本發(fā)明涉及一種厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器，具體涉及一種生物膜固定床厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

生物質(zhì)厭氧發(fā)酵這一技術(shù)既可充分利用各種有機(jī)廢棄物，減少垃圾排放和污染，減排溫室氣體；生產(chǎn)的沼氣又可用于發(fā)電，或凈化提純后作為天然氣使用；發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣沼液還田，有利于改善土壤，生產(chǎn)綠色有機(jī)食品。

生物質(zhì)的厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的微生物作用過(guò)程，可分為四個(gè)階段：水解、酸化、乙酸化以及甲烷化。在水解階段，復(fù)雜大分子由纖維素酶、蛋白酶和脂肪酶等催化，生成可溶于水的糖類、氨基酸和長(zhǎng)鏈脂肪酸等。這些溶解性有機(jī)物接著被產(chǎn)酸菌轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的產(chǎn)物，并伴隨二氧化碳和氫氣的生成。在產(chǎn)乙酸階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌利用揮發(fā)性脂肪酸和醇類等小分子碳源，生成二氧化碳、氫氣和乙酸等。產(chǎn)甲烷階段是產(chǎn)甲烷菌將氫氣、二氧化碳、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等，轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。

厭氧發(fā)酵中的產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷微生物具有不同的營(yíng)養(yǎng)需求，將參與水解酸化與參與甲烷化的微生物群落進(jìn)行反應(yīng)分離，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)兩相處理的工藝，即為兩相厭氧發(fā)酵。兩相厭氧發(fā)酵雖然操作費(fèi)用更高，設(shè)備更復(fù)雜，但是相對(duì)于傳統(tǒng)單相厭氧發(fā)酵，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)兩相分離使不同階段的微生物分工更加明確，提高底物水解酸化反應(yīng)效率，同時(shí)，產(chǎn)酸相預(yù)處理過(guò)程還降低了硫酸根、重金屬等對(duì)微生物有抑制作用的物質(zhì)，而降解過(guò)的底物進(jìn)入產(chǎn)甲烷相時(shí)，產(chǎn)甲烷過(guò)程速率更快；(2)對(duì)產(chǎn)甲烷相的有機(jī)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)可控性，在出現(xiàn)酸累積現(xiàn)象時(shí)，易于進(jìn)行調(diào)整和恢復(fù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗沖擊能力。

由于產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)率低，且易受干擾，所以產(chǎn)甲烷相是兩相厭氧發(fā)酵中的薄弱和敏感環(huán)節(jié)，需選用適用且高效的反應(yīng)器。然而，現(xiàn)有的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器主要為全混式反應(yīng)器，微生物為游離狀態(tài)，在出料時(shí)會(huì)有大量微生物隨沼液流出，影響產(chǎn)甲烷相的效率。有的反應(yīng)器雖然使用了固定床用于固定微生物，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易堵塞，增加了成本，運(yùn)行效率卻未見(jiàn)提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種生物膜固定床厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器，該反應(yīng)器將微生物固定于反應(yīng)器內(nèi)的填料上，在反應(yīng)器內(nèi)部不設(shè)動(dòng)力攪拌，通過(guò)進(jìn)出料系統(tǒng)和沼液循環(huán)系統(tǒng)使待處理酸液與微生物充分接觸，達(dá)到高效產(chǎn)甲烷的目的。

本發(fā)明提供的一種厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器，它包括反應(yīng)器主體；所述反應(yīng)器主體內(nèi)部設(shè)有生物膜固定床；所述生物膜固定床由填料構(gòu)成，所述填料為親水性多孔材料；在所述生物膜固定床中的產(chǎn)甲烷微生物的作用下，待處理酸液在厭氧條件下經(jīng)甲烷化生成甲烷。所述待處理酸液可為兩相厭氧發(fā)酵中的待處理酸液。所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器可為兩相厭氧發(fā)酵中的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器。

上述的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器中，所述親水性多孔材料均勻排布于反應(yīng)器內(nèi)，形成易生長(zhǎng)微生物的生物膜固定床。

