專利名稱：用于在厭氧發(fā)酵器中將再生原料中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成沼氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物化學(xué)和能源生產(chǎn)領(lǐng)域并涉及一種在沼氣發(fā)生設(shè)備中使用的用于
在厭氧發(fā)酵器中將再生原料中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成沼氣的方法，該方法既可以在再生原料的單 發(fā)酵時(shí)使用，也可以在農(nóng)村沼氣設(shè)備中利用農(nóng)業(yè)糞肥(例如糞水)的共發(fā)酵時(shí)或者在城市 污水處理設(shè)備上利用污水處理淤泥的共發(fā)酵時(shí)使用。
背景技術(shù)：
在充分利用微生物厭氧混合群體的生化效能情況下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成能源上可利 用的沼氣，無(wú)論是在農(nóng)村沼氣設(shè)備上，還是在城市污水處理設(shè)備的發(fā)酵塔上，均得到大規(guī)模 的實(shí)際應(yīng)用。在此方面所使用的工藝包括發(fā)酵器的數(shù)量和線路、過(guò)程溫度(嗜溫、嗜熱)、底 物處理、給料控制、停留時(shí)間和空間負(fù)荷的非常廣泛多樣的組合。 在利用再生原料作為沼氣發(fā)生的主要底物或者共底物時(shí)，阻止其化學(xué)結(jié)構(gòu)全部轉(zhuǎn) 換成沼氣。大部分植物原料由微生物很難或者根本不能進(jìn)入的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 組成。這一點(diǎn)在使用除了輸入原料機(jī)械粗破碎外不做進(jìn)一步底物處理的傳統(tǒng)發(fā)酵工藝時(shí)， 導(dǎo)致不能令人滿意和部分不經(jīng)濟(jì)的分解率。底物在厭氧發(fā)酵器中的停留時(shí)間需要非常長(zhǎng)的 50-150天，而沼氣方式的能源收益率卻不能令人滿意。 此外，在反應(yīng)器串聯(lián)(級(jí)聯(lián))的情況下，只有第一反應(yīng)器發(fā)揮最大能力，因?yàn)榇蟛?分微生物上可供支配的有機(jī)物在前20-30天內(nèi)就已經(jīng)轉(zhuǎn)換。所有后置的反應(yīng)器在其分解效 率和速度上受到很大限制。原因是剩余的有機(jī)餾分水解非常緩慢。限制速度的這種分解步 驟導(dǎo)致還具有明顯儲(chǔ)備的甲烷發(fā)生受到抑制。 為在發(fā)酵時(shí)更好地利用再生原料中最初含有的能源，從外部加速水解，也就是將 絡(luò)合大分子分解成其基本成分。為此按照現(xiàn)有技術(shù)和特別是從再生原料(基礎(chǔ)化學(xué))中獲 取原料領(lǐng)域存在一系列方法。機(jī)械預(yù)處理(破碎、研磨)、物理(蒸汽爆炸法、熱水處理、熱 壓水解)、化學(xué)(酸洗、浸于堿液、濕法氧化)和酶促方法的各種組合例如用于溶解纖維素和 半纖維素。但所稱的方法不能直接在沼氣發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域使用，因?yàn)樗幚淼捏w積流 需要的能源和化學(xué)制品高得很不經(jīng)濟(jì)。在再生原料發(fā)酵或者共發(fā)酵方面，現(xiàn)有技術(shù)將下列 方法用于提高分解-機(jī)械預(yù)分解(例如借助擠壓機(jī)) *所處理的底物必須高固體含量_在固體底物第一發(fā)酵器之前投入(青貯飼料)，
*在第一發(fā)酵器內(nèi)較低加速度分解，該發(fā)酵器在無(wú)底物處理的情況下也具有良好
分解效率， -酶劑量 *劃分成很少的底物組(例如纖維素)，
*分解率略有提高
*酶的成本相當(dāng)高，
-分開(kāi)的水解/甲烷化，固液分離和pH控制通過(guò)返回液相進(jìn)行(EP 0566056A1) *難于水解的固體物質(zhì)與主流分離， *分離固體材料的生物水解特殊發(fā)酵器內(nèi)進(jìn)行一水解過(guò)于緩慢并受到微生物有限溶解能力的限制， _串聯(lián)的第一和第二發(fā)酵器之間熱裂變(DE 19858187C2、DE10345600A1) *60-90°CT 10-120min —獲得甲烷菌的溫度過(guò)高和溶解難于分解部分的溫度過(guò)
低，-熱裂變作為中間階段(FR 2711980C2) *在80-175t:下進(jìn)行全流處理一非常高的能耗和殺死甲烷菌，-脫水和加熱處理(EP 0737651A1) *在6(TC或者更高的溫度下一有效溶解的溫度過(guò)低。 現(xiàn)有技術(shù)解決方案的缺點(diǎn)主要在于，與沼氣設(shè)備內(nèi)再生原料的總停留時(shí)間相比氣體收益率不夠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于在厭氧發(fā)酵器內(nèi)將再生原料的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成沼氣的方法，該方法實(shí)現(xiàn)了再生原料在沼氣設(shè)備內(nèi)更短的總停留時(shí)間以及/或者實(shí)現(xiàn)了更高數(shù)量和/或質(zhì)量的沼氣。 該目的通過(guò)權(quán)利要求書(shū)中介紹的發(fā)明得以實(shí)現(xiàn)。具有優(yōu)點(diǎn)的構(gòu)成為從屬權(quán)利要求的主題。 在依據(jù)本發(fā)明用于在厭氧發(fā)酵器中將再生原料中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成沼氣的方法中，
