CN117025363A - 厌氧消化系统及厌氧发酵气体制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厌氧消化系统及厌氧发酵气体制备方法，该系统包括：厌氧消化器，配置为底部设有气体入口、顶部设有气体出口并填充有HM厌氧活性污泥的螺旋管道；气体输入组件，配置为连接气体入口，用于向厌氧消化器输入厌氧消化的原料气体；气体输出组件，配置为连接气体出口，用于输出厌氧消化器产生的厌氧发酵气体。本发明通过将厌氧消化器设置为螺旋管道，增加原料气体的气泡在HM厌氧活性污泥中的路径长度和停留接触时间，提升了厌氧消化效率以及容积利用率，同时，能够通过控制第一原料气体和第二原料气体的输入速率和消化比例，最终确定厌氧消化系统的最佳生产状态，使厌氧消化系统输出较高含量占比的厌氧发酵气体，提升系统效能。

Description

厌氧消化系统及厌氧发酵气体制备方法

技术领域

本发明涉及厌氧消化技术领域，尤其涉及到一种厌氧消化系统及厌氧发酵气体制备方法。

背景技术

沼气是通过厌氧发酵得到的一种清洁能源。未经处理的沼气可以直接使用，如燃烧。然而，二氧化碳作为沼气中的主要杂质，严重降低了其实用价值。可以采用各种化学和物理方法去除沼气中的二氧化碳，从而提高甲烷比率。这些方法包括高压水洗、变压吸附和膜分离。虽然使用这些方法从沼气中分离出了二氧化碳，但提纯后沼气的数量明显减少。

利用生物甲烷化技术(HBM)对沼气进行提纯处理，可以解决这一问题。HBM是指在原料沼气中加入氢气后，食氢产甲烷菌(HM)将混合气体中的二氧化碳转化为甲烷的过程。使用该技术提纯的沼气所获得的总能量明显高于从原料沼气中获得的总能量。同时，HBM的操作和能源成本相对较低，不需要昂贵的化学品。HBM是将多余能量转化为天然气并避免能量损失的最有效方法之一。HBM可分为原位和异位沼气提纯技术两类，不同提出技术的反应器和注气方式不同。在原位沼气提纯的情况下，直接向厌氧消化反应器中注入一定量的氢气，使沼气在反应器中同时厌氧消化和提纯。通过HM的参与，厌氧消化中的氢气和多余的二氧化碳转化为甲烷。相反，异位沼气提纯需要一个单独的气体厌氧消化器。该方法将厌氧消化产生的沼气与外源氢气结合，注入到提纯反应器中，在提纯反应器中富集HM，进行提纯反应。通过异位提纯，提纯过程独立于厌氧消化运行，确保厌氧消化反应器内的环境不受外部加氢的影响。

因此，AD（厌氧消化）的稳定性不会受到影响，潜在的生物学机制问题也被最小化。此外，由于其生物化学和稳定性较简单，仅依赖于二氧化碳、氢气以及HM的活性和必需营养素，因此整个提纯过程在反应器内得到更好的控制。异位提纯的效果取决于气体厌氧消化器的设计。因此，在大多数情况下，沼气必须提纯，以提高其质量。

在现有的气体厌氧消化器中，氢在水介质中的低溶解度和氢的气液传质限制阻碍了其生物利用度，从而限制了氢气将二氧化碳还原为甲烷的效率。由于这些气液传递的限制，只有少数改造方法可以实现高注入量、高转化率和高甲烷含量。在上流式厌氧污泥毯式反应器(UASB)中加入填料；在滴流过滤床(TFB)中由上至下喷射，有效地增加了氢气与液体的接触面积；连续搅拌槽式反应器(CSTR)可以与各种输送和分配装置(如气泡塔、管或持续泵)集成；使用膜生物反应器；这些方法都能提高气液传质以提高沼气提纯的效率，但其存在建造成本高，容积利用率低以及无法精确调控转化率和气体含量等缺陷，如用于大规模沼气提纯，更是存在占地面积大的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种厌氧消化系统及厌氧发酵气体制备方法，旨在解决目前厌氧消化系统的建造成本高、容积利用率低、发酵气体制备复杂以及无法精确调控转化率和气体含量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种厌氧消化系统，包括：

