本发明属于生物反应器，尤其涉及一种球形分段进料肠道仿生反应器及其控制方法。
背景技术：
1、随着全球对碳排放、碳减排的日益重视，发展生物质能源将其回收利用已成为一项重要任务。农业废弃物因其富含氮、磷、钾等有机质，被认为是优质的可再生生物资源。利用微生物对其进行厌氧发酵产甲烷、产氢，将发酵剩余物用于有机肥、大棚种植等，是一种助力农业绿色低碳高质量发展的处理方式。
2、目前，使用农业废弃物作为原料进行厌氧发酵时，固液混合在罐内共同发酵。由于微生物发酵产生的气体导致纤维素类物料上浮结壳，使得新加入的物料和罐内原始物料无法充分接触微生物进行反应，导致发酵不充分、产气效率低下。此外，随着物料逐渐堆积，排料口也可能被堵塞，进而影响反应正常进行。
3、因此亟需针对上述物料发酵积累堵塞、固液未分离、进出料不对应导致的数据代表性较差等问题，设计一种高效可靠的生物反应器。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是现有的生物反应器存在沉淀物积累、混合不均、无法筛选固定物料等缺陷，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种球形分段进料肠道仿生反应器及其控制方法。
2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
3、一种球形分段进料肠道仿生反应器，所述仿生反应器包括罐体、仿生肠道装置、进料装置、出料装置和搅拌装置；所述进料装置设置在罐体上端，出料装置设置在罐体下端，仿生肠道装置和搅拌装置设置在罐体内部，所述仿生肠道装置一端连接进料装置，另一端连接出料装置；
4、所述仿生肠道装置包括一条或多条仿生肠道，所述仿生肠道呈镂空管筒结构，在罐体内部螺旋环绕搅拌装置设置；
5、所述球形物料容器呈镂空球体结构，其直径小于仿生肠道装置的内径尺寸，且无法从镂空管筒结构的镂空处脱出；物料放置在球形物料容器内部，通过球形物料容器沿进料装置投入仿生反应器内。
6、本技术设计一种球形分段进料肠道仿生反应器，物料投入进料口后，在仿生肠道内下落的同时，与反应器中的微生物进行反应，反应过程中物料稳定在球形物料容器内，不容易分散，且能够避免与反应器内壁或搅拌器接触积累沉淀，保证良好的固相分离效果；物料通过肠道结构螺旋式下落，配合搅拌装置进行搅拌，有利于提升物料与接种泥中微生物的反应时间以及接触面积，提升反应速率，产生的沼气通过仿生肠道的外壁后进入罐内，并通过浮力溢出，再实现气相分离，极大地提升了反应速率和连续反应效率。
7、进一步的，本技术设计与仿生肠道相匹配的球形物料容器，该装置具备以下几个优势：
8、（1）承载物料，使其顺利在仿生肠道中下落，并且能够实现分段投加物料的功效；
9、传统反应器使用时，会存在前一天反应的物料和第二天反应的物料混淆堆积，并且发酵能力由于物料与发酵液不均而下降等问题，影响实验结果精确性等问题；本技术采用球形物料容器投加物料，不同时间段投加的物料被固定在球形装置内部，不会在反应过程中混淆，能够良好地控制反应进程，保证在物料收集阶段能够精确地对应物料反应时间；
10、通过将秸秆或能源作物等纤维素原料，装入球形物料容器并放入仿生肠道装置内，实现固、液、气三相分离；物料经过球形物料容器以及仿生肠道结构与接种泥中微生物进行反应，所产生气体从镂空位置逸出，能够避免物料在反应过程中团聚或者上浮在仿生肠道某段的问题；（3）仿生肠道结构与球形物料容器的设计相配合，仿生肠道结构固定球形物料容器的运行路径，能够延长球形物料容器在装置中的滑落时间，避免反应不完全的问题。
11、优选的，所述罐体包括反应器罐体，所述反应器罐体中储存接种泥。
12、在机械搅拌的作用下，罐体内的接种泥进行流动，不会在反应过程中因接种泥过粘稠而导致搅拌不动或堵塞仿生肠道装置现象，有利于将接种泥中积累的vfa、游离氨氮搅散，提高微生物活性、降解效率；这些优点共同作用，能够有效保证仿生肠道反应器的发酵过程稳定；另一方面，搅拌能够加速产生的生物气体逸出，实现气体和固液混合区域的分离。
13、优选地，所述仿生肠道呈螺旋状，该形状包括起始段、螺旋段和出口段；
14、所述起始段与进料装置相连接，与水平面的夹角的角度为40-90°；
15、所述螺旋段沿罐体内壁设置，螺旋段下落方向任意处与水平面的夹角为30-60°；
16、所述出口段与出料装置相连接，与水平面的夹角的角度为40-90°。
17、螺旋段靠近罐体内壁布置，可以盘绕一节、一圈或多圈，根据不同生物反应器的高径比和停留时间的需求，满足不同物料降解所需的反应时间。
