一种沼气提纯的膜生物反应器及其沼气提纯工艺系统的制作方法

本发明属于可持续发展及膜生物反应器领域，具体涉及一种沼气提纯的膜生物反应器装置及沼气提纯工艺系统。

背景技术：

沼气是一种清洁、可再生能源，其成分以甲烷、二氧化碳为主，并含有少量的氧气、氢气、氮气、硫化氢等，其中ch4含量为50％-70％，co2含量为30％-50％。沼气中的co2降低了沼气的能量密度和热值，限制了沼气的利用范围，将沼气提纯为生物天然气(bng)，可用于车内燃料、并入天然气管网、燃料电池以及化工原料等领域。沼气提纯是指去除沼气中的杂质组分，使之成为甲烷含量高、热值和杂质气体组分品质符合天然气标准要求的高品质ch4。

非生物膜分离提纯法是利用不同气体组分在压力驱动下通过膜的渗透性作用的不同来实现的，通常情况下二氧化碳的渗透速度快，作为快气以透过气排出，甲烷的渗透速度慢，作为慢气以透余气形式获得提纯产品气。但常规的co2/ch4分离膜并不能完全去除co2，且能耗高，容易造成环境二次污染等特点。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种沼气提纯的膜生物反应器。该反应器是一种厌氧生物膜—膜生物反应器在运行过程中可实现沼气高效提纯。

本发明还提供一种沼气提纯工艺系统。

技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种沼气提纯的膜生物反应器，包括反应器本体，所述反应器本体分为上壳体和下壳体，所述上壳体顶部设置有反应器循环水进水口和反应器循环水出水口，所述下壳体底部设置有反应器进气口和反应器出气口；所述上壳体和下壳体内部形成反应槽，上壳体内的液相室，下壳体内的气相室；气相室与液相室之间设置有硅胶垫片；硅胶垫片间设置由平板膜；所述平板膜上附着有微藻。

其中，所述反应器本体为长方体型或者圆柱体等，材质为透明且密封有机玻璃、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。

作为优选，所述反应器循环水进水口和反应器循环水出水口分别位于上反应槽上部的两端，且设有阀门，用于定期更换液相室的液体。

进一步地，所述反应器循环水进水口和反应器循环水出水口通过蠕动泵与循环液储液瓶相连；所述循环液储液瓶位于反应器本体外侧。通过蠕动泵定时将循环水储液罐内的培养基泵入反应器壳体的液相室内，提供微藻的生长代谢所需要的营养。

其中，所述硅胶垫片为两个宽硅胶垫片位于上下壳体中间，且分别位于平板膜的两侧。宽硅胶垫片设置在气相室与液相室之间，用于平板膜组件与反应器本体的密封，避免漏气或漏水。

作为优选，所述平板膜为透气不透水的疏水平板膜；所述平板膜上附着大量的小球藻、栅藻或者微绿球藻等具有高产油脂能力的藻种。平板膜为透气不透水的疏水平板膜用于提高沼气向液相及生物相的传质速度及微藻在其表面附着挂膜，采用设置有透气不透水的平板膜生物反应器对沼气进行提纯，具有较高的沼气提纯效率，且处理过程中富集生长的微藻可用于生物质。

进一步地，所述液相室和循环水储液瓶内均包括微藻生长繁殖的培养基。

其中，所述平板膜的膜材料可以为聚丙烯(pp)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏氟乙烯(pvdf)和聚乙烯(pe)中的一种或多种。膜厚度为100～500微米，孔径0.05～0.25微米。

其中，所述液相室上侧设置有光照系统并反应器本体(1)外部。所述光照系统采用led灯，可控制光照时间及光照强度。光照系统具有定时开启功能和光照强度控制功能，用于提供微藻进行光合作用的光照。led灯的光强控制在2000～4000lux，定时功能保证12个小时的光照和12个小时的间隙，以便提供适合微藻生长的光照模式。

本发明所述的沼气提纯工艺系统，包括沼气提纯的膜生物反应器的反应器本体、循环液储液瓶、蠕动泵、脉冲阻尼器、液相取样口、气瓶、气体流量计、水浴、光照系统；所述循环液储液瓶位于水浴中，并依次与蠕动泵、脉冲阻尼器、反应器本体的反应器循环水进水口连接，再通过反应器循环水出水口连接回到循环液储液瓶；所述气瓶通过气体流量计与反应器本体的反应器进气口连接，出气口设置气袋用于收集提纯后的沼气；照明系统设置在反应器本体外部的上端；

使用时气瓶中沼气通过气体流量计进入反应器进气口在进入反应器本体的气相室中，沼气依次通过平板膜组件、培养基，最后被小球藻利用，最后从反应器出气口排出，被气袋收集起来，实现沼气提纯；膜生物反应器提纯沼气的过程中，蠕动泵将循环水储液瓶的培养基经过脉冲阻尼器泵入反应器循环水进水口中，后从循环水出水口排出，并重新通过蠕动泵回到循环水储液瓶；膜生物反应器提纯沼气的过程中，小球藻在平板膜表面附着生长，形成微生物膜，该微生物膜在受到光照系统的光照的条件下可利用沼气中的二氧化碳，实现沼气的提纯。

