公布日：2023.12.01
申请日：2023.09.07
分类号：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
本发明涉及生物提纯技术领域，主要公开了一种生物膜反应器及其沼气提纯方法，生物膜反应器包括储液罐和反应器主体，在反应器主体的内部设置有可附着生物膜的滤材，反应器主体的两端连通储液罐的底部和顶部，反应器主体还与进气口连通，将厌氧消化的污泥过滤后与营养液混合按一定的速率循环通入反应器主体使生物膜附着并连续通入氢气和二氧化碳，通过限定一定长径比的反应器主体，利用水的粘附性，可以使反应器主体的能量转换损失最小化，最小限度地减少用于生物膜营养补充的液体介质体积，在减少生物膜反应器中的液体体积的同时增加气体的停留时间，并在限定条件下根据沼气提纯的方法，可以获得较高的生物甲烷化转化率。
权利要求书
1.一种生物膜反应器，其特征在于：包括储液罐(7)和反应器主体(3)，所述的反应器主体(3)为螺旋管，在所述反应器主体(3)的内部设置有附着生物膜的滤材，反应器主体(3)的一端为进液口(2)，所述的进液口(2)与储液罐(7)的底部连通，反应器主体(3)的另一端与储液罐(7)的顶部连通，所述的反应器主体(3)还与进气口(1)连通，所述的储液罐(7)的顶端还设置有集气口(4)和补液口(5)，所述的储液罐(7)的底部还设置有液体取样口(6)。
2.根据权利要求1所述的一种生物膜反应器，其特征在于：所述的反应器主体(3)为透明柔性的PVC管，所述的滤材为附着有生物膜的陶粒，所述陶粒填满反应器主体(3)，所述陶粒的直径为6mm～8mm。
3.根据权利要求2所述的一种生物膜反应器，其特征在于：所述的反应器主体(3)的长度与内径的比为7:0.013。
4.根据权利要求3所述的一种生物膜反应器，其特征在于：所述的反应器主体(3)的内径为13mm、反应器主体(3)的长度为7m；所述陶粒的直径为6mm。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种生物膜反应器的沼气提纯方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将厌氧消化的污泥采用20～50目的筛子过滤，将过滤后的滤液与营养液按体积1:1混合成沼液，所述的厌氧消化的污泥内含有产甲烷菌群；S2.使生物膜反应器保持稳定的36°～38°的中温条件；S3.将沼液倒入储液罐(7)内，使沼液在反应器主体(3)内循环，使得沼液中产甲烷菌群大量附着固定在陶粒表面形成生物膜，并通过生物膜反应器的进气口(1)向反应器主体(3)内连续通入H2和CO2的混合气体，H2和CO2比为3.8:1-4.2:1，混合气体与沼液在生物膜的条件下在反应器主体(3)内产生反应生成甲烷和水，并通过储液罐(7)的集气口(4)收集产生的气体，并测得甲烷含量；S4.停止沼液循环，继续通过生物膜反应器的进气口(1)向反应器主体(3)内连续通入H2和CO2的混合气体，H2和CO2比为3.8:1-4.2:1，定期定量向反应器主体(3)内补入如S1所述的沼液，继续通过储液罐(7)的集气口(4)收集产生的气体，并测得甲烷含量。
6.根据权利要求5所述的一种生物膜反应器的沼气提纯方法，其特征在于：在S3中，向反应器主体(3)内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，沼液在生物膜反应器的反应器主体(3)内循环的速率为8ml～12ml/min。
7.根据权利要求5所述的一种生物膜反应器的沼气提纯方法，其特征在于：在S4中，向反应器主体(3)内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，向反应器主体(3)补入的沼液的量为80～120ml，补入的次数为1次/1～3天，补入的速率为8ml～12ml/min。
8.根据权利要求5所述的一种生物膜反应器的沼气提纯方法，其特征在于：在S1中，筛子的目数为30目，在S2中中温条件的温度为37°。
9.根据权利要求5所述的一种生物膜反应器的沼气提纯方法，其特征在于：在S3和S4中，混合气体中H2和CO2比都为4:1。
10.根据权利要求7所述的一种生物膜反应器的沼气提纯方法，其特征在于：在S3中，向反应器主体(3)内连续通入混合气体的速率为8ml/min，沼液在生物膜反应器的反应器主体3内循环的速率为10ml/min；在S4中，向反应器主体(3)内连续通入混合气体的速率为8ml/min，向反应器主体(3)补入的沼液的量为100ml，补入的次数为1次/2天，补入的速率为10ml/min。
发明内容
