一种固废生物反应器及性能测试研究装置的制作方法

1.本发明涉及环境保护技术领域，特别是涉及一种固废生物反应器及性能测试研究装置。


背景技术：

2.随着经济的发展，人们的生活水平日益改善，固废的产生量随之巨增，其造成的污染问题日趋成为当今最严峻的挑战之一。生物质固废是其中的重要组成部分。对这些生物质固废以往主要采取填埋、焚烧、堆肥生物发酵等方法进行处理，其中堆肥生物发酵处理由于具有能耗低、占用资源少、产物可以作为有机肥等优点，已越来越成为固废处理的重要手段，利用微生物开展生物质固废的资源化处理，也已成为世界研究热点。固废的生物处理过程，是一个微生物利用氧气、对待处理物料中的有机物进行利用，合成自身生物体并释放二氧化碳的过程，会产生渗滤液、废气和水分等。在研究过程中，需及时了解这些物质的特性以及待处理物料特性的变化。开展固废生物处理研究，尤其是好氧生物处理，常常采用生物反应器的形式进行。由此，也设计了多种反应器的形式。然而，这些反应器的结构形式，存在一些缺点：(1)由于大多采用法兰结构形式，每次采样或观察发酵状态时，需要旋钮螺钉才能开启，费时费力，操作比较繁琐；(2) 流程设计考虑不够全面。如：a.没有对尾气中水分进行收集；b.没有对尾气中nh3或h2s等进行收集或去除；c.没有布气结构，供气不均匀，导致反应不完全；d.无气体循环利用装置，浪费氧气资源；e.需要经常看守调控，消耗大量人力物力；f.无法实现自动化记录分析实验基本数据。
3.现有研究装置的流程设计，有的仅仅设计渗滤液和物料等样品采集，有的仅仅对进、出口气体样品采集，有的没有设计尾气组分总量测量，如水分含量等，这样导致测试参数不全面，不能全面了解固废生物发酵过程特性。因此，为实现科学实验处理微生物固体废物，亟需一种具备可扩展性，有足够的灵活性，可实现自动监控的固废生物反应器及性能测试研究装置。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种固废生物反应器及性能测试研究装置，主要目的在于提供一种利用微生物对生物质固体废物进行降解处理，能全面了解固废生物发酵过程特性，可实现自动监控的固废生物反应器及性能测试研究装置。
5.为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
6.一方面，本发明的实施例提供一种固废生物反应器，其包括：
7.底座，其内设置有凹槽，所述凹槽内的上部安装有可外接氧气/空气供应装置的气路管路，所述凹槽内的下部安装可外接废液收集装置的水路管路；
8.多孔筛板，其安装固定在所述底座上并通过第一密封垫与所述底座密封连接；
9.反应器主体，其安装固定在所述多孔筛板上并通过第二密封垫与所述多孔筛板密封连接，所述反应器主体的侧面设置有至少3个采样口；
10.顶盖，其与所述反应器主体螺纹连接，所述顶盖上设置有气路接口、水路接口、温度计接口和第一密封圈，所述顶盖通过第一密封圈与所述反应器主体密封连接，所述顶盖为翻盖结构。
11.如前所述的，所述气路管路上安装有多孔布气管；
12.所述多孔布气管的孔径为5-20μm；
13.所述多孔布气管的材质为pe材质。
14.如前所述的，所述反应器主体为筒状结构；
15.所述反应器主体的体积范围为3-50l；
16.所述反应器主体的高和直径比例为1:0.618。
17.如前所述的，所述反应器主体侧面设置有3-6个采样口。
18.如前所述的，所述顶盖包括顶盖上盖和与所述反应器主体螺纹连接的顶盖下盖，所述气路接口、水路接口和温度计接口均设置在所述顶盖上盖上；所述顶盖上盖的一端通过旋转连接件与所述顶盖下盖的一端旋转连接使所述顶盖实现顶盖上盖和所述顶盖下盖的上下翻盖结构；所述顶盖上盖远离所述旋转连接件的一端设置有凸起，所述顶盖下盖远离所述旋转连接件的一端设置有弹簧挡片，当所述顶盖上盖盖在所述顶盖下盖上时，所述凸起与所述弹簧挡片卡合连接使所述顶盖上盖与所述顶盖下盖卡合连接。
