高固含量高温厌氧消化装置、污泥的厌氧消化方法和系统的制作方法

专利名称：高固含量高温厌氧消化装置、污泥的厌氧消化方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及废物处理领域，尤其是一种有机污泥厌氧消化的装置、方法和系统。
背景技术：
厌氧消化通常被用来处理有机废料。很多类型的有机废料可以通过厌氧消化进行处 理，包括农业、家庭和工业废料。进行废物消化的主要目的是将固态污泥转化成适合排 放到环境中的干净的流体废物。产物甲烷， 一种易燃的燃料，作为厌氧消化过程中的副 产物，也是厌氧消化设备运行中一个重要的方面，它有助于降低设备的运行成本。由于 工业、商业和都市农业制造了大量的有机废物，所以通过厌氧消化处理有机废物是安置 /处理和回收废物的一种经济的方法。
与需氧消化工艺相比，厌氧消化在处理固态污泥方面更有效，因此比需氧消化产生 更少的污泥(见美国专利No. 4,885,094)。但是，厌氧消化通常要求停留时间较长以允 许厌氧细菌有时间分解污泥中的有机废料(见美国专利No. 5,637,219)。基于效率方面 的考虑，批式厌氧消化器通常大规模活性运行要求占地面积大，而优选连续运行的消化 器，由于其稳定地提供甲垸气和生物混合肥料，并在较小的紧凑型场所运行。
连续厌氧消化器通常可以安装在一步连续搅拌釜式反应器(CSTR)或者活塞流釜 式反应器(PFTR)。前者通常用于处理固态污泥含量低的污泥(一般固含量小于10%) 而后者通常用于处理高固含量的污泥(见美国专利No. 6,673,243)。在活塞流反应器中， 污泥连续地从消化器的入口流到出口，不间歇地与新的未消化的污泥混合。通过在反应 器内提供足够长的停留时间，使污泥到达出口的时候完全被消化。
消化器中用于消化污泥的厌氧菌的类型决定消化器有效运行的最佳温度范围。嗜温的细菌优选运行温度为约20-45°C，嗜热的细菌优选运行温度为约50-65°C。如果运行温 度不在最佳范围内则甲垸的产量会降低。消化器在嗜热温度范围内运行的优点是停留时 间短，但是需要输入额外的能量以保持温度比周围的温度或室温高30-40°C。
由于这个原因，嗜热消化处理污泥通常从经济上考虑不具有吸引力，因为运行消化 器需要热源，这很少能与从生产原料甲垸气(包含腐蚀性成分)和混合肥料得到的经济 利益成比例。过去在通过厌氧消化处理废物中为解决这些问题进行了各种尝试。
US6,673,243公开了一种活塞流厌氧反应器，包括依次排列的三个室，每个室提供 了一个合适的环境以使厌氧微生物有效地消化污泥。每个室的体积设计成可以控制在不 同的消化阶段污泥的相对停留时间。最初发酵和水解消化的阶段比后期产生乙酸和甲垸 的阶段进行得要快，设计的第一个室所提供的停留时间比第二和第三个室短。不需要额 外地进行加热，即流入的污泥在由环境决定的温度下进行处理。
US6,929,744描述了中型试验规模的消化器，包括一个内圆柱塔位于一个外圆柱塔 内，从而定义了一个中心圆柱室和外环形室。原料污泥在一个密闭的容器内在35'C下 培养3天，引入消化器底部的环形室内，然后借助流体分配器用泵抽到顶端直至溢出进 入中心室内。
申请号为No. 2005/0077238的美国专利申请描述了一种蛋形厌氧消化器，设有一些 导向管排列在消化器内部以使污泥能够从消化器的顶端部分和底端部分运输到中间部 分。导向管可以控制消化过程中浮渣和泡沬的生成，如果处理不当，浮渣和泡沬在消化 器内混合是有害的。
美国专利No. 6,632,362描述一种多段式厌氧消化器，具有横截面格栅以分离在消化 的不同阶段沿着消化器长度的飘浮介质。原料送入消化器顶部，逐渐下降到消化器底部 进行消化。浓缩的消化污泥沉到消化器底部排出。所生成的甲垸在甲垸隔离器中净化， 得到的纯甲烷用来为锅炉提供动力，锅炉用来加热原料污泥。但是，使用净化的甲垸加 热原料污泥不经济，因为净化器的运行费用较高而且净化的甲垸可以出售。
本发明的目的是提供一种至少能够克服所有上述现有技术中的一些缺点的替代性的厌氧污泥消化器。

发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种厌氧消化污泥的装置。该装置包括具有一个 上部区域和一个下部区域的消化釜，以及一个将原料污泥转化成熟化污泥的反应室。该 消化釜包括一个入口以将原料污泥引入消化釜，和一个位于消化釜下部区域的出口以将 熟化污泥从消化釜中排出。设有至少一个输送管道以将污泥从消化釜的下部区域引导到 消化釜的上部区域。该输送管道位于消化釜内，其长度的至少一部分位于反应室内以与 在反应室内移动的污泥接触，从而使反应室内移动的污泥和至少一个输送管道内的污泥 进行热交换。