將再生原料與液體和甲烷發(fā)生所需的其他原材料共同投入至少第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)并
在那里進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程，隨后對(duì)發(fā)酵殘余物進(jìn)行固液相分離并將分離的固相在至少17(TC的
溫度和至少1. OMPa的壓力下進(jìn)行熱壓水解，然后將這樣處理的固相要么返回到第一厭氧
發(fā)酵反應(yīng)器，要么輸送到第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，并進(jìn)行繼續(xù)的發(fā)酵過(guò)程。 具有優(yōu)點(diǎn)的是，作為甲烷發(fā)生所需的其他原材料添加糞水和/或者污水處理淤泥
和/或者過(guò)程水。 同樣具有優(yōu)點(diǎn)的是，固液相分離通過(guò)壓榨、離心分離或者篩分進(jìn)行。 此外具有優(yōu)點(diǎn)的是，熱壓水解通過(guò)固相在熱壓水解之前或者期間的機(jī)械處理步驟補(bǔ)充。 具有優(yōu)點(diǎn)的還有，熱壓水解通過(guò)固相在熱壓水解之前或者期間的化學(xué)和/或者酶促處理步驟補(bǔ)充。 具有優(yōu)點(diǎn)的還有，熱壓水解在170-25(TC范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。
同樣具有優(yōu)點(diǎn)的是，熱壓水解在l-4MPa的壓力下進(jìn)行。 此外具有優(yōu)點(diǎn)的是，固相在熱壓水解后輸送到第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，向該反應(yīng)器輸送固液相分離后的至少一部分液相。 具有優(yōu)點(diǎn)的還有，熱壓水解通過(guò)利用其他過(guò)程的廢熱進(jìn)行。 利用依據(jù)本發(fā)明的方法，第一次可以提供一種沼氣發(fā)生方法，該方法在更短的時(shí)間內(nèi)和/或者產(chǎn)生更高收益率的沼氣。在此方面，生物質(zhì)的總停留時(shí)間從以往的50-150天縮短到50天以下。同時(shí)通過(guò)所投入的生物質(zhì)80%以上的分解率，無(wú)論是所產(chǎn)生的生物質(zhì)的數(shù)量還是質(zhì)量均可以得到提高。 利用依據(jù)本發(fā)明的方法將再生原料處理成沼氣。再生原料在本發(fā)明的框架內(nèi)是指所有農(nóng)業(yè)種植的用于獲取能源目的的原材料。此外，該概念同時(shí)也指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的剩余材料。本發(fā)明意義上的再生原料不是污水處理淤泥。 用于依據(jù)本發(fā)明方法的再生原料與污水處理淤泥之間的區(qū)別特別是還在于，再生原料在每個(gè)方法階段均表現(xiàn)出明顯更高比例的有機(jī)干燥殘留物、纖維素和木質(zhì)素以及還表現(xiàn)出明顯更大的粒度。 利用依據(jù)本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)所投入的生物質(zhì)幾乎完全的能源利用并將其轉(zhuǎn)
換成沼氣。該方法可以將底物中所含的全部初級(jí)能源轉(zhuǎn)換成隨后流動(dòng)的沼氣。 由于分解速度明顯提高，現(xiàn)有的發(fā)酵器體積也可以得到更加有效的利用和新規(guī)劃
的設(shè)備可以減小尺寸。 利用依據(jù)本發(fā)明的方法，達(dá)到厭氧發(fā)酵器甲烷化能力的幾乎完全利用。這一點(diǎn)意味著，用于再生原料發(fā)酵的同時(shí)發(fā)酵的沼氣設(shè)備的所有發(fā)酵反應(yīng)器始終供給這樣大量易于轉(zhuǎn)換的底物，使其速度不再受到水解的明顯限制。所輸送的材料這樣迅速地轉(zhuǎn)換，從而始終有足夠的乙酸可供甲烷階段使用。 在第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)平均停留時(shí)間25天情況下，已知約40%的有機(jī)原材料
分解并轉(zhuǎn)換成沼氣。在此方面，該第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器以全部甲烷化效率工作，這一點(diǎn)通過(guò)
實(shí)踐中確定到有機(jī)酸含量高于厭氧分解鏈的中間產(chǎn)品而得到證明。特別是更高含量的乙酸
要么表明乙酸妨礙所利用的甲烷發(fā)生，要么表明該細(xì)菌組的高度充分利用。 為在后置的第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中為發(fā)酵過(guò)程提供具有類(lèi)似高比例易于支配的
底物，依據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)兩個(gè)中間步驟。首先對(duì)第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的發(fā)酵殘留物進(jìn)行固液