19.如前所述的，所述旋转连接件包括转轴和与所述转轴连接并可在所述转轴上旋转的多个扭簧，所述多个扭簧分别与所述顶盖上盖和顶盖下盖连接。
20.如前所述的，所述顶盖下盖为环形结构，所述第一密封圈设置在所述顶盖下盖内的下部；
21.所述顶盖下盖的下部设置有内牙螺纹，所述内牙螺纹位于所述第一密封圈的下方，所述顶盖下盖通过内牙螺纹与所述反应器主体螺纹连接。
22.如前所述的，所述顶盖下盖内的上部镶嵌有第二密封圈，所述顶盖上盖与所述顶盖下盖卡合连接时，所述顶盖上盖通过第二密封圈与所述顶盖下盖密封连接，所述第二密封圈为发泡垫圈。
23.如前所述的，所述至少3个采样口处均安装有参数测量传感器。
24.另一方面，本发明实施例还提供一种固废生物反应器性能测试研究装置，其包括：
25.固废生物反应器，提供微生物对有机固废物料进行降解场所，并排出降解产生的废气、水汽、渗滤液和剩余氧气；
26.冷凝器，其与所述气路接口连接，所述冷凝器用于将所述水汽变成冷凝水进行收集和分析测试以及用于将所述废气和剩余氧气排出到气体采集与测量装置；
27.所述气体采集与测量装置，其与所述冷凝器连接，所述气体采集与测量装置用于对接收到的所述废气和剩余氧气浓度进行分析测试并将分析测试数据发送给过程控制装置，所述气体采集与测量装置还用于将分析测试后的废气和剩余氧气排送到碱洗装置；
28.所述碱洗装置，其与所述气体采集与测量装置连接，所述碱洗装置用于对接收到的所述废气中的co2和h2s进行吸收去除和总排放量的测定并将去除掉co2和h2s的废气和剩余氧气排送到酸洗装置；
29.所述酸洗装置，其与所述碱洗装置连接，所述酸洗装置用于对接收到的去除掉co2和h2s的废气中的nh3进行吸收去除和总排放量的测定以及用于将去除掉nh3的废气和剩余
氧气排送到电动阀；
30.电动阀，其包括第一端、与所述第一端择一连通的第二端和第三端，所述电动阀的第一端与所述酸洗装置连接，第二端与尾气收集装置连接，第三端与所述气路管路连接；所述过程控制装置用于根据接收到的所述剩余氧气浓度分析测试数据中剩余氧气浓度是否大于设定值控制所述电动阀切换选择第一端是与第二端连通还是与第三端连通；
31.氧分压测量和控制装置，其分别与所述酸洗装置和所述电动阀连接，所述氧分压测量和控制装置用于对处理后的尾气中氧气分压或氧气浓度进行测量；
32.氧气/空气供应装置，其与外部气源连接，所述氧气/空气供应装置用于向所述反应器主体内供应氧气；
33.气体质量流量控制器，其分别与所述气路管路和氧气/空气供应装置连接，所述气体质量流量控制器用于检测和控制气路管路进口处氧气浓度和氧气流量并将检测到的所述气路管路进口处氧气浓度和氧气流量数据发送到过程控制装置；
34.废液收集装置，其与所述水路管路连接，所述废液收集装置用于收集所述渗滤液；
35.所述过程控制装置，其分别与所述至少3个采样口、气体采集与测量装置、电动阀、氧分压测量和控制装置、氧气/空气供应装置和气体质量流量控制器连接，所述过程控制装置用于对所述气体采集与测量装置、电动阀、氧分压测量和控制装置、氧气/空气供应装置和气体质量流量控制器进行工作控制以及用于将接收到所述废气和剩余氧气浓度分析测试数据和所述气路管路进口处氧气浓度和氧气流量数据发送给数据采集及分析装置；所述过程控制装置还用于对至少3个采样口采样的数据进行检测分析并将采样检测分析数据发送给数据采集及分析装置；
36.所述数据采集及分析装置，其与所述过程控制装置连接，所述数据采集及分析装置用于对接收到的所述废气和剩余氧气浓度分析测试数据、所述气路管路进口处氧气浓度和氧气流量数据、所述采样检测分析数据进行分析。
