專利名稱：處理液體有機(jī)廢料的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理液體形式的有機(jī)廢料，例如來自家畜生產(chǎn)的液體糞肥或污水的方法和設(shè)備。
現(xiàn)有技術(shù)描述為了滿足日益增長的世界范圍的對食品的需求，近年來，密集型家畜生產(chǎn)已經(jīng)變得越來越廣泛，這種趨勢在將來無疑會繼續(xù)。雖然提高的產(chǎn)量和更有效的生產(chǎn)工藝提供了重要的益處，但是由于產(chǎn)生大量有機(jī)廢料，密集型家畜生產(chǎn)具有負(fù)面的環(huán)境影響。豬的密集型生產(chǎn)尤其導(dǎo)致大量液體糞肥，這些糞肥如果不正確對待并處理，會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。然而過去，一直沒有以環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可接受的方式處理這種類型的液體有機(jī)廢料的技術(shù)。結(jié)果，來自密集型家畜生產(chǎn)的液體糞肥在許多情況下已經(jīng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題，例如，擴(kuò)散到田地或以其它方式滲入地下的過量糞肥污染了地下水。
丹麥實用新型No.DK 95 00113 U3描述了處理液體糞肥的設(shè)備，其中將糞肥轉(zhuǎn)化成堆肥、化肥、水和沼氣。該設(shè)備包括1)從液體和小于1mm的顆粒中分離纖維物料和大小超過1mm的粒狀物料的過濾單元，纖維物料例如用作堆肥，2)用于產(chǎn)生沼氣的反應(yīng)器，3)留住細(xì)菌和懸浮的有機(jī)物料并使這些物料返至沼氣反應(yīng)器的超濾單元，4)在沼氣用于產(chǎn)生熱和動力之前，從沼氣中除去硫化氫的脫硫單元，5)反滲透單元，其中，來自超濾器的滲透物流分離成為水餾分和化肥提濃物餾分。
從Bioscan A/S(歐登塞，丹麥)已知稱作BIOREK的用于液體糞肥的分離設(shè)備。BIOREK設(shè)備基于DK 95 00113 U3中所述的設(shè)備，在超濾單元和反滲透單元之間，還含有用于從來自超濾器的滲透物流中除去氨和二氧化碳的氨汽提塔。例如，在由Bioscan A/S于10/97出版的題為“用于液體糞肥的BIOREK分離設(shè)備，SandagerSkovgaard”的小冊子中描述了BIOREK設(shè)備。
本發(fā)明代表了從DK 95 00113 U3和從BIOREK設(shè)備已知的技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展，在處理液體糞肥和其它液體有機(jī)廢料方面取得了令人驚奇的有利結(jié)果。
發(fā)明簡要公開本發(fā)明的一個方面涉及處理液體形式的有機(jī)廢料的方法，該方法包括使液體在沼氣反應(yīng)器中進(jìn)行厭氣發(fā)酵，從沼氣反應(yīng)器中分離基本上無菌且不含顆粒的滲透物流，用氨汽提塔對滲透物流進(jìn)行處理，形成氨餾分和養(yǎng)分鹽餾分，將養(yǎng)分鹽餾分分離成化肥提濃物餾分和水餾分，其中在高溫下用氨汽提塔處理滲透物流。
本發(fā)明的另一個方面涉及處理液體形式的有機(jī)廢料的設(shè)備，該設(shè)備包括沼氣反應(yīng)器，用于從沼氣反應(yīng)器內(nèi)的液體中分離基本上無菌且不含顆粒的滲透物流的裝置，用于將滲透物流分離成氨餾分和養(yǎng)分鹽餾分的氨汽提塔，以及用于將養(yǎng)分鹽餾分分離成化肥提濃物及水餾分的裝置，其中氨汽提塔包括加熱滲透物流的加熱裝置。
本發(fā)明的另一個方面涉及生產(chǎn)富甲烷的沼氣的方法，該方法包括使液體形式的有機(jī)廢料在沼氣反應(yīng)器中進(jìn)行厭氣發(fā)酵，其中對來自沼氣反應(yīng)器的液體進(jìn)行超濾以形成富二氧化碳的滲透物餾分和富甲烷餾分，所述富甲烷餾分返至沼氣反應(yīng)器以形成甲烷含量提高的沼氣。
本發(fā)明還有一個方面涉及用這種方法生產(chǎn)的富甲烷的沼氣。
