CN113695356A - 一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，包括反应器主体和预设于反应器内部的生物填料系统；所述反应器主体包括反应器壁和设于反应器壁上的进料口、沼气收集管、搅拌组件；所述生物填料系统包括设于所述反应器主体内部的填料网兜，所述填料网兜中设有生物填料，所述反应器壁上与填料网兜对应位置处设有清掏口，通过清掏口实现生物填料的取出或更换。与现有技术相比，本发明大大强化了有机固废在厌氧消化过程中的水解、产酸、产甲烷效率，且生物填料不会随出料流失，不存在堵塞现象，且填料能够回收利用，实现了经济价值的最大化。
Description
技术领域
本发明涉及有机固废厌氧消化处理技术领域，尤其是涉及一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器。
背景技术
厌氧消化经常被用于处理有机质固体废弃物。在厌氧消化过程中，固体废弃物中的有机物经过水解、酸化、甲烷化过程得到稳定和去除。然而，依然有一系列瓶颈问题影响了厌氧消化的高效运行。首先，水解是大部分有机固废(如市政污泥、畜禽粪便、农作物秸秆等)厌氧消化的限速步骤，这类有机固废在厌氧消化过程中水解的速度和限度直接决定了其厌氧消化性能的好坏；其次，有机固废高负荷厌氧消化过程中会产生大量的挥发性脂肪酸(VFA)，其中丙酸的积累可能会对产甲烷菌的活性造成严重的影响，而由于丙酸向乙酸转化在热力学上不能够自发，转化过程容易受到高氢分压的影响；然后，传统的有机固废厌氧消化的甲烷产率不高(市政污泥120-160mL/gVS，农作物秸秆160-220mL/gVS，厨余垃圾260-420mL/gVS)，远远低于其产甲烷潜力。
针对以上问题，科研人员展开了细致的研究，发现一些外源物质的添加可以解决上述瓶颈问题。有科研人员在市政污泥厌氧消化系统中加入了Fe2O3颗粒，发现Fe2O3颗粒富集了异化铁还原细菌，强化了市政污泥中有机物的水解；有科研人员在市政污泥高含固厌氧消化系统中添加了Fe3O4颗粒，发现富集了特定的电活性细菌，并强化了直接种间电子传递(DIET)，加快了丙酸的代谢，并加快了甲烷的生成速率；还有学者在市政污泥、厨余垃圾单独消化和共消化过程中添加量生物炭、铁单质等，发现这两种物质的添加均能显著地提升甲烷产量和甲烷含量。
尽管在实验室小试研究中发现外源物质的添加能够显著地强化有机固废厌氧消化效率，但其实际工程应用遇到了一系列问题，主要是：第一，单独添加碳基材料并不能十分显著地强化DIET作用，且只有在水解酸化效率十分高的时候才能强化挥发性脂肪酸(VFA)向甲烷的同养转化；第二，碳基材料表面和微生物表面的电子捕获过程容易被忽略，主要是由于部分碳基材料表面活性位点较低所致；第三，铁剂材料在厌氧消化体系中容易团聚；第四，铁基材料在厌氧消化过程中容易流失。
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利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，解决了现有技术中外源材料活性位点低、在厌氧消化系统中容易团聚和流失导致难以工程化应用的问题。
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利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，包括反应器主体和预设于反应器内部的生物填料系统；
所述反应器主体包括反应器壁和设于反应器壁上的进料口、沼气收集管、搅拌组件；
所述生物填料系统包括设于所述反应器主体内部的填料网兜，所述填料网兜中设有生物填料，所述反应器壁上与填料网兜对应位置处设有清掏口，通过清掏口实现生物填料的取出或更换。
进一步地，所述填料网兜为与反应器壁的内部匹配的环形结构。
进一步地，所述填料网兜在反应器壁的内部沿垂向设置多个，以此构成立体层次化的填料网兜结构。
进一步地，在垂向上，各填料网兜中的生物填料种类不同。
进一步地，在垂向上，自下而上依次包括上中下3个填料网兜，其中：
1#填料为水铁矿，以此强化有机固废中的有机物水解；
