TW202229184A

TW202229184A - 自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體之方法

Info

Publication number: TW202229184A
Application number: TW110103459A
Authority: TW
Inventors: 李明勳
Original assignee: 瑞典商阿爾法拉瓦公司
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-01
Also published as: TWI773110B

Abstract

本發明提供一種自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體以提供經清潔液相之方法。該方法包含以下步驟：a）在傾析離心機中自沼液中分離出液相及固相，其中該沼液為來自生物沼氣製造廠之廢棄物，其中已自有機廢料中產生生物沼氣；及b）在盤疊式離心分離機中自步驟a）所獲得之液相中分離出重相及液體輕相，從而提供經清潔液相。

Description

自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體之方法

本發明係關於生物沼氣生產領域，更具體來說係關於自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體之方法。

動物農場（諸如養豬場）會產生大量糞肥。減少生產動物所導致之養分流失之技術為通常經由厭氧消化過程自糞肥中產生生物沼氣。然後，所產生之生物沼氣可為動物農場提供“綠色能源”，即，用作發電機中發電之熱量。

然而，即使在產生生物沼氣之後，仍然存在大量沼液，即，含有大量液體材料之漿料。為了自液體中去除固體，可在傾析離心機中進行處理之前將絮凝劑添加至沼液中。絮凝為聚合物在絮凝物之間形成橋樑並且將固體粒子黏合成更容易分離之大團聚物或團塊之作用。在傾析離心機中進行處理之後，需要在膜生物反應器系統（membrane bioreactor system；MBR系統）中進行複雜的過程，以自液體中去除殘留的固體部分。

然而，本領域中需要一種在自有機廢料中產生生物沼氣之後所獲得之沼液中去除固體之改良的方法，該方法更環境友好，並且簡化了MBR系統中之處理。

本發明之目的為至少部分克服先前技術之一或多個限制。詳言之，本發明之目的為提供一種自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體之方法。

作為本發明之第一態樣，提供一種自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體以提供經清潔液相之方法，其中該方法包含以下步驟： a）在傾析離心機中自沼液中分離出液相及固相，其中該沼液為來自生物沼氣製造廠之廢棄物，其中已自有機廢料中產生生物沼氣；及 b）在盤疊式離心分離機中自步驟a）所獲得之液相中分離出重相及液體輕相，從而提供經清潔液相。

因此，沼液為在生物沼氣製造廠中進行厭氧消化之後，即在生物沼氣生產設備中產生生物沼氣之後剩餘的有機廢料之液體漿料。因此，沼液包含大量具有懸浮固體之廢水。

傾析離心機（亦稱為固體碗式離心機（solid bowl centrifuge））將沼液中之液體中之固體物質連續分離。在傾析離心機中，將沼液泵入旋轉之水平碗中。碗之快速旋轉產生離心力，該離心力將較高密度之固體粒子收集在碗壁上。藉由螺旋輸送機將固相輸送至碗之一端，然後將其從中排出。可例如藉由內部向心泵自碗中排出分離出的液相。傾析離心機可例如如US 9962715中所揭示。

盤疊式離心分離機被配置為使用極高離心力（諸如超過5000 G），在一個單一連續過程中將固體及一或二個液相彼此分離。當較稠密的固體經受此力時，其被迫向外抵靠旋轉的碗壁，而較不稠密的液相形成同心圓內層。插入特殊的板（“盤疊”）可提供額外的表面沉降面積，從而極大地加快分離過程。由粒子所形成之濃縮固相可連續、間歇或手動去除，其取決於分離器類型及特定應用中涉及之固體量。

盤疊式離心分離機將自傾析離心機中排出之液相至少分離成重相及液體輕相，該重相可能因此含有固體。液體輕相之密度低於液體重相之密度。

盤疊之盤可為截頭圓錐形盤，即具有形成分離盤之截頭圓錐形部分之分離表面。然而，亦可考慮軸向盤。堆疊之分離盤可例如為由金屬製成。

在盤疊式離心分離機中分離出之液體輕相為消化液中之經清潔液相，可在下游進行進一步處理。經清潔液相之懸浮固體含量可小於10%。

本發明之第一態樣是基於以下見解：盤疊式離心分離機對於進一步去除在傾析離心機中處理沼液之後所獲得之液相中之固體非常有效。如下面實驗實施例所示，該方法對於處理自牲畜糞肥（諸如豬糞）產生生物沼氣之後所獲得之沼液特別有效。此有助於例如在配置於下游之膜生物反應器（MBR）系統中使用於不太複雜的液體輕相處理。例如，傾析離心機可能能夠去除70%之懸浮固體，而其餘30%之細懸浮固體可能會對下游MBR系統產生重大影響。然而，已發現藉由進一步使用盤疊式離心分離機，可去除超過90%之懸浮固體，因此在MBR系統中提供更好的處理。

