专利名称：生物蒸气刺激系统的制作方法
生物蒸气刺激系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年5月14日提交的美国临时申请US61/345，012的益处和优先权。
背景技术：
填埋场传入的固体废物中湿气含量通常足以提供有机物质完全转化成甲烷。然而，湿气分布不均，而基于某些固体废物的实践下，其被提取而未替换，由此将该废物保持在原地，直到维修基金用尽之后的更晚时间并且经过场地覆盖物腐蚀和水侵入的过程使固体废物引入到雨水中才能够使废物生物地转化为甲烷。
废弃物厌氧转化成甲烷，需要大量的细菌家族和大量将固体废弃物破碎成能够通过形成甲烷菌转化成甲烷的组分和气体的过程步骤。依据细菌家族、营养物和微量营养物、 温度、碱度/pH值和湿度的环境越好，根据所转化废弃物的量和废弃物转化速率的有机废弃物转化就越有效。
图1提供了填埋场有机物质由此转化成甲烷的路径的举例说明。在所述厌氧食物链内，复杂有机化合物由各种细菌通过各种厌氧或发酵生物化学反应进行降解。这些反应导致产生可溶性的简单有机化合物。由于一群细菌提供可溶性化合物，则它们通过另一群细菌迅速当作底物而降解。对于甲烷的生产，这些化合物必须降解为可以被形成甲烷细菌用作底物的简单有机和无机化合物。这些化合物包括有机甲酸盐(酯)、甲醇、甲胺和乙酸酯 (盐)和无机物氢和二氧化碳。
厌氧食物链由若干兼性厌氧菌和将复杂有机物降解并转化成简单有机物的厌氧菌组成。在厌氧食物中产生的最终有机物是甲烷。这种化合物是碳的最还原形式。
甲烷通过形成甲烷菌由有机化合物如乙酸酯(盐)(方程I)或由无机二氧化碳(作为碳酸氢盐(HC03_)或碳酸盐(CO3))与氢(H2)(方程2和3)的复合而生成。
CH3COOH — CH4+C02(I)
4H2+HC03+H+— CH4+3H20(2)
4H2+C03+2H+— CH4+3H20(3)
这些生物消耗氢气与二氧化碳产生甲烷。现有三大主要的形成甲烷细菌种群。这些种群是(I)氢营养型形成甲烷菌，(2)乙酸营养型形成甲烷菌和(3)甲基营养型形成甲烷菌。术语“营养型”是指被这种细菌用作底物。表I举例说明了一些被形成甲烷细菌使用的底物。表2举例说明了不同物种的形成甲烷细菌及其底物。所述厌氧食物链内，还有细菌之间的互养关系。在这些关系中，涉及至少两种不同的细菌而一种生物的活性依赖于另一种生物的活性。这种厌氧食物链中互养关系的一个例子是产氢细菌和耗氢细菌之间的相互关系。在此关系中，产氢细菌将有机物降解成更简单的化合物和氢(方程4)。
葡萄糖+4H20 — 2 乙酸酯(盐)+2HC03+2H++4H2 (4)
细菌通过使用酶降解底物。
酶是催化生物化学反应的蛋白质分子。底物降解中会涉及到两种类型的酶内酶和外酶(图2)。内酶产生于所述细胞内而在细胞酶降解可溶性的底物。外酶也产生于所述 细胞中，但会通过“粘质”涂层释放至连接至粘质的不溶性底物。一旦接触底物，外酶就溶 解颗粒和胶质底物。一旦溶解，这些底物就进入细胞而被内酶降解。
被形成甲烷细菌利用的底物
底物化学式乙酸酯(盐)CH3COOH二氧化碳CO2一氧化碳CO甲酸酯(盐)HCOOH氢H2甲醇CH3OH甲胺CH3NH2
表I
形成甲烷细菌物种及其底物
物种底物甲酸甲烷杆菌二氧化碳，甲酸酯(盐)，氢嗜温甲烷杆菌氢，CO2, CO弗里西亚甲烷球菌氢，甲醇，甲胺马氏甲烷球菌乙酸，CO2, H2,甲醇，甲胺
表2 发明内容
生物蒸气刺激系统优选包括用于混合细菌和营养物以及用于生长细菌的组件和 过程传感器，以及向所选填埋场体积(或其它碳或生物质源)中提供以下方面适当平衡的新 型递送系统(I)厌氧细菌，(2 )营养物和(3 )用于通过冷凝而沉积的载气加湿，这通过各种 传感器测定。填埋场场地条件、填埋场气体、填埋场气体冷凝液的温度、pH、碱度、C0D/B0D、 气体组成的测定结果；氧化还原电位(0RP)，挥发性酸浓度，和/或其它参数可以用作过程 控制输入。基于场地内厌氧细菌群健康和状态的这些测定的指标，可以管理各种过程变化，如细菌组成，添加剂，营养物组成和数量，递送至场地加湿的载气中的进料液体的温度和 pH,由此建立和/或恢复有机废弃物或其它含碳材料转化成甲烷有效生物环境。