厌氧消化器，配置为螺旋管道，所述螺旋管道的底部设有气体入口，所述螺旋管道的顶部设有气体出口，所述螺旋管道内填充HM厌氧活性污泥；

气体输入组件，配置为连接所述气体入口，用于向所述厌氧消化器输入厌氧消化的原料气体；

气体输出组件，配置为连接所述气体出口，用于输出所述厌氧消化器产生的厌氧发酵气体；

其中，所述气体输入组件包括第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀，所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀根据接收到的控制信号调节控制阀开合状态，以控制第一原料气体和第二原料气体的输入速率和消化比例。

可选的，所述气体输入组件，包括：输入管道，所述输入管道的输出端连接所述厌氧消化器的气体入口，所述输入管道的输入端分别连接设置有第一原料气体输入控制阀的第一气体原料输入管道和设置有第二原料气体输入控制阀的第二气体原料输入管道。

可选的，所述气体输入组件还包括：原料气柜和原料气体泵，所述原料气柜的输入端作为所述输入管道的输入端，所述原料气柜的输出端连接所述原料气体泵的输入端，所述原料气体泵的输出端作为所述输入管道的输出端。

可选的，所述厌氧消化系统还包括厌氧消化控制器，所述厌氧消化控制器被配置为向所述第一原料气体输入控制阀与所述第二原料气体输入控制阀传输消化控制信号，所述第一原料气体输入控制阀与所述第二原料气体输入控制阀根据所述消化控制信号执行厌氧消化的消化控制过程。

可选的，所述厌氧消化系统还包括产气成分识别装置，所述产气成分识别装置被配置为识别经气体输出组件输出的厌氧消化器产生的厌氧发酵气体中的产气成分，并传输至所述厌氧消化控制器；其中，所述产气成分包括第一原料气体、第二原料气体与厌氧发酵气体分别的含量占比；其中，第一原料气体为二氧化碳，第二原料气体为氢气，厌氧发酵气体为甲烷。

可选的，所述消化控制过程包括：富集消化切换过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在接收到用户输入的富集阶段向消化阶段转换的指令时生成的第一控制信号集；

其中，所述第一控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持理论比例，直至厌氧发酵气体的含量占比开始下降。

可选的，所述消化控制过程包括：最佳消化比例确定过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在监测到富集消化切换过程中所述厌氧发酵气体的含量占比开始下降时生成的第二控制信号集；

其中，所述第二控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例也逐渐增大，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值。

可选的，所述消化控制过程包括：最佳输入速率确定过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在监测到最佳消化比例确定过程中所述厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时生成的第三控制信号集；

其中，所述第三控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持在最佳消化比例确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的最佳消化比例，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值。

可选的，所述消化控制过程包括：最佳产气状态控制过程，所述消化控制信号包括第四控制信号集；

其中，所述第四控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀保持在最佳输入速率确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率保持最佳输入速率，第一原料气体与第二原料气体的消化比例保持最佳消化比例。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种厌氧发酵气体制备方法，用于如上所述的厌氧消化系统，所述方法，包括：

S1：在厌氧消化器的螺旋管道内填充HM厌氧活性污泥；

S2：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输在接收到用户输入的富集阶段向消化阶段转换的指令时生成的第一控制信号集；其中，所述第一控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持理论比例，直至厌氧发酵气体的含量占比开始下降；

S3：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输厌氧消化控制器在监测到富集消化切换过程中所述厌氧发酵气体的含量占比开始下降时生成的第二控制信号集；其中，所述第二控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例也逐渐增大，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值；

S4：厌氧消化控制器在监测到最佳消化比例确定过程中所述厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时生成的第三控制信号集；其中，所述第三控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持在最佳消化比例确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的最佳消化比例，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值；

