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CN102307817A - 处理有机物质以产生生物气体的厌氧方法 - Google Patents

处理有机物质以产生生物气体的厌氧方法 Download PDF

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CN102307817A CN2009801414389A CN200980141438A CN102307817A CN 102307817 A CN102307817 A CN 102307817A CN 2009801414389 A CN2009801414389 A CN 2009801414389A CN 200980141438 A CN200980141438 A CN 200980141438A CN 102307817 A CN102307817 A CN 102307817A
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Abstract

本发明提供了处理有机废料的厌氧消化方法，该方法包括在不存在氧的情况下进行的细菌方法，其中所述方法包括：消化，在消化过程中，使所述废料在高温下、在罐中发酵，其中所述方法产生生物气体，生物气体可以用于电力生产的发电机和/或加热目的的锅炉，还包括：用含有发酵上清液和非离子型表面活性剂的组合物处理有机废物，其中发酵上清液含有源于酿酒酵母培养物的活性酶，其中所述非离子型表面活性剂可以选自乙氧基化壬基苯酚和乙氧基化辛基苯酚。

Description

处理有机物质以产生生物气体的厌氧方法
发明背景
1.发明领域
本发明涉及在厌氧条件下生物学处理含有有机物质的流体的方法，尤其是由处理城市废水等所得到的污泥，从而除去挥发性固体，并产生生物气体。
2.相关技术的说明
自从通过了清洁水法，许多工业被要求在其所产生的废水流入到公共排污管和排水渠以前建立废水处理方案。这些方案常常包括现场废水处理方法、流入到公共处理工厂或该两种方法。
废水是对家庭、商业和工业使用之后发生变化的水所使用的术语，尤其是被污染和流动并进入排水渠道的水。
废水典型地含有多种污染物，在流入公共水道之前必须将其除去，这种污染物包括：有机物质，例如蛋白、碳水化合物和脂质；化学制品，例如农药、杀虫剂、重金属和肥料；和脏水。典型地按照生化需氧量(BOD)、总悬浮固体(TSS)和溶解氧(DO)来评价废水。必须从废水中除去的另一种重要类别的组分是包括化合物的挥发性有机物(VOC)，其可导致或有助于废水的气味。
针对存在于废水中的具体污染物已经形成了许多方法，例如：酚类氧化酶和过氧化氢已经用于使浆料和造纸厂废水脱色(美国专利5,407,577)；得自于嗜热脂肪芽孢杆菌的非典型性菌株的酶已经用于消化藻类的细胞壁(美国专利5,139,945)；细菌和酶的组合已经用于改善静置贮水池的水质(美国专利5,227,067)；纤维素酶已经用于消化木材/纸成分(美国专利5,326,477)；嗜麦芽黄单胞菌和苏芸金杆菌已经用于降解极性有机溶剂(美国专利5,369,031)；酵母已经用于消化含有碳水化合物的废水(美国专利5,075,008)；β-葡聚糖酶、α-淀粉酶和蛋白酶的组合已经用于消化微生物的粘液(美国专利5,071,765)；淀粉酶、脂肪酶和/或蛋白酶的组合已经用于消化胶体物质，例如淀粉、油脂、脂肪和蛋白(美国专利5,885,950)。然而，这些组合物中的每一个只针对具体污染物，并且它们不能应用于通常存在于废水及其它污水中的多种污染物。美国专利3,635,797所描述的组合物使用酵母发酵组合物，用于污水池除臭和有机废物的降解。然而，人们发现这种组合物不稳定，并且每批的结果发生变化。
上述方法通常在有氧条件下进行，也就是说，这些处理方法需要存在氧，氧通常来源于空气。
本发明人开发了一种液体组合物，其包括：含有源于酿酒酵母(saccharomyces cerevisiae)培养物的活性酶的发酵上清液；防腐剂，其选自苯甲酸钠、咪唑烷基脲、二唑烷基脲和其混合物；氯化钙；和非离子型表面活性剂，其选自乙氧基化烷基酚。这种液体组合物已在有氧条件下使用，除了处理其它液体以外，还用于处理城市污水。(参见美国专利5,820,758；5,849,566；5,879,928和5,885,590)。
