АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ФЕРМЕНТИРОВАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ
APPARATUS FOR PROCESSING FERMENTED ORGANIC SUBSTRATES

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для обработки органических субстратов, таких как: бесподстилочный навоз, осадки и илы сооружений для механо-биологической очистки хозяйственных и некоторых видов производственных сточных вод после проведения анаэробной ферментации в анаэробных биореакторах-метантенках с целью получения стабилизированного и обеззараженного продукта - эффлюента, а также биогаза с содержанием горючего газа - метана - до 60-75%.
Более конкретно, предлагаемое изобретение является разновидностью сооружений для уплотнения и дегазации эффлюента перед его дальнейшей обработкой (например, более глубоким механическим обезвоживанием на центрифугах, прессах и фильтрах, или сушилкой) или депонированием на иловых площадках.
Снижение относительной влажности удаляемого из сооружений осадка, а также концентрации взвешенных веществ в надосадочной жидкости позволяет сократить приведенные затраты на последующих стадиях обработки осадка, снизить затраты энергии на обработку надосадочной жидкости в сооружениях биологической очистки.
Известны устройства такого назначения. Наиболее известными широко применяющимися на практике являются сооружения н основе отстойника-уплотнителя и камеры смешивания ферментированного осадка с очищенной сточной водой, которая выполняет функции промывной жидкости. Промывка позволяет удалить из эффлюента значительную часть мелкодисперсных и коллоидных частиц, снизить его щелочность, что на последующей стадии осаждения и уплотнения обеспечивает снижение влажности с 96,8 до 94,5-96% (Туровский И.С. «Обработка осадкой сточных вод», Москва, Стройиздат, 1988, с.43-45, 239).
Основными недостатками таких сооружений являются значительный объем отстойника-уплотнителя, что обуславливается продолжительностью обработки, до 10-12 часов), и высокая концентрация взвешенных веществ в сливной жидкости (2-4 г/л), что приводит к необходимости применять специальные устройства для ее очистки перед подачей на сооружения биологической очистки.
Частично указанные недостатки устранены в устройстве, представляющем собой вторичный отстойник и выполняющем функции уплотнителя и накопителя эффлюента (Экологическая биотехнология», под ред. Форстера К.Ф. и Вейза Д.А., Ленинград, Химия, 1990, с.63, 64). Необходимая степень уплотнения эффлюента достигается за счет низкой удельной нагрузки на объем сооружения. В то же время, достичь необходимого качества сливной воды, а также снизить габариты сооружения невозможно из-за остаточного газовыделения в уплотняемой массе. Известны следующие методы снижения метаболической активности анаэробных микроорганизмов в осадочной части: флотация, вакуумирование, охлаждение, продувка воздухом. Наибольший эффект по снижению остаточного газовыделения и, следовательно, повышению объемной нагрузки на сооружения дают охлаждение биомассы (температурный шок), отдувка воздухом и вакуумирование надосадочного пространства сооружения (там же, стр.70-71).
Основными недостатками данных технических решений являются потери ценного в агротехническом отношении аммонийного азота в процессе продувки воздухом и вакуумирования, низкие коэффициенты массопередачи между воздухом и аэрируемой средой в больших объемах, значительные затраты энергии на создание искусственного холода.
В значительной степени данные недостатки устранены в пленочном аппарате, в котором интенсификация процессов дегазации и охлаждения ферментированного субстрата осуществляется посредством организации пленочного гравитационного течения эффлюента по вертикальной стенке в условиях вакуумирования. При этом обеспечиваются максимальный контакт анаэробной микрофлоры с ингибирующим процесс газогенерации агентом-воздухом, а также охлаждение биомассы за счет испарения части влаги с поверхности стекающей пленки (Nähle С «The contact process for the anaerobic treatment of wastewater technology, design and experiences», Water science and technology, V.24, №8, 1991).