發(fā)明詳述本發(fā)明的方法和設(shè)備適用于處理任何含水有機(jī)廢料，包括民用、工業(yè)或農(nóng)業(yè)廢水，包括來自機(jī)關(guān)院所例如醫(yī)院的污水，以及家畜產(chǎn)生的液體糞肥。正如上面所指出的，本發(fā)明尤其適用于處理由密集型家畜生產(chǎn)，例如密集型豬生產(chǎn)所產(chǎn)生的液體糞肥。在下面的描述中，為方便起見經(jīng)常稱為液體肥料。然而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來講，本發(fā)明的方法和設(shè)備同樣應(yīng)用于其它類型的液體有機(jī)廢料這一點將是很清楚的。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，方法和設(shè)備包括以下部分1．液體廢料的預(yù)處理根據(jù)本發(fā)明的待處理的液體廢料，例如液體肥料，通常不僅包含具有溶于其中的各種有機(jī)和無機(jī)組分的液體，而且包含懸浮于其中的一定量的纖維和/或粒狀物質(zhì)。優(yōu)選在該工藝中，在對液體進(jìn)行厭氣發(fā)酵和隨后步驟之前，盡可能從液體中除去超過一定大小的該種纖維和粒狀材料，因為這樣的較大顆粒往往干擾超濾等，從而降低處理效率并增加成本。所以，通常過濾液體廢料以除去較大纖維和顆粒，任選地在用浸漬機(jī)處理之后，由此除去粒徑超過約1mm的材料。然后將包含已經(jīng)過濾出的纖維和顆粒的過濾塊壓縮以除去過量液體，然后將該液體與過濾步驟的液體餾分(含有例如小于約1mm的顆粒)一起混合并在沼氣反應(yīng)器中進(jìn)行厭氣發(fā)酵。
然而，優(yōu)選將來自過濾預(yù)處理的液體不直接加到沼氣反應(yīng)器中，而是加到緩沖罐中。除了通過提供液體供應(yīng)由此使待處理的液體可以根據(jù)需要傳至沼氣反應(yīng)器以保持沼氣反應(yīng)器中適當(dāng)?shù)呢?fù)載這一點是有利的之外，緩沖罐還起到使粒子例如砂粒(這些粒子在其后的處理過程中是不希望有的)沉積的作用，而懸浮的有機(jī)粒子與液體一起導(dǎo)至沼氣反應(yīng)器。
2．厭氣發(fā)酵液體肥料或其它液體廢料從緩沖罐導(dǎo)至沼氣反應(yīng)器，在那里進(jìn)行厭氣發(fā)酵。雖然在沼氣反應(yīng)器中的停留時間將根據(jù)諸如下列因素而變化廢料的本性、有機(jī)物質(zhì)含量、存在的細(xì)菌混合物以及液體的溫度，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對來自豬的液體糞肥來講，停留時間為約1-7天，例如約3-6天，例如約3-4天，通常是合適的。待處理的液體一般通過反應(yīng)器下部的入口泵入反應(yīng)器，出口通常位于稍低于液體表面處。反應(yīng)容器的底部優(yōu)選是圓錐形的，由此使任何沉積的粒子或淤渣必要時通過底部的出口除去?？梢哉{(diào)節(jié)反應(yīng)器中液體的水平，例如通過反應(yīng)容器底部或底部附近的壓力計，壓力計功能上與閥相連接，所述閥例如放在超濾單元的下游，該超濾單元根據(jù)需要自動使?jié)B透物返至反應(yīng)容器，以保持反應(yīng)器中液體的所需水平。
雖然攪拌反應(yīng)器的內(nèi)容物是可能的，但通常不需要這樣做，因為在優(yōu)選的實施方案中，反應(yīng)器的設(shè)計將使得自動提供反應(yīng)器內(nèi)合適的液體流量，因此提供內(nèi)容物的充分的混合。通常，當(dāng)液體入口在罐底部，而液體出口在液體上表面附近時，其結(jié)果會發(fā)生這種情況。優(yōu)選考慮Stoke定律來設(shè)計罐本身，以產(chǎn)生使較重粒子尤其是無機(jī)粒子例如粘土粒子沉積而較輕粒子尤其是有機(jī)物質(zhì)粒子仍懸浮的流動。
反應(yīng)容器內(nèi)的溫度可以根據(jù)需要而變化，但是通常適合嗜溫細(xì)菌，例如在約20-40℃的范圍，例如約30-40℃。在許多情況下，約35-37℃的溫度是最有利的。如果合適，根據(jù)存在的細(xì)菌的類型，使用更高或更低的發(fā)酵溫度當(dāng)然是可能的。對包括處理液體肥料在內(nèi)的大多數(shù)目的而言，負(fù)責(zé)厭氣發(fā)酵的細(xì)菌僅僅是天然存在于所討論的液體廢料中的那些細(xì)菌。然而，也考慮通過向沼氣反應(yīng)器或液體中加入一種或多種所需的細(xì)菌培養(yǎng)基以增補固有細(xì)菌，這在某些情況下可能是有利的。
將沼氣反應(yīng)器設(shè)計成具有用于預(yù)期類型和數(shù)量的待處理液體廢料的適當(dāng)大小當(dāng)然是重要的。除了這產(chǎn)生優(yōu)化發(fā)酵這一事實以外，將反應(yīng)器中的有機(jī)組分充分降解以避免超濾器中蛋白質(zhì)或脂肪污垢也是重要的。當(dāng)被處理的廢料是來自家畜的液體糞肥時，沼氣反應(yīng)器中的有機(jī)物負(fù)載因此優(yōu)選低于每天每立方米約10kg揮發(fā)性固體，例如每天每立方米不多于約8kg揮發(fā)性固體，優(yōu)選每天每立方米不多于約5kg揮發(fā)性固體。然而，對其它類型的液體廢料而言，反應(yīng)器中的負(fù)載(kgVS/m3/d，根據(jù)DS 2071985以在550點燃1小時的損失確定)可以更大。例如，據(jù)信，當(dāng)處理酒廠廢料時，大約不超過約20kg VS/m3/d的負(fù)載將是適合的，因為上述廢料中的糖和醇含量加速了發(fā)酵過程。
