Анаэробный кислотогенный биореактор для подготовки органической фракции ТБО совместно с активным илом аэротенков канализационной очистной станции к сбраживанию для получения биогаза

Полезная модель относится к устройствам для подготовки органической фракции твердых бытовых отходов (ОФ-ТБО) к превращению в биогаз и может быть использована в коммунальном хозяйстве городов для улучшения экологической обстановки в жилой застройке.
Известно использование переработки твердых бытовых отходов для их обезвреживания на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО), закрывающих захороненный мусор запирающим слоем из грунта, глины и почвы, и оборудованных дренажной системой отвода фильтрационных вод (личатов) и выделяющихся в результате анаэробной деградации органических веществ газов [1, 2]. Однако полигоны занимают большие площади земли, загрязняют окружающую среду и требуют дорогостоящей очистки фильтрата (дренажной воды). Активные микробиологические процессы протекают на полигонах в течение первых 10-30 лет, затем они затухают, и полигоны превращаются в биологически малоактивные, но загрязненные и экологически опасные объекты, существующие в таком виде неопределенно долгое время.
При сбраживании ОФ-ТБО совместно с активным илом аэротенков канализационной очистной станции в анаэробных биореакторах, изолированных от окружающей среды и поэтому не наносящих ей вреда, процесс микробного разложения отходов ускоряется в сотни раз [3].
Выход биогаза при анаэробном разложении органических отходов пропорционален степени разложения органического вещества. К сожалению, при сбраживании органического вещества активного микробного ила канализационной очистной станции и некоторых трудноразлагаемых (уличный смет и т.п.) и крупных (более 15 мм) фракций органических компонентов ТБО может наблюдаться относительно низкий выход биогаза, что обусловлено устойчивостью клеточных стенок живых микроорганизмов и лигноцеллюлозных соединений к разложению и затрудненным доступом микроорганизмов к разлагаемому субстрату. В практике анаэробного сбраживания известно использование кислотогенного сбраживания для повышения степени разложения органического вещества за счет активизации жизнедеятельности бактерий, проводящих биохимическое окисление на стадии гидролиза и кислотогенеза, что позволяет достигнуть более высокой эффективности процесса в целом [4].
Наиболее близкой конструкцией к предлагаемому техническому решению является конструкция установки для анаэробной очистки промышленных сточных вод [5].
В известной установке не предусмотрено наличие приспособлений, необходимых для достаточно интенсивного непрерывного перемешивания смеси активного микробного ила и органических компонентов ТБО, и обеспечивающих эффективный массообмен между органическими компонентами ТБО и анаэробными гидролитическими и ферментативными микроорганизмами.
Задачи полезной модели
1. Подготовить органические компоненты ТБО и активный микробный ил к сбраживанию в метантенках посредством предварительного разложения сложных нерастворимых биополимерных молекул органических отходов до растворимых мономеров, в основном летучих жирных кислот (ЛЖК), для увеличения степени распада органических веществ, выхода биогаза и содержания в нем метана.
2. Интенсифицировать процесс перемешивания смеси активного микробного ила и органических компонентов ТБО и обеспечить эффективный массообмен между органическими компонентами ТБО и анаэробными гидролитическими и ферментативными микроорганизмами.
Анаэробный биореактор предварительной кислотогенной стадии брожения, содержащий цилиндрический корпус-резервуар с коническим днищем и перекрытием, трубопровод подачи исходной сбраживаемой смеси, сброженной иловой смеси из метантенка с режимом щелочного брожения, трубопроводы отвода сброженной смеси и газа, снабженный газовым киоском для упорядоченного выпуска газов брожения, отличающийся тем, что для циркуляции сбраживаемой смеси активного ила аэротенков канализационной очистной станции и ОФ-ТБО и улучшения массообмена между анаэробными гидролитическими и ферментативными микроорганизмами и органическими компонентами ТБО резервуар оснащен газлифтами и циркуляционными насосами с режущей кромкой рабочего колеса.
Шаг газлифтов, обеспечивающих циркуляцию в течение одного часа всего объема жидкости в анаэробном биореакторе, составляет не более 2-х метров по всему днищу резервуара, количество циркуляционных насосов должно быть принято таким, чтобы за период анаэробной обработки компонентов ТБО и активного ила, смесь проходила через насосы не менее 2-х раз.
Конструкция анаэробного кислотогенного биореактора поясняется Фиг. 1, 2, 3, где на Фиг. 1 приведен поперечный разрез анаэробного резервуара, на Фиг. 2 показано размещение газлифтов по днищу резервуара анаэробного биореактора, на Фиг. 3 показана зависимость величины ХПК растворенного органического вещества в форме ЛЖК (треугольники) и общего растворенного органического вещества (круги) избыточного активного ила от времени его пребывания в анаэробном кислотогенном биореакторе. На Фиг. 1, 2, 3 используются следующие позиции:
1.1. Коническое перекрытие анаэробного резервуара 1; 1.2. Коническое днище анаэробного резервуара 1; 2. Газовый колпак для отвода газа брожения 2.1; 3. Газлифтные трубы; 4. Подвод газа брожения к газлифтной трубе; 5. Циркуляционный насос с режущей кромкой рабочего колеса; 6. Трубопровод ввода теплоносителя в газлифтные трубы 3; 7. Трубопровод ввода сброженной иловой смеси из метантенка с режимом щелочного брожения; 8. Загрузочный люк ввода флотоконцентрата органических компонентов ТБО в смеси с избыточным активным илом аэротенков канализационной очистной станции; 9. