CN105793200A - 消化器的沼渣液和沼气的脱硫方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以湿和/或干途径，使城市和/或农业和/或工业排放物的消化器中的沼渣液和沼气脱硫的方法，该消化器(1)由封闭容器(2)构成，在其中发生待处理产品物料的厌氧消化，形成沼渣液，在沼渣液的上方具有气体空间，从该处提取沼气，根据该方法，沼渣液在消化器的一个位点(5)被提取，然后在另一个位点(7)再注入；使提取的沼渣液经历上升第一路径(10)，其中在下部注入气体氧化剂以用于曝气，气体氧化剂和沼渣液并流循环，以及在返回到消化器之前在厌氧条件下的下降第二路径(12)，过量气体氧化剂在所述路径的至少之一的上部(20)被排出。

Description

消化器的沼渣液和沼气的脱硫方法和设备
技术领域
本发明涉及以湿和/或干途径，使城市和/或农业和/或工业排放物的消化器中的沼渣液(digestat)和沼气(biogaz)完全或部分脱硫的方法，该消化器由封闭容器构成，在其中发生待处理产品物料的厌氧消化，形成沼渣液，在沼渣液的上方具有气体空间，从该处提取沼气，根据该方法，沼渣液在消化器的一个位点被提取，然后在另一个位点再注入。
背景技术
这种类型的方法是已知的，尤其是由文献WO2012/090139可知。
在废水领域中，污泥的处理具有越来越大的重要性，这不仅是在减少废料的方面，而且还在于通过厌氧消化方法为能量生产做出贡献。
净化站污泥的厌氧消化产生大量的沼气，这是一种可用于产生能量或生产生物燃料的富含甲烷的气体。
但这种沼气包含某些使其根据所选择的最终用途的使用变得困难的化合物。在这些化合物当中，发现有硫化氢H2S。这种化合物对于人的健康是有害的并且对设备具有腐蚀作用。它以可以典型地为0至10000ppm的浓度而存在。这种化合物构成了要从沼气中去除的主要目标。
已开发了各种方法以尽可能地去除硫化氢。在这些方法当中，本发明所针对类型的方法使得能够避免厌氧消化过程期间沼气中硫化氢的积累。
根据WO2012/090139的方法，气体或液体氧化剂被注入到在再循环回路中移动的沼渣液中。氧化剂、尤其是空气或氧在沼渣液中的完全溶解并不总是以令人满意的方式实现，使得造成沼渣液和氧化剂的两相流，导致硫沉积在消化器壁上的在气相中的反应。
发明内容
本发明的目标尤其在于提出如上所定义类型的脱硫方法，其使得能够在大多数情况下实现氧化剂、特别是空气或氧在沼渣液中的完全溶解，并且其使得能够降低消化器的维护操作频率，尤其是其壁的清洁。此外还希望，该方法应当操作简单且经济，并且可容易地在现有消化器上实施。
根据本发明，如上所定义类型的沼渣液和沼气的脱硫方法的特征在于，使提取的沼渣液经历：
-上升第一路径，其中在下部注入气体氧化剂以用于曝气，气体氧化剂和沼渣液并流循环，
-以及在返回到消化器之前在厌氧条件下的下降第二路径，
-过量气体氧化剂在所述路径的至少之一的上部被排出。
优选地，使沼渣液与气体氧化剂在与消化器分开的装置中接触，以有效地溶解气体氧化剂。
当消化器包含至少一个沼渣液外部再循环回路时，在该再循环回路中有利地提供对于沼渣液的上升第一路径和下降第二路径。
优选地，上升第一路径在基本上垂直延伸的曝气室中实现，而下降第二路径在基本上垂直延伸的脱气室中实现。
从上升第一路径的结束到下降第二路径的开始的过渡可通过沼渣液在隔板的上边缘之上的溢流来确保。
该气体氧化剂可以是空气。
有利地，将气体氧化剂在曝气室的下部注入，待处理排放物的到达也在曝气室的下部发生。
本发明还涉及以湿和/或干途径生产沼气的设备，包括城市和/或农业和/或工业排放物的消化器，该消化器由封闭容器构成，在其中发生待处理产品物料的厌氧消化，形成沼渣液，在沼渣液的上方具有气体空间，从该处提取沼气，该设备包括在消化器上的沼渣液提取位点和再注入消化器的位点，这种设备的特征在于该设备包括：
