处理有机废物的方法和装置，包括其厌氧消化和消化物的堆肥

技术领域

本发明涉及挥发性或非挥发性有机物质和废物的生物处理领域。这些有机物质和废物可以有各种来源，例如屠宰场、厨房和餐桌废物、植物或农业、林业或工业来源的木质产品。它们可以是液体(例如来自乳制品或葡萄酒行业的浆液或废料)或者是固体(例如内脏、废谷物、水果渣或家庭废物和类似废物的可发酵部分等)。更具体地，本发明涉及用于有机物质的厌氧消化过程以及需氧堆肥过程，但最重要的是这两种处理模式在单个站上的连接。

因此，本发明涉及一种将甲烷化过程和用于堆肥有机物质和废物的过程连接在单个装置中的新的方法。本发明还涉及用于实施该方法的新的装置。

背景技术

WO 2017/109398(JUA Group)描述了通过生物消化对有机废物和污水进行生物处理的设备和方法。众所周知，通过生物消化处理有机物质首先受到细菌生态学的限制，该技术试图实现建立和维持这种类型生物氧化所特有的微生物的有利生态系统的目的。因此，生物消化器是一个反应器，它容纳并维持严格厌氧微生物的种群，这些微生物在水存在的情况下在由液体或固体物质形成的有机底物上生长和繁殖。这些特定的微生物种群基本上具有生物氧化活性，但是在没有空气氧的情况下。只有当这种营养型中典型的三种细菌群落形成平衡的生态系统，使得在细菌合成代谢过程(水解、酸化和乙酸形成作用)中作为废物产生的大部分还原等价物(碳原子和氢原子)最终以甲烷(CH

相关的细菌种类复杂且相对多样，但它们的生物化学特征及其生态学的主要特征已是众所周知的。它们通常分类为三组：水解和发酵细菌、产乙酸细菌和产甲烷细菌。

由厌氧生物反应器构成的人造生态系统的管理需要动态干预，以确保一些基本的物理化学条件；例如pH、温度和氧化/还原电位以及营养需求。可消化碳的可用性对于在存在挥发性脂肪酸(通常缩写为VFA)或额外的铵存在时避免致命性抑制以及优化甲烷生产尤为关键。

厌氧生物消化过程中的关键参数是pH、温度、氧化/还原电位以及营养和代谢供应。

厌氧消化的最佳pH值约为中性。其为每种细菌种群的最佳pH值的结果；酸化细菌的pH值在5.5至6之间，产乙酸菌的pH值倾向于接近中性，而产甲烷菌在6至8之间的pH范围内具有最大活性。然而，甲烷化可以发生在微酸性或碱性介质中。

产甲烷细菌群的活性与温度密切相关。可以定义两个最佳温度范围：嗜温区(35℃至38℃之间)和嗜热区(55℃至60℃之间)，在这些温度的任一侧活性均降低。大多数细菌物种已经被隔离在嗜温性环境中，但厌氧消化步骤的所有营养组都具有嗜热性物种，其使用与具有类似或更高性能的嗜温性细菌相同的代谢途径。然而，其仍然可以在不同于最佳温度的温度下工作，并且具有较低的性能。

氧化/还原电位代表系统的还原状态，它影响产甲烷细菌的活性。事实上，除了缺氧之外，这些细菌还需要低于330mV的氧化/还原电位来启动它们的生长。氧化还原电位(Eh)是自然环境的生物电活性的指标；它越低，就越表明在所考虑的环境中可用于生化交换的高水平能量。腐殖质对氧化还原电位有积极影响。

就营养和代谢需求而言，与任何微生物一样，形成产甲烷菌群的各种细菌都需要足够的大量元素(C、N、P、S)和微量元素供应用于其生长。可以从描述细胞组成的原始公式(C

产甲烷细菌具有高水平的Fe-S蛋白，其在电子传递系统和辅酶的合成中发挥重要作用。此外，细胞中硫的最佳浓度在1mM至2mM(mmol/L)之间变化。这种菌群通常使用还原形式的硫，如硫化氢。产甲烷菌吸收矿物形式的磷。

一些微量元素是产甲烷菌生长所必需的。尤其是镍、铁和钴。事实上，它们是参与其代谢的辅酶和蛋白质的成分。镁是必不可少的，因为它在甲烷合成的最终反应中起作用，以及钠在三磷酸腺苷(ATP)合成的化学渗透过程中也是必不可少的。

有一些生长因子可以刺激某些产甲烷菌的活性：脂肪酸、维生素以及复杂的混合物，例如酵母提取物或蛋白胨胰蛋白酶。

总之，尽管如今已经正确地掌握模拟生物消化过程的宏观模型，以至于可以概括地预测甲烷产生的程度和形式以及消化物的组成，但这些过程仍然难以实施。事实上，如果希望处理给定的有机污水、家庭废物和类似废物的可发酵部分或某些工业有机废物或来自农业部门的废物，或者其他输入的混合物(共消化)，那么每次都应致力于将该过程实现最佳生产率，因为每种底物对应一个最佳微生物生态系统，生化产量窗口很窄。换言之，挑战在于设计和实施一种甲烷消化器，其投资少且运营成本低，但在细菌资源方面是完全通用的，不管输入的限制条件如何变化，都能确保高甲烷生产率。

厌氧条件下的生物反应器是一种人工制品，其试图在给定时间和/或给定位置优化给定微生物菌落的生活条件，从而在最短的生物滞留时间内富集，因此在最小生物反应器体积中，由置于水溶液中或更一般地在不存在气态氧的情况下的底物的消化产生甲烷的最大产量。生物消化器由四个主要部件组成：密封且通常隔热的室、搅拌或混合装置、消化物加热装置以及底物、消化物和沼气的入口/出口装置。

