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CN102292140A - 通过联用厌氧消化系统和浮游植物微生物生产系统来固定co2和处理有机废弃物的方法 - Google Patents

通过联用厌氧消化系统和浮游植物微生物生产系统来固定co2和处理有机废弃物的方法 Download PDF

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CN102292140A
CN102292140A CN2010800050617A CN201080005061A CN102292140A CN 102292140 A CN102292140 A CN 102292140A CN 2010800050617 A CN2010800050617 A CN 2010800050617A CN 201080005061 A CN201080005061 A CN 201080005061A CN 102292140 A CN102292140 A CN 102292140A
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microorganism
phytoplankton
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organic waste
fixation
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奥列弗·伯纳德
格尔·布加朗
让-保罗·卡多雷
雷蒙德·卡斯
埃里克·拉特里耶
布鲁诺·西亚尔韦
让-菲利普·施泰尔
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National Institute for Agricultural Research
Institut Francais de Recherche pour lExploitation de la Mer (IFREMER)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Original Assignee
National Institute for Agricultural Research
Institut Francais de Recherche pour lExploitation de la Mer (IFREMER)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
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Abstract

本发明涉及一种固定CO2和处理有机废弃物的方法，其包括：在水解反应器(101)中处理源自浮游植物培养物的微生物(105)和有机废弃物(104)；(a”)在甲烷化反应器(102)中处理从所述水解反应器出来的液体排放物(109)的至少一部分；在浮游植物微生物培养单元(103)中处理待清洁(110)和得自步骤(a”)的液体相(127)和沼气；将包含CO2的气体排放物注入所述浮游植物微生物培养单元中；在所述甲烷化反应器中保持NH3浓度低于0.5g/L；和在所述浮游植物微生物培养单元的出口处回收富含甲烷的沼气。本发明还涉及用于实施所述方法的系统。

Description

通过联用厌氧消化系统和浮游植物微生物生产系统来固定CO<sub>2</sub>和处理有机废弃物的方法
发明领域
本发明涉及一种用于处理多种类型的有机废物、同时捕集对环境有害且特别源自工业废气排放物的大量CO2且同时产生富集甲烷的纯化沼气的CO2固定和有机废气物处理方法。更具体而言，本发明涉及一种方法，通过再循环源自有机废弃物的厌氧消化的氮和其他营养物，使得可以通过使用浮游植物微生物如微藻和/或光合细菌来处理其中涉及的高体积CO2流。因此，本发明的方法使得能够固定通常被释放到大气中并促进温室效应的CO2，并且将其转化成生物能。
本发明可应用于产生有机废弃物的任何产业，尤其是食品业和排放CO2的人类活动。本发明的应用也存在于生物燃料制造的领域，因为得自本发明方法的经净化的沼气富含甲烷，并且用于沼气净化的生物质(具体而言，藻类生物质)是丰富的脂质源，其也可以用作生物燃料。
背景技术