利用微生物活性，例如通过厌氧性降解，来生物处理被有机物污染的液体或废水净化(以除去有机污染物，该污染物以溶解、胶体或细分散形式包含在液体中)，可以产生被称为生物气体的可燃气体。
通常，使用相同或类似的方法，将废水在废物处理装置中进行生物纯化，使用这种方法时，废水本身以流动水形式(即在有氧条件下)进行生物清洁，尽管是以技术上更加强的方式。实质上，同样也发生了生物净化的厌氧方法，例如，在浅箱的底部，静止的水。
为了限定本发明的目的，术语‘厌氧降解’、‘厌氧方法’、‘厌氧条件’等等理解为是指利用微生物(例如细菌)来转化有机物，同时隔绝氧。如上所述，在有机物的厌氧降解期间，产生生物气体，即，由甲烷(主要)和二氧化碳和痕量的其它组分组成的气体混合物。
对于处理来自食品工业、农业、石油工业以及浆料生产的废水，在厌氧条件下生物处理含有高数量有机污染物的方法是已知的方法。换言之，它们可以处理许多液体，但通常，这种已知的生物方法不能使这种有机污染物全部纯化或完成转化。
本发明的一个目的是用细菌方法处理有机废料，同时隔绝氧，该方法在高温下消化所述废料，产生生物气体，这种生物气体可以用于电力生产的发电机和/或用于加热目的的锅炉。
本发明的另一个目的是用细菌方法处理污泥，这种方法是在隔绝氧的条件下进行的，使所述污泥在高温下发酵，产生生物气体，然后该生物气体可以用于电力生产的发电机和/或加热目的的锅炉，尤其是，所述生物气体可以为处理所述污泥提供热量。
本发明的另一个目的是用细菌方法处理污泥，这种方法是在隔绝氧的条件下进行的，在高温下使所述污泥发酵，从而减少挥发性有机固体(VOS)。
本发明的另一个目的是用细菌方法处理污泥，这种方法是在隔绝氧的条件下进行的，在高温下使所述污泥发酵，从而使脱离该过程的所处理的固体污泥产品的重量和/或体积减少。
通过阅读本说明书，本发明的其它目的将会变得很明显。
本发明概述
本发明提供了一种处理有机废料的方法，该方法包括：在厌氧条件下进行的细菌方法，即在没有氧的情况下，其中所述方法包括消化，其中使所述废料在高温下、在罐中发酵，且其中所述方法引起生物气体的产生，该生物气体可以用于电力生产的发电机和/或加热目的的锅炉。在本发明的方法中，用包含下列的组合物处理有机废物：发酵上清液，其含有源于酿酒酵母培养物的活性酶；和非离子型表面活性剂。
在本发明方法的优选实施方案中，有机废物包括污泥，其是用在没有氧的情况下所进行的细菌方法来处理的，且其中所述方法包括热消化，在热消化过程中，使污泥在大约55-60℃的温度下、在罐中发酵，或中温消化，其中所述方法是在大约35-40℃的温度下进行的。可以使生物气体中的甲烷燃烧，同时产生热量和电，通常用往复式引擎或轮机、常常在热电联产装置中的燃料电池，其中产生的电和废热用于加热消化器或加热建筑物。多余的电可以卖给供应商或输入本地电网。认为厌氧消化池产生的电是可再生能源，并且可以获得补贴。生物气体不会促进大气二氧化碳浓度的提高，因为该气体没有直接释放到大气中，并且该二氧化碳来自有机物源，具有短的碳循环过程。
在本发明的方法中，产生可燃的生物气体，其包括甲烷，并且可以用于电力生产的发电机和/或加热目的的锅炉。
在本发明方法的优选实施方案中，所述非离子型表面活性剂选自乙氧基化烷基酚，例如，所述非离子型表面活性剂可以选自乙氧基化壬基苯酚和乙氧基化辛基苯酚，例如，非离子型表面活性剂可以是壬基或辛基苯酚加合物，其包括20至40摩尔的氧化乙烯，例如，大约30摩尔氧化乙烯。
附图的简要说明
当与附图结合考虑时，通过下列说明书，可以很好地理解本发明的优点和特征，其中：
图1的方框图说明了用于处理食品生产装置的排出液的典型装置的配置。
图2说明了利用本发明方法来处理图1的食品生产装置的排出液的效果。
本发明的详细说明
适合用于本发明的非离子型表面活性剂包括但不局限于：聚醚非离子型表面活性剂，其包括乙氧基化的脂肪醇、烷基酚、脂肪酸和脂肪胺；多羟基非离子型(多元醇)，其典型地包括蔗糖酯，山梨醇(sorbital)酯，烷基葡糖苷和聚丙三醇酯，它们可以乙氧基化或可以不乙氧基化。在本发明的一个实施方案中，使用下列通式的表面活性剂：