根据所实施的过程，可以区分这种反应器中的两种主要类型的生态系统：固定生物质和游离生物质。

在固定生物质消化器中，该室不仅用于容纳底物并将其与空气隔离，还用于将厌氧细菌菌落固定在合适的载体上。一些液相技术使用浸没在助熔剂中的自主固定细胞。通常，这种方法的优点在于，尽管处理过的底物流永久或连续输送，但仍保持细菌菌株的可用性，所需的目的是不必重新开始细菌接种或避免通过化学输入使菌群专门化。可以使用几种类型的固定方法，例如，在接种前将底物或部分进入的底物造粒，并使其在生物消化器的室内循环。

一般来说，有机废物或物质的生物氧化操作必须符合若干有效性和生物安全标准，这些标准通过进行关键设置和调整而设定。因此，在游离或固定的生物质消化器中，使用了活性生物质强化过程，这是由汁液的加热和循环引起的，也可能是由微量元素和pH校正剂的添加引起的。该方法是适应性的，并且依赖于细菌菌群自发地根据环境的限制(特别是对于大量营养物质存在的方面)进行专门化的能力。通过“外部”热(维持在38℃的嗜温条件或55℃的嗜热条件下)、化学物质(中和酸或碱性pH)和机械(输送、流化和混合)作用，可增强生物质的适应性，其可随流量的顺序或连续流动自由离开室，并根据生态系统的限制条件进行进化。因此，一般来说，生物消化器需要对由传感器提供的指示进行良好监测，以便能够在延迟的时间内进行人类调节响应，或者需要对由传感器传输的信号进行自动分析和处理，实时推断效应器的致动。

除了固定生物质和游离种群之间的差异，手动或自动设置，可以区分两种类型的流动动力学：该过程可以是顺序进料过程(“分批”过程)或连续进料过程。

顺序进料过程的主要特点是，它们试图在同一个室中为单一剂量的底物建立甲烷消化主要阶段的连续性。换言之，可以考虑在这种情况下，细菌种群从周期开始到结束在相同的底物上进化，因此不需要消耗能量来适应其生态系统中的意外变化，细菌种群改变生态系统，而不是相反。因此，一旦罐的装载完成，其可以在一天或三天或四天内完成，就进入了开始水解阶段的最佳条件(温度、pH、营养、接种)。然后，转向酸化的过渡阶段，该阶段被调节以能够触发乙酸形成作用，最后是甲烷生成。理论上，该过程具有比连续流动方案更短的水力停留时间(HRT)且更易于控制的优点。一般来说，需要有多个并联运行的罐，这些罐在填充时一个接一个地启动。在一个单元出现功能障碍的情况下，用其他的单元处理可以继续进行处理。这也是一种罐体较小且通常接受干物质密度较大的底物的方法。然而，顺序进料使得需要使室和辅助装置(如加载料斗、阀门和其他泵)倍增。此外，厌氧微生物组的自发进化与消化阶段的连续性相关性并不能保证，通常需要外部干预来对抗抑制，调节营养需求和酸碱动力学。

在任何情况下，连续供应在许多方面与顺序装载严格相反。首先，由于在第一种情况下，生态系统以及特别是细菌菌群都是通用的，或者细菌及其用于循环的四个阶段的辅酶在同一时间共存于同一室内，但不一定在生物反应体积的同一区域内。此外，由于为了获得足够的HRT，必须将罐的尺寸定为非常大的体积，这导致成比例的能量消耗以保持合适的温度，特别是连续混合混合物，以避免在表面形成硬壳以及在罐底部积聚过于密集的沉积物，并确保生物反应器内部的最小循环，从而使底物的运输覆盖所有种类的细菌生物群落。

然而，应该注意的是，因为家庭生物消化器或中国农民主要是连续给料的，这一方法非常陈旧，可以很好地适应均匀有机底物的微沉积，变异性非常低。事实上，由于体积非常小(几十立方米)、废物质量和数量稳定，如果不寻求实时排出沉积物，而是液体或浑浊(洗出液)相流动(随后可通过扩散回收)，则很容易保持。事实仍然是，在几个操作循环后，必须停止运行这些小单元并排空它们的沉积物，这些沉积物通过积聚减少了设备的有效体积，并损害了细菌菌群的发育。除沼气外，只有一些工业过程法能够产生高度负荷流体，从该流体通过倾析和/或旋转干燥提取消化物，这些消化物通常难以作为生物肥料回收。因此，在工业或家庭层面上，该过程的优势基本上在于其能够以平均沼气产量接受连续的废物流或低有机负荷的污水的能力，但可能回收所提取的污水，更难回收消化物的“固体”部分。

基于刚刚描述的内容，两种主要类型的过程继续竞争，即单相过程和差异相过程。

在第一种情况下，无论生物消化器是顺序型还是连续型，是固定生物质还是游离生物质，所有相都发生在同一个室内。这个子系统要么是重力(沉降)，要么是逆流，并形成了大部分。基本的技术变化涉及底物的顺序或线性混合模式(混合vs脉冲vs无限混合)、进料底物和提取消化物和洗出液的模式。

在第二种情况下，在理论上，四个阶段中的每一个都可以限制在不同的罐中，并且通过机械或液压系统确保在每个阶段完成后进入下一阶段时的改性底物的通道。事实上，现有技术显然有利于两相系统，其中水解和酸化被限制在第一室中，同时确保乙酸形成和甲烷生成一起在第二室中。这些多相过程寻求的目的是通过作用于优化这些不同生态系统的微观条件来更好地单独管理各个阶段。

更复杂和更昂贵的是，差异相过程在生物可降解性方面仍然具有更好的产率，特别是对于需要强烈的酶促物种形成和/或特定的化学或热环境的底物。另一方面，对于随时间推移而均质且其组成不提供特别风险的废物流(特别是在乙酰形成阶段)，通常认为该过程没有提供足够的足以使所需的复杂性和投资合法化的附加价值。

最后，根据流中总悬浮固体(TSS)的浓度，即溶解在消化器中的干物质(DM)的比例，对三种类型的生物消化器进行了区分。因此，可以区分：TSS低于10％的低DM浓度生物消化器、TSS在15％和20％之间的中等DM浓度生物消化器和TSS在22％和40％之间的高DM浓度生物消化器；所有这些指标均以重量百分比表示。

