專利名稱：一種針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)發(fā)酵裝置、操作方法和進(jìn)料原料的不同，發(fā)酵所產(chǎn)沼氣的品位，既沼氣中可燃?xì)怏wCH4的體積含量,千差萬別。一般認(rèn)為沼氣的組成(體積百分比)包括CH4 40%-75%,CO215%-60%，水蒸氣 5%-10%，H2S O. 005%_2%，硅氧烷 0-0. 02%,鹵代烴 V0C<0. 6%, NH3 <1%, O20_1%，C0〈0. 6%和N2 0-2%。當(dāng)沼氣中可燃?xì)怏wCH4含量至少要高于60%才可以燃燒；若是進(jìn)一步提升沼氣品位達(dá)到生物甲烷氣(Biomethane)的標(biāo)注，則要求高于CH4 95%_97%和低于CO2 1%-3%。針對(duì)發(fā)酵技術(shù)、原料和裝置的技術(shù)，一般只能解決某一種或者某一類發(fā)酵產(chǎn)沼氣的問題，難以針對(duì)沼氣本身進(jìn)行沼氣品位提升。常見的沼氣品位提升技術(shù)以物理化學(xué)吸附劑法、變壓吸附法(PSA, Pressure Swing Adsorption)、真空旋轉(zhuǎn)吸附法(VSA, VacuumSwing Adsorption)、膜分離法、深冷分離法、生物甲燒濃縮法等為主。它們的最大缺陷在于吸附劑或者設(shè)備造價(jià)高、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、效果不夠穩(wěn)定；不能解決發(fā)酵副產(chǎn)物高負(fù)荷污染物沼液的凈化問題；提升沼氣品位的同時(shí)又產(chǎn)生了新的污染物。若是考慮藻類極高的光合固碳能力，則不僅可以利用其吸收沼氣中CO2以提升沼氣品位，還可以將沼液作為其基質(zhì)，以達(dá)到凈化沼液的目的。增殖的微藻可以不用收獲而直接進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵，整個(gè)系統(tǒng)在提升沼氣品位和凈化沼液的過程中沒有新的污染物產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好的針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法。本發(fā)明所提供的針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法，其采用一個(gè)多級(jí)串聯(lián)式反應(yīng)器系統(tǒng)；其中，每一個(gè)反應(yīng)器頂部設(shè)置有一個(gè)出氣口，若干個(gè)反應(yīng)器以出氣口為接口，通過帶有氣閥的管道串聯(lián)連接，組成多級(jí)式反應(yīng)器；在每一級(jí)的反引器中設(shè)有LED燈；具體步驟如下
1)在第一級(jí)反應(yīng)器中都利用沼液作為培養(yǎng)基質(zhì)向反應(yīng)器中接種微藻，利用微藻超高的光合固碳能力逐級(jí)吸收沼氣中CO2 ;所述沼液為發(fā)酵副產(chǎn)物沼液；
2)測(cè)試沼氣的進(jìn)氣品質(zhì)參數(shù)CH4與CO2體積比；當(dāng)CH4與CO2體積比偏高時(shí)，既是沼氣中CO2含量偏低時(shí)，則采用混合入空氣的方法以降低CH4與CO2體積比；當(dāng)CH4與CO2體積比偏低時(shí)，既是沼氣中CO2含量偏高時(shí)，則采用堿液石灰水先預(yù)處理沼氣吸附一部分CO2的方法來以提高CH4與CO2體積比；針對(duì)原沼氣不同的品質(zhì)優(yōu)選出最適宜的沼氣CH4與CO2體積t匕，然后通入第一級(jí)反應(yīng)器；
3)沼氣在反應(yīng)器中停留，使用光源進(jìn)行光照，直至微藻生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期；
4)將上一級(jí)反應(yīng)器中增殖的部分微藻接種至下一級(jí)反應(yīng)器中；5)然后通過氣閥控制，使上一級(jí)中的沼氣進(jìn)入到下一級(jí)反應(yīng)器中；
6)以此類推，沼氣進(jìn)入下一級(jí)反應(yīng)器后，重復(fù)步驟(3) (5)；
7)最后得到所需高品位沼氣。本發(fā)明中，所述的微藻是綠藻門小球藻泛70/^77<3 sp.、綠藻門小球藻
綠藻門小球藻CX7or<977a藍(lán)藻門魚腥藻JflaAaefla sp.或娃藻門谷
皮菱形藻AYtescAia palea中的一種或者幾種的混合接種。本發(fā)明中，所述微藻為干重大于100 mg L—1的高密度微藻，以期在利用其超強(qiáng)的光合作用固碳能力在較短時(shí)間內(nèi)吸收沼氣中較多的CO2,以高效的提升沼氣品位。本發(fā)明中，從第二級(jí)反應(yīng)器開始，每級(jí)反應(yīng)器的接種藻種都是來自于上級(jí)反應(yīng)器 增殖的部分微藻，以利用這些微藻上級(jí)反應(yīng)器中經(jīng)過較高環(huán)境濃度CO2和CH4的馴化后能在下一級(jí)反應(yīng)器中有更強(qiáng)的沼氣品位提升能力。