在压力下纯化水性有机物、 废物和 / 或废水的系统和方法 以及制备生物气的方法 本发明涉及在高压下纯化和 / 或处理有机废物和 / 或废水的系统。更具体地， 所 述系统涉及纯化和 / 或处理类似的有机物、 废物和 / 或污物的稀释物流的 ( 微 ) 生物方法， 特别适合产生可持续能量。
人们熟知的纯化装置利用放有微生物的容器和 / 或反应器等。这些微生物纯化和 / 或处理所供应的流入物。
随后对剩余物流的处理更容易， 成本也更低。实践中使用的是厌氧微生物工艺。
经过处理的水 / 淤泥混合物一般通过沉降法分离。最常规的纯化水的工艺在常压 下进行。
本发明的目的是提出一种使用效率更高的系统， 用于在高压下纯化和 / 或处理有 机物、 废物和 / 或废水的物流。
此目的通过本发明的在高压下纯化和 / 或处理有机物、 废物和 / 或污物的系统得 到实现， 所述系统包含 ：
●可密封压力容器， 该容器具有进口， 用于供应待纯化和 / 或待处理的流入物， 从 而使该压力容器适合通过厌氧微生物将流入物转化为生物气等 ；
●至少一个排放歧管， 用于从压力容器排出产物 ；
●控制系统， 用于控制纯化过程 ； 以及
●协同作用泵， 用来操纵进口， 供应待纯化和 / 或待处理的物流， 使来自压力容器 的生物气能驱使泵运转
将待纯化和 / 或待处理的由气体、 液体、 固体物质或其组合组成的物流 ( 流入物 ) 供应给生物反应器或压力容器。在微生物的支持下， 待纯化和 / 或待处理的物质在压力容 器中发生厌氧微生物转化， 由此形成生物气等。为此， 压力容器是可密封的。这样， 由于发 酵形成气体， 产生了自生压力。
在较高压力下产生的生物气中， 至少有一部分用来驱动泵， 以供应需要纯化和 / 或处理的物流。
通过供应泵的这种有效驱动， 获得了封闭的能量系统， 在该系统中， 营养物如 C6H12O6 在厌氧微生物条件下转化为 CO2、 CH4( 即甲烷 ) 和能量， 压力容器通过它们形成压 力。
这样就实现了以下效果 ： 既不需要另外供应能量来输送需要纯化和 / 或处理的物 流， 也不需要另外供应能量在压力容器内完成转化和形成压力。这就能够对有机物的水性 物流如废水进行效果好、 效率高的纯化 / 处理。根据本发明， 在上述系统中， 有机物在压力 容器内转化为压力等。
形成的压力用于驱动有机物进料泵。 此外， 形成的压力优选用于其它目的， 如从压 力容器中排出产物和 / 或产生额外的能量。
利用前面所述的封闭能量系统， 配上由通过生物方式形成的压力驱动的进料泵， 就能得到连续或半连续工作装置， 如水处理设备。
这样就也可能实现所谓的 “独立” 系统， 在该系统中， 供应有机物所需的能量由压 力容器内形成的压力提供。
本发明系统的另一个优点是， 在连续或半连续使用状态下， 压力容器内的工艺条 件大致可保持在恒定的工作点。因此， 该工艺可在更长的时间内受到最佳驱动， 这样， 所述 系统的效率得到提高， 所实施的工艺也因此得到提升。
此外， 所述压力容器优选配有淤泥膜， 用来将淤泥从待纯化和 / 或待处理的物流 中分离出来。
控制系统驱动整个工艺和 / 或调整工艺， 因此压力容器内的压力等可调节。为此， 优选在压力容器的进口和所述至少一个排放歧管内放置阀， 供控制系统调节此压力容器内 的压力。较佳的是， 所述压力容器包含用于所产生的生物气的第一排放歧管和用于待纯化 和 / 或待处理的物流中剩余水 / 淤泥混合物的第二排放歧管。
所述系统还具有能量发生机构， 以便利用至少一部分所产生的生物气产生能量。 此气体包含内能， 所述内能可例如用于下一过程。其中一个例子是以生物气形式形成的甲 烷发生燃烧， 燃烧产生的能量可用于下一过程。
在本发明的系统中， 一个突出的特点是借助于能量发生机构， 同样的生物气可用 来产生第二种形式的能量。
因此， 压力容器内通过生物方式形成的压力可加以利用， 并可转化为劳动力形式 的可用能。
