本发明涉及一种沼气提纯反应器及其使用方法。
背景技术：
随着世界人口的不断增长、工业化的日益发展，对能源的需求不断扩大，导致全球化石燃料储量日益减少，同时化石燃料燃烧释放大量温室气体使人类面临能源和环境双重危机。推动能源生产结构和利用方式变革，推进能源多元清洁发展是我国实现可持续发展的当务之急。生物天然气作为一种清洁的气体能源，以其循环环保、副产品可利用、成本低廉、技术成熟易推广等特点，在补充我国能源不足方面具有极大的应用前景。
生物天然气，是指由生物质转化而来的以甲烷为主要成分的燃气，目前主要指通过沼气提纯得到的生物甲烷。沼气是有机物质在厌氧条件下，经微生物发酵作用而生成的多种气体的混合物，主要含有甲烷和二氧化碳，其中甲烷占55％～70％，二氧化碳占30％～45％。我国沼气资源十分丰富，但利用方式比较传统，除少数获得发电上网补贴的企业外，主要为烧锅炉、发电自用。近年来，出现了较多高产量沼气工程，日产沼气量达10000Nm3～150000Nm3，远远大于企业自用所需的气量，多余沼气往往通入锅炉不完全燃烧甚至直接排放，造成环境污染和资源浪费。在当前节能减排严峻趋势下，沼气提纯生物天然气在高值化利用沼气的同时，有效减少沼气工程因沼气利用不充分而排空造成的温室效应，具有环保和能源双重效益。
传统方法通过吸附法、吸收法、膜分离法、低温分离法提纯沼气需要昂贵的仪器或设备，以及较高的能量需求，在纯化过程中大量的二氧化碳伴随2％～10％的CH4被排放到大气中，增加了温室气体的排放，对环境造成二次污染。为实现沼气提纯生物天然气的工业化生产需求，开发一种高效清洁的沼气提纯方法势在必行。
技术实现要素：
本发明的目的是要解决现有沼气提纯过程中能源及设备投入需求高，且存在污染环境的问题，而提供沼气提纯膜生物反应器及其使用方法。
沼气提纯膜生物反应器，它包括进水装置、氢气供气装置、沼气供气装置、反应器、循环装置和出气液封装置；
所述反应器包括反应器主体和中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件由中空纤维膜丝束、膜组件封头和膜组件固定件组成，膜组件封头设置在中空纤维膜丝束的两端，利用膜组件固定件、通过膜组件封头将中空纤维膜丝束固定在反应器主体内，在反应器主体的下部设置反应器进水口，在反应器主体的上部设置反应器出水口；
所述进水装置由进水泵、进水罐和进水气袋组成，通过进水管道将进水罐与反应器的反应器进水口连通，在进水管道上设置进水泵，进水管道的一端延伸至进水罐内液面以下；通过补气管道将进水罐与进水气袋连通，补气管道的一端延伸至进水罐内液面以上；
所述氢气供气装置包括氢气高压气瓶、氢气减压阀和气体压力表组成，通过气体管道将氢气高压气瓶与中空纤维膜丝束连通，在气体管道上设置氢气减压阀和气体压力表；
所述循环装置包括循环泵、回流装置、循环出水口、回流装置进气口、回流装置出水口、循环进水口和pH电极；循环出水口和回流装置进气口设置在回流装置的下部，回流装置出水口设置在回流装置的中部，循环进水口设置在回流装置的上部，pH电极设置在回流装置的顶部，且pH电极的一端延伸至回流装置内液面以下，利用管道将循环进水口与反应器出水口连通，利用管道将循环出水口与反应器进水口连通，在循环出水口与反应器进水口连通的管道上设置循环泵；
所述出气液封装置包括出气液封瓶和气体收集袋，利用管道通过回流装置出水口将出气液封瓶与回流装置连通；出气液封瓶与气体收集袋通过气管连通，且气管的一端延伸至出气液封瓶内液面以上，出气液封瓶的下部设置出液口；
所述沼气供气装置包括沼气高压气瓶、沼气减压阀和气体流量计组成，利用气体管道通过回流装置进气口将沼气高压气瓶与回流装置连通，在气体管道上设置沼气减压阀和气体流量计。
沼气提纯膜生物反应器的使用方法，具体是按以下步骤完成的：