2#填料为磁铁矿，以此强化微生物直接种间电子传递传递，缓解酸抑制，加快丙酸盐向乙酸盐的转化效率；
3#填料为负载了金属铁单质的生物炭材料，以此强化微生物产甲烷效率。
进一步地，所述反应器壁上与各个填料网兜对应的一圈区域上设有2-4个清掏口。
进一步地，所述清掏口上匹配设有端盖，实现清掏口的闭合与开启。
进一步地，所述搅拌组件包括搅拌电机和与搅拌电机输出端传动连接的搅拌桨叶，所述搅拌桨叶置于所述反应器主体内部。
进一步地，所述填料网兜包括骨架和设于骨架上的丝网。
进一步地，所述骨架为不锈钢架，所述丝网为金属丝网或高分子材料的丝网。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
(1)本技术方案中反应器的使用大大强化有机固废在厌氧消化过程中的水解、产酸、产甲烷效率，可以规模化生产，有望通过解决有机固废厌氧消化效率低和难以工程应用的难题；
(2)本技术方案中反应器出样口和排空口不易被堵塞；
(3)本技术方案中反应器的生物填料不会随出料流失；
(4)本技术方案中反应器的填料能够回收利用，实现了经济价值的最大化。
附图说明
图1本发明中的设备结构示意图。
其中：1.进料口；2.1#填料；3.1#网兜；4.2#填料；5.2#网兜；6.3#填料；7.3#填料；8.沼气收集管；9.搅拌电机；10.出料口；11.反应器壁；12.清掏口；13.搅拌桨叶；14.排空口；
图2是填料网兜形状示意图。
图3是反应器填料网兜安装效果图。
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。
其中反应器主体包括进料口1、沼气收集管8、搅拌电机9、出料口10、反应器壁11、搅拌桨叶13，生物填料系统包括生物填料2、4、6，网兜3、5、7，以及清掏口12，其中，网兜3、5、7预装在反应器内部，生物填料2、4、6可在反应器组装完成后通过清掏口12添加进去。
填料网兜3、5、7形状呈环状，截面为矩形，环绕在反应器内壁上。上中下3个填料网兜3、5、7里面的填料均不相同，其中，1#填料2为水铁矿，2#填料4为磁铁矿，3#填料6为负载了金属铁单质的生物炭材料，填料2、4、6尺寸均大于网兜3、5、7网径。每个填料网兜3、5、7外侧的反应器壁11上均设置2-4个清掏口12，用于定期清掏填料和更换新填料；进样口1位于反应器下部，出样口10位于反应器上部，半连续运行时采用溢流出样方式。
本技术方案中反应器使用方法：
反应器的组装：组装方式采用预装方式，如附图1、2、3所示，将填料网兜3、5、7预制在反应器壁11上，网兜内部的生物填料2、4、6可在反应器组装完毕后通过清掏口12添加进去。
反应器的启动与运行：反应器组装完毕后，开始加入有机固废和接种物。接种物宜采用污水厂厌氧消化沼液(TS＝1.8-4.0％)，有机固废可以为市政污泥、厨余垃圾、畜禽粪便、农作物秸秆等。启动时，接种物与有机固废按比例混合(1：0.5-2，VS比)，由进料口1泵入反应器中，并由搅拌电机9驱动搅拌桨叶13将接种物与有机固废充分混合。运行时，厌氧消化产生的沼气经沼气收集管8收集到气袋中储存。
反应器检修及更换生物填料：当生物填料板结或性质发生变化时，应更滑生物填料，更换生物填料建议在停机检修时进行。检修时，打开排空口14将反应器内部的沼液排空，打开反应器壁上的清掏口14，用工具将网兜3、5、7中的生物填料2、4、6清掏出来，并更换新填料。
填料的再生利用：用高压水枪分别冲洗3个网兜中清掏出来的生物填料(2、4、6)，直至将表面的生物膜冲洗干净，再用1：9稀盐酸或稀硝酸浸泡10h，浸泡完毕后用去离子水再次冲洗，烘干后过筛，去掉尺寸较小颗粒后可用作新填料。
实施例1
本技术方案中反应器在传统反应器内部设置了3个填料网兜，并分别在3个网兜中加入不同类型的生物填料，既能强化有机固废厌氧消化过程的水解、产酸和产甲烷效率，又能阻止填料流失，还可对填料进行回收利用，推动工程化应用。
如图1所示，在实施本运行本设备前应先按照图1来组装，先将3个填料网兜3、5、7固定在反应器内部，再将生物填料2、4、6分别添加到3个填料网兜3、5、7中；
