專利名稱：一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
[0002]甲烷作為一種重要的能源，在人類的生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色。同時，甲烷又是大氣中含量最多的碳氫化合物，其對全球變暖的貢獻僅次于CO2,目前對全球氣候變暖的 “貢獻率”達15%，它引起的溫室效應(yīng)是等摩爾(X)2的20 30倍。據(jù)悉，全球每年甲烷產(chǎn)生量的85%及消耗量的60%都是基于微生物的作用。微生物進行的甲烷厭氧氧化(anaerobic oxidation of methane)能夠使大部分甲烷氣體(90%以上)在進入大氣圈之前就被大量地消耗。因此，甲烷厭氧氧化在全球的甲烷排放控制過程中起了不容忽視的作用，它能有效緩解目前日趨嚴重的溫室效應(yīng)。[0003]反硝化型甲烷厭氧氧化(denitrification anaerobic methane oxidation)是甲烷厭氧氧化的一種，其反應(yīng)方程式如方程式(1)、(2)所示。目前，對于催化該反應(yīng)進行的反硝化型甲烷厭氧氧化菌的研究非常少。然而，該過程卻非常值得關(guān)注首先，通過研究該過程有助于更好地理解生物地球氮素循環(huán)和生物地球碳素循環(huán)以及二者的有機結(jié)合；其次， 對該過程的研究有助于進一步挖掘自然界中的微生物資源；再則，以此為基礎(chǔ)，可以開發(fā)新型生物脫氮除碳工藝。[0004]5CH4 + 8NCV + 8H+ — 5C02 + 4N2 + 14H20(1)[0005](Δ G0 = - 765 kJmoF1 CH4)[0006]3CH4 + 8NCV + 8H+ — 3C02 + 4N2 + IOH2O(2)[0007](Δ G0 = - 928 kJmoF1 CH4)[0008]由于反硝化型甲烷厭氧氧化的發(fā)生環(huán)境通常限于具有急劇梯度特征的區(qū)域，使該反應(yīng)僅在幾毫米的范圍內(nèi)發(fā)生，從而導(dǎo)致該過程很難被檢測到。而且，反硝化型甲烷厭氧氧化的功能微生物生長極其緩慢，細胞倍增時間長達一個月以上，因而很難獲得催化該過程的富集培養(yǎng)物。發(fā)明內(nèi)容[0009]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器。[0010]基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器包括反應(yīng)器主體、生物量截留器、自動化控制系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、甲烷報警器和支架；反應(yīng)器主體包括反應(yīng)器蓋板、反應(yīng)容器、導(dǎo)流筒、微孔曝氣器和溫控夾層；反應(yīng)器蓋板上嵌有進水口密封套、排氣及測壓口密封套、酸堿液輸入口密封套、PH探頭密封套、溶解氧探頭密封套、溫度探頭密封套、攪拌軸密封套，進水口密封套內(nèi)嵌有進水口，排氣及測壓口密封套內(nèi)嵌有測壓口和排氣口，酸堿液輸入口密封套內(nèi)嵌有酸液輸入口和堿液輸入口，PH探頭密封套內(nèi)嵌有PH探頭，溶解氧探頭密封套內(nèi)嵌有溶解氧探頭，溫度探頭密封套內(nèi)嵌有溫度探頭，攪拌軸密封套內(nèi)嵌有攪拌機轉(zhuǎn)軸，進水口與進水泵相連，測壓口與U型壓差計相連，排氣口與液封裝置相連，酸液輸入口與儲酸容器相連，堿液輸入口與儲堿容器相連，酸液輸入口處接有酸輸入自動調(diào)節(jié)閥，堿液輸入口處接有堿輸入自動調(diào)節(jié)閥，攪拌機轉(zhuǎn)動軸穿過攪拌軸液封套和液體密封裝置與螺旋槳相連；反應(yīng)器器壁上部設(shè)有出水口，下部設(shè)有生物量回流口，反應(yīng)器器壁與導(dǎo)流筒之間為升流區(qū)，導(dǎo)流筒內(nèi)部為降流區(qū)；生物量截留器進水口與反應(yīng)器出水口相連， 排泥口通過生物量回流泵與反應(yīng)器生物量回流口相連，生物量截留器底部設(shè)有生物量截留器排泥口，生物量截留器排泥口經(jīng)生物量回流泵、取泥口、生物量回流口與反應(yīng)器主體下部相連，生物量截留器上設(shè)有排氣口、出水口和壓力平衡口，排氣口與液封裝置相連；氬氣進氣自動調(diào)節(jié)閥、甲烷進氣自動調(diào)節(jié)閥、進水泵、酸液輸入自動調(diào)節(jié)閥、堿液輸入自動調(diào)節(jié)閥、 PH探頭、溶解氧探頭、溫度探頭、甲烷報警器和繼電器分別與數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置相連。