利用有机废物生物消化生产高含量甲烷沼气的厌氧工艺

摘要

本发明涉及一种利用厌氧生物消化设备增加高含量甲烷沼气(9)产量的生产工艺，同时产生电能(11)和热能。此工艺尤其依赖于针对于此工艺的生物技术、计算机硬件和软件的发展和应用。一个或多个加速装置(4)用来加速有机废物(1)中原有产生甲烷的细菌的增殖，先从厌氧生物消化器(3)中取出一部分有机废物，使其中的产生甲烷的细菌显著增殖后再送回厌氧生物消化器。产生甲烷的细菌数量的增加和稳定，以及细菌所需营养物质的增加，使得厌氧生物消化器(3)中沼气(9)的产量增加，沼气中甲烷所占百分比也随之增加。此工艺由一个自动的专家系统(5)控制，此专家系统控制着工艺的生物、化学和物理参数的变化，并且监控着设备自动化控制系统(6)运行，为堆肥(7)生产系统与废水和泥浆处理设备(8)提供命令和处理方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用生物消化设备生产高含量甲烷沼气的厌氧工艺， 生产的沼气可用于产生电能和热能。此工艺尤其依赖于针对于此工艺的生 物技术、计算机硬件和软件的发展和应用。此工艺系统可以提高和稳定要 处理的废物中原有产生甲烷的细菌的数量。这些产生甲烷的细菌在繁殖和 滋养中数量增加，稳定性增强，可提高沼气的产量和这些特有沼气中甲烷 所占的百分比。此工艺系统由一个自动专家系统控制着工艺中生物、化学 和物理参数的变化，使之达到想要的结果。

背景技术

众所周知，生物消化的厌氧工艺从古代开始人们就已经开始研究并应 用，主要用于处理生活污水、农业以及牛和猪的饲养。在饲养领域应用中， 大多用于处理牛和猪的粪便。根据具体废物所含易分解固体多少的不同， 每种废物都有用来生产沼气的可能。一些文献中列出了一些表格，以m3/ton 为单位给出了多种废物每吨可生产沼气的立方米数。

其中，沼气中甲烷所占的百分比通常在55％到70％的范围内。事实上， 由于部分废物自然发酵，工艺很难控制，所以很少能达到更高的水平,但在 生物消化期间(平均30-40天)平均值达到70％是有可能的。现在，通过厌 氧工艺进行生物消化已经被认为是一种处理废物、产生一定能量的可持续 发展方式。

一些系统已经被研发出来，并依靠这些技术工艺获得了专利权，这些 技术工艺中，有机废物主要是通过干法、半干法、湿法或特别的方法在消 化池中被消化处理。除了考虑技术进步的因素之外，多年来人们关于有机 污染废物的研究和专利申请，第一目的是设备，其次是生产能源。

生产能源的主要成就和改进之处是：

1.通过向消化池中添加不同于基质的有机物质增加细菌的活性，该有 机物质往往是农作物(如谷物)。

2.通过一个具有计时器的剂量系统添加营养物质，补偿C:N:P的比例 平衡(碳、氮和磷)。

3.添加从其他国家，主要是美国，进口的生物酶、细菌或生物技术产 品。

4.机械和电子的自动化系统(自动操作、仪器、泵、节流阀、发动机 等)。

参考资料：

a)文献。

ANGELIDAKI,I.；Ellegaard,L.&Ahring,B.K.,(1999)生产沼气 的复杂基质的厌氧生物转化综合模型，生物技术和生物工程，63:363–372；

BOUALLAGUI,H.；Lahdheb H.；Ben Romdan,E.；Rachdi,B.&Hamdi, M.(2009)水果和蔬菜废物厌氧消化性能的改进和基质的稳定，环境管理 日报，90:1844–1849；

BRAUN,R.；Weiland,P.&Wellinger,A.(2009)能源作物消化分解 产生沼气，国际教育协会生物能，任务37；

FERNANDO LUCIANO MERLI DO AMARAL(2004)dos resíduos  sólidos urbanos:um panorama tecnológico atual,Instituto de  Pesquisas Tecnológicas do Estado dePaulo；

