将甲烷化处理相与嗜热需氧处理相结合的用来处理废物的方法

摘要

本发明涉及有机液体和固体废物的处理，该处理包括在第一步中通过甲烷化来处理废物中的液体物质部分，在第二步中在嗜热或中温需氧相中处理废物的半固体物质部分，然后在第三步中将所述处理过的液体和固体物质部分混合起来，形成底物，通过中温或嗜热需氧相处理对该底物进行进一步的处理，制得堆肥。

说明书

本发明涉及有机液体和固体废物的处理，该处理包括在第一步中通过甲烷化来处理废物中的液体物质部分，在第二步中在嗜热或中温需氧相中处理废物的半固体物质部分，然后在第三步中将所述处理过的液体和固体物质部分混合起来，形成底物，通过中温或嗜热需氧相处理对该底物进行进一步的处理，制得堆肥。

随着人口的增长，有机废物的处理成为政府的一个重要问题。实际上，人们众所周知，如果有机废物未得到妥善处置，而只是简单地输送到填埋场，则可能会对地表水和地下水造成严重污染，增加传染病的风险。

废物的产生与生活水平同步增加。这种发展的结果是：

-为了处理和处置废物以保护环境所需的成本增加；

-人们已知可以进行所述处理的原料和能源的局限性。

人们提倡在来源处对垃圾进行分类的措施，其目的是最大限度增加可从废物中回收重新利用的组分，以减少会带来问题的填埋或不希望采用的焚化。

但是，对于有机废物的处理来说，由于废物的来源和种类都多种多样，因此难以进行分类：废水，生活垃圾，农业-食品工业废物，露天场所维修产生的绿色废物，排放的水等。

一般来说，有机废物都是独立收集，通常是通过下水道系统独立收集，问题主要在于需要进行处理的底物的体积和异质性。

一种已知的“限价”或提取有机废物的经济价值的方法是对其进行甲烷化处理，该处理包括通过厌氧发酵处理废物以产生沼气，即由甲烷和二氧化碳组成的可燃性混合物。

厌氧发酵是一种天然过程，使得死亡的有机物质分解为简单的气体和矿物元素。该处理是复杂的微生物活性的结果，主要通过以下两步进行：

-水解，通过水解使得大分子分解成更简单的产物；这是将分子转化为脂肪酸、盐或气体的液化或气化过程。

-将其酸、盐或气体转化为甲烷和其它的气体。

所述产甲烷细菌属于甲烷杆菌属(Methanobacterium)，甲烷杆菌属(Methanobacillus)，甲烷球菌属(Methanococcus)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)，形成了此类发酵所涉及微生物的主要部分。

它们的特征是生长缓慢，存活在严格的厌氧环境下。因此，在被称为消化器的合适的发酵罐中进行甲烷合成中，以下的条件是必不可少的：

-厌氧的培养基，因为只有在不存在空气的条件下进行分解才会生成甲烷。

-温度为10-65℃，以便使其具有微生物活性，因为产甲烷细菌的酶在超过该温度范围的情况下会被破坏掉。大多数情况下，甲烷化反应在20-40℃的温度下进行。

这些条件限制了可以进行处理的体积，因为除了容积以外，人们还需要一定的时间使得废物分解，根据底物的体积和质量，该分解时间约为几天至数周。

目前人们提出了两种通过甲烷化对废物进行连续处理的设备。第一种设备更适于处理固体废物，用于技术垃圾填埋点(TLS)。

技术垃圾填埋点是适当储存废物的数公顷的位点。其设置在合适的水文地质框架内，所述水文地址框架可以挖掘出10,000-1,000,000立方米的空穴，将有机废物置于其中，用土壤覆盖。安装了排气装置用来回收沼气，使用在多个废物层中下行20米或30米深的井抽取出垃圾填埋气体。

这类设备需要大量的工程投资，这是由于需要从垃圾填埋位点抽取出地下的气体(这些气体是温室气体)以避免发生爆炸或土壤污染的风险。这些投资显著超过了将所述沼气出售给工厂甚至消费者的收益。