[0011]所述的反應(yīng)器主體為圓柱體，其高徑比為1. 5 2:1。所述的反應(yīng)器主體氣相表壓小于600Pa。所述的升流區(qū)與降流區(qū)體積比為1.5 2:1。所述的導(dǎo)流筒為喇叭形，其側(cè)壁母線與軸線的夾角為5 15° ；導(dǎo)流筒下口面積比上口面積為3 5:1 ；導(dǎo)流筒上口距液面和下口距反應(yīng)器底部距離為20 40mm。所述的反應(yīng)器主體截面積與導(dǎo)流筒下口面積之比為1. 4 1. 6 :1。所述的導(dǎo)流筒與螺旋槳側(cè)壁的距離為5 10mm。所述的微孔曝氣器的外直徑為200mm或215mm ；微孔曝氣器產(chǎn)生的氣泡直徑為1 2mm。所述的生物量截留器上部為圓柱體，下部為椎體，圓柱體的高徑比為2 3:1，生物量截留器與反應(yīng)器主體體積比為 1:10 20。所述的甲烷報警器的甲烷報警濃度設(shè)為1%。[0012]本實用新型具有的有益效果1)利用甲烷氣泡浮力和下降流曳力的兩力平衡，延長甲烷氣泡在反應(yīng)器內(nèi)的持留時間，從而實現(xiàn)甲烷氣體的高效利用；2)微孔曝氣可增加甲烷傳質(zhì)面積，從而提高甲烷傳質(zhì)速率；3)微孔曝氣、機械攪拌、液相持氣和內(nèi)循環(huán)有利于氣液固三相充分接觸，保證了基質(zhì)與微生物的充分混合，實現(xiàn)反硝化型甲烷厭氧氧化菌的高效富集，同時也提高了抗水力負荷和基質(zhì)負荷沖擊的能力；4)采用生物量截留裝置，避免生物量流失；5)通過自動化控制實現(xiàn)溶解氧含量、PH和溫度等參數(shù)的實時監(jiān)控與反饋，保證反應(yīng)器正常運行，同時減少人力勞動；6)此反應(yīng)器可富集自然生態(tài)系統(tǒng)中的反硝化型甲烷厭氧氧化菌，可為深入研究自然生態(tài)系統(tǒng)中的反硝化型甲烷厭氧氧化作用奠定良好的基礎(chǔ)；7)部分零部件實現(xiàn)標準化，統(tǒng)一規(guī)格，易于加工，便于更換。


[0013]圖1是基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；[0014]圖2是本反應(yīng)器主體蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；[0015]圖3是本反應(yīng)器自動化控制系統(tǒng)示意圖。[0016]圖中攪拌電機1、攪拌軸液封套2、螺旋槳3、導(dǎo)流筒4、反應(yīng)器主體5、微孔曝氣器6、氬氣進氣自動調(diào)節(jié)閥7、甲烷進氣自動調(diào)節(jié)閥8、進水口密封套9、排氣及測壓口密封套 10、酸堿液輸入口密封套11、ρΗ探頭及密封套12、溶解氧探頭及密封套13、溫度探頭及密封套14、攪拌軸密封套15、進水口 16、測壓口 17、排氣口 18、酸液輸入口 19、堿液輸入口 20、進水泵21、酸輸入自動調(diào)節(jié)閥22、堿輸入自動調(diào)節(jié)閥23、甲烷報警器M、繼電器25、數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置沈、反應(yīng)器出水口 27、生物量截留器進水口觀、生物量截留器排氣口四、生物量截留器30、壓力平衡口 31、生物量截留器出水口 32、生物量截留器排泥口 33、生物量回流泵34、取泥口 35、生物量回流口 36、液封裝置37、儲酸容器38、儲堿容器39、U型壓差計40、 溫控夾層41、支架42。
具體實施方式
