专利名称：：一种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器及其应用的制作方法
技术领域：
：本发明涉及生物质能源利用领域，特别是一种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器及其应用。
背景技术：
：近年来，出现了一种微生物附着膜材料阿科蔓生态基，英文商品名为AquaMats,由美国MERIDIANAQUATICTECHNOLOGY,LLC生产，其网址为http:〃www.叫uamats.com，该其中SDF型(污水处理型)阿科蔓生态基，采用两段结构超级编织技术，上段结构疏松，有益于藻类生长，下段结构较密实，利于有益细菌的生长，如硝化细菌和反硝化细菌等，生物膜能够自行脱落更新，始终能维持高效地处理效果，普遍用于微污染、中浓度污水，高浓度废水以及水产养殖等领域，但目前没有人用于沼气发酵厌氧反应器中。沼气厌氧发酵技术是一项对有机质进行厌氧发酵处理生产沼气的生物质能源生产工艺，主要产出的可燃性气体是甲烷(CH4)。沼气发酵过程实质上是微生物的物质代谢和能量转换生理过程。沼气发酵过程分为水解阶段——产酸阶段——产甲烷阶段共三个阶段。水解阶段是有机质在好氧微生物和厌氧微生物的胞外酶、表面酶的作用下将固体有机物分解成分子量较小的可溶性单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸。这些分子量较小的可溶性物质可进入微生物细胞内被进一步分解利用；产酸阶段是进入到微生物细胞内的小分子可溶性物质在微生物胞内酶作用下急需分解成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物，同时也有部分氢、二氧化碳、和氨等无机物被释放。这些产物中70%为乙酸，所以称为产酸阶段，参与这一阶段的微生物成为产酸菌。此前两个阶段是一个连续的过程，是复杂有机物转化成甲烷的先决条件；产甲烷阶段是产甲烷菌将乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，这一阶段称为产甲烷阶段。1781年，法国科学家穆拉第一次发明人工沼气发生器至今，有机质厌氧发酵处理生产沼气技术工艺不断地发展，沼气的制取效率也不断地提高，人们发明了多种沼气发酵工艺，其中包括水压式沼气池、升流式沼气池、塞流式沼气池、全混式沼气池、UASB升流式厌氧污泥床反应器、AF附着膜型厌氧反应器等。以上几种发酵工艺相比较而言，附着膜型消化器具有较好的性能，其料容产气率较高，主要包括有厌氧滤器、流化床和膨胀床三种，后两种反应器多处于实验室研究阶段，该类反应器的特点是在反应器内安置有惰性支持物，又称填料，供微生物附着，并形成生物膜，进料中的液体和固体在穿过填料时，滞留微生物于生物膜内，并且在HTR(水力滞留期)相当短的情况下，可阻止微生物冲出，这类反应器的特点是在反应器内为微生物提供更大的比表面积的支持物，具有较高的抗有机负荷能力，可节约反应器容积。这类反应器只适用于处理低浓度、低SS(悬浮固体物)有机废水，因其具有短的STR(固体滞留期)而影响固体物的转化。但也存在缺点，例如厌氧滤器经多年研究，厌氧滤器多采用纤维或硬塑料作为支持物，使微生物附着于支持物表面形成生物膜。当污水穿过生物膜时，有机物被细菌利用而形成沼气。AF反应器可以选择在厌氧滤器的不同高度不同方向进水，水流方向可以生流或降流，它不适用于高SS含量的进料，因为该类进料会很快堵塞该系统，且填料费用过高，仅填料就占总造价的60%;由于微生物积累，增加了运转期间料液的阻力，发生堵塞和短路，启动时间过长等缺点。而流化床和膨胀床(AFBR)，其填充颗粒膨胀或流态化需较高的能耗和运行费用，介质可能被带出，损坏设备，不能接受高固体含量的原料，三相分离不易实现。
