TWI396585B - 有機固體物水解方法及其裝置 - Google Patents

Description

有機固體物水解方法及其裝置

本提案係關於一種水解方法及其裝置，特別係指一種將有機固體物水解的方法及供厭氧處理之前處理裝置。

一般來說，目前有機固體物的處理方式大多係透過喜氧或厭氧生物來將有機固體物消化的方式進行處理，進而達到固體物減量的效果，但這種透過生物消化過程需要耗費相當長的時間，因此，為有效縮短生物消化所需的時間，大多輔以化學或物理的預處理方式，將有機固體物進行分解或裂解，透過把大分子變成小分子，以增進喜氧或厭氧生物的消化速率，並有效縮短整體有機固體物的消化時間。

一種習知且常見的化學預處理，係利用加鹼水解處理的化學方式，首先，將有機固體物導入處理池，進行沉澱後加鹼進行水解後，再重新乾燥回收，此舉雖會增加整體有機固體物處理的時間，但所添加之化學藥劑，除會造成原有機固體物中鹽類增加之外，亦有可能造成化學污染等環境二次傷害，因此，使用此類化學預處理的方式必須非常謹慎，以使得應用上經常受到限制，此外，化學預處理的方式無法進行有機堆肥(organic fertilization)，降低有機固體物處理後的價值。

然而，一般習知物理預處理的方式，則大多係藉由增加外力來裂解，其中，最常用的方式則是先將有機固體物混水之後，透過施予超音波來進行水解，藉由超音波在水中的能量來裂解有機固體物中有機質，以供喜氧或厭氧的生物更容易進行消化，降低了整體有機固體物的消化時間。

簡言之，利用超音波裂解之物理預處理的方式可避免化學預處理可能造成的二次環境污染，但是超音波需要外部電源供應驅動才能產生，特別是面對大量的有機固體物的處理，勢必需要耗費大量的電力。因此，如何能夠透過一種方法或手段，在維持相同超音波裂解效率的情況下，減少使用超音波的時間，或者，使用相同時間的超音波，而達到更高水解有機固體物的效率，長久以來一直是相關廠商努力的目標。

本提案提供一種利用奈米水來增加超音波水解效率的方法以及提供一種應用於一厭氧處理槽的有機固體物水解前處理裝置。

根據本提案所揭露之有機固體物水解方法，係包括以下步驟：將有機固體物與奈米水混合以形成有機液體，其中，該奈米水具有多個奈米氣泡，該奈米氣泡內具有可燃氣體；以及對有機液體施以超音波，使奈米氣泡產生額外的氣穴效應(相較於有機液體中亦會產生的氣穴效應)。

根據本提案所揭露之應用於一厭氧處理槽的有機固體物水解前處理裝置，厭氧處理槽具有一厭氧生物，以產生一可燃氣體，前處理裝置係包括一奈米水產生器、一反應槽和一超音波產生器。

奈米水產生器係將由厭氧處理槽所產生之可燃氣體製成多個奈米氣泡，並將該些奈米氣泡與一水混合成一奈米水。反應槽則容置有機液體，有機液體含有一有機固體物及該奈米水。超音波產生器則對反應槽產生一超音波至該有機液體，使該奈米氣泡產生氣穴效應。

綜上所述，當具有奈米氣泡的奈米水與有機固體物混合後，以超音波施加於有機液體，除了原有的有機液體中會產生的氣穴效應外，奈米氣泡亦會產生額外的氣穴效應而崩潰形成更多的爆破現象，來讓周圍之有機固體物受到更多的爆破衝擊力而產生更好的裂解效果，如此即可加速有機固體物的分解，其次，由於奈米氣泡之體積特性，奈米氣泡會均勻散佈於有機液體中而不致因自身浮力而向上浮，因此，讓有機液體中充氣均勻且因氣穴效應產生爆破的位置很平均。

再者，本提案之奈米氣泡中另填充有可燃氣體，使得奈米氣泡在產生氣穴效應時，亦會同時發生燃燒現象，進而增加爆破的衝擊力道，來提升有機固體物「水解」之效率。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