相分離。發(fā)酵殘留物基本上由未分解的再生原料、微生物和水組成。通過(guò)簡(jiǎn)單的離心分離
力脫水或者通過(guò)壓榨，將水與微生物共同分離并可以作為液相輸送到第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器
或者作為廢料處理。 約占第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器發(fā)酵殘留物總體積20-30%同樣分離的固相基本上含有仍存在的氣體形成潛能，其可以通過(guò)非常難水解的大分子在第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的熱壓水解步驟中幾乎完全分裂釋放出來(lái)。 依據(jù)本發(fā)明的熱壓水解過(guò)程然后例如在附加的反應(yīng)器內(nèi)或者也可以在第一與第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器之間的管道內(nèi)進(jìn)行。對(duì)此具有優(yōu)點(diǎn)的是可以使用區(qū)域熱電站的廢熱。這種非常大的能量例如借助廢氣熱交換輸送到固相，并且固相以循環(huán)方式在10到120min之間在至少17(TC和1. OMPa下經(jīng)歷熱壓水解。熱壓水解的附加支持可以通過(guò)固相的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)利用較高溫度的熱壓水解，固相中基本上含有的纖維素和木質(zhì)素被從相分離后的發(fā)酵殘留物中分離并分解成其基本成分(單體)，并因此易于在發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)轉(zhuǎn)換成沼氣。這一點(diǎn)以往在現(xiàn)有技術(shù)的解決方案中是不可能的。 將這樣處理的固相全部輸送到第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，其在那里幾乎完全并以比較高的速度轉(zhuǎn)換成沼氣。 在僅存在一個(gè)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的情況下，可以將進(jìn)行熱壓水解的固相再返回該反應(yīng)器。因此基本上只能進(jìn)行斷續(xù)的過(guò)程。但這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少作為原材料的所需新鮮生物質(zhì)的用量。 但依據(jù)本發(fā)明的方法也可以在多個(gè)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，只要這些反應(yīng)器例如已經(jīng)存在。 通過(guò)固液相分離此外取得的優(yōu)點(diǎn)是，處理體積明顯降低，這一點(diǎn)意味著節(jié)省或者
更加有效利用所投入的熱能。此外，由此第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器后發(fā)酵殘留物內(nèi)完好的甲烷
菌和其他微生物不進(jìn)行熱處理并此外可以在第一或者第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)使用。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提高第二反應(yīng)器內(nèi)的水合停留時(shí)間，因?yàn)橐徊糠忠合嗫梢詮目偡?br> 法中收回。 依據(jù)本發(fā)明的方法另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其通過(guò)固液相分離產(chǎn)生的高度靈活性。第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的環(huán)境狀況可以通過(guò)改變液相添加進(jìn)行影響，這樣對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性并因此對(duì)沼氣收益率產(chǎn)生積極影響。


下面借助實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。其中
圖1示出采用兩個(gè)發(fā)酵器的方法示意圖；以及
圖2示出采用一個(gè)發(fā)酵器的方法示意圖。
具體實(shí)施例方式
由60%的玉米和40%的黑麥組成的50t青貯飼料每天與100m3的糞水共同輸送到作為第一發(fā)酵反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的厭氧攪拌壓煮鍋反應(yīng)器。在該第一發(fā)酵階段中，在20天水合停留時(shí)間內(nèi)，輸入物中所包含的有機(jī)底物約40%轉(zhuǎn)換成沼氣。 利用螺桿擠壓機(jī)對(duì)該第一階段的發(fā)酵殘余物(約136t/d)進(jìn)行脫水。在此方面，產(chǎn)生約4%固體材料含量的約107t液相和約30%干燥殘余物的約31t固體材料。液相的三分之二轉(zhuǎn)移到后面的發(fā)酵器2，剩余的三分之一進(jìn)行最終貯存(物質(zhì)利用)。分離的固相在22(TC和2. 5MPa下進(jìn)行30分鐘的處理。這一點(diǎn)在利用區(qū)域熱電站(BHKW)廢熱的情況下以循環(huán)方式進(jìn)行。在該熱壓水解之后，部分液化的固體材料同樣進(jìn)入第二發(fā)酵反應(yīng)器。所含的有機(jī)部分在第二發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)20天的水合停留時(shí)間期間，幾乎完全轉(zhuǎn)換成沼氣。兩個(gè)發(fā)酵器中所達(dá)到的有機(jī)物總分解率總計(jì)為80%。
