一種用于家庭有機廢物的改進的厭氧消化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種緊湊型厭氧消化系統(tǒng)，其用于將家庭廢物生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化成富甲烷沼氣和具有約9％至40％固體的濃縮堆肥漿料用于農(nóng)業(yè)土壤應用。水平厭氧消化器容器包含水平容器，其提供隔熱并且優(yōu)選底部為圓柱形，所述容器內(nèi)部安裝有至少一個具有4至100個均勻分布的徑向的或水平的或?qū)堑膿醢宓妮S，并且其與所述容器外側(cè)的手柄或輪子連接以從外面旋轉(zhuǎn)所述軸，所述容器的一端配備有至少一個口用于引入粗生物質(zhì)廢物，在相反端配備有另外一組用于排出穩(wěn)定化之廢物的口，并且在所述用于排出穩(wěn)定化之廢物的口的水平上方具有一個受閥控制的氣體口，小的手動粉碎機與消化器容器耦接，所述粉碎機用于搗碎/切碎/碾碎大而硬的固體(例如骨頭)以得到優(yōu)選小于10mm粒徑的顆粒。使廢物落入消化器內(nèi)，并在通過旋轉(zhuǎn)與消化器內(nèi)具有擋板之軸連接的手柄進料時緩慢混合。
【專利說明】一種用于家庭有機廢物的改進的厭氧消化系統(tǒng)
[0001] 以下說明書具體描述了本發(fā)明的特征及其實施方式。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及用于家庭有機廢物的改進的厭氧消化器。更具體地，本發(fā)明提供了便 利系統(tǒng)，其包含有助于消化具有高固體和較低水分的家庭有機廢物的厭氧微生物。本發(fā)明 的消化器使得能夠?qū)ι锟山到獾膹U物進行厭氧消化，以在產(chǎn)生源處釋放營養(yǎng)物質(zhì)和微量 營養(yǎng)物質(zhì)、穩(wěn)定化的消化物和富甲烷的沼氣，所述廢物例如家庭廢物、變質(zhì)食物、農(nóng)作物生 物質(zhì)、動物廢物、植物和動物廢物的混合物、垃圾、農(nóng)業(yè)廢物、水草、花園切割物等。本發(fā)明還 有助于由生物質(zhì)生產(chǎn)用于常規(guī)家庭用途的生物燃料。本發(fā)明還有助于將經(jīng)厭氧消化的料渣 與生物來源的木質(zhì)素纖維素廢物混合，以留住營養(yǎng)物質(zhì)并使其緩慢地釋放至土壤。

【背景技術(shù)】
[0003] 在世界上的大多數(shù)地方，由家庭活動產(chǎn)生的廢物給城市增加了主要的物體 (bulk)，其常常最終以部分處理或未處理的形式傾倒，從而導致嚴重的環(huán)境污染。由于這些 生物可降解廢物難以專門收集、儲存以及運輸至處理廠而不腐敗，所以其管理是個嚴重的 問題。在通過現(xiàn)有方法管理和處理期間，難以控制由廢物生物質(zhì)的可腐敗組分產(chǎn)生的臭氣 和浸出物。這通常在常見并廣泛使用的需氧堆肥廠中觀察到。通常使用的相對便宜的小規(guī) 模和大規(guī)模野外堆肥方法具有若干缺點，并且無法以家庭水平用于沒有可用土地的城市和 半城市地區(qū)。發(fā)現(xiàn)對生物可降解廢物進行替代的厭氧消化和穩(wěn)定化或堆肥是合適的方法， 尤其是在氣候條件溫和的地方或處于隔熱條件下時，但是難以以家庭水平來實施該方法。
[0004] 目前使用的小尺寸或家庭尺寸的厭氧設(shè)備需要大量水來運作，其中可將固體直接 進料或在一些情況下磨碎后進料。這樣的設(shè)備總是排放大量的部分消化和未消化的有機 物質(zhì)，固體低于5%。它們最初是漂浮圓頂模式和固定圓頂模式（Lichtman，1983, VITA, Virginia, USA ;Leach，1987, Biomass 12,155-184)。由于帶有惡臭的部分消化流出物的大 量排放和對淡水的常規(guī)需求，對這些消化器的管理極其困難。脂肪是食物廢物中的重要成 分，在這樣的大范圍使用的家庭級消化器/通常建造的沼氣設(shè)備中，脂肪幾乎不分解，從而 變成污染和臭氣公害的嚴重源頭。為了避免脂肪以及類似材料的問題，需要在加載至當前 使用的系統(tǒng)之前將其從廢物中分離出來并進行需氧處理或埋入土壤。類似地，除非將固體 生物質(zhì)以機械的方式磨碎并加載至常規(guī)的沼氣設(shè)備中，否則它們不會充分降解和礦物化。 如果廢物的產(chǎn)生來自小塊土地處的家庭，則通過土壤掩埋的其他常規(guī)厭氧生物質(zhì)堆肥-雖 然不適于收集甲烷或控制甲烷排放-也是不可能的。最近介紹的高固體厭氧消化（HSAD) 法被設(shè)計成在收集、隔離和預加工有機廢物后以大規(guī)模運行。提出了 HSAD用于使消化設(shè)備 每年處理30, 000噸至50, 000噸MSW的源分離有機物。此外，對終產(chǎn)物、沼氣和穩(wěn)定化的 HSAD堆肥的利用還需將其運輸并放置于分銷處用于銷售。這些高固體消化法具有其他集中 化處理設(shè)備的所有問題，但是其優(yōu)點是在無需進行水稀釋的情況下分解固體。通常，為了在 設(shè)備外進行有效利用（offsite utilization)，需要對消化物或堆肥和沼氣進行進一步加 工。結(jié)果，在滿足了所有這些昂貴的處理操作后從能源產(chǎn)出和堆肥價值的角度來看，來自這 樣的集中化加工的凈收益變得沒有吸引力。在收集、隔離和運輸廢物過程中的臭氣污染十 分難聞，并且在人口稠密地區(qū)常常難以處理，在這樣的系統(tǒng)中該問題未解決。
[0005] 對現(xiàn)有技術(shù)的討論
