处理液体有机废料的方法和设备的制作方法

专利名称：处理液体有机废料的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及处理液体形式的有机废料，例如来自家畜生产的液体粪肥或污水的方法和设备。
现有技术描述为了满足日益增长的世界范围的对食品的需求，近年来，密集型家畜生产已经变得越来越广泛，这种趋势在将来无疑会继续。虽然提高的产量和更有效的生产工艺提供了重要的益处，但是由于产生大量有机废料，密集型家畜生产具有负面的环境影响。猪的密集型生产尤其导致大量液体粪肥，这些粪肥如果不正确对待并处理，会带来严重的环境问题。然而过去，一直没有以环境和经济可接受的方式处理这种类型的液体有机废料的技术。结果，来自密集型家畜生产的液体粪肥在许多情况下已经导致了严重的环境问题，例如，扩散到田地或以其它方式渗入地下的过量粪肥污染了地下水。
丹麦实用新型No.DK 95 00113 U3描述了处理液体粪肥的设备，其中将粪肥转化成堆肥、化肥、水和沼气。该设备包括1)从液体和小于1mm的颗粒中分离纤维物料和大小超过1mm的粒状物料的过滤单元，纤维物料例如用作堆肥，2)用于产生沼气的反应器，3)留住细菌和悬浮的有机物料并使这些物料返至沼气反应器的超滤单元，4)在沼气用于产生热和动力之前，从沼气中除去硫化氢的脱硫单元，5)反渗透单元，其中，来自超滤器的渗透物流分离成为水馏分和化肥提浓物馏分。
从Bioscan A/S(欧登塞，丹麦)已知称作BIOREK的用于液体粪肥的分离设备。BIOREK设备基于DK 95 00113 U3中所述的设备，在超滤单元和反渗透单元之间，还含有用于从来自超滤器的渗透物流中除去氨和二氧化碳的氨汽提塔。例如，在由Bioscan A/S于10/97出版的题为“用于液体粪肥的BIOREK分离设备，SandagerSkovgaard”的小册子中描述了BIOREK设备。
本发明代表了从DK 95 00113 U3和从BIOREK设备已知的技术的进一步的发展，在处理液体粪肥和其它液体有机废料方面取得了令人惊奇的有利结果。
发明简要公开本发明的一个方面涉及处理液体形式的有机废料的方法，该方法包括使液体在沼气反应器中进行厌气发酵，从沼气反应器中分离基本上无菌且不含颗粒的渗透物流，用氨汽提塔对渗透物流进行处理，形成氨馏分和养分盐馏分，将养分盐馏分分离成化肥提浓物馏分和水馏分，其中在高温下用氨汽提塔处理渗透物流。
本发明的另一个方面涉及处理液体形式的有机废料的设备，该设备包括沼气反应器，用于从沼气反应器内的液体中分离基本上无菌且不含颗粒的渗透物流的装置，用于将渗透物流分离成氨馏分和养分盐馏分的氨汽提塔，以及用于将养分盐馏分分离成化肥提浓物及水馏分的装置，其中氨汽提塔包括加热渗透物流的加热装置。
本发明的另一个方面涉及生产富甲烷的沼气的方法，该方法包括使液体形式的有机废料在沼气反应器中进行厌气发酵，其中对来自沼气反应器的液体进行超滤以形成富二氧化碳的渗透物馏分和富甲烷馏分，所述富甲烷馏分返至沼气反应器以形成甲烷含量提高的沼气。
本发明还有一个方面涉及用这种方法生产的富甲烷的沼气。
发明详述本发明的方法和设备适用于处理任何含水有机废料，包括民用、工业或农业废水，包括来自机关院所例如医院的污水，以及家畜产生的液体粪肥。正如上面所指出的，本发明尤其适用于处理由密集型家畜生产，例如密集型猪生产所产生的液体粪肥。在下面的描述中，为方便起见经常称为液体肥料。然而，对本领域的技术人员来讲，本发明的方法和设备同样应用于其它类型的液体有机废料这一点将是很清楚的。