37.借由上述技术方案，本发明的固废生物反应器及性能测试研究装置至少具有下列优点：
38.1.本发明的固废生物反应器及性能测试研究装置通过设置反应器主体的侧面设置有至少3个采样口，可用于采样不同位置样品，检测不同位置物料的温度、含水量、电导率、ph等参数指标，可以及时动态掌握固废物料发酵状态以及相关参数的变化特征；
39.2、本发明的固废生物反应器及性能测试研究装置通过设置顶盖通过第一密封圈与反应器主体密封连接，顶盖为翻盖结构，可以非常简便打开反应器顶盖，进行采样或观察发酵状态，具有操作简单的优点；
40.3、本发明的固废生物反应器性能测试研究装置通过设置固废生物反应器、冷凝器、气体采集与测量装置、碱洗装置、酸洗装置、电动阀、尾气收集装置、氧气/空气供应装置、气体质量流量控制器、废液收集装置、过程控制装置和数据采集及分析装置可以实现有机固废物料的生物降解以及对生物降解产生的废气、水汽、渗滤液进行收集、监控、分析、测量，还可以实现对废气中的h2s、co2、nox、nh3等气体的吸收去除和剩余氧气的检测分析和循环利用，并且通过动态检测固废物料特性、出口气体特性、渗滤液特性等参数，掌握固废物料发酵特性，并通过调节氧气供应量，发酵环境温度等，实现物料被高效降解处理。
41.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，
并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
42.图1是本发明固废生物反应器结构示意图；
43.图2是本发明固废生物反应器底座结构示意图；
44.图3是本发明固废生物反应器顶盖结构示意图；
45.图4是本发明固废生物反应器性能测试研究装置结构示意图。
具体实施方式
46.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
47.如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种固废生物反应器，其包括：底座10、多孔筛板20、反应器主体30和顶盖40。
48.如图1至图3所示，所述底座10，其内设置有凹槽1001，便于收集固废物料发酵过程中产生的渗滤液；所述凹槽1001内的上部安装有可外接氧气/空气供应装置50的气路管路1002，用于外部氧气或空气进入反应器主体30；所述凹槽1001内的下部安装有可外接废液收集装置60的水路管路 1003，用于将凹槽1001内的渗滤液的排放；所述气路管路1002上安装有多孔布气管10021，在本发明中，多孔布气管10021的孔径为5-20μm，多孔布气管的材质采用pe材质，便于气体进入所述固废生物反应器后均匀分散后，再进入物料，确保物料每个部位的微生物获得氧气，进而提高发酵效率。所述多孔筛板20，其安装固定在所述底座10上并通过第一密封垫 70与所述底座10密封连接。所述反应器主体30，其安装固定在所述多孔筛板20上并通过第二密封垫80与所述多孔筛板20密封连接，所述反应器主体30的侧面设置有至少3个采样口3001，所述反应器主体30是用来装填有机固废物料和微生物菌剂的，是微生物进行固废物料生物降解的场所，在本发明中，所述反应器主体30为筒状结构，反应器主体30的体积范围为3-50l，反应器主体30的高和直径比例为1:0.618，反应器主体30侧面设置有3-6个采样口3001，即可用于采样不同位置样品，也可用于安装参数测量传感器，主要检测不同位置物料的温度、含水量、电导率、ph等参数指标，可以及时动态掌握物料发酵状态以及相关参数的变化特征。所述顶盖40，其与所述反应器主体30螺纹连接，所述顶盖40上设置有气路接口4001、水路接口4002、温度计接口4003和第一密封圈4004，所述顶盖 40通过第一密封圈4004与所述反应器主体30密封连接，所述顶盖40为翻盖结构。