CN1131316C - 获得生物气体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在发酵反应器(2)中产生基本上不含硫化氢的生物气体的方法和装置。建议使发酵反应器内基本上所有内容物通过一个区域(5)，将含有电子受体的介质，特别是空气或含氧气体或气体混合物也进料到该区域。在此，调节含有电子受体的介质与发酵介质在区域(5)的接触时间，以抑制发酵介质中硫化氢的形成，使生物气体中硫化氢的量至少低到可忽略的水平。区域(5)优选设计成一个导管，垂直安置在发酵反应器的中心。为使发酵反应器的内容物通过所述导管进行循环，优选将循环生物气体(6)注入到所述导管内。在这种情况下，生物气体作为推进气体。

Description

获得生物气体的方法和装置
本发明涉及通过在发酵反应器内生物处理发酵介质以获得生物气体的方法，其中将一种含有电子受体的介质，特别是含氧气体或气体混合物例如空气，和/或硝酸盐和/或亚硝酸盐加入到发酵介质中，以抑制不需要的硫化氢(H2S)的生成，还涉及实现该方法的装置。
为得到生物气体，将含有有机物的培养基，例如下水道中的淤泥，液态肥料或湿的垃圾，保存在一个基本上排除空气的容器内，若合适，在容器内循环。在这个过程中，含在培养基中的微生物将有机物部分地转变成气态物质。该过程被称为消化，并且通常是在设计成消化容器的生物反应器内进行，该生物反应器也被称为发酵反应器。依培养基的性质和生物反应器的操作特点，得到的生物气体的组成略有不同。生物气体通常含有约70％(体积)的CH4和约30％(体积)的CO2。如果培养基还含有硫化合物，当使用下水道中的淤泥和湿的垃圾时常是这样，这些硫化合物被微生物分解产生硫化氢(H2S)，其在生物气体中的浓度最终可高达1％(体积)。因为硫化氢有毒并具有腐蚀性，必须降低生物气体中的硫化氢含量，以避免对环境的危害和对二级系统例如管线和气体发动机的危害。
在现有技术中，在生物反应器下游的净化阶段将生物气体中的硫化氢含量降低到合理的水平，该净化阶段可以设计成例如洗涤器，吸收装置或生物脱硫系统。额外的净化阶段的需要，造成投资成本的提高，并要求更大的空间来建成生物气体系统。另外，随后的气相净化常常产生需要处理的废物，例如硫化铁颗粒、硫华、硫酸等。
DD226,552A1公开了一种降低生物气体中硫化氢含量的方法，其中将氢氧化铁以悬浮物的形式加入到被处理的淤泥中，并与后者混和。这样做的目的是用化学方法固定硫化氢。还已知可以将氯化铁计量加入到被处理的发酵介质中。但是，由于将化学品加入到发酵介质中，这类涉及计量的化学品的方法是有问题的。例如，腐蚀性的氯离子的引入可能对发酵反应器的寿命有不利影响。
EP0 143 149 B1也建议在生物反应器内抑制硫化氢的生成。它要求将一定量的氧气与新鲜的淤泥或水一起加入到生物反应器内，使生成的生物气体内剩余氧气的含量为0.01～3.0％(体积)。为此需要精心控制，以确保一方面生物气体的硫化氢含量被充分降低，另一方面生物反应器内氧气含量不会高到氧气对生成甲烷细菌的毒害作用对生物气体的形成产生过分影响的程度。
以前的通过抑制生成硫化氢的微生物区系来抑制硫化氢的生成的办法，是基于将空气计量加入到发酵原料中或基于将空气在几个位置引入到发酵反应器内。装置上的实践和我们自己对这一问题的研究表明，由于氧气的消耗速率高，计量加入到原料中或在几个位置加入通常是不够的，因为仅经过一小段距离氧气就已发生了生物化学转化，这样在很大体积的发酵反应器内对硫化氢生成微生物的干扰不能达到足够的效果。