在本发明的优选实施方案中，方法和设备包括以下部分1．液体废料的预处理根据本发明的待处理的液体废料，例如液体肥料，通常不仅包含具有溶于其中的各种有机和无机组分的液体，而且包含悬浮于其中的一定量的纤维和/或粒状物质。优选在该工艺中，在对液体进行厌气发酵和随后步骤之前，尽可能从液体中除去超过一定大小的该种纤维和粒状材料，因为这样的较大颗粒往往干扰超滤等，从而降低处理效率并增加成本。所以，通常过滤液体废料以除去较大纤维和颗粒，任选地在用浸渍机处理之后，由此除去粒径超过约1mm的材料。然后将包含已经过滤出的纤维和颗粒的过滤块压缩以除去过量液体，然后将该液体与过滤步骤的液体馏分(含有例如小于约1mm的颗粒)一起混合并在沼气反应器中进行厌气发酵。
然而，优选将来自过滤预处理的液体不直接加到沼气反应器中，而是加到缓冲罐中。除了通过提供液体供应由此使待处理的液体可以根据需要传至沼气反应器以保持沼气反应器中适当的负载这一点是有利的之外，缓冲罐还起到使粒子例如砂粒(这些粒子在其后的处理过程中是不希望有的)沉积的作用，而悬浮的有机粒子与液体一起导至沼气反应器。
2．厌气发酵液体肥料或其它液体废料从缓冲罐导至沼气反应器，在那里进行厌气发酵。虽然在沼气反应器中的停留时间将根据诸如下列因素而变化废料的本性、有机物质含量、存在的细菌混合物以及液体的温度，但是已经发现，对来自猪的液体粪肥来讲，停留时间为约1-7天，例如约3-6天，例如约3-4天，通常是合适的。待处理的液体一般通过反应器下部的入口泵入反应器，出口通常位于稍低于液体表面处。反应容器的底部优选是圆锥形的，由此使任何沉积的粒子或淤渣必要时通过底部的出口除去。可以调节反应器中液体的水平，例如通过反应容器底部或底部附近的压力计，压力计功能上与阀相连接，所述阀例如放在超滤单元的下游，该超滤单元根据需要自动使渗透物返至反应容器，以保持反应器中液体的所需水平。
虽然搅拌反应器的内容物是可能的，但通常不需要这样做，因为在优选的实施方案中，反应器的设计将使得自动提供反应器内合适的液体流量，因此提供内容物的充分的混合。通常，当液体入口在罐底部，而液体出口在液体上表面附近时，其结果会发生这种情况。优选考虑Stoke定律来设计罐本身，以产生使较重粒子尤其是无机粒子例如粘土粒子沉积而较轻粒子尤其是有机物质粒子仍悬浮的流动。
反应容器内的温度可以根据需要而变化，但是通常适合嗜温细菌，例如在约20-40℃的范围，例如约30-40℃。在许多情况下，约35-37℃的温度是最有利的。如果合适，根据存在的细菌的类型，使用更高或更低的发酵温度当然是可能的。对包括处理液体肥料在内的大多数目的而言，负责厌气发酵的细菌仅仅是天然存在于所讨论的液体废料中的那些细菌。然而，也考虑通过向沼气反应器或液体中加入一种或多种所需的细菌培养基以增补固有细菌，这在某些情况下可能是有利的。
将沼气反应器设计成具有用于预期类型和数量的待处理液体废料的适当大小当然是重要的。除了这产生优化发酵这一事实以外，将反应器中的有机组分充分降解以避免超滤器中蛋白质或脂肪污垢也是重要的。当被处理的废料是来自家畜的液体粪肥时，沼气反应器中的有机物负载因此优选低于每天每立方米约10kg挥发性固体，例如每天每立方米不多于约8kg挥发性固体，优选每天每立方米不多于约5kg挥发性固体。然而，对其它类型的液体废料而言，反应器中的负载(kgVS/m3/d，根据DS 2071985以在550点燃1小时的损失确定)可以更大。例如，据信，当处理酒厂废料时，大约不超过约20kg VS/m3/d的负载将是适合的，因为上述废料中的糖和醇含量加速了发酵过程。
