УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРОБНО-АНАЭРОБНОЙ ОБРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ
DEVICE FOR AEROBIC-ANAEROBIC PROCESSING OF ORGANIC SUBSTRATES

Предлагаемое изобретение относится к области переработки концентрированных органических субстратов - бесподстилочного навоза, помета, осадков локальных очистных сооружений перерабатывающих производств, отходов механо-биологической очистки городских сточных вод - в газообразный энергоноситель - биогаз и стабилизированные обеззараженные продукты - биошламы (эффлюент), которые могут быть использованы при приготовлении удобрений.
Устройство может эффективно функционировать при влажности субстрата 90-96%, и концентрации органического вещества не менее 20 кг/м.
Известны технические решения аналогичного назначения. Достаточно широко применяющиеся на практике метантенки позволяют перерабатывать в биогаз до 40-50% исходного органического вещества упомянутых субстратов. Представленный в книге «Теплицы и тепличные хозяйства». Справочник. Киев, «Урожай», 1993. метантенк оснащен средствами загрузки и выгрузки субстрата и эффлюента соответственно, линией отведения биогаза со средствами его утилизации. Сжигание биогаза позволяет получить тепловую (в паровых, водогрейных котлах) или электрическую и тепловую (в когенерационных установках на базе ДВС, турбоагрегатов) энергию. Необходимый температурный режим анаэробной ферментации внутри метантенка обеспечивается системой теплоснабжения, в состав которой входят выносные или встроенные теплообменные аппараты. При этом доля тепловой энергии, потребляемой на собственные нужды метантенков, достигает, в зависимости от климатических условий и качества теплоизоляции, -70%, см. «Методические рекомендации по тезнологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета» РД-АПК 1.10.15.02-08. МСХ РФ, М:, 2008.
В целях снижения затрат тепловой энергии на собственные нужды, применяют регенеративную схему загрузки-выгрузки метантенков, согласно которой теплоту эффлюента используют для частичного нагрева исходного субстрата.
Достигаемое на практике значение коэффициента регенерации тепловой энергии, характеризующего отношение переданной при регенерации тепловой энергии к энергии, необходимой для нагрева до конечной (требуемой) температуры анаэробного процесса, составляет 30-40%.
Такое техническое решение представлено в книге авторов Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М, «Биогаз», М.: «Колос, 1982.», с.43, а также в а.с. №1754677, C02F 11/04, авт. Бородин В.И., Пузанков В.И., Фарберов В.Т. «Установка метанового сбраживания органических отходов». Согласно данному изобретению, исходный субстрат вводится в рубашку аппарата, и далее поступает в метантенк. Эффлюент метантенка вводится во внутреннюю полость аппарата. Ввод потоков осуществляется тангенциально.
Основным недостатком рассмотренных устройств является наличие замкнутых полостей, что значительно усложняет эксплуатацию подобного рода аппаратов на реальных субстратах со сложной реологией. Другим недостатком является значительная продолжительность анаэробного процесса (не менее 10-15 суток), что объясняется в основном низкой интенсивностью процессов массообмена между органическим веществом субстрата, находящемся преимущественно в твердой фазе, и анаэробным консорциумом, эффективно потребляющим растворенные элементы питания.
Известно устройство с рекуперативным теплообменным аппаратом для утилизации теплоты концентрированных сточных вод, в котором отсутствуют замкнутые полости.
Согласно пат. ФРГ №3916520, C02F 3/06, теплообмен между сточными водами и теплоносителем осуществляется в условиях непрерывной циркуляции сточных вод вдоль вертикальных погружных и полупогружных перегородок в условиях побуждения циркуляции посредством введенной в нижнюю часть устройства форсунки эрлифта. Недостатком данного устройства, препятствующего его применению в метантенках, является использование в качестве тепловоспринимающего агента воды. Кроме того, данное устройство не решает проблемы подготовки субстрата с целью интенсификации последующей анаэробной обработки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение, представленное в кн. Гюнтер Л.И., Гольфарб Л.Л. «Метантенки», М., Стройиздат, 1991, с.95, рис.33.
Согласно устройству-прототипу, предварительная обработка исходного субстрата осуществляется в аэробном биореакторе. При этом достигается:
- гидролиз органического вещества субстрата, что позволяет снизить продолжительность последующей анаэробной обработки до 8-10 суток;
- предварительный нагрев субстрата до температуры 50-60°С.
Продолжительность обработки субстрата в аэробном биореакторе составляет 0,5-1,0 сут., степень распада органического вещества - 10-15%. При этом несколько (на 10-30%) снижается выход биогаза на анаэробной стадии; при проведении данной стадии в мезофильном режиме (32-37°С) используется регенеративный теплообменник для подогрева исходного субстрата перед его подачей в аэробный биореактор.