本发明的第二个方面是提供一种厌氧处理污泥的方法，包括将原料污泥引入根据本 发明的装置。污泥在足够使泥浆被厌氧消化的时间内穿过反应室。 一部分污泥通过设在 装置内的至少一个输送管道从消化釜的下部区域引导到消化釜的上部区域。熟化污泥通 过出口从消化釜中排出。
本发明的第三个方面是提供一个厌氧消化污泥的系统。该系统包括分离原料污泥中 的无机杂质的筛选装置，减小原料污泥尺寸的粉碎装置，和根据本发明厌氧消化原料污 泥的装置。
相对现有技术的消化器本发明的装置具有几个优点。首先，位于消化釜的输送管道 有助于减低消化器所要求的净能量，并通过促进消化器内热量从原料污泥传送到熟化污 泥以保持整个消化器内的温度均匀。通过这种方式，由于熟化污泥向上流向消化器，并 在适当的温度在消化器顶端离开，预热的原料污泥通过热交换向熟化污泥提供热量，以 在消化釜内开始厌氧消化。另外，很宽范围的有机废物，包括丢弃的食物、动物肥料、 屠宰场垃圾、蔬菜垃圾、园艺农作物残渣、工业有机废料、下水道污泥和家庭分类有机 废料等，可以完全加工成堆肥用作肥料，因此利于碳的再利用和再循环回到大地。不会 有任何污水从该系统排出，因为所产生的所有污水均被回收、再循环和再利用。彻底与消化污泥混合以助于在堆制肥料过程中消化污泥的通风和熟化的结构材料也被再循环 和再利用。这些优点有助于降低净材料需求从而降低运行成本。废物厌氧消化所生成的 生物气体可以再循环或利用以产生热量(例如市政供热)或在电网中驱动发电机。另外， 消化时不要求内部搅拌装置。这保证了一个低维护、高效率、且需要最小的停机检修时 间的连续运行的消化器。因此，本发明不仅有利于环境友好地处理有机废料，而且试图 使该工艺经济地自给自足，提供可再生能源并抑制温室气体如甲垸和二氧化碳的生成。
在本说明书中，术语"原料污泥"或"原料泥浆"指的是将要被引入到消化釜的未 处理的或未消化的污泥。术语"原料"不排除已经预处理过的污泥，如经过粉碎以减小 污泥的平均尺寸，或热处理以减少污泥中的病原体。术语"熟化污泥"或"已熟化的污 泥"可以与术语"处理过的污泥"或"消化污泥"交替使用，指的是至少通过一次消化 釜的反应室，因此至少部分被厌氧消化。该术语不限于指被完全消化的污泥。
本发明的装置包括一个具有一个反应室的消化釜，在该反应室内进行污泥的厌氧消 化。该消化釜包括任何具有合适尺寸的容器以容纳一个可以在一个单独阶段连续加工污 泥的反应室。通常优选一个连续的过程，因为可以连续加工污泥以稳定地提供甲垸和混 合肥料。例如，消化釜可以采用基本垂直方向的柱式反应器的形式。
消化釜包括一个上部区域和一个下部区域。上部区域指的是位于消化釜中间部分以 上的任何部分，相应地，下部区域指的是位于消化釜中间部分以下的任何部分。消化釜 有一个入口以将原料污泥引入消化釜，和位于消化釜下部区域的一个出口以将熟化的污 泥从消化釜中排出，且优选其隔热以降低热损失至最小值。根据设计需要，入口可以设 在上部区域和/或下部区域。
位于消化釜内部的反应室提供了一个适于厌氧菌消化污泥的环境。根据要处理的污 泥的量，选择消化釜的尺寸以适应要消化的污泥的量。反应室的体积通常根据控制消化 污泥所要求的相对停留时间选择。所有尺寸的选择是根据需厌氧消化的污泥是单路径还 是多路径通过消化釜。由于反应室位于消化釜的内部，所以反应室的尺寸通常决定了消 化釜的尺寸。反应室可以构成消化釜的一段，或者可以构成一个位于消化釜内的独立确定的分隔间。
本发明中，至少一个输送管道，或优选地，多个输送管道以将污泥从消化釜的上部 区域引导到消化釜的下部区域。每个输送管道位于消化釜内，或者安装在消化釜的内壁， 或者至少其长度的一部分位于反应室内。这样做的目的是使穿过反应室的向下移动的污 泥(在下文中与"熟化中的污泥"或"消化中的污泥"交替使用)能够与输送管道接触。 因为污泥在通过反应室向下移动时通常会损失一些热量，为了保持最佳厌氧消化温度， 混合污泥在引入反应室输送管道之前可以进行预加热。通过预加热混合污泥使其温度高 于反应室内污泥的温度，反应室内污泥的温度低于混合污泥。则在较凉的向下移动的污 泥和通过输送管道向上移动的原料/混合污泥之间存在一个温度梯度。该温度梯度导致 在反应室内沿输送管道向上移动的温暖的混合污泥的热量传递给向下移动的熟化中的 污泥。在该方式中，通过加热的混合污泥使反应室内熟化中的污泥保持恒温。另外，由 于加热的混合污泥在沿输送管道运输的过程中将热量传递给熟化中的污泥，所以其温度 逐渐降低。当原料污泥在上部区域从输送管道排出的时候，它的温度刚好降到适合进行 嗜热消化的预定温度。例如，在传送到输送管道之前给混合污泥加热的热源是由气体发 电机供热的热交换器，该气体发电机由所生成的甲垸驱动。
