CN103253765A - 用于厌氧消化有机液体废弃物流的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于处理高浓度有机液体废弃物的系统和方法。通常而言，该方法包括将流入的包括有机分子的高浓度有机液体废弃物供给到厌氧消化器中，利用产酸菌将液体废弃物内的有机分子的至少一部分转化成酸，利用产甲烷菌将液体废弃物内的酸的至少一部分转化成甲烷，将用产甲烷菌处理后的液体废弃物分离成碱性淤渣和流出物，以及利用碱性淤渣来调节厌氧消化器内的液体废弃物的pH。在酸性高浓度有机液体废弃物的情形时，可以将由产酸菌产生的酸的一部分再循环至厌氧消化器的前部并与流入的高浓度有机液体废弃物混合。

Description

用于厌氧消化有机液体废弃物流的方法和设备

本申请是申请日为2006年11月27日，申请号为“200680056887.X”，发明名称为“用于厌氧消化有机液体废弃物流的方法和设备”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及有机液体废弃物流的废弃物处理，且更具体地说，本发明涉及酸性高浓度有机液体废弃物流、中性高浓度有机液体废弃物流或碱性高浓度有机液体废弃物流的废弃物处理。

背景技术

数百年来，有机液体废弃物流(organic liquid waste stream)的厌氧消化一直是废弃物处理的基本部分。100多年来，美国一直在使用厌氧消化技术来处理市政废弃物和工业废弃物，且在最近30年，对较高浓度的动物废弃物进行厌氧消化也已成为普遍接受的做法。然而，基于细菌的厌氧消化方法的局限已经不能使厌氧细菌在窄的pH范围的参数之外生长。

厌氧消化包括两类主要的厌氧细菌：产酸菌(acid forming bacteria)(产酸细菌)和产甲烷菌(methanogenic bacteria)(甲烷生成菌(methaneformer))。产酸菌最好在约6.0到约7.0的pH下进行，而产甲烷菌最好在约6.5到约8.0的pH下进行。这些窄的pH范围实际上排除了利用厌氧消化废弃物处理技术来处理pH在约6.5之下或约8.0之上的高浓度的有机液体废弃物流。

高浓度的有机液体废弃物流通常具有约5％到约40％的固体含量。酸性高浓度有机液体废弃物具有小于约5.0的pH。这种废弃物的示例包括具有约3.5的pH的酸性干酪乳清，以及具有约3.5到约4.0的pH和约30％到约35％的固体含量的来自乙醇厂的迅速增长的废弃物。当试图在混合式消化器(mixed digester)中对酸性高浓度有机液体废弃物进行厌氧消化时，传统的对策一直是通过添加昂贵的化学pH调节剂或使碱性废弃物流与酸性废弃物共混来将酸性废弃物的pH调节至约7。碱性高浓度有机液体废弃物具有大于约8.0的pH。这种废弃物的示例包括来自将动物油或植物油转化成生物柴油的生物柴油厂的甘油副产物废弃物。甘油通常具有约12到约14的pH和约20％到约35％的高固体含量。当试图在混合式消化器中对碱性高浓度有机液体废弃物进行厌氧消化时，传统的对策一直是添加诸如硫酸或柠檬酸的昂贵的、腐蚀性的酸，以便在厌氧生物降解之前，降低整个消化器的pH，使得废弃物流的流入pH持续被调节至约7的pH。发明概述

在一个实施方案中，本发明提供了一种用于处理液体废弃物的系统，该系统包括产酸室(acid forming chamber)、塞式流甲烷室(plug-flowmethanic chamber)、固-液分离器和第一流路(first flow path)，产酸室至少部分地将液体废弃物中的碳分子转化成酸，塞式流甲烷室位于产酸室的下游，所述甲烷室至少部分地将液体废弃物中的酸转化成甲烷，固液分离器位于甲烷室的下游，该分离器将液体废弃物的一部分分离成碱性淤渣和流出物，第一流路将碱性淤渣再循环至产酸室、甲烷室及其组合中的至少一个。

在一些实施方案中，所述系统可进一步包括位于所述产酸室的上游的pH监测台，所述pH监测台在液体废弃物进入所述产酸室之前调节所述液体废弃物的pH。

在一些实施方案中，所述产酸室可包含选自梭状芽胞杆菌、产琥珀酸丝状杆菌、白色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌、反刍月形单胞菌、Streptococcuslovis、啮齿真杆菌、外加酶及其组合中的至少一种的产酸菌。

在一些实施方案中，所述甲烷室可包含选自甲烷丝状菌、甲烷八叠球菌、甲烷螺菌、甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷短杆菌、运动甲烷微菌、甲烷鬃菌、嗜热自养甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌、热甲酸甲烷杆菌、热自养甲烷球菌、嗜热甲烷八叠球菌、高温甲烷菌及其组合中的至少一种的产甲烷菌。

在一些实施方案中，所述塞式流甲烷室可包括第一支路和第二支路，所述第一支路的一端邻近所述产酸室，所述第二支路平行于所述第一支路，其中，所述第一支路与所述第二支路部分地被壁分隔，且所述第一支路内的液体废弃物在与所述第二支路内的液体废弃物的方向相反的方向上前行。

在一些实施方案中，所述第二支路可水平地位于所述第一支路旁边。

在一些实施方案中，所述系统可进一步包括加热装置，所述加热装置设置在所述第一支路和所述第二支路中的一个的至少一部分内以加热液体废弃物，液体废弃物与所述加热装置接触以使所述液体废弃物热混合。

在一些实施方案中，所述系统可进一步包括具有气体出口的导管，所述导管位于所述第一支路和所述第二支路的至少一部分内，以将气体排出到液体废弃物中来使所述液体废弃物混合。

在一些实施方案中，所述液体废弃物可沿类似螺旋形的流路前行通过所述甲烷室。

在一些实施方案中，所述系统可进一步包括：pH探针，其位于所述产酸室、所述甲烷室或其组合中的一个内；以及再循环泵，其被所述pH探针激发，以将碱性淤渣循环至所述产酸室、所述甲烷室或其组合中的一个。

在一些实施方案中，所述甲烷室可进一步包括一个或多个壁、分隔物以及加热装置，所述分隔物相对于所述壁设置，使得在所述壁与所述分隔物之间形成空间，所述加热装置被设置在所述空间内，用于加热液体废弃物。

在一些实施方案中，所述系统可处理酸性高浓度有机液体废弃物、中性高浓度有机液体废弃物或其组合中的一种。

在一些实施方案中，所述系统可以是厌氧的。

在一些实施方案中，所述系统可由相对圆形的外壁界定。

在一些实施方案中，所述第一流路可将碱性淤渣循环至所述甲烷室。

在一些实施方案中，第二流路可用于将液体废弃物从所述产酸室的下游端循环至所述产酸室的上游端。

在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于处理液体废弃物的方法，该方法包括在含有产酸菌的产酸室内将液体废弃物中的碳分子转化成酸，在含有产甲烷菌的甲烷室内将来自产酸室的液体废弃物中的酸转化成甲烷，将来自甲烷室的液体废弃物分离成碱性淤渣和流出物，以及将碱性淤渣的至少一部分再循环至产酸室、甲烷室或其组合中的一个。

在一些实施方案中，所述方法可进一步包括将液体废弃物供给到所述产酸室中，所述液体废弃物具有小于约5.0的pH和大于约5％的固体含量。

在一些实施方案中，所述方法可进一步包括在将液体废弃物供给到所述产酸室中之前，将所述液体废弃物的pH调节至约6.0到约7.0。

在一些实施方案中，所述产酸室可包含选自梭状芽胞杆菌、产琥珀酸丝状杆菌、白色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌、反刍月形单胞菌、Streptococcuslovis、啮齿真杆菌、外加酶及其组合中的至少一种的产酸菌。

在一些实施方案中，所述碱性淤渣可用于将所述产酸室内的液体废弃物保持在约6.0到约7.0的pH。

在一些实施方案中，所述产酸室内的液体废弃物可被维持在约97°F到约103°F的温度下。

在一些实施方案中，所述产酸室内的液体废弃物可被维持在约132°F到约138°F的温度下。

在一些实施方案中，所述甲烷室可包含选自甲烷丝状菌、甲烷八叠球菌、甲烷螺菌、甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷短杆菌、运动甲烷微菌、甲烷鬃菌、嗜热自养甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌、热甲酸甲烷杆菌、热自养甲烷球菌、嗜热甲烷八叠球菌、高温甲烷菌及其组合中的至少一种的产甲烷菌。