Основным недостатком данного технического решения является незначительная степень охлаждения биомассы в сравнении с машинными методами охлаждения, потери тепловой энергии с удаляемым эффлюентом и потери аммонийного азота.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа.
В результате использования предлагаемого изобретения достигается более глубокое охлаждение эффлюента и, тем самым, практически полное прекращение газовыделения. Отводимая при этом тепловая энергия после термодинамической трансформации используется для нагрева исходного субстрата, что позволяет увеличить долю товарного биогаза. Основная часть содержащегося в эффлюенте аммонийного азота (до 60%) рекуперируется для последующего агротехнического использования. Степень уплотнения эффлюента дополнительно увеличивается за счет полного подавления остаточного газовыделения в зоне отстаивания.
Данный технический результат достигается тем, что аппарат для обработки ферментированных органических субстратов состоит из вертикального корпуса с патрубками для отвода газообразных продуктов и обработанного ферментированного субстрата. Внутри корпуса размещен коаксиально корпусу пленочный испаритель-дегазатор с полой стенкой. Патрубок для подвода эффлюента находится в донной части. Патрубок для отвода газообразных продуктов связан с вакуумным насосом. Дополнительно предусмотрен компрессор, нагнетательная часть которого подключена к распределителю для подвода сжатого воздуха в донной части. Нижняя часть корпуса выполнена в виде двухъярусного отстойника, осадочная часть которого снабжена охлаждающим теплообменным регистром-испарителем теплового насоса. Конденсатор теплового насоса размещен в баке-аккумуляторе, который посредством циркуляционного контура связан с теплообменным аппаратом-нагревателем исходного субстрата.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена конструктивная схема устройства.
Устройство состоит из вертикального герметичного корпуса 1, внутри которого размещен вертикальный пленочный испаритель-дегазатор 2.
В верхней части корпуса 1 предусмотрен патрубок 3 для отвода газообразных продуктов, связанный газопроводом 4 с вакуум-насосом 5. Корпус 1 снабжен теплоизоляцией 6. В верхней части пленочного испарителя-дегазатора 2 размещено распределительное устройство 7, предназначенное для формирования пленки обрабатываемого субстрата. Конструктивно пленочный испаритель-дегазатор 2 представляет собой тонкостенную трубу с полой стенкой 8, внутрь которой может подаваться теплоноситель или хладоноситель. С этой целью предусматриваются патрубки 9 и 10. Нагнетательная часть вакуум-насоса 5 подключена к поглотителю паров аммиака 11 известного типа. Поглощающее аммиак вещество может быть жидким или твердым, с пористой структурой (например, сухой ферментированный субстрат).
В нижней части корпуса 1 размещается двухъярусный отстойник 12, состоящий из цилиндро-конического днища 13, лотков 14 и 15 с разрезными днищами 16 и 17 и газоотводящими каналами 18 и 19. Патрубок 20 предназначен для отведения уплотненного осадка (ферментированного субстрата), патрубок 21 - для осветленной надосадочной жидкости. Теплообменный регистр-испаритель 22 теплового насоса 23 размещен по крайней мере частично в осадочной части 24 двухъярусного отстойника 12. Тепловой насос 23 снабжен конденсатором 25, который размещен в баке-аккумуляторе 26. Теплообменный регистр-испаритель 22, полая стенка 8 конденсатора 25 связаны с компрессором 27 теплового насоса 23 посредством многоходового распределителя потоков 28 с возможностью их реверсирования. Бак-аккумулятор 26 посредством циркуляционного контура 29 связан с теплообменным аппаратом-нагревателем исходного субстрата 30. В донной части 31 внутренней полости пленочного испарителя-дегазатора 2 предусмотрен патрубок 32 для подвода эффлюента, а также распределитель 33, подключенный к нагнетательной части компрессора 34.
Устройство работает следующим образом.
