一种生物反应器和使用该生物反应器转化固体有机废弃物的方法

摘要

本发明公开了一种生物反应器，包括底座，底座上的封闭反应室顶壁开有进料口、底壁开有出料口，其内腔下部水平设置有搅拌轴，搅拌轴上设有搅拌叶轮；顶壁上开有发酵液入口，置于封闭反应室内的喷头通过管道与发酵液进口相连；在其顶壁上安装有压力表、温度表和湿度表，其左侧端壁的上、下位置分别开设有空气进口和蒸汽进口，其右侧端壁的上部开设有排气口；封闭反应室内中设有照明灯，侧壁上设有观察窗。本发明还公开了利用该生物反应器转化固体有机废弃物的方法。本发明在全封闭结构的生物反应器内将食腐性昆虫的生长和好氧固体发酵工艺进行合理有效的结合，对固体有机废弃物处理比较彻底，无二次污染，得到的微生物菌肥和虫体饲料附加值更高。

说明书

技术领域

本发明涉及生物及环保技术领域，尤其是涉及一种全密封的生物反应器，本发明还涉及利用该生物反应器转化固体有机废弃物的方法。

背景技术

  随着社会的进步和经济发展，餐饮、食品加工，发酵和畜禽养殖等行业每天都要产生大量的固体有机废弃物，包括餐厨垃圾、畜禽粪便、腐烂水果蔬菜以及发酵工业的糟渣等。据统计，北京市每天产生的餐厨垃圾就达1600 吨以上；按月产生1 吨/万人估算，全国l3.4亿人口每月将有l3.4万吨的餐厨垃圾产生。而畜禽养殖业的粪便处理问题更为严峻，随着中国畜禽养殖业的快速发展，畜禽粪便产生量也在迅速增加，中国畜禽粪便产生量1980年超过了14亿吨，2011年达21.21亿吨，并将随着畜禽养殖量的增加而迅速增加，到2020年和2030年预计将分别达到28.75亿吨和37.43亿吨。这些固体有机废弃物的产量巨大、处理效率低，甚至随意排放，不仅浪费资源，更污染环境，已经严重影响到了畜禽产业的可持续发展，同时又危害公共卫生和食品安全，有悖于我国创建节约型社会和可持续发展的理念。如何对这些放错位置的资源实行循环化利用成为我国社会经济发展中亟需解决的问题。

另一方面，由于传统农业中化肥、农药和除草剂的滥用，已经造成土壤板结和微生态失衡的不良后果，耕地质量迫切需要保护和提升。往土壤中施用富含解磷、解钾等功能微生物的生物有机肥，不仅能起到改善土壤微生态环境、防止板结作用，而且还能达到抗病、抗旱和增强植物吸收营养物质的效果。

现在，规模化处理固体有机废弃物普遍使用好氧堆肥或厌氧发酵产沼气技术。上述技术往往存在周期长，受自然气候影响较大，当管理不善很容易引起二次污染等问题。

食腐性昆虫包括家蝇（Musca domestica L.），大头金蝇（Chrysomyia megacephala F.）和亮斑扁角水虻（Hermertia illucens L.），具有生长周期短、生物量大、易管理、饲养成本低、动物适口性好等特点。幼虫可以迅速分解利用多种固体有机废弃物，在短时间内将其转化为生物有机肥和昆虫蛋白，具有广阔的市场开发前景。同时，最新研究表明，部分功能微生物在昆虫处理废弃物中起着至关重要的辅助作用。因此，使用微生物和昆虫共同处理固体有机废弃物，不仅能提高处理效率，缩短处理周期；而且，处理之后的虫粪中还留有一部分可产芽孢的微生物，为生产高经济附加值的微生物功能有机肥提供了极大可能。

