TWM517195U

TWM517195U - 高效率生物產氫與甲烷系統

Info

Publication number: TWM517195U
Application number: TW104214280U
Authority: TW
Inventors: Chiu-Yue Lin; Ping-Jei Lin; Chyi-How Lay; Chin-Chao Chen; You-Chyuan Liang; Huang-Chih Lu; Chen-Yeon Chu
Original assignee: Univ Feng Chia
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-02-11

Description

高效率生物產氫與甲烷系統

本創作涉及有機廢水處理技術領域，特別指一種透過將有機物廢水經酸化、中和、甲烷化及分離等連續式厭氧醱酵反應過程，使處理有機廢水所產生的污泥量減少，並得水質良好的處理水，同時提升氫及甲烷回收量的一種高效率生物產氫與甲烷系統。

當有機物質於厭氧環境中，在一定的溫度、濕度及酸鹼度條件下，通過微生物的厭氣醱酵作用，會產生沼氣(biogas)。

沼氣的生成是自然界物質代謝極重要的一環，沼氣主要成分是甲烷(methane,CH₄)50~80%和二氧化碳(CO₂)20~50%，另外還含有少量一氧化碳(CO)、硫化氫(H₂S)、氫(H₂)、氧(O₂)和氮(N₂)等氣體，由於含有高濃度可燃氣體甲烷(CH₄)，故沼氣可做燃料，沼氣產自有機廢水之厭氧醱酵過程，產生沼氣的有機物主要來自廚餘(garbage)、畜禽排泄物(manure)、有機廢水(organic wastewater)、污泥(sludge)、農產廢棄物(agricultural waste)或都市廢棄物(MSW)等，而經過厭氧醱酵(Anaerobic Fermentation)或稱為「厭氧消化(anaerobic digestion)」所產生之沼氣能源之處理方式稱為甲烷化(methanation)。

傳統有機廢水處理方法，如第1圖所示為一種流動式厭氧醱酵有機廢水處理裝置，該裝置主要是採流動式設計，將有機廢水連續進入醱酵槽T1，經停留一段時間後，使處理過的消化液與微生物混合液一起排出，而厭氧醱酵反應所產生甲烷及二氧化碳可以由頂面排出收集使用。此種裝置，由於消化液與微生物混合液一起排出後，醱酵槽T1中的微生物菌濃度降低，產甲烷效率低。

第2圖為一種迴流式厭氧醱酵有機廢水處理裝置，其主要是改良上述之方法，將要與消化液一起排出的微生物污泥，利用一沉澱槽T3使微生物污泥沉澱後，讓其回流再與廢水混合進入醱酵槽T2。此種裝置，藉由沉澱返送回醱酵槽T2中，從而能夠確保厭氧微生物的滯留時間，使其作為厭氧微生物的基質而再次分解，提高了消化率(汚泥減量率)，增加了甲烷的回收量。

一般產生甲烷的厭氧醱酵過程必須經過二個主要階段：第一階段為酸生成階段之酸化期(acidification phase)，是將廢水中複雜的有機物被酸化菌(acidogenic bacteria)及兼性細菌(facultative bacteria)轉化為揮發性有機酸(如乙酸、丙酸、丁酸及醇類等)；第二階段則為產生甲烷之甲烷醱酵期(methane feementation phase)，利用酸化過程產生的甲烷菌(methanogenic bacteria)將前述乙酸和丙酸代謝反應產生甲烷及二氧化碳，使消化液中污泥含量減少。

根據研究文獻得知，在眾多影響厭氧醱酵產生甲烷因素中，其中：

1.氣溫限制：一般厭氧醱酵可在5~60℃間發生，溫度介於45~60℃間稱高溫醱酵，介於25~45℃間稱為中溫醱酵，低於25℃稱為低溫醱酵，醱酵溫度隨自然溫度變化則稱為常溫醱酵，通常溫度愈高，醱酵之效果較佳。

2.沼氣微生物生長緩慢：厭氧醱酵是利用醱酵細菌分解有機物，充份提供醱酵厭氧細菌生長所需之營養鹽，可以提高醱酵槽內之生物污泥濃度，以加速醱酵之進行，並彌補甲烷化菌生長緩慢之缺點，因此污泥之迴流或過濾處理均為提高污泥停留在醱酵槽內時間之方法。

