
例如，相容材料還可以是來自常規(guī)攪拌池沼氣廠的發(fā)酵渣滓，還可以是例如酒糟 (來自酒精發(fā)酵，特別是生物乙醇的殘留物)、來自食品加工工業(yè)的污水淤泥或者高度污染 的污水。上述定義還涉及與來自可再生資源(NaWaR0)的基質(zhì)混合的液體肥料或者發(fā)酵渣 滓。 使用固定床反應(yīng)器具有很多優(yōu)點。例如，由于可以在反應(yīng)器內(nèi)部引導(dǎo)材料流，固定 床反應(yīng)器不需要專門的攪拌單元。這可以與平行排列的腸道相比較，該腸道內(nèi)外覆蓋了腸 絨毛并且提供了大的微生物繁殖表面，導(dǎo)致了根據(jù)不同的工藝階段向上或向下引導(dǎo)的基質(zhì) 流。 另外也可以使用節(jié)能泵，特別是雙活塞泵。默認地，常規(guī)使用的攪拌單元具有約 18kW的耗電量。通過使用雙活塞泵，有可能達到高達90%的節(jié)能量。這大大提高了本發(fā)明 的發(fā)酵器的效率。
通過引導(dǎo)的材料流(強迫流通(Zwangspassage))，尤其是防止了具有攪拌單元的 攪拌器中不可避免的短路流。這些短路流妨礙了對發(fā)酵材料的有效衛(wèi)生處理并且妨礙了理 想的發(fā)酵。后面將對這兩點進行更詳細得討論。 所提供的固定床反應(yīng)器還提供了用于生產(chǎn)甲烷的微生物的繁殖基質(zhì)。以這種方 式，與具有攪拌單元的發(fā)酵器相反，有可能分層形成微生物群落。 這允許甲烷生產(chǎn)的第二代謝途徑以大規(guī)模發(fā)生甚至被優(yōu)化。這樣微生物在小空間
有效地相互影響以至于H+和(A(作為HCO》可以被合成為CHJ反應(yīng)2)。這降低了沼氣中
的C02含量并且分別增加了 CH4含量。這有助于改善質(zhì)量并提高效率。 這是非常重要的，因為沼氣生產(chǎn)所需要的特定細菌和微生物是不能與待發(fā)酵的基
質(zhì)接觸的。在具有攪拌單元的發(fā)酵器中，沒有向微生物提供繁殖基質(zhì)，因此不能獲得這樣的
分層，導(dǎo)致了相當?shù)偷恼託猱a(chǎn)量。 在沼氣合成中，存在區(qū)別，尤其是在由不同的微生物引起的產(chǎn)生乙酸和產(chǎn)生甲烷 的步驟中。在乙酸生產(chǎn)中，低級脂肪酸和羧酸以及低級醇首先通過產(chǎn)乙酸微生物被轉(zhuǎn)化為 乙酸或其溶解鹽，即乙酸鹽。在必須厭氧的甲烷生產(chǎn)過程中，乙酸通過分解乙酸的產(chǎn)烷生物 而被轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，以及氫氣。各種的微生物形成共生，即一個微生物群使用其它 微生物的代謝產(chǎn)物作為反應(yīng)物的基質(zhì)。 特別是代謝途徑2) HC03—+H++4H2— > CH4+3H20在常規(guī)發(fā)酵器中很難進行，這是因 為^離子轉(zhuǎn)移必須發(fā)生在納秒的范圍內(nèi)。這涉及共生微生物的固定以確保所要求的緊密 相鄰。 此外，微生物在固定床反應(yīng)器中較快地適應(yīng)，通過回收活性(產(chǎn)烷)生物質(zhì)，該發(fā) 酵器較快地"開始運行"(由于永久再接種(permanentriickgeimpft wird))。結(jié)果是，微生 物能夠較好較快地分解所述的丙酸，或者甚至不產(chǎn)生丙酸。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選該發(fā)酵器還包括 a)至少一個用于可泵送有機材料的沉淀腔，該腔位于固定床反應(yīng)器的第一部分和 第二部分之間，以及 b)至少一個回收部分，其與沉淀腔相連并且經(jīng)設(shè)計以使得可泵送有機材料的特定 較輕部分(spezifisch leichtere Fraktionen)可以被回收，并且如果需要的話，可以被再 次供給到固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分。 在兩個單獨的工藝部分的情況下，沉淀腔可以位于每一個流口 (Kopfteil)內(nèi)。通 過回收部分的第一裝置，回收可泵送有機材料的特定較輕部分，并可以將其再供給到固定 床反應(yīng)器的上升(第一)部分。 另一方面，這些特定的較輕部分涉及特定的較輕有機部分，例如，可揮發(fā)脂肪酸或 者纖維生物質(zhì)，其中產(chǎn)烷生物和它們產(chǎn)生的氣體被捕獲并且開始上升，這是因為甲烷和二 氧化碳的釋放。在常規(guī)的具有攪拌單元的常規(guī)發(fā)酵器中，這些部分形成漂浮層從而避開了 發(fā)酵過程。如果微生物氣泡不能再從漂浮層溶解，例如如果攪拌單元壞了 ，該漂浮層還可能 涉及在基質(zhì)中形成過壓的危險。 順便提及， 一些揮發(fā)性脂肪酸容易轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，因此被永久排除在發(fā)酵過程之外。
特定的較輕有機部分還包含從固定床反應(yīng)器基質(zhì)溶解的微生物(所謂的"活性生 物質(zhì)"(active Biomasse))，如果沒有回收部分，這些微生物將隨發(fā)酵器的發(fā)酵渣滓一起排
7放。這還涉及在具有攪拌單元的常規(guī)發(fā)酵器中必須補充的連續(xù)的微量營養(yǎng)素損失。這反過 來導(dǎo)致了額外花費以及額外的引入重金屬。因此，在常規(guī)的沼氣發(fā)酵器中，產(chǎn)生沼氣的微生 物的密度被連續(xù)降低，這導(dǎo)致這些發(fā)酵器基本上以不能達到理想沼氣產(chǎn)量的很低的微生物 密度運行。本發(fā)明的回收部分允許回收這些微生物并且再供給到發(fā)酵器中。結(jié)果是，本發(fā) 明的發(fā)酵器具有大大高于常規(guī)發(fā)酵器的微生物密度，并且大大改善了通過活性生物質(zhì)循環(huán) 的微量營養(yǎng)素的供給。 這提供了回收活性生物質(zhì)(在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備中，其與發(fā)酵的材料一起儲存 于發(fā)酵渣滓儲存池中并且留在那里未被利用)并且將其再次供給到發(fā)酵過程的可能性。這 大大增加了常規(guī)發(fā)酵器中的產(chǎn)量。此外，通過將活性生物質(zhì)再次供給到消化池中，在第一個 操作中優(yōu)化處理廠的時間顯著縮短。