这使得本发明系统的纯化步骤具有高效率， 该步骤在能量发生机构的帮助下， 能 实现对流入物的高效率的纯化。形成的生物气优选为甲烷、 二氧化碳、 氢-硫-碳-酸 (hydrogen-thio-carbon-acid) 和 / 或硫化氢。
这些气体的形成强烈依赖于待纯化和 / 或待处理物流的组成、 温度和 pH 值。 此外， 气体的形成会受到微生物数量、 种类以及压力容器内所加条件的影响。 因此， 甚至有可能更 为有效地利用所述系统。
此外， 气体的形成会受到压力容器内介质的 pH 影响。溶解的二氧化碳和其它气体 的量以及所加工艺条件影响压力容器内的 Ph。
因此， 甚至有可能更为有效地利用所述系统。
在根据本发明的一个较佳的优选实施方式中， 所述控制系统配有控制机构， 以便 调节通过膜的流量。
基于压力容器内的压力， 所述控制系统能控制通过淤泥膜的流量。
为此， 可采用调节液体和气体 ( 流入物和流出物 ) 的进入流量和排出流量的方法。
通过这样做， 有可能将需要纯化和 / 或处理的配料合适的物流与反应器中的淤泥 分离。
在根据本发明的另一个较佳的优选实施方式中， 安装选择性膜， 以便除去二氧化 碳。
通过挑选选择性气体膜或膜过滤器， 有可能从压力容器内存在的水和 / 或气相中 除去溶解的二氧化碳 (H2OCO3)。清除这种二氧化碳可在压力容器内得到更纯的物流。
在根据本发明的另一个较佳的优选实施方式中， 安装选择性膜， 以便除去硫碳酸 (thiocarbonacid)。通过挑选选择性气体膜或膜过滤器， 有可能从压力容器内存在的水和 / 或气相中 除去溶解的硫碳酸 (H2CSO2)。
这种硫碳酸是在压力下形成的。
清除这种硫碳酸可在压力容器内得到更纯的物流。
在根据本发明的一个较佳的优选实施方式中， 所述系统包含压力发生机构， 以便 获得压力， 从而进一步纯化所产生的生物气。
通过使压力升高， 气相中例如甲烷的纯度会提高。
导致这个结果的原因是， 根据亨利定律， 二氧化碳、 硫化氢及其可能的组合如硫一 碳酸在水性液相中比甲烷溶解得更多。这造成所产生的生物气 ( 甲烷 ) 的热值增加。
另一个优点是， 二氧化碳的排放有可能减少 ； 另外， 气相中硫化氢和二氧化碳的量 也减少。
二氧化碳和硫化氢及其可能的组合如氢硫碳酸在液相中的含量增加。 这种积聚使 得这些物质能够与甲烷分离。这就使得本实例中的气相具有更高的甲烷含量或纯度。若需 要， 所得格外纯的甲烷可用于其它目的。
在根据本发明的一个较佳的优选实施方式中， 所述泵包含气动泵。 通过提供直接由压力容器中通过生物方式产生的气体驱动的气动泵， 除生物气燃 烧热之外的第二种形式的能量可得到相对简单的应用。
使用所谓气动泵的优点是， 压力容器产生的生物气如甲烷可直接驱使它运转。这 样就避免了由能量转化引起的能量损失。
因此， 整个系统的效率进一步提高。
较佳的是， 来自压力容器的通过生物方式形成的较高压力可例如部分用于驱动所 谓的热泵。通过利用高压容器中的生物气产生的高压， 可提高热泵的输出量。因此， 根据本 发明的整个系统的生产量也进一步提高。
较佳的是， 根据本发明的系统配有控制系统， 所述控制系统包含使进料泵的流量 与容器压力匹配的机构。这进一步提高了根据本发明的系统的效率。
在根据本发明的又一个较佳的实施方式中， 所述系统包含气体缓冲器， 以便储存 所产生的生物气。
通过引入气体缓冲器， 能量可以通过生物方式产生的压力的形式储存在生物反应 器的压力容器中， 或者在压力容器或生物反应器之外单独储存。 通过这样做， 所产生的能量 可在任何需要的时候高效地加以利用， 因此提高了系统的效率。
本发明还涉及纯化和 / 或处理有机废物和 / 或污物的方法， 所述方法由以下工艺 步骤组成 ：
●提供如上所述的系统 ；
●向所述系统提供待纯化和 / 或待处理的物流 ；
●从残余物流中分离并排出所产生的生物气。
这种工作方法提供了在所述系统中提到的同样的效果和优点。
