一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器。反应器顶端设有盖板，盖板中央设有隔板，将反应器分割为两部分。反应器左侧为甲烷区，盖板左侧靠近隔板1/3处中央设置进水管，进水管左侧设置甲烷进气管，进水管右侧设置甲烷区出水管。盖板左侧靠近边缘1/3处中央设置甲烷溢出管。反应器左侧底部中央设置曝气头，并与甲烷进气管相连。反应器右侧为氧气区，设有氧气进气管、曝气头、氧气溢出管和氧气区出水管，与左侧各对应结构以隔板为对称面对称分布。本实用新型可实现甲烷与氧气的独立供应，避免混合供应带来的爆炸风险。同时，可将甲烷区出气中甲烷比例提高至75%以上，可作为燃料再利用；使氧气区出气中甲烷比例低于爆炸限，可直接排放。
【专利说明】一种分割式甲院氧化-反硝化反应器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种甲烷氧化-反硝化反应器，尤其涉及一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器及其方法。
【背景技术】
[0002]甲烷(CH4)是一种仅次于CO2的重要温室气体，其全球增温潜能是CO2的20-30倍，其对温室效应的综合贡献率高达22%。根据IPCC组织估计，2000年全球甲烷排放总量为3X10nkg。令人警惕的是，甲烷的年均排放量有逐年增加的趋势。因此，有效削减甲烷排放量，对遏制全球变暖趋势有着举足轻重的作用。此外，甲烷是一种热值较高的清洁能源，也是一种新颖的气态碳源。所以，将全球变暖的第二大“罪魁祸首”甲烷，转化为清洁能源或新颖气态碳源加以利用，符合人类社会可持续发展的要求，具有光明的应用前景。
[0003]随着人类社会的发展，地下水受到了较大规模、较大程度的污染，硝酸盐污染便是其中的一个重要方面。早在上世纪60年代，美国、欧洲、英国、法国、荷兰和俄罗斯等国家和地区便陆续出现了地下水硝酸盐污染的相关报道。自上世纪80年代开始，我国的成都、长春和西安等城市，也陆续出现了地下水硝酸盐含量大面积超标的报道。我国水资源公报2000年的统计显示，各地区地下水的主要超标组分是硝酸盐和亚硝酸盐；总的来看，“三北”地区地下水硝酸盐污染最为严重。由此可见，硝酸盐已成了世界范围内地下水最普遍的污染因子，且其污染程度在不断增加。因此，地下水硝酸盐污染的控制与治理已迫在眉睫。
[0004]现有科学研究表明，生物反硝化是去除地下水硝酸污染的最经济、最有效的方法。生物反硝化是厌氧反硝化菌在厌氧或缺氧条件下，以各类有机物为电子供体，将硝酸盐或亚硝酸盐转化为N2或N2O,同时将有机物转化为CO2的复杂生化过程。根据此原理，要驱使反硝化菌进行反硝化作用，必须向其提供有机物作为电子受体。但是，地下水的主要污染因子是硝酸盐，有机物含量很低，基本处于寡营养状态。因此，要完成地下水的反硝化脱氮过程，必须向地下水提供有机物等外加碳源。
[0005]甲醇因其廉价易得且容易为微生物吸收利用，被广泛用作城市污水脱氮过程的外加碳源。但是，甲醇的投加量需要严格控制，除了成本因素以外，还要考虑其在高浓度甲醇对微生物的抑制作用，以及剩余甲醇造成水体的二次污染等问题。为此，科技工作者将目光投向了甲烷，并开展了大量的研究。甲烷是一种容易获得气态碳源，在垃圾填埋场、厌氧消化反应器以及沼气罐里均可获得，且其价格较为低廉。此外，甲烷在常温下是一种气体，未被利用的甲烷可直接从体系中溢出，不会造成水体的二次污染。
[0006]早在上世纪70年代，国外就出现了以甲烷为碳源进行废水反硝化的相关研究。但是，该技术至今未能走向大规模应用。其主要原因有以下两点:1)甲烷在水体中的溶解度很低，供应的甲烷利用率很低，造成实际供应量远大于理论供应量。在降低此技术的经济性的同时，也向环境排放了大量的未利用的温室气体甲烷，降低了此技术的环境效益。2)甲烷不是被作为直接碳源利用，而是将其氧化为甲醇和甲酸等有机物后再利用。因此，除了要向体系供应甲烷气体外，还要向体系供应氧气或空气。甲烷和氧气的混合供应，则会带来爆炸的风险。未利用的甲烷在外溢的过程中，由于其甲烷含量较低，不能将其作为能源再利用，且伴随有爆炸的风险。
