РЕАКТОР ДЛЯ АЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ БИОМАССЫ
REACTOR FOR AEROBIC FERMENTATION OF BIOMASS

Изобретение относится к сельскому и лесному хозяйству, в частности к переработке животноводческих и других биоотходов, а также к переработке органического сырья, содержащегося, преимущественно, в твердых бытовых отходах.
Известны устройства, способы и системы подобного назначения, предназначенные для аэробного сбраживания, например «Способ переработки навоза на удобрение», авторов Глазкова И.К., Ковалева Н.Г., Туманова И.Г. по патенту РФ №1813085 [1].
Сущность данного способа заключается в послойной укладке навоза и влагопоглощающего органического материала, перемешивании этих компонентов в месте компостирования и последующем аэробном сбраживании в ферментаторе при периодическом вентилировании, причем перед компостированием смесь компонентов укрывают слоем готового компоста.
Недостатком данного способа и устройств, реализующих этот способ, является длительное компостирование даже при благоприятных внешних условиях (более 7 суток) и низкая производительность ферментора, в том числе за счет возврата для запуска новой порции смеси компонентов - ранее уже приготовленного органического удобрения (согласно приведенного в описании патента примера его слой должен составлять 10 см).
Известна также «Установка для переработки органических отходов в удобрение» авторов Егина Н.Л. и Мирчетича С.М. по авторскому свидетельству СССР №1706423, МПК A01C 3/00 [2].
Данное устройство содержит ленточный транспортер с электроприводом, бункеры-накопители для навоза, торфа и помета, емкость для биопрепарата, устройство для разогрева отходов, устройства для осушения и увлажнения отходов, трубопроводы с электронасосами, датчиками влажности и фильтрами.
Недостатком данного устройства является большая сложность в реализации из-за громоздкости конструкции и трудностями с технологией переработки, которая сводится к контролю влажности сырья.
Кроме того, при каждой загрузке новой порции материала требуется его разогрев через электроды, опущенные в сырье от внешнего силового источника питания, на что затрачивается значительная энергия.
Известен «Способ приготовления компоста многоцелевого назначения» авторов Ковалева Н.Г., Малинина Б.М. и Туманова И.П. по патенту РФ №2112764, МПК C05F 3/00 и пример его реализации, изложенный в описании к патенту [3].
По данному патенту выполняют послойную укладку навоза и влагопоглощающего материала, перемешивают, помещают в ферментер и производят аэробное компостирование в течение 3…4 суток при аэрировании кислородосодержащим газом.
Недостатком данного способа является его низкая производительность, обусловленная отсутствием непрерывного процесса ферментации вновь поступающего сырья. Кроме того, ферментером в данном случае является туннельная траншея, что ограничивает круглогодичное использование данного способа.
Известна «Установка для приготовления компостов» авторов Рабиновича P.M., Ковалева Н.Г. и др. по свидетельству на полезную модель №39599, МПК C05F 3/00 [4]. Данная установка и варианты приготовления компостов описаны также в докторской диссертации Рабиновича P.M. [5].
Данная установка содержит каскад емкостей для ферментируемой смеси с крышкой, воротами и гнездами для установки термометра, кислородомера и воздуходувку с системой напорных воздуховодов, установленных в днище емкости, причем каскад емкостей смонтирован в одном корпусе.
В данном устройстве также ферментация осуществляется не непрерывно, а эпизодически в каждой отдельной емкости от момента ее загрузки и до окончания процесса. Для предварительного разогрева загруженной в емкость массы необходимо затратить тепловую энергию (подать горячую воду, горячий воздух или пропустить через специальные электроды электрический ток), причем тепловая энергия разогревшейся позднее биомассы до 70°C не используется и ее температура (перегрев - пережег массы) не контролируется. Кроме того, использовать данное устройство в зимних условиях не представляется возможным.
Наиболее близким по сути техническим решением (прототипом), осуществляющим непрерывную твердофазную ферментацию органического сырья, является «Биотермический барабан» по авторскому свидетельству СССР №363523 авторов Мягкова М.И., Алексеева Г.М. и др., МПК B02C 17/18 [6].