人们试图通过加入过量的空气来克服这一问题，但是这样使安全隐患加大，并且生物气体中惰性的氮气的含量同时提高，造成热性能的降低。
人们还可以尝试通过反应器底部的适当的表面覆盖的空气分配器来改善进料方式，使空气进入整个反应器。但是，由于废物和淤泥发酵悬浮物含有大量干物质，这样的分配器的长期操作安全性值得怀疑。
本发明的目的是提供一种在开头提到的方法，和实现该方法的装置，它能确保离开发酵反应器的生物气体基本上不含硫化氢，并且对生物气体的生成几乎没有损害，避免了所述的现有技术缺点。
所述目的是通过本发明方法实现的，其中发酵反应器中的所有发酵介质都通过一个区域，含有电子受体的介质也进料到该区域，调节含有电子受体的介质与发酵介质的接触时间到足以抑制发酵介质中硫化氢的形成，使生物气体中硫化氢的含量至少低到可忽略的水平。
优选使用的含电子受体的介质是空气或其它的含氧气体或气体混合物。也可以使用亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体。不同的电子受体的组合物也是可能的。
在使用空气作为含电子受体的介质的情况下，本发明的本质可以最简单地描述如下：
本发明解决前述的现有技术问题的方式不是试图使空气在整个发酵池内达到基本上均匀的分布；相反，使发酵反应器的所有内容物以特定的方式通过一个含氧区域，使气体和发酵介质有足够的接触时间。以这种方式，可重现地实现了对发酵介质中硫化氢形成的抑制，这种抑制在工业上是简单的，并且没有残余物。从装置的工程角度来说，本发明方法确保操作上稳定地抑制发酵介质中硫化氢的形成。
所有存在于发酵反应器内的发酵介质一小时通过所述区域数次，优选至少两次是有利的。另外，计量加入到所述区域的含电子受体的介质的用量优选能够使发酵介质在通过该区域时与含电子受体的介质保持足够的接触，以抑制发酵介质中硫化氢的形成。
在本发明的一个优选实施方案中，调节含电子受体的介质与发酵介质在所述区域的接触时间，和/或加入到该区域的含电子受体的介质的量，使含电子受体的介质在发生生物化学分解后，在生物气体中存在的含电子受体的介质含量降低到不再危害该方法的水平。在使用空气或含氧气体或气体混合物作为含电子受体的介质时，氧气在发生生物化学分解后，在生物气体中存在的氧气的量降低到不再危害该方法的水平。所述方法的这种处理确保对发酵反应器内的有机物的厌氧性处理没有危害，并因此对得到生物气体没有危害。
当空气用作含电子受体的介质时，优选额外调节每单位时间内进料到所述区域的空气的量，使得由空气中所含氮气造成的生物气体中的氮气组分对生物气体的热利用性能仅造成很小的降低。这样可以没有限制地利用生物气体，例如用作燃料气。
本发明的一个特别优选的实施方案使用在发酵反应器内形成的生物气体作为推进气，以将发酵介质输送通过所述区域。如果该区域设计成例如导管，生物气体被泵打到该导管内。导管内混合物密度的降低和气体的浮力使发酵介质向上输送通过该导管。在这种情况下，优选通过选择导管的几何形状和注入的生物气体流来调节液压条件，以使发酵反应器内的所有内容物每小时至少两次通过该导管。
本发明还涉及获得生物气体的装置，包括容纳发酵介质的发酵反应器和排出生物气体的管线。前述本发明目的通过该装置实现，其中将一个导管排列布置在发酵反应器内，有至少一个含电子受体的介质的进料管线的末端连在所述导管排列上，或在所述导管排列的开口端附近，并且提供了将基本上所有发酵反应器内所容纳的发酵介质输送通过该导管排列的装置。
这样所述发酵反应器本质上是采取环管反应器的形式，含有导管排列形式的内环管，该导管排列可以设计成例如一个导管。导管排列优选设计成一个导管，基本垂直地、居中地布置在发酵反应器内。