发酵产生的沼气通过反应容器顶部或顶部附近的出口而从反应器除去。在进一步优选的实施方案中，当沼气含有硫化氢时，对该气体，通常与空气混合之后，进行脱硫以除去硫化氢。脱硫过程可以用已知方法进行，例如用赭石矿过滤器、铁屑过滤器、氢氧化铁过滤器、树皮过滤器或Sulphint洗涤方法。得到的沼气主要含有甲烷、一些二氧化碳和很少量的其它气体，因此非常适用于产生热和/或动力的例如燃气发动机或发电机。下面结合超滤步骤的讨论更详细解释了这一点。
3．超滤如上所述，从沼气反应器的液体中分离出基本上无菌且不含粒子的渗透物，优选通过膜分离技术，尤其是通过超滤。在优选的实施方案中，超滤器留住的含有细菌和悬浮的有机物料的馏分返至沼气反应器，例如被加入到从缓冲罐泵压至反应容器的未处理废液中。通过将此馏分导回至反应容器，改善了有机组分的的降解，而且加速了、发酵，因为发酵过程中的活性细菌返回到反应器。正如上面所解释的，从超滤单元排出的渗透物还可用于帮助调节反应容器中的液体水平。因此，优选超滤单元的容量大于进入反应器的液体日流量及从超滤器排出以进一步处理的渗透物相应流量的严格必需的容量。因此，通过以下二者的结合，可以调节进入反应器的液体流量1)从缓冲罐进入的高有机物质含量的液体，它与从超滤单元返至反应器的一定量的液体混合，以及2)来自超滤单元的渗透物。这使得反应器中的液体体积和液体中的有机物质含量得以“细调”，以便于对任何给定的条件可以优化厌气发酵过程。
在尤其优选的实施方案中，用管式超滤膜进行超滤。通常，膜的截止值(cut-off)为约10，000-30，000道尔顿，优选约15，000-25，000道尔顿，例如约20，000道尔顿，直径约5-30mm，例如约5-25mm，例如约8-20mm，例如约10-15mm。这样的管式超滤膜体系的非限制性例子如下超滤器由若干相同大小的组件构成，在给定体系中的组件数根据处理设备的大小确定。每个组件由内径12.5mm、长19米的管构成。将管弯曲使其装进长度为3米的铝壳，将膜管密封，每端用防水的环氧密封剂密封。超滤器膜固定在管的内侧，是非对称的聚砜交叉流动型，平均分子量截止值为20，000道尔顿，是指只有平均分子量小于约20，000amu(原子质量单位)的分子才能通过膜。超滤器留下的馏分在约4-6巴的压力下，以约1.5-2.0m/s的速度，泵压通过过滤器管，产生通过管的湍流。这种湍流具有交叉流动过滤的特征。过滤器组件通常安排在平行的流路上，在处理40m/天的废料例如液体粪肥的情况下，这意味着大约60个组件的通过过滤器的循环流量大约为50-70m3/h。通过过滤器膜的渗透物收集在密封过滤器管的铝壳中，并从这里导至中间渗透物罐，从那里它或者可以泵压回至反应器以保持反应器中所需的液体水平，或者泵压至氨汽提塔上游的储罐。
通过超滤单元的液体流量通常与使对应于整个反应器容量的体积在几小时内通过超滤单元的流量一致。例如，对体积为240m3的反应容器来讲，大约50-70m3/h的体积可能通过超滤单元。从这个体积中，相对小的量作为基本上无菌且不含粒子的渗透物将从超滤单元排出，而含有细菌和悬浮的有机粒子的剩余物将再循环至反应器。如果40m3/天的渗透物导至过程的下一阶段，在这种情况下的停留时间平均为6天。
