一种生物膜固定床厌氧产甲烷反应器的制作方法

本发明涉及一种厌氧发酵产甲烷相反应器，具体涉及一种生物膜固定床厌氧产甲烷反应器。

背景技术：

生物质厌氧发酵这一技术既可充分利用各种有机废弃物，减少垃圾排放和污染，减排温室气体；生产的沼气又可用于发电，或净化提纯后作为天然气使用；发酵产生的沼渣沼液还田，有利于改善土壤，生产绿色有机食品。

生物质的厌氧发酵是一个复杂的微生物作用过程，可分为四个阶段：水解、酸化、乙酸化以及甲烷化。在水解阶段，复杂大分子由纤维素酶、蛋白酶和脂肪酶等催化，生成可溶于水的糖类、氨基酸和长链脂肪酸等。这些溶解性有机物接着被产酸菌转化为以挥发性脂肪酸为主的产物，并伴随二氧化碳和氢气的生成。在产乙酸阶段，产氢产乙酸菌利用挥发性脂肪酸和醇类等小分子碳源，生成二氧化碳、氢气和乙酸等。产甲烷阶段是产甲烷菌将氢气、二氧化碳、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等，转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。

厌氧发酵中的产酸和产甲烷微生物具有不同的营养需求，将参与水解酸化与参与甲烷化的微生物群落进行反应分离，实现生物质两相处理的工艺，即为两相厌氧发酵。两相厌氧发酵虽然操作费用更高，设备更复杂，但是相对于传统单相厌氧发酵，具有以下优点：(1)两相分离使不同阶段的微生物分工更加明确，提高底物水解酸化反应效率，同时，产酸相预处理过程还降低了硫酸根、重金属等对微生物有抑制作用的物质，而降解过的底物进入产甲烷相时，产甲烷过程速率更快；(2)对产甲烷相的有机负荷实现可控性，在出现酸累积现象时，易于进行调整和恢复，提高整个系统的抗冲击能力。

由于产甲烷菌生长率低，且易受干扰，所以产甲烷相是两相厌氧发酵中的薄弱和敏感环节，需选用适用且高效的反应器。然而，现有的厌氧发酵产甲烷相反应器主要为全混式反应器，微生物为游离状态，在出料时会有大量微生物随沼液流出，影响产甲烷相的效率。有的反应器虽然使用了固定床用于固定微生物，但结构复杂，易堵塞，增加了成本，运行效率却未见提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种生物膜固定床厌氧产甲烷反应器，该反应器将微生物固定于反应器内的填料上，在反应器内部不设动力搅拌，通过进出料系统和沼液循环系统使待处理酸液与微生物充分接触，达到高效产甲烷的目的。

本发明提供的一种厌氧发酵产甲烷相反应器，它包括反应器主体；所述反应器主体内部设有生物膜固定床；所述生物膜固定床由填料构成，所述填料为亲水性多孔材料；在所述生物膜固定床中的产甲烷微生物的作用下，待处理酸液在厌氧条件下经甲烷化生成甲烷。所述待处理酸液可为两相厌氧发酵中的待处理酸液。所述厌氧发酵产甲烷相反应器可为两相厌氧发酵中的厌氧发酵产甲烷相反应器。

上述的厌氧发酵产甲烷相反应器中，所述亲水性多孔材料均匀排布于反应器内，形成易生长微生物的生物膜固定床。

所述亲水性多孔材料可为亲水性多孔聚合物材料，如亲水性多孔聚氨酯材料，它呈海绵状，具有相互贯通的气孔。

所述亲水性多孔材料的比表面积可>10m²/g(如23.3m²/g)，孔径可为1～10mm(如2mm)。

上述的厌氧发酵产甲烷相反应器中，所述生物膜固定床位于所述反应器主体的中部；所述反应器主体的上部设有待处理酸液进料口和沼气收集口；所述反应主体的下部设有沼液排出口。所述待处理酸液进料口、所述沼气收集口和所述沼液排出口构成进出料系统。

上述的厌氧发酵产甲烷相反应器中，所述反应器主体上部设有沼液循环口Ⅰ，反应器主体下部设有沼液循环口Ⅱ，通过沼液循环泵将所述反应器主体上部产生的沼液送入所述反应器主体下部。所述沼液循环口Ⅰ、所述沼液循环泵和所述沼液循环口Ⅱ构成沼液循环系统，可为反应器增加扰动，使产甲烷微生物和待处理酸液充分接触，同时起到对反应器下部空间进行冲洗的作用，避免出料口堵塞。无需一般厌氧装置所需的动力搅拌系统。

本发明进一步提供了一种利用上述的厌氧发酵产甲烷相反应器对待处理酸液进行甲烷化的方法。所述待处理酸液可为两相厌氧发酵中的待处理酸液。所述厌氧发酵产甲烷相反应器可为两相厌氧发酵中的厌氧发酵产甲烷相反应器。

