CN107002014A

CN107002014A - 使用固定化生物膜进行微生物消化的方法和生物反应器

Info

Publication number: CN107002014A
Application number: CN201580064319.3A
Authority: CN
Inventors: B·厄勒
Original assignee: East Energy Thermoelectric Co Ltd
Current assignee: East Energy Thermoelectric Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-08-01
Also published as: SG10201902836VA; AU2015326808A1; US20180237734A1; SG11201702456SA; EP3201308A1; CA2963026A1; MX2017003977A; WO2016050893A1

Abstract

本发明涉及用于微生物和厌氧消化的方法、装置和插件。特别地，本发明涉及包含插件的反应器，所述插件用于固定化于载体基质上的生物膜，例如产甲烷的生物膜。

Description

使用固定化生物膜进行微生物消化的方法和生物反应器

技术领域

本发明总的涉及用于微生物消化的方法和反应器并且具体涉及包含插件(insert)的方法和反应器，所述插件包含固定化于载体基质上的生物膜。

本发明还涉及用于厌氧消化的方法和反应器，并且具体涉及其中产甲烷生物膜固定化于具有固定取向的载体基质上的方法和反应器。

背景技术

多种多样的工业会产生废物流，这些废物流需要进一步的生物处理以回收干净的水含量和“来自废物的能量”。在许多情况下，例如对于酿酒厂酒糟、市政固体废物(MSW)的液化有机组分和来自屠宰场、餐馆、乳制品加工和制革厂的废物而言，这些废物流含有高的总固体水平，通常超过7％重量。在不存在额外的处理步骤的情况下，由于无所不在的细菌的自发发酵，这些废物流将不可避免地变为酸性。显然有利的是使这些废物流在其产生的场所得到处理。然而，就厌氧消化产生生物甲烷而言，在应用基于连续搅拌罐反应器(CSTR)的常规技术时，这些废物流已被证明是成问题的。

在CSTR系统中，将把进料流代谢为甲烷、二氧化碳和氨的微生物聚生体是自由漂浮于溶液中的，通常以絮状物存在。关键的产甲烷古菌繁殖缓慢并且对外部条件高度敏感。这使得CSTR系统众所周知地容易发生底物抑制或挥发性脂肪酸(VFA)毒性的现象。对CSTR系统中的高VFA水平作出的反应是，古菌将停止繁殖并进入代谢休眠状态。为了避免“过度进给”反应器(这将导致VFA毒性)，CSTR系统通常需要精心的过程控制和长的消化器停留时间，通常15天或更长时间。由于与VFA毒性相关的问题，酸性和高固体废物流在CSTR系统中已经证明是不可管理的-过度生产的爆发或pH降至产甲烷菌停止代谢的水平导致VFA的积聚。

CSTR系统还众所周知地容易发生盐毒性。盐毒性的确切机制仍是模糊的，并且很可能随所涉及的金属离子而不同-据报道在混合时不同的阳离子将发挥或拮抗或协同的毒性效应(参见Chen等人于2008年的综述)。

酸性废物流在CSTR系统中尤其成问题。厌氧消化中pH的控制是一个关键的问题，其对进料流性质和在任何给定时刻反应器液体量的缓冲能力有着复杂的依赖性(参见综述Anderson和Yang，1992年)。增加反应器上的有机负荷(即，在较短的停留时间下处理高固体进料)将提高对缓冲能力的要求。当进料流自身为酸性时，对缓冲能力的固有要求将进一步提高。为了使CSTR反应器中的pH不降至大多数产甲烷菌将停止代谢的水平——6.5以下，原料流通常必须经受pH调节。到目前为止，对于pH的化学调节，最便宜的措施是氢氧化钠。然而，进料流所产生的增加的钠含量自身在CSTR系统中是潜在毒性的。碳酸氢铵可能优选作为pH调节的措施，但据推测由于不同的原因，随后产生的增加的氨含量也是潜在毒性的(参见Chen等人，2008年)。

由于“过度进给”所致的盐毒性和此外VFA毒性及此外由于进料流的酸性问题所致的VFA毒性通常在常规的CSTR系统中导致“停工”事件。即使在所述潜在的毒性在理论上是可逆的情况下(例如VFA毒性很可能就是这种情况)，毒性事件仍然导致生产停工。这据推测在很大程度上归因于产甲烷菌繁殖的停滞和生产性微生物的随后冲失。常规的CSTR反应器不能简单地通过稀释底物来恢复，因为这也会稀释生产性微生物群落。在CSTR系统中从毒性事件的恢复通常需要弃去消化器的内容物并用微生物培养物重新接种，这又将导致商业上灾难性的长期停产。

由于这些问题，许多这些成问题的工业废物流的厌氧消化仅已通过与更易于管理的较低固体底物如粪肥混合而实现了商业化-通常在远程处理位置。虽然这提供了水和“废物能”的功能性回收，但它是远没有专门的现场处理方便的解决方案。

与常规的CSTR系统相比，众所周知，所谓的“固定膜”生物反应器通常将提供对毒性降低的敏感性。在固定膜反应器中，微生物聚生体在生物膜内同化。细菌和古菌在生物膜内散布于基质中，所述基质包含由细菌产生的胞外聚合物质(exopolymeric substances，EPS)以及其他生物大分子的不均匀混合物。厌氧消化系统中典型的生物膜包含充当扩散屏障的外表面。所述膜的厚度可从非常薄(大约200um)(参见例如Mahendran等人，2012年)到适度“厚”(2-5mm之间)(参见例如Hickey等人，1991年)不等。CSTR系统中产甲烷古菌对细菌的相对比例通常介于10-25％之间(参见例如Leclerc等人，2004年；和参见Regueiro等人，2012年)。相比之下，在经受高VFA负荷的固定膜系统中，产甲烷古菌可相对于细菌占主导地位(参见例如Hickey等人，1991年)。在一些固定膜系统中，生物膜形成在固定化介质上。此载体材料的化学性质可影响所形成生物膜的性质，最显著的是生产性生物质的厚度和密度。参见Habouzit等人，2014年和参见Adu-Gyamfi等人，2012年。

起码，单单因为生产性微生物聚生体不能从反应器“冲失”，故固定膜系统也比CSTR系统恢复快。因此，就毒性事件是可逆的来说，钠、氨或VFA的毒性水平可从固定膜反应器简单地冲失，而几乎没有或没有生产性生物质的损失，故生产的恢复相当快。

但之所以固定膜系统比CSTR系统对特定的毒性挑战更稳健，很可能存在许多其他的原因。显然可能的是，膜内相互共生的细菌和古菌在物理上紧邻的排列及膜自身的功能特性可能使得固定膜系统对各种形式的毒性固有地较不敏感。例如，由于生物膜内营养底物或酶的局部高浓度，固定的细胞可能经历生理适应。或者，而不是相互排斥地，相对于本体水相中的细胞，生物膜内的细胞可能经历有毒物质有效浓度的降低。已知pH和代谢物浓度二者均以使得产生深度依赖性梯度的方式在生物膜中变化(参见Allen等人，1999年；Arcand等人，1994年；Suidan等人，1984年；Suidan等人，1994年；Van Whey等人，2011年；Annachatre和Khanna 1990年)。此外，EPS基质自身的选择性效应可以发挥保护作用。例如，细菌胞外聚合物已知将结合钠，这可有助于减轻盐毒性(参见例如WO2007044439"Microbial exopolymers useful for waterdemineralization"和参见Vivanco等人，2006年)。

广泛的不同的固定膜生物甲烷系统已见报道(参见综合性综述Tauseef等人，2013年)。这些系统已以各种不同的名称如“厌氧过滤器”(AF)、“降流固定式固定过滤器”(DSFF)、“升流厌氧污泥毯”(UASB)、“厌氧流化床”(AFSBR)、“厌氧序批间歇反应器”(ASBR)、“厌氧挡板反应器”(AFBR)、“厌氧固定床”(AFFB)等呈现。然而，尽管报道的反应器配置多种多样，但固定膜生物甲烷系统基本上分为三大类：

在第一类固定膜系统中，生物膜被有效地悬浮于溶液中，即自由漂浮在反应器罐中。这些“悬浮的”固定膜系统包括其中生物膜自身形成在独立的颗粒内或作为另一种选择形成在“移动的”固定化介质上的反应器。颗粒状污泥系统可以多种方式布置。例如，污泥颗粒可被钻孔(参见例如Chen等人，2010年)或让以“污泥毯”漂浮(参见例如Mohan等人，2007年)或被隔室化(参见例如Ji等人，2012年)或被赶过挡板系统(参见例如Alkarimiah等人，2011年)或被用作在上层上具有过滤器以防止颗粒的外流损失的“混合式污泥毯”(参见例如Banu和Kaliappan，2007年)或采取一些其他配置。类似地，可使用广泛的不同的生物膜固定化介质，然后让其自由漂浮在反应器罐中，例如具有提供表面积的叶片的专用聚乙烯载体(Chai等人，2014年)、聚氯乙烯(PVC)管的管件(Pradeep等人，2014年)或乳胶珠(Wu等人，2003年)。

在第二类固定膜系统中，生物膜形成在固定化介质上，所述固定化介质以在固定床中随机取向地用于反应器中。例如，随机取向固定床系统已见报道使用固定化介质如合成尼龙垫(Deshpande等人，2012年)、尼龙纤维(Meesap等人，2012年)、波纹塑料环(Martin等人，2010年)、二氧化硅珠(Michaud等人，2005年)、聚丙烯环(Austermann-Haun等人，1994年)或粘土珠(Wildenauer和Winter，1985年)，它们随机取向地用来形成填充床。

在第三类固定膜系统中，生物膜形成在固定化介质上，所述固定化介质以非随机取向用于反应器中而形成固定床，通过该固定床可更仔细地控制流体流动。这些固定取向的固定床系统已被视为用于相对于随机床系统将耐受性范围延伸至进料流中较高悬浮固体含量的手段(参见Kennedy和van den Berg，1982年[18g/L]；del Pozo等人，2000年[1g/L悬浮固体]；Escudie等人，2005年[2-3g/L悬浮COD])。

在尝试于高的有机负荷下运行时困扰固定膜系统的主要问题是易受到生物膜表面处生产性交换的“堵塞”或阻断。堵塞问题源自各种不同的来源。在最简单的层次上，堵塞仅仅是进料流中悬浮固体含量的函数。因此，除了已经受额外的沉淀步骤如电凝聚(参见例如Deshpande等人，2012年)的进料流之外，高的总固体通常赋予更高的悬浮固体。随机取向固定床系统和颗粒系统通常提供对于具有较低化学需氧量(COD)含量(<30g/L)或悬浮固体含量(<3重量％)的进料流特别快且有效的处理。例如，对于Tauseef等人2013年综述的随机取向固定床系统而言，COD去除率为至少70％时可保持的最高报道的有机负荷率(OLR)为18g/L消化器容积/天，总平均为6.8g/L消化器容积/天。COD去除率为至少70％时，最高报道的可持续生物气生产速率为4.2L/L消化器容积/天，总平均为2.4L/L消化器容积/天。虽然对低固体进料流有效，但随着进料流的COD含量增加，这些系统将不可避免地运行得越来越慢且有效性越来越低，最终在高固体负荷量下长时间运行后或在固体含量的某些极限耐受水平下变得堵塞。相比之下，固定取向固定床系统通常可耐受进料流中更高的COD含量并在一些限定的COD去除率(例如，70％或更高)水平下承受更高的有机负荷(参见del Pozo等人，2000年；Escudie等人，2005年；Kennedy和van den Ber，1982年)。

在固定膜系统中导致堵塞的第二个因素是这些系统在流体流流动通过固定化介质或颗粒或者流过固定化介质或颗粒周围时趋向于经历“沟流(channelling)”效应。这些效应在颗粒和“悬浮”载体系统以及随机取向固定床系统中特别明显，其中微观非均匀流动模式导致内部旁路流动和死体积的形成。但这种“沟流”趋势也在固定取向固定床系统中发生，尽管水平较低。固定取向固定床系统中的“沟流”效应将产生一种前馈级联堵塞：“沟流”导致通过支承介质的流动模式中特定位置处附着固体的区域性积聚(参见例如Hall，1982年[internal-p.393,col 1,point 3]和参见例如del Pozo等人，2000年[internal-p.221]。附着固体的此区域性积聚又进一步加剧“沟流”的趋势并促进附着固体在其他位置处的附加积聚。

在本申请的意义上，流动模式可被称为流动路径。

在固定膜系统中导致堵塞的第三个因素(其被认为是固定床系统中最重要的因素)(Escudie等人，2011年)是膜自身的生长和悬浮生物质以絮状物或生物膜的分离片段形式的逐渐积聚(参见Rajeshwari等人，2000年；Lima等人，2005年)。通常据信生物膜的形成和保持是通过膜片段的附着和分离之间的动态平衡来描述的(参见van Loosdrecht等人，1995年)，其又受容易沉淀的絮状物与沉淀-复原细菌胶体之间的平衡的影响(参见Albizuri等人，2014年)。生物膜保持中内聚与分离之间的平衡受剪切力的强烈影响，剪切力将促进生物膜片段的分离。这些分离片段又将大大增加堵塞的风险(van Loosdrecht，1995年；Escudie，2011年)。

在现有技术的固定取向固定床系统中，堵塞已最终成为长期使用过程中的问题。例如，在迄今报道的最大规模且最成功的此类系统中，在为期7年的运行中，包含固定化基质的管状通道逐渐因生物膜的膨胀即悬浮生物质的附着而堵塞(Escudie等人，2011年)。在此升流系统中，COD介于20-40g/L之间、悬浮固体介于2-3g/L之间的酒厂酒糟在流出物再循环的情况下连续地处理。在运行过程中，积聚在固定化基质上的生物质如此之多，以致反应器最终损失了其功能性内容积的75％。

因此，固定取向固定床系统先前未被认为对于处理高固体废物流、少得多的具有高悬浮固体的流是商业可行的。在这种情况下，常规的CSTR系统在行业中继续占据主导地位，尽管它们有着众所周知的缺点。

除了别的外，这里我们给出生产例如生物甲烷的方法和用于实施这些方法的系统，其可用来将常规的商业CSTR罐改造成用于处理高固体废物流的稳健且高效的固定取向固定床生物反应器。将现存的CSTR改造、改变或改型为如本文所公开的快速厌氧消化(FAD)的优点包括例如更稳健且更快的过程以及由于较高的流率而大大提高的生产率。此外，停工时间缩短，并且例如在系统维护之后的启动时间也显著缩短。此外，提供了底物变化的更大灵活性。

悬浮固体，值得一提的是包括悬浮生物质(如或包括分离的生物膜片段和絮状物)，在存在于隔室式反应器的相邻室下方的沉积区内徐缓地沉淀。竖直流动路径确保正沉淀的颗粒被引导到沉积区中。避免搅拌有利于温和的回流混合，这确保悬浮颗粒确实沉淀在沉积区中。赋予极小沟流风险的向下的低剪切活塞流(plug flow)被引导通过含在反应器的单个室内的多个管状固定化载体。此向下的流然后被向前引导到位于载体下方的沉积区中。在沉积区内，竖直方向的流被迫变成通过含在后续室内的管状固定化载体的向上的低剪切活塞流。随着所述流行进通过隔室式反应器的其他室，竖直方向被迫在每一个相继的室之间改变，从而在位于固定化载体下方的沉积区内以及位于所述载体上方的顶部空间区域内实现温和的回流混合。通过系统的流速由流出物再循环速率、反应器罐的尺寸和反应器内各个隔室的数量和尺寸决定。本发明的反应器可装上用于从沉积区定期移除未溶解固体的装置。

具有讽刺意味且引人注目的是，在现有技术系统中证明麻烦的高固体含量进料流被积极地认为在本发明的系统中是有益的。如果保持低的水力停留时间(HRT)，则进料流的高COD含量允许保持极高的生物气流量。不希望受理论的束缚，但我们认为，从生物膜内出现的这些非常高的生物气流量将赋予保护效果，由此生物膜性能得以改善并且堵塞趋势大大降低。

生物膜/进料流界面处微小气泡的出现可预期赋予一定程度的微观剪切力并促进局部返混，尽管进料流流动具有活塞流特性。实际上，固定取向固定床系统中的生物气生产先前已被建议最大限度地减小沟流的风险(参见Hall，1982年)并已在先前证实可促进混合(参见Escudie等人，2005年)。

可以看出，生物气气泡通过沿生物膜的表面行进而上升到本发明的系统的顶部空间，这推测起来涉及聚结和气蚀事件。这些情况在高的产气速率下应促进生物膜片段的分离而不利于再附着。根据这一理论，分离的生物膜片段在沉积区中只是无害地沉淀。这继而使生物膜生长与分离之间的平衡向着有利于薄的、光滑的、致密的和高产的膜的方向有效地偏移(参见Loosrecht等人，1995年)。这种提出的效果可能在微观水平上与污泥毯系统中观察到的宏观效应具有一定的相似性，由此，持续恒定的高流率再循环生物气将提供对生物质积聚的良好控制，从而有利于薄的生产性生物膜(参见Michaud等人，2003年)。

