CN113767072A

CN113767072A - 用于甲烷化方法的培养载体

Info

Publication number: CN113767072A
Application number: CN202080014214.8A
Authority: CN
Inventors: J·弗里驰
Original assignee: Biorengas
Current assignee: Biorengas
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: CN113767072B; CA3129688A1; FR3092834B1; EP3924305A1; AU2020221604A1; US20220162533A1; BR112021016035A2; FR3092834A1; EA202191937A1; WO2020165271A1

Abstract

本发明涉及一种甲烷化单元，包括旨在被用在利用规整填料对液体流出物进行甲烷化的方法中的培养载体(1)，该培养载体(1)由多于50％的木材元件构成，该木材元件的至少一个尺寸大于80mm，所述培养载体(1)的孔隙率大于50％。本发明还涉及旨在被用在根据本发明的甲烷化单元中的培养载体的制备方法。本发明还涉及在根据本发明的甲烷化单元中的甲烷化方法。

Description

用于甲烷化方法的培养载体

技术领域

本发明涉及废料增值利用(valorisation)的领域。本发明更特别地涉及用于甲烷化(méthanisation)方法的培养载体。

背景技术

甲烷化是在无氧情况下降解有机材料的自然生物过程。这种降解产生可用作能源的生物气。该甲烷化也被称为厌氧消化，其可包括将生物材料降解为CH₄和CO₂的步骤和/或将CO₂和H₂转化为CH₄的步骤。

传统的无限混合液体甲烷化(或CSTR，“连续搅拌槽式反应器”)是目前最普遍的甲烷化方法。其优点是具有大量的反馈和并入大的输入可变性的能力，但仅具有低的每体积单位的性能。

利用颗粒污泥床(EGSB，“膨胀颗粒污泥床”，或者UASB，“上流式厌氧污泥床”)的液体甲烷化使用其中污泥或细菌颗粒通过介质的再循环而悬浮的反应器。这是高性能紧凑型技术，使得能够保留生物质并处理无悬浮物质的液体流出物。这些方法的性能会由于存在悬浮物质(MES)和生物废料浆中存在的脂肪物质而受到负面影响。

配备有固定或移动培养载体的液体甲烷化对液体流出物具有高处理收率并提供对抑制剂的增加的抗性，但也受到降低其性能的各种不同限制。固定的培养载体经常被生物和/或矿物沉积物阻塞或堵塞，需要清洁操作或在消化器内进行更换。

移动的培养载体也已知这种现象，这由于降低比表面积而降低其性能，并且还遭受磨损，从而使它们劣化并导致有限的使用寿命。在这两种情况下，清洁和/或更换操作会导致显著的生产损失以及繁琐的维护操作，这甚至在解决当涉及配备大体积时这些培养载体的非常高成本问题之前也是如此。通常，用于该甲烷化的培养载体由塑料材料制成。这类解决方案价格昂贵，来自化石资源，并且会产生对环境有害的塑料废料。

连续干式甲烷化使得能够与生物废料同时地整合培养载体，但在实践中，反馈显示显著的能量消耗和许多的机器(掺合器、搅拌器、泵等)损坏问题，阻碍了消化器的运行。消化器内沉积物(石头、砂子、不期望的物品)的积累会降低性能，并需要繁琐的检修操作，这需要关闭受影响的消化器并产生大量的运行损失。

不连续干式甲烷化是另一种现有的方法，在该方法中在装载机处向槽中供应隧道/库中的粗固体物质。隧道中不存在搅拌和/或掺合系统避免了上述机械限制(损坏、过早磨损)。但是，处理过的材料没有进行机械预处理(破碎)会大大减慢降解动力学，从而最大限度地降低性能。与掺入材料的不足和/或不均匀孔隙率相关的流变学问题经常会干扰反应平衡和设备的最佳运行。

通常，用于该甲烷化的培养载体由塑料材料制成。这类解决方案价格昂贵，并且产生对环境有害的塑料废料。

文件EP1818314公开了使用木屑培养载体由负载了有机材料的液体生产生物气的方法和设备。然而，处理的液体的悬浮物质对这种载体的夹带导致其集聚，然后导致其阻塞并且随着时间的推移不能获得有效的甲烷化。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于甲烷化的培养载体，其允许液体流出物(effluents)的快速、有效和可持续的甲烷化。