發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣通過反應(yīng)容器頂部或頂部附近的出口而從反應(yīng)器除去。在進(jìn)一步優(yōu)選的實施方案中，當(dāng)沼氣含有硫化氫時，對該氣體，通常與空氣混合之后，進(jìn)行脫硫以除去硫化氫。脫硫過程可以用已知方法進(jìn)行，例如用赭石礦過濾器、鐵屑過濾器、氫氧化鐵過濾器、樹皮過濾器或Sulphint洗滌方法。得到的沼氣主要含有甲烷、一些二氧化碳和很少量的其它氣體，因此非常適用于產(chǎn)生熱和/或動力的例如燃?xì)獍l(fā)動機(jī)或發(fā)電機(jī)。下面結(jié)合超濾步驟的討論更詳細(xì)解釋了這一點。
3．超濾如上所述，從沼氣反應(yīng)器的液體中分離出基本上無菌且不含粒子的滲透物，優(yōu)選通過膜分離技術(shù)，尤其是通過超濾。在優(yōu)選的實施方案中，超濾器留住的含有細(xì)菌和懸浮的有機(jī)物料的餾分返至沼氣反應(yīng)器，例如被加入到從緩沖罐泵壓至反應(yīng)容器的未處理廢液中。通過將此餾分導(dǎo)回至反應(yīng)容器，改善了有機(jī)組分的的降解，而且加速了、發(fā)酵，因為發(fā)酵過程中的活性細(xì)菌返回到反應(yīng)器。正如上面所解釋的，從超濾單元排出的滲透物還可用于幫助調(diào)節(jié)反應(yīng)容器中的液體水平。因此，優(yōu)選超濾單元的容量大于進(jìn)入反應(yīng)器的液體日流量及從超濾器排出以進(jìn)一步處理的滲透物相應(yīng)流量的嚴(yán)格必需的容量。因此，通過以下二者的結(jié)合，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器的液體流量1)從緩沖罐進(jìn)入的高有機(jī)物質(zhì)含量的液體，它與從超濾單元返至反應(yīng)器的一定量的液體混合，以及2)來自超濾單元的滲透物。這使得反應(yīng)器中的液體體積和液體中的有機(jī)物質(zhì)含量得以“細(xì)調(diào)”，以便于對任何給定的條件可以優(yōu)化厭氣發(fā)酵過程。
在尤其優(yōu)選的實施方案中，用管式超濾膜進(jìn)行超濾。通常，膜的截止值(cut-off)為約10，000-30，000道爾頓，優(yōu)選約15，000-25，000道爾頓，例如約20，000道爾頓，直徑約5-30mm，例如約5-25mm，例如約8-20mm，例如約10-15mm。這樣的管式超濾膜體系的非限制性例子如下超濾器由若干相同大小的組件構(gòu)成，在給定體系中的組件數(shù)根據(jù)處理設(shè)備的大小確定。每個組件由內(nèi)徑12.5mm、長19米的管構(gòu)成。將管彎曲使其裝進(jìn)長度為3米的鋁殼，將膜管密封，每端用防水的環(huán)氧密封劑密封。超濾器膜固定在管的內(nèi)側(cè)，是非對稱的聚砜交叉流動型，平均分子量截止值為20，000道爾頓，是指只有平均分子量小于約20，000amu(原子質(zhì)量單位)的分子才能通過膜。超濾器留下的餾分在約4-6巴的壓力下，以約1.5-2.0m/s的速度，泵壓通過過濾器管，產(chǎn)生通過管的湍流。這種湍流具有交叉流動過濾的特征。過濾器組件通常安排在平行的流路上，在處理40m/天的廢料例如液體糞肥的情況下，這意味著大約60個組件的通過過濾器的循環(huán)流量大約為50-70m3/h。通過過濾器膜的滲透物收集在密封過濾器管的鋁殼中，并從這里導(dǎo)至中間滲透物罐，從那里它或者可以泵壓回至反應(yīng)器以保持反應(yīng)器中所需的液體水平，或者泵壓至氨汽提塔上游的儲罐。
通過超濾單元的液體流量通常與使對應(yīng)于整個反應(yīng)器容量的體積在幾小時內(nèi)通過超濾單元的流量一致。例如，對體積為240m3的反應(yīng)容器來講，大約50-70m3/h的體積可能通過超濾單元。從這個體積中，相對小的量作為基本上無菌且不含粒子的滲透物將從超濾單元排出，而含有細(xì)菌和懸浮的有機(jī)粒子的剩余物將再循環(huán)至反應(yīng)器。如果40m3/天的滲透物導(dǎo)至過程的下一階段，在這種情況下的停留時間平均為6天。
本發(fā)明的方法和設(shè)備的重要優(yōu)點在于，已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，這種方式產(chǎn)生的沼氣與傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的沼氣相比，具有非同尋常的高甲烷含量和相應(yīng)的低二氧化碳含量。因此，雖然通常沼氣的甲烷含量不超過約65％(重量)，二氧化碳含量至少為約35％(重量)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的沼氣通常的甲烷含量為約至少約70％(重量)，例如至少約75％(重量)，例如甲烷含量約75-80％(重量)，二氧化碳含量僅為約20-25％(重量)。據(jù)信，這是與在較高壓力下二氧化碳在水相中的溶解度比甲烷高這一事實相聯(lián)系的，所述壓力與從二氧化碳和/或甲烷混合物中分離二氧化碳的回轉(zhuǎn)吸收工藝(PSA工藝)的壓力是一致的。這導(dǎo)致了超濾膜中的分離機(jī)制，與傳遞過膜的甲烷量相比，使二氧化碳的餾分基本上傳遞過膜。所以，從超濾單元回到生物反應(yīng)器的液體富集甲烷。