一、启动阶段：打开进水泵，将进水罐内盛装的沼气提纯生物培养基通过反应器进水口注入反应器主体中，反应器主体注满后沼气提纯生物培养基通过反应器出水口和循环进水口流入回流装置内，至回流装置内沼气提纯生物培养基液面达到回流装置出水口位置处时关闭进水泵，再向反应器主体中通入纯度为99.99％的氮气，密封反应器主体，然后反应器主体中接种沼气纯化种子液，所述沼气纯化种子液与沼气提纯生物培养基的体积比为1:10，所述沼气纯化种子液中的菌株为梭状芽孢杆菌P11(Clostridium ragsdalei P11)，且沼气纯化种子液中梭状芽孢杆菌P11的浓度为1.8g/L；打开氢气减压阀、沼气减压阀和循环泵，控制循环速度为65mL/min、氢气压力为1.25atm和沼气流量为10mL/min条件下进行沼气提纯，提纯后残液进入出气液封瓶中，提纯后沼液在气体收集袋中收集；
二、持续运行阶段：沼气提纯膜生物反应器每运行12h，关闭1次氢气减压阀、沼气减压阀和循环泵，开启1次进水泵，向反应器主体中注入沼气提纯生物培养基，且沼气提纯生物培养基的加入量为步骤一中沼气提纯生物培养基的加入量的二分之一。
本发明原理及优点：
一、进水装置中的沼气提纯生物培养基由进水泵通过反应器主体下部设置反应器进水口泵入反应器主体内；反应器主体的反应区中的沼气提纯细菌在循环泵的作用下混合均匀，充分利用由中空纤维膜组件通过渗透作用溶解入液体中的氢气，使其与由循环装置中通入的沼气在液相充分接触反应；反应完全后，进水装置通过进水泵向反应器主体泵入新鲜的沼气提纯生物培养基，发酵残夜由循环装置的回流装置出水口进入出气液封瓶，其中氢气浓度通过控制氢气减压阀和气体压力表实现，液体中沼气浓度通过沼气减压阀和气体流量计控制。
二、本发明应用生物法实现沼气提纯，有效避免了昂贵的设备投资和能源消耗。
三、本发明沼气提纯膜生物反应器的结构简单，工作流程简单，操作方便，可以根据沼气的提纯情况调节氢气分压，在提高气体利用率的同时，能够最大限度的避免菌种流失，实现高效的沼气提纯。
四、本发明能够使沼气的利用率达到最大化，沼气中的二氧化碳通过微生物作用，以氢气为电子供体产生乙醇，同时提纯沼气，大大提高了产物的附加值。
五、本发明采用沼气提纯膜生物反应器得到纯度达到93％以上的生物天然气，同时乙醇产率达到1.5g/L·d。
附图说明
图1是本发明沼气提纯膜生物反应器的结构示意图，图中1表示氢气高压气瓶，2表示氢气减压阀，3表示反应器主体，4表示中空纤维膜丝束，5表示膜组件封头，6表示反应器出水口，7表示膜组件固定件，8表示反应器进水口，9表示进水泵，10表示进水罐，11表示进水气袋，12表示循环泵，13表示回流装置，14表示循环出水口，15表示回流装置进气口，16表示回流装置出水口，17表示循环进水口，18表示pH电极，19表示气体收集袋，20表示出气液封瓶，21表示气体流量计，22表示沼气减压阀，23表示沼气高压气瓶，24表示磁力搅拌器，25表示气体压力表。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是沼气提纯膜生物反应器，它包括进水装置、氢气供气装置、沼气供气装置、反应器、循环装置和出气液封装置；
所述反应器包括反应器主体3和中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件由中空纤维膜丝束4、膜组件封头5和膜组件固定件7组成，膜组件封头5设置在中空纤维膜丝束4的两端，利用膜组件固定件7、通过膜组件封头5将中空纤维膜丝束4固定在反应器主体3内，在反应器主体3的下部设置反应器进水口8，在反应器主体3的上部设置反应器出水口6；
所述进水装置由进水泵9、进水罐10和进水气袋11组成，通过进水管道将进水罐10与反应器的反应器进水口8连通，在进水管道上设置进水泵9，进水管道的一端延伸至进水罐10内液面以下；通过补气管道将进水罐10与进水气袋11连通，补气管道的一端延伸至进水罐10内液面以上；
所述氢气供气装置包括氢气高压气瓶1、氢气减压阀2和气体压力表25组成，通过气体管道将氢气高压气瓶1与中空纤维膜丝束4连通，在气体管道上设置氢气减压阀2和气体压力表25；