3.需較長時間處理：甲烷化(methanation)過程，必須經過第一階段酸化期(acidification phase)約0.5~2日(HRT)及第二階段甲烷醱酵期(methane fermentation phase)約2~7日(HRT)，使單槽處理第一階段酸化期(acidification phase)及第二階段甲烷醱酵期(methane fermentation phase)的時間較長，且無法連續處理。

4.有機物濃度過高：由於第一階段酸化期(acidification phase)所產生之乙酸、丙酸、丁酸及醇類等發性有機酸消化液之pH值在5.0~6.5之間，而甲烷醱酵期(methane fermentation phase)較佳濃度pH值在7.2~7.6之間，使得處理第一階段酸化期(acidification phase)及第二階段甲烷醱酵期(methane fermentation phase)產生甲烷之處理效率降低。

5.有機廢水的氮濃度過高：濃縮的廢棄物也易影響厭氧醱酵之效率，例如以豬糞尿水經厭氧醱酵處理過程中，豬糞尿必須至少以3倍量之水先稀釋，使其氮態氮之濃度低於1,500ppm以下；一般氨態氮之濃度在1,500~3,000ppm之間，對於厭氧細菌會產生抑制作用，超過3,000ppm以上則產生毒害。

目前有機廢水厭氧處理程序已有使用中溫醱酵槽、高溫醱酵槽及添加營養鹽加速分解有機物的裝置被使用，其技術已經成熟，而且有進行商業化的運轉。

由於甲烷醱酵程序中必須經過前述酸化期(acidification phase)及甲烷醱酵期(methane fermentation phase)，因此採用習用第1圖到第2圖的單槽醱酵設計或雙槽回流設計的處理裝置，都不利於第二階段甲烷醱酵期(methane feimentation phase)的乙酸和丙酸代謝反應，使生成甲烷的效率無法獲的提升，若能將現有的甲烷醱酵程序中，進行適當的設計與操作修改，並將醱酵槽採前後槽設計：

1.根據研究文獻可知，酸化期(acidification phase)微生物的滯留時間(HRT)約0.5~2日，才能產生氫及二氧化碳，消化液為乙酸、丙酸、丁酸及醇類等揮發性有機酸；甲烷醱酵期(methane fermentation phase)微生物的滯留時間(HRT)約2~7日，才能使乙酸和丙酸經代謝反應產生甲烷及二氧化碳，使消化液含量減少，因此，為了能提供連續式處理，將醱酵槽採前後槽設計，且後槽宜採用多槽設置，例如1槽對3槽、1槽對4槽或1槽對5槽之設計，是可行且有效的方法。

2.根據研究文獻可知，一般酸化期(acidification phase)所產生的有機酸的酸鹼值(pH值)在5.0~6.5之間，而甲烷醱酵期(methane fermentation phase)產生甲烷的較佳有機酸的酸鹼值(pH值)在7.2~7.6之間，因此，採前後槽設計時，並先將進入後槽前的有機酸的酸鹼值(pH值)進行中和，使酸鹼值(pH值)趨近於甲烷醱酵期(methane fermentation phase)所需較佳條件，就能使甲烷菌(methanogenic bacteria)能充分將乙酸和丙酸代謝反應產生甲烷及二氧化碳，達到污泥減量，並提升甲烷回收量。

本案解決現有技術課題在於：針對現有技術缺點，提供一種具有前後醱酵槽及中和槽設計，其主要是將有機廢水混合液依序進行酸化、中和、甲烷化及分離等連續式厭氧醱酵反應過程，使處理有機廢水所產生的污泥量減少，並得水質良好的處理水，同時提升氫與甲烷的回收量。

本創作要解決上述技術問題及其所採用的技術手段在於提供：一種高效率生物產氫與甲烷系統，至少包含：混合槽，用以收集容置有機廢水混合液；二段式厭氧醱酵裝置，用以對來自於前述混合槽中的混合液轉化為氫、甲烷、二氧化碳及消化液；以及固液分離槽，用以對來自於前述二段式厭氧醱酵裝置中的消化液進行過濾分離，其中，前述二段式厭氧醱酵裝置，至少包含有：第一段厭氧醱酵槽，透過第一輸送管連接前述混合槽，用以對來自於前述混合槽中的混合液轉化為第一氣體及第一液體；一中和槽，透過第二輸送管連接前述第一段厭氧醱酵槽，用以對來自於前述第一段厭氧醱酵槽產生的第一液體進行酸鹼中和；一補料槽，用以容置鹼液，透過第三輸送管連接前述中和槽，用以將鹼液送入中和槽中使第一液體趨近於中性；一第二段厭氧醱酵槽，由多個並聯設置的厭氧醱酵槽組成，所述第二段厭氧醱酵槽透過一第四輸送管連接前述中和槽，用以對來自於前述中和槽中的中性第一液體轉化為第二氣體及第二液體，第二液體再以第五輸送管送至固液分離槽進行過濾分離，由此提高消化率(即污泥減量率)及增加甲烷的回收量。