第二类设备的使用更为广泛，其通常形成了大规模常规水处理厂(CWT)的组成部分，所述水处理厂对数以亿计的家庭产生的废水进行处理。在这里，以连续的方式进行处理。首先对废水进行预处理，使得废水脱气并除去悬浮的物质，然后通过需氧过程对得到的淤泥进行处理，使得其中包含的微生物活化。然后将淤泥形式的废物引入装有钟式储气室的密封消化器中，有机物质被产甲烷微生物分解的时候，所述钟式储气室能够在加压条件下收集沼气。

为了提高该系统的生产能力，有机物质的分解不能在消化器内完成。因此从消化器排出的残余物是废淤泥的形式，其中残留的有机物质残留量过高，无法将其排入河中、铺展在田野上或者倾倒掉。

因此在甲烷化处理完成的时候，必须对这些残余物进行特殊处理或者排除。

可以看到，上文所述的两种通过有机废物甲烷化进行连续处理的设备都是用于大规模设备的，目前还不能作为独立的处理设备。确实还有较小规模的甲烷化设备，例如用来从猪粪浆制备沼气的设备，但是这些设备不是连续运作的。

无论使用何种设备，必须强调的是，通过甲烷化制得的沼气含有饱和的水分，包含除了甲烷以外的其它的气体，可能造成危险。因此必须对沼气进行处理或富集步骤以便进行出售，目前这些处理步骤使得该制备沼气的工艺不够经济。

另外，在美国专利第5,810,903号中描述了使用中温或嗜热微生物进行有机废物需氧发酵的工艺。该发酵工艺在存在活性氧化的条件下，在50-80℃的高温下操作。在该温度下增殖的微生物会使得有机物质快速分解，因此能够在大约24-48小时的短时间内使得有机废物有效地矿化。

所述中温和嗜热微生物的另一个优点在于，其对pH值变化的敏感程度较低，在有机物质分解过程中，pH值可能会增大，特别是当废物具有不同的来源的时候，会出现这种情况。

这些微生物通常预先存在于被处理的各种底物中。由于使用外部热源，将发酵容器保持在高温状态，因此这些微生物的生长受到促进。

当由废物形成的底物中产生这些微生物的时候，容器内的温度一部分程度上由这些微生物本身来保持，这是因为大部分微生物发生放热的新陈代谢。

在这些高温条件下，大部分在有机废物再循环过程中会造成安全问题的活性物质，例如药物，包括抗生素、合成激素、杀虫剂、清洁剂和毒素都被消化或者破坏掉。如果温度允许进一步升高，则可以在矿化过程中对废物进行灭菌。最终制得的产物为堆肥，其不具有毒性和有害微生物。所谓堆肥(compost)表示一种固体产物，其干态物质含量通常大于50重量％，优选大于70重量％，其组成能够稳定一周或者更久。

该最终产品可以用于农业，例如在作物生长过程中用来施肥。

该嗜热发酵工艺的特别的优点在于，能够对很大体积的有机废物进行快速转化，将其转化为有用的非污染性的有机产物。

但是，其实施过程存在某些缺陷。

首先，由于该工艺需要将很大体积的废物加热至大约50℃，因此外部能源需要很大的成本投入。这一限制需要加热设备，而在环境温度下进行的常规需氧处理系统则无需这些加热设备。除了在操作的时候需要能量以外，这些设备还需要额外的成本，超过了生产的收益。

其次，发酵过程的活化需要主动供应包含足量氧气的空气，通常是在发酵容器的底部泵送空气。最后，必须使得很大体积的空气与微生物接触，然后扩散入环境空气中。可以认为这些空气是被污染的，其包含具有恶臭的排放气体，对此类设施附近的居民非常有害。

