CN109837210A - 生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法。一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，其结构主要包括转筒、沼液腔、生物膜培养腔、外腔、恒温加热器和真空冻干器；所述转筒位于所述沼液腔内；所述沼液腔与生物膜培养腔间由隔板隔开，上设沼液闸门，并与外腔组成夹套，由所述恒温加热器加热；所述生物膜培养腔与真空冻干器间设生物膜闸门。本发明有效地实现了生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备，保证了制备过程的无氧操作，提供的制备装置结构简单、紧凑，操作方便，对快速启动厌氧消化，快速富集、稳定微生物，并有效提高有机物降解的充分性，缩短水力滞留期，提高甲烷产量有着积极的作用。

Description

生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种厌氧消化促进剂制备装置及方法，属于资源利用与环境保护、及厌氧消化技术领域。特别是涉及一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法。

背景技术

厌氧消化是有机物质被厌氧菌在厌氧条件下分解产生甲烷和二氧化碳的过程，是有机废弃物资源利用与能源生产的一项重要技术，起到变废为宝，缓解能源紧张与保护环境等的多重作用，在污水治理、固体废弃物处理及沼气生产领域等有着广泛的应用和重要的意义。随着研究的深入和技术的进步，厌氧消化效率不断提高，但仍存在一些问题，比如厌氧消化原料降解利用不够充分，发酵启动较慢，有机质滞留时间较长，甲烷含量较低等问题，这些问题都制约着厌氧消化工程的全面推广和进一步普及。

为解决上述问题，研究者们进行了大量的探索与实践，其中研制厌氧消化促进剂就是其中的一项热门。鲁建江等公开了（公开号：CN103255179A）一种沼气发酵促进剂及其制备方法，将Fe，Co，Ni，Zn等微量金属元素以氯化物的形式配制成浓盐溶液来作为沼气发酵促进剂，通过每天向沼气发酵池中添加固定量该沼气发酵促进剂来提高沼气效率。由于是溶液形式，该厌氧消化促进剂在储存和运输方面存在较多不便，且有效期较短。目前主流的厌氧消化促进剂形式是固体制剂，云斯宁等公开了（公开号：CN103740764A）一种沼气发酵用功能性生物催化剂及利用催化剂发酵的方法，将固体形态的质量份数为61-329份的矿质养分促进剂、100份水解酶促进剂和1-3份 微生物复合菌剂在常温下混合均匀，即得沼气发酵用功能性生物催化剂。孙彬等公开了（公开号：CN102732566A）一种寒地沼气促进剂及其制备方法，制备方法为：（1）称取硫酸亚铁、氯化钴、氯化镍、有机物质、吸附剂和填充剂；（2）将称取的硫酸亚铁、氯化钴和氯化镍，加蒸馏水制成饱和溶液，再加入吸附剂，烘干后用粉碎机粉碎，得到粉体；（3）然后将有机物和填充剂加入粉体中，搅拌混合均匀，即得寒地沼气促进剂。以上专利所公开的厌氧消化促进剂及其制备方法基本都是通过将厌氧消化主要微生物或辅助微生物的菌剂形式或活体形式、催化剂、营养元素、发酵原料、吸附剂等按比例混合并固化来最终制得厌氧消化促进剂，这些促进剂虽然对厌氧消化效果有一定改善，但都存在厌氧消化微生物适应、生长、富集等的驯化时间或启动时间较长的不足。

生物膜法是有效富集和稳定微生物的一种重要方法，具有生物膜体积小、微生物量高、水力停留时间较短、生物相相对稳定、对毒物和冲击负荷抵抗性强、处理效果高等优点，已广泛应用于城市污水和工业废水的二级生物厌氧消化处理中。生物膜法的产生和生长离不开载体材料的使用，载体是微生物固定过程中所必需的介质，在生物膜处理中有很重要的作用，影响着微生物的生长、繁殖、脱落和形态及空间结构。在生物膜法中应用的载体应满足如下条件：①易流化，但不易流失； ②易成膜，但无毒害作用； ③能提供大的比表面积，以增加生物附着量； ④价格低廉，容易取材。