具有低TSS含量的流动生物消化器具有作为主要输入的工业或生活污水，这是污水处理厂或富含高度稀释抑制组分(VFA、NH

这样，这些生物消化器不适合处理固体有机废物，除非将这些固体有机废物切碎并置于溶液中，使得污水总是形成大部分的输入或被高度稀释。根据这些方案，沼气和消化物(在本例中为污泥形式)的产量相对较低，但最重要的是要寻找它们对污水的主要净化能力，并且它们的能量平衡与沼气的热电联产相平衡。可能的是，这些子系统的生产率随着消化物液体(洗出液)转售为液体有机肥料而提高，一方面，当它们能够证明生物稳定性并在扩展区域运输时，以保证扩散时的低浓度，这在正常操作条件下总是难以保证，除非能够接受足够扩大扩散区域的重大后勤成本。对于这种类型的过程，可应用的最大体积负荷在2至5kg COD/m

具有中等TSS浓度的生物消化器的类型是最常见的。在这种配置中，固体可消化底物溶解于其重量的两至三倍的水中。被溶解有机物质的密度的这种形式对应于寻求可消化物质的量、及其在消化器室中的粘度和聚结与厌氧环境容纳和维持细菌种群的能力之间的平衡，而不存在由于生化饱和而将其抑制的风险。事实上，由于细菌活性在最佳条件下起作用，因此不需要使消化物紧密，只要在生物消化进展的不同阶段能够被调动即可。因此，该方法适用于固体有机废物的可消化部分的处理，该固体有机废物在上游进行有效的分选以排出不需要的组分，并进行相对精细的切碎，从而允许可消化物质的水力转移和高细菌多样性的增殖。

中等DM浓度的生物消化器更适合于连续而非顺序进料过程，特别是从固定生物质系统中获益，因为底物流具有足够高的流速来耗尽驻留的菌群。通常，所施加的体积负荷可达到15至20kg COD/m

一些有机废物沉积物由具有低消化率的大固体部分组成：DM的质量高，但挥发性有机物质(VOM)与DM的比例低。如果不可能有效地集中这些废物的VOM，则需要采用能够进行厌氧处理的技术。设计为这类型应用的一些生物消化器；它们被称为在DM中具有高浓度。

这些生物消化器的特殊性在于底物的进展和混合模式，以及它们几乎完全由游离生物质顺序进料生物反应器组成，但有接种。一般而言，应注意的是，超过VOM含量的给定阈值时，存在过载的风险，这可能导致甲烷生成的抑制，这对于富含动物蛋白质(畜体和脂肪)或铵(垃圾和泥浆)的废物尤其有效。此外，所施加的体积负荷可达到40kg COD/m

因此，有必要考虑到这一事实，即当超过3g/l时，铵(NH

除了用水稀释之外，将这些特定有机底物保持在抑制阈值以下的最常用技术是将蛋白质含量过高的废物(内脏、鱼类、乳制品、畜体和其他肉类废物)与含碳底物混合。

混合物控制方法的替代方案包括通过对将废物置于先前阶段的强烈的嗜热需氧发酵来降低废物的VOM含量(尤其是铵的比例)，但这在任何情况下都需要将肉类废物与含碳底物混合。

另一种替代方案是在低温下进行热处理，引起热分解，这特别影响VFA，并使其恢复到提高的消化率配置。这三种技术可以一起使用，热处理首先按顺序进行。

总之，无论保留的甲烷消化过程如何，四个参数都有助于确保令人满意的生物生产力和经证明的经济可行性：

第一，结构生物群落的非破坏性正向置换深度混合，由在存在的情况下经历厌氧成熟的消化物内的细菌菌落及其酶反应建立。这种混合在压实沉积区尤为必要，因为它必须促进活跃的生物扰动动力学。

第二，对消化物进行处理，使其可作为生物肥料回收，而不会产生任何环境或生物风险。这通常在液相/固相分离后完成，或者更罕见的是通过嗜热需氧成熟完成。

第三，可消化有机碳的可利用性以可逐步移动的形式，并与每个甲烷消化阶段的特定需求成比例，以便始终保持低于VFA和铵抑制阈值。

第四，生物反应器的热管理以达到并保持最佳温度，该温度需要能量输入，当罐的体积较大时，能量输入更为重要，或者换言之，当生物反应器内的稀释相当大时，能量输入更为重要。

本发明旨在提供一种综合解决方案，以解决不同的现有甲烷消化过程所遇到的困难，这些过程面临因缺乏可消化碳或缺乏稀释水而受到抑制的风险，不可能将原始消化物排到环境中以及由于生物反应器的热需求所需的能量消耗。

发明内容

本发明涉及无限混合连续以及顺序进料多相厌氧消化过程，无论其在挥发性有机固体中的含量如何，无论其是游离的还是固定的生物质、嗜温的还是嗜热的。

优选地，本发明涉及连续进料多相过程，嗜温和嗜热、而且挥发性固体和固定的生物质含量高。

根据本发明的一个基本方面，甲烷消化设备与密闭容器中的堆肥设备连接，这允许进行添加原始堆肥并将堆肥渗滤液注入消化器，确保通过与木质物质共同堆肥来处理消化物，以产生稳定和平衡的生物肥料。这也有利地允许在堆肥筒仓中捕获热量以将其转移到生物消化器的罐中。

因此，本发明的第一个目的是一种在连接设备中处理有机废物的连续过程，所述处理有机废物的过程包括用于所述废物的第一部分的厌氧消化过程(发生在至少一个消化室)和用于处理所述废物的第二部分的需氧堆肥过程(发生在至少一个堆肥室)，其中处理有机废物的过程：

-在所述厌氧消化过程完成后，收集消化物和沼气，

-在所述需氧堆肥过程完成后，收集堆肥和腐殖质渗滤液，

-将至少一部分所述消化物进料到所述需氧堆肥过程中，

-将至少一部分所述腐殖质渗滤液进料到所述厌氧消化过程。

通常，所述有机废物的所述第一部分基本上包括挥发性有机废物，其选自由以下各项形成的组：屠宰场废物、乳制品废物、酿酒废物、鱼类加工废物、肉类加工废物、稳定的牲畜废物、厨房和餐桌废物、源自农业食品工业的有机废物。