18、球形物料容器沿起始段进入螺旋段，由于螺旋段的设计，能确保球形物料容器以一定速度下落，避免发生堵塞和卡顿；也能够缓慢下落，控制反应时间，更有利于物料充分反应。再配合搅拌装置，进一步改善了肠道内物料与罐内液体的混合程度，改善了传质与搅拌效果，增加了产气，同时因为仿生肠道的镂空结构，使得产生的气体从镂空位置排出，避免将物料上推现象发生。
19、优选的，所述仿生肠道的材料采用金属或塑料中的至少一种，仿生肠道的内径尺寸为仿生反应器内径的1/10-1/4。
20、更优选的，仿生肠道整体采用镂空设计，能够提高微生物泥与物料的混合表面积。采用金属或塑料镂空材料时，其孔隙率在50%到95%之间。
21、优选的，所述球形物料容器包括半球体外壳、紧固旋钮、卡扣，两个半球体外壳通过紧固旋钮连接，再通过卡扣开关。
22、更优选的，所述螺旋段垂直方向总高度与螺旋段在水平方向形成的圆形投影半径长度比值为2-3，所述螺旋段垂直方向总高度与罐体高度比值为18%-42%。
23、所述球形物料容器的材料采用金属或塑料中的至少一种；所述球形物料容器的直径比仿生肠道管内径尺寸小2-5mm。
24、球形物料容器中的物料能与接种泥充分接触，同时保证良好的固相分离效果，产生的沼气通过镂空处和仿生肠道的外壁后进入罐内后溢出，实现整个反应进程。球形物料容器尺寸小于仿生肠道直径，保证球形物料容器在肠道内的下落过程通畅。
25、优选的，所述进料装置包含一个或多个进料口，所述进料口包括进料导管，所述进料导管呈漏斗形状，具有开口漏斗端和密封端，其中所述密封端连接至所述反应器罐体中接种泥的液位之下，并与仿生肠道相连，所述开口漏斗端开口直径大于球形物料容器的球体直径，开口漏斗端采用金属卡箍与橡胶垫圈密封。
26、该进料装置的设计确保了进料口的有效密封和液位以下位置，以防止沼气泄露，同时允许根据实际反应罐体体积和发酵需求设置多个进料口；进料口采用金属卡箍与橡胶垫圈密封，在进料时打开，常态下密封锁紧，防止沼气泄露。开口漏斗端开口直径大于球形物料容器的球体直径，方便球形物料容器的投加和进入。
27、优选的，所述搅拌装置包括电机、联轴器和搅拌轴，所述电机设置在反应器罐体外侧，通过联轴器与搅拌轴连接，搅拌轴垂直穿过反应器罐体的外壳至罐体内部，所述搅拌轴伸入所述反应器罐体中接种泥的液位之下，所述搅拌轴上设置有一个或多个搅拌桨叶。
28、通过电机带动搅拌轴旋转，加速金属镂空球形物料容器与周围接种泥的混合，提高传热与传质速率，保持微生物群落结构的稳定，促进反应的进行。
29、优选的，所述桨叶叶片表面呈扇形，通过紧固轴套一和紧固轴套二连接在搅拌轴上，紧固轴套一控制桨叶的叶片与水平面的夹角角度，紧固轴套二控制桨叶的叶片高度以及叶片在搅拌轴水平方向的朝向。
30、桨叶的走向、数量、高度均可以在搅拌轴上进行调节，能够适配不同长度和角度的肠道结构，均匀分散局部积累的氨氮和vfa，使搅拌达到更好的效果，保持反应器内微生物群落结构的稳定，避免酸抑制。
31、更优选的，所述搅拌桨叶包括但不限于单螺旋桨叶和/或双螺旋桨叶。
32、优选的，所述进料装置包含一个或多个进料口，所述进料口呈漏斗形状，具有开口漏斗端和密封端，其中所述密封端通过进料导管连接至所述反应器罐体中的液位之下，并通过卡箍与仿生肠道相连，开口漏斗端密封；
33、该进料装置的设计确保了进料口的有效密封和液位以下位置，以防止沼气泄露，同时允许根据实际反应罐体体积和发酵需求设置多个进料口；进料口采用金属卡箍与橡胶垫圈密封，在进料时打开，常态下密封锁紧，防止沼气泄露。
34、优选的，出料装置包括一级排料机构和二级排料机构，一级排料机构和二级排料机构连接通过弯管连接；一级排料机构与仿生肠道相连接，一级排料机构与仿生肠道之间设计有抽拉挡板；
35、优选的，所述出料装置包括出料口和止水阀门。
36、优选的，所述仿生反应器还包含温控系统，所述温控系统包括设置在反应器罐体外侧的水浴夹套；
37、水浴夹套通过热水循环系统加热或冷却，使发酵过程在最佳温度范围内进行，确保微生物的活性和发酵效率。水浴夹套的温度控制精确，可根据发酵需求进行调整，从而提高系统的整体性能。
38、所述反应器罐体上还设置有玻璃视窗和支撑底座。所述玻璃视窗对应接种泥的液面进行设置，方便观察发酵液面的分布以及产气情况。
39、在同一个技术构思下，本技术还提供一种球形分段进料肠道仿生反应器的控制方法，包括以下步骤：
40、（1）向球形分段进料肠道仿生反应器罐体内添加接种泥；
41、（2）将物料放入球形物料容器，并通过进料装置投放入仿生肠道装置内，开启搅拌装置进行搅拌，培养接种泥；
42、（3）接种泥培养完成后，投入球形物料容器，物料与接种泥反应完成后，打开出料装置排出球形物料容器，并收集其中物料。