[0006] 用于穩(wěn)定化生物可降解廢物的現(xiàn)有消化方法是需氧或厭氧的，或其組合。適當采 用的需氧方法設(shè)計成完全穩(wěn)定化固體廢物中的生物可降解物，但是單獨采用這樣的方法在 許多地方的應用中常常要么成本高昂，要么效率低下。一種這樣的情況是難以忍受的惡臭 以及在缺乏氣味控制裝置的情況下的操作導致在這樣的處理廠及周圍地區(qū)中十分令人生 厭。
[0007] 用于生物可降解廢物之穩(wěn)定化的最合適的主要加工方法之一是微生物介導的厭 氧消化。從植物、動物和廚余垃圾的廢物生物質(zhì)中產(chǎn)生甲烷的厭氧加工是公知的（美國專 利 No. 5, 90, 931 ;5, 863, 434 ;5, 821，111 ;5, 746, 919, 5, 626, 755 ;5, 567, 325 ;5, 143, 835 ; 4, 735, 724 ;4, 503, 154)。這樣的微生物方法已經(jīng)得以使用，并且可用于廢物處理中。該原 則能夠應用于多種規(guī)模-從小的家庭規(guī)模到用于多種生物可降解材料的大規(guī)模，但是需要 對系統(tǒng)進行合適的設(shè)計。
[0008] 全世界已對厭氧消化固體廢物以除去生物可降解物質(zhì)進行了研究（De Baere 1999，Water Science Technology，41 457-462)。大多數(shù)這樣的對改進固體消化和生物產(chǎn) 甲烷的開發(fā)以大規(guī)模操作為目標。這些開發(fā)很復雜，并且不適合家庭規(guī)模。最近報道了在 實驗室和現(xiàn)場試驗中通過使浸出物在新的穩(wěn)定化床和厭氧穩(wěn)定化床之間循環(huán)而改進固體 廢物的生物產(chǎn)甲燒（Lai等，2001 ;Nopharatana等，2002)。用于未分類城市固體廢物的浸 出床厭氧消化模式被發(fā)現(xiàn)可用于得到所裝載廢物的最終生物化學甲烷潛力的75%的甲烷 產(chǎn)率（P. Silvey 等，2000)。
[0009] 在題為 " Improvements in and relating to the treatment of cellulosic materials"的專利GB0360922A中描述了通過熱化學處理改進對包含纖維素材料之廢物的 消化。其中建議在處理期間添加化學物質(zhì)然后中和材料。在專利CN1587214A所給出的另 一種處理方法中，用厭氧方法處理竹纖維加工廢物。用碳酸氫銨和硫酸鋅對材料進行初級 處理，并用微生物群接種處理產(chǎn)生的水流以生產(chǎn)包含甲烷的氣體。
[0010] Dale和Malstrom在1981年（美國專利No. 4274838)已經(jīng)開發(fā)了用于有機廢物 (例如進料至長罐的動物肥料）的厭氧消化器。在該罐中提供有若干系統(tǒng)和設(shè)施以防止浮 渣形成，并控制漿料運動和氣體收集。該系統(tǒng)對在牛胃中進行過預處理的材料基本有效，并 且容量大。上述開發(fā)是McDonalds 1978(美國專利No. 41000023)和Albrs 1979(美國專利 No. 4, 169, 048)以及其他專利（美國專利4511370,1985)的改進方法。在某些收集并處理 植物生物質(zhì)以產(chǎn)生甲烷的情況下還討論了一些分批消化系統(tǒng)（Abbasi等，1990，Bi 〇l〇gical Wastes 34, （4)359-366)。
[0011] 1981年開發(fā)的Valorga工藝在單一階段使用一種方法來消化生物質(zhì)，但是在排出 生物不可降解物后進行了蒸汽處理。作為將生物質(zhì)收集并運送至設(shè)備處后的集中化系統(tǒng)， 這是可行的。
[0012] Smis等1995(美國專利No. 5, 389, 258)論述了另一種用于厭氧降解有機廢物以及 產(chǎn)生沼氣的方法，其中將固體或半固體進料至頂部的反應器中，在底部收集發(fā)酵液，并用泵 和復雜的系統(tǒng)將所述固體與新鮮固體混合。
[0013] 在一些有機廢物厭氧消化的方法中，需要大比例的水性介質(zhì)（美國專利 5, 637, 219Robinson 等，1997 ;美國專利 No. 5, 746, 919Dague 等，1998)。這樣的系統(tǒng)通?？?用于溶解形式或可容易水解形式的生物可降解物。所裝載的懸浮固體在這樣的系統(tǒng)中不完 全分解，因此其不適用于厭氧消化固體廢物生物質(zhì)。由于對大量排出物的不適當處理，消化 不完全的生物質(zhì)不僅引起環(huán)境問題，而且產(chǎn)生的甲烷量也較少。
[0014] 在美國專利No. 5, 500, 123,1996中已經(jīng)提出了二相消化系統(tǒng)。TERI (Tata能源 研究院，Tata Energy Research Institute)報道了用于纖維型和半固體型的城市固體廢 物的改造的二相高速消化器。這些工藝由以下組成：從酸化反應器中的植物廢物中提取 高C0D (約15, 000mg/l至20, 000mg/l)的有機浸出物，然后在上流式厭氧污泥床（up flow anaerobic sludge blanket,UASB)反應器中處理該浸出物。在該工藝中，液體的處理和處 置是嚴重的問題。
[0015] 2001年的美國專利6299774教導了用于回收能量、減少潛在污染以及增加有機廢 物（例如動物肥料）的價值的厭氧消化系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，在分批反應器、半連續(xù)反應器或 連續(xù)反應器中于低溫至高溫下處理動物肥料。該工藝聲稱利用農(nóng)場現(xiàn)有的處理和儲存設(shè) 備，并且需要最少的監(jiān)管和技能。其聲稱以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的甲烷。與許多其他厭氧消 化器不同，該系統(tǒng)提倡在高壓（優(yōu)選l〇psi至lOOpsi)下運行。其他運行要求包括將進料 材料制備為漿料。