这种填埋场或其它废弃物的生物蒸气刺激提供了 (I)在填埋场(或其它废弃物 形成)经济寿命期内，填埋场以受控模式经由废弃物有机转化的稳定化作用，(2)甲烷气体 从废弃物产生用于各种能量和其它有益用途，(3)碳经由生物转化成甲烷的螯合作用，(4) 填埋场上的空气空间增加而能包含更多废弃物，从而降低了填埋场固体废弃物储存的占地 面积，和(5)特定天然细菌的利用而经由降低硫化氢生成或增加更多挑战性废弃物如木质 素等的转化改善气体的质量。
生物蒸气刺激提供了固体废弃物流厌氧转化的改善气候，温度控制的营养物和细 菌的溶液富含用微量营养物和碱度对照物补充的水，用于结合固体废弃物平衡的细菌生物 消耗成甲烷气体，而将所富含的水蒸气消耗和转化成甲烷。按照那种模式，蒸气加入将等于 细菌生长和固体废弃物通过生物种群步骤降低而导致甲烷生成，而不会形成水压柱。
图1举例说明了有机物质能够由此转化成甲烷的路径。
图2描述了底物降解所涉及的两种酶类型的消化特性。
图3显示了两种类型的形成甲烷细菌的消化特性。
图4描述了典型细菌/生物-营养物的测定、混合、加热、过滤和泵送设备。
图5描述了典型载气和细菌/生物-营养物混合和注入系统，包括正视图5A，侧视 图5B和详细局部视图5C，5D和5E。
图6是温度-焓T-H图。
图7显示了混合之前气体温度作为水温度的函数的降低。
图8举例说明了两个填埋场的温度分布图。
图9和10举例说明了两种主要载气的典型冷凝百分数。
图11和12显示了初始载气温度。
图13显示了典型注射器/井模式和控制系统。
具体实施方式
有机化合物通过产氢细菌的所需降解，只要氢分压能够保持低于〈10_4大气压就 会发生。
没有单一种细菌能够产生所有固体废弃物和其它生物质中发现的大量各种颗粒 物和胶状底物降解所需的胞外酶。每种外酶，以及每种内酶，仅仅降解特异性的底物或底物组。
因此，需要大量而各种各样的细菌群才能确保合适类型的内酶和外酶可用于降解 现有底物。表3举例说明了某些底物所需的酶，而表4举例说明了酶如何用于由固体形成 甲烧的关键路径中。
厌氧细菌的甲烷气体生产通过辅酶能够促进。辅酶是引入到酶中而容许酶工作更 加有效的载金属有机酸。辅酶是细菌细胞获得能量而从降解底物中移除电子的产能电子传 递系统的组件。辅酶用于将二氧化碳(CO2)还原成甲烷。含镍辅酶在形成甲烷细菌中是重要的氢载体。
有两种类型的酶能够用于降解底物。外酶产于细胞内并通过细胞膜和细胞壁释放出来而水解已经通过涂覆细胞的胞外粘质液吸收的不溶性底物。溶解度废弃物进入细菌细胞中而通过内酶降解。为了达到其最佳转化率，这些细菌需要具有平衡的营养物和微量营养物供给。
外酶和底物
要降解的底物所需外酶实例细菌产物多糖糖化菌纤维素纤维素杆酶单糖蛋白蛋白水解酶蛋白酶杆菌氨基酸脂质溶质酶脂肪酶分枝杆菌脂肪酸
表3
固体厌氧消化三阶段中所用的酶
阶段活性所用酶第一水解颗粒状和胶状废弃物的溶解外酶第二成酸可溶性有机酸和醇转化成乙酸，二氧化碳和氢内酶·第三形成甲烷作用生成甲烷和二氧化碳内酶
表 4
为了实现更接近其最佳转化率，这些细菌需要具有平衡的营养物和微量营养物供5口 ο
厌氧细菌营养物和微量营养物
细菌细胞的化学组成如表5中所示。为了保持细胞结构的健康，两种最重要的常量营养物是氮和磷。这些营养物，就像所有的营养物一样，仅仅以可溶形式供细菌使用。这些形式是氨氮(ch4+-n)和正磷酸盐-磷(hpo+4-p)。某些甲烷细菌能够从其它源获得氮。如果基于化学需要量(COD)的测定对需要氮的生物气体冷凝液或浙滤液进行测定，则氮能够通过加入氯化铵、安睡或脲进行供给。如果需要加磷，则可以使用磷酸盐和磷酸。
细菌细胞的元素组成(干重)