S5：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输第四控制信号集；其中，所述第四控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀保持在最佳输入速率确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率保持最佳输入速率，第一原料气体与第二原料气体的消化比例保持最佳消化比例。

本发明的有益效果在于：提出了一种厌氧消化系统及厌氧发酵气体制备方法，该系统包括：厌氧消化器，配置为底部设有气体入口、顶部设有气体出口并填充有HM厌氧活性污泥的螺旋管道；气体输入组件，配置为连接气体入口，用于向厌氧消化器输入厌氧消化的原料气体；气体输出组件，配置为连接气体出口，用于输出厌氧消化器产生的厌氧发酵气体。本发明通过将厌氧消化器设置为螺旋管道，增加原料气体的气泡在HM厌氧活性污泥中的路径长度和停留接触时间，提升了厌氧消化效率以及容积利用率，同时，能够通过控制第一原料气体和第二原料气体的输入速率和消化比例，最终确定厌氧消化系统的最佳生产状态，使厌氧消化系统输出较高含量占比的厌氧发酵气体，提升系统效能，简化了系统复杂度，降低了建造成本。

附图说明

图1为本发明实施例一种厌氧消化系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一种厌氧发酵气体制备方法的流程示意图。

附图标记说明：

1-厌氧消化器；2-气体输入组件；201-第一原料气体输入控制阀；202-第二原料气体输入控制阀；203-输入管道；204-原料气柜；205-原料气体泵；3-气体输出组件。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种厌氧消化系统，参照图1，图1为本发明厌氧消化系统实施例的结构示意图。

本实施例中，一种厌氧消化系统，包括：厌氧消化器1，配置为螺旋管道，所述螺旋管道的底部设有气体入口，所述螺旋管道的顶部设有气体出口，所述螺旋管道内填充HM厌氧活性污泥；气体输入组件2，配置为连接所述气体入口，用于向所述厌氧消化器1输入厌氧消化的原料气体；气体输出组件3，配置为连接所述气体出口，用于输出所述厌氧消化器产生的厌氧发酵气体；其中，所述气体输入组件2包括第一原料气体输入控制阀201和第二原料气体输入控制阀202，所述第一原料气体输入控制阀201和所述第二原料气体输入控制阀202根据接收到的控制信号调节控制阀开合状态，以控制第一原料气体和第二原料气体的输入速率和消化比例。

本实施例中，第一原料气体为二氧化碳，第二原料气体为氢气，厌氧发酵气体为甲烷。

在优选的实施例中，所述气体输入组件2，包括：输入管道203，所述输入管道203的输出端连接所述厌氧消化器1的气体入口，所述输入管道203的输入端分别连接设置有第一原料气体输入控制阀201的第一气体原料输入管道和设置有第二原料气体输入控制阀202的第二气体原料输入管道。

在优选的实施例中，所述气体输入组件2还包括：原料气柜204和原料气体泵205，所述原料气柜204的输入端作为所述输入管道203的输入端，所述原料气柜204的输出端连接所述原料气体泵205的输入端，所述原料气体泵205的输出端作为所述输入管道203的输出端。

需要说明的是，本实施例中，由于原料气从螺旋管道底部由原料气体泵泵入，由上部出口排出进入集气系统。其优势在于不需要任何外部能源输入，不需要电能热能等，完全是自发反应，且结构简单原理简单成本低，相比于传统厌氧消化器，具有同样空间内更长的反应路径，提升了反应效率。

在实际应用中，由于现有厌氧反应器的转化率不高，生产的甲烷中具有较高比例的未反应的二氧化碳和氢气，因此本实施例还可以直接缠绕在现有的厌氧反应器上，使螺旋底部直接与厌氧反应器的甲烷出口连接，用低成本的方式使甲烷进一步提纯，实现保留现有厌氧反应器的基础上的厌氧消化系统的升级，提升生产效益。

