АНАЭРОБНЫЙ БИОРЕАКТОР

Полезная модель относится к устройствам биологической переработки осадков сточных вод и может быть использована в коммунальном хозяйстве и на промышленных предприятиях.
Наиболее близким действующим изобретением является анаэробный биореактор для очистки сточных вод [Патент №2198859, опубл. 20.02.2003 г. Анаэробный биореактор для очистки сточных вод. Авторы: Каранов Ю.А. и Кошель М.И. Патентообладатель:
Украинский научно-исследовательский институт спирта и биотехнологии производственных продуктов] в виде резервуара, содержащего отделитель биомассы и биогаза, насадку для удерживания микроорганизмов, камеру сбора биогаза, герметичную крышку с газовым колпаком. Известное устройство не имеет приспособлений для обеспечения интенсивного массообмена между микроорганизмами и обрабатываемым субстратом, непрерывной регенерации от отложений насадки для удерживания микроорганизмов, что обязательно сказывается на эффективности работы полезной модели.
Задача полезной модели - увеличение стабильности высокоэффективной биодеградации осадков сточных вод, упрощение обслуживания анаэробного биореактора.
Поставленные задачи решаются тем, что анаэробный биореактор для биодеградации осадков канализационной очистной станции, выполненный в виде ячеистого герметичного резервуара, оснащенный насадкой для удерживания анаэробных микроорганизмов, трубопроводами ввода и отвода осадка, перетока сбраживаемого осадка по ячейкам, отделителями биомассы и биогаза, герметичной крышкой с газовым колпаком снабжается газлифтами рециркуляции бродящей смеси в трубах, заполненных ершовой насадкой, с подачей в газлифтные трубы через барботеры из тканевых аэраторов, закрепленных на днище резервуара, посредством компрессора биогаза, забираемого из газового колпака. При этом ерши используют жесткие из лески или капроновой щетины с диаметром волокон не менее 0,2 мм. Тканевые аэраторы изготавливают из иглопробивной капроновой выстилки.
Проведенные патентные исследования показали, что ни в патентной, ни в научно-технической литературе нет сведений про анаэробные биореакторы такой конструкции, как предложена в формуле изобретения, что дает основание утверждать, что предлагаемый анаэробный биореактор отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Сравнительный анализ приспособлений, которые используются в известных технических решениях и в том числе в прототипе, показал на существенные признаки, отличающие предлагаемое решение.
Преимущества, которые достигаются, свидетельствуют о том, что задачи, которые решаются, выполнены на изобретательском уровне, поскольку они не вытекают, очевидно, из известных в данной области техники решений и поэтому в данной области отвечают критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Предлагаемый анаэробный биореактор в виде ячейкового резервуара поясняется чертежами, где на Фиг.1. приведена схема комплектования комплекса сооружений и оборудования для ведения процесса анаэробной биодеградации осадков сточных вод, на Фиг.2 приведен поперечный разрез анаэробного биореактора; на Фиг.3 показан поперечный вертикальный разрез анаэробного биореактора по ячейкам с газлифтными трубами и барботерами, системой коммуникаций для ввода исходного осадка, отвода сброженного осадка, отвода и ввода биогаза.
