БЛОК БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ
BIOLOGICAL LOADING UNIT

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано в качестве носителя биомассы преимущественно в анаэробных биореакторах, предназначенных для переработки органических отходов животного и растительного происхождения с получением органических удобрений и производства биогаза.
Из уровня техники известно применение в различных типах биореакторов биологических загрузок, которые предназначены для интенсификации процесса биологической очистки или переработки органических отходов.
Так в анаэробном биореакторе для биодеградации осадков канализационной очистной станции по патенту RU 122088 U1, МПК C02F 11/04, опубл. 20.11.2012, применена насадка для удерживания анаэробных микроорганизмов, в качестве которой использованы ерши из лески или капроновой щетины с диаметром волокон не менее 0,2 мм, недостатком которых является недостаточно развитая поверхность адгезии.
Блок биологической очистки сточных вод по патенту RU 92657 U1, МПК C02F 3/02, опубл. 27.03.2010, оборудован полимерной загрузкой для иммобилизации микроорганизмов, причем полимерная загрузка выполнена в виде прямоугольных блоков из волокнистого пористого нетканого материала из синтетических волокон.
Метантенк по патенту RU 2456247, МПК C02F 11/04, опубл. 20.07.2012, снабжен вертикально ориентированными средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры, которые размещены в кольцевом пространстве, между центральной трубой и корпусом метантенка, и выполнены в виде совокупности вертикальных стержней с пористой структурой с возможностью реверсивного вращения всей совокупности и объединенных в верхней части посредством жесткой рамной подвески, связанной с приводом через вал.
Известные блоки для иммобилизации микроорганизмов по патентам RU 92657 U1 и RU 2456247 конструктивно не могут быть использованы в анаэробных биореакторах с неподвижными блоками биологической загрузки.
Известен патент на изобретение RU 2377191, МПК C02F 3/00, опубл. 27.12.2009 (конвенционный приоритет: 29.10.2003 DE 10350502.4), в котором описан гибридный реактор анаэробной очистки сточных вод, обеспечивающий комбинацию работающего с микроорганизмами-гранулами способа UASB (Upflow Anaerobis Sludge Blanket) и иммобилизации микроорганизмов в неподвижном слое, который выполнен в виде расположенных параллельно несущих элементов, находящихся в средней части реактора. Несущие элементы выполнены в виде плит и расположены параллельно, так что между этими несущими элементами в вертикальном направлении имеются пути протекания.
Несущие элементы выполнены пористыми для протекания и из материала, образованного, по существу, соединенными между собой полимерными и керамзитовыми частицами. Плиты расположены друг от друга на расстоянии 3-6 см, в частности предпочтительно расстояние в 3,5-5,5 см. Несущие элементы расположены, если смотреть сверху на поперечное сечение реактора, тангенциально в пакетах, образующих сегменты шестиугольника. Другие расположения также возможны, например, расположения прямоугольных пакетов, пакетов с основной формой многоугольника или расположения с криволинейными плитами. На несущих элементах при работе реактора происходит обрастание микроорганизмами.
Доля объема реактора, занятая несущими элементами, в реакторе по патенту RU 2377191 составляет 15-40%.
В патенте DE 4309779 А1, опубл. 29.09.1994 (RU 2144004 С1, МПК C02F 3/00, C02F 3/10, В29С 43/00, опубл. 10.01.2000), описан биофильтр с несущими элементами для биореактора с неподвижным слоем. Биореактор предназначен для очистки жидкостей с помощью микроорганизмов и снабжен несущими элементами. Несущий элемент имеет пористую структуру, поры которого приспособлены для пропускания жидкости и заселения микроорганизмами. Несущие элементы выполнены предпочтительно, из частичек пластмассы, соединенных друг с другом под воздействием тепла, например, из частиц полиэтилена средней плотности.
Кроме того, несущий элемент содержит измельченные частицы керамзита, которые сами по себе являются микропористыми. Между частицами пластмассы и керамзита также образуются поры.
Несущие элементы представляют собой плоские образования с толщиной, которая, по сравнению с поверхностью элементов-носителей, незначительна. Несущие элементы поддерживаются на расстоянии друг от друга с помощью распорных стержней, благодаря чему определяются пути протекания (протоки) между несущими элементами.
Недостатком известных несущих элементов по патенту DE 4309779 является большие расходы на их изготовление.
Блок биологической загрузки по патенту на полезную модель RU 158003 U1, МПК C02F 3/00, опубл. 20.12.2015, содержит несущие элементы, которые поддерживаются на расстоянии друг от друга с помощью распорных стержней. Несущие элементы выполнены в виде коаксиально расположенных цилиндрических каркасов, на поверхности которых установлен слой материала с пористой структурой для удерживания анаэробных микроорганизмов. Известная конструкция по патенту RU 158003 U1, 2015 г. обеспечивает увеличение поверхности адгезии, упрощает конструкцию и стоимость блока биологической загрузки, однако не обеспечивает качественного перемешивания биомассы при протекании через протоки.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является блок биологической загрузки, выпускаемый Заводом «Техводхоз», ООО, РФ, г. Самара (электронный ресурс, https://z-tvh.ru/produkcziya/biologicheskaya-ochistka/bloki-biologicheskoj-zagruzki/. Дата обращения - 07.09.2018), который содержит выполненные из полимерного материала элементы трубчатой формы с сетчатой структурированной боковой поверхностью, собранные в блок прямоугольной формы. Сетчатые элементы скреплены в блок спайкой по продольным торцовым поверхностям, имеют большую площадь поверхности и обеспечивают хорошее прикрепление микроорганизмов. Однако, при использовании в качестве биологической загрузки для анаэробных биореакторов с верхней подачей сырья блока биологической загрузки - прототипа для качественного перемешивание биомассы требуются дополнительные устройства.
