公布日：2023.12.01
申請日：2023.09.07
分類號：C12M1/107(2006.01)I;C10L3/10(2006.01)I;C10L3/08(2006.01)I;C12M1/04(2006.01)I;C12M1/00(2006.01)I;C12P5/02(2006.01)I
摘要
本發(fā)明涉及生物提純技術(shù)領(lǐng)域，主要公開了一種生物膜反應(yīng)器及其沼氣提純方法，生物膜反應(yīng)器包括儲液罐和反應(yīng)器主體，在反應(yīng)器主體的內(nèi)部設(shè)置有可附著生物膜的濾材，反應(yīng)器主體的兩端連通儲液罐的底部和頂部，反應(yīng)器主體還與進氣口連通，將厭氧消化的污泥過濾后與營養(yǎng)液混合按一定的速率循環(huán)通入反應(yīng)器主體使生物膜附著并連續(xù)通入氫氣和二氧化碳，通過限定一定長徑比的反應(yīng)器主體，利用水的粘附性，可以使反應(yīng)器主體的能量轉(zhuǎn)換損失最小化，最小限度地減少用于生物膜營養(yǎng)補充的液體介質(zhì)體積，在減少生物膜反應(yīng)器中的液體體積的同時增加氣體的停留時間，并在限定條件下根據(jù)沼氣提純的方法，可以獲得較高的生物甲烷化轉(zhuǎn)化率。
權(quán)利要求書
1.一種生物膜反應(yīng)器，其特征在于：包括儲液罐(7)和反應(yīng)器主體(3)，所述的反應(yīng)器主體(3)為螺旋管，在所述反應(yīng)器主體(3)的內(nèi)部設(shè)置有附著生物膜的濾材，反應(yīng)器主體(3)的一端為進液口(2)，所述的進液口(2)與儲液罐(7)的底部連通，反應(yīng)器主體(3)的另一端與儲液罐(7)的頂部連通，所述的反應(yīng)器主體(3)還與進氣口(1)連通，所述的儲液罐(7)的頂端還設(shè)置有集氣口(4)和補液口(5)，所述的儲液罐(7)的底部還設(shè)置有液體取樣口(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物膜反應(yīng)器，其特征在于：所述的反應(yīng)器主體(3)為透明柔性的PVC管，所述的濾材為附著有生物膜的陶粒，所述陶粒填滿反應(yīng)器主體(3)，所述陶粒的直徑為6mm～8mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種生物膜反應(yīng)器，其特征在于：所述的反應(yīng)器主體(3)的長度與內(nèi)徑的比為7:0.013。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種生物膜反應(yīng)器，其特征在于：所述的反應(yīng)器主體(3)的內(nèi)徑為13mm、反應(yīng)器主體(3)的長度為7m；所述陶粒的直徑為6mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種生物膜反應(yīng)器的沼氣提純方法，其特征在于，包括以下步驟：S1.將厭氧消化的污泥采用20～50目的篩子過濾，將過濾后的濾液與營養(yǎng)液按體積1:1混合成沼液，所述的厭氧消化的污泥內(nèi)含有產(chǎn)甲烷菌群；S2.使生物膜反應(yīng)器保持穩(wěn)定的36°～38°的中溫條件；S3.將沼液倒入儲液罐(7)內(nèi)，使沼液在反應(yīng)器主體(3)內(nèi)循環(huán)，使得沼液中產(chǎn)甲烷菌群大量附著固定在陶粒表面形成生物膜，并通過生物膜反應(yīng)器的進氣口(1)向反應(yīng)器主體(3)內(nèi)連續(xù)通入H2和CO2的混合氣體，H2和CO2比為3.8:1-4.2:1，混合氣體與沼液在生物膜的條件下在反應(yīng)器主體(3)內(nèi)產(chǎn)生反應(yīng)生成甲烷和水，并通過儲液罐(7)的集氣口(4)收集產(chǎn)生的氣體，并測得甲烷含量；S4.