专利名称：生物处理液体产生沼气的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在厌氧条件下生物处理富含有机物质的液体特别是废水，同时生产沼气的方法和设备。
废水这一术语是指在家庭、商业和工业使用后发生变化的水，尤其是经污染并流入下水道的水。
含多量有机物质的液体的生物处理或废水净化，其代表性的特点是通过微生物活性即需氧和／或厌氧降解形成气体并产生新的细胞物质(cell substance)，以及通过细菌絮凝物、生物沉积物或污泥颗粒的吸附，来从液体中除去有机污染物，该污染物以溶解和胶态或细分散形式包含在原来的液体中。
在废水处理工厂，废水的生物净化一般是采用与废水在流动水中自生物清洁时发生的情况同样或类似的过程，但是以更强化的方式进行。厌氧过程同样以自然方式，如在平静的水的底部进行。
“厌氧降解”这个术语是指有机物质在氧不存在的条件下通过微生物发生转化。在有机物质厌氧降解过程中，产生沼气，即由约55-77％甲烷、约24-44％二氧化碳和痕量的其它组分形成的气体混合物。
在厌氧条件下生物处理含多量有机物质的液体的方法要求相对较高的液体特异性。这类方法所适合的可以是含多量有机物质的液体，特别是来自食品工业、农业、石油工业以及造纸业的废水。换句话说，这类方法提供了处理各种“含污染物浓的废水”的可能，但一般不能提供完全净化和完全转化。
已知一种Biothane Corporation(Company brochure，7／92)用于废水厌氧处理的设备，它由一密封的活性泥浆罐组成，该罐上部装有一组分离隔板。该设备中，废水通过罐底部的进口孔通入活性泥浆罐，处理后的废水从该罐上部的一个装置排放。该设备的一个缺陷是反应区和辅助沉淀区在空间上彼此是不分开的，因此相互间存在不利影响。由于这一原因，活性泥浆的效果会随时间极大地降低，在分离泥浆与液体时出现问题。
已知一种ADI System Inc．(company brochure，AS 043／11-94)的用于废水厌氧处理的设备，它由一个简单反应罐组成，该罐用一块薄板在上部密封。这个反应罐有一次反应区、二次反应区和辅助沉淀区，废水从下面通入一次反应区的泥浆床。在一次反应区和二次反应区之间装有一个从反应器底部伸出的浸渍壁。此浸渍壁的高度大约为反应罐高度的3／5。在二次反应区和辅助沉淀区之间同样装有从废水表面向下伸出的一些浸渍壁。这些浸渍壁的高度约为反应罐高度的l／3。而且，辅助沉淀区的下部区域装有将泥浆返回一次反应区的排放装置。这个设备的一个缺点，在于特别是辅助沉淀区不能从空间上与二次反应区充分分开，导致二次反应区内的泥浆的效果随时间明显下降。而且，这个设备所进行的过程并未将两个反应区中的不同生物条件加以考虑。这个设备的另一个缺点是二次反应区内的泥浆位于底部，结果使用得很不充分。
本发明的目的是提供用生物方法处理富含有机物质的液体同时生产沼气的方法和设备，所述方法和设备可保证很高的净化或降解程度，很高的甲烷产率，并保证相当有利的投资和可靠的操作。
通过具有权利要求1的特征的方法，以及权利要求11实施该方法的设备，可以达到这一目的。
从属权利要求则涉及权利要求1的方法，或权利要求11的设备的一些优选本发明的优点，是由于其设备的结构紧密，储气器组装在一起，所以本发明设备能节省空间和投资(其中包括节省热绝缘材料)，而且在地震时安全，不受地层沉降的影响。
根据本发明，术语“富含有机物质的液体”指血液、粪水，尤其是指废水，该液体包含下列参数＞大约2000毫克BSB5／l(较冷气候条件下)和＞大约500毫克BSB5／l(较暖气候条件下)。
下面参考附图，详细描述本发明示例性的实施方案。
图1是生物处理废水设备的平面示意图，图2是图1所示的生物处理废水设备的截面图。
用于生物处理废水的设备，如图1和2所示，包括罐2，其中，在水主流动方向H上，一个接一个的是混合和酸化区3、高负荷(含有机物质较多量的区)区7、低负荷(含有机物质较少量的区)区9和辅助沉淀区10。
罐2的大小可以在较大范围变化，由供给的废水的特性所决定。罐2的长度可以是例如50-200米之间，宽度在20-100米之间。深度可以是3-6米。
