專利名稱：獲得生物氣體的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過在發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)生物處理發(fā)酵介質(zhì)以獲得生物氣體的方法，其中將一種含有電子受體的介質(zhì)，特別是含氧氣體或氣體混合物例如空氣，和/或硝酸鹽和/或亞硝酸鹽加入到發(fā)酵介質(zhì)中，以抑制不需要的硫化氫(H2S)的生成，還涉及實現(xiàn)該方法的裝置。
為得到生物氣體，將含有有機物的培養(yǎng)基，例如下水道中的淤泥，液態(tài)肥料或濕的垃圾，保存在一個基本上排除空氣的容器內(nèi)，若合適，在容器內(nèi)循環(huán)。在這個過程中，含在培養(yǎng)基中的微生物將有機物部分地轉(zhuǎn)變成氣態(tài)物質(zhì)。該過程被稱為消化，并且通常是在設(shè)計成消化容器的生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，該生物反應(yīng)器也被稱為發(fā)酵反應(yīng)器。依培養(yǎng)基的性質(zhì)和生物反應(yīng)器的操作特點，得到的生物氣體的組成略有不同。生物氣體通常含有約70％(體積)的CH4和約30％(體積)的CO2。如果培養(yǎng)基還含有硫化合物，當(dāng)使用下水道中的淤泥和濕的垃圾時常是這樣，這些硫化合物被微生物分解產(chǎn)生硫化氫(H2S)，其在生物氣體中的濃度最終可高達(dá)1％(體積)。因為硫化氫有毒并具有腐蝕性，必須降低生物氣體中的硫化氫含量，以避免對環(huán)境的危害和對二級系統(tǒng)例如管線和氣體發(fā)動機的危害。
在現(xiàn)有技術(shù)中，在生物反應(yīng)器下游的凈化階段將生物氣體中的硫化氫含量降低到合理的水平，該凈化階段可以設(shè)計成例如洗滌器，吸收裝置或生物脫硫系統(tǒng)。額外的凈化階段的需要，造成投資成本的提高，并要求更大的空間來建成生物氣體系統(tǒng)。另外，隨后的氣相凈化常常產(chǎn)生需要處理的廢物，例如硫化鐵顆粒、硫華、硫酸等。
DD 226,552 A1公開了一種降低生物氣體中硫化氫含量的方法，其中將氫氧化鐵以懸浮物的形式加入到被處理的淤泥中，并與后者混和。這樣做的目的是用化學(xué)方法固定硫化氫。還已知可以將氯化鐵計量加入到被處理的發(fā)酵介質(zhì)中。但是，由于將化學(xué)品加入到發(fā)酵介質(zhì)中，這類涉及計量的化學(xué)品的方法是有問題的。例如，腐蝕性的氯離子的引入可能對發(fā)酵反應(yīng)器的壽命有不利影響。
EP 0 143 149 B1也建議在生物反應(yīng)器內(nèi)抑制硫化氫的生成。它要求將一定量的氧氣與新鮮的淤泥或水一起加入到生物反應(yīng)器內(nèi)，使生成的生物氣體內(nèi)剩余氧氣的含量為0.01～3.0％(體積)。為此需要精心控制，以確保一方面生物氣體的硫化氫含量被充分降低，另一方面生物反應(yīng)器內(nèi)氧氣含量不會高到氧氣對生成甲烷細(xì)菌的毒害作用對生物氣體的形成產(chǎn)生過分影響的程度。
以前的通過抑制生成硫化氫的微生物區(qū)系來抑制硫化氫的生成的辦法，是基于將空氣計量加入到發(fā)酵原料中或基于將空氣在幾個位置引入到發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)。裝置上的實踐和我們自己對這一問題的研究表明，由于氧氣的消耗速率高，計量加入到原料中或在幾個位置加入通常是不夠的，因為僅經(jīng)過一小段距離氧氣就已發(fā)生了生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，這樣在很大體積的發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)對硫化氫生成微生物的干擾不能達(dá)到足夠的效果。
人們試圖通過加入過量的空氣來克服這一問題，但是這樣使安全隱患加大，并且生物氣體中惰性的氮氣的含量同時提高，造成熱性能的降低。
人們還可以嘗試通過反應(yīng)器底部的適當(dāng)?shù)谋砻娓采w的空氣分配器來改善進(jìn)料方式，使空氣進(jìn)入整個反應(yīng)器。但是，由于廢物和淤泥發(fā)酵懸浮物含有大量干物質(zhì)，這樣的分配器的長期操作安全性值得懷疑。
本發(fā)明的目的是提供一種在開頭提到的方法，和實現(xiàn)該方法的裝置，它能確保離開發(fā)酵反應(yīng)器的生物氣體基本上不含硫化氫，并且對生物氣體的生成幾乎沒有損害，避免了所述的現(xiàn)有技術(shù)缺點。
