CN113603218A - 一种用于强化厌氧消化的填料反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，包括依次连接的生物填料驯化区、生物填料布置区、厌氧消化反应区；所述生物填料驯化区中，完成多种填料的挂膜驯化和适应性验证，得到通过验证的强化生物填料；所述生物填料布置区中，对通过验证的强化生物填料进行特定的选择及组合，并进行层次化布置，得到层次化布置的强化厌氧消化填料组合；所述厌氧消化反应区中，基于层次化布置的强化厌氧消化填料组合进行生物填料强化下的厌氧消化反应。与现有技术相比，本发明满足了新型填料反应器精准化、高效化、集成化、可持续化的需求，可有效提升填料反应器强化厌氧消化的能力和效率，具备良好的工程应用前景。

Description

一种用于强化厌氧消化的填料反应系统

技术领域

本发明涉及一种环境保护与资源回收领域，尤其是涉及一种用于强化厌氧消化的填料反应系统。

背景技术

在污水和有机废弃物处理领域，减污降碳协同增效、加强资源能源回收是实现碳减排乃至负碳排放的关键环节。厌氧消化技术是污水、污泥及多种有机废弃物处理中广泛应用的生物处理绿色技术，能在完成污染物无害化处理的同时实现生物质资源能源的回收，产生的沼气作为可再生能源可有效替代石油等化石能源，是支撑生态文明建设与社会可持续发展的重要技术保障。

厌氧消化技术作为一项成熟的技术，其应用在有机废弃物处理中也存在着处理周期长、产沼气效率低、沼气中甲烷比例低等一系列问题。为进一步提升厌氧消化性能，科研工作者作了许多不同的尝试，填料的应用便是其中一种技术。填料在厌氧消化中的应用具有富集厌氧微生物、增强厌氧消化稳定性、提升厌氧消化性能等一系列技术优点。

专利“一种基于生物炭载体的UBF厌氧反应器”(CN113060832A)、专利“一种大型生物厌氧消化装置”(CN107226527A)等均是从这个思路出发采用填料技术强化厌氧消化。然而，现有的填料反应器系统绝大部分关注其与厌氧消化的组合、填料的材质和用量、反应器的构造，而对于各种填料应用于厌氧消化中效果不明确、作用不精准、回收程序复杂、使用不可持续的技术问题，仍没有能够解决。为了推动填料反应器系统在厌氧消化领域的发展应用，急需一种新型的精准化、高效化、集成化、可持续化的填料反应器系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，解决了现有填料反应器系统应用在厌氧消化中存在的效果不明确、作用不精准、回收程序复杂、使用不可持续的等技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本技术方案的目的是保护一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，包括依次连接的生物填料驯化区、生物填料布置区、厌氧消化反应区；

所述生物填料驯化区中，完成多种填料的挂膜驯化和适应性验证，得到通过验证的强化生物填料；

所述生物填料布置区中，对通过验证的强化生物填料进行特定选择组合，并进行层次化布置，得到层次化布置的强化厌氧消化填料组合；

所述厌氧消化反应区中，通过层次化布置的强化厌氧消化填料组合进行生物填料强化下的厌氧消化反应。

与本技术方案中反应系统对应的运行方法包括：填料选择、填料挂膜驯化、生物填料适应性验证、生物填料布置、厌氧消化。

进一步地，所述填料包括强化水解类填料、强化酸化类填料和强化产甲烷类填料。

填料对于厌氧消化的强化来自于对厌氧消化的水解、酸化、产甲烷中某一个或某几个环节的强化，但之前的研究并未对填料的具体作用做具体区分，在使用填料时也并未进行精准化的利用。本发明在驯化生物填料前，将填料分为强化水解、强化酸化、强化产甲烷三大类，有利于后续进行精准化的挂膜驯化和高效的启动厌氧消化。

进一步地，所述强化水解类填料包括催化类填料(包括但不限于MOF填料)和电解类填料(包括但不限于铁碳微电解填料)；

所述强化酸化类填料包括铁氧化物填料(包括但不限于赤铁矿填料)和复合填料(包括但不限于氮掺杂石墨烯填料)；

所述强化产甲烷类填料包括磁性填料(包括但不限于磁铁矿填料)和非磁性填料(包括但不限于活性炭填料)。

在将填料分为三大类的基础上，本发明根据不同填料的作用特点将强化水解、强化酸化、强化产甲烷三大类填料进行了更细分的分类，并选择出代表性的填料，有利于后续针对厌氧消化需要处理的不同污染物对象选择更为合适的填料进行挂膜驯化和厌氧消化，提高填料反应器系统的精准化、高效化水平。

进一步地，所述生物填料驯化区包括水解微生物挂膜驯化区、产酸微生物挂膜驯化区、产甲烷微生物挂膜驯化区。本技术方案中通过对生物填料驯化区的划分，可以针对所选定的不同类型的填料进行挂膜驯化，富集不同功能微生物。

