[发明专利]一种厌氧发酵制备甲烷的生物膜组件及反应器

说明书

技术领域

本发明属于生物能源环保工程领域，具体涉及一种可以提高厌氧产甲烷效率的生物膜组件及其反应器。

背景技术

有机固体废弃物厌氧发酵制备生物燃气的过程，被认为是生物转化中最为复杂、最为困难的过程，因为它涉及三“多”-多菌群，多反应，多相(固-液-气共存)，该过程可分成水解-酸化-乙酸化-产甲烷4个阶段。发酵过程中，产酸菌和产甲烷菌等不同菌群之间既相互依存又相互制约，构成复杂的网络结构。

目前，已有多种反应器被开发出来以强化生物甲烷过程，如完全混合厌氧反应器(CSTR)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)和升流固体床反应器(USR)等。这些技术在一定程度上改善了过程的效率。然而，过程强化的传统方法是通过改变温度、压力和浓度等来强化过程速率。但对于生物甲烷复杂体系过程放大来说，这些手段难以奏效。例如，底物浓度是影响产气速率的重要参数。

非常矛盾的是，产甲烷菌需要乙酸作为底物，但耐酸性却很差。产甲烷菌在pH为6.8-7.2时活性最高，当pH低于6.2时，产甲烷菌的生长明显被抑制，而产酸菌的活性仍很旺盛，常导致pH降至4.5-5.0，这种酸化状态对产甲烷菌有很大的毒害作用甚至导致菌群的死亡。另外，厌氧生物反应系统受到高有机负荷冲击时系统运行不稳定。这些问题的存在导致生物燃气系统存在甲烷浓度低、产气速率低、成本高。另外，厌氧发酵过程存在气液、液液、固液等界面，大量涉及界面吸附和反应、界面区流体的非均匀分布、质量和热量传递等基本问题。强化菌群界面的传递过程，成为生物燃气系统产气速率提高的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服传统厌氧产甲烷系统存在的诸多问题，提供一种成本低廉、微生物附着性能高、且能调节厌氧系统微环境的生物膜组件。

本发明的另一目的在于提供一种利用该生物膜组件高效制备生物燃气的反应器。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种厌氧发酵制备甲烷的生物膜组件，其特征在于，所述的生物膜组件包括载体支架及软性载体，所述的载体支架由活性炭经压缩制成，载体支架的壁上有多个小孔，所述的软性载体为氨基和羧基改性的高分子材料，填充于所述的小孔中。

所述的软性载体的分子结构中同时具有氨基和羧基，有关该高分子材料及其制备方法参见CN105237793A，其结构如下：

[R₁-CH(NH₂)-R₂]_m-[R’₁-CH(COOH)-R’₂]_n，或

[{R₁-R₃(CH₂)_aNH₂}-R₂]_n-[R’₁-CH(COOH)-R’₂]_n；

其中，R₁或R’₁分别独立地选自共价键或任意取代的下述基团：C1～8烷基、C2～8烯基、C1～8烷氧基或C1～8烷腈基，其取代基选自C1～4烷基、C1～4烷氧基、苯基或C1～4烷基取代苯基；R₂或R’₂分别独立地选自任意取代的下述基团：C1～8烷基、C2～8烯基、C1～8烷氧基或C1～8烷腈基，其取代基选自C1～4烷基、C1～4烷氧基、苯基或C1～4烷基取代苯基；m或n分别独立地为50～1000；R₃为共价键、氧、硫、含氮五元杂环或含氮六元杂环，a为1～4。

优选地，载体支架是由活性炭经压缩制成的圆筒状支架，支架上孔径大小为1-2cm，各孔之间的中心距离为2-5cm。

优选地，软性载体为氨基和羧基改性的聚丙烯腈高分子材料，结构式为[R₁-CH(NH₂)-R₂]_m-[R’₁-CH(COOH)-R’₂]_n，其中，其中R₁、R₂、R’₁、R’₂为C1～C4烷基、C1～C4烷氧基、C1～C4烷腈基中的至少一种，结构式中m、n分别为100～500。