Биотермический барабан для переработки бытового мусора содержит цилиндрический корпус, загрузочное и разгрузочное устройства, выхлопные патрубки, компрессор для подачи воздуха во внутрь корпуса и шнековые лопасти для перемещения сырья при горизонтальном (с небольшим углом наклона в сторону выхода) положении корпуса.
При принудительном разогреве и медленном вращении биобарабана в течение нескольких суток происходит отделение металла, пластмассы и дерева от биосырья. На выходе корпуса производят методом грохочения разделение этих продуктов и частично сброженные органические виды сырья направляются для дальнейшей ферментации в специальные туннели или бассейны выдержки на срок до 30…40 дней.
Доля биосырья в барабане от 5 до 12% и за время нахождения в корпусе оно не успевает пройти даже первую стадию ферментации «лаг-фазу».
Биобарабаны типа КМ-101Л являются огромными сооружениями (диаметром 4 метра и длиной 30 или 60 метров), для вращения которых и на разогрев всей массы бытового мусора требуются большие затраты энергии [7]. Кроме того, на эксплуатацию данного устройства также накладываются сезонные ограничения, поэтому процессы ферментации в биобарабане не являются непрерывными.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.
Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:
- повышение эффективности работы реактора и ускорение аэробной ферментации за счет подачи очередной порции биосырья в зону реактора, в которой происходит фаза экспоненциального роста культуры микробов при одновременном перемешивании и аэрации определенного объема массы в данной зоне;
- повышение эффективности аэробной ферментации за счет культивирования и электроудерживания сообщества микроорганизмов внутри корпуса и их рециркуляцию в сбраживаемую биомассу путем установки в зоне экспоненциального роста бактерий уголковых перфорированных электродов, подключенных к источнику питания, причем внутри электродов размещена ершовая биозагрузка;
- повышение эффективности процесса аэробной ферментации за счет регулирования температуры сбраживания и отбора излишней тепловой энергии, приводящей к пережогу сырья, путем размещения в нижней зоне экспоненциального роста бактерий теплообменников, соединенных с тепловым аккумулятором, передающим далее тепловую энергию посредством низкотемпературного рабочего тела (например, фреона) на паровую турбину, соединенную с электрическим генератором, что позволяет также вырабатывать электрическую энергию (система ORC);
- ускорение аэробного процесса за счет пропускания горячего кислородосодержащего газа из зоны экспоненциального роста бактерий в загрузочное устройство для разогрева вновь поступающей биомассы;
- сокращение затрат на электроэнергию, требующуюся на предварительный разогрев вновь поступившей биомассы и на ее продвижение вдоль корпуса, путем размещения цилиндрического корпуса вертикально и использования сил гравитации для перемещения сырья.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующих описываемый «Реактор для ускоренной аэробной твердофазной ферментации», нами не обнаружена. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новое».
На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем техники можно утверждать, что между совокупностью отличительных признаков, выполняемых ими функций и достигаемой задачи предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и соответствует, по нашему мнению, критерию охраноспособности «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение может найти широкое применение в качестве универсального реактора для ускоренной переработки разных видов органики в удобрение.
На чертеже в разрезе изображена конструкция «Реактора для аэробной ферментации биомассы».
Реактор содержит термостатированный цилиндрический корпус 1, установленный вертикально, с трубой 2 загрузочного устройства для биомассы, заглубленной во внутрь корпуса, крышку 3 с выпускным патрубком 4, пресс-экструдер 5 для подготовки сырья, реверсивный электропривод 6, управляющий редуктором 7, соединенным с корпусом и вращающим посредством венцовой шестерни 8 кольцевую пустотелую трубу 9 мешалки с ее гребенкой 10, имеющей наклонные стержни с отверстиями для выхода кислородосодержащего газа, который от компрессора 11 через вентиль 12 поступает на скользящую по поверхности трубы соединенную с корпусом муфту 13, а через вентиль 14 газ поступает в поддон корпуса, имеющий перфорированную крышку 15.
Источник питания 16 посредством проводов, размещенных в изоляционной пластине 17, подключен к электродам из перфорированных металлических уголков 18, прикрепленных к пластине, причем уголки расположены ребрами кверху навстречу двигающейся биомассе, а между ребрами уголков размещена ершовая биозагрузка 19.
