用于从含碳材料生产合成燃料的方法和生物反应器

摘要

本发明提供了一种利用堆叠颗粒生物反应器，从可生物降解的含碳材料生产燃料的方法。堆叠颗粒生物反应器由包含可生物降解的含碳材料的颗粒形成。堆叠颗粒生物反应器中可生物降解的含碳材料需氧和/或厌氧地生物转化为一种或多种合成燃料，其从反应器收集得到。用该方法生产的合成燃料可以包括合成石油、醇和/或包含甲烷的气体燃料。优选该方法包括需氧的生物处理阶段，随后为厌氧的生物转化阶段。此外公开了用于进行厌氧，和优选需氧降解的堆叠颗粒生物反应器。

说明书

发明领域

本专利文件涉及用于生物降解含碳材料成为包括例如合成油、乙 醇和/或气体燃料的合成燃料的方法和生物反应器。

发明背景

作为可能的燃料源，甲烷值早经被认可和利用。然而，因为天然 气的现行价格在BTUs方面与石油差不多相同，天然气已经从通常是石 油领域生产的副产物的低价燃料源变为值得钻探的燃料源。天然气的 增值由许多因素驱动，包括世界石油储量供应减少和日益严厉的对烧 煤电厂的环境保护法规。例如从煤炭发电释放的二氧化碳是从天然气 发电的两倍。燃烧煤炭此外产生汞蒸汽，估算其贡献超过20％的世界 汞污染。此外，燃烧煤炭可能释放砷化合物和二氧化硫。结果，现在 对于所有新燃煤的工厂和大部分的现有工厂需要昂贵的污染控制系 统。

对包含甲烷气体例如天然气和合成天然气的需要将来很可能继续 增加，不仅因为对清洁燃烧燃料的需要增加，并且因为世界对石油的 需要将持续驱动其价格升高，特别是如已知的石油储量将耗尽。此外 对甲烷的需要很可能随着氢燃料电池商品化而增加。这是因为生产氢 气最便宜的方法包括在催化剂的存在下，将甲烷和水化学转化为氢气 和二氧化碳。

为了满足对天然气的需要，美国目前每天进口约20亿立方英尺的 液化天然气(“LNG”)。进口LNG具有至少两种明显缺点。首先，进口 LNG的成本高。其次，现在世界环境中在主要海港中放置大的LNG中转 库是危险的，因为该中转库可能受到恐怖分子进攻。然而，即使在没 有恐怖主义的情况下，该中转库形成明显爆炸危险。

因为世界对甲烷气体和清洁燃烧燃料的需要增加，通常需要包含 甲烷的气体燃料的替代来源。结果，用于生产包含甲烷的气体燃料和/ 或液体合成燃料例如合成石油的经济的技术具有明显市场价值。

在美国中十九世纪后部分和二十世纪最初几个十年期间广泛使用 用作加热用燃料并得自煤或焦炭的人造气体。因为巨大的可获得性并 且一度在美国明显用不完的天然气供应，以及世界上其它少数地区， 很快停止了人造煤气。另一方面在美国1940至1970年中使用天然气增 加730％。在这期间，美国燃气工业生产313万亿立方英尺天然气。然而， 在世界其它天然气局部供应不足地区，坚持人造煤气。

历史上，煤的气化包括通过热解加热煤，碳化，或干馏，以导致 其分解和气化。由气化过程产生的燃气通常包括变化的一氧化碳、二 氧化碳、甲烷和氢气的浓度，每个组分的浓度取决于使用的特定气化 工艺。因此，虽然气化是基于加热的气化工艺中的关键步骤，必须理 解它仅是从煤形成人造或合成天然气(“SNG”)全过程的一个步骤。除 了气化步骤，该方法通常包括气体处理、气体净化、甲烷化和副产物 处理过程。此外，由于大批量和气体中的多种杂质，难以净化从煤气 化步骤产生的气体至甲烷合成所需纯度。

另一个利用已知加热气化技术煤气化的缺点是气化过程是高度吸 热过程，必须通过加入热量支付过程所需热量。这可以通过例如通过 煤与氧的部分燃烧直接提供热量，或从外部燃料源提供间接加热来实 现。然而，无论在哪种情况，气化之前，煤中包含的总能量值的重要 部分都被用于气化煤。最后，基于加热的气化方法看起来对动物或植 物废物不具有任何适用性，其中动物或植物废物二者都是重要的含碳 材料的可再生资源。

此外将有机物质生物转化为甲烷已经研究多年。在有限的氧或其 它电子受体环境中出现有机物质降解为甲烷和二氧化碳(即甲烷生成 降解)。该过程在沼泽、稻田、泥炭沼泽，以及反刍类动物肠道中是普 遍的，并且在全球碳循环中起到重要作用。实际上，全部生物甲烷生 成产生甲烷估计为500百万吨每年，使甲烷成为第二大丰富的温室气 体。

甲烷生成降解比需氧降解更缓慢并且释放能量更小。然而，需氧 的降解不产生甲烷。更重要地，甲烷生成转化仅释放完成相同有机碳 化合物需氧转化为二氧化碳和水释放能量的约15％。这是因为得到的甲 烷中储存有剩余的85％的能量用于随后的氧化。

产甲烷生物体是在厌氧或缺氧环境中产生甲烷的古生菌 (Archaea)类。它们是专性厌氧微生物，因此在它们的环境中不能允 许任何分子或离子氧。它们与其它生物体，包括细菌、原生动物、昆 虫和食草动物例如牛形成相互依赖的关系。它们使用由这些生物体产 生的简单生物化合物(例如甲酸酯、乙酸酯、甲基胺和几种醇类)和二 氧化碳作为产生甲烷的能源。

尽管产甲烷生物体依赖于发酵性生物体产生它们为了能量所依靠 的简单的有机底物，发酵性的微生物同样依靠产甲烷生物体，以除去 它们产生的氢和简单的有机化合物，以改善其能量学。该互相依赖被 称作互养合作(syntrophic cooperation)。该合作关系中，发酵性 的微生物物种发酵长链有机碳分子成为氢气和C-1和C-2化合物，用于 产甲烷生物体进料。产生的氢气和C-1和C-2化合物抑制该发酵过程。 然而，由于它们转化为甲烷，产甲烷生物体替这些发酵物种除去氢和 C-1以及C-2化合物。结果，互养(syntrophically)合作厌氧性生物 有助于将复杂的有机物质转化为甲烷和二氧化碳，极少损失初始有机 物质中包含的能量值。分子生物学中的最近的发展导致更好理解该复 杂的，但是普遍的自然过程。

在B.Schink，Energetics of Syntrophic Cooperation is Methanogenic Degradation，Microbiology and Molecular Biology Reviews，61：262-280(1997年6月)中提供了对甲烷生成降解的更深综 述并列举一些甲烷生成微生物，其在此引入作为参考。

在很久以前甲烷生成降解的生物学就被了解了，人们试图利用甲 烷生成降解生产利用其燃烧值的甲烷。例如，1935年授予Bushwell的 美国第1,990,523号专利公开了一种利用厌氧菌转化污水生产甲烷的 方法。

此外许多努力致力于就地开发微生物方法，用于转化低等级的化 石燃料成为甲烷。例如，在1974年授予Compere-Whitney的美国第3， 826,308号专利，和在1995年授予Volkwein的美国等5,424,195号专 利，其关注于处理地下矿井中留下的极低等级煤。在2003年授予 Converse等人的美国第6，5453，535号专利中，公开了就地生物转化 含烃地层中烃为甲烷的方法。Converse等人的专利中公开的方法包括 改变含烃地层的环境，以刺激地层内发现的天然微生物生长。

此外文献中公开的一些地下微生物烃转化方法在致力于增加微生 物处理的煤或油页岩沉积物的表面积中使用了爆炸物质。爆炸形成通 常所说的“碎石竖筒(rubble chimney)”。虽然碎石竖筒地层增加 转化为甲烷的速度，总转化速度仍保持相对缓慢。

生物过程还用于帮助从石油储量回收石油。例如，在1946年授予 Zobell的美国第2,413,278号专利、在1957年授予Updegraff的美国 第2,807,570号专利和在1959年授予的Hitzman美国第2,907,389号 专利教导了在通过泵送和注水已经除去40至50％所含油后，使用细菌以 从油层额外回收石油的方法。利用细菌从地下储集层回收额外石油的 方法被称作微生物增强油回收(MEOR)。

就地微生物气化和MEOR方法的一个主要限制不是用于这些取出油 的方法中的细菌的总的能力，减小粘度或将油转化为甲烷，而是与提 供在深处地下储集层或地层中微生物生长的正常环境相冲突的问题。 在这样的环境中可能遭遇多种环境因素，其单独或共同地抑制微生物 转化或降解过程至不同程度，或甚至阻止微生物转化或降解过程。这 样的环境挑战可以包括例如高温、高浓度盐或其它抗微生物剂，以及 保持油的原生岩有限的孔隙率，因为其将限制微生物与油的可及性。 虽然可以在某种程度上改变地层环境，但有时充分改变地层环境，以 对微生物活性具有实际影响是不可能和不实际的。

因此需要一种外部方法，其能够转化大量低等的化石燃料，以及 其它有机含碳材料，使其成为一种或多种合成燃料，包括甲烷和/或油。 虽然理论上可以在搅拌槽生物反应器中进行生物降解低等的化石燃 料，由于转化这样的含碳材料为油和/或气体燃料需要相对长的停留时 间，并且需要加工大量材料，以产生相对少量的燃烧值，将搅拌槽工 艺按比例扩大至工业规模的费用就过高，使搅拌槽生物反应器不是实 际选择。另一方面，非常大、低价然而相对有效率的堆积生物反应器 可以经济地释放出世界上油页岩和油砂资源中的几万亿桶油。该生物 反应器还可以用于生物气化其它有机含碳材料，包括可再生资源例如 植物和动物废物，以及其它非再生资源例如煤。该生物反应器中产生 的合成燃料(例如甲烷、醇和/或合成石油)可以有助于为本世纪余下部 分的能源缺乏的世界提供燃料。

考虑到上述，本发明的一个目的是提供新的生物反应器设计，其 用于将有机含碳材料转化成为合成燃料。此外，另一个目的是提供一 种将有机含碳材料转化成为合成燃料的新方法。

概述

本专利文件涉及用于将有机含碳材料生物转化成为合成燃料的方 法和生物反应器。所得到的合成燃料可以是例如合成石油、醇和/或包 含甲烷的气体燃料。

根据一个实施方式，堆叠颗粒生物反应器(stacked particle bioreactor)由包含可生物降解的含碳材料的颗粒形成。然后生物处 理堆叠颗粒生物反应器，以将生物反应器内含碳材料转化成为合成燃 料，然后从生物反应器收集合成燃料。合成燃料优选是合成石油、醇 和/或气体燃料。