低停留时间的保持还将确保胶体悬浮生物质将快速地从系统冲掉，这将进一步降低固定化基质内过度生物质积聚的风险。

通过实施本发明的方法，可通过厌氧消化来处理具有高固体含量的多种酸性进料流，而不需要pH调节，但具有高速度、高甲烷产率以及对起因于“过度进给”的VFA毒性的实际完全免疫。

在本发明的上下文中，术语“原料”或“底物”指含纤维素、半纤维素、木质纤维素或淀粉的生物质。

术语“生物质”指任何生物质，如废物、污水、粪肥、麦秆、玉米秸秆、甘蔗渣、甜高粱渣或空果串。

在此上下文中，术语“废物”指任何种类的具有有机物含量的废物，如市政固体废物(MSW)、工业废物、动物废物或植物废物。

在本发明的上下文中，术语“水热预处理”指使用呈热液体、蒸汽或者包含高温液体或蒸汽或二者的加压蒸汽的水在120℃或更高的温度下在添加或不添加酸或其他化学品的情况下“煮”生物质。

在本发明的上下文中，术语“厌氧消化”指在受控曝气条件下(例如，在不存在甲烷气体在其中产生的氧气或氧气的量非常有限的情况下)的微生物发酵。产生的甲烷气体达到在“厌氧消化”内的发酵混合物的水相中代谢产生的溶解甲烷的浓度在所用的条件下饱和的程度并从系统排放甲烷气体。

术语“好氧消化”指在曝气条件下进行的微生物发酵。

在本发明的上下文中，术语“COD或化学需氧量”指水中所有有机物质氧化所需要的氧的量，单位g/L，并因此为原料或生物质的有机物含量的量度。

因此，在本发明的第一个方面，上述目的和若干其他目的旨在通过提供在暴露于含有生物膜前体的流体流时适于生物膜生长的生物膜载体来实现，所述生物膜载体包含三维结构，所述三维结构具有至少一个包含腔穴和凸起的表面，从而提供粗糙的表面。

生物膜载体可被称为生物膜支承物、生物膜基质固定物或载体基质。

凸起可从所述至少一个表面延伸出0.1至10mm之间。

腔穴或凹进可在所述至少一个表面下方0.1和5mm之间的区域中。

所述至少一个表面为粗糙的表面，优选粗糙的表面，即不平滑的表面。所述至少一个表面可具有0.1至10mm之间的表面粗糙度(rough surface area)(R_a)，如1至9mm之间，例如2至8mm之间。优选地，R_a可在3至6mm之间。所述至少一个表面可具有0.5至1.5mm之间、如1mm的最小谷深度R_v。所述至少一个表面可具有1至2mm之间、如2mm的最小峰深度R_p。

该特定的表面粗糙度具有允许已被至少部分地洗去的生物膜再生长的优点。在运行过程中，可能发生生物膜片段或絮状物从生物膜载体的分离。生物膜的再生长可能不是直接的，因为所述至少一个表面被暴露于连续的流体流，从而不允许最佳的再生长条件。表面上存在较少暴露于流体流的元件(如腔穴或凸起)因此具有允许生物膜再生长的优点。实际上，生物膜再生长可在较少暴露于流体流的元件内开始。

该特定的表面粗糙度还具有增加可用于生物膜生长的表面积的优点，从而增大可用于所引入的与生物膜载体接触的原料的生物膜消化的表面。

在一些实施方案中，三维结构包含开口，如贯穿所述至少一个表面的孔。

例如，在生物膜载体中，三维结构可为管状多孔三维结构。多孔可以是开放多孔的，即至少具有开放端的多孔。

在其他实施方案中，三维结构为螺纹结构或包含螺纹结构。例如，三维结构为开放螺纹结构或包含开放螺纹结构。

三维开放螺纹结构可由两根或更多根搓捻并连接在一起的长丝制成。

具有包含开口的三维结构，无论它们是开放多孔、贯穿的孔还是开放螺纹结构，其优点在于与流体流的接触可从流体的流动可能具有不同特性的三维结构的两侧发生。例如，流体流可能具有不同的速度、不同的质量(例如，不同的生物气生产潜力)、不同的温度，等等。这些不同的特性可允许从三维结构的一个特定侧开始优先的生物膜生长。例如，可使三维结构的第一侧暴露于具有比第二侧上的流体流更高速度的流体流。因此，在生物膜分离的情况下，第一侧上可能不会发生生物膜生长，而第二侧上可能发生生物膜生长，最终通过开口朝第一侧延伸。

因此，在生物膜从生物膜载体部分或全部分离的情况下，包含开口的三维结构允许生物膜更快的再生长。

在一些实施方案中，生物膜载体包含生物膜。生物膜可为包含一种或多种适于好氧或厌氧消化/发酵的不同微生物的生物膜。该实施方案具有的优点是，生长在生物膜载体上的生物膜可因此被运送离开生长环境如罐式反应器并被安置于其他设备、反应器或用于改型反应器的插件中以用于生产气体或其他产物。实际携带生物膜的生物膜载体可经处理以在运送过程中保持其特性，例如，可经热处理，如最终经冷冻或保护，如涂覆以保护层。包含生物膜的生物膜载体可能非常稳健，即可原样运送而不需要例如热处理、不需要保护层和/或保护性或受控的气氛。

在第二个方面，本发明涉及一种插件，所述插件包含一个或多个用于约束流体的流动的装置，如一个或多个限定至少两个开放的隔室的挡板，所述一个或多个挡板包含一个或多个开放的边缘，从而在插入罐式反应器中并且罐式反应器在运行中时，所述一个或多个开放的边缘将限定下溢(underflow)孔或上溢(overflow)孔，从而迫使流体向上或向下流过下溢孔或上溢孔。

所述插件适于改型罐式反应器。

所述插件具有的优点是，当插入罐式反应器中并且罐式反应器在运行中时，所述插件允许约束和引导流体的流动且维护程度非常低，因为不存在机械运动部件，并且所述一个或多个挡板已经固定在期望的位置而不需要进一步的调整。

另一个优点在于通过插件的使用来最大限度地减少能源使用或电消耗。

插件的甚至还一个优点在于能够约束和引导流体流动通过系统以避免堵塞。插件限定开放的隔室，从而允许悬浮在流体中的固体从流动路径沉淀或沉积，即朝向开放隔室的底部沉淀或沉积并且沉淀或沉积于开放隔室的底部上。

在一些实施方案中，所述至少两个隔室还包含围绕所述一个或多个挡板的连续封闭侧壁，其中所述一个或多个开放的边缘相对于所述连续封闭侧壁的高度错位(displace)。

所述一个或多个开放的边缘相对于连续封闭侧壁的高度、即相对于连续封闭侧壁的开放的边缘错位，即交错或偏移。

该特定的开放边缘的定位将确保通过插件的流体所期望的竖直之字形流动：交替的向上竖直流动和向下竖直流动。

在一些其他实施方案中，所述一个或多个挡板被紧固到连续封闭侧壁。

所述插件可仅包含一个紧固到连续封闭侧壁的挡板。

在一些实施方案中，所述连续封闭侧壁可为其中插入和安装了插件的反应器的侧壁。在这种情况下，插件可只包含所述一个或多个挡板，这些挡板例如通过焊接紧固到插件插入其中的罐式反应器的连续封闭侧壁。

在一些其他的实施方案中，所述一个或多个挡板可移除地连接(即，以允许移除的方式连接)到连续封闭侧壁。

在一些其他的实施方案中，连续封闭侧壁为插件的元件而不是插件可插入其中的罐式反应器的元件。

在一些实施方案中，连续封闭侧壁为弯曲的壁。

存在弯曲的连续封闭侧壁的优点是插件可容易地适合插入到目前可用的大多数罐式反应器中，这些罐式反应器具有至少一个弯曲的壁。

在一些其他实施方案中，所述一个或多个挡板为多个挡板并且所述至少两个开放的隔室为多个开放的隔室。

在一些实施方案中，N个数量的挡板限定N+1个开放的隔室，其中N为大于1的数。

在一些实施方案中，所述多个挡板的所述一个或多个开放的边缘相对于彼此错位，从而在插入罐式反应器中并且罐式反应器在运行中时所述一个或多个开放的边缘限定多个下溢孔和上溢孔，从而迫使流体从第一隔室的下溢孔向上流向第二后续隔室的上溢孔，并向下流向第三后续隔室的下溢孔。

一般来说，当插件包含多个隔室时，下溢孔和上溢孔配置为使得其迫使流体从开放的隔室M的下溢孔向上流向后续的开放的隔室M+1的上溢孔，并随后向下流向后续的开放的隔室M+2的下溢孔，其中M为大于1的数。

所述多个挡板的所述一个或多个开放的边缘相对于彼此错位，即交错或偏移，即所述一个或多个开放的边缘在不同的水平面处面向彼此；例如相对于插件的中心水平面在不同的高度处。

例如，面向第二挡板的开放的边缘的第一挡板的开放的边缘可相对于插件的中心水平面位于不同的高度处，以确保通过插件的开放的隔室的流体所期望的竖直之字形流动：交替的向上竖直流动和向下竖直流动。

在一些实施方案中，所述多个挡板为互连的挡板。

挡板可通过例如共用壁或边缘来互连，即与彼此连接。在一些其他的实施方案中，挡板可彼此相交，具有不同程度的交叠。

在一些其他实施方案中，所述至少两个开放的隔室中的一者或多者限定插件的一个或多个区段。

插件可因此被分成包含多个开放的隔室的多个区段。例如，圆柱形插件可包含4个四分之一圆筒区段，它们具有基本相等的横截面积并具有由多个挡板限定的多个隔室。外区段可包含弯曲的外壁，其与挡板一起限定梯形开放隔室，该梯形开放隔室具有由所述弯曲的外壁的内表面形成的一个弯曲表面和由内区段的弯曲内壁的外表面形成的另一个弯曲表面。

这一构造允许插件在当前可用的反应罐中的最佳配合。

所述一个或多个区段可因此是外部的，即位于插件周缘处的外区段，或是内部的，即位于插件中心的内区段。

在一些实施方案中，所述一个或多个挡板和/或所述连续封闭侧壁由耐腐蚀且液体不渗透的材料制成。

这允许插件用在消化如厌氧消化过程中存在的严苛环境中。

在一些其他实施方案中，根据本发明的第二个方面的插件还包含位于所述至少两个开放的隔室中用于支承生物膜的装置。

例如，用于支承生物膜的装置可为生物膜支承物、生物膜载体或用于将生物膜固定化于基材上的其他装置。

在一些实施方案中，用于支承生物膜的装置为多个根据本发明的第一个方面的生物膜载体。

在一些实施方案中，根据本发明的第二个方面的插件限定沿着生物膜载体并在生物膜载体内的优先竖直路径，由此在插入罐式反应器中并且罐式反应器在运行中时具有基本上平行于生物膜的形成的流体流动。这具有避免堵塞的主要优点。

在第三个方面，本发明涉及一种生物反应器，其包含：容器，如具有一个或多个侧壁和具有内表面和底部开口的底壁的罐式反应器；位于容器内的至少两个可移除的即可移除地连接的开放隔室；至少一个在所述至少两个可移除的隔室之间的上溢孔或下溢孔。由此，当生物反应器在运行中时，流体在所述至少两个可移除的隔室之间向下流向所述至少一个下溢孔或向上流向所述至少一个上溢孔。

在一些实施方案中，根据本发明的第三个方面的生物反应器包含根据本发明的第二个方面的插件，其中所述至少两个可移除的开放隔室为由插件的所述一个或多个挡板限定的至少两个开放的隔室，并且其中所述至少一个上溢孔或下溢孔为由所述一个或多个开放的边缘限定的下溢孔或上溢孔。

在一些实施方案中，容器的所述一个或多个侧壁为根据本发明的第二个方面的插件的连续封闭侧壁。

因此，反应器的侧壁与所述一个或多个挡板一起可限定开放的隔室。在一些实施方案中，开放的隔室因此由容器的侧壁和所述一个或多个挡板界定。

在一些实施方案中，生物反应器还包含用于在运行中时迫使流体通过优先的路径向下流向所述至少一个下溢孔或向上流向所述至少一个上溢孔的装置。

优先的路径可以是由沿着流或跨越流存在的装置诱导的优先方向和取向。

优先的流动路径可以以层流、湍流或二者的组合为特征。

例如，用于迫使流体的装置可为用于支承生物膜的装置如生物膜支承物、生物膜载体或用于固定化生物膜于基材上的其他装置，其可影响流体的流动。

例如，用于迫使流体的装置可为例如在载体或通道内限定路径的管状生物膜固定化载体或管状通道，该路径优先于另一路径，例如载体或通道外的路径。

在一些实施方案中，用于迫使流体流动的装置为根据本发明的第一个方面的生物膜载体。

在此实施方案中，优先的路径因此为中空生物膜载体内的路径。

优先的路径不排除流体流经其他路径。然而，当存在生物膜载体时，流动基本上流动通过整个载体，即大于流体总流量的80％、如85％、90％、95％或99％沿所述优先的路径流动通过所述载体。

最终，不优先的路径堵塞，导致100％的流量通过优先的路径。相反，由于根据本发明的第二个方面的生物膜载体的构造和位置，沿着生物膜载体并在生物膜载体内的优先竖直路径不会堵塞，因为流体流动基本上平行于生物膜的位置、形成或固定化。

在一些实施方案中，生物反应器还包含用于促进(如连续地促进)沉积于或位于容器底壁内表面上的沉淀物如生物质的移除的装置。

用于促进移除沉淀物的装置可为一种或多种旋转装置，如一个或多个旋转刮刀。

在另一个方面，本发明涉及一种或多种旋转装置，如一个或多个适于用在CSTR中的旋转刮刀。

旋转刮刀可具有刮削边缘和与刮削边缘相对的顶部边缘。

因此在一些实施方案中，所述一个或多个旋转刮刀中的每一个具有刮削边缘和与刮削边缘相对的顶部边缘。

当不在运动中时，旋转刮刀处于将减少或避免相邻区段之间的短路流的位置中。

因此在一些实施方案中，当不在运动中时，所述一个或多个旋转刮刀处于将减少或避免相邻区段之间的短路流的位置中。

例如，当不在运动中时，每一个旋转刮刀可位于界定区段的全挡板下方。

因此，在一些实施方案中，其中当不在运动中时，所述一个或多个旋转刮刀中的每一个位于界定区段的全挡板下方。

每一个旋转刮刀的边缘与挡板的边缘之间的适当间隙将确保正确的旋转以及减少和/或避免区段之间的交叉流动。

因此在一些实施方案中，在所述一个或多个旋转刮刀中的每一个的顶部边缘与全挡板的边缘之间存在间隙，从而确保正确的旋转以及减少和/或避免区段之间的交叉流动。

在旋转过程中，旋转刮刀从其停靠位置(例如全挡板的下方)顺时针或逆时针旋转至第二停靠位置，例如第二全挡板的下方。因此，一次旋转提供整个区段的底壁的内表面的刮削。

在一些实施方案中，所述一个或多个旋转刮刀适于从在第一全挡板下方的停靠位置顺时针或逆时针旋转至在第二全挡板下方的第二停靠位置，由此，一次旋转提供整个区段的所述底壁的内表面的刮削。

在一些其他的实施方案中，旋转刮刀可位于低挡板和/或高挡板的下方，例如每一个低挡板和高挡板的下方。

因此在一些实施方案中，所述一个或多个旋转刮刀位于低挡板或高挡板的下方。

在一些实施方案中，旋转刮刀在全挡板的底部边缘和旋转刮刀的顶部边缘之间提供流体紧密密封。因此在一些实施方案中，所述一个或多个旋转刮刀在全挡板的底部边缘和所述一个或多个旋转刮刀的顶部边缘之间提供流体紧密密封。

流体紧密在本文中定义为将避免或减少反应器的四分之一区段之间至少50％、如45％和0.1％之间、如40％和1％之间、如35％和5％之间、如30％和10％之间、例如25％的横向流动的密封。流体紧密密封因此为将确保隔室或区段与静态区之间的交叉流动低于所需的值的密封。

实现生物反应器的最佳运行所需的值可低于通过对应的上溢孔和下溢孔的流量的50％，如50％和40％之间，或低于30％，如30％和20％之间，或低于20％，如20％和10％之间，或低于10％，如7％、5％、1％，如1％和0.1％之间。