再次，在容器出口处处理的废物必须优选进行脱水，以使其能够在正确的条件下进行运输，这又增加了该系统的能耗。

因此，人们需要对现有的使用嗜热微生物的处理装置进行改进，以使其在成本和位置设定方面更具吸引力。

在理想情况下，政府希望使用能够设置在地下、甚至是处于建筑物地下室内的更为紧凑的废物处理设施，使其能够比现有的大规模设施以更多的数量更好地分布在全国范围内。

本发明的装置的目的是满足一部分的所述要求，同时减轻或者消除上述的缺陷。

根据本发明，可以将利用厌氧过程进行甲烷化的废物处理设备与嗜热或中温处理设备联用。

通过该联用，对甲烷化处理设备的体积尺寸进行设计，使得能够以沼气形式提供足够的能量，用于对中温或嗜热需氧相的处理容器壁进行加热。

根据一个具体的实施方式，已经为厌氧相处理进行过充氧的污染的空气用来为沼气燃烧设备提供氧气。通过这种方式，本发明的工艺可以避免产生需要昂贵的再生回收以及必须输送到外部处理设备的残余物和臭味。

因此，用来实施本发明方法的处理设备可以是能量自给自足的，相对于所处理的废物的体积来说是高效的，另外由于其与相同装置内所用的不同的来源相邻，因此很紧凑。

在本发明以下结合附图以示例形式描述的实施方式，可以清楚地看到本发明的这些目的和优点以及其它的目的和优点。

图1是自给自足的模块处理的示意图，其操作方法在实施例中进行了描述。箭头显示了用来处理废物的不同来源之间的各种材料的流动。通过设计这些物流，用来尽可能减少必须在装置以外进行处理的残余物。该装置对应于本发明期望能量自给自足的系统的装置形式，产生的最终产物为堆肥的形式。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用来处理有机废物的方法，在此方法中，包括通过甲烷化处理废物的第一步，以及在中温或嗜热需氧相中处理废物的第二步。

在此方法中，由于包括甲烷化处理步骤，使得可以制得沼气，由沼气产生的能量用来产生中温或嗜热需氧相中处理废物所需的热量。

术语″中温或嗜热需氧相处理″表示在一个外壳内，使用中温或嗜热微生物对有机废物进行生物处理的过程，在此外壳内，氧气含量接近环境空气中的水平，即约为15-25％。中温微生物在大约20-50℃的温度下生长，嗜热微生物在大约50-80℃的温度下生长。较佳的是，在进行处理之前，这些微生物便存在于所述有机废物中，由于在不同的被处理底物中升高温度对其进行促进，但是也可以在处理过程中，以浓孢子或培养物的形式加入，以激活该过程。

“底物”表示生物材料和非生物材料的混合物，该混合物由微生物对有机废物进行部分降解或全部降解而制得。

所述通过甲烷化进行处理的过程是根据使用产甲烷细菌对有机废物进行厌氧发酵的常规操作进行的。可以根据本领域技术人员已知的标准，对待处理的废物混合物严格选择，选出可以用于处理的废物，以便更有效地进行甲烷化。关于这一点，优选将农业-食品工业产生的具有高碳含量的有机废物，例如乳清、酒糟、屠宰废水用于实施该甲烷化步骤。本发明的方法包括尽可能仅对经历中温或嗜热需氧相处理的全部废料中的一部分进行甲烷化处理。

一般来说，嗜热需氧相中的处理包括第一步，在此第一步中，对不同种类的废物(液体和固体)进行均一化，以制得干态物质含量约为20-50％、优选约为35-45％的底物。在任选的在机械加工设备辅助下进行的分选步骤之后，将固体废物碾碎，与必需量的水混合。所加入的水可以优选为废水，更优选为甲烷化处理步骤制得的残余的水。

在第二步中，将底物加热至一定的温度，在此温度下使得所述中温或嗜热微生物生长。一般来说，底物的加热是通过在第一容器中，通过回流、通过容器壁加热进行的。在此方面，所述第一容器优选具有空心的壁或者双层壁，蒸汽或者热水在壁内循环。较佳的是，使用锅炉加热蒸汽，而该锅炉使用甲烷化处理制得的沼气作为燃料。

在第三步中，将底物输送到第二容器，在该第二容器中，通过恒定氧气供应，保持微生物的活性。例如可以将氧气从容器的底部泵抽到表面。

微生物的新陈代谢通常可以使得容器的温度保持在大约20-100℃，优选大约40-80℃，更优选大约50-70℃。在此温度下，大部分的化学物质、毒素、药物或其它活性物质都被破坏掉。