停止沼液循環(huán)，繼續(xù)通過生物膜反應(yīng)器的進氣口(1)向反應(yīng)器主體(3)內(nèi)連續(xù)通入H2和CO2的混合氣體，H2和CO2比為3.8:1-4.2:1，定期定量向反應(yīng)器主體(3)內(nèi)補入如S1所述的沼液，繼續(xù)通過儲液罐(7)的集氣口(4)收集產(chǎn)生的氣體，并測得甲烷含量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種生物膜反應(yīng)器的沼氣提純方法，其特征在于：在S3中，向反應(yīng)器主體(3)內(nèi)連續(xù)通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，沼液在生物膜反應(yīng)器的反應(yīng)器主體(3)內(nèi)循環(huán)的速率為8ml～12ml/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種生物膜反應(yīng)器的沼氣提純方法，其特征在于：在S4中，向反應(yīng)器主體(3)內(nèi)連續(xù)通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，向反應(yīng)器主體(3)補入的沼液的量為80～120ml，補入的次數(shù)為1次/1～3天，補入的速率為8ml～12ml/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種生物膜反應(yīng)器的沼氣提純方法，其特征在于：在S1中，篩子的目數(shù)為30目，在S2中中溫條件的溫度為37°。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種生物膜反應(yīng)器的沼氣提純方法，其特征在于：在S3和S4中，混合氣體中H2和CO2比都為4:1。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種生物膜反應(yīng)器的沼氣提純方法，其特征在于：在S3中，向反應(yīng)器主體(3)內(nèi)連續(xù)通入混合氣體的速率為8ml/min，沼液在生物膜反應(yīng)器的反應(yīng)器主體3內(nèi)循環(huán)的速率為10ml/min；在S4中，向反應(yīng)器主體(3)內(nèi)連續(xù)通入混合氣體的速率為8ml/min，向反應(yīng)器主體(3)補入的沼液的量為100ml，補入的次數(shù)為1次/2天，補入的速率為10ml/min。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種生物膜反應(yīng)器及其沼氣提純方法，利用水的粘附性，可以使能量轉(zhuǎn)換損失最小化，在減少生物膜反應(yīng)器中的液體體積的同時增加氣體的停留時間，可以獲得較高的生物甲烷化轉(zhuǎn)化率，甲烷含量最大能達到95％以上。
實現(xiàn)上述目的本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種生物膜反應(yīng)器，包括儲液罐和反應(yīng)器主體，所述的反應(yīng)器主體為螺旋管，反應(yīng)器主體可設(shè)置為多個，螺旋管分為蛇形管道和盤旋管道，目的是為了節(jié)省占用空間，在所述反應(yīng)器主體的內(nèi)部設(shè)置有可附著生物膜的濾材，反應(yīng)器主體的一端為進液口，所述的進液口與儲液罐的底部連通，進液口與反應(yīng)器主體之間設(shè)置有蠕動泵，通過蠕動泵控制沼液的循環(huán)速度和補液速度及補液量，反應(yīng)器主體的另一端與儲液罐的頂部連通，所述的反應(yīng)器主體還與進氣口連通，所述的進氣口的后端通過蠕動泵與氣袋連接，蠕動泵控制氣體的通入速度，可采用一個蠕動泵與一個氣袋連接，所述的儲液罐的頂端還設(shè)置有集氣口和補液口，所述的儲液罐的底部還設(shè)置有液體取樣口。
進一步的，所述的反應(yīng)器主體為透明柔性的PVC管；
進一步的，所述的濾材為附著有生物膜的陶粒，所述陶粒填滿反應(yīng)器主體的內(nèi)部，優(yōu)選的，所述的陶粒的直徑為4-8mm；
進一步的，所述的反應(yīng)器主體的長度與內(nèi)徑的比為7:0.013；
進一步的，所述的反應(yīng)器主體的內(nèi)徑為13mm、反應(yīng)器主體的長度為7m。
一種應(yīng)用上述生物膜反應(yīng)器的沼氣提純方法，包括以下步驟：
S1.將厭氧消化的污泥采用20～50目的篩子過濾，將過濾后的濾液與營養(yǎng)液按體積1:1混合成沼液作為生物膜反應(yīng)器的工作液體，所述的厭氧消化的污泥內(nèi)含有產(chǎn)甲烷菌群；