[0016] 目前的另一種可用的高固體厭氧消化（High Solids Anaerobic Digestion, HSAD)設(shè)計成以大于100噸每天的容量運行，已知其在嗜熱細菌聚生體（bacterial consortium)的存在下于約55°C下工作（美國能源部下屬的國家可再生能源實驗室）。其 不適于小規(guī)模地工作。
[0017] Cameraon在1997年的美國專利5, 633, 163中提出了一種用于處理廢水和固 體有機廢物的裝置，其具有裝配有堆肥床的需氧處理室。Zhang&Zhang 2002(美國專利 No. 6, 342, 378)討論了另一種用于用厭氧相固體消化器來使固體廢物生產(chǎn)沼氣的系統(tǒng)，其 也是一個不適于小規(guī)模運行的復雜系統(tǒng)。
[0018] 在美國專利6, 663, 777 B2 (2003)中，Schimel公開了用于將生物質(zhì)、漿料厭氧轉(zhuǎn) 化成能源的裝置、系統(tǒng)和方法。這是一個復雜的系統(tǒng)，其具有許多工藝容器和工藝泵，并且 旨在以大容量運行。
[0019] 在2006年的美國專利7, 144, 507 B2中描述了干燥循環(huán)厭氧消化器，并聲稱幾乎 不產(chǎn)生料渣。其基本旨在處理如在廢水中的低固體。
[0020] 2008年Gray和Suto (美國專利No. 7410583 B2)的方法描述了處理食物廢物和其 他有機廢物以制備廢物漿料和厭氧消化物，其需要若干單元和單元操作。其也旨在以大規(guī) 模運行。
[0021] 在K0MP0GAS消化工藝中，通過定期（一般是每天）向嗜熱臥式系統(tǒng)進料來處理包 含高固體的廢物。進料至該工藝的是來自城市（主要來源于食品工業(yè)）的有機廢物。在一 些情況下，沼氣被升級至用于機動車或輸入天然氣網(wǎng)絡(luò)中的天然氣標準。然而，整個系統(tǒng)的 目的不是在具有少量生物質(zhì)固體的單個家庭中運行。
[0022] 另一種消化器裝置聲稱通過經(jīng)濃縮器組件進料在受控溫度下運行的消化單元中 將濕的生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化成沼氣。生物質(zhì)需要作為漿料進料，并且該裝置通過計算機控制 (美國專利No. 6663777 B2, 2003)。該系統(tǒng)旨在作為用于生物質(zhì)處理的大型設(shè)備運行。
[0023] Linde-KCA引進了臥式活塞流厭氧系統(tǒng)，其中在嗜中溫工藝和嗜熱工藝二者中都 進行生物質(zhì)的濕消化和干消化。該兩步工藝起始于好氧處理，并且水解物通過隨內(nèi)部轉(zhuǎn)子 移動的傳輸系統(tǒng)傳送至厭氧中。然后使材料脫水。
[0024] 據(jù)報道，迄今，厭氧固體廢物處理和能源產(chǎn)生在以下一種或更多種條件下進行：
[0025] ?設(shè)計主要針對集中化處理，并且要求一系列工藝-收集至容器中、轉(zhuǎn)移至較大容 器中、運輸至消化器處；
[0026] ?需要對材料預加工以滿足消化器的條件；
[0027] ?運行是能源密集型的，并且在生產(chǎn)的源頭（例如家庭水平）運行執(zhí)行起來復雜；
[0028] ?運行需要技術(shù)人員的力量；
[0029] ?需要高的資本和維護成本，因為它們旨在以大規(guī)模運行；
[0030] ?系統(tǒng)需要沼氣能量利用系統(tǒng)，這也需要資本投資和運行；
[0031] ?消化的堆肥需要進一步的加工和營銷網(wǎng)絡(luò)。
[0032] 在國內(nèi)外有許多大小公司和組織提供沼氣設(shè)備。這些市售沼氣設(shè)備基于傳統(tǒng)的沼 氣設(shè)備模式來定大小和規(guī)模（印度的KVIC或Deenbindu)，其最初開發(fā)用于從牛糞產(chǎn)生沼氣 (gober氣體），基本用于將動物排泄物中的可溶有機物的殘余物轉(zhuǎn)化為沼氣。其具有進料 入口和流出出口，以及漂浮的或固定的氣體收集室（dome)。這種沼氣設(shè)備適用于處理經(jīng)預 加工的材料，例如動物胃中的經(jīng)預加工的材料。使用這些設(shè)計使家庭廢物產(chǎn)生沼氣并進行 處理（如當前進行的）的缺點是，在牛糞廢物的情況下廢物材料沒有有效消化并轉(zhuǎn)化成沼 氣。家庭廢物的固體和脂肪消化不完全，并且這導致大量的有污染的、惡臭的、無法處理的 排放物。此外，這些沼氣設(shè)備一般比較龐大，并且在廢物進料期間需要添加淡水。在熱帶地 區(qū)，沼氣廠區(qū)域?qū)е挛米臃敝骋约跋嚓P(guān)的媒介傳播疾病。
[0033] 從一些報道中明顯看到國內(nèi)市售沼氣的低效。例如對南印度處理廢物的小規(guī)模 沼氣設(shè)備的評估報道，其使用一種典型的流行構(gòu)造（make)，即進料廚余垃圾的"BIOTECH設(shè) 備''(Nicholas Estoppey,Evaluation of small-scale biogas plants for the treatment of faeces and kitchen waste, eawag Aquatic Research 2010)。在以上樣品研究中，每 天進料2. 9kg廢物的2000升容量的設(shè)備一直排出11. 7升的排放物。根據(jù)該報道，每天排 出的排放物是水樣的，并且由于重度的污染負荷所以在處置之前需要進一步處理。沼氣中 的最大甲烷含量是65%。這樣的沼氣設(shè)備的氣體產(chǎn)生速率（m 3/m3消化器/天）為約0.47。