理論上，需要花一定的時間來優(yōu)化沼氣處理廠的運轉(zhuǎn)。 這是因為首先必須在處理廠中建立穩(wěn)定的微生物群。由于存在回收依然存在于從消化池中 提取的發(fā)酵材料中的微生物的可能性，建立穩(wěn)定的并且高度有效的微生物群的時間被大大 縮短。結(jié)果是，在顯著較短的時間內(nèi)達到了最大的產(chǎn)量。 回收活性生物質(zhì)的可能性涉及另一個優(yōu)點發(fā)酵過程被加速，這是因為有可能在 該消化池中維持顯著較高的活性微生物密度。以這種方式，可以增加發(fā)酵器的流量。這使 得本發(fā)明的發(fā)酵器能夠容許顯著較高的體積載荷。 如果將本發(fā)明的發(fā)酵器與常規(guī)的攪拌槽發(fā)酵器一起使用的話，如果回收的活性生 物質(zhì)被再次供給到攪拌池發(fā)酵器的話(所謂的"R印owering"，參見下文)，也能達到該效 果。 而且，采用本發(fā)明的發(fā)酵器可以免除添加常規(guī)攪拌池發(fā)酵器中所需要的微量營 養(yǎng)，這是由于再次供給的活性生物質(zhì)中含有微量營養(yǎng)。 在常規(guī)的攪拌池發(fā)酵器中，還有必要徹底混合發(fā)酵器中的內(nèi)容物。攪拌過程連續(xù) 破壞了不同微生物的共生，特別是甲烷細菌。這樣，不可能以高生產(chǎn)率水平獲得較長的持久 工藝穩(wěn)定性。在這里，腐爛的基質(zhì)必須作為微生物，同時作為營養(yǎng)基質(zhì)，并且作為共生繁殖 的表面。因此該基質(zhì)必須具有特定的最小結(jié)構(gòu)。然而，在本發(fā)明的發(fā)酵器中，形成了持久培 植的甲烷細菌的非常穩(wěn)定的共生。從而，即使使用容易生物降解的較輕結(jié)構(gòu)化的基質(zhì)，甲烷 化也可以以理想方式發(fā)生。 為了理想的共生，應(yīng)該持久培植產(chǎn)生游離氫的細菌和利用氫的細菌。在本發(fā)明的 發(fā)酵器中，固定床反應(yīng)器的繁殖區(qū)提供了生產(chǎn)甲烷氣體的理想條件。 本發(fā)明發(fā)酵器的剩余區(qū)域提供了用于進行理想的生物過程，特別是沒有受到攪拌 過程破壞的生物過程的理想條件。 為了優(yōu)化發(fā)酵，微生物不僅需要有機酸，而且需要C02。 在有機材料的補充區(qū)，形成了增加量的(A，其以最佳方式流過固定床反應(yīng)器較高 的上升部分。這導(dǎo)致了最優(yōu)的生物穩(wěn)定性。 因此，本發(fā)明的發(fā)酵器中的沼氣被改良，尤其是對于具有低oTS比例的材料。改進 的產(chǎn)量是基于oTS的額外分解，尤其是通過改進在處理廠的生產(chǎn)中乙酸等價物的分解，并 且通過再次利用回收的細菌。這是通過利用代謝行為和/或，如果死了的話，通過使用生物 質(zhì)實現(xiàn)的。 綜上所述，本發(fā)明的發(fā)酵器具有下列附加優(yōu)點
基質(zhì)(特別是液體肥料)的儲存期從50天降低到10天，從而增加了流量。
，計算的熱需要量被降低到20% (實際上，固有的過程熱通常已經(jīng)足夠了，即不需 要外部熱供給)。
與常規(guī)的攪拌池發(fā)酵器相比，發(fā)酵器的容量可以從1， OOOm3降低到200m 這降低 了建設(shè)和投資的成本。 在本發(fā)明發(fā)酵器的一個優(yōu)選技術(shù)方案中，固定床反應(yīng)器的第一部分被設(shè)計為上升 部分，并且固定床的第二部分被設(shè)計為下降部分。 這樣，首次使得以大規(guī)模允許并優(yōu)化甲烷生產(chǎn)的第二代謝途徑成為可能。為了該 目的，使微生物有效地相互影響以至于可以將^和HC03合成為CH4 (參見反應(yīng)2)。結(jié)果是， 沼氣中的C02含量被降低并且CH4含量相應(yīng)地增加。這是為了提高質(zhì)量并且增加效率的目 的。由于細密分散的C02氣泡和它們大的比表面積，因此在上升部分中存在產(chǎn)烷生物能夠 緊密接觸甲烷生成的第二途徑的機會，這被認為很難實現(xiàn)。 然而，本發(fā)明的發(fā)酵器還能夠以高體積載荷(> 5kg oTS/m3消化池x d)用高濃 縮的基質(zhì)混合物生產(chǎn)高度有效且穩(wěn)定的沼氣。這之所以成為可能是由于固定的生物質(zhì)以及 活性生物質(zhì)(優(yōu)選產(chǎn)烷生物)回收用于再供給并且接種于混合區(qū)域。發(fā)酵分離部分與上流 氣體和下流氣體的結(jié)合模擬了小腸和大腸功能，從而將仿生學(xué)原理應(yīng)用到了化學(xué)工程中。
以此類推，上游長期水解，或者混合區(qū)域承擔胃的功能，這引起輸入基質(zhì)有效的酸 化。 另外，為了加強上升部分的反應(yīng)，可以從外源補充(A。后者可以來自于外源，特別 是來自于上游長期水解反應(yīng)器。 此外，優(yōu)選所述固定床反應(yīng)器包括為微生物提供大的繁殖表面的材料。 例如，這涉及具有結(jié)構(gòu)表面和/或內(nèi)表面的材料。這可以包括，例如，具有結(jié)構(gòu)塑
料表面，以及熔巖顆粒、陶瓷顆粒、織物、金屬或者木結(jié)構(gòu)等的材料。 這允許了大的繁殖表面并且，相應(yīng)地，高密度的并且穩(wěn)定的生產(chǎn)沼氣的共生微生 物群。 特別優(yōu)選提供固定床反應(yīng)器，其具有允許形成基本縱向設(shè)置的通道的材料。 術(shù)語"基本縱向設(shè)置的通道"涉及適合將要發(fā)酵的基質(zhì)以一致的流向提供到發(fā)酵
器的上升(第一)部分和/或下降(第二)部分。這在防止短路流方面也是有利的。這將
在接下來進行更詳細的討論。用于該目的的可能材料例如是由陶瓷、粘土、陶器、金屬、木頭
或塑料材料構(gòu)成的豎直設(shè)置的管，或者豎直設(shè)置的桿、板、蜂窩、繩、索或者線。 特別優(yōu)選，如果固定床反應(yīng)器包括為微生物繁殖提供大表面并且允許形成基本縱
向通道的材料。 在這里尤其是考慮使用具有增大表面的塑料管，例如使用于地下結(jié)構(gòu)中的直徑為 50-400mm的已知柔性排水管。它們具有波狀壁結(jié)構(gòu)，這使得微生物有可能繁殖于管的外表 面和內(nèi)表面。 所述管是特別有利的，這是因為它們尤其是在固定床反應(yīng)器的上升部分確保了上 升氣泡(特別是CO》不超過特定的尺寸。在常規(guī)的發(fā)酵器中，由于液體靜壓力降低以及允 許其它的氣泡進入，上升氣泡不成比例地劇烈增加。另一方面，這降低了它們的相對表面。 另一方面，這大大加快了它們的上升速度。由于這兩種情況，上升(A不會再發(fā)生代謝變化，
