CN109321444B - 降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器 - Google Patents

降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器；一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器，包括按从上往下顺序设置的集气室、产氢产酸填料层、产甲烷填料层和积液箱；其特征在于：集气室上部设置有导气管；在产氢产酸填料层的顶部设置有进料污水布水器；产氢产酸填料层中均匀填充若干球型陶瓷颗粒，且产氢产酸填料层中部设置有产氢填料层多孔隔板，产氢填料层多孔隔板的下方设置有回流污水布水器；在产氢产酸填料层和产甲烷填料层之间设置有产氢产甲烷填料层多孔分离隔板；产甲烷填料层中均匀填充若干球型陶瓷颗粒；本发明通过降流的方式实现两步厌氧发酵制取氢烷气，可广泛应用在生物、能源、化工等领域。

Description

降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器
技术领域
本发明涉及厌氧发酵反应器，具体涉及一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器。
背景技术
氢烷气(10％-25％氢气体积和75％-90％甲烷体积)是一种高效、洁净的新型燃料，具有广阔的应用潜力。通过厌氧发酵的途径将废弃生物质转化生成氢烷气可以在控制环境污染的同时能有效缓解能源供给的压力。厌氧发酵(厌氧消化)技术是一种相对成熟的生物质能技术，目前已经在德国、瑞典等多个发达国家实现产业化运行。目前,厌氧发酵大多是单步发酵产甲烷，这种单步发酵产甲烷技术存在着甲烷产率低，底物消解能力低，出口有机物含量高等问题。相比于单步厌氧发酵技术，两步厌氧发酵技术可以提高产甲烷相反应器中产甲烷菌的活性，提高产气量以及底物消解能力，而且两步厌氧发酵技术的处理效果和稳定性明显高于单步厌氧发酵技术。然而，两步厌氧发酵技术需要单独的产酸系统和产甲烷系统。因而，这种分散的处理方式所需的处理系统较为复杂，成本较高且占地面积较大。
现阶段厌氧发酵通常是在液态环境中以悬浮式微生物培养的方式下进行的。湿式发酵模式目前在大型沼气工程中也占有主导性的地位，它的优点在于微生物与有机底物间具有良好的传质特性。然而，悬浮体系中厌氧微生物在反应器内的停留时间通常与实际的水力停留时间相当，在处理有机物浓度较低的原料(如有机废水)的条件下，连续流发酵系统采用较短的水力停留时间会造成微生物的大量流失，导致整个系统无法高效稳定的运行，而为了增加微生物持有量而延长水力停留时间则会降低整个系统的有机负荷导致发酵罐体积的扩大，这将制约氢烷发酵技术的推广和应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器，包括按从上往下顺序设置的集气室、产氢产酸填料层、产甲烷填料层和积液箱；其特征在于：集气室上部设置有导气管，用来排放气体；在产氢产酸填料层的顶部设置有进料污水布水器，用将污水布撒在附着有产氢产酸微生物的填料上并逐层下流形成降流；产氢产酸填料层中均匀填充若干球型陶瓷颗粒，且产氢产酸填料层中部设置有产氢填料层多孔隔板，用于支撑上部产氢产酸填料，产氢填料层多孔隔板的下方设置有回流污水布水器，回流污水布水器将回流污水布撒在附着有产氢产酸物生物的下部填料上并逐层下流形成降流；在产氢产酸填料层和产甲烷填料层之间设置有产氢产甲烷填料层多孔分离隔板，用以支撑产氢产酸填料层并透过产氢产甲烷填料层产生的酸液；产甲烷填料层中均匀填充若干球型陶瓷颗粒；产甲烷填料层与积液箱之间设置有产甲烷填料层多孔隔板；用以支撑产甲烷填料层和透过发酵尾液；所述积液箱上设置有出水口，积液箱和回流污水布水器分别通过管道连接污水回流泵，污水回流泵将部分污水泵入回流污水布水器中进行循环。
根据本发明所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器的优选方案，所述进料污水布水器和回流污水布水器上均安装有流量计，用于监控进料污水流量和回流污水流量。
本发明的第二个技术方案是：
一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、在整个系统启动前，将活性污泥的耗氢菌种灭除后，利用产氢培养基在无氧条件下富集产氢产酸菌种；再将产氢产酸填料置于富集好的产氢产酸菌种中并加入培养基培养，使产氢产酸菌附着在产氢产酸填料上形成生物膜。