-划定所提取沼渣液的上升第一路径的装置(moyen)，具有将气体氧化剂注入路径下部的装置，以用于沼渣液的曝气；
-划定在返回消化器之前、在厌氧条件下的下降第二路径的第二装置；
-以及排出装置，用于在所述路径的至少之一的上部排出过量气体氧化剂。
优选地，划定上升第一路径的装置由基本上垂直延伸的曝气室构成，而划定下降第二路径的装置由基本上垂直延伸的脱气室构成。
有利地，曝气室和脱气室位于同一容器内，尤其是棱柱形的容器，其垂直布置并且在内部分为由隔板隔开的两个空间，对应于曝气室和脱气室。优选地，隔板的高度低于容器的高度并且脱气室的排放物供应通过在隔板的上边缘之上的从曝气室的溢流来确保。
垂直管可伸进曝气室中以将气体氧化剂注入这个室的下部，垂直管由其出口与该管连接的压缩机在压力下供应气体氧化剂，该管可在其下端包括促进气体氧化剂在沼渣液中的分散的扩散器。
当该设备包括至少一个沼渣液外部再循环回路时，在该再循环回路中有利地提供曝气室和脱气室。
该排出装置有利地由在曝气室和脱气室上部的排气口(évent)构成，并且沼气的甲烷含量由于曝气室和脱气室上方的排气口气体中的二氧化碳夹带高于甲烷夹带而富集。
沼气的氮含量由于曝气室和脱气室上方的排气口气体中的氮夹带而降低。
除了以上的配置之外，本发明还包括一定数目的其它配置，这些配置将在下文中针对参考附图所述的实施例进行更为明确地讨论，但这决不是限制性的。
附图说明
唯一的附图是用于实施本发明方法的设备的示意图。
具体实施方式
在参考附图描述所述方法和设备之前，关于厌氧消化要进行一些回顾。在这种消化过程中，污泥中所含的硫酸盐被硫酸盐还原细菌(SRB)还原成硫化物，随后通过液体/气体平衡转移至气相。通过另一途径，蛋白质的厌氧降解也产生硫化物。
在受限的氧合作用条件下，并且还要不改变其厌氧条件的消化，这些硫化物可通过另一种类型的细菌：硫化物氧化细菌(SOB)氧化为硫，而不是硫酸盐。
本发明在于开发一种系统或方法，其使得能够将少量的氧溶解在污泥或沼渣液中，从而促进沼渣液相(也称为污泥相)中硫化物向单质硫的直接转化反应，并且部分或完全阻止硫化氢H2S释放到气体中。本发明允许气体氧化剂溶解在污泥中，避免污泥/沼渣液和气体氧化剂的二相流，这可以导致消化器气相中的反应。
根据本发明，进行气体氧化剂的注入以便使沼渣液或污泥与气体氧化剂(通常为空气)在与消化器分开的装置中接触，所述装置尤其是如下文所说明的曝气室和脱气室。
参照附图，可以看到包括消化器1的设备，所述消化器1由封闭容器2构成，在该容器中发生待处理产物的物料M的厌氧消化，形成沼渣液，在沼渣液之上具有气体空间3，沼气经由管道4从该气体空间提取。
在该附图中，消化器的尺寸和下面将讨论的曝气室和脱气室的尺寸之间的比例并不是实际比例。
该设备在消化器上包括沼渣液提取位点5，通常在连接有管道6的消化器的下部。沼渣液的返回在再注入位点7进行，所述再注入位点7通常位于比提取位点5的水平高的水平处。再注入管道8与位点7连接。沼渣液的再循环回路因此由管道6和8共同形成。
在这种再循环回路中安装有曝气室9，所述曝气室9基本上垂直延伸并且构成用于划定所提取沼渣液的上升第一路径10的装置。
脱气室11在室9之后并且构成用于划定下降第二路径12的装置，所述下降第二路径12处于厌氧条件下，在沼渣液经由与室11的下部连接的管道8返回到消化器之前。
通过安装在管道6上的泵13，尤其是蠕动泵，所提取的沼渣液在管道6和8中移动。布置在管道6上的阀门14a和14b使得能够隔离泵13。所提取的沼渣液的流量可通过对泵13的转速发生作用而进行调节。
在上升路径10的下部，即在曝气室9的下部，提供气体氧化剂优选空气的注入装置15。这种注入装置15有利地由在伸入室9的沼渣液中的垂直管17的下端处放置的扩散器16构成。压缩空气的供应由压缩机18确保，所述压缩机18的出口与管17连接。流量计18a使得能够控制所引入的空气的流量。