9并且不再能夠根據(jù)反應(yīng)2)被轉(zhuǎn)換成甲烷氣體。具有管或者相似中空部件的設(shè)備限制了氣 泡尺寸的增加。通過分隔基質(zhì)流，使得上升的(A可以被進一步以平行的方式代謝，并因此 穩(wěn)定了結(jié)構(gòu)。 優(yōu)選，固定床反應(yīng)器的每一上端和下端都具有保持塑料管的裝置，該保持裝置使
管子之間保持盡可能有利的距離，而并不限縮管的流通，或者避免了這樣的限縮。 例如，該保持裝置可以由不銹鋼管部分("套")構(gòu)成，其排列在表面區(qū)域并且與角
撐架焊接、嵌、擰或者鉚在一起。 優(yōu)選，使用了內(nèi)徑為100-300mm的塑料管，這些管相互之間的距離為50-300mm。特 別優(yōu)選內(nèi)徑為200mm并且管子之間的距離為100mm。 將至少一個固定床反應(yīng)器與至少一個上升(第一 )和一個下降(第二 )部分設(shè)置
在一起特別是防止了短路流的形成。這是特別重要的，因為僅僅這樣的強迫流通可以確保
這些材料以最佳的方式發(fā)酵(即礦物化)并且確保發(fā)酵材料完全清潔。 由于法律規(guī)定，后者是含有動物廢棄物或者通過動物廢物生產(chǎn)的材料在施用到特
定的農(nóng)場區(qū)域，例如奶牛牧場之前所必需的。這同樣適用于水保護區(qū)域的應(yīng)用。 本發(fā)明的設(shè)置確保了待發(fā)酵的所有材料通過整個固定床反應(yīng)器。在喜溫范圍(即
在超過55t:的溫度)下，24小時的儲存時間對于充分衛(wèi)生處理是足夠的。 衛(wèi)生處理將嗜溫細菌(致病的，任選致病的和非致病的)，例如大腸菌、沙門氏菌、
普魯氏菌病原體等滅活。沼氣合成所需的微生物始終是喜溫的。結(jié)果是，它們在特定的溫
度下活下來而沒有受到破壞。同時，它們逐步顯示出最大的活性。此外，由于優(yōu)良的繁殖基
質(zhì)，它們?nèi)匀涣粼诎l(fā)酵器中并且沒有與發(fā)酵渣滓一起被沖出來，即它們沒有被施用到奶牛
牧場上。 在特定的條件下，在沼氣合成過程中產(chǎn)生的熱足以調(diào)整發(fā)酵器內(nèi)的喜熱條件，即 不需要提供極大的熱輸入，這反過來導(dǎo)致了相當大的能量節(jié)省。 在特別優(yōu)選的技術(shù)方案中，本發(fā)明的再循環(huán)部分通過溢流堰與沉淀腔相連。該再 循環(huán)部分是以這樣的方式設(shè)計的，即可泵送有機材料的特定輕部分被回收并且可以被再次 供給到固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分。這些特定的較輕部分尤其含有大量的產(chǎn)烷微生 物，否則的話，這些產(chǎn)烷微生物將被沖出發(fā)酵器，從而無法用于發(fā)酵。 所述產(chǎn)烷微生物在固定床的表面上繁殖使該效果得到支持。從而，它們不會被沖 出來。 作為選擇，在"R印owering工藝"的情況中，回收的活性材料還可以被再次供給到 常規(guī)的發(fā)酵器中予以強化。在這里產(chǎn)烷生物的濃度將增加，并且允許增加流量或提高性能。
還可以這樣設(shè)置，即通過周圈鉆孔或者篩渣裝置來使回收部分與沉淀腔相連。然 而，無需創(chuàng)造性步驟，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員即可從該信息導(dǎo)出如何在回收部分和沉淀腔之 間形成上述連接的其它可能性。 另外，可以這樣設(shè)置，即在鉆孔或者篩渣裝置的溢流邊緣提供刮刀。該刮刀防止了 鉆孔或者篩渣裝置被阻塞并避免在溢流邊緣形成漂浮層。在本發(fā)明一些技術(shù)方案中被描述 為"種子淤泥"的回收材料可以被供給到將要發(fā)酵的有機材料并且可以被再次供給到發(fā)酵 器中。 優(yōu)選，為了該目的提供一計量單元，優(yōu)選該單元通過微處理器電動控制。以這種方式，產(chǎn)烷微生物的濃度不斷增加，這反過來證明了對沼氣產(chǎn)量和質(zhì)量是有利的。 理論上，通過設(shè)計回收部分，有可能調(diào)整再次供給到發(fā)酵器的材料和留在回收部
分的材料之間的體積比。例如這可以通過根據(jù)固定床反應(yīng)器的上升部分的上緣具體地選定
設(shè)計的溢流邊緣的高度來實現(xiàn)。還可以通過具體地選擇周圍鉆孔的尺寸和/或密度來實
現(xiàn)。然而，無需創(chuàng)造性步驟，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從該信息推導(dǎo)出如何進行上述體積比調(diào)整
的其它可能性。 優(yōu)選這樣設(shè)置，即再供給到發(fā)酵器的材料與保留在回收部分的材料之間的體積比
在i : 0.9-2 : o. i的范圍內(nèi)。特別優(yōu)選體積比為2 : i。與保留的材料的再接種應(yīng)該相
當大，以確保發(fā)酵沒有問題，并且確保不發(fā)生部分酸化。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很容易以
合適的方法來重現(xiàn)這些工藝(pH計、NIRS、 GC取樣)。 還優(yōu)選，如果需要的話，回收部分由幾個基本垂直的管狀元件構(gòu)成。 此外，優(yōu)選，回收部分位于至少一個固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分和下降(第
二)部分之間。 該實施方案具有大量優(yōu)點。例如，在回收部分仍舊產(chǎn)生的沼氣可以通過收集在固 定床反應(yīng)器部分產(chǎn)生的氣體的相同氣體收集裝置來收集。此外，以這種方式，很容易使回收 裝置的溫度與固定床反應(yīng)器中的溫度相同。這樣，回收部分的位置對于回收特定的較輕部 分也是理想的，這是因為其位于沉淀腔的中心，特別是如果回收部分的上邊緣形成了溢流 邊緣。順便提一下，該裝置還具有生產(chǎn)優(yōu)勢，這將在下面進行詳細地討論。
此外，還有可能，在權(quán)利要求書的保護范圍內(nèi)，回收部分不在至少一個固定床反應(yīng) 器的上升(第一)部分和下降(第二)部分之間，而是，例如位于實際發(fā)酵器的側(cè)面或外邊。
