有机物料的生物处理方法和实施该方法的设备 本发明涉及如权利要求1的前序部分中所描述的一种有机物料的生物处理方法。本发明同样涉及实施本方法的相关设备。
现有技术的描述：
多年来废物工业已经经历一个加速调整的过程。在这个过程中，来自家庭、商业和工业的生物废物的处理和利用问题也正日益显得重要。已经公开了许多生物的、机械/生物的或化学/生物的剩余废物利用的方法。众所周知被应用的方法是将动物和植物废物进行堆肥，在需氧转化过程中有机物被微生物充分降解或转化。除需氧腐化方法外，还公开了用于处理生物废物的厌氧发酵作用，它同样借助微生物的作用分解垃圾，在没有空气进入的情况下进行。这两种方法或者单独地或者相结合地应用于废物处理技术中。
尤其在应用需氧处理方法的堆肥过程期间，在已知的初级腐化过程中，为了将物料混合，物料在一个腐化转筒中被连续搅拌，在大约一至两天的时间内转化成新鲜的混合肥料。在静态初级腐化地情况中，被堆肥的物料处于静止状态，并且在此过程中被通气。这就需要大量空间，尤其是后续的二级腐化过程也这样。借助垃圾混合物的连续混合而进行的动态初级腐化作用的优点是物料良好的通气，物料中厌氧点的发生被抑制。
在近几年同样被公开的有机垃圾废弃物或生物废物的厌氧处理方法是基于厌氧发酵作用，也就是发酵方法，在没有空气进入的情况下，发酵导致在一个轻微放热的反应中产生沼气。此类型的方法已被公开于例如EP0037612B1，其中有机废弃物在一个装有能将可溶性的无机和/或有机物从被处理的物料中浸出的浸提液的反应器中，用静态方法进行处理。此方法在没有空气进入的情况下进行，也就是在厌氧条件下进行所谓的水解作用。
该已知方法的一个缺点是由于物料的静态处置导致捷路流道的形成，也就是所应用的液体寻找阻力最小的路径，通过单一的渠道，这是由于一种烟道效应，以致物料仅仅不完全地被浸洗液浇洗。其结果是有未被浸洗或仅仅被不完全浸洗的死区。
本发明的目的和优点：
本发明的目的是提出一种改进的生物处理方法，尤其是湿的有机物料(生物垃圾)的生物处理方法，在此方法中上文所讲的缺点不会发生，并且尤其是它代表了一种极其有效和便宜的此类物料的处理方法。此处构成本发明基础的中心思想是以浸提方法和有针对性的需氧物料处理相结合的形式对物料进行处理，导致产物非常高效的腐化。在此方法中，本发明应用一些单个的工艺步骤，其中一些步骤本来是已知的，但是它们相结合就导致生物垃圾的一种有效的处理。
按照本发明的本方法尤其具有这样的优点，因为物料的动态处理，物料中垂直和水平两个方向的捷路流道被抑制或破坏，这样用浸提液进行的喷洒就均匀地并且在所有地方都覆盖了物料，以致无死区形成。有机物被连续或不连续地循环，同时经历物料的需氧分解作用。在此过程中，喷洒自上而下地进行，伴随周期性的同时发生的物料与自下而上的气流的接触，以获得需氧降解。
腐化过程在按照本发明构建的一个反应器中进行，它具有相应的物料循环设备和喷洒装置及送入新鲜空气和排出浸提液的手段。
从属权利要求给出了按照本发明的方法的有利和便利的改进。
以直流模式操作反应器是尤其有利的，也就是，从一端向反应器装入物料，由于循环机制，物料慢慢地传递，穿过反应器，在另一端，物料相应地被取出反应器。
此类型的直流操作尤其具有这样的优点，即沿反应器的长度，存在不同的物料特性，这是因为由于几天的停留时间，物料的降解程度沿反应器的长度变化，物料因而可以经受不同的处理。因此，随空间和时间变化，尤其沿反应器的长度借助于浸提液和新鲜空气进行变化的处理，以发生需氧腐化。
按照本发明的反应器因而有可能对输入的物料进行极其灵活的处理，这取决于物料的组成，尤其取决于有机负荷、温度和含水量，尤其，沿反应器的长度物料的需氧转化率能够被测定，并且工艺过程能够处于闭路(closed-loop)或开路(open-loop)控制之下。