曝气室9和脱气室11优选位于同一容器B中，所述容器B尤其是棱柱形的，其发动机垂直布置。容器B的内部容积被分为由隔板19隔开的两个空间，所述隔板19的高度低于容器B的高度，以便没有沼渣液的空间20处于容器B的上部。脱气室11的沼渣液供应通过来自曝气室9的沼渣液在隔板19的上边缘之上的溢流来确保。
排气管21通入空间20的上部以允许在上升路径10期间未溶解在沼渣液中的过量空气排出。这个排气管21构成了曝气路径10的上部(其也对应于下降的脱气路径11的上部)中过量气体氧化剂的排出装置。用于在曝气室9的下部注入空气/氧的扩散器16有利于气体氧化剂在沼渣液中的溶解，这是在沼渣液和空气沿着上升路径10并流循环时发生的。止回阀21a安装在排气管21上以允许排出主要由过量空气和夹带的其它气体尤其是二氧化碳和甲烷所形成的排出气体。在排出气体中夹带的二氧化碳CO2多于甲烷，因而由消化器得到的沼气将富含甲烷。
曝气的沼渣液在曝气室9的上部溢流，并通过重力落入脱气室11中，所述脱气室11构成了厌氧区，在该处不存在空气/氧的添加。可能残留的空气/氧的气泡可以通过自由上部空间20而逸出沼渣液，这使得能够避免过大的空气/氧量进入消化器1中。管道8确保曝气的沼渣液返回到消化器。
在位点5提取的沼渣液中所含的硫化氢通过氧化剂的注入而转化为硫，其留在沼渣液中或沉积在脱气室11的壁上；因此，硫化氢被完全或部分地从沼气中去除，并且在消化器1的壁上沉积的风险受到限制，或者得以消除。
尽管不是必不可少的，但有利的是，在使用沼渣液再循环以用于加热和/或混合的消化器中实施本发明的技术方案。在这种情况下，沼渣液的再循环物流被引向曝气室和脱气室。只需在再循环回路中包括这些室就足够了。
所提出的具有曝气室和脱气室的设备的一个重要优点在于在消化器内部避免了硫的形成。这从运行的角度来说是最佳的，因为硫在消化器的容器中和壁上的不受控形成会导致不希望的运行停止，导致厌氧消化性能和设备可用性降低。这些处理方法具有最高达二十天的相对长的启动周期。此外，较少的量的氮存在于沼气中，一部分的氮通过曝气室和脱气室上面的排气管被去除。
已在中试设备中进行了试验，所述中试设备包括两个成对消化器，它们各自配备有曝气室9和脱气室11。这些消化器之一在无空气注入的情况下运行，而另一个消化器则在将空气注入到曝气室中的情况下运行，以实现微曝气。
对比结果证实了本发明在以下方面的优点：
-为微曝气而提出的装置的性能，
-在微曝气作用下厌氧消化的性能，
-该方法的优化指令，
-提高收率的操作程序。
本发明的方法产生微曝气，这使得能够部分或完全地防止硫化氢在任何通过厌氧消化产生沼气的环境中形成。
作为实例，对于每m3消化器每天0.394Nm3的微曝气来说，实现沼气中49-8％的硫化氢的降低；沼气中的甲烷浓度在微曝气消化器中高4-5％，而二氧化碳则成比例地更低；此消化器的沼气中的氮浓度总是保持低于3％。
本发明可应用于任何涉及沼气产生的工业环境，尤其是这样的工作站：处理废水，排出物，消化农业产品以产生能量，并且对于其来说沼气中的硫化氢H2S构成了应当被去除或其形成应当被阻止的目标污染物。在需要时，可由此获得与成本降低和与环境有关的其它优点：
-如果使用氯化铁FeCl3以最小化硫化氢H2S的产生，这种昂贵的化学消耗可以减少或避免；
-可以减少化学清洁剂和吸附材料如活性炭的消耗；
-取决于最终用途和所获得的硫化氢H2S的浓度，可完全避免用于沼气处理的任何投资；
-对于耐受性但对硫化氢敏感的最终用途来说，确保了寿命的增加，例如对于内燃机来说；
-减少或避免来自最终用途的任何燃烧的硫氧化物的排放。
更具体来说，根据本发明的微曝气方法提供了传统微曝气的所有益处，同时避免了在消化器内由硫引起的堵塞，这使得能够减少厌氧消化的运行和收率降低的问题。其它值得注意的方面包括沼气的甲烷含量增加并且二氧化碳和氮含量降低。