在上述所述的第一氣體至少包含氫(H₂)與二氧化碳(CO₂)；所述第一液體至少包含乙酸、丙酸、丁酸、醇類等揮發性有機酸；所述第二氣體至少包含甲烷(CH₄)及二氧化碳(CO₂)；所述第二液體至少包含甲烷菌(methanogenic bacteria)將乙酸和丙酸經代謝反應產生的生物污泥消化液。

根據創作人構思，為了提供第一厭氧醱酵槽中的混合液進行較佳酸化反應，其中所述混合槽包含一提供有機廢水及營養鹽的進料口；一提供混合液均勻混合作用的攪拌單元；一用以控制有機廢水氮濃度的稀釋水入口；以及一用以清洗混合槽的清洗排水口。

本創作主要技術採用第一段厭氧醱酵槽及第二段厭氧醱酵槽二段式技術，並配合中和槽設計，其中第二段厭氧醱酵槽由多個並聯設置的厭氧醱酵槽所組成，使本創作在處理有機廢水具有：生物污泥產生量少；可回收氫(H₂)、甲烷(CH₄)及二氧化碳(CO₂)等有用能源；一對多的前後槽設計，可承受較高之有機廢水負荷；處理後廢水穩定性高；不需供氧；以及可殺死寄生蟲卵及殺死或抑制病原體等優點。

為了提供較佳厭氧醱酵反應並產生氫(H₂)、甲烷(CH₄)及二氧化碳(CO₂)等有用能源，本創作第一段厭氧醱酵槽及第二段厭氧醱酵槽可以選自於厭氧濾床、混合式厭氧濾床、折流式反應器及上流式厭氧污泥床反應器(UASB)中之一種，較佳選擇為上流式厭氧污泥床反應器(UASB)。

由於厭氧醱酵過程中，厭氧菌容易隨液體流出醱酵槽，這種現象稱洗出現象(wash cut)，使得厭氧菌濃度下降，降低產氫及甲烷效率，因此，本創作在第一段厭氧醱酵槽上設有第一液體回流管；第二段厭氧醱酵槽設有連接多個厭氧醱酵槽的第二液體回流管，其中第二液體回流管可以為單獨或並聯設置，較佳選擇為並聯設置。

根據創作人構思，為了提供第二段厭氧醱酵槽有較佳甲烷醱酵反應，本創作在所述第一段厭氧醱酵槽與第二段厭氧醱酵槽之間採用有一中和揮發性有機酸的酸鹼中和的中和槽及一提供鹼液的補料槽，其中所述中和槽中設有攪拌單元。

根據創作人構思，為了提供複數個厭氧醱酵槽中的生物污泥消化液過濾與水質良好的處理水，本創作所採用的固液分離槽為膜離生物反應器(Membrane bioreactor,MBR)，所述膜離生物反應器(Membrane bioreactor,MBR)選自於支流式及浸人式中之一種，較佳選擇為浸入式。

支流式(MBR)是將活性污泥在高速(通常大於2m/s，有時大於4m/s)流速下，用泵將污泥抽至管狀(tubular)或平版(flat sheet)模組中，會產生非常大壓降及非常高透膜壓力(transmembrane)，由於操作良窳依橫流速率而定，為了得到較大通量會造成較大能源消耗且對污泥會有不利影響，又，由於提供薄膜表面積較少，故其投資成本及操作成本較高。

浸入式MBR，是將中空纖維或平版模組浸沒於曝氣槽中，使處理水以真空抽取方式穿過薄膜浸，由於薄膜表面積較大，較小通量即可達到所需流量，能源消耗較低且積垢問題較不嚴重。因此，本發較佳選擇為浸入式MBR浸入式MBR。