[0017]如附圖所示，基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器包括反應(yīng)器主體5、生物量截留器30、自動化控制系統(tǒng)沈、控溫系統(tǒng)41、甲烷報警器M和支架42 ；反應(yīng)器主體5包括反應(yīng)器蓋板、反應(yīng)容器、導(dǎo)流筒4、微孔曝氣器6和溫控夾層41 ；反應(yīng)器蓋板上嵌有進水口密封套9、排氣及測壓口密封套10、酸堿液輸入口密封套11、pH探頭密封套12、溶解氧探頭密封套13、溫度探頭密封套14、攪拌軸密封套15，進水口密封套9內(nèi)嵌有進水口 16，排氣及測壓口密封套10內(nèi)嵌有測壓口 17和排氣口 18，酸堿液輸入口密封套11內(nèi)嵌有酸液輸入口 19和堿液輸入口 20，pH探頭密封套12內(nèi)嵌有pH探頭，溶解氧探頭密封套13內(nèi)嵌有溶解氧探頭，溫度探頭密封套14內(nèi)嵌有溫度探頭，攪拌軸密封套15內(nèi)嵌有攪拌機轉(zhuǎn)軸，進水口 16與進水泵21相連，測壓口 17與U型壓差計40相連，排氣口 18 與液封裝置37相連，酸液輸入口 19與儲酸容器38相連，堿液輸入口 20與儲堿容器39相連，酸液輸入口 19處接有酸輸入自動調(diào)節(jié)閥22，堿液輸入口 20處接有堿輸入自動調(diào)節(jié)閥 23，攪拌機1轉(zhuǎn)動軸穿過攪拌軸液封套15和液體密封裝置2與螺旋槳3相連；反應(yīng)器器壁上部設(shè)有出水口 27，下部設(shè)有生物量回流口 36，反應(yīng)器器壁與導(dǎo)流筒4之間為升流區(qū)，導(dǎo)流筒4內(nèi)部為降流區(qū)；生物量截留器進水口 28與反應(yīng)器出水口 27相連，排泥口 33通過生物量回流泵34與反應(yīng)器生物量回流口 36相連，生物量截留器30底部設(shè)有生物量截留器排泥口 33，生物量截留器排泥口 33經(jīng)生物量回流泵34、取泥口 35、生物量回流口 36與反應(yīng)器主體5下部相連，生物量截留器30上設(shè)有排氣口 29、出水口 32和壓力平衡口 31，排氣口 29與液封裝置37相連；氬氣進氣自動調(diào)節(jié)閥7、甲烷進氣自動調(diào)節(jié)閥8、進水泵21、酸液輸入自動調(diào)節(jié)閥22、堿液輸入自動調(diào)節(jié)閥23、pH探頭12、溶解氧探頭13、溫度探頭14、甲烷報警器M和繼電器25分別與數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置沈相連。[0018]所述的反應(yīng)器主體5為圓柱體，其高徑比為1. 5 2:1。所述的反應(yīng)器主體5氣相表壓小于600Pa。所述的升流區(qū)與降流區(qū)體積比為1.5 2:1。所述的導(dǎo)流筒4為喇叭形， 其側(cè)壁母線與軸線的夾角為5 15° ；導(dǎo)流筒4下口面積比上口面積為3 5:1 ；導(dǎo)流筒4 上口距液面和下口距反應(yīng)器底部距離為20 40mm。所述的反應(yīng)器主體5截面積與導(dǎo)流筒 4下口面積之比為1. 4 1. 6 :1。所述的導(dǎo)流筒4與螺旋槳3側(cè)壁的距離為5 10mm。所述的微孔曝氣器6的外直徑為200mm或215mm ；微孔曝氣器6產(chǎn)生的氣泡直徑為1 2mm。 所述的生物量截留器30上部為圓柱體，下部為椎體，圓柱體的高徑比為2 3:1，生物量截留器30與反應(yīng)器主體5體積比為1:10 20。所述的甲烷報警器M的甲烷報警濃度設(shè)為 1%。[0019]基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器的運行、控制方法電機1帶動攪拌槳3旋轉(zhuǎn)，使得攪拌槳3下部壓力增大，在此壓力作用下，持氣區(qū)的液體向下流動，碰到反應(yīng)器底部后，進入上升區(qū)，上升至液相上部，再匯至下降區(qū)，最后通過攪拌槳3再回到持氣區(qū)，從而實現(xiàn)液相內(nèi)循環(huán)。微孔曝氣器6將微小的甲烷氣泡釋放到反應(yīng)器5底部，甲烷氣泡受到浮力和下降流曳力作用，當此兩力平衡時，甲烷氣泡被持留在持氣區(qū)內(nèi)。氣泡被持留一段時間后，氣泡與氣泡之間碰撞、合并，產(chǎn)物氮氣從液相析出，都使得氣泡慢慢變大，最終浮力大于導(dǎo)流管所能提供的最大曳力，氣泡逸出液面，帶走未溶解的甲烷和產(chǎn)物氮氣。