МЕТАНТЕНК

Полезная модель относится к области природоохранной техники с преимущественным использованием в отраслях, характеризующаяся образованием значительных количеств органических отходов относительной влажностью 90-98% в 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, также 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.
Известны традиционные способы и устройства получения биогаза и органических удобрений благодаря анаэробному разложению органических веществ метанобразующими бактериями в процессе бескислородной биологической конверсии путем термофильного или мезофильного брожения, при этом содержание метана в производимом биогазе лежит в пределах 40-70%. (Экологическая биотехнология / под ред. К.Ф. Форстера и Д.А.Дж. Вейза. Л.: Химия, 1990).
К недостаткам описанных устройств относится невысокий выход целевых продуктов за счет малой эффективности и неустойчивости технологического процесса анаэробного брожения.
Известен способ получения метана путем трансформации углекислого газа с использованием биологического процесса в электрометаногенном реакторе, снабженном катодом и анодом (заявка США №2009317882, МПК C12N 1/00; С12Р 5/02, опубл. 24.12.2009). Метаногенные микроорганизмы располагают в катодной области, в которую подают углекислый газ. В анодной области могут располагаться микроорганизмы, окисляющие органические субстраты. Катодная и анодная области отделены друг от друга катионо- или анионопроводящими мембранами. Разность потенциалов между электродами создается либо жизнедеятельностью окислительных микроорганизмов, либо доступным источником постоянного напряжения 0,2-2,0 В.
Недостатком электрометаногенного реактора является низкая интенсивность процесса, а также высокие затраты на расходные материалы: катионо- или анионопроводящие мембраны.
Известен биореактор, представляющий собой герметичную емкость оснащенную анодом в виде ерша из графита и катодом в виде графитового стержня, расположенных на расстоянии 50 мм друг от друга (Zhao, Z. et al. Potential for direct interspecies electron transfer in an electricanaerobic system to increase methane production from sludge digestion. Sci. Rep. 5, 11094; doi: 10.1038/srep11094 (2015).) Биореактор оснащен патрубками отбора газа и проб сбраживаемой массы.
Недостатком известного биореактора является невозможность накопления активной биомассы на катоде и невозможность пропускания биогаза через биореактор для его обогащения метаном.
3
Известен метантенк для получения биометана, корпус которого выполнен из листового железа и является катодом (в нижней части корпуса по внутреннему периметру расположен барботер в виде полиэтиленовой трубки с отверстиями, снабженный анодом в виде графитового стержня, окруженного ионопроницаемой перегородкой из перфорированной полиэтиленовой трубки (патент РФ №2555543, МПК C02F 11/04, C02F 1/46, опубл. 10.07.2015, Бюл. №19). Корпус метантенка и анод подключены к источнику постоянного тока с индикацией напряжения и тока. Газовым насосом (макс. производительность 0,5 дм/мин) выделяющийся биогаз постоянно или периодически при помощи барботера возвращают в среду, одновременно осуществляя перемешивание.
Недостатками является невозможность проведения процесса в непрерывном режиме и невозможность накопления активной биомассы на катоде, а также не обеспечивается обеззараживание отходов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является метантенк, состоящий из стального цилиндрического герметичного резервуара с крышкой, оснащенный системами перемешивания, подогрева и контроля температуры, устройствами загрузки и выгрузки, а также удаления газа, центральная часть метантенка содержит устройство для электрофизической обработки сбраживаемой массы, включающее два цилиндрических электрода расположенных один в другом соосно, при этом внутренний электрод является анодом и выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, а внешний является катодом выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, внутренняя поверхность катода и внешняя поверхность анода покрыта углеродным волокном, причем анод соединен с днищем метантенка через диэлектрическую вставку, оснащенную всасывающим патрубком субстрата, а катод соединен с крышкой метантенка через диэлектрическую вставку, оснащенную парубком для выхода газа из электродного пространства и герметичным кабельным вводом, катод и анод соединены кабелями через герметичные кабельные вводы, установленные в крышке и днище резервуара с источником питания постоянного тока с возможностью регулировки напряжения и силы тока (патент РФ №187317, МПК C02F 9/14, C02F 11/04, C02F 3/28, C02F 1/461, опубл. 1.03.2019, Бюл. №7).
Недостатком известного метантенка является невозможность накопления достаточного количества активной биомассы в прианодном пространстве из-за высокой скости восходящего потока, который срезает образующуюся на поверхности анода биопленку.
Задачей предлагаемой полезной модели является ускорение процесса анаэробной переработки жидких органических отходов, получение биогаза с повышенным содержанием метана и стабилизированной обеззараженной сброженной массы, используемой для приготовления удобрений.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность обеспечить накопление активной метаногенной микрофлоры на катоде за счет снижения скорости восходящего потока в кольцевом пространстве, образованным цилиндрическими катодом и анодом с коническими насадками, расположенных соосно в метантенке, а также отделить газы, образующиеся в электродном отсеке, от биогаза, образующегося в метантенке, что позволит исключить возможность ингибирования процесса метаногенеза кислородом, образующимся на аноде, и осуществить циркуляцию биогаза из метантенка в электродный отсек для его обогащения метаном.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый метантенк, состоящий из стального цилиндрического герметичного резервуара с крышкой, оснащенный системой перемешивания, подогрева и контроля температуры, устройствами загрузки и выгрузки, а также удаления газа, центральная часть метантенка содержит устройство для электрофизической обработки сбраживаемой массы, включающее два цилиндрических электрода расположенных один в другом соосно, при этом внутренний электрод является анодом и выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, внешняя поверхность которой покрыта углеродным волокном, а внешний является катодом выполнен в виде трубы, внутренняя поверхность которой покрыта углеродным волокном, причем анод соединен с днищем метантенка через диэлектрическую вставку, оснащенную всасывающим патрубком сбраживаемой массы, а катод соединен с крышкой метантенка через диэлектрическую вставку, оснащенную парубком для отвода газа из электродного пространства и герметичным кабельным вводом, катод и анод соединены кабелями через герметичные кабельные вводы, установленные в крышке и днище резервуара с источником питания постоянного тока с возможностью регулировки напряжения и силы тока, согласно полезной модели, на внешней поверхности анода установлены конические насадки на расстоянии 50 мм друг от друга, количество которых зависит от длины электрода для снижения скорости восходящего потока в прианодном пространстве и удержания активной биомассы, при этом каждая коническая насадки выполнена в виде усеченного конуса из диэлектрического материала, а угол образующей конуса к поверхности анода равен 30° и ее длина составляет 30 мм.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 представлена общая схема метантенка, на фиг. 2 схема размещения конической насадки на аноде.