所述親水性多孔材料可為親水性多孔聚合物材料，如親水性多孔聚氨酯材料，它呈海綿狀，具有相互貫通的氣孔。

所述親水性多孔材料的比表面積可>10m²/g(如23.3m²/g)，孔徑可為1～10mm(如2mm)。

上述的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器中，所述生物膜固定床位于所述反應(yīng)器主體的中部；所述反應(yīng)器主體的上部設(shè)有待處理酸液進(jìn)料口和沼氣收集口；所述反應(yīng)主體的下部設(shè)有沼液排出口。所述待處理酸液進(jìn)料口、所述沼氣收集口和所述沼液排出口構(gòu)成進(jìn)出料系統(tǒng)。

上述的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器中，所述反應(yīng)器主體上部設(shè)有沼液循環(huán)口Ⅰ，反應(yīng)器主體下部設(shè)有沼液循環(huán)口Ⅱ，通過(guò)沼液循環(huán)泵將所述反應(yīng)器主體上部產(chǎn)生的沼液送入所述反應(yīng)器主體下部。所述沼液循環(huán)口Ⅰ、所述沼液循環(huán)泵和所述沼液循環(huán)口Ⅱ構(gòu)成沼液循環(huán)系統(tǒng)，可為反應(yīng)器增加擾動(dòng)，使產(chǎn)甲烷微生物和待處理酸液充分接觸，同時(shí)起到對(duì)反應(yīng)器下部空間進(jìn)行沖洗的作用，避免出料口堵塞。無(wú)需一般厭氧裝置所需的動(dòng)力攪拌系統(tǒng)。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種利用上述的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器對(duì)待處理酸液進(jìn)行甲烷化的方法。所述待處理酸液可為兩相厭氧發(fā)酵中的待處理酸液。所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器可為兩相厭氧發(fā)酵中的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器。

本發(fā)明還提供了親水性多孔材料在下述1)-4)中至少一項(xiàng)中的應(yīng)用：

1)固定產(chǎn)甲烷微生物；

2)作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器的生物膜固定床；

3)提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器中的產(chǎn)甲烷微生物的活性；

4)提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器所產(chǎn)生的沼氣中的甲烷含量。

上述的應(yīng)用中，所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器可為兩相厭氧發(fā)酵中的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器。

上述的應(yīng)用中，所述親水性多孔材料適宜產(chǎn)甲烷微生物附著，可為親水性多孔聚合物材料，如親水性多孔聚氨酯材料，它呈海綿狀，具有相互貫通的氣孔。

本發(fā)明具有如下有益效果：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器能夠有效固定生物膜，產(chǎn)甲烷效率高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，簡(jiǎn)單實(shí)用，減少了一般厭氧裝置所需的動(dòng)力攪拌系統(tǒng)，極大的降低了成本，且運(yùn)行穩(wěn)定，具有很大的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明生物膜固定床厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中各標(biāo)記如下：

1反應(yīng)器主體、2生物膜固定床、3酸液進(jìn)料口、4待處理酸液、5酸液進(jìn)料泵、6沼液排出口、7沼氣收集口、8沼氣收集罐、9沼液循環(huán)泵、10沼液循環(huán)口Ⅰ、11沼液循環(huán)口Ⅱ。

圖2為利用本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器降解葡萄糖并培養(yǎng)生物膜實(shí)驗(yàn)中每天的產(chǎn)氣量和甲烷含量。

圖3為利用本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器處理酸液實(shí)驗(yàn)中每天的產(chǎn)氣量、甲烷含量和水力停留時(shí)間(HRT)。

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。

下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。

下述實(shí)施例中親水性多孔聚氨酯材料均購(gòu)自南通大工海綿有限公司，填料性質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1、親水性聚氨酯的性質(zhì)

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于下述實(shí)施例。

實(shí)施例1、厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器

如圖1所示，本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器包括圓柱形反應(yīng)器主體1，反應(yīng)器主體1的中部設(shè)有生物膜固定床2(反應(yīng)器主體內(nèi)部上下各有少量空間)。生物膜固定床2為用于生長(zhǎng)生物膜的填料，該填料為親水性的、適宜微生物附著的多孔材料，均勻的被固定于反應(yīng)器主體2內(nèi)。具體地，該填料可使用親水性聚氨酯，呈海綿狀，具有相互貫通的氣孔。