生物炭（biochar）是厌氧消化中生物膜载体的理想材料。生物炭是生物质在缺氧状况下，经过高温慢热解（通常小于1000摄氏度）而产生的一类难熔、稳定、高度芳香化且富含碳元素的固态物质，其含碳率约为60～80%，主要由碳、氢、氧的等元素组成，此外还包括钾、钙、铁等营养金属元素。在固体废弃物处理中，易被微生物分解的可以通过厌氧消化来变废为宝，而不易被微生物分解的则可通过热解制成生物炭的形式来避免环境污染的同时实现资源化利用。生物炭以其大的比表面积和孔隙率，良好的亲生物性，丰富的表面化学官能团等良好的物理化学性能，且材料来源广泛，造价低廉，环境友好等优势，在农用、环境、能源等领域有着广泛的应用。生物炭是活性炭的前驱体，活性炭作为生物膜载体材料的研究已有较长的历史。目前生物炭作为生物膜载体的研究，也取得了较好的效果。尤其近年研究发现，在厌氧消化反应器中添加生物炭，可以有效起到减轻氨抑制、增加厌氧消化效率、提高沼气品质等积极作用。可见，生物炭是厌氧消化中生物膜载体的理想材料。

虽然生物膜法在厌氧消化领域的应用具有诸多优势，但采用生物膜法的挂膜时间一般较长，为7天到一个月左右，这给厌氧消化实现快速富集、稳定微生物带来问题，特别是对序批式工艺来说，带来启动时间过长的问题。如何将以生物炭介导的生物膜技术的优势应用到厌氧消化领域并避免生物膜法因挂膜耗时带来的启动时间长的不足，是实现厌氧消化快速启动和快速富集、稳定微生物并提高厌氧消化有机物降解率、缩短水力滞留期、提高甲烷产量需解决的重要问题，也是促进厌氧消化技术应用推广需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种结构简单、紧凑，操作方便的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法，来有效制备具有快速启动厌氧消化、快速富集、稳定微生物优势，且有效使用期长，储存、运输安全方便的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂，从而实现提高厌氧消化有机物降解的充分性，缩短水力滞留期，并提高甲烷产量。

本发明的技术方案：

一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，包括转筒、沼液腔、生物膜培养腔、外腔、恒温加热器和真空冻干器；所述转筒位于所述沼液腔内；所述沼液腔与所述生物膜培养腔间由隔板隔开，并与外腔组成夹套；所述隔板上设有沼液闸门，沼液闸门开关位于外腔外壁的对应位置上；所述恒温加热器的加热管接至所述外腔左壁右上端面，回热管接自所述外腔右壁右下端面；所述生物膜培养腔底面和所述外腔底面间开设生物膜闸门，所述生物膜闸门通向与所述外腔底面相连的真空冻干器，生物膜闸门开关位于外腔外壁的对应位置上；所述真空冻干器与所述恒温加热器相连；

所述沼液腔，顶部设导气管a；所述导气管a，自所述沼液腔顶面伸出后，穿过夹套，至外腔外；

所述沼液腔内设刮板1条，所述刮板顶端固定在所述沼液腔内壁顶部上，刮板底部带有毛刷，刮板沿毛刷方向紧贴所述转筒的外壁；

所述转筒，配有电机；所述电机，为变频电机，通过传动机构与所述转筒及转盘相连，电机按整周旋转；所述转盘位于所述沼液腔右壁及所述外腔右上壁间；

所述转筒，右端面上侧设有进料管a，右端面下侧设有排渣管，侧面设等间距的筛孔；所述进料管a和所述排渣管，自所述转筒右端面伸出后，穿过转盘，至外腔外；

所述生物膜培养腔右壁面上侧设有进料管b和导气管b，前壁面下侧设有排液管；所述进料管b和所述排液管，自所述生物膜培养腔壁面伸出后，穿过夹套，至外腔外；所述排液管入口处设滤网；

所述真空冻干器右端面设真空冻干出料口，所述真空冻干出料口平时关闭出料时开启；

所述恒温加热器上设补水管；

所述补水管、进料管、排渣管及排液管上均设阀门，阀门平时关闭使用时开启；

进一步，所述电机，转盘，以及所有阀门、管口的连接处均密封；

进一步，所述沼液闸门和生物膜闸门，为常闭闸门，操作需要时开启；

进一步，所述导气管均与集气装置连接；

作为优选，所述转筒上的筛孔，孔径为80~120目；

作为优选，所述排液管入口处滤网，孔径为80~120目；

作为优选，所述转筒、沼液腔、生物膜培养腔、外腔和一系列管道，均采用不锈钢材料。

一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备方法，基于上述的任意一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，包括如下步骤：