[0034] 印度的另一種流行構(gòu)造 ARTI被稱為緊湊型沼氣設(shè)備，其提出裝入1000升至1500 升，這與用于3至5個成員之家庭的BIOTECH構(gòu)造的建議尺寸幾乎相同，并且其每天排出約 15升的排放物。這意味著這樣的設(shè)備也需要額外的水用于其運行。在這種情況下，效率也 未見不同，因為沼氣組成和氣體產(chǎn)生速率與BIOTECH相同。
[0035] 從現(xiàn)有技術(shù)可理解，沒有可用的合適機制用于家庭產(chǎn)生之廢物生物質(zhì)的完全消化 和穩(wěn)定化并有助于在產(chǎn)生源處之沼氣能源的回收以及用于農(nóng)業(yè)應用的營養(yǎng)物循環(huán)。此外， 與同一系列的其他系統(tǒng)相比，本發(fā)明的改進系統(tǒng)提供了更高的甲烷產(chǎn)率以及良好穩(wěn)定化的 堆肥。此外，對用于就地處理生物可降解廢物之系統(tǒng)的需求與現(xiàn)在的環(huán)境高度相關(guān)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0036] 因此，本發(fā)明的主要目的是為來自家庭的廢物生物質(zhì)和可腐敗物質(zhì)提供緊湊型高 固體厭氧消化系統(tǒng)。
[0037] 本發(fā)明的另一個目的是在不進行預加工或預處理的情況下分解生物可降解的有 機廢物。
[0038] 本發(fā)明的另一個目的是在水較少的條件下分解生物可降解的有機廢物。
[0039] 本發(fā)明的另一個目的是通過廉價的微生物法從廢物生物質(zhì)產(chǎn)生富甲烷的沼氣。
[0040] 本發(fā)明的另一個目的是在廢物產(chǎn)生處有效并方便地分解生物可降解的有機廢物。
[0041] 本發(fā)明的另一個目的是使用具有高度保留廢物生物質(zhì)的系統(tǒng)在小體積中進行完 全消化。
[0042] 本發(fā)明的另一個目的是使用不需要電的系統(tǒng)從廢物生物質(zhì)中生產(chǎn)富甲烷沼氣。
[0043] 本發(fā)明的另一個目的是收集為常規(guī)現(xiàn)場使用或后續(xù)使用而產(chǎn)生的富甲烷沼氣。
[0044] 本發(fā)明的另一個目的是用緊湊型系統(tǒng)來改良生物可降解有機廢物以用于農(nóng)業(yè)無 污染應用。
[0045] 本發(fā)明的另一個目的是通過厭氧處理來釋放結(jié)合于生物可降解有機材料中的營 養(yǎng)物質(zhì)。
[0046] 本發(fā)明的另一個目的是由有機廢物生產(chǎn)改進水分保持和空氣循環(huán)質(zhì)量的具有營 養(yǎng)物質(zhì)的土壤調(diào)節(jié)劑。
[0047] 本發(fā)明的另一個目的是將營養(yǎng)物質(zhì)保持在環(huán)境友好的材料中，以使其在土壤應用 中緩慢釋放。
[0048] 本發(fā)明的另一個目的是平衡消化物質(zhì)（堆肥）的水含量，以方便處理和運輸。
[0049] 本發(fā)明的另一個目的是控制來自生物可降解有機物質(zhì)的污染，所述生物可降解有 機物質(zhì)例如家庭廢物、動物和鳥類廢物、陸地和水中的雜草，以及農(nóng)業(yè)廢物。
[0050] 本發(fā)明的另一個目的是將木質(zhì)素纖維素廢物轉(zhuǎn)化成富含容易獲取之營養(yǎng)物質(zhì)的 土壤改良劑。
[0051] 以上所有目的都通過本發(fā)明描述的改進厭氧消化系統(tǒng)及其多種實施方案得以實 現(xiàn)。
[0052] 因此，本發(fā)明提供了用于家庭有機廢物的用于生產(chǎn)穩(wěn)定化的水分較少的堆肥并得 到富甲烷沼氣的改進厭氧消化器，其包含長度為300mm至2500mm的水平容器（200升至 2500升），其提供隔熱并且末端優(yōu)選為圓柱形，所述容器內(nèi)部安裝有至少一個具有4至100 個優(yōu)選均勻分布的徑向地或水平地或?qū)堑負醢宓妮S，并且其與所述容器外側(cè)的手柄或輪 子連接以從外面旋轉(zhuǎn)所述軸，所述容器的一端配備有至少一個直徑為50mm至500mm的口用 于引入粗生物質(zhì)廢物，在相反端配備有另外一組直徑為50_至100mm的用于排出穩(wěn)定化之 廢物的口，并且在所述用于排出穩(wěn)定化之廢物的口的水平上方具有一個直徑為5mm至10mm 的受閥控制的氣體口，小的手動250ml至1000ml體積的粉碎機與消化器容器耦接，用于搗 碎/切碎/碾碎大而硬的固體（例如骨頭）以得到較小的顆粒，優(yōu)選粒徑小于l〇mm的顆粒。
[0053] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，其提供了用于消化生物質(zhì)廢物以生產(chǎn)穩(wěn)定化的水 分較少的堆肥并得到富甲烷沼氣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含200升至2500升的厭氧消化器，其 基本上為長度為300mm至2500mm的水平容器，其根據(jù)需要提供隔熱并且底部優(yōu)選為圓柱 形，所述容器內(nèi)部安裝有至少一個具有4至100個優(yōu)選均勻分布的徑向地或水平地或?qū)?地擋板的軸，并且其與所述容器外側(cè)的手柄或輪子連接以從外面旋轉(zhuǎn)所述軸，所述容器的 一端配備有至少一個直徑為50mm至500mm的口用于引入粗生物質(zhì)廢物，在相反端配備有另 外一組直徑為50mm至100mm的用于排出穩(wěn)定化之廢物的口，并且在所述用于排出穩(wěn)定化之 廢物的口的水平上方具有一個直徑為5mm至10mm的受閥控制的氣體口。