LOPOINFANTE DALOPO CARVALHO(2010)do  potencial dede biogás a partir de biomassa proveniente de  culturas dedicadas de ETARI,Instituto Superior de Agronomia  Universidade Técnica de Lisboa；

DANIELE OLMETTO(2008)Codigestione anaerobica di fanghi di  depurazione e frazione organica de R.U.,Alma Mater Studiorum– Universitàdi Bologna Facoltàdi Ingegneria Corso di Laurea in  Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio-Tesi di Laurea in  Ingegneria Sanitaria Ambientale LS；

b)专利。

PATENTE MU8502073-7U-Data de Depósito16/09/2005Data de :29/05/2007(RPI1899)；

PATENTE PI01000529-3A2-Data de Depósito25/02/2010Data de :18/10/2011(RPI2128)；

PATENTE PI0617206-7A2-Data de Depósito15/09/2006Data de :19/07/2011(RPI2115)；

PATENTE PI0600734-1A-Data de Depósito06/03/2006Data de :20/11/2007(RPI1924)；

PATENTE PI1000523A2-Data de Depósito25/02/2010Data de :18/10/2011(RPI2128)；

EP 2248886 A2；

US 005942116；

US 004274838；

US 2010/0159571A1。

问题。

现有应用方案的主要问题列举如下：

方案1、2中包含有使成本增加的营养物质或谷物，而且方案2中有机 废物在消化池中滞留的时间会更长。

方案3中，通过增加细菌和生物酶，使得消化池中沼气产量增加了30％， 但就生物安全而言，要承担一定的风险，受进出口规定的限制，环境局很 难给予相关授权。

方案4生产率低，原因在于生物平衡控制力小，且缺少工艺管理，特 别是沼气生产的优化管理。

必须考虑到，完成生物消化过程所需时间平均在30-40天，在使用中， 消化池的容积要很大，其必须等于完成生物消化过程所需天数乘以每天加 载的生物数量的体积。我们必须考虑到，事实上，每天投入的物料在消化 池中，经30-40天的生物消化，都会变成残留的泥浆，泥浆经过脱水后变 成堆肥，最后从消化池中移走。除了消化池的尺寸更大会导致成本增加外， 还必须考虑万一设备停止运行，重新开启设备所需的时间和产生的额外费 用，这些都要等到消化池完成排水后才能确定。

最后，我们必须考虑到，为了遵守法律，一般的方案都会优先考虑减 少污染物的排放，但由于存在部分不利的消化，最终生产出的堆肥质量较 差。

通常的解决方案。

此方案的出发点是厌氧生物消化分析方法的反向换位，优先考虑污染 物的处理问题。这样，根据现行的法律，处理工艺主要朝减少废物的污染 费用方向改进，不去过多关注被处理的废物潜在能量的充分利用。

发明内容

本发明，优先考虑废物潜在能量的充分利用，也就是优先考虑尽可能 高的沼气产量和能量产量。考虑到废物丰富的潜在能量，优先改善整个工 艺的管理，使得沼气的质量和产量提高且稳定。

根据科学文献、研究和实际应用中已有的技术，本发明，以各种有机 废物和它们的潜在能量为基础，加速产生甲烷的细菌的增殖及其稳定性。 为了达到这个目标，考虑到具体工艺中产生甲烷的细菌的活性、营养物质 平衡和其他工艺变量，如pH值、温度等会不断发生变化，系统从一开始就 根据先前每道工序预先模拟的规则实时监测处理工艺。

为了生产甲烷，系统监测进而干预产生甲烷的细菌的增殖过程，并通 过硬件-软件系统监测其他所有工艺的物理、化学参数变化，加快产生甲烷 的细菌的增殖速率和数量，同时稳定微生物的活性。

生物技术和计算机装置构成了本发明的实质：利用已开发的生物催化 剂，将生物培养工艺通过专家系统和生物厌氧消化系统结合成一体，通过 专用的控制软件根据规则数据库控制相应连接的硬件。