S1 制备厌氧消化固体生物膜：

S1.1培养基配制：

培养基：NH₄Cl 1 g/L，MgCl₂ 1 g/L，NaCl 0.5 g/L，K₂HPO4 0.4 g/L，KH₂PO4 0.4 g/L，蛋白胨 2 g/L，酵母浸粉2 g/L，乙酸钠10 g/L，微量元素10 mL，维生素 10 mL，L - 半胱氨酸0.5 g/L， 2‰ 刃天青2 mL，蒸馏水1000 mL（pH 7.0）；其中，

微量元素( g/L) ：N (CH2COOH) ₃ 4.5 (氨乙酸) ， FeCl₂·4H₂O 0.4，MnCl·H₂O0.1， CoCl₂·6H₂O 0.12， AlK ( SO₄ ) ₂ 0.01， ZnCl₂ 0.1， NaCl 1， CaCl₂ 0.02，Na₂MoO₄ 0.01， H₃BO₃ 0.01，NiCl₂·6H₂O 0.42 ；

维生素( g/L) ：生物素2.0，硫胺素5.0，盐酸吡哆醇 10，D - 泛钙酸5.0，硫辛酸5.0，叶酸2.0，核黄素 5.0，烟酸5.0，对氨基苯甲酸5.0，维生素B₁₂ 0.1；

S1.2接种物富集培养：

将接种物和所述培养基，按体积比(1～4)：1装入培养容器，并密闭，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下静置培养或20～120rpm震荡培养；每次从所述培养容器中倾倒部分上清液并补充新鲜的所述培养基，每周两次；

所述接种物，为长期稳定运行的总固体含量Ts为0.8%～12%的沼气池底部活性污泥、沼液或污水处理厂二沉池底部活性污泥；

S1.3接种物驯化：

以有机废弃物为原料，并加水配制成发酵料液；将已完成富集培养的所述接种物，按10%~30%的接种量和发酵料液混合并搅拌均匀后，从所述生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置的进料管a加入到转筒中；开启恒温加热器，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下静置培养或同时开启电机，在20～120rpm电机转速下旋转培养；通过所述进料管a，每隔1～3天添加质量分数0.4%～1.2%有机废弃物直到培养液pH下降到6.0～6.8，再每隔1～3天添加质量分数1.5%～3.0%有机废弃物，直到沼液辅酶F420荧光分光光度值为20.0～250.0为止；

所述有机废弃物，为80~120目猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、秸秆之一或混合；

S1.4 生物炭挂膜：

采用快速排泥法进行生物炭挂膜；在完成接种物驯化后，从所述装置的取样口抽取适量接种物，与质量分数为5%～20%的生物炭颗粒振荡混匀后静置１小时，排出上清液，并将接种物和生物炭颗粒的混合物从所述装置的进料管b注入生物膜培养腔内；开启沼液闸门，从所述沼液腔中注入2 倍体积的新鲜沼液到所述生物膜培养腔内，淹没生物炭颗粒并静态接触24h 后，打开排液管排掉悬浮污泥，之后每隔1天从所述沼液腔中进行间歇式补充新鲜沼液挂膜，直到挂膜完成；

进一步：所述生物膜培养腔间歇式补充新鲜沼液时，先打开排液管阀门排出1/3～1/2体积沼液，再关闭排液管阀门同时开启沼液闸门，补充相同体积新鲜沼液后关闭沼液闸门；

进一步：在完成步骤S1.3的接种物驯化后，每隔1～3天从所述进料管a添加质量分数4%～10%的有机废弃物并从排渣管排去发酵后沼渣；发酵产生的沼液供所述生物膜培养腔间歇式补充新鲜沼液用；接种物从所述取样口抽取前或有机废弃物从所述加料管a加料后，均开启电机以20~60rpm的转速转动所述转筒10～30min，使接种物及物料均充分混合均匀；沼渣从所述排渣管排渣前，开启电机以40~120rpm的转速转动所述转筒10～30min，使所述转筒内沼液沼渣有效分离；前其他时间，每天启动电机2次，每次10～30min，转速20~60rpm；