權(quán)利要求
用于在厭氧發(fā)酵器中將再生原料中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成沼氣的方法，其中將再生原料與液體和甲烷發(fā)生所需的其他原材料共同投入至少第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)并在該第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程，隨后對(duì)發(fā)酵殘余物進(jìn)行固液相分離并將分離的固相在至少170℃的溫度和至少1.0MPa的壓力下進(jìn)行熱壓水解，然后將這樣處理的固相要么返回到所述第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器要么輸送到第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，并進(jìn)行繼續(xù)的發(fā)酵過(guò)程。
2. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，添加糞水和/或者污水處理淤泥和/或者過(guò)程水， 作為甲烷發(fā)生所需的其他原材料。
3. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，固液相分離通過(guò)壓榨、離心分離或者篩分進(jìn)行。
4. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，熱壓水解通過(guò)固相在熱壓水解之前或者期間的機(jī) 械處理步驟而得到補(bǔ)充。
5. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，熱壓水解通過(guò)固相在熱壓水解之前的化學(xué)和/或酶 促處理步驟而得到補(bǔ)充。
6. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，熱壓水解在170-25(TC范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。
7. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，熱壓水解在l-4MPa的壓力下進(jìn)行。
8. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，固相在熱壓水解后被輸送到第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器， 固液相分離后的至少一部分液相被輸送到該第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器。
9. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中，熱壓水解通過(guò)利用其他過(guò)程的廢熱而進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及生物化學(xué)領(lǐng)域并涉及一種在沼氣發(fā)生設(shè)備中使用的方法。本發(fā)明的目的在于提供一種方法，該方法實(shí)現(xiàn)原料在沼氣設(shè)備內(nèi)更短的總停留時(shí)間并且/或者實(shí)現(xiàn)更高數(shù)量和/或質(zhì)量的沼氣。該目的通過(guò)一種方法得以實(shí)現(xiàn)，其中，將再生原料與液體和甲烷發(fā)生所需的其他原材料共同投入至少第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)并在那里進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程，隨后對(duì)發(fā)酵殘余物進(jìn)行固液相分離并將分離的固相在至少170℃的溫度和至少1.0MPa的壓力下進(jìn)行熱壓水解，然后將這樣處理的固相要么返回到第一厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，要么輸送到第二厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，并進(jìn)行繼續(xù)的發(fā)酵過(guò)程。
文檔編號(hào)C02F11/04GK101778944SQ200880101431
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2008年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月30日
發(fā)明者亞歷山大·米夏埃利斯, 埃伯哈德·腓特烈, 安內(nèi)洛雷·腓特烈, 布格哈德·法薩索爾, 比約恩·施瓦茨 申請(qǐng)人:弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進(jìn)協(xié)會(huì)