CN1239412C - 从含氮原料生产增强的沼气 - Google Patents

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Abstract

本发明的系统包括第一厌氧消化池(12)，氨回收容器(16)及第二厌氧消化池(14)。在第一消化池中的微生物主要是水解剂和产乙酸菌，而在第二消化池中的微生物主要是产甲烷菌。含氮原料在第一消化池中进行水解和生成乙酸。流出物送入氨回收容器，其中除去氨。低氨流出物流然后送入第二消化池生产甲烷，因此产生沼气。在另一个实施方式中，使用单一的厌氧消化池。处理流出物以除去氨，再循环回消化池以使氨水平保持足够的低以避免氨抑制。

Description

从含氮原料生产增强的沼气
背景技术
本发明涉及厌氧处理原料以产生沼气，更具体地说，涉及厌氧处理含氮的原料以产生沼气。
在过去的几十年中，对于废料的沼气化已进行了大量的科学和工程方面的工作。基本的技术依赖于厌氧消化或发酵过程。生物量材料的厌氧消化以三种不同的顺序途径进行。这些途径是水解、生成乙酸(acetogenesis)和生成甲烷(methanogenesis)。厌氧微生物进行首先的两步，水解剂和产乙酸菌，将络合物的生物量分子断裂为小链的分子。蛋白质被水解为朊间质、蛋白胨和多肽。这些化合物进一步断裂为氨和小链的脂肪酸例如乙酸、丁酸、丙酸和乳酸。进行水解和生成乙酸功能的厌氧微生物具有高度的耐氨性。使用这些微生物的高氮废料的厌氧发酵产生消化的物流含有超过10,000ppm的氨。但是，用于生成甲烷的厌氧微生物可由氨抑制。生成甲烷的厌氧细菌在氨浓度等于或大于约1,200ppm时停止有效地发挥作用(Kayhanian，M.，Environmental Technology，Vol.20，pp 355～365，1999)。
技术例如向上流厌氧污泥层(UASB)反应器和扩展的颗粒污泥床(EGSB)反应器，在厌氧发酵或消化污水或其他原料中具有优点。这些反应器使用更小的容器可提供更高的处理速度，因此减少了投资资本。这些反应器也提供改进的臭味控制。而且，当使用的原料含有相对高的氮浓度时，与氨抑制相关的问题使这些反应器相对的不稳定并难于操作。为减轻这些问题，已建议控制原料的碳与氮(C/N)的比例，及在突然大量的氨超负荷的情况下用水稀释反应器。这些建议仍然存在许多的缺点。例如，通过调节原料中的C/N比从而调节反应器中的氨浓度是一个缓慢的过程，很难准确地确定C/N比，而且调节C/N比证明在厌氧消化过程中，当原料倾向于产生相对高的氨浓度时，不能充分操作原料。用水稀释反应器也存在许多的缺点。例如，用水稀释反应器严重地降低了在长时间段的反应器的沼气生产，通常导致脱水成本增加。现有的原料稀释增加了消化该原料需要的反应器体积。如果所述的原料被稀释，对于处理给定的原料现有的反应器容量减少了。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供稳定的用于处理含氮生物量材料以产生沼气的系统。
本发明的另一个目的是提供一种上述类型的系统，其可提供分离厌氧消化的工艺，这样在另外的反应器或其他贮存器中产生甲烷。
本发明的又一个目的是提供上述类型的系统，其中去除氨，然后生成甲烷以保持足够低的氨水平以避免氨抑制的问题。
本发明提供一种设备，其中所述的水解剂和所述的产乙酸菌占至少70％的所述的活化厌氧微生物的所述第一部分的量；所述的产甲烷菌占至少70％的所述活化厌氧微生物的所述第二部分的量；所述的产甲烷菌占至少70％的所述活化厌氧微生物的所述第二部分的量。
本发明的另一个目的是提供上述类型的系统，其中该系统在嗜中温条件下进行操作。
本发明的另一个目的是提供上述类型的系统，其中该系统在嗜热条件下进行操作。