进一步：整个挂膜过程，开启所述恒温加热器，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下进行挂膜；

所述有机废弃物，目数不作要求，为猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、秸秆之一或混合；

所述生物炭颗粒，粒径为1~5mm；

S1.5 真空冻干：

挂膜完成后，打开所述排液管阀门，直至所述生物膜培养腔内沼液全部排出后，关闭所述排液管阀门，并开启生物膜闸门，将生物炭及其上生物膜传输至真空冻干器进行真空冻干，冻干至含水量为8～10％， 得到冻干后生物炭及其上生物膜，即厌氧消化固体生物膜；冻干温度为-40℃～-45℃，冻干时间为24～72h；

S2 添加微量元素和复合维生素：

S2.1 制备微量元素和复合维生素混合粉体：

按质量份数，称取固体形态的1~2份的硫酸亚铁、0.1~1份的氯化钴、 0.5~2份的氯化镍、0.3~2份的复合维生素，放入容器中， 加蒸馏水制成饱和溶液，放入温度为60~90℃的烘箱中，烘 干1~2h后，用粉碎机粉碎成100~130目，得到微量元素和复合维生素混合粉体；其中，复合维生素由生物素、硫胺素、盐酸吡哆醇、D - 泛钙酸、硫辛酸、叶酸、核黄素、烟酸、对氨基苯甲酸、维生素B₁₂中的三种或多种组成；

S2.2 混合：

将步骤S1.5中制得的厌氧消化固体生物膜从所述真空冻干器的真空冻干出料口取出；并将步骤S2.1中制备的微量元素和复合维生素混合粉体，按2%~5%的添加量，加入到所制备的厌氧消化固体生物膜中，混合均匀后，即得生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂；

以上所有步骤及相应操作，均在厌氧环境下进行。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法，保证了制备过程的无氧操作，提供的制备装置结构简单、紧凑，操作方便，有效地实现了生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备。本发明制备的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂，集生物膜技术富集并稳定厌氧消化微生物菌群的优点及生物炭促进厌氧消化的优点，并通过微量元素和复合维生素的复合添加，具备快速启动厌氧消化，快速富集、稳定微生物，并能有效提高厌氧消化有机物降解的充分性，缩短水力滞留期，提高甲烷产量的有益效果。

（2）本发明提供的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法，由于采用了真空冻干技术，使生物炭及其上生物膜在低压中冷冻至水的冰点以下，使固体成份被在其位子上的坚冰支持着，在冰升华时，会留下孔隙在干燥的剩余物质里，这样就保证了生物炭及其上生物膜的生物和化学结构及其活性的完整性，避免了传统干燥由于材料皱缩及破坏细胞而造成的微生物失活现象。

（3）本发明提供的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法，保留了厌氧消化过程中微生物菌群的完整性和多样性，避免了目前大部分厌氧消化促进剂或厌氧消化菌剂中存在的菌种单一的问题。因为从有机物厌氧消化到形成甲烷，是极其复杂的过程，并不是一种细菌或有限几种微生物所能完成的，而是分解菌群、产酸菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群协同作用的结果。此外，单一生物菌剂存在分离、纯化困难，过程复杂，制作成本较高，甚至有些厌氧消化微生物菌剂需要靠国外进口，其价格高昂且存在技术封锁。而本发明制备的厌氧消化促进剂，包含了整个厌氧消化过程中完整的菌群结构，且通过微量元素及维生素的添加，能更有效地适用于实际厌氧消化工程。

附图说明

图1是本发明的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置的结构示意图；

图2是本发明的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置中转筒的结构示意图。

图中：1.导气管a，2.刮板，3.筛孔，4.电机，5.转筒，6.沼液闸门，7.沼液闸门开关，8.导气管b，9.排渣管，10.取样口，11.转盘，12.进料管a，13.沼液腔，14.外腔，15.加热管，16.回热管，17.排液管，18.生物膜阀门，19.隔板，20.生物膜培养腔，21.夹套，22.进料管b，23.生物膜闸门开关，24.真空冻干出料口，25.真空冻干器，26.恒温加热器，27.补水管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，包括转筒5、沼液腔13、生物膜培养腔20、外腔14、恒温加热器26和真空冻干器25；所述转筒5位于所述沼液腔13内；所述沼液腔13与所述生物膜培养腔20间由隔板19隔开，并与外腔14组成夹套21；所述隔板19上设有沼液闸门6，沼液闸门开关7位于外腔14外壁的对应位置上；所述恒温加热器26的加热管15接至所述外腔14左壁右上端面，回热管16接自所述外腔14右壁右下端面；所述生物膜培养腔20底面和所述外腔14底面间开设生物膜闸门18，所述生物膜闸门18通向与所述外腔14底面相连的真空冻干器25，生物膜闸门开关23位于外腔14外壁的对应位置上；所述真空冻干器25与所述恒温加热器26相连；