在一个实施例中，至少采用一个输送管道以利于热量从至少在一个输送管道内向上 移动的污泥传递给在反应室内向下移动的污泥，从而提高向反应室内污泥传递热量的效 率。例如，在输送管道的外表面设有散热片以增加与向下移动的污泥接触的有效面积， 或者至少有一个输送管道采用能够最大化地与反应室中污泥接触的结构，包括直管或盘 管结构。
还提供了一个驱动装置以泵送污泥通过至少一个输送管道。驱动装置的一个例子包 括螺杆泵、活塞泵、膜片泵等。输送管道在反应釜上部区域的一个或几个点排放混合污 泥，可以借助于一个分配装置以使反应室中的混合污泥平均地分配。排放的污泥然后进 入反应室开始它在消化期中的旅行， 一般15-20天或者更长。
到达反应室的底部后，混合污泥中的有机原料被消化掉，即，原料污泥中复杂的有机分子从复合体分解成单一体，从而将混合污泥转化为熟化污泥。熟化污泥从位于消化 釜下部区域的出口流出。大部分熟化污泥进入消化釜再循环，而提取一小部分进行堆肥 处理并熟化生成高级的无菌生物堆肥。
任何厌氧微生物菌都可以用来进行厌氧消化。进行厌氧消化的普通类型的细菌包括 水解菌、发酵菌、产甲烷菌和产乙酸菌。具体举例细菌包括甲酸甲烷杆菌(methanobacter formicicum),索氏甲酸甲烷杆菌(methanobacter soehngenii)，反刍兽甲烷杆菌 (methanobacter ruminatium)， 马氏、万氏甲烷八迭球菌(methanococcus mazei， vanielli)，甲烷甲烷八迭球菌(methanosarcina methanica),和嗜热甲烷八迭球菌 (methanosarcina thermopHilia)。 一般地，真菌也可用于进行消化。
大多数情况下，不需要另外加入细菌。混合一部分熟化污泥和原料污泥，原来在熟 化污泥存在的细菌被引入原料污泥中并能够在该细菌已经适应的条件下分解原料污泥。 为了在消化器的反应室内建立一个原始的细菌群，有机废料以一个需要的流速填入消化 器以得到21天的停留时间。
为了发生厌氧消化，反应器内的氧气浓度应保持最小，最好为零。例如保证消化釜 是密封的，保持轻度真空更好。这可以通过从消化釜顶端(产生的气体在这里积聚)提 取气体来实现。另外，在一个实施例中，使消化釜中的反应器能够适应轻度负压。这可 以通过借助一个平的或凸圆的盖对消化釜进行密封并结合一个气体出口以使消化过程 中产生的气体能够持续地转移来实现。或者，也可以连续地引入惰性气体如氮气进入反 应釜以减少氧气的量。
原料污泥加入反应釜之前，原料污泥最好先和熟化污泥混合以在原料污泥中引入厌 氧菌。可以采用任何合适的方法进行混合，如在一个混合釜中搅拌混合或引导污泥穿过 污泥混合器进行混合。可以在消化釜内或消化釜外进行混合。例如，为了减少热量损失， 在消化釜内进行混合。
在一个实施例中，混合装置包括位于消化釜下部区域的混合区域，混合区域适合从 反应室接收熟化污泥并从入口接收原料污泥。在消化釜的下部区域引入原料污泥能够使原料污泥被"播种"并与嗜热和熟化污泥混合，从而形成混合污泥。混合以后，混合污 泥通过一个或更多输送管道传送到消化釜上部区域。或者，取代直接传送到输送管道， 被"播种"的原料污泥通过螺杆泵(彻底混合)从混合区域抽回然后在进入输送管道到 达消化器的上部区域前在热交换器内进行加热。这些特征不仅有助于避免送入消化器前 单独预混，并且可以使混合污泥比反应室内消化中的污泥的温度高，热量可以从混合污 泥传递给消化中的污泥，从而有助于反应室保持消化温度。
或者，混合装置可以包括至少一个螺杆泵或优选多个螺杆泵，从消化釜的混合区域 进行抽吸，其中熟化的污泥和原料污泥均是从消化釜提取的。螺杆泵的出口与输送管道 连接以转移混合污泥至开始消化的消化釜的顶端。
污泥的消化过程中产生生物气体，大部分都是甲垸气。甲垸气通过位于上部区域的 出口从消化釜中排出。在本文中，术语"生物气体"指的是从消化釜的出口提取的气体 的混合物，而不限于仅仅在厌氧消化过程中产生的气体。这些气体来自于发生在反应室 内的各种过程，包括呼吸、厌氧发酵以及各种细菌作用在污泥上所产生的酒精和氢气。
本发明另一方面涉及一种厌氧处理污泥的方法和系统。该方法包括将原料污泥引入 到根据本发明第一个方面的装置，使原料污泥在一段时间内穿过反应室(下面部分)以 足够使原料污泥暴露于熟化污泥从而播种嗜热生物。在引入开始消化的消化釜的上部区 域之前，原料污泥与已消化的熟化污泥在螺杆泵内混合以形成混合污泥。该混合的目的 是将厌氧菌(嗜热生物)彻底混入原料污泥，从而当引入消化器的上部区域时适合在消 化釜内进行厌氧消化。
