本公开一般涉及用于处理各种废弃物的系统和方法，特别涉及用于通过厌氧消化从这些废弃物产生甲烷的系统和方法。
背景技术：
1、厌氧消化是一种自然发生的生物过程，可用于处理各种废弃物流，包括城市废水。特别地，厌氧消化在去除不期望的生物和降低城市废水中的浊度方面是有用的。废污泥的厌氧消化有利于减少或去除废污泥中的挥发性有机成分、不良气味和病原体，提供有用的副产品并降低污泥处理和处置成本。厌氧消化过程还能够分解难以消化的天然有机化合物，包括有毒溶剂、脱脂剂、清洁剂、油漆和涂料。因此，商业厌氧消化器已经认识到了好处，主要是在降低处置成本方面节省了成本，而处置成本与处理的废弃物量成比例。
2、厌氧消化过程也自然产生富含甲烷的沼气。甲烷气体是天然气的主要成分，因此作为燃料具有潜在的商业价值。然而，甲烷生产并不是利用厌氧消化器处理废弃物的一个令人信服的理由，因为在历史上从油气井获得天然气通常更便宜。因此，商业厌氧消化器和消化过程的开发并没有集中于这方面的优化。
3、鉴于厌氧消化有可能产生有价值的甲烷气体，同时降低废弃物处理成本，厌氧消化废弃物和生产甲烷的系统和工艺将在许多行业中发挥作用。一般来说，任何在厌氧条件下产生大量可被细菌消化的废弃物的企业都将受益于通过销售高效生成的甲烷中获得收入的机会，同时享受随之而来的废弃物处理成本降低带来的节省。因此，在本领域中，希望提供用于多种废弃物材料的有效厌氧消化的系统和方法，同时以经济可行的方式提供甲烷。
技术实现思路
1、本公开一般提供一种废弃物消化系统，该废弃物消化系统被配置为在厌氧条件下从某些废弃物材料的消化产生包括甲烷的沼气。进一步提供了在厌氧条件下从某些废弃物的消化中产生包括甲烷的沼气的方法。现有厌氧消化器或系统的设计表现出各种缺点，包括需要补充细菌、较长的水力停留时间(例如，长达三周)、对堵塞的敏感性和低效率。在所有现有技术的设计中，消化器需要定期清洁以去除沉淀的固体，否则，效率将下降，系统最终将失效。本公开的系统通过三个处理阶段和独特的固定膜消化器设计克服了这些问题。所公开的系统提供了出乎意料的优点，例如短的水力停留时间(例如，通常约3天)、更高的固体到甲烷的转化率(例如，比现有系统快约7倍)和/或高效率。
2、在一个实施方案中，废弃物消化系统被配置为通过在厌氧条件下对废弃物材料的细菌消化，从包括废弃物材料的废弃物流产生沼气。沼气包括甲烷。废弃物流包括包括固体颗粒的第一水基浆料。固体颗粒包括不可消化的固体颗粒、小尺寸固体颗粒和大尺寸固体颗粒，小尺寸固体颗粒是具有适于有效厌氧细菌消化的颗粒尺寸的固体颗粒，大尺寸固体颗是具有大于适于有效厌氧菌体消化的颗粒尺寸的固体颗粒。废弃物消化系统包括第一处理阶段、第二处理阶段和第三处理阶段以及沼气生产单元。第一处理阶段被配置为从第一水基浆料中去除不可消化的固体颗粒，并形成包括小尺寸固体颗粒和大尺寸固体颗粒的第二水基浆料。第二处理阶段与第一处理阶段流体连通以接收第二水基浆料。第二处理阶段被配置为减小大尺寸固体颗粒的至少一部分的颗粒尺寸并形成第三水基浆料。第三处理阶段与第二处理阶段流体相通，以接收第三水基浆料。第三处理阶段包括溶气浮选分离器，该分离器至少有一个分离区，其中包括一个起泡器。dgf分离器被配置为利用非含氧气体从第三水基浆料中去除大尺寸固体颗粒的剩余部分，使得第三处理阶段排出富含小尺寸固体粒子的第四水基浆料。沼气生产单元与dgf分离器流体连通地连接，以接收作为原料的第四水基浆料。沼气生产单元用于厌氧消化原料中的小尺寸固体颗粒，形成沼气、废水和沉降固体。沼气生产单元被配置为将沼气作为产品排放、将废水作为流出物排放、并将沉淀的固体作为第五水基浆料排放。沼气生产单元包括至少一个厌氧消化器和第一热交换器，所述厌氧消化器具有用于在厌氧条件下生长细菌以生产沼气的第一生物基底，所述第一热交换器被配置为利用流出物中的热量加热原料。
3、在一个实施方案中，废弃物消化系统还包括一个或多个机械式颗粒尺寸减小器，配置为碾碎或研磨至少一部分较大的固体颗粒。
4、在一个实施方案中，第一处理阶段包括浸渍器和研磨器中的至少一个，其被配置为减小至少一部分固体颗粒的颗粒尺寸。
5、在一个实施方案中，第二处理阶段包括热蒸汽爆炸(tse)单元，其被配置为水解至少一部分大尺寸固体颗粒。
6、在一个实施方案中，第二处理阶段包括电凝聚(ec)单元。ec单元被配置为执行以下一项或多项：电化学水解至少一部分大尺寸固体颗粒、电化学地使至少一部分大尺寸固体颗粒不稳定、以及使至少一部分大尺寸固体颗粒从第二水基浆料中沉降出来。
7、在一个实施方案中，所述至少一个厌氧消化器包括第二生物基底。第一生物基底和第二生物基底被配置为分别独立接收原料的第一原料流动流和第二原料流动流，其中第一原料流动流和第二原料流动流具有不同的流速和不同的颗粒尺寸分布中的至少一种。
