МЕТАНТЕНК ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ ОБРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
SLUDGE DIGESTION TANK FOR ANAEROBIC TREATMENT OF ORGANIC WASTES

Изобретение относится к области природоохранной техники с преимущественным использованием в отраслях, характеризующихся образованием значительных количеств органических отходов относительной влажностью 90-98%: сельском хозяйстве, в первую очередь животноводстве и птицеводстве, коммунальном хозяйстве при обработке и подготовке к утилизации осадков и илов сооружений биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод. Предлагаемый метантенк может использоваться на малых объектах-источниках органических отходов: предприятиях по переработке сельскохозяйственной продукции, крестьянских подворьях (фермерских хозяйствах), предприятиях рекреационного сервиса (домах отдыха, туристических комплексах).
Объектом переработки, т.е. сырьем для метантенка, в общем случае может быть любой органосодержащий полисубстрат с содержанием органического вещества не менее 50% от количества твердой фазы, и не содержащий неустранимых доступными методами веществ, ингибирующих анаэробные процессы в метантенке.
Универсальный полезный эффект, достигаемый при использовании метантанков и заключающийся в обеззараживании и стабилизации исходных органических отходов и концентрированных сточных вод, позволяет считать данный вид технических устройств неотъемлемой частью природоохранных малоотходных воднотехнических систем предприятий-источников соответствующих сточных вод и органических отходов.
Конструктивные особенности предлагаемого изобретения позволяют использовать метантенк в качестве базового аппарата-модуля при формировании технологических линий для анаэробной переработки (очистки) органических отходов и сточных вод.
Устройства данного назначения описаны в научно-технической литературе (Калюжный С.В., Пузанков А.Г., Варфоломеев С.Д. «Биогаз: проблемы и решения». Итоги науки и техники. Биотехнология, Том 21. М.: 1988) и отличаются большим конструктивным разнообразием.
С целью интенсификации анаэробного процесса переработки исходного субстрата метантенки оснащаются перемешивающими устройствами, устройствами для подогрева и иммобилизации биомассы. Схемотехнические и конструктивные решения упомянутых устройств приведены в кн. Гюнтер Л.И., Гольфарб Л.Л. «Метантенки», М.: Стройиздат, 1991. Согласно данному источнику для перемешивания содержимого метантенка используются следующие технические средства (устройства):
- мешалки различных конструкций;
- насосы (насосные станции);
- барботажные и газлифтные устройства.
Подогрев осуществляется в выносных или встроенных в корпус метантенка теплообменных аппаратах, при этом теплоноситель для нагрева биомассы и(или) исходного субстрата получают при сжигании биогаза, вырабатываемого метантенком.
2
3
Средства (устройства) для иммобилизации, необходимые для увеличения концентрации анаэробной микрофлоры, представляют собой, как правило, пористые не токсичные по отношению к микрофлоре материалы, размещенные на специальных подвесках или контейнерах удельной поверхностью не менее 20-50 м/м.
Согласно упомянутым источникам современные конструкции метантенков отличаются интегрированной структурой упомянутых средств интенсификации анаэробного процесса. Это выражается, в частности, в объединении средств подогрева и перемешивания биомассы в единую систему с общими конструктивными элементами, размещении иммобилизирующих материалов на конструктивных элементах перемешивающих устройств и теплообменников.
Известно устройство такого конструктивного оформления и назначения, см. патент РФ №2068397, Кл. C02F 3/00, 27.10.96, бюл. №30 «Биоэнергетическая установка» авторов Тихомирова А.Г., Матвеева И.К., Клименотьевой Г.В и др. В качестве рабочего органа перемешивающего устройства в метантенке с вертикально ориентированным корпусом использован полый шнек. Полая часть шнека, представляющая собой вертикальную коаксиальную трубу, служит для организации дополнительной циркуляции биомассы вдоль вертикальной оси метантенка. В кольцевом пространстве между внешней частью трубы шнека и корпусом метантенка осевое и радиальное воздействие на биомассу осуществляется посредством лопастей шнека. Шнек приводится во вращение реверсивным электромеханическим приводом. С целью интенсификации процесса массообмена между анаэробной микрофлорой и субстратом, увеличения концентрации (дозы) микрофлоры в объеме метантенка поверхность лопастей метантенка снабжена подложкой для иммобилизации микроорганизмов. Подогрев исходного субстрата осуществляется в выносном теплообменнике-подогревателе.