這種高甲烷含量是巨大的優(yōu)點，尤其是當(dāng)沼氣用于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)時，因為低甲烷含量(例如常規(guī)沼氣中所發(fā)現(xiàn)的)使得難以正確調(diào)節(jié)燃?xì)?空氣混合物。另一方面，根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的沼氣的高甲烷含量是指，正確的滲碳不是決定性的，結(jié)果是發(fā)動機(jī)的更平穩(wěn)、更經(jīng)濟(jì)的運行。實際上，本發(fā)明產(chǎn)生了質(zhì)量接近于天然氣的沼氣。
4．氨汽提塔雖然來自超濾單元的滲透物理論上可以在反滲透單元中直接處理，但實際上由于滲透物中氨和二氧化碳的濃度相當(dāng)高，這樣做會造成反滲透中很大的困難。根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有效地除去氨及二氧化碳對其后的反滲透步驟的成功和經(jīng)濟(jì)運行是關(guān)鍵的。用于除去氨的各種方法和設(shè)備在本領(lǐng)域是已知的，雖然所用的氨汽提塔的精確性不是關(guān)鍵的，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氨汽提步驟在高溫下，任選的也在部分真空下進(jìn)行時，得到顯著改善的結(jié)果。從滲透物流中有效除去氨和二氧化碳對其后的反滲透步驟尤其重要，因為發(fā)現(xiàn)，氨和二氧化碳除去得不充分會導(dǎo)致在反滲透膜上的沉積，這樣的沉積最終要求設(shè)備停機(jī)修理和膜的可能的置換，這反過來導(dǎo)致成本大大增加，廢料處理能力降低。
雖然不希望受任何理論約束，但是據(jù)信，當(dāng)施加熱進(jìn)行氨汽提時，得到的改善的結(jié)果與下面的氨和二氧化碳的平衡方程式有關(guān)
升高溫度，碳酸/二氧化碳平衡向右移動，即向釋放氣態(tài)二氧化碳的方向移動。與之伴隨的是H+濃度的降低，即pH的升高，這反過來使銨/氨平衡向右移動，即向溶解銨向氨的轉(zhuǎn)化的方向移動。類似地，銨向氨的轉(zhuǎn)化使碳酸/二氧化碳平衡向轉(zhuǎn)化成二氧化碳的方向移動。因此，施加熱起到了改善氨和二氧化碳的除去的作用，如果該過程在部分真空下進(jìn)行，上述效果可以進(jìn)一步改善。
由于幾個原因，除去氨是重要的。其中之一在于如下事實，即與許多其它無機(jī)鹽相比，在隨后的反滲透步驟中除去銨是相對少的。因此，通常，利用反滲透除去多于大約90-95％的銨離子將是不可能的，雖然反滲透可以例如除去存在的大約99.5％的鈉離子。結(jié)果，如果通過氨汽提沒有充分地除去氨，來自反滲透的“凈化”水會含有過量氨，即超過相關(guān)法律及標(biāo)準(zhǔn)所允許的量。此外，除去幾乎所有的氨(大約98-99％)提供了從磷鹽和鉀鹽中分離氨的優(yōu)點，從而使這些最終產(chǎn)物更有用，也更有價值。
除去二氧化碳尤其重要，因為它使?jié)B透物基本上不含在其它情況下會導(dǎo)致碳酸鈣和碳酸鎂在反滲透過濾器上的破壞性沉積的碳酸氫根離子。通過除去碳酸氫根離子，使處理方法總的來說更容易、更便宜，也更可靠，而且對于給定的反滲透單元，可能得到設(shè)備作為整體的更大的總?cè)萘?，或者換句話說，可能使用比用其它方法所要求的容量更小的反滲透單元。
參照上述討論，氨汽提通常在至少約40℃的溫度下進(jìn)行，優(yōu)選至少約50℃，更優(yōu)選至少約60℃，例如至少約70℃。也可以將滲透物煮沸，以便于通過蒸餾得到氨汽提?？梢匀芜x地使用熱及低壓的組合，例如壓力為約0.25-0.75巴，例如約0.5巴，溫度為約65-85℃，例如約70-80℃。
正如上面所指出的，氨汽提方法本身不是關(guān)鍵性的，本領(lǐng)域已知的各種方法都能夠適合本發(fā)明的需要。EP 0494154-A中描述了合適的方法及設(shè)備的例子。在優(yōu)選的實施方案中，壓縮蒸發(fā)器提供了熱和低壓，所述熱通過蒸發(fā)的液體的冷凝提供。
作為使用熱及低壓的組合的可供選擇的方案，僅用加熱，即在大氣壓下也可以除去氨和二氧化碳。在這種情況下，僅將滲透物加熱至足以餾出氨和二氧化碳的溫度。在進(jìn)一步優(yōu)選的實施方案中，通過為提供熱和動力而燃燒沼氣，例如煙道氣產(chǎn)生的過量熱可以提供用于這一方法的熱。