本发明的再一个目的是提供上述类型系统另外的实施方式，其中处理来自反应器的流出物以除去氨，并以足够的速度循环回反应器以保持反应器中氨的水平足够低以避免氨抑制的问题。
为实现这些和其他的目的和优点，本发明的系统包括第一厌氧消化池、氨回收容器及第二厌氧消化池。在第一厌氧消化池中的微生物主要是水解剂和产乙酸菌，在第二厌氧消化池中的微生物主要是产甲烷菌。含氮原料通过第一消化池，其中处理原料以完成水解和生成乙酸。将来自第一消化池的流出物流送入氨回收容器，其中除去氨以产生低氨流出物流。该低氨流出物流然后经过第二消化池，其中将其处理以产生甲烷，因此产生沼气。在另一个实施方式中，使用单一的厌氧消化池，从反应器中除去流出物流，处理以除去氨，再以足够的速度循环回消化池以使消化池内的氨水平保持足够低以避免氨抑制的问题。本发明的系统可在嗜中温和嗜热条件下操作。
附图简述
本发明上述简单的描述及另外的目的、特征和优点，参考如下本发明优选但说明性的实施方式的详细描述及结合本发明的附图，可被更全面地理解。
其中：
图1是本发明系统的示意图；及
图2是本发明另一个实施方式的示意图。
优选实施方式的详细描述
参考图1，参考号10是总的指本发明的系统，包括两个厌氧消化池或反应器12和14及氨去除或回收容器16。主要包括水解剂和产乙酸菌18的厌氧微生物存在于第一反应器12中，及主要含有产甲烷菌20的厌氧微生物存在于第二反应器14中。
反应器12和14的结构类似，这样仅详细描述一个。反应器12特征在于形成室24的外壳22。在靠近外壳22底部提供导管26以提供含氮的原料。靠近底部的挡板28有助于分配原料。上述的挡板28是一个具有主要包括水解剂和产乙酸菌18的厌氧微生物的流化床区30。在高于流化床区30的中点处提供第二套挡板32以作为第一沉降罐区。下降导管34在第二套挡板32和下部的第一套挡板28之间延伸。在靠近室24上部提供第三套挡板36以作为第二沉降罐区。气体上升导管38在第二套和第三套挡板32和36之间延伸。第二套和第三套挡板32和36之间的区域包括净化区40。流出物导管42在第三套挡板36上方的外壳22处引出，气体移出导管44从外壳22的顶部引出。导管42将第一反应器连接到氨回收或去除容器或贮存器16。可以使用任何多种氨回收或去除工艺和容器。氨回收和去除工艺例如氨回收工艺(ARP)、吸附、空气吹提、汽提和这些工艺的组合，其在本领域中是熟知的，在此不详细讨论。提供导管46和48用于引入反应物，例如H2SO4，及用于氨的回收或去除，例如以(NH4)2SO4形式。流出物导管50将氨回收容器16与第二反应器14连接，在靠近室24的底部提供进料。第二反应器14的结构类似于第一反应器12的结构，在此不详细讨论。在第二反应器14的流化床区30中，厌氧微生物主要由产甲烷菌20组成。
也如图1所示，可提供贮存器或容器52用于水热液化、提取，或类似第一反应器12上游的工艺。
参考图2，公开了另一个实施方式，其中单一的厌氧消化反应器54与氨去除的流出物循环一起使用。反应器54的结构类似于上述讨论的反应器12和14的结构，在此不详细讨论。在另一个实施方式中，导管56从氨回收容器16引出，及导管58和60可使来自反应器的部分流出物，在经氨去除或回收处理后循环回反应器54中，一部分所述的流出物送去处理或进行进一步加工。导管58与进料导管26连接或进入靠近室24底部的外壳22。
参考图1，在操作中，含氮的原料或废物流含有生物量材料，通过导管62送入第一贮存器或容器52用于水热液化、提取或类似的工艺。原料可以是高化学需氧量(COD)、高氮废水，例如来自浓缩的动物饲养操作(CAFO)。对于本发明的系统10，优选使用包括含有低浓度悬浮固体的高浓废水的进料物流。这样的物流由生物量材料例如污水污泥的水热液化产生。这样的物流含有高的总Kjeldahl氮(TKN)和氨氮负荷及高的生物需氧量。水热液化的优点在于通过将毛发、纤维素和细胞蛋白质水解为水溶性的糖类、朊间质、蛋白胨和缩氨酸，从而其可溶解生物量固体。这些水溶性和部分水溶性的材料是厌氧微生物可更加获得的形式。经过水热液化的处理，物流通过导管26经过第一反应器12的下部。