В основу настоящего изобретения положена задача создания блока биологической загрузки для анаэробных биореакторов с верхней подачей сырья с ускоренным процессом переработки биомассы за счет улучшения перемешивания биомассы и увеличения количества микроорганизмов в объеме блока.
Указанная задача решается тем, что в блоке биологической загрузки, включающем модули для заселения микроорганизмами, которые образованы из вертикально ориентированных элементов трубчатой формы, скрепленных по продольным торцовым поверхностям, согласно изобретению, модули расположены слоями, элементы модулей, расположенные в смежных слоях, смещены в горизонтальной плоскости на половину поперечного размера элемента и имеют зазор между слоями, при этом элементы модулей выполнены из полимерного материала с микропористой структурой, обеспечивающей сквозное проникновение микроорганизмов.
Задача решается также тем, что на одной из боковых сторон модулей установлены элементы с половинным размером поперечного сечения, при этом стороны модулей с половинами элементов в соседних слоях направлены в противоположные стороны.
Кроме того, угловые полноразмерные элементы модуля длиннее остальных элементов в слое на величину зазора между слоями.
Улучшение перемешивания биомассы обеспечивается за счет растекания сырья в зазоре между модулями, а также из-за разделения сырья на парциальные потоки при попадании сырья в элементы нижнего слоя, расположенные с осевым смещением. Происходит эффективное пассивное перемешивание биомассы, не требующее использования дополнительных устройств.
Увеличение количества микроорганизмов в объеме блока достигается выполнением элементов модулей из полимерного материала с микропористой структурой, обеспечивающей сквозное проникновение микроорганизмов, что приводит к заселению микроорганизмов как на поверхности, так и в порах глубинных слоев элементов модуля.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - блок биологической загрузки, общий вид;
на фиг. 2 - модули в смежных слоях, общий вид;
на фиг. 3 - вид сверху на модули, представленных на фиг. 2.
Блок биологической загрузки содержит модули для заселения микроорганизмами, которые расположены слоями. Каждый модуль образован из вертикально ориентированных элементов трубчатой формы, скрепленных по продольным торцовым поверхностям. На чертежах в качестве примера приведены модули в виде прямоугольных параллелепипедов с элементами 1 цилиндрической формы с диаметром D. Форма поперечного сечения элемента может быть и другой, например, квадратной или эллиптической. Величина зазора Δ между слоями обеспечивается за счет изготовления полноразмерных угловых элементов 2 модуля длиннее остальных элементов в слое на величину зазора между слоями. Одновременно эти элементы являются опорными. На одной из боковых сторон модулей установлены элементы 3 с половинным размером поперечного сечения D/2, при этом стороны модулей с элементами 3 в смежных слоях 4 и 5 направлены в противоположные стороны. Такое взаимное положение модулей обеспечивает смещение элементов модулей, расположенных в смежных слоях, в горизонтальной плоскости на половину диаметра D/2, что приводит к образованию парциальных каналов 6 (см. фиг. 3).
Элементы модулей выполняют из полимерного материала толщиной 5-10 мм с микропористой структурой, поры которого приспособлены для заселения микроорганизмами, например из полиэтилена низкого давления. Заселение микроорганизмов как на поверхности, так и в порах глубинных слоев элементов модуля приводит к увеличению их количества, что ускоряет процесс анаэробной переработки биомассы.
Блок биологической загрузки функционирует следующим образом.
Подготовленная биомасса подается сверху с равномерным распределением по всей поверхности модуля. Биомасса движется через протоки, образованные элементами модуля первого слоя, и через зазор между модулем первого и второго слоя попадает в элементы модуля второго слоя, расположенные со смещения в горизонтальной плоскости на половину диаметра элемента D/2. При этом происходит пассивное перемешивание биомассы как в зазоре между модулями, так и за счет разделения каждого потока биомассы, прошедшего через протоки, образованные элементами модуля первого слоя, на парциальные потоки 5, образующиеся за счет осевого смещения элементов модуля второго слоя. Последующее перемешивание биомассы в нижележащих модулях происходит аналогичным образом. При этом чем больше количество слоев модулей, тем качественнее перемешивание.
При практической реализации блока биологической загрузки с модулем в 6,5*6 элементов с диаметром D=50 мм, высотой - 300 мм и величиной зазора Δ=50 мм эффективное перемешивание достигается при размещении модулей не менее, чем в 12 слоев.
Улучшенное перемешивание биомассы и увеличенное количества микроорганизмов в объеме блока обеспечивают ускорение процесса анаэробной переработки биомассы.
Блок биологической загрузки наибольшее применение может найти при формировании биологической загрузки в анаэробных биореакторах вертикального расположения с верхней подачей сырья.