H(OCH2CH2)xOC6H4R
其中，x代表添加到烷基酚中的氧化乙烯的摩尔数，R代表长链烷基，例如C7-C10正烷基，尤其是，该非离子型表面活性剂是乙氧基化的辛基苯酚，其是以商品名称IGEPAL CA-630销售的。非离子型表面活性剂起协同作用，可以增加酵母发酵上清液的作用。
本发明的组合物与美国专利3,635,797(Battistoni等人)所描述的组合物相似，本文结合其全部内容作为参考。简要地说，将酵母(酿酒酵母)在包括下列的介质中培养：糖源，例如，源于糖蜜的蔗糖，粗糖，大豆或其混合物。将糖(浓度大约10至大约30％重量)、麦芽(例如糖化麦芽，浓度大约7至大约12％重量)、盐(例如镁盐，尤其是硫酸镁，浓度大约1至大约3％重量)和酵母加入到介质中，在最终培养混合物中获得大约1至大约5％重量的酵母最后浓度。将该混合物在大约26℃至大约42℃下培养，直到发酵完成为止，即，直到该混合物停止冒泡为止，一般需要大约2至大约5天，这取决于发酵温度。在发酵的最后，将酵母发酵组合物离心，除去在发酵期间形成的“污泥”。将上清液(大约98.59％重量)与苯甲酸钠(大约1％重量)、咪唑烷基脲(大约0.01％重量)、二唑烷基(diazolidinyl)脲(大约0.15％重量)、氯化钙(大约0.25％重量)混合，形成发酵中间体。用磷酸将pH值调节至大约3.7至大约4.2。发酵中间体的组成概括在表I中。
表I
用目标数量的发酵上清液填充夹套的混合釜，由此制备发酵中间体。在中度搅拌条件下，用磷酸将pH值调节至大约3.7至大约4.2。在连续搅动下，加入苯甲酸钠、咪唑烷基脲、二唑烷基脲和氯化钙。然后将混合物的温度慢慢地升至大约40℃，并连续地搅拌该混合物。使温度在大约40℃保持大约一个小时，以便保证混合物的所有组分溶解。然后将混合物冷却至大约20℃至大约25℃。
然后利用下列方式将发酵中间体配制到本发明的组合物(最终组合物)：将发酵中间体(最终组合物的大约20.24％重量)与防腐剂(例如苯甲酸钠，咪唑烷基脲，二唑烷基脲，咪唑烷基脲，二唑烷基脲和其混合物)(最终组合物的大约0.16％重量)、非离子型表面活性剂(例如乙氧基化辛基苯酚)(最终组合物的大约9％重量)混合，并通过加入水将该组合物调到100％。在本发明的一个优选实施方案中，该组合物包括大约20.24％重量发酵中间体、大约0.1％重量苯甲酸钠、大约0.01％重量咪唑烷基脲、大约0.15％重量二唑烷基脲、大约9％重量乙氧基化辛基苯酚。(参见表II)。
表II
制备最终组合物的方法如下：在大约20℃至大约25℃，在混合釜中装入目标体积的水。加入苯甲酸钠、咪唑烷基脲和二唑烷基脲，同时搅拌该溶液。搅拌该混合物，直到固体分散为止。然后加入乙氧基化辛基苯酚，并继续搅拌。然后在温和搅拌下，加入发酵中间体。用磷酸将pH值调节至大约3.5至大约4.0。
混合并调节pH值之后，最终组合物中的组分的最终浓度概括在表III中。
表III
Figure BPA00001348755500062
将最终组合物稀释，用于厌氧消化区。为了用于处理废水，将最终组合物稀释至高达百万分之几。为了其它用途，仅仅将最终组合物稀释小到10倍(as little as 1 in 10)可能是合乎需要的。本领域技术人员知道，可以使用这种组合物的稀释物，并且，为了具体目的而过度稀释可以引起消化率(rate)降低，以及，因为具体目的而稀释不足会提高成本，不会提高降解率。理想地，最终组合物的稀释应该使具体废料的降解率最佳化，和使成本最小。
在使用中，估计通过提高通常存在于废水处理装置中的微生物的活性，本发明的组合物可以提高污染物的降解，意想不到的是，增加了产生的生物气体数量，同时降低了挥发性有气味的化合物(VOC)和厌氧区排出物的体积和重量。在使用上述最终组合物来降解污染物(在细菌的存在下)的有氧方法中，人们预期DO降低，因为细菌代谢可用氧，表面活性剂和酵母发酵上清液协同起作用，从而提高降解率，并增加了DO。在这种有氧方法中，单独的表面活性剂或单独的酵母发酵上清液不会引起它们组合时所观测到的活性提高。