通过第四步可以将底物输送到一个或多个容器内，对底物进行冷却，由此蒸发水分，制得半固体形式的最终底物。

根据本发明的一个方面，固体有机废物和液体有机废物可以在同一个装置中进行处理，进行以下的步骤：

-对固体废物和液体废物进行碾碎；

-回收废物中较高液体含量的部分，所述废物的较高液体含量的部分的干态物质含量约为5-20％，优选约为5-10％；

-废物的另一部分是液体含量较低的部分，其干态物质的含量大于10％，优选大于20％，将此部分输送到嗜热或中温需氧处理装置；

-对所述较高液体含量的部分进行甲烷化处理，制得气体，使用该气体产生热量，用于提供所述需氧相中温或嗜热处理装置中的废物处理所需的热量；

-然后将所述甲烷化处理之后的较高液体含量的部分与通过嗜热或中温需氧处理过的较低液体含量的部分合并起来，制得干态物质含量约为10-50重量％，优选约为20-40重量％的底物；

-通过中温或嗜热厌氧处理来处理所得的底物；

-以堆肥的形式回收所述处理过的底物。

在所述中温或嗜热需氧处理相的最后，所述工艺可以包括对制得的处理过的底物进行干燥或灭菌的最终步骤。

例如可以使得底物快速通过烘箱，可以使用所述甲烷化产生的沼气为烘箱供应能量。然后使得所述底物失活，制得的堆肥可以作为有机肥料出售。

根据本发明，使用甲烷化制得的残余水对所述中温或嗜热处理相过程中处理的有机废物进行稀释。

另外，可以将甲烷化处理的第一步产生的残余物合并入所述嗜热需氧处理相中的废物中。

此时，通过甲烷化处理、然后通过嗜热需氧处理的废物中的干态物质含量为5-20％，优选为10-15％。由于它们的性质很大程度为液态，因此在通过甲烷化进行处理的末端，这些废物的残余物可以很容易地结合入在嗜热需氧相中处理的底物中。

在通过甲烷化处理的步骤中制得的沼气是气体的混合物，其包含至少50％的甲烷，余下的组分主要为CO₂和水蒸气。在现有技术中的用来大量制备甲烷的设备中，由于沼气不是由纯甲烷组成，被水饱和，因此阻碍了其限价。在本发明的范围内，所述沼气用来原位燃烧，具体来说是用来产生蒸汽，因此即便沼气被水饱和，而且包含杂质，也不会带来问题。所述蒸汽用来在中温或嗜热需氧处理相过程中对容器进行加热，或者用来发电。如果需要的话，所产生的电能也可以通过热交换器对所述容器进行加热。

根据本发明一个优选的方面，由于产生电能，可以为本发明的装置满足能量需求，用来实施本发明的方法。

因此，根据本发明，通过所述气体的燃烧回收沼气的能量。通过这种燃烧，使得可以在中温或嗜热需氧处理相过程中对容纳废物的容器壁进行加热，具体方式是使得这些壁与热水或者蒸汽相接触，以促进这些废物中的中温或嗜热微生物菌群的生长。

根据本发明的一个具体方面，所述中温或嗜热处理相产生的空气(由于其扩散通过经处理的底物而带有臭气)在所述第一甲烷化处理步骤产生的沼气的燃烧过程中进行热处理。换句话说，将带有氧气的空气泵送入需氧处理容器中，以激活中温或嗜热微生物的增长，该带有氧气的空气可以依据本发明在沼气燃烧中用作助燃剂。由于该燃烧反应，使得可以破坏空气中包含的具有臭味的化合物。因此可以在装置的出口处净化空气。这种任选的对该工艺的贡献，使得可以减少中温或嗜热需氧相中的处理带来的嗅觉污染。

根据本发明，通过甲烷化进行处理的步骤以及在嗜热或中温需氧相中进行处理的步骤优选以连续方式和/或同时的方式进行。当处理的过程中，可以规律地供应新的待处理废物的时候，则认为该处理是连续的。这不一定表示将废物连续地输入包括该装置的处理设备中。如果所述甲烷化处理相和需氧处理相互相独立地、在同一装置中同时进行，则认为这些处理相是同时进行的。