本发明的方法和设备的重要优点在于，已经令人惊奇地发现，这种方式产生的沼气与传统方法产生的沼气相比，具有非同寻常的高甲烷含量和相应的低二氧化碳含量。因此，虽然通常沼气的甲烷含量不超过约65％(重量)，二氧化碳含量至少为约35％(重量)，但是已经发现，根据本发明产生的沼气通常的甲烷含量为约至少约70％(重量)，例如至少约75％(重量)，例如甲烷含量约75-80％(重量)，二氧化碳含量仅为约20-25％(重量)。据信，这是与在较高压力下二氧化碳在水相中的溶解度比甲烷高这一事实相联系的，所述压力与从二氧化碳和/或甲烷混合物中分离二氧化碳的回转吸收工艺(PSA工艺)的压力是一致的。这导致了超滤膜中的分离机制，与传递过膜的甲烷量相比，使二氧化碳的馏分基本上传递过膜。所以，从超滤单元回到生物反应器的液体富集甲烷。
这种高甲烷含量是巨大的优点，尤其是当沼气用于燃气发动机时，因为低甲烷含量(例如常规沼气中所发现的)使得难以正确调节燃气/空气混合物。另一方面，根据本发明产生的沼气的高甲烷含量是指，正确的渗碳不是决定性的，结果是发动机的更平稳、更经济的运行。实际上，本发明产生了质量接近于天然气的沼气。
4．氨汽提塔虽然来自超滤单元的渗透物理论上可以在反渗透单元中直接处理，但实际上由于渗透物中氨和二氧化碳的浓度相当高，这样做会造成反渗透中很大的困难。根据本发明，已经发现，有效地除去氨及二氧化碳对其后的反渗透步骤的成功和经济运行是关键的。用于除去氨的各种方法和设备在本领域是已知的，虽然所用的氨汽提塔的精确性不是关键的，但是已经发现，当氨汽提步骤在高温下，任选的也在部分真空下进行时，得到显著改善的结果。从渗透物流中有效除去氨和二氧化碳对其后的反渗透步骤尤其重要，因为发现，氨和二氧化碳除去得不充分会导致在反渗透膜上的沉积，这样的沉积最终要求设备停机修理和膜的可能的置换，这反过来导致成本大大增加，废料处理能力降低。
虽然不希望受任何理论约束，但是据信，当施加热进行氨汽提时，得到的改善的结果与下面的氨和二氧化碳的平衡方程式有关
升高温度，碳酸/二氧化碳平衡向右移动，即向释放气态二氧化碳的方向移动。与之伴随的是H+浓度的降低，即pH的升高，这反过来使铵/氨平衡向右移动，即向溶解铵向氨的转化的方向移动。类似地，铵向氨的转化使碳酸/二氧化碳平衡向转化成二氧化碳的方向移动。因此，施加热起到了改善氨和二氧化碳的除去的作用，如果该过程在部分真空下进行，上述效果可以进一步改善。
由于几个原因，除去氨是重要的。其中之一在于如下事实，即与许多其它无机盐相比，在随后的反渗透步骤中除去铵是相对少的。因此，通常，利用反渗透除去多于大约90-95％的铵离子将是不可能的，虽然反渗透可以例如除去存在的大约99.5％的钠离子。结果，如果通过氨汽提没有充分地除去氨，来自反渗透的“净化”水会含有过量氨，即超过相关法律及标准所允许的量。此外，除去几乎所有的氨(大约98-99％)提供了从磷盐和钾盐中分离氨的优点，从而使这些最终产物更有用，也更有价值。
除去二氧化碳尤其重要，因为它使渗透物基本上不含在其它情况下会导致碳酸钙和碳酸镁在反渗透过滤器上的破坏性沉积的碳酸氢根离子。通过除去碳酸氢根离子，使处理方法总的来说更容易、更便宜，也更可靠，而且对于给定的反渗透单元，可能得到设备作为整体的更大的总容量，或者换句话说，可能使用比用其它方法所要求的容量更小的反渗透单元。
参照上述讨论，氨汽提通常在至少约40℃的温度下进行，优选至少约50℃，更优选至少约60℃，例如至少约70℃。也可以将渗透物煮沸，以便于通过蒸馏得到氨汽提。可以任选地使用热及低压的组合，例如压力为约0.25-0.75巴，例如约0.5巴，温度为约65-85℃，例如约70-80℃。
正如上面所指出的，氨汽提方法本身不是关键性的，本领域已知的各种方法都能够适合本发明的需要。EP 0494154-A中描述了合适的方法及设备的例子。在优选的实施方案中，压缩蒸发器提供了热和低压，所述热通过蒸发的液体的冷凝提供。