所述沼液腔13，顶部设导气管a 1；所述导气管a 1，自所述沼液腔13顶面伸出后，穿过夹套21，至外腔14外；

所述沼液腔13内设刮板2一条，所述刮板2顶端固定在所述沼液腔13内壁顶部上，刮板2底部带有毛刷，刮板2沿毛刷方向紧贴所述转筒5的外壁；

所述转筒5，配有电机4；所述电机4，为变频电机，通过传动机构与所述转筒5及转盘11相连，电机4按整周旋转；所述转盘11位于所述沼液腔13右壁及所述外腔14右上壁间；

所述转筒5，右端面上侧设有进料管a 12，右端面下侧设有排渣管9，侧面设等间距的筛孔3，孔径为80目；所述进料管a 12和所述排渣管9，自所述转筒5右端面伸出后，穿过转盘11，至外腔14外；

所述生物膜培养腔20右壁面上侧设有进料管b 22和导气管b 8，前壁面下侧设有排液管17；所述进料管b 22和所述排液管17，自所述生物膜培养腔20壁面伸出后，穿过夹套21，至外腔14外；所述排液管17入口处设滤网，孔径为80目；

所述真空冻干器25右端面设真空冻干出料口24，所述真空冻干出料口24平时关闭出料时开启；

所述恒温加热器26上设补水管27；

所述补水管27、进料管a 12和进料管b 22、排渣管9及排液管17上均设阀门，阀门平时关闭使用时开启；

进一步，所述电机4，转盘11，以及所有阀门、管口的连接处均密封；

进一步，所述沼液闸门6和生物膜闸门18，为常闭闸门，操作需要时开启；

进一步，所述导气管a 1、导气管b 8均与集气装置连接；

作为优选，所述转筒5、沼液腔13、生物膜培养腔20、外腔14和一系列管道，均采用不锈钢材料。

实施例二：

一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备方法，基于实施例一的一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，包括如下步骤：

S1 制备厌氧消化固体生物膜：

S1.1培养基配制：

培养基：NH₄Cl 1 g/L，MgCl₂ 1 g/L，NaCl 0.5 g/L，K₂HPO4 0.4 g/L，KH₂PO4 0.4 g/L，蛋白胨 2 g/L，酵母浸粉2 g/L，乙酸钠10 g/L，微量元素10 mL，维生素 10 mL，L - 半胱氨酸0.5 g/L， 2‰ 刃天青2 mL，蒸馏水1000 mL（pH 7.0）；其中，

微量元素( g/L) ：N (CH2COOH) ₃ 4.5 (氨乙酸) ， FeCl₂·4H₂O 0.4，MnCl·H₂O0.1， CoCl₂·6H₂O 0.12， AlK ( SO₄ ) ₂ 0.01， ZnCl₂ 0.1， NaCl 1， CaCl₂ 0.02，Na₂MoO₄ 0.01， H₃BO₃ 0.01，NiCl₂·6H₂O 0.42 ；

维生素( g/L) ：生物素2.0，硫胺素5.0，盐酸吡哆醇 10，D - 泛钙酸5.0，硫辛酸5.0，叶酸2.0，核黄素 5.0，烟酸5.0，对氨基苯甲酸5.0，维生素B₁₂ 0.1；

S1.2接种物富集培养：

取长期稳定运行的总固体含量Ts为7.5%的污水处理厂二沉池底部活性污泥为接种物，和所述培养基按体积比4：1装入培养容器，并密闭，在35℃的恒温条件下100rpm震荡培养；每次从所述培养容器中倾倒部分上清液并补充新鲜的所述培养基，每周两次；