所述循环装置包括循环泵12、回流装置13、循环出水口14、回流装置进气口15、回流装置出水口16、循环进水口17和pH电极18；循环出水口14和回流装置进气口15设置在回流装置13的下部，回流装置出水口16设置在回流装置13的中部，循环进水口17设置在回流装置13的上部，pH电极18设置在回流装置13的顶部，且pH电极18的一端延伸至回流装置13内液面以下，利用管道将循环进水口17与反应器出水口6连通，利用管道将循环出水口14与反应器进水口8连通，在循环出水口14与反应器进水口8连通的管道上设置循环泵12；
所述出气液封装置包括出气液封瓶20和气体收集袋19，利用管道通过回流装置出水口16将出气液封瓶20与回流装置13连通；出气液封瓶20与气体收集袋19通过气管连通，且气管的一端延伸至出气液封瓶20内液面以上，出气液封瓶20的下部设置出液口；
所述沼气供气装置包括沼气高压气瓶23、沼气减压阀22和气体流量计21组成，利用气体管道通过回流装置进气口15将沼气高压气瓶23与回流装置13连通，在气体管道上设置沼气减压阀22和气体流量计21。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述反应器进水口8和反应器出水口6设置在中空纤维膜组件的两侧。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述沼气提纯膜生物反应器还包括磁力搅拌器24，回流装置13设置在磁力搅拌器24上。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述进水罐10中盛装的液体为沼气提纯生物培养基。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述沼气提纯液体发酵培养基由NH4Cl、KCl、MgSO4·7H2O、NaCl、KH2PO4、CaCl2·2H2O、酵母粉、微量金属元素贮液、维生素贮液、NaHCO3、还原剂贮液和水制备而成；所述沼气提纯液体发酵培养基中由NH4Cl的浓度为1.0g/L，KCl的浓度为0.1g/L，MgSO4·7H2O的浓度为0.2g/L，NaCl的浓度为0.8g/L，KH2PO4的浓度为0.1g/L，CaCl2·2H2O的浓度为20mg/L，酵母粉的浓度为1g/L，微量金属元素贮液的浓度为10mL/L，维生素贮液的浓度为10mL/L，NaHCO3的浓度为2g/L，还原剂贮液的浓度为10ml/L；
所述微量金属元素贮液包括次氮基三乙酸、MnSO4·H2O、FeSO42NH42·6H2O、CoCl2·6H2O、ZnSO4·7H2O、CuCl2·2H2O、NiCl2·6H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2SeO4和Na2WO4；所述微量金属元素贮液中次氮基三乙酸的浓度为2g/L，MnSO4·H2O的浓度为1g/L，FeSO42NH42·6H2O的浓度为0.8g/L，CoCl2·6H2O的浓度为0.2g/L，ZnSO4·7H2O的浓度为0.2mg/L，CuCl2·2H2O的浓度为20mg/L，NiCl2·6H2O的浓度为20mg/L，Na2MoO4·2H2O的浓度为20mg/L，Na2SeO4的浓度为20mg/L，Na2WO4的浓度为20mg/L组成；
所述维生素贮液包括生物素、叶酸、盐酸维生素B6、盐酸硫胺素、维生素B2、烟酸、泛酸钙、维生素B12、对氨基苯甲酸和硫辛酸；所述维生素贮液中生物素的浓度为2mg/L，叶酸的浓度为2mg/L，盐酸维生素B6的浓度为10mg/L，盐酸硫胺素的浓度为5mg/L，维生素B2的浓度为5mg/L，烟酸的浓度为5mg/L，泛酸钙的浓度为5mg/L，维生素B12的浓度为0.1mg/L，对氨基苯甲酸的浓度为5mg/L，硫辛酸的浓度为5mg/L；
所述还原剂贮液包括NaOH、L-盐酸半胱氨酸和Na2S·9H2O；所述还原剂贮液中NaOH的浓度为9g/L，L-盐酸半胱氨酸的浓度为40g/L，Na2S·9H2O的浓度为40g/L。
其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述进水气袋11中盛装的气体为氮气。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式是沼气提纯膜生物反应器的使用方法，具体是按以下步骤完成的：