在一些实施例中，将螺旋底部与现有厌氧反应器的甲烷出口连接以提高现有厌氧反应器的反应效率时，为了充分利用螺旋管道内的HM厌氧活性污泥，提升企业整体甲烷产能，还可在螺旋底部接入现有厌氧反应器的甲烷出口的同时，也接入气体输入组件，此时需要确保气体输入组件输入的原料气体与现有厌氧反应器的甲烷出口输出的未反应的二氧化碳和氢气，能够适配当前螺旋管道最佳的生产状态。具体而言，在该情况下，可通过在现有厌氧反应器的甲烷出口定期采集气体样品，通过监测现有厌氧反应器输出口的气体中二氧化碳与氢气的比例以及输气速率，进而在对控制气体输入组件中第一原料气体输入控制阀与第二原料气体输入控制阀进行控制时，确保现有厌氧反应器输入到螺旋管道的二氧化碳和氢气与气体输入组件输入的原料气体在混合后满足当前螺旋管道最佳生产状态对应的消化比例与输入速率。

需要说明的是，由于不同尺寸、不同旋转倾斜角度以及不同长度的螺旋管道构成的不同厌氧消化器在使用时，具有不完全相同的最佳生产状态，即，不同厌氧消化器处于最佳生产状态（输出气体中厌氧发酵气体的占比含量最高）所对应的消化比例与输入速率不同，因此，在制造或构建不同螺旋管道构成的厌氧消化器后，需要通过所述第一原料气体输入控制阀与所述第二原料气体输入控制阀的调节动作以及输出气体中不同气体的占比含量，来确定每个厌氧消化器的最佳生产状态，以提升系统效能。

具体而言，确定每个厌氧消化器的最佳生产状态，包括如下实现步骤：

在优选的实施例中，所述厌氧消化系统还包括厌氧消化控制器，所述厌氧消化控制器被配置为向所述第一原料气体输入控制阀与所述第二原料气体输入控制阀传输消化控制信号，所述第一原料气体输入控制阀与所述第二原料气体输入控制阀根据所述消化控制信号执行厌氧消化的消化控制过程。

在优选的实施例中，所述厌氧消化系统还包括产气成分识别装置，所述产气成分识别装置被配置为识别经气体输出组件输出的厌氧消化器产生的厌氧发酵气体中的产气成分，并传输至所述厌氧消化控制器；其中，所述产气成分包括第一原料气体、第二原料气体与厌氧发酵气体分别的含量占比。

在优选的实施例中，所述消化控制过程包括：富集消化切换过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在接收到用户输入的富集阶段向消化阶段转换的指令时生成的第一控制信号集；其中，所述第一控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持理论比例，直至厌氧发酵气体的含量占比开始下降。

在实际应用中，第一原料气体为二氧化碳，第二原料气体为氢气，厌氧发酵气体为甲烷，第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的理论比例为1:4.

在优选的实施例中，所述消化控制过程包括：最佳消化比例确定过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在监测到富集消化切换过程中所述厌氧发酵气体的含量占比开始下降时生成的第二控制信号集；其中，所述第二控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例也逐渐增大，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值。

在优选的实施例中，所述消化控制过程包括：最佳输入速率确定过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在监测到最佳消化比例确定过程中所述厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时生成的第三控制信号集；其中，所述第三控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持在最佳消化比例确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的最佳消化比例，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值。

在优选的实施例中，所述消化控制过程包括：最佳产气状态控制过程，所述消化控制信号包括第四控制信号集；其中，所述第四控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀保持在最佳输入速率确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率保持最佳输入速率，第一原料气体与第二原料气体的消化比例保持最佳消化比例。

需要说明的是，氢气与二氧化碳的混合气体从管道底部的入口进入，管内有HM厌氧活性污泥，在浮力的作用下，混合气体气泡在螺旋管内缓慢上升，在这一个过程中气泡与厌氧微生物充分接触，二氧化碳和氢气逐渐转化为甲烷。气泡浮至螺旋管上部后从上部出口离开反应器。