Основным недостатком данного технического решения является низкая удельная поверхность иммобилизации, определяемая параметрами иммобилизирующего устройства - лопасти шнека, что в свою очередь приводит к снижению концентрации анаэробной микрофлоры и снижению интенсивности массообменных процессов в системе «субстрат - анаэробная микрофлора».
Другим недостатком устройства-аналога является недостаточная интенсивность перемешивания содержимого метантенка в области жидких концентраций твердой фазы (ниже 5-6%), так как шнек как относительно тихоходное перемешивающее устройство эффективно функционирует при низкой влажности и относительно более высоких значениях вязкости содержимого. Кроме того, в области высоких влажностей исходного субстрата (97-99%) решающим фактором интенсификации анаэробного процесса обработки становится концентрация иммобилизированной микрофлоры, это не может быть обеспечено согласно пат. 2068397.
Наиболее близким по технической сущности является устройство согласно UK patent Application №2162195, Jnt.cl. C02F 3/28, 19.07.1985 «Improved anaerobic fermentation method and apparatus», appe Bisan Holdings Pty ltd.
3
Известное устройство представляет собой метантенк, выполненный в виде герметичного сооружения вертикального типа с цилиндроконической формой корпуса, снабженного патрубками для подвода исходного субстрата, отвода отработанного субстрата, патрубком для отвода биогаза. Перемешивание содержимого метантенка осуществляется посредством барботажного устройства, размещенного под нижней частью центральной трубы. Стенка центральной трубы выполнена полой и снабжена патрубками для подвода и отвода теплоносителя. Барботажное устройство содержит патрубок для вывода биогаза в рабочее пространство метантенка под центральной трубой и подключено к компрессору для подачи биогаза под давлением. Введение биогаза в малое в сравнении с рабочим объемом метантенка пространство центральной трубы вызывает резкое падение плотности биомассы (до 500 кг/м) за счет увеличения доли газовой фазы и приводит тем самым к возникновению подъемной силы, действующей вдоль вертикальной оси центральной трубы.
Возникающая при этом циркуляция биомассы по схеме «центральная труба - кольцевое рабочее пространство метантенка» приводит к достаточно интенсивному перемешиванию содержимого метантенка и, в конечном счете, к интенсификации массообменных и биохимических процессов. Благодаря полой конструкции стенки циркуляционной трубы становится возможным совместить процессы перемешивания и подогрева биомассы в метантенке. Теплоноситель подается в полую стенку циркуляционной трубы от внешнего теплогенератора, работающего на биогазе. Помимо кольцевого пространства, образованного циркуляционной трубой и внутренней стенкой метантенка, имеется внешнее кольцевое пространство, в котором размещены средства иммобилизации анаэробной микрофлоры для обработки преимущественно жидкой фазы содержимого метантенка. Избыточный анаэробный ил из нижней части зоны метантенка с иммобилизированной микрофлорой выводится в основное рабочее пространство метантенка. Пористый материал для иммобилизации анаэробной микрофлоры ориентирован во внешнем кольцевом пространстве таким образом, чтобы обеспечить вертикальное восходящее движение подлежащего обработке потока.
Основным недостатком метантенка по патенту Великобритании №2162195 является невозможность вовлечения в обработку с использованием иммобилизированной анаэробной микрофлоры субстратов с пониженной влажностью. Согласно патенту №2162195, концентрированные субстраты обрабатываются в отдельной камере с центральной трубой, а внешняя кольцевая камера со средствами иммобилизации используется для обработки потоков с низким содержанием твердой фазы. Как следствие, сужается область применения метантенка и увеличиваются (ухудшаются) массогабаритные показатели. Другим недостатком является недостаточно высокая интенсивность массо- и теплообмена в кольцевом пространстве вокруг центральной трубы. Если внутри циркуляционной центральной трубы линейные скорости двухфазного потока достигают 0,5-20 м/с, то в кольцевом пространстве, площадь поперечного сечения которого многократно превосходит аналогичный показатель для центральной трубы, при сохранении циркуляционного расхода скорость потока также снижается многократно. В результате интенсивность теплообмена между внешней поверхностью полой стенки центральной трубы и биомассой резко снижается, а в пристенной зоне метантенка возможно критическое снижение температуры из-за отсутствия в данной зоне средств подогрева. Снижение скорости движения потока приводит также к падению интенсивности биохимических реакций в данной области, снижению скорости отвода продуктов метаболизма, в первую очередь газообразных.