[0007]本实用新型即是为解决上述问题而提出的。与现有甲烷氧化-反硝化反应器相t匕，一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器具有明显的优势:1)甲烷与氧气分别供应，消除了混合供应所带来的爆炸风险，提高了反应器运行的安全性。2)甲烷区域氧气区以隔板相对分割，有利于优化甲烷氧化菌和反硝化菌的空间分布，有利于实现甲烷氧化与反硝化两个过程的衔接与配合，提升系统的脱氮除碳性能。3)甲烷区出气中甲烷的体积分数不低于75%，可直接燃烧以获取能源，实现了资源的最大化利用；4)氧气区出气中甲烷体积分数低于爆炸限，且对大气造成的温室效应极弱，可以直接排放至周围环境。
【发明内容】
[0008]本实用新型目的是克服现有反应器的缺陷，提供一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器及其方法，以避免混合供应甲烷和氧气带来的爆炸风险，并将未被微生物利用的甲烷作为燃料再利用。
[0009]分割式甲烷氧化-反硝化反应器包括反应器本体，反应器本体顶端设有盖板，盖板中央设有隔板，将反应器分割为两部分；反应器左侧为甲烷区，盖板左侧靠近隔板1/3处中央设有进水管，盖板左侧设有甲烷进气管和甲烷区出水管，盖板左侧靠近边缘1/3处中央设置甲烷溢出管，反应器左侧底部中央设置甲烷曝气头，并与甲烷进气管相连，反应器右侧为氧气区，设有氧气曝气头、氧气进气管、氧气溢出管和氧气区出水管，与左侧各对应结构以隔板为对称面对称分布。
[0010]所述的反应器本体为圆筒状装置，顶端以盖板密封，反应器的总高度与反应器内径之比为1:广2:1，超高高度与总高度之比为1:5?1:4。
[0011]所述的反应器顶端设有与顶盖连接的隔板，将反应器分割为甲烷区和氧气区，甲烷区和氧气区的高度之比为1:1，横截面积之比为1:1，隔板伸入液面之下，隔板伸入液面下的深度与超高高度之比为1:2?2:3。
[0012]所述的进水管内径与反应器内径之比l:2(Tl:30，甲烷区出水管与进水管内径之比为1:1，但进水管和甲烷区出水管内径均不得小于10 mm。
[0013]所述的在氧气区内，设置与甲烷区出水管以隔板对称分布的氧气区出水管，氧气区出水管与反应器内径之比为l:2(Tl:30，但氧气区出水管内径不得小于10 mm。
[0014]所述的甲烷进气管和氧气进气管穿过盖板，并与盖板密封，延伸至反应器底端，分别与设置于甲烷区底部中央的甲烷曝气头和氧气区底部中央的氧气曝气头连接，甲烷进气管与反应器内径之比为l:3(Tl:40，氧气进气管和甲烷进气管内径之比为1:1，但氧气进气管和甲烷进气管内径均不得小于5 _。
[0015]所述的甲烷溢出管和氧气溢出管伸出盖板上端的长度为盖板厚度的2?3倍，伸出盖板下端的长度为盖板厚度的f 1.5倍，甲烷溢出管与甲烷进气管内径之比为1.5: f 2:1，氧气溢出管和氧气进气管内径之比为1.5: f 2:1。
[0016]与现有甲烷氧化-反硝化反应器相比，本实用新型具有明显的优势:1)实现了甲烷与氧气的单独供应，避免了混合供应所带来的爆炸风险，提高了反应器运行的安全性；2)甲烷与氧气单独供应，可以营造出相对独立的好氧/缺氧环境，有利于优化甲烷氧化菌和反硝化菌的菌群分布，有利于推进甲烷氧化与反硝化两个过程的配合与衔接，达到更好的削减甲烷和去除硝氮的效果；3)甲烷区出气中甲烷的体积分数不低于75%，可用作燃料加以再利用，实现了资源的最大化利用；4)氧气区出气中甲烷体积分数(2%~4%)低于爆炸限，且对大气造成的温室效应极弱，可以直接排放至周围环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是分割式甲烷氧化-反硝化反应器结构俯视图；