特别地，流体紧密密封确保如上所示交叉流动减至低于通过对应的上溢孔和下溢孔的流量的10％，从而具有实现高产气量和低停留时间的效果。

在一些实施方案中，容器包含限定于或位于底壁的内表面与根据本发明的第二个方面的插件的最低水平面或最低部分之间的底室。

根据本发明的其他实施方案，所述底室可包含用于促进移除沉淀物的装置。

在一些实施方案中，当不在运行中时，用于促进移除沉淀物的装置适于在底室内限定静态区，其中隔室或区段与静态区之间的交叉流动低于所需的值。当在运行中时，静态区变为混合区，其中隔室或区段与静态区之间的交叉流动高于所需的值。

特别地，用于促进移除沉淀物的装置可适于将如上所示交叉流动减至低于通过对应的上溢孔和下溢孔的流量的10％，从而具有实现高产气量和低停留时间的效果。

在一些实施方案中，插件的宽度或尺寸或直径基本上等于容器的宽度或尺寸或直径，例如比容器的宽度或尺寸或直径小0至5％之间。

插件必须配合在容器内部。取决于生物反应器的设计，可以采用不同的尺寸、宽度和直径来符合这一要求。

在一些实施方案中，插件的最低水平面或部分位于与底壁的内表面相距所需的距离处。

所述所需的距离为允许减少或避免相邻区段之间的短路流的距离。所需的距离可由旋转刮刀的高度限定，最终允许在插件的最低水平面与旋转刮刀的顶部边缘之间存在间隙。

在一些实施方案中，生物反应器还包含用于使插件保持在与底壁的内表面相距所需距离处的装置。

例如，用于使插件保持在相距所需距离处的装置可为位于容器的所述一个或多个侧壁上的多个凸起。

在一些实施方案中，用于使插件保持在与底壁的内表面相距所需距离处的装置为底壁的弯曲部分。弯曲部分可逐渐减小容器的宽度、尺寸或直径，其中所述宽度、尺寸或直径由容器的所述一个或多个侧壁限定。

插件可因此被保持、抬起或抵靠在反应器的底壁的弯曲部分上。

在其中生物反应器不具有弯曲的底壁的一些其他实施方案中，可根据生物反应器的设计来使用用于使插件保持在与底壁的内表面相距所需距离处的其他装置。

在一些实施方案中，开放的边缘相对于彼此错位，从而限定多个下溢孔和上溢孔，由此，当生物反应器在运行中时，流体从第一隔室的下溢孔向上流向第二后续隔室的上溢孔，并向下流向第三后续隔室的下溢孔。

在一些其他的实施方案中，当生物反应器在运行中时，用于迫使流体流动的装置限定向上流向后续隔室的上溢孔或向下流向后续隔室的下溢孔的优先流动路径。

在一些其他实施方案中，当生物反应器在运行中时，非后续隔室之间的交叉流动低于所需的值。

所需的值可低于通过对应的上溢孔和下溢孔的流量的50％，如50％和40％之间，或低于30％，如30％和20％之间，或低于20％，如20％和10％之间，或低于10％，如7％、5％、1％，如1％和0.1％之间。

后续隔室也可以是不具有通过彼此之间的上溢和孔下溢孔的最佳流动的相邻隔室。在此后一情况下，所需的值可低于通过在彼此之间具有上溢孔和下溢孔的后续隔室的上溢孔和下溢孔的流量的50％，如50％和40％之间，或低于30％，如30％和20％之间，或低于20％，如20％和10％之间，或低于10％，如7％、5％、1％，如1％和0.1％之间。

在一些其他的实施方案中，生物反应器还包含用于使流体在所述至少两个开放的隔室中的每一个内再循环的装置。

在一些实施方案中，生物反应器还包含用于使流体在所述至少两个开放的隔室之间再循环的装置。

在一些实施方案中，生物反应器还包含用于使流体在每一个区段内再循环的装置。

在一些其他实施方案中，生物反应器还包含用于使流体在区段之间再循环的装置。

在一些实施方案中，用于使流体再循环的装置为一个或多个再循环泵。

在一些实施方案中，所述一个或多个再循环泵的数量等于插件的区段的数量。

在一些实施方案中，所述一个或多个再循环泵的数量至少等于插件的区段的数量。

在一些实施方案中，所述一个或多个再循环泵的数量等于插件的隔室的数量除以二。

再循环泵的数量可超过隔室的数量。生物反应器可设计成对于再循环模式的改变和因此泵的构造的改变是灵活的。

在一些实施方案中，可使用单个泵来实现两个或更多个隔室的再循环，因此在一些实施方案中，泵也可少于隔室的数量。

在一些实施方案中，容器为圆柱形罐式反应器。

容器也可具有不同的几何形状，例如反应器可具有平行六面体、立方体或球形几何形状。

在第四个方面，本发明涉及一种操作生物反应器的方法，所述生物反应器为根据本发明的第三个方面的生物反应器，所述方法包括：

-向生物反应器进给含有生物膜前体的流体；

-进行流体的消化。

所述消化可以是好氧的或厌氧的。

在一些实施方案中，含有生物膜前体的流体为具有至少30.0gr/L的COD的原料。

在一些实施方案中，原料可具有高于30.0gr/L的COD。

在一些其他实施方案中，原料可具有低于30.0gr/L的COD。

原料也可具有比30.0gr/L更低的COD浓度。重要的是，造就生物膜发育的是由来自接种物(即，启动时投入反应器内的流出物、逐步引入的原料和循环流)的微生物进行的载体上的初始生长。生物膜从接种物中存在的细菌并还从原料中存在的细菌发育，原料可具有比这里述及的低和高的COD。例如，原料可为例如具有0.5-10g COD/L的废水或具有1-100g/COD/L的粪肥。

原料也可为例如具有酒厂酒糟的废水、市政固体废物(MSW)的液化有机组分以及来自屠宰场、餐馆、乳制品加工和制革厂的废物。这些废物流含有高的总固体水平，通常高于7重量％。本质上，据信任何适合好氧或厌氧消化/发酵的原料均适合在如本文所公开的生物反应器中处理。

在一些实施方案中，进行的流体的消化以保持通过生物膜载体的优先流动如基本层流的方式发生，水力停留时间为120小时或更少，同时保持至少0.0002m/s的流速和至少5.0L气体/L消化器/天(升气体/升消化器容积/天)的产气速率。

水力停留时间可如实施例中所示介于91小时的时间段和52天的时间段之间。例如，如实施例7中所示，介于160和72小时之间的水力停留时间也是可能的。

产气速率可介于5.0L气体/L消化器/天和20.0L气体/L消化器/天之间，如介于5.0L气体/L消化器/天和15.0L气体/L消化器/天之间，如高于7.0L气体/L消化器/天。

至少0.0002m/s的流速可以是竖直的，即，所需的流速指在竖直方向上流动的速度。理想的是横截面流动或水平流动是有限的或不存在。竖直流动为沿生物膜载体的纵轴的流动，生物膜载体沿生物反应器的纵轴竖直布置。

因此在一些实施方案中，进行的流体的消化以保持通过生物膜载体的基本层流竖直流动的方式发生，水力停留时间为120小时或更少，同时保持至少0.0002m/s的流速和至少5.0L气体/L消化器/天(升气体/升消化器容积/天)的产气速率。

基本层流定义为主要是层流的流动，即，超过80％、如超过90％为层流。然而，当由生物膜产生的气体沿载体壁流动时，基本层流可以是局部湍流的，例如，雷诺数介于1和2500之间。

由于微生物固定化，所以当接受甲烷生产效率的损失时，系统可在低于120小时的HRT下运行。如果处理能力比甲烷产率更重要或如果想要流出物中的可用碳源，情况就可以是这样。

然而，系统也可在高于120小时的停留时间下运行。

在一些实施方案中，原料以保持通过所述生物膜载体的基本层流的方式在厌氧条件下消化以产生生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，如少于110小时，如少于100小时、少于90小时、少于80小时、少于75小时、少于60小时、少于50小时或少于40小时，或者其中停留时间为20-120小时、30-120小时、40-120小时、50-120小时、75-120小时、100-120小时或如50-110小时、50-100小时、50-75小时，同时保持通过生物反应器的至少0.0002m/s的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率。

在一些其他实施方案中，原料以保持通过所述生物膜载体的基本层流的方式在厌氧条件下消化以产生生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，同时保持通过生物反应器的至少0.0002m/s的流速如介于0.0002m/s至0.08m/s之间、如0.0030和0.07之间、如0.009和0.05之间、如0.015m/s至0.045m/s之间的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率。

在一些其他实施方案中，原料在厌氧条件下消化以产生生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，同时保持通过生物反应器的至少0.0002m/s的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天(L/L/D)、如6.0L/L/D和10.0L/L/D之间、如7.0L/L/D和9.0L/L/D之间、如至少8.0L/L/D的产气速率。

在一些实施方案中，进行消化的步骤包括迫使流体在所述至少两个隔室之间向下流向所述至少一个下溢孔或向上流向所述至少一个上溢孔。

在一些其他实施方案中，所述迫使流体流动还包括迫使流体流动通过由所述多个生物膜载体限定的优先的流动路径。

在一些实施方案中，迫使流体流动的步骤还包括使流体在每一个隔室内再循环。

在一些其他实施方案中，迫使流体流动的步骤还包括使流体在隔室之间再循环。

在一些其他实施方案中，迫使流体流动的步骤还包括使流体在每一个区段内再循环。

在一些其他实施方案中，迫使流体流动的步骤还包括使流体在区段之间再循环。

在一些实施方案中，根据第四个方面的方法还包括：

-移除位于生物反应器的底壁内表面上的沉淀物。

在第五个方面，本发明涉及一种用于生产生物气的系统，所述系统包含：

-至少一个用于进料给生物反应器的进料罐；

-一个或多个互连的根据本发明的第二个方面的生物反应器；

-至少一个用于收集来自所述一个或多个互连生物反应器的流出物的流出物罐。

所述系统可还包含包含根据本发明的第一个方面的插件的生物反应器。

在第六个方面，本发明涉及一种将具有内表面的连续搅拌罐反应器(CSTR)转化为固定膜、固定取向、固定床厌氧消化反应器的方法，所述方法包括在所述CSTR内安装根据本发明的第三个方面的插件。

安装步骤可包括将所述一个或多个挡板紧固到CSTR的内表面的一个或多个位置。

紧固可借助螺栓和螺母进行。紧固也可通过焊接进行。

安装步骤可包括首先将插件插入并使之配合在CSTR中，以及其次安装(即可移除地连接)所述多个生物膜载体。

因此，插件和生物膜载体的安装可在其中安装包含生物膜载体的插件的一个步骤中进行，或者可在其中在插入插件后安装生物膜载体的两个分开的步骤中进行。插件和生物膜载体可以可移除地连接，意味着可以以使得它们可在后来被移除以便检查或维护的方式连接。

在其他实施方案中，所述方法还包括在插件内生长生物膜。

在第七个方面，本发明涉及一种对根据本发明的第五个方面的方法改型的CSTR进行维护的方法，所述方法包括：临时中断经改型CSTR的正常运行；移除插件的至少一部分；和重新安装插件的所述至少一部分。

插件的至少一部分被可移除地连接以便其可在安装后容易地移除。

按照根据第七个方面的方法对其进行维护的生物反应器可包含根据第一个方面的插件。

在又一个方面，本发明涉及一种对根据本发明的第二个方面的生物反应器进行维护的方法。

在一些实施方案中，所述插件的至少一部分为插件的至少一个隔室。

插件的所述至少一部分可为插件的至少一个区段。

插件的所述至少一部分可为插件的隔室内的一个或多个生物膜载体。

在第八个方面，本发明涉及根据本发明的第三个方面的生物反应器用来生产生物气如生物甲烷的用途。

在第九个方面，本发明涉及根据本发明的第三个方面的生物反应器用来快速测定原料的生物甲烷潜力的用途。

在第十个方面，本发明涉及根据本发明的第三个方面的生物反应器用来生产由承载于生物膜上的微生物产生的产物的用途。

所述产物可为化学或生物产物，如有机酸、氢气、药理或发酵产物。所述生物反应器适合用于生产可从由插件和/或生物膜载体限定的流动路径受益的产物。

在第十一个方面，本发明涉及一种原料在根据本发明的第三个方面的生物反应器中好氧或厌氧消化的方法，所述方法包括：向生物反应器的隔室中进给原料；通过使原料以足以消化原料的停留时间穿过生物反应器的隔室来消化原料。

隔室可含生物膜载体，所述生物膜载体已被预先接种以获得具有合适的细菌聚生体的生物膜。

所述细菌聚生体可为产甲烷细菌的聚生体。

原料可在每一个隔室之间混合或至少部分地混合。

为了形成进给梯度，原料可在横跨生物反应器的若干隔室处同时进给。

原料可部分地或完全地再循环通过生物反应器。

原料可在生物反应器的隔室之间部分地再循环。

原料可以通过生物膜载体的基本层流的方式在厌氧条件下消化以生产生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，同时保持通过生物反应器的至少0.0002m/s的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率。

原料可具有至少20.0g/L、如至少30.0g/L、至少35g/L、至少40g/L或至少50g/L的化学需氧量(COD)或者其中原料具有20-300g/L、30-300g/L、40-300g/L、50-300g/L、75-300g/L、100-300g/L、如25-250g/L、30-200g/L、35-150g/L、40-150g/L、50-150g/L或如20-125g/L、30-100g/L、30-75g/L、30-50g/L、35-75g/L、40-100g/L、50-175g/L、50-200g/L的COD。

原料可在30至55℃之间、37至53℃之间、如37至48℃之间、如37至40℃之间、如40至44℃之间、如44至48℃之间、如48至53℃之间的温度下消化。

原料可在6.6至8.5之间、如6.8至7.4之间、如7.0至7.4之间、如7.0至7.2之间的pH下消化。

在一些实施方案中，通过再循环和/或通过加入pH调节剂如氨来调节pH。

pH也可通过其他碱性或酸性调节剂和/或通过使用缓冲溶液来调节。

停留时间少于110小时，如少于100小时、少于90小时、少于80小时、少于75小时、少于60小时、少于50小时或少于40小时或者其中所述停留时间为20-120小时、30-120小时、40-120小时、50-120小时、75-120小时、100-120小时或如50-110小时、50-100小时、50-75小时。

在一些实施方案中，流速为至少0.00025m/s，如至少0.0005m/s、至少0.00075m/s、至少0.001m/s、至少0.0025m/s、至少0.005m/s或至少0.0075m/s，或者其中所述流速为0.0002-0.015m/s，如0.0002-0.0125m/s、0.0002-0.01m/s、0.0002-0.0075m/s、0.0002-0.005m/s或如0.00025-0.01m/s、0.0005-0.01m/s、0.00075-0.01m/s、0.001-0.01m/s、0.0025-0.01m/s、0.005-0.01m/s或0.0075-0.01m/s。

产气速率为至少6.0升/升消化器容积/天，如7.0升/升消化器容积/天，至少8.0升/升消化器容积/天、9.0升/升消化器容积/天、至少10.0升/升消化器容积/天，如至少12.5升/升消化器容积/天、至少15升/升消化器容积/天或至少20升/升消化器容积/天和/或其中所述产气速率为5.0-20升/升消化器容积/天，如6.0-20升/升消化器容积/天、7.0-20升/升消化器容积/天、8.0-20升/升消化器容积/天、9.0升/升消化器容积/天或10-20升/升消化器容积/天。

原料可为生物质。

在一些实施方案中，生物质选自废物、污水、粪肥和/或含纤维素、半纤维素、木质纤维素或淀粉的生物质，其选自麦秆、玉米秸秆、甘蔗渣、甜高粱渣或空果串。

废物选自市政固体废物(MSW)、工业废物、动物废物或植物废物。

在一些实施方案中，废物含有高于7％(重量/重量)、如高于8％(重量/重量)、高于9％(重量/重量)、高于10％(重量/重量)、如7-20％(重量/重量)、8-20％(重量/重量)、9-20％(重量/重量)、10-20％(重量/重量)或15-20％(重量/重量)的总固体水平。

生物质已通过水热预处理、酶法水解和/或好氧消化。

本发明的第一个、第二个和第三个及其他方面、实施方案或项目可各自与任何其他方面、实施方案或项目组合。结合下文描述的实施方案，本发明的这些及其他方面将是显而易见并得到阐明的。