发明内容本发明根据上述领域存在的不足和新的进展，提供一种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器及其应用。该发酵厌氧反应器解决了目前已有的沼气发酵装置启动时间长、产气率低、成本高、工艺复杂、易发生堵塞等诸多缺陷。—种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，包括反应容器和反应容器腔中的生物附着装置，其特征在于所述生物附着装置由三维空间支架和三维空间支架支撑着的SDF型阿科蔓生态基构成。在所述反应容器中，所述SDF型阿科蔓生态基的比例为0.24m7m3。所述三维空间支架为包括底面框和顶面框的立柱体框架，底面框和顶面框之间由支柱棱连接；所述SDF型阿科蔓生态基为长条状，两端分别固定在底面框和顶面框的棱上，多条所述SDF型阿科蔓生态基间隔排列围成所述三维空间支架的侧面，所述立柱体框架直立于反应容器腔的底面上。所述三维空间支架为矩形立方体框架，所述SDF型阿科蔓生态基为长条状，两端分别固定在两条构成矩形立方体的一面且与上下底面垂直的棱上；多条所述SDF型阿科蔓生态基间隔排列围成所述矩形立方体框架的侧面，所述矩形立方体框架上没有围着SDF型阿科蔓生态基的任一底面作为支撑面立于所述反应容器中。所述SDF型阿科蔓生态基的两端之间为螺旋状。所述SDF型阿科蔓生态基，每两条为一组，各组等距间隔排列围成所述三维空间支架的侧面。所述反应容器中有多个生物附着装置。所述反应容器中有多个尺寸不同的生物附着装置，所述生物附着装置套叠放置。所述反应容器腔的底面和所述生物附着装置之间设置有1030cm高的安装支架。所述微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器在沼气厌氧发酵中的应用。本发明提供一种新的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特点在于反应器中的作为微生物附着载体的材料SDF型(污水处理型)阿科蔓生态基，是美国公司MERIDIANAQUATICTECHNOLOGY，LLC的产品，其英文商品名为SDFAquaMats⑧，其每lm2生态基可提供200-250!112的微生物附着面积，生物膜能够自行脱落更新，始终能维持高效地厌氧发酵状态，目前常用于污水处理或水产养殖。用该材料制作的生物附着装置代替现有的塑料多孔隙颗粒作为反应容器的的填料，有以下三方面的优点1.成本低，生物附着装置的成本仅占反应器总造价的13%，广大农村家庭是使用沼气发酵反应器的主要人群，沼气发酵设备的价格是决定该设备能否普及的关键。2.由于提高了厌氧反应器单位体积内微生物附着面积，为厌氧反应微生物(产酸菌、产甲烷菌等)的提供了良好的增殖附着空间，附着在该生态基厌氧反应微生物均匀地形成一层生物膜，生物膜不断地捕获并分解发酵料液中的有机质，微生物与有机发酵质之间也能够接触良好，因此，发酵启动时间明显縮短，同时产气率高，相同量有机质原料所需的发酵时间明显縮短，即提高了反应容器的使用效率。3.由于本发明采用的生物附着装置的微生物附着载体阿科蔓生态基外观上为普通纺织物一样的材料，是成片状或条状的整体材料且被支撑在三维空间支架上，因此，不易发生对反应容器管路及进出口的堵塞，同时由于生态基自身具有良好的更新能力，当附着的生物膜活性不好时会自行脱落，而不会附着在其上堵塞网孔。由于本发明采用了SDF型阿科蔓生态基，能提高200250倍的比表面积，因此，在保证单位体积内有足够的微生物附着面积的前提下，为了更进一步减少成本及兼顾反应器内部有机质料液流通顺畅，本发明中的SDF型阿科蔓生态基的用量比例为0.24m7m3。反应容器内比表面积为401000m7n^提供了足够的微生物扶着面积，同时，生态基本身不拥堵反应容器，不阻碍有机质原料的流动。本发明旨在提供一种将污水处理中常用的微生物附着材料用于沼气发酵反应器中，达到降低沼气发酵设备的成本，提高厌氧反应器发酵效率，解决发酵启动时间长，设备易堵塞等问题的目的。