本发明的另一目的在于提出一种用于甲烷化的培养载体及其制备方法，其是价廉且环境友好的。

本发明的目的在于通过提出一种更有效的培养载体来至少部分地响应上述目的。为此，本发明提出了一种旨在被用在利用规整填料(garnissage structuré)对液体流出物进行甲烷化的方法中的培养载体，其由多于50％的木材元件构成，该木材元件的至少一个尺寸大于80mm。

由于这些安排，可以使用环境友好的材料简单且价廉地获得用于甲烷化的有效且可持续的培养载体。

根据其他特性：

-该培养载体的孔隙率可大于50％，这改善了甲烷化方法的效率，

-所述木材元件可包括分叉和/或歪斜的分支，这些元件易于找到并且使得能够增值利用绿色废料，

本发明还涉及一种用于制备本发明培养载体的方法，该方法依序包括以下步骤：

-收集绿色废料，

-将绿色废料插入到甲烷化单元中以形成规整填料。

由于这些安排，可以使用环境友好的材料简单且价廉地获得用于甲烷化的有效培养载体，同时增值利用绿色废料。

根据其他特性：

-该制备方法可包括在收集步骤之后和插入步骤之前的破碎(broyage)步骤，该破碎是缓慢破碎，以获得大多数的经破碎的元件具有小于一米的最大尺寸，这使得能够不再有过大的元件来整合培养载体，

-该制备方法可包括在插入步骤之前的筛选步骤，该筛选在30mm-80mm的尺寸下进行，这使得能够去除由于甲烷化而会不稳定的绿色废料的细颗粒，而该绿色废料的细颗粒会降低培养载体的孔隙率并存在堵塞其的风险，

-该制备方法可包括在筛选步骤之前的堆肥步骤，这使得能够在筛选过程中从堆肥料(compost)中分离出通过甲烷化不可降解的绿色废料，特别是木材，这将形成随时间稳定的培养载体。

本发明还涉及一种甲烷化方法，该方法依序包括以下步骤：

-将根据本发明的培养载体插入上游甲烷化隧道中，

-将液体流出物送入上游甲烷化隧道中，

-将根据本发明的培养载体插入下游甲烷化隧道中，

-将在上游甲烷化隧道的出口处的处理的流出物送入下游甲烷化隧道中。

该方法随时间的顺序操作偏移允许液体流出物的连续甲烷化，即使当其中一个隧道停止时也是如此。此外，通过将具有新培养载体的隧道置于已经运行的隧道下游，在操作期间在载体上处理的流出物对新载体的接种(inoculation)使得能够非常快速地对培养载体进行定植(colonisation)。

根据其他特性：

-在下游甲烷化隧道的出口处的处理的流出物的30％-60％的部分可被送回到上游甲烷化隧道的入口，这使得能够将流出物在其甲烷化之前进行稀释和/或接种新载体并且因而更快速地甲烷化。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时将更好地理解本发明，其中：

是根据本发明的一种优选实施方案的培养载体的木材元件的示意图。

是根据本发明的第二实施方案的培养载体的木材元件的示意图。

是根据本发明的第三实施方案的培养载体的木材元件的示意图。

是根据本发明的一种优选实施方案的甲烷化设备的示意图。

具体实施方案

根据本发明的培养载体1旨在被用在利用规整填料对液体流出物进行甲烷化的方法中。培养载体1由超过50％的木材元件2(其至少一个尺寸大于80mm)构成。

木材元件2的尺寸允许培养载体1具有高孔隙率，这有利于流体的流动和获得一方面是用于细菌发育并且另一方面是培养载体与待处理的液体流出物之间的高交换表面。通过使用形状多样且不规则的木材元件，这种孔隙率得到进一步改善。如果元件具有较小的尺寸，则它们由于在它们之间留下很小的空间而更容易紧密连在一起，这在大多数情况下导致培养载体1无法允许流体充分流动。这会导致载体压实，甚至阻塞，从而减少交换表面。

