通过厌氧共消化生产生物气的生产方法与流程

本发明的目的属于环境技术的，并且特别地涉及通过有机废物的厌氧共消化生产生物气的新生产方法，所述有机废物为：来源于都市废水(下文称为uww)的污泥和有机固体废物(下文称为osw)，理解为城市固体废物(下文称为msw)和可同化废物的有机部分这样的二者，优选来源于msw的选择性收集的有机废物，以及来自农业、园艺、水产养殖、林业、狩猎、渔业或食品的制备和生产的有机废物、以及工业有机废物等。

背景技术：

1、本发明源自对改善当前城市废物管理过程的需求。特别地，本发明涉及通过处理两种类型的有机废物来优化生物气生产的新方法，迄今为止，所述两种类型的有机废物是独立管理的，即：osw和来源于uww的污泥。

2、在处理厂中对uww的处理主要包括两条工艺线：一方面，对水进行处理以使其能够倾倒入水道和/或再利用于清洁街道和/或灌溉花园，以及另一方面，对在废水处理期间分离或产生的固体部分或污泥进行管理。在这种情况下，砂或大体积废物被移除并被送往垃圾场，另一方面，在生物处理期间产生的和/或在沉降步骤期间移除的污泥主要经受湿厌氧消化过程。

3、在城市固体废物和可同化废物的情况下，通常的处理包括分离其中存在的不同部分(主要是塑料、金属和有机部分)，以随后独立地处理并回收各部分。在有机部分的情况下，主要的回收形式为：堆肥或有氧稳定化、厌氧消化或热回收(焚烧、气化、热解等)。

4、在厌氧消化的情况下，废物管理有两个主要趋势：

5、·干法，当固体浓度大于20重量％时，以及

6、·湿法，当固体浓度小于20重量％(通常约10％或12％)时。

7、在专利文献中可以找到许多涉及通过厌氧消化进行的污泥处理方法的发明。

8、因此，例如，专利us3338826涉及通过厌氧消化进行废水处理的方法，所述方法包括使废水经受2至4个大气压的压力以加速分解。

9、进而，专利ep0737651涉及用于废水处理的方法，所述方法包括，在另外的步骤中，使过剩的污泥经受60℃或更高温度下的热预处理，使过剩的污泥脱水，并将经脱水的污泥与由甲烷发酵过程产生的经消化的污泥混合，使得所获得的混合物用作新甲烷发酵过程的底物。

10、尽管已经提出了许多用于对处理废水处理厂(wwtp)中产生的废水污泥的方法进行优化的解决方案，但是迄今为止还没有发现基于通过热水解过程调节另一种类型的有机废物的解决方案，所述另一种类型的有机废物优选为来源于msw的有机部分的选择性收集的固体废物，所述废物在被处理之后被用于提高废水污泥处理厂中产生或分离的污泥的厌氧消化的过程效率。与本发明的解决方案目的不同，现有技术中已知的基于通过来自处理厂的有机废物和污泥的共消化进行联合处理的方法是基于使用未加工的有机废物，换言之，除了消除异物的步骤之外，废物未经受任何在先处理。

11、由于有机固体废物的热水解处理，实现了多个优点，如以下详细描述的。其中，应该指出在所获得的生物气的产量和品质方面实现了出乎意料的结果，这有助于处理设施中能量的自给，并且甚至产生过剩。

技术实现思路

1、以这种方式，本发明的目的是通过厌氧共消化生产生物气的生产方法，其特征在于所述方法包括：

2、(a)第一步骤：由有机固体废物制备水解生物质。该第一步骤依次包括：

3、i.包括有机固体废物的热水解处理的第一子步骤。该热水解处理可以优选通过使废物经受1.5巴至4.5巴的压力以及120℃至160℃的温度持续可以为10分钟至75分钟的时间来进行。然而，压力和时间可以变化以优化热水解的效果，而不产生可能影响该方法以下步骤的抑制性化合物。