Применение металлоемкого теплообменника с замкнутыми полостями является одним из недостатков устройства-прототипа. Другими недостатками являются:
- недостаточно полное использование исходного кислорода, подаваемого с воздухом в аэробный биореактор (до 40-50%), и тепловой энергии в самом процессе, что выражается в потерях с влажными отходящими газами;
- повышенная материалоемкость;
- отсутствие цикла регенерации тепловой энергии эффлюента;
- низкая сгустительная способность аппарата для гравитационного уплотнения эффлюента (отстойника).
Кроме этого, согласно современным требованием к санитарно-гигиеническим показателям эффлюентов (см., напр. СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения». Минздрав России, 1997), для обработки предпочтительнее использование термофильного процесса (52-57°С).
Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков.
Согласно предлагаемому техническому решению, при совмещенных в одном устройстве (аппарате) процессах предварительной обработки (гидролиз и «биологический» нагрев) и постобработки (гравитационное сгущение и утилизация тепловой энергии эффлюента) и комплексного использования ресурсов процессов, снижается материалоемкость конструкции, повышается эффективность использования первичного энергоресурса - биогаза.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для аэробно-анаэробной обработки органических субстратов, состоящем из гидравлически связанных аэробного биореактора с газовой и жидкостной частями, метантенка с системой циркуляции теплоносителя, аппарата для гравитационного сгущения эффлюента метантенка с осветлительной и осадочной частями, осветлительная часть аппарата для гравитационного сгущения эффлюента метантенка отделена от осадочной части посредством каналов, образованных по крайней мере двумя наклонными пластинами, жидкостная часть аэробного биореактора и осветлительная часть аппарата для гравитационного сгущения эффлюента метантенка имеют общую разделительную стенку, внутри осветлительной части размещена центральная труба, в полой стенке которой циркулирует теплоноситель, причем пространство между наружной стенкой центральной трубы и разделительной стенкой связано с газовой частью аэробного биореактора посредством газопровода, а полая стенка центральной трубы связана с системой циркуляции теплоносителя метантенка посредством управляемого терморегулирующего клапана, датчик темпертуры которого размещен в жидкостной части аэробного биореактора.
На фигуре представлена принципиальная технологическая схема устройства.
Устройство состоит их двух основных блоков - блока пред- и постобработки субстрата и эффлюента 1, и анаэробного биореактора-метантенка 2. В состав блока пред- и постобработки 1 входят:
- аэробный биореактор для предварительной обработки субстрата 3;
- аппарат гравитационного сгущения (уплотнения) эффлюента 4.
Аэробный биореактор 3 конструктивно оформлен в виде кольцевидного корпуса 5, охватывающего аппарат гравитационного сгущения эффлюента 4. Корпус 5 оснащен патрубками для отведения газообразных продуктов метаболизма 6, ввода субстрата 7, забора субстрата при циркуляционном перемешивании 8 и отведения подготовленного субстрата 9 в метантенк 2. К патрубкам 8 и 7 подключено аэрационно-перемешивающее устройство 10 известного типа, которое, как вариант, может состоять из циркуляционного насоса 11, компрессора 12 для подачи воздуха и смесителя-аэратора 13 (труба Вентури). Корпус 5 аэробного биореактора разделен на две части - жидкостную 14 и газовую 15. Патрубок 6 посредством газопровода 16 соединен с осветлительной частью аппарата гравитационного сгущения 4 таким образом, что вертикально ориентированные конструктивные элементы аппарата 4 и открытый и погруженный в жидкую фазу конец газопровода 16 в совокупности образуют газлифт.
Аппарат гравитационного сгущения эффлюента 4 конструктивно оформлен в виде цилиндрического корпуса 17 с коническим днищем уплотнителем эффлюента 18. Коаксиально корпусу 17 внутри аппарата 4 размещена центральная труба 19 с полой стенкой 20, внутри которой циркулирует теплоноситель, подаваемый из системы циркуляции теплоносителя 21 метантенка 2. Аэробный биореактор 3 и аппарат гравитационного сгущения эффлюента 4 имеют общую вертикальную разделительную стенку 22, между ней и наружной стенкой 23 центральной трубы 19 размещена форсунка газлифта 24. Осветлительная часть 25 аппарата 4 отделена от осадочной части 26 посредством системы наклонных пластин 27, образующих лабиринтный канал, препятствующий выносу взвешенных частиц в эрлифтную зону при работе газлифта. Условный проход между пластинами должен составлять не менее 150-200 мм.
В осадочной части 26 происходит накопление и уплотнение сгущенного эффлюента до влажности 93-94%. В верхней (закрытой) части аппарата 4 размещен патрубок 28 для отвода смеси газов по следующим их направлениям на обеззараживание. Подача теплоносителя в полую стенку 20 центральной трубы регулируется управляемым терморегулирующим клапаном 29, воспринимающее устройство которого (датчик температуры) 30 размещен в жидкостной части 14 аэробного биоректора 3.