通常，所述有机废物的所述第二部分主要包括结构化有机废物，其主要是木质素、纤维素、半纤维素和/或角蛋白类型的有机聚合物，和/或所述有机废物的所述第二部分主要包括选自由以下各项形成的组的废物：锯切废物(如锯屑或来自锯木厂的木材废物)、切碎的森林废物、切碎的木材废物或产品、棕色纸板、各种来源的切碎的植物(如修剪、清理、收集的枯叶)、各种农业废物(如秸秆)。

在优选实施例中，所述需氧堆肥过程在至少一个堆肥室中进行，所述堆肥室优选垂直以确保用于渗滤过程的足够高度，并设有第一热交换器，所述堆肥室通过该第一热交换器将传热流体加热到第一温度，和/或所述需氧消化过程在设有第二热交换器的至少一个消化室中进行，所述至少一个消化室通过所述第二热交换器在低于所述第一温度的第二温度下通过所述传热液体加热。

非常有利的是，所述有机废物的所述第一部分在被冷却且被输入所述厌氧消化室之前，在热预处理室中在高于45℃的温度下，优选在70℃和80℃之间进行热预处理。

有利地，所述热预处理室设有第三热交换器。

在有利的实施例中，由所述第一热交换器加热的所述传热流体的至少一部分被输送到所述第二热交换器中。

厌氧消化过程产生的沼气或生物甲烷通过过滤从中提取。它可以向设有第四热交换器的燃烧器供应燃料，该第四热交换器加热传热液体，该传热流体与所述第二热交换器和/或所述第三热交换器热连通。

在特定实施例中，所述燃烧器与电能发生器能量连通，所述电能发生器优选地向所述设备的至少一部分供应电能。

本发明的另一个目的是配置成执行根据本发明的过程的设备。该设备包括：

-用于处理所述有机废物的第一部分的厌氧消化单元，其依次包括用于进行水解和酸化的第一室、用于进行乙酸形成的第二室、用于进行甲烷生成的第三室和用于脱气的第四室，

所述四个室连续地流体连接(优选地通过辅助溢流)，以使处理过的废物能够从一个室转移到下一个室，

所述厌氧消化单元配置为基本上产生消化物和沼气；

-用于对所述有机废物的第二部分进行需氧堆肥的堆肥室，其配置为基本上产生堆肥和腐殖质渗滤液；

-用于将所述消化物从所述脱气室转移到所述需氧堆肥单元的装置；

-用于将所述堆肥和所述渗滤液转移到所述厌氧消化单元的装置。

非常有利的是，所述设备包括设置在所述厌氧消化单元上游的热预处理室，使得打算进入所述厌氧消化单元的所述有机废物的第一部分通过所述热预处理室。

在一个有利的实施例中，对设备进行配置，以便：

-使用传热液体加热所述厌氧消化单元的至少一个所述室；

-使用传热液体加热所述热预处理室；

-由传热液体冷却所述需氧堆肥室；

-在所述需氧堆肥室上回收的热量用于加热所述厌氧消化单元的至少一个所述室和/或使用传热液体加热所述热预处理室。

由需氧堆肥室传递至将其冷却的传热液体的热量的至少一部分可用于加热至少一个厌氧消化单元。

有利地，该设备包括燃烧器，所述燃烧器配置为燃烧由所述厌氧消化室产生的沼气(主要包括甲烷)的能量部分。这种热能可以以两种不同的方式使用，这两种方式可以在设备内组合：一方面，所述燃烧器可以配置为加热传热流体，所述传热流体与所述厌氧消化单元的至少一个所述室和/或与所述热预处理室热连通。另一方面，所述燃烧器可与电能产生装置相关联。该设备可以配置为使得所述电能产生装置可以为所述设备的部分或全部需求供应电能，同时知道该设备包括使用电能的辅助装置，例如泵、输送机、电磁阀。

因此，本发明允许制造有机废物处理设备，将厌氧消化与需氧堆肥相关联，并涉及消化物的堆肥和在厌氧消化中的腐殖质渗滤液的再循环，这可以覆盖其自身的电能和/或热能需求的至少一部分。

附图说明

[图1]示出了根据本发明的过程的有利实施例的示意图。

[图2]示出了根据图1的示意图的第一个细节。

[图3]示出了根据图1的示意图的第二个细节。

[图4]是可用于实施本发明过程的装置的简化示意图。

三位数的附图标记表示装置的元件，而四位数的附图标记表示过程的步骤或方面。

具体实施方式

通常，根据本发明的过程允许使用来自完全不同来源的有机废物。特别地，这可能包括屠宰场废物、厨房和餐桌废物、植物或农业、林业或工业来源的木质产品。通常，根据本发明的过程允许使用液体废物(例如来自乳制品或葡萄酒工业的浆液或废料)，以及固体废物(例如内脏、废谷物、水果渣或家庭废物及类似废物的可发酵部分)。

本文将首先参考

根据本发明的过程使用了两种不同的原料，它们都是有机物质或废物。第一种原料由所谓的结构化有机物质或废物组成(基本上是木质素、纤维素、半纤维素、角蛋白类型的有机聚合物)。第二种原料由挥发性有机物质和废物组成(基本上是有机分子，如糖、蛋白质、碳水化合物，因此聚合较弱)。

这些原料及其生物转化将参考图1进行解释，

根据本发明的过程使用以结构化有机物质和废物(标记1000)的形式提供的有机废物作为原料。这些废物主要由固体、高度聚合的废物组成，其难以通过厌氧生物手段降解；因此，它们可以包括木质物质或其他纤维素物质和/或角蛋白。特别地，这些可能包括锯切废物、锯屑、各种来源(修剪、清理、收集的枯叶或秸秆)的碎植物、碎森林废物、碎木制品、纸板(特别是棕色纸板)。这些废物以分割的形式提供，例如以颗粒或碎片的形式提供，其尺寸不超过约50mm x 20mm的典型尺寸(优选不超过约30mm x 20mm的尺寸)。它们可能是干的或湿的。