S1.3接种物驯化：

取风干的玉米秸秆碾碎并过100目筛，同时取新鲜鸡粪剔除杂物并过100目筛，然后将两者按碳氮比25~30:1的比例混合，作为接种物驯化原料，并加水配制成接种物驯化料液；将已完成富集培养的所述接种物，按30%的接种量和发酵料液混合并搅拌均匀后，从所述生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置的进料管a 12加入到转筒5中；开启恒温加热器26，设定35℃恒温加热，同时开启电机4，在40rpm电机转速下旋转培养；通过所述进料管a 12，每隔2天添加质量分数0.8%的所述接种物驯化料液直到培养液pH下降到6.0～6.8，再每隔2天添加质量分数2.0%的所述接种物驯化料液，直到沼液辅酶F420荧光分光光度值为20.0～250.0为止；

S1.4 生物炭挂膜：

取风干的玉米秸秆并切碎至3cm左右，同时取新鲜鸡粪并过筛剔除杂物，然后将两者按碳氮比25~30:1的比例混合，作为发酵原料；在完成步骤S1.3的接种物驯化后，每隔1天从所述进料管a 12添加质量分数6%的发酵原料并从排渣管9排去发酵后沼渣；发酵产生的沼液供所述生物膜培养腔20间歇式补充新鲜沼液用；接种物从所述取样口10抽取前或发酵原料从所述加料管a 12加料后30min，开启电机4以40rpm的转速转动所述转筒，使接种物及物料均充分混合均匀；沼渣从所述排渣管9排渣前，开启电机4以80rpm的转速转动所述转筒30min，使所述转筒内沼液沼渣有效分离；其他时间，每天启动电机4两次，每次30min，转速40rpm；

采用快速排泥法进行生物炭挂膜；在完成接种物驯化后，从所述装置的取样口10抽取适量接种物，与质量分数为5%的粒径为5mm的生物炭颗粒振荡混匀后静置１小时，排出上清液，并将接种物和生物炭颗粒的混合物从所述装置的进料管b 22注入生物膜培养腔20内；开启沼液闸门6，从所述沼液腔13中注入2 倍体积的新鲜沼液到所述生物膜培养腔20内，淹没生物炭颗粒并静态接触24h 后，打开排液管17排掉悬浮污泥；之后每隔1天，打开排液管17阀门排出1/2体积沼液，再关闭排液管17阀门同时开启沼液闸门6，补充相同体积新鲜沼液后关闭沼液闸门6，以此来进行间歇式补充新鲜沼液挂膜；重复此操作，直到挂膜完成；整个挂膜过程，开启所述恒温加热器26，在35℃的恒温条件下进行挂膜；

S1.5 真空冻干：

挂膜完成后，打开所述排液管17阀门，直至所述生物膜培养腔20内沼液全部排出后，关闭所述排液管17阀门，并开启生物膜闸门18，将生物炭及其上生物膜传输至真空冻干器25进行真空冻干，冻干至含水量为8.3％， 得到冻干后生物炭及其上生物膜，即厌氧消化固体生物膜；冻干温度为-45℃，冻干时间为48h；

S2 添加微量元素和复合维生素：

S2.1 制备微量元素和复合维生素混合粉体：

按质量份数，称取固体形态的1.5份的硫酸亚铁、0.7份的氯化钴、 1.5份的氯化镍、1.3份的复合维生素，放入容器中， 加蒸馏水制成饱和溶液，放入温度为90℃的烘箱中，烘 干1h后，用粉碎机粉碎成120目，得到微量元素和复合维生素混合粉体；其中，复合维生素由生物素、叶酸、核黄素、维生素B₁₂组成；

S2.2 混合：

将步骤S1.5中制得的厌氧消化固体生物膜从所述真空冻干器的真空冻干出料口取出；并将步骤S2.1中制备的微量元素和复合维生素混合粉体，按5%的添加量，加入到所制备的厌氧消化固体生物膜中，混合均匀后，即得生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂；

以上所有步骤及相应操作，均在厌氧环境下进行。

根据实施例一和实施例二的装置和方法制得的生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂，按质量份数是由固体形态的1.5份的硫酸亚铁、0.7份的氯化钴、 1.5份的氯化镍、1.3份的复合维生素、95份的厌氧消化固体生物膜制成；其中复合维生素由生物素、叶酸、核黄素、维生素B₁₂组成。