为了注入作为推进气体的生物气体，从生物气体排出管线上分出来的生物气体分支管线的末端优选连在所述导管排列上，或在所述导管排列的开口端附近。
在本发明的另一个优选实施方案中，选择导管排列的几何形状以确保发酵介质和含电子受体的介质有足够的接触时间，以便实质上抑制发酵介质中硫化氢的形成。
另外，导管排列的几何形状、发酵反应器的大小和生物气体分支管线的尺寸优选进行选择，以便使发酵反应器内所容纳的所有发酵介质每小时至少两次通过所述导管排列。
本发明装置的另一个实施方案提供设计成可以加热的导管排列。为此目的，导管排列优选设计成带夹套的导管。该夹套有热水的进口和出口。在本发明的这一实施方案中，同时实现了数种效果，这使得可以在一个稳定的方法中得到基本上不含硫化氢的生物气体：
发酵介质通过发酵反应器内设计成导管的内环管的循环，使发酵反应器的所有内容物均化。因为含电子受体的介质例如空气的计量加入，同时抑制了发酵反应器内硫化氢的形成。另外，通过加热导管，将发酵反应器的内容物保持在对于发酵介质的生物处理最佳的操作温度下。
通过将所述导管垂直、居中布置在发酵反应器内，还实现了另外一种效果：
吸进导管底端的发酵介质优选被注入的生物气体泵送到导管的顶端，并且从导管的顶端垂直向上喷射进周围的发酵介质中。这样在导管上面产生的中心表面的喷涌破坏了发酵反应器内的漂浮覆盖层，这对本方法的稳定性有好的影响。
本发明提供了一系列的优点：
与现有技术方法相反，不需要计量加入化学品以抑制硫化氢。另外，不需要处理废物。本发明采用工业上简单的方法，实现了特别高的方法稳定性。可以以最少的投资改造现有的生物气体装置。在最简单的情况下，仅需要在发酵反应器中所采用的导管均化系统中安装空气计量加入装置。
下面将利用附图中概略描述的实施例来详细解释本发明。
附图1示意了具有一体化的硫化氢抑制部分的生物气体装置流程图
附图2展示了在发酵池计量加入空气和未计量加入空气的发酵反应器的操作结果的比较
附图1举例描述了一套用于湿垃圾发酵的装置。湿垃圾在没有在附图中显示出来的预处理步骤中制备成浆状物和水解产物。该浆状物和水解产物作为发酵介质通过管线1进料到发酵反应器2中。浆状物和水解产物的甲烷化在发酵反应器2中进行。为实现此目的，将发酵反应器2保持在厌氧条件下，并且循环发酵反应器的内容物。包含在发酵浆状物和水解产物中的厌氧生物将有机物部分地转化为二氧化碳和甲烷。得到的生物气体通过管线3排出发酵反应器2。发酵过的湿垃圾的液体和/或固体部分通过管线4排出发酵反应器2。
由于所述浆状物和水解产物还含有硫化合物，如果没有进一步的措施，则还将生成硫化氢，并最终存在于生物气体中。为了使生物气体中不需要的硫化氢的含量最低，与现有技术试图使空气在整个发酵池中本质上均匀地分布不同，将发酵反应器的所有内容物以一定的方式输送通过含氧区域5，使含氧气体与发酵介质有足够的接触时间。为实现此目的，发酵反应器2采取环管反应器的形式，具有导管形式的内环管5，该导管垂直居中安置，并作为所述含氧区域。而且，将从生物气体排出管线2分出来的，通过生物气体分支管线6的生物气体泵进导管内底部作为推进气体。导管5内混合物密度的降低和气体的浮力，使发酵介质向上通过导管5。在这种情况下，通过选择导管的几何形状和注入的生物气体流，调节液压条件，以使发酵反应器的所有内容物每小时至少通过导管5两次。空气通过空气进料管线7按比例计量加入导管5的上游，空气的加入量应使发酵介质在通过所述导管5时与氧气有充分的接触，以便以需要的方式限制新陈代谢过程中硫化氢的形成。同时，氧气发生生物化学分解，其在生物气体中的含量降低到对该方法不再有危害。这样所要求的空气可以降至最低，使生物气体中的氮气不会使该气体进一步的热利用性能降低。