所述目的是通過本發(fā)明方法實現(xiàn)的，其中發(fā)酵反應(yīng)器中的基本上所有發(fā)酵介質(zhì)都通過一個區(qū)域，含有電子受體的介質(zhì)也進(jìn)料到該區(qū)域，調(diào)節(jié)含有電子受體的介質(zhì)與發(fā)酵介質(zhì)的接觸時間到足以抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成，使生物氣體中硫化氫的含量至少低到可忽略的水平。
優(yōu)選使用的含電子受體的介質(zhì)是空氣或其它的含氧氣體或氣體混合物。也可以使用亞硝酸鹽或硝酸鹽作為電子受體。不同的電子受體的組合物也是可能的。
在使用空氣作為含電子受體的介質(zhì)的情況下，本發(fā)明的本質(zhì)可以最簡單地描述如下本發(fā)明解決前述的現(xiàn)有技術(shù)問題的方式不是試圖使空氣在整個發(fā)酵池內(nèi)達(dá)到基本上均勻的分布；相反，使發(fā)酵反應(yīng)器的所有內(nèi)容物以特定的方式通過一個含氧區(qū)域，使氣體和發(fā)酵介質(zhì)有足夠的接觸時間。以這種方式，可重現(xiàn)地實現(xiàn)了對發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫形成的抑制，這種抑制在工業(yè)上是簡單的，并且沒有殘余物。從裝置的工程角度來說，本發(fā)明方法確保操作上穩(wěn)定地抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成。
基本上所有存在于發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的發(fā)酵介質(zhì)一小時通過所述區(qū)域數(shù)次，優(yōu)選至少兩次是有利的。另外，計量加入到所述區(qū)域的含電子受體的介質(zhì)的用量優(yōu)選能夠使發(fā)酵介質(zhì)在通過該區(qū)域時與含電子受體的介質(zhì)保持足夠的接觸，以抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，調(diào)節(jié)含電子受體的介質(zhì)與發(fā)酵介質(zhì)在所述區(qū)域的接觸時間，和/或加入到該區(qū)域的含電子受體的介質(zhì)的量，使含電子受體的介質(zhì)在發(fā)生生物化學(xué)分解后，在生物氣體中存在的含電子受體的介質(zhì)含量降低到不再危害該方法的水平。在使用空氣或含氧氣體或氣體混合物作為含電子受體的介質(zhì)時，氧氣在發(fā)生生物化學(xué)分解后，在生物氣體中存在的氧氣的量降低到不再危害該方法的水平。所述方法的這種處理確保對發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的有機物的厭氧性處理沒有危害，并因此對得到生物氣體沒有危害。
當(dāng)空氣用作含電子受體的介質(zhì)時，優(yōu)選額外調(diào)節(jié)每單位時間內(nèi)進(jìn)料到所述區(qū)域的空氣的量，使得由空氣中所含氮氣造成的生物氣體中的氮氣組分對生物氣體的熱利用性能僅造成很小的降低。這樣可以沒有限制地利用生物氣體，例如用作燃料氣。
本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案使用在發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)形成的生物氣體作為推進(jìn)氣，以將發(fā)酵介質(zhì)輸送通過所述區(qū)域。如果該區(qū)域設(shè)計成例如導(dǎo)管，生物氣體被泵打到該導(dǎo)管內(nèi)。導(dǎo)管內(nèi)混合物密度的降低和氣體的浮力使發(fā)酵介質(zhì)向上輸送通過該導(dǎo)管。在這種情況下，優(yōu)選通過選擇導(dǎo)管的幾何形狀和注入的生物氣體流來調(diào)節(jié)液壓條件，以使發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的所有內(nèi)容物每小時至少兩次通過該導(dǎo)管。
本發(fā)明還涉及獲得生物氣體的裝置，包括容納發(fā)酵介質(zhì)的發(fā)酵反應(yīng)器和排出生物氣體的管線。前述本發(fā)明目的通過該裝置實現(xiàn)，其中將一個導(dǎo)管排列布置在發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)，有至少一個含電子受體的介質(zhì)的進(jìn)料管線的末端連在所述導(dǎo)管排列上，或在所述導(dǎo)管排列的開口端附近，并且提供了將基本上所有發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)所容納的發(fā)酵介質(zhì)輸送通過該導(dǎo)管排列的裝置。
