一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置与方法与流程

1.本发明属于二氧化碳的资源化技术领域，涉及二氧化碳甲烷化处理，特别涉及一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置与方法。


背景技术：

2.通过催化转化、电化学还原、光化学转化、光电催化转化、生物转化等技术可以将二氧化碳转化为一系列的清洁燃料和化学品，如：甲烷、甲醇、乙醇、乙酸或己酸等等。前四种转化技术属于化学催化过程，转化速率虽高，但对催化剂要求较高，面临着选择性差和运行成本高等问题。而生物转化以微生物体内的酶作为催化剂，可在温和条件下高选择性地实现低能耗、低成本、低环境污染的二氧化碳转化。氢气、二氧化碳甲烷化生成的甲烷，在纯度达到要求后可以直接注入现有的成熟的天然气电网基础设施或压缩成液化天然气进行能源储存或利用，这种方式储能潜力高且其能量使用效率也相对较高，利用价值和现有基础条件俱佳。
3.目前研究最多的嗜氢型二氧化碳甲烷化装置有连续搅拌反应器(例如wahid r,horn s j.the effect of mixing rate and gas recirculation on biological co2 methanation in two-stage cstr systems[j].biomass and bioenergy,2021,144:105918；orgill j j,atiyeh h k,devarapalli m,et al.a comparison of mass transfer coefficients between trickle-bed,hollow fiber membrane and stirred tank reactors[j].bioresource technology,2013,133:340-6)、滴流床反应器(例如aryal n,odde m,petersen c,et al.methane production from syngas using a trickle-bed reactor setup[j].bioresource technology,2021,333:125183；sposob m,wahid r,fischer k.ex-situ biological co2 methanation using trickle bed reactor:review and recent advances[j].reviews in environmental science and bio/technology,2021；ullrich t,lindner j,k,et al.influence of operating pressure on the biological hydrogen methanation in trickle-bed reactors[j].bioresource technology,2018,247:7-13)和膜反应器(例如pratofiorito g,hackbarth m,mandel c,et al.a membrane biofilm reactor for hydrogenotrophic methanation[j].bioresource technology,2021,321:124444)等。但连续搅拌反应器能耗较高、滴流床反应器生物量分布不均匀、膜反应器膜材料较贵且易发生膜污染，且普遍存在气液传质速率低、生物量少的问题，导致二氧化碳转化效率偏低。


技术实现要素：

[0004]
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置与方法，以改善气液传质效果和生物量分布不均匀问题，提高二氧化碳转化效率。
[0005]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006]
