CN102389707B - 基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器 - Google Patents

基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器。它包括反应器主体、生物量截留器、自动化控制系统、控温系统、甲烷报警器和支架等；反应器主体具有反应器盖板、反应容器、导流筒、微孔曝气器和温控夹层，其中导流筒将反应器分为上升区、下降及持气区两部分，上升区设有出水口、生物量回流口和取泥口，反应器出水口与生物量截留器进水口相连，生物量回流口与生物量截留器排泥口相连，下降及持气区顶部设有螺旋桨，底部设有微孔曝气器；温控夹层紧贴于反应器外壁，通过控温系统控制反应器温度。本发明利用甲烷气泡浮力和下降流曳力的两力平衡，延长甲烷气泡在反应器内的持留时间，从而实现甲烷气体的高效利用。

Description

基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器
技术领域
本发明涉及一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器。
背景技术
甲烷作为一种重要的能源，在人类的生产生活中扮演着重要的角色。同时，甲烷又是大气中含量最多的碳氢化合物，其对全球变暖的贡献仅次于CO2，目前对全球气候变暖的“贡献率”达15％，它引起的温室效应是等摩尔CO2的20～30倍。据悉，全球每年甲烷产生量的85%及消耗量的60%都是基于微生物的作用。微生物进行的甲烷厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane）能够使大部分甲烷气体（90%以上）在进入大气圈之前就被大量地消耗。因此，甲烷厌氧氧化在全球的甲烷排放控制过程中起了不容忽视的作用，它能有效缓解目前日趋严重的温室效应。
反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrification anaerobic methane oxidation)是甲烷厌氧氧化的一种，其反应方程式如方程式（1）、（2）所示。目前，对于催化该反应进行的反硝化型甲烷厌氧氧化菌的研究非常少。然而，该过程却非常值得关注：首先，通过研究该过程有助于更好地理解生物地球氮素循环和生物地球碳素循环以及二者的有机结合；其次，对该过程的研究有助于进一步挖掘自然界中的微生物资源；再则，以此为基础，可以开发新型生物脱氮除碳工艺。
5CH4 + 8NO3 - + 8H+ →5CO2 + 4N2 + 14H2O      (1)
（△G0 =－765 kJmol-1 CH4）
3CH4 + 8NO2 - + 8H+ →3CO2 + 4N2 + 10H2O      (2)
 （△G0 =－928 kJmol-1 CH4）
由于反硝化型甲烷厌氧氧化的发生环境通常限于具有急剧梯度特征的区域，使该反应仅在几毫米的范围内发生，从而导致该过程很难被检测到。而且，反硝化型甲烷厌氧氧化的功能微生物生长极其缓慢，细胞倍增时间长达一个月以上，因而很难获得催化该过程的富集培养物。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器。
基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器包括反应器主体、生物量截留器、自动化控制系统、控温系统、甲烷报警器和支架；反应器主体包括反应器盖板、反应容器、导流筒、微孔曝气器和温控夹层；反应器盖板上嵌有进水口密封套、排气及测压口密封套、酸碱液输入口密封套、pH探头密封套、溶解氧探头密封套、温度探头密封套、搅拌轴密封套，进水口密封套内嵌有进水口，排气及测压口密封套内嵌有测压口和排气口，酸碱液输入口密封套内嵌有酸液输入口和碱液输入口，pH探头密封套内嵌有pH探头，溶解氧探头密封套内嵌有溶解氧探头，温度探头密封套内嵌有温度探头，搅拌轴密封套内嵌有搅拌机转轴，进水口与进水泵相连，测压口与U型压差计相连，排气口与液封装置相连，酸液输入口与储酸容器相