虽然已有的方法基本可以实现规模化快速的处理有机废弃物，但在技术上仍存在很大的革新空间，如现有的处理装置均是开放系统，多在浅槽或料槽中进行反应，不仅温度和物料含水量难以控制，处理过程中由于虫子生长和物料发酵产生的异味还会造成二次污染。所以，迫切需要开发出一种安全环保，全密封结构的专用生物反应器，以及开发一种工艺简便、安全、低成本并且易于推广的转化固体有机废弃物的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种全密封结构的生物反应器，本发明还提供利用该生物反应器转化固体有机废弃物的方法。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的生物反应器，包括底座，水平放置在所述底座上的封闭反应室，所述封闭反应室的顶壁开设有进料口、底壁开设有出料口，所述封闭反应室内腔下部水平设置有由电机带动的搅拌轴，所述搅拌轴上设置有搅拌叶轮；在所述顶壁上开设有发酵液入口，置于封闭反应室内腔上方的喷头通过管道与所述发酵液进口相连通；在所述封闭反应室顶壁上安装有压力表、温度表和湿度表，在所述封闭反应室左侧端壁的上、下位置处分别开设有空气进口和蒸汽进口，在所述封闭反应室右侧端壁的上部开设有排气口；所述封闭反应室内腔中设置有照明灯，所述封闭反应室侧壁上设置有观察窗。

所述顶壁由固定板和铰连在所述固定板上的开合板组合而成，所述进料口开设在所述开合板上，在所述开合板的内表面边沿处设置有柔性密封条，所述开合板外侧边与侧壁之间设置有紧固卡件，靠近所述开合板外侧边的上表面设置有拉手。

所述搅拌叶轮为双螺旋结构，在其外边缘处包覆有柔性橡胶膜。

所述封闭反应室的底壁呈弧形结构，开设在弧形底壁上的出料口处活动设置有密封挡板。

所述进料口沿所述生物反应器长度方向间隔多个设置，所述进料口通过进料支管与浆料中转箱的出料接头密封连接，所述浆料中转箱的进料接头通过进料母管与浆料输送泵密封连通。

利用本发明的生物反应器转化固体有机废弃物的方法包括下述步骤：

第一步，将收集到的固体有机废弃物进行分拣、破碎，入搅拌机中加水搅拌成浆料，通过浆料输送泵将其送入浆料中转箱内密封储存；

第二步，将中转箱内的浆料送入专用的生物反应器中，同时接入食腐性昆虫的幼虫，并通入压缩气体，在预设条件下搅拌培养；然后将培养好的微生物发酵菌液按照一定比例从生物反应器发酵液入口接入物料中，定期搅拌通风，待食腐性昆虫生长完成后，调整含水量至设定值，虫料混合物经生物反应器的底部出料口被输送至储料仓内；

第三步，储料仓内的虫料混合物通过水平振动筛进行筛分，分别收集虫体和生物有机肥，虫体经烘干成为饲料，生物有机肥经质量检测合格后包装贮存。

针对餐厨垃圾、猪粪等臭味较大的物料，可在浆料中转箱内的物料中添加酵母菌或乳酸菌进行厌氧发酵后，再将其送入生物反应器中进行处理。

本发明所用的食腐性昆虫包括家蝇（Musca domestica L.），大头金蝇（Chrysomyia megacephala F.）和亮斑扁角水虻（Hermertia illucens L.）；微生物发酵菌液包括枯草芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌和酵母菌经培养发酵得到的发酵菌液。

本发明的优点在于将生物反应器采用全封闭结构，可以有效防止昆虫的逃逸，更加准确控制物料反应的水分与温度，杜绝在昆虫饲养过程中产生的臭味气体造成的空气污染；同时将进入生物反应器中的物料处理成浆料，上料方便，能耗少且更易于控制和维护；本发明在生物反应器内将食腐性昆虫的生长和好氧固体发酵工艺进行合理有效的结合，对固体有机废弃物处理比较彻底，无二次污染，而且得到的微生物菌肥和虫体饲料附加值更高，大大提高了产品的经济价值。

附图说明

图1是本发明生物反应器的结构示意图。

图2是图1中顶壁的结构示意图。

图3是本发明所用浆料中转箱的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的生物反应器，包括底座1，水平放置在底座1上的封闭反应室2，封闭反应室2的顶壁开设有进料口3、底壁开设有出料口4，底壁呈弧形结构，开设在弧形底壁上的出料口4处活动设置有密封挡板；在封闭反应室1内腔下部水平设置有由电机5带动的搅拌轴6，搅拌轴6上设置有搅拌叶轮7，搅拌叶轮7为双螺旋结构，在其外边缘处包覆有柔性橡胶膜；在顶壁上开设有发酵液入口8，置于封闭反应室内腔上方的喷头9通过管道与发酵液进口8相连通；在封闭反应室顶壁上安装有检测反应室内部环境的压力表9、温度表10和湿度表11，在封闭反应室左侧端壁的上、下位置处分别开设有空气进口12和蒸汽进口13，在封闭反应室右侧端壁的上部开设有排气口14；封闭反应室内腔中设置有照明灯15，封闭反应室侧壁上设置有观察窗16，以便随时观察虫体的生长和浆料的发酵形态。