作为使用热及低压的组合的可供选择的方案，仅用加热，即在大气压下也可以除去氨和二氧化碳。在这种情况下，仅将渗透物加热至足以馏出氨和二氧化碳的温度。在进一步优选的实施方案中，通过为提供热和动力而燃烧沼气，例如烟道气产生的过量热可以提供用于这一方法的热。
因为氨和二氧化碳均从渗透物中有效地除去，所以它们往往形成以碳酸氢铵形式沉淀的盐。然而，它可以容易地从氨汽提塔中除去，例如通过与蜗杆泵结合的机械萃取方法。
因为从渗透物中除去氨和二氧化碳伴随着pH的升高，所以，从氨汽提塔排出的养分盐馏分的pH值通常为约9-10。在随后的反渗透步骤中，为防止尤其是磷酸盐在膜上的沉积，希望pH更低，因此在反渗透步骤之前，应将养分盐馏分的pH降至低于约7.0。通常，将pH调至约6.5。可以使用任何合适的酸，特别是无机酸，例如磷酸、硝酸、盐酸或硫酸。优选的酸是磷酸。
5．反渗透通过氨汽提塔以后，渗透物由养分盐馏分组成，其中，已经除去基本上所有的氨和二氧化碳，养分盐馏分的pH已调至如上所述的适当水平。然后，用膜分离技术尤其是反渗透单元对该养分盐馏分进行进一步提纯，这完成了处理过程中的最后步骤，即将养分盐分离以产生化肥提浓物馏分和水馏分。在该步骤中除去的养分盐尤其是磷盐和钾盐，反渗透步骤之后剩下的水是纯净的、可饮用的水，符合世界卫生组织对饮用水的要求。
例如，用以锥形构造排列的传统的螺旋形反渗透膜单元进行反渗透步骤。膜是例如通常用于脱盐的聚酰胺微咸水类型。
反渗透可以作为连续工艺或间歇工艺进行。然而，在优选的实施方案中，反渗透作为进料间歇工艺进行。这可以，例如用浓缩罐进行，例如体积为约2m3的浓缩罐。在循环开始，浓缩罐装满泵至反渗透膜的渗透物。从反渗透单元除去清水，而反渗透膜留住的渗透物返回到浓缩罐进一步加工。经过一段时间例如约12-14小时以后，罐中浓缩的渗透物的体积已经降至例如原始渗透物体积的大约20％。此时，从罐中除去浓缩的渗透物(化肥提浓物)，然后在开始新的循环前对罐进行清洗。
根据本发明将液体肥料或其它液体有机废料分离成各种最终产物(清水、氨提浓物、P/K化肥提浓物、纤维堆肥和沼气)，使得明显改善了废料中各种组分的利用，而且相应地明显降低了环境影响。用这种方法，将液体肥料中多达98-100％的有机物质循环成有用的产物实际上是可能的。而且，本发明使得得到包含家畜的分隔间的内部环境的明显改善成为可能，因为可以设计立即除去液体肥料的分隔间。结果，从这样的分隔间基本上除去氨是可能的，可以建造没有用于液体粪肥的任何大规模储存设备的分隔间，因为粪肥可以引出分隔间，基本上立即处理。
上述处理设备的另一个重要的优点在于，它的设计需要的维护很少。这尤其是因为如下事实，即最初的处理步骤防止了超滤器的结垢，以及有效地除去氨和二氧化碳防止了反渗透膜的结垢。其结果是明显改善了处理方法的总效率和经济性，因为基本上消除了为清洗或替换过滤器和膜目的的设备的定期停机。
此外，因为需要很少的常规维护，整个体系非常适用于自动的计算机管理。例如，可以通过挥发性脂肪酸的自动测量来控制发酵过程，这样的测量通常在超滤单元的下游进行，例如用自动滴定方法。这些测量的结果然后可以用于自动调节进入反应器容器的未反应的液体废料的进料，以保持反应器中所需的有机物质含量，以及因此的优化发酵速率。
本发明的另一个优选的实施方案，其特别适用于处理来自例如家庭、机关院校或工业的污物，包括下述1．具有例如约2-3cm的开口的粗筛过滤器，用于从污物中除去相对大的物体。
2．污物的预处理过滤，以除去大小超过约1mm的纤维及颗粒，即与上面更详细描述的预处理一致。