为了进一步提供更实用方便的沼气发酵反应器，本发明优选将生物附着装置设计成；由立柱体框架支撑着生态基，所述三维空间支架包括底面框和顶面框的立柱体框架，底面框和顶面框之间由支柱棱连接；这样的三维空间支架可以是圆筒形或底面框、顶面框为多边形的多棱柱体等；将SDF型阿科蔓生态基剪成长条状，两端分别固定在底面框和顶面框的棱上，各间隔排列围着立柱体的侧面如图3A所示；本发明的另一优选方案是将三维空间支架做成矩形立方体，条状生态基可绑在两条构成矩形立方体的一面且与上下底面垂直的棱上，即条状的生态基与地面平行，间隔设置围着立方体的侧面，如图3B所示。生态基间隔设置在框架侧面上，有利于截获在生态基之间流动穿梭的有机质，由于生态基之间有间隔空隙而不会阻碍有机质流动，降低了反应器发生堵塞的可能性；立柱体或矩形立方体的三维空间支架，其结构简单、造价经济、制作方便，人们可根据发酵反应容器的大小需要选择一定尺寸生物附着装置，使本发明的反应器非常经济实用。为了进一步提高单位体积内微生物附着面积以提高反应器的利用率，本发明优选将条状的SDF型阿科蔓生态基扭成螺旋状后再固定在三维空间支架上，以在相同的容积内提供更大的微生物附着面积，同时能反应器内的微生物滞留期(MTR)，为有机质提供了一种模拟牛胃的发酵环境。本发明进一步优选两条SDF型阿科蔓生态基为一组，组之间间隔排列，围成三维空间支架的侧面，这样能够在进一步增加反应器单位体积内生态基面积的同时不发生堵塞现象。本发明的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器中，可放置多个生物附着装置，特别是反应容器体积较大时，可容纳的生态基面积非常大，可均匀分散放置多个生物附着装置；当三维空间支架为规则形状如立柱体或立方体，大尺寸的生物附着装置中间空腔可放置较小尺寸的生物附着装置，如图4，这样套叠放置可以充分利用反应容器的空间，最大程度的提高单位体积内微生物附着面积，提高MTR(微生物滞留期)及发酵效率。本发明进一步在生物附着装置和反应容器腔的底面之间设置了1030CM高的安装支架，支架的作用是使生物附着装置不紧贴反应容器底部，不阻碍有机质流动和被阻滞，从而避免了发酵分解不完全的现象，另外安装支架和生物附着装置的三维空间支架之间可以是相互配合的结构，三维空间支架的底部直接卡合在安装支架上，增加了生物附着装置的稳妥性。图1.微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器正视示意图其中.l-反应容器，2-生物附着装置，8-安装支架。图2.生物附着装置结构示意图其中.3-三维空间支架，4-SDF型阿科蔓生态基，5-顶面框，6-底面框，7-支柱棱。图3A.两条生态基为一组间隔排列构成的圆柱形生物附着装置立体结构示意图其中.4-SDF型阿科蔓生态基。图3B.两条生态基为一组间隔排列构成的矩形立方体生物附着装置正视结构示意图其中.4-SDF型阿科蔓生态基。图4.微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器中设置多个生物附着装置套叠的俯视示意其中.1-反应容器，2-生物附着装置。图5.比较不同生态基使用面积的发酵情况其中横坐标表示观察时间，纵坐标表示观察日期所对应的产气量。图6.户用型2立方米发酵罐的试验横坐标表示观察时间，纵坐标表示观察日期所对应的产气量。图7.50立方米反应容器的中型试验横坐标表示观察时间，纵坐标表示观察日期所对应的产气量。具体实施例方式如图1、图2所示，本发明提供的一种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，包括反应容器1和反应容器腔中的生物附着装置2，其特征在于所述生物附着装置2由三维空间支架3和三维空间支架支撑着的SDF型阿科蔓生态基4构成。