在本发明中，应用于培养载体的术语“孔隙率”是指在培养载体的总体积中由空气所占的体积分数。

孔隙率的测量例如可以通过以下方式进行：

-将培养载体1置于容器中，

-使容器足够快速地充满水，使得水没有时间渗入构成培养载体1的元件(特别是木材元件2)的内部，使得不用考虑这些元件内部的孔隙率，

-该孔隙率则等于容器中加入的水体积除以容器的体积。

培养载体1的孔隙率优选大于50％，这使得能够获得对于甲烷化方法的效率来说令人满意的交换表面，该甲烷化方法为一方面是培养载体1及寄居其的细菌并且另一方面是液体流出物之间的甲烷化方法。这种孔隙率还可以降低以下的风险：培养载体1被生物和/或矿物沉积物阻塞或堵塞，需要清洁操作或更换培养载体1。因此获得培养载体1更长的使用寿命。

较高的孔隙率使得一直到某一点都能够通过维持交换表面或可用于细菌发育的表面来维持足够的流动，这使得甲烷化反应的效率更高。正是交换表面的维持使得能够获得最大的效率，但其非常难以测量；这就是为什么使用孔隙率来表征有效培养载体的原因。

测量的孔隙率的示例给出了63％、65％和70％的值。这确实是比木屑更高的平均值，木屑的孔隙率通常为40％-60％。

在本发明的一种优选实施方案中，木材元件2是分叉和/或歪斜的分支。在本发明的范围内，表述“分叉的分支”是指包括至少一个分叉部分的分支，即它包括至少两个不一定是直的线性部分，在它们之间形成角度。实例如图1所示。表述“歪斜的分支”是指其形状使得其不被包含在一个平面内的分支。实例如图2所示。

分叉和/或歪斜的分支类型的木材元件2在它们被叠置时具有的优点是在它们之间留下自由空间，从而获得更高的培养载体1的总孔隙率和更高的交换表面。

此外，它们很容易找到且价格低廉：这可例如涉及主要由木材形成的绿色废料，或者绿色废料堆肥的未降解的部分，其可在堆肥输出时回收。这可以是例如堆肥料的筛选残留物。

在本发明中，术语“绿色废料”是指来自木质纤维素植物和例如在维护花园、绿地、森林、树篱或树木期间来自这些植物的修剪、切割或维护的所有材料。绿色废料还可包括来自木材的转化和增值利用的副产品，副产品是来自生产过程的物质或物体，而该生产过程的首要目的并不是生产这种物质或这种物体。

可以使用其他类型的木材元件2，只要它们的形状为培养载体提供显著的孔隙率和良好的交换表面即可。这可以例如是以下形式的元件：四脚体形式，如图3所示，林业碎片、碎块或另一种形式。

根据本发明的培养载体1可通过实施依序包括以下步骤的方法来制备：

-收集绿色废料，

-将绿色废料插入到甲烷化单元中以形成规整填料。

培养载体1由此廉价地获得。此外，它是在当地获得的，并使得能够进行这些废料的增值利用。

在收集步骤和插入步骤之间可以实施破碎步骤。该破碎是缓慢破碎，以获得大多数的经破碎的元件具有小于一米的最大尺寸。如果收集的绿色废料过大，则这种破碎可能是必要的，绿色废料过大会导致插入步骤出现问题或者会导致培养载体1过度多孔，粗分支的存在阻止了较细分支的引入。过度多孔的培养载体1(例如大于90％)导致待处理的流出物与细菌之间的交换表面减少，因此劣化了甲烷化方法的性能。

筛选步骤可在插入步骤之前、破碎(如果有的话)之后实施。可例如在30mm-80mm的尺寸下进行的筛选使得能够去除会参与培养载体阻塞的细颗粒，这将降低甲烷化方法的效率。

堆肥步骤可以在筛选步骤之前进行。这使得能够降解绿色废料，因此一旦通过筛选步骤去除堆肥料，则只剩下通过堆肥无法降解的富含木质素的材料。由于这些富含木质素的材料不能或几乎不能通过甲烷化降解，因此它们使得能够获得稳定的培养载体1。

培养载体1因而可以通过再循环的材料获得，如果需要的话，其可通过处理绿色废料的常规步骤进行处理。因此，培养载体1价格低廉，可在当地获得且是环境友好的，并且当其用于甲烷化方法时可以获得良好的性能。

培养载体1可被用在连续甲烷化方法中，如图4所示，并且依序包括以下步骤：

-将培养载体1插入上游甲烷化隧道3a中，

-将液体流出物送入上游甲烷化隧道3a中，

-将培养载体1插入下游甲烷化隧道3b中，

-将在上游甲烷化隧道3a的出口处的处理的流出物送入下游甲烷化隧道3b的入口。

上游甲烷化隧道3a的培养载体1自投入运行以来就已有被细菌定植的时间。送入下游甲烷化隧道3b的流出物随后加载细菌，并且下游甲烷化隧道3b的定植非常快，这提高了甲烷化方法的性能。