3．与超滤单元连接的浓缩罐，其中，超滤单元基本上与上述的一致，虽然通常用较大孔径的超滤膜，例如平均分子截止点高达约100，000道尔顿，例如约20，000～约100，000道尔顿，取决于处理的废料的本性。来自浓缩罐的液体的超滤通常使得渗透物的体积为加到浓缩罐中的液体的总体积的大约80％，以及提浓物体积为加到浓缩罐中的液体总体积的大约20％。
在该实施方案中，浓缩罐中并不发生厌氧发酵，结果，进行超滤的液体将含有显著量的大分子材料(蛋白质和脂肪)，这些大分子材料往往收集在超滤膜上。超滤膜因此需要定期清洗，例如一天一次，通常花约4-6个小时。所以，浓缩罐的设计使得它可以容纳比多数时间实际上存在于罐中的体积大得多的体积，从而使浓缩罐也起到缓冲罐的作用，在超滤单元因清洗超滤膜而停止运行期间，待处理的液体可以流入其中。
4．用于处理来自超滤单元的渗透物馏分的第一反渗透单元。
5．来自超滤单元的提浓物馏分进行基本上如上面更详细描述的处理过程，即用沼气反应器、超滤单元和氨汽提塔的组合。
6．来自上面(4)中提到的第一反渗透单元的渗透物与来自上面(5)中提到的氨汽提塔的渗透物(养分盐馏分)混合，该混合渗透物进行反渗透。这种情况下的反渗透单元基本上如上面更详细描述的，但是通常加工成处理大得多的体积的液体。
作为例子，本发明实施方案中的浓缩罐可以具有的尺寸为例如约200m3，适合约同样污物体积的日常处理。然而，浓缩罐中液体的体积一般要少得多，例如约50m3，除了超滤单元因清洗超滤器而停止运行的那些期间之外。在这些期间中，液体将继续流入浓缩罐，以使液体的水平显著升高，直到超滤单元又开始运行，此时，罐中的液体量将相对快地降至平衡水平，例如约50m3。通常，加到浓缩罐中的总液体体积的大约80％，或在这种情况下大约160m3/d，将作为渗透物从超滤单元排出，而剩下的大约20％，即这种情况下的大约40m3/d，将从浓缩罐中除去，用上面(5)中提到的沼气反应器、超滤单元和氨汽提塔进一步加工。
液体在沼气反应器中处理之前，为得到有机物质含量较高的液体废料，对原始有机物质含量低于约0.5-1％(以重量计)的液体，优选使用浓缩罐，而当有机物质含量高于约1％(以重量计)时，通常不进行这样的浓缩步骤。
附图描述

图1表示根据本发明的优选的处理设备的基本组成。
图2表示根据本发明处理的液体粪肥的质量平衡示意图。
图3表示适合处理来自例如家庭或机关院校的污物的处理设备。
在图1中，处理设备包括用于收集来自分隔间内的家畜的液体粪肥的收集罐2。泵4将来自收集罐2的液体粪肥泵至过滤单元6，过滤单元6将液体粪肥分离成纤维馏分8和液体馏分10，液体馏分10收集在缓冲罐12中。液体通过泵14从缓冲罐12传至沼气反应器16，在其中进行厌气发酵。在反应器顶部或在顶部附近的出口使沼气18从反应器除去。沼气18然后优选与空气混合，随后在脱硫单元(未示出)中处理以除去硫化氢。来自反应器16的液体通过泵20传至超滤单元22，超滤单元22从反应器内的液体中分离基本上无菌且不含颗粒的渗透物流。压力计(未示出)位于反应器16底部或底部附近，压力计与阀24接触，阀24根据需要使部分渗透物26返回至反应器16，以调节反应器中液体的水平。剩余的渗透物28导至氨汽提塔30。含有被超滤单元22留住的再循环的生物量(细菌和悬浮的有机物质)的液体32与来自缓冲罐12的未处理的液体粪肥混合，并返至反应器16用于进一步处理。液体32优选地先通过热交换器34。反应器16在底部有出口36，沉积的颗粒和残渣可通过其除去。氨汽提塔30将渗透物分离成氨馏分38和养分盐馏分40，氨馏分38含有渗透物中发现的几乎所有氨和二氧化碳，养分盐馏分40含有水和溶解的磷盐和钾盐。养分盐馏分40然后在反渗透单元42中进行反渗透，形成包含磷盐、钾盐和饮用水质量的清水46的化肥提浓物馏分44。