一、启动阶段：打开进水泵9，将进水罐10内盛装的沼气提纯生物培养基通过反应器进水口8注入反应器主体3中，反应器主体3注满后沼气提纯生物培养基通过反应器出水口6和循环进水口17流入回流装置13内，至回流装置13内沼气提纯生物培养基液面达到回流装置出水口16位置处时关闭进水泵9，再向反应器主体3中通入纯度为99.99％的氮气，密封反应器主体3，然后反应器主体3中接种沼气纯化种子液，所述沼气纯化种子液与沼气提纯生物培养基的体积比为1:10，所述沼气纯化种子液中的菌株为梭状芽孢杆菌P11，且沼气纯化种子液中梭状芽孢杆菌P11的浓度为1.8g/L；打开氢气减压阀2、沼气减压阀22和循环泵12，控制循环速度为65mL/min、氢气压力为1.25atm和沼气流量为10mL/min条件下进行沼气提纯，提纯后残液进入出气液封瓶20中，提纯后沼液在气体收集袋19中收集；
二、持续运行阶段：沼气提纯膜生物反应器每运行12h，关闭1次氢气减压阀2、沼气减压阀22和循环泵12，开启1次进水泵9，向反应器主体3中注入沼气提纯生物培养基，且沼气提纯生物培养基的加入量为步骤一中沼气提纯生物培养基的加入量的二分之一。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：步骤一和二中所述沼气提纯液体发酵培养基由NH4Cl、KCl、MgSO4·7H2O、NaCl、KH2PO4、CaCl2·2H2O、酵母粉、微量金属元素贮液、维生素贮液、NaHCO3、还原剂贮液和水制备而成；所述沼气提纯液体发酵培养基中由NH4Cl的浓度为1.0g/L，KCl的浓度为0.1g/L，MgSO4·7H2O的浓度为0.2g/L，NaCl的浓度为0.8g/L，KH2PO4的浓度为0.1g/L，CaCl2·2H2O的浓度为20mg/L，酵母粉的浓度为1g/L，微量金属元素贮液的浓度为10mL/L，维生素贮液的浓度为10mL/L，NaHCO3的浓度为2g/L，还原剂贮液的浓度为10ml/L；
所述微量金属元素贮液包括次氮基三乙酸、MnSO4·H2O、FeSO42NH42·6H2O、CoCl2·6H2O、ZnSO4·7H2O、CuCl2·2H2O、NiCl2·6H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2SeO4和Na2WO4；所述微量金属元素贮液中次氮基三乙酸的浓度为2g/L，MnSO4·H2O的浓度为1g/L，FeSO42NH42·6H2O的浓度为0.8g/L，CoCl2·6H2O的浓度为0.2g/L，ZnSO4·7H2O的浓度为0.2mg/L，CuCl2·2H2O的浓度为20mg/L，NiCl2·6H2O的浓度为20mg/L，Na2MoO4·2H2O的浓度为20mg/L，Na2SeO4的浓度为20mg/L，Na2WO4的浓度为20mg/L组成；
所述维生素贮液包括生物素、叶酸、盐酸维生素B6、盐酸硫胺素、维生素B2、烟酸、泛酸钙、维生素B12、对氨基苯甲酸和硫辛酸；所述维生素贮液中生物素的浓度为2mg/L，叶酸的浓度为2mg/L，盐酸维生素B6的浓度为10mg/L，盐酸硫胺素的浓度为5mg/L，维生素B2的浓度为5mg/L，烟酸的浓度为5mg/L，泛酸钙的浓度为5mg/L，维生素B12的浓度为0.1mg/L，对氨基苯甲酸的浓度为5mg/L，硫辛酸的浓度为5mg/L；
所述还原剂贮液包括NaOH、L-盐酸半胱氨酸和Na2S·9H2O；所述还原剂贮液中NaOH的浓度为9g/L，L-盐酸半胱氨酸的浓度为40g/L，Na2S·9H2O的浓度为40g/L。
其他与具体实施方式七相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果：
实施例1：沼气提纯膜生物反应器，它包括进水装置、氢气供气装置、沼气供气装置、反应器、循环装置和出气液封装置；