在第一反应器12中，水解剂和产乙酸菌18与原料反应以实现水解和生成乙酸。水解剂和产乙酸菌18是高度耐氨的，因此这两个阶段的厌氧发酵或消化得以实现而没有氨抑制的问题，甚至对相对高氮含量的原料。例如，第一反应器12内的氨浓度通常达到或超过1200ppm，有时达到或超过5000ppm，偶尔达到或超过10,000ppm，对于反应器12的水解和生成乙酸的功能而言，所有这些都没有产生氨抑制的问题。反应优选在嗜中温的条件下完成，更优选在嗜热的条件下完成。嗜中温消化优选在基本上约30℃～约45℃的温度下完成，更优选为约37℃。嗜热消化优选在基本上约45℃～约60℃的温度下完成，更优选为约55℃。这样的高温是有利的，因为其有助于通过所有上述三种方法的氨的去除。另外，嗜热反应通常比在约30℃～45℃进行的嗜中温过程要快。在嗜热厌氧消化池中处理高浓废水的优点在于对于给定的生产能力，驻留时间和反应器的尺寸较小。在嗜中温厌氧消化池中处理高浓废水的优点在于原料不必加热到如在嗜热反应器中所需要的高温。
在第一反应器12中产生相对少量的沼气，并从外壳22顶部的导管44引出。第一反应器12优选生产小于系统10生产沼气总量的约30％，更优选小于约10％。
富含乙酸盐和氨的流出物从第一反应器12的上部通过导管42送入氨回收容器16中。在氨回收容器16中，通过熟知的氨回收或去除方法进行回收和去除。提供导管46和48用于引入反应物例如H2SO4，及用于氨的回收或去除例如以(NH4)2SO4的形式。可以使用其他的反应物例如NaOH以调节低氨富乙酸盐物流的pH以改进其对产甲烷菌消化的适应性。导管50将来自氨回收容器16的低氨富乙酸盐的流出物送到第二反应器14中。在低氨流出物流中的氨含量优选低于约1,200ppm，更优选低于约600ppm。
在第二反应器14中，产甲烷菌20与低氨富乙酸盐的进料物流反应以生成甲烷。产甲烷菌20或用于生成甲烷的厌氧微生物被氨抑制。产甲烷菌20在氨浓度等于或大于约1,200ppm时，停止有效起地起作用。因此，在氨回收阶段期间要除去足够的氨以使第二反应器14中的氨浓度保持在这样的水平优选低于约1,200ppm，更优选低于约600ppm。优选在嗜中温条件更优选在嗜热条件下实现厌氧生成甲烷的反应。嗜中温消化优选在基本上约30℃～约45℃的温度下完成，更优选为约37℃。嗜热消化优选在基本上约45℃～约60℃的温度下完成，更优选为约55℃。这样的高温是有利的，因为其有助于通过所有上述三种方法的氨的去除。另外，嗜热反应通常比在约30℃～45℃进行的嗜中温过程要快。
在第二反应器14中产生相对大量的沼气，并从外壳22顶部通过导管44引出。第二反应器14优选生产大于系统10生产沼气总量的约70％，更优选大于约90％。通过导管64从第二反应器14的上部排出低COD低氨的流出物，可送入废水处理工艺或设施中。
在这样的方式，以两个不同的阶段进行厌氧发酵。在第一阶段进行发酵的水解和/或生成乙酸部分，然后从富乙酸盐的废水中除去氨，在厌氧发酵的第二阶段中生成甲烷。这可得到优异的沼气生产水平同时可避免与氨抑制相关的问题。
在描述于图2中的另一个实施方式中，反应器或向上流厌氧消化池54例如EGSB提供有氨去除容器16和循环物流58。含氮的原料或废物流含有生物量材料，被送入第一贮存器或容器(在图2中未示意)进行水热液化、提取或类似的过程。原料可以是高COD高氮的废水例如CAFO。在水热液化处理后，物流通过导管26送入反应器54的下部。