本發(fā)明中，整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間由系統(tǒng)的串聯(lián)級(jí)數(shù)和每級(jí)反應(yīng)器中沼氣的停留時(shí)間決定；串聯(lián)的級(jí)數(shù)以最終達(dá)到品位提升要求為準(zhǔn)，每級(jí)反應(yīng)器中沼氣停留時(shí)間以微藻生長(zhǎng)周期達(dá)到對(duì)數(shù)期末為止，沼氣即刻進(jìn)入到下一級(jí)反應(yīng)器中。本發(fā)明中，所述光源為L(zhǎng)ED燈，或者為自然光源，或者以自然光源為主LED燈為輔。本發(fā)明中，采用人工合成仿真沼氣的方法，調(diào)配CH4與CO2體積比模擬出不同品質(zhì)沼氣，以優(yōu)選出最佳的沼氣進(jìn)氣品質(zhì)參數(shù)。一般需要調(diào)控沼氣進(jìn)氣品質(zhì)參數(shù)CH4與CO2體積比在3:7 7:3的范圍內(nèi)。大于該正常值為偏高，小于該正常值為偏低。本發(fā)明中，根據(jù)優(yōu)選出的最佳沼氣進(jìn)氣品質(zhì)，采用混合入空氣的以降低CH4與CO2體積比，或者采用堿液石灰水先預(yù)處理吸附一部分CO2以提高CH4與CO2體積比的方法來達(dá)到最佳的沼氣進(jìn)氣品質(zhì)；當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)的沼氣達(dá)到或者接近此最佳CH4與CO2體積比時(shí)，既可以在本系統(tǒng)中達(dá)到良好的沼氣品位提升效果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過對(duì)沼氣CH4與CO2體積比的調(diào)控，可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的提升沼氣品位的目的；同時(shí)也凈化了發(fā)酵副產(chǎn)物高負(fù)荷污染物沼液，增殖的微藻又可以進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵，所以在此沼氣品位提升過程中幾乎不產(chǎn)生新的污染物，具有實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高、簡(jiǎn)單易行和操作方便的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為一種利用微藻提升沼氣品位的多級(jí)串聯(lián)式光反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明
實(shí)施例1 一種針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法。構(gòu)建多級(jí)串聯(lián)式光反應(yīng)器系統(tǒng)，總共12級(jí),每級(jí)置尺寸為3 mX3 mX3 m ;接種綠藻門小球藻sp.初始密度500 mg L_S小球藻和沼液總體積1. O m3,沼氣體積8. O m3 ;光周期為12 h/12 h,系統(tǒng)反應(yīng)器控制溫度為30±0.5 ° C，每級(jí)反應(yīng)器工作時(shí)間72 h，采用自然光照(光強(qiáng)度大約為300ilOOymol m_2 s—1)。采用CH4氣體瓶和CO2氣體瓶人工模擬進(jìn)氣沼氣CH4/C02體積比3: 7、4:6、5:5、6:4和7:3。結(jié)果顯示進(jìn)氣沼氣CH4/C02體積比為4:6時(shí)沼氣品位提升效果最好，經(jīng)過所述的多級(jí)串聯(lián)式光反應(yīng)器系統(tǒng)，沼氣品位可以提升至CH4 90. 55±5. 85%，基本達(dá)到生物甲烷氣的CH4含量要求。針對(duì)實(shí)際沼氣時(shí)，原沼氣品位為CH4含量50. 42± 10. 33%，CH4/CO2體積比約為5:5，混合一定量空氣后達(dá)到CH4/C02體積比約為4:6的最佳值。經(jīng)過所述的多級(jí)串聯(lián)式光反應(yīng)器系統(tǒng)，沼氣品位可以提升至CH4 87. 55±10. 85%，達(dá)到可燃沼氣的CH4含量要求，基本接近生物甲烷氣的CH4含量要求。實(shí)施例2 —種針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法。構(gòu)建多級(jí)串聯(lián)式光反應(yīng)器系統(tǒng)，總共9級(jí),每級(jí)置尺寸為5 mX4 mX3 m ;接種藍(lán)藻門魚腥藻JflaAaeaa sp.初始密度450 mg L_\藻種和沼液總體積10. O m3,沼氣體積50. O m3 ;光周期為12 h/12 h,系統(tǒng)反應(yīng)器控制溫度為25±0. 5 ° C，每級(jí)反應(yīng)器工作時(shí)間72 h，采用人工光源LED燈白光(330μ mo I m_2 s—1光照強(qiáng)度)。采用CH4氣體瓶和CO2氣體瓶人工模擬進(jìn)氣沼氣CH4/C02體積比