本发明提供的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特点在于反应容器1中的作为微生物附着载体的材料为SDF型阿科曼生态基4，每lm2可提供200-250m2的微生物附着面积，其上附着的生物膜能够自行脱落更新，始终能维持高效地厌氧发酵状态。本发明的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器中，所述SDF型阿科蔓生态基4的比例为0.24m7m3，由于每lm2SDF型阿科蔓生态基能提供200250m2的为生物附着面积，因此，在保证单位体积内有足够的微生物附着面积的前提下，为了更进一步减少成本及兼顾反应容器1内部的有机质料液流通顺畅，本发明中的SDF型阿科蔓生态基4的用量比例为0.24m7m这样反应容器1内比表面积为401000m7n^'提供了足够的微生物扶着面积，同时，生态基本身不拥堵反应容器，不阻碍有机质原料的流动。本发明旨在提供一种将污水处理中常用的微生物附着材料用于沼气发酵反应器中，达到降低沼气发酵设备的成本，提高厌氧反应器发酵效率，解决发酵启动时间长，设备易堵塞等问题的目的。为了进一步提供更实用方便的沼气发酵反应器，本发明优选将生物附着装置2设计成，三维空间支架3包括底面框5和顶面框6的立柱体框架，底面框6和顶面框5之间由支柱棱7连接；这样的三维空间支架3可以是圆筒形或底面框、顶面框为多边形的多棱柱体等；将SDF型阿科蔓生态基4剪成长条状，两端分别固定在底面框6和顶面框5的棱上，多条间隔排列围着立柱体框架的侧面如图3A所示；本发明的另一优选方案是将三维空间支架3做成矩形立方体，条状生态基可绑在两条构成矩形立方体的一面且与上下底面垂直的棱上，即条状的生态基与地面平行，间隔设置围着立方体的侧面，如图3B所示。生态基间隔设置在框架侧面上，可高利效率地截获在生态基之间流动穿梭的有机质，由于生态基之间有间隔空隙而不会阻碍有机质流动，降低了反应器发生堵塞的可能性；立柱体或矩形立方体的三维空间支架3，其结构简单、造价经济、制作方便，人们可根据发酵反应容器的大小需要选择一定尺寸的生物附着装置2，使本发明的反应器非常经济实用。为了进一步提高单位体积内微生物附着面积以提高反应器的利用率，本发明优选将条状的SDF型阿科蔓生态基4扭成螺旋状后再固定在三维空间支架3上，在相同的容积内提供更大的微生物附着面积，同时能延长反应容器1内的微生物滞留期(MTR)，为有机质提供了一种模拟牛胃的发酵环境。本发明进一步优选两条SDF型阿科蔓生态基4为一组，组之间间隔排列，围成三维空间支架3的侧面，这样能够进一步增加反应器单位体积内可容纳的生态基面积，同时组之间的空隙可以增大，从而更不容易发生反应器堵塞现象。本发明的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器中，可放置多个生物附着装置2，特别是反应容器1体积较大时，可容纳的生态基面积非常大，可均匀分散放置多个生物附着装置2;当三维空间支架3为规则形状如立柱体或立方体，大尺寸的生物附着装置2的中间空腔可放置较小尺寸的生物附着装置2，如图4，这样套叠放置可以充分利用反应容器1的空间，最大程度的提高单位体积内微生物附着面积，提高MTR(微生物滞留期)及发酵效率。本发明中，如图l所示，所述反应容器腔底面和所述生物附着装置2之间设置有1030cm高的安装支架8。安装支架8的作用是使生物附着装置2不紧贴反应容器腔底部，不阻碍有机质流动和被阻滞，从而避免了发酵分解不完全的现象，另外安装支架8和生物附着装置2的三维空间支架3之间可以设计成相互配合的结构，三维空间支架3的底部直接卡合在安装支架8上，增加生物附着装置的稳妥性。实验例1.安装微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器SDF型阿科蔓生态基，英文商品名为SDFAquaMats⑧，购于美国MERIDIANAQUATICTECHN0L0GY，LLC，网址为http:〃www.aquamats.com。三维空间支架为圆柱形钢架，由上下两个等大小的钢圈及焊接着两个钢圈的与钢圈平面垂直的两根钢管构成。