在反应器54中，水解剂、产乙酸菌和产甲烷菌18和20中加入原料以完成水解、生成乙酸和生成甲烷反应。优选在嗜中温条件更优选在嗜热条件下完成反应。嗜中温消化优选在基本上约30℃～约45℃的温度下完成，更优选为约37℃。嗜热消化优选在基本上约45℃～约60℃的温度下完成，更优选为约55℃。
在反应器54中产生沼气，并通过导管44离开外壳22的顶部。来自反应器上部的流出物通过导管42送入氨回收容器16中。在氨回收容器16中，通过熟知的氨回收或去除方法进行回收和去除。提供导管46和48用于引入反应物例如H2SO4，及用于氨的回收例如以(NH4)2SO4形式。可以使用其他的反应物例如NaOH以调节低氨富乙酸盐物流的pH以改进其对产甲烷菌消化的适应性。通过导管56低氨流出物离开氨回收容器16，一部分低COD低氨物流通过导管60送入废水处理工艺或设施中。导管58将一部分低氨流出物流从氨回收容器16送入反应器54中以稀释原料，这样在反应器54中的氨浓度保持为低的抑制水平。在低氨流出物流中的氨含量优选低于约1,200ppm，更优选低于约600ppm，最优选低于约300ppm。类似地，由于在产甲烷菌在反应器54中，重要的是保持反应器54内相对低的氨浓度。在氨回收容器16中实现足够的氨去除度，将足够的低氨流出物流的一部分循环回反应器54中以使反应器54中的氨浓度保持在这样的水平，即可避免氨抑制问题。在反应器54中的氨浓度优选保持低于约1,200ppm，更优选低于约600ppm。
当原料高度浓缩或含有有毒材料时，可使用描述于图2中的构造。如上述详细的描述，在该实施方式中，氨连续地从循环物流中移出，使反应器54在足够低的氨浓度下进行操作，这样产甲烷菌20或生成甲烷的细菌可以被抑制。类似第一实施方式，通过使用如下的方法可除去氨：氨回收工艺(ARP)、吸附、空气吹提、汽提或任何多种氨回收或去除技术及它们的一些组合。
通过氨的生成甲烷厌氧细菌的氨抑制对从含氮原料中生产沼气具有限制作用。应理解本发明的系统10可以结合到或与多种厌氧消化系统和技术一起使用，例如UASB和EGSB系统以提高沼气的生产量。
在本发明上述的一些实施例中预期有其他的修饰、变化和替换，可以使用本发明的一些特征而不必对应使用其他的特征。例如，系统10可以与或不与废水预处理例如水热液化、提取等一起使用。同样，原料来自于任何大量不同的源包括但不限制于CAFOs、食品加工设备及废水处理设施。而且，循环特征可以与上述任一的实施方式一起使用。而且，应理解反应器、贮存器或容器12、14、16和54可具有任何多种形状、尺寸和构造，不必具有优选实施方式描述的结构。另外，应理解在不同的条件下使用不同类型或型式的反应器，可以发生不同的反应。例如，应理解在嗜热条件下完成水解和生成乙酸，而在嗜中温条件下生成甲烷，反过来也可以。类似地，应理解使用反应器例如UASB进行水解和生成乙酸，而使用不同类型的反应器例如EGSB反应器完成生成甲烷，反过来也可以。应理解仅通过实施例给出的所有定量的信息，并非意欲限制本发明的范围。因此，适当的是所附的权利要求应作广义地解释，并与本发明的范围相一致。

Claims (21)

1.一种方法，包括：
(1)将含氮原料送入第一贮存器；
(2)在所述的第一贮存器中处理所述的原料以完成水解和生成乙酸；
(3)步骤(2)之后，将所述的原料送入第二贮存器；
(4)在第二贮存器中处理所述的原料以从所述的原料中除去氨，以产生低氨的流出物流；
(5)将所述的低氨流出物流送入第三贮存器；及
(6)在所述的第三贮存器中处理所述的低氨流出物流以生成甲烷。
2.如权利要求1的方法，其中步骤(2)包括：
通过厌氧发酵在所述的第一贮存器中处理所述的原料以完成水解和生成乙酸，在此期间所述的原料达到第一水平的氨浓度为等于或大于1,200ppm。