在特別優(yōu)選的實施方案中，附加的回收部分被置于固定床反應(yīng)器的下降(第二 ) 部分后面。以這種方式，所述基質(zhì)和微生物的回收被進一步改善。 優(yōu)選，發(fā)酵器具有一個或兩個豎直排列的圓筒的外部形狀。為此，可以設(shè)置發(fā)酵器
或圓筒由幾段構(gòu)成，這些段可以在制造公司生產(chǎn)并且現(xiàn)場組裝成發(fā)酵器。 例如，可以提供兩個半圓筒部分或者幾個圓筒部分，在現(xiàn)場將它們樹起來并且通
過安裝支架焊接在一起或者擰在一起。理想地，圓筒半部分或者圓筒部分中的一部分已經(jīng)
包括回收部分，其還促進了生產(chǎn)和安裝并且由此降低了成本。 本發(fā)明的發(fā)明人計算出這樣預(yù)制的體積為200-250m3的發(fā)酵器可以在一到兩天內(nèi) 現(xiàn)場建成。這樣，安裝成本(施工時間、裝備、移動式起重機)以及相關(guān)的花費可以被大大 降低。此外，現(xiàn)場的運營活動(例如，在農(nóng)場上)僅僅受到輕微打擾。這也確保了該發(fā)酵器 是根據(jù)標準生產(chǎn)的，從而具有高的質(zhì)量標準。 還可以這樣布置以使得該發(fā)酵器具有至少部分位于固定床反應(yīng)器和/或回收裝 置之上的氣體收集裝置。 例如，該氣體收集裝置可以包括圓頂或者頂棚結(jié)構(gòu)，其下設(shè)有不透氣隔膜。在這樣 的實施方案中可以特別布置以使得氣體收集裝置也具有氣體儲存體系的功能。在這種情況 下，在僅僅形成少量氣體的時候，不透氣隔膜松散地懸掛于消化池之上。然而，形成的氣體 推動隔膜向上并且將其繃緊。然后所產(chǎn)生的氣體可以已知的方式用已知的抽取裝置抽取。
基本上，可以設(shè)置本發(fā)明的發(fā)酵器使其還包括將所產(chǎn)生的沼氣供給到氣體管路網(wǎng) 絡(luò)的裝置。然而，優(yōu)選本發(fā)明的發(fā)酵器被連接到將產(chǎn)生的沼氣轉(zhuǎn)換為電的裝置。
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為了將包含在所產(chǎn)生的氣體中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，例如，在包括氣體發(fā)動機或 雙燃料發(fā)動機的熱電聯(lián)合生產(chǎn)裝置(BHKW)中將沼氣轉(zhuǎn)換為電。為了能夠經(jīng)濟地工作，必須 以約100毫巴的起始壓將要燃燒的氣體供給到氣體發(fā)動機中。在常規(guī)的沼氣處理廠中，需 要單獨的氣體壓吹風(fēng)機來使儲存的氣體達到上述起始壓力。另一方面，該吹風(fēng)機使用了相 當多的能量。然而，這增加了維護需求和購置成本，以及沼氣處理廠的控制工作。
特別優(yōu)選該發(fā)酵器包括液體靜壓氣體儲存系統(tǒng)。 術(shù)語"液體靜壓氣體儲存系統(tǒng)"涉及氣體儲存系統(tǒng)，其中通過供給氣體對抗重力而 置換原有的液體(特別是水)(從而抵抗形成的液體靜壓或水柱)(接下來將對其進行更詳 細的描述)。關(guān)于該實施方案參照附圖。 如果氣體儲存系統(tǒng)的構(gòu)造是當置換該系統(tǒng)中原有的液體時，氣體流入物形成了最 高2， 000mm液柱，那么這就相應(yīng)于200毫巴的液體靜壓。同時，儲存氣體的壓力被保持在相 應(yīng)于該液體靜壓的水平，并且可以供給到BHKW的氣體發(fā)動機而不需使用其自己的氣體加 壓風(fēng)機。為此，產(chǎn)生沼氣的微生物即使在很強的壓力梯度下也能夠持續(xù)生產(chǎn)沼氣是很關(guān)鍵 的。在該文獻中，描述了高達160巴的壓力梯度。因此，沼氣合成沒有受到所描述的200毫 巴的累積壓力梯度的影響，其可能一直延續(xù)到發(fā)酵器中。 優(yōu)選，引導(dǎo)到液體靜壓氣體儲存系統(tǒng)的管路的尺寸需要滿足氣體安全裝置(高壓
和低壓)的需求的方式。例如，過量產(chǎn)生的氣體可能通過液體靜壓氣體儲存系統(tǒng)進入環(huán)境。 同時，氣體儲存系統(tǒng)的液體作為回火保護器，消除了發(fā)酵器中爆炸或著火的危險。常規(guī)的氣
體儲存系統(tǒng)不能夠這樣做。此外，通過具體的尺寸，管路還可以被用作過量供給到發(fā)酵器中 的發(fā)酵基質(zhì)溢流的安全裝置。該發(fā)酵基質(zhì)通過管路被排出并且通過液體靜壓氣體儲存系統(tǒng) 被收集。 優(yōu)選，該發(fā)酵器的氣體收集裝置包括圓錐形或者截頭圓錐形、拋物面形或者半球 形圓頂。 特別優(yōu)選，在發(fā)酵器上布置該圓頂以使得該圓頂?shù)南蛏系募舛藚^(qū)域開始于回收部
分的溢流邊緣之下。參見附圖。結(jié)果，活性生物質(zhì)的回收得到大大改善。 此外，優(yōu)選不為消化池、氣體儲存系統(tǒng)和/或沉淀腔區(qū)域設(shè)置電動裝置。消化池、
氣體儲存系統(tǒng)和/或沉淀腔還可以被設(shè)計為法拉第氏罩(FaradayscherKafig)。這兩種
方法用來防止著火和爆炸。為此，發(fā)酵器的外殼作為整體可以由導(dǎo)電金屬(特別是V^鋼或 抗腐蝕涂覆鋼)構(gòu)成，或者其可以由具有金屬導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)(例如圍繞外殼的金屬網(wǎng)形式)的 非金屬材料構(gòu)成。 在另一個優(yōu)選的技術(shù)方案中，本發(fā)明的發(fā)酵器包括位于消化池基底的沉降槽。在 該沉降槽中，無機材料，例如沙子、石灰和石頭等可以沉淀并且通過搬運螺桿從發(fā)酵器中除 去。通常每天約1_3%的發(fā)酵材料以這樣的方式被除去。然后有可能將固體物質(zhì)從所排放 的材料中分離并且將液體成分再次供給到消化池中。 在另一個優(yōu)選的技術(shù)方案中，將熱交換器設(shè)置在發(fā)酵器出口區(qū)域。通過該熱交換
器可以將待發(fā)酵的新鮮有機材料預(yù)熱。 通過這種方式可以相當容易地調(diào)整發(fā)酵器內(nèi)的嗜溫和嗜熱條件。同時其降低了所
需要的能量消耗。在理想的情況下，在發(fā)酵過程中所形成的固有的反應(yīng)熱足以調(diào)整上述條 件。因此，不需要來自外面的其它熱供給。