其中，所述沼气的组成包括50-70％的甲烷气，剩余为30-50％的二氧化碳气体。

作为优选，所述光照系统距离液相室顶部30cm，30cm处光照强度2500lux，光照设定为12h开12h关。

在本发明中，循环水储液瓶中的培养基通过反应器循环水进水口进入反应器壳体的液相室中，用于为微藻的生长提供营养，并从反应器循环水出水口出去，通过蠕动泵将出水返回到循环水储液罐内，再通过蠕动泵将循环水储液罐内的培养基通过进水口进入反应器，达到循环培养基的作用；沼气模拟气以稳定流量通过进气口进入反应器壳体的气相室中，并通过渗透作用穿过透气不透水膜，沼气中的二氧化碳组分被附着在膜组件表面的微藻生物膜利用，甲烷组分通过出气口排出反应器，并利用气袋将其收集；平板膜组件强化了气体在水相和生物相的传质速度，使沼气在生物相分布更均匀；在光照系统提供光照的条件下，微藻在膜组件上附着生长，形成微生物膜，可以利用沼气中的二氧化碳，将沼气提纯，沼气得到净化。

本发明通过在反应器中设置透气不透水膜，使得微藻在其表面形成膜，且增加了沼气在水相及生物相的传质速度。同时，由于微藻可以利用二氧化碳进行光合作用，达到去除沼气中二氧化碳的作用，从而提高了甲烷的比例，达到沼气提纯。

本发明中的微藻由于具有比c4植物光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率高以及易于其他工程技术集成等优点，高密度培养小球藻来固定co2是主要控制和减少大气中的co2的一种有效途径。

工作原理：反应器启动后，气瓶内的模拟沼气进入反应器的气相室，后通过平板膜渗透进入液相室，并被附着在平板膜表面的微藻进行光合作用，从而被去除，模拟沼气中的甲烷未被利用，沼气得到净化。

有益效果：与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明的沼气提纯的膜生物反应器结构简单，使用方便，利用平板膜可以提高气体的传递速率，且反应器检修方便，密封性好。

本发明的沼气提纯工艺系统中的微藻可以充分利用沼气中的二氧化碳，从而使沼气提纯；光照系统可提供微藻光合作用所需要的光照，且其光照强度可调节；

富集得到的微藻也用于加工成化工产品；并且提高提纯工艺效率，快速简便，无污染，实现资源的再生利用。

附图说明

图1为沼气提纯的膜生物反应器的结构示意图；

图2为沼气提纯的膜生物反应器的剖面图；

图3为沼气提纯工艺系统的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，一种沼气提纯的膜生物反应器，包括反应器本体1，反应器本体1为两端封闭的长方体，其高为25mm长为250mm，宽为70mm，总的体积是为0.44l，有效体积为0.27l；形状可根据实际需求灵活选择圆柱体等，材质为透明且密封的有机玻璃，也可以采用聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。

反应器本体1分为上壳体2和下壳体3，上壳体2和下壳体3内部形成反应槽，上壳体1内的液相室，下壳体2内的气相室。上壳体2顶部设置有反应器循环水进水口4和反应器循环水出水口5，反应器循环水进水口4和反应器循环水出水口5分别位于上反应槽上部的两端，且设有阀门，用于定期更换液相室的液体。反应器循环水进水口4和反应器循环水出水口5连接蠕动泵10，通过蠕动泵10与循环液储液瓶11相连；所循环液储液瓶11位于反应器本体1外侧，用于通过蠕动泵10定时将循环水储液瓶11内的培养基泵入反应器本体1的液相室内。

下壳体3底部设置有反应器进气口6和反应器出气口7；沼气通过进气口6进入反应器本体的气相室内，出气口7设置气袋用于收集提纯后的沼气。

气相室与液相室之间设置有硅胶垫片8，硅胶垫片8为两个宽硅胶垫片位于上下壳体中间，硅胶垫片间设置由平板膜9，且分别位于平板膜9的两侧；膜两侧宽硅胶垫片为2mm厚的圆环形宽硅胶垫片，外径25cm，内径20cm。平板膜10为透气不透水的疏水平板膜；平板膜与进水方向和进气方向水平，所平板膜10材料含有五层涂层，顺序为聚四氟乙烯ptfe—聚偏氟乙烯pvdf—聚丙烯pp—聚偏氟乙烯pvdf—聚四氟乙烯ptfe，也可以替换成聚丙烯pp、聚四氟乙烯ptfe、聚偏氟乙烯pvdf和聚乙烯pe中的一种或多种材料，孔径0.1微米，直径25cm，膜厚度为100um，平板膜位于离反应器底部20mm的位置上。平板膜10位于液相室一侧上附着大量的小球藻，也可以是栅藻或者微绿球藻。

液相室上侧设置有光照系统12并反应器本体1外部。光照系统采用led灯，可控制光照时间及光照强度。光照系统具有定时开启功能和光强控制功能，用于提供微藻进行光合作用的光照。led灯和液相室距离30cm，30cm处光照强度2500lux，定时功能保证12个小时的光照和12个小时的间隙，提供了适合微藻生长的光照模式。