长久以来，甲烷化一直被用于将可溶性或固体有机废弃物转化成沼气。该技术被应用于减轻污染负荷，例如包含固体形式的生物可降解有机物质或有机产物(如污水污泥)的城市或工业废水、家庭废弃物、生物废弃物、食品业废弃物、源自多种农业或林业活动的废弃物和能量作物。通过生物手段将有机物质转化成甲烷提供了如下优点：提供可直接用作车辆燃料或可转化成热和/或电的能量。
当以单步法执行时，经过甲烷化处理固体负荷是相当耗时的。为此，已知两步法：第一步涉及其中将大分子转化成低分子量的可溶性分子的水解，和其中将低分子量的分子转化成短链有机酸、醇、氢和其他简单化合物的酸生成；并且在第二步中涉及其中将醇和有机酸转化成乙酸的乙酸生成和其中由氢或乙酸形成甲烷的甲烷生成。
在甲烷化期间产生的沼气主要由50至70％甲烷和30至50％二氧化碳的混合物组成。然而，根据反应器的操作条件以及底物的性质，可能存在多种浓度的其他化合物(硫化氢、氨、硅氧烷等)。即使以微量存在于沼气中，这些物质也可能危及下游的能量转化过程(腐蚀机械部件、使发动机/涡轮机结垢等)。
因此，在多数情况下，为了进行可持续生产，转化成机械或电能需要预过滤/净化步骤。
目前，多种研究努力着重于大量生产将用于能量中的微藻。如高等植物的情况那样，为了生长，微藻需要碳源(无机——CO2或HCO3 -——或有机——乙酸盐、葡萄糖等)，以及营养物(氮、磷等，以及微量元素，偶尔需要维生素，等等)和光能。在营养性逆境条件下，某些微藻物质能够以脂质形式累积大量的碳。某些物质的脂质生产能量比对陆基油性物质所观察到的要明显高得多，其使微藻对于生物燃料系统尤其具有吸引力。
然而，大规模生产这些微生物涉及固定非常大量的营养物。根据Redfield比(C/N/P：106/16/1)，对于1吨固定的CO2(其对应于600kg所产生的干生物质)，必须固定约50kg氮和3.1kg磷。注意，对于具有一公顷表面积的开放池塘，每天可以固定1吨CO2，氮和磷的需要量高，并且超过陆基油性作物的需要。
而且，碳源(CO2形式)是微藻生长的限制因素。在光合作用的光阶段期间，连续的CO2供给产生高的生物质产率，并且还促进(在某些情况下)更高的脂质累积。然而，向培养基添加CO2导致pH降低，其可能对于某些物质有害。由过量酸引起的这种毒性要求基于培养基的pH精确控制CO2流。因此，建议将向培养基注入富含CO2的气体与pH进行关联，以使pH保持在设定点。
在封闭系统(光生物反应器)中的生长(微藻)导致非常高的CO2固定和生物质生产的产率水平。然而，与这类技术相关的成本(建造、运行、维护)使这种技术无法进行大量生产，至少在目前如此。相反，在成本方面更具吸引力的开放系统对多种污染(自生微藻、细菌和食肉动物)及其敏感。
此外，用于收获微藻(将细胞与培养基分离)和从细胞提取脂质的操作被证明是能量密集型的，并且明显影响生物质生产的能量平衡。事实上，该阶段消耗高达50％的生产成本。
这种生物质的废弃物-能量转化假定使用整个细胞(脂质提取、热化学转化、液化、燃烧、甲烷化)。而且，脂肪酸提取产生需要再循环的富含营养物(特别是氮和磷)的废弃物料。
发明内容
本发明的目标是CO2固定和有机废弃物处理方法，所述方法使得能够产生甲烷形式的生物能，方法是结合甲烷化废弃物处理技术和利用浮游植物微生物如微藻和光合细菌(例如蓝细菌)的气体净化技术，以优化其各自的技术优点并整体或部分消除单独考虑时每种技术的缺点。
本发明的一个目的是提供一种用于通过固定其中包含的CO2来处理大量气体排放物(特别是来自工业源的)的系统。
为此，本发明结合固体有机废弃物甲烷化步骤和用于过滤由光合微生物产生的沼气的步骤；所述微生物被同时供给源自包含CO2的气体排放物的无机碳。为了避免或至少降低本发明系统可能因氨累积(特别是在甲烷化步骤期间)而受抑制，本发明提出用于甲烷化步骤的消化器内和/或浮游植物微生物的培养基中保持高的碳/氮(C/N)之比，如果可能的话，所述比例为10至35，而该比例通常为6至9，这于是导致非常高的氨产生率，并且大幅抑制甲烷化步骤)。两者之一直接影响消化器中的C/N比，该消化器中的液相必须在甲烷化步骤中供给甲烷化器，或者之一作用于微生物培养单元，其一部分必须被再次引入消化器中，因此被间接引入甲烷化器中。