反应器中待处理物料的填充程度和反应器的三维造型及物料表面的喷洒以使最大可能的物料表面积被均匀喷洒的这样一种方式有利地互相匹配，这样就无死区形成。
此外有利的是在反应器的下部区域，提供多个室，它们同样地用作送入新鲜空气和/或作为浸提液的出口，这些室尤其被一个筛网过滤器覆盖，以尽可能地避免物料的通过。覆盖筛网可以通过反冲洗清洁，其中多个室能够共同起作用。
用浸提液淹没反应器的下部区域以便产生物料的一种悬浮，以获得更好的循环，这也是有利的，它优选在物料非常坚硬和/或非常干燥的情况下适用。
按照本发明的方法优选由以下方式进一步改进，即不同的机械/生物单元布置在直流反应器的下游，那些单元净化和再生浸提液并通过厌氧处理去除其中的高有机负荷。用此方法处理的浸提液可以再循环回按照本发明的反应器中。
关于按照本发明用于实施本方法的设备的优点在下面的实施例的描述中更详细地说明。
图1 显示按照本发明用于处理生物垃圾的反应器的侧视图，含有用图表示的用于处理浸提液的下游单元，图2～6显示反应器的纵剖面图，含有位于底部的一个室，该室处于不同操作状态下，图7 显示搅拌器轴的轴向视图的部分图。
本发明的描述：
图1所示的示意图显示了用于对优选含有许多组分的湿润生物垃圾进行生物处理的设备1，它包括用于处理有机物料的固体物反应器2和相连的位于反应器2的下游的用于可重复利用的浸提液的后处理和再生的处理单元3～5。
反应器2，相应于图1中的图示，由具有图2～5所示的垂直横断面的长外壳6组成。外壳的长度l可以差别很大，取决于设备的大小，完全作为实施例，l可以是20～30米。反应器室的高度h在此情况下为4～5米。在下部区域，反应器外壳6′的横断面大致呈圆柱形，而在上部区域6″为矩形(图2)、三角形(图3)或者整体呈椭圆形(图4)。一水平轴7穿过反应器外壳6，其优选设计成齿辊式搅拌器(stachelruehrwerk)8，它带有浆叶型或叶片型的循环元件9。轴7通过一个驱动电机10驱动。
按照图1中的图示，反应器2的外壳6在其一端，在图形的左上方，来源于有一个注入孔11，通过它按与箭头12一致的方向向反应器装入带有机负荷的物料13。在此尤其是湿的有机物料或生物物质，它们尤其来自家庭、食品加工工业、农业或剩余垃圾(填埋垃圾)的有机组分或类似的东西(生物垃圾)的生物废弃物。可以应用含有不同的在有机负荷和含水量及初始温度方面有很大变化的组分的物料。
在反应器2的另一端，与图1中的图示相一致，在右下角，有一个用于处理后的物料13的出料口14，物料按与箭头15一致的方向从反应器中排放出来。
图1所示的反应器2在其内空间17将物料13填充至一个平均填充高度hF，这样就建立了一个上覆的气体空间16。物料的填充高度可以例如为总高度h的三分之二。
在反应器内空间17的上部区域，有大量喷淋支路18，用于向物料13加入从喷淋支路18中按与箭头指示相一致的方向喷出的浸提液19。位于上部的有一个控制阀21的输入管线20，将浸提液19引至各个喷淋支路18。在按照图1的实施例中，例如，沿反应器内空间的长度进行分布，排列着七个喷淋支路18。
在反应器2的下部区域，在按照图1的实施例中，许多室22，尤其是四个室22相邻排列，它们通过覆盖筛网23与反应器内空间17隔离开来，以便物料13尽可能地不落入室22。筛孔直径在6～12毫米之间，尤其是直径为8毫米。该直径用符号d1表示。
室22有双重功能。首先，它用作收集通过物料13的浸提液。此浸提液在室22中标示为19′，并通过带一个阀部件25的出口管线24被引至歧管26。
此外，室22用于用新鲜空气27处理物料13，正如在图1中用箭头所表示的那样。新鲜空气通过压缩机28送入歧管29，从那儿通过控制阀30、管线31送入各个室22。
因为存在用来自室22的浸提液反冲洗和浸没反应器内空间17的可能性，在出料口14的区域内提供了一个溢流墙32或溢流面。相关的上部液位33如符号所示。