本发明的目的是提供了一种生物膜反应器及其沼气提纯方法，利用水的粘附性，可以使能量转换损失最小化，在减少生物膜反应器中的液体体积的同时增加气体的停留时间，可以获得较高的生物甲烷化转化率，甲烷含量最大能达到95％以上。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种生物膜反应器，包括储液罐和反应器主体，所述的反应器主体为螺旋管，反应器主体可设置为多个，螺旋管分为蛇形管道和盘旋管道，目的是为了节省占用空间，在所述反应器主体的内部设置有可附着生物膜的滤材，反应器主体的一端为进液口，所述的进液口与储液罐的底部连通，进液口与反应器主体之间设置有蠕动泵，通过蠕动泵控制沼液的循环速度和补液速度及补液量，反应器主体的另一端与储液罐的顶部连通，所述的反应器主体还与进气口连通，所述的进气口的后端通过蠕动泵与气袋连接，蠕动泵控制气体的通入速度，可采用一个蠕动泵与一个气袋连接，所述的储液罐的顶端还设置有集气口和补液口，所述的储液罐的底部还设置有液体取样口。
进一步的，所述的反应器主体为透明柔性的PVC管；
进一步的，所述的滤材为附着有生物膜的陶粒，所述陶粒填满反应器主体的内部，优选的，所述的陶粒的直径为4-8mm；
进一步的，所述的反应器主体的长度与内径的比为7:0.013；
进一步的，所述的反应器主体的内径为13mm、反应器主体的长度为7m。
一种应用上述生物膜反应器的沼气提纯方法，包括以下步骤：
S1.将厌氧消化的污泥采用20～50目的筛子过滤，将过滤后的滤液与营养液按体积1:1混合成沼液作为生物膜反应器的工作液体，所述的厌氧消化的污泥内含有产甲烷菌群；
S2.使生物膜反应器保持稳定的36°～38°的中温条件，实现上述的方法为将生物膜反应器放入恒温箱中；
S3.沼液中的微生物需要一定时间的生长以及附着在陶粒表面，在生物膜附着阶段，将沼液倒入储液罐内，使沼液在生物膜反应器的反应器主体内循环，目的是使得沼液中的产甲烷菌群大量附着固定在陶粒表面形成生物膜，并通过生物膜反应器的进气口向反应器主体内连续通入H2和CO2的混合气体，H2和CO2比为3.8:1-4.2:1，优选的，H2和CO2比为4:1，混合气体与沼液在生物膜的条件下在反应器主体内产生反应生成甲烷和水，并通过储液罐的集气口收集产生的气体，并测得甲烷含量，在生物膜附着阶段，首先产生的甲烷含量处于波动上升状态，随后到达初步稳定状态，初步稳定状态时，甲烷含量的变化率差值在2％-4％之间，初步稳定状态保持的天数在5-10内，沼气提纯效果达到初步稳定状态意味着生物膜成功附着；
S4.在生物膜反应器到达初步稳定状态后，停止沼液循环，进入稳定生产阶段，继续通过生物膜反应器的进气口向反应器主体内连续通入H2和CO2的混合气体，H2和CO2比为3.8:1-4.2:1，优选的，H2和CO2比为4:1，由于沼液在反应过程中会造成一定量的损失，因此需要定期定量向反应器主体内补入如S1所述的沼液，目的是为了保持反应器主体保持湿润以及强化微生物固定，然后通过储液罐的集气口收集产生的气体，并测得甲烷含量，在稳定生产状态，随着沼液的停止循环，产生的甲烷含量在波动下降后随后进入波动上升状态，最后进入后期稳定状态；
进一步的，在S3中，向反应器主体内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，优选的，该速率为8ml/min，沼液在生物膜反应器的反应器主体内循环的速率为8ml～12ml/min，优选的，该速率为10ml/min；
在S4中，向反应器主体内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，优选的，该速率为8ml/min，向储液罐加入的沼液的量为80-120ml，优选的，向反应器主体补入的沼液的量为100ml，补入的次数为1次/1-3天，优选的，补入的次数为1次/2天，补入的速率为8ml～12ml/min，优选的，补入速率为10ml/min。
优选的，在S1中，筛子的目数为30目，在S2中中温条件的温度为37°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用了一种新型生物膜反应器进行沼气提纯，相较于其他反应器设备简单，节约空间、成本和能源，本发明通过限定一定长径比的反应器主体，利用水的粘附性，可以使反应器主体的能量转换损失最小化，最小限度地减少用于生物膜营养补充的液体介质体积，因为反应器直径够小，并且内部填满了陶粒载体，所以一旦液体加入，利用水的粘附性就可以顺利到达反应器的全部空间，在减少生物膜反应器中的液体体积的同时增加气体的停留时间，并在限定条件下根据沼气提纯的方法，可以获得较高的生物甲烷化转化率，采用长度7m，直径13mm的反应器主体时，都能达到高于95％以上的甲烷转化率。
（发明人：劉軒銘;王文波;高超;孙洪坤）