一种基于信号反馈自动调节系统的厌氧消化反应器及方法

本发明属于有机固体废物资源化利用，尤其涉及一种信号反馈自动调节系统、基于信号反馈自动调节系统的内置导电转刷耦合微曝气厌氧消化反应器以及该厌氧消化反应器的控制方法。

背景技术：

1、厌氧消化(ad)是一种最初用于处理城市和工业废水的工艺，现已成功地用于生物能源生产，利用各种原料，如污水污泥、城市固体废物、食物垃圾、农业残留物、动物粪便和能源作物。ad工艺的主要优点包括低能耗，固存温室气体，最重要的是，它能够处理各种有机废物，同时产生可再生能源。

2、然而ad技术运行时(特别是处理顽固的木质纤维素生物质时)消化率缓慢，是沼气产量低的主要原因之一。为了克服这一限制，消化器通常使用具有高总固体(ts)含量的底物在高有机负荷率(olr)下运行。然而，在高有机负荷率(olr)下由于挥发性脂肪酸(vfa)(主要是乙酸、丙酸和丁酸)的积累，消化器容易失效，该问题由发酵产酸菌、合养产酸菌和产甲烷菌之间的动力学和能量失衡引起。

3、ad是由多种微生物之间复杂的合作相互作用实现的。它的成功需要细菌和产甲烷菌之间的共生关系保持平衡。以能量为目的的电子交换通常通过可溶化合物(如氢或甲酸盐)的转移来实现的，这些化合物充当电子穿梭体。以能量为目的的电子交换只有在氢分压保持较低的情况下才在热力学上可行，即它被产氢甲烷菌消耗，这种电子传递过程称为间接种间电子传递。厌氧消化中产酸过程和产甲烷过程间的电子转移过渡存在限速过程导致厌氧消化速率缓慢。自动ad过程控制系统，使过程快速稳定监督和控制。首先，密切监测对工艺干扰敏感的工艺参数/指标，如ph值、沼气产量。然后将监测数据发送到控制系统，通过添加化学品来控制ph值或使用各种过程控制系统调节进料速率，从而将这些参数调节在所需的范围内。停止或降低底物进料速率可以使ad过程中的微生物消耗反应器中积累的代谢物和未消化的底物，慢慢克服有机超载状况。

4、然而，停止底物进料会导致需要消化的原料堆积，也会减少与沼气应用相关的利润。为解决厌氧消化反应过程速率慢，运行不稳定的缺点，研究人员通过添加导电材料如铁粉、铁矿石、生物炭等，通过种间直接电子传递加快厌氧消化反应速率。然而，上述添加剂可能会随着出水流失，另一方面微生物的生长附着也会使添加剂失效。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种信号反馈自动调节系统、基于信号反馈自动调节系统的内置导电转刷耦合微曝气厌氧消化反应器、以及该厌氧消化反应器的控制方法。

2、这种信号反馈自动调节系统，包括：控制单元、加热单元、导电转刷单元、传感器单元和曝气单元；其中，控制单元电连接加热单元、导电转刷单元、传感器单元和曝气单元；

3、传感器单元，用于接收控制单元发来的控制指令，检测反应器内部环境，收集的反应器的内部参数；

4、控制单元，用于接收传感器单元发来的反应器内部参数，用于控制曝气单元内的厌氧消化状态，用于控制加热单元的工作、用于控制导电转刷单元的工作；

5、加热单元，用于接收控制单元发来的控制指令，并根据该控制指令调节加热功率；

6、导电转刷单元，用于接收控制单元发来的控制指令，并根据该控制指令，控制自身内部搅拌机构的搅拌速度，同时进行微生物种间电子的直接传递，且不会随出水流失；

7、曝气单元，用于接收控制单元发来的控制指令，并根据该控制指令调整曝气速率进而调整厌氧消化状态。

8、作为优选：

9、曝气单元包括曝气泵、电磁阀和导气管路；曝气泵设置于导气管路上，电磁阀电连接曝气泵；

10、导电转刷单元包括电机、齿轮传动机构、导电转刷和曝气头；电机用于驱动齿轮传动机构转动，齿轮传动机构用于带动导电转刷同轴转动；

11、控制单元为控制柜，控制柜包括数据采集模块、控制模块和上位机；传感器单元包括orp传感器、ph传感器和温度传感器；orp传感器、ph传感器和温度传感器均电连接控制柜内的数据采集模块的输入端(采集反应器内部温度、ph和orp数据并传输至控制柜)，数据采集模块的输出端通过上位机电连接控制模块输入端，控制模块输出端电连接加热单元、曝气单元内的电磁阀、导电转刷单元内的电机；控制模块用于控制加热单元的启停及加热功率，用于控制电磁阀的启停及开合度，还用于控制电机的启停及转速。

12、这种信号反馈自动调节系统的内置导电转刷耦合微曝气厌氧消化反应器，厌氧消化反应器包括反应器罐体、曝气单元、加热单元、传感器单元、控制单元、导电转刷单元和进出口单元；