在HM驯化阶段前，将HM厌氧活性污泥（即接种物，富含产甲烷菌，包括HM，总固形物含量为4.19±0.10%，挥发性固形物含量为41.37±1.14%）约750mL加入螺旋管内。每天制备气体混合物（按理论比例，即二氧化碳:氢气=1:4），储存在气柜中，然后使用原料气体泵以1.5 (L/L•d)的进气速率连续供应到螺旋管的底部以富集HM。富集过程耗时30天完成。然后，为了确定最佳的进气速率和原料气的比例，将根据产气中不同气体成分的含量不断调整进气速率和原料气中二氧化碳和氢气的比例。所有过程在常温下完成。

在实际应用中，螺旋管道的倾斜角经测试为20°左右最佳，角度太大气泡上升太快，角度太小气泡无法顺畅上浮，但本实施例并不对倾斜角进行限定，只要是能使气泡缓慢上升的角度即可。螺旋管的材质可根据实际情况而定，硬管不易变形，效果优于软管，材料需保证防水不漏气耐腐蚀，如应用到沼气工程中还需考虑耐高温抗老化等。螺旋管的内径和长度根据实际需求而定，越大的尺寸效率更高，但内径也不是越大越好，管道内径过大会使得气泡漂浮在管道横截面的上层，造成空间上的浪费。

参照图2，图2为本发明一种厌氧发酵气体制备方法实施例的流程示意图。该厌氧发酵气体制备方法，用于如上所述的厌氧消化系统，所述方法，包括：

S1：在厌氧消化器的螺旋管道内填充HM厌氧活性污泥；

S2：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输在接收到用户输入的富集阶段向消化阶段转换的指令时生成的第一控制信号集；其中，所述第一控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持理论比例，直至厌氧发酵气体的含量占比开始下降；

S3：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输厌氧消化控制器在监测到富集消化切换过程中所述厌氧发酵气体的含量占比开始下降时生成的第二控制信号集；其中，所述第二控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例也逐渐增大，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值；

S4：厌氧消化控制器在监测到最佳消化比例确定过程中所述厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时生成的第三控制信号集；其中，所述第三控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持在最佳消化比例确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的最佳消化比例，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值；

S5：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输第四控制信号集；其中，所述第四控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀保持在最佳输入速率确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率保持最佳输入速率，第一原料气体与第二原料气体的消化比例保持最佳消化比例。

为了更清楚的解释本申请，下面提供厌氧发酵气体制备的具体实例：

富集阶段：在原料气柜中充入二氧化碳:氢气=1:4的混合气体用于驯化微生物，基于以下化学方程式的理论比例：

；

富集阶段30天以后，系统所产沼气中甲烷含量保持80%以上，视为厌氧发酵启动成功，提升进气速率进入下一阶段（实验阶段）。

理论上，关于池容进气率，若产气中氢气和二氧化碳同时过剩，则认为目前池容进气率超过了系统负荷，需等待微生物适应负荷提升代谢效率；若其代谢效率无法再提升，则认为已达到系统最大负荷。关于原料气配气比例，若产气中氢气与二氧化碳剩余比例与理论比例不同（二氧化碳:氢气=1:4），则认为当前配气比例不适合当前的系统状况，则根据实际情况适当调整配气比例。其中，产气中的比例保持二氧化碳:氢气=1:4。由于二氧化碳的输入还用于微生物积累生物量，本实施例在原料中多加入一点二氧化碳以弥补这部分的二氧化碳损失量，若产气中未消耗的二氧化碳与氢气保持理论比例，则证明此时原料气中多加入的这部分二氧化碳恰好能满足微生物积累生物量的速率需求。以上两个点需要联合考虑，所以在接下来实验中这两个参数是同时灵活调整的。