[0054] 根據(jù)本發(fā)明的一個特征，在容器內(nèi)部具有帶擋板之軸的消化器的相反兩端安裝有 入口和出口。
[0055] 本發(fā)明的一個重要特征是，所述消化器和/或粉碎機由能夠與對生物質(zhì)廢物進行 厭氧處理相容的材料制成，例如鋼、纖維增強的聚合物、塑料、混凝土等，或其組合。
[0056] 根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，通過裝填生物穩(wěn)定化的濕有機堆肥或富含厭氧微生物 群的沼氣設(shè)備處理的排出物以及根據(jù)需要添加盡可能少的淡水以形成20%至40%總固體 的漿料來制造消化器中的起始厭氧菌群。起始厭氧菌群含有天然活性形式的或作為休眠孢 子或分離形式的兼性細菌、厭氧細菌、真菌、原生動物和放線菌。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，在每次進料粗生物質(zhì)廢物后旋轉(zhuǎn)所述軸若干次，這保 證使內(nèi)部的所述廢物混合，增強生物降解的速率，所述生物降解包括大塊生物質(zhì)崩解成較 小顆粒，所述顆粒分解成可溶化合物，化合物分解成分子，以揮發(fā)脂肪酸（例如乙酸酯）并 導致生物產(chǎn)甲烷。
[0058] 根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，進料后軸的所述若干次旋轉(zhuǎn)釋放消化產(chǎn)生的沼氣，并 使材料易于從進料口向前運動。
[0059] 根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，通過微生物群在所得的消化器中的生長經(jīng)水解、酸化、 乙酸化和生物產(chǎn)甲烷來促進進料廢物在冷凍溫度以上進行生物降解和生物產(chǎn)甲烷，所述進 料廢物包括含有植物的食物廢物、大米、谷物、肉類、蛋黃、變質(zhì)牛奶或其制備物以及甜品、 植物皮、植物切屑、果皮，腐爛的食物、水果和植物。
[0060] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，在材料特別堅硬（例如骨頭和種子）或尺寸超過2 厘米至3厘米的情況下，對廢物材料進行粉碎以使廢物的消化和穩(wěn)定化更快，然后將其進 料至所述口，并借助于配備的手柄輕輕混合幾分鐘，其中腐敗生物質(zhì)中的混合微生物群使 得材料水解、分解、酸化、乙酸化以及生物產(chǎn)甲烷，從而產(chǎn)生富甲烷沼氣和用于農(nóng)業(yè)應用的 富營養(yǎng)物質(zhì)堆肥。
[0061] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，消化和生物產(chǎn)甲烷的厭氧過程最適于在嗜中溫至嗜 熱溫度條件下進行，因為在< 20°c和> 55°C時速率會下降，并且如果自然的環(huán)境溫度比較 極端，則按照任何已知標準技術(shù)通過對所述消化器進行合適的隔熱、加熱或冷卻來控制。
[0062] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，所述系統(tǒng)在6. 8至9. 0的近中性pH條件下自動運行 并工作，不需要通過額外添加酸或堿來緩沖。
[0063] 本發(fā)明的一個重要特征是，所述經(jīng)消化的排放物包含9%至40%的總固體。
[0064] 本發(fā)明的這些及其他目的、特征和優(yōu)點將從下文對本發(fā)明實施方案的描述中變得 更加顯而易見，這些實施方案僅作為非限制性實例給出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0065] 下文的附圖是本說明書的一部分，并且通過包含這些附圖來進一步描述本發(fā)明。 可通過單獨引用它們或結(jié)合本文提供的具體實施方案的詳細描述來更好地理解本發(fā)明。
[0066] 圖1是本發(fā)明的緊湊型厭氧消化系統(tǒng)的一個實施方案的示意圖。
[0067] 圖2是圖1所示系統(tǒng)的一些部件的示意圖，其示出直接進料口、粉碎進料機口以及 混合裝置上的擋板。
[0068] 圖2b是圖1所示系統(tǒng)的粉碎進料機的截面示意圖。
[0069] 發(fā)明詳述
[0070] 下文詳細討論了本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方案。應理解，雖然討論了具體步驟、構(gòu)造 和布置，但是其僅用于舉例說明的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用其他步驟、構(gòu)造、數(shù) 量和布置而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。應理解，雖然之前的描述設(shè)想了一個特定實施方 案，但是本發(fā)明可用于許多其他實施方案和其他實施例。
[0071] 本發(fā)明可包括用于厭氧消化生物質(zhì)廢物的改進系統(tǒng)，以產(chǎn)生富甲烷沼氣、使結(jié)合 的營養(yǎng)物質(zhì)釋放并且以較少的水穩(wěn)定化廢物用于農(nóng)業(yè)土壤應用。因此，本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)選 實施方案進料生物可降解廢物，特別是家庭來源的生物可降解廢物，例如不同大小、性質(zhì)和 水含量的食物廢物、廚余垃圾、農(nóng)業(yè)殘余物等。所述系統(tǒng)包含組合的已知特征和未知特征， 以提供改進的、高效的并且適于特別是在產(chǎn)生源處（例如家庭）對廢物生物質(zhì)進行厭氧消 化。所述系統(tǒng)設(shè)計成以較少的水分進行厭氧消化，從而具有高保留以在小體積中進行完全 降解，并且避免使用額外的水，產(chǎn)生濃縮的堆肥，從而利于處理和運輸。