因為氨和二氧化碳均從滲透物中有效地除去，所以它們往往形成以碳酸氫銨形式沉淀的鹽。然而，它可以容易地從氨汽提塔中除去，例如通過與蝸桿泵結(jié)合的機(jī)械萃取方法。
因為從滲透物中除去氨和二氧化碳伴隨著pH的升高，所以，從氨汽提塔排出的養(yǎng)分鹽餾分的pH值通常為約9-10。在隨后的反滲透步驟中，為防止尤其是磷酸鹽在膜上的沉積，希望pH更低，因此在反滲透步驟之前，應(yīng)將養(yǎng)分鹽餾分的pH降至低于約7.0。通常，將pH調(diào)至約6.5。可以使用任何合適的酸，特別是無機(jī)酸，例如磷酸、硝酸、鹽酸或硫酸。優(yōu)選的酸是磷酸。
5．反滲透通過氨汽提塔以后，滲透物由養(yǎng)分鹽餾分組成，其中，已經(jīng)除去基本上所有的氨和二氧化碳，養(yǎng)分鹽餾分的pH已調(diào)至如上所述的適當(dāng)水平。然后，用膜分離技術(shù)尤其是反滲透單元對該養(yǎng)分鹽餾分進(jìn)行進(jìn)一步提純，這完成了處理過程中的最后步驟，即將養(yǎng)分鹽分離以產(chǎn)生化肥提濃物餾分和水餾分。在該步驟中除去的養(yǎng)分鹽尤其是磷鹽和鉀鹽，反滲透步驟之后剩下的水是純凈的、可飲用的水，符合世界衛(wèi)生組織對飲用水的要求。
例如，用以錐形構(gòu)造排列的傳統(tǒng)的螺旋形反滲透膜單元進(jìn)行反滲透步驟。膜是例如通常用于脫鹽的聚酰胺微咸水類型。
反滲透可以作為連續(xù)工藝或間歇工藝進(jìn)行。然而，在優(yōu)選的實施方案中，反滲透作為進(jìn)料間歇工藝進(jìn)行。這可以，例如用濃縮罐進(jìn)行，例如體積為約2m3的濃縮罐。在循環(huán)開始，濃縮罐裝滿泵至反滲透膜的滲透物。從反滲透單元除去清水，而反滲透膜留住的滲透物返回到濃縮罐進(jìn)一步加工。經(jīng)過一段時間例如約12-14小時以后，罐中濃縮的滲透物的體積已經(jīng)降至例如原始滲透物體積的大約20％。此時，從罐中除去濃縮的滲透物(化肥提濃物)，然后在開始新的循環(huán)前對罐進(jìn)行清洗。
根據(jù)本發(fā)明將液體肥料或其它液體有機(jī)廢料分離成各種最終產(chǎn)物(清水、氨提濃物、P/K化肥提濃物、纖維堆肥和沼氣)，使得明顯改善了廢料中各種組分的利用，而且相應(yīng)地明顯降低了環(huán)境影響。用這種方法，將液體肥料中多達(dá)98-100％的有機(jī)物質(zhì)循環(huán)成有用的產(chǎn)物實際上是可能的。而且，本發(fā)明使得得到包含家畜的分隔間的內(nèi)部環(huán)境的明顯改善成為可能，因為可以設(shè)計立即除去液體肥料的分隔間。結(jié)果，從這樣的分隔間基本上除去氨是可能的，可以建造沒有用于液體糞肥的任何大規(guī)模儲存設(shè)備的分隔間，因為糞肥可以引出分隔間，基本上立即處理。
上述處理設(shè)備的另一個重要的優(yōu)點在于，它的設(shè)計需要的維護(hù)很少。這尤其是因為如下事實，即最初的處理步驟防止了超濾器的結(jié)垢，以及有效地除去氨和二氧化碳防止了反滲透膜的結(jié)垢。其結(jié)果是明顯改善了處理方法的總效率和經(jīng)濟(jì)性，因為基本上消除了為清洗或替換過濾器和膜目的的設(shè)備的定期停機(jī)。
此外，因為需要很少的常規(guī)維護(hù)，整個體系非常適用于自動的計算機(jī)管理。例如，可以通過揮發(fā)性脂肪酸的自動測量來控制發(fā)酵過程，這樣的測量通常在超濾單元的下游進(jìn)行，例如用自動滴定方法。這些測量的結(jié)果然后可以用于自動調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器容器的未反應(yīng)的液體廢料的進(jìn)料，以保持反應(yīng)器中所需的有機(jī)物質(zhì)含量，以及因此的優(yōu)化發(fā)酵速率。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選的實施方案，其特別適用于處理來自例如家庭、機(jī)關(guān)院?；蚬I(yè)的污物，包括下述1．具有例如約2-3cm的開口的粗篩過濾器，用于從污物中除去相對大的物體。
2．污物的預(yù)處理過濾，以除去大小超過約1mm的纖維及顆粒，即與上面更詳細(xì)描述的預(yù)處理一致。
3．與超濾單元連接的濃縮罐，其中，超濾單元基本上與上述的一致，雖然通常用較大孔徑的超濾膜，例如平均分子截止點高達(dá)約100，000道爾頓，例如約20，000～約100，000道爾頓，取決于處理的廢料的本性。來自濃縮罐的液體的超濾通常使得滲透物的體積為加到濃縮罐中的液體的總體積的大約80％，以及提濃物體積為加到濃縮罐中的液體總體積的大約20％。