将所制备的厌氧消化促进剂投加到正在运行的CSTR发酵罐体积1000立方的玉米秸秆和鸡粪为混合原料的沼气工程中，发酵周期25天内，相对于未添加本发明厌氧消化促进剂的对照组，添加本发明厌氧消化促进剂后发酵罐启动速度提高34%，产气高峰提前3天，水力滞留期缩短3天，日平均产气量可提高22.3%，所产沼气中甲烷含量平均由50.8%提高到61.7%。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，其特征在于：包括转筒、沼液腔、生物膜培养腔、外腔、恒温加热器和真空冻干器；所述转筒位于所述沼液腔内；所述沼液腔与所述生物膜培养腔间由隔板隔开，并与外腔组成夹套；所述隔板上设有沼液闸门，沼液闸门开关位于外腔外壁的对应位置上；所述恒温加热器的加热管接至所述外腔左壁右上端面，回热管接自所述外腔右壁右下端面；所述生物膜培养腔底面和所述外腔底面间开设生物膜闸门，所述生物膜闸门通向与所述外腔底面相连的真空冻干器，生物膜闸门开关位于外腔外壁的对应位置上；所述真空冻干器与所述恒温加热器相连；所述沼液腔，顶部设导气管a；所述导气管a，自所述沼液腔顶面伸出后，穿过夹套，至外腔外；所述沼液腔内设刮板1条，所述刮板顶端固定在所述沼液腔内壁顶部上，刮板底部带有毛刷，刮板沿毛刷方向紧贴所述转筒的外壁；所述转筒，配有电机；所述电机，为变频电机，通过传动机构与所述转筒及转盘相连，电机按整周旋转；所述转盘位于所述沼液腔右壁及所述外腔右上壁间；所述转筒，右端面上侧设有进料管a，右端面下侧设有排渣管，侧面设等间距的筛孔；所述进料管a和所述排渣管，自所述转筒右端面伸出后，穿过转盘，至外腔外；所述生物膜培养腔右壁面上侧设有进料管b和导气管b，前壁面下侧设有排液管；所述进料管b和所述排液管，自所述生物膜培养腔壁面伸出后，穿过夹套，至外腔外；所述排液管入口处设滤网；所述真空冻干器右端面设真空冻干出料口，所述真空冻干出料口平时关闭出料时开启；所述恒温加热器上设补水管；所述补水管、进料管、排渣管及排液管上均设阀门，阀门平时关闭使用时开启。

2.根据权利要求1所述的一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，其特征在于：所述电机、转盘，以及所有阀门、管口的连接处均密封；所述沼液闸门和生物膜闸门，为常闭闸门，操作需要时开启；所述导气管均与集气装置连接。

3.根据权利要求1所述的一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，其特征在于：所述转筒上的筛孔，孔径为80~120目；所述排液管入口处滤网，孔径为80～20目；所述转筒、沼液腔、生物膜培养腔、外腔和一系列管道，均采用不锈钢材料。

4.一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备方法，基于权利要求1～3所述的任意一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，包括如下步骤：

S1 制备厌氧消化固体生物膜：

S1.1培养基配制：

培养基：NH₄Cl 1 g/L，MgCl₂ 1 g/L，NaCl 0.5 g/L，K₂HPO4 0.4 g/L，KH₂PO4 0.4 g/L，蛋白胨 2 g/L，酵母浸粉2 g/L，乙酸钠10 g/L，微量元素10 mL，维生素 10 mL，L - 半胱氨酸0.5 g/L， 2‰ 刃天青2 mL，蒸馏水1000 mL（pH 7.0）；其中，

微量元素( g/L) ：N (CH2COOH) ₃ 4.5 (氨乙酸) ， FeCl₂·4H₂O 0.4，MnCl·H₂O 0.1，CoCl₂·6H₂O 0.12， AlK ( SO₄ ) ₂ 0.01， ZnCl₂ 0.1， NaCl 1， CaCl₂ 0.02， Na₂MoO₄0.01， H₃BO₃ 0.01，NiCl₂·6H₂O 0.42 ；

维生素( g/L) ：生物素2.0，硫胺素5.0，盐酸吡哆醇 10，D - 泛钙酸5.0，硫辛酸5.0，叶酸2.0，核黄素 5.0，烟酸5.0，对氨基苯甲酸5.0，维生素B₁₂ 0.1；