将有机固废(本实施例中采用餐厨垃圾，TS＝9.76％，VS/TS＝86.3％)和接种物(消化污泥，TS＝3.5％)按VS比1:1混合，经过进料口1泵入反应器内部，运行搅拌电机9驱动搅拌桨叶13转动，使餐厨垃圾和接种物充分混合均匀。
反应器运行过程中产生的沼气经沼气收集管8收集，储存在气袋中。
检修或更换生物填料时，打开排空口14排空反应器内得沼液后，打开清掏口12，清出填料网兜3、5、7中的生物填料2、4、6，并将新的生物填料更换进去(1#填料为水铁矿，主要成分是Fe5HO8·4H2O，2#填料为磁铁矿，FeO＝31％，Fe2O3＝69％，3#填料为负载了金属铁单质的生物炭材料)。
生物填料再生利用时，用高压水枪分别将3种生物填料2、4、6清洗，直至冲掉填料表面的生物膜，再用1:9的稀盐酸分别浸渍3种填料10h，浸渍完成后再用去离子水反复冲洗，烘干后储存备用；
采用本实施例中的反应器及对应方法后的VS去除率(VS去除率＝(进水TS-出水TS)/VS*100％)达到66.7-73.6％，沼气产量为716.5-756.7mL/gVS，甲烷含量达到61.2-67.7％，甲烷产量达到436.5-471.3mL/gVS。
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)
1.一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，包括反应器主体和预设于反应器内部的生物填料系统；
所述反应器主体包括反应器壁(11)和设于反应器壁(11)上的进料口(1)、沼气收集管(8)、搅拌组件；
所述生物填料系统包括设于所述反应器主体内部的填料网兜，所述填料网兜中设有生物填料，所述反应器壁(11)上与填料网兜对应位置处设有清掏口(12)，通过清掏口(12)实现生物填料的取出或更换。
2.根据权利要求1所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，所述填料网兜为与反应器壁(11)的内部匹配的环形结构。
3.根据权利要求2所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，所述填料网兜在反应器壁(11)的内部沿垂向设置多个，以此构成立体层次化的填料网兜结构。
4.根据权利要求3所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，在垂向上，各填料网兜中的生物填料种类不同。
5.根据权利要求4所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，在垂向上，自下而上依次包括上中下3个填料网兜，其中：
1#填料(2)为水铁矿，以此强化有机固废中的有机物水解；
2#填料(4)为磁铁矿，以此强化微生物直接种间电子传递传递，缓解酸抑制，加快丙酸盐向乙酸盐的转化效率；
3#填料(6)为负载了金属铁单质的生物炭材料，以此强化微生物产甲烷效率。
6.根据权利要求1所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，所述反应器壁(11)上与各个填料网兜对应的一圈区域上设有2-4个清掏口(12)。
7.根据权利要求1所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，所述清掏口(12)上匹配设有端盖，实现清掏口(12)的闭合与开启。
8.根据权利要求1所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，所述搅拌组件包括搅拌电机(9)和与搅拌电机(9)输出端传动连接的搅拌桨叶(13)，所述搅拌桨叶(13)置于所述反应器主体内部。
9.根据权利要求1所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，所述填料网兜包括骨架和设于骨架上的丝网。
10.根据权利要求9所述的一种利用生物填料强化有机固废厌氧消化能力的反应器，其特征在于，所述骨架为不锈钢架，所述丝网为金属丝网或高分子材料的丝网。
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