然而，在厌氧方法中，通过用上述最终组合物处理有机废料，不能预测将会获得何种益处(如果有的话)。
然而，象有氧方法一样，在最终组合物的使用过程中观测到的降解提高，其在厌氧方法中与最终组合物和所处理的废水的接触时间成正比。因此，需要尽早将最终组合物加入到废水中。优选，在废水处理装置的厌氧性区的上游加入最终组合物。可以通过连续地泵送最终组合物至废水中而将最终组合物加入到废水中，或可以按照要求将其分批加入，以便达到最终组合物在厌氧区的目标稀释度。
通过下列实施例进一步举例说明本发明，其只是说明实践本发明的特定方式，并没有限制权利要求范围的意思。
实施例1
可以通过处理食品生产装置的排出物来举例说明本发明的方法。如图1所示，在流入物湿井(食品生产排出物收集在其中)之后，两个连续的厌氧性生物反应器顺列式布置。
流速是0.75百万加仑/日(MGD)。在厌氧生物反应器中，源于湿井的液流和上述的最终组合物接触。废水流和最终组合物的比例在0.0000667％至0.0002667％之间变化。在厌氧区处理后，源于生物反应器的液体被导向一个或多个曝气池，进行进一步处理。收集源于生物反应器的气态排出物，并使其燃烧或再循环(可以处理，例如，提高它的BTU值，而后再循环)，用于给生物反应器和/或食品加工锅炉(用于为生产过程产生热蒸汽)提供热量。
人们发现，处理生物反应器的流入物，可以使生物气体(即生物甲烷)从1.53立方英尺提高至1.93立方英尺(每lb的总化学需氧量)。令人惊讶地提高了26％，同时流出液的污泥体积减少了28％。
实施例2
在本发明方法的单独的实施例中，在厌氧消化区中，用上面表3的最终产物处理源于大规模奶酪生产装置的废水，表3的最终组合物与流入物的比例为0.0220至0.1484。根据流入物流速，在厌氧区的平均停留时间是2.72至4.28天。在所述处理期间的温度是大约94至大约102华氏度(F)。在该试验中，TCOD的除去率从29％提高至73.9％。生物甲烷产物从1000立方英尺/小时提高至1,800立方英尺/小时。令人惊讶地提高了80％。
结果报道在图2中。
实施例3
本发明方法还用于处理市政渠道的污泥。在该试验中，使输入城市污水处理装置的厌氧区的流入物与上面表3的最终组合物接触，比例为0.0271至0.122附加生态系统(ECOSYSTEM PLUS)(ESP)加仑/1,000加仑初始注入污泥，温度为92至102华氏度。根据给A.D.加载的流入物初始供料，污泥和最终组合物的混合物在厌氧区的停留时间是15至18天。
典型的城市废水处理设备对于每个服务的人员每天可以处理1000加仑废水。
一个厌氧消化池每个人每天产生大约1.0立方英尺(ft3)的沼气。
厌氧消化池产生的生物气体的热值大约为：每立方英尺大约600英国热单位(Btu/ft3)。
在本实施例中，获得下列结果：
T.S.除去率从6.81％提高至35.6％，提高80.9％
T.V.S.除去率从49.61％(用表3的组合物开始处理)提高至61.4％，提高19.2％
污泥体积减少了25％
每100加仑流入物流，生物气体的实际产量从0.81立方英尺(ft3)提高至1.42立方英尺(ft3)，提高74.6％
对于每加仑初始消化供料污泥，从0.83立方英尺(ft3)提高至1.56，提高88％
本发明范围不受示范性实施方案的限制，其仅仅为了举例说明本发明的具体方面。除了本文公开的那些之外，通过仔细阅读原始申请的说明书，包括权利要求书，本发明的各种修改对本领域技术人员是显而易见的。例如，尽管本文没有具体描述，但可以在燃料电池应用中使用本发明方法所产生的生物气体。
Northeast Regional Biomass Program与XENERGY，Inc.，联合，用定置型燃料电池技术完成了检验使用生物基燃料的可行性的综合研究。该发现表明，基于生物物质的燃料电池系统，从技术观点来看，能够长期提供清洁的、可再生的电源。另外，在世界上几个垃圾和废水处理厂(以及酿酒厂和农场)的使用过程中，已经证明燃料电池在这种应用方面是成功的，它们产生的甲烷气可以发电，并且在该过程中减少有害物排放。