厌氧消化通常包括3个基本步骤。第一步包括制备固体废料的有机部分以进行厌氧 消化，通常包括种类分离和尺寸减小。第二步包括增加湿度和营养物质，混合，调节 pH值为约6.7，加热泥浆并在连续流动的反应器内使其内容物充分混合15-21天进行厌 氧消化。第三步包括采集、储存和如果需要，分离消化期间的气体成分。第四步是已消 化污泥的堆肥和熟化。
本发明设计方法时需要考虑的因素有原料污泥破碎后的尺寸、混合程度、原料污泥中固体有机物的比例。其他需要考虑的重要因素包括水力停留时间和原料污泥加载速 率。
本发明方法的一个特点是引导混合污泥进入至少一个输送管道以从消化釜的下部 区域传送到消化釜的上部区域。至少一个输送管道其长度的一部分位于反应釜的反应室 内。当污泥穿过反应室的时候与含有加热的混合污泥的输送管道接触，温度梯度导致热 传递从而保证消化器内均匀的最佳的运行温度，该温度可以监控，从而使整个消化过程 中使用的能量最小化。
根据所需要的热交换和消化釜的尺寸，可能需要在消化釜内安装多个输送管道。例 如，可以在消化釜内安装2、 3、 4、 5或更多输送管道。为了利于热传递，管道最好使 用具有高传导率的材料同时抗腐蚀。例如不锈钢合金和铜。
在大多数消化器中，用于消化污泥的厌氧菌决定消化器达到最佳效率的运行温度。 对于发生嗜热消化的温度范围通常约为50-65°C。气候变化可能会导致处理污泥的温度 发生变化。这种变化若是反应室的温度降低到嗜热温度范围外，则甲垸的产量会降低。 基于这个原因，该消化器设计需要考虑一个重要因素是有效地控制反应室内处理污泥的 温度。更优选地，反应室内运行温度维持在发生嗜热厌氧消化的49-57°〇范围内。在冷 的气候中，得到的一部分生物气体用于运行热水锅炉以维持该温度范围的控制。为了保 持厌氧菌有效地运行，污泥的pH值最好保持在6-8的范围内。
获得好的反应器性能的一个可能的途径是保证消化釜内反应室空间被尽可能多的 可生物降解的材料占据。这意味着应该将不能消化的不可生物降解的因此不会产生甲垸 的材料，在消化之前就从原料污泥中除去。为了优化消化釜的处理能力，不可生物降解 的材料如金属、塑料、石头和木头应该机械分离出去。可以根据不同的尺寸、重量和密 度采用不同的分离方法。为了这个目的可以采用各种各样的机械分离方法，包括筛选、 风选和气流分离或三者的结合。优选筛选的方法除去无机材料，可以通过机械的、光学 分离或浮选分离的方式进行。
在一种实施方式中，筛选包括一个回转筛和一个破碎机。优选，回转筛的直径为约140-160mm，更优选约150mm;然后破碎机使废料的直径减为约14-I6mm。例如，滚筒 振动筛可用于减少和除去污泥中不需要的无机物。含铁材料可以借助于电磁体进行分 离。
将污泥加入消化釜之前，减小即将进行处理的污泥的尺寸然后将其形成泥桨/污泥 混合物是有好处的。减小尺寸的目的是为消化提供尽可能大的表面积，以得到具有均匀 尺寸和纹理的最终混合肥料，并保证该最终混合肥料作为栽培基质的土壤和泥土的可混 合性。实现此目的的一个方法是将污泥破碎成平均尺寸小于50mm，优选小于30mm更 优选小于20mm。随后，在破碎的污泥中加入水形成泥桨混合物。在一个实施例中，破 碎的污泥与水混合形成干固份浓度约为10-20%的污泥/泥浆。可以在引入消化釜之前的 任何时间进行污泥的破碎，但优选筛选后进行。可以使用任何传统的破碎设备实现此目 的，如二步粗细低速破碎机，或者具有筛网和大尺寸材料再循环再利用的单步破碎机。
可以在引入消化器之前先通过在原料污泥中加入培养菌而在原料污泥中引入厌氧 菌。或者，原料污泥与正在离开消化釜出口的熟化污泥混合形成混合污泥。后者优于前 者之处在于熟化污泥中含有的细菌来自于消化釜且巳经适应消化釜的条件，所以能够有 效地消化原料污泥。混合污泥通过输送管道传送到消化釜的上部区域，因此混合污泥在 消化釜内进行厌氧消化。在一个实施例中，原料污泥与已消化的污泥按原料污泥:熟化 污泥=1:9的比例混合。
从消化釜排出的熟化污泥被堆肥处理进一步分解成干燥、易于管理的混合肥料。堆 肥处理包括将已消化的污泥露天放置进行干燥，或者在通风单元中进行干燥。优选地， 堆肥处理包括通风和润湿已消化的污泥。为了提高堆肥处理效率，在通风之前将熟化污 泥与木屑混合以增加污泥的孔隙率。
堆肥之前，可以从已消化的污泥中提取水已重获和再循环富菌水。这样做还能够使 已消化的污泥干得更快。在一个实施例中，进行脱水直到发酵污泥中的干固份含量为 25-30%。通常采用机械压榨的方式进行脱水，例如在螺旋压榨机内或其他等同的设备内。
通过以下说明、图示和非限制性的例子可以更好地理解本发明的这些方面和优点。


为了理解本发明和说明实践中是如何实施的，下面将参考附图，并仅以非限制性的 例子说明优选的实施例，其中