较佳的是， 在较高压力下， 所产生的生物气至少有一部分用于驱动待纯化或待处 理的物流， 也就是说驱动进料泵。由此得到了一个封闭的能量系统， 在该系统中， 营养物如 C6H12O6 或其它有机烃在厌氧微生物条件下转化为气体如 CO2( 即二氧化碳 )、 CH4( 即甲
烷 ) 和能量， 压力容器通过它们形成压力。 这样就实现了以下效果 ： 既不需要另外供应能量 输送需要纯化和 / 或处理的物流， 也不需要另外供应能量在压力容器内完成转化和形成压 力。这就能够对有机物的水性物流如废水进行效果好、 效率高的纯化 / 处理。此外， 所产生 的生物气优选用来通过能量发生机构产生能量。这样就实现了一种高效率的工艺。
此外， 本发明涉及产生生物气的工作方法， 所述方法包含以下步骤 ：
●提供如上所述的系统 ；
●向所述系统提供待纯化和 / 或待处理物流 ；
●从残余物流中分离并排出所产生的生物气。
这种工作方法提供了在所述系统中提到的同样的效果和优点。 在较佳的优选实施 方式中， 所述生物气包含甲烷， 它是通过较简单的方式产生的。
因此， 除了甲烷的热值外， 甲烷还可这样利用 ： 将高压转化为可用能的形式如劳动 力或气体纯度。
下面通过优选实施方式并参考附图， 解释本发明的附加优点、 特征和细节， 附图所 显示的是 ：
图1： 根据本发明的系统 ；
●图 2 ： 图 1 所示系统的简化工作示意图 ； 以及
●图 3-4 ： 图 1 所示系统的实验结果。
系统 1 具有测量和控制系统 2， 由通过生物方式产生的自生绿色压力 (green pressure) 提供动力， 用于控制通过分离膜 6、 12 的气流 3、 9、 14 和 / 或液流 4、 5、 17。测量 和控制系统 2 的具体目的是控制高压膜生物反应器 8。反应器 8 可纯化有机物、 废物和 / 或 家庭或工业污物。
因此， 生物气释放出来， 并产生洁净水。
系统 1 包含容器或罐 8， 所述容器或罐 8 装有对生物转化过程起作用的微生物的水 性悬浮液 10( 淤泥 )。生物转化过程包括有机物发生厌氧微生物转化， 形成甲烷、 其它生物 气和二氧化碳。
洗涤所产生的生物气， 不需要的成分如二氧化碳用气体膜 6 除去。经过处理的 水 - 淤泥混合物例如在膜反应器中通过淤泥膜 12 相互分离。
通过这样的分离， 生物活性物质保留在容器内， 而清洁水被分离出去。
系统 1 包含压力容器 ( 容器或反应器或罐 10)。此压力容器 8 能耐受最高达 100 巴的压力。
纯化过程在此压力容器 8 中进行。压力容器 8 中的微生物产生生物气， 生物气使 压力以自生方式升高。
此压力也称 “绿色压力” ， 一种相对新颖的生物形式的能量。系统 1 包含耐高压培 养菌。因为封闭 ( 密封 ) 容器 8 内的压力升高， 二氧化碳在水相中的溶解度会增大， 因而最 后生物气中的二氧化碳减少。因此， 所产生的生物气具有 80-90 体积％的特别高的甲烷含 量水平。
容器 8 包含两相体系， 一种是由生物气组成的气相 11， 另一种是由水 - 淤泥混合物 组成的液相 10。
因为压力以自生方式升高， 所以形成一种驱动力， 该驱动力迫使所产生的生物气通过气体膜 6。一个目标是将甲烷 15 与不需要的成分 13 分离， 以及调节酸性。同样由于高 压， 产生一种驱动力， 该驱动力迫使水 - 淤泥混合物通过液体膜 12。 另一个目标是将洁净水 与淤泥分离。
若 CO2 分压在高于 31℃的温度下升高至超过 73 巴， 则水 - 淤泥混合物中产生超临 界 CO2。
在排气 14 和排水 - 淤泥混合物 16 的流出管 ( 低压侧 ) 等管道中安装阀 18， 用来 阻挡流出的物流。在所示实施方式中， 阀 18 通过压力传感器 7 等控制， 所述压力传感器 7 记录压力容器 8 内的压力。
若压力因气体和 / 或水 - 淤泥混合物流出而下降， 则测量和控制系统 2 确保流出 量减少。
当压力再次升高时， 由于形成生物压力， 阀在必要时重新打开。
一个目标是将系统 1 保持在的足够高的预定压力值下。