所述顶盖40包括顶盖上盖4005和与所述反应器主体30螺纹连接的顶盖下盖4006，所述气路接口4001、所述水路接口4002和温度计接口 4003均设置在所述顶盖上盖4005上；所述顶盖上盖4005的一端通过旋转连接件4007与所述顶盖下盖4006的一端旋转连接使所述顶盖40实现顶盖上盖4005和所述顶盖下盖4006的上下翻盖结构；所述顶盖上盖4005远离所述旋转连接件4007的一端设置有凸起40051，所述顶盖下盖4006远离所述旋转连接件4007的一端设置有弹簧挡片40061，当所述顶盖上盖4005盖在所述顶盖下盖4006上时，所述凸起40051与所述弹簧挡片40061卡合连接使所述顶盖上盖4005与所述顶盖下盖4006卡合连接。所述旋转连接件 4007包括转轴40071和与所述转轴40071连接并可在所述转轴40071上旋转的多个扭簧
40072，所述多个扭簧40072分别与所述顶盖上盖4005和顶盖下盖4006连接，在本发明中转轴40071为不锈钢转轴。所述顶盖下盖4006 为环形结构，所述第一密封圈4004设置在所述顶盖下盖4006内的下部，所述顶盖下盖4006的下部设置有内牙螺纹40062，所述内牙螺纹40062位于所述第一密封圈4004的下方，所述顶盖下盖4006通过内牙螺纹40062 与所述反应器主体30螺纹连接。所述顶盖下盖4006内的上部镶嵌有第二密封圈40063，所述顶盖上盖4005与所述顶盖下盖4006卡合连接时，所述顶盖上盖4005通过第二密封圈40063与所述顶盖下盖4006密封连接，在本发明中，第二密封圈40063为发泡垫圈。在本发明中，顶盖上盖4005和顶盖下盖4006间，通过不锈钢转轴40071和扭簧40072连接，顶盖下盖4006 上镶嵌有发泡垫圈，顶盖上盖4005盖上后，通过顶盖下盖4006上的弹性档片40061压紧顶盖上盖4005，使顶盖上盖4005和顶盖下盖4006卡合连接，进而实现顶盖上盖4005和顶盖下盖4006间的密封连接。再通过顶盖下盖4006的内的内牙螺纹40062，以及第一密封圈4004，实现顶盖40和反应器主体30间的密封连接，本发明采用此种结构，可以非常简便打开反应器顶盖，进行采样或观察发酵状态，具有操作简单的优点。在本发明中，底座10、多孔筛板20、反应器主体30、顶盖40可以采用有机玻璃、塑料等材质制成，底座10、多孔筛板20和反应器主体30之间通过螺钉连接并固定，三者之间分别通过第一密封垫、第二密封垫密封连接，确保相互间密封可靠。顶盖40和反应器主体30通过螺纹旋紧联结，两者之间通过第一密封圈密封连接，确保相互间的气密性。
49.本发明的固废生物反应器及性能测试研究装置通过设置反应器主体的侧面设置有至少3个采样口，可用于采样不同位置样品，检测不同位置物料的温度、含水量、电导率、ph等参数指标，可以及时动态掌握固废物料发酵状态以及相关参数的变化特征；本发明的固废生物反应器及性能测试研究装置通过设置顶盖通过第一密封圈与反应器主体密封连接，顶盖为翻盖结构，可以非常简便打开反应器顶盖，进行采样或观察发酵状态，具有操作简单的优点。
50.如图4所示，本发明实施例还提供一种固废生物反应器性能测试研究装置，其包括：固废生物反应器、冷凝器90、气体采集与测量装置100、碱洗装置101、酸洗装置102、电动阀103、尾气收集装置104、氧分压测量和控制装置105、氧气/空气供应装置50、气体质量流量控制器106、废液收集装置60、过程控制装置107和数据采集及分析装置108。