反應(yīng)器主體1的上部設(shè)有酸液進(jìn)料口3和沼氣收集口7，下部設(shè)有沼液排出口6，來(lái)自產(chǎn)酸相裝置的待處理酸液4可根據(jù)反應(yīng)器主體1的工藝需求調(diào)節(jié)pH等條件后采用酸液進(jìn)料泵5通過(guò)酸液進(jìn)料口3進(jìn)入反應(yīng)器主體的上部，在親水性聚氨酯固定的生物膜中產(chǎn)甲烷微生物的作用下，待處理酸液在厭氧條件下經(jīng)甲烷化產(chǎn)生沼氣，所產(chǎn)生的沼氣通過(guò)沼氣收集口7被收集至沼氣收集罐8中，沼液通過(guò)沼液排出口6排出。酸液進(jìn)料口3、沼氣收集口7和沼液排出口6構(gòu)成進(jìn)出料系統(tǒng)。

反應(yīng)器主體1的上部還設(shè)有沼液循環(huán)口Ⅰ10，下部還設(shè)有沼液循環(huán)口Ⅱ11，通過(guò)沼液循環(huán)泵9將反應(yīng)器主體1上部產(chǎn)生的沼液吸出再打入反應(yīng)器主體1下部。沼液循環(huán)口Ⅰ10、沼液循環(huán)泵9和沼液循環(huán)口Ⅱ11構(gòu)成沼液循環(huán)系統(tǒng)，該沼液循環(huán)系統(tǒng)為反應(yīng)器增加擾動(dòng)，使產(chǎn)甲烷微生物和待處理酸液充分接觸，同時(shí)起到對(duì)反應(yīng)器下部空間進(jìn)行沖洗的作用，避免出料口堵塞。

下面通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器的使用效果。

實(shí)驗(yàn)1：利用本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器降解葡萄糖并培養(yǎng)生物膜。

反應(yīng)器啟動(dòng)階段，將10L玉米秸稈單相濕發(fā)酵的沼液倒入反應(yīng)器內(nèi)，從反應(yīng)器下部充入氮?dú)馀懦磻?yīng)器內(nèi)的空氣，形成厭氧環(huán)境。反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，每天的沼液循環(huán)量為10L，通過(guò)循環(huán)沼液加入葡萄糖(0.3g/Ld)，進(jìn)行生物膜的培養(yǎng)。

從圖2可以看出，每天產(chǎn)生的沼氣量比較穩(wěn)定，甲烷含量第一天就達(dá)到了40％，且逐漸增加至60％左右，說(shuō)明在此反應(yīng)器中的微生物活性較好，且能迅速達(dá)到穩(wěn)定，產(chǎn)甲烷濃度高。

實(shí)驗(yàn)2：利用本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器處理酸液。

將來(lái)自于厭氧發(fā)酵中的產(chǎn)酸相的待處理酸液通入實(shí)驗(yàn)1中固定有生物膜的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器中，在親水性聚氨酯中固定的生物膜中產(chǎn)甲烷微生物的作用下，待處理酸液在厭氧條件下經(jīng)甲烷化生成沼氣。

從圖3可以看出，在周期為60天的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，沼氣中的甲烷含量隨著反應(yīng)周期的延長(zhǎng)而呈上升趨勢(shì)，由60％上升到80％左右，證明甲烷化活性極高。以進(jìn)料單位質(zhì)量揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)的產(chǎn)沼氣量評(píng)估產(chǎn)氣情況，結(jié)果表明沼氣產(chǎn)量能夠穩(wěn)定的保持較高的水平。證明本發(fā)明反應(yīng)器能夠有效固定生物膜，使產(chǎn)甲烷菌有較好的活性，從而顯著提高沼氣中的甲烷含量。

對(duì)比例、采用全混式厭氧發(fā)酵罐處理酸液

將實(shí)驗(yàn)2中所用的同一批待處理酸液通入全混式厭氧發(fā)酵罐中(產(chǎn)甲烷微生物以游離狀態(tài)存在)，HRT為10天，在60天的運(yùn)行時(shí)間里，所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量約為55％～60％，也以進(jìn)料單位質(zhì)量VFA的產(chǎn)沼氣量評(píng)估產(chǎn)氣情況，平均為0.33L/g VFA。與實(shí)驗(yàn)2對(duì)比可以看出，本發(fā)明提供的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器與全混式反應(yīng)器相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)，有利于VFA的充分轉(zhuǎn)化，能夠提高產(chǎn)氣水平和沼氣中的甲烷含量。