4、通过该热水解处理获得了以下益处：

5、-废物卫生；

6、-有机部分的部分降解，而不影响异物(理解为这样的物质：不易在厌氧消化过程中回收的废物部分或组分)。这引起：

7、·有机部分的均质化，

8、·异物分离效率的增加，由此获得有机部分的更大利用，使后续清洁过程中的损失最小化；

9、-有机物质的热和生物稳定化；

10、-复杂化合物转化为可溶且更易降解的分子。

11、该热水解步骤的结果为这样的产物：出于本专利的目的，所述产物将被称为“未加工生物质”。尽管“未加工生物质”的特征可以根据起始废物的来源而有很大的不同，但是在一个特定的实施方案中，所述“未加工生物质”的特征在于其包含：70重量％至75重量％的可生物降解的有机物质，10重量％至15重量％的轻质异物(理解为这样的材料：当有机物质溶解时，由于它们具有比有机物质的悬浮液更低的密度而倾向于漂浮，例如纺织物、塑料、塑料纸板容器、木材修剪的废物、木材或软木塞等)以及10重量％至15重量％的重质异物(理解为这样的材料：当有机物质溶解时，由于它们具有比有机物质的悬浮液更高的密度而倾向于沉淀，例如玻璃、平板玻璃、砂、石、骨头等)；

12、ii.然后进行第二子步骤以对未加工生物质进行后处理，分离异物。特别地，进行轻质异物和重质异物的分离。

13、异物的除去可以通过现有技术中已知的用于进行所述分离过程的任何方法来进行，例如通过使用滚筒筛分离器、用于消除轻质异物的振动台或脱皮机(depacker)，以及用于消除重质异物的沉降罐、水力旋流器、水力分级机或砂阱等。

14、作为该子步骤的结果，获得了水解生物质，出于本专利的目的，所述水解生物质将被称为“底物”或“清洁的水解生物质”，其可以被储存或在该过程中继续。该底物的特征在于，其包含至少90重量％，并且更优选至少98重量％的有机物质的百分比。优选地，所述产物中的挥发性固体与总固体的重量比将为至少0.6，并且更优选为至少0.8，以及其总固体含量为至少5重量％；

15、(b)第二步骤：将先前步骤中获得的清洁水解生物质与来自废水处理厂(wwtp)的污泥混合，产生固体浓度小于30重量％且通常为5重量％至15重量％的混合物。优选地，混合物中清洁水解生物质的量可以为5重量％至65重量％，而污泥的量可以为35重量％至95重量％。然而，混合物中各组分的最终量是不受限的，其中其可以根据季节或其他情况而变化。

16、以这种方式，所要求保护的方法允许在一年内保持生物气的恒定生产，而不管污泥生产中可能存在的变化(例如，在一年内人口变化的城市地区)。在这些情况下，较大量的水解生物质可以用于补偿产生较少污泥的时期，从而维持生物气的生产。

17、然后使所获得的混合物经受调节过程，以将总固体量调节至小于20重量％，并且优选5重量％至15重量％的百分比，所述量为用于进行该方法的以下步骤所需的量；

18、(c)第三步骤：在至少一个消化器中对先前步骤中获得的混合物进行湿厌氧消化，产生生物气和消化残留物。

19、优选地，厌氧消化将在嗜温条件下(在25℃至40℃，并且更优选35℃至38℃的温度下)以及在12天至30天的水力停留时间(hydraulic retention time，hrt)期间进行。在本发明的另外的特定实施方案中，厌氧消化可以在嗜热条件下(在50℃至60℃的温度下)进行。

20、进而，厌氧消化过程的ph将优选为7至8.5，以及有机负载率为1.5kg vs/m3天至5kg vs/m3天。

21、在本发明的其中有机固体废物为城市固体废物和可同化废物的有机部分的特定实施方案中，所述方法可以包括通过分离其中存在的大体积异物(理解为这样的物质：容易按尺寸分离的大体积部分或组分，其尺寸通常大于80mm)和/或其中存在的金属来准备废物的在先步骤。特别地，大体积废物的分离可以通过筛孔尺寸优选为60mm至120mm的至少一个滚筒型旋转分离器来进行。进而，在存在黑色金属的情况下，所述金属可以通过至少一个磁性分离器来分离。

22、同样，所述方法可以特别地包括优选通过以下方式利用所获得的生物气的另外的步骤：热电联产(产生热和电二者)，在锅炉中用于产生热，或者经受纯化(升级)过程用于获得生物甲烷。

23、此外，所述方法可以包括优选通过农业上用作生物肥料来利用消化残留物的另外的步骤。

24、出于本专利的目的，有机固体废物被理解为msw和可同化废物的有机部分(并且优选地，来源于msw的选择性收集的有机废物)二者，以及来自农业、园艺、水产养殖、林业、狩猎、渔业或食品的制备和生产的有机废物，工业有机废物等。

25、进而，msw被理解为任何家庭废物，换言之，由于家庭活动而在家中丢弃的任何物质或物品。msw可同化废物被认为是类似于前述在商店、工业和机构中产生的废物，例如市场废物、街道清洁废物、污水清洁废物等。