3.0:7. 0,3. 5:6. 5、4:6、4· 5:5. 5 和 5. 0:5. O。結(jié)果顯示進(jìn)氣沼氣 CH4/C02 體積比為 3. 5:6. 5時(shí)，既是沼氣品位大約為CH4 35%時(shí)沼氣品位提升效果最好。針對(duì)實(shí)際沼氣時(shí)，原沼氣品位CH4 27. 91±18. 01%, CH4/C02體積比約為3:7。采用堿液石灰水先預(yù)處理沼氣吸附一部分CO2，使得進(jìn)入系統(tǒng)的沼氣品位達(dá)到或者接近最佳值CH4 35%。經(jīng)過所述的多級(jí)串聯(lián)式光反應(yīng) 器系統(tǒng)，沼氣品位最終提升至CH4 76. 31 土 14. 25%，達(dá)到可燃沼氣的CH4含量要求。
權(quán)利要求
1.一種針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法，其采用一個(gè)多級(jí)串聯(lián)式反應(yīng)器系統(tǒng)；其中，每一個(gè)反應(yīng)器頂部設(shè)置有一個(gè)出氣口，若干個(gè)反應(yīng)器以出氣口為接口，通過帶有氣閥的管道串聯(lián)連接，組成多級(jí)式反應(yīng)器；在每一級(jí)的反引器中設(shè)有LED燈；其特征在于具體步驟如下 1)在第一級(jí)反應(yīng)器中都利用沼液作為培養(yǎng)基質(zhì)向反應(yīng)器中接種微藻，利用微藻超高的光合固碳能力逐級(jí)吸收沼氣中CO2 ;所述沼液為發(fā)酵副產(chǎn)物沼液； 2)測(cè)試沼氣的進(jìn)氣品質(zhì)參數(shù)CH4與CO2體積比；當(dāng)CH4與CO2體積比偏高時(shí)，既是沼氣中CO2含量偏低時(shí)，則采用混合入空氣的方法以降低CH4與CO2體積比；當(dāng)CH4與CO2體積比偏低時(shí)，既是沼氣中CO2含量偏高時(shí)，則采用堿液石灰水先預(yù)處理沼氣吸附一部分CO2的方法來以提高CH4與CO2體積比；針對(duì)原沼氣不同的品質(zhì)優(yōu)選出最適宜的沼氣CH4與CO2體積t匕，然后通入第一級(jí)反應(yīng)器； 3)沼氣在反應(yīng)器中停留，使用光源進(jìn)行光照，直至微藻生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期； 4)將上一級(jí)反應(yīng)器中增殖的部分微藻接種至下一級(jí)反應(yīng)器中； 5)然后通過氣閥控制，使上一級(jí)中的沼氣進(jìn)入到下一級(jí)反應(yīng)器中； 6)以此類推，沼氣進(jìn)入下一級(jí)反應(yīng)器后，重復(fù)步驟(3) (5)； 7)最后得到所需高品位沼氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法，其特征在于所述的微藻是綠藻門小球藻Chlorella sp.、綠藻門小球藻Chlorella vulgaris、綠藻門小球藻Chlorella pyrenoidosa、藍(lán)藻門魚腥藻Anabaena sp.或娃藻門谷皮菱形藻Λ tzschiapalea中的一種或者幾種的混合接種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法，其特征在于所述微藻的干重大于100 mg L'
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法，其特征在于所述光源為L(zhǎng)ED燈，或者為自然光源，或者以自然光源為主LED燈為輔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法，其特征在于步驟(2)中，所述CH4與CO2體積比正常值為3:7 7: 3，大于該正常值為偏高，小于該正常值為偏低。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種針對(duì)不同品質(zhì)沼氣的品位提升方法，包括構(gòu)建多級(jí)串聯(lián)式光反應(yīng)器系統(tǒng)，利用沼液作為培養(yǎng)基質(zhì)向反應(yīng)器中接種微藻，利用微藻超高的光合固碳能力逐級(jí)吸收沼氣中CO2，以提升沼氣品位；針對(duì)不同品質(zhì)沼氣優(yōu)選出最適宜的沼氣CH4/CO2體積比，然后通過調(diào)控進(jìn)入反應(yīng)器系統(tǒng)中的沼氣CH4/CO2體積比來到達(dá)最佳的沼氣品位提升效果。本發(fā)明方法通過對(duì)沼氣CH4/CO2體積比的調(diào)控，可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的提升沼氣品位的目的；同時(shí)也凈化了發(fā)酵副產(chǎn)物高負(fù)荷污染物沼液，增殖的微藻又可以進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵，所以在此沼氣品位提升過程中幾乎不產(chǎn)生新的污染物，具有實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高、簡(jiǎn)單易行和操作方便的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01D53/84GK103007742SQ201210577609
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者鄭正, 顏誠(chéng), 張麗, 王東, 錢俊成 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)