各区的体积可以改变，通过适当改变间壁12、13和14的位置，调整至适合所进行的处理过程。在极端情况下，可以大幅度减小低负荷区9，使其重新位于辅助沉淀区10的部分中。例如对啤酒厂的水，各区的体积为285m3(混合和酸化区3)、890m3(高负荷区7)、1480m3(低负荷区9)和120m3(辅助沉淀区10)。
罐2宜建在地下，实际上按照土方工程的方式建造。罐2的底部和四壁以密封材料如HDPE密封。
废水通过供应装置5首先进入混合和酸化区3。测量该区废水的温度(一次或两次)以及pH值，通过装置16加入添加剂，可适当调节pH值。需要时，经加料装置17，向混合和酸化区(或与混合和酸化连接的管内)的废水添加铁化合物如(IIX)盐，例如FeClSO4，与硫键合。而且，混合和酸化区3中的废水可用搅拌器4混合。返回的泥浆还可以经过供应装置6进入混合和酸化区3。由于微生物的活性，在不一定是纯厌氧条件下，在混合和酸化区，废水的有机物质发生变化，特别是酸化。另一方面，在混合和酸化区3可以提供一些装置，用空气和氧(未标出)对废水充气并进行循环。达到控制目的。
在混合和酸化区3底部的出口，宜提供至少一个有管子13的计量泵18，所述管子13的喷嘴状出口孔42，通入高负荷区7。借助这至少一个泵，可变量的废水(视高负荷区7的大小而异)，例如每秒约40-60升的废水在压力下以旋流形式通入高负荷区7的底部区域。管子31也可以转换用于另一用途，尤其是在有机物含量较高时，但首先是节约泵能。
废水中有机组分的厌氧降解过程的产生甲烷阶段发生在高负荷区7(体积负荷约25-40kgCSB／m3BV×d)和低负荷区9(体积负荷约2-7kgCSB／m3BV×d)。在每种情况下，这两个区都代表了所谓的活性泥浆床(一种特定的生物群落)。使用两种独立不同的微生物(生物群落)可提高甲烷气体的产率。通过喷射(也可以不同形式)水、水和泥浆的混合物或返回的泥浆，活性泥浆床可循环用于高负荷区7，或者还循环到喷嘴42，其中返回的泥浆可经排放装置11(由至少一个泵32和管子系统33组成)从辅助沉淀区10排出通过喷嘴24h和／或24s，这些喷嘴位于高负荷区7的底部或低负荷区9的底部。为了进一步促进循环，可以在高负荷区7和低负荷区9提供喷气装置(未标出)，如用于热沼气的排气回路，视气候或温度而异，或者提供搅拌器。喷气装置充有从储气器引出的沼气，该储气器装在高负荷区7和低负荷区9上，如果需要，引出的沼气还可以在一个气体加热器(未标出)中加热。
浸渍壁8对于活性泥浆或泥浆颗粒也有促进循环的作用，浸渍壁8在其中部具有许多进口孔29，浸渍壁7位于高负荷区7中偏于主流动方向H的下游区域。所述这些进口孔从液体表面几乎直至高负荷区7的底部分布着，浸渍壁8和间壁13之间的距离随其接近底部而逐渐减小。在底部区域提供的专门气体喷嘴(未标出)以及一般在再循环区较高的动能，能保证再循环过程的有效进行。特殊的装置如桨叶(未标出)可装在浸渍壁8和间壁13之间的底部区域中，其目的是击散在纵向区域底部附近的任何堵塞物。
仍含有部分有机物质的废水经间壁9上部的一些出口孔19通入低负荷区9。如果废水含有不易降解的组分或者需要额外的溶解效果，则废水在低负荷区9内的停留时间可能要比在高负荷区7的停留时间长得多。通过调整到更适合进一步处理或最终处理过程的微生物(生物群落)，也可达到这样的效果。同时，达到了进一步溶解，这将有利于随后主要是需氧的处理过程。
提供分开的高负荷区和低负荷区的另一个优点，是在高负荷区后，可以进行更为方便和有效的良好的辅助沉淀过程。本领域的技术人员都理解良好的辅助沉淀过程的诸多优点。
某些情况下，借助一个旁路管线(未标出)部分或完全地(间断或连续地)绕过高负荷区，从而将废水直接引入低负荷区9是有利的。
构成储气器的薄板15伸在高负荷区7和低负荷区9的上方。所述薄板的边缘具有浸没舌片30，其外围挂有重物，从而提供完全的气体密封。薄板15一般是紫外射线稳定的，配备有可变重物25，以便在储气器内保持一恒定的压力。如果将这些重物设计成可按要求充水的室，则可改变储气器内的压力。在寒冷地区，薄板15和／整个罐2设计为热绝缘的。