连，碱液输入口与储碱容器相连，酸液输入口处接有酸输入自动调节阀，碱液输入口处接有碱输入自动调节阀，搅拌机转动轴穿过搅拌轴液封套和液体密封装置与螺旋桨相连；反应器器壁上部设有出水口，下部设有生物量回流口，反应器器壁与导流筒之间为升流区，导流筒内部为降流区；生物量截留器进水口与反应器出水口相连，排泥口通过生物量回流泵与反应器生物量回流口相连，生物量截留器底部设有生物量截留器排泥口，生物量截留器排泥口经生物量回流泵、取泥口、生物量回流口与反应器主体下部相连，生物量截留器上设有排气口、出水口和压力平衡口，排气口与液封装置相连；氩气进气自动调节阀、甲烷进气自动调节阀、进水泵、酸液输入自动调节阀、碱液输入自动调节阀、pH探头、溶解氧探头、温度探头、甲烷报警器和继电器分别与数据采集分析调控装置相连。
所述的反应器主体为圆柱体，其高径比为1.5～2:1。所述的反应器主体气相表压小于600Pa。所述的升流区与降流区体积比为1.5～2:1。所述的导流筒为喇叭形，其侧壁母线与轴线的夹角为5～15°；导流筒下口面积比上口面积为3～5:1；导流筒上口距液面和下口距反应器底部距离为20～40mm。所述的反应器主体截面积与导流筒下口面积之比为1.4～1.6：1。所述的导流筒与螺旋桨侧壁的距离为5～10mm。所述的微孔曝气器的外直径为200mm或215mm；微孔曝气器产生的气泡直径为1～2mm。所述的生物量截留器上部为圆柱体，下部为椎体，圆柱体的高径比为2～3:1，生物量截留器与反应器主体体积比为1:10～20。所述的甲烷报警器的甲烷报警浓度设为1%。
本发明具有的有益效果：1）利用甲烷气泡浮力和下降流曳力的两力平衡，延长甲烷气泡在反应器内的持留时间，从而实现甲烷气体的高效利用；2）微孔曝气可增加甲烷传质面积，从而提高甲烷传质速率；3）微孔曝气、机械搅拌、液相持气和内循环有利于气液固三相充分接触，保证了基质与微生物的充分混合，实现反硝化型甲烷厌氧氧化菌的高效富集，同时也提高了抗水力负荷和基质负荷冲击的能力；4）采用生物量截留装置，避免生物量流失；5）通过自动化控制实现溶解氧含量、pH和温度等参数的实时监控与反馈，保证反应器正常运行，同时减少人力劳动；6）此反应器可富集自然生态系统中的反硝化型甲烷厌氧氧化菌，可为深入研究自然生态系统中的反硝化型甲烷厌氧氧化作用奠定良好的基础；7）部分零部件实现标准化，统一规格，易于加工，便于更换。
附图说明
图1是基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器结构示意图；
图2是本反应器主体盖板结构示意图；
图3是本反应器自动化控制系统示意图。
图中：搅拌电机1、搅拌轴液封套2、螺旋桨3、导流筒4、反应器主体5、微孔曝气器6、氩气进气自动调节阀7、甲烷进气自动调节阀8、进水口密封套9、排气及测压口密封套10、酸碱液输入口密封套11、pH探头及密封套12、溶解氧探头及密封套13、温度探头及密封套14、搅拌轴密封套15、进水口16、测压口17、排气口18、酸液输入口19、碱液输入口20、进水泵21、酸输入自动调节阀22、碱输入自动调节阀23、甲烷报警器24、继电器25、数据采集分析调控装置26、反应器出水口27、生物量截留器进水口28、生物量截留器排气口29、生物量截留器30、压力平衡口31、生物量截留器出水口32、生物量截留器排泥口33、生物量回流泵34、取泥口35、生物量回流口36、液封装置37、储酸容器38、储碱容器39、U型压差计40、温控夹层41、支架42。
具体实施方式
如附图所示，基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器包括反应器主体5、生物量截留器30、自动化控制系统26、控温系统41、甲烷报警器24和支架42；反应器主体5包括反应器盖板、反应容器、导流筒4、微孔曝气器6和温控夹层41；反应器盖板上嵌有进水口密封套9、排气及测压口密封套10、酸碱液输入口密封套11、pH探头密封套12、溶解氧探头密封套13、温度探头密封套14、搅拌轴密封套15，进水口密封套9内嵌有进水口16，排气及测压口密封套10内嵌有测压口17和排气口18，酸碱液输入口密封套11内嵌有酸液输入口19和碱