图1为根据本发明的设备的一个实施例，其中再循环的含有熟化污泥的泥流在消化 釜外与原料污泥流混合。消化釜设有一个输送管道以在消化釜内向上传送混合污泥。
图2为另一个实施例，其中消化釜内设有两个输送管道。
图3为根据本发明的设备另一个实施例，其中原料污泥引入消化釜，并在消化釜内 的混合区域与熟化污泥混合。
图4、 5和6为根据本发明的设备的一个实施例的不同视图，其中设有4个输送管 道。在该实施例中，原料污泥与熟化污泥的混合发生在消化釜内的混合区域，或者在消 化釜外的混合设备内。
图7和图8为筛选机的侧视图和立体图。
图9为根据本发明的方法的简单流程图。
图IO为一个简单的流程图，阐述了根据本发明的系统和在这个系统内进行的方法 所包括的各个单元。
具体实施例方式
图l所示为根据本发明的设备的第一个实施例。在该实施例中，装置100包括消化 釜102,消化釜102具有箭头104标注的上部区域和箭头105标注的下部区域。消化釜 102内设有反应室107，在其中发生污泥的厌氧消化。原料污泥流109通过位于下部区 域105的入口 112引入消化器然后通过出口 114离开消化釜。熟化污泥的一部分通过排 放流116排放，而熟化污泥剩下的部分通过再循环流118再循环。再循环流118与原料 污泥流119在入口 112混合，使熟化污泥与原料污泥混合(下文称为混合污泥)。这提 供了原料污泥消化所需要的厌氧菌。混合污泥通过入口 U2进入消化釜102。入口 112与输送管道120连接，输送管道120传送混合污泥至上部区域104。输送管道120沿着 消化釜的壁101布置因此其长度至少一部分位于反应室107内。输送管道与向下到反应 室107的熟化中的污泥接触，从而有利于反应室107内熟化中的污泥与输送管道中温热 的混合污泥之间的热传递。这维持了消化器内的污泥处于适合发生嗜热消化的均匀一致 的最佳温度内。消化器的上部和下部区域温差很小。
混合污泥从输送管道排放进入反应室107，然后开始在反应釜102内向下移动。在 反应室中，细菌分解混合污泥中的复合生物分子。特别是，碳基物质转变成甲烷。甲烷 与厌氧消化和反应室中发生的其它复杂过程释放的其它气体上升到消化釜的上部区域 并从气体出口 124排出。在理想的情况下，当污泥到达消化釜的底端的时候已完全被消 化/熟化。基底122向中心倾斜，因此熟化污泥直接流向出口 114，并再次部分排放和再 循环。
图2所示为本发明的另一个实施例，其中装置200包括设置在消化釜内的第一输送 管道220和第二输送管道221。每个输送管道均与位于装置下部区域的入口 212连接。 污泥通过入口 212进入消化器并通过出口 214离开消化釜。熟化污泥的一部分通过排放 流216排放而剩下的部分通过再循环流218再循环。再循环流218与原料污泥流209混 合并被抽到污泥泵227。污泥泵227除了向上移动污泥至反应室外，还作为混合器使熟 化污泥与原料污泥充分混合形成混合污泥。
每个入口 212的混合污泥通过输送管道220、 221传送到位于消化釜上部区域的分 配器231。分配器231包括可以在反应室207上方平均分配混合污泥的喷嘴234。在该实 施例中，气体出口设在偏离消化釜202顶端209中心以外的位置。
图3所示为本发明另一个实施例，在消化釜内混合原料污泥和熟化污泥。装置300 包括一个入口 312和一个出口 314。进入消化釜302的原料污泥与来自反应室307的熟 化污泥在混合区域341混合，形成混合污泥。混合污泥通过倾斜基底322的导向移向螺 杆泵341的吸入口 337。螺杆泵341提供混合污泥的进一步混合，然后将混合污泥传送 到热交换器345进行加热，然后传送回到消化釜，混合污泥通过输送管道320传送到消化釜的上部区域。
混合污泥在穿过反应室307的时候逐渐被消化。入口上方提供有采集点343将一些 熟化污泥引导到出口 314进行排放。
图4为本发明另一个实施例的装置400的横截面视图，其中消化釜402包括输送管 道418、 419、 420、 421 (本图中未标示)每个输送管道均安装在消化釜402内部且均与 入口412连接。消化釜402位于一个加强平台451上。基底422向中心倾斜，因此中心 处基底与水平台451成2。角。通道453、 455分别设在消化釜的中间位置附近和顶端附 近，以便可以靠近采样点和靠近设在消化釜402的探测器以测量各种运行参数并进行维 护。
图5所示为装置400的侧视图，阐明了入口412、出口 414和从消化釜402外面可 以看到的进入消化釜的人孔457的相对位置。多个测试喷嘴460、温度控制器462和压 力控制器464位于消化釜的下部区域、中间区域和上部区域。通过测试喷嘴460可以定 期从消化釜提取污泥以进行实验测试。