储气器备有放出沼气用的装置20，通过该装置，获得的沼气可用于室内加热的用途，加热其它的建筑物、加热可用水，可用于产生能量和电能以及其它用途。
气体鼓风机15可配有一个高度可调节的入口容器39，作为通过管38的压力安全限制器。而且，具有刻度显示41的一根环绕缆索40以机械方式固定在气体鼓风机上，可显示储气器中充气的高度。
混合和酸化区3以及辅助沉淀区10上方覆盖有气密封的薄板(需要时为热绝缘的)，保证本发明的设备100％无气味工作，并达到热绝缘效果。
废水从低负荷区9经过位于间壁14上部的出口孔27(在其前面以一定间隔平行的装置着浸渍壁28)通入辅助沉淀区10。由于低负荷区9与辅助沉淀区10被间壁14的分开，特别在废水量较大时，通过辅助沉淀区10中的装置，可保证处理后的废水从辅助沉淀区10排出时不含泥浆，排放的泥浆明显减少或可除去。
在辅助沉淀区10中，在紧靠处理后废水的出口装置23的罐的倒角侧壁36上，装有对处理过程有促进作用的一个多片分离器21，该侧壁36与主流方向H倾斜，出口装置设计为溢流装置如一个溢流容器。
为使该设备能连续操作，需要将处理后的废水从出口装置23排放，并经供给装置26返回到混合和酸化区3的排放区域，如果供给装置5不能提供足够的新鲜废水的话。由于设备是合适垂直排列的，这种排液过程一般会自动发生。而且，处理后的废水可从出口装置23排出，经供给装置5通入混合和酸化区3，用来稀释新鲜的废水，如果新鲜废水含有例如过多有毒物质的话。通过同样的返回装置，有可能使出口(未标出)与混合和酸化区3进行热交换，或者与供给装置5进行热交换，或者避免不需要的热损耗。
过量泥浆可经排放装置22从辅助沉淀区10排出到泥浆围圩槽(未标出)，或经排放装置22和供给装置6排放到混合和酸化区3，该排放装置22包括位于辅助沉淀区10底部的泵34和管道系统35。
本发明设备达到的处理程度为80-90％。然而，由于使用了两种不同的微生物(生物群落)，处理程度常可大于90％。为完整地进行废水处理过程，废水可经出口装置23通入后面的(必要时是固定相连的)装置Ⅱ，用来对废水进行需氧处理。所述装置Ⅱ包括活化区、中间沉淀区、二次充气区和辅助沉淀区，或仅有前两个区。厌氧和需氧处理的这样结合，达到的处理程度约为99．5％。过量泥浆宜从用于废水需氧处理装置的辅助沉淀区，经供给装置6或26通入混合和酸化区3，以便过量泥浆的综合平衡优化。
对在寒冷地区的操作，混合和酸化区3、高负荷区7、低负荷区9以及需要时的辅助沉淀区10，都可以进行热绝缘。另外，按照需要，混合和酸化区3、高负荷区7、低负荷区9可备有加热装置，如用热水的加热装置37。
权利要求
1．用于生物处理富含有机物质的液体的方法，该方法在一罐中进行，所述液体首先进行混合和酸化步骤(A)，随后进行高负荷步骤(B)，此时活化泥浆进行再循环，然后进行低负荷步骤(C)，进行厌氧降解，同时生产甲烷气体，随后在辅助沉淀步骤(D)进行处理，在该步骤中泥浆也可再循环，收集在高负荷步骤(B)和低负荷步骤(C)中制得的沼气。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述液体是废水。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于在混合和酸化步骤(A)中搅拌所述废水。
4．如权利要求2或3所述的方法，其特征在于在混合和酸化步骤(A)中，所述废水与再循环活化泥浆混合。
5．如权利要求2-4中任一权利要求所述的方法，其特征在于在混合和酸化步骤(A)中，调节废水的pH值。
6．如权利要求2-5中任一权利要求所述的方法，其特征在于在混合和酸化步骤(A)中，在废水中加入一种铁化合物。
7．如权利要求2-6中任一权利要求所述的方法，其特征在于在辅助沉淀步骤(D)期间，将沉淀的泥浆返回高负荷步骤(B)和／或低负荷步骤(C)。
8．如权利要求2-7中任一权利要求所述的方法，其特征在于经过步骤(A)-(D)后，废水至少部分返回混合和酸化步骤(A)。
9．如权利要求2-8中任一权利要求所述的方法，其特征在于经步骤(A)-(D)后，废水还可以在需氧条件下进行处理。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于需氧处理包括活化步骤、中间沉淀步骤、二次充气步骤和辅助沉淀步骤。