[0072] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的改進厭氧消化系統(tǒng)的一個實施方案的示意圖，圖2包括具有 粉碎機和不具有粉碎機的進料口的圖，以及來自進料側(cè)的軸上擋板的概覽，其具有以下特 征：用于對廢物生物質(zhì)進行厭氧消化的水平制造的密閉容器（1)，其配備有廢物生物質(zhì)引 入口⑵以及與其⑵連接的旋轉(zhuǎn)手柄（2. 1)，氣體釋放口（4)以及經(jīng)堆肥材料排出口（5)， 并且還配備有用于借助手柄（3. 1)以在外部混合內(nèi)部材料的設(shè)備，所述手柄（3. 1)使用現(xiàn) 有技術(shù)的機械固定裝置（例如軸承或襯套）固定在消化器容器中具有適當構(gòu)造的軸上，在 所述軸上，徑向地或水平地或?qū)堑鼗蛞詫?nèi)部材料進行有效攪拌的其他模式布置有擋板 (3)或類似固定裝置，以使顆粒、微生物、酶、水分運動，并且使氣體釋放，促進材料流緩慢地 向排出口流動。
[0073] 用于進料的一個或更多個口制造成可使進料的材料方便地加載并且防止沼氣泄 露，并且其可接收具有多種特征的進料，例如漿料、粉末、研磨的廢物或粉碎的廢物，并且安 裝有合適的蓋或閥以控制水從外部落進來。一個或更多個排出口可選擇為允許經(jīng)消化的廢 物材料容易地通過，而不干擾包括沼氣收集在內(nèi)的功能，并且不發(fā)生泄漏，防止空氣和外部 的水進入消化器容器，其后可連接合適的儲藏室以收集穩(wěn)定化的料渣用于以后用作土壤肥 料。在所述儲藏室中，提供了諸如鋸屑、泥炭或椰殼泥炭的材料來吸收經(jīng)消化材料中的水 分，使其容易處理并用于土壤應用。在所述裝置中產(chǎn)生并收集的沼氣通過由閥調(diào)節(jié)的口來 釋放，所述口可為可得的標準化制品或是特別制造的，并且具有合適的內(nèi)徑，其可以為了該 目的以不小于5_提供于容器頂部，在這里在所述過程期間持續(xù)地收集沼氣并儲存。可在 所述容器本身中進行沼氣的額外儲存，前提是，所述容器體積大和/或具有可用的額外沼 氣儲存系統(tǒng)，并連接至所述厭氧系統(tǒng)的由閥控制的沼氣口。
[0074] 廢物生物質(zhì)進料包括廚余垃圾-經(jīng)烹飪或未經(jīng)烹飪的食物材料、變質(zhì)食物、動物 和植物來源的組織、蛋殼和蛋黃、花園廢物、廢紙、水果、果皮、動物廢物，這些廢物包含簡單 形式或復雜形式的一種或更多種組分，例如碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪，并且這些組分可轉(zhuǎn) 變或轉(zhuǎn)化為甲烷或容易利用的營養(yǎng)物質(zhì)，例如用于農(nóng)業(yè)應用的堆肥。
[0075] 在進料廢物期間或之后不向系統(tǒng)中添加額外的水，直接添加廢物生物質(zhì)，并且優(yōu) 選使用附接的手動粉碎機或任何標準系統(tǒng)粉碎或研磨堅硬生物材料以將其粒徑減小至優(yōu) 選小于10_，以利于運行，并且還可無需制成其漿料亦可進料。
[0076] 對水平消化器的預加載用來自標準家用沼氣設(shè)備或消化器的包含生物穩(wěn)定化的 濕有機堆肥的厭氧消化或部分厭氧消化的材料來完成，并根據(jù)需要添加盡可能少的淡水， 以形成含有20%至40%總固體的漿料，所述有機堆肥富含以其天然活性形式或休眠孢子 或分離形式存在的細菌、真菌、原生動物和放線菌的厭氧微生物群。
[0077] 可用于本發(fā)明的厭氧消化器的微生物的典型種類包括：真細菌、古細菌、酵母菌、 原生動物、真菌和放線菌，并且涉及的常見生物有：變形桿菌屬（Proteus sp.)、沙門氏菌 屬（Salmonella sp·)、氣桿菌屬（Aerobacter sp·)、大腸桿菌（Escherichia coli)、枯草 芽抱桿菌（B.subtilis)、芽抱桿菌屬（Bacillus sp.)、微球菌屬（Micrococcus)、共養(yǎng)桿菌 屬（Sytrophobacter)、共養(yǎng)單胞菌屬（Syntrophomonas)、擬桿菌屬（Bacteroides)、纖線菌 屬（Leptonema)、丁酸弧菌屬（Butyrivibrio)、梭菌屬（Clostridium sp.)、Lacteriodes、 瘤胃球菌屬（Ruminococcus)、消化球菌屬（Peptococcus)、乳桿菌屬（Lactobacillus)、 甲燒桿菌屬（Methanobacterium)、產(chǎn)甲燒球菌屬（Methanococcus)、甲燒桿菌屬 (Methanobacillus)、甲燒八疊球菌屬（Methanosarcina)、甲燒絲菌屬（Methanothrix sp.)、脫硫弧菌屬（Desulfovibrio)，并且在其獨立和互養(yǎng)生長期間均能夠分解生物質(zhì)并導 致產(chǎn)生沼氣。