所有这些结果可以利用最小的投资获得，因为只需提供曝气室和脱气室就足够了。
在使用沼渣液再循环作为混合装置的消化器的情况下，实施会更为直接，因为在该情况下，曝气室和脱气室被安装在回路中。

Claims (16)

1.以湿和/或干途径，使城市和/或农业和/或工业排放物的消化器中的沼渣液和沼气脱硫的方法，该消化器由封闭容器构成，在其中发生待处理产品物料的厌氧消化，形成沼渣液，在沼渣液的上方具有气体空间，从该处提取沼气，根据该方法，沼渣液在消化器的一个位点被提取，然后在另一个位点再注入，其特征在于使提取的沼渣液经历：
-上升第一路径(10)，其中在下部注入气体氧化剂以用于曝气，气体氧化剂和沼渣液并流循环，
-以及在返回到消化器之前在厌氧条件下的下降第二路径(12)，
-过量气体氧化剂在所述路径的至少之一的上部(20)被排出。
2.权利要求1的方法，其特征在于使沼渣液与气体氧化剂在与消化器分开的装置(B)中接触，以有效地溶解气体氧化剂。
3.权利要求1或2的方法，对于包含至少一个沼渣液外部再循环回路的消化器来说，其特征在于在该再循环回路中提供对于沼渣液的上升第一路径和下降第二路径。
4.前述权利要求任一项的方法，其特征在于上升第一路径(10)在基本上垂直延伸的曝气室(9)中实现，而下降第二路径(12)在基本上垂直延伸的脱气室(11)中实现。
5.权利要求4的方法，其特征在于从上升第一路径(10)的结束到下降第二路径(12)的开始的过渡通过沼渣液在隔板的上边缘之上的溢流来确保。
6.前述权利要求任一项的方法，其特征在于该气体氧化剂是空气。
7.权利要求4的方法，其特征在于将气体氧化剂在曝气室(9)的下部注入，待处理排放物的到达也在曝气室的下部发生。
8.以湿和/或干途径生产沼气的设备，包括城市和/或农业和/或工业排放物的消化器(1)，该消化器由封闭容器(2)构成，在其中发生待处理产品物料的厌氧消化，形成沼渣液，在沼渣液的上方具有气体空间，从该处提取沼气，该设备包括在消化器上的沼渣液提取位点(5)和再注入消化器的位点(7)，这种设备的特征在于该设备包括：
-划定所提取沼渣液的上升第一路径(10)的装置，具有将气体氧化剂注入路径下部的装置(15)，以用于沼渣液的曝气；
-划定在返回消化器之前、在厌氧条件下的下降第二路径(12)的第二装置；
-以及排出装置(21)，用于在所述路径的至少之一的上部排出过量气体氧化剂。
9.权利要求8的设备，其特征在于划定上升第一路径的装置由基本上垂直延伸的曝气室(9)构成，而划定下降第二路径的装置由基本上垂直延伸的脱气室(11)构成。
10.权利要求9的设备，其特征在于曝气室(9)和脱气室(11)位于同一容器(B)内，尤其是棱柱形的容器，其垂直布置并且在内部分为由隔板(19)隔开的两个空间，对应于曝气室和脱气室。
11.权利要求10的设备，其特征在于隔板(19)的高度低于容器(B)的高度并且脱气室(11)的排放物供应通过在隔板(19)的上边缘之上的从曝气室的溢流来确保。
12.权利要求10或11的设备，其特征在于垂直管(17)可伸进曝气室(9)中以将气体氧化剂注入这个室的下部，垂直管由其出口与该管连接的压缩机(18)在压力下供应气体氧化剂。
13.权利要求12的设备，其特征在于用于注入气体氧化剂的管(17)在其下端包括促进气体氧化剂在沼渣液中的分散的扩散器(16)。
14.权利要求9或10的设备，包括至少一个沼渣液外部再循环回路，其特征在于在该再循环回路中提供曝气室和脱气室。
15.权利要求9的设备，其特征在于排出装置(21)由在曝气室和脱气室上部的排气口构成，并且沼气的甲烷含量由于曝气室和脱气室上方的排气口气体中的二氧化碳夹带高于甲烷夹带而富集。
16.权利要求15的设备，其特征在于沼气的氮含量由于曝气室和脱气室上方的排气口气体中的氮夹带而降低。
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