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
本發明涉及生物提純技術領域，主要公開了一種生物膜反應器及其沼氣提純方法，生物膜反應器包括儲液罐和反應器主體，在反應器主體的內部設置有可附著生物膜的濾材，反應器主體的兩端連通儲液罐的底部和頂部，反應器主體還與進氣口連通，將厭氧消化的污泥過濾后與營養液混合按一定的速率循環通入反應器主體使生物膜附著并連續通入氫氣和二氧化碳，通過限定一定長徑比的反應器主體，利用水的粘附性，可以使反應器主體的能量轉換損失最小化，最小限度地減少用于生物膜營養補充的液體介質體積，在減少生物膜反應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沼氣提純的方法，可以獲得較高的生物甲烷化轉化率。
權利要求書
1.一種生物膜反應器，其特征在于：包括儲液罐(7)和反應器主體(3)，所述的反應器主體(3)為螺旋管，在所述反應器主體(3)的內部設置有附著生物膜的濾材，反應器主體(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，反應器主體(3)的另一端與儲液罐(7)的頂部連通，所述的反應器主體(3)還與進氣口(1)連通，所述的儲液罐(7)的頂端還設置有集氣口(4)和補液口(5)，所述的儲液罐(7)的底部還設置有液體取樣口(6)。
2.根據權利要求1所述的一種生物膜反應器，其特征在于：所述的反應器主體(3)為透明柔性的PVC管，所述的濾材為附著有生物膜的陶粒，所述陶粒填滿反應器主體(3)，所述陶粒的直徑為6mm～8mm。
3.根據權利要求2所述的一種生物膜反應器，其特征在于：所述的反應器主體(3)的長度與內徑的比為7:0.013。
4.根據權利要求3所述的一種生物膜反應器，其特征在于：所述的反應器主體(3)的內徑為13mm、反應器主體(3)的長度為7m；所述陶粒的直徑為6mm。
5.根據權利要求1-4任一所述的一種生物膜反應器的沼氣提純方法，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液按體積1:1混合成沼液，所述的厭氧消化的污泥內含有產甲烷菌群；S2.使生物膜反應器保持穩定的36°～38°的中溫條件；S3.將沼液倒入儲液罐(7)內，使沼液在反應器主體(3)內循環，使得沼液中產甲烷菌群大量附著固定在陶粒表面形成生物膜，并通過生物膜反應器的進氣口(1)向反應器主體(3)內連續通入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器主體(3)內產生反應生成甲烷和水，并通過儲液罐(7)的集氣口(4)收集產生的氣體，并測得甲烷含量；S4.停止沼液循環，繼續通過生物膜反應器的進氣口(1)向反應器主體(3)內連續通入H2和CO2的混合氣體，H2和CO2比為3.8:1-4.2:1，定期定量向反應器主體(3)內補入如S1所述的沼液，繼續通過儲液罐(7)的集氣口(4)收集產生的氣體，并測得甲烷含量。
6.根據權利要求5所述的一種生物膜反應器的沼氣提純方法，其特征在于：在S3中，向反應器主體(3)內連續通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，沼液在生物膜反應器的反應器主體(3)內循環的速率為8ml～12ml/min。
7.根據權利要求5所述的一種生物膜反應器的沼氣提純方法，其特征在于：在S4中，向反應器主體(3)內連續通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，向反應器主體(3)補入的沼液的量為80～120ml，補入的次數為1次/1～3天，補入的速率為8ml～12ml/min。
8.根據權利要求5所述的一種生物膜反應器的沼氣提純方法，其特征在于：在S1中，篩子的目數為30目，在S2中中溫條件的溫度為37°。
9.根據權利要求5所述的一種生物膜反應器的沼氣提純方法，其特征在于：在S3和S4中，混合氣體中H2和CO2比都為4:1。
10.根據權利要求7所述的一種生物膜反應器的沼氣提純方法，其特征在于：在S3中，向反應器主體(3)內連續通入混合氣體的速率為8ml/min，沼液在生物膜反應器的反應器主體3內循環的速率為10ml/min；在S4中，向反應器主體(3)內連續通入混合氣體的速率為8ml/min，向反應器主體(3)補入的沼液的量為100ml，補入的次數為1次/2天，補入的速率為10ml/min。
發明內容
本發明的目的是提供了一種生物膜反應器及其沼氣提純方法，利用水的粘附性，可以使能量轉換損失最小化，在減少生物膜反應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化率，甲烷含量最大能達到95％以上。