Анаэробный биореактор-метантенк 2 может быть типовой конструкции. Получаемый в процессе анаэробной ферментации биогаз по газопроводу 31 отводится в энергогенерирующее устройство известного типа, например, водогрейный или паровой котел или когенерационную установку (мини ТЭЦ) на базе ДВС или ГТУ. Энергогенерирующее устройство непосредственно связано с системой циркуляции теплоносителя 21. Часть теплоносителя направляется внешним потребителям по теплотрассе 32, другая часть подается в теплообменник 33 метантенка 2. Подача теплоносителя в теплообменник 33 регулируется управляемым терморегулирующим клапаном 34, датчик температуры 35 которого размещен в рабочем пространстве метантенка.
Устройство работает следующим образом.
Исходный субстрат подается во всасывающую часть циркуляционного насоса 11 аэрационно-перемешивающего устройства, смешивается с циркулирующим по контуру «аэробный биореактор 3 - циркуляционный насос 11» субстратом и далее поступает в смеситель-аэратор типа трубы Вентури 13, куда компрессором 12 подается воздух. Процесс аэрации-перемешивания ведется при значениях кратности перемешивания не менее 20 1/сут и подачи воздуха до 11,6 кг на кг загруженного сухого вещества. Благодаря развитию в жидкостной части 14 аэробных микроорганизмов-биоокислителей субстрат перерабатывается в биомассу микрофлоры практически без изменения общего количества твердого вещества в системе. Выделяющаяся в процессе биоокисления биологическая тепловая энергия является причиной нагрева биомассы до термофильных температур (50-60°С при концентрации твердого вещества 4-6% и зольности не более 30%). Достаточно высокий темп нагрева биомассы (1-1,5°С/час), а также соответствующая высокая скорость гидролиза исходного субстрата в условиях интенсивного перемешивания позволяет ограничивать процесс биологического нагрева и гидролиза субстрата временем 0,5-1,5 сут.
Наличие общей разделительной стенки 22 позволяет в условиях периодического или непрерывно-периодического процесса ускорять разогрев биомассы и гидролиз субстрата за счет передачи от нагретого эффлюента, подаваемого в аппарат 4 из метантенка 2, необходимого количества тепловой энергии.
По мере повышения температуры биомассы за счет процесса саморазогрева температурный напор между биомассой и эффлюентом снижается, при этом увеличивается циркуляция теплоносителя через полую стенку 20 центральной трубы 19. Регулирование подачи теплоносителя, начальная температура которого существенно ниже температуры эффлюента (15-20°С против 30-57°С), осуществляется терморегулирующим клапаном 29 в соответствии с изменением значения температуры биомассы в аэробном биореакторе 3, фиксируемой датчиком температуры 30. Таким образом, в дополнение к первичной энергии, воспринимаемой теплоносителем при сжигании биогаза, осуществляется подвод дополнительной тепловой энергии от эффлюента. Подвод осуществляется в количествах, обусловленных разницей между потребностью в дополнительной энергии аэробного процесса и возможным нагревом первичного теплоносителя отбираемой от эффлюента энергией в системе 21.
2
Охлаждение эффлюента в процессе теплопередачи через разделительную стенку 22 или через стенку 23 центральной трубы 19 позволяет в известной степени подавить остаточный метаногенез в объеме эффлюента. Дополнительное подавление метаногенеза осуществляется за счет интенсивной циркуляции и аэрации эффлюента в осветлительной части 25 аппарата 4. Циркуляция производится газлифтом в форсунку 24 которого поступает кислородосодержащий газ (до 11% О) из газовой части 15 аэробного биореактора 3 через газопровод 16. Направляемый из внутреннего пространства центральной трубы 19 эффлюент поступает в осадочную часть 26 аппарата 4, остаточное газовыделение в которой благодаря приведенным выше причинам минимально.
Такое техническое решение, согласно проведенным оценкам, позволяет получить уплотненный эффлюент влажностью до 94%.
Таким образом, наличие общей разделительной стенки между жидкостной частью 14 аэробного биореактора 3 и осветлительной частью 25 аппарата гравитационного сгущения эффлюента 4, интенсификации процесса осветления и уплотнения эффлюента за счет введения комплекса конструктивно-технологических решений:
- газлифтной циркуляции;
- аэрации;
- охлаждения,
позволяет существенно (до 30-40%) снизить капитальные затраты на изготовление блока пред- постобработки.
Дополнительно, в сравнении с прототипом, повышается энергетическая эффективность всего комплекса «аэробный биореактор-метантенк». Помимо использования тепловой энергии эффлюента для подогрева исходного (холодного) теплоносителя, повышается гибкость в управлении тепловым режимом аэробного биореактора.
При этом, базовые технологические показатели анаэробного процесса остаются на уровне технического решения - прототипа.