液输入口20，pH探头密封套12内嵌有pH探头，溶解氧探头密封套13内嵌有溶解氧探头，温度探头密封套14内嵌有温度探头，搅拌轴密封套15内嵌有搅拌机转轴，进水口16与进水泵21相连，测压口17与U型压差计40相连，排气口18与液封装置37相连，酸液输入口19与储酸容器38相连，碱液输入口20与储碱容器39相连，酸液输入口19处接有酸输入自动调节阀22，碱液输入口20处接有碱输入自动调节阀23，搅拌机1转动轴穿过搅拌轴液封套15和液体密封装置2与螺旋桨3相连；反应器器壁上部设有出水口27，下部设有生物量回流口36,反应器器壁与导流筒4之间为升流区，导流筒4内部为降流区；生物量截留器进水口28与反应器出水口27相连，排泥口33通过生物量回流泵34与反应器生物量回流口36相连，生物量截留器30底部设有生物量截留器排泥口33，生物量截留器排泥口33经生物量回流泵34、取泥口35、生物量回流口36与反应器主体5下部相连，生物量截留器30上设有排气口29、出水口32和压力平衡口31，排气口29与液封装置37相连；氩气进气自动调节阀7、甲烷进气自动调节阀8、进水泵21、酸液输入自动调节阀22、碱液输入自动调节阀23、pH探头12、溶解氧探头13、温度探头14、甲烷报警器24和继电器25分别与数据采集分析调控装置26相连。
所述的反应器主体5为圆柱体，其高径比为1.5～2:1。所述的反应器主体5气相表压小于600Pa。所述的升流区与降流区体积比为1.5～2:1。所述的导流筒4为喇叭形，其侧壁母线与轴线的夹角为5～15°；导流筒4下口面积比上口面积为3～5:1；导流筒4上口距液面和下口距反应器底部距离为20～40mm。所述的反应器主体5截面积与导流筒4下口面积之比为1.4～1.6：1。所述的导流筒4与螺旋桨3侧壁的距离为5～10mm。所述的微孔曝气器6的外直径为200mm或215mm；微孔曝气器6产生的气泡直径为1～2mm。所述的生物量截留器30上部为圆柱体，下部为椎体，圆柱体的高径比为2～3:1，生物量截留器30与反应器主体5体积比为1:10～20。所述的甲烷报警器24的甲烷报警浓度设为1%。
基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器的运行、控制方法：电机1带动搅拌桨3旋转，使得搅拌桨3下部压力增大，在此压力作用下，持气区的液体向下流动，碰到反应器底部后，进入上升区，上升至液相上部，再汇至下降区，最后通过搅拌桨3再回到持气区，从而实现液相内循环。微孔曝气器6将微小的甲烷气泡释放到反应器5底部，甲烷气泡受到浮力和下降流曳力作用，当此两力平衡时，甲烷气泡被持留在持气区内。气泡被持留一段时间后，气泡与气泡之间碰撞、合并，产物氮气从液相析出，都使得气泡慢慢变大，最终浮力大于导流管所能提供的最大曳力，气泡逸出液面，带走未溶解的甲烷和产物氮气。通过pH探头12实时监测反应器主体5内液相pH值，并根据数据采集分析调控装置26控制酸液输入自动调节阀22与碱液输入自动调节阀23，使反应器主体5内液相pH值维持在7.0～7.5之间；若反应器主体5内液相pH值小于7.0，数据采集分析调控装置26打开碱液输入自动调节阀23，直到反应器主体5内液相pH值恢复到控制范围，碱液输入自动调节阀23关闭。若反应器主体5内液相pH值大于7.5，数据采集分析调控装置26打开酸液输入自动调节阀22，直到反应器主体5内液相pH值恢复到控制范围，酸液输入自动调节阀22关闭。通过溶解氧探头13实时监测反应器主体5内液相中溶解氧的浓度；当溶解氧浓度高于0.2mg/L时，数据采集分析调控装置26首先关闭甲烷进气自动调节阀8，随后打开氩气进气自动调节阀7，持续通入氩气，直至反应器主体5内液相中溶解氧的浓度低于0.1mg/L，数据采集分析调控装置26首先关闭氩气进气自动调节阀7，随后打开甲烷进气自动调节阀8。通过甲烷报警器24实时监测反应器周边环境中的甲烷体积百分含量，当反应器周边环境中甲烷含量超过1%时，甲烷报警器发出警报，数据采集分析调控装置26收到警报信号后，首先关闭甲烷进气自动调节阀8和氩气进气自动调节阀7，10s后控制继电器25，关闭总电源，等待检修。

Claims (9)