Первый циркуляционный насос 20 подключен между теплообменником 21 корпуса и теплоаккумулятором 22, с выхода которого низкотемпературное рабочее тело поступает в паровую турбину 23, соединенную с электрогенератором 24, и далее с выхода турбины через конденсатор 25 и второй циркуляционный насос 26 - в теплообменник теплоаккумулятора, замыкая таким образом низкопотенциальный контур рабочего тела. Готовый продукт выдается через разгрузочное устройство 27. Датчики давления, температуры, газоанализаторы и схема автоматики на чертеже не показаны.
Реактор для аэробной твердофазной ферментации биомассы работает следующим образом.
Сырье с регулируемой влажностью подается в корпус 1 через пресс-экструдер 5, крышку 3 и трубу 2 загрузочного устройства. В процессе постоянной работы весь внутренний объем корпуса заполнен сырьем полностью, а вновь подаваемая еще холодная порция биомассы остается в верхней части широкой трубы с диаметром 0,2…0,4 от размеров цилиндрического корпуса.
Реверсивный электропривод 6 посредством редуктора 7, закрепленного на корпусе, и венцевой шестерни 8, принадлежащей кольцевой пустотелой мешалке 9, осуществляет ее вращение. Одновременно с компрессора 11 поступает кислородосодержащий газ через вентиль 12 и соединенную с корпусом муфту 13 скольжения в отверстия во внутрь кольцевой пустотелой трубы мешалки и выходит в биомассу через отверстия гребенки 10 мешалки. Через вентиль 14 газ также может подаваться в поддон корпуса, откуда он поступает в биомассу через перфорированный поддон 15. Горячий отработанный газ совместно с двуокисью углерода поднимается вверх, подогревает сырье в трубе 2 и выходит через выпускной патрубок 4 (движение газов в корпусе показано пунктирными линиями, а продвижение сырья - сплошными линиями). Стержни («зубья) гребенки имеют отклонения от вертикальной оси - загнуты под небольшим углом (10…15°), что способствует при ее реверсивном круговом движении перемещению биомассы в зоне гребенки в вертикальной плоскости и полному заполнению полостей корпуса, служащих, в том числе, накопителями колоний микроорганизмов, для их дальнейшей инокуляции во вновь поступающую биомассу.
Известно, что микробиологический процесс компостирования описывается кривой роста культуры микробов, состоящий из четырех фаз: лаг-фаза, фаза экспоненциального роста, стационарная фаза и фаза лизиса (отмирания) клеток [8].
Лаг-фаза - это длительный процесс саморазогрева биомассы. В предлагаемом устройстве этот период существенно сокращен за счет ее предварительного разогрева в трубе 2, нижний конец которой входит в начало зоны фазы экспоненциального роста бактерий. Вновь поступающая под действием силы тяжести новая порция сырья из трубы перемешивается гребенкой 10 мешалки и одновременно активно насыщается кислородосодержащим газом, поступающим из концов мешалки от компрессора 11 через открытый вентиль 12, муфту скольжения 13 и кольцевую пустотелую трубу 9 мешалки.
Начавшаяся в зоне расположения гребенки 10 мешалки фаза экспоненциального роста микробов продолжается при движении биомассы вниз в зоны расположения в корпусе электродов 18 и теплообменников 21.
Металлические перфорированные электроды 18 закреплены на изолированной пластине 17 (или нескольких пластинах) уголками кверху навстречу движения сырья, что предохраняет от разрушения размещенные в них ленты «ершовой биозагрузки» [9] для накапливания и усиленного размножения в них колоний микроорганизмов.
Кроме того, на попарно соединенные электроды 18 от источника питания 16 подан электропотенциал для электроудерживания бактерий [10, 11], что способствует перемещению микроорганизмов в зону электродов и проникновению их через перфорацию боковых стенок электродов к ершовой биозагрузке. В эту зону поступает также кислородосодержащий газ через вентиль 14 и поддон 15 корпуса.
