专利名称：一种多层竖流式甲烷生物氧化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及温室气体减排技术，特别是涉及到一种甲烷生物氧化的装置。
背景技术：
温室气体(如二氧化碳、甲烷、N2O等)不断增加所导致的全球变暖已成为世界关注的重大环境问题。其中，甲烷的全球增温潜势(GWP)是二氧化碳的23倍，占全球变暖份额的20％。而温室气体在大气中的寿命分别为二氧化碳120年，甲烷12年，N2O 114年。可见，与控制其他温室气体相比，减排甲烷将起到立竿见影的效果。大气中的甲烷来源主要包括湿地、稻田、反刍动物、垃圾填埋场、煤矿开采、天然气泄漏等。土壤中存在甲烷氧化细菌可以将甲烷氧化为二氧化碳和水。然而，这一生物转化过程必须有氧气的参与才能完成。土壤孔隙中的氧气来源于空气的扩散作用，由于空气的扩散作用较弱及细菌消耗氧气，使得甲烷氧化细菌的活性及其活动范围大大受限，一般情况下甲烷氧化细菌至出现在土壤表层50cm以内，制约了甲烷生物氧化在温室气体减排中的积极作用。
有少量研究采用生物氧化装置(即反应器)将甲烷和空气引入反应器，利用反应器内的填充介质表面附着的甲烷氧化细菌氧化甲烷、消耗氧气，并生成二氧化碳和水。然而，反应器内部构造简单，容易形成气体短流，甲烷和氧气混合不充分，不利于甲烷生物氧化在温室气体减排中进一步发挥作用。同时，填充介质密度一般在1g/cm3以上，自重随反应器的增高而加大，导致底部孔隙减少，不利于氧气和甲烷的流动，限制了反应器高度的增加。
发明内容
本发明的目的在于克服天然土壤中氧气自由扩散能力较差，现有甲烷生物氧化装置易短流、气体混合不均匀以及填充介质密度较大反应器高度受限等缺陷，提供一种多层竖流式甲烷生物氧化装置，本发明可用于垃圾填埋场、煤矿等甲烷集中排放源的甲烷减排。
为实现上述目的，本发明提供一种能使甲烷和氧气强制竖向流动的装置，从而强化甲烷生物氧化性能。该装置主要包括反应器、空气供应系统和甲烷供应系统。反应器由甲烷进气口、空气进气口、布气层、排气口和填充介质构成；布气层沿反应器高度以一定间隔设置，并设置为多层，其中布气层材料为有一定强度的轻质多孔材料(如陶粒、炉渣、锯末等)；填充介质为天然土壤和轻质多孔材料(如陶粒、炉渣、锯末等)的混合物，其中含有甲烷氧化细菌和大量孔隙，且密度小于0.5g/cm3。甲烷供应系统由风机、输气管组成。空气供应系统由风机、输气管组成。
本发明的工作原理是甲烷和空气通过各自的供应系统强制进入反应器底部的布气层，经混合的气体沿填充介质中的孔隙向上流动；在流动过程中附着在填充介质中的甲烷氧化细菌不断消耗利用混合气体中的甲烷和氧气，生成的二氧化碳和水不断进入混合气体；混合气体到达上部布气层后再次得到混合与重分布；由于布气层设置为多层，混合气体在反应器内的填充介质表面自下而上不断的流动，每次遇到布气层后气体即得到一次混合重分布，减少了气体的短流现象，为填充介质中的甲烷氧化细菌提供了便利的生长条件，甲烷在反应器内不断得到分解，最终变为二氧化碳从排气口排出。
本发明具有显著的有益效果(1) 由于甲烷的GWP是二氧化碳的23倍，因此本发明通过将甲烷转化为二氧化碳大大降低了其全球增温潜势，具有显著的全球环境效应。
(2)本发明采用天然土壤和轻质多孔材料的混合物作为填充介质，布气层均采用轻质多空材料，最大限度的降低反应器填料的自重，使得反应器高度可达3m以上，高于天然土壤的50cm，大大提高了甲烷氧化细菌的活性。
(3)本发明在反应器内沿高度方向设置多个布气层，使得甲烷和氧气在沿填充介质孔隙流动的过程中多次混合，减少了气体的短流现象，增大了细菌分解甲烷的能力。
(4)本发明反应器内填料为多孔材料，气体流动的沿程阻力较小，有利于氧气和甲烷的流动。