为保持发酵介质生物处理的最佳的操作温度，导管5设计成可加热的。为此目的，提供给导管5一个双壁夹套，该夹套有热水进口8和出口9。另外，发酵反应器的内容物的温度可以通过换热器19进行控制，换热器19中通过热水。
在发酵反应器2中使用居中的、垂直的导管5作为含氧区域，同时实现了数种效果：
一方面，因为空气计量加入导管5，可靠地抑制了硫化氢。另一方面，依靠经过发酵反应器2的内环管的循环，使发酵反应器的内容物均化。另外，发酵反应器的温度由通过导管夹套的热水进行控制。最后，由于发酵介质从导管5的上端出来，在导管5上面产生中心表面喷涌，结果破坏了发酵反应器2的漂浮覆盖层。
上述的发酵介质的循环足以在整个发酵池内以需要的方式有效地伤害硫化氢生成微生物。这不会同时损害由发酵反应生成甲烷的过程，这一点由附图2中所绘的数据得到证实。
附图2对照显示了空气计量加入发酵池的发酵反应器(反应器1)和没有空气计量加入的传统发酵反应器(反应器2)的操作结果。

Claims (9)

1.通过在发酵反应器内生物处理发酵介质以获得生物气体的方法，其中将一种含有电子受体的介质加入到发酵介质中，以抑制不需要的硫化氢H2S的生成，其特征在于，发酵反应器(2)中所有的发酵介质都通过一个区域(5)，上述含有电子受体的介质也进料到该区域，调节含有电子受体的介质与发酵介质的足够的接触时间，以抑制发酵介质中硫化氢的形成，使生物气体中硫化氢的含量至少低到可忽略的水平。
2.权利要求1的方法，其特征在于，发酵反应器(2)内所有的发酵介质每小时数次通过区域(5)。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于，将含电子受体的介质计量加入到区域(5)中，其加入量能够使发酵介质在通过区域(5)时与含电子受体的介质保持足够的接触，以抑制发酵介质中硫化氢的形成。
4.权利要求1的方法，其特征在于，调节含电子受体的介质与发酵介质在区域(5)的接触时间，和/或计量加入到区域(5)的含电子受体的介质的量，使含电子受体的介质在发生生物化学分解后，在生物气体中存在的含电子受体的介质的量降低到不再危害该方法的水平。
5.权利要求4的方法，其特征在于，当空气用作含电子受体的介质时，调节每单位时间内进料到区域(5)的空气的量，使得由空气中所含氮气造成的生物气体中的氮气组分对生物气体的热利用性能引起的降低可以忽略。
6.权利要求1的方法，其特征在于，发酵介质利用由生物气体构成的推进气体输送通过区域(5)。
7.获得生物气体的装置，具有容纳发酵介质的发酵反应器和生物气体的排出管线，其特征在于，将一个导管排列(5)布置在发酵反应器(2)内，有至少一个用于含电子受体的介质的进料管线(7)，其末端连在导管排列(5)上，或在导管排列(5)的开口端附近，并且提供了将发酵反应器(2)内所容纳的所有的发酵介质输送通过该导管排列(5)的装置。
8.权利要求7的装置，其特征在于，导管排列(5)设计成一个导管，其垂直并居中地布置在发酵反应器(2)内。
9.权利要求7或8的装置，其特征在于，从生物气体排出管线(3)分出来的生物气体分支管线(6)的末端连在导管排列(5)上，或在导管排列(5)的开口端附近。
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