所述反应器包括反应器主体3和中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件由中空纤维膜丝束4、膜组件封头5和膜组件固定件7组成，膜组件封头5设置在中空纤维膜丝束4的两端，利用膜组件固定件7、通过膜组件封头5将中空纤维膜丝束4固定在反应器主体3内，在反应器主体3的下部设置反应器进水口8，在反应器主体3的上部设置反应器出水口6；
所述进水装置由进水泵9、进水罐10和进水气袋11组成，通过进水管道将进水罐10与反应器的反应器进水口8连通，在进水管道上设置进水泵9，进水管道的一端延伸至进水罐10内液面以下；通过补气管道将进水罐10与进水气袋11连通，补气管道的一端延伸至进水罐10内液面以上；
所述氢气供气装置包括氢气高压气瓶1、氢气减压阀2和气体压力表25组成，通过气体管道将氢气高压气瓶1与中空纤维膜丝束4连通，在气体管道上设置氢气减压阀2和气体压力表25；
所述循环装置包括循环泵12、回流装置13、循环出水口14、回流装置进气口15、回流装置出水口16、循环进水口17和pH电极18；循环出水口14和回流装置进气口15设置在回流装置13的下部，回流装置出水口16设置在回流装置13的中部，循环进水口17设置在回流装置13的上部，pH电极18设置在回流装置13的顶部，且pH电极18的一端延伸至回流装置13内液面以下，利用管道将循环进水口17与反应器出水口6连通，利用管道将循环出水口14与反应器进水口8连通，在循环出水口14与反应器进水口8连通的管道上设置循环泵12；
所述出气液封装置包括出气液封瓶20和气体收集袋19，利用管道通过回流装置出水口16将出气液封瓶20与回流装置13连通；出气液封瓶20与气体收集袋19通过气管连通，且气管的一端延伸至出气液封瓶20内液面以上，出气液封瓶20的下部设置出液口；
所述沼气供气装置包括沼气高压气瓶23、沼气减压阀22和气体流量计21组成，利用气体管道通过回流装置进气口15将沼气高压气瓶23与回流装置13连通，在气体管道上设置沼气减压阀22和气体流量计21。
所述反应器进水口8和反应器出水口6设置在中空纤维膜组件的两侧。
所述沼气提纯膜生物反应器还包括磁力搅拌器24，回流装置13设置在磁力搅拌器24上。
所述进水罐10中盛装的液体为沼气提纯生物培养基；所述沼气提纯液体发酵培养基由NH4Cl、KCl、MgSO4·7H2O、NaCl、KH2PO4、CaCl2·2H2O、酵母粉、微量金属元素贮液、维生素贮液、NaHCO3、还原剂贮液和水制备而成；所述沼气提纯液体发酵培养基中由NH4Cl的浓度为1.0g/L，KCl的浓度为0.1g/L，MgSO4·7H2O的浓度为0.2g/L，NaCl的浓度为0.8g/L，KH2PO4的浓度为0.1g/L，CaCl2·2H2O的浓度为20mg/L，酵母粉的浓度为1g/L，微量金属元素贮液的浓度为10mL/L，维生素贮液的浓度为10mL/L，NaHCO3的浓度为2g/L，还原剂贮液的浓度为10ml/L；所述微量金属元素贮液包括次氮基三乙酸、MnSO4·H2O、FeSO42NH42·6H2O、CoCl2·6H2O、ZnSO4·7H2O、CuCl2·2H2O、NiCl2·6H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2SeO4和Na2WO4；所述微量金属元素贮液中次氮基三乙酸的浓度为2g/L，MnSO4·H2O的浓度为1g/L，FeSO42NH42·6H2O的浓度为0.8g/L，CoCl2·6H2O的浓度为0.2g/L，ZnSO4·7H2O的浓度为0.2mg/L，CuCl2·2H2O的浓度为20mg/L，NiCl2·6H2O的浓度为20mg/L，Na2MoO4·2H2O的浓度为20mg/L，Na2SeO4的浓度为20mg/L，Na2WO4的浓度为20mg/L组成；所述维生素贮液包括生物素、叶酸、盐酸维生素B6、盐酸硫胺素、维生素B2、烟酸、泛酸钙、维生素B12、对氨基苯甲酸和硫辛酸；所述维生素贮液中生物素的浓度为2mg/L，叶酸的浓度为2mg/L，盐酸维生素B6的浓度为10mg/L，盐酸硫胺素的浓度为5mg/L，维生素B2的浓度为5mg/L，烟酸的浓度为5mg/L，泛酸钙的浓度为5mg/L，维生素B12的浓度为0.1mg/L，对氨基苯甲酸的浓度为5mg/L，硫辛酸的浓度为5mg/L；所述还原剂贮液包括NaOH、L-盐酸半胱氨酸和Na2S·9H2O；所述还原剂贮液中NaOH的浓度为9g/L，L-盐酸半胱氨酸的浓度为40g/L，Na2S·9H2O的浓度为40g/L。