S2.使生物膜反應(yīng)器保持穩(wěn)定的36°～38°的中溫條件，實現(xiàn)上述的方法為將生物膜反應(yīng)器放入恒溫箱中；
S3.沼液中的微生物需要一定時間的生長以及附著在陶粒表面，在生物膜附著階段，將沼液倒入儲液罐內(nèi)，使沼液在生物膜反應(yīng)器的反應(yīng)器主體內(nèi)循環(huán)，目的是使得沼液中的產(chǎn)甲烷菌群大量附著固定在陶粒表面形成生物膜，并通過生物膜反應(yīng)器的進氣口向反應(yīng)器主體內(nèi)連續(xù)通入H2和CO2的混合氣體，H2和CO2比為3.8:1-4.2:1，優(yōu)選的，H2和CO2比為4:1，混合氣體與沼液在生物膜的條件下在反應(yīng)器主體內(nèi)產(chǎn)生反應(yīng)生成甲烷和水，并通過儲液罐的集氣口收集產(chǎn)生的氣體，并測得甲烷含量，在生物膜附著階段，首先產(chǎn)生的甲烷含量處于波動上升狀態(tài)，隨后到達初步穩(wěn)定狀態(tài)，初步穩(wěn)定狀態(tài)時，甲烷含量的變化率差值在2％-4％之間，初步穩(wěn)定狀態(tài)保持的天數(shù)在5-10內(nèi)，沼氣提純效果達到初步穩(wěn)定狀態(tài)意味著生物膜成功附著；
S4.在生物膜反應(yīng)器到達初步穩(wěn)定狀態(tài)后，停止沼液循環(huán)，進入穩(wěn)定生產(chǎn)階段，繼續(xù)通過生物膜反應(yīng)器的進氣口向反應(yīng)器主體內(nèi)連續(xù)通入H2和CO2的混合氣體，H2和CO2比為3.8:1-4.2:1，優(yōu)選的，H2和CO2比為4:1，由于沼液在反應(yīng)過程中會造成一定量的損失，因此需要定期定量向反應(yīng)器主體內(nèi)補入如S1所述的沼液，目的是為了保持反應(yīng)器主體保持濕潤以及強化微生物固定，然后通過儲液罐的集氣口收集產(chǎn)生的氣體，并測得甲烷含量，在穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)，隨著沼液的停止循環(huán)，產(chǎn)生的甲烷含量在波動下降后隨后進入波動上升狀態(tài)，最后進入后期穩(wěn)定狀態(tài)；
進一步的，在S3中，向反應(yīng)器主體內(nèi)連續(xù)通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，優(yōu)選的，該速率為8ml/min，沼液在生物膜反應(yīng)器的反應(yīng)器主體內(nèi)循環(huán)的速率為8ml～12ml/min，優(yōu)選的，該速率為10ml/min；
在S4中，向反應(yīng)器主體內(nèi)連續(xù)通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，優(yōu)選的，該速率為8ml/min，向儲液罐加入的沼液的量為80-120ml，優(yōu)選的，向反應(yīng)器主體補入的沼液的量為100ml，補入的次數(shù)為1次/1-3天，優(yōu)選的，補入的次數(shù)為1次/2天，補入的速率為8ml～12ml/min，優(yōu)選的，補入速率為10ml/min。
優(yōu)選的，在S1中，篩子的目數(shù)為30目，在S2中中溫條件的溫度為37°。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明采用了一種新型生物膜反應(yīng)器進行沼氣提純，相較于其他反應(yīng)器設(shè)備簡單，節(jié)約空間、成本和能源，本發(fā)明通過限定一定長徑比的反應(yīng)器主體，利用水的粘附性，可以使反應(yīng)器主體的能量轉(zhuǎn)換損失最小化，最小限度地減少用于生物膜營養(yǎng)補充的液體介質(zhì)體積，因為反應(yīng)器直徑夠小，并且內(nèi)部填滿了陶粒載體，所以一旦液體加入，利用水的粘附性就可以順利到達反應(yīng)器的全部空間，在減少生物膜反應(yīng)器中的液體體積的同時增加氣體的停留時間，并在限定條件下根據(jù)沼氣提純的方法，可以獲得較高的生物甲烷化轉(zhuǎn)化率，采用長度7m，直徑13mm的反應(yīng)器主體時，都能達到高于95％以上的甲烷轉(zhuǎn)化率。
（發(fā)明人：劉軒銘;王文波;高超;孫洪坤）