這樣所述發(fā)酵反應(yīng)器本質(zhì)上是采取環(huán)管反應(yīng)器的形式，含有導(dǎo)管排列形式的內(nèi)環(huán)管，該導(dǎo)管排列可以設(shè)計成例如一個導(dǎo)管。導(dǎo)管排列優(yōu)選設(shè)計成一個導(dǎo)管，基本垂直地、居中地布置在發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)。
為了注入作為推進(jìn)氣體的生物氣體，從生物氣體排出管線上分出來的生物氣體分支管線的末端優(yōu)選連在所述導(dǎo)管排列上，或在所述導(dǎo)管排列的開口端附近。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，選擇導(dǎo)管排列的幾何形狀以確保發(fā)酵介質(zhì)和含電子受體的介質(zhì)有足夠的接觸時間，以便實質(zhì)上抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成。
另外，導(dǎo)管排列的幾何形狀、發(fā)酵反應(yīng)器的大小和生物氣體分支管線的尺寸優(yōu)選進(jìn)行選擇，以便使發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)所容納的基本上所有發(fā)酵介質(zhì)每小時至少兩次通過所述導(dǎo)管排列。
本發(fā)明裝置的另一個實施方案提供設(shè)計成可以加熱的導(dǎo)管排列。為此目的，導(dǎo)管排列優(yōu)選設(shè)計成帶夾套的導(dǎo)管。該夾套有熱水的進(jìn)口和出口。在本發(fā)明的這一實施方案中，同時實現(xiàn)了數(shù)種效果，這使得可以在一個穩(wěn)定的方法中得到基本上不含硫化氫的生物氣體發(fā)酵介質(zhì)通過發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)設(shè)計成導(dǎo)管的內(nèi)環(huán)管的循環(huán)，使發(fā)酵反應(yīng)器的所有內(nèi)容物均化。因為含電子受體的介質(zhì)例如空氣的計量加入，同時抑制了發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)硫化氫的形成。另外，通過加熱導(dǎo)管，將發(fā)酵反應(yīng)器的內(nèi)容物保持在對于發(fā)酵介質(zhì)的生物處理最佳的操作溫度下。
通過將所述導(dǎo)管垂直、居中布置在發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)，還實現(xiàn)了另外一種效果吸進(jìn)導(dǎo)管底端的發(fā)酵介質(zhì)優(yōu)選被注入的生物氣體泵送到導(dǎo)管的頂端，并且從導(dǎo)管的頂端垂直向上噴射進(jìn)周圍的發(fā)酵介質(zhì)中。這樣在導(dǎo)管上面產(chǎn)生的中心表面的噴涌破壞了發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的漂浮覆蓋層，這對本方法的穩(wěn)定性有好的影響。
本發(fā)明提供了一系列的優(yōu)點與現(xiàn)有技術(shù)方法相反，不需要計量加入化學(xué)品以抑制硫化氫。另外，不需要處理廢物。本發(fā)明采用工業(yè)上簡單的方法，實現(xiàn)了特別高的方法穩(wěn)定性?？梢砸宰钌俚耐顿Y改造現(xiàn)有的生物氣體裝置。在最簡單的情況下，僅需要在發(fā)酵反應(yīng)器中所采用的導(dǎo)管均化系統(tǒng)中安裝空氣計量加入裝置。
下面將利用附圖中概略描述的實施例來詳細(xì)解釋本發(fā)明。
附

圖1示意了具有一體化的硫化氫抑制部分的生物氣體裝置流程圖附圖2展示了在發(fā)酵池計量加入空氣和未計量加入空氣的發(fā)酵反應(yīng)器的操作結(jié)果的比較附圖1舉例描述了一套用于濕垃圾發(fā)酵的裝置。濕垃圾在沒有在附圖中顯示出來的預(yù)處理步驟中制備成漿狀物和水解產(chǎn)物。該漿狀物和水解產(chǎn)物作為發(fā)酵介質(zhì)通過管線1進(jìn)料到發(fā)酵反應(yīng)器2中。漿狀物和水解產(chǎn)物的甲烷化在發(fā)酵反應(yīng)器2中進(jìn)行。為實現(xiàn)此目的，將發(fā)酵反應(yīng)器2保持在厭氧條件下，并且循環(huán)發(fā)酵反應(yīng)器的內(nèi)容物。包含在發(fā)酵漿狀物和水解產(chǎn)物中的厭氧生物將有機物部分地轉(zhuǎn)化為二氧化碳和甲烷。得到的生物氣體通過管線3排出發(fā)酵反應(yīng)器2。發(fā)酵過的濕垃圾的液體和/或固體部分通過管線4排出發(fā)酵反應(yīng)器2。