請參考『第1A圖』及『第1B圖』所示，『第1A圖』係本提案有機固體物水解方法的流程圖，『第1B圖』係本提案有機固體物水解方法實施時的示意圖，有機固體物水解方法可應用於有機廢棄物的處理，將有機固體物裂解後再供喜氧或厭氧生物進行消化，其可以增加有機污泥處理的效率，降低等待生物進行消化反應的時間。

有機固體物水解方法包括以下步驟：步驟10：將一有機固體物與一奈米水混合形成一有機液體，其中，有機固體物包括污泥、廢棄物或花草樹木等，奈米水具有多個奈米氣泡，奈米氣泡內具有一可燃氣體；以及步驟11：對有機液體施以超音波，使奈米氣泡向內崩裂爆破產生額外的氣穴效應，氣穴效應會產生一範圍極小，但高溫且高壓的衝擊力，值得注意的是，由於奈米氣泡之體積特性，奈米氣泡會均勻散佈於有機液體中而不致因自身浮力而向上浮，而讓有機液體中充氣均勻且因氣穴效應產生爆破的位置很平均。再者，如步驟10所述之奈米氣泡中填充有可燃氣體，可使奈米氣泡在產生氣穴效應時，因氣穴效應會產生5000℃以上的高溫，故亦會同時發生燃燒現象，進而增加爆破的衝擊力道，來提升有機固體物水解之效率。於一實施例中，步驟10所述之有機液體，奈米水與有機固體物的體積百分比範圍為0.05：1至1：1，奈米水中所含之奈米氣泡的粒徑介於10奈米至999奈米，可燃氣體為甲烷、氫氣或甲烷與氫氣之混合氣體，有機固體物可為但不限於纖維性物質、農業廢棄物、污泥或廚 餘。

於一實施例中，步驟11所述之超音波之輸出功率範圍可以是但不限定為300至1200瓦特，其頻率則可介於20千赫茲(kHz)至100kHz，然而，知悉本領域之技藝人士，聲波振動頻率一旦超過20kHz即屬於超音波的範圍，且超音波的功率與頻率成反比，亦即在相同的超音波產生器，20kHz頻率所產升的功率最大，因此，於本說明書中所揭示之超音波頻率範圍乃例示之用，並非用於限定本提案之任何技術特徵。

請配合參考『第2圖』所示，『第2圖』係一本提案添加有奈米水之有機污泥與一未添有奈米水之有機污泥經超音波處理的實驗結果示意圖，在示意圖中，縱軸之數值係代表於一有機液體中溶解性有機物濃度的大小，單位為mg/L，溶解性有機物濃度則通常代表於一液體中有機物分布的密度。當超音波於有機液體進行水解程序時，因氣穴效應產生之衝擊力破壞了有機污泥的外層(例如：細胞壁)，使得有機污泥中的有機質流出，讓有機液體中溶解性有機物濃度增加，簡單來說，溶解性有機物濃度越高，喜氧或厭氧的生物更容易進行消化，可增加整體有機污泥的消化速率，縮短有機污泥的消化時間。

於此實驗中，發明人利用150毫升的有機污泥分別以各150毫升的純水與具有奈米氣泡的奈米水進行混合後，有機污泥中懸浮固體物(SS)濃度為8185 mg/L，揮發性固體物(VSS)濃度為5895 mg/L，再依序以20kHz頻率、700瓦特功率的超音 波處理15分鐘，以『第2圖』進行說明實驗結果，圖式中左邊一組為未添有奈米水之實驗數據，包括一超音波處理前的溶解性有機物濃度20及一超音波處理後的溶解性有機物濃度21，超音波處理前的溶解性有機物濃度20為128 mg/L，而超音波處理後的溶解性有機物濃度21則為3379 mg/L。右邊一組則為添有奈米水之實驗數據，包括一超音波處理前的溶解性有機物濃度22及一超音波處理後的溶解性有機物濃度23，超音波處理前的溶解性有機物濃度22為165 mg/L，超音波處理後的溶解性有機物濃度23為4852 mg/L，因此，藉由『第2圖』所示，在相同的環境下，利用奈米氣泡來進行有機污泥水解相較於未添加奈米氣泡的有機污泥水解可提升效率達百分之140。