[0078] 通過進料口（2a)向所述系統(tǒng)直接添加或在粉碎（2b)后添加廢物生物質(zhì)，在所述 粉碎機（2b)中，一旦旋轉(zhuǎn)所連接的手柄（2. 1)，進料的材料即被切割成較小的尺寸，然后通 過旋轉(zhuǎn)所述厭氧消化器中的所述手柄進行混合，其中，在腐敗生物質(zhì)中的混合微生物群的 作用下，使材料進行水解、分解、酸化、乙酸化和生物產(chǎn)甲烷，并且產(chǎn)生富甲烷的沼氣以及用 于農(nóng)業(yè)應用的富營養(yǎng)物質(zhì)堆肥。所述消化和生物產(chǎn)甲烷的厭氧過程可最適于在嗜中溫至嗜 熱溫度下進行，在< 20°C和> 55°C時速率會下降，并且可按照任何已知標準技術(shù)通過對所 述消化器進行合適的隔熱、加熱或冷卻來控制。所述系統(tǒng)可在6. 8至9. 0的近中性pH條件 下運行和工作，所述pH條件可在所述系統(tǒng)中自動維持，無需通過額外添加化學物質(zhì)、酸或 堿來進行緩沖。
[0079] 除了作為漿料或粉末的廢物生物質(zhì)外，廢物材料的厭氧消化還可通過進料長度 < 25cm、寬度< 10cm并且厚度< 3cm的材料（堅硬的骨頭除外）來進行，從而導致完全快 速的消化，并且恒定地接收穩(wěn)定化的排出物。
[0080] 由厭氧消化產(chǎn)生的沼氣通過位于所述系統(tǒng)頂部的由閥控制的氣口釋放，并且其可 直接與燃燒器連接或在儲存后用于加熱目的，或者如果需要滿足燃燒器/發(fā)電機的規(guī)定的 話在純化系統(tǒng)后與任何標準的發(fā)電裝置連接。沼氣的產(chǎn)生速率為250升/天至2500升/ 天不等，其中進料的廢物為120gm干重至lkg干重不等，并且其中根據(jù)廢物的種類以及進行 的改造，初始水含量為40%至95%。排出物中揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acid,VFA) 的含量降低至mg水平，國內(nèi)的沼氣設(shè)備通常比這多一百倍。結(jié)果，實現(xiàn)了 VFA到甲烷的較 高轉(zhuǎn)化率，并且經(jīng)消化的材料沒有腐敗的氣味。所述系統(tǒng)中產(chǎn)生的沼氣主要包含> 75%的 甲烷和< 25%的二氧化碳，并且由于處理中的材料的pH維持在約8. 0或更高，硫化氫的含 量為痕量，該pH范圍下釋放的游離H2S比通常7. 0或更低的pH條件（其通常為運行導致 的高水含量和國內(nèi)沼氣設(shè)備中的條件）下所釋放的低得多。
[0081] 該機理導致了最高的消化水平，甚至是以0. 1%至50%的范圍進料之廢物的生物 可降解性差的脂肪亦被降解并最終轉(zhuǎn)化為沼氣產(chǎn)物，并且實踐中在經(jīng)消化的排放物中殘留 極少或沒有游離脂肪，經(jīng)測量為50mg/kg至250mg/kg干物質(zhì)，主要源自微生物細胞脂肪。氣 體產(chǎn)生速率（每天產(chǎn)生的沼氣體積/消化器容積）為1. 0或更高，這比現(xiàn)有模式的兩倍還 多。
[0082] 所述厭氧消化系統(tǒng)中的固體基于進料中的水分為7%干重至40%干重不等，優(yōu)選 約15%干重至40%干重。
[0083] 排出物的稠度通常是稠而黑褐色的漿料，總固體范圍為9%至40%，并且其可根 據(jù)進料的水分而變化，并且若進料水分高度變化的廢物可為5%至60%。排出物中的相對 粒徑為低于0.2cm，并且在進料大纖維和骨頭而不進行粉碎的情況下可出現(xiàn)更長顆粒。較高 水平的生物降解是由于較少水分的厭氧消化增加了廢物的滯留時間，從而實現(xiàn)生物反應物 的較高濃度以及廢物的完全消化。由于在機理中基本去除所進料廢物中的揮發(fā)性固體，并 且其中許多聚合材料（例如纖維素成分）也被微生物活性分解時，所以測量到了生物質(zhì)廢 物更高程度的降解。 實施例
[0084] 廚余垃圾的厭氧消化
[0085] 本方法在350升容量的厭氧消化器中進行，并且每天進料由以下組成廚余垃圾： 每天不同比率的蔬菜皮、魚處理廢物（fish dressing wastes)、腐爛的水果、含大米的經(jīng)烹 飪食物、蔬菜、雞肉、甜點、發(fā)霉的面包和餅干、蛋黃、蛋殼、果皮、脂肪、雞骨頭，以及花園的 草和葉子，并且一起稱重為約500gm至1500gm。
[0086] -天的進料組成如下，其中總濕重為503. 66gm，并且干固體為116. 94gm(總固體 含量 23. 22% )。
[0087]
[0088]

【權(quán)利要求】
1. 改進的厭氧消化器，其用于家庭有機廢物以生產(chǎn)穩(wěn)定化的水分較少的堆肥并得到富 甲烷沼氣，其包含水平容器，所述容器提供隔熱并且末端優(yōu)選為圓柱形，所述容器內(nèi)部安裝 有至少一個具有4至100個均勻分布的徑向的或水平的或?qū)堑膿醢宓妮S，并且其與所述 容器外側(cè)的手柄或輪子連接以從外面旋轉(zhuǎn)所述軸，所述容器的一端配備有直徑為50_至 500mm的口用于引入粗生物質(zhì)廢物，在相反端提供有另外一組直徑為50mm至100mm的用于 排出穩(wěn)定化之廢物的口，并且在用于排出穩(wěn)定化之廢物的所述口的水平上方具有一個直徑 為5mm至10mm的受閥控制的氣體口，250ml至1000ml體積的小的手動粉碎機與所述消化器 容器耦接，所述粉碎機用于搗碎/切碎/碾碎大而硬的固體，其與入口連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的厭氧消化器，其中所述消化器示意性地由本文提供的 圖表示，所述消化器包含用于對廢物生物質(zhì)進行厭氧消化的水平制造的密閉容器（1)，其配 備有廢物生物質(zhì)進料口或入口（2)、氣體釋放口（4)以及經(jīng)堆肥材料的排出口或出口（5)， 并且還配備有用于借助手柄（3. 1)來混合內(nèi)部材料的設(shè)備，所述手柄（3. 1)使用諸如軸承 或襯套的機械固定裝置安裝在具有適當構(gòu)造的軸上，在所述軸上，徑向地或水平地或?qū)?