申请日2011.01.26
公开(公告)日2012.09.05
IPC分类号C05F5/00; C02F3/28
摘要
本发明公开了一种利用高浓度有机废水废渣生产车用沼气燃气的方法，包括有机废渣催化液化及高效液相发酵、生物厌氧发酵、沼气净化和沼气压缩得到车用沼气燃气，采用“EM”微生物菌和自身生物污泥菌复合，增加了反应器内微生物种类的多样性，本方法生产沼气，1m3淀粉废水可产5.13m3沼气，1m3木薯酒精废水可产8.55m3沼气，1m3糖蜜酒精废水可产37.8m3沼气，每吨木薯渣产60m3沼气，淀粉酒精废水COD去除率为95%，糖蜜酒精废水COD去除率70%，废渣利用率95%，回收沼气后的废水用好氧技术处理全部达标排放，回流工厂使用或农灌，废渣通过生物发酵技术处理成有机肥，变废为宝，实现了废水废渣资源化可持续利用的“双赢”模式。
权利要求书
1.一种利用高浓度有机废水废渣生产车用沼气燃气的方法，包括有机废渣催化液化及高效液相发酵、生物厌氧发酵、沼气净化和沼气压缩得到车用沼气燃气，其特征在于：工艺步骤包括：
(1)混合加热：将酒精废液、淀粉废水有机废液和热解有机废渣均匀混合，加热到35～40℃熟化;
(2)生物厌氧发酵：采用微生物菌群混合加入到涡流、层流和脉冲流式厌氧生物反应器内进行快速生物厌氧发酵，所述的微生物菌群是日本国琉球大学提供的“EM”微生物菌群，先将“EM”菌种用液体培养基或固体培养基在15～25℃、pH3～5的条件下，用密封容器培养3～7天，得到“EM”扩大菌种，加入量与污水的重量比例为1∶1000～10000;或者取木薯酒精废水、糖蜜酒精废水、生活污水氧化塘池底的污泥自身生物污泥菌进行富集驯化培养，每种污泥重量取1/3，用液体培养基或固体培养基在15～25℃、pH3～5的条件下，用密封容器培养3～7天，得到扩大污泥菌菌种，加入量与污水的重量比例为1∶2000～20000;所述的生物污泥菌，是适应高浓度有机废水处理的高效产甲烷菌群;
(3)沼气储存：经过厌氧发酵产生的沼气储存备用;
(4)沼气净化：沼气通过沼气净化装置进行净化处理;
(5)沼气压缩：经净化的沼气在压缩装置中进行压缩，得到车用沼气燃气;
(6)副产品及回用水：将厌氧发酵反应后的废液回收沉淀，沉淀物质按常规方法生产有机肥料，废液经过好氧反应后，得到生产回用水或农灌水。
2.根据权利要求1所述的利用高浓度有机废水废渣生产车用沼气燃气的方法，其特征在于：所述的沼气净化，包括对二氧化碳、水和硫化氢脱除。
3.根据权利要求1所述的利用高浓度有机废液废渣生产车用沼气燃气的方法，其特征在于：所述的好氧反应，是将生产沼气废液采用充空气方法或好氧塘技术处理得到生产回用水或农灌水。
4.如权利要求1所述的利用高浓度有机废水废渣生产车用沼气燃气的方法，其特征在于：采用的设备的连接，催化热解装置(24)与混合池(23)、热交换器(22)、厌氧发酵罐(21)、沉淀罐(25)、好氧系统(26)、好氧塘(27)用管道依次连接，厌氧发酵罐(21)的出气口连接沼气罐(1)，沼气罐(1)与吸收塔(5)的入气口之间设置的常压缓冲罐(2)、低压压缩机(3)、缓冲罐(4)通过管道依次连接，吸收塔(5)的底端通过管道依次将高压水储罐(6)、高压水泵(7)、解吸塔(8)、循环罐(10)、循环水泵(12)、热交换器(14)和吸收塔(5)的顶端循环连接，脱硫塔(13)的顶端和解吸塔(8)的顶端通过管道连接，底端直接排空，吸收塔(5)的顶端通过管道依次将预脱水装置(15)、脱水塔(16)、高压压缩机(17)、20.0MPa缓冲罐(18)、CNG运输车(19)和气站(20)连接。
说明书 [支持框选翻译]
利用高浓度有机废水废渣生产车用沼气燃气的方法
技术领域