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在一些情況下，S卩如果固有的反應(yīng)熱不夠的話，必須對本發(fā)明的發(fā)酵器進行調(diào)溫。 設(shè)置在發(fā)酵器內(nèi)的幾個加熱裝置，例如熱交換器，具有對微生物來說太高的表面溫度。因 此，與加熱裝置接觸的發(fā)酵材料開始時被加熱到優(yōu)選溫度范圍以上的溫度并且接下來將其 熱能釋放到周圍材料。這樣，有可能將整個消化池調(diào)節(jié)到希望的溫度。增加的溫度導(dǎo)致在 加熱裝置區(qū)域繁殖的或者與其接觸的微生物死掉。這又降低了產(chǎn)量。 還優(yōu)選該發(fā)酵器包括用于要發(fā)酵有機材料的溫度控制裝置，設(shè)置該溫度控制裝 置，以使得通過入口帶入消化池的發(fā)酵材料的溫度可以僅通過加熱待發(fā)酵的有機材料來調(diào)整。 除了用于發(fā)酵基質(zhì)的加熱裝置外，這要求消化池裝有至少一個溫度探針和相應(yīng)的 控制電路。這種溫度控制是特別有效的，這是因為帶入到消化池中的調(diào)溫材料被馬上分散 并且快速將其熱能釋放到周圍區(qū)域。由于與周圍材料的快速熱交換，發(fā)酵器中的產(chǎn)烷細菌 的生命過程沒有受到影響。此外，由于優(yōu)良的導(dǎo)熱率和有效的混合，僅僅所要發(fā)酵基質(zhì)的可 以忽略的溫度增加足以控制發(fā)酵器中的溫度。因此，沒有理由害怕發(fā)酵器中的產(chǎn)烷細菌受 到破壞。另外，有可能更加均勻并且快速地加熱發(fā)酵材料，這對于過程穩(wěn)定性具有正面影 響。為此，可以優(yōu)選將填充裝置設(shè)置于兩個攪拌單元之間。由此，以特別有效的方式將待 發(fā)酵的調(diào)溫基質(zhì)帶入到消化池中并使其與發(fā)酵材料快速混合，將其熱量快速釋放到周圍區(qū) 域。這還提供了在將其帶入到消化池之前，巴氏法滅菌或消毒待發(fā)酵的基質(zhì)的可能性。通 過這種方式，在被帶入消化池后，其可以非?？斓嘏c產(chǎn)烷細菌繁殖，這將促進發(fā)酵從而增加 產(chǎn)量。通過這種類型的溫度控制，不必要向消化池提供另外的加熱裝置或熱交換器，從而防 止了上述破壞。此外，通過這種類型的溫度控制，還不需要在消化池中提供電路，否則將涉 及爆炸和起火的危險。 另外，根據(jù)前述權(quán)利要求之一，本發(fā)明提供了在發(fā)酵器中由具有低含量有機干物 質(zhì)(oTS)的可泵送有機材料生產(chǎn)沼氣的方法。該方法包括下列步驟
a)通過入口使可泵送有機材料進入發(fā)酵器， b)生產(chǎn)并且保持pH值為至少7并且溫度在嗜溫到嗜熱范圍內(nèi)的厭氧環(huán)境， c)通過固定床反應(yīng)器以及該發(fā)酵器的沉淀腔生產(chǎn)可泵送有機材料流， d)在回收部分回收可泵送有機材料的特定較輕部分， e)如果可能的話，將回收的材料再次供給到發(fā)酵器， f)連續(xù)地以及分批地收集所產(chǎn)生的氣體并且抽取發(fā)酵的發(fā)酵殘渣。 同時，可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常用方法來調(diào)整pH值。 特別是，可以設(shè)置使通過固定床反應(yīng)器的材料流是以連續(xù)或者以脈動方式生產(chǎn)
的。對于所使用的各種基質(zhì)，這兩種類型各具有優(yōu)點和缺點。例如，為了在待發(fā)酵的基質(zhì)與
微生物之間提供較長的接觸時間，材料的脈動流可能是有利的。通過常規(guī)測試而不需要創(chuàng)
造性步驟，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地得知合適的流動條件(速度、脈動間隔等，特別是對
于各自所使用的基質(zhì))。 根據(jù)本發(fā)明，還設(shè)置了在新鮮材料被帶入發(fā)酵器之前，使回收的材料與將要發(fā)酵 的新鮮材料預(yù)培養(yǎng)。 特別優(yōu)選，為了完全利用，將更多的來自可恢復(fù)來源，特別是能量谷物的生物質(zhì)， 供給到將要發(fā)酵的有機材料，該有機材料具有低比例的有機干物質(zhì)(oTS)。
本發(fā)明的發(fā)酵器或方法所產(chǎn)生的發(fā)酵渣滓包括高比例的礦物化營養(yǎng)物(N， P， K) 并且很適合作為肥料。與發(fā)酵基質(zhì)相比，發(fā)酵渣滓由于含有較低比例的殘留有機物質(zhì)，因此 通常具有很低的粘度。因此它們可以比液體肥料更容易地噴灑并且用于植物生產(chǎn)。由于降 低比例的有機物質(zhì)，在排除發(fā)酵渣滓后，溫室氣體(例如二氧化碳(C0》、甲烷氣體(CH4)和 一氧化二氮(N20))的形成將會降低。此外，可能包含在液體肥料中的植物種子(特別是野 草種子和真菌孢子)通過發(fā)酵被去活化。因此，在排除之后，它們不再能發(fā)芽。以這種方式
生產(chǎn)的發(fā)酵渣滓的另一個優(yōu)點是，如果維持了特定的工藝條件的話，則它們會得到清潔處 理。因此，不進行進一步的化學(xué)或熱處理，它們就可以被應(yīng)用到重要區(qū)域，例如，水保護區(qū)域 或者奶牛牧場。 此外，液體肥料被高度礦物化，即所含的營養(yǎng)物對待施肥的植物有多得多的益處。 然而，如果未發(fā)酵的液體肥料被用于施肥，則在土壤中形成了不可計算的潛在的有機束縛 營養(yǎng)物。在自然礦物化階段，如果植被不能吸收礦物化營養(yǎng)相，則這對于地下水有相當大的 影響。 在本發(fā)明發(fā)酵器的另一個技術(shù)方案中，設(shè)置所述發(fā)酵器以使其與常規(guī)沼氣發(fā)酵器 (所謂的"R印owering")的下游連接，從而使得發(fā)酵渣滓可以經(jīng)可泵送有機材料的入口從 常規(guī)發(fā)酵器供給。 接下來，該實施方案被稱為后發(fā)酵器。術(shù)語"常規(guī)沼氣發(fā)酵器"涉及開始所提及的 現(xiàn)有沼氣發(fā)酵器的情形。這些沼氣發(fā)酵器被用來發(fā)酵可再生資源。它們基本上由具有氣體 儲存圓頂或塞流裝置(水平圓筒)的大攪拌槽構(gòu)成。它們僅僅對原材料進行不充分發(fā)酵， 并且同時具有連續(xù)流失的產(chǎn)烷微生物。此外，它們生產(chǎn)了不完全清潔的發(fā)酵殘余物(短路 流，參上)并且放出溫室氣體(甲烷、一氧化二氮、C02，見上)的發(fā)酵渣滓。