一种生物膜反应器及其沼气提纯方法

技术领域

本发明涉及生物提纯技术领域，特别是一种应用新型的生物膜反应器及其沼气提纯的方法。

背景技术

可再生能源是未来各个国家的重要发展方向，其中风能和太阳能是两种目前应用最为广泛的可再生能源。但是由于其具有波动性和不稳定性的特点，这两种能源产生的电能可能存在大量浪费的现象。为了避免这种现象发生，最大限度地利用可再生能源，因此需要一种适宜的电能储存技术。而电池、抽水蓄能及压缩空气储能等技术都存在规模上的限制，不能进行大规模地电能储存。近年来，有研究学者提出一个新的储能思路，利用过剩的电能将水电解为氢气和氧气，再将氢气和二氧化碳反应生成甲烷。该过程实际上是利用电能来人工合成天然气，从而利用现有的天然气基础设施进行储能。但由于该技术需要大量的二氧化碳，而传统化工厂的二氧化碳供应存在一定的波动性，工业排放的二氧化碳收集成本比较高，这严重限制了电转气技术的发展和应用。沼气也是一种应用较为广泛的可再生能源，虽然其分布较为分散，但其分布区域与风能和太阳能的区域较为接近。并且沼气中含有大量的二氧化碳，因此，开展基于沼气工程的电转气技术研究，对实现我国风能和太阳能资源的高效利用具有非常重要的意义，同时可加深沼气工程、可再生电能和天然气基础设施之间的联系，具有巨大的实际应用价值。

沼气中50％-70％的甲烷和30％-50％的二氧化碳限制了沼气的应用范围。甲烷含量提高到95％以上，就可以直接用作车辆燃料或者注入天然气管网。近年来生物沼气方法由于其提纯效率高、反应条件温和、环境友好等优势受到越来越多研究者的关注。生物提纯方法中最主要是氢营养型产甲烷微生物的作用，氢营养产甲烷菌作为生物催化系统，其中使用H

发明内容

本发明的目的是提供了一种生物膜反应器及其沼气提纯方法，利用水的粘附性，可以使能量转换损失最小化，在减少生物膜反应器中的液体体积的同时增加气体的停留时间，可以获得较高的生物甲烷化转化率，甲烷含量最大能达到95％以上。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种生物膜反应器，包括储液罐和反应器主体，所述的反应器主体为螺旋管，反应器主体可设置为多个，螺旋管分为蛇形管道和盘旋管道，目的是为了节省占用空间，在所述反应器主体的内部设置有可附着生物膜的滤材，反应器主体的一端为进液口，所述的进液口与储液罐的底部连通，进液口与反应器主体之间设置有蠕动泵，通过蠕动泵控制沼液的循环速度和补液速度及补液量，反应器主体的另一端与储液罐的顶部连通，所述的反应器主体还与进气口连通，所述的进气口的后端通过蠕动泵与气袋连接，蠕动泵控制气体的通入速度，可采用一个蠕动泵与一个气袋连接，所述的储液罐的顶端还设置有集气口和补液口，所述的储液罐的底部还设置有液体取样口。

进一步的，所述的反应器主体为透明柔性的PVC管；

进一步的，所述的滤材为附着有生物膜的陶粒，所述陶粒填满反应器主体的内部，优选的，所述的陶粒的直径为4-8mm；

进一步的，所述的反应器主体的长度与内径的比为7:0.013；

进一步的，所述的反应器主体的内径为13mm、反应器主体的长度为7m。

一种应用上述生物膜反应器的沼气提纯方法，包括以下步骤：

S1.将厌氧消化的污泥采用20～50目的筛子过滤，将过滤后的滤液与营养液按体积1:1混合成沼液作为生物膜反应器的工作液体，所述的厌氧消化的污泥内含有产甲烷菌群；

S2.使生物膜反应器保持稳定的36°～38°的中温条件，实现上述的方法为将生物膜反应器放入恒温箱中；

S3.沼液中的微生物需要一定时间的生长以及附着在陶粒表面，在生物膜附着阶段，将沼液倒入储液罐内，使沼液在生物膜反应器的反应器主体内循环，目的是使得沼液中的产甲烷菌群大量附着固定在陶粒表面形成生物膜，并通过生物膜反应器的进气口向反应器主体内连续通入H

S4.在生物膜反应器到达初步稳定状态后，停止沼液循环，进入稳定生产阶段，继续通过生物膜反应器的进气口向反应器主体内连续通入H

进一步的，在S3中，向反应器主体内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，优选的，该速率为8ml/min，沼液在生物膜反应器的反应器主体内循环的速率为8ml～12ml/min，优选的，该速率为10ml/min；