图2示意地表示加工40吨/天的液体粪肥淤浆的结果。如质量平衡图所示，过滤40吨液体粪肥产生1.2吨堆肥和38．8吨过滤淤浆。在沼气反应器中加工过滤淤浆产生880Nm3沼气，其中大约70％是甲烷。超滤和氨汽提之后，38.8吨渗透物产生约1吨氨提浓物和约38吨养分盐渗透物。反渗透之后，养分盐渗透物转化成6.2吨P/K化肥提浓物和31.6吨水。在图中，VS=挥发性固体，TS=总固体。
图3表示用于处理污物的处理设备的基本组成。在该实施方案中，处理设备包括用于从污物中除去相对大的固体的粗筛过滤器12。污物然后导至预处理过滤器4以除去大小超过约1mm的纤维及颗粒，随后导至提浓罐6，提浓罐6与包含管式超滤膜的超滤单元8连接。来自超滤单元8的渗透物10传至第一反渗透单元12以进一步提纯。来自提浓罐6的提浓物14然后进行处理16(细节未示出)，该处理16包括沼气反应器、超滤单元和氨汽提塔的组合。来自第一反渗透单元12的渗透物18然后与来自处理16的渗透物20混合，该混合的渗透物在第二反渗透单元22中进行反渗透。
下面的非限制性实施例进一步说明本发明。
该处理设备用于处理的来自猪的液体粪肥的体积约为40m3/天，液体粪肥的干物质含量约为6重量％。每天处理的最终产物如下－33m3清水(满足世界卫生组织饮用水的标准)，－1m3氨提浓物，－主要含磷盐和钾盐的5m3化肥提浓物，－用于堆肥的1m3纤维材料，以及－包含约75重量％甲烷的800m3沼气，该沼气提供了约1520kWh的动力和约2760kWh的热。
权利要求
1．一种处理液体形式的有机废料的方法，该方法包括使液体在沼气反应器中进行厌气发酵，从沼气反应器分离基本上无菌且不含颗粒的渗透物流，用氨汽提塔对渗透物流进行处理以形成氨馏分和养分盐馏分，将养分盐馏分分离成化肥提浓物馏分和水馏分，其中用氨汽提塔处理渗透物流是在高温下进行。
2．根据权利要求1的方法，其中，在沼气反应器中发酵之前，从液体中分离大小超过约1mm的纤维和颗粒。
3．根据权利要求1或2的方法，其中，从沼气反应器分离渗透物流是通过超滤进行，并且其中被超滤留住的细菌和悬浮的有机物质返至沼气反应器。
4．根据权利要求3的方法，其中用管式超滤膜进行超滤。
5．根据权利要求1-4中任一项的方法，其中通过反渗透将养分盐馏分分离成化肥提浓物和水馏分。
6．根据权利要求5的方法，其中在反渗透步骤之前，将养分盐馏分的pH值降至低于约7.0。
7．根据权利要求1-6中任一项的方法，其中氨汽提在至少约40℃的温度下进行，优选至少约50℃，更优选至少约60℃，例如至少约70℃。
8．根据权利要求1-7中任一项的方法，其中，由燃烧沼气反应器产生的沼气，例如烟道气，提供氨汽提塔的加热。
9．根据权利要求1-7中任一项的方法，其中氨汽提在低压下进行。
10．根据权利要求9的方法，其中用约0.25-0.75巴的低压例如约0.5巴与约65-85℃的温度例如约70-80℃的组合进行氨汽提。
11．根据权利要求1-10中任一项的方法，其中的有机废料是来自家畜生产的液体粪肥。
12．根据权利要求11的方法，其中，沼气反应器中的有机负载不多于约5kg挥发性固体/m3/天。
13．根据权利要求1-10中任一项的方法，其中的有机废料是工业、农业、机关院校或家庭废水。