8、在一个实施方案中，废弃物消化系统还包括至少一个压缩机、用于从压缩机吸收废热的压缩机交换流体和第二热交换器。第二热交换器被配置为使用由压缩机废热加热的压缩机热交换流体来加热原料。
9、在一个实施方案中，废弃物消化系统还包括锅炉、用于从所述锅炉吸收热量的锅炉热交换流体和第三热交换器。第三热交换器被配置为利用由锅炉加热的锅炉热交换流体来加热原料。
10、在一个实施方案中，至少一个热交换器被配置为提供厌氧消化器的操作温度，其范围为约68°f至约140°f。
11、在一个实施方案中，废弃物材料包括废弃物食物、城市污水废弃物、农业作业的动物废弃物、工业有机废弃物以及脂肪、油和油脂(fog)废弃物中的一种或多种。
12、在一个实施方案中，废弃物消化系统还包括均匀罐、至少一个浆料泵和固体罐。所述至少一个浆料泵被用于通过水力剪切来减小固体颗粒的颗粒尺寸。所述至少一个浆料泵与所述均匀罐流体连通。第一处理阶段与均匀罐和至少一个浆料泵流体连通。固体罐与第一处理阶段流体连通。固体罐被配置为接收一部分大尺寸固体颗粒。
13、在一个实施方案中，适于有效厌氧细菌消化的颗粒尺寸小于约200微米。
14、在一个实施方案中，第一处理阶段进一步配置为从第一水基浆料中去除颗粒尺寸大于约750微米的固体颗粒，并进一步配置为机械地减小所述固体颗粒的颗粒尺寸。
15、在一个实施方案中，废弃物消化系统还包括被配置为控制废弃物消化系统的过程控制。
16、在一个实施方案中，一种方法是通过在厌氧条件下对废弃物进行细菌消化，从包括废弃物材料的废弃物流中产生沼气，沼气包括甲烷。废弃物流包括包括固体颗粒的第一水基浆料。固体颗粒包括不可消化的固体颗粒、小尺寸固体颗粒和大尺寸固体颗粒，小尺寸固体粒子是具有适于有效厌氧细菌消化的颗粒尺寸的固体颗粒，大尺寸固体颗粒是具有大于适于有效厌氧菌体消化的颗粒尺寸的固体颗粒。该方法包括在废弃物源下游提供第一处理阶段、从废弃物源接收第一水基浆料、通过第一处理阶段从第一水基浆料中去除不可消化的固体颗粒，从而形成包括小尺寸固体颗粒和大尺寸固体颗粒的第二水基浆料、以及允许所述第二水基浆料通过所述第一处理阶段。该方法还包括提供在第一处理阶段下游的并与第一处理阶段流体连通的第二处理阶段、从第一处理阶段接收第二水基浆料、通过第二处理阶段减小大尺寸固体颗粒的至少一部分的颗粒尺寸，从而形成第三水基浆料、以及允许所述第三水基浆料通过所述第二处理阶段。该方法还包括提供在第二处理阶段下游的并与第二处理阶段流体连通的第三处理阶段、并接收来自第二处理阶段的第三水基浆料。第三处理阶段包括溶解气体浮选(dgf)分离器，其包括起泡器。dgf分离器包括至少一个分离区。所述方法还包括使用非含氧气体去除并保留在至少一个分离区中的大尺寸固体颗粒的剩余部分，从而形成富含小尺寸固体颗粒的第四水基浆料，并允许第四水基浆液通过第三处理阶段。所述方法还包括在dgf分离器的下游提供与dgf分离器流体连通的沼气生产单元，并接收来自第三处理阶段的第四水基浆料作为沼气生产单元的原料。至少一个厌氧消化器包括用于在厌氧条件下生长细菌的至少第一生物基底。所述方法还包括通过允许生长在生物基底上的细菌厌氧消化第四水基浆料中的小尺寸固体颗粒来形成沼气、废水和沉降固体、允许沼气作为产物离开沼气生产单元、允许废水作为流出物离开沼气生产单元、以及允许沉降固体作为第五水基浆料离开沼气生产单元。第一热交换器与原料流体连通并且与流出物单独流体连通。第一热交换器被配置为利用流出物中的热量向原料提供热量。
17、在一个实施方案中，从第一水基浆料中去除不可消化的固体颗粒包括将第一水基浆料穿过以下一个或多个装置：被动筛网、振动筛网、沉降室、离心分离器、澄清器和螺旋压榨机。
18、在一个实施方案中，所述方法包括从第一水基浆料中去除粒径大于约750微米的固体颗粒，并机械地减小所述固体颗粒的颗粒尺寸。
19、在一个实施方案中，第二处理阶段包括热蒸汽爆炸(tse)单元，其被配置为水解至少一部分大尺寸固体颗粒。该方法包括使第二水基浆料穿过tse单元。
20、在一个实施方案中，第二处理阶段包括电凝聚(ec)单元。所述方法包括将第二水基浆料穿过所述电凝聚单元，从而执行以下一项或多项：电化学水解至少一部分大尺寸固体颗粒、电化学破坏至少一部分大尺寸固体颗粒的稳定性、以及使至少一部分大尺寸固体颗粒分层并从第二水基浆料中沉降出来。
21、在一个实施方案中，该方法包括提供一个或多个机械式颗粒尺寸减小器，所述减小器被配置为碾碎和研磨固体颗粒中的至少一个以具有更小的尺寸。所述方法还包括使用一个或多个机械式颗粒尺寸减小器，将所述大尺寸固体颗粒穿过一个或多个机械式颗粒尺寸减小器，对至少一部分大尺寸固体颗粒进行。