一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置，包括腔室，所述腔室自上至下划分为依次的气相反应区、液相反应区和气相扩散区，所述气相反应区与液相反应区中装填有多孔生物膜载体，所述气相扩散区与所述液相反应区之间设置有微孔板，所述气相反应区的上部设置上取样口，下部设置下取样口；
[0007]
所述液相反应区与缓冲瓶形成回路，所述缓冲瓶储存有污泥和营养液的混合液，所述回路被配置为控制混合液流量使得所述气相反应区的多孔生物膜载体处于浸泡和沥干交替状态；
[0008]
在沥干状态，氢气与二氧化碳的混合气体被配置为上流式进气模式和下流式进气模式；所述上流式进气模式，混合气体经所述气相扩散区和液相反应区进入气相反应区，由嗜氢型产甲烷菌进行生物转化，出气通过上取样口收集；所述下流式进气模式，混合气体经所述上取样口进入气相反应区，由嗜氢型产甲烷菌进行生物转化，出气通过下取样口收集。
[0009]
在一个实施例中，所述多孔生物膜载体为具有吸附能力的载炭海绵颗粒，填充率为80-100％，其表面和内部孔隙中附着具有活性的嗜氢型产甲烷菌。
[0010]
在一个实施例中，所述气相扩散区占腔室总容积的5-10％，气相反应区占腔室总容积的65-70％，液相反应区占腔室总容积的20-30％。
[0011]
在一个实施例中，所述回路上设置蠕动泵，通过调整所述蠕动泵的方向以及流量，控制所述气相反应区中的混合液液量，以及所述回路的循环；所述混合气体的供气管路上设置质量流量控制器和气路阀。
[0012]
本发明还提供了一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，基于所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置实现，包括培养阶段和正常运行阶段；
[0013]
所述培养阶段包括：
[0014]
步骤1.1，将所述混合液泵入液相反应区和气相反应区，直至浸没生物膜载体，生物膜载体在混合液中持续浸泡，之后将气相反应区中的全部混合液排出，维持液相反应区始终浸没在混合液中；
[0015]
步骤1.2，调整混合液流量，使得所述混合液在所述回路中循环流动；
[0016]
步骤1.3，将所述混合气体送入气相扩散区，经微孔板通过液相反应区，最终以上流式进入气相反应区，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，出气通过上取样口收集，随后停止供气；
[0017]
步骤1.4，重复步骤1.1到步骤1.3，待多孔生物膜载体上的生物膜已具备符合要求的嗜氢型二氧化碳甲烷化效果后，完成上流式培养阶段；
[0018]
步骤1.5，将所述混合气体通过上取样口以下流式送入气相反应区，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，过程中的出气通过下取样口收集，随后停止供气；
[0019]
步骤1.6，重复步骤1.1、步骤1.2和步骤1.5，待可实现高效嗜氢型二氧化碳甲烷化，即二氧化碳转化效率可稳定维持在80％-90％时，完成下流式培养阶段；
[0020]
所述正常运行阶段包括：
[0021]
所述步骤1.1、所述步骤1.2、所述步骤1.3和所述步骤1.5的循环，处于静止沥干状态的生物膜将氢气、二氧化碳转化为甲烷和水，直至二氧化碳转化效率稳定维持在95％以上。
[0022]
在一个实施例中，所述培养阶段和正常运行阶段，装置内维持厌氧恒温环境，反应
温度为35-37℃，腔室内表压为0-5bar。
[0023]
在一个实施例中，所述步骤1.1，生物膜载体在混合液中持续浸泡30-60min；所述步骤1.3，在上流式培养阶段，干式生物甲烷化模式持续1-5天，在正常运行阶段，上流式干式生物甲烷化模式持续1-3天；所述步骤1.5，在下流式培养阶段，干式生物甲烷化模式持续1-5天，在正常运行阶段，下流式干式生物甲烷化模式持续1-3天，所述步骤1.4，装置空床停留时间达到30-40min后，完成上流式培养阶段；所述步骤1.6，装置空床停留时间达到10-20min后，完成下流式培养阶段。
[0024]
在一个实施例中，所述步骤1.1为生物膜载体湿式浸泡模式，所述步骤1.2～步骤1.3和步骤1.5均为干式生物甲烷化模式；所述步骤1.1、步骤1.2和步骤1.3构成上流式培养阶段，步骤1.1、步骤1.2和步骤1.5构成下流式培养阶段；