图1为本发明的结构示意图具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例图1示出了本发明的结构示意。由图1可见，本多层竖流式甲烷生物氧化装置包括反应器、甲烷供应系统和空气供应系统。具体来讲，反应器由甲烷进气口I-1、布气层I-2、空气进气口I-3、填充介质I-4、布气层I-5、填充介质I-6、布气层I-7、填充介质I-8和排气口I-9构成。布气层I-2、布气层I-5和布气层I-7为轻质多孔陶粒。填充介质I-4、填充介质I-6和填充介质I-8为含有甲烷氧化细菌和孔隙的森林土壤表层肥土和轻质多孔陶粒的混合物(混合比例为1∶1)。甲烷供应系统由风机II-1、输气管II-2组成。空气供应系统由风机III-1、输气管III-2组成。
本发明装置的工作过程是(1)甲烷通过风机II-1和输气管II-2，经反应器底部的甲烷进气口I-1强制进入布气层I-3；空气通过风机III-1和输气管III-2，经反应器底部的空气进气口I-3强制进入布气层I-3；甲烷和空气在布气层I-2得到初步混合。
(2)经混合的气体沿填充介质I-4中的孔隙向上流动，在流动过程中附着在填充介质I-4中的甲烷氧化细菌不断消耗利用混合气体中的甲烷和氧气，生成的二氧化碳和水不断进入混合气体。
(3)混合气体到达布气层I-5后，由于布气层I-5的孔隙远大于填充介质I-4，气体在布气层I-5内得到再次混合。
(4)混合后的气体离开布气层I-5向上进入填充介质I-6，沿填充介质I-6中的孔隙向上流动，在流动过程中附着在填充介质I-6中的甲烷氧化细菌不断消耗利用混合气体中的甲烷和氧气，生成的二氧化碳和水不断进入混合气体。
(5)混合气体到达布气层I-7后，由于布气层I-7的孔隙远大于填充介质I-6，气体在布气层I-7内得到再次混合。
(6)混合后的气体离开布气层I-7向上进入填充介质I-8，沿填充介质I-8中的孔隙向上流动，在流动过程中附着在填充介质I-8中的甲烷氧化细菌不断消耗利用混合气体中的甲烷和氧气，生成的二氧化碳和水不断进入混合气体。
(7)最终的混合气体从排气口I-9排出。
权利要求
1.一种多层竖流式甲烷生物氧化装置，其特征在于装置由反应器、甲烷供应系统和空气供应系统组成，甲烷供应系统通过甲烷进气口(I-1)与反应器相连，空气供应系统通过空气进气口(I-3)与反应器相连。
2.根据权利要求1所述，反应器由甲烷进气口(I-1)、布气层(I-2)、空气进气口(I-3)、填充介质(I-4)、布气层(I-5)、填充介质(I-6)、布气层(I-7)、填充介质(I-8)和排气口(I-9)构成。
3.根据权利要求2所述，布气层由多孔轻质材料构成，并沿反应器内自下而上设置为多层。
4.根据权利要求2所述，填充介质(I-4，I-6，I-8)由含有甲烷氧化细菌的天然土壤和多孔轻质材料混合而成。
5.根据权利要求1和权利要求2所述，甲烷供应系统由风机II-1和输气管II-2组成，甲烷从反应器底部进入布气层(I-2)。
6.根据权利要求1和权利要求2所述，空气供应系统由风机III-1和输气管III-2组成，空气从反应器底部进入布气层(I-2)。
全文摘要
本发明公开了属于温室气体减排技术范围，提供一种多层竖流式甲烷生物氧化装置，该装置由反应器、甲烷气体供应系统、空气供应系统构成，通过气体供应系统强制引导甲烷和空气在装置内自下而上沿填充介质孔隙流动，反应器内竖向设置多个布气层可实现气体的多次混合，并减少气体短流，为填充介质中的甲烷氧化细菌提供了便利的生长条件，使得甲烷在装置内不断得到分解，最终变为二氧化碳从排气口排出。
文档编号B01D53/84GK101053766SQ20071007955
公开日2007年10月17日 申请日期2007年2月28日 优先权日2007年2月28日
发明者张相锋 申请人:张相锋