生物发酵固定床反应器及其固定床载体的清洗方法

摘要

本发明所公开的是一种生物发酵固定床反应器及其固定床载体的清洗方法。所述反应器以其包括底部相互贯通的至少2个反应罐，在反应罐内设有固定床载体和固体物沉淀空间，在所述反应罐罐体的相应部位分别设有进料口、液体物出口、出气口和出渣口为主要特征；而其所述载体的清洗方法，以其包括在两个相应对的反应罐内形成内部压力差，和迅速释放压力差两个步骤，且两个步骤可以是依次一步进行或者是依次多步进行为主要特征。本发明所述反应器具有结构合理，适用含固率高的物料处理，操控方便，处理稳定和工作效率高等特点，而其所述清洗方法，具有方法简便，清洗效果好，能源消耗低等特点。本发明特别适合生活污水和工业污水的厌氧发酵处理，同时也适用于酿酒和生化制品等工业生产领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物发酵固定床反应器及其固定床载体的清洗方法，具体涉及的是一种用于含固率较高污水处理的“湿式”生物厌氧发酵反应器。属于环保生物处理装备技术。 

背景技术

已有技术的厌氧发酵生物反应器，分为“湿式”和“干式”两大类，“湿式”生物发酵反应器所处理的是完全液态或者是含少量固态物的有机物（例如污水），其典型的含固率在20%wt（重量百分含量，以下同）以下，而“干式”生物发酵反应器所处理的是难以用一般输送泵输送的有机物，其典型的含固率在20%wt以上。 

本发明所称的生物发酵固定床反应器，是所述“湿式”生物发酵反应器。它对处理有机垃圾和/或有机污水特别有用，且对生产沼气和有机肥料也有用。 

而“湿式”生物发酵反应器，可分有载体和无载体的两种不同的生物发酵反应器。 

无载体生物发酵反应器的好处是其简单性，但这种反应器对发酵条件如温度，速度和被处理物（例如污水）成分的变化非常敏感。为了保持高效处理，细致的操控是必须的。必需将被处理物料完全混合的是第一种无载体生物发酵反应器，这种反应器的优势是可以接受较多的固体成分，但它需要较长的发酵反应时间，还得保证不把微生物群冲走。这就要求反应器具有足够大的体积，增加了处理设备的投资。污泥床生物发酵反应器是第二种无载体生物发酵反应器，它的优势在于能比所述第一种反应器保持更多的微生物群，因而其发酵反应时间相对较短。但它对水力条件要求较高，而且在大流量污水冲走污泥的情况下，这种无载体污泥生物发酵反应器的处理能力受到限制。 

有载体生物发酵反应器，利用微生物群自然附着在载体上的特性，来提高反应器中微生物群密度，以提高发酵处理有机物的能力，且有效稳定生物发酵的过程。流动床反应器是有载体生物发酵反应器中的一种，这种反应器十分耗能并只能处理一定限度的污水流量。因而其对微生物群的损耗也比较小。它的微生物群的密度要比其它反应器高得多。所以这种反应器处理效率比其它反应器也要高得多，而且能够承受污水流量较大范围的变化，而且其耗能较少。 

在生物发酵反应器中使用固定床的在很多文献中都提到，其中特别是中国专利CN101755041A、CN201605210U、CN101979615A、CN2725288Y、CN201406344Y和CN2299861Y，此类已有技术的反应器均存在以下的主要不足：一是载体上的微生物群的生长不可避免的部分或完全受阻，反应器的最佳处理效率只能维持一段时间，之后就会由于微生物群生长受阻而效率急剧下降；二是固定床反应器只能处理含固率很低的污水，因为所含固体会加速生物群生长的受阻状况。由于存在以上二点不足，以致所述专利技术的工业化使用受到了限制。 

为了解决固定床反应器的生物群生长受阻的问题，对固定床的定期清洗在专利US322296、US147547、FR2885126中曾经提到，但其对大型的反应器中的固定床的清洗很难控制，而且这种反应器的工业化清洗很难实现，而且这种清洗不能保证对所处理污水中的固体成分的接受程度。也就是说，这种清洗方法只能适应于对较低含固率（例如＜10%）污水处理的反应器的固定床载体的清洗。 