[0018]图2a是分割式甲烷氧化-反硝化反应器结构A向剖视图；
[0019]图2b是分割式甲烷氧化-反硝化反应器结构B向剖视图。
[0020]图中:盖板1、隔板2、进水管3、甲烷进气管4、甲烷区出水管5、甲烷溢出管6、甲烷曝气头7、氧气曝气头8、氧气进气管9、氧气溢出管10、氧气区出水管11。
【具体实施方式】
[0021 ] 如图1、图2a和图2b所示，分割式甲烷氧化-反硝化反应器包括反应器本体，反应器本体顶端设有盖板1，盖板I中央设有隔板2，将反应器分割为两部分；反应器左侧为甲烷区I，盖板I左侧靠近隔板2的1/3处中央设有进水管3，盖板I左侧设有甲烷进气管4和甲烷区出水管5，盖板I左侧靠近边缘1/3处中央设置甲烷溢出管6，反应器左侧底部中央设置甲烷曝气头7，并与甲烷进气管4相连，反应器右侧为氧气区II，设有氧气曝气头8、氧气进气管9、氧气溢出管10和氧气区出水管11，与左侧各对应结构以隔板2为对称面对称分布。
[0022]所述的反应器本体为圆筒状装置，顶端以盖板I密封，反应器的总高度与反应器内径之比为1:广2:1，超高高度与总高度之比为1:5~1:4。
[0023]所述的反应器顶端设有与顶盖I连接的隔板2，将反应器分割为甲烷区I和氧气区II，甲烷区I和氧气区II的高度之比为1:1，横截面积之比为1:1，隔板2伸入液面之下，隔板2伸入液面下的深度与超高高度之比为1:2~2:3。
[0024]所述的进水管3内径与反应器内径之比1:2(Tl:30，甲烷区出水管5与进水管3内径之比为1:1，但进水管3和甲烷区出水管5内径均不得小于10 mm。
[0025]所述的在氧气区II内，设置与甲烷区出水管5以隔板2对称分布的氧气区出水管11，氧气区出水管11与反应器内径之比为l:2(Tl:30，但氧气区出水管11内径不得小于10mmD
[0026]所述的甲烷进气管4和氧气进气管9穿过盖板I，并与盖板I密封，延伸至反应器底端，分别与设置于甲烷区I底部中央的甲烷曝气头7和氧气区II底部中央的氧气曝气头8连接，甲烷进气管4与反应器内径之比为l:3(Tl:40，氧气进气管9和甲烷进气管4内径之比为1:1，但氧气进气管9和甲烷进气管4内径均不得小于5 _。
[0027]所述的甲烷溢出管6和氧气溢出管10伸出盖板I上端的长度为盖板I厚度的2~3倍，伸出盖板I下端的长度为盖板I厚度的广1.5倍，甲烷溢出管6与甲烷进气管4内径之比为1.5:1~2:1，氧气溢出管10和氧气进气管9内径之比为1.5:1~2:1。
[0028]分割式甲烷氧化-反硝化反应器可用钢板或PVC板制作。其工作过程如下:自进水管3通入接种有好氧甲烷氧化菌和反硝化菌的培养液，自甲烷进气管4经由曝气头7通入甲烷，自氧气进气管9经由曝气头8通入氧气。甲烷气体在甲烷区I上升的过程中，极小一部分溶解于水，并横向扩散至氧气区II，与氧气区II溶解氧一起被好氧甲烷氧化菌摄取，并发生一系列生化作用，生成甲醇、甲醛、甲酸等有机物和CO2等气体产物。CO2以及自甲烷区I扩散而来的甲烷(体积分数低于爆炸限)随氧气自氧气溢出管10排出，甲醇、甲醛和甲酸等有机物则向甲烷区I扩散。在甲烷区I内，厌氧反硝化菌以上述有机物为电子供体，以硝氮、亚硝氮等为电子受体，进行反硝化作用，释放出ν2、ν20和CO2等气体，与未溶于水的甲烷气体(体积分数> 75%)，以及自氧气区(II)扩散而来的O2 —起，自甲烷溢出管6排出。甲烷区I反应液自甲烷区出水管5排出，而氧气区II反应液自氧气区出水管11排出。
[0029]本实用新型中甲烷氧化-反硝化高效进行的关键，在于甲烷和氧气供应比例的控制和整个装置的气密性。必须使甲烷与氧气供应比例控制在一个合适的范围内，既能保证提供足够的氧气，以确保足够量的甲烷被好氧氧化，又要避免甲烷在氧气充足条件下被完全氧化，而要将其氧化控制在甲醇或甲醛阶段，从而为反硝化过程提供足够的电子受体，以确保反硝化过程的顺利进行。此外，还要保证整个反应器以及管路与反应器结合处的气密性，以保证气体基质的足量供应以及溢出气体的完全收集。