优选选择用于形成生物反应器颗粒的尺寸和粒径分布，使得较大 百分数的含碳材料暴露于用于进行生物处理的微生物。反应器的空隙 率优选大于或等于约15％，更优选大于或等于约20％。反应器的空隙率 优选范围为约15％至35％，更优选为约20％至35％。优选空隙率在整个反 应器内是基本上均匀的。

生物反应器中处理的可生物降解的含碳材料可以包括例如油砂、 碳质岩、地沥青(asphalt)、沥青油、废油、油砂沥青(bitumen)、 焦油、焦油沥青(pitch)、油母岩质(kerogen)、橡胶和农业废弃 物。

一种或多种培养物可以用于生物处理堆叠颗粒生物反应器，每种 培养物包含单个类型的微生物或不同微生物的群。通常，培养物会包 含不同微生物的群。此外，用于在反应器中生物处理含碳材料的微生 物可以是需氧的、兼性厌氧的、或厌氧微生物。在特别优选的实施方 式中，生物处理开始为需氧微生物降解过程，然后变为厌氧的微生物 降解过程。然而，在其它实施方式中，可以合乎需要的仅进行需氧生 物处理，或仅进行厌氧的生物处理。

如果厌氧地生物处理生物反应器内含碳材料，应该将生物反应器 设计成可以将微生物的新培养物厌氧地引入生物反应器，并有效分散 在整个生物反应器内。

每种用于进行生物降解的微生物通常在生物处理期间进行下列生 物化学过程之一：1)从含碳材料产生释放天然石油的表面张力减小的 化合物或溶剂，2)将含碳材料发酵成为更小有机化合物，包括例如合 成石油、醇和/或简单的有机化合物，或3)将发酵过程产生的简单有机 化合物转化成为包含甲烷的生物气体。因此，从堆叠颗粒生物反应器 收集无论合成石油、醇、气体燃料或全部三种将取决于原料、用于进 行生物处理的微生物类型，以及生物反应器内消化含碳材料进行的程 度。

例如，虽然需氧降解有机碳化合物的主要最终产物是二氧化碳和 水，获得最终需氧降解产物中，需氧和兼性厌氧的微生物进行上述提 出的第一和第二生物化学过程。因此，达到完成之前通过停止需氧降 解反应，可以从多种含碳材料生产合成石油或醇。此外如果需要，可 以进一步消化需氧发酵阶段期间产生的全部或一部分有机化合物，并 在随后的厌氧生物处理期间转变为甲烷。因而，生物反应器内需氧发 酵产物被认为是用于本专利文件目的的生物反应器中可生物降解的含 碳材料的一部分。

厌氧降解有机碳化合物的主要最终产物是甲烷和二氧化碳。然而， 在获得这些最终降解产物中，发酵性的厌氧微生物和兼性厌氧微生物 将进行上述第一和第二生物化学过程，而产甲烷生物体将进行第三生 物化学过程。因此，当厌氧分解较大分子量碳化合物，特别是大分子 量烃时，可以从生物反应器收集合成石油产品和醇。然而，如果允许 在生物反应器中至少一些有机含碳材料上完成厌氧降解，将产生包含 甲烷的生物气体。

形成后，堆叠颗粒生物反应器将持续几个月或几年产生合成燃料。 可以收集生物反应器中产生的液体和/或气体合成燃料，并用建造期间 并入生物反应器的管网从生物反应器移去。

根据另一个实施方式，提供了一种利用堆叠颗粒生物反应器从含 碳材料生产气体燃料的方法。该方法包含步骤a)从包括可生物降解的 含碳材料的颗粒形成堆叠颗粒生物反应器；b)在生物反应器内形成支 持厌氧微生物的环境；c)将堆叠颗粒生物反应器中的可生物降解的含 碳材料厌氧生物转化成为气体燃料；和d)从生物反应器收集气体燃料。 优选该方法中产生和收集的气体燃料包含甲烷。

在特别优选实施方式中，在生物反应器内形成厌氧环境之前，需 氧生物处理堆叠颗粒生物反应器。以便需氧发酵生物反应器中的含碳 材料和/或从含碳材料释放的天然油。优选该方法还包括从堆叠颗粒生 物反应器收集油的步骤。

形成生物反应器内厌氧环境例如可以通过用不透气的阻挡层例如 粘土或塑料阻挡层覆盖堆叠颗粒生物反应器。尽管来用该阻挡经过一 定时间，反应器会自然成为厌氧的，除非将空气或氧气引入覆盖的生 物反应器中，还可以用氩气、氮气、二氧化碳、氨气或氢气吹扫生物 反应器，以加速其环境转化为支持厌氧微生物的环境。除了从反应器 吹除氧气，这些气体可以提供生物反应器中微生物需要的营养或用于 产生甲烷的前体(例如二氧化碳和氢气)。

如果可生物降解的含碳材料包括小于约0.3cm的颗粒，形成堆叠颗 粒生物反应器之前，可以合乎需要地聚集颗粒。优选得到的团聚体具 有约0.3cm至约2.54cm的粒径。替代地，可以在多种粒径大于或等于约 0.3cm，优选小于或等于约5cm，更优选小于或等于约2.54cm的底物的 表面上涂布可生物降解的含碳材料的颗粒。当底物明显地大于要涂布 在其上的可生物降解的含碳材料颗粒时，该涂布工艺是特别有利的。 对于适于涂布在底物上的含碳材料颗粒，通常它们应该具有约250μm 或更小的粒径。

根据另一个实施方式，将颗粒筛选成为两个或更多个粒级，然后 形成空隙率大于或等于约15％的多个堆叠颗粒生物反应器，每个生物反 应器由一个单独粒级的颗粒形成。如果粒级包括特别细的粒级，或大 量颗粒直径小于约0.3cm，优选用该粒级形成生物反应器之前，聚集该 粒级形成粒径为0.3cm至2.54cm范围的颗粒。

根据另一个实施方式，提供了一种利用堆叠颗粒生物反应器，将 可生物降解的含碳材料转化成为合成燃料的方法。根据该方法，堆叠 颗粒生物反应器由包含可生物降解的含碳材料的颗粒形成。用包含一 种或多种能够发酵含碳物质的需氧和/或兼性厌氧微生物的培养物培 植生物反应器。需氧发酵堆叠中的含碳物质，并从堆叠收集合成石油 和/或气体燃料。堆叠内的环境从含氧环境转变成厌氧环境，并且用包 含一种或多种厌氧微生物的培养物培植该堆叠。然后厌氧生物处理该 需氧生物处理的堆叠，以产生合成石油和/或气体燃料。最后，从厌氧 生物处理堆叠收集合成石油和/或气体燃料。

根据另一个实施方式，提供了一种利用堆叠颗粒生物反应器，将 有机含碳材料生物转化成为合成燃料的方法。根据本实施方式的方法 包含步骤：a)用有机含碳材料涂布多个粒径大于或等于约0.3cm的底 物，从而形成多个涂布底物；b)用涂布底物形成堆叠颗粒生物反应器， 该堆叠颗粒生物反应器具有大于或等于约15％的空隙率；c)在堆叠颗粒 生物反应器内形成厌氧环境；d)厌氧生物处理堆叠颗粒生物反应器， 直至堆叠颗粒生物反应器内需要量的有机含碳材料已经转变为气体燃 料；和e)从堆叠颗粒生物反应器收集气体燃料。

优选该方法中产生和收集的气体燃料包含甲烷。此外，在优选实 施方式中，还从堆叠颗粒生物反应器收集合成石油。

多个底物可以包含例如一种或多种选自油页岩、煤、岩石、沥青、 橡胶和植物废物的材料。而且，可以在该方法中用作底物的植物废物 类型包括例如选自树皮、玉米穗轴、坚果壳、木材副产物和农作物副 产物的植物废物。

涂布在底物上的有机含碳材料可以包括例如选自油砂、油页岩、 沥青油、废油、油砂沥青、焦油、焦油沥青、油母岩质、油母岩质、 煤和农业废弃物的有机含碳材料。此外，可以涂布在底物上的农业废 弃物类型包括例如粪肥、果实废物、禾杆、发酵废物和粉碎的植物废 物。葡萄皮是特别优选的果实废物形式，其可以涂布在用于生物处理 的粗糙底物上。此外，稻草是特别优选的禾杆形式，其可以涂布在生 物处理用底物上。

值得注意的是，一磅稻草的能量含量是约6,500Btu，其类似于一 些褐煤的能量含量。只在Sacramento Valley中，每年产生大约1,500， 000吨稻草。因此，从Sacramento Valley每年收成稻草中储存的能量 含量是约1.95×10¹²BTU，使其成为生产合成燃料的潜在的有价值的可 再生资源。

如此处使用那样，术语＂煤＂包括所有种类的煤，按照降低的变质 等级次序包括无烟煤、半无烟煤、半烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤、泥 炭煤、泥炭和烛煤。如果煤用作涂布在底物上的有机含碳材料，优选 煤具有烟煤或更低的变质等级，更优选泥炭或更低的变质等级。而且， 如果涂布在底物上的有机含碳材料包含煤或油页岩，优选涂层是这些 材料的浓缩物。

在特别优选的实施方式中，该方法进一步包含用不透气的阻挡层 覆盖堆叠颗粒生物反应器的步骤。不透气的阻挡层例如可以包含粘土 阻挡层或塑料阻挡层。

此外优选用包含一种或多种需氧和/或兼性厌氧的微生物的培养 物培植堆叠颗粒生物反应器。然后在生物反应器内形成厌氧环境之前， 需氧发酵生物反应器中的有机含碳材料。优选至少需氧发酵的部分期 间，对生物反应器进行通风。

可以通过需氧发酵减小生物反应器内的氧浓度，在生物反应器内 形成厌氧环境。替代地，或此外，可以用氩气、氮气、二氧化碳、氨 气或氢气吹扫堆叠颗粒生物反应器。

根据另一个实施方式，提供了一种生物将有机含碳材料转化成为 合成燃料的方法，其包括步骤：a)用聚集助剂聚集包含有机含碳材料 的颗粒，成为粒径大于或等于约0.3cm的多个团聚体；b)用该团聚体形 成堆叠颗粒生物反应器，该堆叠颗粒生物反应器具有大于或等于约15％ 的空隙率；c)在堆叠颗粒生物反应器内形成厌氧环境；d)厌氧生物处 理堆叠颗粒生物反应器，直至堆叠颗粒生物反应器内需要量的有机含 碳材料已经转变为气体燃料；和e)从堆叠颗粒生物反应器收集气体燃 料。优选气体燃料包含甲烷，如其它实施方式。此外，优选随着从生 物反应器排出，从堆叠颗粒生物反应器收集合成石油。