因此，本發明之方法涉及在產生生物沼氣之後剩餘的液體含量之二階段分離過程，即在可進一步在例如MBR系統中處理經清潔液體之前，在傾析離心機中進行第一處理及在盤疊式離心分離機中進行第二處理。

因此，在第一態樣之具體實例中，該方法進一步包含以下步驟： c）在膜生物反應器（MBR）系統中處理自步驟b）中所獲得之經清潔液相。

膜生物反應器（MBR）系統為一種將如微濾（microfiltration）或超濾（ultrafiltration）等膜製程與生物廢水處理製程相結合以清潔液相之系統。

有機廢料之種類可能非常不同，諸如來自廚房廢料、造紙廠之廢料或動物農場之廢料。

在第一態樣之具體實例中，有機廢料為牲畜糞肥。例如，牲畜糞肥可為豬糞。然而，亦可使用來自例如母牛之糞肥。因此，沼液可為來自生物沼氣製造廠之糞肥廢棄物，其中已自糞肥產生生物沼氣。

在第一態樣之具體實例中，在步驟b）中之在盤疊式離心分離機中處理之液相含有固體粒子，其中大部分具有小於20 μm之粒徑。

因此，自傾析離心機排出之經分離液相可含有固體部分，其中大部分粒子之粒徑小於20 μm。

在第一態樣之具體實例中，步驟b）中所獲得之經清潔液相之懸浮固體含量濃度小於850 mg/L。因此，自盤疊式離心分離機排出之經分離液體輕相之懸浮固體含量可小於850 mg/L。懸浮固體含量可為“混合液懸浮固體（mixed liquor suspended solid；MLSS）”，其是指在活性污泥過程中（發生於廢水處理期間）通氣槽中懸浮固體之濃度。

例如，步驟b）中所獲得之經清潔液相之懸浮固體含量濃度小於500 mg/L。

例如，步驟b）中所獲得之經清潔液相之懸浮固體濃度可在150-850 mg/L之間，諸如在150-500 mg/L之間。

自盤疊式離心分離機中排出之經分離液體輕相，即經清潔液相，可含有大部分粒徑小於2 μm之粒子。

發明人已發現，第一態樣之方法提供一種在生物沼氣產生之後所獲得之沼液中清潔液體之環境友好的方法，其在固體分離之前無需向該過程中添加額外的絮凝劑。因此，在具體實例中，在步驟a）之傾析離心機中進行分離之前，不添加絮凝劑（諸如聚合物）至沼液中。

因此，藉由傾析離心機及盤疊式離心分離機去除之固體可適合堆肥，並且具有很高的生物降解性。

在第一態樣之具體實例中，藉由傾析離心機及盤疊式離心分離機去除沼液之至少90%之懸浮固體。

在第一態樣之具體實例中，藉由將該有機廢料引入至有機廢料消化器中並且在厭氧過程中將至少一些有機廢料轉化為生物沼氣而獲得步驟a）之沼液。

因此，生物沼氣製造廠可包含有機廢料消化器，諸如糞肥消化器，以用於在厭氧條件下由有機廢料產生生物沼氣。生物沼氣可為甲烷。

在第一態樣之具體實例中，在步驟a）中將沼液在傾析器中分離之前，將其輸送至儲存槽。可藉由例如泵來促進在儲存槽與傾析離心機之間之運輸。

在本發明之第一態樣之具體實例中，盤疊式離心分離機為一種用於固液分離之澄清器。配置用於固液分離之澄清器盤疊式離心分離機可自製程液體中去除固體（諸如粒子）及沉澱物。於此，來自傾析器中之液相在經盤疊式離心分離機中處理之後變得更加澄清。澄清器離心分離機可具有用於待處理液體之入口，配置在離心機碗周圍處之用於排出經分離重相之固體出口，以及用於液體輕相之單一液體出口。