在S4中，向反应器主体内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，优选的，该速率为8ml/min，向储液罐加入的沼液的量为80-120ml，优选的，向反应器主体补入的沼液的量为100ml，补入的次数为1次/1-3天，优选的，补入的次数为1次/2天，补入的速率为8ml～12ml/min，优选的，补入速率为10ml/min。

优选的，在S1中，筛子的目数为30目，在S2中中温条件的温度为37°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用了一种新型生物膜反应器进行沼气提纯，相较于其他反应器设备简单，节约空间、成本和能源，本发明通过限定一定长径比的反应器主体，利用水的粘附性，可以使反应器主体的能量转换损失最小化，最小限度地减少用于生物膜营养补充的液体介质体积，因为反应器直径够小，并且内部填满了陶粒载体，所以一旦液体加入，利用水的粘附性就可以顺利到达反应器的全部空间，在减少生物膜反应器中的液体体积的同时增加气体的停留时间，并在限定条件下根据沼气提纯的方法，可以获得较高的生物甲烷化转化率，采用长度7m，直径13mm的反应器主体时，都能达到高于95％以上的甲烷转化率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明反应器整体结构图，

图2为本发明中采用长度7m直径13mm的反应器主体及接种物一的甲烷含量随时间变化曲线图，

图3为本发明中采用长度7m直径13mm的反应器主体及接种物二的甲烷含量随时间变化曲线图，

图4为本发明中采用长度3m直径13mm的反应器主体及接种物一的甲烷含量随时间变化曲线图，

图5为本发明中采用长度3m直径13mm的反应器主体及接种物二的甲烷含量随时间变化曲线图。

图中：1、进气口，2、进液口，3、反应器主体，4、集气口，5、补液口，6、液体取样口，7、储液罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种生物膜反应器，包括储液罐7和反应器主体3，所述的反应器主体3为螺旋管，在所述反应器主体3的内部设置有附着生物膜的滤材，反应器主体3的一端为进液口2，所述的进液口2与储液罐7的底部连通，反应器主体3的另一端与储液罐7的顶部连通，所述的反应器主体3还与进气口1连通，所述的储液罐7的顶端还设置有集气口4和补液口5，所述的储液罐7的底部还设置有液体取样口6，液体取样口6用于检测工作液体的指标。

本实施例中反应器主体3为透明柔性的PVC管；滤材为附着有生物膜的陶粒；反应器主体3的长度与内径的比为7:0.013；优选的，所述的反应器主体3的内径为13mm、反应器主体3的长度为7m。

采用上述生物膜反应器的一种沼气提纯的方法，包括以下步骤，S1.将厌氧消化的污泥采用20～50目的筛子过滤，将过滤后的滤液与营养液按体积1:1混合成沼液作为生物膜反应器的工作液体；所述的厌氧消化的污泥内含有产甲烷菌群，所述的产甲烷菌群主要包括甲烷杆菌属和甲烷鬃菌属，甲烷杆菌属和甲烷鬃菌属的相对丰度分别为厌氧消化的污泥中总微生物的13％～30％和5％～20％。

S2.使生物膜反应器保持稳定的36°～38°的中温条件，实现上述的方法为将生物膜反应器放入恒温箱中；

S3.沼液中的微生物需要一定时间的生长以及附着在陶粒表面，在生物膜附着阶段，将沼液倒入储液罐7内，使沼液在生物膜反应器的反应器主体3内循环，目的是使得沼液中为微生物大量附着固定在陶粒表面，并通过生物膜反应器的进气口1向反应器主体3内连续通入H

S4.在生物膜反应器到达初步稳定状态后，停止沼液循环，进入稳定生产阶段，继续通过生物膜反应器的进气口1向反应器主体3内连续通入H

进一步的，在S3中，向反应器主体3内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，沼液在生物膜反应器的反应器主体3内循环的速率为8ml～12ml/min，

在S4中，向反应器主体3内连续通入混合气体的速率为6ml～10ml/min，优选的，该速率为8ml/min，向储液罐7加入的沼液的量为80-120ml，优选的，向储液罐7加入的沼液的量为100ml，加入的次数为1次/1-3天，优选的，加入的次数为1次/2天，加入的速率为8ml～12ml/min，优选的，该速率为10ml/min。