发明内容

本发明旨在提供一种生物发酵固定床反应器及其固定床载体的清洗方法，以有效克服已有技术的不足，为高效处理工业和生活有机污水以及有机垃圾提供技术装备。 

本发明的第一个目的是提供一种结构合理，操控简便，发酵处理稳定和工作效率高的生物发酵固定床反应器，而其技术方案是： 

一种生物发酵固定床反应器，包括：

a、所述反应器由至少1个A反应罐和与A反应罐相邻近布置的至少1个B反应罐所组成；在A反应罐与B反应罐的下部之间有通道，从而令A反应罐与B反应罐两者构定连通器结构；

b、在A反应罐和B分反应罐中至少1个反应罐内，设有可供微生物集聚繁衍生长的由载体组成的固定床；

c、在A反应罐和B反应罐的底部，均有固体物沉淀空间；

d、在A反应罐和B反应罐中至少1个反应罐的下部，设有被处理物料的进口，而在反应罐的上部，至少有1个反应罐设有已被处理的液体物出口，在A反应罐和B反应罐的顶部，均设有出气口，在固体物沉淀空间的底部设有出渣口；且所述被处理物料进口，已被处理的液体物出口，出气口和出渣口，均设有开关阀。

以上所述固定床，是由众多呈漫散状分布且集聚在一起可移动的和/或不可移动的载体所组成。所述不可移动的载体如与反应罐装接的管状载体等。 

在以上所给出的第一个主旨技术方案中，本发明所具有的A反应罐和B反应罐，可以是钢板制件，或者塑料制件，或者是玻璃钢制件，也可以是水泥建筑制件。而所述反应器可以布置在地表上，也可以布置在地表下。 

在上述技术方案中，本发明特别主张所述载体是其密度小于或大于被处理物料密度的颗粒状载体；且当所述载体的密度小于被处理物料密度的条件下，所述载体悬浮在被处理物料的面上，而当所述载体的密度大于被处理物料密度的条件下，则所述载体由网兜或者网笼或者格栅筐保持在反应罐的内部上方。 

在上述技术方案中，本发明所述载体是塑料或沙石或火山岩或玻璃颗粒。但不局限于此，例如木质载体。 

在上述技术方案中，本发明所述载体最好是圆珠状颗粒载体，且所述圆珠状颗粒载体表面呈沟槽和/或凹凸结构；而在所述圆珠状颗粒载体的内部呈开口网孔状结构，以最大限度扩大颗粒载体的表面积。 

为了有效加快生化反应过程，进一步提高处理效率，本发明还主张，还包括被处理物料加热装置和/或反应器加热装置。实验显示，本发明处理温度在30~60℃范围为最优。特别是在寒冷季节，所述加热装置可能是不可少的。当然也可以向反应罐内导入热水。 

出于节约制备成本和节约占地面积的考虑，本发明还积极主张，所述反应器的A反应罐和B反应罐，是在1个总反应罐内，通过沿高度方向所设的分隔件分隔构成的，且所述分隔件的上端与总反应罐的顶壁密封连接，分隔件的两侧与总反应罐的罐壁分别密封连接，而分隔件的下端面与被处理物料的进口的水平面相接近布置，从而构成A反应罐与B反应罐间的通道。这一技术方案特别适合制备用于餐桌垃圾的处理以及农村处理秸秆生产沼气和有机肥的生物发酵反应器。 

本发明第二个目的在于提供一种方法简便，清洗效果好和能源消耗低的清洗如实现第一个目的的生物发酵固定床反应器的固定床载体的方法，以保持其发酵处理的稳定性和长期有效性。其技术方案是： 

一种清洗生物发酵固定床反应器的固定床载体的方法，其清洗方法的步骤依次是：

a、在A反应罐与B反应罐内形成被处理物料液面所处位置的高度差；所述被处理物料液面所处位置的高度差，是通过在A反应罐与B反应罐内形成压力差实现的；

b、迅速消除A反应罐与B反应罐内被处理物料液面所处位置的高度差；所述消除被处理物料液面所处位置的高度差，是通过迅速释放A反应罐与B反应罐内的压力差实现的；

通过所述被处理物料液面在反应罐内所处位置的变动，固定床载体在其重力和被处理物料动压力的作用下，磨去或冲走固定床载体表面被堵塞的生物膜，使固定床载体表面恢复原有的结构状态，从而令固定床载体具有足够的集聚繁衍微生物的能力。

