[发明专利]产生沼气或生物气体的方法

说明书

本发明涉及通过生物量(biomass)和/或污泥的多级厌氧反应产生沼气或生物气体的方法。

在一个或多个反应器或发酵罐中以可中温操作(在45℃以下的温度)或高温操作(在45℃至80℃的温度)的已知方式产生沼气。

例如，农业肥料(粪水、粪肥)、可再生原料和生物废料形式的有机物料用作生物量。

如果污泥源自于有机污染废料或COD含量超过5,000mg/l的工艺用水，则其适合于厌氧反应，并因此成为可厌氧地转换为沼气的生物量。COD代表确定为COD测量的一部分的化学需氧量，所述化学需氧量是对发生在废水中的化学性消化/净化过程所需的氧气量的量度。通过发生在水解、酸化、乙酸化和产甲烷反应期间的不同生物降解过程产生或制造沼气。细菌引起的降解过程可在有氧或缺氧条件下发生。应用最广泛的方法为湿法发酵法，在该方法中干燥物质含量TS小于15％，水含量大于85％。

实际上，根据沼气厂使用的原料和操作流程可产生甲烷含量高达65％的沼气。

例如，沼气用于综合供热供电发电厂的加热目的、或用作注入天然气网络的能源。

为了产生适合于进一步处理的高质量甲烷气体，必须去除沼气中含有的二氧化碳CO₂和其他杂质，尤其是硫化氢、氮气和氨。

沼气的纯化或再处理为科技复杂的工艺过程，该过程涉及所需装置的高级支出。

随着产生的沼气中甲烷含量的增加，甲烷气体的后续纯化或再处理的成本减少。

因此，目前已知用于调整沼气生产过程的各解决方案，从而产生具有最高可能的甲烷含量的沼气。

DE 103 16 680 A1中提出的是，用营养液装载预发酵反应器，并持续向这一反应器中注入未处理生物量、直至已建立起4.3-4.8的pH值。然后，以足够建立并维持6.7-7.7的恒定pH值的量向主反应器供应预发酵的生物量。向预发酵反应器供应来自主反应器的消化物料、作为营养液。可持续向这一预发酵反应器中添加新的生物量。向主反应器供应预发酵反应器产物的一部分，并反过来以应大致相等的量向预发酵反应器供应主反应器产物的一部分。在该回路(circuit)中两个反应器彼此流通，且pH值为所述回路的处理中的关键控制变量。这一方法的缺点在于水解、酸化、乙酸化和产甲烷的细菌是混合的。预发酵反应器中产生的沼气甲烷含量非常低、为5-20％，以至于仅可以将其与来自主反应器的沼气混合使用。

DE 10 2007 037 202 A1描述了将生物量转换为沼气的方法，所述方法在缺氧条件下在发酵罐中得以实施。向第一发酵罐供应产甲烷所需要的可再生原料以及液体和其他起始物料，并且可再生原料以及液体和其他起始物料经历发酵过程。然后，将厌氧分解产生的沼渣沼液(digestate)分成固体-液体-相，固体物质相在至少170℃的高温和至少1MPa的压力下经历热压水解。可将以这一方式处理的固体物质相返回至第一发酵罐、或供应至用于进一步发酵处理的第二发酵罐。使分离的固体物质相经受热压水解的工序复杂且成本高。

DE 10 2007 000 834 A1中提出的是，水洗并粉碎新鲜保存的(ensilaged)可再生原料、去除一部分洗涤水并使这些物料经受水解。然后，水解产物在发酵罐中以已知方式经历进一步处理、以产生沼气。

以生态学为基础，使用新鲜保存的可再生原料是不利的。所需的水洗和粉碎步骤耗能多且成本高。

所有已知方法的共同缺点在于，将生物量和/或污泥转换为沼气或生物气体时产生的甲烷收率均过低。

本发明的目的在于发明一种产生沼气或生物气体的方法，所述方法产生较高收率的原料气体或沼气、或者具有较高甲烷含量的原料气体，所述方法使得沼气厂能够更经济地运作。

根据本发明，这一目的通过权利要求1中说明的特征得以实现。本方法的优选发展是权利要求2-13的主旨。

在弱酸性至中性范围(pH值为6.5-8)内执行两个发酵阶段内生物量的反应。在第一发酵阶段内，当将TS含量维持在3-8％且容量负荷维持在1-3kgOTS/m³的同时进行所述反应。在第二发酵阶段，当将TS含量维持在8-40％且容量负荷维持在超过2kg OTS/m³的同时进行固体物质相的进一步反应，所述固体物质相来自于所述第一发酵阶段的发酵基质。这一过程中关键的是，将第二发酵阶段内所述发酵基质的TS含量设定为高于所述第一阶段的TS含量的值，优选的为其1.5-20倍大。