申请日2004.10.04
公开(公告)日2007.08.15
IPC分类号C02F9/00; C12P7/02
摘要
本发明公开了用于生产生物柴油的方法，该方法首先通过从市政、农业及工业废水的初级和/或生物处理的过程中产生的污泥中，应用初级、二级和三级处理提取脂类，随后应用酯交换反应将所提取的脂类进行酯交换，使其转化为基于醇的酯。得自该方法的产品包括生物柴油、甘油、无脂类蛋白、各种其它有用的化学物质以及含水基质，所述含水基质非常适合于随后的生物消化(需氧的或厌氧的)中最优化的消化。从含有高水平微生物的所述污泥中提取的脂类是磷脂，所述磷脂也可直接作为卵磷脂使用。从所述污泥中提取脂类是通过使用化学提取技术和所提取脂类的酯交换反应进行的，所提取脂类的酯交换反应是用碱性、酸性，和/或所述两种酯交换技术实现的。
权利要求书
1.生产用于化学提取的富含脂类原料的方法，该方法包括;
提供源于废水流的污泥组分，所述污泥组分包括在初级处理或生 物处理过程中产生的污泥;
从所述污泥组分中分离富含脂类的组分;
处理所述富含脂类的组分从而产生包含脂类的异源提取物。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述脂类组分包括游离脂类和 化学结合的脂类。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述污泥是生物处理的污泥。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述污泥是源于生物处理厂的 污泥。
5.如权利要求1所述的方法，其中得自所述废水流和所述污泥的 所述脂类组分是从浮渣和初级污泥中获得的。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述污泥还包括得自废水固渣 的组分，所述废水固渣得自于所述废水的初级处理过程。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述初级处理包括选自过滤、 离心、筛选、重力分离、净化和干化床的一种或多种处理方法。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述初级处理包括过滤、离心、 筛选、重力分离、净化和干化床。
9.如权利要求3所述的方法，其中所述初级处理还产生出水，将 所产生的水随后与生物质或活化的污泥接触从而产生更多的污泥。
10.如权利要求1所述的方法，还包括将所述污泥组分脱水的步 骤从而使其固体含量为5%或更高。
11.如权利要求10所述的方法，还包括对所述脱水污泥组分应用原 位酯交换反应的步骤，由此通过所述原位酯交换反应产生生物柴油。
12.如权利要求1所述的方法，还包括脂类富集步骤，所述脂类富集 步骤选自冷却所述污泥组分以及除去所述污泥中的氮。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述污泥组分包含选自浮渣原 料、沉降污泥、筛选过的原料、粗砂、初级污泥、二级污泥、生物固体、 已处理的生物固体、堆肥的生物固体、未热裂解的生物固体、动物肥料 以及垃圾的一种或多种污泥。
14.如权利要求1所述的方法，还包括污泥干燥步骤，其中所述污泥 包含30%至100%重量比的固体从而产生干污泥。
15.如权利要求1所述的方法，还包括污泥干燥步骤，其中所述污泥 包含60%至100%重量比的固体从而产生干污泥。
16.如权利要求14所述的方法，其中从所述干污泥中提取所述脂类 从而产生脂类提取组分和污泥残余组分。
17.如权利要求16所述的方法，其中对所述脂类提取组分进一步处 理进而从提取流体中分离所提取的脂类。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述脂类提取组分的进一步处 理是应用提取剂的提取方法实现的，所述提取剂选自化学溶剂、超临界 气体或流体、己烷、丙酮、液体石油产品和伯醇。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述提取剂是液体石油产品， 所述液体石油产品包含选自柴油燃料、汽油、生物油及高温分解油中的 至少一种。
20.如权利要求19所述的方法，其中对所述干燥的脂类进行处理从 而产生生物柴油。
21.如权利要求16所述的方法，还包含从所述污泥残余组分中提取 蛋白从而产生蛋白组分和终污泥组分。
