Биореактор проточного типа для анаэробной обработки органических отходов животного и растительного происхождения с получением органических удобрений и биогаза
BIOREACTOR OF FLOW TYPE FOR ANAEROBIC TREATMENT OF ORGANIC WASTES OF ANIMAL AND VEGETABLE ORIGIN WITH PRODUCTION OF ORGANIC FERTILIZERS AND BIOGAS

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для анаэробной переработки органических отходов животного и растительного происхождения с получением органических удобрений и производства биогаза в биореакторах с неподвижными носителями микроорганизмов.
Для интенсификации процесса массообмена между анаэробными микроорганизмами и биомассой необходимо выполнение целого ряда условий, среди которых важнейшими являются увеличение количества микроорганизмов в объеме биореактора, эффективное перемешивание биомассы для улучшения контакта микроорганизмов с частицами биомассы и стабильное поддержание температуры биомассы.
Увеличение количества микроорганизмов в известном патенте на изобретение RU 2377191, МПК C02F 3/00, опубл. 27.12.2009 (конвенционный приоритет: 29.10.2003 DE 10350502.4), обеспечивается за счет иммобилизации микроорганизмов в неподвижном слое, который выполнен в виде расположенных параллельно несущих элементов, находящихся в средней части биореактора. Несущие элементы выполнены в виде плит и расположены параллельно, так что между этими несущими элементами в вертикальном направлении имеются пути протекания.
Несущие элементы выполнены пористыми для протекания и из материала, образованного, по существу, соединенными между собой полимерными и керамзитовыми частицами. Плиты расположены друг от друга на расстоянии 3-6 см, в частности предпочтительно расстояние в 3,5-5,5 см. Несущие элементы расположены, если смотреть сверху на поперечное сечение реактора, тангенциально в пакетах, образующих сегменты шестиугольника. Другие расположения также возможны, например расположения прямоугольных пакетов, пакетов с основной формой многоугольника или расположения с криволинейными плитами. На несущих элементах при работе реактора происходит обрастание микроорганизмами.
Доля объема биореактора, занятая несущими элементами с микроорганизмами, в биореакторе по патенту RU 2377191 составляет 15-40%, что снижает его производительность.
Известны устройства для механического перемешиванием биомассы, которые обеспечивают повышение эффективности сбраживания биомассы в биореакторах, см., например, RU 2664457 С1, МПК C02F 11/04, С12М1/02, С12М 1/107, С12М 1/38, опубл. 17.08.2018; RU 2651940 C1, C12M 1/02, C12M 1/107, C12M 1/36, C02F 11/04, опубл. 24.04.2018. Однако механическое перемешивание не может быть использовано с биореакторах с неподвижными носителями микроорганизмов.
Известны также устройства для регулировки температуры биомассы. Так в биореакторе по патенту на полезную модель RU 118963 U1, МПК С12М 1/00, опубл. 10.08.2012, устройство для прогрева биомассы содержит теплообменник, выполненный в виде системы труб, размещенной внутри корпуса биореактора, что уменьшает полезный объем биореактора.
Известен биореактор проточного типа, входящий в состав биогазовой установки по патенту RU 2595426, МПК С12М 1/107, С12М 1/36, C02F 11/04, опубл. 27.08.2016, принятый в качестве прототипа, который содержит заселенные микроорганизмами несущие элементы, создающие вертикальные протоки для биомассы. Несущие элементы выполнены в виде коаксиально расположенных цилиндрических каркасов, на наружной и/или внутренней поверхности которых установлен слой материала с пористой структурой для удерживания анаэробных микроорганизмов. Цилиндрические каркасы поддерживаются на расстоянии друг от друга 3-6 см с помощью распорных стержней. Температурный режим работы в биореакторах обеспечивается подачей биомассы, подогретой до заданной температуры и выполнением биореакторов с термоизоляцией, что не обеспечивает стабильности поддержания заданной температуры биомассы и ухудшает качество переработки сырья. Кроме того, конструкция несущих элементов в виде коаксиально расположенных цилиндрических каркасов не обеспечивает качественное перемешивание биомассы.
В основу настоящего изобретения положена задача создания биореактора проточного типа, обеспечивающего повышение производительности и качества переработки биомассы.