用于形成团聚体的颗粒可以包括多种有机含碳材料，包括一种或 多种选自油砂、碳质岩、地沥青、橡胶和农业废弃物的材料。合适的 农业废物包括例如树皮、玉米穗轴、坚果壳、木材副产物和农作物副 产物。合适的碳质岩包括任何煤和油页岩。用于形成团聚体的煤颗粒 优选具有烟煤或更低的变质等级，更优选泥炭或更低的变质等级。

该方法此外优选包括用不透气的阻挡层覆盖堆叠颗粒生物反应器 的步骤。不透气的阻挡层例如可以包含粘土阻挡层或塑料阻挡层。

此外优选用包含一种或多种需氧和/或兼性厌氧的微生物的培养 物培植堆叠颗粒生物反应器。然后在生物反应器内形成厌氧环境之前， 需氧发酵生物反应器中的有机含碳材料。优选在至少需氧发酵的部分 期间，对生物反应器进行通风。

可以通过需氧发酵减小生物反应器内的氧浓度，在生物反应器内 形成厌氧环境。替代地，或此外，可以用氩气、氮气、二氧化碳、氨 气或氢气吹扫堆叠颗粒生物反应器。

还可以用液体或半液体的含碳材料例如沥青油、废油、油砂沥青、 焦油、焦油沥青和油母岩质涂布多个团聚体，以增加生物反应器内的 含碳材料的浓度，并为微生物提供容易生物降解的有机化合物源，以 在生物反应器内进行生物降解。

根据另一个实施方式，提供了一种将有机含碳材料转化成为合成 燃料的方法，其包括步骤：a)提供粒径小于约5.0cm的固体含碳有机材 料颗粒；b)将颗粒筛选成为两个或更多个粒级；c)形成多个空隙率大 于或等于约15％的堆叠颗粒生物反应器，每个生物反应器由一种单独粒 级的颗粒形成；d)在每个堆叠颗粒生物反应器内形成厌氧环境；e)厌 氧生物处理每个堆叠颗粒生物反应器，直至堆叠颗粒生物反应器内需 要量的有机含碳材料已经转变为气体燃料；和f)从每个堆叠颗粒生物 反应器收集气体燃料。优选气体燃料如其它实施方式一样包含甲烷。 此外，优选从堆叠颗粒生物反应器收集合成石油。

固体有机含碳材料颗粒可以包含多种固体有机含碳材料，包括例 如油砂、碳质岩、地沥青、橡胶和农业废弃物。适用于本方法的农业 废弃物包括例如一种或更多种选自树皮、玉米穗轴、坚果壳、木材副 产物和农作物副产物的植物废物。适用于本方法的碳质岩包括任何煤 和油页岩。

优选本方法进一步包括用不透气的阻挡层覆盖每个堆叠颗粒生物 反应器的步骤。还优选用包含一种或多种需氧和/或兼性厌氧的微生物 的培养物培植堆叠颗粒生物反应器。然后在生物反应器内形成厌氧环 境之前，需氧发酵生物反应器中的有机含碳材料。优选在至少需氧发 酵的部分期间对生物反应器进行通风。

可以在生物反应器内，以与任何上述实施方式一样的方式形成厌 氧环境。

优选将液体或半液体的含碳材料例如沥青油、废油、油砂沥青、 焦油、焦油沥青和油母岩质加入至少一个生物反应器，以增加生物反 应器内含碳材料的浓度，并为微生物提供容易生物降解的有机化合物 源，以在生物反应器内生物降解。

根据本发明另一个方面，提供了用于将可生物降解的含碳材料转 变成为合成燃料的生物反应器。根据一个实施方式，生物反应器包含 a)多个堆叠的颗粒，以形成大于或等于约15％空隙率的堆积，所述颗粒 包含可生物降解的含碳材料；b)用于传递气体至该堆积的装置；c)用 于传递水溶液至堆积的装置；d)用于从堆积传递气体的装置；e)用于 收集从堆积排出液体的装置；f)覆盖堆积的不透气的阻挡层；g)堆积 内的能够生物降解堆积内可生物降解的含碳材料，使之成为合成燃料 的微生物聚生体。

从后面的详细说明和附图，将会更好地理解本发明的其它方面、 目标、所期望的特征和优点，其中，用实施例举例说明了所公开的本 发明的多种实施方式。然而，应该理解附图仅用于举例说明，不是用 于限定本发明。

附图说明

图1示意说明了生物降解发电装置和其相应的生物反应器以及用 于从含碳材料回收合成燃料的配套设备；

图2是用粘合剂保持在一起的一种或多种有机含碳材料的团聚颗 粒的剖面图；

图3是可以用于形成载体和含碳材料涂层的涂布颗粒剖面图；

图4是制备团聚体和/或涂布颗粒的方法示意图；

图5是形成根据本发明的多个生物反应器的方法示意图。

优选实施方案的详细说明

与其普通含义一致，此处使用的术语＂合成燃料＂是指得自化石燃 料或发酵的液体或气体燃料，其中化石燃料为固体、例如煤，或部分 固体，例如焦油砂或油页岩。生产的合成燃料可以是例如合成石油、 醇、和/或含有甲烷的气体燃料。

此处使用的术语“可生物降解的含碳材料”和“有机含碳材料” 基本上是可互换的，并且是指可以用于本发明生产合成燃料的方法或 生物反应器的含碳原料。应该认识到这些术语还指包括并且涉及得自 生物反应器内初始含碳原料的有机发酵产物。

图1示意说明了生物降解发电装置10。发电装置10包括堆叠颗粒生 物反应器20。在本实施方式中，生物反应器20包括由多个堆叠颗粒组 成的堆积30，和覆盖堆积30的不透气的阻挡层36。提供阻挡层36，使 得生物反应器20可以厌氧的模式运转。如果生物反应器36不以厌氧的 模式运转，则阻挡层36是不需要的。

通过堆叠包含可生物降解的含碳材料的颗粒，以形成堆积30，可 以形成堆叠颗粒生物反应器20。然后有氧和/或厌氧地生物处理堆叠颗 粒生物反应器20，以将生物反应器20内的含碳材料转变成为合成燃料， 然后从生物反应器例如，通过液体收集系统32和/或气体收集体系33 收集合成燃料。

生物反应器20中处理的可生物降解的含碳材料可以包括例如油 砂、碳质岩、地沥青、沥青油、废油、油砂沥青、焦油、焦油沥青、 油母岩质、橡胶和农业废物。可以用本发明方法和生物反应器加工的 碳质岩材料包括例如全部不同的煤和油页岩。由于它们具有较少的固 定碳，具有较高氢浓度，并且通常容易生物降解，特别优选低级煤。 因此，优选煤具有烟煤或更低，更优选褐煤或更低，甚至更优选泥炭 或更低的变质级。

天然和合成地沥青都可以用本发明的方法和生物反应器加工，因 此提供了从路面剥离的地沥青的新用途和替代处理手段。类似地，撕 碎或磨碎的轮胎可以用作本发明方法和生物反应器中的橡胶源。农业 废物包括动物和植物废物，其中有用的实例包括粪肥、树皮、玉米穗 轴、坚果壳、木材副产物、农作物副产物、水果废物、禾秆、发酵废 物和粉碎植物废物。

可以使用多种堆叠颗粒生物反应器设计来实践本发明的方法。实 际上，用于堆积生物浸析金属矿的许多堆积生物反应器设计可以适用 于本发明。此外，优选选择用于形成生物反应器20的颗粒尺寸和粒径 分布，使得大百分比含碳材料暴露于用于进行生物处理的微生物。还 优选选择颗粒的尺寸和粒径分布，使得反应器20的空隙率大于或等于 约15％，更优选大于或等于约20％。优选反应器20的空隙率范围为约15％ 至35％，更优选为约20％至35％。还期望整个反应器内空隙率是基本上均 匀的。

对于有氧生物处理过的生物反应器20，因为氧及液体在堆积内移 动需要良好渗透性，通常要求空隙率在上述范围较高侧。尽管，对于 只是或主要是厌氧生物处理的生物反应器，不需要相同的渗透性水平， 但是在该生物反应器中保持渗透性是重要的。这是因为该反应器中仍 然需要渗透性，用于pH和温度控制、精确低水平氧气控制、以及有效 转换堆积内至有氧条件。此外需要渗透性，以充分转移堆积内液体， 使得接种物和营养可以到达反应器的全部区域。此外，一公吨煤能够 生产0.5公吨那样多的甲烷气体。这是约一千倍体积膨胀。因此，重要 的是反应器具有充分的渗透性，以允许排出该气态合成燃料。

一种或更多种培养物可以用于生物处理堆叠颗粒生物反应器20， 每种培养物包含单个类型的微生物或一组不同的微生物。通常，培养 物会包含一组不同的微生物。此外，用于生物处理反应器20中含碳材 料的微生物可以是需氧的、兼性厌氧的或厌氧微生物，并且这可以随 时间改变。例如，在特别优选实施方式中，生物处理开始为需氧的微 生物降解过程，然后转变为厌氧的微生物降解过程。然而，在另一个 实施方式中，可以合乎需要地仅进行需氧的生物处理或仅进行厌氧的 生物处理。

如果进行需氧的生物处理，则优选在形成堆积30的同时或不久以 后，用微生物聚生体培植堆积30，该微生物聚生体能够生物降解将在 生物反应器20中加工的可生物降解的含碳材料。例如，可以将接种体 喷雾到正在堆叠、优选输送带堆叠的颗粒上，以形成堆积30。替代地， 铺设另一层颗粒之前，可以用接种体喷雾铺设形成堆积30的每层颗粒。 此外，如果以下讨论的团聚体或涂布颗粒用于形成堆积30，则还可以 在颗粒形成过程期间进行接种。上述接种技术不是唯一的，本领域技 术人员从现在公开的内容会认识到存在多种培植生物反应器20的其它 方法，包括利用颗粒上已经存在的野生微生物菌株来形成反应器。

如果要厌氧地生物处理生物反应器20内的含碳材料，则优选设计 生物反应器20使得可以将新的微生物培养物厌氧地引入生物反应器， 并有效地分散在整个生物反应器内。这可以例如通过灌注系统34实现， 其联系微生物的供给源40和营养以及从油/水分离器37回收的水66。在 本实施方式中，灌注系统34优选是滴灌系统，以允许在堆积30上尽可 能近地设置不透气的阻挡层36。优选邻近堆积30的顶部设置灌注系统 34，使得可以灌溉整个堆积30。然而，还希望在整个堆积的多个深度 埋设发射器61，灌注系统的不同部分是独立可控的，以增强生物反应 器20内的工艺控制。