此外，例如，盤疊式離心分離機可在用於經分離液體輕相之出口處氣密密封。氣密密封可設置為水氣密密封或機械氣密密封。此可防止將空氣引入至經分離液相中。

在第一態樣之具體實例中，在盤疊式離心分離機中分離之重相及在傾析器中分離之固相被進一步輸送至相同的固體儲存槽。此可減少用於自沼液中提供經清潔液體之整個系統之佔地面積。

作為本發明之第二態樣，提供一種生物沼氣生產系統，其包含 - 厭氧消化器，用於自有機廢料中產生生物沼氣； - 儲存槽，用於儲存由該厭氧消化器所產生之沼液； - 傾析離心機，經配置為用於在該儲存槽中自沼液中分離出液相及固相； - 盤疊式離心分離機，經配置為用於自在該傾析離心機中分離出之液相中分離出液體重相及液體輕相；及 - 用於將沼液自厭氧消化器輸送至儲存槽之第一管道（conduit）系統，用於將沼液自儲存槽輸送至傾析離心機之第二管道系統，以及用於將經分離液相自傾析離心機輸送至盤疊式離心分離機之第三管道系統。

該態樣通常可呈現與前一態樣相同或相應的優點。第二態樣之功效及特徵在很大程度上類似於上述與第一態樣及第二態樣結合之功效及特徵。關於第一態樣所提及之具體實例在很大程度上與第二態樣兼容。

在第二態樣之具體實例中，生物沼氣生產系統進一步包含 - 膜生物反應器（MBR）系統，用於自盤疊式離心分離機所提供之經清潔液相中去除固體，及 - 第四管道系統，用於將盤疊式離心分離機所提供之經清潔液相輸送至膜生物反應器（MBR）系統。

第一、第二、第三或第四管道系統中之任一者皆可包含管（pipe）以及例如用於在管道系統中提供運輸之泵。

藉由以下參考附圖之描述，將進一步說明根據本發明之離心之方法及生物沼氣生產系統。

圖1顯示根據本發明之具體實例之生物沼氣生產系統1之示意圖。系統1包含用於自動物糞肥產生生物沼氣之厭氧消化器2及用於將沼液自厭氧消化器2輸送至儲存槽4之第一管道系統9a。因此，沼液為包含固體之液體漿料。所產生之生物沼氣可例如經由管道系統9g被引導至生物沼氣儲存槽3。因此厭氧消化器2、生物沼氣儲存槽3及儲存槽4可為生物沼氣製造廠之一部分。

儲存槽4是用於儲存由厭氧消化器2所產生之沼液。儲存槽4之下游為用於以傾析離心機5及盤疊式離心分離機10之形式自沼液中去除固體之設備，該傾析離心機5經配置為用於自儲存槽4中之沼液中分離液相及固相，該盤疊式離心分離機10經配置為用於自在該傾析離心機5中分離出之液相中分離液體重相及液體輕相。下圖3及4更詳細描述了盤疊式離心分離機10。自盤疊式離心分離機10在管道系統9d中提供經清潔液相。

第二管道系統9b經配置為用於將沼液自儲存槽4輸送至傾析離心機5，並且第三管道系統9c用於將經分離液相自傾析離心機5輸送至盤疊式離心分離機10之入口。經由管道系統9f將在傾析離心機5中去除之固體引導至固體儲存槽7。

生物沼氣生產系統1進一步包含膜生物反應器（MBR）系統6，其用於自由離心分離機10所提供之經清潔液相中去除固體。因此，第四管道系統9d經配置為用於輸送自盤疊式離心分離機10排出之經分離液體輕相至膜生物反應器（MBR）系統6。

可藉由傾析離心機及盤疊式離心分離機去除存在於儲存槽4中之沼液之至少90%懸浮固體。

如圖1所示，將來自離心分離機10之含有固體之經分離重相輸送至用於儲存來自傾析離心機5之經分離固體之相同的固體儲存槽7。

在圖1所示之具體實例中，僅顯示用於將沼液輸送至第二管道系統9b中之傾析離心機5之單一泵8。然而，應當理解，在其他管道系統9a、9c、9d、9e、9f、9g中可配置有其他泵以便於運輸。特別地，可在管道系統9c中配置有泵，以用於將液相自傾析離心機5輸送至盤疊式離心分離機10。

圖2顯示根據本發明之自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體以提供經清潔液相之方法100之示意性流程圖。方法100包含以下步驟：a）在傾析離心機中自沼液中分離出液相及固相，其中在該具體實例中，該沼液為來自生物沼氣製造廠之糞肥廢棄物，其中已自糞肥中產生生物沼氣。該方法進一步包含步驟b）：在盤疊式離心分離機中自步驟a）所獲得之液相中分離出重相及輕相，以提供經清潔液相。然後，方法100亦可包含步驟c）：在膜生物反應器（MBR）系統中處理自步驟b）所獲得之經清潔液相。