所述形成被处理物料液面所处位置的高度差和迅速消除被处理物料液面所处位置的高度差两个步骤，可以依次一步进行，也可以是依次多步进行。 

在上述技术方案中，本发明主张，所述形成被处理物料液面所处位置的高度差，是在A、B反应罐中的一个反应罐的出气口，注入压力介质，使A、B反应罐内部形成压力差，令未注入压力介质的反应罐内的被处理物料液面上升，而令注入压力介质的反应罐内的被处理物料液面下降，从而形成被处理物料液面所处位置的高度差； 

而所述迅速消除被处理物料液面所处位置的高度差，是将注入压力介质的管路迅速由反应罐的出气口移开，通过迅速排气释放压力差，从而消除被处理物料液面所处位置的高度差。

在上述技术方案中，本发明还主张，所述形成被处理物料液面所处位置的高度差，是通过调整A反应罐和B反应罐顶上的出气口阀门，使A反应罐和B反应罐所排出气体量不同形成内部压力差，从而形成被处理物料液面所处位置的高度差。 

而所述迅速消除被处理物料液面所处位置的高度差，是通过开大出气量小的出气口阀门，通过迅速排气释放压力差，从而消除被处理物料液面所处位置的高度差。 

在上述技术方案中，本发明还主张，所述释放压力差的时间在0.1秒~10秒范围内。 

在上述技术方案中，本发明还主张，所述压力差在1mbar至1bar范围内，即1毫巴至1巴范围内。 

鉴于以上描述，本发明所称形成被处理物料液面所处位置的高度差和迅速消除被处理物料液面所处位置的高度差，可分别称之为反应罐内形成内部压力差和迅速释放压力差。 

上述两个技术方案得以实施后，本发明所述生物发酵固定床反应器所具有的结构合理，操控简便，可处理含固率高的污水，且处理效率高，及其固定床载体的清洗方法所具有的方法简便，清洗效果好，能耗低等特点，都是十分明显的。 

附图说明

图1是本发明一种具体实施方式的生物发酵固定床反应器的结构示意图；图中所示被处理物料进口9，已被处理液体物出口10，出气口11和出渣口12都具有开关阀；图中A、B反应罐1、2内均有固定床载体5，且图a表示发酵处理状态，图b表示所述载体5清洗状态； 

图2是本发明另一种生物发酵固定床反应器的具体实施方式的结构示意图，图a′表示发酵处理状态，图b′表示载体5清洗状态。

图3是本发明第三种生物发酵固定床反应器的具体实施方式的结构示意图，它与图2所示的反应器的结构相类似，但在B反应罐2内不具有固定床载体5。且图a″表示发酵处理状态，图b″表示载体5清洗状态。 

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施方式的描述，对本发明作进一步说明。 

具体实施方式之一，如附图1a所示。 

一种生物发酵固定床反应器，其包括： 

a、所述反应器由A反应罐1和与A反应罐1相邻近布置的B反应罐2所组成；在A反应罐1与B反应罐2的下部之间有通道4，从而令A反应罐1与B反应罐2两者构定连通器结构；

b、在A反应罐1和B分反应罐2两个反应罐内，均设有可供微生物集聚繁衍生长的由可移动颗粒载体5组成的固定床；

c、在A反应罐1和B反应罐2的底部，均有固体物沉淀空间7；

d、在A反应罐1和B反应罐2两个反应罐中的A反应罐1的下部，设有被处理物料的进口9，而在2个反应罐的上部，均设有已被处理的液体物出口10，在A反应罐1和B反应罐2的顶部，均设有出气口11，在固体物沉淀空间7的底部设有出渣口12，且所述被处理物料进口9，已被处理的液体物出口10，出气口11和出渣口12，均设有开关阀。

所述载体5是其密度小于被处理物料密度的颗粒状载体；所述载体5悬浮在被处理物料的面上，所述载体5是塑料或沙石或火山岩或玻璃颗粒。所述载体5是圆珠状颗粒载体，且所述圆珠状颗粒载体5表面呈沟槽和/或凹凸结构；且所述圆珠状颗粒载体5的内部呈开口网孔状结构，以最大限度扩大颗粒载体5的表面积。还包括被处理物料加热装置和/或反应器加热装置（图中未画出）。所述加热装置是蒸汽夹套加热装置。 