元素近似百分组成碳50氧20
权利要求
1.一种用于将生物蒸气弓丨入到填埋场的生物质中的生物蒸气刺激方法，包括以下步骤选择至少两种细菌和用于每种的相应营养物；将所选的细菌和营养物加入到含水混合室而形成细菌和营养物的生物-营养物混合物；将所述细菌和营养物的生物-营养物混合物转移到温度受控槽中；在所述温度受控容纳槽中生长所选择的细菌；从生长室流出物中滤出细菌；经由传送泵将滤出的细菌和营养物的生物-营养物混合物从所述容纳槽转移至注射器中；将载气加压；将所述载气加热；将所述加热的载气与所述注射器中的所述生物-营养物混合物混合；监测所述填埋场的温度和湿度；测试注射器影响区域中的提取井冷凝液的COD/BOD/pH和其它生物学参数；和根据需要调节过程成分和过程变量。
2.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，进一步包括将以下中的一种或多种加入到所述生物-营养物混合物中的步骤微量营养物、碱、纯细菌家族、营养物、微量营养物、PH添加剂和水蒸气。
3.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，进一步包括使用加热的载气用于加湿，随后在所述载气冷却后，冷凝所述生物质内的所述生物-营养物细菌的步骤。
4.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，进一步包括以下步骤在所述生物质内使用热传感器以确定对于后续引入到生物蒸气刺激过程中的随后细菌家族的已有优势厌氧细菌群，以及确定蒸气冷凝温度，导致产生用于生物质加湿的载气温度。
5.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中生物测定结果(COD，B0D)和化学测定结果(pH，N，P)用作过程控制变量来调节营养物进料、微量营养物添加剂、碱度调节、温度控制和细菌配方。
6.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中纯细菌家族菌株(孢子)在所述混合和生长槽中被活化并随后加湿到所述生物质中，由此在将所述生物质厌氧转化成甲烷中比场地突变或野生的细菌更有效。
7.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中所述载气，二氧化碳(加上不同百分比的甲烷)，经由通过厌氧细菌转化成甲烷而被螯合。
8.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中所述载气，二氧化碳(加上不同百分比的甲烷)，通过降低所述生物质内的氢分压而使所述细菌在所述场地中消化碳上更有效地操作，也有利于经由厌氧细菌的生物质转化。
9.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中特殊的细菌家族加入到所述生物-营养物溶液中以进行特定的生物质转化功能，如消除硫化氢或消化上述生物质内的木质素。
10.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中所述生物-营养物溶液在一个或多个阶段中被加热至5 T至20 T的注射温度，以最大化经由蒸气注入进入所述生物质的所述细菌家族的存活。
11.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中由于通过变化载气与生物-营养物溶液的比率η引起所述混合物的分压发生变化，所述生物质中的注入温度通过载气与生物-营养物溶液的比率进行改变。
12.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中所述载气在中心区域经由过程加热器、太阳能、废热、电加热器或其它方式或在所述注射器顶部经由过程加热器(气体点燃， 电加热器，太阳能加热器)在所述注射器处进行加热。