由于微生物呈自然渐进式生长，所以本发明使用所述浮游植物微生物的一部分来供给用于甲烷化步骤的消化器。根据本发明的方法的实施方案，可以调节消化器内微生物和/或附属有机废弃物(其可形成共底物)的输入。因此，结合涉及甲烷化的处理方法和利用微生物的过滤并通过利用富余生物质产生用于甲烷化的附加有机废弃物源。“富余”是指在微生物培养罐中存在的可以从所述罐中移出而不对本发明方法的沼气净化步骤的恰当顺序产生不利影响的生物质的一部分。相反，在增加生物质可能迅速妨碍微生物培养罐的性能方面，专家将迅速找到微生物培养罐中要保持的生物质的量和所要移出的富余生物质的量之间的正确平衡以确保最佳产率，例如，通过保持浊度来使95％的光被减弱在池塘深度50％至90％处。
因此，为了确保浮游植物微生物培养单元内的最佳CO2固定，本发明的方法可以使用其性质和量根据消化器内存在的浮游植物微生物而变化的有机废弃物。同样，为了使本处理方法适于待处理的所述有机废弃物的性质，本发明的方法考虑到待处理的有机废弃物的性质以及微生物的组成。这使得能够匀质处理所有类型的有机废弃物。
在甲烷化期间有机物质的转化产生包含甲烷和CO2的混合物的沼气，以及消化物，所述消化物的液体部分包含有机酸和矿物元素(例如氮、磷等)。沼气以及消化物将供给微生物培养单元。
微生物培养单元可以是开放池塘，其使得可以溶解大量的CO2。为了限制因来自初始培养物之外的微生物污染，可以使用嗜极端生物微生物种类；即可以在非常高或非常低pH环境下存活的微生物。特别地，可以使用微生物如用于酸性介质的绿藻(Chlorella)、小球藻(Chloridella)、衣藻(Chlamydomonas)、Viridiella、眼虫藻(Euglena)和Euchromonoas，和用于碱性介质的节旋藻(Arthrospira)、拟微球藻(Nannochlorposis)、聚球藻(Synecococcus)和扁藻(Tetraselmis)，或混合种群，例如在处理环礁湖中发现的那些。
培养单元有利地具有两个独立的CO2进入系统。一个用于工业源气体排放物中包含的CO2，另一个用于待净化的沼气中包含的CO2。在第二系统中，在工艺完成之后，沼气中包含的CO2的固定产生具有高甲烷浓度和潜能增加的气体。
因此，本发明的目的是结合厌氧消化系统和用于产生浮游植物微生物的系统的CO2固定和有机废弃物处理方法，其包括以下步骤：
(a’)在水解反应器(101)中处理源自浮游植物培养物的微生物(105)和有机废弃物(104)；
(a”)在甲烷化反应器(102)中处理来自步骤(a’)的至少部分液体排放物(109)；
(b)在浮游植物微生物培养单元(103)中处理来自步骤(a”)的待净化的沼气(110)和液体相(127)；
(c)将包含CO2的气体排放物(113)注入所述浮游植物微生物培养单元中；
(d)在所述甲烷化反应器中保持NH3浓度低于0.5g/L；
(e)当富含甲烷的沼气从所述浮游植物微生物培养单元中出来时将其回收。
在步骤(a”)之后回收的待净化沼气是指通过动物和/或植物源的有机物质在无氧条件下的发酵产生的气体。沼气主要由甲烷和二氧化碳以及(如适用)少量水、硫化氢等组成。
在步骤(e)之后回收的富含甲烷的净化沼气主要包含甲烷，并且具有有限的氧含量。也可以存在其它气体，例如CO2和/或N2，但是为痕量。一般而言，在步骤(e)之后回收的富含甲烷的净化沼气包含至少90％的甲烷。
在两个步骤(a’)和(a”)中的甲烷化使得可以将水解/酸生成和甲烷生成种群处于其各自的最佳条件下，以获得更高的有机物质转化产率，并且处理更多种类的有机废弃物，原因是水解反应器的缓冲作用。另外，在甲烷化步骤中产生的沼气具有尤其高的甲烷浓度，并且在水解步骤(a’)期间产生的CO2可以与在实际的甲烷化步骤(a”)期间产生的沼气相同的方式有利地被注入微藻培养物中。
当然，由于空间约束或其他原因，可以在单个步骤(a)中以已知方式进行甲烷化；随后在待净化的沼气从单个反应器中出来时将其回收。
由于有机酸的消耗，甲烷化步骤倾向于增加甲烷化器或甲烷化反应器内的pH，导致甲烷化器内的NH3/NH4 +比增加。甲烷化器内过高的NH3浓度在短期内可导致抑制本发明方法的风险。
因此，根据本发明，为了保持甲烷化器内的NH3浓度低于0.5g/L，提出了保持水解反应器内和/或微生物培养单元内10至35的平均碳/氮(C/N)之比和/或将CO2直接注入甲烷化器中以限制pH升高。
“平均C/N比”是指废弃物、细胞内和培养基内的C/N比的平均值，因为微生物可产生大量的有机聚合物形式的碳。保持10至35的C/N比(其是浮游植物微生物培养单元内的高CO2供给的结果)防止本发明方法因氨累积而被抑制。
为此，根据本发明，例如可以调节在步骤(a’)中送入水解反应器中的有机废弃物的部分的品质和/或量。特别地，可以使用C/N比高于25的有机废弃物。