实验阶段，缓慢提升池容进气率以探究适合系统的最大负荷以及合适的配气比例，增加池容进气率至2.4，配气比例二氧化碳:氢气=1:4时，产气成分正常；增加池容进气率至3.1，配气比例二氧化碳:氢气=1:4时，产气成分中二氧化碳含量很低，而氢气含量很高，则认为在此负荷下氢气大量过剩，原料气中氢气比例过高。于是在提升池容进气率至3.6，同时提升原料气中二氧化碳的比例（二氧化碳:氢气=1:3.5），结果可得产气中氢气依旧比例偏高。在提升池容进气率至3.9时继续提升提升原料气中二氧化碳的比例（二氧化碳:氢气=1:3），结果可得此时产气中比例正常，产生的甲烷占比含量最高，且在池容进气率继续提升时，甲烷占比含量变低，因此则认为1：3为适合本系统的最佳配气比例，池容进气率3.9为本系统的最佳进入速率。

本实例设计了一个高转化率的HBM反应器。这是通过结合螺旋结构来实现的，增加了气泡的路径长度和整体停留时间。同时其结构简单，材料便宜，建造成本低的特点解决了现有沼气提纯器的问题。另外，如今后用于沼气工程中沼气提纯，可将管道直接缠绕于圆柱形厌氧发酵罐，即可节省出原用于建造提纯器的占地面积。

在HM富集阶段后，将进气速率提升。在此过程中发现产生的沼气中氢气过量。本实施例考虑到二氧化碳的输入还用于微生物积累生物量，氢气需求略低于理论比例，因此在不断提升进气速率的同时增加了原料气中二氧化碳的比例以获取更高甲烷含量的沼气。实验结果如下表所示：

池容进气率

L/L·d

2.4

3.1

3.6

3.9

4.2

二氧化碳:氢气

1:4

1:4

1:3.5

1:3

1:3

产气成分

甲烷

%

69±9.9

66±5.3

85±5.4

91±4.5

84±2.3

氢气

%

14±6.4

29±8.5

7.3±4.3

7.8±5.2

10±1.7

二氧化碳

%

17±4.5

4.4±2.6

7.7±2.3

1.5±0.5

5.9±1.1

转化率

η氢气

%

90±5.7

82±5.7

95±2.8

96±3.0

94±1.1

η二氧化碳

%

80±7.0

94±3.0

92±2.9

98±0.4

93±1.3

池容产甲烷率

L/L·d

0.41±0.07

0.57±0.1

0.69±0.1

0.72±0.03

0.88±0.08

结果表明，在池容进气率为3.9(L/L•d)，进气比例为二氧化碳:氢气=1:3时，得到的结果最好，池容产甲烷率为0.72(L/L•d)，产气成分含量为甲烷91±4.5%，二氧化碳1.5±0.5%，氢气7.8±5.2%，氢气转化率为96%，二氧化碳转化率为98%。其中，池容进气率(L/L•d)=混合气体进气量(L)/[反应器有效容积(L)×时间(d)]，池容产甲烷率(L/L•d)=产甲烷量(L)/[反应器有效容积(L)×时间(d)]，氢气转化率=[入口氢气流量(L)-出口氢气流量(L)]/入口氢气流量(L)，二氧化碳转化率=[入口二氧化碳流量(L)-出口二氧化碳流量(L)]/入口二氧化碳流量(L)。继续增大池容进气率至4.2(L/L•d)时，虽然池容产甲烷率更高，但甲烷含量降低，因此，将池容进气率为3.9(L/L•d)，进气比例为二氧化碳:氢气=1:3时，确定为厌氧消化器的最佳生产状态。

本申请厌氧发酵气体制备方法的具体实施方式与上述厌氧发酵气体制备系统各实施例基本相同，在此不再赘述。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.厌氧消化系统，其特征在于，包括：

厌氧消化器，配置为螺旋管道，所述螺旋管道的底部设有气体入口，所述螺旋管道的顶部设有气体出口，所述螺旋管道内填充HM厌氧活性污泥；

气体输入组件，配置为连接所述气体入口，用于向所述厌氧消化器输入厌氧消化的原料气体；

气体输出组件，配置为连接所述气体出口，用于输出所述厌氧消化器产生的厌氧发酵气体；

其中，所述气体输入组件包括第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀，所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀根据接收到的控制信号调节控制阀开合状态，以控制第一原料气体和第二原料气体的输入速率和消化比例。