在美国和亚洲，燃料电池都已经在垃圾和废水处理装置中运行。例如，美国康涅狄格州Groton Landfill一年生产600,000kWh的电，持续净燃料电池输出140kW，纽约Yonkers废水处理厂的UTC Power′s(原来的IFC/ONSI)燃料电池系统每年生产超过160万kWh的电，而仅仅有72磅的排放物释放到环境中。在波特兰(俄勒冈州)，使用源于废水处理设备的厌氧消化池气体，燃料电池产生电能，每年发电150万kWh，大量降低了处理厂的电费。
Fuel Cell Energy，Inc.(FCE)在全世界的废水处理装置中正在安装它的Direct FuelCell
Figure BPA00001348755500091
(DFC)发电装置。
FCE和UTC已经在Sierra Nevada、Kirin、Asahi和Sapporo的几个啤酒厂安装了燃料电池，使用由排出液(源于酿酒过程)产生的甲烷类沼气，给燃料电池提供能量。
本发明的方法可用于产生生物气体，生物气体可以在任何上述工业化生产中使用，由废料产生能量。
应予说明，所有类似的修改属于附加权利要求的范围。

Claims (14)

1.处理污泥的厌氧消化方法，该方法包括在不存在氧的情况下进行的细菌方法，且其中所述方法包括：热消化，在该热消化过程中，使所述污泥在55℃的温度下、在罐中发酵，或在大约36℃温度下中温消化，且其中所述方法导致产生生物气体，该生物气体可以用于电力生产的发电机和/或加热目的的锅炉，所述改进包括：用含有发酵上清液和非离子型表面活性剂的组合物处理由市政或工业废水处理产生的污泥，其中发酵上清液含有源于酿酒酵母培养物的活性酶。
2.权利要求1的方法，其中所述组合物包含大约20％重量的发酵上清液，其中发酵上清液包含源于酿酒酵母培养物的活性酶。
3.权利要求1的方法，其中所述组合物包含大约0.3％重量的苯甲酸钠、大约0.01％重量的咪唑烷基脲、大约0.15％重量的二唑烷基脲。
4.权利要求1的方法，其中所述组合物包含大约9％重量的非离子型表面活性剂。
4.权利要求1的方法，进一步包括降低挥发性固体浓度的改进。
5.权利要求1的方法，其中所述非离子型表面活性剂是乙氧基化烷基酚。
6.权利要求1的方法，其中所述非离子型表面活性剂是乙氧基化壬基或辛基苯酚。
7.权利要求1的方法，其中所述处理在不存在脲或皂苷的条件下进行。
8.处理污泥的厌氧消化方法，该方法包括在不存在氧的情况下进行的细菌方法，且其中所述方法包括：热消化，在热消化过程中，使所述污泥在55℃的温度下、在罐中发酵，或在大约36℃温度下的中温消化，并且其中所述方法产生生物气体，生物气体可以用于电力生产的发电机和/或加热目的的锅炉，所述改进包括：用基本上由发酵上清液、防腐剂、氯化钙和非离子型表面活性剂组成的组合物处理由市政或工业废水处理所产生的污泥，其中发酵上清液含有源于酿酒酵母培养物的活性酶，防腐剂选自苯甲酸钠、咪唑烷基脲、二唑烷基脲和其混合物，非离子型表面活性剂选自乙氧基化烷基酚。
9.权利要求8的方法，其中所述非离子型表面活性剂选自乙氧基化壬基苯酚和乙氧基化辛基苯酚。
10.权利要求9的方法，其中所述防腐剂存在的浓度为大约0.46％重量；表面活性剂存在的浓度为大约9％重量；和发酵上清液存在的浓度为大约20％重量。
11.处理有机废料的厌氧消化方法，该方法包括在不存在氧的情况下进行的细菌方法，且其中所述方法包括：消化，在消化过程中，使所述废料在高温下、在罐中发酵，并且其中所述方法产生生物气体，生物气体可以用于电力生产的发电机和/或加热目的的锅炉，所述改进包括：用含有发酵上清液和非离子型表面活性剂的组合物处理有机废物，其中发酵上清液含有源于酿酒酵母培养物的活性酶。
12.权利要求11的方法，其中所述非离子型表面活性剂选自乙氧基化烷基酚。
13.权利要求12的方法，其中所述非离子型表面活性剂选自乙氧基化壬基苯酚和乙氧基化辛基苯酚。
14.用有机废料发电的方法，该方法包括：在燃料电池中，使所述由有机废物产生的生物气体转化为氢，并将所述氢转化为电，所述改进包括：给所述燃料电池提供权利要求11的所述生物气体，并将所述生物气体转化为氢。
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