22.如权利要求21所述的方法，其中所提取的蛋白基本不含有脂类。
23.如权利要求21所述的方法，还包括对所述终污泥组分进行处理 从而产生沼气。
24.如权利要求21所述的方法，其中将所述终污泥组分作为燃料来 源提供于工业动力、热能产生、电力或合成煤气的商业气体发生器或燃 烧系统。
25.如权利要求1所述的方法，其中对所述富含脂类的原料进一步处 理从而提供选自生物柴油、甘油、卵磷脂、沼气、乙醇胺及其组合的产 品。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述产品为生物柴油。
27.如权利要求20所述的方法，其中所述进一步处理选自碱催化的 酯交换、酸催化的酯交换、碱催化酯交换和酸催化酯交换的混合方法、 原位酯交换和酶催化。
28.如权利要求1所述的方法，其中对所述脂类组分进行进一步处理 并将其作为掺合剂直接加入液体石油燃料。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述液体石油燃料是选自柴油 和汽油的至少一种燃料。
30.如权利要求21所述的方法，其中所述终污泥组分是A类或任何 有益于使用的污泥。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述A类或任何有益于使用的 污泥适合用作动物饲料。
32.如权利要求31所述的方法，还包括向所述A类或任何有益于使 用的污泥提供添加剂的步骤，所述添加剂选自蛋白、矿物质、维生素及 其组合。
33.通过权利要求30所述的方法获得的A类或任何有益于使用的污 泥产品，其中所述A类或任何有益于使用的污泥适合用作肥料或农业有 益产品的土壤改良剂、动物饲料、工业热能产生的生物固体、沼气的产 生来源及其组合。
34.生物柴油燃料产品，该产品包括：
基于石油的组分;以及
产生自脂类的生物柴油组分，所述脂类是从得自于废水的污泥中提 取的。
35.如权利要求34所述的生物柴油燃料产品，其中所述脂类包含从 来自废水流体的污泥以及从其后处理过的废水流体所产生的污泥中提取 的脂类。
36.如权利要求34所述的生物柴油燃料产品，其中所述污泥包含选 自漂浮浮渣、撇取的残余物、粗砂、初级污泥、沉降污泥、二级污泥、 生物固体及其组合的污泥。
37.如权利要求34所述的生物柴油燃料产品，其中所述废水污泥来 源于选自市政废水生物处理厂、工业生物处理厂、来自动物饲养场的肥 料保存设备、动物饲养场中处理废水的生物处理系统、化粪池废水及其 组合的流体来源。
38.如权利要求1所述的方法，其中对所述含有脂类的异源提取物进 行进一步处理从而产生生物柴油。
39.如权利要求1所述的方法，其中对所述富含脂类组分的分离后剩 余的所述污泥组分进行进一步处理从而提取其它有价值的化学物质。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述其它有价值的化学物质包 含基本上无脂类的蛋白。
41.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括对所述污泥组分进行 氧化处理的步骤从而改变所述污泥中含有的脂类的饱和度。
42.如权利要求41所述的方法，其中所述的氧化处理包括选自臭氧 化、过氧化及使用Fenton′s试剂的至少一种处理方法。
说明书
从废水处理厂的污泥中生产生物柴油和其它有价值的化学物质
发明领域
本发明涉及使用新方法对在市政、农业及工业废水的初级、二级和/ 或三级处理过程中产生的污泥进行处理，从而产生许多有价值的化学物 质。所产生的化合物包括脂类、生物柴油(基于石油的柴油的可再生替代 物)、卵磷脂(通常从鸡蛋和豆油中产生的商业化营养品和加工“构造单元 化学物质”)、甘油(许多工业方法中广泛使用的化学原料)及副产物，在 废水处理厂中，该副产物与通常的废水相比更易于被消化方法所消化， 这是因为脂类部分的除去，反过来提高了消化的速率和程度(这使得需要 处理的污泥残余物的体积极大地减少，并且提高了所得消化产物的品质)。
技术背景
地球上广泛蕴含着多种碳资源，其可以以气体、液体和固体燃料的 形式进行使用从而满足社会的能源需求，其中液体燃料是最重要的。现 代世界几乎完全依赖源于化石的燃料储备，即不可再生的资源来生产液 体燃料。然而从战略以及社会学观点上看，完全依赖这些储备的政治代 价和经济代价正日益变得更昂贵。为了满足美国以及世界未来的能源需 求，需要可再生的燃料来源及其它化学物质。