圖3顯示澄清器類型之離心分離機10之具體實例之橫截面，其經組態為在本發明之方法及系統中自傾析離心機所排出之液相中分離出重相及液體輕相。

離心分離機10具有包含離心轉子11及驅動心軸12之旋轉部分。離心分離機1進一步配置有驅動馬達13。該馬達13 1在操作期間將驅動扭矩傳動至心軸12並因此傳動至離心轉子11。驅動馬達13可為電動馬達。或者，驅動馬達3可藉由傳動裝置，例如以螺旋槳軸、驅動皮帶等形式，連接至心軸12。

由心軸12支撐離心轉子11（於圖4中更詳細顯示），該心軸12在底部軸承15及頂部軸承16中圍繞垂直旋轉軸（X）旋轉地配置在框架14中。固定框架14圍繞離心轉子11。

圖3亦顯示自頂部軸向延伸至離心轉子11中之入口管17。傾析離心機中待在盤疊式離心分離機中進一步清潔之液相因此經由入口管17被引入。在離心轉子11中進行分離之後，通過固定出口管18排出經分離1液體輕相（即經清潔液相）。

圖4顯示離心分離機10之離心轉子11之更詳細視圖。

離心轉子11在其內部形成分離空間19，在其中分離盤之堆疊20圍繞旋轉軸（X）同軸配置並且在頂部盤11之下方軸向配置，並且因此配置成與離心轉子5一起旋轉。分離盤之堆疊提供自傾析離心機輸送之液相之有效分離。

離心分離機1進一步包含呈中央入口室形式之入口21，固定入口管17延伸至該入口21中，以供應待分離之液體進料。入口21經由形成在分配器中之通道22與分離空間19連通。

將用於經分離液體輕相之出口23配置在出口室中，該出口室與固定出口管18流體連通以排放經分離液體輕相。液體輕相出口23呈配置在出口室中之固定配對盤形式。

離心轉子11在分離空間19之徑向外圍處進一步設置有出口26。該等出口26圍繞轉子軸（X）均勻分佈，並且配置成用於間歇地排出液體進料混合物之固體成分。固體成分包含形成污泥相之較密粒子。如本領域中已知，藉由由操作通道24中之水致動之操作滑塊25來控制出口26之開口。在圖中所示之位置中，操作滑塊25在其周邊處密封地抵靠離心轉子11之上部，從而封閉分離空間19，使其不與延伸通過離心轉子11之出口25連接。

在如圖3及圖4所示之分離器之操作期間，藉由驅動馬達13使離心轉子11旋轉。經由入口管17，使在該過程中自傾析離心機5之上游排出之液相進入分離空間19。取決於密度，液相之不同相在堆疊20之分離盤之間被分離。固體粒子在分離盤之間徑向向外移動，而液體輕相在分離盤之間徑向向內移動並且被迫通過出口23。於此，經由出口管18排出液體輕相（即經清潔液相）。

藉由打開污泥出口26，自離心轉子11內間歇地排空積聚在分離空間19周圍處之固體或污泥。然而，污泥之排放亦可連續進行，在這種情況下，污泥出口26採取開口噴嘴形式，並且藉由離心力連續排放一定量之污泥。實驗實施例

自豬糞生物沼氣生產中所獲得之沼液用於證明本發明之優點。

首先在傾析離心機中處理沼液，然後在離心分離機中處理液相。傾析離心機及離心分離機購自阿法拉伐（Alfa Laval）。

在傾析離心機中進行處理之前、傾析離心機中進行處理之後以及在盤疊式離心分離機中進行進一步處理之後，測量“混合液懸浮固體（Mixed liquor suspended solids；MLSS）”。結果顯示於下表1中。

生物沼氣沼液之MLSS	傾析離心機之後液體透明相中之MLSS	在盤疊式分離機中進行處理之後經清潔液相中之MLSS
6,000 mg/L	2,700 mg/L	270 mg/L