51.所述固废生物反应器，其用于对有机固废物料进行降解并排出降解产生的废气、水汽、渗滤液和剩余氧气。所述冷凝器90，其与所述气路接口 4001连接，所述冷凝器90用于将所述水汽变成冷凝水进行收集和分析测试以及用于将所述废气和剩余氧气排出到气体采集与测量装置100，在本发明中，冷凝器90可以实现有机固废物料生物降解过程中水分的回收，掌握有机固废物料发酵过程中的产水特性。所述气体采集与测量装置100，其与所述冷凝器90连接，所述气体采集与测量装置100用于对接收到的所述废气和剩余氧气浓度进行分析测试并将分析测试数据发送给过程控制装置107，所述气体采集与测量装置100还用于将分析测试后的废气和剩余氧气排送到碱洗装置101；具体工作时，气体采集与测量装置100可以实现在线监测有机固废物料生物降解过程中产生的废气气体含量，主要包括co2、co、ch4、 nox、tvoc、h2s、nh3等气体；气体采集与测量装置100还可以通过实时检测固废生物反应器气路接口4001的氧气浓度，实现氧气的再利用，节省氧气资源。所述碱洗装置101，其与所述气体采集与测量装置100连接，所述碱洗装置101用于对接收到的所述废气中的
co2和h2s进行吸收去除和总排放量的测定并将去除掉co2和h2s的废气和剩余氧气排送到酸洗装置102，碱洗装置101的设置实现废气中的h2s、co2气体的吸收去除，并通过进一步的分析测试，获得发酵过程中相关气体的产量。所述酸洗装置102，其与所述碱洗装置101连接，所述酸洗装置102用于对接收到的去除掉co2和h2s 的废气中的nh3进行吸收去除和总排放量的测定以及用于将去除掉nh3的废气和剩余氧气排送到电动阀；酸洗装置102的设置实现废气中的nox、nh3等气体的吸收去除，并通过进一步的分析测试，获得发酵过程中相关气体的产量。所述电动阀103，其包括第一端、与所述第一端择一连通的第二端和第三端，第一端与所述酸洗装置102连接，第二端与尾气收集装置104 连接，第三端与所述气路管路1002连接；所述过程控制装置107用于根据接收到的所述剩余氧气浓度分析测试数据中剩余氧气浓度是否大于设定值控制所述电动阀切换选择第一端是与第二端连通还是与第三端连通，在本发明中，电动阀103采用电动三通阀。所述氧分压测量和控制装置105，其分别与所述酸洗装置102和所述电动阀103连接，所述氧分压测量和控制装置105用于对处理后的尾气中氧气分压或氧气浓度进行测量。
52.所述氧气/空气供应装置50，其与外部气源109连接，所述氧气/空气供应装置50用于向所述反应器主体30内供应氧气。当氧气分压高于设定设定值时，电动阀103的第三端尾气排放阀门关闭，尾气进入固废反应器进气口，并关闭外部气源的气泵，氧气循环使用；当氧气分压低于设定设定值时，电动阀103的第三端尾气排放阀门打开，尾气排放进入尾气收集装置，此时，外部气源气泵打开，外部气源的气体进入到固废反应器进气口，在本发明中，当尾气中的氧气浓度大于18％时，排出的气体通过电动三通阀，进入反应器主体，在此利用，可以节省氧气；此时，外部气源进气关闭。当氧气浓度小于18％时，排出的气体直接排放进入尾气收集装置。
53.所述气体质量流量控制器106，其分别与所述气路管路1002和氧气/ 空气供应装置50连接，所述气体质量流量控制器106用于检测和控制气路管路1002进口处氧气浓度和氧气流量并将检测到的所述气路管路进口处氧气浓度和氧气流量数据发送到过程控制装置；具体工作时，氧气/空气供应装置50通过气路管路1002上的多孔供气管和多孔筛板20，实现氧气均匀供应给固废物料，确保微生物高效处理固废物料，在本发明中，氧气/空气供应装置50可以采用气泵，还可以采用高压气瓶。气体质量流量控制器106 通过检测气路管路1002进口处的氧气浓度、氧气流量等指标，便于掌握固废物料发酵过程中的氧气消耗量，了解固废物料发酵特征。