Результатом приведенных выше технических недостатков является ухудшение удельных показателей метантенка, в первую очередь удельного выхода и состава биогаза, снижение качества обработки исходного субстрата, выражаемое в увеличении прохождения через метантенк необработанных, т.е. не стабилизированных и необеззараженных частиц субстрата, сужение области применения метантенка.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и повышение эффективности анаэробной обработки органических отходов в метантенках модульной конструкции с высокой степенью заводской готовности и широкой сферой применения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является интенсификация теплообмена между теплоносителем и биомассой, снижение неравномерности нагрева биомассы, интенсификация массообмена между исходным субстратом и анаэробной микрофлорой.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый метантенк для анаэробной обработки органических отходов выполнен в виде герметичного корпуса цилиндрической формы с патрубками подвода исходного субстрата и отвода продуктов обработки (обработанного субстрата и биогаза) и содержит центральную трубу с полой стенкой и патрубками для подвода и отвода теплоносителя. Верхняя и нижняя части трубы открыты по отношению к рабочему пространству метантенка. Внутри нижней части центральной трубы коаксиально размещен патрубок для подвода биогаза. Метантенк снабжен вертикально ориентированными средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры, которые размещены в кольцевом пространстве, между центральной трубой и цилиндрической стенкой метантенка, и выполнены в виде совокупности вертикальных стержней с пористой структурой с возможностью реверсивного вращения всей совокупности. Цилиндрическая стенка метантенка снабжена греющей рубашкой. Теплоноситель между полой стенкой центральной трубы и рубашкой распределяется посредством трехходового клапана в зависимости от температурных условий в центральной и пристенной частях корпуса метантенка. Верхняя часть совокупности вертикальных стержней объединена посредством жесткой рамной подвески. Верхняя часть метантенка снабжена кольцевым гидрозатвором и электромеханическим приводом, связанным через жесткой вал с жесткой рамной подвеской. Жесткий вал герметично связан с погружным колпаком кольцевого гидрозатвора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена конструктивная схема метантенка в связи со вспомогательными системами.
Метантенк 1 содержит герметичный корпус 2 цилиндроконической формы с патрубками подвода 3 и отвода 4 исходных и обработанных органических отходов соответственно и патрубком отвода биогаза 5. Метантенк 1 содержит также центральную трубу 6 с полой стенкой 7, снабженную патрубками для подвода 8 и отвода 9 теплоносителя соответственно. В нижней части трубы 6 коаксиально размещен патрубок 10 для подвода сжатого биогаза. Верхняя и нижняя части центральной трубы 6 открыты по отношению к рабочему пространству метантенка 1. В кольцевом пространстве, образованном цилиндрической частью корпуса 2 метантенка 1 и центральной трубой 6, размещены вертикальные стержни с пористой структурой. Вся совокупность вертикальных стержней 11 в верхней части связана в единой целое (сборку) посредством жесткой рамкой подвески 12 и обладает возможностью реверсивного вращения вокруг вертикальной оси. Рамная подвеска 12 посредством жесткого вала 13 связана с электромеханическим приводом 14, размещенным в верхней части метантенка 1. Жесткий вал 13 снабжен погружным колпаком 15 и герметично и жестко связан с ним и является составной частью кольцевого гидрозатвора 16, размещенного в верхней части корпуса 2 метантенка 1. Рабочее пространство кольцевого гидрозатвора 16 заполнено запирающей жидкостью, например водой, на высоту, превышающую избыточное давление биогаза в метантенке 1, выраженное в м (мм) водяного столба.
Цилиндрическая стенка корпуса 2 метантенка 1 снабжена рубашкой 17 с патрубками для подвода 18 и отвода 19 теплоносителя соответственно. Для снижения теплопотерь в окружающую среду предусмотрена теплоизоляция 20.
Распределение теплоносителя между полой стенкой 7 центральной трубы 6 и рубашкой 17 осуществляется посредством трехходового клапана 21, который управляется дифференциальным регулятором температуры 22, датчики температуры которого 23 и 24 размещены в центральной и пристенной частях рабочего пространства внутри корпуса 2 метантенка 1 соответственно.
Метантенк 1 оснащен типовыми средствами для обеспечения нормального хода технологического процесса: блоком предварительной обработки органических отходов 25, блоком накопления обработанных отходов 26, блоком сбора и подготовки к утилизации пескосодержащего осадка 27. Отбор и сжатие биогаза осуществляется компрессором 28, всасывающая часть которого подключена к патрубку отвода биогаза 5. Получение тепловой и электрической энергии осуществляется в энергоблоке 29 за счет сжигания биогаза, подводимого через патрубок 5. В состав энергоблока могут входить средства регулирования расхода и давления биогаза, на чертеже не представлены.