在一些实施方案中，所述碱性淤渣可用于将所述甲烷室内的液体废弃物保持在约6.5到约8.0的pH。

在一些实施方案中，所述甲烷室内的液体废弃物可被维持在约98°F到约102°F的温度下。

在一些实施方案中，所述甲烷室内的液体废弃物可被维持在约132°F到约136°F的温度下。

在一些实施方案中，所述液体废弃物可沿类似螺旋形的流路前行通过所述甲烷室。

在一些实施方案中，相对于所述甲烷室的壁设置的分隔物可促进所述类似螺旋形的流路。

在一些实施方案中，所述产酸室和所述甲烷室中的所述转化的步骤可以都是在厌氧条件下进行的。

在一些实施方案中，所述液体废弃物可塞式流过所述甲烷室。

在一些实施方案中，所述方法可处理酸性高浓度有机液体废弃物、中性高浓度有机液体废弃物或其组合中的一种。

在一些实施方案中，所述循环的步骤可使用产酸菌和产甲烷菌来调节所述转化的步骤的过程中的液体废弃物的pH。

在一个进一步的实施方案中，本发明提供了一种用于消化液体废弃物的密闭的厌氧消化器，该厌氧消化器包括第一部分、第二部分、第三部分和流路，第一部分被设置成接纳包括有机分子的液体废弃物并将液体废弃物中的碳分子的至少一部分转化成酸，第二部分被设置成接纳来自第一部分的液体废弃物的一部分，所述第二部分具有一个或多个壁并将液体废弃物中的酸的至少一部分转化成甲烷，第二部分具有第一通道和至少一个第二通道，其中，当废弃物材料(waste material)从第一通道流向至少一个第二通道时，废弃物材料改变方向，第三部分被设置成接纳来自第二部分的液体废弃物的一部分并将液体废弃物分离成流出物和碱性淤渣，流路被设置成将碱性淤渣的至少一部分输送至第一部分、第二部分及其组合中的至少一个。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括分隔物，所述分隔物相对于所述一个或多个壁设置，使得在所述壁与所述分隔物之间形成空间，且其中，在所述空间内设置有一加热装置，用于加热液体废弃物，并使加热的液体废弃物能够在所述空间中向上流动。

在一些实施方案中，所述分隔物可具有顶部边缘，加热的液体废弃物在所述顶部边缘上移出所述空间。

在一些实施方案中，所述分隔物可具有底部边缘，液体废弃物在底部边缘下移入所述空间。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括具有顶部边缘和底部边缘的分隔物，所述顶部边缘与密闭的第二部分的顶部间隔一距离，且所述底部边缘与所述密闭的第二部分的底部间隔一距离。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括第四部分，所述第四部分邻近所述第一部分并位于所述第一部分的上游，以在液体废弃物进入所述第一部分之前调节所述液体废弃物的pH。

在一些实施方案中，所述第一通道和所述第二通道可被设置成形成通常是U形的流路。

在一些实施方案中，所述液体废弃物可在类似螺旋形的流路内流过所述第二部分。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括加热装置，所述加热装置邻近所述第二部分内的壁中的一个或多个，以使液体废弃物热混合。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括位于所述第二部分内的导管，所述导管具有气体出口，以将气体排出到液体废弃物中来使所述液体废弃物混合。

在一些实施方案中，所述消化器可具有相对圆形的外壁。

在一些实施方案中，所述消化器可处理酸性高浓度有机液体废弃物、中性高浓度有机液体废弃物或其组合中的一种。

在又一个进一步的实施方案中，本发明提供了一种用于处理液体废弃物的方法，该方法包括在含有产酸菌的产酸室内将液体废弃物中的碳分子转化成酸，其中，产酸室具有下游端和上游端，将液体的至少一部分从产酸室的下游端再循环至上游端，以及在含有产甲烷菌的甲烷室内将来自产酸室的液体废弃物中的酸转化成甲烷。

在一些实施方案中，所述方法可进一步包括将来自所述甲烷室的液体废弃物分离成碱性淤渣和流出物，并将碱性淤渣循环至所述甲烷室。

在一些实施方案中，所述方法可进一步包括将液体废弃物供给到所述产酸室中，液体废弃物具有大于约8.0的pH和大于约5％的固体含量。

在一些实施方案中，所述方法可进一步包括在将液体废弃物供给到所述产酸室中之前，将所述液体废弃物的pH调节至约6.0到约7.0。

在一些实施方案中，所述产酸室可包含选自梭状芽胞杆菌、产琥珀酸丝状杆菌、白色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌、反刍月形单胞菌、Streptococcuslovis、啮齿真杆菌、外加酶及其组合中的至少一种的产酸菌。

在一些实施方案中，可将液体废弃物从所述产酸室的下游端再循环至所述产酸室的上游端的步骤使所述产酸室的上游端处的液体废弃物维持在约6.5到约7.5的pH。

在一些实施方案中，所述产酸室内的液体废弃物可被维持在约97°F到约103°F的温度下。

在一些实施方案中，所述产酸室内的液体废弃物可被维持在约132°F到约138°F的温度下。

在一些实施方案中，所述甲烷室可包含选自甲烷丝状菌、甲烷八叠球菌、甲烷螺菌、甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷短杆菌、运动甲烷微菌、甲烷鬃菌、嗜热自养甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌、热甲酸甲烷杆菌、热自养甲烷球菌、嗜热甲烷八叠球菌、高温甲烷菌及其组合中的至少一种的产甲烷菌。

在一些实施方案中，足够量的淤渣可被循环至所述甲烷室，以将所述甲烷室内的液体废弃物维持在约6.5到约8.0的pH。

在一些实施方案中，所述甲烷室内的液体废弃物可被维持在约98°F到约102°F的温度下。

在一些实施方案中，所述甲烷室内的液体废弃物可被维持在约132°F到约136°F的温度下。

在一些实施方案中，所述液体废弃物可沿类似螺旋形的流路前行通过所述甲烷室。

在一些实施方案中，相对于所述甲烷室的壁设置的分隔物可促进所述类似螺旋形的流路。

在一些实施方案中，所述产酸室和所述甲烷室中的所述转化的步骤可以都是在厌氧条件下进行的。

在一些实施方案中，所述液体废弃物可塞式流过所述甲烷室。

在一些实施方案中，所述方法可处理碱性高浓度有机液体废弃物、中性高浓度有机液体废弃物或其组合中的一种。

在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于消化液体废弃物的密闭的厌氧消化器，该厌氧消化器包括第一部分、第二部分、第三部分和第一流路，第一部分具有上游端和下游端，所述第一部分被设置成接纳包括有机分子的液体废弃物并将液体废弃物中的有机分子的至少一部分转化成酸，第二部分被设置成接纳来自第一部分的液体废弃物的一部分，所述第二部分具有一个或多个壁并将液体废弃物中的酸的至少一部分转化成甲烷，第二部分具有第一通道和至少一个第二通道，其中，当废弃物材料从第一通道流向至少一个第二通道时，废弃物材料改变方向，第三部分被设置成接纳来自第二部分的液体废弃物的一部分并将液体废弃物分离成流出物和碱性淤渣，而第一流路用于将液体废弃物从第一部分的下游端再循环至第一部分的上游端。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括分隔物，所述分隔物相对于所述一个或多个壁设置，使得在所述壁与所述分隔物之间形成空间，且其中，在所述空间内设置有一加热装置，用于加热液体废弃物，并使加热的液体废弃物能够在所述空间中向上流动。

在一些实施方案中，所述分隔物可具有顶部边缘，加热的液体废弃物在所述顶部边缘上移出所述空间。

在一些实施方案中，所述分隔物可具有底部边缘，液体废弃物在底部边缘下移入所述空间。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括第四部分，所述第四部分邻近所述第一部分并位于所述第一部分的上游，以在液体废弃物进入所述第一部分之前调节所述液体废弃物的pH。

在一些实施方案中，所述第一通道和所述第二通道可被设置成形成通常是U形的流路。

在一些实施方案中，所述液体废弃物可在类似螺旋形的流路内流过所述第二部分。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括加热装置，所述加热装置邻近所述第二部分内的壁中的一个或多个，以使液体废弃物热混合。