[0025]
所述上流式培养阶段和下流式培养阶段(上流式完成后才开始下流式培养)，72
±
2小时为一个浸泡周期，其中生物膜载体湿式浸泡模式保持1h，剩余时间为干式生物甲烷化模式；所述正常运行阶段，96
±
2小时为一个浸泡周期，且一个浸泡周期内，生物膜载体湿式浸泡模式保持1h，剩余时间内，步骤1.3和步骤1.5等时间运行。
[0026]
在一个实施例中，所述正常运行阶段的上流式供气的时间和所述下流式供气的时间相同。
[0027]
在一个实施例中，所述混合气体中氢气和二氧化碳的体积比为3：1-5：1；所述混合气体中的二氧化碳作为微生物的唯一碳源，营养液组分中不包含碳源。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0029]
1、干式生物甲烷化模式和生物膜载体湿式浸泡模式操作使得嗜氢型产甲烷菌生物膜处于浸泡和沥干交替状态，浸泡状态下嗜氢型产甲烷菌的营养供给得到充分保障，沥干状态下的气液接触面积和气液传质效率都能得到大幅度提高，可大幅提高嗜氢型产甲烷菌的二氧化碳甲烷化效率。
[0030]
2、双向流进气方式使装置两端微生物群落交替性处于碳源丰盛期，改善传统生物反应器的单向底物渐减现象，使生物量均匀分布，进一步增加反应器内的嗜氢型产甲烷菌丰度。
[0031]
3、本发明所述方法可在低成本、温和条件下实现二氧化碳加氢高效生物转化，为二氧化碳资源化提供一种有效途径。
附图说明
[0032]
图1为本发明双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化装置的一种结构示意图。
[0033]
图2为不同空床停留时间下甲烷化装置出气口气体组分变化示意图。
[0034]
图3为不同空床停留时间下浸泡后甲烷化装置出气口气体甲烷含量随时间变化示意图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0036]
如图1所示，本发明为一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置，包括腔室，该腔室中，自上至下划分为依次的气相反应区1、液相反应区2和气相扩散区3。其中，所述的气相
反应区1与液相反应区2中装填具有良好产甲烷能力的多孔生物膜载体4，所述的气相扩散区3与所述的液相反应区2之间设置有微孔板12，所述的气相反应区1的上部设置上取样口13，下部设置下取样口15。
[0037]
本发明中，腔室内优选处于厌氧恒温环境。为维持恒温，在气相反应区1外设置温控系统16，由温控系统16调控恒温条件在35-37℃之间。
[0038]
本发明中，所述的多孔生物膜载体4为具有吸附能力的载炭海绵颗粒，尺寸大约为5-10mm，进一步优选10mm
×
10mm
×
10mm，填充率为80-100％，其表面和内部孔隙中附着具有良好活性的嗜氢型产甲烷菌。
[0039]
本发明中，所述的液相反应区2与缓冲瓶7形成回路，所述的缓冲瓶7储存有污泥和营养液的混合液，所述的回路能够被配置为通过控制混合液流量，使得所述的气相反应区1的多孔生物膜载体4处于浸泡和沥干的交替状态。
[0040]
在沥干状态，氢气与二氧化碳的混合气体被配置为上流式进气模式和下流式进气模式；所述的上流式进气模式，混合气体经所述的气相扩散区3和液相反应区2进入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌进行生物转化，出气通过上取样口13收集，微孔板12作用是使离开气相扩散区3的气体形成微小气泡，改善气液传质效果。即，采用上流式进气模式时，出气通过上取样口13排出并收集。所述的下流式进气模式，混合气体经所述的上取样口13进入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌进行生物转化，出气通过下取样口15收集，即，采用下流式进气模式时，出气通过下取样口15排出并收集。处于沥干状态的生物膜载体4能够将氢气、二氧化碳转化为甲烷和水，且该状态下气液接触面积和气液传质效率均有提高，因此可提升嗜氢型产甲烷菌的二氧化碳甲烷化效率。沥干状态也可称为干式生物甲烷化模式。