实施例1

采用长度7m、直径13mm的反应器主体3，采用接种物一，该接种物一来自实验室规模的中温连续搅拌罐式反应器(CSTR)，主要产甲烷菌是甲烷杆菌属和甲烷鬃菌属，相对丰度分别为总微生物的18％和8％，属于含产甲烷菌群较多的厌氧消化的污泥。

由于厌氧消化的污泥存在产甲烷菌群分为多个阶段，且其中存在的产甲烷菌群的含量也不同，因此会影响后续生物膜附着阶段和稳定生产阶段的时间的不同。

如实施例1所述：接种物一的厌氧消化的污泥在使用之前，用30目筛子过滤，滤液与营养液按体积比1:1混合成沼液作为反应器中工作液体，

所使用的营养液的配方为：

A)NH4Cl 100g/L、NaCl 10g/L、CaCl2·2H2O 5g/L、MgCl2·6H2O 10g/L；

B)K2HPO4·3H2O 200g/L(无水K2HPO4 152.67g/L)

D)FeCl2·4H2O 2g/L、CoCl2·6H2O 0.05g/L、H3BO3 0.05g/L、NiCl2·6H2O0.092g/L、ZnCl2 0.05g/L、乙二胺四乙酸二钠0.5g/L、CuCl2·2H2O 0.038g/L、浓缩盐酸1g/L、Na2SeO3·5H2O 0.1g/L、MnCl2·4H2O 0.05g/L、(无水MnCl2 0.0318g/L)、(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.05g/L、AlCl3 0.05g/L；

E)生物素2mg/L、叶酸2mg/L、吡哆醇酸10mg/L、核黄素5mg/L、盐酸硫胺5mg/L、氰钴胺(B12)0.1mg/L、烟酸5mg/L、对氨基苯甲酸5mg/L、硫辛酸5mg/L；

取A 10mL，B 2mL，D 1mL，E 1mL加0.5g盐酸半胱氨酸盐，2.6g NaHCO3加入1L容量瓶配成营养液；

营养液也可选用其他营养液。

具体的，反应器主体3的内径为13mm、反应器主体3的长度为7m的透明柔性PVC管，在反应器主体3的管内填满陶粒固定生物膜，陶粒的直径为6mm，将整个生物膜反应器放入恒温箱内，保持稳定的37°中温条件，在附着生物膜阶段，连续通入4:1的H

实施例2

采用长度7m、直径13mm的反应器主体3，采用接种物二，接种物二来自实验室规模的多级发酵反应器的消化物。主要产甲烷菌是甲烷杆菌属和甲烷鬃菌属，相对丰度分别为总微生物的13％和5％，该接种物二属于含产甲烷菌群相对较少的厌氧消化的污泥。

其他条件的实施方式如如实施例1所述。

结果分析：在实施例1中，根据图2可知，连续通入混合气体的时间为30天，在第一个阶段的30天由于未到稳定生产阶段，出现甲烷含量的不断波动，在第22天后达到初步稳定状态，接着初步稳定状态保持9天左右后，随后停止沼液循环，甲烷含量随即大幅度下降，然后定期补液后，甲烷含量稳步上升，并在第42天后达到后期稳定状态，可以达到最高97％的甲烷浓度，且都保持在95％以上；在实施例2中，根据图3可知，为保持数据统一，连续通入混合气体的时间也为30天，但该实施例中，在16天后就达到初步稳定状态，初步稳定状态保持了14天左右，随后停止沼液循环，甲烷含量随即大幅度下降，然后定期补液后，甲烷含量稳步上升，并在第42天后达到后期稳定状态，可以达到最高95％的甲烷浓度，且都保持在90％以上。

应该注意的是接种物一达到初步稳定状态需要更长时间，不能说明它的效果不如其它，可能是操作过程存在偏差导致，两种接种物的情况下整个反应过程的整体趋势基本一致。

实施例3

采用长度3m，直径13mm的反应器主体3，采用接种物一，其他实施方式如实施例1所示：

结果分析：如图4所示，长度为3m的反应器主体3整体过程较为稳定，未出现7m时的甲烷含量的波动，这可能是因为反应器长度较短导致的反应器整体更稳定，但是甲烷含量在反应的最后也只能达到94％，低于7m时的甲烷含量。

实施例4

采用长度3m，直径13mm的反应器主体3，采用接种物二，其他实施方式如实施例1所示：

结果分析：如图5所示，与接种物一产甲烷菌多情况下的整个反应过程的趋势基本一致，最终能达到92％的甲烷含量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。