[发明专利]具有隔膜和压力释放机构的升流式生物反应器

说明书

政府权益

本文所述工作部分地得到美国农业部和美国能源部的拨款(拨款号 68-3A75-3-153)的支持。因此，美国政府拥有本发明的某些权益。

技术领域

本发明涉及用于分解有机材料的升流式生物反应器。更具体地说，本发明 涉及用于升流式生物反应器的压力释放机构，该生物反应器具有可能堵塞的 孔。

背景技术

生物反应器是使用细菌促进有机废料分解或“消化”成简单有机物和气态 生物气体产物的装置。生物气体通常是甲烷、二氧化碳、硫化氢和其他挥发性 有机化合物的混合物。如果产量足够大，甲烷气可用作燃料。

在废水管理中，尤其在家畜生产中，历史上使用开放式储存容器中的厌氧 消化，用以将混合有机物质减少或转化至较小体积。通过减少所处理废物的体 积以及通过将一些代谢物蒸发至大气中，已经证明这种方法是经济的。这种方 法的一些缺点包括使厌氧消化过程保持平衡的能力差，导致释放出恶臭气体， 而且经过消化的有机物质向生物气体的转化不充分不完全。消化速率慢而且产 生的甲烷气品质差，使得甲烷气的经济回收在开放式储存容器中通常是不可行 的。

已经多次尝试使用封闭式容器分解有机废物。已经显示出非常高的分解速 率的一种封闭式容器反应器是升流式厌氧淤渣覆盖层反应器。在这种反应器 中，将废料引入反应器底部，迫使其向上通过容器，废料在该过程中通过细菌 覆盖层，细菌分解有机材料并产生生物气体，可以收集生物气体并用作燃料。

要在升流式生物反应器中实现高分解速率，应当良好地建立细菌培养物。 升流式生物反应器的一个重要优点是，它能够连续操作。因此，一旦建立起细 菌培养物，就能在长期时间内(例如几个月或甚至几年)获得高消化速率。

最近开发了一种升流式反应器，它在启动时诱发形成细菌培养物，并且在 操作过程中保持较厚或较为富集的细菌培养物。这些优点通过将隔膜靠近反应 器流体平面顶部设置而实现。隔膜使悬浮固体在靠近反应器顶部处从流体中沉 降出去。这些固体沉降回到继续消化的生物质中。隔膜保留的固体经常包含细 菌。通过将这些固体保留在消化器中，隔膜保持了较好的细菌培养物，并促进 更完全的消化。具有隔膜的升流式反应器能够明显缩短消化保持时间。

在升流式生物反应器中使用隔膜的一个问题是，堵塞机会增加。为了使流 出物能够离开消化器，隔膜具有孔。孔限制了流动，因此容易堵塞。如果孔堵 塞，随着细菌持续产生生物气体，就会在下室中累积极高的压力。

孔的尺寸对孔是否堵塞产生显著影响。虽然较大直径的孔能减小堵塞发生 率，但是直径大到足以防止所有堵塞现象的孔将严重降低隔膜保留悬浮固体的 能力。

发明内容

本发明涉及用于分解有机材料产生生物气体的升流式生物反应器。该生物 反应器包括用于促进消化的隔膜，以及用于释放累积压力的压力释放机构，压 力累积现象可能在生物反应器堵塞时发生。

本发明的生物反应器包括具有进口和出口的容器，进口用于接受有机材 料，出口用于排出生物反应器流出物。在容器中设置了隔膜，隔膜限定出下室 和上室。下室中容纳了包含适合于分解有机材料的细菌的生物质。

隔膜包括孔，该孔在下室和上室之间提供流体流通。生物气体和经过消化 的材料经由孔离开下室进入上室。隔膜包括可释放部分，该可释放部分可以在 打开位置和关闭位置之间移动。可释放部分构造成能够对下室中的压力累积作 出响应从而向打开位置移动。打开可释放部分增加了敞开面积，从而增大了下 室和上室之间的流体流通，使得能够从下室喷出堵塞材料和/或释放下室中累 积的压力。

在一个备选实施方式中，通过离开下室的管道释放下室中累积的压力。该 管道中可以充填流体，用以防止下室的内容物在正常操作过程中逃逸。如果隔 膜中的孔堵塞，则下室中累积的压力迫使流体向外运动，使得过量的气体和流 体离开消化器而不会损坏容器结构。

在另一个备选实施方式中，压力计监测到下室中的压力累积，从而打开阀 门释放过多的压力。