此等實驗實施例清楚說明在本發明之製程中可去除超過90%之MLSS。

本發明不限於所揭示之具體實例，而可在下面闡述之申請專利範圍之範圍內進行改變及修改。本發明不限於圖式所揭示之旋轉軸（X）之定向。術語“離心分離機”亦包含具有實質上水平定向之旋轉軸之離心分離機。以上，主要參考有限數量之實施例來描述本發明構思。然而，如本領域技術人員容易理解，在由所附申請專利範圍所限定之本發明構思之範圍內，除以上揭示之實施例之外之其他實施例同樣是有可能的。

無

參考附圖通過以下說明性及非限制性之詳細描述，將更好理解上述以及本發明概念之其他目的、特徵及優點。在圖式中，除非另有說明，否則相似的元件符號將用於相似的元件。 [圖1]顯示根據本發明具體實例之生物沼氣生產系統之示意圖。 [圖2]顯示根據本發明之方法之流程圖。 [圖3]顯示盤疊式離心分離機之示意圖。其可在本發明之方法中使用。 [圖4]顯示盤疊式離心分離機之離心轉子之橫截面之示意圖。

1:生物沼氣生產系統

2:厭氧消化器

3:生物沼氣儲存槽

4:儲存槽

5:傾析離心機

6:膜生物反應器(MBR)系統

7:固體儲存槽

8:泵

9a:管道系統

9b:管道系統

9c:管道系統

9d:管道系統

9e:管道系統

9f:管道系統

9g:管道系統

10:盤疊式離心分離機

Claims

一種自生物沼氣製造廠所獲得之沼液中去除固體以提供經清潔液相之方法，其中該方法包含以下步驟： a）在傾析離心機中自沼液中分離出液相及固相，其中該沼液為來自生物沼氣製造廠之廢棄物，其中已自有機廢料中產生生物沼氣； b）在盤疊式離心分離機中自步驟a）所獲得之該液相中分離出重相及液體輕相，從而提供經清潔液相。
如請求項1之方法，其中該有機廢料為牲畜糞肥。
如請求項2之方法，其中該牲畜糞肥為豬糞。
如前述請求項中任一項之方法，其中該方法進一步包含以下步驟： c）在膜生物反應器（MBR）系統中處理自步驟b）中所獲得之該經清潔液相。
如前述請求項中任一項之方法，其中在步驟b）中之在盤疊式離心分離機中處理之該液相含有固體粒子，其中大部分具有小於20 μm之粒徑。
如前述請求項中任一項之方法，其中步驟b）中所獲得之該經清潔液相之懸浮固體含量濃度小於850 mg/L。
如前述請求項中任一項之方法，其中在步驟a）之傾析離心機中進行分離之前，並無將絮凝劑，諸如聚合物，添加至該沼液中。
如前述請求項中任一項之方法，其中藉由將該有機廢料引入至有機廢料消化器中並且在厭氧過程中將至少一些該有機廢料轉化為生物沼氣而獲得步驟a）之該沼液。
如請求項8之方法，其中在步驟a）中將該沼液在傾析器中分離之前，將該沼液輸送至儲存槽。
如前述請求項中任一項之方法，其中該盤疊式離心分離機為一種用於固液分離之澄清器。
如請求項10之方法，其中該盤疊式離心分離機在用於經分離液體輕相之出口處氣密密封。
如前述請求項中任一項之方法，其中在該盤疊式離心分離機中分離之重相及在傾析器中分離之固相被進一步輸送至相同的固體儲存槽。
一種生物沼氣生產系統（1），其包含 - 厭氧消化器（2），用於自有機廢料中產生生物沼氣； - 儲存槽（4），用於儲存由該厭氧消化器（2）所產生之沼液； - 傾析離心機（5），經配置為用於在該儲存槽（4）中自該沼液中分離出液相及固相； - 盤疊式離心分離機（10），經配置為用於自在該傾析離心機（5）中分離出之該液相中分離出液體重相及液體輕相，從而提供經清潔液相；及 - 用於將沼液自該厭氧消化器（2）輸送至該儲存槽（4）之第一管道系統（9a），用於將沼液自該儲存槽（4）輸送至該傾析離心機（5）之第二管道系統（9b），以及用於將經分離液相自該傾析離心機（5）輸送至該盤疊式離心分離機（10）之第三管道系統（9c）。
如請求項13之生物沼氣生產系統（1），其進一步包含 - 膜生物反應器（MBR）系統（6），用於自該盤疊式離心分離機（10）所提供之該經清潔液相中去除固體，及 - 第四管道系統（9d），用於將該盤疊式離心分離機（10）所提供之該經清潔液相輸送至該膜生物反應器（MBR）系統（6）。