В процессе твердофазной ферментации происходит разогрев биомассы до 70°C и более, что приводит к пережогу сырья. Для того чтобы регулировать температуру в этой зоне корпуса, введен теплообменник 21, подключенный через первый циркуляционный насос 20 к теплоаккумулятору 22, отбор тепла из которого производится замкнутым контуром с низкопотенциальным рабочим телом.
Рабочее тело, испаряясь в теплообменнике теплоаккумулятора, поступает на паровую турбину 23, которая вращает электрогенератор 24. После турбины рабочее тело в конденсаторе 25 превращается в жидкость и вторым циркуляционным насосом 26 возвращается в теплообменник теплоаккумулятора 22. Избыток полученной электроэнергии с генератора 24 поступает в сеть потребителей.
Ниже зоны расположения теплообменников 22 корпуса начинается стационарная фаза жизни бактериальных клеток, переходящая в фазу лизиса бактерий.
Суммарная высота этих зон и степень готовности (полного превращения биосырья в компост) зависит от конструкции и технологии изготовления корпуса 1.
По предварительной договоренности с представителями ОАО «Авангард» для описанного «Реактора аэробной ферментации биомассы» предлагается использовать утепленные емкости из композиционных материалов диаметром до 4-х метров, длиной секции 6 и более метров [12].
При башенном расположении корпуса загрузка его биосырьем будет представлять определенную проблему, поэтому подобную конструкцию, если это представляется возможным, целесообразно располагать, например, в склоне холма или заглублять в землю. При достаточной высоте цилиндрического корпуса 1 полностью готовый продукт будет шнековым насосом выгружаться через разгрузочное устройство 27.
При другом варианте, когда высота корпуса недостаточна для полной ферментации биосырья, не полностью готовый продукт с температурой около 30°C выгружается шнековым насосом с утепленным корпусом в утепленные емкости ОАО «Авангард», находящиеся в горизонтальном положении, для завершения стадии лизиса и полного превращения продукта в ценный компост.
Предлагаемый реактор позволяет ускорить процессы аэробной твердофазной ферментации, что дает возможность увеличить объемы перерабатываемого навоза, помета и другого органического сырья.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Глазков И.К., Ковалев Н.Г., Туманов И.П. Способ переработки навоза на удобрение. Патент РФ №1813085, МК C05F 3/00, C05F 15/00 (аналог).
2. Егин Н.Л., Мирчетич С.М. Установка для переработки органических отходов в удобрение. Авторское свидетельство СССР №1706423, МПК A01c 3/00 (аналог).
3. Ковалев Н.Г., Малинин Б.М., Туманов И.П. Способ приготовления компоста многоцелевого назначения. Патент РФ №2112764, МПК C05F 3/00 (аналог).
4. Рабинович P.M., Ковалев Н.Г. Установка для приготовления компостов. Полезная модель №39599, МПК C05F 3/00 (аналог).
5. Рабинович P.M. Совершенствование аэробной твердофазной ферментации органического сырья путем оптимизации технологических параметров производственного процесса. Докторская диссертация. Санкт-Петербург-Павловск, 2006.
6. Мягков М.И., Алексеев Г.М. и др. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №363523, МПК B02c 17/18 (прототип).
7. Аэробная ферментация при переработке ТБО [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ztbo.ru. Раздел: переработка мусора.
8. Артамонов B.C., Иванюк Г.К., Журкович В.В. и др. Ресурсосберегающие технологии переработки твердых бытовых отходов жилищно-коммунального хозяйства, обеспечивающие безопасность жизнедеятельности мегаполиса. Санкт-Петербург: «Гуманистика», 2008.
9. Экопромэкология. Ершовая биозагрузка [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.epcs.ru/03.
10. Гвоздяк П.И., Чеховская Т.П. Электроудерживание микроорганизмов // Микробиология, т. XLV, 1976, вып. 5, с. 901-904.
11. Чеховская Т.П. Электроудерживание микроорганизмов в очистке воды. Диссертация доктора биологических наук. Киев, 1983.
12. Крупногабаритные изделия из стеклопластика. Продукция из пластмассы и резины ОАО «Авангард» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.avangard-plastik.ru.