这些固体有机废物可以进行新的切碎，这允许将它们减小到更细的颗粒尺寸(标记1010)。例如，这种切碎可以在诸如慢速双轴刀研磨机的装置中进行，由装载料斗供应物质。然后，通常通过料斗将它们转移到用作生物反应器的堆肥室(标记1020)中。如下文所述，根据本发明过程的基本特征，这些结构化废物将与由本发明过程产生的另一部分(即来自挥发性有机废物的厌氧消化的消化物)混合用于堆肥。

堆肥过程是需氧过程，其分为两个不同阶段进行；因此，所述堆肥室通常以垂直筒仓的形式制成，具有两个隔室，每个隔室各自专用于堆肥过程的两个阶段中的一个。

这两个阶段如

堆肥过程1020的第一阶段1022是在各种微生物的共同作用下，在65℃至75℃或80℃的温度范围内进行的需氧、嗜热和放热过程。必须为处理过的物质提供加湿水(通常包括或由再循环的腐殖质渗滤液组成)和新鲜空气。堆肥过程1020的第二阶段1024是嗜温的。堆肥产生两个部分，即液体部分，称为腐殖质渗滤液(标记1030)和固体产物，称为堆肥(标记1040)。如上所述，有必要在需氧堆肥室中保持腐殖质渗滤液(标记1090)的循环。

这两种副产物中的每一种都可以按照已知的过程在根据本发明过程之外回收；这个过程的产出在本文中称为“输出”。例如，堆肥可以输出(标记1070)，用于改进富含腐殖质和矿物质的农业或园艺培养基。腐殖质渗滤液富含腐殖酸和辅酶。其干物质含量低，优选低于5重量％，通常低于4重量％。它还可以输出(标记1060)，用作土壤生命和植物生长的生物刺激剂。

应注意的是，渗滤液中腐殖酸的增溶需要在永久性嗜热区域(温度通常在65℃至80℃之间)中长时间停留，该区域在具有足够尺寸(特别是具有足够高度)的堆肥室中形成；这个室必须有足够的成熟度水平。这些条件通常要求室中料堆的厚度(高度)为至少3米，优选为至少3.5米，甚至更优选为至少4米。此外，在堆肥中永久循环流出物(图1中的步骤1090)是有利的，以便这些流出物逐渐负载有腐殖酸。因此，形成了腐殖质渗滤液，其通常具有咖啡色，并且与已知类型的堆肥反应器的简单流出物显著不同。

根据本发明的过程还使用挥发性有机物质和废物作为原料。这里的术语“挥发性”不是指气体性质，而是指它们更容易的生化分解：这些物质和废物是弱聚合的。它们可以是液体、泥浆或固体；它们可以包括例如蛋白质、脂质、碳水化合物或糖。特别地，这些废物可能由屠宰场、乳制品、酿酒、鱼和肉加工、稳定的牲畜、厨房和餐桌废物，以及更普遍的来自农业食品行业的有机废物组成。它们通常包括固体部分和液体部分；它们的液体部分可以包括水和各种液体有机废物，例如浆液、油、各种汁液。

这些挥发性有机物质和废物(标记1100)，作为整体或至少其固体部分，可以首先进行切碎，这允许将它们减小到可接受的粒度(标记1110)。然后，对它们进行热预处理1120，这将在下文中解释。

根据本发明，在完成它们的热处理后，这些挥发性有机物质和废物进行厌氧消化过程(标记1150)，也称为甲烷消化，因为它产生甲烷。厌氧消化1150是分为几个阶段进行的吸热过程，如

在第一加热室中执行的第一步骤1152中，使用可在相同物质内共存的两种不同微生物菌株，进行同时发生的两种厌氧微生物过程，即水解和酸化。通常，这两个过程在38℃至40℃的温度范围内进行，停留时间包括在3至10天之间。在第二步骤1154中，将物质转移(优选通过辅助溢流)到第二加热室中，并对其进行乙酸形成过程；停留时间在8至12天的范围内。在第三步骤1156中，将物质转移到第三加热室中，并对其进行甲烷生成过程；停留时间在12至18天的范围内。在第四步骤1158中，将物质转移到第四脱气室以收集通过表面张力保持固定在消化物中的小部分沼气(标记1160)。厌氧消化1150期间产生的富含甲烷的沼气被滞留在顶部空间中，该顶部空间将消化器的三个罐覆盖在单个柔性密封的外壳中。

根据本发明的基本特征，该过程通过执行固体和液体物质从这两个生物反应器中的一个到另一个的相互交换，将需氧堆肥1020与厌氧消化1150连接在一起。

因此，可以向发生不同消化阶段1152、1154、1156的室供应来自堆肥室的腐殖质渗滤液(标记1053)。更具体地说，腐殖质渗滤液1030优选添加到其中一个室(或同时添加到两个室中)，在该室中发生产乙酸形成1154和甲烷生成1156，这些添加在图3中分别由标记10534和10536标识，和/或在厌氧消化1150的上游，即进入热预处理室(标记1051)和/或可能进入位于热预处理室上游的研磨机1110(标记1052)，和/或有可能进入可选的混合器1140，该混合器位于热预处理室1120和厌氧消化1150之间。在一个优选实施例中，将腐殖质渗滤液1030进料到热预处理室1120。

在甲烷消化循环的三个罐中的每一个罐中存在测量氧化还原电位(Eh)的传感器的情况下，可以单独地和自动地向每个罐中注入腐殖质渗滤液，以诱导特定的最佳化学生物活性的精细调节。

此外，可以向厌氧消化过程1150供应来自堆肥室的堆肥1040。优选地，该堆肥1040在均质化步骤1120期间添加，即在热预处理室1120中(该添加路径带有标记1051)和/或在位于热预处理室上游的研磨机1110中(该添加路径带有标记1081)。