地或以對內(nèi)部材料進行有效攪拌的任何其他模式布置有擋板（3)或類似固定裝置，以促使 顆粒、微生物、酶、水分運動，并且釋放氣體，促進材料流緩慢地向排出口流動，所述消化器 的所述進料口（2)還配備有旋轉(zhuǎn)手柄（2.1)以利于搗碎/切碎/碾碎有機廢物，并且在粉 碎后通過（2b)引入進料，或不經(jīng)粉碎通過（2a)直接引入進料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1至2所述的改進的厭氧消化器，其中在所述容器內(nèi)部具有帶擋板的 所述軸（3)的所述消化器的相反兩端上安裝有所述入口（2)和出口（5)，所述軸用于攪拌所 述消化器內(nèi)的廢物材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的改進的厭氧消化器，其中與入口（2)連接的所述手柄 (2. 1)用于將進料的材料切割成較小的尺寸，并且旋轉(zhuǎn)所述手柄（3. 1)以混合所述進料的 材料，并使其緩慢移動通過所述消化器，在所述消化器中混合的微生物群作用于腐敗中的 生物質(zhì)，使得進料的廢物生物質(zhì)進行水解、分解、酸化、乙酸化以及生物產(chǎn)甲烷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的改進的厭氧消化器，其中所述消化器和/或粉碎機由能 夠與對生物質(zhì)廢物進行厭氧處理相容的材料制成，其中所述材料為鋼、纖維增強的聚合物、 塑料、混凝土或其組合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的厭氧消化器，其中所述系統(tǒng)中產(chǎn)生的沼氣主要包含> 75 %的甲烷和< 25 %的二氧化碳，并且氣體產(chǎn)生速率（每天產(chǎn)生的氣體體積/消化器容 積）是1. 〇或以上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的厭氧消化器，其中所述厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢物固 體基于進料中的水分為7%干重至40%干重不等，優(yōu)選約15%干重至40%干重，并且排出 物體積為約lkg/天。
8. -種改進的厭氧消化方法，其使用權(quán)利要求1中所述的厭氧消化器，所述方法包括 以下步驟： 向所述厭氧消化器中進料生物可降解廢物； 最優(yōu)在嗜中溫至嗜熱的溫度條件下進行厭氧消化和厭氧生物產(chǎn)甲烷的工藝，以產(chǎn)生沼 氣并排出廢物固體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的改進的厭氧消化方法，其中最優(yōu)在對所述水平容器（1)進行 適當絕熱來控制的溫度范圍為< 20°C至> 55°C的嗜中溫至嗜熱溫度條件下進行所述厭氧 消化和厭氧生物產(chǎn)甲烷的工藝。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的改進的厭氧消化方法，其中用選自以下的微生物進行厭 氧消化和厭氧生物產(chǎn)甲烷的工藝：真細菌、古細菌、酵母菌、原生動物、真菌和放線菌，并 且涉及的常見生物有：變形桿菌屬（Proteus sp.)、沙門氏菌屬（Salmonella sp.)、氣桿 菌屬（Aerobacter sp.)、大腸桿菌（Escherichia coli)、枯草芽抱桿菌（B.subtilis)、 芽抱桿菌屬（Bacillus sp.)、微球菌屬（Micrococcus)、共養(yǎng)桿菌屬（Sytrophobacter)、 共養(yǎng)單胞菌屬（Syntrophomonas)、擬桿菌屬（Bacteroides)、纖線菌屬（Leptonema)、 丁酸弧菌屬（Butyrivibrio)、梭菌屬（Clostridium sp. )、Lacteriodes、瘤胃球菌屬 (Ruminococcus)、消化球菌屬（Peptococcus)、乳桿菌屬（Lactobacillus)、甲燒桿菌屬 (Methanobacterium)、產(chǎn)甲燒球菌屬（Methanococcus)、甲燒桿菌屬（Methanobacillus)、 甲燒八疊球菌屬（Methanosarcina)、甲燒絲菌屬（Methanothrix sp.)、脫硫弧菌屬 (Desulfovibrio)〇
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的改進的厭氧消化方法，其中在水分盡可能少的條件下進行 生物降解，并且不需要用電來產(chǎn)生沼氣。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的改進的厭氧消化方法，其中在6. 8至9的近中性pH條件下 自動進行所述方法，無需通過額外添加酸或堿來緩沖。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的厭氧消化器，其中廢物選自由以下組成的家庭廢物 材料：不同比率的蔬菜皮、魚處理廢物、腐爛的水果、含大米的經(jīng)烹飪食物、蔬菜、雞肉、甜 點、發(fā)霉的面包和餅干、蛋黃、蛋殼、果皮、脂肪、雞骨頭，以及花園的草和葉子。
14. 一種用于家庭有機廢物的改進的厭氧消化器，其如本文參照說明書附圖所述。
【文檔編號】C05F17/02GK104203872SQ201380014935
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月19日
【發(fā)明者】瓦塔克卡特·巴拉克里什南·馬尼拉勒 申請人:科學與工業(yè)研究會