在一些实施方案中，所述消化器可进一步包括流路，所述流路被设置成将来自所述第三部分的碱性淤渣的至少一部分输送至所述第二部分。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施方案的废弃物处理系统的示意图。

图2是图1中显示的废弃物处理系统的甲烷室的部分截面正视图。

图3是图1中显示的甲烷室的部分顶部平面图。

图4是沿图1中的线4-4截取的甲烷室的部分截面图。

图5是根据本发明的另一个实施方案的可选择的废弃物处理系统的示意图。

图6是沿图5中的线6-6截取的甲烷室的部分截面图。

图7是沿图5中的线7-7截取的消化器的部分截面正视图。

图8是根据本发明的又一个实施方案的废弃物处理系统的示意图。

图9是根据本发明的另一个实施方案的废弃物处理系统的示意图。

发明详述

本发明涉及有机液体废弃物流的废弃物处理，且更具体地说，本发明涉及酸性高浓度有机液体废弃物流、中性高浓度有机液体废弃物流或碱性高浓度有机液体废弃物流的废弃物处理。

在详细说明本发明的任何实施方案之前，应该理解，本发明在其应用方面并不受限于下面的描述中提出的或下面的附图中阐释的结构的细节和部件的配置。本发明能够是其他实施方案且能够以不同的方式被实施或进行。而且，应该理解，此处使用的措辞和术语是为了描述的目的，且并不应该被认为是限制性的。此处使用的“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”及其变体意指包括下文列出的条目及其同等物以及另外的条目。除非另外规定或限制，术语“安装(mounted)”、“连接(connected)”和“支撑(supported)”及其变体被广泛地使用，且包括直接和间接的安装、连接和支撑。进一步，“连接”并不受限于物理连接或机械连接。词“导管(conduit)”被广泛地使用以表示路径，且并不意味着受限于任何特定的物理装置或机械装置。

还应该理解，此处描述的任何数值范围包括从下限值到上限值的全部值。例如，如果浓度范围表示为1％到50％，那么预期诸如2％到40％、10％到30％、或1％到3％等的值都被清楚地列举在本说明书中。这些只是特别期望的实例，且列举的最低值和最高值之间的以及包括最低值和最高值在内的数值的所有可能的组合都被认为清楚地表示在本申请中。

酸性高浓度有机液体废弃物的处理

本发明允许在进行稍微的化学pH调节或不进行化学pH调节且无需与其他较高pH的液体废弃物共混的情况下来处理酸性高浓度有机液体废弃物。此废弃物处理系统允许产生废弃物的主工厂(host waste productionfacility)以小的工厂区域(plant footprint)经济地就地处理自己的废弃物，并且允许其在其车间工艺内部利用所得到的高能量沼气。正如此处使用的，术语“酸性高浓度有机液体废弃物”(以下为“酸性液体废弃物”)意指pH小于约5.0且固体含量大于约5％的性质上有机的工艺废弃物。

完成酸性液体废弃物的厌氧降解的挑战是生物系统中的不平衡。厌氧降解依赖于产酸菌将有机输入给料的复杂的碳分子结构分解成较简单的分子结构，诸如乙酸。随后，产甲烷菌将较简单的酸分子结构分解成主要由甲烷和二氧化碳组成的沼气。自然界中可以找到的合适的产酸菌和产甲烷菌诸如，但不限于，奶牛胃中天然存在的细菌。产酸菌的示例可以包括，但不限于，梭状芽胞杆菌(Clostridia)、产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobactersuccino genes)、白色瘤胃球菌(Ruminococcus albus)、溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)、反刍月形单胞菌(Selenomonas ruminatium)、Streptococcuslovis、啮齿真杆菌(Eubacterium ruminatium)、外加酶及其组合中的至少一种。产甲烷菌的示例可以包括，但不限于，甲烷丝状菌(Methanothrix)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、甲烷螺菌(Methanospirillum)、甲烷杆菌(Methanobacterium)、甲烷球菌(Methanococcus)、甲烷短杆菌(Methanobrevibacter)、运动甲烷微菌(Methanomicrobiummobile)、甲烷鬃菌(Methanosaeta)、嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacterium thermoautotrophicum)、甲酸甲烷杆菌(Methanobacterium formicicum)、热甲酸甲烷杆菌(Methanobacteriumthermoalcaliphilum)、热自养甲烷球菌(Methanococcusthermolithotrophicus)、嗜热甲烷八叠球菌(Methanosarcina thermophila)、高温甲烷菌(Methanosaela thermoacetophila)及其组合中的至少一种。沼气中的细菌产生(bacteria production)将消耗液体废弃物中的酸，并形成更高pH的碱性溶液。在诸如市政废弃物和动物废弃物的传统废弃物中，输入的废弃物具有约7的中性pH，并且具有足够的天然纤维和碱度，使得酸形成反应和酸还原反应同时发生，且处理工艺中的pH保持在约6.0到约8.0的范围内。这种化学和生物学的平衡系统使有机废弃物的降解和以沼气形式的能量生产不受阻碍。

对于传统厌氧消化工艺，酸性液体废弃物产生了一个特别的问题。与繁殖缓慢，pH敏感的产甲烷菌相比，产酸菌更具有活力、种群增殖的更快且更能耐受较低的pH条件。当以具有非常轻微的天然碱度的酸性液体废弃物比如乙醇的副产物废弃物提供时，产酸菌的增长超过产甲烷菌。结果，液体废弃物的pH快速降低到pH约4.0或者更低。整个消化过程停止，且有机废弃物因细菌在该低的pH水平下不起作用而“死亡(dead)”。在传统的混合式厌氧消化器产业中，对于这种类型的酸性液体废弃物和随之而来的问题的对策一直是避免消化器技术，或者为了pH平衡而通过高技术/监测和低沼气产量来持续地大量使用化学品。

本发明的一个方面是改进塞式流厌氧消化器系统，以采用两步厌氧生物降解工艺来处理酸性液体废弃物。在第一步中，培养产酸菌以将液体废弃物中的复杂的碳分子结构分解为较简单的酸分子。在第二步中，培养产甲烷菌以随后将较简单的酸分子分解为沼气。可能为此目的而改进的塞式流系统的示例公开在2002年9月17日授权给Dvorak的美国专利第6,451,589号、2003年9月2日授权给Dvorak的美国专利第6,613,562号、2006年7月18日授权给Dvorak的美国专利第7,078,229号、2003年10月27日提交的美国申请第10/694,244号(美国公布第2004/0087011号)以及2006年11月27日提交的国际专利申请第_号，题目为“AnaerobicDigester Employing Circular Tank(采用圆形罐的厌氧消化器)”GHD，Inc.(MBF案号031154-9005)中，每个专利的内容据此以引用方式完全并入。

图1-4表示本发明的一个实施方案的不同方面。在图1中，废弃物处理系统10包括流入物的pH监测台(pH monitoring station)16和消化器外壳20。消化器外壳20包围产酸室30、甲烷室40、淤渣坑60和流出物坑50。包含产酸菌的产酸室30和包含产甲烷菌的甲烷室40共同形成厌氧消化器。消化器外壳20被设置成使得相对大的甲烷室40可以安装在相对小的空间内。

图2阐释了消化器外壳20的外壁54的结构的一个实施方案。消化器外壳20的外壁54的高度为约17英尺，且消化器外壳20内的液体深度58为约14.5英尺。底座(footing)62提供壁54和地面66之间的界面，并支撑壁54和底面(floor)52的边缘50。底座62和壁54都采用灌浇混凝土构造。壁54在壁54的下端78为约12英寸厚，而在壁的上端82为约8英寸厚。消化器外壳20的底面52为约5英寸的混凝土。约4英寸厚的隔离件(insulation)86(任选的)被设置在底面52的下面，并提供底面52与地面66之间的界面。

消化器外壳20的顶部90位于消化器外壳20的底面52之上约16英尺处。顶部90用约10英寸厚的空心预制混凝土板98(诸如可从Spancrete，Inc.，Green Bay，Wisconsin获得的