Указанная задача решается тем, что в биореакторе проточного типа, содержащем вертикальный трубчатый теплоизолированный корпус, выходной патрубок, крышку, снабженную входным патрубком, патрубком выхода биогаза и колбой термометра, и заселенный микроорганизмами биофильтр, согласно изобретению, корпус снабжен контуром отопления, на крышке биореактора дополнительно установлен подключенный к входному патрубку распределительный узел и патрубки подвода и отвода теплообменника, который выполнен в виде набора последовательно подключенных соединителями вертикальных трубок, размещенных внутри корпуса на равном расстоянии относительно продольной оси и друг от друга и жестко закрепленных в местах прохода через крышку, при этом биофильтр выполнен из вертикально ориентированных элементов трубчатой формы из полимерного материала с микропористой структурой, обеспечивающей сквозное проникновение микроорганизмов, и содержит центральные и боковые основные модули, а также дополнительные модули, заполняющие промежутки между основными модулями и корпусом, при этом элементы основных модулей сгруппированы в горизонтальной плоскости кольцеобразно и скреплены между собой по продольным поверхностям, центральные основные модули закреплены на трубке крепления, расположенной по продольной оси корпуса и жестко связанной с распределительным узлом, а боковые основные модули закреплены на вертикальных трубках теплообменника, элементы дополнительных модулей скреплены между собой по продольным поверхностям и закреплены на внутренней поверхности корпуса, по вертикали модули расположены слоями с зазором между ними, при этом элементы, расположенные в соответствующих смежных слоях, смещены в горизонтальной плоскости с возможностью образования вертикальных парциальных каналов.
Задача решается также тем, что:
для образования парциальных каналов основные модули в смежных слоях последовательно повернуты на угол 22,5°;
для образования парциальных каналов элементы дополнительных модулей в смежных слоях смещены на половину наружного диаметра элемента;
распределительный узел биомассы содержит соединенную с входным патрубком распределительную камеру, к которых подключены лейки, выполненные в виде трубок с отверстиями, направленными в сторону крышки.
Обеспечение повышения производительности и качества переработки биомассы достигается увеличением количества микроорганизмов в биофильтре, улучшением перемешивания биомассы в объеме биореактора и поддержанием постоянной температуры биомассы.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает общий вид биореактора;
фиг. 2 изображает вид сверху на элементы биофильтра (сечение А-А на фиг. 1);
фиг. 3 изображает вид снизу на лейки распределительного узла (сечение Б-Б на фиг. 1);
фиг. 4 изображает внутренний вид биореактора (сечение В-В на фиг. 1);
фиг. 5 изображает вид сверху на смежные по высоте основные модули биофильтра;
фиг. 6 изображает вид сверху на смежные по высоте дополнительные модули биофильтра (увеличенное изображение участка Г на фиг. 2);
фиг. 7 изображает вид сбоку на смежные по высоте дополнительные модули (сечение Д-Д на фиг. 6)
Биореактор 1 проточного типа содержит вертикальный трубчатый корпус 2 с выходным патрубком 3, крышку 4 с входным патрубком 5, патрубком 6 выхода биогаза, патрубком 7 подвода и патрубком 8 отвода теплообменника 9, подключенный к входному патрубку 5 распределительный узел 10, и колбу 11 термометра. Обогрев корпуса выполнен с помощью контура обогрева 12, в качестве которого может быть использован водяной, электрический или комбинированный контур обогрева. Теплоизоляция биореактора обеспечивается с помощью утеплителя 13, установленного на корпусе, и утеплителя 14, расположенного на крышке, которые защищены кожухом 15 и 16, соответственно.
Распределительный узел 10 предназначен для равномерного распределения поступающей биомассы по поверхности биофильтра и может быть выполнен, например, в виде соединенной с входным патрубком 5 распределительной камеры 17, к которой подключены лейки 18, выполненные в виде трубок с отверстиями, направленными в сторону крышки 4.
По продольной оси корпуса расположена трубка 19 крепления, которая жестко связана с распределительным узлом и предназначена для удержания модулей биофильтра.
Теплообменник 9 предназначен для поддержания заданной температуры биомассы во внутреннем объеме биореактора и выполнен в виде набора последовательно подключенных соединителями 20 вертикальных трубок 21, размещенных внутри корпуса на равном расстоянии относительно продольной оси и друг от друга и жестко закрепленных в местах прохода через крышку. Количество вертикальных трубок теплообменника и расстояние между ними выбирают из условия наиболее полного заполнения модулями биофильтра объема биореактора. На чертежах изображен вариант теплообменника с шестью теплообменными вертикальными трубками 21.