以下面表1中列出的细菌可以用于有氧地生物降解化石燃料例如 煤、油页岩和油砂中发现的烃材料。此外，还可以使用伴随这些自然 资源发现的野生菌株。堆肥(compost pile)中发现的典型微生物可 以用于有氧地生物降解生物反应器20中的农业和有机废物。还可以使 用得自需氧或兼性菌糖的接种物。

表1 能够降解长链烃的需氧和兼性厌氧的生物体

Achromobacter paraffinoclastus

醋酸钙不动杆菌

(Acinetobacter calcoaceticus)

石蜡节杆菌

(Arthrobacter paraffineus)

简单节杆菌

(Arthrobacter simplex)

Candida lipolyticum

Caphalosporium rosem

谷氨酸棒杆菌

(Corynebacterium glutamicum)

裂烃棒杆菌

(Corynebacterium hydrocarboclastus)

嗜石油棒杆菌

(Corynebacterium petrophilum)

黄杆菌属种

(Flavobacterium species)

谷氨酸微球菌

(Micrococcus glutmicus)

石蜡分支杆菌

(Mycobacterium parafficum)

解蜡微球菌

(Micrococcus paraffinolyticus)

耻垢分枝杆菌

(Mycobacterium smegmatis)

嗜石油诺卡氏菌

(Nocardia petrooleophila)

绿脓杆菌

(P.aeruginosa)

荧光假单胞菌

(Pseudomonas fluorescens)

Torulopsis colliculosa

Streptomyces argenteolus

金色链霉菌

(Streptomyces aureus)

表1中兼性的微生物和以下表3中列出的微生物可以用于厌氧地发 酵生物反应器20内的多种含碳材料。此外，表2中列出的产甲烷菌微生 物可以用于通过将需氧和/或厌氧发酵得到的简单有机化合物转变成 为甲烷，完成生物降解生物反应器20中包含的含碳材料。还可以例如 从奶牛粪或兼性或厌氧废物处理池淤泥，容易获得可用于生物降解农 业和其它有机废物的厌氧微生物。

表1、2和3中列出的细菌和古生菌全部可以从American Type Culture Collection或类似菌种保藏中心获得。

表2 产甲烷生物体

甲酸甲烷杆菌

(Methanobacterium formicicum)

热自养甲烷杆菌

(Methanobacterium thermautotrophicum)

沃氏产甲烷菌

(Methanobacterium wolfei)

嗜碱产甲烷杆菌

(Methanobacterium alcaliphilum)

Methanobacterium thermoformicium

嗜热碱甲烷杆菌属

(Methanobacterium thermalcaliphilum)

Methanobacillus omelianskii

酪酸梭状芽胞杆菌

(Clostridium butyricum)

乙炔暗杆菌

(Pelobacter acetylenicus)

亨氏甲烷螺菌

(Methanospirillum hungatei)

瘤胃甲烷短杆菌

(Methanobrevibacter ruminantium)

史氏甲烷短杆菌属

(Methanobrevibacter smithii)

嗜树甲烷短杆菌

(Methanobrevibacter arboriphilicus)

炽热甲烷嗜热菌

(Methanothermus fervidus)

集结甲烷嗜热菌

(Methanothermus sociabilis)

斯氏甲烷球形菌

(Methanosphaera stadtmanae)

巴氏甲烷八叠球菌

(Methanosarcina barkeri)

梅氏甲烷八叠球菌

(Methanosarcina mazei)

嗜热甲烷八叠球菌

(Methanosarcina thermophila)

卡里亚萨产甲烷菌

(Methanogenium cariaci)

黑海产甲烷菌

(Methanogenium marisnigri)

嗜热产甲烷菌

(Methanogenium thermophilicum)

奥兰汤基产甲烷菌

(Methanogenium olentangyi)

塔提尼产甲烷菌

(Methanogenium tationis)

万氏甲烷球菌

(Methanococcus vannielii)

沃氏甲烷球菌

(Methanococcus voltae)

海沼甲烷球菌

(Methanococcus maripaludis)

热自养甲烷球菌

(Methanococcus thermolithotrophicus)

运动甲烷微菌

(Methanomicrobium mobile)

佩氏甲烷微菌

(Methanomicrobium payrnteri)

甲基拟甲烷球菌

(Methanococcoides methylutens)

居泥甲烷盘菌

(Methanoplanus limicola)

廷达尔角甲烷叶菌

(Methanolobus tindarius)

西西里甲烷叶菌

(Methanolobus siciliae)

瓦尔肯甲烷叶菌

(Methanolobus vulcani)

索氏甲烷丝菌

(Methanothrix soehngenii)

联合甲烷丝菌

(Methanothrix concilii)

嗜热乙酸甲烷丝菌

(Methanothrix thermoacetophila)

表3 厌氧的发酵微生物

 

有机培养基消化厌氧菌醇氧化                            普通脱硫弧菌                (Desulfovibrio vulgaris)，     布氏热厌氧菌                (Thermoanaerobium brockii)， Pelobacter venetianus，      Pelobacter carbinolicus      丙酸酯氧化           沃氏共养杆菌              (Syntrophobacer wolinii)，  Syntrophobacter pfennigii丁酸酯氧化                                                       沃氏共养单胞菌            (Syntrophomonas wolfei)，   食肥皂共养单胞菌          (Syntrophomonas           sapovorans)，             布氏共养生孢菌            (Syntrophospora bryantii)乙酸酯氧化Clostridium ultunense羟乙酸酯氧化Syntrophobotulus glycolicus芳香化合物氧化Syntrophus buswellii， Syntrophus gentianae

是否选择表1-3中列出的一种或多种微生物或野生菌株用于本方 法将取决于例如要生物降解的含碳材料类型、生物降解期间所期望的 环境的pH和所期望的堆积中的温度这些因素。然而，这些选择正好在 本领域技术人员技能内，在这里不必详细描述。然而，概括地优选在 需氧和厌氧的生物处理期间都使用微生物聚生体。优选微生物聚生体 是因为整个堆积30内环境条件(例如pH、温度，Eh，养分类型和浓度， 有机底物，毒素水平等)通常会变化。因此，当使用聚生体时，堆积30 内的条件会自然选择最适合存在于堆积30内，或其一部分的条件的那 些微生物。

此外，此处公开的方法和生物反应器不局限于利用细菌和古生菌 进行生物降解。例如，还可以使用生物降解生物反应器20内含碳材料 的酵母、真菌和/或霉菌。

如上所述，堆叠颗粒生物反应器20优选开始为需氧生物反应器， 然后转变成厌氧的生物反应器。例如可以通过用不透气的阻挡层36覆 盖堆积30，在生物反应器20内形成厌氧环境。不透气的阻挡层36优选 是粘土阻挡层或塑料衬里。

一旦覆盖堆积30，除非向生物反应器20提供额外的空气或氧气， 生物反应器20将自然地随时间变为厌氧的，因为全部有效氧将被生物 反应器20内含碳材料的需氧生物降解耗尽。随着有效氧耗尽，生物反 应器20内的过程将从需氧生物降解过程转变成厌氧的生物降解过程。 为了加速转化过程，可以通过用非氧化气体例如氩气、氮气、二氧化 碳、氨气、氢气或其组合物，以及任何其它厌氧环境载气清扫或吹扫 生物反应器，从生物反应器驱除氧气。生物降解过程还得益于在堆积 30内从需氧转化为厌氧环境期间使用兼性厌氧菌。这是因为在环境中 仍然存在太多氧气以致不能支持专性厌氧微生物生长，而对于继续稳 定的需氧发酵氧又不够时，兼性厌氧微生物可以继续降解过程。

气体输送系统60可以用于提供气体至整个生物反应器。气体输送 系统60包括在构成堆积时埋设在堆积30内，优选靠近堆积30底部的穿 孔管31。气体输送系统60还包括连接穿孔管31和选择地通过阀27与鼓 风机28或吹扫气源64相连接的管道62。在将生物反应器20转变成为厌 氧体系之前，优选设置阀门27，以打开鼓风机28和管道62之间的连通。 结果，可以从鼓风机27通过穿孔管31将空气提供给生物反应器20，同 时在生物反应器20内进行需氧生物降解。因此，气体输送系统60可以 用于调节并控制需氧阶段期间堆积30内的氧含量，以及控制堆积30内 的温度。

优选，采用气体输送系统60，使得它还可以用于将吹扫气体提供 至生物反应器20，以在生物反应器内形成厌氧环境。在这方面，当生 物反应器20转变为厌氧的反应器时，优选调节阀门27关闭管道62和鼓 风机28(或大气)之间的连通。然而，此外还可以优选调节阀门27，打 开管道62和吹扫气体64源之间的连通。一旦充分吹扫生物反应器20， 可以调节阀门27至第三位置，在该位置管道62和鼓风机28以及吹扫气 体供应源64之间的连通都被关闭。

气体收集系统33可以用于从生物反应器20收集并除去气体合成燃 料。气体收集系统33包括构成堆积30期间朝向堆积30上部设置的多个 穿孔管68。此外，收集系统33包括连通收集气体燃料至收集槽26的装 置，例如管道70。因为气体合成燃料通常包含甲烷生成降解产生的甲 烷和二氧化碳混合物，优选在收集槽26中储存所需甲烷燃烧值 (methane fuel values)之前，通过分离器39处理收集的气体合成燃 料。分离器39设计为使其能够从收集的气体合成燃料中的甲烷中分离 出二氧化碳。合适的二氧化碳/甲烷分离技术的实例公开于美国专利第 4,518,399号，其在此引入作为参考。分离的二氧化碳气体优选通过 管道72连通至气体输送系统60的导管62，并且循环至生物反应器20。 然后从分离器39得到的纯化甲烷被储存在收集槽26中，用于随后的出 售或使用。

优选来自分离器39的二氧化碳循环至生物反应器20，以保持厌氧 阶段期间生物反应器内的正压力，从而有助于通过使氧污染的可能性 最小化，保持厌氧条件。此外，二氧化碳实际上是一种在甲烷生产中 产甲烷生物体使用的底物。

如果从生物反应器20收集的气体合成燃料具有足够的甲烷燃烧 值，它可以替代地直接供给燃气发电机45。可以用适合于排出所收集 的气体合成燃料的燃气轮机或内燃机驱动燃气发电机。发电机45产生 的电力可以用于为其它设备操作提供电力，卖给当地的电力公司或直 接卖给消费者。