S1.2接种物富集培养：

将接种物和所述培养基，按体积比(1～4)：1装入培养容器，并密闭，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下静置培养或20～120rpm震荡培养；每次从所述培养容器中倾倒部分上清液并补充新鲜的所述培养基，每周两次；所述接种物，为长期稳定运行的总固体含量Ts为0.8%～12%的沼气池底部活性污泥、沼液或污水处理厂二沉池底部活性污泥；

S1.3接种物驯化：

以有机废弃物为原料，并加水配制成发酵料液；将已完成富集培养的所述接种物，按10%~30%的接种量和发酵料液混合并搅拌均匀后，从所述生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置的进料管a加入到转筒中；开启恒温加热器，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下静置培养或同时开启电机，在20～120rpm电机转速下旋转培养；通过所述进料管a，每隔1～3天添加质量分数0.4%～1.2%有机废弃物直到培养液pH下降到6.0～6.8，再每隔1～3天添加质量分数1.5%～3.0%有机废弃物，直到沼液辅酶F420荧光分光光度值为20.0～250.0为止；所述有机废弃物，为80~120目猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、秸秆之一或混合；

S1.4 生物炭挂膜：

采用快速排泥法进行生物炭挂膜；在完成接种物驯化后，从所述装置的取样口抽取适量接种物，与质量分数为5%～20%的生物炭颗粒振荡混匀后静置1小时，排出上清液，并将接种物和生物炭颗粒的混合物从所述装置的进料管b注入生物膜培养腔内；开启沼液闸门，从所述沼液腔中注入2 倍体积的新鲜沼液到所述生物膜培养腔内，淹没生物炭颗粒并静态接触24h 后，打开排液管排掉悬浮污泥，之后每隔1天从所述沼液腔中进行间歇式补充新鲜沼液挂膜，直到挂膜完成；所述生物膜培养腔间歇式补充新鲜沼液时，先打开排液管阀门排出1/3～1/2体积沼液，再关闭排液管阀门同时开启沼液闸门，补充相同体积新鲜沼液后关闭沼液闸门；在完成步骤S1.3的接种物驯化后，每隔1～3天从所述进料管a添加质量分数4%～10%的有机废弃物并从排渣管排去发酵后沼渣；发酵产生的沼液供所述生物膜培养腔间歇式补充新鲜沼液用；接种物从所述取样口抽取前或有机废弃物从所述加料管a加料后10～30min，开启电机以20~60rpm的转速转动所述转筒，使接种物及物料均充分混合均匀；沼渣从排渣管排渣前，开启电机以40~120rpm的转速转动所述转筒10～30min，使所述转筒内沼液沼渣有效分离；其他时间，每天启动电机2次，每次10～30min，转速20~60rpm；所述有机废弃物，目数不作要求，为猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、秸秆之一或混合；所述生物炭颗粒，粒径为1~5mm；整个挂膜过程，开启所述恒温加热器，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下进行挂膜；

S1.5 真空冻干：

挂膜完成后，打开所述排液管阀门，直至所述生物膜培养腔内沼液全部排出后，关闭所述排液管阀门，并开启生物膜闸门，将生物炭及其上生物膜传输至真空冻干器进行真空冻干，冻干至含水量为8～10％， 得到冻干后生物炭及其上生物膜，即厌氧消化固体生物膜；冻干温度为-40℃～-45℃，冻干时间为24～72h；

S2 添加微量元素和复合维生素：

S2.1 制备微量元素和复合维生素混合粉体：

按质量份数，称取固体形态的1~2份的硫酸亚铁、0.1~1份的氯化钴、 0.5~2份的氯化镍、0.3~2份的复合维生素，放入容器中， 加蒸馏水制成饱和溶液，放入温度为60~90℃的烘箱中，烘 干1~2h后，用粉碎机粉碎成100~130目，得到微量元素和复合维生素混合粉体；其中，复合维生素由生物素、硫胺素、盐酸吡哆醇、D - 泛钙酸、硫辛酸、叶酸、核黄素、烟酸、对氨基苯甲酸、维生素B₁₂中的三种或多种组成；

S2.2 混合：

将步骤S1.5中制得的厌氧消化固体生物膜从所述真空冻干器的真空冻干出料口取出；并将步骤S2.1中制备的微量元素和复合维生素混合粉体，按2%~5%的添加量，加入到所制备的厌氧消化固体生物膜中，混合均匀后，即得生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂。

5.根据权利要求4所述的一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备方法，其特征在于：所述所有步骤及相应操作，均在厌氧环境下进行。