)构造，板98上盖有一层约4英寸和8英寸之间厚的隔离件94。

沼气储存室102(任选的)位于顶部90之上。沼气储存室102的主要部件是包括上部内衬部分110和下部内衬部分114的内衬106。内衬106优选由高密度聚乙烯(HDPE)构造，但也可以是任何其他适合的材料。内衬106通过将边缘118锁定(capture)在6英寸的槽铁122的下面而在内衬106的边缘118的周围形成密封，而其中所述槽铁122通过使用嵌入在消化器外壳的壁54内的多个锚栓130上的螺母126而可拆卸地连接到消化器外壳的壁54。环绕内衬106内的室102的外围，嵌入有10英寸的PVC管134，用来辅助保持环绕内衬106的外围的密封。内衬106被构造成使得当在甲烷室40中产生沼气时，内衬106能够灵活地(flexibly)填充沼气，且如果需要可以排空沼气。沼气储存室102可以被包括有顶的储存系统(roofed storage system)的任何其他适合的气体储存系统所替代。

如图1所示，在将液体废弃物送到产酸室30之前，pH监测台16测量并调节流入的酸性液体废弃物的pH。流入物的pH可通过控制变速的化学品供给泵(vari-speed chemical feed pump)的pH探头来监测。如果流入物的pH太低，则化学品泵将输送碱性溶液，碱性溶液将流入物的初始pH调节至有利于产酸菌生长的水平。这种碱性溶液的示例包括Ca(OH)₂溶液、Mg(OH)₂溶液、NaOH溶液、KOH溶液、碱性有机物质溶液或其组合。

流入物导管18将液体废弃物从pH监测台转移至产酸室30。位于产酸室30内部的诸如热交换线圈的内置加热装置22将液体废弃物维持在有利于细菌活性的温度。产酸室30内的搅拌机构(stirring mechanism)防止温度分层并促进细菌更好地生长。搅拌机构可以包括，但不限于，机械搅拌器、循环沼气产生的搅动、循环液体废弃物产生的液力搅拌或其组合。图1中的pH监测台A测量产酸室30内的液体废弃物的pH，并触发将碱性淤渣从淤渣坑60经由流路42输送至产酸室30，以将产酸室30中的液体废弃物的pH维持在约6.0至约7.0。虽然图1显示了碱性淤渣被输送到产酸室30中的pH监测台A，但是本领域的技术人员应该理解，碱性淤渣可以被输送到位于产酸室30内任何地方的一个或多个位置。流路42可以由任何数量的装置界定，所述装置可以包括，但不限于，管道、瓦管、通道和管。在一些实施方案中，pH监测台A触发变速的淤渣循环泵。该泵将合适量的碱性淤渣从位于废弃物处理系统10末端处的淤渣坑60循环至产酸室30中的液体废弃物。

来自产酸室30中的液体废弃物通过液体废弃物的水平的塞式流运动(plug-flow movement)而被转移至甲烷室40。如图1所示，甲烷室40可以是U形罐，其整个水平尺寸为约120英尺长和约72英尺宽，这取决于待处理的液体废弃物的体积。中心壁(center wall)65将甲烷室40分为U形的第一支路或第一通道46和第二支路或第二通道48。一个或多个分隔物(partition)70可以各自与中心壁65平行，且在中心壁65的相对的两侧上。分隔物70可以包括硬板或厚板、幕或帘、油布、膜及其组合中的至少一种。此外，分隔物70可以由多种材料构造，材料包括，但不限于，金属、木材、聚合物、陶瓷、复合材料及其组合中的至少一种。如图4所示，分隔物70比中心壁65短，并距甲烷室40的底面一段距离而上升。这允许当液体废弃物塞式流过甲烷室40时，液体废弃物在分隔物70下面流过，且然后在分隔物70上面流过。在一些实施方案中，中心壁65比甲烷室40的底面高约16英尺。分隔物70约10英尺6英寸高，且位于甲烷室40的底面之上约2英尺。分隔物70离中心壁65约2英尺远。消化器外壳20离中心壁65约36英尺。

如图3-4所示，内置加热装置72位于甲烷室40内，以将液体废弃物维持在有利于细菌活性的温度。加热装置72可以用于加热或冷却，这由流入液体的温度决定。在图3-4所示的实施方案中，加热装置72包括一系列与中心壁65平行的加热导管74。加热导管74每个都包含加热介质。可以使用任何种类的加热介质，包括，但不限于，水和气体。加热导管74被设置成2×4的格子(two-by-four grid)。然而，本领域的技术人员应该认识到，可以多种构型来设置任意数目的加热导管74而并不背离本发明的主旨和范围。而且，可以采用对本领域的技术人员来说已知的其他加热装置，其包括，但不限于，加热线圈。

除了控制甲烷室40内的温度之外，加热装置72可以在液体废弃物流过甲烷室40时促进液体废弃物的混合。加热装置72可用于加热液体废弃物，从而使加热的液体废弃物在对流力下升过中心壁65。在采用一个或多个分隔物70的实施方案中，加热的废弃物材料在分隔物70和中心壁65之间形成的空间中向上流动。同时，靠近相对较冷的消化器外壳20的内壁的液体废弃物在对流力下下降。因此，对流力使液体废弃物沿着中心壁65向上并沿着消化器外壳20向下的环形流路前行(circular flow path)。同时，液体废弃物沿着甲烷室40的第一支路46和第二支路48流动，产生组合的类似螺旋形的液体废弃物流路。塞式流的混合防止了消化器内的分层。

搅拌机构也位于甲烷室40内，且可以包括机械搅拌器、来自循环沼气的搅动、循环液体废弃物产生的液力搅拌或其组合。在一些实施方案中，为了使废弃物在垂直于废弃物流向的方向上混合而维持循环沼气的搅动。如图3和图4所示，一根或多根气体导管30可以与中心壁65和分隔物70平行，并位于中心壁65和分隔物70之间。沿着气体导管30设置的空气扩散器喷嘴32将沼气向上并平行于中心壁65分配。当液体废弃物塞式流过甲烷室40时，液体废弃物被垂直上升的气体牵引到分隔物70下面，并被迫使回到分隔物70的顶部之上，从而形成通过甲烷室40的类似螺旋形的流路。空气扩散器喷嘴可以是多种尺寸，包括3/4英寸。

pH监测台位于遍及甲烷室40的不同位置，以将液体废弃物的pH维持在有利于细菌活性的水平。图1显示了3个这样的pH监测台(B-D)。然而，任何数目的pH监测台可以分布于甲烷室40各处。这种台的数目可以取决于诸如液体废弃物的性质、产甲烷菌的活性以及系统流速等因素。当液体废弃物的pH降低至可接受的水平以下时，pH监测器触发将碱性淤渣从淤渣坑60经由一个或多个流路44输送至甲烷室40。在一些实施方案中，pH监测器触发变速的淤渣循环泵，该泵将适当量的碱性淤渣输送至甲烷室40。虽然图1显示了碱性淤渣被输送至甲烷室40的pH监测台(B-D)，但是本领域的技术人员应该理解，碱性淤渣可以被输送至位于甲烷室40内的任何地方的一个或多个位置。流路44可以由任何数目的装置界定，这些装置可以包括，但不限于，管道、瓦管、通道和管。

除了产生活性淤渣之外，甲烷室40内的厌氧消化也产生甲烷气体形式的沼气，其可以在液面58上方收集并可以储存于沼气储存室102中，或者直接作为生物燃料利用。在室102内冷凝的液体可以通过流出物导管被引导至液体储存池。收集的沼气可以用于为内燃发动机供给燃料，而该内燃发动机与发电机组合可以用于生产电力，此电力可被使用在废弃物处理系统10内，被卖给发电站或其组合。内燃发动机的冷却系统也可以产生热的冷却剂，该热的冷却剂可以用于加热产酸室30中的液体废弃物和/或加热并搅拌甲烷室40中的液体废弃物。来自内燃发动机的热水可以通过空气/水冷却器以将水的温度从内燃发动机出口处的约180°F的温度降至供产酸室30和甲烷室40中使用的约160°F。

流出物坑50位于淤渣坑60的附近。液体废弃物从产酸室30按顺序地塞式流过甲烷室40、淤渣坑60和流出物室50。淤渣的至少一部分可以通过一个或多个流路42、44再循环至产酸室30和甲烷室40。在一些实施方案中，来自流出物室50的集污导管(sump conduit)通向标准固体压机以将消化的液体与消化的固体分离。来自固体压机的液体可以被循环至产酸室30，用于进一步处理。来自固体压机的固体可以被送至堆肥机(composter)并装入袋内，用于商业出售。