图6为图4所示消化釜402的俯视图。人孔457位于消化釜402的顶部409内，且 位于输送管道420附近。设有中心气体出口 424以提取消化过程中产生的气体。设有安 全阀466进行安全测试以防止消化釜内压力增加。若压力增加，则安全阀将会启动释放 消化釜内的气体。随后燃烧系统将启动烧掉这些气体。温度控制器462和压力控制器464 也位于顶部409。
图7和图8所示为本发明一个实施例中可以使用的筛选机。可以使用任何能够提供 合适的筛选尺寸的普通类型的筛选机。
图9为根据本发明的简单的工艺流程图。原料污泥流509和再循环流518进入消化 釜500。原料污泥流509含有即将在消化釜内厌氧消化的原料污泥，再循环流518含有 包含活性厌氧菌的熟化污泥。经过混合形成混合污泥，熟化污泥中的活性厌氧菌被引入 原料污泥。混合污泥通过输送管道520输送到消化釜的上部区域开始厌氧消化。混合污 泥允许在消化釜的反应室内停留一段时间以便足以使存在的任何原料污泥均被厌氧消化，形成熟化污泥。熟化污泥的一部分通过出口 514排放进行堆肥处理，剩下的一部分 熟化污泥通过再循环流518循环到消化釜。在本实施例中，进入消化釜之前再循环流518 和原料污泥流509均通过热交换器590加热到嗜热温度附近或嗜热温度。
图IO为根据本发明的方法的另一个实施例的工艺流程图。实施该方法的系统包括: 根据本发明进行污泥厌氧消化的装置，除去原料污泥中无机材料的筛选装置，减小原料 污泥尺寸的破碎装置，燃烧产自消化釜的生物气体进行发电的气体发电机单元，将燃烧 产生的热传递给一部分原料污泥的热交换器单元，存储生物气体的气体存储单元，对从 消化釜排放的熟化污泥进行堆肥处理的堆肥单元，除去污泥中的水的脱水装置，混合木 屑和在脱水单元中处理过的污泥的螺旋混合器，以及将与木屑混合过的污泥转变成堆肥 的堆肥装置。
将从各个收集点如农场、养殖场、食品店、工厂、饭店等收集来的固体有机废物打 包装入重型塑料垃圾收集袋。这些垃圾收集袋通常能够承受100kg的固体垃圾并把它们 送到厌氧消化器前。将这些袋子被装入送料斗并传送到自动开袋器单元610进行开袋以 将有机废物暴露出来。打开的袋子和其内容物通过一系列运送机运送到筛选机620。筛 选机620将打开的塑料袋和无机材料从固体有机废物中分离以使有机份含量最大化。已 筛选的有机废物被送到有机物存储仓630等待进一步加工。被分离的无机材料，包括金
属、塑料、橡胶、沙和纸，被运送到一个无机物存储料斗，在此将其卸到大型容器内， 然后用卡车运走进行回收或进行垃圾填埋或焚烧处理。
将有机废物从有机存储仓630运送到有机破碎机640将有机污泥破碎成更小的尺 寸，优选小于20mm。向破碎的污泥中加水以形成干固份含量约10-20%的均匀的泥浆/ 污泥。泥浆通过l-6个入口引入消化釜600的下部区域"播种"原料泥浆并与嗜热熟化 污泥混合。为了将原料泥浆/污泥加热到适合嗜热厌氧菌发生消化的温度(一般为 52-55°C )，原料泥浆/污泥在填充到输送管道以传送到消化器上部区域之前先将其通过 与螺杆泵(在其中进行彻底混合)连接的l-6个出口从底部抽出并通过热交换器加热到 约55°C。热交换器可以通过燃烧产自消化器的甲烷对水加热然后通过热水供热。当加热的混合污泥沿输送管道向上移动时，该污泥随着从上部区域移到下部区域而释放热 量，加热的原料污泥将热量传递给消化器中的污泥以保持污泥处于最佳运行温度。因此 加热的原料污泥沿输送管道向上移动时将加热熟化污泥并保持温度约为52'C或任何其 它温度，优选约52-55°C。当混合污泥从输送管道排放出来进入反应室的时候便开始进 行厌氧消化。反应室内的条件适合发生厌氧消化，如温度足够高且保持轻度真空以保持 气态氧的低浓度。
随着消化的进行，生成了纯度大约为65。/。的甲垸气。甲烷气通过位于消化釜上部区 域的气体出口进入气体收集单元800进行收集和处理。甲烷气在真空下提取并储存在气 体存储单元如气体存储罐650中。生成的所有甲烷均用于气体发电机进行发电，所产生 的热量用于对水进行加热以加热消化之前的原料污泥。当气体发电机不运行的时候气体 燃烧安全系统660与气体收集单元结合起来使用以消耗掉甲垸气。
鼓风机670从气体存储罐650中抽取气体送入气体发电机680的注射器。气体发电 机680燃烧甲垸以发热和发电。所发的电送入一个与电网相连的变电站。所发的热则有 各种应用，包括原料污泥在进入消化釜之前通过热交换器690预热原料污泥，保持消化 釜处于嗜热消化所要求的温度，市政供热，将该热量用于液体干燥剂再循环的，或者其 它要求在85-95'C温度范围低温加热的应用。在一些实施例中，当气体发电机不运行的 时候，可以通过燃气或燃油锅炉700和热水系统710进行供热。冷却系统720用于防止 气体发电机过热。
