[发明专利]生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置及方法

权利要求书

1.一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，其特征在于：包括转筒、沼液腔、生物膜培养腔、外腔、恒温加热器和真空冻干器；所述转筒位于所述沼液腔内；所述沼液腔与所述生物膜培养腔间由隔板隔开，并与外腔组成夹套；所述隔板上设有沼液闸门，沼液闸门开关位于外腔外壁的对应位置上；所述恒温加热器的加热管接至所述外腔左壁右上端面，回热管接自所述外腔右壁右下端面；所述生物膜培养腔底面和所述外腔底面间开设生物膜闸门，所述生物膜闸门通向与所述外腔底面相连的真空冻干器，生物膜闸门开关位于外腔外壁的对应位置上；所述真空冻干器与所述恒温加热器相连；所述沼液腔，顶部设导气管a；所述导气管a，自所述沼液腔顶面伸出后，穿过夹套，至外腔外；所述沼液腔内设刮板1条，所述刮板顶端固定在所述沼液腔内壁顶部上，刮板底部带有毛刷，刮板沿毛刷方向紧贴所述转筒的外壁；所述转筒，配有电机；所述电机，为变频电机，通过传动机构与所述转筒及转盘相连，电机按整周旋转；所述转盘位于所述沼液腔右壁及所述外腔右上壁间；所述转筒，右端面上侧设有进料管a，右端面下侧设有排渣管，侧面设等间距的筛孔；所述进料管a和所述排渣管，自所述转筒右端面伸出后，穿过转盘，至外腔外；所述生物膜培养腔右壁面上侧设有进料管b和导气管b，前壁面下侧设有排液管；所述进料管b和所述排液管，自所述生物膜培养腔壁面伸出后，穿过夹套，至外腔外；所述排液管入口处设滤网；所述真空冻干器右端面设真空冻干出料口，所述真空冻干出料口平时关闭出料时开启；所述恒温加热器上设补水管；所述补水管、进料管、排渣管及排液管上均设阀门，阀门平时关闭使用时开启；所述电机、转盘，以及所有阀门、管口的连接处均密封；所述沼液闸门和生物膜闸门，为常闭闸门，操作需要时开启；所述导气管均与集气装置连接；所述转筒上的筛孔，孔径为80~120目；所述排液管入口处滤网，孔径为80～20目；所述转筒、沼液腔、生物膜培养腔、外腔和一系列管道，均采用不锈钢材料。

2.一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备方法，基于权利要求1所述的一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置，包括如下步骤：

S1 制备厌氧消化固体生物膜：

S1.1培养基配制：

培养基：NH₄Cl 1 g/L，MgCl₂ 1 g/L，NaCl 0.5 g/L，K₂HPO₄ 0.4 g/L，KH₂PO₄ 0.4 g/L，蛋白胨 2 g/L，酵母浸粉2 g/L，乙酸钠10 g/L，微量元素10 mL，维生素 10 mL，L - 半胱氨酸0.5 g/L， 2‰ 刃天青2 mL，pH 7.0蒸馏水1000 mL；其中，

微量元素( g/L) ：N (CH₂COOH) ₃ 4.5， FeCl₂·4H₂O 0.4，MnCl·H₂O 0.1， CoCl₂·6H₂O 0.12， AlK ( SO₄ ) ₂ 0.01， ZnCl₂ 0.1， NaCl 1， CaCl₂ 0.02， Na₂MoO₄ 0.01，H₃BO₃ 0.01，NiCl₂·6H₂O 0.42 ；

维生素( g/L) ：生物素2.0，硫胺素5.0，盐酸吡哆醇 10，D - 泛钙酸5.0，硫辛酸5.0，叶酸2.0，核黄素 5.0，烟酸5.0，对氨基苯甲酸5.0，维生素B₁₂ 0.1；

S1.2接种物富集培养：

将接种物和所述培养基，按体积比(1～4)：1装入培养容器，并密闭，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下静置培养或20～120rpm震荡培养；每次从所述培养容器中倾倒部分上清液并补充新鲜的所述培养基，每周两次；所述接种物，为长期稳定运行的总固体含量Ts为0.8%～12%的沼气池底部活性污泥、沼液或污水处理厂二沉池底部活性污泥；