3.如权利要求1的方法，其中步骤(2)包括：
通过厌氧发酵在所述的第一贮存器中处理所述的原料以完成水解和生成乙酸，在此期间所述的原料达到第一水平的氨浓度为等于或大于5,000ppm。
4.如权利要求2的方法，其中：
步骤(2)和(6)产生沼气；及
步骤(2)产生的量小于所述沼气总量的30％。
5.如权利要求2的方法，其中：
步骤(2)和(6)产生沼气；及
步骤(2)产生的量小于所述沼气总量的10％。
6.如权利要求5的方法，其中步骤(4)包括在所述的第二贮存器中处理所述的原料以从所述的原料中除去氨，从而产生低氨的流出物流，其含有的氨浓度小于1,200ppm。
7.如权利要求5的方法，其中步骤(4)包括在所述的第二贮存器中处理所述的原料以从所述的原料中除去氨，从而产生低氨的流出物流，其含有的氨浓度小于600ppm。
8.如权利要求6的方法，其中：
步骤(4)进一步包括在基本上45°～60℃的温度下在所述的第二贮存器中处理所述的原料；及步骤(6)进一步包括在45°～60℃的温度下在所述的第三贮存器中处理所述的低氨流出物流。
9.如权利要求6的方法，其中：
步骤(4)进一步包括在基本上30°～45℃的温度下在所述的第二贮存器中处理所述的原料；及步骤(6)进一步包括在30°～45℃的温度下在所述的第三贮存器中处理所述的低氨流出物流。
10.如权利要求5的方法，进一步包括：
处理所述的原料以完成水热液化，之后将所述的原料送入所述的第一贮存器中。
11.如权利要求1的方法，其中：
步骤(2)在所述的第一贮存器中处理所述的原料以生成甲烷；
进一步包括：在步骤(2)后，除去在所述的第一贮存器中产生的沼气；
及其中步骤(4)进一步包括
(a)将来自所述的第一贮存器的流出物送入第二贮存器；
(b)在所述的第二贮存器中处理所述的流出物以从所述的流出物中除去氨，以得到低氨的流出物；及
(c)将所述的低氨流出物送入所述的第一贮存器。
12.如权利要求11的方法，其中步骤(c)包括：
将所述的低氨流出物送入所述的第一贮存器中，其量要足够以使所述的第一贮存器中的氨浓度保持为小于1,200ppm。
13.如权利要求11的方法，其中步骤(c)包括：
将所述低氨流出物送入所述的第一贮存器中，其量要足够以使所述的第一贮存器中的氨浓度保持为小于600ppm。
14.如权利要求12的方法，进一步包括：
将所述的第一贮存器中的物料保持为45°～60℃。
15.一种设备，包括：
第一容器包括厌氧消化池；
在所述的第一容器中的第一部分量的活化厌氧微生物主要包括水解剂和产乙酸菌；
第二容器含有氨去除容器，所述的第二容器可操作地与所述的第一容器连接以从所述的第一容器中接收第一流出物；
第三容器包括厌氧消化池，所述的第三容器可与所述的第二容器连接以从所述的第二容器接收第二流出物；及
在所述的第三容器中的第二部分量的活化厌氧微生物包括产甲烷菌。
16.如权利要求15的设备，其中所述的第一和第三容器包括向上流厌氧污泥层反应器。
17.如权利要求15的设备，其中所述的第一和第三容器包括延伸的颗粒污泥床反应器。
18.如权利要求15的设备，进一步包括第四容器用于进行水热液化，所述的第一容器可与所述的第四容器连接以接收来自所述的第四容器的第三流出物。
19.如权利要求15的设备，其中所述的水解剂和所述的产乙酸菌占至少70％的所述的活化厌氧微生物的所述第一部分的量。
20.如权利要求15的设备，其中所述的产甲烷菌占至少70％的所述活化厌氧微生物的所述第二部分的量。
21.如权利要求19的设备，其中所述的产甲烷菌占至少70％的所述活化厌氧微生物的所述第二部分的量。
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