附图说明

图1A示出了适于实施本发明的方法的生物反应器的一个实例。

图1B示出了具有附图标记的图1A的生物反应器实例。

图1C示出了根据本发明的一个方面的插件的一个实施方案。

图1D示出了根据本发明的一个方面的插件的另一个实施方案。

图1E示出了根据本发明的一个方面的插件的又一个实施方案。

图2A示出了与图1中所示相似的生物反应器，但具有更详细的特征，从而示出了装有FAD插件的CSTR罐的示意图。

图2B示出了具有附图标记的图2的生物反应器实例。

图2C示出了根据本发明的一些实施方案的插件的区段。

图3A示出了当在运行中时在生物反应器的一个四分之一区段中取得的基本流体流动模式，从而示出了通过图2A和2B中所示生物反应器的四分之一区段的流动。

图3B示出了当在运行中时在生物反应器的一个四分之一区段中取得的基本流体流动模式，其中正确示出了多孔管状生物膜载体，图3A和3B为横截面视图。

图4示出了流体流动模式或路径的示意图，即两个尺寸的FAD消化器的示意性顶视图，示出了不同的室分布、流动模式及循环流动方向和布局。

图5A和5B示出了为生物膜中生物质积聚提供多个“方向”的多孔基质。

图6和图7示出了实验室规模测试装置的两个实施方案的示意图。

图8示出了“充分混合的”级联CSTR的理想停留时间分布(RTD)结果。N＝物质的反应器的次序。

图9示出了来自亚甲蓝通过三个连续的FAD消化器的停留时间分布分析RTD图的实验结果。

图10示出了使用表2中所述的LOF进料在实施例1中描述的FAD系统为期95天的生物膜构建过程中的产气量(菱形)和进给速率(圆圈)，进给速率单位为升每天。

图11示出了FAD被加载以MSW的液化有机级分的过程中COD去除和HRT对时间的关系。

图12示出了附着有生物膜的生物膜载体的照片。

图13示出了快速温度状况变化过程中的连续运行，即在嗜热和嗜温温度范围之间过渡的过程中每升53gCOD/L进料产生的气体对时间的关系。

图14示出了在91小时HRT下及向7.5L消化器中进给2L进料/天时的长时间稳定FAD运行，示出了产生的气体(201)和进给的进料(202)。

图15示出了在91小时HRT下长时间运行的过程中稳定的COD转化效率。

图16示出了流出物的VFA和COD含量对时间(天)的关系。

图17示出了同一消化器中消化器VFA浓度对COD转化效率的关系。

图18示出了生物膜长时间暴露于大气氧之前和之后的生物气产量。

图19示出了来自进给到FAD消化器的木质纤维素稀酒糟的产气量，即来自进给到FAD消化器的第二代生物乙醇生产的稀酒糟的产气量。

图20示出了来自进给到FAD消化器的猪粪肥的产气量。

图21示出了通过冲击试验的产气量。

图22比较了单个进料点的产气量和多个进料点的产气量(系列1)和底物。

具体实施方式

在一些实施方案中，本发明提供了一种厌氧消化生产生物甲烷的方法，其包括以下步骤：

-向固定膜、固定取向、固定床生物反应器系统中引入具有至少30.0g/L的COD含量的底物原料，其中固定化基质的特征在于包含多个支承生物膜的竖直取向多孔管状载体，并且其中在管状载体的上开口上方和下开口下方均提供混合区，和以保持通过管状载体的基本层流的方式进行原料的厌氧消化，水力停留时间为120小时或更少，同时保持至少0.0002m/s的流速和至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率，以及在每一个混合区内混合。

在一些实施方案中，本发明提供了一种厌氧消化生物反应器，其包含具有多个内部竖直生物膜载体隔室的圆柱形罐，所述载体隔室由由耐腐蚀且液体不渗透的材料制成的挡板或壁限定，所述挡板或壁在顶部处开放，其中在每一个载体隔室中，在底部处一侧上包含缩短的壁或下溢孔，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室，并且其中多个载体隔室还在顶部处、在不同于在底部处含有缩短的壁或下溢孔的侧的一侧上包含缩短的壁或上溢孔，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室，所述生物反应器任选地还包含旋转刮刀，当处于关闭位置时其适于在位于载体隔室的最下边缘下方的沉积区中限定密封区段，或当处于打开位置时其适于允许沉积固体的移除。

在一些实施方案中，本发明提供了一种用于将连续搅拌罐反应器(CSTR)转化为固定膜、固定取向、固定床厌氧消化反应器的插件，其包含：

-由耐腐蚀且液体不渗透的材料制成的互连挡板，其限定多个在顶部处开放的竖直生物膜载体隔室，每一个载体隔室在底部处一侧上具有缩短的壁或下溢孔，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室，并且大多数载体隔室在顶部处、在不同于在底部处含有缩短的壁或下溢孔的侧的一侧上具有缩短的壁或上溢孔，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室。

在一些实施方案中，本发明提供了一种将CSTR罐转化为固定膜、固定取向、固定床厌氧消化反应器的方法，其包括以下步骤：

-组装由耐腐蚀且液体不渗透的材料制成的互连挡板的插件，所述互连挡板限定多个在顶部处开放的竖直生物膜载体隔室，每一个载体隔室在底部处一侧上具有缩短的壁，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室，并且大多数载体隔室在顶部处、在不同于在底部处含有缩短的壁的侧的一侧上具有缩短的壁，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室，

-将插件安装于经改型或未经改型CSTR罐内，

-在安装到CSTR罐中之前或之后，给由插件限定的载体隔室装上多个多孔管状载体，和

-在载体上养育生产性生物膜。

在一些实施方案中，本发明提供了用来快速测定受试底物的生物甲烷潜力的方法和实验室规模装置。

通过在固定膜、固定取向、固定床厌氧消化系统中保持非常高的生物气产生速率，生物膜可保持在优异的生产条件下而不会有过度的生物质积聚和相关的堵塞问题。通常，生物气流量应保持在至少5.0升总气体/升消化器容积/天(L/L/D)或至少6.0L/L消化器容积/天或至少7.0或至少8.0或至少9.0下。为了取得这样的高产气量，经处理的废物流通常具有至少30.0g/L或至少40.0g/L或至少50.0g/L的高COD含量。进料流中COD含量的范围通常介于20.0g/L和300g/L之间。此上下文中的总气体指既包含二氧化碳又包含甲烷的混合产物气体。

COD含量通过本领域熟知的硫酸亚铁铵法测定并以mg/L或g/L表示。

高COD/高固体废物流通常与高含量的未溶解固体有关。合适的生物反应器通常应适于处理至少3.0g/L、或5.0g/L、或7.0g/L、或8.0g/L、或10.0g/L、或15.0g/L、或20.0g/L、或25.0g/L、或30.0g/L、或35.0g/L、或40.0g/L、或45.0g/L、或50.0g/L、或55.0g/L、或60.0g/L的未溶解固体。

在固定膜、固定取向、固定床系统中应对具有高含量的未溶解固体的进料流的厌氧消化的一种方法是通过使用竖直取向的固定化基质。竖直取向基质中的未溶解固体只沿流动路径沉淀。在一些实施方案中，沉积颗粒可被引导到沉积区中，在这里，颗粒可被无害地收集。

在一些实施方案中，本发明提供了固定膜、固定取向、固定床厌氧消化生物反应器，其包含多个适于容纳生物膜载体基质的隔室，每一个隔室或大多数隔室与沉积区相关联。“沉积区”指位于生物反应器罐底部与载体隔室的最下边缘之间的自由空间，其通常设置在显著高于罐底部之处。在运行中，管状生物膜载体通常设置在载体隔室内以便载体的下开口位于显著高于载体隔室的最下边缘之处。载体隔室的最下边缘又通常设置在生物反应器罐内显著高于罐的物理底部之处-取决于消化器的尺寸，通常在15cm和500cm之间或50cm和1000cm之间。

在一些实施方案中，本发明的生物反应器配备有消化器底部刮刀装置，其适于将有效消化器空间底部处的沉积区中形成的沉积物输送到污泥泵系统中。以这种方式，自沉积区回收的沉积物可被再引入到消化器进料流中。这有助于通过将未溶解固体的实际停留时间与进料输入的总水力停留时间分开而延长未溶解固体暴露于活性生物甲烷生产微生物的时间。换句话说，从进料流沉淀出的未溶解固体可被再循环而不延长原本短的水力停留时间。这通常改善产气量，并且与标准CSTR系统形成鲜明对比，在标准CSTR系统中，水力停留时间适用于整个进料流，包括溶解和悬浮的固体。

图1A示出了适于实施本发明的方法的生物反应器的一个实例。该反应器为300升CSTR罐，其已用限定内部生物膜载体隔室的互连挡板系统改造。如图所示，罐被分成相等高度和大致相等横截面积的隔室。这将确保均匀的流体流动通过反应器。在此实例中，圆柱形罐装有由耐腐蚀且液体不渗透的材料形成的内部隔室。内区段包含4个四分之一圆筒隔室，这些隔室具有基本相等的横截面积。外区段包含弯曲的外壁，其限定圆柱形空间和梯形隔室，该梯形隔室具有一个由来自内区段的四分之一圆筒隔室的外表面形成的弯曲表面并具有一个由外区段的弯曲外壁形成的弯曲表面。如图所示，隔室起到容纳多孔管状生物膜载体的作用。在运行中，载体被设置在隔室的顶壁下方并且底壁上方的一定水平处。

图1B示出了生物反应器40，其为图1A的生物反应器。生物反应器40已用限定内部生物膜载体隔室42的互连挡板41、45、46的系统改造。如图所示，罐被分成相等高度和大致相等横截面积的区段43。

所有四个区段均容纳相似尺寸的挡板。

在此实例中，全挡板45具有54cm的高度80、低挡板41(即，具有48cm的高度81的具有上溢孔的挡板)、高挡板46(即，具有51cm的高度82的具有下溢孔的挡板)。隔室42容纳多孔管状生物膜载体44。

多孔管状生物膜载体44具有35cm的高度83。

图1C示出了根据本发明的一个方面的插件的一个实施方案。

图1C示出了用于改型罐式反应器13的插件，所述插件包含一个挡板1，其限定两个开放的隔室2和3。包含的挡板具有开放的边缘21，其限定下溢孔22。通过开口32(如入口)引入的流体被迫使向下流向下溢孔22并流动通过下溢孔22，并且最终向上流向上溢孔或其他的开口33(如出口)。

图1D示出了插件14，其包含两个由连续封闭侧壁4界定的隔室6和7，连续封闭侧壁4是弯曲的并围绕挡板5。

挡板5具有开放的边缘23，其相对于连续封闭侧壁4的高度24错位。当插入反应器中时，所述流遵循如图1C中所示的路径。

图1E示出了根据本发明的一个方面的插件的再一个实施方案。

图1E示出了插件15，其包含两个挡板11和12及三个开放的隔室8、9和10。

两个挡板11和12的开放的边缘25和26相对于彼此错位，以便在流体流动通过插件时，其将流动通过由开放的边缘25限定的下溢孔，并且流向和流动通过由开放的边缘26限定的上溢孔。

图2A示出了与图1A中所示相似的生物反应器，但具有更详细的特征。消化器布置在四个四分之一区段中，其中内区段的每一个四分之一圆筒隔室与外区段的三个梯形隔室相关联。此方案是有利的，因为其可简单地组装成插件，该插件可然后装入更大的罐如CSTR罐中。外区段的隔室只因为四分之一区段的几何形状和外区段分成为三个隔室而变为梯形。在用于CSTR的较大规模插件中，可包含一个或多个另外的外区段，从而具有另外的隔室。

图2B示出了生物反应器47，其为图2A的生物反应器。生物反应器47布置在四个四分之一区段48中，其中内区段49的每一个四分之一圆筒隔室与外区段的三个梯形隔室50相关联。对于每一个外区段，流体流遵循箭头51、52和53的方向。流动模式因此被引导为遵循箭头51的上溢至下溢、或箭头53至如箭头52所示上溢的方向。

刮刀54防止或减少相邻区段之间的短路。

处于区段密封位置中的刮刀将确保没有液体通过或减少流体在区段之间的通行，即便共用沉积空间。

沉积区55位于生物反应器47的底部处。

图2C示出了根据本发明的一些实施方案的插件的区段。

图2C示出了具有互连挡板16、17、18和19的插件20的一个区段。

所述挡板为全挡板16、两个低挡板17和18及高挡板19。

插件20具有内或内部区段27和外或外部区段28。外区段28在挡板16和18之间包含三个由挡板17和19限定的开放的隔室29、20和31。

插件20迫使按箭头36的方向插入区段27中的流体向下流向通往隔室29的下溢孔，然后向上流向通往隔室30的上溢孔。在隔室30中，流体向下流向通往隔室31的下溢孔并按箭头34和35的方向向上流回到区段27中或按箭头35的方向流出该区段和插件。

流体流由上溢孔和下溢孔的系统引导着依次通过每一个四分之一区段内相继的载体隔室。为每一个四分之一区段提供再循环抽吸泵。这些泵适于从四分之一区段的流动序列内(其中竖直流动方向向上)的最后一个隔室的顶部抽出流体。该移除的流体然后被再引入到四分之一区段的流动序列内的第一隔室。再循环流可从该隔室中的液体表面上方引入，从而主动地增强引入再循环流的室中的混合。流入的进料流与再循环流混合。这又驱动流动通过反应器的流体-引入的进料流的净体积驱动通过反应器的净流量。

进料入口将与再循环流出物混合的进料流引入到内区段的一个四分之一圆筒隔室中。该隔室的弯曲的壁在底部处缩短，为流体流入外区段第一梯形隔室的底部中提供了一个开口。该缩短的壁是取得下溢孔的一个装置，意味着在隔室底部处有开口，其允许流体流入相继的隔室中。类似地，隔室顶部处缩短的壁是取得上溢孔的一个装置，由此流体流动被引导进入相继的隔室中。或者，下溢孔或上溢孔可简单地为在否则完整无缺的壁中的开口。然而，这种布置将增大沟流的风险。在运行中，管状生物膜载体通常被设置在隔室中使得管状载体的最下开口处于下溢孔上方的高度(即，在底部的缩短的壁的最下表面的上方)的水平处，对应于载体的主要流体通道的直径的2-10倍之间。类似地，管状载体的最上开口处于上溢孔下方的高度处(即，在顶部的缩短的壁的最上表面的下方)，对应于载体的主要流体通道的直径的2-10倍之间。这种布置使得在所述流进入生物膜载体中或从生物膜载体中出来时沟流的风险最小化，并还在载体的最上开口的上方和最下开口的下方限定混合区。

物理载体隔室自身设置在生物反应器罐内使得隔室的最下边缘在生物反应器罐的物理底部上方的水平处。载体隔室的最下边缘下方的开放空间限定一个沉积区，其中可积聚沉积的颗粒。图2A中示出的实施方案还配备有旋转刮刀，其具有四个臂，每一个臂在关闭位置时通过密封载体隔室的最下边缘与罐的底部之间的间隙而使得圆柱形罐的两个四分之一区段之间流体紧密密封。此流体紧密密封确保沉积区内的流体不会在反应器的四分之一区段之间横向流动。可定期使用旋转刮刀来迫使沉积物进入沉积物出口中，沉积物可从这里被泵送和再循环到进料流中。

与再循环液体混合的进料流进入内区段的第一隔室，沿向下的竖直方向行进通过生物膜载体，然后通过下溢孔进入外区段的梯形隔室中。通过第二隔室中的生物膜载体的流体流被迫使变为向上的竖直方向。在此第二隔室的顶部处，流体流通过上溢孔进入第三隔室中。在这里，流体流再次被迫使改变竖直方向为向下竖直流动通过第三隔室。这样，流动被迫使进入交替向下和向上方向的模式并依次通过反应器的每一个隔室，直至其到达序列的最后一个隔室，该最后一个隔室装配有流出物出口，此出口位于隔室的顶表面与对应于上溢孔的底部的水平面(即隔室顶部处缩短的壁的最上表面)之间的中间水平处。这将确保流出物在重力作用下被逐出。

在一些实施方案中，每一个四分之一区段内的流被连续地再循环。引入的进料流的体积确保在四分之一区段之间依次具有净位移并通过流出物出口流出，尽管在每一个四分之一区段内连续地再循环。

在经由下溢孔流体连通的两个隔室的底部处生物膜载体的最下开口下方的区域提供一个混合区。类似地，在经由上溢孔流体连通的两个隔室的顶部处生物膜载体的最上开口上方的区域限定一个混合区。在一些实施方案中，通过竖直流动方向从向下向向上的被迫改变来在运行过程中于混合区内实现混合。因为是在没有搅动的情况下实现的流体流动通过反应器，故通过管状生物膜载体的流基本上是层流的。此外，在没有搅动的情况下，未溶解的颗粒将顺着管状生物膜载体的主要竖直流体通道沉淀并进入沉积区中。

图3A中示意了在运行中时图2A中所示生物反应器的一个四分之一区段中获得的基本流体流动模式。注意，隔室和开放空间的相对尺寸未按比例绘制，故该示意仅是粗略的。如图所示，向下的竖直流动被引导通过四分之一区段(b)中的第一隔室，以活塞流穿过管状生物膜载体。在沉积区中形成沉积物，该沉积区具有区段的所有隔室所共用的开放空间。污泥刮刀(d)密封载体隔室的最下边缘与罐的底部之间的空间，防止流体在生物反应器罐的四分之一区段之间沿底部流动。通过第一隔室的向下的流变为通过第二隔室的向上竖直的流。第一和第二隔室的底部处缩短的壁提供一个下溢孔。在管状生物膜载体的下开口的下方的开放空间中提供一个混合区。位于区段的流动序列中的最后一个室中的再循环泵的抽吸作用起到牵引流动的作用。在底部处的混合区中实现温和的混合。通过第二隔室的向上竖直的流变为通过第三隔室的向下竖直的流。第二和第三隔室的顶部处缩短的壁提供一个上溢孔。在管状生物膜载体的上开口的上方的开放空间中提供一个混合区。位于区段的最后一个室中的再循环泵的抽吸作用起到牵引流动的作用。在顶部处的混合区中实现温和的混合。通过第三隔室的向下竖直的流变为通过第四隔室的向上竖直的流。第三和第四隔室的底部处缩短的壁提供一个下溢孔。