Теплоноситель для снабжения полой стенки 7 центральной трубы 6 и рубашки 17 вырабатывается в теплофикационном узле 30, связанном с энергоблоком, и поступает в полую стенку 7 и рубашку 17 через трехходовой клапан 21.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Исходный субстрат из блока предварительной обработки органических отходов 25 поступает через патрубок 3 внутрь корпуса 2 метантенка 1, вступая во взаимодействие со взвешенной и иммобилизированной анаэробной микрофлорой, субстрат в ходе последовательно осуществляемых ферментативных биохимических реакций преобразуется в продукты переработки - стабилизированную и обеззараженную органическую массу - эффлюент, и биогаз. Обработка исходного субстрата внутри метантенка 1 осуществляется при соблюдении следующих основных условий:
1) строгий анаэробиоз, т.е. практически полное отсутствие кислорода;
2) дозированная подача исходного субстрата во избежание перегрузки (отравления) или голодания анаэробной микрофлоры в суточном количестве до 20% от рабочего объема метантенка;
3) перемешивание (гомогенизация) содержимого метантенка с целью подведения субстрата к анаэробным микроорганизмам и отведения из реакционной зоны продуктов метаболизма;
4) поддержание температуры содержимого метантенкана на одном из оптимальных уровней (мезофильном, t=33-36°С, или термофильном, t=53-55°С), при котором достигается максимальная интенсивность процесса обработки.
Строгий анаэробиоз обеспечивается герметичной конструкцией метантенка 1.
Дозированная подача исходных отходов (субстрата) обеспечивается штатными средствами метантенка 1 - блоком предварительной обработки отходов 25, который включает в свой состав насос, систему трубопроводов и запорно-регулирующей аппаратуры, дозирующие емкости и другое необходимое оборудование. Одновременно в блоке 25 осуществляется предварительная подготовка исходного субстрата - гомогенизация, изменение, гидролиз, улучшающая качество его последующей переработки в метантенке 1.
Перемешивание содержимого метантенка 1 достигается тем, что после ввода исходного субстрата в патрубок 3 поступившая порция (доза), а также рециркуляционная биомасса из кольцевого пространства между корпусом 2 метантенка 1 и центральной трубой 6 вовлекаются в нижнюю открытую часть циркуляционной трубы 6. Побуждающей причиной, вызывающей движение потока внутри циркуляционной трубы 6, является резкое падение плотности потока при введении в жидкую среду биогаза через патрубок 10. В процессе всплытия газовых пузырей, помимо осевого перемещения всего двухфазного потока, осуществляется интенсивное перемешивание (гомогенизация) вновь поступившей порции отходов и рециркуляционной биомассы. При этом интенсифицируются процессы межфазного обмена между продуктами биохимических реакций и биохимические процессы в системе «питательный субстрат - анаэробная микрофлора», что в конечном счете приводит к увеличению глубины переработки исходного субстрата и удельного выхода биогаза. Частичное падение температуры биомассы, вызванное поступлением очередной порции органических отходов, компенсируется подводом тепловой энергии от теплоносителя, подаваемого в полую стенку 7 центральной трубы 6 через патрубок 9. Охлажденный теплоноситель через патрубок 8 отводится в теплофикационный узел 30 для последующего нагрева. При падении температуры биомассы в центральной части метантенка 1 от датчика 23 в дифференциальный регулятор 22 поступает соответствующий сигнал, и подача теплоносителя внутрь полой стенки 7 центральной трубы 6 через трехходовой клапан 21 увеличивается; при повышении температуры сверх установленного оптимального значения происходит обратный процесс. Таким образом, посредством центральной трубы 6, оборудованной устройством для барботажа биогаза и полой стенкой 7 - теплообменниеком, осуществляется перемещение содержимого метантенка 1 и исходного субстрата из нижней части корпуса 2 в верхнюю, перемешивание субстрата и рециркуляционной биомассы, поддержание температуры в центральной части устройства на оптимальном уровне. В этой части работа устройства практически не отличается от работы ближайшего аналога.