附图说明

图1为本发明中利用厌氧生物消化设备生产高含量甲烷沼气的工艺流 程图；

1 有机废物，用于供给设备；

2 储存混合搅拌器；

3 厌氧生物消化器；

4 加速装置(加速器)；

5 专家系统；

6 设备自动化控制系统；

7 堆肥；

8 废水和泥浆处理设备；

9 沼气；

10 涡轮机或发动机；

11 发电机；

12 净化水池；

13 沼气过滤器；

图2所示为加速设备(4)的功能原理和组成示意图；

41 防渗罐；

42  混合、回收和再装载部件；

43  控温部件；

44  加入添加剂和营养物质的部件；

45  检测传感器，用于检测如下参数：

压力  (P)；

甲烷百分比  (CH₄)；

沼气流；

温度  (T)；

碳、氮和磷之比(C:N:P)；

酸碱度  (pH值)；

导电率  (mS)；

含氧量减少  (Rdx)；

混浊度  (TU)；

46  生物取样和分析部件；

47  化学物质pH值控制部件；

48  沼气储存罐；

图3所示为专家系统(5)的功能组成原理示意图；

501 加速装置(4)的可编程逻辑控制器PLC(501)和电子自动控制器；

502 主控台；

503 程序和数学模型服务器；

504 数据库服务器；

505 整个设备的自动化控制系统(6)的接口；

506 连接和自动操作程序；

507 监控程序；

508 规则制定程序；

509 专家系统数据输入；

510 数据库制作程序；

图1、2和3所示的体系中，线条遵从功能图示国际惯例，尤其是虚线 和斜虚线表示电气连接，波浪线与直线重叠的线表示气路，连续的直线表 示功能服务连接，物料流动由一条较粗的虚线表示。

具体实施方式

如图1所示，有机废物(1)被装载到储存混合搅拌器(2)中搅拌均 匀，储存混合搅拌器(2)具备有机废物日耗量3-4倍的累积储存量，以保 证厌氧生物消化器(3)的连续进料。虽然厌氧生物消化器的总容积比传统 设备减小30％-40％，但这却是投放有机废物(1)的最好处理方式。通过加 速装置(4)和专家系统(5)的联合使用，实现产生甲烷的细菌的加速增 殖，相应地缩短了工艺所需的时间。首先在储存混合搅拌器(2)中连续酸 化进行初步水解阶段，然后在厌氧生物消化器(3)中进行产生甲烷的阶段。

我们分别从厌氧生物消化器(3)上面的储气罐得到高含量甲烷的沼气 (9)，在排出口处经分离水分后得到堆肥(7)。

得到的沼气(9)在送到发动机或涡轮机(10)驱动发电机(11)之前， 需经净化除去有害污染物，并经过滤器(13)提纯。从离开厌氧生物消化 器(3)的堆肥(7)中分离出的水经过废水和泥浆处理设备(8)处理后储 存在净化水池(12)中。

在专家系统(5)的监控下，设备自动化控制系统(6)对设备进行自 动管理。

产生甲烷的细菌的加速增殖通过如下步骤实现：

-a)通过各种方式收集等于厌氧生物消化器中日加载量分数K的有机废 物送至一个或多个加速装置(4)，加速有机废物(1)中的厌氧消化菌增殖， 直到最后厌氧消化菌的浓度Cf等于开始时浓度Ci的M倍。

-b)一旦产生甲烷的细菌达到最终浓度Cf，要收集的有机废物离开加 速装置(4)中并送入厌氧生物消化器(3)，优选地但不唯一地，在同一个 厌氧生物消化器(3)的入口处与所有日加载量的有机废物混合。

-c)步骤a)到b)提到的上述操作不断循环，每个循环持续的时间为D， 分数K的值在10^-3到10^-1之间，参数M的值在10³到10⁷之间，参数D的值 在8小时到24小时之间变化。