自然重力系统可以用于处在废弃物处理系统10的末端处的淤渣坑60中，用于将固体与液体分离。然而，本领域的技术人员应该理解，任何固液分离器可以用于代替重力系统或者除了重力系统外还可以被使用。可以采用通过重力、差别沉降速度或者尺寸排除来分离固体与液体的任何固液分离器。其他固液分离器的示例包括沉降池、水力旋流器、离心机以及膜过滤器或隔膜分离器。

如图1所示，在操作废弃物处理系统10时，将酸性液体废弃物输送至废弃物处理位置。在进入产酸室30之前，测量液体废弃物流入物的pH，且如果需要的话，将流入物的pH调节至约6.0和约7.0之间的范围以开始产酸菌的生长。在一个实施方案中，控制变速的化学品供给泵的pH探针用于监测和调节流入物的初始pH。用于调节pH的试剂可包括多种碱性物质，如Ca(OH)₂溶液、Mg(OH)₂溶液、Na(OH)溶液、KOH溶液、碱性有机物质溶液或其组合。

液体废弃物经由流入物导管18从pH监测台16转移至产酸室30。在产酸室30中，内置加热装置22调节流入物的温度以有利于产酸菌的生长。温度控制对产甲烷菌是重要的(温度控制对产酸菌没那么重要)，且在产酸室30中精密地调节温度，使得当液体从产酸室30“塞式流”至甲烷室40时，温度保持恒定。对嗜温操作消化器来说，温度可以现场确定在约97°F至约103°F，或者对嗜热消化器来说，温度可以现场确定在约132°F至约138°F。持续搅拌产酸室30中的液体废弃物，以消除液体废弃物中的温度分层并促进细菌更好地生长。在一个实施方案中，采用循环沼气的搅动来持续搅拌产酸室的包含物。

在产酸室30中，产酸菌将复杂的碳分子转化为简单的酸。这些酸又降低产酸室30中的液体废弃物的pH。为了防止pH下降得太低而无法维持细菌的活性，必须经常向上调节液体废弃物的pH。不是从废弃物处理系统外部添加额外的pH调节剂，而是可以通过将来自废弃物处理系统10的末端处的淤渣坑60中的碱性淤渣与产酸室30中现存的流入物混合来内部调节pH，以将流入物的pH维持在约6.0到约7.0，使得产酸菌的生长率和效率最大。淤渣坑中的淤渣的pH通常在约7.0到约8.0之间。除了改变pH之外，淤渣还可以用成熟的产酸菌和产甲烷菌对产酸室30中的流入物“接种”。在一些实施方案中，由图1中的台A标记的安装在顶部的pH监测器(roof mounted pH monitor)控制变速的淤渣循环泵，以将淤渣从废弃物处理系统10的末端处的淤渣坑60循环到产酸室30的流入物中。循环淤渣的流速由pH共混的需要确定，这最终由产酸菌的生长速率决定。

当新的流入物进入产酸室30时，产酸室30中处理过的液体废弃物将塞式流入甲烷室40。在甲烷室40中，维持促进产甲烷菌生长的环境。将甲烷室40中的液体废弃物的pH维持在pH约6.5到约8.0，且特别是维持在pH约7.5到约8.0。为了达到这个条件，pH监测台(B-D)遍及甲烷室40而设置。如果在这些台中的任何一个处的pH降低至设定值，诸如6.5之下，那么pH监测器将会激发一个或多个变速的淤渣循环泵，将来自淤渣坑60的碱性淤渣添加到甲烷室40的液体废弃物中。通过利用循环沼气和/或加热，使甲烷室40中的液体废弃物螺旋形混合确保了均匀的pH混合，并防止容器中的pH分层。甲烷室40内的热交换线圈将液体废弃物的温度维持在设定点温度的约1度到约2度的范围内。嗜温消化器(mesophilictemperature digester)的设定点温度为约100°F，而嗜热消化器的设定点温度为约134°F。加热线圈可以用于加热或者冷却，这由流入液体的温度决定。甲烷室40内的液体废弃物与在垂直于废弃物流向的方向上喷入液体废弃物中的循环沼气持续混合。混合防止了甲烷室内的分层，并增强了生物降解。

当废弃物流塞式流过甲烷室40时，其不会与新进的废弃物材料混合，且因此，当废弃物流在水平的类似螺旋形的流径中流经甲烷室40的第一支路46和第二支路48时，其被允许在多个部分生物降解。当产甲烷菌起作用时，它们消耗产酸室30中产生的酸，并有效地提高了液体废弃物流的pH和增大液体废弃物的碱度。在甲烷室40的末端，在具有基于流入物的性质而合适设计的水力停留时间(hydraulic retention time)下，产酸菌将长期完成它们的功能，且产甲烷菌将消耗细菌产生的酸。这导致与流入物相比，废弃物流出物具有高的pH和碱度。在废弃物处理系统10的最末端，最高的碱度和最大的细菌种群将存在于允许沉降在位于废弃物处理系统10末端处的淤渣坑60中的细菌淤渣中。淤渣坑60不具有混合，且因此允许淤渣沉降到底部。这种具有较高碱度、pH和细菌种群的淤渣是在遍及废弃物处理系统10的不同位置(台A、B、C和D)处用于控制pH和接种细菌的循环淤渣。

按照需要，生物降解的流出物可进一步通过发电设施来处理或处置。厌氧生物过程产生的沼气可以在液面上方和甲烷室40的顶部下方的气体收集空间中被收集。沼气可用作“BTU的替代品”来发电或生产天然气。

废弃物处理系统10将处理固体百分数在约5％和约40％之间变化的酸性液体废弃物。通过监测和精密控制液体废弃物中的pH以及利用与产酸菌，然后是产甲烷菌的两步厌氧生物降解工艺以及它们所得到的生物废产物有关的自然产生的碱度和pH的升高来做到这一点。优选采用混合的塞式流。另外，处理过的废弃物在设计的水力停留时间内的塞式流分离能够自然地提高pH和碱度，从而允许产生返回的淤渣。塞式流的混合防止产酸室30和甲烷室40中的分层。消除产酸室30和甲烷室40中的分层防止形成产酸菌菌落和所得到的高酸性液体(低pH)“死”点，有利于产甲烷菌更好地生长以获得更好和更快的酸中和以及碱度的产生，以及通过防止液体流动路径的“短路”来在废弃物处理系统10中提供更加统一的水力停留时间。

图5-7阐释了一个根据本发明的废弃物处理系统的可选择的实施方案。图5-7中显示的废弃物处理系统310在很多方面与上述图1-4阐释的实施方案类似。因此，除了图5-7的实施方案和图1-4的实施方案之间互相不一致的特征和元件之外，据此将参考伴随图1-4的实施方案的上述描述以更完整地描述图5-7的实施方案的特征和元件(以及可选择的特征和元件)。图5-7的实施方案中的与图1-4的实施方案中的特征和元件对应的特征和元件以300系列进行编号。

如图5所示，废弃物处理系统310包括消化器外壳320、产酸室330、甲烷室340、淤渣坑360和流出物坑350。pH监测台A-D通过从淤渣坑360经由一个或多个流路342、344循环碱性淤渣来调节产酸室330和甲烷室340中的液体废弃物的pH。该系统310或者系统310的部分可以是厌氧的。中心壁365将甲烷室340分隔成第一支路或第一通道346和第二支路或第二通道348。因此，液体废弃物可以在第一方向上沿着第一支路346从产酸室330移动至甲烷室340，且在与第一方向相反的第二方向上沿着甲烷室340的第二支路348移向淤渣坑360。

如图5所示，第一支路346和第二支路348每个都包括相对于中心壁365设置的分隔物370，使得分隔物370和中心壁365之间形成空间380。分隔物370可以包括硬板或厚板、幕或帘、油布、膜及其组合中的至少一种。此外，分隔物370可以由多种材料构造，材料包括，但不限于，金属、木材、聚合物、陶瓷、复合材料及其组合中的至少一种。第一支路346和第二支路348每个都进一步包括位于分隔物370和中心壁365之间的空间380内的加热装置372，使得当液体废弃物接触加热装置372时就会被加热。加热的液体废弃物通过自由对流而相对于较冷的液体废弃物上升，并被允许在空间380内向上升。