Внутри корпуса 2 расположен биофильтр 22, который состоит из вертикально ориентированных элементов трубчатой формы, сгруппированных в модули. Биофильтр содержит центральные и боковые основные модули 23, а также дополнительные модули 24, заполняющие промежутки между боковыми основными модулями и корпусом. Элементы основных модулей (см. фиг. 2) сгруппированы в горизонтальной плоскости кольцеобразно и скреплены между собой по продольным поверхностям. Центральные основные модули закреплены на трубке 19 крепления, а боковые основные модули закреплены на вертикальных трубках 21 теплообменника. Элементы дополнительных модулей 24 скреплены между собой по продольным поверхностям и закреплены на внутренней поверхности корпуса 2. По вертикали модули расположены слоями с зазором Δ между ними, при этом элементы, расположенные в соответствующих смежных слоях, смещены в горизонтальной плоскости с возможностью образования вертикальных парциальных каналов.
Для образования парциальных каналов основные модули 23 в смежных слоях устанавливают с последовательным поворотом. Такое взаимное положение модулей обеспечивает смещение элементов основных модулей, расположенных в смежных слоях (на фиг. 5 показаны три смежных слоя 25, 26 и 27), что приводит к образованию парциальных каналов 28 в основных модулях. Предпочтительным является поворот на угол 22,5°, что обеспечивает большее количество парциальных каналов.
Элементы дополнительных модулей 24 в смежных слоях 29 и 30 устанавливают со смещением на половину наружного диаметра элемента, что приводит к образованию парциальных каналов 31 в дополнительных модулях (см. фиг. 6).
Диаметры элементов основных и дополнительных модулей 23 и 24 могут быть как одинаковыми, так и различаться. На фиг. 2 изображены элементы дополнительных модулей 25 с меньшим диаметром, что в приведенном варианте биофильтра обеспечивает более полное заполнение промежутков между основными модулями 23 и корпусом 2.
Форма поперечного сечения элементов может быть и другой, например, квадратной или эллиптической.
Элементы модулей выполняют из полимерного материала толщиной 5-10 мм с микропористой структурой, поры которого приспособлены для заселения микроорганизмами, например из полиэтилена низкого давления. Заселение микроорганизмов как на поверхности, так и в порах глубинных слоев элементов модуля приводит к увеличению их количества, что ускоряет процесс анаэробной переработки биомассы.
Основные модули биофильтра, установленные на трубке 19 крепления и на вертикальных трубках 21 теплообменника, представляют собой прочную конструкцию, закрепленную на крышке биореактора. При необходимости технического обслуживания основные модулями биофильтра вынимаются с подъемом крышки.
Биореактор проточного типа работает следующим образом.
Подготовленная подогретая биомасса подается сверху через входной патрубок 3 и с помощью распределительного узла 10 равномерно распределяется по всей поверхности верхних модулей биофильтра 22. В каждом модуле биомасса движется через протоки, образованные элементами модуля первого слоя, и через зазор между модулем первого и второго слоя попадает в элементы модуля второго слоя, расположенные со смещения в горизонтальной плоскости. При этом происходит пассивное перемешивание биомассы как в зазоре между модулями, так и за счет разделения каждого потока биомассы, прошедшего через протоки, образованные элементами модуля первого слоя, на парциальные потоки, образующиеся за счет осевого смещения элементов модуля второго слоя. Последующее перемешивание биомассы в нижележащих модулях происходит аналогичным образом. При этом, чем больше количество слоев модулей, тем качественнее перемешивание.
Для обеспечения слива переработанной биомассы днище внутри корпуса имеет корытообразную форму, которая создается двумя сегментами 32.
Температурный режим работы в биореакторе обеспечивается поддержанием температуры теплоизолированного корпуса биореактора с помощью контура обогрева, подачей подогретой биомассы в биореактор и регулировкой температуры биомассы внутри биореактора путем автоматической регулировки температуры теплоносителя в теплообменнике по данным датчика температуры, установленного в колбе 11.
Теплоноситель теплообменника, в качестве которого может быть использована подогретая жидкость, например, вода или этиленгликоль, циркулирует по вертикальным трубкам и нагревает закрепленные на них элементы основных модулей, тепло от которых передается парциальным потокам биомассы, протекающим через элементы. Нагревание элементов дополнительных модулей и проходящих через них парциальных потоков биомассы обеспечивается за счет передачи тепла элементам от участков корпуса, на которых они закреплены.
Увеличенное количества микроорганизмов в биофильтре, улучшенное перемешивание биомассы в объеме биореактора и поддержание постоянной температуры биомассы обеспечивают ускорение процесса анаэробной переработки биомассы и повышают производительность биореактора.
3
Наибольшее применение предлагаемый биореактор проточного типа может найти в биогазовых установках малой мощности с переработкой до 30 м биомассы в сутки.