由于所述漿狀物和水解產(chǎn)物還含有硫化合物，如果沒有進(jìn)一步的措施，則還將生成硫化氫，并最終存在于生物氣體中。為了使生物氣體中不需要的硫化氫的含量最低，與現(xiàn)有技術(shù)試圖使空氣在整個發(fā)酵池中本質(zhì)上均勻地分布不同，將發(fā)酵反應(yīng)器的所有內(nèi)容物以一定的方式輸送通過含氧區(qū)域5，使含氧氣體與發(fā)酵介質(zhì)有足夠的接觸時間。為實現(xiàn)此目的，發(fā)酵反應(yīng)器2采取環(huán)管反應(yīng)器的形式，具有導(dǎo)管形式的內(nèi)環(huán)管5，該導(dǎo)管垂直居中安置，并作為所述含氧區(qū)域。而且，將從生物氣體排出管線2分出來的，通過生物氣體分支管線6的生物氣體泵進(jìn)導(dǎo)管內(nèi)底部作為推進(jìn)氣體。導(dǎo)管5內(nèi)混合物密度的降低和氣體的浮力，使發(fā)酵介質(zhì)向上通過導(dǎo)管5。在這種情況下，通過選擇導(dǎo)管的幾何形狀和注入的生物氣體流，調(diào)節(jié)液壓條件，以使發(fā)酵反應(yīng)器的所有內(nèi)容物每小時至少通過導(dǎo)管5兩次?？諝馔ㄟ^空氣進(jìn)料管線7按比例計量加入導(dǎo)管5的上游，空氣的加入量應(yīng)使發(fā)酵介質(zhì)在通過所述導(dǎo)管5時與氧氣有充分的接觸，以便以需要的方式限制新陳代謝過程中硫化氫的形成。同時，氧氣發(fā)生生物化學(xué)分解，其在生物氣體中的含量降低到對該方法不再有危害。這樣所要求的空氣可以降至最低，使生物氣體中的氮氣不會使該氣體進(jìn)一步的熱利用性能降低。
為保持發(fā)酵介質(zhì)生物處理的最佳的操作溫度，導(dǎo)管5設(shè)計成可加熱的。為此目的，提供給導(dǎo)管5一個雙壁夾套，該夾套有熱水進(jìn)口8和出口9。另外，發(fā)酵反應(yīng)器的內(nèi)容物的溫度可以通過換熱器19進(jìn)行控制，換熱器19中通過熱水。
在發(fā)酵反應(yīng)器2中使用居中的、垂直的導(dǎo)管5作為含氧區(qū)域，同時實現(xiàn)了數(shù)種效果一方面，因為空氣計量加入導(dǎo)管5，可靠地抑制了硫化氫。另一方面，依靠經(jīng)過發(fā)酵反應(yīng)器2的內(nèi)環(huán)管的循環(huán)，使發(fā)酵反應(yīng)器的內(nèi)容物均化。另外，發(fā)酵反應(yīng)器的溫度由通過導(dǎo)管夾套的熱水進(jìn)行控制。最后，由于發(fā)酵介質(zhì)從導(dǎo)管5的上端出來，在導(dǎo)管5上面產(chǎn)生中心表面噴涌，結(jié)果破壞了發(fā)酵反應(yīng)器2的漂浮覆蓋層。
上述的發(fā)酵介質(zhì)的循環(huán)足以在整個發(fā)酵池內(nèi)以需要的方式有效地傷害硫化氫生成微生物。這不會同時損害由發(fā)酵反應(yīng)生成甲烷的過程，這一點由附圖2中所繪的數(shù)據(jù)得到證實。
附圖2對照顯示了空氣計量加入發(fā)酵池的發(fā)酵反應(yīng)器(反應(yīng)器1)和沒有空氣計量加入的傳統(tǒng)發(fā)酵反應(yīng)器(反應(yīng)器2)的操作結(jié)果。
權(quán)利要求
1.通過在發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)生物處理發(fā)酵介質(zhì)以獲得生物氣體的方法，其中將一種含有電子受體的介質(zhì)，特別是含氧氣體或氣體混合物例如空氣和/或硝酸鹽和/或亞硝酸鹽加入到發(fā)酵介質(zhì)中，以抑制不需要的硫化氫(H2S)的生成，其特征在于，發(fā)酵反應(yīng)器(2)中基本上所有的發(fā)酵介質(zhì)都通過一個區(qū)域(5)，上述含有電子受體的介質(zhì)也進(jìn)料到該區(qū)域，調(diào)節(jié)含有電子受體的介質(zhì)與發(fā)酵介質(zhì)的足夠的接觸時間，以抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成，使生物氣體中硫化氫的含量至少低到可忽略的水平。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，發(fā)酵反應(yīng)器(2)內(nèi)的基本上所有的發(fā)酵介質(zhì)每小時數(shù)次、優(yōu)選至少兩次通過區(qū)域(5)。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，將含電子受體的介質(zhì)其中計量加入到區(qū)域(5)中，其加入量能夠使發(fā)酵介質(zhì)在通過區(qū)域(5)時與含電子受體的介質(zhì)保持足夠的接觸，以抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成。