所述废液收集装置60，其与所述水路管路1003连接，所述废液收集装置60用于收集所述渗滤液；具体工作时，有机固废物料在生物降解过程中产生的渗滤液通过多孔筛板20，进入凹槽1001中再从水路管路1003流出进入到废液收集装置60中收集，废液收集装置60的设置方便收集渗滤液，及时掌握渗滤液特性。所述过程控制装置107，其分别与所述至少3个采样口3001、气体采集与测量装置100、电动阀103、氧分压测量和控制装置105、氧气/ 空气供应装置50和气体质量流量控制器106连接，所述过程控制装置107 用于对所述气体采集与测量装置100、电动阀103、氧分压测量和控制装置 105、氧气/空气供应装置50和气体质量流量控制器106进行工作控制以及用于将接收到所述废气和剩余氧气浓度分析测试数据和所述气路管路进口处氧气浓度和氧气流量数据发送给数据采集及分析装置；所述过程控制装置107还用于对至少3个采样口采样的数据进行检测分析并将采样检测分析数据发送给数据采集及分析装置108；
54.所述数据采集及分析装置108，其与所述过程控制装置107连接，所述数据采集及分析装置10用于对接收到的所述废气和剩余氧气浓度分析测试数据、所述气路管路进口处氧气浓度和氧气流量数据、所述采样检测分析数据进行分析。
55.本发明的固废生物反应器性能测试研究装置主要工作模式为：将适量的待处理有机固废物料和微生物功能菌剂，混合均匀后装入到反应器主体内，盖上顶盖，外部氧气或空气通过气泵或高压气瓶、气体质量流量控制器、气路管路、多孔筛板，均匀进入到待处理有机固废物料内，其中氧气，在微生物功能菌剂的作用下，和待处理固废物料发生生化反应，实现有机物的降解。降解产生的废气和水汽，经顶盖气路接口排出反应器主体。水气混合气体经冷凝器后，其中的水汽变成冷凝水进行收集后，计量分析测试，废气从冷凝器中排出，进入气体采集与测量装置，气体采集与测量装置分析废气中co2、co、ch4、nox、tvoc、h2s、nh3等废气以及剩余o2含量。经碱洗和酸洗后，剩余的气体排出。通过碱洗模块，进行co2、h2s的收集和总排放量的测定。通过酸洗模块，进行nh3的收集和总排放量测定；当尾气中的氧气浓度大于18％时，排出的气体通过电动三通阀，进入反应器主体，在此利用，可以节省氧气；此时，外部气体进气关闭。当氧气浓度小于18％时，排出的气体直接排出到尾气收集装置。有机固废物料生物降解过程中产生的渗滤液在重力的作用下，从多孔筛板，进入底座凹槽内再从水路管路流出进入到废液收集装置60中收集计量，并开展组分分析。反应器主体在不同的高度位置安装有物料主要特性检测口的采样口，通过安装参数测量传感器，根据现有传感器可检测物料温度、电导率、水分含量、ph等参数，及时动态掌握物料发酵状态以及相关参数的变化特征。通过过程控制模块和数据采集与分析模块，实现气体流向改变以及相关参数的测量控制。
56.本发明固废生物反应器及性能测试研究装置对不可食生物量、餐厨垃圾和乘员粪便等生物可降解固体废物进行处置的微生物固体废物处理系统，开展微生物处理废物技术方法和优化工艺参数，为进行科学实验提供装置保障条件。
57.本发明的固废生物反应器及性能测试研究装置通过设置固废生物反应器、冷凝器、气体采集与测量装置、碱洗装置、酸洗装置、电动阀、尾气收集装置、氧气/空气供应装置、气体质量流量控制器、废液收集装置、过程控制装置和数据采集及分析装置可以实现有机固废物料的生物降解以及对生物降解产生的废气、水汽、渗滤液进行收集、监控、分析、测量，还可以实现对废气中的h2s、co2、nox、nh3等气体的吸收去除和剩余氧气的检测分析和循环利用，并且通过动态检测固废物料特性、出口气体特性、渗滤液特性等参数，掌握固废物料发酵特性，并通过调节氧气供应量，发酵环境温度等，实现物料被高效降解处理。
58.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。