或者，可以导致所述营养物受限的方式调节从步骤(a”)中出来和步骤(b)中引入的液体排放物的量，能够改变所述浮游植物微生物培养单元中的微生物组成，从而促进脂质和碳水化合物在所述微生物中的累积，并由此增加所述单元内的C/N比。
还可以调节从步骤(a”)出来的进入浮游植物微生物培养单元的沼气的进入流量以控制所述培养单元的pH并产生合适条件以增加C/N比。
微藻的胞内物的质量在一定程度上取决于其培养条件。因此，通过改变培养微生物时施加的工作条件，可以显著改变有机物质中的蛋白质、脂质和碳水化合物区室的分配。这些改变影响细胞的生物降解性及其向有机酸和甲烷的转化。有机物质的含氮(蛋白质)和含碳(碳水化合物和脂质)部分之间的变化影响送入水解反应器中的总碳/氮(C/N)之比，并因此也影响浮游植物微生物培养单元内的总碳/氮(C/N)之比。
因此，根据本发明，控制微生物培养条件可以通过调节CO2摄入和/或通过调节步骤(a’)和/或(a”)之后回收的液相中包含的营养物的摄入来进行。在任一种情况下，CO2源自具有高CO2含量(5至25％)的气体排放物，但是也可以源自其中进行第一有机废弃物处理步骤的水解反应器。更具体而言，根据本发明，可以包括其中以改变微生物培养单元的生物质的组成并将C/N比保持为10至35的方式引入调节从步骤(a”)中出来被引入浮游植物微生物培养单元中的液体排放物的量和/或被引入所述微生物培养单元中的有机和/或无机CO2的量的步骤。
控制这两个参数(营养物和CO2)使得可以改变细胞的组成并因此改变C/N比。微生物的快速生长(大致是种群每天翻倍)允许快速的细胞应答。
在其它条件下，可以调节共废弃物的品质和量以使其复合微生物保持在最佳分解条件下的质量。
通过增加进入微生物培养单元的液相进入流，该步骤促进生物质生长，因为营养物和氮的摄入增加。除了有机酸，该液相主要包含矿物形式(氨和磷酸盐)的氮和磷。所述元素对于浮游植物微生物如微藻的新陈代谢是必需的。某些有机酸可以被某些微藻物质同化(异养或兼养生长)并且显著增加生长。
相反，通过减少进入微生物培养单元的液相的进入流，所述培养单元内的C/N比增加。营养不足影响微藻细胞的生理功能。氮受限或不足促进细胞内碳水化合物、淀粉或脂质形式的碳累积。然而，该现象伴随较慢的生长，因为不存在蛋白质形成所需的氮前体。因此，有必要控制液体排放物的进入量以使其不导致损害微生物的生长的整体停滞(totalstoppage)。
同样，通过调节从步骤(a″)出来的注入微生物培养单元的沼气流量，根据所需的碳和氮的量，可以改变浮游植物微生物培养单元中的生物质的组成(以及它们的产率)。通过增加浮游植物微生物培养单元中的沼气的量，促进细胞内淀粉和脂质的累积，这使得可以增加微生物中的C/N比。
同样，可以调节包含CO2的气体排放物的进入流，因为CO2供给改变微生物培养单元内的生物质组成。如果培养物具有碱性pH，则CO2会自发溶解。不管培养物是酸或碱，气体的添加将经过调节系统由pH确定。将富含CO2的气体注入培养基中有利地与pH关联，使得pH保持在设定点。PID型或MLI型调节剂可以用于该目的。如果碱度高(存在大量的阳离子)，则尽管CO2流入，pH也可保持在高的值。
还可以调节气体排放物进入流以保持设定的碳流，所述设定的碳流为进入微生物培养单元的氮流的至少10倍。为此，可以将浮游植物微生物培养物的稀释速度设定为低于所述微生物的最大生长速度，以导致营养物受限，因为富余的无机碳被供应给它。
而且，向微生物培养单元添加CO2(优选与pH值关联)使得可以将溶解的CO2保持在不限制光合作用的范围内。这防止经常发生的如下现象：高密培养物中pH升高，伴随生长所需的溶解无机碳耗尽。因此，注入的CO2(用于嗜酸培养物和碱性培养物)使得可以通过保持略为酸性的pH(4至7)保持高的生长速度，包括用于培养物中的高生物质浓度。仅有某些微藻能够在这些pH范围内生长，其限制生物多样性；如已经在天然生态体系中观察到的，后者随后在其组成方面变得更简单。
CO2的添加也显著增加生物质浓度，这导致氮和磷的净化能力增加。
为了将浮游植物微生物培养单元中的平均C/N比保持为10至35，还可以使用C/N比高于25的有机废弃物。
同样，可以使用只消耗无机碳、C/N比大于10的自养物质作为用于步骤(b)的微生物(例如角星鼓藻)。
用于将水解反应器内和微生物培养单元内的平均C/N比保持在10至35的所有或部分这些解决方案可以同时使用以将所述比例保持在期望的比例，并因此保持甲烷化器中的NH3浓度低于0.5g/L。