根據創作人構思，為了提供收集氫(H₂)、甲烷(CH₄)與二氧化碳(CO₂)，本創作在第一段厭氧醱酵槽頂面設有一第一氣體收集管；第二段厭氧醱酵槽中的多個厭氧醱酵槽頂面設第二氣體收集管。

根據創作人構思，為了提供第一氣體收集管收集的第一氣體與第二氣體收集管收集的第二氣體燃燒使用，本創作還包含有一發電機。

根據創作人構思，為了提供控制本創作的裝置運作與監控，本創作更包含有一控制裝置，所述控制裝置至少包含有控制器及電纜盤。

根據創作人構思，本創作除可作定點式廢水處理外，亦可設置在移動載具上，用以提供非定點式廢水處理，所述移動載具為一貨櫃車。

10‧‧‧混合槽

11‧‧‧進料口

12‧‧‧稀釋水入口

13‧‧‧清洗排水口

14‧‧‧攪拌單元

20‧‧‧二段式厭氧醱酵裝置

21‧‧‧第一段厭氧醱酵槽

211‧‧‧第一輸送管

212‧‧‧第一氣體收集管

213‧‧‧第一液體回流管

22‧‧‧中和槽

221‧‧‧第二輸送管

222‧‧‧攪拌單元

23‧‧‧補料槽

231‧‧‧第三輸送管

24‧‧‧第二段厭氧醱酵槽

241~245‧‧‧厭氧醱酵槽

246‧‧‧第四輸送管

247~251‧‧‧第二氣體收集管

252‧‧‧第二液體回流管

30‧‧‧固液分離槽

31‧‧‧過濾模組

32‧‧‧第五輸送管

40‧‧‧控制裝置

41‧‧‧控制器

42‧‧‧電纜盤

P1~P7‧‧‧泵

50‧‧‧發電機

60‧‧‧貨櫃車

第1圖為習用流動式厭氧醱酵有機廢水處理裝置之示意圖。

第2圖為習用迴流式厭氧醱酵有機廢水處理裝置之示意圖。

第3圖為本創作之裝置流程示意圖。

第4圖為本創作之裝置系統示意圖。

第5圖為本創作之立體外觀示意圖。

第6圖為本創作之另一角度立體外觀示意圖。

第7圖為本創作連結發電機與控制裝置之系統示意圖。

第8圖為本創作設置在移動車輛上的外觀示意圖。

第9圖為本創作設置在移動車輛上的側視透視示意圖。

第10圖為本創作設置在移動車輛上的俯視透視示意圖。

為讓本創作之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。此外，本創作除可作為定點式廢水處理外，亦可設置在移動式貨櫃車輛載具上，用以提供非定點式廢水處理。另外，在下述本實施例中，所述之第一氣體為氫(H₂)與二氧化碳(CO₂)；第一液體為乙酸、丙酸、丁酸、醇類等揮發性有機酸；第二氣體為甲烷(CH₄)及二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、硫化氫(H₂S)、氫(H₂)、氧(O₂)和氮(N₂)等氣體；第二液體為生物污泥消化液。其中圖3~4為表示本創作實施方式的裝置流程圖與裝置系統圖。圖5~6為本創作的裝置構造圖；第7圖為本創作連接發電機與控制裝置的示意圖；第8~10圖為本創作配置於貨櫃車上的示意圖。

請參閱第3圖，通常根據本創作，該最佳高效率生物產氫與甲烷系統，包含有混合槽10、二段式厭氧醱酵裝置20、一固液分離槽30、控制裝置40及發電機50；二段式厭氧醱酵裝置20包含有第一段厭氧醱酵槽21、中和槽22、補料槽23及一第二段厭氧醱酵槽24；控制裝置40包含有控制器41及電纜盤42。

請參閱第4~6圖，上述混合槽10槽體上設一用以收集容置有機廢水混合液的進料口11；一用以稀釋有機廢水氮濃度的稀釋水入口12；一用以清洗混合槽10的清洗排水口13；以及二個設在混合槽10內提供攪拌作用的攪拌單元14。

上述第一段厭氧醱酵槽21為一上流式厭氧污泥床反應器(UASB)，用以對來自於上述混合槽10中的混合液轉化為第一氣體及第一液體，下方有一第一輸送管211與進料槽10連接，用以輸送進料槽10中的混合液到第一段厭氧醱酵槽21，頂面設有第一氣體收集管212，用以收集第一氣體，槽壁上設有連接第一輸送管211的第一液體回流管213，又第一輸送管211上設有一泵P1，第一液體回流管213上設有一泵P2，泵P1及泵P2有電性連接上述控制裝置40中的控制器41，如第7圖所示，泵P1可以將混合槽10 中的混合液送到第一段厭氧醱酵槽21，泵P2可以將第一段厭氧醱酵槽21中的液體再返送到第一輸送管211與混合槽10中的混合液一起再次進入第一段厭氧醱酵槽21。

