[发明专利]一种确定两阶段厌氧系统反应区或反应器体积参数的方法

说明书

本发明属于厌氧处理技术领域，具体为一种确定两阶段厌氧发酵系统中水解产酸和产甲烷反应区或反应器的体积参数的方法，所述方法包括以下步骤：1、通过批试实验确定物料水解产酸与产甲烷特性；2、通过微生物生长动力学计算确定水解产酸过程和产甲烷过程功能微生物所适应的反应区或反应器反应区或反应器需具有的特点；3、选取用于两阶段厌氧发酵系统中水解产酸反应区或反应器和产甲烷反应区或反应器的具体构型；4、确定水解产酸与产甲烷反应区或反应器的体积修正参数X₁、X₂；5、将批试实验所得的物料特性与所选择的反应器构型以及相应的体积修正参数结合，确定拟设计的两阶段厌氧发酵系统中水解产酸和产甲烷反应区或反应器体积参数。

技术领域

本发明属于厌氧处理技术领域，具体为一种确定两阶段厌氧发酵系统中水解产酸和产甲烷反应区或反应器体积参数的方法。

背景技术

厌氧发酵作为一项成熟的废弃物和污水处理技术，已经得到了广泛的应用。两阶段厌氧发酵或者两相厌氧发酵系统通过将水解产酸和产甲烷阶段独立在两个条件不同的反应区或反应器中，使各阶段的功能微生物代谢效率最大化，从而提升有机废弃物厌氧转化的总体效率。因此两阶段厌氧发酵系统相对于传统单阶段厌氧发酵具有更好的处理效果，受到学术界和工程界的广泛关注。但是目前两阶段或两相厌氧发酵系统中水解产酸和产甲烷阶段反应区或反应器体积比例缺乏明确的计算设计方法，在研究和实际工程中难以很好地耦合两个功能阶段，实现物料转化效率最大化。两阶段厌氧发酵反应系统的中的水解产酸与产甲烷反应区或反应器难以达到各自最佳的运行状态，也就是设计出来的两阶段厌氧发酵系统中的水解产酸阶段与产甲烷阶段很容易存在有效工作空间不足或者浪费的情况。如果水解产酸阶段工作空间不足，则不能在进入产甲烷单元之前将底物充分转化，从而使一部分底物的分解转移到产甲烷反应器中，这将容易导致产甲烷阶段酸化而被抑制。但是如果为了避免工作空间不足可能产生的负面影响而刻意将各单元的工作空间设计得过大，则是一种浪费，容易导致建设和运行维护成本过高。反应区构型和体积决定了反应区的水力停留时间和微生物停留特点，一旦确定就限制了有机负荷的利用效率。尤其是两阶段一体化厌氧发酵系统，在运行过程中难以再次调整。所以最理想的两阶段厌氧发酵系统应该是在充分发挥水解产酸与产甲烷反应区或反应器有效工作空间和尽可能减少各工作阶段反应区或反应器空间的浪费的基础上进行设计。

此外，两阶段厌氧发酵处理的各种原料之间存在差异，不同原料厌氧发酵转化过程中的微生物特征与生化反应类型和速率也存在不同。因此，需要充分结合发酵原料的物料特性和不同反应器构型中的微生物特征等因素才能设计出更符合实际应用需求的两阶段厌氧发酵系统。

在发明人所查知的范围内，目前关于解决上述两阶段厌氧发酵系统中所存在的问题的研究和专利十分有限。相关类似的专利和研究主要关注于提出某些特定组合或结构的发酵系统，而缺乏相应的反应器构型选择理由和体积参数确定等设计方法。例如：

CN103421678A公开了一种以CSTR为制氢反应器和UASB为制甲烷反应器的生物质混合制氢烷系统及生产方法。水解产酸反应器与产甲烷反应器通过物料管道相连，体积比为1:1～10。通过外加物料回流装置调节控制产酸反应器和产甲烷反应器的底物转化率和产气率，最终可以提高生物钟转化为氢烷的比例并得到合适比例的氢烷。该两阶段反应器主要用于处理含固率高的生物质，包括木材、秸秆、落叶、锯末、动物尸体和粪便、市政垃圾和生活有机垃圾、农作物废料、木质纤维、有机废弃物或污泥、陆生和水生植物，以及它们的混合物。

CN102796765A公开了一种两相产氢产甲烷耦合反应处理易降解有机废弃物的方法。其主要特点是将有机废弃物在第一阶段充分水解产酸后的固液气产物都用于第二阶段产甲烷。其中第一阶段的气体产物经变压吸附脱碳后使氢气浓度达到80％，最后用于第二阶段提升甲烷产量20％左右，并消耗部分二氧化碳。该专利中产甲烷反应器包括所有高效厌氧反应器，但是对水解产酸反应器没有限制。