43、更优选的，所述接种泥在使用前应将过筛网将大于10mm的杂质滤除，接种泥中vs质量比占比为0.7%-3%；
44、优选的，步骤（3）中所述投入物料前，设定有机负荷，按照有机负荷定量投料；步骤（3）中所述排出球形物料容器，仅排出球形物料容器，接种泥保留在仿生反应器中反复使用。
45、更优选的，所述物料为包括纤维素物料、高固畜禽粪污及能源作物等底物。
46、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
47、（1）本发明基于传统的cstr全混合厌氧反应器及工艺，引入肠道仿生技术，并设计肠道与反应器具体连接与执行方式，通过肠道仿生系统实现物料与接种泥的两相分离反应，对生物反应器的结构和运行方式有了新的改进和突破；
48、（2）配合仿生肠道设计球形物料容器，方便反应器进料排料，排出来的物料能够方便收集和检测，并且能够减少物料漂浮在反应器上部导致的反应干扰；肠道结构与球形物料容器相配合，能够满足物料精准的水力停留时间，控制反应进程；
49、（3）本发明仿生肠道装置在实际操作过程中，可确保固体物料与接种泥分离投加的同时能够充分接触，改善传质效果，并且能够将反应产气及时排出；本发明有效提高了厌氧发酵效率和甲烷产量，提供了一种高效、稳定的微生物厌氧发酵解决方案；
50、（4）通过改变肠道布局，可实现对不同物料的降解，通过改变桨叶布局位置，将局部积累的氨氮和vfa均匀分散，使搅拌达到更好的效果，保持反应器内微生物群落结构的稳定，避免酸抑制。
1.一种球形分段进料肠道仿生反应器，其特征在于，所述仿生反应器包括罐体、仿生肠道装置、球形物料容器（4）、进料装置、出料装置和搅拌装置；仿生肠道装置和搅拌装置设置在罐体内部，所述仿生肠道装置一端连接进料装置，另一端连接出料装置；
2.如权利要求1所述的仿生反应器，其特征在于，所述罐体包括反应器罐体（51），所述反应器罐体（51）中储存有接种泥。
3.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述仿生肠道（3）呈螺旋状，所述螺旋状包括起始段、螺旋段和出口段；
4.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述仿生肠道（3）的材料采用金属或塑料中的至少一种，仿生肠道（3）的内径尺寸为仿生反应器内径的1/10-1/4。
5.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述球形物料容器（4）包括半球体外壳（14）、紧固旋钮（16）、卡扣（15），两个半球体外壳（14）通过紧固旋钮（16）连接，再通过卡扣（15）开关。
6.如权利要求5所述的仿生反应器，其特征在于，所述球形物料容器（4）的材料采用金属或塑料中的至少一种；所述球形物料容器（4）的直径比仿生肠道（3）的内径尺寸小2-5mm。
7.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述搅拌装置包括电机（1）、联轴器（8）和搅拌轴（10），所述电机（1）设置在反应器罐体（51）外侧，通过联轴器（8）与搅拌轴（10）连接，搅拌轴（10）垂直穿过反应器罐体（51）的外壳至罐体内部，所述搅拌轴（10）伸入所述反应器罐体（51）中接种泥的液位之下，所述搅拌轴（10）上设置有一个或多个搅拌桨叶（29）。
8.如权利要求7所述的仿生反应器，其特征在于，所述桨叶（29）叶片表面呈扇形，通过紧固轴套一（30）和紧固轴套二（31）连接在搅拌轴（10）上，紧固轴套一（30）控制桨叶（29）的叶片与水平面的夹角角度，紧固轴套二（31）控制桨叶（29）的叶片高度以及叶片在搅拌轴（10）水平方向的朝向。
9.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于所述进料装置包含一个或多个进料口（2），所述进料口（2）呈漏斗形状，具有开口漏斗端和密封端，其中所述密封端通过进料导管（13）连接至所述反应器罐体（51）中接种泥的液位之下，并通过卡箍（21）与仿生肠道（3）相连，开口漏斗端密封；
10.一种球形分段进料肠道仿生反应器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，步骤（3）中所述投入球形物料容器（4）前，设定有机负荷，按照有机负荷定量投料；步骤（3）中所述排出球形物料容器（4），仅排出球形物料容器（4），接种泥保留在仿生反应器中反复使用。