本发明属于沼气净化处理领域，涉及一种利用木薯酒精废水、糖蜜酒精废水、木薯淀粉 废水废渣、农副产品加工废弃物等有机物规模化生产沼气的方法。
背景技术
制糖的下脚料糖蜜、木薯加工及木薯酒精生产，不但产生巨量的废液，(每生产一吨酒精 产废水13m3)，而且由于其化学需氧量(COD)20000～100000mg/L，浓度极高，难分解的有 机残留物多，以及PH值过低、高含硫(糖蜜酒精废液尤其，可达8000mg/L以上)等特性。， 加之使用不当，使常规的UASB处理方法效果不理想。通过筛选高效和硫还原菌群、改进污泥 颗粒的培养方法及其在涡流、层流和脉冲流的厌氧生物反应器内的稳定运行，使得有机负荷 (OLR)由一般的3～5kgm3/d提高到20～30kgm3/d。COD去除率达70～95%，实现了1m3糖蜜 酒精废水日产沼气37.8m3，1m3木薯酒精废水日产沼气8.5m3。1m3木薯淀粉废水日产沼气5.1m 3，一吨木薯渣日产沼气60m3。实现高浓度有机废水废渣无害化处理和资源化利用的“双赢” 模式。同时，也为苦于石油天然气紧缺，急欲开发沼气产业的燃气企业提供充足的生物天然 气源。
车用汽油属于不可再生的能源，排出的尾气对大气造成严重的环境污染，对人体的健康 也产生很大的危害，开发新的环保型能源已成为全球的一个重大课题。
沼气作为一种可再生、可持续供给的生物能源，在农村新型燃料和照明已经得到了广泛 的应用，近年来也出现了以沼气作为车用燃料的应用。
原产沼气中的气体成分与含量如下：
沼气中的气体成分与含量(%(V/V))
气体 CH4 CO2 H2O N2 O2 H2 H2S 含量 55～65 30～38 2～3 ≤1 ≤0.5 ≤0.4 500～1500ppm
其中二氧化碳、水和硫化氢在压缩过程中或在做车用燃料燃烧过程时严重腐蚀设备和管 道，二氧化碳又降低沼气的甲烷燃烧值。鉴于这两个原因，二氧化碳、水和硫化氢必须在压 缩之前除去。沼气中有害气体二氧化碳的含量最高，所以沼气净化的主要问题是脱除二氧化 碳，再者，水和硫化氢也一并脱除，并达到我国《车用压缩天然气》的标准：CH4≥97%， CO2≤3%，H2S≤15mg/m3。
沼气净化技术，目前国内外常用的方法有：溶剂吸收法和固体吸附法(含变压吸附)。国 外，如欧洲的瑞典、丹麦、比利时等国家，大都采用变压吸附法和水洗法。变压吸附柱(PSA) 是以分子筛为吸附剂，加压吸附、减压解吸。它的原理是：在不同的压力下，由于分子筛对 甲烷与二氧化碳吸附量存在差异，从而达到分离目的。甲烷在吸附塔出口端富集，二氧化碳 则因解吸而得以脱除。但吸附剂的动态吸附量受限，处理较大气量时，装置显得庞大，造价 也随之增加。水洗法一般用碱性水溶液作吸收剂，如碳酸钾或氨水通过化学吸收脱除二氧化 碳和硫化氢酸性气体。但是该法再生费用高，能耗高，技术操作复杂，同时产生废水污染。
这种分离系统很类似于天然气工业中的油田伴生气分离二氧化碳的工艺。目前我国及国 外大部分现有生产装置是溶剂吸收法同时脱除二氧化碳、水和硫化氢。常用的有醇胺法(单乙 醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺等)、碱性溶液法(如热钾碱法)和砜胺法(环丁砜、聚乙二酯二甲 醚为典型溶剂)。这些方法在处理大型天然气工程时确实显示了很大的优越性，但对于中小型 天然气工程特别是沼气净化工程，就显得投资大、设备复杂、工艺麻烦。
膜分离技术应用于气体分离是近几年发展起来的高新技术。它是利用系统中各物质对膜 的亲和性不同而具有选择的溶解、扩散，达到分离目的。就甲烷和二氧化碳系统，在膜分离 选择的材料中，渗透速度相差将近10～150倍，具有很高的工业应用价值。尤其是在二氧化 碳含量高的沼气系统中，无论是投资、运行成本还是维护成本均比以上分离方法更具经济性， 是性价比最好、投资最省的高新技术。