[0041]
在浸泡状态，停止通入混合气体，生物膜载体4在混合液中浸泡以使生物膜中微生物获得营养元素，充分保障嗜氢型产甲烷菌的营养供给，促进微生物生长繁殖。浸泡状态也可称为生物膜载体湿式浸泡模式。
[0042]
本发明中，浸泡和沥干交替进行，从而强化气液传质效率。所述培养阶段沥干状态下，优选为先执行上流式进气模式，再执行下流式进气模式，所述正常运行阶段沥干状态下，上流式进气模式和下流式进气模式交替进行，可解除生物反应器单向底物限制。通过上下双向流进气方式，可使两端的微生物群落交替性处于碳源丰盛期，避免传统生物反应器的单向底物渐减问题，使生物量均匀分布，进一步增加反应器内的嗜氢型产甲烷菌丰度，稳定维持装置内厌氧嗜氢型产甲烷菌的均匀分布、高丰度和高活性，最终实现二氧化碳加氢的高效生物转化。
[0043]
在本发明的一些实施例中，所述的气相扩散区3占腔室总容积的5-10％，气相反应区1占腔室总容积的65-70％，液相反应区2占腔室总容积的20-30％。缓冲瓶7有效容积约为气相反应区1容积的1.2-1.5倍，腔室内表压可设定为0-5bar。
[0044]
在本发明的一些实施例中，所述的回路上设置蠕动泵5，通过调整所述的蠕动泵5的方向以及流量，控制所述的气相反应区1中的混合液液量，以及所述的回路的循环。具体地，液相反应区2的进液口位于其下部，而出液口位于其上部，进液口与缓冲瓶7之间通过进液管路6连通，出液口与缓冲瓶7之间通过出液管路8连通。蠕动泵5可为双向泵，可控制流量，也可控制泵入泵出。
[0045]
在本发明的一些实施例中，所述的混合气体的供气管路11上设置质量流量控制器
9和气路阀10。通过质量流量控制器9可控制供气量，通过气路阀10可控制供气与否。
[0046]
基于上述的双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置，本发明相应的双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，包括了培养阶段和正常运行阶段，并在整个过程中，装置内维持厌氧恒温环境，其中反应温度为35-37℃。
[0047]
所述的培养阶段包括：
[0048]
步骤1.1，将所述的混合液泵入液相反应区2和气相反应区1，直至浸没生物膜载体4，生物膜载体4在混合液中持续浸泡，之后将气相反应区1中的全部混合液排出，维持液相反应区2始终浸没在混合液中。
[0049]
示例地，在前述配置蠕动泵5、进液管路6和出液管路8时，启动蠕动泵5，将混合液通过进液管路6从缓冲瓶7通过液相反应区2泵入气相反应区1，直至混合液浸没所有生物膜载体4，关闭蠕动泵5。生物膜载体4在混合液中持续浸泡，大约30-60min后，将蠕动泵5转向然后打开，将气相反应区1中的全部混合液泵回缓冲瓶7中，关闭蠕动泵5，而液相反应区2始终浸没在混合液中。
[0050]
步骤1.1构成了培养阶段的生物膜载体湿式浸泡模式。
[0051]
步骤1.2，调整混合液流量，使得所述的混合液在所述的回路中循环流动。
[0052]
示例地，在前述配置蠕动泵5、进液管路6和出液管路8时，启动蠕动泵5，将混合液通过进液管路6从缓冲瓶7泵入液相反应区2，并由出液管路8不断泵回缓冲瓶7中，使得装置运行过程中整个液相反应区2中的混合液处于厌氧循环流动状态。
[0053]
步骤1.3，将所述的混合气体送入气相扩散区3，经微孔板12通过液相反应区2，最终以上流式进入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，出气通过上取样口13收集，随后停止供气。
[0054]
示例地，在前述配置供气管路11、气路阀10和质量流量控制器9时，通过调节气路阀10使氢气、二氧化碳的混合气体从质量流量控制器9流出后通过供气管路11进入气相扩散区3，经微孔板12通过液相反应区2，最终以上流式进入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，出气通过上取样口13收集，可保持该转化模式1-5天。
[0055]
步骤1.2～步骤1.3构成了上流式培养阶段的干式生物甲烷化模式。