B、在活性污泥中利用产甲烷培养基在无氧条件下富集产甲烷菌种，再将产甲烷填料置于富集好的产甲烷菌种中并加入培养基培养，使甲烷菌附着在产甲烷填料上形成生物膜。
C、在产氢产酸菌和产甲烷菌完成填料颗粒上的挂膜后，迅速将产氢产酸填料和产甲烷填料分别填入产氢产酸填料层和产甲烷填料层；而后将有机污水经进料污水布水器泵入产氢产酸填料层，有机污水在产氢产酸填料层5中一边降流一边反应产生酸液、氢气和二氧化碳，气体逆流向上排向集气室，并经导气管排出；经产氢产酸填料层反应产生的酸液经产氢产甲烷填料层多孔分离隔板流进产甲烷填料层，在产甲烷菌的作用下发酵产生甲烷和二氧化碳，产生的气体逆流向上排向集气室，经产甲烷填料层反应过的发酵尾液经产甲烷填料层多孔隔板流入积液箱，积液箱中的部分尾液经污水回流泵泵入产氢产酸填料层中部形成回流；另一部分尾液经出水口排出。
根据本发明所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法的优选方案，所述产氢产酸菌种的基本培养基成分如下(g/l)葡萄糖：10～30；蛋白脾，2～6；酵母粉，0.5～1.5；L-半胱氨酸，0.25～0.75；NaCl，0.24～0.36；K2HPO4，2～3；MgCl·6H2O，0.16～0.24；FeCl2·4H2O，0.125～0.188；微量元素液，7～13；维生素液，7～13。
根据本发明所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法的优选方案，所述产甲院细菌的基本培养基成分如下(g/l):氨三乙酸，5～15；蛋白胨，1～3；酵母粉，1～3；L-半胱氨酸，0.25～0.75；K2HPO4，0.32～0.48；MgCl2·6H2O，0.16～0.24；微量元素液，7～13；维生素液，7～13。
根据本发明所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法的优选方案，所述微量元素液成分如下(g/l)：CoCl2·6H2O，0.14～0.26；ZnCl，0.2～0.8；MnCl，0.007～0.013；H3BO3，0.007～0.013；CaCl，0.007～0.013；Na2MoO4，0.007～0.013；AlK(SO4)2，0.007～0.013；NiCl2·6H2O，0.007～0.013。
根据本发明所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法的优选方案，所述维生素液的成分如下(g/l)：抗坏血酸，0.0175～0.0325；核黄素，0.0175～0.0325；肌酸，0.0175～0.0325；一水合梓檬酸，0.014～0.026；谷氨酸，0.007～0.013；叶酸，0.007～0.013；对氨基苯甲酸，0.007～0.013。
本发明首先将产氢产甲烷填料和产甲烷填料分别置于富含产氢产酸菌和产甲烷菌的培养基中进行培养，使产氢产酸菌和产甲烷菌分别附着在产氢产酸填料和产甲烷填料上形成生物膜。再分别将产氢产甲烷填料和产甲烷填料填入反应器中。
其次利用进料污水布水器进行布水，通入的有机污水首先浸没附着有产氢产酸微生物的产氢产酸填料层，在微生物的作用下有机污水进行酸化产生酸液、氢气和二氧化碳，产氢产酸填料层产生的气体逆流向上排向集气室，而产生的酸液逐层下流形成降流，在污水降流的过程中不断反应，并产生气体和酸液。产氢产酸填料层产生的酸液透过产氢填料层多孔隔板流向产甲烷填料层，酸液流过附着有产甲烷菌的填料，在微生物的作用下进行产甲烷发酵，产生甲烷和二氧化碳，产生的气体逆流向上排向集气室。在经过产甲烷填料层进行产甲烷发酵的尾液排入积液箱，积液箱中部分尾液通过污水回流泵泵入产氢产酸填料层形成回流，其它尾液经出水口排出。
本发明所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法及生物膜反应器的有益效果是：本发明通过降流的方式实现两步厌氧发酵制取氢烷气，相比于单步厌氧发酵，本发明提高了反应器中产甲烷菌的活性，提高了产气量以及底物消解能力；本发明结构简单、独特，方法简单、成本低，可广泛应用在生物、能源、化工等领域。
附图说明