1.一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于包括反应器主体（5）、生物量截留器（30）、自动化控制系统（26）、控温系统（41）、甲烷报警器（24）和支架（42）；反应器主体（5）包括反应器盖板、反应容器、导流筒（4）、微孔曝气器（6）和温控夹层（41）；反应器盖板上嵌有进水口密封套（9）、排气及测压口密封套（10）、酸碱液输入口密封套（11）、pH探头密封套（12）、溶解氧探头密封套（13）、温度探头密封套（14）、搅拌轴密封套（15），进水口密封套（9）内嵌有进水口（16），排气及测压口密封套（10）内嵌有测压口（17）和排气口（18），酸碱液输入口密封套（11）内嵌有酸液输入口（19）和碱液输入口（20），pH探头密封套（12）内嵌有pH探头，溶解氧探头密封套（13）内嵌有溶解氧探头，温度探头密封套（14）内嵌有温度探头，搅拌轴密封套（15）内嵌有搅拌机转轴，进水口（16）与进水泵（21）相连，测压口（17）与U型压差计（40）相连，排气口（18）与液封装置（37）相连，酸液输入口（19）与储酸容器（38）相连，碱液输入口（20）与储碱容器（39）相连，酸液输入口（19）处接有酸输入自动调节阀（22），碱液输入口（20）处接有碱输入自动调节阀（23），搅拌机(1)转动轴穿过搅拌轴密封套（15）和液体密封装置（2）与螺旋桨（3）相连；反应器器壁上部设有出水口（27），下部设有生物量回流口（36）,反应器器壁与导流筒（4）之间为升流区，导流筒（4）内部为降流区；生物量截留器进水口（28）与反应器出水口（27）相连，排泥口（33）通过生物量回流泵（34）与反应器生物量回流口（36）相连，生物量截留器30底部设有生物量截留器排泥口33，生物量截留器排泥口33经生物量回流泵34、取泥口35、生物量回流口36与反应器主体5下部相连，生物量截留器30上设有排气口（29）、出水口（32）和压力平衡口（31），排气口（29）与液封装置（37）相连；氩气进气自动调节阀（7）、甲烷进气自动调节阀（8）、进水泵（21）、酸液输入自动调节阀（22）、碱液输入自动调节阀（23）、pH探头（12）、溶解氧探头（13）、温度探头（14）、甲烷报警器（24）和继电器（25）分别与数据采集分析调控装置（26）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的反应器主体（5）为圆柱体，其高径比为1.5～2:1。
3.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的反应器主体（5）气相表压小于600Pa。
4.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的升流区与降流区体积比为1.5～2:1。
5.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的导流筒（4）为喇叭形，其侧壁母线与轴线的夹角为5～15°；导流筒（4）下口面积比上口面积为3～5:1；导流筒（4）上口距液面和下口距反应器底部距离为20～40mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的反应器主体（5）截面积与导流筒（4）下口面积之比为1.4～1.6：1。
7.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的微孔曝气器（6）的外直径为200mm或215mm；微孔曝气器（6）产生的气泡直径为1～2mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的生物量截留器（30）上部为圆柱体，下部为椎体，圆柱体的高径比为2～3:1，生物量截留器（30）与反应器主体（5）体积比为1:10～20。
9.根据权利要求1所述的一种基于自动化控制的桨降式持气内循环反硝化型甲烷厌氧氧化反应器，其特征在于：所述的甲烷报警器（24）的甲烷报警浓度设为1%。
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