所述进水气袋11中盛装的气体为氮气
实施例2：实施例1所述沼气提纯膜生物反应器的使用方法，具体是按以下步骤完成的：
一、启动阶段：打开进水泵9，将进水罐10内盛装的沼气提纯生物培养基通过反应器进水口8注入反应器主体3中，反应器主体3注满后沼气提纯生物培养基通过反应器出水口6和循环进水口17流入回流装置13内，至回流装置13内沼气提纯生物培养基液面达到回流装置出水口16位置处时关闭进水泵9，再向反应器主体3中通入纯度为99.99％的氮气，密封反应器主体3，然后反应器主体3中接种沼气纯化种子液，所述沼气纯化种子液与沼气提纯生物培养基的体积比为1:10，所述沼气纯化种子液中的菌株为梭状芽孢杆菌P11，且沼气纯化种子液中梭状芽孢杆菌P11的浓度为1.8g/L；打开氢气减压阀2、沼气减压阀22和循环泵12，控制循环速度为65mL/min、氢气压力为1.25atm和沼气流量为10mL/min条件下进行沼气提纯，提纯后残液进入出气液封瓶20中，提纯后沼液在气体收集袋19中收集；
二、持续运行阶段：沼气提纯膜生物反应器每运行12h，关闭1次氢气减压阀2、沼气减压阀22和循环泵12，开启1次进水泵9，向反应器主体3中注入沼气提纯生物培养基，且沼气提纯生物培养基的加入量为步骤一中沼气提纯生物培养基的加入量的二分之一。
对实施例2的气体收集袋19内收集的纯化后沼气进行检测可知，沼气的纯度为93.2％以上；对实施例2的出气液封瓶20内的液体进行检测，可知实施例2的乙醇产率为1.56g/L·d。
技术特征：
1.沼气提纯膜生物反应器，其特征在于沼气提纯膜生物反应器包括进水装置、氢气供气装置、沼气供气装置、反应器、循环装置和出气液封装置；
所述反应器包括反应器主体(3)和中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件由中空纤维膜丝束(4)、膜组件封头(5)和膜组件固定件(7)组成，膜组件封头(5)设置在中空纤维膜丝束(4)的两端，利用膜组件固定件(7)、通过膜组件封头(5)将中空纤维膜丝束(4)固定在反应器主体(3)内，在反应器主体(3)的下部设置反应器进水口(8)，在反应器主体(3)的上部设置反应器出水口(6)；
所述进水装置由进水泵(9)、进水罐(10)和进水气袋(11)组成，通过进水管道将进水罐(10)与反应器的反应器进水口(8)连通，在进水管道上设置进水泵(9)，进水管道的一端延伸至进水罐(10)内液面以下；通过补气管道将进水罐(10)与进水气袋(11)连通，补气管道的一端延伸至进水罐(10)内液面以上；
所述氢气供气装置包括氢气高压气瓶(1)、氢气减压阀(2)和气体压力表(25)组成，通过气体管道将氢气高压气瓶(1)与中空纤维膜丝束(4)连通，在气体管道上设置氢气减压阀(2)和气体压力表(25)；
所述循环装置包括循环泵(12)、回流装置(13)、循环出水口(14)、回流装置进气口(15)、回流装置出水口(16)、循环进水口(17)和pH电极(18)；循环出水口(14)和回流装置进气口(15)设置在回流装置(13)的下部，回流装置出水口(16)设置在回流装置(13)的中部，循环进水口(17)设置在回流装置(13)的上部，pH电极(18)设置在回流装置(13)的顶部，且pH电极(18)的一端延伸至回流装置(13)内液面以下，利用管道将循环进水口(17)与反应器出水口(6)连通，利用管道将循环出水口(14)与反应器进水口(8)连通，在循环出水口(14)与反应器进水口(8)连通的管道上设置循环泵(12)；
所述出气液封装置包括出气液封瓶(20)和气体收集袋(19)，利用管道通过回流装置出水口(16)将出气液封瓶(20)与回流装置(13)连通；出气液封瓶(20)与气体收集袋(19)通过气管连通，且气管的一端延伸至出气液封瓶(20)内液面以上，出气液封瓶(20)的下部设置出液口；