将每条SDF型阿科蔓生态基4，剪成宽2.5cm的长条，扭转呈螺旋状后，两端用尼龙扎带分别固定在三维空间支架的两个钢圈上上，与作为支柱棱7的两根钢管平行，如图2所示，安装时将每2条SDF型阿科蔓生态基4为一组，每组之间等距间隔排列围着圆柱形三维空间支架3的侧面得到如图2所示的生物附着装置2，将其放入到反应容器1中，在反应容器1内先放置安装支架8，将生物附着装置2的底部固定在安装支架8上即得到本发明的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，如图1所示。实验例2.含不同面积的生态基的附着膜型沼气发酵反应器的比较步骤l.准备附着膜型沼气发酵反应器。7反应容器1为户用型玻璃钢发酵罐5个，容积为2m3，直径1.4m，高1.4m，每个发酵罐按15号编号排列，内部分别安装按实验例1的方法安装反应器，所容纳的SDF型阿科蔓生态基4的面积分别为0.4m2、0.8m2、1.6m2、3.2m2、4.0m2。步骤2发酵料预处理及发酵五个反应器的操作相同，如下1)收集牛粪便为发酵原料，将粪便中长草和石块清理干净。2)测定原料总固体物(TS)含量总固体物含量60%。3)在发酵罐中预先加入20%即0.4m3接种物，接种物指已经发酵过的发酵料液。4)在原料预处理池中加入牛粪370kg，加入50°C6(TC的水1850kg。总固体物(TS)约222kg，总水量2000kg，浓度10%。5)将牛粪和水完全混合，充分搅拌均匀呈粥样，捞出上层浮渣。6)测定发酵料液温度为40.3°C，符合发酵原料预处理要求。7)用污泥泵将调制好的发酵料液抽送到发酵罐中，淹没生物附着装置。多余的料液从发酵罐溢流口自然流出。8)最后封闭发酵罐，用密封胶密封防止漏气，安装脱硫器、脱水器和Gl.6型膜式燃气表。9)每天观察产气量，记录运行情况，一共记录12天，见图5，试验分析结果见表1，从表1中可以看出，产气总量及日均产气量与单位容积内生态基面积成正比。但为了避免发酵罐内原料发生堵塞，不能无限增加生态基的用量，因此本发明中，生态基的用量每立方米空间中为O.24平方米。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实验例3，反应器容积为2m3的户用型小型试验反应器的安装方法同实例1，生态基面积为2.5m2，比表面积250313m7m3。1.收集牛场粪便为发酵原料，将粪便中长草和石块清理干净。2.测定原料总固体物(TS)含量。检测结果为原料含水量30%，总固体物含量70%。3.发酵罐中未添加接种物。4.使用牛粪300kg，加水1900kg。总固体物(TS)210kg，总水量2000kg，浓度9.5%。加水温度50。C60°C。5.在原料预处理池中，将牛粪和水完全混合，充分搅拌均匀呈粥样，捞出上层浮渣。测定发酵料液温度为41.5t:，符合发酵原料预处理要求。6.用污泥泵将调制好的发酵料液抽送到发酵罐中。多余的料液从发酵罐溢流口自然流出。7.最后封闭发酵罐，用密封胶密封防止漏气。安装脱硫器、脱水器和G1.6型膜式燃气表。8.每天观察产气量，记录运行情况，连续进行23天运行观察记录。观察结果见图6;试验结果此户用型发酵罐供单户生活用气1.5mVd。次试验未添加接种物，在试验第12天启动，高峰持续期7天。高峰期总产气量14.046m平均日产气量2.0m3。高峰期料容产气率1.0mVm3.d。实验例4.反应容器为50m3的中型试验微生物附着装置的安装方法方法同实例1，生态基面积为39m2，比表面积195m7m3。1.收集牛场新鲜粪便为发酵原料，将粪便中长草和石块清理干净。2.测定原料总固体物(TS)含量。检测结果为原料含水量83%，总固体物含量17%。3.发酵罐中未添加接种物。4.使用牛粪30000kg，加水25000kg。总固体物(TS)5100kg，总水量49900kg，浓度9.2%。5.加水温度50°C60°C。6.