进一步地，所述水解微生物挂膜区完成强化水解类填料的挂膜驯化，驯化过程的碳源包括蛋白质、多糖、脂质，驯化时间为3d–20d；

所述产酸微生物挂膜区完成强化酸化类填料的挂膜驯化，驯化过程的碳源包括氨基酸、单糖、脂肪酸，驯化时间为5d–25d；

所述产甲烷微生物挂膜区完成强化产甲烷类填料的挂膜驯化，驯化过程的碳源包括甲醇、乙酸、二氧化碳，驯化时间为15d–40d。

本技术方案针对所要挂膜的微生物种类、生长周期、基质需求，确定不同微生物挂膜区的碳源和驯化时间，从而有针对性的富集对应类型的微生物，形成特定的高活性微生物膜。

进一步地，所述适应性验证在不同填料的挂膜驯化结束后进行，适应性验证过程中采用污水厂污水和有机废弃物(包括但不限于污泥、餐厨垃圾、农作物秸秆)替代挂膜驯化过程的碳源，进行生物膜检验和效果验证，适应性验证的时间为2d–30d。

本技术方案为了验证和确保生物填料驯化区中微生物挂膜的顺利完成，采用实际废水、废物进行生物膜检验和效果验证，在不同微生物膜的反应周期内，验证不同类型生物填料代谢污染物和生长繁殖的效果，通过适应性验证的生物填料进入生物填料布置区，未通过适应性验证的填料则回到生物填料驯化区进行再次挂膜驯化，从而保证了所得到的生物填料的高效性和对后续厌氧消化性能的提升。

进一步地，所述生物填料布置区为两层或三层布置的环状网兜；

采取两层布置时，将强化产甲烷类生物填料布置在第一层，强化水解类生物填料和强化酸化类生物填料共同布置在第二层；

采取三层布置时，将强化产甲烷类生物填料、强化酸化类生物填料、强化水解类生物填料依次布置在第一层、第二层、第三层。

本技术方案中生物填料布置区采用多层环状网兜的形式，一方面针对性的将不同生物填料集成在反应器装置中，另一方面最大限度的避免对反应器系统搅拌的影响，优化传质反应过程，相比于采用生物填料床形式的填料反应器系统，其传质均匀性能要更加优越；生物填料布置区使用两层布置或三层布置可根据需要处理的污水和有机废弃物确定，对于水解酸化过程间隔不明显的废弃物，如餐厨垃圾，则可以使用两层布置，对于水解酸化过程均相对缓慢的废弃物，如农作物秸秆，则可以采用三层布置。

进一步地，所述厌氧消化反应区上设有进料口、出料口、沼气收集管和搅拌组件。本技术方案中填料反应器集成了生物填料布置区和厌氧消化反应区，在优化填料反应器搅拌性能的同时，通过生物填料的合理选择和布置，提高了生物填料反应器的集成化程度，避免了生物填料在厌氧消化反应区的混乱、沉积和流失。

进一步地，所述厌氧消化反应区中，所述厌氧消化反应的过程包括系统进料、系统搅拌、系统气体收集、系统出料。本发明经挂膜驯化、适应性验证、合理布置的生物填料可以在系统进料后高效启动和运行厌氧消化，完成有机物的处理和资源化过程。

进一步地，所述厌氧消化反应中，反应温度为25℃～65℃；

反应进料方式为批次进料、半连续或连续式进料，反应停留时间为5d～30d；

反应过程中搅拌速度为60rpm～150rpm。

本发明中填料反应器具备广泛的适用性和规模化的可行性，具备良好的工程应用前景。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)精准化：本发明根据不同填料的作用特点选择出代表性的填料，并通过对生物填料驯化区的划分，针对所选定的不同类型的填料进行挂膜驯化，精准化的富集不同功能微生物，后续针对厌氧消化需要处理的不同污染物对象选择更为合适的生物填料和布置方式，有效提高了填料反应器系统的精准化水平。

(2)高效化：本发明通过针对性的挂膜驯化和适应性验证，筛选出具备高反应活性生物膜的不同类型生物填料，并进行针对性的选择和布置，可高效的启动污染物厌氧消化，提升厌氧消化性能。

(3)集成化：本发明生物填料布置区采用多层环状网兜的形式，在优化填料反应器搅拌性能的同时，针对性的将不同生物填料集成在反应器装置中，通过生物填料的合理选择和布置，提高了生物填料反应器的集成化程度，可进行规模化应用。

(4)可持续化：一方面，本发明生物填料具备高反应活性生物膜，并通过多层环状网兜的形式避免了生物填料在厌氧消化反应区的混乱、沉积和流失，因此具备优秀可持续运行能力和强化厌氧消化的性能；另一方面，本发明生物填料布置区易于拆卸，挂膜驯化完成的生物填料可顺利的替换生物填料布置区的原有填料，被替换的填料又可回到生物填料驯化区进行再次驯化，更加保障了本发明反应器系统的稳定运行性能。