如图3A中一样，图3B示出，向下的竖直流动被引导通过四分之一区段56中的第一隔室，以活塞流穿过管状生物膜载体57。在沉积区中形成沉积物，该沉积区具有区段的所有隔室所共用的开放空间。污泥刮刀58密封载体隔室的最下边缘与罐的底部之间的空间，防止流体在生物反应器罐的四分之一区段之间沿底部流动。

图4示出了通过在图2A中描述的生物反应器和尺寸放大至1000m³的类似生物反应器的载体隔室之间的交替下溢孔和上溢孔(即，交替的向上和向下的竖直流)的流体流动模式示意图。该顶视图示出了室分布、具有上溢和下溢的流动模式以及循环流动方向和位置。两个实例均为装了本发明的插件的CSTR罐，其中载体隔室被填充以管状生物膜载体。

在图4中，针对两种不同类型的反应器：62为FAD 0.3m³、63为FAD 1000m³，流动以根据箭头59的上溢、根据箭头60的下溢和根据箭头61的循环方向和位置示出。

在实施方案如图2A和图4中所描述的那些中，在运行中，通过上混合区的液体流由载体隔室的高于液面的壁限定。通过下混合区的液体流不受隔室壁或挡板限制。相反，在底部处从一个隔室流出的液体将被抽吸到通过下一隔室的上行流中。在载体隔室的最下边缘下方的沉积区是载体隔室的最下边缘与消化器罐底之间从最下室壁到消化器罐底的一个共用空间。离开四分之一区段的流动序列中的第一隔室中的生物膜载体的液体流将向消化器罐底行进。由于流动序列中的第二隔室中的抽吸将移除第二隔室中生物膜载体下方的液体，故相等体积的液体将从通过第一和第二隔室之间的下溢孔的液体由最小阻力路径而替代。无论进入第二隔室的液体是否直接从第一隔室行进到第二隔室或者其是否穿过消化器罐底处的沉积区的一些部分，进入第二隔室中的生物膜载体的液体都将已在从第一隔室的出口到第二隔室的进口之间被混合。不随液体流动通过隔室的沉积颗粒将被允许收集在罐底直至消化器底部刮刀将它们输送到沉积物移除。在四分之一区段的流动序列中的第二和第三隔室的顶部处的混合区内将发生类似的混合。由于流动序列中的第三隔室中的抽吸将移除第三隔室中生物膜载体上方的液体，故相等体积的液体将从通过第二和第三隔室之间的上溢孔的液体由最小阻力路径而替代。交替向上和向下竖直通过四分之一区段中相继的隔室的模式因此实现了两个相邻隔室之间在生物膜载体上方的混合区以及在生物膜载体下方的混合区二者中的混合。

在实施本发明的方法时，在固定膜、固定取向、固定床系统中用来支承生物膜的载体基质理想地是管状且多孔的。如本文所用，术语“管状”指限定一个或多个中心通道的结构，当流体以直立的竖直取向置入时其将在重力的作用下沿一个方向流动通过该结构。管状基质可具有一个或多个中心通道，这些中心通道具有不规则的、矩形的或甚至三角形的横截面几何形状。然而，管状基质优选为圆柱形，即，具有一个或多个具有圆形横截面几何形状的中心通道。圆柱形几何形状是优选的，因为流体通道中拐角的存在将产生流动受限的凹穴。这又往往促进生物质的积聚，甚至是受限流动区域中的沉积，从而减少生物膜的活性表面，并还增大沟流效应的风险。

生物膜载体基质优选是多孔的。术语“多孔”指在通道形成表面上具有开口的载体基质，所述开口可为扭转或外翻表面之间形成的开口。光滑表面基质，例如Escudie等人(2011年)使用的CLOISONYL^TM管，仅允许生物质在生物膜中一个可能的“方向”-向着生物膜载体的流体通道堵塞的方向积聚。相比之下，如图5B中所示，多孔基质提供了生物质在生物膜中多个积聚的“方向”，并往往促进其中膜的表面积对体积比率最大化的较薄膜中的生长。

图5A示出了光滑表面的生物膜载体与带螺纹的波纹面生物膜载体，其中光滑表面生物膜载体64负载附着于光滑表面的脆弱生物膜65，即生物膜65可被容易地撕下。

多孔生物膜载体66具有由螺纹材料构成的载体壁67。生物膜68附着于螺纹的所有表面。如果在管中向内指向的生物膜被撕掉，则附着于螺纹的其他维度的生物膜将保持附着，从而能够再生被冲失的生物膜。

在一些实施方案中，多孔生物膜载体基质具有60m²/m³至300m²/m³之间或80m²/m³至200m²/m³之间或90m²/m³至150m²/m³之间的总表面积对体积比率。载体基质的总表面积对体积比率由通过其最外边界限定的通道形成基质的标称总体积和在生物膜积聚之前基质的裸露表面积来定义。在一些实施方案中，生物膜积聚之前多孔生物膜载体基质的中心通道占横截面积的百分数介于40％和80％之间，或介于50％和70％之间，或介于60％和65％之间。在一些实施方案中，多孔生物膜载体基质的总体积中的空隙体积的百分数介于50％和90％之间，或介于60％和88％之间，或介于72％和82％之间。在一些实施方案中，多孔圆柱形生物膜载体基质的管直径介于0.030m和0.080m之间，或介于0.036m和0.070m之间，或介于0.04m和0.055m之间。

用作固定化基质的合适材料可包括聚乙烯、聚丙烯、尼龙、陶瓷和耐酸碱腐蚀并将允许细菌胞外聚合物附着于载体的大多数其他材料。

在一些实施方案中，使用包含网格的基质，其中所述网格形成为管并且其中所述网格限定总体积的外周缘。在一些实施方案中，所述网格由具有表面粗糙度的交织在一起的挤出聚乙烯线形成。载体线的粗糙度将促进微生物附着，因为其具有其中微生物可附着的小裂隙和孔。与具有光滑表面的生物膜载体相比，网格还将赋予生物膜复原性以在普通剪切力下消除附着。当生物膜载体由粗糙的网格形成时，高的流速不太可能增大生物膜破坏的风险和相关的堵塞风险。一种适于用作通过网格形成的生物膜载体的市售材料为EXPONET^TM所提供的各种形式的BIO BLOK^TM，包括BIO BLOK 80TM、BIO BLOK 100^TM、BIO BLOK150^TM、BIO BLOK 200^TM和BIO BLOK300^TM。

本发明的方法使用多个竖直取向的多孔管状载体支承生物膜来实施。为了发育出适于实施本发明的方法的生物膜，可使用本领域已知的启动和引发程序，包括但不限于Hickey等人1991年所描述的那些。载体上形成的生物膜内微生物的细胞密度通常可达到比在CSTR液体空间中可取得的高一个数量级的水平。参见Langer等人(2014年)。发育出具有高的古菌对细菌相对比例的生物膜是有利的。这通常可通过使用高VFA进给来实现，如Hickey等人1991年所述，其中在启动进料流中来自VFA的COD为至少20g/L。还有利的是在启动进料流中使用高的COD有机负荷，其中总COD为至少30g/L或介于35-150g/L之间，并且其中有机负荷被带至至少50g/L消化器容积/天的水平。生物膜有利地具有至少25％、或至少30％、或至少31％、或至少32％、或至少33％、或至少34％、或至少35％、或至少36％、或至少37％、或至少38％、或至少39％、或至少40％、或至少41％、或至少42％、或至少43％、或至少44％、或至少45％、或至少46％、或至少47％、或至少48％、或至少49％、或至少50％的产甲烷古菌对细菌相对比例。

在生物膜样品中，生物膜中古菌对细菌的相对比例通过在DGGE凝胶中比较使用Gantner等人(2011年)所报道的普适16s rRNA和古菌特异性16s rRNA引物的16srRNA聚合酶链反应(PCR)的产物来测定。

在含多个载体的生物反应器中，理想的是在载体的上开口上方和下开口下方存在“混合区”，其中“开口”指流体流通过其在限定通道的管状结构的底表面处出现的中心通道。“混合区”指开放的空间，在其中可在载体通道空间之外实现混合，在载体通道空间中流体流应基本上是层流的并因此基本上不混合，除了在生物膜表面处的一些返混之外。

当相应的雷诺数为3200或更低时，流动被说成是基本是层流的。如本领域所熟知，雷诺数为用来预测限定的物理约束内的流动模式的无量纲参数。在限定的流动条件下，雷诺数从惯性力对粘性力的比值计算。例如，在流体流动通过管的具体情况下(这与流体流动通过具有圆柱形几何形状的管状生物膜载体的中心通道类似)，雷诺数定义为Q*Dh/vA，其中Q指体积流量，单位为m³/s，Dh指水力直径，意思是由管状载体限定的通道的有效内直径，v为运动粘度，单位为m²/s(以流体粘度(单位kg/m*s)与其密度(单位kg/m³)之比计算)，A为通道的内直径的有效横截面积，单位为米(m)。通过在适当温度下使用水的运动粘度，可在厌氧消化进料流的任何给定的流动环境下计算可能的雷诺数的上限，因为对于高固体进料流来说这总是小于对应的值。

通常，通过管状载体的流动将保持基本上层流的，只要通过每一个载体的流速不会产生高于3200的雷诺数。

流动被说成是基本上层流的，意思是流动模式预期是层流的，然而，由于生物气产生或其他原因，可能会发生一些返混。为了取得均匀的流体速度分布和基本上以层流流动通过管状载体，总载体横截面积将受室尺寸的限制。通过本发明的系统的流速由载体隔室的尺寸与循环泵的容量之间的相互关系确定。本发明的生物反应器通常允许一个循环泵循环许多隔室。随着消化器尺寸和消化容量增大，载体隔室数增加。

在一些实施方案中，通过本发明的生物反应器的流动控制可描述如下。为了确保图2A和图4中所示实施方案中通过生物膜载体室和总体上通过整个消化器的正确流动，FAD生物反应器的四个四分之一区段中的每一个由一个循环泵循环。循环系统因此包含4个等价的液体循环泵，其控制四分之一区段内载体隔室之间的循环。循环起到两个目的：确保正确的流速通过生物膜载体和以足够的频率将刚刚通过一个载体隔室的生物质再引入顺次的下一隔室中。生物反应器中载体隔室的总数越大，在任何给定的循环泵流量下生物膜载体中的流速将越高。原理是，每次通过竖直流体屏障将消化器体积分成两个相等的体积时，消化器体积的每一半中的流速将相对于未分开的消化器体积中的流速加倍，前提条件是流动被迫使沿着两个半份的竖直高度行进。当消化器体积被等分成X个区段时，则每一个区段中的循环泵流量比通过消化器的总循环流量快X倍。这使得能够设计通过每一个室的特定流速并限制必要的循环泵容量。

理想地，循环泵的容量应足够以每小时至少两次地将循环流再引入到四分之一区段内载体隔室中的每一个中。在一些实施方案中，再循环泵的容量足够以每小时2至30次之间或3至20次之间地将循环流再引入到四分之一区段内载体隔室中的每一个中。所需的流速和最小再引入体积要求限定任何给定尺寸的FAD消化器的最大和最小循环泵容量。当进料流被引入到四个四分之一区段循环流中的一个或多个中时，进料流有助于整个生物膜载体流速并且在确定正确的循环泵流动容量时通常应予以考虑。

表1：FAD消化器的室和循环泵设计参数

任何尺寸和类型的CSTR罐均可装上插件来取得本发明的生物反应器。尺寸、循环流量和室布置将不同并且可适应于每一罐类型，如表1中所述。本领域技术人员将容易理解，除了图2A和图4中所示实施方案的四分之一区段方案之外，还可使用其他隔室化方案。

在流体穿过生物膜载体之前和之后均取得流体的混合将是有利的。通过载体中心通道的流通常为活塞流。随着活塞流的前进，该流将仅在每一个单独的管状载体内经历轻微的返混。每一个管将然后经历流动前沿，其特征在于具有不同速度的高斯分布，其中通过通道的中心部分的那部分液体流具有比靠近载体“壁”即靠近生物膜表面的那部分液体流更高的速度。当通过每一个管状载体的流离开载体时，生物膜表面附近的流的周缘将比通道中心中的流的部分在管中有更长的驻留时间。周缘流将因此比通道中心中的流更有机会与生物膜交换底物和产物。为了避免其中离开一个载体的同一中心流再次进入隔室化生物反应器中的后续载体的载体通道中心的情况，理想的是，流动的流体在从一个隔室去往另一个隔室时应被混合。在使用本发明的厌氧消化反应器时，通过生物膜载体的竖直流体流的方向在相继的生物膜载体隔室之间在“向下”和“向上”之间交替。以向上/向下方向穿过生物膜载体的液体将经由水平运动转移到下一隔室。因此，当向下的流进入生物膜载体的下开口下方的沉积区时，所述流将被迫使侧向通过沉积区到达相继的生物膜载体室下的空间。所述流的侧向运动(其直至该点已经竖直)在液体被迫使向上以活塞流通过相继的生物膜载体室中的生物膜载体之前取得液体的温和混合。

混合在混合区中取得，并可通过各种不同的措施来实现。在一些实施方案中，沉积区自身为混合区。在一些实施方案中，混合可通过混合泵或搅拌器取得。在一些实施方案中，在生物反应器的一些隔室中，混合可通过从流体表面上方引入进料流和/或再循环流来实现，由此实现飞溅混合效应。在一些实施方案中，混合简单地通过迫使流体流进入其被迫使改变其竖直流动方向的空间中来实现。

厌氧消化通过本领域熟知的措施进行，但得益于这里给出的新结果。我们已发现，使用其中使用高VFA进料发育的生物膜的固定膜、固定取向、固定床系统，厌氧生物膜对CSTR系统中通常为毒性的各种现象具有抗性，这些现象包括高盐含量、高VFA含量和氧气暴露。此外，并令人惊奇的是，尽管现在普遍认为厌氧消化微生物不能简单地从嗜温(35-42℃)快速变换到嗜热(49-55℃)条件，但操作温度实际上是可轻易地改变的。参见例如Bouskova等人(2005年)和参见Li等人(2014年)。我们的结果证实，在固定膜、固定取向、固定床系统中，这样的快速变换事实上是很容易的。

为了取得非常高的总产气速率，高固体进料流通常在短的水力停留时间(HRT)内处理，如120小时或更短，或100小时或更短，或75小时或更短。

此外，为了保持高的总产气量，保持适当地快的流速。如本文所用，“流速”指通过管状生物膜载体的流体流的线速度，以米/秒(m/s)表示。流速可通过各种措施来控制，这是本领域技术人员易于理解的。在一些实施方案中，流速由总流入输入来控制，包括进料流和再循环二者。例如，当使用经隔室化以包含多个其中填充管状载体支承生物膜的相等大小生物膜载体隔室的反应器来实施本发明的方法时，流速可近似如下：(1/3600秒/小时)*[以升/小时为单位的总输入(包括进料流输入和再循环流)/以升为单位的总消化器可用内容积(其由消化器罐中的总液体容积减去由管状载体排代的净液体容积定义)]*(消化器中液柱的高度，单位m)*(消化器中生物膜载体隔室的总数)。

在一些实施方案中，例如，当使用小尺寸反应器作为用于测定受试底物的生物甲烷潜力的实验室规模装置时，应使流速保持在至少0.0002m/s或更高。在1000m³商业规模反应器中，流速应保持在至少0.020m/s的远远更高的速率下。通常，流速应保持在0.0002m/s至0.08m/s、或0.0030m/s至0.07m/s之间、或0.009m/s至0.05m/s之间的范围内。

本发明的生物反应器的其他实施方案可具有其他形状的消化器室。一种这样的替代室形状可为矩形形状的室、圆形室、六边形或八边形室。这些室可呈既允许室占据整个消化器横截面积又将防止尖锐的流动减慢拐角的任何形状。

沉积物通常具有12-15重量％的干物质，其中“干物质”指总固体，并通常包含生物惰性即不可消化的COD和无机干物质的主要组分，主要是在消化过程中从进料流生物质释放出的无机物。从这样的系统获得的沉积物通常提供良好的肥力，因为其含有来自进料流的大多数磷含量以及高浓度的含氮化合物和营养盐。当例如通过倾析、过滤、蒸发或本领域已知的其他措施进一步脱水时，从这样的系统获得的沉积物可具有30-50％的干物质，这将降低当材料被弃去、运送以用作肥料或者焚烧时的处理成本。