在原料预处理池中，将牛粪和水完全混合，充分搅拌均匀呈粥样，捞出上层浮渣。7.测定发酵料液温度为41.5t:，符合发酵原料预处理要求。8.用污泥泵将调制好的发酵料液抽送到发酵罐中。9.每天观察产气量，记录运行情况。实验运行状况见图7;通过实验证明，此项技术在小型户用型沼气和大中型工程沼气中均可达到理想效果。权利要求一种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，包括反应容器和反应容器腔中的生物附着装置，其特征在于所述生物附着装置由三维空间支架和三维空间支架支撑着的SDF型阿科蔓生态基构成。2.根据权利要求1所述的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于，在所述反应容器中，所述SDF型阿科蔓生态基的比例为0.24m7m3。3.根据权利要求1所述的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于，所述三维空间支架为包括底面框和顶面框的立柱体框架，底面框和顶面框之间由支柱棱连接；所述SDF型阿科蔓生态基为长条状，两端分别固定在底面框和顶面框的棱上，多条所述SDF型阿科蔓生态基间隔排列围成所述三维空间支架的侧面，所述立柱体框架直立于反应容器腔的底面上。4.根据权利要求1所述的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于所述三维空间支架为矩形立方体框架，所述SDF型阿科蔓生态基为长条状，两端分别固定在两条构成矩形立方体的一面且与上下底面垂直的棱上；多条所述SDF型阿科蔓生态基间隔排列围成所述矩形立方体框架的侧面，所述矩形立方体框架上没有围着SDF型阿科蔓生态基的任一底面作为支撑面立于所述反应容器中。5.根据权利要求3或4所述任-微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于所述SDF型阿科蔓生态基的两端之间为螺旋状。6.根据权利要求3或4所述的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于所述SDF型阿科蔓生态基，每两条为一组，各组等距间隔排列围成所述三维空间支架的侧面。7.根据权利要求1所述的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于所述反应容器中有多个生物附着装置。8.根据权利要求3或4所述的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于所述反应容器中有多个尺寸不同的生物附着装置，所述生物附着装置套叠放置。9.根据权利要求1所述的微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，其特征在于所述反应容器腔的底面和所述生物附着装置之间设置有1030cm高的安装支架。10.权利要求19所述任一微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器在沼气厌氧发酵中的应用。全文摘要本发明一种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器，属于生物质能源利用领域，包括反应容器和反应容器腔中的生物附着装置生物附着装置，其特征在于所述生物附着装置由三维空间支架和三维空间支架支撑着的SDF型阿科蔓生态基构成，本发明的沼气发酵厌氧反应器解决了目前已有的沼气发酵装置启动时间长、产气率低、成本高、工艺复杂、易发生堵塞等诸多缺陷，非常适合于推广应用。文档编号C12M1/107GK101701182SQ200910238790公开日2010年5月5日申请日期2009年12月1日优先权日2009年12月1日发明者刘艳军,曹克富,李荣旗,王刚,王玉中,肖静申请人:北京科润维德生物技术有限责任公司