在图示的实施方式中， 压力容器能耐受最高达 100 巴的内压。压力容器具有压力 表 7、 Ph 计 21， 必要时具有用来控制温度的温度计和配置 ( 未示出 )。压力容器内压力的形 成通过压力表记录。 “绿色压力” 直接或间接用来为气相和 / 或水相的膜分离过程提供动力， 其目的是 从两相中除去不需要的成分。 利用控制器件在压力容器内的压力升至高于某个可调值时让 气体流过气体膜， 在压力降至低于某个可调值时阻止气体流出。
利用另一个控制器件在容器内的压力升至高于某个可调值时让水 - 淤泥混合物 流过淤泥膜 12， 在压力降至低于某个可调值时阻止水 - 淤泥流出。
将物流 4( 流入物 ) 送过容器 20 和泵 22， 到达反应器 8 的进口 25。在图示实施方 式中， 基于效率， 泵 22 连接到马达 24 上。按照上述方式， 物流 4 被送入反应器。产生的生 物气通过排气装置 3 送出， 通过用于驱动泵 22 的气动马达 24， 或者 / 并且通过 14， 随后通 过 15， 到达气体网络。淤泥 - 水混合物通过排放装置 16 排出。 “脱水” 淤泥通过排出装置 27 排出。淤泥 - 水混合物通过排放装置 26 排出。经过处理的洁净水通过排放装置 5 排出。 在图示实施方式中， 控制器 2 连接到阀 18 和系统 1 中的传感器上。这样， 工艺条件保持不 变， 必要时可驱动系统 1。
对于图示实施方式， 系统 1 的可能的工艺条件是 ： 容器 20 的体积为 5m3， 流入量为 2.5m3， 压力为 1 大气压， 温度为 12℃， COD 为 32.8g/L， Ph 为 7。反应器 8 中气相 11 的体积 为 7m3， 温度为 30℃， 组成为 2400molCH4 和 1600mol CO2。液相 10 的体积为 36m3， Ph 为 7， 温度为 30℃。反应器内的压力在 1-70 巴的范围内， 例如对于污物， 在 1-30 巴的范围内。
实验表明， 相比于常压生物气生产工艺， 所产生的生物气中二氧化碳的含量降低。 根据亨利定律， 导致这一结果的原因是在高压下， 二氧化碳在水相中的溶解度特别大。在 31℃的温度和 73 巴或更高的 CO2 分压下， 液相还包含超临界 CO2。
液相被二氧化碳饱和。
这种由压力下降得到的二氧化碳用于减轻膜 12 的污染和 / 或淤塞和 / 或结垢。 当 膜上的污染上升到特定水平时， 就利用控制器件 2 关闭液体流出管 5 中的阀 18。
为系统 1 供应未经处理的物流 4。微生物将其转化， 从而形成生物气。这就纯化了 所供应的物流。所产生的生物气可用于其它目的， 如驱动气动马达 / 泵 22， 24， 根据亨利定
律分离甲烷和 CO2， 驱动膜分离过程， 驱动热泵和淤泥脱水。
除所产生的生物气的热能或燃烧能外， 此生物气的升高的压力也可用来转化成另 一种形式的可用能， 如劳动力。因此， 系统 1 用作能量发生器的方式实际上超过一种。较佳 的是， 基于压力容器 8 中所实现的高压的两种能量发生功能均与所供应的物流 4 的纯化和 / 或处理相结合。
除图 1( 现有图 ) 外， 图 2 描述了本发明的工作情况。4 步循环永恒发生， 其中步骤 1 通过气体压力驱动进料泵供应底物。步骤 2 产生生物气， 步骤 3 除去经过纯化的水 [ 消化 液 (digestate)]， 步骤 4 驱动其它过程 ( 例如热泵或其它使用设备 )。步骤 1 至 4 各自可 在一个循环中独立地重复进行且 / 或可跳过且 / 或可随机进行。
系统 1 作为若干实验的基础。
描述了系统和所用的材料 / 物流的一些规格， 以及一些实验结果。
规格
结果 ( 例如， 图 1 所示压力形成图 J2O 2010 年 11 月左右和图 4 所示能量产生结 果图 H2O 2010 年 4 月左右
本发明不受上述优选实施方式的任何限制。对权利的要求根据以下权利要求书 / 结论确定， 在其范围内可构思许多改进形式。