实施例2

一种沼气提纯的膜生物反应器，包括反应器本体1，反应器本体1为两端封闭的长方体，其高为50mm，长为500mm，宽为140mm，总的体积是为0.88l，有效体积为0.54l，有效体积为0.27l；形状可根据实际需求灵活选择圆柱体等，材质为透明且密封的有机玻璃，也可以采用聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。

反应器本体1分为上壳体2和下壳体3，上壳体2和下壳体3内部形成反应槽，上壳体1内的液相室，下壳体2内的气相室。上壳体2顶部设置有反应器循环水进水口4和反应器循环水出水口5，反应器循环水进水口4和反应器循环水出水口5分别位于上反应槽上部的两端，且设有阀门，用于定期更换液相室的液体。反应器循环水进水口4和反应器循环水出水口5连接蠕动泵10，通过蠕动泵10与循环液储液瓶11相连；所循环液储液瓶11位于反应器本体1外侧，用于通过蠕动泵10定时将循环水储液瓶11内的培养基泵入反应器本体1的液相室内。

下壳体3底部设置有反应器进气口6和反应器出气口7；沼气通过进气口6进入反应器本体的气相室内，出气口7设置气袋用于收集提纯后的沼气。

气相室与液相室之间设置有硅胶垫片8，硅胶垫片8为两个宽硅胶垫片位于上下壳体中间，硅胶垫片间设置由平板膜9，且分别位于平板膜9的两侧；膜两侧宽硅胶垫片为2mm厚的圆环形宽硅胶垫片，外径50cm，内径40cm。平板膜10为透气不透水的疏水平板膜；平板膜与进水方向和进气方向水平，所平板膜10材料膜材料为ptfe材质，孔径0.1微米，直径50cm，膜厚度为100um，平板膜位于离反应器底部20mm的位置上。平板膜10位于液相室一侧上附着大量的小球藻，也可以是栅藻或者微绿球藻。

液相室上侧设置有光照系统12并反应器本体1外部。光照系统采用led灯，可控制光照时间及光照强度。光照系统具有定时开启功能和光强控制功能，用于提供微藻进行光合作用的光照。led灯和液相室距离30cm，30cm处光照强度4000lux，定时功能保证12个小时的光照和12个小时的间隙，提供了适合微藻生长的光照模式。

实施例3

如图3所示，一种沼气提纯工艺系统，包括实施例1的沼气提纯的膜生物反应器、循环液储液瓶11、蠕动泵10、脉冲阻尼器13、液相取样口14、气瓶15、气体流量计16、水浴17、光照系统12；循环液储液瓶11位于水浴17中，并依次与蠕动泵10、脉冲阻尼器13、反应器本体1的反应器循环水进水口4连接，再通过反应器循环水出水口5连接回到循环液储液瓶11；气瓶15通过气体流量计16与反应器本体1的反应器进气口6连接，提纯后的沼气通过出气口7设置气袋用于收集；照明系统12设置在反应器本体外部的上端。

提纯沼气的过程中，蠕动泵10将循环水储液瓶的小球藻培养基经过脉冲阻尼器13稳流后泵入反应器循环水进水口4中进入反应器壳体的液相室中，后从循环水出水口5排出，通过蠕动泵10将出水返回到循环水储液罐内，再通过蠕动泵10将循环水储液罐11内的培养基通过进水口进入反应器，达到循环培养基的作用；气瓶15中沼气模拟气沼气中甲烷组分与二氧化碳组分的体积分数分别为70％和30％、60％和40％或者50％和50％通过气体流量计16以稳定流量通过进气口6进入反应器壳体的气相室中，并通过渗透作用穿过透气不透水膜，即平板膜9，沼气中的二氧化碳组分被附着在平板膜9组件表面的微藻生物膜利用，甲烷组分利用出气口7设置的气袋将其收集；平板膜9组件强化了气体在水相和生物相的传质速度，使沼气在生物相分布更均匀；在液相取样口14设置气袋用于采集并测试沼气进入液相中的气体组分；在光照系统12提供光照的条件下，微藻在膜组件上附着生长，形成微生物膜，可以利用沼气中的二氧化碳，将沼气提纯。

采用本实施例沼气提纯工艺系统提纯沼气，待处理沼气的甲烷及二氧化碳组分分别占70％及30％，控制气相室内气压为0.001mpa。led灯和液相室距离30cm，30cm处光照强度2500lux，光照设定为12h开12h关。

采用本实施例沼气提纯工艺系统提纯沼气，待处理沼气的甲烷及二氧化碳组分分别占60％及40％，控制气相室内气压为0.001mpa。led灯和液相室距离30cm，30cm处光照强度2500lux，光照设定为12h开12h关。

采用本实施例沼气提纯工艺系统提纯沼气，待处理沼气的甲烷及二氧化碳组分分别占50％及50％，控制气相室内气压为0.001mpa。led灯和液相室距离30cm，30cm处光照强度2500lux，光照设定为12h开12h关。