如图2所示，本发明中，加速装置(4)包括一个产生甲烷气体的防渗 罐(41)，还包括如下部件：

-a)混合、回收和再加载部件(42)。

-b)控温部件(43)，用于将加速装置中的温度控制在20℃到65℃之间。

-c)加入添加剂和营养物质的部件(44)，用于保证碳、氮和磷的平衡。

-d)检测传感器(45)，用于测量和分析温度(T)、压力(P)，甲烷(CH4) 含量百分比、沼气中碳、氮和磷的比值(C:N:P)、酸碱度(pH值)、导电率 (mS)、含氧量减少(Rdx)和混浊度(TU)。

-e)生物取样和分析部件(46)，用于检测细菌增殖情况。

-f)化学物质pH值控制部件(47)，用于将化学物质的pH值控制在5 到8。

-g)沼气储存罐(48)，用于在过滤之前储存设备中产生的沼气。

上述提及的和以下更进一步详细说明的操作、规范、测量和控制，都 是为了创造一个理想的微环境，使有机废物(1)中原有的产生甲烷的细菌 能够加快增殖。

事实上，在一个完全可控环境中，减小处理废物的分数(K)，会使得 我们控制生物工艺向着预想的方向进行变得更加简单。我们认为，例如， 一个中型设备每天处理100吨有机废物(1)，仅将这些废物的一部分(分 数K＝1％)送到加速装置(4)，有机废物(1)的密度与水相近，即加速装置 (4)中的1立方米相当于1吨有机废物，与厌氧生物消化器(3)相比， 这个环境更加容易控制。因为对传统设备来说，容积需要达到3000立方米 (30天×100立方米/天)，这等于本发明设备的3000多倍。

通过混合、回收和再加载部件(42)、pH值控制装置(47)和温度控制 装置(43)，可以加速水解速度和酸解速度，这是分解组成有机废物(1) 的高分子蛋白质、脂肪和淀粉的初始阶段。这些阶段是产生甲烷的细菌作 用生成甲烷气体的初始阶段。该阶段，在基质中，有机废物(1)中呈现出 相对较低的初始浓度Ci(每克数千个)，产生甲烷的细菌与其他细菌(有氧 菌、厌氧菌和兼性厌氧菌)竞争。

由于沼气储存罐(48)中的甲烷气泡被引入，与被处理的原料对流， 且由于维持碳、氮和氧的平衡需要额外的营养物质(47)(要达到相同的效 果，传统厌氧生物消化器需要本发明3000多倍的营养物质)，我们创造了 一个非常有利于现有产生甲烷的细菌生长的环境，在这种条件下产生甲烷 的细菌会自己增殖，在相对较短的时间内达到接近每克数十亿个的浓度， 这取决于所用的基质和创造的环境条件。

产生甲烷的细菌的增殖率的控制通过上述一系列检测传感器(45)实 现，连同生物取样和分析装置(46)，用于检测细菌增殖情况。

在我们的实施例中，通过生物取样和分析装置(46)利用合适的方法 测量出产生甲烷的细菌的初始浓度为Ci＝5000个/克，这可以推导得出。通 过加速装置(4)得到的倍数因子为M＝100,000。

而且，仍以此为例，我们用加速装置(4)处理1吨有机废物(1)，优 选地通过入口部分送至厌氧生物消化器(3)，与其内的99吨有机废物混合， 则倍增因数减小到Mr＝M×K＝1000，这意味着厌氧生物消化器内原有产生甲 烷的细菌的浓度变成了原来的1000多倍，这加快了沼气(9)的生成速度， 同时也使得其中甲烷所占百分比增加了。

在此阶段，被加速增殖的产生甲烷的细菌随有机废物(1)被移走，接 着又再装入新的有机废物(1)进行新的循环，一旦产生甲烷的细菌被加速 增殖，接下来重新开始进行生物消化，持续时间D缩短了。

根据本发明的另一个实施例，分数K部分的有机废物(1)中的产生甲 烷的细菌被加速增殖后，也可以从厌氧生物消化器(3)的中间部分送回厌 氧生物消化器(3)的入口部分或相近部分，这种方式下持续时间D将会缩 短。