На выходе из центральной трубы 6 происходит разрушение двухфазной системы с выделением газовой фазы в отдельный поток, отводимый из рабочего пространства метантенка 1 через патрубок отвода биогаза 5. Часть биогаза поступает в энергоблок 29 для получения тепловой и электрической энергии, другая часть - сжимается компрессором и поступает (рециркулируется) через патрубок 10 внутрь корпуса 2 метантенка 1. Оставшаяся часть биогаза является товарной или может использоваться для приведения в действие внешних энергопотребителей комплекса, в состав которого входит метантенк 1.
Уровень раздела газовой и жидкой фаз поддерживается относительной высотой расположения патрубка 4 для отвода обработанных органических отходов - эффлюента.
Через патрубок 4 отводится количество эффлюента, равное подведенному количеству исходных органических отходов. Эффлюент накапливается в блоке накопления обработанных отходов 26, в состав которого входят некоторые вспомогательные штатные средства метантенка 1, например гидрозатвор для поддержания внутри корпуса 2 метантенка 1 анаэробных условий.
После отведения из двухфазного потока вновь образовавшегося и рециркуляционного биогаза, а также части обработанных отходов, остальная часть потока поступает в кольцевое пространство, образованное цилиндрической частью корпуса 2 метантенка и центральной трубой 6. В кольцевом пространстве осуществляется дальнейшая анаэробная обработка органических отходов, причем, как и центральной трубе 6, обработка ведется в интенсивном режиме. Поступившая в кольцевое пространство биомасса совершает сложное движение, состоящее из осевого перемешивания за счет подъемной силы центральной трубы 6 и вращательного (кругового) движения, возникающего в силу принудительного вращения совокупности (сборки) вертикальных стержней 11, размещенных на рамной подвеске 12. В результате отдельные частицы биомассы, состоящие из взвешенной анаэробной микрофлоры, субстрата (органических отходов) и продуктов метаболизма, находятся в достаточно интенсивном взаимодействии.
Поверхность межфазного обмена постоянно обновляется, происходит интенсивное выделение основного продукта метаболизма - биогаза, в газовое пространство метантенка 1.
Принципиальное отличие реализации биохимических реакций в кольцевом пространстве от аналогичных процессов в центральной трубе 6 заключается в наличии на поверхности и внутри пористой структуры вертикальных стержней 11 иммобилизированной анаэробной микрофлоры, что существенно увеличивает концентрацию (дозу) активной биомассы в кольцевом пространстве. Вращение сборки вертикальных стержней 11 обеспечивает постоянный подвод субстрата и отвод продуктов метаболизма из зоны контакта.
Другим положительным эффектом от вращения сборки вертикальных стержней 11 является интенсификация теплообмена между биомассой и теплоносителем, циркулирующим в полой стенке 7 центральной трубы 6 и рубашке 17. При этом в случае падения температуры биомассы в пристенной области рабочего пространства метантенка 1 датчик температуры 24 посылает соответствующий сигнал на дифференциальное реле 22, через трехходовой клапан 21 в рубашку 17 поступает дополнительное количество теплоносителя. При повышении температуры сверх оптимального уровня подача теплоносителя в рубашку 17 через трехходовой клапан снижается. Благодаря такому техническому решению температурный режим всего объема биомассы поддерживается на оптимальном уровне. Интенсификация теплообмена между биомассой и теплоносителем за счет вращения сборки вертикальных стержней, наличие теплоизоляции корпуса 20 способствует экономии теплоносителя и, соответственно, снижению удельных энергозатрат на анаэробную переработку субстрата.
Вращение сборки вертикальных стержней 11 осуществляется посредством электромеханического привода 14 через жесткий вал 13 и рамную подвеску 12. Вместе с валом 13 вращается жестко и герметично связанный с ним погружной колпак 15, нижняя кромка которого погружена в запирающую жидкость кольцевого гидрозатвора 16, предотвращая тем самым попадание атмосферного воздуха внутрь герметичного корпуса 2 метантенка 1, и, наоборот, неконтролируемый выход биогаза в атмосферу. Такое конструктивное решение при сравнительно малой частоте вращения вала 13 (до 20 об/мин) обеспечивает, помимо надежного уплотнения, снижение удельных затрат энергии на обработку органических отходов в метантенке 1 за счет практически полного устранения потерь на трение в устройстве уплотнения.
Поступающие вместе с исходными органическими отходами и подлежащие анаэробной обработке минеральные включения, например песок, задерживаются в конической части корпуса 2 метантенка 1 и периодически отводятся в блок сбора и подготовки к утилизации пескосодержащего осадка 27.