13、导电转刷单元内：导电转刷整体置于反应器罐体内；导电转刷中心为竖轴，所述竖轴为中空管；所述竖轴的上部连通曝气单元内的导气管路；所述竖轴的中部及下部间隔交错连接多根横轴中每根横轴的一端，横轴均为中空管，多根横轴中每根横轴的另一端分别对应连接各自的曝气头；曝气单元内的导气管路、竖轴与每根横轴之间均形成导通的气路；

14、电机的转动轴连接齿轮传动机构，齿轮传动机构固定套接导电转刷的竖轴上部；

15、传感器单元设于厌氧消化反应器的内部；

16、进出口单元用于进料、出料和集气。

17、作为优选：加热单元为环绕反应器罐体内壁的加热圈(加热圈由控制柜控制加热功率)；传感器单元内的orp传感器、ph传感器和温度传感器均安装于反应器罐体内部。

18、作为优选：进出口单元包括进料口、出料口和集气口；进料口位于反应器罐体底部，出料口位于反应器罐体中上部，保证物料与微生物有充足的接触提高反应时间，避免微生物随出水流失；集气口位于反应器罐体顶部，便于收集整个反应器罐体内部的气。

19、作为优选：进料口和出料口分别位于反应器罐体的两侧。

20、作为优选：导电转刷为不锈钢材质。

21、作为优选：反应器罐体上部为球型顶部的一部分，反应器罐体下部为圆桶状。

22、这种厌氧消化反应器的控制方法，包括以下步骤：

23、传感器单元检测反应器内部环境，收集的反应器的内部参数，并将内部参数发送至控制柜，控制柜对内部参数进行分析；

24、控制柜根据对接收到的内部参数分析的结果，控制加热单元的加热功率、调整电磁阀的开合度，调整电机的转速，令反应器内部环境的环境介质氧化还原电位值保持在-200mv至-400mv范围内，ph值保持在6.5～7.4范围内，温度值保持在35±5℃内。

25、作为优选，所述步骤具体为：

26、传感器单元内的orp传感器、ph传感器、温度传感器工作，检测并收集反应器内部环境的环境介质氧化还原电位值、ph值和温度值，并将环境介质氧化还原电位值、ph值和温度值发送至控制柜内的数据采集模块的输入端，数据采集模块输出端将环境介质氧化还原电位值(orp值)、ph值和温度值通过上位机发送给控制柜内的控制模块，控制模块对其进行分析；

27、当温度值未处于35±5℃范围内时，控制模块输出控制信号至加热单元的加热圈，适应性调整加热圈的加热功率，对反应器内部容质进行升温或降温，令反应器内的温度值处于35±5℃范围内；

28、当环境介质氧化还原电位值未处于-200mv至-400mv范围内，和/或ph值未处于6.5～7.4范围内时，控制模块判定消化过程存在挥发性脂肪酸的积累，并且氧气含量超标；控制模块输出控制信号至曝气单元内的电磁阀和导电转刷单元内的电机，调整电磁阀的开合度，保持电机的转速在50～100转/分钟内，令反应器内的环境介质氧化还原电位值处于-250mv至-350mv之间(通过间歇注入少量氧气(微曝气)来提高消化池的稳定性，微曝气在ad过程中的有益作用是由于兼性细菌的多样性和活性的增加，促进水解、发酵和硫化物氧化)，且ph值处于6.8～7.2之间。

29、本发明的有益效果是：

30、本发明设计的厌氧消化反应器，设有内置的导电转刷：用于搅拌反应器内部物料，使反应器内部物料均质；用于为厌氧消化过程所使用的产酸发酵菌和产甲烷菌等微生物提供生长附着平台；用于诱导厌氧消化体系建立产甲烷菌和互营微生物之间的直接种间电子传递过程来实现甲烷生产，强化产甲烷效率，为厌氧消化过程提供多种电子传递路径；还用于保证反应器内的温度、浓度、微生物量等达到一个相对稳定平衡的状态。

31、本发明的导电转刷的竖轴为中空管，竖轴上部与曝气单元的导气管路相通，竖轴下部贯穿反应器罐体，竖轴下部嵌有一定数量的横管，横管为中空管，横管外侧连接曝气头；因此，反应器内置的导电转刷与曝气系统相通，可通过导电转刷横管上的曝气头向反应器内间歇曝气，实现反应器内的微好氧环境，为产酸发酵菌和产甲烷菌等兼性微生物的快速生长提供了适宜的微环境，从而加速了厌氧消化反应器底物的水解和挥发性脂肪酸的产生。

32、本发明的进料口位于反应器底部，出料口位于反应器中上部，从而保证物料与微生物有充足的接触提高反应时间，避免微生物随出水流失。

33、本发明还设有内置的orp传感器、ph传感器和温度传感器，用于实时监测反应器内的状态，将信号反馈至控制柜，然后控制柜根据反应器内环境的状况自动调节加热圈功率、电磁阀开合度以及电机功率，使反应器内的ph在6.5～7.4，温度在35±5℃，orp在-200到-400mv范围内实现厌氧环境的精准控制，保证厌氧消化反应器的稳定运行；通过内置多种传感器监测厌氧消化过程状态，可实现运行过程的自动调节。