或者，如前文所提到的，为了保持甲烷化器中的NH3浓度低于0.5g/L，可以使用附加的步骤(f)，其中将包含CO2的气体排放物引入步骤(a″)的甲烷化反应器中以将其中的pH保持在约7.5(更一般地，7至8)，以防止因氨的累积引起甲烷生成抑制。氨生成的主要作用是使培养基碱化，导致pH升高，由此促进(毒性)NH3形式，损害NH4 +形式。利用专用泵(ad hoc pump)将CO2注入消化器中与甲烷化反应器的pH相关联，使得pH保持在约7.5。应当注意，该“天然”碱度产生作用消除了对碱性化学物质如氢氧化钠或碳酸氢钾的需要，后者增加用于补救装置的成本。
而且，当从步骤(a′)出来的pH自然呈碱性时，根据附加的步骤(g)，可以在交换柱上过滤来自步骤(a″)的沼气，其中从下方注入沼气。当气泡上升时，CO2溶解并且变成碳酸氢盐，而溶解度低的甲烷在步骤(b)之前在反应器的表面处被回收，以利用由氨引起的碱度溶解CO2并回收经过净化的甲烷。这也导致甲烷化反应器内的培养基碱化受到限制，因此降低氨的毒性。在该中间步骤(f)期间净化的沼气仍然包含一些CO2，因此被有利地注入浮游植物微生物培养单元以使其可以被完全固定在其中。
根据本发明的方法，还可以将从步骤(a′)出来的液体排放物的部分直接注入浮游植物微生物培养单元中。这种注入优选在夜晚进行，使其不与光合作用竞争，并且在夜间确保微藻生物质生成。
有利地，在浮游植物微生物培养单元中使用嗜酸或嗜碱物质以限制所述单元中的污染。
有利地，在步骤(a″)之后回收的沼气被暂时储存在缓冲罐内，然后被引入微生物培养单元中。利用这种罐使得可以容易地根据需要调节微生物培养罐中的沼气供给并且在夜间储存沼气。
本发明的方法还使得可以产生除富含甲烷的净化沼气之外的另一种生物燃料，方法是在将残渣(即不含可回收化合物的生物质)注入水解反应器之前通过从微生物生物质提取和回收可回收化合物如脂质。
优选地，浓缩源自微生物培养单元的生物质，使得上清液与所述生物质分离，然后将生物质浓缩物引入水解反应器，；液相可以被再次引入微生物培养单元。
本发明还涉及一种实施本发明的结合有机废弃物处理和CO2固定的系统，其至少包括：
-与甲烷化反应器连接的水解/酸生成反应器，
-浮游植物微生物培养单元，
-用于将待净化的沼气从所述甲烷化反应器送至所述浮游植物微生物培养单元的第一供给管，
-用于将富合营养物的液相从所述水解反应器和/或所述甲烷化反应器的送至所述浮游植物微生物培养单元的第二供给管，
-用于将来自所述系统之外的含有CO2的气体排放物送至所述浮游植物微生物培养单元的第三供给管，和
-在所述富含甲烷的经净化的沼气从所述浮游植物微生物培养单元出来之后对其进行排放和回收的管道。
具体实施方式
通过阅读以下说明并参考附图将会更好的理解本发明。这些说明是用于信息的目的，而绝不是限制本发明。附图显示：
图1：根据实施本发明方法的一个实施方案的设备的示意图；
图2：用于净化图1的浮游植物微生物培养单元内包含的沼气的装置的放大图。
在图1中显示的实施例中，实施本发明方法的有机废弃物处理和CO2固定系统100包括三个主要单元：水解/酸生成反应器101、甲烷化反应器102和浮游植物微生物培养单元103。
浮游植物微生物培养单元103例如为浅的开放池塘(20-50cm)。通过两个桨轮117以已知方式进行搅拌，所述桨轮使培养基和微生物再循环且混合。
一方面，源自有机废弃物104的有机物质，和另一方面源自微生物培养物和/或源自微生物残渣105且随后任选提取可回收化合物的有机物质经供给管注入水解/酸生成反应器101中，其中水解和酸生成有机体(梭状芽孢杆菌大肠埃希氏葡萄球菌等)将其转变成有机酸和水解的分子。
所述有机物质中包含的元素如氮和磷也是矿物化的。
所产生的气体106主要由二氧化碳和较少的氢组成。
来自水解/酸生成反应器101的液体输出107的一部分108(其pH通常为酸性(约为5或6))经过特定供给管被引入浮游植物微生物培养单元103中。这增加生物质产生，在没有光(因此，在夜晚)下促进生物质生长，并且使得能够在贫氮条件下进行脂质累积。
液体输出107的其余部分109被引入沼气过滤反应器124，然后被引入甲烷化反应器102。当进入水解/酸生成反应器101的低C/N之比(5至20)导致大的氨释放并因此pH水平大于8时使用该过滤反应器124。随后利用液体输出107的碱度用来溶解CO2，而低溶解度的甲烷从甲烷化器的顶部释放出来。
厌氧甲烷化反应器102的甲烷生成种群(甲烷八叠球菌属、产甲烷球菌属、甲烷杆菌属等)将这些酸转化成主要由甲烷和二氧化碳组成的沼气110。