如上所述，厌氧消化过程1150的适当进展需要存在足够量的可消化有机碳(其通常相当于给定有机废物的有机干物质的大约一半)，以避免该过程受到抑制。将渗滤液1050、1051、1052、1053添加到进入堆肥室的物质和废物1100中，允许控制消化室1150中可消化碳的正确含量。

如上所述，根据本发明的厌氧消化过程可以使用挥发性有机物质和废物(标记1100)，其通常以流体的形式存在，即液体或泥浆或负载有切碎的固体颗粒。这些可能是各种来源的废物，切碎和/或均质化。有利的是，这些废物富含蛋白质、脂类和糖类。也可以使用生物处理厂的污泥，但条件是这些污泥不包括可能干扰输出堆肥1260和渗滤液1240最终使用的化学物质。

根据它们的来源，可能需要在热处理室中对所述挥发性有机物质和废物1110进行热预处理(标记1110)。例如，将食品投放市场后收集的食品产品废物(源自家庭或餐饮业的厨余废物)或源自农业食品行业的食品产品废物，以及更具体地说，动物副产品及其衍生产品必须经过适当的热处理(卫生处理、巴氏杀菌，甚至在高卫生风险的情况下进行灭菌)，以便在生物过程中回收和消除。如上所述，将来自堆肥室的堆肥和腐殖质渗滤液添加到用于厌氧消化的物质中。根据非常有利的实施例，将所添加的堆肥进行热处理1120，并且由于这个原因，在切碎/混合阶段1110或者直接在热处理室1120中添加堆肥。事实上，堆肥的热处理消除了一些可能干扰厌氧消化过程的菌株。渗滤液也可以与加入渗滤液的物质一起进行热处理。

厌氧消化1150产生沼气(标记1160)。沼气富含甲烷；它还包括氮、水和二氧化碳。对其进行过滤过程1170以分离甲烷。后者可以在燃烧器中进行能量回收1190，和/或可以输出。

厌氧消化产生称为消化物(标记1200)的泥状或糊状残留物，其与切碎的结构化废物混合，并且将该混合物转移到堆肥室(标记1210)中，以将其分解成堆肥1040和腐殖质渗滤液1030，如上所述。

根据本发明的过程的非常有利的实施，厌氧消化室1150和需氧堆肥室1020不仅通过物质流连接，而且通过能量流连接。实际上，整个过程包括至少一个放热步骤，即需氧堆肥1020的第一嗜热阶段1022(并且，在适当的情况下，还包括沼气的能量回收1190)，以及至少一个吸热步骤，即厌氧消化1150(并且，在适当的情况下，还包括流体废物的热预处理1120)。这些能量流在图1中用虚线表示。流体有机物质和废物经过热处理1120之后进行冷却1130期间所释放的热能也可以回收。

因此，在根据本发明的设备的一个非常有利的实施例中，需氧堆肥室1020(更具体地说是其专用于嗜热反应1022的隔室)包括热交换器，其能够吸收在嗜热堆肥阶段产生的反应热，通过适当的传热流体(可以是水)将其输送到与需氧消化室1150相关联的热交换器，该热交换器能够加热包含在该室中的物质。或者，由需氧堆肥室1020加热的所述传热流体也可以对热预处理室1120进行加热。

根据本发明的可与上一发明相结合的设备的另一个有利方面，确保生物甲烷的能量回收1190的燃烧器加热传热流体(标记1240)，通常是供应厌氧消化室(标记1250)和/或热预处理室(标记1260)的热交换器的水(例如，以过热蒸汽的形式)。可以将其余源自生物甲烷能量回收的能量输出(标记1270)；它可以是热能或电能，后者由具有热电联产的发电机组或由生物甲烷燃烧加热的气体驱动的涡轮机产生。所述电能的至少一部分可由设备自身使用，其包括消耗电能的物质流传输装置(例如用于流体有机废物1100、湿的渗滤液1030和消化物1180的泵以及用于堆肥1040的输送机)。这些能量流未在图1中表示，以免使图1过载。

因此，本发明允许制造一种完全能源自给自足的设备，并且该设备还能够产生非常显著的能量过剩。

根据本发明的过程的一个主要优点在于，它是连续进行的，与不连续的过程(“分批”模式)相比，物质的流动几乎连续进行，室不需要定期排空和重新启动。

根据本发明的过程允许回收源自厌氧消化过程的消化物。在已知的过程中，消化物仍然包含未矿化的挥发性物质，这在将消化物扩散在农业土地表面时会造成问题。根据本发明的过程在堆肥过程中回收这些挥发性物质。将具有干物质当量质量的消化物与结构化废物一起输入不仅可以改善堆肥的嗜热阶段的动态，而且可以非常显著地提高堆肥中含氮营养素的水平。

最后，根据本发明的过程将源自该堆肥过程的渗滤液非常部分地再次进料到厌氧消化过程中。因此，挥发性材料最好用于循环过程。

参考

根据本发明的设备包括厌氧消化单元110。它包括四个接收液相的室，以及一个接收所产生的沼气的室，这将在下面进行解释。第一室120是加热室，在其中同时发生水解和酸化1152。第二室122是加热室，在其中发生乙酸形成1154。第三室是加热室124，在其中发生甲烷生成1156。第四室130是脱气室1158，在其中沼气与消化物分离(脱气阶段1158)。

所述第一室120、第二室112和第三室124由传热液体加热。液相从一个罐到另一个罐的连续转移可以通过将一个室的内容物辅助溢流到下一个室来完成，如图中由室的高度差所表示。沼气积聚在第五室112中，该第五室112由柔性的屋顶所封闭，该屋顶根据沼气的压力可进行扩展。

厌氧消化单元由装载装置180装载，装载装置180可以是带式输送机，或者优选地是气动输送机。原料在被输入热预处理室184之前进入料斗，然后进入混合器188。后者通常是水浴，具有通常为水的传热流体。泵138将这些预处理的废物输送到厌氧消化单元180。消化物由泵131排出至混合罐133。