11．用于生物处理富含有机物质的液体特别是废水的设备，所述设备包括罐(2)，其中按液体主流动方向一个接一个地设置有混合和酸化区(3)，该区连接到提供液体的装置(5)；高负荷区(7)，用于对液体进行厌氧降解，同时产生甲烷气体，该区提供有再循环活化泥浆的装置(8)；低负荷区(9)，用于对液体进行进一步厌氧降解，同时产生甲烷气体；辅助沉淀区(10)，该区中提供有至少一个用于返回泥浆的排放装置(11)；其中混合和酸化区(3)、高负荷区(7)、低负荷区(9)和辅助沉淀区(10)由间壁(12)、(13)和(14)分开，和气密薄板(15)延伸在高负荷区(7)和低负荷区(9)上方，构成储气器。
12．如权利要求11所述的设备，其特征在于所述混合和酸化区(3)中装有搅拌器(4)。
13．如权利要求11或12所述的设备，其特征在于所述混合和酸化区(3)连接到用于对活化泥浆进行再循环的供给装置(6)。
14．如权利要求11-13中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述混合和酸化区(3)连接到用于调节pH值的装置(16)。
15．如权利要求11-14中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述混合和酸化区(3)连接到用于铁化合物的加料装置(17)。
16．如权利要求11-15中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述混合和酸化区(3)配备有至少一个计量泵(18)，其入口连接到混合和酸化区(3)，其出口连接到高负荷区(7)。
17．如权利要求11-16中任一权利要求所述的设备，其特征在于用于再循环泥浆的装置(8)的形式是浸渍壁。
18．如权利要求11-17中任一权利要求所述的设备，其特征在于高负荷区(7)连接到一个或多个用于再循环泥浆的排放装置(11)。
19．如权利要求11-18中任一权利要求所述的设备，其特征在于高负荷区(7)内装有至少一个喷气装置，在需要加热时用于沼气。
20．如权利要求11-19中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述间壁(13)的上部有一些出口孔(19)。
21．如权利要求11-20中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述低负荷区(9)连接到一个或多个用于再循环泥浆的排放装置(11)。
22．如权利要求11-21中任一权利要求所述的设备，其特征在于低负荷区(9)内装有至少一个喷气装置，在需要加热时用于沼气。
23．如权利要求11-22中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述辅助沉淀区(10)内装有一个多片分离器(21)。
24．如权利要求11-23中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述辅助沉淀区(10)连接到至少一个用于过量泥浆的排放装置(22)。
25．如权利要求11-24中任一权利要求所述的设备，其特征在于用于废水的排放装置(23)连接到辅助沉淀区(10)。
26．如权利要求11-25中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述罐(2)装在地下。
全文摘要
本发明涉及一种在罐中进行生物处理富含污染有机物质的液体的方法。所述方法中,使液体经混合和酸化步骤(A);高负荷步骤(B),此时活化泥浆进行再循环;随后的低负荷步骤(C),进行厌氧降解,产生甲烷;最后的澄清步骤(D)中进行沉淀,回收泥浆。在高负荷步骤(B)和低负荷步骤(C)中产生的甲烷进行收集。
文档编号C02F3/30GK1289313SQ99802553
公开日2001年3月28日 申请日期1999年1月28日 优先权日1998年2月2日
发明者莱因哈特·冯·诺顿斯克乔特 申请人:莱因哈特·冯·诺顿斯克乔特