图6和图7更详细地显示了加热装置372和分隔物370。为了简化，将更详细地描述加热装置372中的一个和分隔物370中的一个，但是应该注意到，该描述可以同样适用于其他加热装置372和分隔物370。如图6和图7所示，加热装置372包括一系列导管374，每个都包含加热介质。本发明中可以使用多种加热介质，加热介质包括水和气体中的至少一种。导管374并不需要都包含相同的加热介质。也就是说，导管374中的一些可以包含气体，而其他的包含液体，诸如水。

如图6和图7所示，废弃物处理系统310可以进一步包括至少一根导管378，其包含来自沼气储存区域(未显示)的压缩的循环沼气并且具有喷嘴376。喷嘴376是气体出口。包含在导管378中的压缩沼气流过导管378并从喷嘴376中流出，使得当气体经由喷嘴376从导管378中逃逸时，气体在空间380中被向上推进以促使液体废弃物通过空气/水上升原理而向上移动。图6和图7阐释了具有喷嘴376的一根导管378。可以使用任何数目的具有喷嘴376的导管378，而并不背离本发明的主旨和范围。喷嘴376可以是钻进导管378的简单的孔，或者是通过焊接或攻丝(tapping)连接到导管378的专门喷嘴。

参考图6和图7，框架364设置在空间380内以支撑加热装置372和导管378。框架364被阐释为包括多个梯状单元363和通常与中心壁365平行以连接单元363的连接棒369。如图6和图7所示，每个单元363由位于空间380的相对侧上的2根竖直柱366和横过空间380的连接2根竖直柱366的多根横梁368形成。框架364只作为示例来阐释，且本发明决不限于所阐释的支撑结构。多种框架元件可用于支撑加热装置372、导管378和/或空间380内的废弃物处理系统310的其他部件而并不背离本发明的主旨和范围。

如图6和图7所示，分隔物370具有顶部边缘371和底部边缘373。此外，所阐释的分隔物370基本上垂直于甲烷室340且在高度上比甲烷室340低，使得加热的液体废弃物可以在分隔物370的顶部边缘371上面移动，并从分隔物370与中心壁365之间的空间380移出，且冷却的液体废弃物可以在分隔物370的底部边缘373下面移动并进入空间380。因此，如图6和图7的箭头所示，分隔物370与加热装置372联合促进液体废弃物向上和向下移动。当液体废弃物沿着甲烷室340的第一支路346和第二支路348移动时，这种液体废弃物的向上和向下移动导致了液体废弃物的总的类似螺旋形的移动。具有喷嘴376的导管378进一步促进了这种类似螺旋形的流路，导管378在图6和图7中位于加热装置372的最靠近中心壁365的一系列导管374的下面。遍及甲烷室340的液体废弃物的类似螺旋形的流路促进了液体废弃物的热混合。

图6阐释的一系列导管374、378由空间380内的2×6的构型(即，2根导管374、378横放，且5根导管374、378上下放置)形成，且导管374、378通常与中心壁365平行。另一个示例是2×5的构型，如图7所示。如图6和图7所示，具有喷嘴376的导管378中的一个输送压缩沼气，且剩余的导管374输送加热介质。然而，应该注意的是，任何数目的包含加热介质的导管374和任何数目的具有喷嘴376的导管378可以多种构型结合，而并不背离本发明的主旨和范围。图5-7中所描述的一系列导管374和具有喷嘴376的导管378仅作为示例示出。

图8阐释了一个根据本发明的废弃物处理系统的可选择的实施方案。图8中显示的废弃物处理系统410在很多方面与上述图1-7阐释的实施方案类似。因此，除了图8的实施方案和图1-7的实施方案之间互相不一致的特征和元件之外，据此将参考伴随图1-7的实施方案的上述描述以更完整地描述图8的实施方案的特征和元件(以及可选择的特征和元件)。图8的实施方案中的与图1-7的实施方案中的特征和元件相对应的特征和元件以400系列进行编号。

图8阐释了废弃物处理系统410，其包括pH监测台416、消化器外壳420、产酸室430、甲烷室440、淤渣坑460和流出物坑450。该系统410或者系统410的部分可以是厌氧的。消化器外壳420被设置成使得相对大的甲烷室440可以安装在相对小的空间内。

如图8所示，消化器外壳420的外壁454通常是圆形的，使得消化器外壳420的外周通常也是圆形的。此外，外壁454构成产酸室430、甲烷室440、淤渣坑460和流出物坑450的外周的至少一部分。换句话说，产酸室430、甲烷室440、淤渣坑460和流出物坑450中的每一个均具有由消化器外壳420的通常是圆形的外壁454界定的外周。

产酸室430包括流入物导管418，其用于将来自pH监测台416的液体废弃物接收入产酸室430中。在产酸室430和甲烷室440之间的壁461中形成切口459，以允许液体废弃物从产酸室430流到甲烷室440中。产酸室430还包括加热装置422，当液体废弃物流过产酸室430时，加热装置422用于加热液体废弃物。加热装置422可以是，如加热导管或者包含液体或气体的其他导管。加热装置422可以包括排出喷嘴(未显示)以进一步搅动液体废弃物。另外，pH监测台A测量产酸室430内的液体废弃物的pH，并触发从淤渣坑460经由流路442至产酸室430输送碱性淤渣，以将产酸室430中的液体废弃物的pH维持在约6.0到约7.0。

甲烷室440包括第一支路或第一通道441、第二支路或第二通道443以及第三支路或第三通道445。第一支路441和第二支路443被第一间隔物(divider)447相互分开，而第二支路443和第三支路445被第二间隔物449相互分开。第一支路441具有第一端441a和第二端441b，第二支路443具有第一端443a和第二端443b，且第三支路445具有第一端445a和第二端445b。第一支路441的第一端441a邻近切口459，因而该切口459还用作用于将液体废弃物接收入甲烷室440的进口。第一支路441的第二端441b邻近第二支路443的第一端443a。第二支路443的第二端443b邻近第三支路445的第一端445a。第三支路445的第二端445b邻近淤渣坑460。第一间隔物447具有端部447a，液体废弃物围绕该端部447a从第一支路441流向第二支路443。同样地，第二间隔物449具有端部449a，液体废弃物围绕该端部449a从第二支路443流向第三支路445。从甲烷室440出来后，液体废弃物流入任选的淤渣坑460。

甲烷室440形成通常S形的液体废弃物流路。然而应注意的是，通过添加额外的支路或通道，可采用额外的间隔物来增加流路的长度。甲烷室440在由外壁454围住的相对小的区域内提供了相对长的液体废弃物流路。

甲烷室440可以任选地包括相对于第一间隔物447和第二间隔物449而设置的一个或多个分隔物470，使得在分隔物470和相应的间隔物之间形成空间480。分隔物470可以包括硬板或厚板、幕或帘、油布、膜及其组合中的至少一种。此外，分隔物470可以由多种材料构造，材料包括，但不限于，金属、木材、聚合物、陶瓷、复合材料及其组合中的至少一种。所阐释的分隔物470基本上垂直于甲烷室440，且在高度上比甲烷室440低，使得加热的液体废弃物可以在分隔物470的顶部边缘上面移动，并从分隔物470与间隔物447之间的空间480移出，且冷却的液体废弃物可以在分隔物470的底部边缘下面移动并进入空间480。

如图8所示的废弃物处理系统410可以包括关于前面的实施方案讨论的特征的任何一个。例如，甲烷室440可以包括加热装置472，当液体废弃物流过甲烷室440时，加热装置472用于加热液体废弃物。在一个实施方案中，加热装置472包括一根或多根加热导管(未显示)，加热导管沿着第一支路441、第二支路443、第三支路445或其组合内的间隔物447、449中的一个或两个而设置。加热导管使用，如热水或热气来局部加热液体废弃物，从而在对流力下使加热的混合的液体废弃物上升。对流力使加热的液体废弃物在第一支路447和第二支路449附近上升。同时，靠近相对较冷的外壁454的液体废弃物在对流力下下降。因此，对流力使液体废弃物沿着穿过第一支路441，沿着间隔物447上升并沿着外壁454下降的环形流路前行。类似地，对流力使液体废弃物沿着穿过第三支路445，沿着第二间隔物449上升并沿着外壁454下降的环形流路前行。同时，液体废弃物沿着第一支路441、第二支路443和第三支路445流动，产生了组合的类似螺旋形的液体废弃物流路。加热导管可以包括喷嘴，以将水或气体分配到液体废弃物中。在另一个实施方案中，使用来自发动机(未显示)的输出中的加热气体的热气喷射流(hot gas injection jet)替代作为加热和发电的来源的热水加热导管。热气的喷射通过自然对流和强制对流使液体废弃物循环。从而在甲烷室440中形成相似的类似螺旋形的流路。在一个进一步的实施方案中，至少一个包含压缩的、循环沼气的导管与加热装置472联合使用。包含在导管中的压缩沼气被迫离开导管并向上推进，以通过空气/水上升原理促使液体废弃物向上移动。释放的气体还可以有利于通过甲烷室440的类似螺旋形的液体废弃物流路。