再者，根据本发明，在设备装载原料的初始阶段，分数K部分的有机 废物(1)可以直接从储存混合搅拌器(2)中取出，送至厌氧生物消化器 (3)的入口部分，连续进行加速增殖。

如图3所示，与加速装置(4)功能相关的操作顺序，通过专家系统自 动实现，其包括：

-a)加速装置(4)的可编程逻辑控制器PLC(501)和电子自动控制器。

-b)主控台(502)，用于通过设备的自动控制系统(6)实现加速装置 (4)及整个设备的可视化、形象化监督。

-c)程序和数学模型服务器(503)，所有管理程序和开发程序都在上面。

-d)数据库服务器(504)，控制原始产生甲烷的细菌加快增殖的微环境 的数据库。

-e)整个设备的自动化控制系统(6)的接口(505)。

-f)连接和自动操作程序(506)，它使得自动化系统的各个不同部分相 互连接。

-g)监控程序(507)，用于在线转换、可视化和工艺进程数据的记录。

-h)规则制定程序(508)，用于通过设备测得的参数变化曲线从数据 库中得出处理方法

-i)专家系统数据输入(509)，由本地操作员输入或远程输入数据。

-l)数据库制作程序(510)，在服务器中用于处理数据并组织这些数 据，以满足上述程序的需求，使其实现相应功能。

此处描述的结构用于实现对加速装置(4)中原有产生甲烷的细菌增殖 过程的完全控制。

计算程序取自对趋势的分析，在模糊逻辑模型的帮助下，与工艺的需 求一致的各参数被自动送至指令器。

以输入的近似数据为基础，系统能够根据产生甲烷的过程的需求实现 自动校正。

举例来说，系统通过规则和数学模型，能够知道细菌增殖会基于下列 因素加速：

混浊度增加；

pH值在5到6.8之间；

甲烷所占百分比增加；

沼气流量增加；

温度处于此阶段的理想范围等。

专家系统(5)还通过主控台(502)的接口(505)控制设备的自动化 控制系统(6)，使得厌氧生物消化器(3)中各参数根据增殖情况做适应性 调整，还使得加速装置(4)中创造出相同的微环境，从而达到沼气产量增 加，且其中甲烷所占百分比增加。

操作员可以在主控台(502)的屏幕上看到自动操作和工艺的进展情况。

万一出现现在的软件设置没有考虑到的新情况，操作员可以手动操作， 且系统会自动记录这种新情况。

本发明中的专家系统(5)，利用对生物消化过程监测时测得的参数和 数据分析与规则对比，对从厌氧生物消化器中提取的堆肥的处理工艺进行 修正，以提高堆肥的肥力。

本发明中的专家系统(5)，利用对生物消化过程监测时测得的参数和 数据分析，调节废水和泥浆处理设备(8)，以提高生产水的效率，并将生 产的水送入净化水罐(12)。

在图1中，为了帮助理解，我们没有展示涡轮机或发动机(10)的冷 却回路，此回路可以利用余热为厌氧生物消化器(3)适当加热，发电，被 热泵再利用，供给空调系统。

生产的沼气(9)可以用来生产甲烷，甲烷与天然气的成分非常相似， 可以在使用天然气的地方连续使用，如国内、工业或车用。

最后，本发明提出的设备，从有机废物(1)开始，可以生产电能(11)、 热能、净化水(12)和可以很容易地转化为有机肥料的堆肥(7)，且如果 需要的话，还可以生产天然气类似物质(沼气中甲烷含量提纯到97％-99％)。 所用厌氧生物消化器尺寸的减小(减小30％)，可以明确地反映出成本降低， 同时沼气产量增加了10％，这是由于充分利用了每个基质中所含的不稳定固 体，加快了生物消化。与此同时，沼气中甲烷含量增加了15％，如上所述， 甲烷含量从传统设备的平均值60％增加到了75％。