在該實施方案中，濃縮罐中并不發(fā)生厭氧發(fā)酵，結(jié)果，進(jìn)行超濾的液體將含有顯著量的大分子材料(蛋白質(zhì)和脂肪)，這些大分子材料往往收集在超濾膜上。超濾膜因此需要定期清洗，例如一天一次，通常花約4-6個小時。所以，濃縮罐的設(shè)計使得它可以容納比多數(shù)時間實際上存在于罐中的體積大得多的體積，從而使?jié)饪s罐也起到緩沖罐的作用，在超濾單元因清洗超濾膜而停止運行期間，待處理的液體可以流入其中。
4．用于處理來自超濾單元的滲透物餾分的第一反滲透單元。
5．來自超濾單元的提濃物餾分進(jìn)行基本上如上面更詳細(xì)描述的處理過程，即用沼氣反應(yīng)器、超濾單元和氨汽提塔的組合。
6．來自上面(4)中提到的第一反滲透單元的滲透物與來自上面(5)中提到的氨汽提塔的滲透物(養(yǎng)分鹽餾分)混合，該混合滲透物進(jìn)行反滲透。這種情況下的反滲透單元基本上如上面更詳細(xì)描述的，但是通常加工成處理大得多的體積的液體。
作為例子，本發(fā)明實施方案中的濃縮罐可以具有的尺寸為例如約200m3，適合約同樣污物體積的日常處理。然而，濃縮罐中液體的體積一般要少得多，例如約50m3，除了超濾單元因清洗超濾器而停止運行的那些期間之外。在這些期間中，液體將繼續(xù)流入濃縮罐，以使液體的水平顯著升高，直到超濾單元又開始運行，此時，罐中的液體量將相對快地降至平衡水平，例如約50m3。通常，加到濃縮罐中的總液體體積的大約80％，或在這種情況下大約160m3/d，將作為滲透物從超濾單元排出，而剩下的大約20％，即這種情況下的大約40m3/d，將從濃縮罐中除去，用上面(5)中提到的沼氣反應(yīng)器、超濾單元和氨汽提塔進(jìn)一步加工。
液體在沼氣反應(yīng)器中處理之前，為得到有機(jī)物質(zhì)含量較高的液體廢料，對原始有機(jī)物質(zhì)含量低于約0.5-1％(以重量計)的液體，優(yōu)選使用濃縮罐，而當(dāng)有機(jī)物質(zhì)含量高于約1％(以重量計)時，通常不進(jìn)行這樣的濃縮步驟。
附圖描述

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的處理設(shè)備的基本組成。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明處理的液體糞肥的質(zhì)量平衡示意圖。
圖3表示適合處理來自例如家庭或機(jī)關(guān)院校的污物的處理設(shè)備。
在圖1中，處理設(shè)備包括用于收集來自分隔間內(nèi)的家畜的液體糞肥的收集罐2。泵4將來自收集罐2的液體糞肥泵至過濾單元6，過濾單元6將液體糞肥分離成纖維餾分8和液體餾分10，液體餾分10收集在緩沖罐12中。液體通過泵14從緩沖罐12傳至沼氣反應(yīng)器16，在其中進(jìn)行厭氣發(fā)酵。在反應(yīng)器頂部或在頂部附近的出口使沼氣18從反應(yīng)器除去。沼氣18然后優(yōu)選與空氣混合，隨后在脫硫單元(未示出)中處理以除去硫化氫。來自反應(yīng)器16的液體通過泵20傳至超濾單元22，超濾單元22從反應(yīng)器內(nèi)的液體中分離基本上無菌且不含顆粒的滲透物流。壓力計(未示出)位于反應(yīng)器16底部或底部附近，壓力計與閥24接觸，閥24根據(jù)需要使部分滲透物26返回至反應(yīng)器16，以調(diào)節(jié)反應(yīng)器中液體的水平。剩余的滲透物28導(dǎo)至氨汽提塔30。含有被超濾單元22留住的再循環(huán)的生物量(細(xì)菌和懸浮的有機(jī)物質(zhì))的液體32與來自緩沖罐12的未處理的液體糞肥混合，并返至反應(yīng)器16用于進(jìn)一步處理。液體32優(yōu)選地先通過熱交換器34。反應(yīng)器16在底部有出口36，沉積的顆粒和殘渣可通過其除去。氨汽提塔30將滲透物分離成氨餾分38和養(yǎng)分鹽餾分40，氨餾分38含有滲透物中發(fā)現(xiàn)的幾乎所有氨和二氧化碳，養(yǎng)分鹽餾分40含有水和溶解的磷鹽和鉀鹽。養(yǎng)分鹽餾分40然后在反滲透單元42中進(jìn)行反滲透，形成包含磷鹽、鉀鹽和飲用水質(zhì)量的清水46的化肥提濃物餾分44。
圖2示意地表示加工40噸/天的液體糞肥淤漿的結(jié)果。如質(zhì)量平衡圖所示，過濾40噸液體糞肥產(chǎn)生1.2噸堆肥和38．8噸過濾淤漿。在沼氣反應(yīng)器中加工過濾淤漿產(chǎn)生880Nm3沼氣，其中大約70％是甲烷。超濾和氨汽提之后，38.8噸滲透物產(chǎn)生約1噸氨提濃物和約38噸養(yǎng)分鹽滲透物。反滲透之后，養(yǎng)分鹽滲透物轉(zhuǎn)化成6.2噸P/K化肥提濃物和31.6噸水。在圖中，VS=揮發(fā)性固體，TS=總固體。