26、特别地，有机固体废物的特征在于，其为易于被生物降解的废物，并且可以包括但不限于：水果和蔬菜废物、肉类和鱼类废物、蛋壳、来自贝类和干果以及坚果的壳或其他食物废物、来自浸渍液和咖啡渣的废物、经使用的餐巾、源于油或食物废物的脏纸巾以及脏的纸和纸板、小花园废物(植物、落叶或花束)等。

27、此外，出于本专利的目的，来自废水处理厂(wwtp)的污泥被理解为在处理家庭或城市废水的工厂中获得的水和固体的混合物，或其与工业废水和/或降雨径流水的混合物。因此，该组成将是可变的，这取决于初始废水的组成、其来源和/或废水将经受的处理类型。通常，污泥中水的百分比将大于95重量％。

28、基于在厌氧消化过程中使用有机固体废物(在使其经受热水解过程之后)作为底物来消化来自wwtp的污泥，存在许多源于本发明的方法目标的优点。特别地，作为厌氧消化底物的水解生物质的补充使得：

29、(1)在目前能量不足的现有设施(特别地，wwtp工厂的设施)中利用生物废物(msw和可同化废物的有机部分或不同来源的有机废物，如前所述，在水解之后)；

30、(2)对常规上分开管理的废物进行集成管理；

31、(3)利用wwtp的现有设施，避免新投资，尽管也可以建造在一个相同设施中集成不同废物管理的新工厂；

32、(4)不仅增加了总固体的浓度，而且增加了消化器中以体积计的挥发性固体的浓度，并因此增加有机负载率(organic loading rate，olr)。在本发明的特定实施方案中，已经实现了13％至108％的olr增加。除了增加消化器的有机负载率之外，还保持了恒定的有机负载率，无论季节如何；

33、(5)由于通过要求保护的废物混合物实现的协同效应而出乎意料地增加了生物气的产量。在特定的实施方案中，相对于污泥/生物质比率为93/7至80/20的当前wwtp中实现的产量，已经实现了15％至124％的生物气产量的增加。由于生物气产量的这一重要增加，不仅实现了更高的可再生能源产量，而且对处理设施的能量自给做出了贡献，甚至产生了过剩；

34、(6)改善了生物气的品质，提高了ch4的百分比。在本发明的一个优选实施方案中，通过要求保护的方法获得的生物气可以包含64.6％至67.4％的ch4和35.4％至32.6％的co2。所获得的生物气具有比当今在wwtp中用污泥处理所获得的生物气更好的品质，结合产量增加的事实，在许多方面都是重要的优点。特别地，其允许在联合循环中获得更高百分比的电，从而提高自给百分比。此外，在实现自给的情况下，过剩的生物气可以用于其他目的，例如通过纯化(升级)过程获得可以出售的生物甲烷，从而为水处理厂获得额外的收入；

35、(7)由于生物气中甲烷浓度的增加，燃料的低位热值(lower heating value，lhv)增加1％至10％；

36、(8)减少对除臭和富集(升级)的需要，这表示试剂的节省以及较低的运行和维护成本。同样，其具有更高品质的事实允许延长使用其的热电联产发动机的使用寿命；

37、(9)提高过程稳定性，鉴于：

38、·消化器的有机负载率增加，并且水力停留时间(hrt)减少5％至60％；

39、·使用于过程控制的化学试剂的使用最小化；以及

40、·消化器的有机物质的可降解性增加，相对于当前工艺，总固体和挥发性固体的减少量增加了6％至27％。

41、同样，所述方法基于使用水解生物质的事实允许相对于基于使用未水解的有机废物的方法获得了一系列另外的优点，如下所述：

42、·首先，实现了有机废物更高的生物降解性，这引起了更高的生物气产量；

43、·此外，过程中异物的分离更有效。特别地，在清除msw中的异物的通常过程期间，损失了30重量％至40重量％的有机物质，这阻碍了能够获得高品质的底物，例如作为要求保护的方法的结果而获得的底物。以这种方式，作为本发明的水解方法目标的结果，在清除异物的过程中有机物质的损失小于5重量％，这表示存在于起始废物中的有机物质的较高利用率；

44、·进而，作为废物卫生的结果，防止额外添加可能影响消化器操作的病原体；

45、·最后，作为热和生物稳定化的结果，使与有机物质的分解相关的气味排放最小化。