有利地，沼气110还经过过滤反应器124，然后经供给管注入浮游植物微生物培养单元103。因此，存在初始沼气过滤。实际上，导致氨产生的碱度使得可以溶解待净化的沼气中包含的部分CO2并回收部分净化的甲烷。这也限制甲烷化反应器102中的培养基碱化，并因此降低氨的毒性。
源自甲烷化阶段的部分消化物126或液相也可以在离开甲烷化反应器102之后用于农业回收。其余部分127与来自水解反应器101的液体排放物部分108一起被引入微生物培养单元103中。
培养单元103中存在的微生物因其营养需要使用来自水解/酸生成反应器101的元素如NH4 +和PO4 3-以及在气体106、110中存在的CO2作为碳源，所述气体106、110在从水解/酸生成反应器101和甲烷化反应器102出来之后被回收并且穿过供给管到达微生物培养单元103。有利地，这些气体106、110被储存在罐112中，然后被注入微生物培养单元103。源自水解101和甲烷反应器102的气体106、110包含甲烷以及CO2，但是也可能包含可对沼气的直接利用造成不利影响的硫和/或其他化合物，因此其必须被净化。
更具体而言，用技术人员已知的净化装置118(参考图2中的放大视图)将源自水解/酸生成反应器101和甲烷化反应器102的气体106、110注入微生物培养单元103的池塘121中，这促进气体流119的转移和通过培养单元103之后回收帽120中的气体的回收。
净化装置118包括配有100至150cm深的几个井的池塘121，其底部装有扩散器。转移经过这些井进行，其通常产生非常小的气泡，确保最佳转移至液相，并且培养基穿过该气泡柱。当微生物培养基到达扩散器时，其已经消耗了大部分溶解的无机碳储料，并且pH已经升高至更高的值。因此，气体中包含的CO2被迅速转移到培养基，在此它主要以碳酸氢盐的形式储存。未固定的CO2以及未被转移到液相的气体化合物(即甲烷和氢)被回收在池塘121的表面上，同时在需要时确保轻微减压。
正在进行的CO2摄入使得可以在白天在池塘121的某些处保持设定为酸性(低于6.5)或碱性(高于8.5)的pH值，由此限制不期望微生物的生长。
溶解CO2(以碳酸氢盐和CO2的形式)涉及控制气体注入处122的pH，以确保绝用于微生物的无机碳不受限制(对于非嗜碱物质而言，pH低于8.5)，气体注入处122的培养基具有低的无机碳浓度以使CO2快速转移到液相而甲烷主要保持气体形式(因为其溶解度低得多)，并且保持局部酸性条件。
而且，由于气体注入处122位于桨轮117附近，所以溶解的氧被大量脱出，从而显著限制氧在其中CO2已经被净化除去的回收沼气中的存在。结果，在注入处122，培养基的pH值较高，因为CO2已经被消耗，并且溶解的氧浓度非常低。
计算注入处122的pH设定点以确保到达注入处122的培养基具有足够的CO2储存能力。这样，大多数CO2被吸收，而甲烷通过液相并且在气体中变得更为浓缩(见下文的pH计算实例)。
对待通过培养单元103中的浮游植物微生物净化的沼气110进行的过滤操作在出口114产生具有高甲烷含量的净化沼气，其可以被转化成能量或储存供未来使用。
例如源自人类活动的气体排放物113也用作供给微藻培养单元103的碳源。该气体排放物113从所述源(例如罐)通过供给管到达浮游植物微生物培养单元。
使用同一过滤装置118来固定气体排放物113中包含的CO2，不同之处在于后者不必具有气体回收帽120。
CO2源气体排放物113的添加经由调节系统通过pH调节。根据注入点下游的pH调节富含CO2气体流以将pH保持在设定点。有利地，使用PID型、RST型或MLI型调节器。pH探针和气体注入点之间的距离必须与移动流体在两个注入时刻之间运动的距离相对应。例如，如果流体的速度是30cm/秒，并且如果每3秒开始通过调节系统进行注入处的计算，则探针必须位于距注入点90cm的距离处。
剩余的藻类和细菌生物质115从微藻培养单元103移出。为了提高系统的效率，控制生物质移出以确保近似最佳的系统产率(其根据入射光变化)；利用恒浊器的操作使得可以根据入射光控制浓度并且确保培养物恒定地处于营养物受限的条件。剩余生物质115被导至倾析器116，并且倾析物105(其中的可回收化合物已经被任选提取)穿过管道到达水解/酸生成反应器101。
根据如何使用处理系统100，倾析物105可用作水解/酸生成反应器101中的唯一底物，或者在混合物中使用以与有机废弃物104一起被消化。根据需要，上清液123在微藻培养单元103中被再次使用。