[0056]
步骤1.4，重复步骤1.1到步骤1.3，待装置空床停留时间大约30-40min后，完成上流式培养阶段。即，步骤1.1、步骤1.2和步骤1.3构成上流式培养阶段。
[0057]
步骤1.5，将所述的混合气体通过上取样口13以下流式送入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，过程中的出气通过下取样口15收集，随后停止供气。
[0058]
示例地，在前述配置供气管路11、气路阀10和质量流量控制器9时，调节气路阀10使氢气、二氧化碳的混合气体从质量流量控制器9流出后通过上取样口13直接以下流式进入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，过程中的出气通过下取样口15收集，可保持该转化模式1-5天。
[0059]
步骤1.2～步骤1.5构成了下流式培养阶段的干式生物甲烷化模式。
[0060]
步骤1.6，重复步骤1.1、步骤1.2和步骤1.5，待装置空床停留时间达到10-20min后，完成下流式培养阶段。整个培养阶段结束，正常运行阶段开始。即，步骤1.1、步骤1.2和步骤1.5构成下流式培养阶段。
[0061]
本发明中，上流式培养阶段完成后开始下流式培养阶段，72
±
2小时为上流式培养
阶段或下流式培养阶段的一个浸泡周期，在一个浸泡周期内，生物膜载体湿式浸泡模式保持1h，剩余时间为干式生物甲烷化模式。
[0062]
所述的正常运行阶段是所述的步骤1.1、所述的步骤1.2、所述的步骤1.3和所述的步骤1.5的循环。具体可描述为：
[0063]
步骤2.1，关闭气路阀10，启动蠕动泵5，将混合液通过进液管路6从缓冲瓶7泵入气相反应区1，直至混合液浸没所有生物膜载体4，关闭蠕动泵5，生物膜载体4在混合液中持续浸泡，大约30-60min后，将蠕动泵5转向后打开，将气相反应区1中全部混合液泵回缓冲瓶7中，关闭蠕动泵5。
[0064]
步骤2.2，启动蠕动泵5，将混合液通过进液管路6从缓冲瓶7泵入液相反应区2，并由出液管路8不断泵回缓冲瓶中，使得装置运行过程中整个液相反应区2中的混合液处于循环流动状态。
[0065]
步骤2.3，在厌氧恒温环境下，调节气路阀10使氢气、二氧化碳混合气体从质量流量控制器9流出后通过供气管路11进入气相扩散区3，经微孔板12通过液相反应区2，最终以上流式进入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，出气通过上取样口13收集，可保持该转化模式1-3天。
[0066]
步骤2.4，调节气路阀10使氢气、二氧化碳混合气体从质量流量控制器9流出后通过上取样口13直接以下流式进入气相反应区1，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，过程中的出气通过下取样口15收集，可保持该转化模式1-3天，并可与上流式供气的时间相同。
[0067]
步骤2.5，重复步骤2.1到步骤2.4。
[0068]
本发明中的正常运行阶段，96
±
2小时为一个浸泡周期，且一个浸泡周期内，生物膜载体湿式浸泡模式保持1h，剩余时间内，上流式的干式生物甲烷化模式和下流式的干式生物甲烷化模式等时间运行。
[0069]
本发明中，所述的混合气体中的二氧化碳作为微生物的唯一碳源，营养液组分中不包含碳源。示例地，本发明微生物营养液由a(10ml/l)、b(2ml/l)、c(1ml/l)、d(5ml/l)、e(5ml/l)五种营养母液及4.2g/l nahco3稀释而成，具体配方如下：
[0070]
所述的微生物营养液由a(10ml/l)、b(2ml/l)、c(1ml/l)、d(5ml/l)、e(5ml/l)五种营养母液及4.2g/l nahco3稀释而成，具体配方如下：
[0071][0072]
营养母液中各组分按所述具体配方所述浓度逐一添加。
[0073]
在本发明的一个具体实施例中，腔室总容积约3.3l，气相扩散区3占总容积的5％，约0.17l，气相反应区1占总容积的65％，约2.15l，液相反应区2占总容积的30％，约1.00l。多孔生物膜载体14的填充率为100％，温度为35℃。腔室内表压为0bar。