上述中和槽22上設有第二輸送管221連接上述第一段厭氧醱酵槽21，用以對來自於上述第一段厭氧醱酵槽21產生的第一液體進行酸鹼中和，為了使第一液體浮液自然流入中和槽22，其以傾斜方式設置；又中和槽22內設有一提供攪拌作用的攪拌單元222。

上述補料槽23上設有第三輸送管231連接中和槽22，用以將鹼液送入中和槽22中與第一液體進行中和，使第一液體的酸鹼值趨近於中性，此外，第三輸送管213上設有一泵P3，其有電性連接上述控制裝置40中的控制器41，如第7圖所示，泵P3可以將補料槽23中的鹼液送到中和槽22中。

上述第二段厭氧醱酵槽24由5個厭氧醱酵槽241~245所組成，用以對來自於上述中和槽22中的第一液體轉化為第二氣體及第二液體，其中各厭氧醱酵槽241~245以一第四輸送管246與上述中和槽22連接，其中各厭氧醱酵槽241~245下方採並聯方式與第四輸送管246連接，使中和槽22中的第一液體均勻送入各厭氧醱酵槽241~245，此外，各厭氧醱酵槽241~245頂部設有第二氣體收集管247~251，用以收集第二氣體，各厭氧醱酵槽241~245槽壁上設有一連接第四輸送管246的第二液體回流管252，此外，第四輸送管246上設有一泵P4，第二液體回流管252上設有一泵P5，泵P4及泵P5有電性連接上述控制裝置40中的控制器41，如第7圖所示，泵P4可以將中和槽22中的第一液體均勻送入各厭氧醱酵槽241~245，泵P5可以將各厭氧醱酵槽241~245中的液體再返送到第四輸送管246上再次進入各厭氧醱酵槽241~245中。

上述固液分離槽30為一種浸入式的膜離生物反應器(Membrane bioreactor,MBR)，其內部設有過濾模組31，下方設有第五輸送管32與上述各厭氧醱酵槽241~245上方以並聯方式連接，用以將各厭氧醱酵槽241~245中的第二液體浮液送到固液分離槽30下方，透過上述過濾模組31將第二液體分離為生物污泥及符合排放的出水，此外，第五輸送管32上設有一泵P6，過濾模組31上設有一泵P7，泵P6及泵P7有電性連接上述控制裝置40中的控制器41，如第7圖所示，泵P6可以將各厭氧醱酵槽241~245中的第二液體消化液體送入固液分離槽30，泵P7可以將固液分離槽30中的第二液體消化液進行過濾分離後的出水排放。

再請參閱第3圖、第5圖、第6圖及第7圖，本創作還設有一發電機50及一控制裝置40；其中發電機50，用以提供將收集的第一氣體及第二氣體燃燒產生電源。

上述控制裝置40，如第3圖及第7圖所示包含有控制器41及電纜盤42，其中電纜盤42可以連接外來電源，控制器41有電性連接泵P1、泵P2、泵P3、泵P4、泵P5、泵P6及泵P7，用以提供本創作之裝置作動及監控，使混合槽10、第一段厭氧醱酵槽21、中和槽22、補料槽23、第二段厭氧醱酵槽24及固液分離槽30可已連續運作處理有機廢水。

請再參閱第8~10圖，本創作高效率生物產氫與甲烷系統設置在一貨櫃車60內的示意圖，可以進一步提供非定點式有機廢水處理；其中第8圖為本創作設置在移動車輛上的外觀示意圖；第9圖為本創作設置在移動車輛上的側視透視示意圖；第10圖為本創作設置在移動車輛上的俯視透視示意圖。

綜上所述，本創作人依照上述最佳條件設計出之一種高效率生物產氫與甲烷系統，其確實可以達到提高消化率(汚泥減量率)及增加甲烷的回收量之功效，且設有回收氣體燃燒發電機，使得本創作兼具低耗能的優點，既減少有機廢棄物之污染，有能增加綠色能源之生產途徑。

雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。