混合污泥连续送入消化釜600。原料污泥消化所需要的时间大约是16-21天。消化 了的污泥，这里也称为沼肥(熟化污泥)被连续排放。为了达到每天处理300吨食物垃 圾/饭店垃圾的处理速率，可以使用例如内径约12m、内高约28m的消化釜。在该例子 中，消化釜的运行温度为52'C,压力为0.05bar。
再循环一部分熟化污泥(与原料污泥/泥浆混合)，另一部分进入堆肥单元900。通 常，堆肥单元包括一个脱水单元以使熟化污泥脱水形成干燥过滤体； 一个混合装置以将 结构材料混合入干燥过滤体中； 一个堆肥装置用于将干燥过滤体进行堆肥。堆肥单元送入脱水螺旋压榨机730提取游离水，形成含有25-30%干固份的干燥过滤体。从沼肥(熟 化污泥)中提取的游离水再与破碎的原料污泥混合形成泥浆。因此，干燥过滤体被送入 混合装置与结构材料混合。
与结构材料混合有利于对干燥过滤体进行堆肥，在本实施例中，在螺旋混合器740 中进行混合，螺旋混合器740设计成能够均匀地分配结构材料到过滤体中以保证适当的 通风。然后将混合过滤体放到堆肥处理建筑物地上的堆750里。这些堆的形状可以设置 成任何形状以适合该建筑物或土地空间分配进行堆肥。为了利于堆肥的通风，这些堆应 定期使用料堆旋转器进行旋转重新混合这些堆，例如每个2-3天。
为了加快堆肥进程，在土地稀缺地区或气味耐受力低的地区，可以在封闭的堆肥单 元采用静态通风大堆进行堆制肥料，封闭堆肥单元具有特别建造的地板，可以为堆肥持 续提供空气。该堆肥单元的地板具有与气管连接的通风管口 。为控制堆肥过程中的温度， 空气滤过干燥过滤体，而洒水车提供需要的湿气。堆肥单元中的条件，例如温度和湿度， 可以通过调整洒水车和通风管口的供气量进行监控。
堆肥大约4个星期以后，这些堆从消化污泥变成适合当作肥料的熟化生物堆肥。在 堆肥分离器760内筛选堆肥重获结构材料，与来自螺旋压搾机的干燥过滤体一起循环利 用。筛选后的堆肥以散装堆肥形式存储在仓库内，随后送往装袋厂装袋，每袋25kg，然 后堆成每堆l吨的堆。
总之，本发明提供了碳中和、零排放和经济上可持续的厌氧消化污泥的装置、方法 和系统。不产生废水，干燥沼肥(熟化污泥)所产生的所有废水均送入消化釜形成泥浆 /污泥。气味被最小化，因为所有产生气味的区域均经由管道通过鼓风机提取并处理。 这包括有机废料腐烂过程中产生的讨厌的气体，在进入消化器之前和堆肥过程中在有机 净气器中进行提取、净化和处理。气体发电机产生的噪音在工厂外面不高于55分贝。 用于堆肥的结构材料也全部再循环，不会进一步产生垃圾。
尽管通过优选实施方式对本发明进行了描述，但是应该理解为还可以进行任何不偏 离本发明权利要求所定义的实质和范围的改变和改进。
权利要求
1、一种厌氧消化污泥的装置，包括具有一个上部区域和一个下部区域的消化釜，以及一个位于该消化釜内的将原料污泥转化成熟化污泥的反应室，一个将原料污泥引入消化釜的入口，至少一个将污泥从消化釜的上部区域引导到消化釜的下部区域的输送管道，所述至少一个输送管道位于消化釜内，其长度的至少一部分位于反应室内以与在反应室内移动的污泥接触，从而导致热量从在至少一个输送管道内移动的污泥传递给反应室内的污泥，以及一个位于消化釜下部区域的出口，以从消化釜中排放熟化污泥。
2、 如权利要求1所述的装置，其中设有至少一个输送管道适于促进热量从在 该至少一个输送管道内移动的污泥向反应室内的污泥传递。
3、 如权利要求1或2所述的装置，进一步包括一个驱动装置以使污泥在该至 少一个输送管道内移动。
4、 如权利要求3所述的装置，其中该驱动装置包括螺杆泵。
5、 如权利要求1至4任一项所述的装置，其中该至少一个输送管道设在反应 室内。
6、 如权利要求1至5任一项所述的装置，进一步包括多个输送管道。
7、 如权利要求1至6任一项所述的装置，进一步包括再循环装置，将从出口 离开消化釜的一部分熟化污泥重新引入消化釜。
8、 如权利要求7所述的装置，其中再循环装置包括连接在入口和出口之间的 再循环管。
9、 如权利要求1至8任一项所述的装置，其中入口位于消化釜的下部区域。
10、 如权利要求9所述的装置，其中入口与该至少一个输送管道连接。
11、 如权利要求1至8任一项所述的装置，其中入口位于消化釜的上部区域。
12、 如权利要求1至11任一项所述的装置，其中消化釜适于在反应室内保 持真空。
13、 如权利要求1至12任一项所述的装置，其中反应室适于促进污泥的厌 氧消化。
14、 如权利要求1至13任一项所述的装置，进一步包括混合装置，用于混 合原料污泥和熟化污泥，从而形成混合污泥。