生物柴油是基于石油的柴油的替代品。生物柴油是从可再生的原料 中产生的。这种完全可再生的资源通常是从诸如大豆和油菜籽的产油植 物中或者是从诸如在处理、屠宰加工或者从炸渣(frypit)回收获得的脂 肪和油脂的动物制品中产生的。以化学的术语来描述，生物柴油是脂肪 酸单烷基酯的混合物，其通常得自提取的植物油和/或收集的动物脂肪。
这些脂肪酸的来源是脂类。脂类实际上是一类存在于植物、动物、微生 物以及源于这些来源的废物中的化学物质。脂类极难溶于水，污水污泥 中含有高水平的了脂类，其通常以甘油三酯、磷脂、磷酸甘油酯、 sphinolipids、糖脂以及脂溶性维生素的形式存在。
在过去的几年中，植物油和动物脂肪向生物柴油的转化得到了更多 的开发/优化。然而在美国，大豆油的碱催化甲基酯交换反应是最主要的 生产技术。在欧洲，油菜籽是所应用的最主要原料(Environment Canada， 2003;IA State，2003)。通常可接受的生物柴油原料包括大豆、加拿大油菜 籽、玉米、油菜籽以及棕榈。正在考虑中的新植物油包括芥菜籽、花生、 向日葵和棉花籽。至于动物脂肪，该原料通常称为“黄”油。从烹饪设 施中收集的油脂称为“棕”油;然而，该来源可以由源于植物和动物的 甘油三酯组成。最通常考虑的动物脂肪包括那些源于家禽、牛肉和猪肉 的动物脂肪。鉴别可适合生产生物柴油的、廉价的原料来源对于生产生 物柴油的继续开展以及对基于石油燃料的较少依赖至关重要。
废水生物处理厂都会产生废污泥。事实上，每天都会产生大量的污 泥。日益严格的环保法令、处理倾置物的费用的增加、以及公众针对这 些污泥和目前处理方式的愤怒迫使这些污水处理厂的经营者面临寻找用 于处理这些污泥的新技术的严峻形势。这些污泥由是通过所述流体流入 处理厂的全部液体和固体物质的基本生物降解物组成的，并且来自于这 些降解物。本发明的主要关注点在于脂类构成了从这些处理厂中产生的 污泥的2%至超过40%(干物质重)的部分。源于这些处理的污泥的例子包 括初级污泥、残余的粗砂、浮渣、次级污泥(废污泥)、腐烂的生物质、生 物固体、处理的生物固体以及来自限定动物饲养场的肥料污泥。所有这 些基于污水/肥料的污泥都包含不同量的脂类。
发明概述
本发明公开了从废水处理污泥中对脂类的提取和应用，还提供了用 于生产生物柴油和其它工业产品的经济高效的原料。除产生脂类之外， 本发明还提供从与废水处理相关的污泥中提取无脂类蛋白和其它有用的 化学物质。
废水处理系统的例子包括市政废水生物处理厂、工业的生物处理 厂、来自动物饲养场的肥料贮存设备以及在动物饲养场中用于废水处理 的生物处理系统。所有这些废流都会对环境造成威胁，对它们的管理向 它们各自的设备经营者提出了政府法规上的和经济上的挑战。
除了提供从这样的废物中提取有用的化学物质的新方法之外，所述 方法还有助于减少环境威胁，以及为产生废水的设备经营者提供意外的 收入来源，而不是处理这些废物的费用和可能的责任。
因此本发明的目的是提供了从废水设备的污泥中提取脂类的方法， 所述脂类可作为富含脂类的原料用于生物柴油的产生和其它工业化学物 质的生产。另外，在提取所述脂类后，可从这些污泥中生产若干其它的 化学物质和产品(例如蛋白质和肥料)。
特别地，本发明的目的是提供用于生物柴油生产的富含脂类原料的 方法，其是通过从生物处理的废水中提取脂类来获得的。
更特别地，本发明的目的是提供用于生物柴油产生的富含脂类原料 的方法，其是通过从得自诸如污水污泥的生物处理的污泥获得的所有污 泥中提取脂类来获取的。
本发明的另一目的是提供对得自废水处理的污泥进行处理，从而产 生无脂类蛋白及无脂类、后提取的残渣的方法。
本发明的另一目的是提供对得自废水设备的污泥进行如权利要求所 述的处理，生产诸如甘油、卵磷脂、乙醇胺等等有价值的化学物质的方 法。
本发明的另一目的是提供可用作许多工业化学物质和燃料的原料的 脂类。
本发明的另一目的是提供对污泥进行处理从而产生沼气的方法，所 述污泥被处理为易消化的且得自废水处理设备。
本发明的另一目的是提供生产残余污泥的方法，这些残余污泥符合 USEPA的A类和有益于使用的生物固体的标准。
本发明的另一目的是提供干燥的、无脂类的污泥残渣，其可用作提 供于工业热能和电能生产的气体发生器或燃烧系统的原料。
本发明的另一目的是提供干燥的、无脂类的污泥，该污泥能被热转 换为可压缩的油或被热解为生物油。