因此，將這樣的 發(fā)酵器中的發(fā)酵渣滓供給到本發(fā)明的發(fā)酵器是特別有利的，在這種情況下，本發(fā)明的發(fā)酵 器作為一種后發(fā)酵器。這樣，常規(guī)沼氣發(fā)酵器的操作者可以以相對低的投資有效地提高效 率并且提高其工廠的環(huán)境友好性。 在該特定的實施方案中，可以設(shè)置將在后發(fā)酵器中產(chǎn)生的沼氣供給到主處理設(shè)備 的氣體儲存系統(tǒng)中。 在特別優(yōu)選的實施方案中，以這樣的方式設(shè)置回收部分，即回收的可泵送有機材 料的特定較輕部分可以被再次供給到上游沼氣發(fā)酵器中。 這涉及將活性生物質(zhì)回收并再次供給到發(fā)酵過程的可能性，使用現(xiàn)有裝置這些活 性生物質(zhì)與發(fā)酵材料一起被帶到發(fā)酵器中，并留在那里未被利用。這樣產(chǎn)量得到大大提高。 此外，通過將活性生物質(zhì)再次供給到消化池，在第一操作過程中優(yōu)化處理設(shè)備的時間被大 大縮短?；旧?，沼氣處理設(shè)備需要特定時間來優(yōu)化。這是由于首先在處理設(shè)備中必須建立 穩(wěn)定的微生物群。通過回收依然存在于從消化池中提取的發(fā)酵材料中的微生物的可能性， 建立穩(wěn)定的和高度有效的微生物群的時間被大大縮短。結(jié)果是，以相當短的時間達到了最 大產(chǎn)能。 回收活性生物質(zhì)的可能性涉及另一優(yōu)點由于在消化池中可能維持相對較高的活 性生物質(zhì)濃度，因此發(fā)酵過程被加速。這樣，可以增加發(fā)酵器的流量。這導(dǎo)致本發(fā)明的發(fā)酵 器可以承受相對較高的體積載荷。 此外，還可以將本發(fā)明的發(fā)酵器(作為替代或者與前述構(gòu)造一起)與長期的水解
14反應(yīng)器(基質(zhì)以液態(tài)保存)的下游相連。所述的長期水解反應(yīng)器以術(shù)語"LIGAVATOR"或 "BETAVATOR"被知曉。例如，這樣的反應(yīng)器具有1， 500m3的容量。當待發(fā)酵的農(nóng)產(chǎn)品被儲存 在這樣的反應(yīng)器中時，發(fā)生了厭氧發(fā)酵過程(特別是青貯法過程，即乳酸/乙酸發(fā)酵)，這可 以導(dǎo)致短鏈代謝物(特別是乳酸酯，即乳酸和乙酸酯，即乙酸)，其pH值降低并且形成C02。 特別是，在本發(fā)明的發(fā)酵器中乳酸和乙酸可以以非常好的方式產(chǎn)生代謝。所釋放的0)2還 可以被供給到本發(fā)明的發(fā)酵器中。
附圖和實例 通過下面的附圖和實例對本發(fā)明進行更詳細的解釋。必須考慮到附圖和實例僅僅 是描述性的。它們不是用來以任何方式限制本發(fā)明。

圖1顯示用于從可泵送有機材料生產(chǎn)沼氣的本發(fā)明發(fā)酵器10的技術(shù)方案的縱向 示意圖。該發(fā)酵器具有用于可泵送有機材料的入口 ll，用于可泵送有機材料的固定床反應(yīng) 器12，該反應(yīng)器具有至少一個第一 (上升)部分12a和第二 (下降)部分12b，以及至少一 個用于所形成的發(fā)酵渣滓的出口 13。 此外，該發(fā)酵器包括用于可泵送有機材料的沉淀腔14，其位于固定床反應(yīng)器的第 一部分12a和第二部分12b之間。其還包括回收部分15，該部分與沉淀腔14相連，并且其 經(jīng)設(shè)計以使得可泵送有機材料的特定較輕部分，可以被回收，并且如果需要的話，可以被再 次供給到固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分。 固定床反應(yīng)器12由允許形成基本上縱向的通道(類似于平行腸管，即腸道)的材 料構(gòu)成。 使用具有這些特性的固定床反應(yīng)器具有很多優(yōu)點。例如，固定床反應(yīng)器不需要其
自己的攪拌裝置，該攪拌裝置使用于攪拌槽發(fā)酵器中，這是因為可以在反應(yīng)器中引導(dǎo)材料
流。材料的定向流動尤其是防止了在攪拌槽反應(yīng)器中不可避免的并且影響了對發(fā)酵材料的
有效清潔處理和理想發(fā)酵的短路流。所提供的固定床反應(yīng)器還提供了產(chǎn)烷微生物的繁殖基
質(zhì)。以這種方式，與具有攪拌裝置的發(fā)酵器相反，可能形成層狀的微生物群落。 回收部分15由豎直管狀元件構(gòu)成并且被設(shè)置在固定床反應(yīng)器的上升(第一 )部
分12a和下降(第二)部分12b之間。 回收部分15通過溢流邊緣與沉淀腔14連接，并且經(jīng)設(shè)計以使得可泵送有機材料 的特定較輕部分19可以被回收并且通過出口 16被再次供給到固定床反應(yīng)器的上升(第 一)部分。另一方面，這些特定的較輕部分涉及特定的較輕有機部分，例如揮發(fā)性脂肪酸。 在常規(guī)的攪拌槽發(fā)酵器中，這些部分形成漂浮層，由此避開了發(fā)酵過程。順便提一句，一些 揮發(fā)性脂肪酸容易轉(zhuǎn)化成氣相，從而被永久地從發(fā)酵過程中排除。 特定的較輕有機部分還含有從固定床反應(yīng)器的基質(zhì)溶解出的微生物(所謂的"活 性生物質(zhì)")，如果沒有回收部分，該微生物將與發(fā)酵渣滓一起從發(fā)酵器中排出。這還涉及連 續(xù)失去微量營養(yǎng)素，在具有攪拌裝置的常規(guī)發(fā)酵器中必須補充微量營養(yǎng)素。這又導(dǎo)致了額 外的花費以及另外引入重金屬。因此，在常規(guī)的沼氣發(fā)酵器中，產(chǎn)生沼氣的微生物的密度被 連續(xù)降低，這導(dǎo)致這些發(fā)酵器基本上在很低的微生物密度下運行以至于達不到理想的沼氣 產(chǎn)量。本發(fā)明的回收部分允許這些微生物被回收并且被再次供給到發(fā)酵器中。結(jié)果是，本
發(fā)明的發(fā)酵器具有比常規(guī)發(fā)酵器顯著較高的微生物密度以及大大改進的微量營養(yǎng)素供給， 所述微量營養(yǎng)素是通過活性生物質(zhì)得以循環(huán)。順便提一下，一些揮發(fā)性脂肪酸容易轉(zhuǎn)換成氣相，從而被長期排除在發(fā)酵過程之外。 另外，該發(fā)酵器在入口 11的區(qū)域以及沉淀腔14的區(qū)域包括兩個相對小的攪拌裝 置17a、17b。這些攪拌裝置定期啟動，并且根據(jù)需要，防止了固體顆粒的沉降。與常規(guī)攪拌槽 發(fā)酵器中已知的攪拌裝置相比，所顯示的攪拌裝置具有相當小的尺寸和相當?shù)偷暮碾娏俊?