现有的沼气净化、压缩技术公开文献如下：
中国专利：CN200310110685.7，民用沼气净化和稳压装置。该发明包括气体控制阀、气 水分离器、脱硫器、稳压器和测压表，它们装在安装盒内，相互经连接气管连接，脱硫器采 用U形连通管，两根竖管上部有上管口，底部有底部管口，均有盖分别旋封，两根竖管上部 各有通气连接管，气水分离器底部装有排水控制阀，稳压器采用弹簧、膜片、螺杆联动机构 调整设定较优压力，保证输出沼气压力稳定，不受输入沼气压力波动而变化。该装置集沼气 脱水、脱硫和稳压于一体，具有结构紧凑、体积小、脱水、脱硫、稳压效果好，压力显示清 晰，使用方便、安全可靠、节约能源。
中国专利：CN200610021700.4，利用沼气作汽车动力能源的装置和方法。该发明关键技 术是该装置包括沼气发生装置、沼气采集装置、沼气净化装置以及沼气储备装置。该装置包 括脱尘器、脱水器以及杂质脱除罐，沼气采集装置包括移动槽车和初级储气罐，沼气储备装 置为末级储气罐。在沼气出口处连接有脱尘器、脱水器、移动槽车、初级储气罐、杂质脱除 罐以及末级储气罐。利用沼气作汽车动力能源的方法包括沼气的发生、沼气的净化以及储存。 它能大规模生产沼气，沼气供给充足，利用沼气作汽车动力能源，能缓解能源如天然气、汽 油、柴油的供给压力，有利于保护能源，从而保护环境，沼气成本低廉，有利于降低运输成 本。
中国专利：CN 200610146157.0，膜分离技术净化沼气的方法。该方法具体为粪便及有机 废弃物(如秸秆、垃圾、青草等)、工业有机废水，经厌氧发酵后产生的原沼气成分复杂，除 甲烷外，还含有其它有害气体，经初步脱水、脱硫后还有30～38%二氧化碳、2～4%水和少 量硫化氢，采用膜分离技术脱除。其原理是：利用膜材料对极性物质和非极性物质的选择性 不同，而溶解—扩散速率不同，优先吸附的物质透过膜，从而将其分离。在系统中，甲烷是 非极性物质，而二氧化碳、水和硫化氢都是极性物质、酸性气体，所以可同时分离脱除，以 达净化目的。
所述膜分离提纯沼气的工艺流程及操作参数简述如下：
原产沼气柜(最好是干式气柜)压力保持在4～12KPa，温度4～35℃。经一级脱水罐和脱 硫罐，由无油气体压缩机压至出口压力0.8～1.2MPa，调至温度40～45℃。经二级脱水罐进 入中间罐，由中间罐出口的中压沼气经三级精密过滤器，滤除d≥0.01um的微尘，进入膜分 离器。该装置是以中空纤维膜组合的膜组件，两级串联。气体经过膜分离器分离后，二氧化 碳优先通过膜，渗透气得到浓的二氧化碳和少量甲烷，部分回流至压缩机前，部分排空或再 经脱硫后，压缩成工业二氧化碳出售。出口端得到纯化的富甲烷干燥气体，进入净沼气储罐， 压力为0.7～10MPa。然后同天然气一样，由橇装式CNG加气站压缩至20～25MPa，装储气瓶 组或加气柱，出售车用。
中国专利：CN200610096998.5，沼气净化、加压储存及输送工艺方法。该发明工艺方法 包括下述步骤：水洗，碱洗;碱洗用碱溶液为生石灰和水的混合液，或为氢氧化钠溶液;脱 水，加压储存，输送。该发明提供的沼气纯度提高，硫化氢、二氧化碳、水汽等杂质含量降 低，而甲烷含量大幅度提高，沼气中甲烷含量可达到70%以上，最高可以达95%以上，由于 硫化氢含量低，燃烧无异味。