Обозначения на чертежах следующие:
I. цех подготовки осадков сточных вод к сбражванию
II. анаэробный биореактор
III. газгольдер
IV. компрессорная
V. цех обезвоживания сброженного осадка
VI. котельная
1. осадок от канализационной очистной станции
2. насос-дозатор
3. биогаз
4. сброженный осадок
5. смеситель
6. ввод флокулянта
7. устройство для обезвоживания сброженного осадка
8. обезвоженный сброженный осадок
9. иловая вода
10. реагентное хозяйство
11.1. корпус резервуара анаэробного биореактора
11.2. ячейка резервуара II.1
11.3. газлифтная труба
11.4. барботеры газлифтной трубы 11.3
11.5. газопровод от компрессора к барботерам 11.4
11.6. газопровод от газового колпака к газгольдеру III и компрессорной IV
11.7. газовый колпак
11.8. ершовая насадка в газлифтной трубе 11.3
11.9. трубопровод перетока бродящго осадка из ячейки в ячейку
II.10. герметичная крышка резервуара анаэробного биореактора
II.11. трубопровод ввода исходного осадка в анаэробный биореактор
II.12. трубопровод выпуска сброшенного осадка
II.13. отделитель биомассы и биогаза
II.14. трубопровод рециркуляции сброженного осадка
11.15. теплоноситель
Анаэробный биореактор II для биодеградации осадков канализационной очистной станции (Фиг 1-3) выполнен в виде вертикального, поделенного на ячейки 11.2 резервуара 11.1, с высотой в 12..15 раз большей, чем гидравлический радиус поперечного сечения каждой ячейки 11.2 резервуара 11.1. Такое исполнение резервуара 11.1 гарантирует интенсивный массообмен при проведении газлифтной рециркуляции сбраживаемого осадка с помощью ввода в газлифты 11.3, размещенные внутри ячеек 11.2 резервуара 11.1, биогаза 3 через барботеры 11.4 аэрации, расположенные под трубами газлифтов 11.3 (Фиг.3). Внутри труб газлифтов 11.3 размещена ершовая насадка 11.8, выполненная из волокон лески или капроновой щетины диаметром не менее 0.2 мм. Газ к барботерам 11.4 подведен по газопроводу 11.5 от компрессора, расположенного в помещении компрессорной IV. В компрессорную IV газ поступает по газопроводу 11.6 из газового колпака 11.7 через газгольдер III. Исходный осадок формируется из осадков КОС и теплоносителя 11.15. Подается осадок в анаэробный биореактор II посредством насоса-дозатора 2. Сброженный осадок 4 после смешивания в смесителе 5 с флокулянтом 6 из реагентного хозяйства 10 направляется в цех V на устройство 7 для обезвоживания и в виде кека (обезвоженный сброженный осадок 8) утилизируется в качестве органоминерального удобрения, а иловая вода 9 возвращается на КОС. Полученный при сбраживании осадка "биогаз 3 из газгольдера III направляется в котельную VI, обеспечивающую температуру термофильного сбраживания осадка в интервале 52…55°С посредством теплоносителя 11.15, полученного от сжигания биогаза 3.
Внутри анаэробного биореактора II по ячейкам 11.2 исходный осадок, поступивший по трубопроводу ввода 11.11, движется последовательно по ячейкам 11.2, разбавленный рециркулирующим сброженным осадком с помощью трубопровода 11.14, перетекающим из ячейки в ячейку по трубопроводам 11.9 перетока. В верхней части анаэробный биореактор II закрыт герметичной крышкой 11.10. Выпуск сброженного осадка 4 производится по трубопроводу 11.12, расположенном под отделителем 11.13 биомассы и биогаза, находящимся над газлифтной трубой 11.3 ячейки выпуска сброженного осадка. В герметичной крышке 11.10 резервуара II анаэробного биореактора вмонтирован газовый колпак II., заканчивающийся газовой трубой 11.6.
В соответствии со схемой, приведенной на Фиг.1, анаэробная биодеградация смеси осадков КОС производится следующим образом.
Уплотненные осадки канализационной очистной станции поступают по коммуникации 1 к насосу-дозатору 2 влажностью 93…98%. Влажность исходного осадка, подаваемого насосом-дозатором 2 совместно с теплоносителем в анаэробный биореактор II по трубопроводу ввода 11-11, в среднем, составляет 96%, а зольность менее 25%. К трубопроводу ввода исходного осадка 11.11 внутри анаэробного биореактора II подведена и труба 11.14 рециркуляции сброженного осадка, имеющго влажность на уровне 98%, а зольность около 40%. Вследствие наличия во всех ячейках 11.2 внутри корпуса 11.1 резервуара анаэробного биореактора II газлифтных труб 11.3 исходная смесь быстро смешивается со сброженным осадком и влажность бродящей массы в первой по ходу сбраживания осадка ячейке 11.2 устанавливается на уровне 97%, а зольность не выше 28%.
