[发明专利]用于生物质材料的固态甲烷发酵的方法及其发酵设备系统

说明书

背景技术

本发明涉及固体生物质材料的不使用水的酸性发酵和甲烷发酵方法，以及使用所述方法的发酵设备系统。

湿甲烷发酵(wet methane fermentation)过程作为厌氧条件下生物质的甲烷发酵方法得到了广泛应用，所述过程中将与水混合的固体生物质进行厌氧发酵。

然而，在这样的湿甲烷发酵过程中存在设备成本较高的缺点，因为每体积起始生物质材料必需大约15至20体积的发酵罐，因而增加设备的容积。

干甲烷发酵(dry methane fermentation)过程将这种缺点消除，在该过程中固体生物质材料在厌氧细菌的帮助下进行甲烷发酵。根据这种方法，处理1体积起始材料所需的发酵罐容积是大约1.5倍体积，从而可能将设备最小化至一定程度。然而，还存在这样的缺点：花费长时间排出起始固体生物质材料中存在的空气，以保持甲烷发酵所必需的厌氧条件。如果固体生物质材料中同时存在富含湿气的垃圾或废弃食物残余物，兼性厌氧细菌会在短时间内自我繁殖，同时消耗固体材料中存在的空气中的氧气，从而迅速加速在兼性厌氧细菌帮助下的分解，以产生大量有机酸，使pH转向酸性范围。因为这些原因，在碱性范围内生长的产甲烷菌的繁殖受到抑制或终止，导致生物气的形成需要至少约一年。

关于干甲烷发酵过程，现有技术包括：有效产生甲烷的过程，其中的设备适合于生物质材料的组成和反应条件，所述过程包括在厌氧条件下对生物质起始材料进行甲烷发酵期间，将固体副材料(side-material)与粒状或浆状有机废弃材料混合，以制备具有透气性和流动性的废弃混合物，此后将该混合物进行厌氧发酵(参见JP11-309493A)；方法，其中将有机废弃材料的C/N比调整到20至250(参见JP2001-347247A)；方法，其中将有机废弃材料与无机多孔材料混合，并且将混合物导入甲烷发酵罐(参见JP2002-320949A)；和方法，其中将有机废弃材料与碳化物(carbide)混合，并且使混合物进行甲烷发酵(参见JP2005-230624A)。

然而，在所有这些过程和方法中，将生物质起始材料与单独的副材料混合，然后调整发酵条件，因此为了获得副材料和增加混合步骤的费用不可避免地会增加成本。另外，难以在进行甲烷发酵之前对兼性厌氧条件或半好氧条件进行完全的控制，也难以在甲烷发酵时控制绝对的厌氧条件。

另一方面，还已知所谓的两阶段型固态甲烷发酵过程，其中在好氧条件下于酸性发酵罐中培养光合作用细菌，而甲烷发酵罐中厌氧条件下的反应通过使用在酸性发酵罐期间产生的热量来促进，从而有效地产生甲烷(参见JP2005-81182A)。在干过程中，优选两阶段固态甲烷发酵过程，因为酸性发酵步骤中的氧浓度具有适中的可控性，还因为在固态甲烷发酵步骤中保持绝对厌氧条件的可能性。在前述方法中，将好氧条件和厌氧条件联合使用，难以设置完全相反的条件，因此至今为止尚未实现。

发明简述

已经完成的本发明的目的是，在通过两阶段固态甲烷发酵过程有效地进行甲烷形成时，提供高效产生甲烷的方法，所述方法通过在酸性发酵过程中控制好氧条件和在甲烷发酵中控制厌氧条件，并且不向起始生物质材料中添加任何外源材料。

对开发以低成本在两阶段固态甲烷发酵中有效产生甲烷的过程进行广泛的研究，结果目前发现可以通过如下方法实现上述目标：将成形为颗粒状的压碎的生物质材料进料至已引入空气的酸性发酵区中；将该区域中的生物质材料在兼性厌氧条件或半好氧条件下进行酸性发酵；压缩颗粒以去除包含非常少量氧气的气体；和将生物质颗粒转移至甲烷发酵区，其中将生物质颗粒在厌氧条件下压缩并进行甲烷发酵，同时将包含非常少量氧气的气体去除。本发明根据上述发现而完成。

按照本发明，提供通过固体生物质材料的固态发酵产生生物气的方法，其包含如下步骤：

(1)将生物质材料制成颗粒；

(2)将颗粒导入酸性发酵区；

(3)在保持氧浓度为0.01％至5.0％的半好氧条件下或兼性厌氧条件下，使颗粒中的生物质材料进行固态酸性发酵；

(4)通过压缩从生物质材料的颗粒中去除氧气来增加颗粒的密度；

(5)将致密颗粒转移至甲烷发酵区中；和

(6)在厌氧条件下，使致密颗粒中的生物质材料在甲烷发酵区中进行甲烷发酵，

本发明还提供通过固体生物质材料的固态发酵产生生物气的设备系统，其包含：酸性发酵罐，其具有将固体生物质材料制成颗粒的装置和带有可移动阀门的空气入口；和具有颗粒压缩装置的甲烷发酵罐，其通过用于隔开的(for separation)可移动阀门与酸性发酵罐相连。