13.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中在所述载气已与所述生物-营养物溶液混合之后，所述生物-营养物混合物的注入温度通过测定所述载气温度和所述加湿气体温度进行控制。
14.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中注射温度、载气温度、热传感器、湿气传感器和其它过程控制信号经由无线电波(移动电话)或其它方法传输至所述过程控制以进行过程控制改变。
15.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中热传感器的过程监测设备、湿气传感器、温度、载气与生物-营养物的比率等提供到被转化成生物气的所述生物质区域的3-D 模型的输入，以确保过程加湿范围并监控过程转化效率以便不形成水压柱。
16.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中过程信号和COD、BOD、pH等的生物测定结果被用作输入，以改变(I)细菌家族，(2)营养物，(3)微量营养物，(4)载气温度， (5)载气与生物-营养物溶液的比率和(6)细菌混合槽和细菌生长温度等。
17.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中生物-营养物溶液经由雾化喷嘴引入到所述注射器中的载气中以确保快速气化。
18.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中系列注射器和收集器井以约100英尺中心放入所述生物质基质中，经由所述生物质场地的管道改变，所述注射器井能够变为收集器井，并且所述收集器井能够变为注射器井，由此提供所述载气中的生物-营养物溶液与所述生物质更彻底的混合。
19.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，进一步包括由钢制成的注射器井，具有延伸通过井长度底部的三分之二的3〃长X 1/8〃宽的狭缝的垂直图案并且具有圆孔的管道小截面以有利于所述蒸气注入图案进入所述基质中。
20.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中所述注射器中的所述孔图案被开槽为区域特异的，从而容纳温度优势细菌物种注入到特定区域中。
21.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中涡旋叶片添加在所述注射器的顶部以对所述注射器蒸气产生旋转，导致所述载气在其排出所述注射器狭缝时产生不同轨迹，这也将有助于所述载气和生物-营养物溶液混合到所述生物质基质中。
22.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中至少三个热传感器置于注射器管道内以在各种深度处测定所述生物质基质温度。
23.根据权利要求1所述的生物蒸气刺激方法，其中少量污物放置在监测井底部处，所述监测井具有在所述注射器井下方至少10至20英尺的深度，在所述注射器井中放入湿气传感器以确保所述过程不会产生水压柱，且其仅在底部I至2英尺开槽。
全文摘要
本发明涉及用于将生物蒸气引入到填埋场的生物质中的生物蒸气刺激方法，包括以下步骤生成细菌和营养物的生物营养物混合物；在所述温度受控容纳槽中生长所选择的细菌；从生长室流出物中滤出细菌；将所述加热的载气与所述注射器中的所述生物-营养物混合物混合；监测温度、湿度和生物学参数。
文档编号B09C1/10GK103002997SQ201180034460
公开日2013年3月27日 申请日期2011年5月16日 优先权日2010年5月14日
发明者图德·D·威廉姆斯, 埃文·威廉姆斯 申请人:寒武纪能源发展公司