S1.3接种物驯化：

以有机废弃物为原料，并加水配制成发酵料液；将已完成富集培养的所述接种物，按10%~30%的接种量和发酵料液混合并搅拌均匀后，从所述生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂制备装置的进料管a加入到转筒中；开启恒温加热器，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下静置培养或同时开启电机，在20～120rpm电机转速下旋转培养；通过所述进料管a，每隔1～3天添加质量分数0.4%～1.2%有机废弃物直到培养液pH下降到6.0～6.8，再每隔1～3天添加质量分数1.5%～3.0%有机废弃物，直到沼液辅酶F420荧光分光光度值为20.0～250.0为止；所述有机废弃物，为80~120目猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、秸秆之一或混合；

S1.4 生物炭挂膜：

采用快速排泥法进行生物炭挂膜；在完成接种物驯化后，从所述装置的取样口抽取适量接种物，与质量分数为5%～20%的生物炭颗粒振荡混匀后静置1小时，排出上清液，并将接种物和生物炭颗粒的混合物从所述装置的进料管b注入生物膜培养腔内；开启沼液闸门，从沼液腔中注入2 倍体积的新鲜沼液到所述生物膜培养腔内，淹没生物炭颗粒并静态接触24h 后，打开排液管排掉悬浮污泥，之后每隔1天从所述沼液腔中进行间歇式补充新鲜沼液挂膜，直到挂膜完成；所述生物膜培养腔间歇式补充新鲜沼液时，先打开排液管阀门排出1/3～1/2体积沼液，再关闭排液管阀门同时开启沼液闸门，补充相同体积新鲜沼液后关闭沼液闸门；在完成步骤S1.3的接种物驯化后，每隔1～3天从所述进料管a添加质量分数4%～10%的有机废弃物并从排渣管排去发酵后沼渣；发酵产生的沼液供所述生物膜培养腔间歇式补充新鲜沼液用；接种物从所述取样口抽取前或有机废弃物从所述进料管a加料后10～30min，开启电机以20~60rpm的转速转动所述转筒，使接种物及物料均充分混合均匀；沼渣从排渣管排渣前，开启电机以40~120rpm的转速转动所述转筒10～30min，使所述转筒内沼液沼渣有效分离；其他时间，每天启动电机2次，每次10～30min，转速20~60rpm；所述有机废弃物，为猪粪、鸡粪、牛粪、餐厨垃圾、剩余污泥、秸秆之一或混合；所述生物炭颗粒，粒径为1~5mm；整个挂膜过程，开启所述恒温加热器，在20～40℃或50～55℃的恒温条件下进行挂膜；

S1.5 真空冻干：

挂膜完成后，打开所述排液管阀门，直至所述生物膜培养腔内沼液全部排出后，关闭所述排液管阀门，并开启生物膜闸门，将生物炭及其上生物膜传输至真空冻干器进行真空冻干，冻干至含水量为8～10％， 得到冻干后生物炭及其上生物膜，即厌氧消化固体生物膜；冻干温度为-40℃～-45℃，冻干时间为24～72h；

S2 添加微量元素和复合维生素：

S2.1 制备微量元素和复合维生素混合粉体：

按质量份数，称取固体形态的1~2份的硫酸亚铁、0.1~1份的氯化钴、 0.5~2份的氯化镍、0.3~2份的复合维生素，放入容器中， 加蒸馏水制成饱和溶液，放入温度为60~90℃的烘箱中，烘 干1~2h后，用粉碎机粉碎成100~130目，得到微量元素和复合维生素混合粉体；其中，复合维生素由生物素、硫胺素、盐酸吡哆醇、D - 泛钙酸、硫辛酸、叶酸、核黄素、烟酸、对氨基苯甲酸、维生素B₁₂中的三种或多种组成；

S2.2 混合：

将步骤S1.5中制得的厌氧消化固体生物膜从所述真空冻干器的真空冻干出料口取出；并将步骤S2.1中制备的微量元素和复合维生素混合粉体，按2%~5%的添加量，加入到所制备的厌氧消化固体生物膜中，混合均匀后，即得生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂。

3.根据权利要求2所述的一种生物炭介导的固体生物膜厌氧消化促进剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S1和S2及相应操作，均在厌氧环境下进行。