图1是本发明所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器，包括按从上往下顺序设置的集气室1、产氢产酸填料层5、产甲烷填料层10和积液箱14；其特征在于：集气室1上部设置有导气管2；在产氢产酸填料层5的顶部设置有进料污水布水器4，所述进料污水布水器4上安装有流量计3；产氢产酸填料层5中均匀填充若干球型陶瓷颗粒，且产氢产酸填料层5中部设置有产氢填料层多孔隔板6，产氢填料层多孔隔板6的下方设置有回流污水布水器8；所述回流污水布水器8上安装有流量计7；在产氢产酸填料层5和产甲烷填料层10之间设置有产氢产甲烷填料层多孔分离隔板9；产甲烷填料层10中均匀填充若干球型陶瓷颗粒；产甲烷填料层10与积液箱14之间设置有产甲烷填料层多孔隔板11；用以支撑产甲烷填料层10和透过发酵尾液；所述积液箱14上设置有出水口15，积液箱14和回流污水布水器8分别通过管道12连接污水回流泵13。
实施例2.一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气的方法，包括如下步骤：
A、在整个系统启动前，将活性污泥的耗氢菌种灭除后，利用产氢培养基在无氧条件下富集产氢产酸菌种；再将产氢产酸填料置于富集好的产氢产酸菌种中并加入培养基培养，使产氢产酸菌附着在产氢产酸填料上形成生物膜。
B、在活性污泥中利用产甲烷培养基在无氧条件下富集产甲烷菌种，再将产甲烷填料置于富集好的产甲烷菌种中并加入培养基培养，使甲烷菌附着在产甲烷填料上形成生物膜。
C、在产氢产酸菌和产甲烷菌完成填料颗粒上的挂膜后，迅速将产氢产酸填料和产甲烷填料分别填入产氢产酸填料层5和产甲烷填料层10；而后将有机污水经进料污水布水器4泵入产氢产酸填料层5，有机污水在产氢产酸填料层5中一边降流一边反应产生酸液、氢气和二氧化碳，气体逆流向上排向集气室1，并经导气管2排出；经产氢产酸填料层5反应产生的酸液经产氢产甲烷填料层多孔分离隔板9流进产甲烷填料层10，在产甲烷菌的作用下发酵产生甲烷和二氧化碳，产生的气体逆流向上排向集气室1；经产甲烷填料层10反应过的发酵尾液经产甲烷填料层多孔隔板11流入积液箱14，积液箱14中的部分尾液经污水回流泵13泵入产氢产酸填料层5中部形成回流；另一部分尾液经出水口15排出。
所述产氢产酸菌种的基本培养基成分如下(g/l)：葡萄糖：10～30；蛋白脾，2～6；酵母粉，0.5～1.5；L-半胱氨酸，0.25～0.75；NaCl，0.24～0.36；K2HPO4，2～3；MgCl·6H2O，0.16～0.24；FeCl2·4H2O，0.125～0.188；微量元素液，7～13；维生素液，7～13。
在具体实施例中，可以按(g/l)：葡萄糖：20；蛋白脾，4；酵母粉，1；L-半胱氨酸，0.5；NaCl，3；K2HPO4，2.5；MgCl·6H2O，0.2；FeCl2·4H2O，0.157；微量元素液，10；维生素液，10。
所述产甲院细菌的基本培养基成分如下(g/l):氨三乙酸，5～15；蛋白胨，1～3；酵母粉，1～3；L-半胱氨酸，0.25～0.75；K2HPO4，0.32～0.48；MgCl2·6H2O，0.16～0.24；微量元素液，7～13；维生素液，7～13。
在具体实施例中，可以按(g/l)：氨三乙酸，10；蛋白胨，2；酵母粉，2；L-半胱氨酸，0.5；K2HPO4，0.4；MgCl2·6H2O，0.2；微量元素液，10；维生素液，10。
所述微量元素液成分如下(g/l)：CoCl2·6H2O，0.14～0.26；ZnCl，0.2～0.8；MnCl，0.007～0.013；H3BO3，0.007～0.013；CaCl，0.007～0.013；Na2MoO4，0.007～0.013；AlK(SO4)2，0.007～0.013；NiCl2·6H2O，0.007～0.013。
在具体实施例中，可以按(g/l)：CoCl2·6H2O，0.2；ZnCl，05；MnCl，0.01；H3BO3，0.01；CaCl，0.01；Na2MoO4，0.01；AlK(SO4)2，0.01；NiCl2·6H2O，0.01。
所述维生素液的成分如下(g/l)：抗坏血酸，0.0175～0.0325；核黄素，0.0175～0.0325；肌酸，0.0175～0.0325；一水合梓檬酸，0.014～0.026；谷氨酸，0.007～0.013；叶酸，0.007～0.013；对氨基苯甲酸，0.007～0.013。