2.如权利要求1所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述气体输入组件，包括：输入管道，所述输入管道的输出端连接所述厌氧消化器的气体入口，所述输入管道的输入端分别连接设置有第一原料气体输入控制阀的第一气体原料输入管道和设置有第二原料气体输入控制阀的第二气体原料输入管道。

3.如权利要求2所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述气体输入组件还包括：原料气柜和原料气体泵，所述原料气柜的输入端作为所述输入管道的输入端，所述原料气柜的输出端连接所述原料气体泵的输入端，所述原料气体泵的输出端作为所述输入管道的输出端。

4.如权利要求1-3任意一项所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述厌氧消化系统还包括厌氧消化控制器，所述厌氧消化控制器被配置为向所述第一原料气体输入控制阀与所述第二原料气体输入控制阀传输消化控制信号，所述第一原料气体输入控制阀与所述第二原料气体输入控制阀根据所述消化控制信号执行厌氧消化的消化控制过程。

5.如权利要求4所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述厌氧消化系统还包括产气成分识别装置，所述产气成分识别装置被配置为识别经气体输出组件输出的厌氧消化器产生的厌氧发酵气体中的产气成分，并传输至所述厌氧消化控制器；其中，所述产气成分包括第一原料气体、第二原料气体与厌氧发酵气体分别的含量占比；其中，第一原料气体为二氧化碳，第二原料气体为氢气，厌氧发酵气体为甲烷。

6.如权利要求5所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述消化控制过程包括：富集消化切换过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在接收到用户输入的富集阶段向消化阶段转换的指令时生成的第一控制信号集；

其中，所述第一控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持理论比例，直至厌氧发酵气体的含量占比开始下降。

7.如权利要求6所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述消化控制过程包括：最佳消化比例确定过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在监测到富集消化切换过程中所述厌氧发酵气体的含量占比开始下降时生成的第二控制信号集；

其中，所述第二控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例也逐渐增大，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值。

8.如权利要求7所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述消化控制过程包括：最佳输入速率确定过程，所述消化控制信号包括厌氧消化控制器在监测到最佳消化比例确定过程中所述厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时生成的第三控制信号集；

其中，所述第三控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持在最佳消化比例确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的最佳消化比例，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值。

9.如权利要求8所述的厌氧消化系统，其特征在于，所述消化控制过程包括：最佳产气状态控制过程，所述消化控制信号包括第四控制信号集；

其中，所述第四控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀保持在最佳输入速率确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率保持最佳输入速率，第一原料气体与第二原料气体的消化比例保持最佳消化比例。

10.一种厌氧发酵气体制备方法，其特征在于，用于如权利要求9所述的厌氧消化系统，所述方法，包括：

S1：在厌氧消化器的螺旋管道内填充HM厌氧活性污泥；

S2：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输在接收到用户输入的富集阶段向消化阶段转换的指令时生成的第一控制信号集；其中，所述第一控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持理论比例，直至厌氧发酵气体的含量占比开始下降；

S3：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输厌氧消化控制器在监测到富集消化切换过程中所述厌氧发酵气体的含量占比开始下降时生成的第二控制信号集；其中，所述第二控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例也逐渐增大，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值；

S4：厌氧消化控制器在监测到最佳消化比例确定过程中所述厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时生成的第三控制信号集；其中，所述第三控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀不断调节开合状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率逐渐增大的同时，使第一原料气体与第二原料气体输入厌氧消化器的消化比例保持在最佳消化比例确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的最佳消化比例，直至厌氧发酵气体的含量占比达到最大值；

S5：厌氧消化控制器向第一原料气体输入控制阀和第二原料气体输入控制阀传输第四控制信号集；其中，所述第四控制信号集被配置为控制所述第一原料气体输入控制阀和所述第二原料气体输入控制阀保持在最佳输入速率确定过程中厌氧发酵气体的含量占比达到最大值时的状态，以使第一原料气体与第二原料气体的输入速率保持最佳输入速率，第一原料气体与第二原料气体的消化比例保持最佳消化比例。