适于实施本发明的方法的更小、更简单的反应器型式可用作用于快速测定受试底物的生物甲烷潜力的实验室规模装置。本领域技术人员普遍接受的是，在长20个星期的实验室批量测试中测得的生物甲烷潜力不可避免地高估了在商业规模CSTR系统中实际可取得的产率。通常，这些实验室数字在商业预期的计算中减少20％。然而，与批量CSTR测试相比，本发明的固定膜、固定取向、固定床系统提供了几乎近似于在商业规模上使用这些系统可取得的产率的实验室规模上生物甲烷潜力估计。此外，与耗时的CSTR批量测试不同，使用本发明的系统进行生物甲烷潜力测试可在一个星期内就提供准确的测量值。

图6和图7示出了实验室规模测试装置的两个实施方案的示意图。图6中所示反应器为在竖直取向的管状生物膜载体71上方和下方具有混合区的单个圆柱形罐70。每一个混合区由具有叶片72的转子69搅动。罐的液体内容物按循环流73连续地再循环。流入的进料与再循环的液体混合。外加进料的净体积决定流出物从系统的净排放量。图7中所示的反应器稍微要复杂一些，因为图6中所示类型的三个单独的反应器被串联组合。因此，图7示出了类似于三个FAD室的串联工作台规模FAD消化器。每一个罐的液体内容物被连续地再循环。外加进料的净体积决定从第一个罐到第二个罐和从第二个罐到第三个罐到流出物的净排放量。在这种布置中，大部分厌氧消化发生在第一个罐中，但在该系列的后期罐中取得了良好的收尾(finishing)。这通常模拟商业规模工厂的情况。

因此，图7示出了用来生产生物气的系统(74)，该系统包含：至少一个进料罐(75)以进料给生物反应器；一个或多个互连的生物反应器(77)；至少一个流出物罐(76)以收集来自所述一个或多个互连生物反应器的流出物。

实施例

实施例1：30升反应器系统的设计

设计称为“快速厌氧消化(FAD)”系统的30L生物气生物反应器系统，其包含进料罐、三个连续的厌氧消化器和流出物罐。三个连续的消化器罐中的每一个都装配有非随机竖直取向的管状细菌载体BIO BLOK 300 Tm，其上附着有厌氧生物膜，其进行有机生物质的厌氧降解和随后向生物气的转化。三个连续的消化器中的每一个具有10L的总液体容积并且该容积中的6L被生物膜载体所占据。

三个连续的消化器中的每一个宽20cm。内部管状载体中的每一个长20cm并具有22mm的开口端直径和32mm的载体外径。

消化器被填充以液体。生物膜载体上方和下方有大约5cm的自由液体。三个消化器中的每一个在生物膜载体上方和下方的无载体液体中装配有中心轴安装的螺旋桨式搅拌器。在不存在生物膜的情况下由管状载体限定的主要流体通道的内径为2.2cm。

三个消化器安装在不同的竖直位置处，第一个消化器安装的最高，下一个连续的消化器比第一个消化器低25cm，最后一个连续的消化器的安装位置比第二个消化器低25cm。竖直安装高度的差异允许液体在重力作用下从第一个消化器流向第二和第三个消化器。

所有三个消化器中的液位由载体上方的流出物管限定。当新的进料进入第一个也是安装的最高的消化器时，该消化器中的液位将升高到流出物管水平面的上方，过量的液体将离开该消化器而进入第二个消化器，其然后将经历液位升高并且来自该消化器的过量液体将然后流向第三个也是最后一个连续的消化器。来自该消化器的过量液体将流出第三个消化器的流出物管并进入流出物盛放器中。

所有三个消化器均在消化器的底部具有循环流出物管。消化器内容物从流出物管被连续地抽吸到蠕动循环泵并通过消化器顶部循环液体入口管返回到消化器。

循环流率由通过竖直取向生物膜载体的开放直径的所需流速限定。在液体流进入载体主体之前，循环的液体在生物膜载体上方由螺旋桨混合，液体流以平推层流通过载体主体。当循环的液体离开载体区时，在重复循环周期之前，其在载体下方由螺旋桨式搅拌器再次混合。

在三个消化器的液位上方存在一个顶部空间，所产生的生物气将收集在这里。所产生的气体通过连接到气体流量计的塑料管离开消化器，所述气体流量计具有10ml的气体分辨率。产气量被记录在控制系统中。

消化器内部流动模式

内部循环流可具有至少两个功能：

1.将富含底物的液体再引入到驻留在生物膜载体内部周缘的细菌生物膜。

通过安装生物膜载体使得管的开口端在液体流动方向上，仅以平推层流流动通过载体的液体周缘将与附着于载体的生物膜接触。由于对于中心液体中的底物来说，循环流速太高而不能扩散到细菌致密生物膜，故不与生物膜直接接触或不是非常靠近生物膜的底物将不会与固定起来的生物气细菌相遇。通过混合离开载体区的液体和混合进入载体区的液体，将确保再引入物是充分混合的并且在下一活塞流经过载体区的过程中与生物膜紧邻的液体部分将再次携带未降解的底物。

2.对抗载体管中的碎片沉积，并帮助沉淀颗粒运送离开生物膜载体区。

当消化器进料含有沉积的颗粒和/或可缓慢降解的胶体颗粒时，存在此类颗粒将堵塞在一起而形成碎屑并产生流动障碍物的风险，该流动障碍物将减慢通过管状载体的液体流动并破坏活塞流。为了使所有生物膜得到充分利用，所有的管对液体流动来说必须保持开放。如果允许碎屑在某管中沉降，则该管将经受比其他管更高的流动阻力，并且液体将停滞而不流经该管，因为液体总是选择更容易的流动通道。这将随后在载体区中产生死区-并且剩余的开放的管中流速将太高，从而缩短底物与细菌之间的暴露时间并使生物膜有着因剪切力而破裂的风险。

因此，被运送通过载体区而不附着到生物膜载体的沉积颗粒将被允许沉积在消化器的底部并与胶体颗粒一道抽吸入循环管中以与循环流一起被再引入。这样就可以使颗粒保持悬浮并允许沉积的颗粒穿过整个系统进入流出物罐中。

控制和操作

在对进料泵和循环泵进行脉冲暂停和速度控制下自动运行系统。

测量pH、消化器温度和气体流量并在线记录，并可远程访问和控制。

与VFA(挥发性脂肪酸)、COD(化学需氧量)、氮和阳离子的分析测量一道使用pH、温度和气体流量来监测系统健康状况和为测试的目的提供数据。

实施例2：在不存在生物膜的情况下的流动试验

为了验证混合是否适当，通过使浓亚甲蓝染料的脉冲穿过来测量局部循环和总的活塞流分布，其可在分布于系统中之后用分光光度计测定。

RTD分析提供系统中流体和颗粒分布的数学、图形和容器方式(wise)的图。为了取得最佳混合，总系统表现得像真正的活塞流，并且每一个消化器都作为CSTR，尽管每一个消化器中都有活塞流区。如果RTD分析显示混合不是最佳的，则其应指向最佳解决方案。

目视检查反应器是否正常发挥功能并向它们中的每一个中填充7.5升自来水。向级联的第一个反应器中注入单剂量的亚甲蓝至0.0058mM的最终浓度并使用设定于668nm(亚甲蓝显示出最大吸收的波长)下的分光光度计记录吸光度。然后使用蠕动泵和从顶部向串联的第一个反应器中引入恒定流量的水，以便在经过2小时时反应器内整个体积被排代。在此过程中，每5分钟从每一个单独的反应器的顶部采样并在分光光度计中测量。然后绘制RTD曲线来验证系统是否具有适当的混合以及流动是否如预期的那样发生。将结果与文献中的相似实验加以比较。

循环速度设定为0.45每分钟。从每一个反应器内采样后不久就进行比色皿和分光光度测量。图8示出了当所有消化器内的溶液均适当混合时CSTR反应器的级联的理想行为。来自该RTD分析的实验结果示于图9中。理想和经验图的比较表明，系统的流动行为是适当的。特别地，当与上一个重叠时，发生了单个消化器的最大浓度或峰值，表明总级联体积在逐渐增加；这是在充分混合的系统中预期的情况。此外，在60分钟的时间后，所有消化器中染料的浓度按预期的顺序缓慢下降，这表明从第一个到最后一个消化器的流量是足够的，因为染料不会集中在系统的任何消化器的任何特定区域中。

实施例3：消化器接种

许多残余产物生物质含有导致从有机物质厌氧产生生物气的微生物。在建立不同细菌和古菌的必要浓度时，必须顾及所有微生物的繁殖时间。为了最大限度地减少构建所需生物活性的时间消耗，建议从已经具有高浓度的生物气微生物的生物质开始。

微生物组成的最佳匹配将来自转化与满载FAD消化器中所预期的生物质相似的生物质的厌氧消化器。由于FAD预计将在市政固体废物(MSW)的酶法和微生物法预消化(液化)有机级分上运行，并且由于不存在这样的消化器，故最接近的是在其他类型的预消化生物质上运行的消化器。选择丹麦的Billund生物气消化器作为种子接种物源，因为其在源头分离厨余废物上运行。大多数人类消费品已经预处理并主要由碳水化合物、脂肪和肉蛋白组成。这与市政固体废物(MSW)的液化有机级分匹配最紧密，其将提供所需微生物聚生体的最高浓度。

接种

从充分混合的Billund消化器取各20L的两个样品。将样品于消化器温度下运送到FAD消化器设备并立即应用于FAD消化器。由于接种物未填充消化器，故加入温水来达到合适的消化器液位。

在取出并运送时，可预期产甲烷菌会紧张而变得暂时无活性。为了使种子产甲烷菌适应环境，让FAD消化器在37℃的运行温度下静置7天。

在经过接种适应期后，向所有消化器中注入150ml MSW(SLR为0.6gCOD/L*d)的液化有机级分(LOF)的脉冲冲击负荷以测试它们的生活状况及其它们是否准备就绪可以开始加载了。对于Billund生物气消化器的消化器内容物来说，150ml LOF远低于每天的平常负荷而没有任何过度进给接种细菌的危险。所得气体和COD平衡分析表明，产生了预期的量的生物气。当此消化器通过“健康”检查并且所有消化器都显示了预期的转化率时，则消化器已准备就绪可以加载了。

实施例4：基于高VFA进料流建立生物膜

在开始FAD消化器的加载之前，确定起始负荷。在被运送、重新安置、加热和稀释时，消化器内容物不能期望发挥与在源消化器内相同的效率。Billund Biogas告知在其消化器中标准COD负荷为大约3gCOD/L*d，则FAD工作台规模系统中的起始LOF负荷确定为2/3’rds(2gCOD/L*d)以既获得快速加载又顾及到源自向FAD消化器的转移的任何工艺困难。

生物膜预期将附着到载体上并在8-12星期的时间范围内涵盖想要的微生物(如本领域已知的那样)。顺序是首先是分泌杆菌和球菌的不同胞外聚合物的附着，接着是各种细菌家族聚生体的附着，用时5-7星期，然后仅在生物膜接种的第10至12星期期间进行产甲烷古菌的附着。

由于生物膜载体始终被消化器液体覆盖，故生物膜自身不能被直接监测。在接种过程中，消化器液体能够像任何CSTR消化器一样转化进给的COD。因此，本文的消化器系统将以与常规的生物气系统加载的相同方式加载，COD负荷的增加要顾及生长最慢的微生物-产甲烷菌的生长限制。加载以在前一天的进给量的基础上每天增加大约1.5％的进给量进行。

在常规的生物气消化器加载过程中，遵守10-14天的产甲烷菌保养时间。当水力负荷超过此且水力停留时间(HRT)降至10天以下时，常规的生物气消化器将不能再支持产甲烷菌的必要繁殖，它们将被冲失，从而降低生物气形成能力、增大VFA浓度并最终使消化器工艺停滞。当生物膜已发育为正确附着到生物膜载体上时，即便消化器液体中的产甲烷浓度下降，生物膜中的细菌聚生体也将支持COD转化效率。因此，进料加载至达到10天的HRT花时至少12星期以便允许生物膜充分发育。

当消化器COD转化率保持完好无损并还随COD加载而增大时，生物膜事实上已经接管生物气生产，并且继续加载COD将不用再顾及消化器液体中产甲烷菌的繁殖速度，而是要顾及浸没在现在形成的生物膜中或附着到现在形成的生物膜上的产甲烷菌的繁殖速度。当COD加载继续到甚至降低HRT时，证明生物膜微生物群落是可塑的并可在完全形成之后以适合降解COD并将其转化为甲烷气体这一目的的方式进行改变。

用作进料以构建生物膜的MSW的液化有机级分的特性示于表2中。pH通常为大约4.0-4.2。总挥发性脂肪酸，特别是乙酸盐和乳酸盐，已经在市政固体废物的有机级分的酶法和微生物液化过程中发酵。该LOF进料的总固体和挥发性固体通常可分别在100-120gr固体/L和80-100gr/L之间振荡。总固体以重量/重量百分数表示。

表1：MSW的液化有机级分的特性

进料特性

挥发性脂肪酸

糖单体和乙醇

葡萄糖	木糖	木糖醇	乙醇
				g/L	g/L	g/L	g/L
0.59	0.17	0.67	7.99

固体和化学需氧量

图11示出了使用表2中所述的LOF进料在实施例1中描述的FAD系统为期100天的生物膜构建过程中的COD去除(占总量的百分数)(正方形)和水力停留时间(三角形)。

当COD转化率不再通过当COD负荷增大时增加产气量作出响应、并且消化器通过消化器流出物中增大VFA浓度作出响应时，COD加载达到稳定。就生物膜构建中使用的LOF进料而言，最初在72小时水力停留时间下达到该点。然而，不认为这反映了系统的任何潜在代谢限制，而是反映了使用高度酸性进料时因pH平衡问题产生的技术困难。

实施例5：生物膜的表征

在如实施例4中所述发育生物膜之后从实施例1中描述的生物反应器移除来自BIOBLOK 300 Tm载体的一个单管。图12示出了附着有生物膜的多孔管状载体的照片。该照片自载体外最容易拍摄的地方拍摄。管状载体内看起来是相同的。附着到载体的生物膜包含一种带绿色的滑溜材料并通常具有0.5-1.5mm之间的厚度，取决于生物膜是在指向管中心的线表面上生长(最薄的生物膜)还是在由构成载体的上覆线所形成的空间中生长(最厚的生物膜)。生物膜在所有载体线上均匀分布。生物膜是光滑的并且不具有从其表面突出的任何线。

为了对生物膜进行测试并描述其性质，已从消化器中取出载体的“活组织”。生物膜似乎易于通过高速水冲洗等从载体移除。当从载体移除生物膜时，生物膜不会层层松动，而是仅剪切力点处的膜会被擦掉。

载体上形成的生物膜内微生物的细胞密度通常可达到比在CSTR液体空间中可取得的高一个数量级的水平。参见Langer等人(2014年)。因此，预期在实施本发明的方法时在多孔管状载体上形成的生物膜内高密度的产甲烷古菌有助于使用本发明的生物反应器提高生物气生产性能。在生物膜内保持高的细胞密度起到保护微生物群落使之免于将影响CSTR系统的过程失衡的作用。此外，在反应器的接种过程中使用的高有机负荷有利于致密的微生物群落附着到具有比在较低有机负荷下甚至更高的细胞比率的生物膜。

从如上所述“活组织”移除的生物膜内古菌对细菌的相对比例和大致的细胞密度可通过比较在DGGE凝胶中使用Gantner等人(2011年)所报道的普适16s rRNA和古菌特异性16s rRNA引物的16srRNA聚合酶链反应(PCR)的产物来测定。

这样做将可以描述生物膜内发育的古菌群落并了解它们与造成有机化合物分解直至产生生物气的其余微生物之间的比率。级联的第一消化器室预期具有比后续室中更高的古菌比例，因为在此工艺步骤中大多数容易降解的代谢有机物被优选单体糖、低分子脂质等的微生物转化。然而，后续消化器室可能包含更专门降解将转化为生物气的较大有机化合物的群落。可进行关于总体微生物类群的定量和测定及其在连续的室中的分布的进一步研究以描述上面提到的内容。

实施例6：从嗜温到嗜热条件快速变换-提高的变换速率消除了对高固体酸性进料流进行pH调节的需要

先前在现有技术中已经相信，在生产生物甲烷的嗜温和嗜热古菌之间存在明确的区别。参见例如Bouskova等人(2005年)和参见Li等人(2014年)。在实施例4中描述的实验的过程中，我们发现生物膜内的微生物群落在37℃至53℃的整个温度范围内正常起作用。两种温度状况之间的差异在于，在嗜热温度下COD转化进行得更快，因此，当温度为从嗜温(37℃)到嗜热(53℃)条件时，调节酸性LOF进料培养基的pH的需要消失。调节pH的需要在较高温度下消失是因为来自COD向CO₂、CH₄和NH₄ ⁺的转化的内部缓冲效应发生得足够快以抵消由进入的酸性原料引起的酸化。