4.權(quán)利要求1～3任意一項的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)含電子受體的介質(zhì)與發(fā)酵介質(zhì)在區(qū)域(5)的接觸時間，和/或計量加入到區(qū)域(5)的含電子受體的介質(zhì)的量，使含電子受體的介質(zhì)在發(fā)生生物化學(xué)分解后，在生物氣體中存在的含電子受體的介質(zhì)的量降低到不再危害該方法的水平。
5.權(quán)利要求1～4任意一項的方法，其特征在于，當(dāng)空氣用作含電子受體的介質(zhì)時，調(diào)節(jié)每單位時間內(nèi)進(jìn)料到區(qū)域(5)的空氣的量，使得由空氣中所含氮氣造成的生物氣體中的氮氣組分對生物氣體的熱利用性能引起的降低可以忽略。
6.權(quán)利要求1～5任意一項的方法，其特征在于，發(fā)酵介質(zhì)利用優(yōu)選由生物氣體構(gòu)成的推進(jìn)氣體輸送通過區(qū)域(5)。
7.獲得生物氣體的裝置，具有容納發(fā)酵介質(zhì)的發(fā)酵反應(yīng)器和生物氣體的排出管線，其特征在于，將一個導(dǎo)管排列(5)布置在發(fā)酵反應(yīng)器(2)內(nèi)，有至少一個用于含電子受體的介質(zhì)的進(jìn)料管線(7)，其末端連在導(dǎo)管排列(5)上，或在導(dǎo)管排列(5)的開口端附近，并且提供了將發(fā)酵反應(yīng)器(2)內(nèi)所容納的基本上所有的發(fā)酵介質(zhì)輸送通過該導(dǎo)管排列(5)的裝置。
8.權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，導(dǎo)管排列(5)設(shè)計成一個導(dǎo)管，其基本上垂直并居中地布置在發(fā)酵反應(yīng)器(2)內(nèi)。
9.權(quán)利要求7或8的裝置，其特征在于，從生物氣體排出管線(3)分出來的生物氣體分支管線(6)的末端連在導(dǎo)管排列(5)上，或在導(dǎo)管排列(5)的開口端附近。
10.權(quán)利要求7～9任意一項的裝置，其特征在于，選擇導(dǎo)管排列(5)的幾何形狀，以確保發(fā)酵介質(zhì)和含電子受體的介質(zhì)的足夠的接觸時間，以便實質(zhì)上抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成。
11.權(quán)利要求7～10任意一項的裝置，其特征在于，選擇導(dǎo)管排列(5)的幾何形狀、發(fā)酵反應(yīng)器(2)的大小和生物氣體分支管線(6)的尺寸，以便使發(fā)酵反應(yīng)器(2)內(nèi)所容納的基本上所有發(fā)酵介質(zhì)每小時至少兩次輸送通過導(dǎo)管排列(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在發(fā)酵反應(yīng)器(2)中產(chǎn)生基本上不含硫化氫的生物氣體的方法和裝置。建議使發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)基本上所有內(nèi)容物通過一個區(qū)域(5),將含有電子受體的介質(zhì),特別是空氣或含氧氣體或氣體混合物也進(jìn)料到該區(qū)域。在此,調(diào)節(jié)含有電子受體的介質(zhì)與發(fā)酵介質(zhì)在區(qū)域(5)的接觸時間,以抑制發(fā)酵介質(zhì)中硫化氫的形成,使生物氣體中硫化氫的量至少低到可忽略的水平。區(qū)域(5)優(yōu)選設(shè)計成一個導(dǎo)管,垂直安置在發(fā)酵反應(yīng)器的中心。為使發(fā)酵反應(yīng)器的內(nèi)容物通過所述導(dǎo)管進(jìn)行循環(huán),優(yōu)選將循環(huán)生物氣體(6)注入到所述導(dǎo)管內(nèi)。在這種情況下,生物氣體作為推進(jìn)氣體。
文檔編號C12M1/107GK1260838SQ98806367
公開日2000年7月19日 申請日期1998年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月18日
發(fā)明者格哈德·朗漢斯 申請人:林德-Kca-德累斯頓有限公司