本发明的主题还涉及一种装置，该装置可以用来实施上述方法。

本发明具体涉及一种用于处理有机废物的装置，其特征是，所述装置包括至少一个通过甲烷化处理废物的第一机构，以及至少一个通过中温或嗜热需氧相处理这些相同废物的第二机构。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用来将固体和液体有机废物一起处理的设施，所述设施包括以下部分：

-用来以固体和液体形式输入废物的入口；

-用来碾碎所述废物的碾碎设备；

-分离器，用来分离废物的液相和固相；

-甲烷化装置，用来处理所述废物的较高液体含量相；

-中温或嗜热需氧相处理装置，其用来在半固态下处理所述废物的较低液体含量相；

-管道或传送器，用来将所述废物的甲烷化的较高液体含量的相输送到所述中温或嗜热需氧相装置；以及

-均一化设备，其用来使得所述较高液体相和半固体的较低液体相均一化，形成半固体的底物，用于中温或嗜热的需氧相处理。

如前文所述，本发明的一个目的是得到紧凑的处理设备，其可以对液体和固体形式的各种有机废物进行处理，优选同时进行处理。根据一个实施方式，所述液体和固体有机废物的混合物，优选在碾碎和/或均一化之后，根据其干态物质含量分成两个相。较高液体含量的相通过甲烷化进行处理，较低液体含量的相、通常是半固体形式，在中温或嗜热需氧相中进行处理。在所述较高液体含量的相进行处理之后，将所述相与进行中温或嗜热需氧处理的较低液体含量的相混合，形成底物，所得的底物在中温或嗜热需氧相处理中进一步进行处理。在一个实施方式中，在形成底物之前，使得甲烷化产生的沼气燃烧，从而对所述高液体含量相进行加热。如上文所述，所述通过甲烷化处理的装置通常是具有平均尺寸的消化器，如现有技术所述。所述消化器必需设计成用来收集厌氧条件下产生的气体。

根据本发明的一个优选的方面，所述甲烷化处理的步骤以及相关的装置设计用于满足所述中温或嗜热处理步骤的能量需求。因此，优选调节所述消化器的体积，以制得一定量的沼气，以维持本发明的方法的实施所需的能量。

本发明的中温或嗜热需氧相中的一种处理装置包括至少一个容器，该容器使得微生物在有机废物构成的底物中、在需氧条件下培养。较佳的是，所述中温或嗜热需氧处理装置由若干串联起来的发酵罐组成。

所述容器中的至少一个包括热交换装置，可以将待加热的有机废物加热至上述的温度。所述热交换装置可以例如使用电阻加热或蒸汽或热水循环来运作。较佳的是，通过使得容器的壁与底物接触而使底物加热，所述容器壁本身则与所述热交换装置接触。所述中温或嗜热处理装置优选包括底物通风装置，该装置可以为搅拌器的形式，例如螺旋桨，或者在容器底部泵送输入空气。该装置还可以包括其它的元件，使其可以将本领域技术人员已知的需氧处理容器的机械操作最优化。本发明的需氧处理装置的一个例子在专利申请第US 5,810,903号中有更详细的描述。

本发明的装置通常包括一种装置，使其能够将甲烷化处理产生的废物输送到通过中温或嗜热需氧处理方式处理该废物的装置内。这种装置可以为例如将消化器直接与一个需氧处理容器相连的管子的形式，使得可以将消化器中的物料排出，将甲烷化残余物与通过中温或嗜热需氧处理过的底物混合。

根据所述装置的一个优选的方面，将甲烷化处理的装置与锅炉结合起来，可以对甲烷化制得的沼气进行燃烧，所述锅炉优选是热电联供装置，因此可以以蒸汽和/或电能的方式产生能量。然后将所述能量从所述锅炉输送到所述加热装置，或者通过能量传送器的形式对废物进行预热。对于发电的情况，所述传输能量的装置可以为电缆，将产生电能的发电机与热交换器相连，所述热交换器安装在所述需氧处理容器上，对于产生蒸汽的情况，其可由高压蒸汽网络组成，所述蒸汽网络将蒸汽发电装置与用来加热废物或者预热废物的装置相连。