当上游甲烷化隧道3a的寿命结束时，下游甲烷化隧道3b(其培养载体1较新)继续单独运行，这是更换第一甲烷化隧道3a中的培养载体1的时间。下游甲烷化隧道3b然后变成上游甲烷化隧道3a，反之亦然。该方法因此连续重复，每个甲烷化隧道3a、3b依次具有比另一个甲烷化隧道3b、3a更老的培养载体1，具有最旧培养载体的甲烷化隧道3a、3b被置于另外的甲烷化隧道3b、3a的上游。

两个甲烷化隧道3a、3b的使用使得能够获得一种不间断运行的方法，不仅在甲烷化隧道3a、3b之一的寿命结束期间，而且在维护操作期间或当从甲烷化隧道3a、3b之一中去除不需要的物品时。

在本发明的一种优选实施方案中，在下游甲烷化隧道3b的出口处的处理的流出物的30％-60％的部分被送回到上游甲烷化隧道3a。这使得能够稀释作为输入的流出物，这些流出物有时过稠而使得无法进行快速有效的甲烷化。

这种稀释也可以在上游甲烷化隧道3a单独运行时、特别是在实施下游甲烷化隧道3b之前来实施。然后则有在上游甲烷化隧道3a的出口处的处理的流出物的30％-60％的部分被送回到上游甲烷化隧道3a的入口。

如图4所示，在甲烷化隧道3a、3b中的甲烷化之前，根据本发明的甲烷化方法可以包括以下两个步骤之一：

-在去调节器(déconditionneur)和/或破碎机4中制备，

-在卫生装置5中进行卫生化。

在甲烷化之后，生物气可成为储气器6中的后储存对象。

根据本发明的甲烷化方法允许使甲烷化隧道3a、3b中的固体停留时间(TSS)最大化。因此，通过将液体流出物(生物废料)的停留时间与固体(细菌/培养载体)的停留时间分离，则获得了载体的最佳定植并保护了感兴趣的细菌。

尽管以上的描述基于特定的实施方案，但它决不限制本发明的范围，并且可以进行修改，特别是通过技术等同物的替换或者通过以上开发的全部或部分特性的不同组合来进行修改。

Claims

1.甲烷化单元，包括旨在被用在利用规整填料对液体流出物进行甲烷化的方法中的培养载体(1)，所述培养载体(1)由多于50％的木材元件(2)构成，该木材元件(2)的至少一个尺寸大于80mm，所述培养载体(1)的孔隙率大于50％。

2.根据前一个权利要求的甲烷化单元，其中所述木材元件(2)包括分叉和/或歪斜的分支。

3.旨在被用在根据前述权利要求中任一项的甲烷化单元中的培养载体(1)的制备方法，该方法依序包括以下步骤：

-收集绿色废料，

-将绿色废料插入到所述甲烷化单元中以形成规整填料。

4.根据前一个权利要求的制备方法，包括在收集步骤之后和插入步骤之前的破碎步骤，该破碎是缓慢破碎，以获得大多数的经破碎的元件具有小于一米的最大尺寸。

5.根据权利要求3-4中任一项的制备方法，包括在插入步骤之前的筛选步骤，该筛选在30mm-80mm的尺寸下进行。

6.根据前一个权利要求的制备方法，包括在筛选步骤之前的堆肥步骤。

7.在根据权利要求1或2之一的甲烷化单元中的甲烷化方法。

8.根据前一个权利要求的甲烷化方法，其中所述培养载体(1)根据权利要求3-6中任一项的制备方法制备。

9.根据权利要求7或8之一的甲烷化方法，该方法依序包括以下步骤：

-将培养载体(1)插入上游甲烷化隧道(3a)中，

-将液体流出物送入上游甲烷化隧道(3a)中，

-将培养载体(1)插入下游甲烷化隧道(3b)中，

-将在上游甲烷化隧道(3a)的出口处的处理的流出物送入下游甲烷化隧道(3b)中。

10.根据权利要求7-9中任一项的甲烷化方法，其中在下游甲烷化隧道(3b)的出口处的处理的流出物的30％-60％的部分被送回到上游甲烷化隧道(3a)的入口。