[發(fā)明專利]一種厭氧發(fā)酵制備甲烷的生物膜組件及反應器

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• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107142196A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發(fā)明（設計）人: 周俊;賈紅華;劉勇迪;雍曉雨
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學
• 主分類號: C12M1/107
• 分類號: C12M1/107;C12M1/04;C12M1/02;C12M1/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 韓朝暉

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于生物能源環(huán)保工程領域，具體涉及一種可以提高厭氧產(chǎn)甲烷效率的生物膜組件及其反應器。

背景技術(shù)

有機固體廢棄物厭氧發(fā)酵制備生物燃氣的過程，被認為是生物轉(zhuǎn)化中最為復雜、最為困難的過程，因為它涉及三“多”-多菌群，多反應，多相(固-液-氣共存)，該過程可分成水解-酸化-乙酸化-產(chǎn)甲烷4個階段。發(fā)酵過程中，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌等不同菌群之間既相互依存又相互制約，構(gòu)成復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

目前，已有多種反應器被開發(fā)出來以強化生物甲烷過程，如完全混合厭氧反應器(CSTR)、上流式厭氧污泥床反應器(UASB)和升流固體床反應器(USR)等。這些技術(shù)在一定程度上改善了過程的效率。然而，過程強化的傳統(tǒng)方法是通過改變溫度、壓力和濃度等來強化過程速率。但對于生物甲烷復雜體系過程放大來說，這些手段難以奏效。例如，底物濃度是影響產(chǎn)氣速率的重要參數(shù)。

非常矛盾的是，產(chǎn)甲烷菌需要乙酸作為底物，但耐酸性卻很差。產(chǎn)甲烷菌在pH為6.8-7.2時活性最高，當pH低于6.2時，產(chǎn)甲烷菌的生長明顯被抑制，而產(chǎn)酸菌的活性仍很旺盛，常導致pH降至4.5-5.0，這種酸化狀態(tài)對產(chǎn)甲烷菌有很大的毒害作用甚至導致菌群的死亡。另外，厭氧生物反應系統(tǒng)受到高有機負荷沖擊時系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。這些問題的存在導致生物燃氣系統(tǒng)存在甲烷濃度低、產(chǎn)氣速率低、成本高。另外，厭氧發(fā)酵過程存在氣液、液液、固液等界面，大量涉及界面吸附和反應、界面區(qū)流體的非均勻分布、質(zhì)量和熱量傳遞等基本問題。強化菌群界面的傳遞過程，成為生物燃氣系統(tǒng)產(chǎn)氣速率提高的關鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)厭氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)存在的諸多問題，提供一種成本低廉、微生物附著性能高、且能調(diào)節(jié)厭氧系統(tǒng)微環(huán)境的生物膜組件。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用該生物膜組件高效制備生物燃氣的反應器。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種厭氧發(fā)酵制備甲烷的生物膜組件，其特征在于，所述的生物膜組件包括載體支架及軟性載體，所述的載體支架由活性炭經(jīng)壓縮制成，載體支架的壁上有多個小孔，所述的軟性載體為氨基和羧基改性的高分子材料，填充于所述的小孔中。

所述的軟性載體的分子結(jié)構(gòu)中同時具有氨基和羧基，有關該高分子材料及其制備方法參見CN105237793A，其結(jié)構(gòu)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分別獨立地選自共價鍵或任意取代的下述基團：C1～8烷基、C2～8烯基、C1～8烷氧基或C1～8烷腈基，其取代基選自C1～4烷基、C1～4烷氧基、苯基或C1～4烷基取代苯基；R₂或R’₂分別獨立地選自任意取代的下述基團：C1～8烷基、C2～8烯基、C1～8烷氧基或C1～8烷腈基，其取代基選自C1～4烷基、C1～4烷氧基、苯基或C1～4烷基取代苯基；m或n分別獨立地為50～1000；R₃為共價鍵、氧、硫、含氮五元雜環(huán)或含氮六元雜環(huán)，a為1～4。

優(yōu)選地，載體支架是由活性炭經(jīng)壓縮制成的圓筒狀支架，支架上孔徑大小為1-2cm，各孔之間的中心距離為2-5cm。

優(yōu)選地，軟性載體為氨基和羧基改性的聚丙烯腈高分子材料，結(jié)構(gòu)式為[R₁-CH(NH₂)-R₂]_m-[R’₁-CH(COOH)-R’₂]_n，其中，其中R₁、R₂、R’₁、R’₂為C1～C4烷基、C1～C4烷氧基、C1～C4烷腈基中的至少一種，結(jié)構(gòu)式中m、n分別為100～500。