此外，该设备包括用于需氧堆肥的室150。该室可以是圆柱形或平行六面体的垂直筒仓，具有底部、盖子和外壳，该外壳由金属板(优选不锈钢)制成，或者在内部涂覆有塑料膜(优选由聚丙烯制成)。该室在其上部具有用于输入挥发性有机物质、废物和液体消化物的装置148、149。该室包括发生嗜热阶段1021的第一区域152和发生嗜温阶段1022的第二区域154。在一个实施例中，所述第一区域152位于室150的上部，而第二区域154位于室150下部。

至少在与第一区域152相对应的部分上，室的壁被热交换器(通常是蛇形管156)包围，该热交换器连接到传热流体(通常是水)在其中循环的回路。在室的底部，有用于将腐殖质渗滤液和堆肥排出到中间储器160中的装置158、159。下面将更详细地描述向厌氧消化单元110的转移。

本文给出了本发明的一些重要方面的更详细描述，以便本领域技术人员能够实现本发明的目的。

1.向厌氧消化器中添加原始堆肥和堆肥渗滤液

根据已知的过程，例如WO 2017/109398中所述的过程，在堆肥筒仓内的甲烷消化器的完整循环产生的消化物的共堆肥期间，进行原始堆肥和原始堆肥渗滤液的收集。原始堆肥特别富含可消化碳和简单的、非饱和的氮化合物，与厌氧细菌的营养需求相适应。富含腐殖酸、丹宁和碳质胶体的渗滤液是由与切碎的木质或纤维素材料(堆肥基质)混合的消化物的液相/固相分离产生的，这些切碎的木质或纤维素材料已经过细菌生物氧化的强烈、嗜热然后嗜温反应。虽然只含有非常少的干物质，通常重量在2％至4％的范围内，但已知这些渗滤液包括生化介质和辅酶，能够通过促进特别是细胞生长来强化厌氧细菌活性。

应强调堆肥和腐殖质渗滤液随时间的稳定质量，这些堆肥和腐殖质渗滤液以与上游生物消化过程相同的速度在适时流动中产生。因此，将堆肥产品添加到消化罐中的剂量是有规律的，易于执行。

根据本发明，堆肥和原始渗滤液的剂量以三种模式注射。它们首先在甲烷消化过程开始时注入，以替代其他碳质输入和稀释水。如果实施这种热处理，则将它们整合到经受热预处理的消化器的进料剂量中也是有利的。最后，根据生化指标传感器(Eh、pH、沼气产量和沼气组成、总碱度、总碳)提供的数据，以适当的方式将它们注入三个消化器罐中的每一个是可能的，也是有益的；事实上，在整个基于生物化学指标的厌氧消化过程中，堆肥和原始渗滤液的注入在多相过程中具有特别高的影响，因为这些碳质和腐殖质化合物的注入是以更具针对性的方式进行的。

以这种方式获得的可消化碳质有机物质和细菌代谢增强剂在水稀释中的添加不仅允许优化该过程的生物化学，而且还形成循环经济的载体之一，在生产消化物转化为堆肥作为生物肥料高度可回收的循环末期具有巨大优势，没有扩散原始消化物的缺点，其对环境的负面影响是众所周知的。

该过程的另一个积极结果是，在整个堆肥筒仓中部分循环过滤的消化物的液相，节省了对进料消化器的非抑制剂量的挥发性部分所必需的稀释水的所有需求，同时，这些特别有效的腐殖质液体在需氧产生鼓泡后可用于农艺用途，以再生土壤并支持其生物活性。

2.在消化器罐中创建和维护生物扰动区域

其主要目标是在最浑浊的地层中增强生物和生化交换，从而形成聚结和固体沉积。非破坏性正置换混合，与可能富含氢的脱硫沼气再循环的产生鼓泡循环相关，可防止罐底部沉积物的固化，并能够增强交换。事实上，沉积物的移动不会损害由固定底物或结节上的细菌活动产生的生物膜的外聚物组装而成的增生结构。在根据本发明的过程中，固定结节可以是外源性的，即作为人工制品进料到罐中以促进生物质的固定，或者甚至更有利地是内源性的，即由于有机物质的降解而随着厌氧消化而逐渐产生，如仍附着在骨结构或骨骼上的肉、由木质骨架支撑的可消化植物表皮、指甲、头发和其他富含聚合物(如角蛋白)的有机化合物。

在连续进料过程中，必须防止内源性固定结节的过度积聚；出于这个原因，该操作优选地通过定期提取不危及该层位的固定功能的剂量而在临界较低层位上泵送来进行。

总是观察到富含钙或角蛋白的不可消化残余物的沉积，此外，在内源性固定结节不足的底物情况下，仍以部分可消化纤维结构的原始堆肥的输入是绝对必要的，或建议富集固结基质。在任何情况下，锚定在这些纤维状或钙化颗粒上的生物膜的形成将各种各样的细菌菌落在整体密度层位聚集在一起，形成了一个复杂的生态系统，不仅赋予了对环境(营养或物理)干扰的抵抗力，而且最重要的是使营养链中的组织具有非常活跃的交换动力学，从活化沉积物开始，并在稀释时覆盖整个底物柱。

事实上，应该强调的是，当钙结节保持在深沉积层中时，来自原始堆肥的具有较低密度的固体纤维材料在存在稀释和代谢强化溶质的情况下保持在罐内的上升流中，接近水密度的堆肥渗滤液实际上存在于罐的整个容积中，而密度更大的矿物辅酶将快速迁移到罐的底部。

为了促进沉积层和物质流的上层中的这种生物扰动动态，根据本发明的反应器可以包括会聚式液压偏转器系统。有利地，这些偏转器定位在厌氧消化罐中的两个确定的高度处，即在罐的大约下三分之一处和中间高度处。偏转器可以由3mm厚的简单刚性塑料板制成，最好是聚丙烯，固定在横向穿过罐的杆上(这些杆充当刚性拉杆)。板或偏转器起到定向襟翼的作用，以对称相对的方式彼此放置，襟翼的上边缘之间的距离优选不小于300mm。有利的是，襟翼的倾斜角度满足包括在以下的角度：在下襟翼上为约20°至约45°，优选为约30°，在上襟翼上为40°至60°之间，优选为约50°；该角度可以根据罐中的底物的浊度以及襟翼的上边缘之间的间隙而在打开或关闭时变化。