由于发动机和涡轮机的效率，仅较小百分比的燃烧的甲烷燃烧值 (对于内燃机24至38％，对于小涡轮机16至18％)转变成电能。燃烧的甲 烷气体中燃烧值的其余部分将转变为余热。然而，如果生物降解发电 装置10位置靠近煤、油页岩或油砂储藏，燃气发电机45产生的余热可 以用于多种用途，包括例如产生用于从油砂萃取石油状产物的蒸汽和/ 或热水、煤的气化和热解油页岩；因此从发电装置10产生的余热可以 传统技术用于从这些化石燃料资源回收油。

堆积30的整个部分需氧生物降解的时候，将仅产生二氧化碳气体。 因此，可以打开可设置在管道70上的阀门71，以排出生物反应器内产 生的二氧化碳。

可以将多个检测器35设置在整个堆积30内的一个或多个位置，以 测量生物降解处理期间生物反应器20内的氧含量。检测器35还可以监 测其它过程参数，包括温度、离子强度、硫酸盐浓度、有毒金属水平、 pH或Eh。通过监测通过气体收集系统33的气体，还可以测量氧含量和 其它气体。类似地，通过监测从生物反应器20通过液体收集系统32除 去的液体，可以测量生物反应器内的参数例如温度、离子强度、硫酸 盐浓度、有毒金属水平、溶解氧、Eh或pH。

液体收集系统32包括嵌入堆积30最低层的排放系统74。排放系统 74用于从生物反应器20除去液体，并包括排放口80，从该排放口可以 收集从堆积30排出的液体，并循环到堆积30或为其燃烧值被加工。本 实施方式中，排放系统74基本上包含一系列暗沟，其中包含一系列通 常平行的穿孔管76，其穿孔取向朝向地面并埋于砂砾层78中。在排放 口80收集通过穿孔管76排出的液体，其中优选将它们传递给油/水分离 器37。从分离器37顶部除去生物反应器20中产生的液体合成燃料，并 从底部除去水66。将液体合成燃料传递至槽25，用于储存等待将来使 用或出售。回收的液体合成燃料可以包括多种烃以及醇，因此希望在 使用或在市场上销售之前，进一步精制液体合成燃料。

优选将从分离器37回收的水66通过灌注系统34循环至生物反应器 20，并从供给源40用附加的接种体和养料补充至必要程度。供给源40 内的接种体可以来自取自不同运行堆积的液体，作为引入活性和可接 受的微生物进入堆积30的手段。除了接种体和养料，随着液体移动回 到堆积中，引入堆积的液体可以具有从供给源40加入的其它剂。附加 的添加剂可以包括例如水、缓冲剂、糖、废油、变成浆的牛粪。优选 在回收的水66循环到堆积30之前，从分离器37回收的水66除去污染物 和/或生体毒素。

堆叠颗粒生物反应器20会持续产生气体和/或液体合成燃料几个 月或几年。然而，从生物反应器中包含的化石燃料或其它含碳材料最 终产生的能量是高的，因为形成作为最终产物的二氧化碳将损失极少 的能量。

生物反应器20耗尽含碳材料后，生物反应器可以保持完整。替代 地，希望通风生物反应器，以完全除去生物反应器中的全部残余烃或 其它含碳材料。最后，如果生物反应器由以下更充分讨论的涂布底物 形成，可以回收底物用更多含碳材料再涂布，并堆叠成为新堆积。

现在结合图2-5叙述用于形成生物反应器20的堆积30的几种优选 颗粒类型。

大体上，堆积30优选由包含含碳材料的多种粗颗粒制成。颗粒优 选在相当窄的粒度范围内，以确保足够的流体流动，特别是液体流过 整个堆积。使用基本上均匀粒度的颗粒形成特定的堆积30将允许液体 或气体均匀流过生物反应器。另一方面，较宽的粒度分布，将引起填 满和空隙率减小。堆积中的空隙率通常应该大于或等于约15％，更优选 大于或等于约20％。通常，空隙率将在15至35％的范围。更优选，空隙 率将在20至30％的范围。不规则填充或粒度分离会在堆积30内产生气体 和液体不均匀流动，并减小了控制堆叠颗粒生物反应器20内液体或气 体均匀流动的能力。

用于形成堆积30的颗粒应该还具有足够的完整性，以能够承受堆 积30内遭遇的预期压力。通常，这意味着颗粒应该具有承受堆叠在它 们上面许多吨材料的力的能力。并且虽然颗粒通常优选为均匀的粒度， 以促进生物反应器20内流体流动，它们还优选具有粗糙不均匀的表面 形态，以有助于增加生物反应器20的总表面积。

获得具有实践此处公开方法合适特征颗粒的三种方法公开于美国 专利第5,766,930号，第5,431,717号和第5,332,559号中，在此 处将其引入作为参考。

聚集粉碎的颗粒是一种增加粒径的方法，从而改善液体在整个堆 积内的渗透。图2展示了团聚颗粒14的剖面图，其中大多数可以用于形 成堆积30。团聚颗粒14由多个用粘合剂18结合在一起的较小颗粒15、 16和17组成。较小颗粒15、16和17可以包含粉碎可生物降解的含碳材 料产生的粉末。替代地，较小颗粒15、16和17可以包含得自两种或更 多种不同的已经结合在一起的含碳材料源的颗粒以产生团聚颗粒14。 因此，希望结合得自两种或更多种具有不同生物降解特征的含碳材料 的颗粒，以改善生物反应器20内整个生物降解过程。此外希望用另外 的含碳材料涂布多个团聚颗粒14。例如，可以用得自乙醇发酵生物资 源、城市废物淤泥或农业废物形成的浆液涂布用于形成堆积30的团聚 颗粒14，以提供养分给堆积中存在的生物降解微生物。

当要生物降解的可生物降解的含碳材料包括大部分颗粒直径小于 约0.3cm的颗粒时，应该考虑团聚。团聚后，优选团聚颗粒14具有约3cm 至约2.54cm范围的粒径。在这方面，如果含碳材料是特别细的颗粒状， 使得它的粒度小于约250μm，则以下讨论的涂布方法可以是更合适的 颗粒制备选择。

图4中图解了用于产生上述团聚颗粒14的方法。将要团聚的含碳材 料41的颗粒送入伴随有合适量粘合剂18的滚筒43。粘合剂18例如可以 是石灰、波特兰水泥或任何用于采矿业的聚合粘合剂。替代地，可以 使用另一种烃源例如沥青油、废油、油砂沥青、焦油、焦油沥青或油 母岩质作为粘合剂18，但是可以加入少量该材料作为团聚颗粒14上的 涂层。

合适的粘合剂是将含碳材料41的颗粒粘合在一起成为多个相对均 匀尺寸的颗粒14而且产生足够强以承受堆积重量的颗粒的材料。此外， 得到的团聚颗粒14必须与生物过程的pH相容，并且不阻止微生物进入 要分解并转变为液体和气体合成燃料的含碳材料。用于本发明优选实 施方式的甲烷生成和发酵性的微生物可以在6至8的pH范围内生长，因 此与波特兰水泥和其它中性至碱性pH的团聚助剂相容。然而，因为微 生物降解含碳材料产生可以降低pH离开6至8的最佳范围的有机酸，使 用水泥作为粘合剂，可以有助于保持对于甲烷生成厌氧菌的最佳pH范 围。波特兰水泥型团聚助剂的基本优点是它们的强度，因此当水泥用 作粘合剂18时颗粒14无可压缩性。

一旦形成团聚颗粒14，它们可以堆叠成为堆积30，并用于此处公 开的生物反应器20。

图3图解了涂布颗粒23，第二种可以用于本发明的颗粒类型的剖面 图。该实施方式中，将含碳材料41的颗粒涂布到多个底物21上，以形 成多个具有含碳材料涂层22的涂布颗粒23。替代地，涂层22可以包括 或由液体含碳材料形成。可以利用多种技术，包括使用如图4所示的滚 筒43或高浆液密度浆料喷雾器，将含碳材料41的颗粒和/或液体含碳材 料涂布到底物21上。

底物21优选是固体，并优选具有大于或等于约0.3cm并且小于或等 于约5cm的粒径。更优选底物21具有大于或等于约0.3cm并且小于或等 于约3cm的粒径。虽然粗糙底物21优选具有大于约0.3cm的粒径，认识 到并预期一些底物实际上可以小于该粒径。如本领域技术人员会认识 到的那样，如果通过粉碎较大的材料至所需尺寸范围制备粗糙底物21， 粉碎材料将具有一定粒径分布。即使筛选材料以排除小于约0.3cm的材 料，由于筛选过程中固有的效率低，并且由于处理期间颗粒磨损，一 些粒径小于0.3cm最小目标的材料仍然存在于粗糙底物内。因此通过大 于或等于约0.3，可望基本上全部粗糙底物保持大于该尺寸，使得形成 堆积30期间，并优选在整个操作内，反应器的孔隙率保持大于至少约 20％。优选低于0.3cm界限的粗糙底物的量小于5重量％。

希望在底物21上形成相对均匀的含碳材料41的颗粒涂层22，以最 大化暴露于生物反应器20中的微生物的颗粒41的涂层完整性和表面 积。此外，随着颗粒41的粒径减小，生物降解过程将进行的更快。较 小的颗粒还倾向于与底物21粘附更好。考虑到这些，含碳材料41的颗 粒粒径优选小于约250μm，更优选要涂布在底物21上的含碳材料41的 颗粒标称粒径大于约75μm，并小于约106μm。涂布材料的厚度优选小 于1mm，以保证用来进行生物降解的微生物具有足够的到达全部要处理 含碳材料的通道。

还可以通过降低底物21的粒径，利用具有粗糙不均匀表面形态的 底物21和/或增加堆叠在堆积30上的涂布底物23数量，以增加生物反应 器20的总表面积。增加堆积内底物的总表面积的优点是可以加载在涂 层22中的底物21的含碳材料量相应地增加，其随后增加可以降解成为 液体和气体燃料的含碳材料量。

可以利用多种技术制备涂布颗粒23。一种可能是将适量的底物21 和颗粒41加入滚筒43。优选干燥底物21，并且颗粒41在高浆液密度浆 料中，使得它将粘附到底物21上，以形成涂层22。替代地，可以将底 物21和颗粒41都加入滚筒43干燥，然后可以将水和/或其它粘合剂喷雾 到滚筒43中，以促进颗粒41粘附到底物21上。