[0074]
采用上述营养液，在上流式、下流式培养阶段下干式生物甲烷化模式保持3天，生物膜载体湿式浸泡模式保持60min；在正常运行阶段上流式、下流式的干式生物甲烷化模式各保持2天，生物膜载体湿式浸泡模式保持60min。
[0075]
在上流式、下流式培养阶段，设定72h为一个浸泡周期，其中干式生物甲烷化模式保持71h，生物膜载体湿式浸泡模式保持1h；在正常运行阶段，设定96h为一个浸泡周期，其中生物干式转化阶段上、下流式的干式转化模式各保持47.5h，生物膜载体湿式浸泡模式保持1h。
[0076]
采用本发明方法对体积比为4:1的氢气二氧化碳混合气体进行生物转化，结果表明二氧化碳转化效率保持在95％以上，如图2和图3所示。
[0077]
综上，本发明使生物膜载体处于静止状态和干湿交替环境中从而提高气液传质效率，双向流进气方式改善了传统生物反应器单向微生物丰度渐减、生物量分布不均的问题，能在低成本条件下提高生物量和二氧化碳转化效率，为二氧化碳资源化提供一种有效途径。
[0078]
对于本技术领域的普通技术人员来说，在上述原理的基础上，还可以对本发明方法做出若干改变和改进，这些改变和改进也应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置，其特征在于，包括腔室，所述腔室自上至下划分为依次的气相反应区(1)、液相反应区(2)和气相扩散区(3)，所述气相反应区(1)与液相反应区(2)中装填有多孔生物膜载体(4)，所述气相扩散区(3)与所述液相反应区(2)之间设置有微孔板(12)，所述气相反应区(1)的上部设置上取样口(13)，下部设置下取样口(15)；所述液相反应区(2)与缓冲瓶(7)形成回路，所述缓冲瓶(7)储存有污泥和营养液的混合液，所述回路被配置为控制混合液流量使得所述气相反应区(1)的多孔生物膜载体(4)处于浸泡和沥干交替状态；在沥干状态，氢气与二氧化碳的混合气体被配置为上流式进气模式和下流式进气模式；所述上流式进气模式，混合气体经所述气相扩散区(3)和液相反应区(2)进入气相反应区(1)，由嗜氢型产甲烷菌进行生物转化，出气通过上取样口(13)收集；所述下流式进气模式，混合气体经所述上取样口(13)进入气相反应区(1)，由嗜氢型产甲烷菌进行生物转化，出气通过下取样口(15)收集。2.根据权利要求1所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置，其特征在于，所述多孔生物膜载体(4)为具有吸附能力的载炭海绵颗粒，填充率为80-100％，其表面和内部孔隙中附着具有活性的嗜氢型产甲烷菌。3.根据权利要求1所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置，其特征在于，所述气相扩散区(3)占腔室总容积的5-10％，气相反应区(1)占腔室总容积的65-70％，液相反应区(2)占腔室总容积的20-30％。4.根据权利要求1所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置，其特征在于，所述回路上设置蠕动泵(5)，通过调整所述蠕动泵(5)的方向以及流量，控制所述气相反应区(1)中的混合液液量，以及所述回路的循环；所述混合气体的供气管路(11)上设置质量流量控制器(9)和气路阀(10)。5.一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，基于权利要求1至4任一权利要求所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置实现，其特征在于，包括培养阶段和正常运行阶段；所述培养阶段包括：步骤1.1，将所述混合液泵入液相反应区(2)和气相反应区(1)，直至浸没生物膜载体(4)，生物膜载体(4)在混合液中持续浸泡，之后将气相反应区(1)中的全部混合液排出，维持液相反应区(2)始终浸没在混合液中；步骤1.2，调整混合液流量，使得所述混合液在所述回路中循环流动；步骤1.3，将所述混合气体送入气相扩散区(3)，经微孔板(12)通过液相反应区(2)，最终以上流式进入气相反应区(1)