通過PH探頭12實時監(jiān)測反應(yīng)器主體5內(nèi)液相pH值，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置沈控制酸液輸入自動調(diào)節(jié)閥22與堿液輸入自動調(diào)節(jié)閥23，使反應(yīng)器主體5內(nèi)液相 PH值維持在7. 0 7. 5之間；若反應(yīng)器主體5內(nèi)液相pH值小于7. 0，數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置26打開堿液輸入自動調(diào)節(jié)閥23，直到反應(yīng)器主體5內(nèi)液相pH值恢復(fù)到控制范圍，堿液輸入自動調(diào)節(jié)閥23關(guān)閉。若反應(yīng)器主體5內(nèi)液相pH值大于7. 5，數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置26 打開酸液輸入自動調(diào)節(jié)閥22，直到反應(yīng)器主體5內(nèi)液相pH值恢復(fù)到控制范圍，酸液輸入自動調(diào)節(jié)閥22關(guān)閉。通過溶解氧探頭13實時監(jiān)測反應(yīng)器主體5內(nèi)液相中溶解氧的濃度；當溶解氧濃度高于0. ang/L時，數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置沈首先關(guān)閉甲烷進氣自動調(diào)節(jié)閥8，隨后打開氬氣進氣自動調(diào)節(jié)閥7，持續(xù)通入氬氣，直至反應(yīng)器主體5內(nèi)液相中溶解氧的濃度低于0. lmg/L,數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置沈首先關(guān)閉氬氣進氣自動調(diào)節(jié)閥7，隨后打開甲烷進氣自動調(diào)節(jié)閥8。通過甲烷報警器M實時監(jiān)測反應(yīng)器周邊環(huán)境中的甲烷體積百分含量，當反應(yīng)器周邊環(huán)境中甲烷含量超過1%時，甲烷報警器發(fā)出警報，數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置沈收到警報信號后，首先關(guān)閉甲烷進氣自動調(diào)節(jié)閥8和氬氣進氣自動調(diào)節(jié)閥7，IOs后控制繼電器 25，關(guān)閉總電源，等待檢修。
權(quán)利要求1.一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于包括反應(yīng)器主體(5)、生物量截留器(30)、自動化控制系統(tǒng)(26)、控溫系統(tǒng)(41)、甲烷報警器(24)和支架(42)；反應(yīng)器主體(5)包括反應(yīng)器蓋板、反應(yīng)容器、導(dǎo)流筒(4)、微孔曝氣器(6)和溫控夾層(41);反應(yīng)器蓋板上嵌有進水口密封套(9)、排氣及測壓口密封套(10)、 酸堿液輸入口密封套(11)、PH探頭密封套(12)、溶解氧探頭密封套(13)、溫度探頭密封套 (14)、攪拌軸密封套(15)，進水口密封套(9)內(nèi)嵌有進水口(16)，排氣及測壓口密封套(10) 內(nèi)嵌有測壓口(17 )和排氣口( 18 )，酸堿液輸入口密封套(11)內(nèi)嵌有酸液輸入口(19 )和堿液輸入口( 20 )，pH探頭密封套(12 )內(nèi)嵌有pH探頭，溶解氧探頭密封套(13 )內(nèi)嵌有溶解氧探頭，溫度探頭密封套(14)內(nèi)嵌有溫度探頭，攪拌軸密封套(15)內(nèi)嵌有攪拌機轉(zhuǎn)軸，進水口(16)與進水泵(21)相連，測壓口(17)與U型壓差計(40)相連，排氣口(18)與液封裝置(37 )相連，酸液輸入口(19 )與儲酸容器(38 )相連，堿液輸入口( 20 )與儲堿容器(39 )相連，酸液輸入口( 19 )處接有酸輸入自動調(diào)節(jié)閥(22 )，堿液輸入口( 20 )處接有堿輸入自動調(diào)節(jié)閥(23)，攪拌機(1)轉(zhuǎn)動軸穿過攪拌軸液封套(15)和液體密封裝置(2)與螺旋槳(3)相連；反應(yīng)器器壁上部設(shè)有出水口(27)，下部設(shè)有生物量回流口(36)，反應(yīng)器器壁與導(dǎo)流筒 (4)之間為升流區(qū)，導(dǎo)流筒(4)內(nèi)部為降流區(qū)；生物量截留器進水口(28)與反應(yīng)器出水口 (27)相連，排泥口(33)通過生物量回流泵(34)與反應(yīng)器生物量回流口(36)相連，生物量截留器30底部設(shè)有生物量截留器排泥口 33，生物量截留器排泥口 33經(jīng)生物量回流泵34、取泥口 35、生物量回流口 36與反應(yīng)器主體5下部相連，生物量截留器30上設(shè)有排氣口(四)、 出水口(32)和壓力平衡口(31)，排氣口(29)與液封裝置(37)相連；氬氣進氣自動調(diào)節(jié)閥 (7)、甲烷進氣自動調(diào)節(jié)閥(8)、進水泵(21)、酸液輸入自動調(diào)節(jié)閥(22)、堿液輸入自動調(diào)節(jié)閥(23)、pH探頭(12)、溶解氧探頭(13)、溫度探頭(14)、甲烷報警器(24)和繼電器(25)分別與數(shù)據(jù)采集分析調(diào)控裝置(26)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器主體(5)為圓柱體，其高徑比為1. 5 2:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器主體(5)氣相表壓小于600Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的升流區(qū)與降流區(qū)體積比為1. 5 2:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的導(dǎo)流筒(4)為喇叭形，其側(cè)壁母線與軸線的夾角為5 15° ；導(dǎo)流筒(4)下口面積比上口面積為3 5 1 ；導(dǎo)流筒(4)上口距液面和下口距反應(yīng)器底部距離為20 40mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器主體(5)截面積與導(dǎo)流筒(4)下口面積之比為 1. 4 1. 6 :1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的導(dǎo)流筒(4)與螺旋槳(3)側(cè)壁的距離為5 10mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的微孔曝氣器(6)的外直徑為200mm或215mm ；微孔曝氣器(6)產(chǎn)生的氣泡直徑為1 2mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的生物量截留器(30)上部為圓柱體，下部為椎體，圓柱體的高徑比為2 3:1，生物量截留器(30)與反應(yīng)器主體(5)體積比為1:10 20。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器，其特征在于所述的甲烷報警器(24)的甲烷報警濃度設(shè)為1%。
專利摘要本實用新型公開了一種基于自動化控制的槳降式持氣內(nèi)循環(huán)反硝化型甲烷厭氧氧化反應(yīng)器。它包括反應(yīng)器主體、生物量截留器、自動化控制系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、甲烷報警器和支架等；反應(yīng)器主體具有反應(yīng)器蓋板、反應(yīng)容器、導(dǎo)流筒、微孔曝氣器和溫控夾層，其中導(dǎo)流筒將反應(yīng)器分為上升區(qū)、下降及持氣區(qū)兩部分，上升區(qū)設(shè)有出水口、生物量回流口和取泥口，反應(yīng)器出水口與生物量截留器進水口相連，生物量回流口與生物量截留器排泥口相連，下降及持氣區(qū)頂部設(shè)有螺旋槳，底部設(shè)有微孔曝氣器；溫控夾層緊貼于反應(yīng)器外壁，通過控溫系統(tǒng)控制反應(yīng)器溫度。本實用新型利用甲烷氣泡浮力和下降流曳力的兩力平衡，延長甲烷氣泡在反應(yīng)器內(nèi)的持留時間，從而實現(xiàn)甲烷氣體的高效利用。
文檔編號B01D53/72GK202289867SQ20112042435
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者何嶄飛, 劉帥, 樓莉萍, 沈李東, 胡寶蘭, 蔡琛, 鄭平 申請人:浙江大學(xué)