附图说明

图1为本发明填料反应系统的组成和运行示意图；

图2为采用本系统构造的一种填料反应器装置示意图；

图3为采用本系统构造的一种填料反应器中填料布置区结构示意图；

图4为采用本系统构造的一种填料反应器中填料布置区中网兜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

本技术方案中通过对生物填料驯化区、生物填料布置区、厌氧消化反应区的设计，以及填料选择、填料挂膜驯化、生物填料适应性验证、生物填料布置、厌氧消化一系列运行手段，满足了新型填料反应器精准化、高效化、集成化、可持续化的需求，可有效提升填料反应器强化厌氧消化的能力和效率，具备良好的工程应用前景。

本技术方案中强化厌氧消化的填料反应系统包括依次连接的生物填料驯化区、生物填料布置区、厌氧消化反应区。

生物填料驯化区中，完成多种填料的挂膜驯化和适应性验证，得到通过验证的强化生物填料；生物填料布置区中，对通过验证的强化生物填料进行特定选择组合，并进行层次化布置，得到层次化布置的强化厌氧消化填料组合；厌氧消化反应区中，通过层次化布置的强化厌氧消化填料组合进行生物填料强化下的厌氧消化反应。

与本技术方案中反应系统对应的运行方法包括：填料选择、填料挂膜驯化、生物填料适应性验证、生物填料布置、厌氧消化。

填料包括强化水解类填料、强化酸化类填料和强化产甲烷类填料。强化水解类填料包括催化类填料(包括但不限于MOF填料)和电解类填料(包括但不限于铁碳微电解填料)；强化酸化类填料包括铁氧化物填料(包括但不限于赤铁矿填料)和复合填料(包括但不限于氮掺杂石墨烯填料)；强化产甲烷类填料包括磁性填料(包括但不限于磁铁矿填料)和非磁性填料(包括但不限于活性炭填料)。

生物填料驯化区包括水解微生物挂膜驯化区、产酸微生物挂膜驯化区、产甲烷微生物挂膜驯化区。

生物填料布置区为两层或三层布置的环状网兜；采取两层布置时，将强化产甲烷类生物填料布置在第一层，强化水解类生物填料和强化酸化类生物填料共同布置在第二层；采取三层布置时，将强化产甲烷类生物填料、强化酸化类生物填料、强化水解类生物填料依次布置在第一层、第二层、第三层。

实施例1

本实施例旨在说明用于强化厌氧消化的填料反应系统及其运行方法的一种反应器构造。

在本实施例中，生物填料驯化区选择满足驯化要求的空间即可，厌氧消化反应器由生物填料布置区和厌氧消化反应区组成，均集成于如图2所示的反应装置中，生物填料布置区采取三层布置，将强化产甲烷类生物填料、强化酸化类生物填料、强化水解类生物填料依次布置在第一层、第二层、第三层。其中，1#填料为磁铁矿生物填料，2#填料为赤铁矿生物填料，3#填料为铁碳微电解生物填料。生物填料布置区的详细示意图如图3所示，其中1#网兜、2#网兜和3#网兜均由多孔塑料板组合而成，易于安装和拆卸，孔径均小于填料尺寸，网兜详细示意图如图4所示。该反应器可有效进行难降解有机废弃物的厌氧消化，能在实际应用中集成化规模化生产。

应用填料反应系统强化餐厨垃圾厌氧消化，在初始填料选择上，分别选择MOF填料、氮掺杂石墨烯填料、活性炭填料进入生物填料驯化区进行挂膜驯化。

其中MOF填料在水解微生物挂膜区进行挂膜驯化，驯化过程的碳源为牛血清蛋白和纤维素，驯化时间为10d，驯化后的水解细菌相对丰度大于50％。

氮掺杂石墨烯填料在产酸微生物挂膜区进行挂膜驯化，驯化过程的碳源为氨基酸和葡萄糖，驯化时间为15d，驯化后的产酸细菌相对丰度大于50％。

活性炭填料在产甲烷微生物挂膜区进行挂膜驯化，驯化过程的碳源为乙酸和二氧化碳，驯化时间为30d，驯化后的产甲烷菌相对丰度大于60％。

挂膜驯化过程实现了精准化富集对应类型的微生物，形成了特定的高活性微生物膜。

在不同填料的挂膜驯化结束后进行，采用餐厨垃圾替代挂膜驯化过程的碳源，进行生物膜检验和效果验证，三种生物填料的微生物代谢和生长均正常进行，餐厨垃圾有机物降解率达到75％以上，性能优秀，通过适应性验证。