消化器中的生物膜使用LOF进料在嗜温温度——37℃下发育。随后在很短的时间段内将温度升至52℃。这导致更快的COD周转并消除了酸性LOF进料的pH调节的需要。固定化在生物膜中的活性生物学不能非常快地改变。在短至三小时的时间内在嗜温和嗜热范围之间上下改变工艺温度的能力表明温度灵活性已经在嗜温温度下生长的微生物群落中所固有。难以想象嗜热微生物在嗜温生物膜构建过程中赢得一些选择性的战斗。这表明当被约束在高细胞密度生物膜内时，相同的微生物实际上具有比以前认为可能的要大得多的温度操作窗口。由于这种先前未知的特征，本发明的生物反应器可在任一温度范围内运行而不管初始加载温度如何。

为了记录如实施例1、3和4中所述发育的FAD系统的温度灵活性，于53℃下向系统进给恒定进给速率的酸性LOF进料直至取得稳定的产气。将处于恒定进给速率下的系统的温度突然变为37℃并保持到再次取得稳定的产气。然后让温度恢复至53℃并保持到再次取得稳定的产气。该实验的结果示于图13中，其示出了在145小时的运行过程中的温度(301)和产气量(302)。如图所示，在不到三小时的时间内，消化器内的温度降至37℃。在接下来的60小时内，生物气产量逐渐增加，直至达到相同生物气产量水平下的稳态(此时是在温度变化之前)。在产量稳定后，使温度再次恢复到嗜热范围，最终重新获得了相同的稳态产气水平。如图所示，温度升高将加速水解、发酵和甲烷形成的过程。因此，可以观察到系统可在不同的温度范围下运行而不损害产气并且厌氧过程在升高的温度下更快地发生。因此，否则会损害CSTR中相同过程的长期性能的快速波动对于FAD消化器来说不是问题。

实施例7：长期稳定性且对过程控制要求极低

向如实施例1、3和4中所述发育的FAD系统进给以具有表3中所示特性的LOF原料，水力停留时间为91小时，持续52天的时间段。图14示出了48天的产气量(红色圆圈)和进给速率(蓝色圆圈)。图15示出了48天的时间段内的COD转化率％。图16示出了51天的时间在来自消化器系统的流出物中测得的COD含量(圆圈)和VFA水平(三角形)。

如图所示，系统支持稳定的运行并且对过程控制的需求极低。这种稳定的运行在确定连续条件下生物质气体潜力和产气量二者方面是非常有益的。COD转化效率保持与进给速率无关，并且随着进给量稳定化，产气量变得稳定，这是连续条件下的实际产气的一个很强的指示。另外，仍然在COD转化率不变的前提条件下，从最初进给到移除进料后产气停滞的总产气量将显示进料材料的气体潜力，就跟在常规批量测试中进行的一样好。

表2：稳态运行试验中REnescience C生物质的特性

进料特性

挥发性脂肪酸

糖单体和乙醇

葡萄糖	木糖	木糖醇	乙醇
				g/L	g/L	g/L	g/L
1.14	3.31	0	2.99

固体和化学需氧量

流出物特性

挥发性脂肪酸

糖单体和乙醇

固体和化学需氧量

实施例8：对VFA毒性的免疫

文献中已经描述，在厌氧消化器内，乙酸盐在浓度高于100mM(6g/l)时、其他VFA物质在高于较低的浓度时，挥发性脂肪酸(VFA)浓度将开始呈现抑制性(Ahring.B.K,1994年)。

参考文献：Ahring.B.K.(1994).Volatile fatty acids as indicators ofprocess imbalance in anaerobic digestors.Applied Microbiology Biotechnology。

在一个月的时间内，向实施例1、3和4中描述的系统进给富含VFA(38-45g/l)和富含COD(100-130gCOD)的LOFMSW(市政固体废物的液化有机级分)底物，水力停留时间为160至72小时之间。在此过程中，测得一个消化器罐内的VFA浓度高于12g/l VFA-两倍于报道的对生物气工艺抑制性的浓度。此高VFA浓度未影响产气量，在每一种情况下，产气量都高于流出物中测得的总COD减少量的70％。

图17示出了在25天的过程中在单个消化器室内测得的VFA浓度(圆圈)和转化效率(正方形)。如图所示，高VFA浓度明显不是抑制性的，COD转化效率与测得的VFA浓度变化无关。因此，FAD系统中最大可接受的VFA浓度高于所测得的为16.2g VFA/L的最大浓度。

实施例9：对氧气毒性的免疫

图18中示出了生物膜长时间暴露于大气氧之前和之后的生物气产量，其中：

A1：加载底物1

B1：稳定的生产底物1

C1：烧去底物1

D：过滤器暴露于氧

E：过滤器用流出物再水化

A2：加载底物2

B2：稳定的生产底物2

C2：烧去底物2

线402示出了进给的进料；线401示出了产生的气体。

向实施例1、3和4中描述的系统进给两种相似的LOF底物；第一种具有107.5g COD/l的总COD负荷，第二种具有101.7g COD/l的总COD负荷。图12示出了该实验的不同阶段过程中的生物气产量和进给速率，所述阶段包括两种不同底物的剩余有机物的加载、稳定的进给和产气及烧去(表示进料停滞后剩余的产气量)。在测试之间，使消化器固定化载体长久暴露于大气三天，然后用先前从消化器撤出的流出物对载体进行5天的再水化。在这两种情况下，稳定产气下的体积负荷相同，为在消化器中1.95升底物/天，相当于3.8天的HRT。

加载阶段A1和A2由两天的运行组成，其中向反应器进给增加的量的底物直至达到稳定的生产负荷，分别为B1和B2。对于第一底物，平均生物气产量为88.08NL/天，对于平均54.44升CH₄/天而言甲烷含量为61.8％。这等价于80％的COD转化效率。

第一次烧去即C1后，反应器内的液体通过消化器底部中的再循环泄放口全部移除。然后用等价于消化器容积的两倍的量的自来水冲洗消化器(在室温下)。载体保持暴露于大气氧达3天，然后再次用来自先前实验的流出物填充反应器，该流出物与在空气暴露之前移除的相似。根据对空气暴露的脆弱性的常识，D中的操作应导致厌氧消化器的失衡，因为已见述及，在常规的厌氧消化过程中氧是有毒的和抑制性的(Deshai，B 2011年)。虽然暴露于富氧气氛中应该使厌氧细菌失活，但这并未发生-据推测是由于潮湿生物膜所提供的保护。在常规的生物气消化器中，灭活的细菌将与流出物一道离开消化器并因此消除消化能力，即便细菌可通过去除氧的暴露而恢复活化。在FAD消化器中，细菌不能离开，并如后一阶段清楚地显示的那样，细菌在再水化和加载新底物之后是同等活性的。

在过滤器用流出物再水化(E)后，在消化器中进行类似的加载和稳定的进给。在阶段B2过程中，平均产量为85,55NL/天，此时，对于平均53.04升CH₄/天而言甲烷含量为62％。转化效率为83％，这与暴露于氧之前的COD转化效率非常相似。这一观察结果表明，要求保护的系统对空气暴露的恢复力强并且过程的连续性不会因这种否则将具有破坏性的操作而受损。此外，两个烧去阶段C1和C2也相似。当进给停止时，生产在第5和第7天之间停止。在这两种情况下，在没有底物的第一天后，生产已下降超过50％。

(Deshai,B.(2011).Oxygen Effects in Anaerobic Digestion–A Review.TheOpen Waste Management Journal.)

实施例10：原料灵活性

向实施例1、3和4中描述的系统进给以各种不同的原料。

要求保护的系统对于不同的原料均可灵活地运行，在高的有机加载速率下具有高的产气量。该系统在较低的HTR下连续运行5天，不同的原料由不同的糖、挥发性脂肪酸和乙醇组成，其可在厌氧消化过程中代谢转化。反应器系统的进给在不同的原料和因此不同的有机负荷之间连续地交替进行。消化器的生产率反映了对新引入的原料的快速适应性，因为在该变化之后产生的生物气对应于先前确定的每一种原料的潜力。

稀酒糟

稀酒糟为源自2G生物乙醇生产的废水级分。稀酒糟不含大颗粒，因为含木质素的颗粒已被分离以用于别处。稀酒糟主要含低聚糖，低聚糖对生物气工艺具有挑战性，因为它们需要高水解力来降解低聚物。如图19中所示，起始于主要包含单体糖、脂肪和短脂质的LOF进料的FAD消化器可容易地处理具有表4中所示特性的更复杂的木质纤维素稀酒糟，其包含重质可降解的低聚糖、木质素衍生物及非常少的脂质和蛋白质。REnescience生物液体和稀酒糟具有共同之处，即它们经用酶预处理，从而软化了一些较难降解的物质。

表4：木质纤维素稀酒糟和产生的流出物的特性

进料特性

挥发性脂肪酸

乙酸

乳酸

丙酸

异丁酸

正丁酸

异戊酸

正戊酸

甲酸

总VFA

g/L

4.55

0.30

0.34

0.16

0

5.35

糖单体和乙醇

固体和化学需氧量

流出物特性

猪粪肥

来自酶解的MSW的REnescience生物液体的经预处理生物质和来自酶解的木质纤维素生物质的稀酒糟均为预计具有一定含量的易降解有机物的生物质的实例，一定含量的易降解有机物将使得它们在低HRT固定化生物膜消化器中对于气体转化时间来说是良好的物质。相比之下，猪粪肥通常被认为是一种完全重质的可降解物，因为其不含有许多易降解物质并且仅大约50％的COD含量可转化为生物气。因此，可以预期，在进给以猪粪肥时，FAD消化器将受到挑战。从图20可以看出，进给到FAD消化器的具有表5中所示特性的猪粪肥表现得非常好，并且产生了与该猪粪肥否则在Maabjerg Bioenergy生物气工厂(所述猪粪肥在该工厂的进料罐中取样)中将预期的相同的产率。猪粪肥在某种意义上代表了对FAD生物膜的挑战，即生物膜微生物已经以针对发酵和乙酸分解细菌的选择性压力养育，因为水解和产乙酸步骤已通过酶法工艺进行，这先于REnescience生物液体和木质纤维素稀酒糟的形成。如来自粪肥试验的结果所示，水解和产乙酸菌仍然存在并且是活性的并能在物质之间快速切换。没有其他已知的生物气工艺可在如此不同的底物之间如此彻底和快速地切换。

表5：来自Maabjerg Bioenergy的猪粪肥的性质

总COD	可溶性COD
		g/L	g/L
59150	21690

所示实施方案和实施例仅是示意性的而不旨在限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求书限定。

实施例：“冲击试验”

在此实验过程中，进给已停止15天，240升反应器的产气量降至零。在经过2天的时间后，每天向反应器从0进给差不多70升大约具有90g/l COD的底物。反应器能够产生生物气而未因底物突然且升高的量而有任何不利影响。在此次冲击试验后，再继续进给5天。在此期间的进给和相应的产气量示于图21中。

这表明生物反应器能够承受进给的突然停止和进料量的强烈变化。

多点进料实施例

本实施例显示当在单个和多个点进给时系统以高速率产生生物气的可能性。此特征可有助于在反应器的隔室之间分配高的有机负荷。在18天期间(如图22中所示)，反应器以两种模式进给。在第一天期间，所有有机负荷通过第一隔室进入。在接下来的日子里，反应器内部的底物流在第一和第三隔室之间分布。已经证明在两种模式中都有高的生物气产量。在连续运行过程中的任何情况下，可将底物进给到反应器的任何再循环流中。这可在如果其中一个泵发生故障时有用，反应器运行能够因此继续下去。

这为系统提供了灵活性并优化生产产量。

虽然已结合具体的实施方案描述了本发明，但不应理解为以任何方式限制于所给出的实施例。本发明的范围由附随的权利要求书规定。在权利要求书的上下文中，术语“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外，“一个”、“一种”等的提及不应理解为排除多个。权利要求中关于附图中所示元件使用的附图标记也不应理解为限制本发明的范围。此外，可能可以有利地组合不同权利要求中提到的各个特征，并且这些特征在不同权利要求中的提及并不排除特征的组合是不可能的和有利的。

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项目

1.一种厌氧消化生产生物甲烷的方法，所述方法包括以下步骤：

-向固定膜、固定取向、固定床生物反应器系统中引入具有至少30.0g/L的COD含量的底物原料，其中固定化基质的特征在于包含多个支承生物膜的竖直取向多孔管状载体，并且其中在管状载体的上开口上方和下开口下方均提供混合区，和以保持通过管状载体的基本层流的方式进行原料的厌氧消化，水力停留时间为120小时或更少，同时保持至少0.0002m/s的流速和至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率，以及在每一个所述混合区内混合。

2.一种厌氧消化生物反应器，其包含具有多个内部竖直生物膜载体隔室的圆柱形罐，所述载体隔室由由耐腐蚀且液体不渗透的材料制成的挡板或壁限定，所述挡板或壁在顶部处开放，其中在每一个载体隔室中，在底部处一侧上包含第一缩短的壁或下溢孔，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室，并且其中多个载体隔室还在顶部处、在不同于在底部处包含所述第一缩短的壁或下溢孔的侧的一侧上包含第二缩短的壁或上溢孔，其用作进入另一载体隔室的开口，由此，流体流可被引导通过后续隔室，所述生物反应器任选地还包含旋转刮刀，当处于关闭位置时其适于在位于载体隔室的最下边缘下方的沉积区中限定密封区段，或当处于打开位置时其适于允许沉积固体的移除。

3.一种用于将连续搅拌罐反应器(CSTR)转化为固定膜、固定取向、固定床厌氧消化反应器的插件，所述插件包含：

4.一种将CSTR罐转化为固定膜、固定取向、固定床厌氧消化反应器的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述插件安装于经改型或未经改型的CSTR罐内，

-在安装到CSTR罐中之前或之后，给由所述插件限定的载体隔室装上多个多孔管状载体，和

-在所述载体上养育生产性生物膜。

5.一种用于快速测定受试底物的生物甲烷潜力的实验室规模装置，其适于实施权利要求1所述的方法。

Claims

1.一种插件，所述插件包含一个或多个限定至少两个开放的隔室(2,3)的挡板(1)，所述一个或多个挡板包含一个或多个开放的边缘(21)，从而在插入罐式反应器中并且所述罐式反应器在运行中时，所述一个或多个开放的边缘将限定下溢孔(22)或上溢孔，从而迫使流体向上或向下流过所述下溢孔或所述上溢孔。

2.根据权利要求1所述的插件(14)，其中所述至少两个隔室(6,7)还包含围绕所述一个或多个挡板(5)的连续封闭侧壁(4)，其中所述一个或多个开放的边缘(23)相对于所述连续封闭侧壁的高度(24)错位。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的插件(14)，其中所述一个或多个挡板(5)被紧固到所述连续封闭侧壁(4)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的插件(14)，其中所述连续封闭侧壁为弯曲的壁。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的插件(15)，其中所述一个或多个挡板为多个挡板(11,12)，并且其中所述至少两个开放的隔室为多个开放的隔室(8,9,10)。

6.根据权利要求5所述的插件(15)，其中所述多个挡板(11,12)的所述一个或多个开放的边缘(25,26)相对于彼此错位/交错/偏移，由此在插入罐式反应器中并且所述罐式反应器在运行中时，所述一个或多个开放的边缘限定多个下溢孔和上溢孔，从而迫使流体从第一隔室的下溢孔向上流向第二后续隔室的上溢孔，并向下流向第三后续隔室的下溢孔。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的插件(20)，其中所述多个挡板为互连的挡板(16,17,18,19)。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的插件(20)，其中所述至少两个开放的隔室(27,29,30,31)中的一个或多个限定所述插件的一个或多个区段(27,28)。

9.根据权利要求8所述的插件，其中所述一个或多个区段为外部(28)或内部(27)区段。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的插件，其中所述一个或多个挡板和/或所述连续封闭侧壁由耐腐蚀且液体不渗透的材料制成。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的插件，所述插件包含位于所述至少两个开放的隔室中用于支承生物膜的装置。

12.根据权利要求11所述的插件，其中所述用于支承生物膜的装置为在暴露于含生物膜前体的流体流时适于生物膜生长的多个生物膜载体，所述生物膜载体包含三维结构，所述三维结构具有至少一个包含腔穴和凸起的表面，从而提供粗糙的表面。

13.根据权利要求12所述的插件，其中所述粗糙的表面具有3至6mm之间的表面粗糙度Ra。

14.根据权利要求12-13中任一项所述的插件，其中所述粗糙的表面具有1mm的最小谷Rv。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的插件，其中所述粗糙的表面具有2mm的峰深度Rp。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的插件，其中所述三维结构包含开口，如贯穿所述至少一个表面的孔。