所述沼气供气装置包括沼气高压气瓶(23)、沼气减压阀(22)和气体流量计(21)组成，利用气体管道通过回流装置进气口(15)将沼气高压气瓶(23)与回流装置(13)连通，在气体管道上设置沼气减压阀(22)和气体流量计(21)。
2.根据权利要求1所述的沼气提纯膜生物反应器，其特征在于所述反应器进水口(8)和反应器出水口(6)设置在中空纤维膜组件的两侧。
3.根据权利要求1所述的沼气提纯膜生物反应器，其特征在于所述沼气提纯膜生物反应器还包括磁力搅拌器(24)，回流装置(13)设置在磁力搅拌器(24)上。
4.根据权利要求1所述的沼气提纯膜生物反应器，其特征在于所述进水罐(10)中盛装的液体为沼气提纯生物培养基。
5.根据权利要求4所述的沼气提纯膜生物反应器，其特征在于所述沼气提纯液体发酵培养基由NH4Cl、KCl、MgSO4·7H2O、NaCl、KH2PO4、CaCl2·2H2O、酵母粉、微量金属元素贮液、维生素贮液、NaHCO3、还原剂贮液和水制备而成；所述沼气提纯液体发酵培养基中由NH4Cl的浓度为1.0g/L，KCl的浓度为0.1g/L，MgSO4·7H2O的浓度为0.2g/L，NaCl的浓度为0.8g/L，KH2PO4的浓度为0.1g/L，CaCl2·2H2O的浓度为20mg/L，酵母粉的浓度为1g/L，微量金属元素贮液的浓度为10mL/L，维生素贮液的浓度为10mL/L，NaHCO3的浓度为2g/L，还原剂贮液的浓度为10ml/L；
所述微量金属元素贮液包括次氮基三乙酸、MnSO4·H2O、Fe(SO4)2(NH4)2·6H2O、CoCl2·6H2O、ZnSO4·7H2O、CuCl2·2H2O、NiCl2·6H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2SeO4和Na2WO4；所述微量金属元素贮液中次氮基三乙酸的浓度为2g/L，MnSO4·H2O的浓度为1g/L，Fe(SO4)2(NH4)2·6H2O的浓度为0.8g/L，CoCl2·6H2O的浓度为0.2g/L，ZnSO4·7H2O的浓度为0.2mg/L，CuCl2·2H2O的浓度为20mg/L，NiCl2·6H2O的浓度为20mg/L，Na2MoO4·2H2O的浓度为20mg/L，Na2SeO4的浓度为20mg/L，Na2WO4的浓度为20mg/L组成；
所述维生素贮液包括生物素、叶酸、盐酸维生素B6、盐酸硫胺素、维生素B2、烟酸、泛酸钙、维生素B12、对氨基苯甲酸和硫辛酸；所述维生素贮液中生物素的浓度为2mg/L，叶酸的浓度为2mg/L，盐酸维生素B6的浓度为10mg/L，盐酸硫胺素的浓度为5mg/L，维生素B2的浓度为5mg/L，烟酸的浓度为5mg/L，泛酸钙的浓度为5mg/L，维生素B12的浓度为0.1mg/L，对氨基苯甲酸的浓度为5mg/L，硫辛酸的浓度为5mg/L；
所述还原剂贮液包括NaOH、L-盐酸半胱氨酸和Na2S·9H2O；所述还原剂贮液中NaOH的浓度为9g/L，L-盐酸半胱氨酸的浓度为40g/L，Na2S·9H2O的浓度为40g/L。
6.根据权利要求1所述的沼气提纯膜生物反应器，其特征在于所述进水气袋(11)中盛装的气体为氮气。
7.沼气提纯膜生物反应器的使用方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、启动阶段：打开进水泵(9)，将进水罐(10)内盛装的沼气提纯生物培养基通过反应器进水口(8)注入反应器主体(3)中，反应器主体(3)注满后沼气提纯生物培养基通过反应器出水口(6)和循环进水口(17)流入回流装置(13)内，至回流装置(13)内沼气提纯生物培养基液面达到回流装置出水口(16)位置处时关闭进水泵(9)，再向反应器主体(3)中通入纯度为99.99％的氮气，密封反应器主体(3)，然后反应器主体(3)中接种沼气纯化种子液，所述沼气纯化种子液与沼气提纯生物培养基的体积比为1:10，所述沼气纯化种子液中的菌株为梭状芽孢杆菌P11，且沼气纯化种子液中梭状芽孢杆菌P11的浓度为1.8g/L；打开氢气减压阀(2)、沼气减压阀(22)和循环泵(12)，控制循环速度为65mL/min、氢气压力为1.25atm和沼气流量为10mL/min条件下进行沼气提纯，提纯后残液进入出气液封瓶(20)中，提纯后沼液在气体收集袋(19)中收集；