此外，該發(fā)酵器具有泵18來將發(fā)酵材料泵送穿過固定床反應(yīng)器。與常規(guī)攪拌池發(fā) 酵器中已知的攪拌裝置相比，該泵還具有相當?shù)偷暮碾娏?。其可以特別涉及雙活塞泵。另 外，圖1顯示了用于抽取所產(chǎn)生的沼氣的氣體分配裝置20。 實心箭頭顯示了材料流流過發(fā)酵器的方向。虛線箭頭顯示了產(chǎn)生沼氣的方向。
圖1還清楚地顯示了本發(fā)明的發(fā)酵器比常規(guī)的攪拌槽發(fā)酵器需要顯著較小的表 面積，常規(guī)攪拌槽發(fā)酵器由于大的消化池容量因此需要非常大的表面積。在優(yōu)選的實施方 案中，本發(fā)明的發(fā)酵器具有僅僅29m2的基底面積，因而可以容易地在農(nóng)場原地組裝。
圖2顯示了本發(fā)明的發(fā)酵器沿著線A-A'(圖2A)或B-B'(圖2B)的兩個橫截面 圖。圖2a的頂視圖顯示了固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分22a和下降(第二)部分22b， 以及回收部分15。圖2b以溢流邊緣的俯視圖，顯示了回收部分的上邊緣。圖3a顯示了 塑料管31的實例，其優(yōu)選被用作實體反應(yīng)器的材料，這是因為其允許形成基本上縱向的通 道。該管在其外表面及其內(nèi)表面具有增大的表面，并且對微生物繁殖提供了大面積。該塑料 管涉及具有類似于已知柔性排水管特性的管，該排水管使用于地下建筑并且具有50-400mm 的直徑。特別優(yōu)選使用這種排水管，這是因為其是輕的并且成本上是劃算的。優(yōu)選設(shè)置很 多這樣的管懸掛于發(fā)酵器中，從而形成固定床反應(yīng)器。為此，可以設(shè)置該發(fā)酵器以在其上部 和下部區(qū)域包括單獨的懸掛裝置以懸掛所提及的塑料管。 形成固定床反應(yīng)器的其它材料包括，例如由陶瓷、粘土、陶土、木材、金屬或者塑料
材料構(gòu)成的豎直設(shè)置的管或者蜂窩狀中空體，或者豎直設(shè)置的棒、繩、索或者線。 圖3b顯示了用于這些塑料管的保持裝置33的一個實例，其被分別連接到固定床
反應(yīng)器的上端和下端，并且使管與管之間保持盡可能好的距離，而并不限縮管的流通，或者
避免了這樣的限縮。保持裝置由不銹鋼管部分("套")構(gòu)成，其被設(shè)置在表面區(qū)域并且被
焊接或者通過角撐架相互連接到一起。塑料管的端部非常好地裝配在保持裝置中。 圖4顯示了本發(fā)明的發(fā)酵器的由兩個半圓筒部分41a和41b構(gòu)成的部分40的部
件分解圖。圖4顯示了固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分42的頂視圖。圖4中下降部分
被段節(jié)41b的壁擋住，因此看不見。段節(jié)是通過安裝固定夾43現(xiàn)場用螺絲擰在一起的。理
想地，段節(jié)之一 (在這里是41a)已經(jīng)包括回收部分45，其也促進了生產(chǎn)和安裝，從而降低了成本。 圖5也顯示了本發(fā)明的發(fā)酵器的部分50的部件分解圖。與圖4中所示的發(fā)酵器 相反，該發(fā)酵器由4個段節(jié)51a-51d組成。因此，固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分由2個 段節(jié)52a和52b構(gòu)成。圖5中的下降部分被段節(jié)51c和51d的壁擋住，因此看不見。圖5 還顯示了回收部分55。 圖6還顯示了本發(fā)明發(fā)酵器的部分60的部分截面圖，其中顯示了發(fā)酵材料的流動 模式。發(fā)酵材料由固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分62轉(zhuǎn)移到沉淀腔64。在這里特定的 較輕部分69位于頂部并且通過溢流緣被轉(zhuǎn)移到回收部分65。然而，特定的較重部分(例 如，非氣相的死生物質(zhì))被轉(zhuǎn)移到固定床反應(yīng)器的下降(第二)部分(沒有顯示)。
16
圖7顯示了本發(fā)明發(fā)酵器的不同補充技術(shù)方案。例如，圖7a顯示了位于出口 73 區(qū)域的熱交換器74。待發(fā)酵的新鮮有機材料可以通過該熱交換器被加熱。為了該目的，使 熱交換器與出口 71相連。 這大大促進了發(fā)酵器內(nèi)的嗜溫或者嗜熱條件。同時也降低了所需要的能量消耗。 在理想的情況下，在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的內(nèi)在反應(yīng)熱足以調(diào)節(jié)上述條件。因此，不需要來自外 部的附加熱供給。 圖7b顯示了位于固定床反應(yīng)器72的下降(第二 )部分之后的附加回收部分75。 以這種方式，所述基質(zhì)和微生物的回收被進一步改善。 圖8顯示了液體靜壓氣體儲存體系80，其由具有隔層(Zwischenboden)82的容器 81構(gòu)成。容器的底部填充了緩沖流體83。氣體儲存系統(tǒng)被連接到發(fā)酵器的氣體分配裝置 84(沒有顯示)。在流入到容器下部的過程中，通過供給氣體對抗重力而置換原有的液體 (特別是水)(從而抵抗形成的液體靜壓或水柱)。水通過上升管85上升到容器的上部。 如果，例如，以這樣的方式構(gòu)建氣體儲存體系，當代替該體系中原有的液體時，氣體流形成 了最高2， 000mm的水柱，這相應(yīng)于200毫巴的液體靜壓。同時，儲存氣體的壓力被保持在相 應(yīng)于所述靜液壓的水平，并且可以被供給到BHKW氣體發(fā)動機，而不使用專門的氣體加壓風(fēng) 機。為了該目的，產(chǎn)生沼氣的微生物即使在很強的壓力梯度下也能夠連續(xù)生產(chǎn)沼氣是非常 關(guān)鍵的。因此，沼氣合成不受所述200毫巴的累積壓力梯度的影響，其可以一直延續(xù)到發(fā)酵 器。 圖9顯示了本發(fā)明發(fā)酵器90的另一個實施方案，其在大多數(shù)方面相應(yīng)于圖1中所 示的技術(shù)方案。然而，與圖1中所示的技術(shù)方案相反，沉淀腔95通過外周鉆孔96或者過篩 裝置，而不是通過溢流緣，被連接到回收部分94。 圖10顯示了本發(fā)明發(fā)酵器100的另一個實施方案，其在大多數(shù)方面相應(yīng)于圖1中 所示的實施方案。然而，與圖1中所示的技術(shù)方案相反，沉淀腔105被設(shè)置在外面，其被連 接到回收部分104。再循環(huán)流的量可以通過閥106來進行調(diào)節(jié)。在該設(shè)計中，為了維護的目 的，很容易將沉淀腔與發(fā)酵器分離。 圖11顯示了本發(fā)明發(fā)酵器的另一實施方案，其包括入口 111 ;用于可泵送有機材 料的固定床反應(yīng)器112，該反應(yīng)器具有第一 (上升)部分112a和第二 (下降)部分112b， 它們相互之間分開構(gòu)造(所謂的部分發(fā)酵器)；以及出口 113。為了節(jié)約費用，部分112a和 112b可以由從中間切割開的舊液化氣罐或者氣體罐制得。在部分發(fā)酵器的流口中，提供了 沉淀腔115，通過該沉淀腔回收的可泵送有機材料的特定較輕部分被再次供給到上游沼氣 發(fā)酵器116。該材料是通過尤其在發(fā)酵器上升部分產(chǎn)生的氣壓傳送的。
圖11還顯示了任選地提供常規(guī)沼氣發(fā)酵器116，其下游與本發(fā)明的發(fā)酵器110連 接，并且相對于本發(fā)明的發(fā)酵器作為后發(fā)酵器(所謂的"R印o恥ring")，從而可以通過入口 供給發(fā)酵渣滓。 在本發(fā)明發(fā)酵器的另一個實施方案中，使所述發(fā)酵器與常規(guī)沼氣發(fā)酵器的下游相 連(所謂的"R印owering")，以通過可泵送有機材料的入口從常規(guī)沼氣發(fā)酵器供給發(fā)酵渣滓。 基本上，沼氣發(fā)酵器116由具有氣體儲存圓頂?shù)拇髷嚢璨蹣?gòu)成。其僅僅進行了原 材料的不完全發(fā)酵(即存在發(fā)酵渣滓高剩余氣體的可能性)，并且同時其具有連續(xù)的產(chǎn)烷微生物損耗。此外，其產(chǎn)生了清潔和礦物化(發(fā)酵的)不完全的發(fā)酵渣滓(短路流，見上)，