請參考『第3圖』及『第4圖』所示，『第3圖』係本提案有機固體物水解前處理裝置一實施例的示意圖，『第4圖』係本提案有機固體物水解前處理裝置另一實施例的示意圖，本提案之有機固體物水解前處理裝置係應用於一具有一厭氧處理槽35的有機固體物處理系統，厭氧處理槽35具有厭氧生物，以產生可燃氣體，前處理裝置係包括一奈米水產生器31、一反應槽32和一超音波產生器33。

奈米水產生器31係將由厭氧處理槽35所產生之可燃氣體製成多個奈米氣泡，並將該些奈米氣泡與水混合成一奈米水，其中，奈米氣泡之粒徑介於10奈米至999奈米。反應槽32容 置一由奈米水與一有機固體物混合之有機液體，其中奈米水與有機固體物的體積百分比範圍為0.05：1至1：1。超音波產生器33則對反應槽32提供最大輸出功率為700瓦特，頻率介於20kHz至100kHz的超音波能量，以使得有機液體中的奈米氣泡發生氣穴效應，進而裂解有機固體物，然後裂解有機固體物流入厭氧處理槽35，以增加後續厭氧消化沼氣的產生量，來提高再生能源之效率。

如『第3圖』所示之實施例，此實施例之有機固體物水解前處理裝置更包括一導管34，導管34連結厭氧處理槽35與奈米水產生器31之間，用於將厭氧處理槽35所產生之部分可燃氣體導入奈米水產生器31，奈米水產生器31之一端具有一入水口311，該入水口流入水以混合形成奈米水，另一端則具有一出水口322，反應槽32具有一有機固體物入口321及一引導管323，該有機固體物入口321自外部填充一有機固體物至該反應槽32，奈米水經該奈米水產生器31之出水口322流入該反應槽32，並於該反應槽32內混合形成該有機液體，有機液體經超音波產生器33施予超音波能量產生氣穴效應後，再將有機液體經引導管323輸送至厭氧處理槽35。

如『第4圖』所示之實施例，此實施例之有機固體物水解前處理裝置，則更包括一導管34A與一混合槽36，導管34A連結厭氧處理槽35與奈米水產生器31，用於將厭氧處理槽35所產生之部分可燃氣體導入奈米水產生器31，奈米水產生器 31之一端具有一入水口311，該入水口流入水以混合形成奈米水，混合槽36具有一有機固體物入口363、一入口361及一出口362，有機固體物係由外部自有機固體物入口363填充至該混合槽36，入口361係連接於該奈米水產生器31，該奈米水經該奈米水產生器31之一出水口322自混合槽36之入口361流入並與有機固體物於混合槽36中混合形成有機液體，出口362係連結於反應槽32，以將有機液體輸送至反應槽32中，有機液體經超音波產生器33施予超音波能量產生氣穴效應後，再將有機液體經引導管323輸送至厭氧處理槽35。

值得注意的是，本提案所述之可燃氣體係對應於厭氧處理槽35中厭氧生物經消化所產生之可燃氣體，可燃氣體可包括但不限於氫氣或甲烷或混雜有其他氣體，於此將可燃氣體定義為沼氣(Biogas)。

綜上所述，本提案所提供之有機固體物水解方法係利用奈米氣泡來增加氣穴效應產生的機率，並藉由可燃氣體增加氣穴效應產生衝擊力的效果，此外，本提案所提供之有機固體物水解前處理裝置，透過導管將厭氧處理槽所產生之可燃氣體回收利用，增加整體有機污泥處理系統的實用性。

雖然本提案之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本提案，任何熟習相關技藝者，在不脫離提案之精神和範圍內，舉凡依申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利 範圍所界定者為準。