可以将例如来自工业源的包含CO2的气体排放物形式的外部CO2源125引入甲烷化反应器102以将其中的pH保持为约7.5。然后将从甲烷化反应器102出来的气体110重度负载无机碳。
对浮游植物微生物培养单元103中的生物质的质量控制通过根据需要增加胞内脂质或淀粉含量来提高品质；即，根据待保持为10至35的C/N比，并且如果希望基于要在水解反应器101中处理的无机废弃物104的性质来优化有机废弃物处理的话。这也增加每质量单位微生物产生的净化沼气114的量。
在注入水解反应器101之前，微生物105可以经过物理和/或化学预处理(热、酸/碱、臭氧处理等)以提高可消化性并由此增加产率。
再循环的生物质105可以与其它底物(经过或不经过预处理)合并。
实施例
1.1用于计算微生物培养单元内待用pH的实施例
该实施例针对150m长且其瞬时CO2固定速度是2mmol/l/小时的开放池塘中的培养物给出。这些是用于这类微生物培养单元的传统平均值，例如对应于0.4g/l的生物质和2.3/天的瞬时生长速度。
根据培养基的碱度，这导致0.1至0.5pH单位/分钟的pH增加。
对于以30cm/s流动的培养物，两个扩散器之间的75米在4.2分钟内到达，其对应于0.4至2.1pH单位的pH增加。该pH增加在通过脱除部分CO2的桨轮之后得到增强。
于是气体注入处的pH设定点必须被设定为5和6.5之间的值。对于每3秒开始的控制环路，必须将pH探针置于注入处下游90cm处。
1.2尺寸确定实施例
由于用于厌氧消化方法和用于光养培养各自的最大稀释率在同一数量级上，所以其中培养微生物的池塘和甲烷化器之间的体积比将对应于在对微生物进行取样之后微生物的浓缩因子。例如，如果微生物已经被浓缩了100倍，则待处理的相关流量将降低100倍，并且甲烷化器的体积也因此缩小100倍。因此，可以设想在池塘中0.5g/l干物质变成甲烷化器中的50g/l，其中流量降低100倍。甲烷化器的50g/l输入值对应于25g/l碳或1至4g/l氮的值，因此其是不应超过的最大水平。
对于10cm的池塘深度，这对应于1000m3消化器/公顷池塘。
此时，池塘具有0.5g/l/天或0.25g碳/l/天或0.9CO2/l/天或900kg CO2/公顷的处理容量。与500kg干物质/公顷/天相关的产量是600kg DCO/公顷，其对应于220m3甲烷(和95m3 CO2或185kg CO2)。这对应于1800kWh的能量。此外，氮流量/天/公顷为10至40千克，如果氮不经过厌氧消化来再循环的话将必须利用化肥来提供。来自甲烷化步骤的输入约为370千克无机碳。
1.3方法实施例
基于前述计算，对于1公顷池塘：
-有机废弃物的性质和量：酿酒厂残渣；1m3/天，50kg/m3(C/N＝200)。
-引入微生物培养单元103中的液体排放物108和127的量：分别为0m3/天和9m3/天
-所用微生物的性质：衣藻属嗜酸型嗜酸微藻，保持在pH 4(C/N＝6)
-在培养单元内取样并引入水解反应器101的微生物105的量：500kg/天，或9m3和104的量：1m3/天，或50kg，平均C/N比为25。
-池塘118中注入处122的pH：pH 4
-引入微生物培养单元103中的包含CO2的工业排放物113的量：715kg固定的CO2，其对应于3.5吨工业CO2的注入量(对于20％的转移效率而言)。
-引入甲烷化反应器102中的包含CO2的工业排放物125的量：0，因为在微藻培养单元中C/N比保持为10至35。
-在从微生物培养单元中出来之后回收的富含甲烷的经净化沼气的量：220m3/天
-系统运行时间：系统每6个月清洁一次。
参考文献
Figure BPA00001406757300141
Figure BPA00001406757300151

Claims (15)

1.一种通过将厌氧消化系统与用于产生浮游植物微生物的系统结合使用来固定CO2和处理有机废弃物的方法，包括以下步骤：
(a’)在水解反应器(101)中处理源自浮游植物培养物的微生物(105)和有机废弃物(104)；
(a”)在甲烷化反应器(102)中处理来自步骤(a’)的至少部分液体排放物(109)；
(b)在浮游植物微生物培养单元(103)中处理来自步骤(a”)的待净化的沼气(110)和液体相(127)；
(c)将包含CO2的气体排放物(113)注入所述浮游植物微生物培养单元中；
(d)在所述甲烷化反应器中保持NH3浓度低于0.5g/L；
(e)当富含甲烷的沼气从所述浮游植物微生物培养单元中出来时将其回收。