如图2所示，本发明生物反应器的顶壁由固定板17和通过合页铰连在固定板上的开合板18组合而成（固定板17宽度较小，占顶壁的1/3，开合板18宽度较大，占顶壁的2/3），进料口3开设在开合板18上，在开合板18的内表面边沿处设置有柔性密封条19，开合板外侧边与侧壁之间设置有紧固卡件20，以保证反应器工作时的密封效果，靠近开合板外侧边的上表面设置有拉手21，方便检修和维护反应室内腔时打开开合板18。

针对所处理固体有机废弃物总量的多少，生物反应器的长度可以调整，多个进料口3沿生物反应器长度方向间隔设置，各进料口3通过进料支管与浆料中转箱22的出料接头23密封连接，浆料中转箱22的进料接头24通过进料母管与浆料输送泵密封连通，如图3所示，两端分别与进料口3和浆料中转箱22的出料接头23相连接的进料支管可采用材质为橡胶、帆布或塑料的软管，浆料中转箱22的出料接头23和进料接头24可采用不锈钢或不锈铁的螺纹接头。

利用本发明的生物反应器转化固体有机废弃物的方法包括下述步骤：

第一步，将收集到的固体有机废弃物通过运输车进行收集，分拣出其中所含的金属、塑料等，将其破碎至直径1~2mm的物料，入搅拌机加水调整含水率在85%左右，然后搅拌成浆料；通过浆料输送泵将其送入浆料中转箱22内密封储存；如果是处理餐厨垃圾、猪粪等臭味较大的物料，需要按物料总重的0.3%左右添加酵母菌（如安琪酵母）或乳酸菌进行厌氧发酵进行除臭；

第二步，将浆料中转箱22内的浆料储存至一定量后，通过泥浆泵将其送入本发明专用的生物反应器（如图1所示）中，同时按1000~2000只/kg浆料的接种量从多个进料口3中接入食腐性昆虫（如亮斑扁角水虻）的幼虫，然后关闭进料口3处的阀门，保持反应室的密封性；在培养过程中，从空气进口12中通入经冷热交换机调整至10~42℃温度适当的空气，同时每隔24h左右以40转/分钟的速率搅拌5分钟，控制料温在30~40℃左右，反应室内的环境依靠安装在封闭反应室顶壁上的压力表9、温度表10和湿度表11进行监测；当反应室内的浆料需要消毒灭菌时，可以从蒸汽进口13中通入高温蒸汽，蒸汽与空气最终都在反应室外设置的引风机的作用下通过排气口14排出；通过观察窗16，可以方便观察反应室内浆料的发酵过程：观察发酵浆料的形态、颜色和水分变化及昆虫生长状况；

培养至第七天（待虫体生长完成），通过输料泵将发酵罐内的微生物发酵菌液（可以是巨大芽孢杆菌发酵液或枯草芽孢杆菌发酵液或酵母菌发酵液）按反应室内物料总量的3%从发酵液入口8进入，通过喷头9接入物料中，同时搅拌均匀，继续培养两天后，提高通入空气的温度（45℃）并加大进风量，延长搅拌时间（搅拌30分钟/24小时），最终使反应室内物料的含水量降至35%左右，处理过程结束，虫料混合物经生物反应器的底部出料口4被输送至储料仓内；

为提高处理固体有机废弃物的工作效率，生物反应器可多个排列布置，形成循环连续的处理工艺。

第三步，储料仓内的虫料混合物集中到一定量之后，打开出料口，将物料送至水平振动筛将虫、料进行筛分分离，活动的虫体经过烘干粉碎设备加工成昆虫蛋白粉作为动物饲料添加剂，包含有大量微生物菌种的生物有机肥经质量检测合格后，通过混料造粒包装储存。