用于从室中出来的浸提液的下部歧管26通过一条带阀部件35的共用管线34引至用于处理浸提液的下游处理单元3～5。这些处理单元包括，尤其首先是一个干扰物分离器3，它用以去除各种类型的沉降物，例如，沙、石头或类似的东西，也就是所有穿过筛网23成为沉降物的物质。沉淀物通过一个输送设备36去除，漂浮物或悬浮物例如塑料、木材或类似的东西通过一个撇渣装置37从干扰物分离器中去除。
如此在干扰物分离器3中净化后，浸提液通过管线38，被泵39送至一个下游的厌氧反应器单元4中，它例如设计成一个甲烷反应器(Metanreaktor)。在此甲烷反应器中，含丰富有机物的浸提液被甲烷菌(Metanbakterie)降解和净化，产生沼气或甲烷气40成为代谢产物。
最后，下游的处理单元包括一个进一步的需氧净化反应器5，它通过管线41，将浸提液的厌氧状态转换至需氧状态，曝气器42用以确保浸提液的需氧分解和活化。
按照已知工艺图的传统部件和设备单元可以用于浸提液的这三个下游处理单元3～5。
经过如此处理和净化后的浸提液，尤其是已去除高有机负荷的浸提液，从需氧净化单元5中取出，通过管线43，被泵45送至歧管44。该歧管44引至各个输入管线20直至喷淋支路18。
按此方式处理的浸提液，在设备1一定的启动阶段后，由略酸性的液体组成，最初用作浸提液的纯水由于物料13在反应器2中的需氧处理而发生酸化。此过程相当于水解，也就是可溶性盐的分解，伴随水的酸化。
设备，尤其是固体物反应器2按下述方法工作：
被连续或不连续地送入反应器2的入口11的物料13通常由湿的有机物料，尤其是生物垃圾组成，正如在开头所提到的。物料13的填充高度hF≈内空间高度h的2/3，这样就形成一个上部气体空间16。在这种情况下，与图2～5的图示相一致，确定填充高度hF以便物料13的表面46的整个宽度B都能完全被浸提液19喷淋。因此，为避免在一个相应的填充高度下物料表面积减小，反应器的上面区域设计成横断面为矩形(图2)、三角形(图3)或大体呈椭圆形(图4)。
物料13用略酸性的液体19从喷淋支路18进行均匀的喷淋，可导致可溶性的有机和/或无机物和/或由物料13分解而形成的水溶性脂肪酸的浸出。此处物料13被带有浆叶型或叶片型旋转元件9的一种螺旋型搅拌器8连续不断地或者间歇地搅拌，这是很重要的，目的一方面是为了物料13获得良好的混合。但是，搅拌也尤其用于避免由于浸提液的液体流动而在物料13中形成所谓的垂直和水平的捷路流道，以至形成不均匀的湿润或浸提，并且因此而形成死区。浆叶型或叶片型搅拌器臂9，与图1中的图示相一致，可以将许多臂彼此相邻和/或相对地排列，浆叶型末端叶片9能够相邻或交叠地设置，以便产生物料的一种盘形循环。因为轴7的旋转运动(箭头47)，此外，沿箭头48的方向贯穿反应器内空间17的慢速的轴向传递发生，这样物料13缓慢地迁移，穿过反应器，最后，在例如4～8天的停留时间后，通过出料口14离开反应器内部空间17。
在此处理过程期间，尤其与浸提过程同时进行或间断发生，通过下面的室22以一种特定的方式向物料13提供新鲜空气27，这导致物料的需氧处理以及物料放热型的自加热同时发生。此需氧处理以有机物通过适当的微生物被微生物降解而完成，由于反应器的密闭型构造，产生的强烈气味被密封起来。反应器在物料13上面的上部气体空间16被一台抽气泵49通过一个气体出口50连续抽出，这样上部气体空间16也发生充分的换气。上部空气通过减压的方式既定的抽出还确保了只有需氧状态出现在上部气体空间16。
因为物料13沿反应器的轴向连续或不连续的流动，由于不同的停留时间导致非常不相同的物料组成存在于反应器内。例如，相对新鲜和未处理的物料位于注入口11的区域内，而在后面的出口14的区域内，物料已经被处理了例如4～8天。因此，沿它的长度l，反应器可以包括非常不相同的处理阶段，它们可能变化很大。