Метантенк содержит цилиндрический герметичный резервуар 1 с крышкой 2, электронагреватель 3, трубопровод выгрузки сброженной массы 4, цилиндрический катод 5, цилиндрический анод 6 с установленными на нем коническими насадками 24, клапан загрузки субстрата 7, трехходовой клапан 8, верхний патрубок перемешивания 9, нижний патрубок перемешивания 10, насос перемешивания 11, всасывающий патрубок субстрата 12, источник питания постоянного тока 13, патрубок выхода газа из электродного пространства 14, температурный датчик 15, трубопровод перемешивания 16, патрубок выхода биогаза 17, катодный кабель 18, герметичный кабельный ввод 19, анодный кабель 20, герметичный кабельный ввод 21, диэлектрическая вставка анода 22, диэлектрическая вставка катода 23.
Электронагреватель 3 расположен на внешней поверхности цилиндрического герметичного резервуар 1 для подогрева субстарата до температуры процесса, определяемой датчиком 15, установленным в днище резервуара 1. Днище резервуара 1 снабжено трубопроводом выгрузки сброженной массы 4, всасывающим патрубком 12 и герметичным кабельным вводом 21. Внутри резервуара 1 к его днищу через диэлектрическую вставку анода 22 присоединен анод 6. На боковой стенке резервуара 1 установлены верхний патрубок перемешивания 9 и нижний патрубок перемешивания 10, соединенные трубопроводом перемешивания 16 через трехходовой клапан 8 через насос 11 с всасывающим патрубком субстрата 12. Верхний патрубок перемешивания 9 также соединен с клапаном загрузки субстрата 7. Трехходовой клапан 8, верхний патрубок перемешивания 9, нижний патрубок перемешивания 10, насос перемешивания 11, всасывающий патрубок субстрата 12 образуют систему гидравлического перемешивания. В крышке 2 резервуара 1 имеется патрубок выхода биогаза 17, герметичный кабельный ввод 19 и патрубок выхода газа из электродного пространства 14. К внутренней части крышки 2 через диэлектрическую вставку катода 23 присоединен цилиндрический катод 5. Источник питания постоянного тока 13 соединен с помощью катодного кабеля 18 с катодом 5, а анодным кабелем 20 с анодом 6.
Работает метантенк следующим образом.
Подача предварительно обработанного субстрата в резервуар 1 осуществляется посредством насоса-дозатора непосредственно в трубопровод перемешивания 16 через клапан 7.
Перемешивание в резервуаре 1 осуществляется с помощью насоса 11. Сбраживаемая масса движется следующим образом: из кольцевого пространства образованного стенками резервуара 1 и цилиндрическим катодом 5 через кольцевую щель между катодом 5 и днищем резервуара 1 в кольцевое пространство между катодом 5 и анодом 6 в полость анода 6 через всасывающий патрубок субстрата 12 в днище к насосу 11 и от насоса 11 в трубопровод перемешивания 16 через трехходовой клапан 8 поочередно к верхнему патрубку перемешивания 9 и нижнему патрубку перемешивания 10, расположенных тангенциально к кольцевому пространству образованному стенками резервуара 1 и цилиндрическим катодом 5. Насос 11 работает в непрерывно-циклическом режиме 3 минуты работа 2 минуты ожидание. Кратность циркуляции субстрата в реакторе составляет 1,5 объема биореактора в час. Контроль температуры в биореакторе на уровне термофильного режима (52-56°С), осуществляется с помощью электронагревателя 3 и температурного датчика 15. Отвод биогаза, образующегося в кольцевом пространстве образованном стенками резервуара 1 и цилиндрическим катодом 5, осуществляется через патрубок выхода биогаза 17. Отвод газа, образующегося в кольцевом пространстве между катодом 5 и анодом 6, осуществляется через патрубок выхода газа из электродного пространства 14. Подвод электричества к аноду 6 осуществляется по кабелю 20 через герметичный кабельный ввод 21, установленный в днище резервуара 1. Подвод электричества к катоду 5 осуществляется по кабелю 18 через герметичный кабельный ввод 19, установленный в крышке резервуара 2, от источника питания постоянного тока 13 с возможностью регулировки напряжения и силы тока. Эффлюент из метантенка удаляется через трубопровод выгрузки сброженной массы 4 при подаче свежей порции подготовленного субстрата.
Движение сбраживаемой массы в кольцевом пространстве между катодом 5 и анодом 6 осуществляется снизу вверх, т.е. имеет место восходящий поток, к тому же поверхность анода 6, изготовленная из углеродного волокна и установленными на ней коническими насадками 24, способствует снижению скорости восходящего потока в прианодном пространстве и удержанию микроорганизмов с образованием биопленки, что обеспечивает накопление активной метаногенной микрофлоры и приводит к увеличению производительности.