，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，出气通过上取样口(13)收集，随后停止供气；步骤1.4，重复步骤1.1到步骤1.3，待多孔生物膜载体(4)上的生物膜已具备符合要求的嗜氢型二氧化碳甲烷化效果后，完成上流式培养阶段；步骤1.5，将所述混合气体通过上取样口(13)以下流式送入气相反应区(1)，由嗜氢型产甲烷菌对混合气体进行生物转化，过程中的出气通过下取样口(15)收集，随后停止供气；步骤1.6，重复步骤1.1、步骤1.2和步骤1.5，待可实现高效嗜氢型二氧化碳甲烷化，即二氧化碳转化效率可稳定维持在80％-90％时，完成下流式培养阶段；
所述正常运行阶段包括：所述步骤1.1、所述步骤1.2、所述步骤1.3和所述步骤1.5的循环，处于静止沥干状态的生物膜将氢气、二氧化碳转化为甲烷和水，直至二氧化碳转化效率稳定维持在95％以上。6.根据权利要求5所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，其特征在于，所述培养阶段和正常运行阶段，装置内维持厌氧恒温环境，反应温度为35-37℃，腔室内表压为0-5bar。7.根据权利要求5所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，其特征在于，所述步骤1.1，生物膜载体(4)在混合液中持续浸泡30-60min；所述步骤1.3，在上流式培养阶段，干式生物甲烷化模式持续1-5天，在正常运行阶段，上流式干式生物甲烷化模式持续1-3天；所述步骤1.5，在下流式培养阶段，干式生物甲烷化模式持续1-5天，在正常运行阶段，下流式干式生物甲烷化模式持续1-3天，所述步骤1.4，装置空床停留时间达到30-40min后，完成上流式培养阶段；所述步骤1.6，装置空床停留时间达到10-20min后，完成下流式培养阶段。8.根据权利要求5所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，其特征在于，所述步骤1.1为生物膜载体湿式浸泡模式，所述步骤1.2～步骤1.3和步骤1.5均为干式生物甲烷化模式；所述步骤1.1、步骤1.2和步骤1.3构成上流式培养阶段，步骤1.1、步骤1.2和步骤1.5构成下流式培养阶段；所述上流式培养阶段和下流式培养阶段，72
±
2小时为一个浸泡周期，其中生物膜载体湿式浸泡模式保持1h，剩余时间为干式生物甲烷化模式；所述正常运行阶段，96
±
2小时为一个浸泡周期，且一个浸泡周期内，生物膜载体湿式浸泡模式保持1h，剩余时间内，步骤1.3和步骤1.5等时间运行。9.根据权利要求5或6或7所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，其特征在于，所述正常运行阶段的上流式供气的时间和所述下流式供气的时间相同。10.根据权利要求5或6或7所述双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的方法，其特征在于，所述混合气体中氢气和二氧化碳的体积比为3：1-5：1；所述混合气体中的二氧化碳作为微生物的唯一碳源，营养液组分中不包含碳源。

技术总结
一种双向流嗜氢型二氧化碳甲烷化的装置与方法，包括培养、正常运行两个阶段，两阶段均包括干式生物甲烷化模式和生物膜载体湿式浸泡模式。在培养阶段的干式生物甲烷化模式下，先采用上流式进气方式培养，再改为下流式进气方式培养，正常运行阶段氢气、二氧化碳的混合气体从装置两端以上、下流式交替通入气相反应区，处于静止沥干状态的生物膜将氢气、二氧化碳转化为甲烷和水。生物膜载体湿式浸泡模式，多孔生物膜载体在营养液中浸泡使其孔隙和附着于其表面中微生物获得营养元素，促进微生物生长繁殖。本发明能在低成本条件下提高生物量和二氧化碳转化效率，为二氧化碳资源化提供一种有效途径。种有效途径。种有效途径。


技术研发人员：张佳音 王建城 徐恒 赵敏楠 寇清爽 温铭 张鑫宇
受保护的技术使用者：滨州魏桥国科高等技术研究院
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/10/15