實現上述目的本發明的技術方案為，一種生物膜反應器，包括儲液罐和反應器主體，所述的反應器主體為螺旋管，反應器主體可設置為多個，螺旋管分為蛇形管道和盤旋管道，目的是為了節省占用空間，在所述反應器主體的內部設置有可附著生物膜的濾材，反應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，進液口與反應器主體之間設置有蠕動泵，通過蠕動泵控制沼液的循環速度和補液速度及補液量，反應器主體的另一端與儲液罐的頂部連通，所述的反應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置有集氣口和補液口，所述的儲液罐的底部還設置有液體取樣口。
進一步的，所述的反應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，所述陶粒填滿反應器主體的內部，優選的，所述的陶粒的直徑為4-8mm；
進一步的，所述的反應器主體的長度與內徑的比為7:0.013；
進一步的，所述的反應器主體的內徑為13mm、反應器主體的長度為7m。
一種應用上述生物膜反應器的沼氣提純方法，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液按體積1:1混合成沼液作為生物膜反應器的工作液體，所述的厭氧消化的污泥內含有產甲烷菌群；
S2.使生物膜反應器保持穩定的36°～38°的中溫條件，實現上述的方法為將生物膜反應器放入恒溫箱中；
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，使沼液在生物膜反應器的反應器主體內循環，目的是使得沼液中的產甲烷菌群大量附著固定在陶粒表面形成生物膜，并通過生物膜反應器的進氣口向反應器主體內連續通入H2和CO2的混合氣體，H2和CO2比為3.8:1-4.2:1，優選的，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器主體內產生反應生成甲烷和水，并通過儲液罐的集氣口收集產生的氣體，并測得甲烷含量，在生物膜附著階段，首先產生的甲烷含量處于波動上升狀態，隨后到達初步穩定狀態，初步穩定狀態時，甲烷含量的變化率差值在2％-4％之間，初步穩定狀態保持的天數在5-10內，沼氣提純效果達到初步穩定狀態意味著生物膜成功附著；
S4.在生物膜反應器到達初步穩定狀態后，停止沼液循環，進入穩定生產階段，繼續通過生物膜反應器的進氣口向反應器主體內連續通入H2和CO2的混合氣體，H2和CO2比為3.8:1-4.2:1，優選的，H2和CO2比為4:1，由于沼液在反應過程中會造成一定量的損失，因此需要定期定量向反應器主體內補入如S1所述的沼液，目的是為了保持反應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生的氣體，并測得甲烷含量，在穩定生產狀態，隨著沼液的停止循環，產生的甲烷含量在波動下降后隨后進入波動上升狀態，最后進入后期穩定狀態；
進一步的，在S3中，向反應器主體內連續通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，優選的，該速率為8ml/min，沼液在生物膜反應器的反應器主體內循環的速率為8ml～12ml/min，優選的，該速率為10ml/min；
在S4中，向反應器主體內連續通入混合氣體的速率為6ml～10ml/min，優選的，該速率為8ml/min，向儲液罐加入的沼液的量為80-120ml，優選的，向反應器主體補入的沼液的量為100ml，補入的次數為1次/1-3天，優選的，補入的次數為1次/2天，補入的速率為8ml～12ml/min，優選的，補入速率為10ml/min。
優選的，在S1中，篩子的目數為30目，在S2中中溫條件的溫度為37°。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明采用了一種新型生物膜反應器進行沼氣提純，相較于其他反應器設備簡單，節約空間、成本和能源，本發明通過限定一定長徑比的反應器主體，利用水的粘附性，可以使反應器主體的能量轉換損失最小化，最小限度地減少用于生物膜營養補充的液體介質體積，因為反應器直徑夠小，并且內部填滿了陶粒載體，所以一旦液體加入，利用水的粘附性就可以順利到達反應器的全部空間，在減少生物膜反應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沼氣提純的方法，可以獲得較高的生物甲烷化轉化率，采用長度7m，直徑13mm的反應器主體時，都能達到高于95％以上的甲烷轉化率。
（發明人：劉軒銘;王文波;高超;孫洪坤）