15、 如权利要求14所述的装置，其中混合装置包括位于消化釜下部区域的 混合区域，所述混合区域适合从反应室接收熟化污泥以及从入口接收原料污泥。
16、 如权利要求15所述的装置，其中混合装置进一步包括至少一个螺杆泵， 该螺杆泵具有一个位于消化釜下部区域的入口。
17、 如权利要求16所述的装置，进一步包括一个热交换器，加热螺杆泵中 的混合污泥。
18、 如权利要求16或17所述的装置，其中混合装置包括多个螺杆泵。
19、 如权利要求1至18任一项所述的装置，进一步包括一个气体出口，该 气体出口位于消化釜的上部区域。
20、 一种厌氧处理污泥的方法，包括将原料污泥引入权利要求1至19任 一项所定义的装置，使污泥穿过反应室并停留一定时间足以使污泥被厌氧消化，以 及通过输送管道将一部分污泥从消化釜的下部区域引导到消化釜的上部区域，以及 从经由出口排放消化污泥。
21、 如权利要求20所述的方法，其中该装置的反应室含有一种适合进行污 泥厌氧消化的微生物。
22、 如权利要求20或21所述的方法，进一步包括筛选污泥，以在引原料污 泥进入装置之前出去污泥中的无机材料。
23、 如权利要求20至22任一项所述的方法，进一步包括在引污泥进入装置 之前破碎原料污泥。
24、 如权利要求23所述的方法，其中有机废料被破碎后直径小于20mm。
25、 如权利要求20至24任一项所述的方法，其中破碎的有机废料与水混合形成干固份浓度约为10-20%的原料泥浆。
26、 如权利要求20至25任一项所述的方法，其中原料污泥与消化污泥混合 形成混合污泥，然后经由消化器内的至少一个输送管道将该混合污泥引入消化釜。
27、 如权利要求26所述的方法，其中混合在引入消化釜之前先进行加热。
28、 如权利要求26或27所述的方法，其中原料污泥与消化污泥以原料污泥: 消化污泥至少l: 9的比例混合。
29、 如权利要求20至28任一项所述的方法，其中反应室的温度维持在约 50-65。C之间。
30、 如权利要求20至29任一项所述的方法，进一步包括将从消化釜排放的 熟化污泥进行堆肥处理。
31、 如权利要求30所述的方法，其中堆肥处理包括使熟化污泥通风和润湿。
32、 如权利要求30或31所述的方法，进一步包括混合熟化污泥和结构材料。
33、 如权利要求30至32任一项所述的方法，进一步包括在进行堆肥处理之 前将排放的熟化污泥进行脱水处理。
34、 如权利要求33所述的方法，其中所述脱水处理进行到发酵污泥中的干 固份约为25-30%为止。
35、 一种厌氧消化污泥的系统，所述系统包括除去原始废物中无机材料的 筛选装置，混合原始废物入泥浆，以及，如权利要求1至19任一项所定义的厌氧消 化原始泥浆的装置。
36、 如权利要求35所述的系统，其中筛选装置包括一个回转筛，筛选尺寸 约为150。
37、 如权利要求35或36所述的系统，其中筛选装置包括一个电磁体以除去 含铁材料。
38、 如权利要求35至37任一项所述的系统，进一步包括一个发电机单元， 以将所述厌氧消化过程中生成的生物气体燃烧产生的能量转化成电。
39、 如权利要求38所述的方法，进一步包括一个热交换单元，以将所述燃 烧产生的热量传递给被引导进入消化釜的一部分原料污泥。
40、 如权利要求35至39任一项所述的系统，进一步包括一个气体存储单元， 以存储污泥消化过程中产生的生物气体。
41、 如权利要求35至39任一项所述的系统，进一步包括一个堆肥单元，将 从消化釜排出的熟化污泥进行堆肥处理。
42、 如权利要求41所述的系统，其中所述堆肥单元包括一个除去污泥中水 分的脱水单元， 一个混合木屑与在脱水单元内处理过的污泥的螺旋混合器，以及一 个将与木屑混合的污泥转变成堆肥的堆肥装置。
全文摘要
一种厌氧消化污泥的装置，包括具有一个上部区域(104)和一个下部区域(105)的消化釜(100)，以及一个将原料污泥转化成熟化污泥的反应室(107)，一个将污泥(109)引入消化釜的入口(112)，至少一个将污泥从消化釜的下部区域引导到消化釜的上部区域的输送管道(120)，所述至少一个输送管道位于消化釜内，其长度的至少一部分位于反应室内以与在反应室内移动的污泥接触，从而导致热量从在至少一个输送管道内移动的污泥传递给反应室内的污泥，以及一个位于消化釜下部区域的出口(114)，以从消化釜中排放熟化污泥(116)。
文档编号C02F3/28GK101421194SQ200680053768
公开日2009年4月29日 申请日期2006年3月30日 优先权日2006年3月30日
发明者邱德福, 雷恩哈德·格什尔 申请人:Iut环球私人有限公司