14．用于处理液体形式的有机废料的设备，该设备包括沼气反应器、从沼气反应器内的液体中分离基本上无菌且不含颗粒的渗透物流的装置、将渗透物流分离成氨馏分和养分盐馏分的氨汽提塔以及将养分盐馏分分离成化肥提浓物和水馏分的装置，其中的氨汽提塔包括用于加热渗透物流的加热装置。
15．根据权利要求14的设备，该设备还包括在液体进入沼气反应器之前，用于从所述液体中分离大小超过约1mm的纤维及颗粒的过滤装置。
16．根据权利要求14或15的设备，其中，用于从沼气反应器内的液体中分离基本上无菌且不含颗粒的渗透物流的装置，包括超滤单元，还包括使超滤单元留住的细菌和悬浮的有机物质返至沼气反应器的装置。
17．根据权利要求16的设备，其中的超滤单元包括管式超滤膜。
18．根据权利要求14-17中任一项的设备，其中，用于将养分盐馏分分离成化肥提浓物和水馏分的装置包括反渗透单元。
19．根据权利要求14-18中任一项的设备，其中的氨汽提塔还包括用于提供低压的压缩装置，例如运转以提供低压和热的压缩蒸发器。
20．根据权利要求14-18中任一项的设备，其中的加热装置采用燃烧沼气反应器产生的沼气例如烟道气所得到的过量热。
21．根据权利要求14-20中任一项的设备，该设备还包括用于自动控制发酵过程的装置和用于自动调节进入沼气反应器的未处理液体废料的进料的装置。
22．根据权利要求21的设备，其中所述用于自动控制发酵过程的装置包括用于自动测量挥发性脂肪酸的装置，其与将沼气反应器中的有机物质含量调至所需的定点值的装置相配合，该定点值以挥发性脂肪酸的测量值计。
23．根据权利要求14-22中任一项的设备，该设备还包括用于测定反应器中的液体量的装置，该装置与用于将反应器中的液体量调至所需定点值的装置相配合。
24．根据权利要求23的设备，其中，用于测定反应器中的液体量的装置包括位于反应器容器底部或底部附近的压力计，该压力计与超滤单元下游的阀相配合，该阀自动使渗透物返回到反应器，以必要地维持反应器中所需的液体水平。
25．产生富甲烷的沼气的方法，该方法包括使液体形式的有机废料在沼气反应器中进行厌气发酵，其中对来自沼气反应器的液体进行超滤以得到富二氧化碳的渗透物馏分和富甲烷馏分，所述富甲烷馏分返至沼气反应器以产生甲烷含量提高的沼气。
26．根据权利要求25的方法，其中用管式超滤膜进行超滤。
27．根据权利要求26的方法，其中超滤膜的平均分子量截止值为约10，000-30，000道尔顿，优选约15，000-25，000道尔顿。
28．权利要求25-27中任一种方法生产的沼气混合物，所述沼气混合物包含至少约70体积％的甲烷和至多约30体积％的二氧化碳。
29．根据权利要求28的沼气混合物，该混合物包括约70-90％的甲烷和约10-30％的二氧化碳。
30．根据权利要求29的沼气混合物，该混合物包括约75-80％的甲烷和约20-25％的二氧化碳。
全文摘要
处理液体形式的有机废料如来自家畜的液体粪肥的方法和设备,该方法包括:从所述液体过滤纤维和颗粒,使液体在沼气反应器中进行厌气发酵,从沼气反应器中分离基本上无菌且不含颗粒的渗透物流例如用超滤,用氨汽提塔在高温、优选在低压下对渗透物流进行处理以除去基本上所有的氨和二氧化碳,形成氨馏分和养分盐馏分,分离养分盐馏分成为化肥提浓物馏分和水馏分,例如用反渗透。该方法的最终产物是清水、氨提浓物、含磷盐和钾盐的化肥提浓物,堆肥及高甲烷含量的高质量沼气。
文档编号C02F11/04GK1284938SQ9881370
公开日2001年2月21日 申请日期1998年2月20日 优先权日1998年2月20日
发明者B·诺达尔 申请人:生物扫描有限公司