Газлифты 11.3 создают условия для интенсивного массообмена межу клетками анаэробных микроорганизмов, удерживаемых ершовой насадкой 11.8, и циркулирующим сбраживаемым осадком, а также дают вспенивание, приводящее к флотации анаэробных микроорганизмов и примесей осадка. Поскольку вспенивание угрожает выходу пены в газовый колпак 11.7 на ее пути под герметичной крышкой 11.10 смонтирован отделитель 11.13 биомассы и биогаза в виде кассеты, заполненной ершовой насадкой 11.8. Перетекая из одной ячейки 11.2 в другую через трубопроводы перетока 11.9, бродящий осадок теряет беззольное вещество, переходящее в биогаз 3, уходящий по газопроводу 11.6 из газового колпака 11.7 к газгольдеру III и компрессорной IV. Компрессоры из компрессорной IV закачивают биогаз по газопроводу 11.5 в барботеры 11.4 газлифтных труб 11.3. В последней ячейке 11.2, из которой сброженный осадок 4 по трубопроводу 11.12 выпускается в смеситель 5 влажность его уже составляет 97,5% при зольности 40%. В смеситель 5 добавляется раствор флокулянта 6, приготовленный в реагентном хозяйстве 10. Из смесителя 5 сброженный осадок закачивается в цех V в устройство 7 для обезвоживания.
Обезвоженный сброженный осадок 8 утилизируется в качестве органоминерального удобрения без дополнительного обеззараживания, поскольку в термофильных анаэробных условиях анаэробного биореактора II гибнут все паразиты и болезнетворные микроорганизмы. Иловая вода 9 из устройства 7 отводится в КОС на очистку.
Биогаз 3, полученный из сбраживаемого осадка, поступает в котельную VI и используются в качестве источника энергии для производства теплоносителя 11.15 для поддержания в анаэробном биореакторе II термофильных условий сбраживания, т.е. на компенсацию теплопотерь в окружающую среду, в трубы 11.9 и на подогрев исходного осадка 1 КОС в насосе-дозаторе 2.
Поставленные в полезной модели задачи выполнены, поскольку газлифты 11.3 гарантируют эффективный и стабильный массообмен в ячейках 11.2 анаэробного биореактора II и стабильное состояние ершовой насадки 11.8 для удерживания по всей последовательности стадий брожения специфических биоценозов анаэробных микроорганизмов от микроорганизмов кислого брожения до метаногенов.
3
3
3
3
При наличии в сбраживаемом осадке не менее 72…75% беззольного вещества и его 40% распаде каждый кубометр осадка 96%-ной влажности обеспечивает выход в виде биогаза до 3% начального веса сухого вещества, т.е. из 40 кг сухого вещества 1 мисходного осадка не менее 12 кг превращается в биогаз объемом до 15 м. При теплотворной способности биогаза не менее 3500 ккал/кг можно в котельной получить до 40000 ккал тепловой энергии из 1 м исходного осадка. А этой энергии достаточно для нагревания 1 м осадка на 40°С и стабильного ведения термофильного режима сбраживания, т.е. компенсации теплопотерь при разных температурах наружного воздуха и температурах исходного осадка КОС при соответствующей теплоизоляции анаэробного биореактора.
Выполнение ершовой насадки из жестких волокон обусловлено свойствами исходного осадка и условиями их эксплуатации в газлифтных трубах при высокой турбулентности потоков бродящего осадка.
Выполнение барботеров в виде тканевых рукавов из капроновой выстилки обосновано экспериментально проведением длительных испытаний различных видов барботеров. Наибольшую стабильность в эксплуатации показали тканевые рукава, не терявшие способности обеспечивать барботаж после отключения подачи газа длительное время при переменной температуре в анаэробных биореакторах.
1. Патент №2198859, опубл. 20.02.2003 г. Анаэробный биореактор для очистки сточных вод. Авторы: Каранов Ю.А. и Кошель М.И. Патентообладатель: Украинский научно-исследовательский институт спирта и биотехнологии производственных продуктов.