圖3表示用于處理污物的處理設(shè)備的基本組成。在該實施方案中，處理設(shè)備包括用于從污物中除去相對大的固體的粗篩過濾器12。污物然后導(dǎo)至預(yù)處理過濾器4以除去大小超過約1mm的纖維及顆粒，隨后導(dǎo)至提濃罐6，提濃罐6與包含管式超濾膜的超濾單元8連接。來自超濾單元8的滲透物10傳至第一反滲透單元12以進(jìn)一步提純。來自提濃罐6的提濃物14然后進(jìn)行處理16(細(xì)節(jié)未示出)，該處理16包括沼氣反應(yīng)器、超濾單元和氨汽提塔的組合。來自第一反滲透單元12的滲透物18然后與來自處理16的滲透物20混合，該混合的滲透物在第二反滲透單元22中進(jìn)行反滲透。
下面的非限制性實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
該處理設(shè)備用于處理的來自豬的液體糞肥的體積約為40m3/天，液體糞肥的干物質(zhì)含量約為6重量％。每天處理的最終產(chǎn)物如下－33m3清水(滿足世界衛(wèi)生組織飲用水的標(biāo)準(zhǔn))，－1m3氨提濃物，－主要含磷鹽和鉀鹽的5m3化肥提濃物，－用于堆肥的1m3纖維材料，以及－包含約75重量％甲烷的800m3沼氣，該沼氣提供了約1520kWh的動力和約2760kWh的熱。
權(quán)利要求
1．一種處理液體形式的有機(jī)廢料的方法，該方法包括使液體在沼氣反應(yīng)器中進(jìn)行厭氣發(fā)酵，從沼氣反應(yīng)器分離基本上無菌且不含顆粒的滲透物流，用氨汽提塔對滲透物流進(jìn)行處理以形成氨餾分和養(yǎng)分鹽餾分，將養(yǎng)分鹽餾分分離成化肥提濃物餾分和水餾分，其中用氨汽提塔處理滲透物流是在高溫下進(jìn)行。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在沼氣反應(yīng)器中發(fā)酵之前，從液體中分離大小超過約1mm的纖維和顆粒。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中，從沼氣反應(yīng)器分離滲透物流是通過超濾進(jìn)行，并且其中被超濾留住的細(xì)菌和懸浮的有機(jī)物質(zhì)返至沼氣反應(yīng)器。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中用管式超濾膜進(jìn)行超濾。
5．根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的方法，其中通過反滲透將養(yǎng)分鹽餾分分離成化肥提濃物和水餾分。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中在反滲透步驟之前，將養(yǎng)分鹽餾分的pH值降至低于約7.0。
7．根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的方法，其中氨汽提在至少約40℃的溫度下進(jìn)行，優(yōu)選至少約50℃，更優(yōu)選至少約60℃，例如至少約70℃。
8．根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項的方法，其中，由燃燒沼氣反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣，例如煙道氣，提供氨汽提塔的加熱。
9．根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項的方法，其中氨汽提在低壓下進(jìn)行。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中用約0.25-0.75巴的低壓例如約0.5巴與約65-85℃的溫度例如約70-80℃的組合進(jìn)行氨汽提。
11．根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的方法，其中的有機(jī)廢料是來自家畜生產(chǎn)的液體糞肥。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，沼氣反應(yīng)器中的有機(jī)負(fù)載不多于約5kg揮發(fā)性固體/m3/天。
13．根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的方法，其中的有機(jī)廢料是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、機(jī)關(guān)院?；蚣彝U水。
14．用于處理液體形式的有機(jī)廢料的設(shè)備，該設(shè)備包括沼氣反應(yīng)器、從沼氣反應(yīng)器內(nèi)的液體中分離基本上無菌且不含顆粒的滲透物流的裝置、將滲透物流分離成氨餾分和養(yǎng)分鹽餾分的氨汽提塔以及將養(yǎng)分鹽餾分分離成化肥提濃物和水餾分的裝置，其中的氨汽提塔包括用于加熱滲透物流的加熱裝置。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，該設(shè)備還包括在液體進(jìn)入沼氣反應(yīng)器之前，用于從所述液體中分離大小超過約1mm的纖維及顆粒的過濾裝置。