而所述固定床载体5也可以是密度大于被处理物料密度的颗粒状载体，且用网兜保持在反应罐的内部上方（液体物出口10以下部位）。 

具体实施方式之二，如附图2 a′所示。 

一个生物发酵固定床的反应器，所述反应器的A反应罐1和B反应罐2，是在1个总反应罐13内，通过沿高度方向所设的分隔件3分隔构成的，且所述分隔件3的上端与总反应罐13的顶壁密封连接，分隔件3的两侧与总反应罐13的罐壁分别密封连接，而分隔件3的下端面与被处理物料的进口9的水平面相接近布置，从而构成A反应罐1与B反应罐间的通道4。除此之外，其它均如同具体实施方式之一。 

具体实施方式之三，如附图3a″所示。 

一种生物发酵固定床反应器，在A反应罐1内有固定床载体5，在B反应罐2内不设有固定床载体5，除此之外，其它均如同具体实施方式之二。 

在上述三个实施例中，所述被处理物料进口9，已被处理的液体物出口10，出气口11和出渣口12，均至少有1个或者是2个以上。 

且在反应器的A、B反罐1、2的侧壁上，还设有用来更新所述载体5的窗口（图中未画出）。 

而具体实施方式之一的A反应罐1和B反应罐2两者罐体的上端和具体实施之二和之三的总反应罐13的罐体的上端，均可以是通过法兰边实施对接的结构，以方便安装和维修。 

在处理较大量污水的工程中，所述包括A反应罐1和B反应罐2的反应器可以有若干个，且平联或串联组合在一起。在这样的条件下，一个使污水平均进入每个反应器的控制器也是有用的。 

以上所述3个实施例的生物发酵固定床反应器，优先用于厌氧发酵，例如生产沼气的反应器，但也可以用于其它形式的生物反应器，例如发酵酿酒反应器。 

而以上所述3个实施例所处理的对象主要是农作物秸秆、藻类以及污水，如生活污水和工业造纸、制革污水和餐桌垃圾、厨房垃圾等，而污水可以分为液体和膏状，可以是完全液态的或者含有1~35%wt固体的污水。最理想的是含固率为25%wt的污水。 

在处理含固率高的污水时，本发明所述反应器可以对固体和液体分别处理，而且这种分别处理不需要进行机械分离，可以在同一反应器内进行，而且固体和液体分别从反应器中出料，以便以有机肥料的形式得以利用。 

而且本发明反应器结构坚固，容易工业化，并不需要在反应器内部加搅拌器，它的运行耗能很少。 

以上所述是本发明反应器的优势所在。 

具体实施方式之四，如附图1b，2b′，3b″所示。 

一种如以上所述的生物发酵固定床反应器的固定床载体的清洗方法，其清洗方法的步骤依次是： 

a、在A反应罐1与B反应罐2内形成被处理物料液面所处位置的高度差；所述被处理物料液面所处位置的高度差，是通过在A反应罐1与B反应罐2内形成压力差实现的；

b、迅速消除A反应罐1与B反应罐2内被处理物料液面所处位置的高度差；所述消除被处理物料液面所处位置的高度差，是通过迅速释放A反应罐1与B反应罐2内的压力差实现的；

通过所述被处理物料液面在反应罐内所处位置的变动，固定床载体5在其重力和被处理物料动压力的作用下，磨去或冲走固定床载体5表面被堵塞的生物膜，使固定床载体5表面恢复原有的结构状态，从而令固定床载体5具有足够的集聚繁衍微生物的能力。

所述形成被处理物料液面所处位置的高度差和迅速消除被处理物料液面所处位置的高度差两个步骤，可以依次一步进行，也可以是依次多步进行。 

而其所述形成被处理物料液面所处位置的高度，是在A、B反应罐中的一个反应罐的出气口，注入压力介质，使A、B反应罐内部形成压力差，令未注入压力介质的反应罐内的被处理物料液面上升，而令注入压力介质的反应罐内的被处理物料液面下降，从而形成被处理物料液面所处位置的高度差； 