形成涂布颗粒23的可选择的方法包括堆叠底物以形成生物反应器 20的堆积30之前或同时，将高密度浆液中的含碳材料41的颗粒喷雾到 底物21上。

耐中性至碱性pH的粘合剂18，例如波特兰水泥可以用于帮助将含 碳材料41的涂布颗粒保持在固体底物21上。然而，如果底物21和颗粒 41是充分疏水性的，还可以将涂布在底物21上的含碳材料41的颗粒不 用粘合剂施加到底物上。后者方法的优点是可以避免粘合材料的费用。 液体或半液体的烃也可以用于将颗粒41保持在底物21上，以形成具有 足够结构完整性的涂层22。因此，例如沥青油、废油、油砂沥青、焦 油、焦油沥青和/或油母岩质可以用于将颗粒41粘合到底物21上。或可 以进一步用该物质涂布涂布颗粒23，以进一步增加生物反应器20内含 碳物质的含量。

利用多个涂布颗粒23形成堆积30优于利用团聚体14的优点是涂布 颗粒23的固体底物21提供高强度，以保持颗粒的形状。该实施方式的 另一个优点是涂层22可以是不能团聚成为具有足够承受压缩的强度的 颗粒的较软的烃或生物质，但是可以承受涂布到底物上的压缩。因此， 通过将该软材料涂布到固体载体上，可以在非常大的堆积中保持渗透 性。另一个优点是烃的外涂层会充分接近微生物以转化为液体燃料、 油和/或甲烷。

可以从任何能够承受堆叠颗粒重量的材料形成底物21。不包含任 何实际浓度含碳材料的合适的底物21的实例包括废脉石(barren rock)、砾石、熔岩岩石、包含碳酸盐矿物的废脉石、砖块、煤渣砖 和熔渣。然而优选底物21还包含可生物降解的含碳材料，其最后也转 变为油或甲烷。在这方面，多数底物可以包含例如一种或多种选自油 页岩、煤、岩石、地沥青、橡胶和植物废物的材料。可以用作底物21 的合适植物废物实例包括例如选自树皮、玉米穗轴、坚果壳、木材副 产物和农作物副产物的植物废物。煤底物可以包含任何纯煤，包括半 无烟煤、半烟煤、烟煤、亚烟煤和褐煤。

涂布在底物21上的含碳材料41的颗粒可以包含例如选自油砂、油 页岩、沥青油、废油、油砂沥青、焦油、焦油沥青、油母岩质、煤和 农业废物的有机含碳材料。此外，可以涂布在底物上的农业废物类型 包括例如粪肥、果实废物、禾杆、发酵废物和粉碎的植物废物。葡萄 皮是特别优选的果实废物形式，其可以涂布在用于生物处理的粗糙底 物上。此外，稻草是特别优选的禾杆形式，其可以涂布在生物处理用 底物上。如果煤用作涂布在底物上的有机含碳材料，优选煤具有烟煤 或更低的变质等级，更优选泥炭或更低的变质等级。此外，如果涂布 在底物上的有机含碳材料包含煤或油页岩，优选涂层是这些材料的浓 缩物。

在特别优选的实施方式中，形成涂层22的含碳材料41的颗粒包含 易于生物降解的含碳材料，例如生物质或农业废物，从而通过提供利 用生物反应器20内的产甲烷生物体要转变为甲烷的大量脂肪酸，加速 全过程。

图5中图解了制备均匀粒度颗粒的第三种方法。在该实施方式中， 除去较细颗粒以增强堆积30内空气和液体流动。粉碎并筛选可以从粉 碎的含碳材料除去细材料。通过堆叠之前除去细粒，粒度分布变窄， 因此空气和液体流过整体粉碎材料的流动特性得到改善的堆积。除了 除去细粒，可以利用粒度分级进一步分离粉碎的岩石。然后可以将各 种粒级堆叠成为独立的堆积30或堆积内的层，如以下结合图5更充分讨 论的那样。

在优选的实施方式中，在碎矿机84中粉碎含碳材料，例如烃矿石 51至大小约5cm或更小。令碎矿石通过一组筛网86、88和90，其将粉碎 材料分离成为两个或更多个粒度范围。例如可以如下所述分离粒级： 最大粒级为3至5cm，中间粒级为1至3cm，小粒级为0.5至1cm，细粒级 为0.5cm和更小。前面三种单独的粉碎材料部分可以根据部分尺寸堆叠 成为独立的堆积。因此，本实施方式中，形成三种堆积：大粒级的堆积 54，中间粒级的堆积55和小粒级的堆积56。细粒级(例如尺寸小于0.5cm 的含碳材料)中的含碳材料可能太小，以至于不首先团聚粉末无法堆叠 成为堆积。因此，如图5所示，可以在团聚滚筒92中团聚细粒级中的含 碳材料41的颗粒。然后可以堆叠得自团聚滚筒92的团聚颗粒14，以形 成团聚颗粒的堆积58。

可以以如上所述方式结合图2和4，在团聚滚筒92中实现形成团聚 颗粒14。还可以进一步研磨细颗粒部分，然后浮选形成高等级含碳材 料。然后可以在团聚滚筒92中团聚得到的浮选浓缩物，以形成团聚颗 粒14，或涂布在粉碎的固体和分级的材料表面，以形成涂布颗粒23。

另一个处理细粒级的方法是一起加工得自堆积生物反应器部分。 例如，可以在传统高温过程例如干馏中处理细粒级。

尽管本实施方式的细粒级设置为0.5cm和更低，其它实施方式中可 以设定为不同的。例如，一些实施方式中，可以希望或足以将细粒级 设置为具有约0.3cm或更低的颗粒。

从各种筛网例如大尺寸筛网86收集的含碳材料粒级也许能保持如 图3所示的涂层22。可以将涂布在所述粒级上的含碳材料涂布在多种构 成涂布滚筒53中粒级的底物21上。然后例如可以在堆积54中堆叠得到 的涂布颗粒23。上面结合图2充分描述了可以各种粒级涂布在颗粒上的 各种含碳材料。然而，值得注意是涂布材料可以是比用作底物的烃矿 石更软的含碳材料。例如，用作涂布材料的含碳材料可以是例如生物 质、烃浆料、得自乙醇发酵的生物质、城市废物淤泥或农业废物。

每个堆积54、55、56和58(或如果采用层积方法为每个层)将单独 具有比混合在一起更好的流动特性。如果混合在一起，较小尺寸材料 将填充空隙空间，从而减小空隙空间并限制流动。除了减小空隙空间， 一些区域将不可避免地具有更少的细粒，因此比其它具有更多空隙空 间，并且流动性更好。该流速上的不一致将在具有过量细粒区域的周 围产生沟流和不均匀流动，并且限制流动。当试图吹扫氧气离开系统 或引入厌氧微生物的新培养物时，这是有问题的。

最小粒级材料将具有最快的降解速度。然而，如果在堆积56中单 独堆叠该部分，它将仍然具有均匀的气体和液体流动特征。较大尺寸 材料将具有更好的流动特性，但是转化为甲烷的速度较慢。较大粒级 堆积还可以用作如上所述的更软和更易于生物降解的材料涂层的支持 岩石。此外，大粒级将具有较大的空隙空间，并且可以承受更大的压 缩，因此可比小尺寸材料堆叠得更高。承受更大压缩的能力将使得可 以在较大尺寸材料上堆叠较细材料作为层。如果单独堆叠，每个堆积 将以不同速度产生油或甲烷。一旦堆积不再以经济的速度产生甲烷， 可以在它上面形成新堆积。此时，如果压缩初始堆积中留下的材料到 渗透性消失的程度也没关系。结果，这可能是制备用于较大堆积的高 强度颗粒的最便宜方法。此外，不需要再粉碎较大粒度的颗粒至较小 粒度范围，其还会产生更多细粒并增加成本。并且尽管较大粒度的范 围的材料生物降解将更缓慢，因为它将能够堆叠在更高和更大的堆积 中，由较大粒级材料形成的堆积实际上能够产生与较小粒级形成的堆 积相同的所占据的每平方英尺土地的甲烷量。

利用本领域普遍已知的技术易于实现将烃矿石51，例如煤或油页 岩粉碎至大约0.5至3cm的目标最大尺寸。然而，粉碎操作的极限最大 目标粒度将取决于生物降解速度和堆积预计产生液体或气体燃料的时 间。因为使颗粒的尺寸较小，微生物降解可得到的表面积变为较大。 然而，较小粉碎粒度目标增加粉碎成本和太小以至于没有如上所述的 团聚或涂层就不能包含在堆积内的细粒量。

现在应该理解，根据本发明和图1中图解的生物降解方法可用于形 成较大外部生物反应器，同时确保足够的微生物通道至将要转变为有 用的液体和气体燃料或合成燃料的含碳材料。此外，由本优选实施方 式提供的增强的液体和气体流使得可以容易地除去液烃燃料，例如合 成石油或气态烃燃料例如甲烷。增强的流动还允许在形成堆积后，在 任何时候将微生物和养分引入生物反应器。如图1中图解的和如上所 述，可以在堆积30底部、顶部和整个堆积提供手段，以方便引入和除 去液体和气体。

本发明还提供了一种成本效益好的方法，以获得非常大高表面积 的反应器，用于将含碳材料需氧和/或厌氧降解为合成燃料。实际上， 可以成本效益好地将本发明的方法和生物反应器换算为每天处理数千 吨油页岩或油砂。本发明典型的商业性开发可以包括例如每天将10， 000吨或更多含碳材料堆叠成直至百万或更多吨含碳材料总量的堆积。 将本发明方法和反应器成本效益好地换算至非常大规模的性能是重要 的，不仅因为转化过程缓慢，而且因为它是从大量含碳材料提取燃烧 值以对世界石油供应产生实质性影响所必需的。从实际的角度处理， 例如需要每天从大约100,000至400,000吨油页岩提取燃烧值，以取 代美国每天现在进口的1千万桶石油的约1％。

鉴于上述优点，本专利文件中公开的方法和生物反应器设计特别 适用于从低等的矿物燃料获得合成燃料。这是因为可以用本发明的方 法和反应器以非常大型的低成本方法处理大量这样的矿物燃料，其被 认为关键的是长停留时间，这是生物降解这些矿物燃料成为合成燃料 所必需的，以及每吨材料这些矿物燃料中能量值的浓度。因为油页岩、 油砂、泥炭和低等煤倾向于接近表面，然而，它们对于矿山是相对廉 价的，因此与加入生物反应器的可回收的燃烧值相比，保持构成生物 反应器的费用相对较低。另一方面，较深的碳质岩矿层将花费很多用 于采矿，因此可能负面影响所述方法的经济性，即使采出的碳质岩可 以具有更高等级。