本发明还提供了亲水性多孔材料在下述1)-4)中至少一项中的应用：

1)固定产甲烷微生物；

2)作为厌氧发酵产甲烷相反应器的生物膜固定床；

3)提高厌氧发酵产甲烷相反应器中的产甲烷微生物的活性；

4)提高厌氧发酵产甲烷相反应器所产生的沼气中的甲烷含量。

上述的应用中，所述厌氧发酵产甲烷相反应器可为两相厌氧发酵中的厌氧发酵产甲烷相反应器。

上述的应用中，所述亲水性多孔材料适宜产甲烷微生物附着，可为亲水性多孔聚合物材料，如亲水性多孔聚氨酯材料，它呈海绵状，具有相互贯通的气孔。

本发明具有如下有益效果：

与现有技术相比，本发明提供的厌氧发酵产甲烷相反应器能够有效固定生物膜，产甲烷效率高，结构设计合理，简单实用，减少了一般厌氧装置所需的动力搅拌系统，极大的降低了成本，且运行稳定，具有很大的应用前景。

附图说明

图1为本发明生物膜固定床厌氧产甲烷反应器的结构示意图。

图中各标记如下：

1反应器主体、2生物膜固定床、3酸液进料口、4待处理酸液、5酸液进料泵、6沼液排出口、7沼气收集口、8沼气收集罐、9沼液循环泵、10沼液循环口Ⅰ、11沼液循环口Ⅱ。

图2为利用本发明厌氧发酵产甲烷相反应器降解葡萄糖并培养生物膜实验中每天的产气量和甲烷含量。

图3为利用本发明厌氧发酵产甲烷相反应器处理酸液实验中每天的产气量、甲烷含量和水力停留时间(HRT)。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中亲水性多孔聚氨酯材料均购自南通大工海绵有限公司，填料性质数据如表1所示：

表1、亲水性聚氨酯的性质

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于下述实施例。

实施例1、厌氧发酵产甲烷相反应器

如图1所示，本发明厌氧发酵产甲烷相反应器包括圆柱形反应器主体1，反应器主体1的中部设有生物膜固定床2(反应器主体内部上下各有少量空间)。生物膜固定床2为用于生长生物膜的填料，该填料为亲水性的、适宜微生物附着的多孔材料，均匀的被固定于反应器主体2内。具体地，该填料可使用亲水性聚氨酯，呈海绵状，具有相互贯通的气孔。

反应器主体1的上部设有酸液进料口3和沼气收集口7，下部设有沼液排出口6，来自产酸相装置的待处理酸液4可根据反应器主体1的工艺需求调节pH等条件后采用酸液进料泵5通过酸液进料口3进入反应器主体的上部，在亲水性聚氨酯固定的生物膜中产甲烷微生物的作用下，待处理酸液在厌氧条件下经甲烷化产生沼气，所产生的沼气通过沼气收集口7被收集至沼气收集罐8中，沼液通过沼液排出口6排出。酸液进料口3、沼气收集口7和沼液排出口6构成进出料系统。

反应器主体1的上部还设有沼液循环口Ⅰ10，下部还设有沼液循环口Ⅱ11，通过沼液循环泵9将反应器主体1上部产生的沼液吸出再打入反应器主体1下部。沼液循环口Ⅰ10、沼液循环泵9和沼液循环口Ⅱ11构成沼液循环系统，该沼液循环系统为反应器增加扰动，使产甲烷微生物和待处理酸液充分接触，同时起到对反应器下部空间进行冲洗的作用，避免出料口堵塞。

下面通过具体的实验来说明本发明厌氧发酵产甲烷相反应器的使用效果。

实验1：利用本发明厌氧发酵产甲烷相反应器降解葡萄糖并培养生物膜。

反应器启动阶段，将10L玉米秸秆单相湿发酵的沼液倒入反应器内，从反应器下部充入氮气排除反应器内的空气，形成厌氧环境。反应器运行过程中，每天的沼液循环量为10L，通过循环沼液加入葡萄糖(0.3g/Ld)，进行生物膜的培养。

从图2可以看出，每天产生的沼气量比较稳定，甲烷含量第一天就达到了40％，且逐渐增加至60％左右，说明在此反应器中的微生物活性较好，且能迅速达到稳定，产甲烷浓度高。

实验2：利用本发明厌氧发酵产甲烷相反应器处理酸液。

将来自于厌氧发酵中的产酸相的待处理酸液通入实验1中固定有生物膜的厌氧发酵产甲烷相反应器中，在亲水性聚氨酯中固定的生物膜中产甲烷微生物的作用下，待处理酸液在厌氧条件下经甲烷化生成沼气。

从图3可以看出，在周期为60天的培养实验中，沼气中的甲烷含量随着反应周期的延长而呈上升趋势，由60％上升到80％左右，证明甲烷化活性极高。以进料单位质量挥发性有机酸(VFA)的产沼气量评估产气情况，结果表明沼气产量能够稳定的保持较高的水平。证明本发明反应器能够有效固定生物膜，使产甲烷菌有较好的活性，从而显著提高沼气中的甲烷含量。

对比例、采用全混式厌氧发酵罐处理酸液

将实验2中所用的同一批待处理酸液通入全混式厌氧发酵罐中(产甲烷微生物以游离状态存在)，HRT为10天，在60天的运行时间里，所产沼气中的甲烷含量约为55％～60％，也以进料单位质量VFA的产沼气量评估产气情况，平均为0.33L/g VFA。与实验2对比可以看出，本发明提供的厌氧发酵产甲烷相反应器与全混式反应器相比具有显著的优势，有利于VFA的充分转化，能够提高产气水平和沼气中的甲烷含量。