在具体实施例中，可以按(g/l)：抗坏血酸，0.025；核黄素，0.025；肌酸，0.025；一水合梓檬酸，0.02；谷氨酸，0.01；叶酸，0.01；对氨基苯甲酸，0.01。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器，包括按从上往下顺序设置的集气室（1）、产氢产酸填料层（5）、产甲烷填料层（10）和积液箱（14）；其特征在于：集气室（1）上部设置有导气管（2）；在产氢产酸填料层（5）的顶部设置有进料污水布水器（4）；产氢产酸填料层（5）中均匀填充若干球型陶瓷颗粒，且产氢产酸填料层（5）中部设置有产氢填料层多孔隔板（6），产氢填料层多孔隔板（6）的下方设置有回流污水布水器（8）；回流污水布水器将回流污水布撒在附着有产氢产酸物生物的下部填料上并逐层下流形成降流；在产氢产酸填料层（5）和产甲烷填料层（10）之间设置有产氢产甲烷填料层多孔分离隔板（9），该产氢产甲烷填料层多孔分离隔板（9）用以支撑产氢产酸填料层并透过产氢产甲烷填料层产生的酸液；产甲烷填料层（10）中均匀填充若干球型陶瓷颗粒；产甲烷填料层（10）与积液箱（14）之间设置有产甲烷填料层多孔隔板（11）；用以支撑产甲烷填料层（10）和透过发酵尾液；所述积液箱（14）上设置有出水口（15），积液箱（14）和回流污水布水器（8）分别通过管道（12）连接污水回流泵（13）；污水回流泵将部分污水泵入回流污水布水器中进行循环。
2.根据权利要求1所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器，其特征在于：所述进料污水布水器（4）和回流污水布水器（8）上均安装有流量计。
3.一种利用权利要求1或2所述的降流式两步厌氧发酵制取氢烷气生物膜反应器制取氢烷气的方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、在整个系统启动前，将活性污泥的耗氢菌种灭除后，利用产氢培养基在无氧条件下富集产氢产酸菌种；再将产氢产酸填料置于富集好的产氢产酸菌种中并加入培养基培养，使产氢产酸菌附着在产氢产酸填料上形成生物膜；
B、在活性污泥中利用产甲烷培养基在无氧条件下富集产甲烷菌种，再将产甲烷填料置于富集好的产甲烷菌种中并加入培养基培养，使甲烷菌附着在产甲烷填料上形成生物膜；
C、在产氢产酸菌和产甲烷菌完成填料颗粒上的挂膜后，迅速将产氢产酸填料和产甲烷填料分别填入产氢产酸填料层（5）和产甲烷填料层（10）；而后将有机污水经进料污水布水器（4）泵入产氢产酸填料层（5），有机污水在产氢产酸填料层5中一边降流一边反应产生酸液、氢气和二氧化碳，气体逆流向上排向集气室（1），并经导气管（2）排出；经产氢产酸填料层（5）反应产生的酸液经产氢产甲烷填料层多孔分离隔板（9）流进产甲烷填料层（10），在产甲烷菌的作用下发酵产生甲烷和二氧化碳，产生的气体逆流向上排向集气室（1）；经产甲烷填料层（10）反应过的发酵尾液经产甲烷填料层多孔隔板（11）流入积液箱（14），积液箱（14）中的部分尾液经污水回流泵（13）泵入产氢产酸填料层（5）中部形成回流；另一部分尾液经出水口（15）排出。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述产甲烷菌的基本培养基成分如下(g/l): 氨三乙酸，5~15；蛋白胨，1~3；酵母粉，1~3；L-半胱氨酸，0.25~0.75；K2HPO4，0.32~0.48；MgCl2·6H2O，0.16~0.24；微量元素液，7~13；维生素液，7~13。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述微量元素液成分如下(g/l)：CoCl2·6H2O，0.14~0.26；ZnCl2，0.2~0.8；MnCl2，0.007~0.013；H3BO3，0.007~0.013；CaCl2，0.007~0.013；Na2MoO4，0.007~0.013；AlK(SO4)2，0.007~0.013； NiCl2·6H2O，0.007~0.013。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述维生素液的成分如下(g/l)：抗坏血酸，0.0175~0.0325；核黄素，0.0175~0.0325；肌酸，0.0175~0.0325；一水合梓檬酸，0.014~0.026；谷氨酸，0.007~0.013；叶酸，0.007~0.013；对氨基苯甲酸，0.007~0.013。
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