中国专利：CN200710054335.1，利用沼气生产汽车燃气新工艺。该发明主要由沼气采集 系统，沼气输送系统，沼气净化系统及沼气压缩、加气系统组成，其特征在于，将沼气净化 系统进行改进，采用碱性液体和螺旋管处理沼气中的CO2、H2S;首先使沼气从底部进气口进 入注满碱性液体的螺旋管中，使沼气中CO2、H2S充分地与碱性液体接触、被碱性液体吸收， 并通过调节碱性储液罐阀门不断地使碱性液体匀速注入螺旋管中，以使碱性液体浓度保持稳 定;同时使螺旋管中的碱性液体以一定的速度由下排出口排出，排出的碱性液体经沉降后， 由地泵压入碱性性储液罐中，实现碱性液体的循环利用;然后将净化后的沼气经输出口注入 除湿器中，除湿后注入储气罐中，经压气泵泵入汽车钢瓶中。采用该工艺制得的沼气用作汽 车燃气达到了较好的使用效果，可以替代车用天然气，具有较好的应用前景，对改善农村的 生活环境，促进生态平衡，开发农村新能源，发展农村经济起到了推进作用。
中国专利：CN200810188531.2，利用生活垃圾制备车用动力燃料。该发明包括厌氧发酵 过程、沼气提纯净化过程和沼气压缩储运过程;厌氧发酵过程：将生活垃圾装填到垃圾桶仓 内，注入生活污水，密封，进行厌氧发酵产生沼气，然后将沼气贮存备用;沼气提纯净化过 程：将沼气依次经过生物脱硫塔、低压二氧化碳分离器和气水分离器进行净化处理，贮存备 用;沼气压缩储运过程：将净化后的沼气进行多级压缩后再进行深度脱水、干燥，经输送管 道输送至储气罐贮存，然后由加压气站加入汽车中使用。该发明工艺简单，操作简便，以生 活污水作为发酵催化剂，实现以污治污，在为汽车提供一种新型绿色能源的同时，有效地解 决了生活垃圾对环境的污染，实现无公害排放。
中国专利：CN200810137079.7，复合分离式沼气除杂纯化制车用天然气级燃料方法。该 发明采用基于纳微米材料和组合优化配置技术的新型高效脱硫技术和具有渗透气回流和残气 利用功能的多级膜分离复合分步分离的方法，将沼气进行高效去杂、纯化和深加工，使传统 的沼气成为具有天然气同样的高热值和清洁品质的精制沼气——天然气的系统方法和技术， 所生产的精制沼气各项指标达到国家标准《车用压缩天然气》标准的规定，以实现沼气的高 值利用
中国专利：CN200820022173.3，沼气净化压缩替代汽车燃油装置。该实用新型有脱硫器， 脱硫器的进端与沼气储存罐相连，脱硫器的出端与二氧化碳吸收塔的进端相连，二氧化碳吸 收塔的出端与干燥器的进端相连，干燥器的出端与缓冲罐的进端相连，缓冲罐的出端经压缩 机与程序控制箱的进端相连，程序控制箱的出端与二级干燥器的进端相连，二级干燥器的出 端与低压储气井、中压储气井、高压储气井的进端相连，低、中、高压储气井的出端与加气 机的进端相连。该装置可有效去除沼气中的硫化氢、二氧化碳等影响沼气燃烧值的杂质，将 沼气净化、压缩，用作汽车燃气燃料，扩大了沼气的应用范围，提高了沼气的燃烧值，生产 过程安全可靠。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术中存在的问题，实现废水废渣资源化可持续利用，节能 减排，而提出一种利用木薯酒精废水、糖蜜酒精废水、木薯淀粉废水废渣、农副产品加工废 弃物等有机物规模化生产沼气并将沼气提纯压缩成车用沼气燃气的方法。
本发明是这样实现的：
利用高浓度有机废水废渣生产车用沼气燃气的方法，包括有机废渣催化液化及高效液相 发酵、生物厌氧发酵、沼气净化和沼气压缩得到车用沼气燃气，其特征在于：工艺步骤包括：
(1)混合加热：将酒精废液、淀粉废水有机废液和热解有机废渣均匀混合，加热到35～ 40℃熟化。