二、持续运行阶段：沼气提纯膜生物反应器每运行12h，关闭1次氢气减压阀(2)、沼气减压阀(22)和循环泵(12)，开启1次进水泵(9)，向反应器主体(3)中注入沼气提纯生物培养基，且沼气提纯生物培养基的加入量为步骤一中沼气提纯生物培养基的加入量的二分之一。
8.根据权利要求7所述的沼气提纯膜生物反应器的使用方法，其特征在于步骤一和二中所述沼气提纯液体发酵培养基由NH4Cl、KCl、MgSO4·7H2O、NaCl、KH2PO4、CaCl2·2H2O、酵母粉、微量金属元素贮液、维生素贮液、NaHCO3、还原剂贮液和水制备而成；所述沼气提纯液体发酵培养基中由NH4Cl的浓度为1.0g/L，KCl的浓度为0.1g/L，MgSO4·7H2O的浓度为0.2g/L，NaCl的浓度为0.8g/L，KH2PO4的浓度为0.1g/L，CaCl2·2H2O的浓度为20mg/L，酵母粉的浓度为1g/L，微量金属元素贮液的浓度为10mL/L，维生素贮液的浓度为10mL/L，NaHCO3的浓度为2g/L，还原剂贮液的浓度为10ml/L；
所述微量金属元素贮液包括次氮基三乙酸、MnSO4·H2O、Fe(SO4)2(NH4)2·6H2O、CoCl2·6H2O、ZnSO4·7H2O、CuCl2·2H2O、NiCl2·6H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2SeO4和Na2WO4；所述微量金属元素贮液中次氮基三乙酸的浓度为2g/L，MnSO4·H2O的浓度为1g/L，Fe(SO4)2(NH4)2·6H2O的浓度为0.8g/L，CoCl2·6H2O的浓度为0.2g/L，ZnSO4·7H2O的浓度为0.2mg/L，CuCl2·2H2O的浓度为20mg/L，NiCl2·6H2O的浓度为20mg/L，Na2MoO4·2H2O的浓度为20mg/L，Na2SeO4的浓度为20mg/L，Na2WO4的浓度为20mg/L组成；
所述维生素贮液包括生物素、叶酸、盐酸维生素B6、盐酸硫胺素、维生素B2、烟酸、泛酸钙、维生素B12、对氨基苯甲酸和硫辛酸；所述维生素贮液中生物素的浓度为2mg/L，叶酸的浓度为2mg/L，盐酸维生素B6的浓度为10mg/L，盐酸硫胺素的浓度为5mg/L，维生素B2的浓度为5mg/L，烟酸的浓度为5mg/L，泛酸钙的浓度为5mg/L，维生素B12的浓度为0.1mg/L，对氨基苯甲酸的浓度为5mg/L，硫辛酸的浓度为5mg/L；
所述还原剂贮液包括NaOH、L-盐酸半胱氨酸和Na2S·9H2O；所述还原剂贮液中NaOH的浓度为9g/L，L-盐酸半胱氨酸的浓度为40g/L，Na2S·9H2O的浓度为40g/L。
技术总结
沼气提纯膜生物反应器及其使用方法，它涉及一种沼气提纯反应器及其使用方法。本发明的目的是要解决现有沼气提纯过程中能源及设备投入需求高，且存在污染环境的问题。沼气提纯膜生物反应器包括进水装置、氢气供气装置、沼气供气装置、反应器、循环装置和出气液封装置。使用方法：一、启动阶段：将沼气提纯生物培养基注入反应器主体中，至沼气提纯生物培养基液面达到回流装置出水口位置处，通入氮气，密封，接种沼气纯化种子液；打开氢气减压阀、沼气减压阀和循环泵进行沼气提纯；二、持续运行阶段：每运行12h，关闭1次氢气减压阀、沼气减压阀和循环泵，开启1次进水泵。优点：生物天然气纯度达到93％以上，乙醇产率达到1.5g/L·d。
技术研发人员：赵磊;王子寒;任南琪;陈川
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：.07.09
技术公布日：.10.01
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