2.根据权利要求1所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了保持所述甲烷化反应器中的NH3浓度低于0.5g/L，使用以下附加步骤：
(f)将含有CO2的气体排放物(125)注入所述甲烷化反应器中。
3.根据权利要求1所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了保持所述甲烷化反应器中的NH3浓度低于0.5g/L，在所述水解反应器中将平均碳/氮(C/N)之比保持为10至35。
4.根据权利要求3所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了保持所述水解反应器中的平均C/N之比为10至35，调节步骤(a’)中置于所述水解反应器中的有机废弃物的比例。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了保持所述水解反应器中的平均C/N之比为10至35，在所述水解反应器中使用C/N比大于25的有机废弃物。
6.根据权利要求1所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了保持所述甲烷化反应器中的NH3浓度低于0.5g/L，在所述浮游植物微生物培养单元中将平均碳/氮(C/N)之比保持为10至35。
7.根据权利要求6所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了使所述浮游植物微生物培养单元中的平均C/N之比保持为10至35，使用C/N比大于10的自养物质作为用于步骤(b)的微生物。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了使所述浮游植物微生物培养单元中的平均C/N比保持为10至35，以导致营养物受限的方式调节从步骤(a”)出来且进入步骤(b)的液体排放物的量，从而能够改变所述浮游植物微生物培养单元中的微生物组成，以促进脂质和碳水化合物在所述微生物中的累积。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了使所述浮游植物微生物培养单元中的平均C/N比保持为10至35，调节从步骤(a”)出来进入所述浮游植物微生物培养单元中的沼气的进入流量，以控制所述培养单元的pH并产生合适的条件以增加所述C/N比。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中，为了使所述浮游植物微生物培养单元中的平均C/N比保持为10至35，调节步骤(c)中含CO2的气体排放物进入所述微生物培养单元的流量以将碳流量保持为所述氮流的至少10倍。
11.根据权利要求10所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中使所述浮游植物微生物培养物的稀释速度低于所述微生物的最大生长速度，以导致营养物受限。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，其中为了限制所述浮游植物微生物培养单元中的污染，在所述单元中使用嗜酸或嗜碱物质。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，包括以下附加步骤：
(g)在步骤(b)之前，在交换柱(124)上过滤来自步骤(a”)的富含甲烷的沼气。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的固定CO2和处理有机废弃物的方法，包括以下附加步骤：
(h)将从步骤(a’)出来的液体排放物的部分(108)直接注入所述浮游植物微生物培养单元中。
15.一种组合的CO2固定和有机废弃物处理系统(100)，包括与甲烷化反应器(102)相连的水解/酸生成反应器(101)、和浮游植物微生物培养单元(103)、用于将待净化的沼气(110)从所述甲烷化反应器送至所述浮游植物微生物培养单元的第一供给管、用于将富含营养物的液相(108、127)从所述水解反应器和/或所述甲烷化反应器送至所述浮游植物微生物培养单元的第二供给管、用于将来自所述系统外的含有CO2的气体排放物(113)送至所述浮游植物微生物培养单元的第三供给管、和在富含甲烷的经净化的沼气(114)从所述浮游植物微生物培养单元出来之后对其进行排放和回收的管道。
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