20,22‧‧‧超音波處理前的溶解性有機物濃度

21,23‧‧‧超音波處理後的溶解性有機物濃度

31‧‧‧奈米水產生器

311‧‧‧入水口

32‧‧‧反應槽

321,363‧‧‧有機固體物入口

322‧‧‧出水口

323‧‧‧導引管

33‧‧‧超音波產生器

34,34A‧‧‧導管

35‧‧‧厭氧處理槽

36‧‧‧合槽

361‧‧‧入口

362‧‧‧出口

第1A圖係本提案有機固體物水解方法的流程圖。

第1B圖係本提案有機固體物水解方法實施時的示意圖。

第2圖係一添有奈米水與一未添有奈米水之有機污泥處理的差異示意圖。

第3圖係本提案有機固體物水解前處理裝置一實施例的示意圖。

第4圖係本提案有機固體物水解前處理裝置另一實施例的示意圖。

Claims (16)

1. 一種有機固體物水解方法，係包括以下步驟：將一有機固體物與一奈米水混合形成一有機液體，其中，該奈米水具有多個奈米氣泡，該些奈米氣泡內具有一可燃氣體；以及對該有機液體施以一超音波，使該些奈米氣泡產生一氣穴效應，以產生爆破力來加速該有機固體物之分解。
2. 如請求項第1項所述之有機固體物水解方法，其中，該有機液體中該奈米水與該有機固體物的體積百分比範圍為0.05：1至1：1之間。
3. 如請求項第1項所述之有機固體物水解方法，其中，各該奈米氣泡粒徑係介於10奈米至999奈米。
4. 如請求項第1項所述之有機固體物水解方法，其中，該可燃氣體為甲烷、氫氣或甲烷與氫氣之混合氣體。
5. 如請求項第1項所述之有機固體物水解方法，其中，該超音波的頻率係介於20至100千赫茲(kHz)。
6. 一種有機固體物水解前處理裝置，係應用於一厭氧處理槽，該厭氧處理槽具有一厭氧生物以產生一可燃氣體，該有機固體物水解前處理裝置包括：一奈米水產生器，係將該可燃氣體之部分製成多個奈米氣泡並將該些奈米氣泡與一水混合成一奈米水；一反應槽，係容置一有機液體，該有機液體含有一有機固 體物及該奈米水；以及一超音波產生器，係產生一超音波至該反應槽內之該有機液體，使該些奈米氣泡產生一氣穴效應。
7. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，該可燃氣體係沼氣。
8. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，該可燃氣體係甲烷、氫氣或甲烷與氫氣之混合氣體。
9. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，更包括一導管及該反應槽包括一有機固體物入口，該導管連結該厭氧處理槽與該奈米水產生器之間，以導引該可燃氣體至該奈米水產生器，來產生該具有可燃氣體之該奈米水，該有機固體物係由外部自該有機固體物入口填充至該反應槽，該奈米水則自該奈米水產生器之一出水口流入該反應槽，並於該反應槽內混合形成該有機液體。
10. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，更包括一導管與一混合槽，該導管連結該厭氧處理槽與該奈米水產生器，用以將該可燃氣體導引至該奈米水產生器，該混合槽具有一有機固體物入口、一入口及一出口，並連結於該奈米水產生器與該反應槽之間，該有機固體物係由外部自該有機固體物入口填充至該混合槽，該入口係連接於該奈米水產生器，該奈米水自該入口流入並與該有機固體物於該混合槽中混合形成該有機液體，該出口係連結於該反應槽，以將該有機液體輸送至 該反應槽中。
11. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，各該奈米氣泡粒徑係介於10奈米至999奈米。
12. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，該超音波的頻率係介於20至100千赫茲。
13. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，該有機液體中該奈米水與該有機固體物的體積百分比範圍為0.05：1至1：1之間。
14. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，該奈米水產生器之一端具有一入水口。
15. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，該超音波產生器使該有機液體產生該氣穴效應。
16. 如請求項第6項所述之有機固體物水解前處理裝置，其中，該反應槽與該厭氧處理槽相連接，將該反應槽之該有機液體流入該厭氧處理槽，以增加後續該厭氧生物消化作用所產生之該可燃氣體的產生量。