并且其中最重要的是，放出溫室氣體(甲烷、一氧化二氮、(A，見上)。因此，將這樣的發(fā)酵
器116的發(fā)酵渣滓供給到本發(fā)明的發(fā)酵器112中是特別有利的。通過這種方式，常規(guī)沼氣
發(fā)酵器的操作者以相對低的投資有效地提高了其工廠的效率和環(huán)境友好性。 在該方法中，將發(fā)酵器112中產(chǎn)生的沼氣供給到沼氣發(fā)酵器116的氣體儲存系統(tǒng)
中。在特別優(yōu)選的技術(shù)方案中，設(shè)置沉淀腔115，以使得回收的可泵送有機材料的特定較輕
部分可以被再次供給到上游沼氣發(fā)酵器116。
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權(quán)利要求
由具有低含量有機干物質(zhì)(oTS)的可泵送有機材料生產(chǎn)沼氣的發(fā)酵器，其包括a)至少一個用于可泵送有機材料的入口，b)至少一個用于可泵送有機材料的固定床反應(yīng)器，其具有至少一個第一部分和一個第二部分，以及c)至少一個用于剩余發(fā)酵殘渣的出口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)酵器，其特征在于其包括a) 至少一個用于可泵送有機材料的沉淀腔，該腔位于固定床反應(yīng)器第一部分和第二部 分之間，以及b) 至少一個回收部分，其與沉淀腔相連并且經(jīng)設(shè)計以使得可泵送有機材料的特定較輕 部分可以被回收，并且如果需要，可以被再次供給到固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的發(fā)酵器，其特征在于固定床反應(yīng)器的第一部分是上升部分，并 且固定床反應(yīng)器的第二部分是下降部分。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于固定床反應(yīng)器由為微生物提供大繁殖 表面的材料構(gòu)成。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于該固定床反應(yīng)器由允許形成基本縱向 通道的材料構(gòu)成。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于所述回收部分由基本上垂直設(shè)置的管 狀元件構(gòu)成，任選所述管狀元件具有多個部分。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于所述沉淀腔位于固定床反應(yīng)器的上升 (第一)部分和下降(第二)部分之間。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于在固定床反應(yīng)器下降(第二)部分的 下游設(shè)置另一個沉淀腔。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于該發(fā)酵器具有豎直圓筒的外形。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于該發(fā)酵器由可以在生產(chǎn)公司制造并 且可以現(xiàn)場組裝成發(fā)酵器的幾個段節(jié)構(gòu)成。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于該發(fā)酵器具有氣體收集裝置，其至少 部分位于固定床反應(yīng)器和/或回收裝置之上。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于該發(fā)酵器包括液體靜壓氣體儲存系統(tǒng)。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于所述氣體收集裝置包括錐形或截頭 錐形、拋物面形或者半球形圓頂。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于在發(fā)酵器的出口區(qū)域設(shè)置熱交換器， 并且通過所述的熱交換器，可以預(yù)加熱待發(fā)酵的新鮮有機材料。
15. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于所述發(fā)酵器包括待發(fā)酵的有機材料 的溫度控制裝置，設(shè)置所述溫度控制裝置，以使得通過入口帶入消化池的發(fā)酵材料的溫度 可以僅通過加熱待發(fā)酵的有機材料來進行調(diào)節(jié)。
16. —種在上述權(quán)利要求任一所述的發(fā)酵器中由具有低含量有機干物質(zhì)(oTS)的可泵 送有機材料生產(chǎn)沼氣的方法，該方法包括下列步驟a)通過入口將可泵送有機材料引入發(fā)酵器，b) 產(chǎn)生并且保持厭氧環(huán)境，其中pH值為至少7，并且溫度在嗜溫到嗜熱范圍內(nèi)，c) 通過固定床反應(yīng)器以及發(fā)酵器的沉淀腔，產(chǎn)生可泵送有機材料流，d) 在回收部分回收可泵送有機材料的特定較輕部分，e) 如果可能，將回收的材料再次供給到發(fā)酵器，f) 連續(xù)地以及分批地收集所產(chǎn)生的氣體并且抽取發(fā)酵的發(fā)酵殘渣。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于在將新鮮材料引入發(fā)酵器之前，將回收的材料與待發(fā)酵的新鮮材料預(yù)溫育。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17的方法，其特征在于為了完全利用，將例如來自可再生資源，特別是來自能量谷物的更多生物質(zhì)供給到待發(fā)酵的有機材料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16-18之一的方法，其特征在于調(diào)節(jié)加工條件，以減少丙酸的形成或者促進丙酸的減少。
20. 根據(jù)權(quán)利要求l-15之一的發(fā)酵器，其特征在于該發(fā)酵器連接在常規(guī)沼氣發(fā)酵器的下游，以使得發(fā)酵殘渣可以通過可泵送有機材料的入口從常規(guī)沼氣發(fā)酵器供給。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的發(fā)酵器，其特征在于所述沉淀腔經(jīng)設(shè)計以使得回收的可泵送有機材料的特定較輕部分可以被再次供給到上游的沼氣發(fā)酵器。
22. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的發(fā)酵器，其特征在于其連接在長期水解反應(yīng)器的下游。
全文摘要
本發(fā)明涉及由具有低含量有機干物質(zhì)(oTS)的可泵送有機材料生產(chǎn)沼氣的發(fā)酵器，其包括至少一個用于可泵送有機材料的入口；至少一個用于可泵送有機材料的固定床反應(yīng)器，其具有至少一個第一部分和一個第二部分；以及至少一個用于剩余發(fā)酵殘渣的出口。另外，所述發(fā)酵器可以任選地具有至少一個用于可泵送有機材料的沉淀腔，該腔位于固定床反應(yīng)器第一部分和第二部分之間；以及至少一個回收部分，其與沉淀腔相連并且經(jīng)設(shè)計以使得可泵送有機材料的特定較輕部分可以被回收，并被再次供給到固定床反應(yīng)器的上升(第一)部分或者在前的或在后的常規(guī)發(fā)酵器。
文檔編號C12M1/12GK101755041SQ200880025132
公開日2010年6月23日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者J·貝克, W·甘泰福特 申請人:W·甘泰福特;J·貝克