这种偏转器系统通过引导沉积物以流的形式上升，同时携带鼓泡产生的颗粒，从而促进罐中心的上升流动动力学。

3.根据本发明的装置的一些方面的细节

在证明本发明的装置中，可以提出通过浸没式柔性箱与堆肥单元以及混合和加热设备的连接。这里指示了这些方面的实际实施例。

关于与堆肥单元的连接：

根据一个实施例，到堆肥单元的消化物转移路径由消化物脱气罐130、用于具有高总固体含量的粘性流体的泵131、具有足够直径(至少DN80)的管道132、混合罐133组成，该管道132设置有吹扫装置，该混合罐133接收足够剂量的切碎结构化木质废物的消化物。

根据一个实施例，用于输送堆肥渗滤液的路径由连接到浆料泵161的原始渗滤液容纳箱160、将所述泵161连接到热预处理罐184的管道134(在其中进入消化器110的有机物质1080/1081；1051/1052被预热1120)(有利地在切碎1081/1052之后)、用于测量转移的渗滤液体积的装置135和至少一个阀136组成，该阀可以是手动操作阀或自动电磁阀。

热交换装置可由支撑水管网络的等温壁组成，其用于热传递的接触面将固定在嗜热区域的堆肥筒仓的金属壁上。需要40℃的水的循环可以通过梯度在25℃范围内的热虹吸管进行调节。

关于使用浸没式柔性箱的混合和加热设备：

根据一个实施例，用于加热水或传热流体的装置由水浴加热罐、由生物甲烷或沼气提供动力的锅炉、热或混合PV和热太阳能站、用于在嗜热区域中的堆肥筒仓的壁上回收热量的被动系统，或这些装置的全部或部分的组件组成。

此外，这种装置有利地包括能够输送高达60℃的热水的泵，其设置适合于以下基础上的柔性箱的配置(无需推断压降)。此设置由两个参数描述：

第一个参数是泵的标称流速Dp＝(Vi-Vm)/T，以m

第二个参数是泵必须输送的标称工作压力Pp＝((dxHs)/10)x1.25，以巴(10m水柱)表示，安全系数为1.25；在该公式中，d是消化物的体积密度，Hs是在阶段Vm时消化物柱在柔性箱表面上方的高度。

此外，这种装置有利地包括数字传输流量计和用于通过热电偶或可编程逻辑控制器系统进行热调节的装置，所述热电偶或可程序逻辑控制器系统连接到一个或多个温度传感器和控制泵和电磁阀的电源的数字传输流量计。

此外，这种装置包括通过密封壁的液压连接，允许将浸没式柔性箱的传热流的柔性入口管和出口管与消化器的外部连接。它还包括适用于将传热流管密封和持久固定在浸没式柔性箱上的连接件。

如上所述，这种装置包括柔性箱。这使得能够完美地容纳60℃的热水或传热流体，其侵蚀性参数等于或低于热水，并且能够抵抗热水或传热液体的化学和机械侵蚀。它们必须承受给定的水柱压力，在最小、中间或最大填充时，水柱压力通常最大为8米(0.8巴)。它们必须至少在外表上抵抗消化物的化学和机械攻击。

用于将所述柔性箱固定在罐底部的系统能够在不同的填充阶段部署所述柔性箱，同时防止在罐底部和箱之间消化物的混合。

有利地，用于将浸没的柔性箱固定在罐壁上的系统完成了浸没在罐底部的柔性箱的主要装置。

根据本发明的装置可包括辅助装置，其便于使用或使其更通用。

因此，它可以包括用于切碎进入的废物和底物的系统，允许将它们的相对尺寸减小到优选不超过25mm的颗粒尺寸。该系统可以采用慢速双轴刀研磨机的形式，由装载料斗提供，以确保对操作员的保护。

它还可以包括预热和混合系统，该系统可以以水浴或任何其他等效装置的形式制成，由重力加载有机底物和来自研磨机的原始堆肥，并接收由渗滤液组成的稀释液体。

它还可以包括提升泵，该提升泵接受最大粒径为35mm的高度浑浊流，用于在上部供应生物反应器。

它还可以包括传感器网络，该传感器网络能够并配置为实时或以轻微的延迟时间测量不同阶段期间消化物的温度、pH、浊度、化学成分、沼气和纯化生物甲烷的温度和相对湿度的值。

在一个实施例中，根据本发明的设备包括多个配置为传送数据的传感器，它们安装在厌氧消化单元的室中，并且其中所述设备配置为实时利用所述数据，并且在厌氧消化过程的每个步骤处注入确定量的腐殖质渗滤液。

还可以提供一组多个可编程逻辑控制器，其配置为处理从传感器接收的信号，分析效应器的行为，并在远程控制站上报告系统的状态。

还可以提供效应器网络，例如液压或气动电磁阀，其可以调节底物、消化物、洗出液的流动循环；这些装置由可编程逻辑控制器或直接由操作员控制。

可以提供一个或多个用作生物反应器的罐，以适应生物消化的不同阶段，以及用于进料和排空所处理的材料的装置。

可以提供用于在甲烷消化循环结束时对消化物进行脱气的系统。该系统可以是具有或不具有特定混合装置的简单气密倾析室。

在一个实施例中，根据本发明的设备配置为使在所述堆肥室的堆肥室的下部回收的渗滤液再循环，以保持堆肥阶段所需的相对湿度水平，以及在回收腐殖质渗滤液或将其重新注入甲烷消化室之前，通过产生鼓泡来倾析并尽可能稳定腐殖质渗滤液。

可以提供一个或多个沼气处理装置。在这方面，可以提供一种用于分离和处理CO

根据本发明的设备的尺寸可以在相当宽的范围内适应现场的需要。