(2)生物厌氧发酵：采用微生物菌群混合加入到涡流、层流和脉冲流式厌氧生物反应器 内进行快速生物厌氧发酵，所述的微生物菌群是日本国琉球大学提供的“EM”微生物菌群， 先将”EM“菌种用液体培养基或固体培养基在15～25℃、PH3～5的条件下，用密封容器培养 3～7天，得到“EM”扩大菌种，加入量与污水的重量比例为1∶1000～10000;或者取木薯酒 精废水、糖蜜酒精废水、生活污水氧化塘池底的污泥自身生物污泥菌进行富集驯化培养，每 种污泥重量取1/3，用液体培养基或固体培养基在15～25℃、PH3～5的条件下，用密封容器 培养3～7天，得到扩大污泥菌菌种，加入量与污水的重量比例为1∶2000～20000;所述的生 物污泥菌，是适应高浓度有机废水处理的高效产甲烷菌群。这两种菌群复合增加了反应器内 微生物种类的多样性，并在很大程度上提高了反应器内活性菌群的密度;另一方面生物膜固 定在载体上，使其生物固体平均停留时间(SRT)较长，为一些生长世代时间较长，比增加速 度很小的微生物提供了有利的生境条件。在生物膜上污泥不会膨胀，减少产甲烷菌群随污泥 的排出而流失，为甲烷菌群在反应器内高度密集并适应其所处的环境提供了有利和保障，从 而有效地提高反应器对不利环境条件的冲击能力，提供厌氧消化效率和稳定性。从而加快废 水中的有机质分解。实现了快速高效处理废水的同时从废水中高效的回收到沼气。
(3)沼气储存：经过厌氧发酵产生的沼气储存备用。
(4)沼气净化：沼气通过沼气净化装置进行净化处理。
(5)沼气压缩：经净化的沼气在压缩装置中进行压缩，备用，得到车用沼气燃气。
(6)副产品及回用水：将厌氧发酵反应后的废液回收沉淀，沉淀物质按常规方法生产有 机肥料，废液经过好氧反应后，得到生产回用水或农灌水。
所述的沼气净化，包括对二氧化碳、水和硫化氢脱除，采用常规方法脱除。
所述的好氧反应，是将生产沼气废液采用充空气方法或好氧塘技术处理得到生产回用水 或农灌水。
利用高浓度有机废液废渣生产车用沼气燃气的方法，采用的设备的连接，包括催化热解 装置与混合池、热交换器、厌氧发酵罐、沉淀罐、好氧系统、好氧塘用管道依次连接，厌氧 发酵罐的出气口连接沼气罐，沼气罐与吸收塔的入气口之间设置的常压缓冲罐、低压压缩机、 缓冲罐通过管道依次连接，吸收塔的底端通过管道依次将高压水储罐、高压水泵、解吸塔、 循环罐、循环水泵、热交换器和吸收塔的顶端循环连接，脱硫塔的顶端和解吸塔的顶端通过 管道连接，底端直接排空，吸收塔的顶端通过管道依次将预脱水装置、脱水塔、高压压缩机、 缓冲罐、CNG运输车和气站连接。
本发明的有益效果是：
1、本方法采用“EM”微生物菌和自身生物污泥菌复合，增加了反应器内微生物种类的多 样性，并在很大程度上提高了反应器内活性菌群的密度;另一方面生物膜固定在载体上，使 其生物固体平均停留时间(SRT)较长，为一些生长世代时间较长，比增加速度很小的微生物 提供了有利的生境条件。在生物膜上污泥不会膨胀，减少产甲烷菌群随污泥的排出而流失， 为甲烷菌群在反应器内高度密集并适应其所处的环境提供了有利和保障，从而有效地提高反 应器对不利环境条件的冲击能力，提供厌氧消化效率和稳定性。从而加快废水中的有机质分 解。实现了快速高效处理废水的同时从废水中高效的回收到沼气。
2、利用本发明的方法生产的沼气经过净化和压缩，品质与石油天然气一样环保、节能， 成本低廉，有利于降低生产成本。
3、利用沼气做汽车燃料能源，可以大大减少汽车有限的能源供给压力，并保护环境和人 类健康。
4、本发明在沼气净化、压缩过程中，安全可靠，结构紧凑，操作方便，易于管理和维护。
5、利用本发明的方法可实现规模化生产的沼气，1m3淀粉废水可产5.13m3沼气，1m3木薯 酒精废水可产8.55m3沼气，1m3糖蜜酒精废水可产37.8m3沼气，每吨木薯渣产60m3沼气。淀 粉酒精废水COD去除率为95%，糖蜜酒精废水COD去除率70%，废渣利用率95%，回收沼气后 的废水用好氧技术处理全部达标排放，回流工厂使用或农灌，废渣通过生物发酵技术处理成 有机肥，变废为宝，实现了废水废渣资源化可持续利用的“双赢”模式。