生物填料进入生物填料布置区，生物填料布置区为两层布置，其中活性炭生物填料布置在第一层，MOF生物填料和氮掺杂石墨烯生物填料以1：1比例共同布置在第二层，生物填料反应器集成化程度高，避免了生物填料在厌氧消化反应区的混乱、沉积和流失。厌氧消化环节温度为55℃，系统进料方式为批次进料，停留时间30d，系统搅拌速度为100rpm。本实例案例中经挂膜驯化、适应性验证、合理布置的生物填料可以在系统进料后高效启动和持续性强化餐厨垃圾厌氧消化，完成餐厨垃圾的处理和资源化过程。

应用填料反应系统强化浓缩污泥厌氧消化，浓缩污泥含固率4.06％，挥发性固体占总固体比例为55.23％。将经挂膜驯化后的三种生物填料分别对应布置在三层生物填料布置区，作为处理对象的浓缩污泥，以半连续方式进料至厌氧消化反应区，温度设置为37℃，搅拌速度为150rpm，停留时间为25d，进行厌氧消化，监测过程中的产甲烷停滞期，最大产甲烷速率，甲烷产量。

对比例1

采用常规填料反应器，即由常规厌氧消化反应器组合生物填料床形成的填料反应器，与实施例1保持相同填料种类和用量，相同进料基质和进料方式，相同厌氧消化温度、搅拌速度、时间，进行厌氧消化，监测过程中的产甲烷停滞期，最大产甲烷速率，甲烷产量。

实验结果表明，实施例1中的产甲烷停滞期为0.8d，较对比例1的3.1d缩短74.2％；最大产甲烷速率产甲烷量为124.5mL/(g VS_add·d)，较对比例1的76.1mL/(g VS_add·d)提高63.6％，甲烷产量为364.2mL/g VS，较对比例1的278.4mL/g VS增加30.8％。这些结果充分说明了填料反应系统相比常规填料反应器在强化厌氧消化上的高效化性能和技术效果。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，其特征在于，包括依次连接的生物填料驯化区、生物填料布置区、厌氧消化反应区；

所述生物填料驯化区中，完成多种填料的挂膜驯化和适应性验证，得到通过验证的强化生物填料；

所述生物填料布置区中，对通过验证的强化生物填料进行特定的选择及组合，并进行层次化布置，得到层次化布置的强化厌氧消化填料组合；

所述厌氧消化反应区中，基于层次化布置的强化厌氧消化填料组合进行生物填料强化下的厌氧消化反应。

2.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，其特征在于，所述填料包括强化水解类填料、强化酸化类填料和强化产甲烷类填料。

3.根据权利要求2所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，其特征在于，所述强化水解类填料包括催化类填料和电解类填料；

所述强化酸化类填料包括铁氧化物填料和复合填料；

所述强化产甲烷类填料包括磁性填料和非磁性填料。

4.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，其特征在于，所述生物填料驯化区包括水解微生物挂膜驯化区、产酸微生物挂膜驯化区、产甲烷微生物挂膜驯化区。

5.根据权利要求4所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，其特征在于，所述水解微生物挂膜区完成强化水解类填料的挂膜驯化，驯化过程的碳源包括蛋白质、多糖、脂质，驯化时间为3d–20d；

所述产酸微生物挂膜区完成强化酸化类填料的挂膜驯化，驯化过程的碳源包括氨基酸、单糖、脂肪酸，驯化时间为5d–25d；

所述产甲烷微生物挂膜区完成强化产甲烷类填料的挂膜驯化，驯化过程的碳源包括甲醇、乙酸、二氧化碳，驯化时间为15d–40d。

6.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，其特征在于，所述适应性验证在不同填料的挂膜驯化结束后进行，适应性验证过程中采用污水厂污水和有机废弃物替代挂膜驯化过程的碳源，进行生物膜检验和效果验证，适应性验证的时间为2d–30d。

7.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，其特征在于，所述生物填料布置区为两层或三层布置的环状网兜；

采取两层布置时，将强化产甲烷类生物填料布置在第一层，强化水解类生物填料和强化酸化类生物填料共同布置在第二层；

采取三层布置时，将强化产甲烷类生物填料、强化酸化类生物填料、强化水解类生物填料依次布置在第一层、第二层、第三层。

8.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，所述厌氧消化反应区上设有进料口、出料口、沼气收集管和搅拌组件。

9.根据权利要求1所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，所述厌氧消化反应区中，所述厌氧消化反应的过程包括系统进料、系统搅拌、系统气体收集、系统出料。

10.根据权利要求9所述的一种用于强化厌氧消化的填料反应系统，所述厌氧消化反应中，反应温度为25℃～65℃；

反应进料方式为批次进料、半连续或连续式进料，反应停留时间为5d～30d；

反应过程中搅拌速度为60rpm～150rpm。

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