16．根據(jù)權(quán)利要求14或15的設(shè)備，其中，用于從沼氣反應(yīng)器內(nèi)的液體中分離基本上無菌且不含顆粒的滲透物流的裝置，包括超濾單元，還包括使超濾單元留住的細(xì)菌和懸浮的有機(jī)物質(zhì)返至沼氣反應(yīng)器的裝置。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，其中的超濾單元包括管式超濾膜。
18．根據(jù)權(quán)利要求14-17中任一項的設(shè)備，其中，用于將養(yǎng)分鹽餾分分離成化肥提濃物和水餾分的裝置包括反滲透單元。
19．根據(jù)權(quán)利要求14-18中任一項的設(shè)備，其中的氨汽提塔還包括用于提供低壓的壓縮裝置，例如運轉(zhuǎn)以提供低壓和熱的壓縮蒸發(fā)器。
20．根據(jù)權(quán)利要求14-18中任一項的設(shè)備，其中的加熱裝置采用燃燒沼氣反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣例如煙道氣所得到的過量熱。
21．根據(jù)權(quán)利要求14-20中任一項的設(shè)備，該設(shè)備還包括用于自動控制發(fā)酵過程的裝置和用于自動調(diào)節(jié)進(jìn)入沼氣反應(yīng)器的未處理液體廢料的進(jìn)料的裝置。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，其中所述用于自動控制發(fā)酵過程的裝置包括用于自動測量揮發(fā)性脂肪酸的裝置，其與將沼氣反應(yīng)器中的有機(jī)物質(zhì)含量調(diào)至所需的定點值的裝置相配合，該定點值以揮發(fā)性脂肪酸的測量值計。
23．根據(jù)權(quán)利要求14-22中任一項的設(shè)備，該設(shè)備還包括用于測定反應(yīng)器中的液體量的裝置，該裝置與用于將反應(yīng)器中的液體量調(diào)至所需定點值的裝置相配合。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中，用于測定反應(yīng)器中的液體量的裝置包括位于反應(yīng)器容器底部或底部附近的壓力計，該壓力計與超濾單元下游的閥相配合，該閥自動使?jié)B透物返回到反應(yīng)器，以必要地維持反應(yīng)器中所需的液體水平。
25．產(chǎn)生富甲烷的沼氣的方法，該方法包括使液體形式的有機(jī)廢料在沼氣反應(yīng)器中進(jìn)行厭氣發(fā)酵，其中對來自沼氣反應(yīng)器的液體進(jìn)行超濾以得到富二氧化碳的滲透物餾分和富甲烷餾分，所述富甲烷餾分返至沼氣反應(yīng)器以產(chǎn)生甲烷含量提高的沼氣。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中用管式超濾膜進(jìn)行超濾。
27．根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中超濾膜的平均分子量截止值為約10，000-30，000道爾頓，優(yōu)選約15，000-25，000道爾頓。
28．權(quán)利要求25-27中任一種方法生產(chǎn)的沼氣混合物，所述沼氣混合物包含至少約70體積％的甲烷和至多約30體積％的二氧化碳。
29．根據(jù)權(quán)利要求28的沼氣混合物，該混合物包括約70-90％的甲烷和約10-30％的二氧化碳。
30．根據(jù)權(quán)利要求29的沼氣混合物，該混合物包括約75-80％的甲烷和約20-25％的二氧化碳。
全文摘要
處理液體形式的有機(jī)廢料如來自家畜的液體糞肥的方法和設(shè)備,該方法包括:從所述液體過濾纖維和顆粒,使液體在沼氣反應(yīng)器中進(jìn)行厭氣發(fā)酵,從沼氣反應(yīng)器中分離基本上無菌且不含顆粒的滲透物流例如用超濾,用氨汽提塔在高溫、優(yōu)選在低壓下對滲透物流進(jìn)行處理以除去基本上所有的氨和二氧化碳,形成氨餾分和養(yǎng)分鹽餾分,分離養(yǎng)分鹽餾分成為化肥提濃物餾分和水餾分,例如用反滲透。該方法的最終產(chǎn)物是清水、氨提濃物、含磷鹽和鉀鹽的化肥提濃物,堆肥及高甲烷含量的高質(zhì)量沼氣。
文檔編號C02F11/04GK1284938SQ9881370
公開日2001年2月21日 申請日期1998年2月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月20日
發(fā)明者B·諾達(dá)爾 申請人:生物掃描有限公司