【权利要求】
1.一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器，包括反应器本体，其特征在于:反应器本体顶端设有盖板(1)，盖板(I)中央设有隔板(2)，将反应器分割为两部分；反应器左侧为甲烷区(I )，盖板(I)左侧靠近隔板(2) 1/3处中央设有进水管(3)，盖板(I)左侧设有甲烷进气管(4)和甲烷区出水管(5)，盖板(I)左侧靠近边缘1/3处中央设置甲烷溢出管(6)，反应器左侧底部中央设置甲烷曝气头(7)，并与甲烷进气管(4)相连，反应器右侧为氧气区(II)，设有氧气曝气头(8)、氧气进气管(9)、氧气溢出管(10)和氧气区出水管(11)，与左侧各对应结构以隔板(2)为对称面对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器，其特征在于:反应器本体为圆筒状装置，顶端以盖板(I)密封，反应器的总高度与反应器内径之比为1:广2:1，超高高度与总高度之比为1:5?1:4。
3.根据权利要求1所述的一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器，其特征在于:反应器顶端设有与顶盖(I)连接的隔板(2)，将反应器分割为甲烷区(I )和氧气区(II)，甲烷区(1)和氧气区(II)的高度之比为1:1，横截面积之比为1:1，隔板(2)伸入液面之下，隔板(2)伸入液面下的深度与超高高度之比为1:2?2:3。
4.根据权利要求1所述的一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器，其特征在于:进水管(3)内径与反应器内径之比l:2(Tl:30，甲烷区出水管(5)与进水管(3)内径之比为1:1，但进水管(3)和甲烷区出水管(5)内径均不得小于10 mm。
5.根据权利要求1所述的一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器，其特征在于:在氧气区(II)内，设置与甲烷区出水管(5)以隔板(2)对称分布的氧气区出水管(11)，氧气区出水管(11)与反应器内径之比为l:2(Tl:30，但氧气区出水管(11)内径不得小于10 mm。
6.根据权利要求1所述的一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器，其特征在于:甲烷进气管(4)和氧气进气管(9)穿过盖板(I )，并与盖板(I)密封，延伸至反应器底端，分别与设置于甲烷区(I )底部中央的甲烷曝气头(7)和氧气区(II)底部中央的氧气曝气头(8)连接，甲烷进气管(4)与反应器内径之比为l:3(Tl:40，氧气进气管(9)和甲烷进气管(4)内径之比为1:1，但氧气进气管(9)和甲烷进气管(4)内径均不得小于5 mm。
7.根据权利要求1所述的一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器，其特征在于:甲烷溢出管(6)和氧气溢出管(10)伸出盖板(I)上端的长度为盖板(I)厚度的2?3倍，伸出盖板(I)下端的长度为盖板(I)厚度的广1.5倍，甲烷溢出管(6)与甲烷进气管(4)内径之比为.1.5: f 2:1，氧气溢出管(10)和氧气进气管(9)内径之比为1.5:1?2:1。
【文档编号】C02F3/34GK203976487SQ201420374447
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】何若, 张红陶, 谢婧倩, 童裳伦, 赵芝清, 苏瑶, 夏芳芳 申请人:浙江大学