17.根据权利要求12-16中任一项所述的插件，其中所述三维结构为管状多孔三维结构。

18.根据权利要求17所述的插件，其中所述多孔为开放的多孔。

19.根据前述权利要求12-18中任一项所述的插件，其中所述三维结构为螺纹结构或包含螺纹结构。

20.根据前述权利要求1-19中任一项所述的插件，所述插件包含生物膜，如包含一种或多种适于好氧或厌氧消化/发酵的不同微生物的生物膜。

21.根据前述权利要求1-20中任一项所述的插件，所述插件限定沿着所述生物膜载体并在所述生物膜载体内的优先竖直路径，由此在插入罐式反应器中并且所述罐式反应器在运行中时具有基本上平行于所述生物膜的形成的流体流动。

22.一种生物反应器，所述生物反应器包含：

-具有一个或多个侧壁和具有内表面和底部开口的底壁的容器；

-位于所述容器内的至少两个可移除的开放隔室；

-至少一个在所述至少两个可移除的隔室之间的上溢孔或下溢孔；由此，当在运行中时，流体在所述至少两个可移除的隔室之间向下流向所述至少一个下溢孔，或向上流向所述至少一个上溢孔。

23.根据权利要求22所述的生物反应器，所述生物反应器包含根据权利要求1-21中任一项所述的插件，其中所述至少两个可移除的开放隔室为由所述插件的所述一个或多个挡板限定的所述至少两个开放的隔室，并且其中所述至少一个上溢孔或下溢孔为由所述一个或多个开放的边缘限定的所述下溢孔或所述上溢孔。

24.根据权利要求22-23中任一项所述的生物反应器，其中所述容器的所述一个或多个侧壁为根据权利要求1-21中任一项所述的插件的所述连续封闭侧壁。

25.根据权利要求22-24中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器还包含用于在运行中时迫使流体通过优先的路径向下流向所述至少一个下溢孔或向上流向所述至少一个上溢孔的装置。

26.根据权利要求25所述的生物反应器，其中所述用于迫使流体流动的装置为根据权利要求12-21中任一项所述的生物膜载体。

27.根据权利要求22-26中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器还包含用于促进移除沉积于或位于所述容器的所述底壁的所述内表面上的沉淀物的装置。

28.根据权利要求27所述的生物反应器，其中所述用于促进移除沉淀物的装置为一个或多个旋转装置，如一个或多个旋转刮刀。

29.根据权利要求28所述的生物反应器，其中所述一个或多个旋转刮刀中的每一个具有刮削边缘和与所述刮削边缘相对的顶部边缘。

30.根据权利要求29所述的生物反应器，其中当不在运动中时，所述一个或多个旋转刮刀处于将减少或避免相邻区段之间的短路流的位置中。

31.根据权利要求29-30中任一项所述的生物反应器，其中当不在运动中时，所述一个或多个旋转刮刀中的每一个位于界定区段的全挡板下方。

32.根据权利要求29-31中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器在所述一个或多个旋转刮刀中的每一个的顶部边缘与所述全挡板的边缘之间包含间隙，从而确保正确的旋转以及减少和/或避免区段之间的交叉流动。

33.根据权利要求29-32中任一项所述的生物反应器，其中所述一个或多个旋转刮刀适于从在第一全挡板下方的停靠位置顺时针或逆时针旋转至在第二全挡板下方的第二停靠位置，由此，一次旋转提供整个区段的所述底壁的所述内表面的刮削。

34.根据权利要求29-33中任一项所述的生物反应器，其中所述一个或多个旋转刮刀位于低挡板或高挡板下方。

35.根据权利要求29-34中任一项所述的生物反应器，其中所述一个或多个旋转刮刀在全挡板的底部边缘和所述一个或多个旋转刮刀的所述顶部边缘之间提供流体紧密密封。

36.根据权利要求23-35中任一项所述的生物反应器，其中所述容器包含限定于/位于所述底壁的所述内表面与根据权利要求1-21中任一项所述的插件的最低水平面/部分之间的底室。

37.根据权利要求36所述的生物反应器，其中所述底室包含所述用于促进移除沉淀物的装置。

38.根据权利要求37所述的生物反应器，其中当不在运行中时，所述用于促进移除沉淀物的装置适于在所述底室内限定静态区，其中隔室与所述静态区之间的交叉流动低于所需的值，而当在运行中时，所述静态区变为混合区，其中隔室与所述静态区之间的交叉流动高于所述所需的值。

39.根据权利要求23-38中任一项所述的生物反应器，其中所述插件的宽度/尺寸/直径基本上等于所述容器的宽度/尺寸/直径。

40.根据权利要求23-39中任一项所述的生物反应器，其中所述插件的所述最低水平面/部分位于与所述底壁的所述内表面相距所需的距离处。

41.根据权利要求23-40中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器还包含用于使所述插件保持在与所述底壁的所述内表面相距所述所需的距离处的装置。

42.根据权利要求41所述的生物反应器，其中所述用于使所述插件保持在相距所述所需的距离处的装置为位于所述容器的所述一个或多个侧壁上的多个凸起。

43.根据权利要求41所述的生物反应器，其中所述用于使所述插件保持在与所述底壁的所述内表面相距所述所需的距离处的装置为所述底壁的弯曲部分，所述弯曲部分逐渐减小所述容器的所述宽度/尺寸/直径，所述宽度/尺寸/直径由所述容器的所述一个或多个侧壁限定。

44.根据权利要求23-43中任一项所述的生物反应器，其中当在运行中时，相对于彼此错位的所述开放的边缘限定多个下溢孔和上溢孔，由此，流体从第一隔室的下溢孔向上流向第二后续隔室的上溢孔，并向下流向第三后续隔室的下溢孔。

45.根据权利要求25-44中任一项所述的生物反应器，其中当在运行中时，所述用于迫使流体流动的装置限定向上流向后续隔室的上溢孔或向下流向后续隔室的下溢孔的优先流动路径。

46.根据权利要求22-45中任一项所述的生物反应器，其中当在运行中时，非后续隔室之间的交叉流动低于所需的值。

47.根据权利要求22-46中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器还包含用于使流体在所述至少两个开放的隔室中的每一个内再循环的装置。

48.根据权利要求22-47中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器还包含用于使流体在所述至少两个开放的隔室之间再循环的装置。

49.根据权利要求23-48中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器还包含用于使流体在每一个区段内再循环的装置。

50.根据权利要求23-49中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器还包含用于使流体在区段之间再循环的装置。

51.根据权利要求47-50中任一项所述的生物反应器，其中所述用于使流体再循环的装置为一个或多个再循环泵。

52.根据权利要求51所述的生物反应器，其中所述一个或多个再循环泵在数量上至少等于所述插件的区段的数量。

53.根据权利要求51所述的生物反应器，其中所述一个或多个再循环泵在数量上等于所述插件的隔室的数量除以二。

54.根据权利要求22-53中任一项所述的生物反应器，其中所述容器为圆柱形罐式反应器。

55.一种运行生物反应器的方法，所述生物反应器根据权利要求22-54中任一项所述，所述方法包括：

-向所述生物反应器进给含生物膜前体的流体；

-进行所述流体的消化。

56.根据权利要求55所述的方法，其中所述含生物膜前体的流体为具有至少30.0gr/L的COD的原料。

57.根据权利要求55-56中任一项所述的方法，其中所述进行所述流体的消化以保持通过所述生物膜载体的基本层流的方式发生，水力停留时间为120小时或更少，同时保持至少0.0002m/s的流速和至少5.0L气体/L消化器/天的产气速率。

58.根据权利要求55-57中任一项所述的方法，其中所述进行消化包括迫使所述流体在所述至少两个隔室之间向下流向所述至少一个下溢孔或向上流向所述至少一个上溢孔。

59.根据权利要求58所述的方法，其中所述迫使所述流体流动还包括迫使所述流体流动通过由所述多个生物膜载体限定的优先的流动路径。

60.根据权利要求58-59中任一项所述的方法，其中所述迫使所述流体流动还包括使所述流体在每一个隔室内再循环。

61.根据权利要求58-60中任一项所述的方法，其中所述迫使所述流体流动还包括使所述流体在隔室之间再循环。

62.根据权利要求58-61中任一项所述的方法，其中所述迫使所述流体流动还包括使所述流体在每一个区段内再循环。

63.根据权利要求58-62中任一项所述的方法，其中所述迫使所述流体流动还包括使所述流体在区段之间再循环。

64.根据权利要求55-63中任一项所述的方法，所述方法还包括：

-移除位于所述生物反应器的所述底壁的所述内表面上的沉淀物。

65.一种用于生产生物气的系统(74)，所述系统包含：

-至少一个用于进料给生物反应器的进料罐(75)；

-一个或多个互连的根据权利要求22-54中任一项所述的生物反应器(77)；

-至少一个用于收集来自所述一个或多个互连生物反应器的流出物的流出物罐(76)。

66.一种将具有内表面的连续搅拌罐反应器(CSTR)转化为固定膜、固定取向、固定床厌氧消化反应器的方法，所述方法包括在所述CSTR内安装根据权利要求1-21中任一项所述的插件。

67.根据权利要求66所述的方法，其中所述安装包括将所述一个或多个挡板紧固到所述CSTR的所述内表面的一个或多个位置。

68.根据权利要求66-67中任一项所述的方法，其中所述安装包括首先将所述插件插入并配合在所述CSTR中，以及其次安装所述多个生物膜载体。

69.根据权利要求66-68中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述插件内生长生物膜。

70.一种对根据权利要求66-69中任一项所述的方法改型的CSTR或根据权利要求22-54中任一项所述的生物反应器进行维护的方法，所述方法包括：

-临时中断所述经改型CSTR的正常运行；

-移除所述插件的至少一部分；

-重新安装所述插件的所述至少一部分。

71.根据权利要求70所述的方法，其中所述插件的所述至少一部分为所述插件的至少一个隔室。

72.根据权利要求70所述的方法，其中所述插件的所述至少一部分为所述插件的至少一个区段。

73.根据权利要求70所述的方法，其中所述插件的所述至少一部分为所述插件的所述隔室内的一个或多个生物膜载体。

74.根据权利要求22-54中任一项所述的生物反应器用来生产生物气的用途。

75.根据权利要求22-54中任一项所述的生物反应器用来快速测定原料的生物甲烷潜力的用途。

76.根据权利要求22-54中任一项所述的生物反应器用来生产由承载于生物膜上的微生物产生的产物的用途。

77.一种原料在根据权利要求22-54中任一项所述的生物反应器中好氧或厌氧消化的方法，所述方法包括以下步骤：

-向所述生物反应器的所述隔室中进给所述原料；

-通过使所述原料以足以消化所述原料的停留时间穿过所述生物反应器的所述隔室来消化所述原料。

78.根据权利要求77所述的方法，其中所述隔室含有生物膜载体，所述生物膜载体已被预先接种以获得具有合适的细菌聚生体的生物膜。

79.根据权利要求78所述的方法，其中所述细菌聚生体为产甲烷细菌的聚生体。

80.根据权利要求77-79中任一项所述的方法，其中所述原料在每一个隔室之间混合。

81.根据权利要求77-79中任一项所述的方法，其中为了形成进给梯度，原料在横跨所述生物反应器的若干隔室处同时进给。

82.根据权利要求77-81中任一项所述的方法，其中将所述原料部分地或完全地再循环通过所述生物反应器。

83.根据权利要求82所述的方法，其中将所述原料在所述生物反应器的所述隔室之间部分地再循环。

84.根据权利要求77-83中任一项所述的方法，其中所述原料以保持通过所述生物膜载体的基本层流的方式在厌氧条件下消化以生产生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，同时保持通过所述生物反应器的至少0.0002m/s的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率。

85.根据权利要求77-84中任一项所述的方法，其中所述原料具有至少20.0g/L、如至少30.0g/L、至少35g/L、至少40g/L或至少50g/L的化学需氧量(COD)或者其中所述原料具有20-300g/L、30-300g/L、40-300g/L、50-300g/L、75-300g/L、100-300g/L、如25-250g/L、30-200g/L、35-150g/L、40-150g/L、50-150g/L或如20-125g/L、30-100g/L、30-75g/L、30-50g/L、35-75g/L、40-100g/L、50-175g/L、50-200g/L的COD。

86.根据权利要求77-85中任一项所述的方法，其中所述原料在30至55℃之间的温度下消化。

87.根据权利要求86所述的方法，其中所述原料在37至48℃之间的温度下消化。

88.根据权利要求77-87中任一项所述的方法，其中所述原料在6.6至8.5之间的pH下消化。

89.根据权利要求88所述的方法，其中所述原料在6.8至7.4之间的pH下消化。

90.根据权利要求88和89中任一项所述的方法，其中通过再循环和/或通过加入pH调节剂来调节所述pH。

91.根据权利要求84-90中任一项所述的方法，其中所述停留时间少于110小时，如少于100小时、少于90小时、少于80小时、少于75小时、少于60小时、少于50小时或少于40小时，或者其中所述停留时间为20-120小时、30-120小时、40-120小时、50-120小时、75-120小时、100-120小时或如50-110小时、50-100小时或50-75小时。

92.根据权利要求84-91中任一项所述的方法，其中所述流速为至少0.00025m/s，如至少0.0005m/s、至少0.00075m/s、至少0.001m/s、至少0.0025m/s、至少0.005m/s或至少0.0075m/s，或者其中所述流速为0.0002-0.015m/s，如0.0002-0.0125m/s、0.0002-0.01m/s、0.0002-0.0075m/s、0.0002-0.005m/s或如0.00025-0.01m/s、0.0005-0.01m/s、0.00075-0.01m/s、0.001-0.01m/s、0.0025-0.01m/s、0.005-0.01m/s或0.0075-0.01m/s。

93.根据权利要求84-92中任一项所述的方法，其中所述产气速率为至少6.0升/升消化器容积/天，如7.0升/升消化器容积/天，至少8.0升/升消化器容积/天、9.0升/升消化器容积/天、至少10.0升/升消化器容积/天，如至少12.5升/升消化器容积/天、至少15升/升消化器容积/天或至少20升/升消化器容积/天，其中所述产气速率为5.0-20升/升消化器容积/天，如6.0-20升/升消化器容积/天、7.0-20升/升消化器容积/天、8.0-20升/升消化器容积/天、9.0升/升消化器容积/天或10-20升/升消化器容积/天。

94.根据权利要求77-93中任一项所述的方法，其中所述原料为生物质。

95.根据权利要求94所述的方法，其中所述生物质选自废物、污水、粪肥或者含纤维素、半纤维素、木质纤维素或淀粉的生物质，其选自麦秆、玉米秸秆、甘蔗渣、甜高粱渣、酒厂酒糟或空果串。

96.根据权利要求95所述的方法，其中所述废物选自市政固体废物(MSW)、MSW的液化有机组分、工业废物、动物废物、植物废物或来自屠宰场、餐馆、乳制品加工和制革厂的废物。

97.根据权利要求96所述的方法，其中所述废物含有高于7％(重量/重量)、如高于8％(重量/重量)、高于9％(重量/重量)、高于10％(重量/重量)、如7-20％(重量/重量)、8-20％(重量/重量)、9-20％(重量/重量)、10-20％(重量/重量)或15-20％(重量/重量)的总固体水平。

98.根据权利要求94-97中任一项所述的方法，其中所述生物质已至少部分地经受水热预处理、酶法水解和/或好氧消化中的一种或多种。

99.根据权利要求84-98中任一项所述的方法，其中所述原料以保持通过所述生物膜载体的基本层流的方式在厌氧条件下消化以产生生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，如少于110小时，如少于100小时、少于90小时、少于80小时、少于75小时、少于60小时、少于50小时或少于40小时，或者其中所述停留时间为20-120小时、30-120小时、40-120小时、50-120小时、75-120小时、100-120小时或如50-110小时、50-100小时、50-75小时，同时保持通过所述生物反应器的至少0.0002m/s的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率。

100.根据权利要求84-99中任一项所述的方法，其中所述原料以保持通过所述生物膜载体的基本层流的方式在厌氧条件下消化以产生生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，同时保持通过所述生物反应器的至少0.0002m/s的流速如介于0.0002m/s至0.08m/s之间、如0.0030和0.07之间、如0.009和0.05之间、如0.015m/s至0.045m/s之间的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天的产气速率。

101.根据权利要求84-100中任一项所述的方法，其中所述原料在厌氧条件下消化以产生生物甲烷，水力停留时间为120小时或更少，同时保持通过所述生物反应器的至少0.0002m/s的流速和/或至少5.0升/升消化器容积/天(L/L/D)、如6.0L/L/D和10.0L/L/D之间、如7.0L/L/D和9.0L/L/D之间、如至少8.0L/L/D的产气速率。