考虑到本发明的潜在价值和其经济性，值得回故一些与在本发明 中可以加工的低等矿物燃料有关的一些值得注意的事实。

油页岩-油页岩的全部世界资源估计为超过2.6兆桶石油，具有一 个位于美国的最大的矿层。因此油页岩中固定的石油蕴藏是已知石油 储量的几倍，使其相形见绌。油页岩通常包含10加仑或更多石油每吨 页岩，在美国许多页岩包含多于20加仑/吨或甚至30加仑/吨。实际上， 据估计在美国的绿河(Green River)岩层中在岩储藏量中存在7310 亿桶石油页，其包含至少25加仑石油每吨页岩。如果可以$5每吨或更 低的价格加工该页岩，无疑地该加工是经济的。然而考虑到采矿业中 以堆积生物浸取技术加工一吨矿石的费用为$2至$5每吨的范围，以每 吨$5或更低的费用加工页岩是非常可行的。

油砂-世界的油砂含有地球外壳中最多液烃积聚物。有时称为焦 油砂和沥青砂，油砂包含异常粘性的石油物质，称为沥青油。世界上 最大的油砂储藏位于加拿大，艾伯塔，其已经估算含有多于一万亿桶 石油。另一个南美洲的油砂矿层据称含有6920亿桶石油。油砂通常包 含0.5至1桶石油每吨。

低级煤-美国具有很大的低级煤例如褐煤和泥炭以及其它腐殖质 的储藏量。此外，美国具有世界上最大的泥炭储藏量。泥炭具有不变 的高水分(最小75％)，其通常在其它方法中燃烧之前，需要干燥它。泥 炭可以用于本方法，然而，首先没有干燥它，因此处理该资源中节省 大量资金。

高硫石油和煤-由于对二氧化硫排放的环境制约，这些矿物燃料 只能在具有足够污染控制系统的工厂中燃烧，或必须在燃烧燃料之前 除去硫。然而在本发明中，可以容易地加工高硫矿物燃料。

提供了用于从焦油砂或油砂以及油页岩生产并回收液烃燃料的优 选实施方式。焦油或油砂以及油页岩包含大量烃。可以用水和高温洗 去或除去一部分烃。此外，这些烃的需氧微生物发酵的产物将有助于 除去烃。例如，节杆菌属、芽孢棒状杆菌属、Pseudominass和其它上 述表1中列出的微生物产生表面活性剂和溶剂，其有助于除去这些烃源 的砂子和页岩表面上保持的油。

除了这些微生物产生的萃取剂，微生物能够减少石蜡烃的分子量， 从而降低其粘度。然后可以更容易地利用水流从砂子和页岩除去得到 的低粘度油。

因此，使油流动的生物学方法是提高萃取油砂或油页岩中包含的 油的方法。除了产生萃取剂可用于从矿物质分离烃值，微生物转化烃 为低分子量石油。此外，用于产生萃取剂并降低油粘度的需氧微生物 将通过进一步生物降解产生小有机分子，其随后可以被产甲烷微生物 消耗，并转变为甲烷和二氧化碳。虽然可以使用可从菌种保藏中心得 到的微生物，从烃位点(hydrocarbon site)本身分离的野生型微生 物对于包含在堆积培养物中最有用处。

随后利用得自需氧发酵的发酵液，可以从堆积中的矿物质萃取释 放的油。如上所述，随着形成堆积或在刚刚形成之后，可以将油活化 细菌加入团聚的油砂或油页岩堆积。该方法需氧部分开始活化并且降 低重质烃类和焦油粘度成为可除去的油，其中利用液体通过堆积颗粒 流动，从堆积排出可除去的油，并进入液体收集系统32，然后提供至 油/水分离器37，并在槽25中收集分离的油。

覆盖或密封堆积后，通过用二氧化碳吹扫生物反应器20，或通过 让需氧微生物耗尽俘获的氧，可以将该过程转变成厌氧环境。除油过 程仍然可以继续，因为通过产生表面活性剂和溶剂，厌氧微生物仍然 可以活化。

随着堆积变为厌氧的，通过灌注系统34将产甲烷微生物引入堆积 30，以开始产生甲烷。可以通过菌种保藏中心获得这些确实厌氧的微 生物，其中一些列于表2。除了从菌种保藏中心得到产甲烷生物体，可 以在厌氧条件下从泥炭沼泽、污水处理厂、水稻田和反刍动物的肠胃 分离混合的培养物。该部分过程中，通过需氧部分过程产生的残余烃 和有机化合物被转变成甲烷。此外，该部分过程期间，应该利用检测 器35或其它上述讨论的手段监测氧含量和其它参数例如温度、pH、溶 液化学试剂、硫酸盐水平和有毒金属。可以通过控制经由气体提供系 统60和灌注系统34至堆积的气体和液体流，调节堆积的环境条件。

该过程厌氧阶段花费时间比该过程的需氧阶段更长。此外，构成 生物反应器的颗粒上的表面烃将快速转变成油和甲烷。该过程后面， 微生物将消耗更多颗粒内含有的烃。甲烷产生的总时间和速度将是颗 粒尺寸、分布和含碳材料生物的可降解性的函数。例如大部分煤将厌 氧地生物降解为甲烷，但是速度非常缓慢。由低级煤制成的固体载体 可以花费几年转变成甲烷。该过程第一年内，涂布到固体煤载体上的 焦油砂层可转变成液体油和甲烷。涂布到煤载体上的生物质或农业废 物层可在几个月内转变成甲烷。在更易受影响的有机材料外层上迅速 生长的微生物将通过加速遍及固体载体颗粒积极生长的微生物的厚涂 层的快速成长，促进生物降解更多有耐性的固体载体。

外层降解并且大部分可容易接近的烃转变成油或甲烷后，对堆积 内空隙空间和良好流动特性的需要减弱。因此，可以在已经消耗大部 分外部柔材料的旧堆积生物反应器顶上构置新的堆积生物反应器。此 时，甲烷产生循环的较慢部分中较旧的堆积可以较好地适应另一个堆 积的额外重量或建立在顶部上的层(lift)。

下列预示的实施例进一步详细说明了本发明，并且不应该认为本 发明限于提出的实施例。例如，如下所述具体实施例涉及生物降解油 页岩、油砂、煤和泥炭。然而，如上所述，根据本发明的装置和方法 可以用于生物降解各种可生物降解的含碳材料。

实施例1

在本实施例中，在堆积生物反应器20中使用包含例如油页岩的材 料的固体烃，以产生油和甲烷。开采油页岩，并粉碎至低于5cm的大小， 平均粒级约3cm。如图5中说明的，低于约1cm的更小粒级团聚成为约3cm 的较大颗粒。聚合物或波特兰水泥粘合剂42可以用于帮助形成稳定的 团聚体。认识到另一种烃来源例如焦油或高粘性油可以作为合适的团 聚助剂，或可以涂布在团聚体表面上。另一种处理细粒的方法是从堆 积过程完全除去它们。进一步研磨和浮选可以用于形成高等级烃，其 然后可以团聚或涂回粉碎的固体和分级的材料上。替代地，可以常规 高温过程例如干馏处理细粒部分。

通过平衡成本和油和气体产生的速度，选择颗粒的尺寸。1至3cm 的较小尺寸范围将更快地产生油和甲烷。3至5cm较大尺寸范围将降低 粉碎成本，并产生更少需要除去或团聚的细粒。混合物或1cm至5cm较 大尺寸范围将更紧密地填充，并限制气体和液体流动。最好堆叠两个 单独的堆积或两种尺寸范围(1-3cm和3-5cm)层(lifts)，而不是将它 们结合。因此，有益的是测试每个尺寸或尺寸范围，以确定有机碳和 烃降解、萃取和甲烷产生的相对速率。这可以在小规模实验室测试中 完成，其中测试每种要以工业规模处理的烃矿物。这类测试将确定随 时间的油和甲烷生产速度。测试中使用的微生物和环境条件例如温度、 pH和养分也影响速度。

随着产生团聚体，或随着堆叠堆积，将烃降解微生物聚生体加入 堆积。聚生体应该是需氧微生物和兼性厌氧微生物的混合培养物，已 知其降解堆积方法中要处理的烃类型。更具体地说，混合培养物应该 适应于以堆积中要处理的烃源为能源。分离并改进用于石油的烃降解 微生物的方法通常是微生物学熟练技术人员已知的。由Ikeda等人在美 国专利第5,919,696号中教导了一种微生物改进的方法，在此引入作 为参考。

堆叠期间，堆积将是需氧的。气体提供系统60和液体收集系统32 中分别首先铺设穿孔管31和76，并用岩石或堆积颗粒直接覆盖。随着 堆积堆叠升高，在堆积中设置灌注系统34和气体收集系统33。这些可 以在堆积的顶部和中央部分。可以将检测器35加入堆积30，以监测各 种过程参数，包括温度、氧浓度、压力和pH，检测信息传输至此处没 有图示的控制器。

在该方法的需氧阶段中，微生物以烃为能源，产生生物表面活性 剂、溶剂和热量，其有助于逐出并调动油页岩中包含的石油。此外， 微生物使粘性烃产生化学变化，其降低页岩中含有的油的粘度。所述 油迁移至堆积的下部，用液体收集系统32除去。水还可以用作帮助将 油清扫出堆叠颗粒的载体。然后在油/水分离器37中收集水溶液和油， 在此可以从水溶液将油分离，然后提供至槽25储存。然后可以通过灌 注系统34，将分离的水循环回到堆积。替代地，水可以作为废物被除 去。

在堆叠堆积并用不渗透的衬里36例如粘土盖子或塑料衬里覆盖 后，需氧过程可以继续。持续时间将取决于要加工的材料和液体油对 甲烷的经济价值。通过停止通过嵌入堆积的气体提供系统60的空气流 动，或通过用低氧(小于1.0％)气体混合物吹扫堆积，过程从需氧过程 转变为厌氧过程。可能的气体混合物可以是氮和二氧化碳。需氧微生 物将高分子量烃分解为较小分子。这有助于在厌氧过程期间开始产生 甲烷。然而，需氧过程将通过将烃一直降解为二氧化碳、水和热量， 浪费更多烃燃料的能源潜力。经济因素将确定将堆积从较快的需氧过 程转化到较慢的厌氧甲烷生产过程的最佳时间。

为了优化甲烷产生，不产生硫化氢可能需要仔细控制氧含量。硫 酸盐还原菌将为了由发酵厌氧微生物产生的乙酸酯、脂肪酸和氢，与 产甲烷微生物竞争。硫酸盐还原菌将产生硫化氢，而不是甲烷，从而 降低该过程的效能。