虽然以处理酸性液体废弃物为背景描述了上面的实施方案，但是本领域的技术人员应该理解，同样的实施方案还可以用于处理具有流入物pH约7的高浓度有机液体废弃物。

碱性高浓度有机液体废弃物的处理

本发明的另一个方面是改进塞式流厌氧消化器系统以处理碱性高浓度有机液体废弃物。正如此处使用的，术语“碱性高浓度有机液体废弃物”(下文中为“碱性液体废弃物”)指pH大于约8.0且固体含量大于约5％的工艺废弃物、天然有机物。

图9阐释了根据本发明的碱性废弃物处理系统的一个实施方案。图9中显示的废弃物处理系统610在很多方面与上述图1-4的实施方案中阐释的酸性废弃物处理系统类似。除了图9的实施方案和图1-4的实施方案之间互相不一致的特征和元件之外，据此将参考伴随图1-4的实施方案的上述描述以更完整地描述图9的实施方案的特征和元件(以及可选择的特征和元件)。图9的实施方案中的与图1-4的实施方案中的特征和元件相对应的特征和元件以600系列进行编号。

如图9所示，废弃物处理系统610包括消化器外壳620、产酸室630、甲烷室640、淤渣坑660和流出物坑650。该系统610或者系统610的部分可以是厌氧的。在将液体废弃物送至产酸室630之前，任选的pH监测台616可用于调节流入液体废弃物的pH。如果液体废弃物是碱性的，那么液体废弃物的pH可通过添加酸性物质来调节至约7.0的pH。酸性物质可包括，但不限于，工业酸(如H₂SO₄)、酸性液体动物废弃物或者酸性有机液体废弃物。

产酸室630包括流入物导管618，其用于将来自消化器外壳620外部的液体废弃物接收入产酸室630中。产酸室630具有上游端630a和下游端630b。液体废弃物在上游端630a进入产酸室630，并在下游端630b离开产酸室630。在产酸室630和甲烷室640之间的壁661中形成切口659，以允许液体废弃物从产酸室630塞式流到甲烷室640中。用于处理碱性液体废弃物的产酸室630通常会大于用于处理酸性液体废弃物的产酸室。在一些实施方案中，产酸室630比用于处理酸性液体废弃物的产酸室大约4倍。

当液体废弃物流过产酸室630时，产酸菌将复杂的碳分子转化成简单的酸。因此，产酸室630中的液体废弃物的pH在下游端630b处最低，且在上游端630a处最高。产酸室630中的pH监测台E测量流入液体废弃物的pH。当流入废弃物的pH变得太高而无法维持产酸菌时，将来自产酸室630的下游端630b的液体废弃物经由流路693循环至产酸室630的上游端630a，以降低流入的碱性液体废弃物的pH。流路693可以由任何数目的装置界定，所述装置可以包括，但不限于管道、瓦管、通道和管。在一些实施方案中，pH监测台E触发变速的循环泵。该泵将合适量的液体废弃物从产酸室630的下游端630b循环至产酸室630的上游端630a，以将流入的碱性液体废弃物调节至约6.5到约7.5的中性pH。

较低pH液体废弃物的循环使得废弃物处理系统610能够将流入液体废弃物的pH自行调节至在细菌接受的范围内的水平，并减少或消除外部添加酸的需要。这种较低pH液体废弃物的循环还起到在产酸室630的上游端630a处用产酸菌对液体废弃物再接种的作用。再接种可以增大液体废弃物，特别是无细菌的流入废弃物诸如甘油废弃物上的细菌活力。从产酸室630的下游端630b被循环至产酸室630的上游端630a的液体废弃物量反映在用于估计废弃物处理系统610的酸部分的水力停留时间的增大。进入甲烷室640的液体废弃物包含用于有效转化为甲烷沼气和还原有机化合物的适当的pH和简单的酸组分，且将在废弃物处理系统610的已建立模式中处理。

产酸室630包括加热装置622，当液体废弃物流过产酸室630时，加热装置622用于加热液体废弃物。加热装置622可以是，如加热导管(未显示)或者包含液体或气体的其他导管。加热装置622可以包括排出喷嘴以进一步搅动液体废弃物。

来自产酸室630的液体废弃物通过液体废弃物的水平的塞式流运动而被转移至甲烷室640。如图9所示，甲烷室640可以是U形罐。中心壁665将甲烷室640分为U形的第一支路或第一通道646和第二支路或第二通道648。液体废弃物在第一方向上沿着第一支路646从产酸室630移动至甲烷室640，且在与第一方向相反的第二方向上沿着甲烷室640的第二支路648移向淤渣坑660。

一个或多个分隔物670可以各自与中心壁665平行且在中心壁665的相对的两侧上。分隔物670可以包括硬板或厚板、幕或帘、油布、膜及其组合中的至少一种。此外，分隔物670可以由多种材料构造，材料包括，但不限于，金属、木材、聚合物、陶瓷、复合材料及其组合中的至少一种。分隔物670比中心壁665短，并距甲烷室640的底面一段距离而上升。这允许当液体废弃物塞式流过甲烷室640时，液体废弃物在分隔物670下面流过，且然后在分隔物670上面流过。

图9所示的甲烷室640可以包括关于在图1-7中阐释的前述实施方案讨论的特征的任何一个。例如，pH监测台B-D可以通过经由一个或多个流路644循环来自淤渣坑660中的碱性淤渣来调节甲烷室640中的液体废弃物的pH。另外，甲烷室640可以包括位于甲烷室640内并邻近中心壁665的加热装置672，以将液体废弃物维持在有利于细菌活性的温度。加热装置672使用，如热水或热气来局部加热液体废弃物，从而在对流力下使加热的混合的液体废弃物上升。对流力使加热的液体废弃物上升超过中心壁665。同时，靠近相对较冷的外壁654的液体废弃物在对流力下下降。因此，对流力使液体废弃物沿着穿过第一支路646和第二支路648，沿着中心壁665上升并沿着外壁654下降的环形流路前行。同时，液体废弃物沿着第一支路646和第二支路648流动，产生了组合的类似螺旋形的液体废弃物流路。加热装置672可以包括具有喷嘴的加热导管，以将水或气体分配到液体废弃物中。在另一个实施方案中，使用来自发动机(未显示)的输出中的加热气体的热气喷射流替代作为加热和发电的来源的热水加热导管。热气的喷射通过自然对流和强制对流使液体废弃物循环。从而在甲烷室640中形成相似的类似螺旋形的流路。在一个进一步的实施方案中，至少一种包含压缩的、循环沼气的导管与加热装置672联合使用。包含在导管中的压缩沼气被迫离开导管并在导管670和中心壁665之间被向上推进，以通过空气/水上升原理促使液体废弃物向上移动。释放的气体还可以有利于通过甲烷室640的类似螺旋形的液体废弃物流路。

如图9所阐释的，在操作废弃物处理系统610时，碱性液体废弃物被输送至废弃物处理位置。在进入产酸室630之前，可以任选地将液体废弃物流入物的pH调节至约6.0和约7.0之间的范围，以开始产酸菌的生长。在一个实施方案中，控制变速的化学品供给泵的pH探针用于监测和调节流入物的初始pH。用于调节pH的试剂可以包括多种酸性物质，诸如工业酸(如H₂SO₄)、酸性液体动物废弃物或者酸性有机液体废弃物。