而所述迅速消除被处理物料液面所处位置的高度差，是将注入压力介质的管路迅速由反应罐的出气口移开，通过迅速排气释放压力差，从而消除被处理物料液面所处位置的高度差。

该具体实施方式主要适用于产气量小的所述反应器的固定床载体的清洗。 

具体实施方式之五，如附图1b、2b′、3b″所示。 

一种生物发酵固定床反应器的固定床载体的清洗方法，其清洗方法的步骤依次是： 

所述形成被处理物料液面所处位置的高度差，是通过调整A反应罐1和B反应罐2顶上的出气口阀门，使A反应罐1和B反应罐所排出气体量不同形成内部压力差，从而形成被处理物料液面所处位置的高度差。

而所述迅速消除被处理物料液面所处位置的高度差，是通过开大出气量小的出气口阀门，通过迅速排气释放压力差，从而消除被处理物料液面所处位置的高度差。 

其它如同具体实施方式之四。该具体实施方式主要适用于产气量大的所述反应器的固定床载体的清洗。 

而上述实施方式之四和之五所述压力差在1mbar~1bar范围内，最佳的压力差是在200毫巴~500毫巴范围内。而所述释放压力差的时间在0.1秒~10秒范围内，最佳的时间是在1秒~2秒范围内。 

而所述压力介质是气体。且在具体实施清洗过程中，必要时可关闭罐体的所有出入口。所述压力介质也可以是液体。 

当所述反应器生产可用气体例如沼气的条件下，则通过预先收集的有用气体沼气，由气体泵实施注气而形成A反应罐1与B反应罐2内部压力差。若在预先收集的有用气体沼气具有压力的形式下，可以不用气体泵注气，则本发明所述载体5的清洗不用耗能。 

本发明所述的生物膜，是微生物在载体5上生长形成的膜。由于生物膜的存在，它堵塞了微生物进入和集聚到载体5表面和内部的途径。它对本发明生物反应处理的长期性和稳定性是不利的，所以必须适时把所述生物膜清洗掉。而这种清洗可以定期或不定期进行。 

本发明生物发酵固定床反应器实用处理污水工艺的简要描述是： 

a、将人为添加生物菌种的污水，从1个或几个反应罐体下部的被处理物料的进口9导入反应罐1、2内。污水可以以各种方式进入，例如是在反应器罐体的边上或在反应器罐体的中间进入。

b、当进入夹带有生物菌种的污水水面推动固定床移动载体5上升到已被处理液体物出口10时，停止污水进入。也可以继续导入所述污水，而经所述载体5过滤的水由液体物出口10排出。 

c、关闭罐体的所有出入口，实施闷罐发酵处理。当然，也可以是在所述出入口打开条件下的开罐连续发酵处理。 

d、在发酵处理过程中，可定期导入或连续缓慢导入被处理污水，可定期收集可用气体（例沼气），可定期将沉渣从出渣口12排出。 

e、在厌氧发酵的条件下，可对污水或反应罐进行加热。最佳的反应温度在30~60℃范围内，而所述加热可以采用夹套蒸汽加热，或者导入部分热水。 

由于含固污水从固定床载体5中穿过，而载体5起到截留（过滤）部分固体的作用，过滤水从已被处理液体物的出口10流出。而流出的液体主要是液体水但也会含有微量固体。由此可见，本发明同样可以用于污水过滤净化处理。 

固体物以及所述载体5清洗后的生物膜碎片下沉到反应器底部的沉淀空间7内累积，由于仍有大量的微生物的存在，所述固体部分也受到有效的处理。而从沉淀空间7排渣的间隔时间，可根据固体在反应器内的停留时间来控制。 

如果像厌氧发酵那样，反应产生沼气，而沼气向反应器罐体上部升起并进行收集。 

由于载体5是可移动的或可拆装的，因而载体5可由A、B反应罐1、2侧壁的窗口进行部分更新。载体5的更新周期很慢。所述载体5的全部更新需要6个月甚至2年时间。 

如果在所述反应器的进出口9、10、11、12处，和所述加热装置的蒸汽管路上的开关阀均采用电磁阀，在反应罐1、2内设有温度传感器，那么在PLC可编程控制器的控制下，本发明所述发酵反应处理和载体清洗，均可实现自动化。 

本发明初样小试效果显示，是令人十分理想的，实现了本发明的初衷。 

本发明的应用范围，不受本说明书描述的限制。本发明所述生物反应器除特别适合沼气生产和污水处理外，在适当进行必要技术改造后，同样适合酿酒和生化制品等工业生产领域。