在堆积变为厌氧后，可能需要将确实厌氧的产甲烷微生物提供给 堆积，因为它们可以不能在该过程的需氧部分生存。这些产甲烷微生 物可以从正以厌氧模式运行的现有堆积得到，该堆积是改进并积极生 长微生物的来源。厌氧阶段期间，仍然可以产生并收集液体油。甲烷 气体一直产生到大部分可用的烃已经转变为液体石油/油或甲烷。该时 间将取决于被加工的页岩的颗粒尺寸或粉碎尺寸。产生小于5cm的粉碎 尺寸会花费更多，但是将更快地产生油和甲烷。实验和经济分析可以 确定对于特定页岩的最佳粉碎尺寸。

实施例2

在本实施例中，烃来源是油砂。该材料也称为焦油砂，并类似于 油页岩含有油砂沥青。加拿大艾伯塔具有三个世界上最大的油砂矿层， 其保守地估计为超过一万亿桶。油砂沥青构成油砂的约10-12％。其余 是80-85％砂子和粘土矿物以及4-6％水。认为用传统热水萃取或浮选浓 缩技术仅可回收这些矿层的约10％。这些非生物萃取过程在碱性尾料中 留下约25％油砂沥青。

在这一实施例中，油砂材料团聚成为尺寸约1至3cm的小球团或颗 粒。应该根据微生物降低重油粘度以及从颗粒萃取它的速度，选择生 物处理的颗粒尺寸。这可以在实验室实验中确定，如实施例1所做。通 常，较小颗粒将以比较大颗粒以更快的速度产生更多的油。然而，较 小颗粒可能更昂贵，并且难以生产。

除了确定合适粒径，可以利用采矿领域已知技术试验性地确定粘 合剂的合适量和类型。选择的粘合剂应该足够强，以将团聚颗粒14保 持在一起，并且耐得住堆积重量。然而，使用的粘合剂量不应该太多， 以致于阻止微生物渗入或萃取油。此外使用过量粘合剂将增加方法的 成本。合适的粘合剂包括例如波特兰水泥和聚合物。还可以将浮选的 油砂沥青浓缩物团聚成为颗粒，或涂布到颗粒的外表面上。使用的水 泥量通常为约1至3％的范围。

用能够减小油砂沥青粘度并将其转变为较轻分子量油的改进微生 物聚生体培植团聚颗粒14。该聚生体应该是需氧和兼性厌氧微生物的 混合培养物，已知其产生有助于逐出油的表面活性剂溶剂和热量。混 合培养物还应该包含嗜热细菌，其可以在需氧烃降解释放的热产生的 较高温度下生存。应该设计并操作堆积，使其节省产生的热量，因为 它将有助于油萃取。

堆积将作为如实施例1中的需氧过程开始。可以将气体提供系统 60、灌注系统34和液体收集系统32嵌入堆积，以注入加工气体和水， 并收集包含萃取油和工艺用水的排出水。随着堆积堆叠较高，将灌注 系统34和气体收集系统33置于堆积中。在油/水分离器37中将油与液体 收集系统32中收集的工艺用水分离，然后通过灌注系统34再生用于再 注入和再利用。再生步骤可包括pH调节和除去毒性物质，其可能延缓 细菌生长。还可以将新的微生物加入该工艺用水。其可能是用于生产 甲烷的确实厌氧的发酵和产甲烷微生物。

除了灌注系统和液体收集管，堆积构造为具有气体源和除去管31， 68。注入气体混合物需要供给管31，其可以控制堆积内氧含量。在该 方法的需氧部分期间，氧含量可以是1-10％或更大，以促进油砂沥青降 解，并转化为液体油。除去大部分可回收的油后，减小氧含量，以促 进甲烷产生。利用厌氧的发酵微生物，剩余油和低分子量有机化合物 以及需氧微生物本身快速转变成醋酸酯和其它一种或两种碳化合物。 然后厌氧的产甲烷细菌将这些化合物转变成为甲烷，其由气体收集系 统33收集。

然后随着发酵和产甲烷微生物的厌氧聚生体继续降解高分子量油 砂沥青或其它有机烃源，该方法更缓慢地进行。该缓慢过程可以进行 几年。产生的气体将包含甲烷和二氧化碳的混合物。利用分离器39， 通过从气体混合物除去二氧化碳，可产生更加高浓缩的甲烷气体。净 化的甲烷气体可以作为天然气销售。替代地，如果管道70中还没有足 够浓度，可以充分地净化气体，以在发电机45中燃烧，以提供热量和/ 或电力。

实施例3

在全世界内美国和其它国家具有许多可采的煤。令人遗憾地，许 多这些煤来源都是低等级的，或者硫或灰分含量较高，并且因为环境 原因不可用于发电。更严格的大气质量要求已经减小了许多这些煤来 源的可用性。大部分新发电厂设计使用更清洁的燃烧天然气。

在本实施例中，在粉碎和分级煤的较大外部堆积30中，通过将煤 厌氧生物转化为甲烷，低级煤转变成更清洁的燃烧甲烷气体。煤和其 复杂化学结构的固体性质使其缓慢生物转变成甲烷。因此，除了用发 酵微生物和产甲烷微生物培植，还应该将良好的养分和生长底物来源 与煤结合。可以混合或团聚底物、养分和微生物，或将其堆叠成堆积 30时，涂布到煤颗粒上。一些良好的生长底物材料源是得自乙醇发酵、 城市废物淤泥和农业废物的生物质。这将提供微生物生长用有机材料， 并且还通过消耗氧，有助于产生厌氧的堆积。更容易降解的有机底物 将促进大量微生物生长，其将覆盖全部煤颗粒。

应该在实验室测定中确定煤颗粒的尺寸范围，以确定作为尺寸或 表面积对体积的函数的煤向甲烷转化的速度。一种进行这些测试的方 法是设立多个各自包含不同尺寸范围的柱，每个混合大量的养分和微 生物培养物。将该柱保持厌氧的，并测量产生的甲烷量。除了柱以外， 小的搅拌反应器可用于测量对于非常高的表面积与体积比的生物甲烷 产生速度，然后用于大规模过程。然后该实验室测试结果可以用于估 算对于大规模领域堆积的甲烷产生速度。

这类测试将考虑到优化pH、温度和其它环境条件，其将用于模拟 并控制较大商业操作。该系统模式还可以可用于预测并控制甲烷产生 速度。可以构造不同尺寸范围的几个堆积，以不同的速度产生甲烷， 作为设置生产速度以符合预期甲烷需求的方法。

在本实施例中，可以在处于转变成燃气电厂过程中的老烧煤电厂 附近构造较大的堆积。可以将引入不再满足大气质量排放标准的发电 厂的煤粉碎成试验性地确定的尺寸，然后对于一个或更多个堆积或不 同尺寸范围的层(lifts)进行尺寸分离。可以团聚最细的尺寸范围， 并堆叠在另一个堆积中。每个堆积或层(lift)开始产生甲烷，其可 以提供给燃气的涡轮发电机。现有燃煤电厂可以继续使用更清洁的燃 烧煤产生电力。用这种方法，设备可以继续产生与之前同样多的电力， 并减少排放物。这类转换还利用大量现有设备。

实施例4

泥炭沼泽隐藏了大约30％世界上的泥土碳储备。泥炭的天然生物降 解占全球甲烷排放物的3至7％。泥炭是初期的煤，美国具有世界上第二 大的泥炭资源。美国泥炭资源包含的总能量估计相当于约2400亿桶石 油。它在均匀分布在全国，并且在地表，很少或没有履盖层。

泥炭沼泽对于作为主要微生物过程的产甲烷甲烷生成 (methanogenic methane production)通常是酸性并且缺氧的。然 而，泥炭顶层包含甲烷氧化微生物(methanotrophic microbes)，其 消耗大量产生的甲烷，并将其氧化为二氧化碳和水。来自泥炭沼泽的 总的甲烷排放低于0.1升每平方米地表每天。

可以对泥炭进行脱水，并直接作为燃料燃烧。因为多种原因，包 括脱水成本，美国通常不这样做，尽管在世界其它地区这样做。在本 实施例中，从沼泽取出泥炭，并制成要堆叠成生物反应器的小球团或 颗粒。因为泥炭的高水含量和其柔软性以及可压缩的性质，它应该经 历一些加工，以在堆叠成堆积之前减小可压缩性。除了改变其物理性 能外，当形成堆积生物反应器时，可以加入养分、调节pH和微生物接 种。

为了增强泥炭颗粒，可以加入粘合剂。波特兰水泥可以作为粘合 助剂，并用于调节泥炭的pH。此外，中性pH的甲烷生成可以使用多种 小的有机化合物，以产生甲烷。因此，可以分析产甲烷甲烷生产的实 验室测试作为pH、养分和特定泥炭实例的其它环境要求的函数。然后 可以随着产生团聚颗粒14，调节至最适pH、养分和其它条件。换言之， 可以将其它材料15和17团聚成为颗粒14，以有助于产生团聚颗粒14的 最佳环境和强度。除了用于增强和pH控制的水泥或碳酸盐岩石，可以 加入生物质或农业废物或淤泥，以提供养分和微生物。替代地，为了 提供较小可压缩性的颗粒，可以将泥炭涂布到多个图3中图解的固体底 物21上，例如煤、油页岩或岩石。

如之前所描述的，将得到的泥炭颗粒堆叠成堆积30。堆积开始为 需氧过程，但是随着氧被清除或消耗，将转变为厌氧过程。此外用不 透气的阻挡层36覆盖堆积，以防止引入不需要的氧。堆积的高度受堆 积颗粒的可压缩性和渗透性限制。堆叠后，堆积必须保持足够的渗透 性，液体可以渗透通过堆积，以带进养分、微生物，并控制pH。此外， 它必须是足够能透气的，使得可以除去甲烷，并控制氧含量。

甲烷产生速度将取决于微生物发酵复杂泥炭有机材料成为醋酸酯 和其它简单有机材料的能力。这些简单的脂肪酸和氢和二氧化碳可以 转变成甲烷。可以预料甲烷生产速度应该超过从泥炭沼泽产生甲烷速 度的10倍。酸性泥炭沼泽产生6至30g甲烷每吨泥炭每天。然而本实施 例中描述的堆积生物反应器20应该能够产生超过300g甲烷每吨泥炭 每天。

尽管已经参考优选实施方式和具体实施例描述了本发明，本领域 熟练技术人员应该容易地认识到在不偏离在下文中权利要求提出的本 发明精神和范围情况下，可以对此处描述的方法和生物反应器作出许 多改变和改进。因此，应该清楚地理解给出本说明书仅用于举例，而 不是限定以下提出权利要求的本发明的范围。