液体废弃物经由流入物导管618进入产酸室630。在产酸室630中，内置加热装置622调节流入物的温度以有利于产酸菌的生长。温度控制对产甲烷菌是重要的(温度控制对产酸菌没那么重要)。在产酸室630中精密地调节温度，使得当液体从产酸室630“塞式流”至甲烷室640时，温度保持恒定。对嗜温操作消化器来说，温度可以现场确定在约97°F至约103°F，或者对嗜热消化器来说，温度可以现场确定在约132°F至约138°F。持续搅拌产酸室630中的液体废弃物以消除液体废弃物中的温度分层并促进细菌更好地生长。在一个实施方案中，采用循环沼气的搅动来持续搅拌产酸室的包含物。

在产酸室630中，产酸菌将复杂的碳分子转化为简单的酸。这些酸又降低产酸室630中的液体废弃物的pH。因此，产酸室630的下游端630b处的液体废弃物的pH比产酸室630的上游端630a处的流入液体废弃物的pH低。在一些实施方案中，产酸室630的下游端630b处的液体废弃物的pH是约6.0。

当流入的碱性废弃物进入产酸室630的上游端630a时，pH监测台E测量流入的碱性废弃物的pH。如果流入液体废弃物的pH大于约7，那么将合适量的液体废弃物从产酸室630的下游端630b循环至产酸室的上游端630a，以将流入液体废弃物的pH降至约中性。这确保了将流入液体废弃物的pH维持在促进产酸菌的生长率和效率的水平上。在一些实施方案中，由pH监测台E标记的安装在顶部的pH监测器控制变速的淤渣循环泵，以将液体废弃物从产酸室630的下游端630b循环至产酸室630的上游端630a。

当新的流入物进入产酸室630时，产酸室630中处理过的液体废弃物将塞式流入甲烷室640。在甲烷室640中，维持促进产甲烷菌生长的环境。将甲烷室640中的液体废弃物的pH维持在pH约6.5到约8.0，且特别是维持在pH约7.5到约8.0。为了达到这个条件，pH监测台(B-D)遍及甲烷室640而设置。如果在这些台中的任何一个处的pH降低至设定值，诸如6.5之下，那么pH监测器将激发一个或多个变速的淤渣循环泵，将来自淤渣坑660的碱性淤渣添加到甲烷室640的液体废弃物中。通过利用循环沼气和/或加热使甲烷室640中的液体废弃物螺旋形混合确保了均匀的pH混合，并防止容器中的pH分层。甲烷室640内的加热装置672将液体废弃物的温度维持在设定点温度的约1度到约2度的范围内。嗜温消化器的设定点温度为约100°F，而嗜热消化器的设定点温度为约134°F。加热装置672可以用于加热或者冷却，这由流入液体的温度决定。甲烷室640内的液体废弃物与在垂直于废弃物流向的方向上喷入液体废弃物中的循环沼气持续混合。混合防止了甲烷室内的分层并增强了生物降解。

当废弃物流塞式流过甲烷室640时，当废弃物流在水平的类似螺旋形的路径中流经甲烷室640的第一支路646和第二支路648时，其被允许在多个部分生物降解。在一个实施方案中，废弃物流不会与新进的废弃物材料混合。当产甲烷菌起作用时，它们消耗产酸室630中产生的酸，并有效地提高了液体废弃物流的pH和增大液体废弃物的碱度。在甲烷室640的末端，在具有基于流入物的性质而合适设计的水力停留时间下，产酸菌将长期完成它们的功能，且产甲烷菌将消耗细菌产生的酸。这导致与离开产酸室630的液体废弃物相比，废弃物流出物具有高的pH和碱度。在废弃物处理系统610的最末端，最高的碱度和最大的细菌种群存在于允许沉降在位于废弃物处理系统610末端处的淤渣坑660中的细菌“淤渣”中。淤渣坑660没有混合，且因此允许淤渣沉降到底部。这种具有较高碱度、pH和细菌种群的淤渣是在遍及废弃物处理系统610的不同位置(台B、C和D)处用于控制pH和接种细菌的循环淤渣。

废弃物处理系统610将处理固体百分数在约5％和约40％之间变化的碱性液体废弃物。通过监测和精密控制液体废弃物中的pH以及利用与产酸菌，然后是产甲烷菌的两步厌氧生物降解工艺以及它们所得到的生物废产物有关的自然产生的碱度和pH的升高来做到这一点。优选采用混合的塞式流。另外，处理过的废弃物在设计的水力停留时间内的塞式流分离能够自然地提高pH和碱度，从而允许产生返回的淤渣。塞式流的混合防止产酸室630和甲烷室640中的分层。消除产酸室630和甲烷室640中的分层防止形成产酸菌菌落和所得到的高酸性液体(低pH)“死”点，有利于产甲烷菌更好地生长以获得更好和更快的酸中和以及碱度的产生，以及通过防止液体流动路径的“短路”来在废弃物处理系统610中提供更加统一的水力停留时间。

按照需要，生物降解的流出物可以进一步通过发电设施来处理或处置。厌氧生物过程产生的沼气可以在液面上方和甲烷室640的顶部下方的气体收集空间中被收集。沼气可以用作“BTU的替代品”来发电或生产天然气。

虽然以处理碱性液体废弃物为背景描述了上面的实施方案，但是本领域的技术人员应该理解，同样的实施方案还可以用于处理具有流入物pH约7的高浓度有机液体废弃物。

因而，本发明提供了一种用于处理高浓度有机液体废弃物的系统和方法以及类似的系统和方法。本发明的不同的特征和优势在所附权利要求中提供。

Claims (15)

1.一种用于处理液体废弃物的系统，包括：

产酸室，其至少部分地将液体废弃物中的碳分子转化成酸；

塞式流甲烷室，其位于所述产酸室的下游，所述甲烷室至少部分地将液体废弃物中的酸转化成甲烷；

固液分离器，其位于所述甲烷室的下游，所述分离器将液体废弃物的一部分分离成碱性淤渣和流出物；以及

第一流路，其将碱性淤渣再循环至所述产酸室、所述甲烷室及其组合中的至少一个。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述产酸室的上游的pH监测台，所述pH监测台在液体废弃物进入所述产酸室之前调节所述液体废弃物的pH。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述产酸室包含选自梭状芽胞杆菌、产琥珀酸丝状杆菌、白色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌、反刍月形单胞菌、Streptococcuslovis、啮齿真杆菌、外加酶及其组合中的至少一种的产酸菌。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述甲烷室包含选自甲烷丝状菌、甲烷八叠球菌、甲烷螺菌、甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷短杆菌、运动甲烷微菌、甲烷鬃菌、嗜热自养甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌、热甲酸甲烷杆菌、热自养甲烷球菌、嗜热甲烷八叠球菌、高温甲烷菌及其组合中的至少一种的产甲烷菌。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述塞式流甲烷室包括第一支路和第二支路，所述第一支路的一端邻近所述产酸室，所述第二支路平行于所述第一支路，其中，所述第一支路与所述第二支路部分地被壁分隔，且所述第一支路内的液体废弃物在与所述第二支路内的液体废弃物的方向相反的方向上前行。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述第二支路水平地位于所述第一支路旁边。

7.如权利要求5所述的系统，进一步包括加热装置，所述加热装置设置在所述第一支路和所述第二支路中的一个的至少一部分内以加热液体废弃物，液体废弃物与所述加热装置接触以使所述液体废弃物热混合。

8.如权利要求5所述的系统，进一步包括具有气体出口的导管，所述导管位于所述第一支路和所述第二支路的至少一部分内，以将气体排出到液体废弃物中来使所述液体废弃物混合。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述液体废弃物沿类似螺旋形的流路前行通过所述甲烷室。

10.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

pH探针，其位于所述产酸室、所述甲烷室或其组合中的一个内；以及

再循环泵，其被所述pH探针激发，以将碱性淤渣循环至所述产酸室、所述甲烷室或其组合中的一个。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述甲烷室进一步包括一个或多个壁、分隔物以及加热装置，所述分隔物相对于所述壁设置，使得在所述壁与所述分隔物之间形成空间，所述加热装置被设置在所述空间内，用于加热液体废弃物。

12.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统处理酸性高浓度有机液体废弃物、中性高浓度有机液体废弃物或其组合中的一种。

13.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统是厌氧的。

14.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统由相对圆形的外壁界定。

15.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一流路将碱性淤渣循环至所述甲烷室。

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