Исходный субстрат (эффлюент из метантенков) через патрубок 32 вводится в донную часть пленочного испарителя-дегазатора 2. При движении потока вверх он подвергается нескольким видам физических и физико-химических воздействий: во-первых, аэрации воздухом, подаваемым через распределитель 33 от компрессора 34; во-вторых, охлаждению, которое осуществляется путем теплопередачи от нагретого потока (начальная температура эффлюента 30-50°С) охлаждающему агенту, который подается в полую стенку 7 пленочного испарителя-дегазатора 2 через патрубки 9 и 10. В качестве охлаждающего агента используется низкокипящий хладон, являющийся рабочим телом теплового насоса 23. В процессе обработки потока эффлюента воздухом происходит удаление из него диоксида углерода и метана, что существенно улучшает седиментационные свойства эффлюента. Дополнительно происходит повышение значения рН свыше значений, благоприятных для метаногенеза (рН<8). Повышение рН свыше 8 создает также благоприятные условия для перехода значительной части азота из аммонийной (растворенной) в аммиачную (газообразную) форму. По достижении верхней части пленочного испарителя-дегазатора 2 посредством распределительного устройства 7 происходит формирование пленки эффлюента на поверхности пленочного испарителя-дегазатора 7. По мере стекания пленки происходят следующие процессы, существенно меняющие седиментационные характеристики эффлюента и его газонасыщенность: во-первых, происходит дальнейшее удаление метана и диоксида углерода; во-вторых, удаляется неусвоенный массой эффлюента воздух; в-третьих, происходит удаление паров аммиака; в-четвертых, происходит дальнейшее охлаждение эффлюента; в-пятых, в пленке начинаются процессы аэробного окисления, не разрушенного в метантенке органического вещества.
Охлаждение эффлюента происходит благодаря отводу теплоты к кипящему внутри полой стенки 8 хладону, который через распределитель потоков 28 подводится и отводится в контур теплового насоса 23. Выделяющиеся в процессе обработки эффлюента газы и пары удаляются из корпуса 1 через патрубок 3 и газопровод 4 вакуум-насосом 5 в поглотитель паров аммиака 11 и далее в атмосферу.
Охлажденный и дегазированный эффлюент поступает в лотки 14 и 15, в которых происходит процесс разделения на жидкую и сгущенную фракции. Жидкая фракция отводится на дальнейшую обработку через патрубок 21. Сгущенная фракция через разрезные днища 16 и 17 поступает в осадочную часть 24 днища устройства 13 для последующего уплотнения. Так как метаногенные анаэробные микроорганизмы после аэрации, температурного шока и повышения рН практически полностью прекращают свою метаболическую деятельность, эффекта биофлотации, сопряженного с выносом частиц в жидкую фазу, не происходит.
Таким образом, концентрация твердого вещества в осадке увеличивается не менее чем в два раза, концентрация твердого вещества в жидкой фазе соответственно снижается. Нагрузка на всю осадительно-уплотнительную систему увеличивается, что приводит к снижению объема устройства в целом. Другим положительным эффектом является реконструкция аммонийного азота, обладающего значительной агротехнической ценностью.
Остаточное газовыделение подавляется посредством охлаждения сгущенной фракции, которое реализуется за счет размещения теплообменного регистра-испарителя 22 теплового насоса 23, размещенного в осадочной части 24 устройства. Тепловая энергия, отводимая при кипении хладона в теплообменном регистре-испарителе 22 и полой стенке 8, трансформируется тепловым насосом 23 в высокопотенциальную энергию, используемую для получения теплоносителя - горячей воды в баке аккумулятора 26 с размещенным в нем конденсатором 25 теплового насоса 23. Теплоноситель циркулирует в контуре 29 и используется для нагревания исходного субстрата в теплообменном аппарате 30.
Уплотненный осадок с влажностью не более 95% через патрубок 20 поступает на дальнейшую обработку (сушку, приготовление удобрительных смесей, депонирование и т.п.).