反应器还设置了未更详细地显示的用于测定物料变化的各种参数，例如其组成、温度、含水量等等的测量装置，还可以获得浸提液和送入的空气的其它的测量数据。取决于处理的进程，相邻排列的喷淋支路18能够接收不同流率的浸提液，以便在各个支路下面出现的物料组分获得不同的浸提。同样，位于底下的例如四个室22能够接收不同流率的新鲜空气27，以便影响物料13的需氧分解过程。相应地，进行的物料混合也能影响物料性质。例如，在物料需氧降解的情况中，有机物料的表面积发生一定程度的增大，这同时也将促进浸提液19的浸提过程。因此，根据发生的需氧降解的程度，在此处必须加入最佳量的浸提液，这可以通过实验确定。此外，例如，由于物料的需氧分解，浸提液的温度升高对后续的处理单元3～5有有益的影响，以便获得浸提液的最佳再生。物料在反应器的起始区域和最后区域优选的处理在权利要求3和4中描述。
反应器2的内空间17因而可以通过适当的测量设备监测，本方法的进程可以通过一个预设的程序或者根据测定值进行控制。
相邻的下部室22被覆盖筛网23以这样一种方式密封住，以便物料13尽可能地不进入室22。对此重要的是具有直径d1的筛网宽度。
但是，经常地，筛网23必须清除杂质或堵塞物，这可由反冲洗操作完成。为此，存在并收集在室22中的液体19′或者通过关闭阀门25截住，这样室22内的液体升高，或者净化后的浸提液通过歧管51从管线43、44中取出，并通过带有一个阀部件53的输入管线52专门送入室22中(见图4,5)。在此处液体能上涨至一个与溢流墙32的高度相一致的上液位33。通过用来自压缩机28的压缩空气对此液体分隔间进行可能的额外的冲击，各个被冲击的筛网23能被吹得畅通并因此而清洁。此操作也尤其得到液压泵45或歧管51中的另一台泵54的支持。
覆盖筛网23的清洁操作也能以这样一种方式进行，即在每种情况下，只有一个室或仅仅几个室经受反冲洗操作，因此而升高的反冲洗液体排至相邻室或相邻室中的一个室。这样，例如，图1中的第一和第三个室22可以在反冲洗操作期间分别将液体排干至它的相邻室。
此外，将液体上涨至例如液位33也能具有以下作用，即物料13漂浮在此液体垫上，此物料能更容易地被混合，尤其是在物料硬或很干的情况下。
正如上面所提到的，物料13可以用浸提液19和新鲜空气27进行高度变化的处理，伴随同时进行或间歇进行物料的循环。例如，大约0.5～2m3浸提液/天·吨物料在反应器中转化。搅拌器的操作时间可以为5～60分钟/小时，速度为1～2转/分钟。
作为一个例子，图2显示物料的喷洒，在它的最大可能宽度内尽可能地遍及整个上表面46，伴随通过螺旋型搅拌器8同时进行的物料搅拌。均匀地通过物料的浸提液19收集在室22下部区域里，成为液体19′。在此状态下，还进行与新鲜空气27的接触，这样物料13同时发生需氧分解过程。
在通常情况下，浸提过程和新鲜空气的送入同时进行。图3仅仅显示了新鲜空气的送入27，而未显示浸提操作。
图4显示了直至具有上面所述的液位33的液体高度的反冲洗操作。结果是，物料漂浮在此液体垫上，这样循环搅拌器8能更轻易地进行搅拌。反应器内物料稍微升高在此混合操作期间是无害的。
在图2、3中对设备的描绘显示了通过带有阀部件30的管线31进行的新鲜空气的送入操作，空气通过下面的覆盖筛同23到达物料13。空气的作用是使物料被微生物需氧降解或需氧分解，空气收集在上部的气体空间16，并通过气体出口50从反应器内空间17中抽出来。
图5显示了通过带有开着的阀门53的管线52进行的反冲洗操作，同时伴随压缩空气的冲击；图4显示了没有压缩空气冲击时的这种操作，也就是阀门30关闭。
按照本发明的方法和相关的设备还可以通过以下描述的措施进一步优化。