根据所处理的废物的种类，所述装置可以包括位于上游的不同的装置，用来根据废物的性质分选废物，具体来说是液/固相分离器，由此可以调节进入不同处理装置的废物中的水含量。

以下实施例用来进行描述说明，不会对本发明构成限制。

实施例

自给自足模块处理装置形式的本发明的装置。

所述处理装置包括入口，固态和液态形式的未处理的有机废物通过该入口引入所述自给自足式处理装置外壳之内。使用相分离器，将液态废物与固体含量更多的废物分离。固体废物在传送带上进行人工分选，除去无法碾碎的组分。这些种类的废物，例如木片，在燃烧沼气的锅炉内烧掉。将其它的废物碾碎，然后在传送带上输送到嗜热或中温需氧相处理装置的第一容器，储存在此处。该第一容器的容积约为110立方米。在收集器的水平处利用重力回收液体废物，所述收集器在消化器内开放。所述消化器为容积大约3000立方米的圆筒形容器。液体废物在此圆筒形容器中混合数小时，直至通过蒸发制得的混合物的固体物质含量调节至大约10％。所述装置包括两个消化器，这两个消化器交替运作，能够几乎连续地制得沼气。当所述用来在加压条件下回收沼气的钟式储气器以密封方式置于甲烷化容器上的时候，第一个消化器启动。在甲烷化过程中，已经完成消化循环、并且已经移走所述钟式储气器的第二消化器排空其物料。甲烷化残余物的固体物质含量约为10％。消化器的排出是通过位于消化器低处的排出口，以流体形式进行的。使用从所述排出口延伸到所述嗜热需氧处理装置的第一容器内的管道，通过重力作用输送流体残余物，所述固体或半固体废物底物储存在所述第一容器中。所述第一容器装有螺旋桨，通过旋转螺旋桨使得所述底物均一化。如果需要改进均一化水平，可以注入加压热水。所述热水使得人们可以将底物加热至高于常温的温度，对底物进行稀释，直至固体物质含量达到大约40％。

在消化器中对液体废物进行发酵的过程中，微生物产生的沼气累积在装有阀门的钟式储气器中，通过管子将所述沼气输送到锅炉内的燃烧器中，产生热水和加压蒸汽。

所述燃烧器装有恒定引燃源，因此沼气一到达锅炉就立刻燃烧。可以使用加压的水蒸气，通过涡轮装置发电。该涡轮与变压器相连，可以提供装置所需的能量，约为12500千瓦/小时/天。在加压条件下将热水输送到所述需氧处理装置的第二容器的由inox制成的双层壁内部，对容器内容纳的底物进行加热，直至达到大约60℃若干小时。然后将底物输送到覆盖的容器内，容器壁用聚氨酯泡沫衬里绝热。需氧处理在此容器中，在高于50℃的温度下继续进行大约48小时。在此阶段，温度大体上是通过底物中生长的中温或嗜热微生物以及活性充氧来维持的。

通过在容器底部将空气泵送入其中，连续地使得底物充氧。由于容器被覆盖，将位于底物表面处的空气抽入inox管内。所述管对锅炉的燃烧器开放。在容器内，在底物的表面处回收的带有臭气的空气作为沼气燃烧的助燃剂，通过加热冲击破坏了臭味。锅炉装有烟囱，燃烧烟气通过烟囱排出。烟囱装有过滤器，以避免灰尘排入大气中。

在处理过程中，通过蒸发使得底物失去大部分的水。可以根据需要在加压条件下将热水注入容器中以补充水的损失。

然后使用管子将底物输送到开放空气中的容器中，所述容器比之前的容器更大更浅，深度约为70厘米。所述底物铺展开，与环境空气接触。在通过蒸发和沉降使其失水的同时，其发生冷却，直至达到水含量为30-50％的半固态。2小时之后，筹集底物，输送到传送带上，传送带缓慢地通过锅炉内的沼气燃烧室。所述燃烧室内的传送带的传送速度与所述燃烧室内的温度以及入口处底物的水含量有关。通过这种方式，以相对均匀的方式对底物进行干燥和消毒。此时底物为堆肥的形式，输送到位于传送带端部的卡车的翻斗内，用作园艺肥料。