正如图1中所显示的，一块额外的分隔和浸渍壁55安装在入口11的区域内。此浸渍壁55防止注入的新鲜物料能够不受阻碍地在物料表面46上以一种准捷路的方式从入口11到达出口14。新鲜物料必须沿箭头56所显示的路径首先从浸渍壁55的下面穿过，并且穿过反应器的下面部分。
在特殊情况下，已在反应器中处理的物料在从固体物反应器2中出来之前被消毒，也就是说，物料在一定时间内经受一定温度，会是很有利的。这可以通过后面的容器内容物13在一定区域l1≈(1/3-1/4)l被额外地加热来方便地实现。为此，例如，循环水从管线43通过并联管线57被抽出，该循环水在未更详细显示的蓄热器中被加热，或在图中显示的热交换器58中被加热。管线57的循环水然后可以有针对性地在反应器的上部区域被加入，或者加入到歧管44中或者进行有针对性的冲击，例如通过位于反应器后部区域的输入管线20进行。这在图1中通过最后的输入管线20′图示出来。
本方法一个有利的改进也可以是连续或不连续地从一个活化设备中向注入口11的区域内加入活性污泥或剩余污泥(Ueberschuβschlamm)。与活性污泥一起被引入的需氧微生物对有机物料的生物转化来说是一种反应加速剂。该添加在图中用箭头59表示。已经适应废物料的微生物已被证明在这种情况下是尤其有利的，此微生物可以从需氧渗透处理单元或者例如从一个生物渗滤水净化设备中取出。物料流15分出一个支流15′(显示在出口14的区域中)，这也使在渗滤浸出器6中处理的物料能够通过管线60部分再循环。额外的传送元件61可以支持这个操作。已在渗滤浸出器6中处理的物料和出现在其中已经适应了的微生物的部分再循环同样可以加速反应。这在图上表示为通过输入管线60按箭头62的方向向入口11的区域内加入。
按照图2～4中本发明的描绘，搅拌器8具有相应的搅拌臂或循环元件，它们相对于驱动轴7径向延伸。按照图5和6中的说明，为了保证搅拌效果，搅拌器8也可以每隔一段时间改变其方向。在这种情况下，通过搅拌臂8象浆叶似的弯曲，或者与图5相一致，循环元件带有一个偏角X，或者与图6中的图形相一致，循环元件设计成弧形，可以增强搅拌效果。在搅拌臂8成浆叶型结构的情况中，主要的旋转方向用e表示。当旋转方向按箭头e的方向时，获得最佳混合。但是，当物料13被严重污染时，例如带有塑料薄膜和绳子等等，它们将缠绕在搅拌臂8上。为了将搅拌臂8从这种缠绕中解放出来，搅拌器轴7每隔一定时间按相反方向与箭头f的方向相一致地旋转，通过这种方式，因为搅拌臂8的稍微倾斜、切向的或弧形的布置，污物被物料13本身的摩擦力从搅拌臂8上刮下来。在按照图5的图示中和按照图6的图示中产生相同效果。
按照图6中的图示，此外，下面的筛网23可以通过搅拌器进一步被清洁。为此，在搅拌臂8的端部，安装抗磨的部件63作为挡板。位于搅拌臂8端部的这种抗磨部件或刮板63可以从外部通过另外的开口65用未详尽显示的一种卡紧装置64将其装入、调节或更换。
在按照图6的圆柱形设计的容器6′的情况中，此外，搅拌器8可以偏离中心位移，优选向下偏离，距圆柱体纵轴66的距离为Z。这种布置的结果是搅拌器的半径R2小于圆柱形容器的半径R1，这样刮板63只能作用在下面的筛网23上，而不会对容器内壁产生不希望的磨损。
按照图7中所示的搅拌器轴7的纵向视图的部分图，搅拌臂8也可以弯曲一个角度Y安装在轴8上，这是有利的。搅拌臂的这种弯曲引起类似于轮船的螺旋浆的桨片效果，并因此产生平行于搅拌器轴7的纵向轴的一个轴向推动力。如果例如搅拌器轴7按箭头e的方向旋转，物料13沿流向g的方向传递。如果旋转方向改变至与箭头f一致，物料沿箭头h的方向移动。搅拌器轴7的旋转运动因而能通过弯曲成螺旋浆形状的搅拌臂对物料产生一个向前或向后的推力。
对一定的物料组成，上面描述的效应对新鲜物料12与反应器内的物料13的后混合和用物料13进行接种培养是必要的。
本发明不局限于所图示和描述的实施例。相反，它还包括本领域的熟练技术人员在权利要求范围内所做出的改进。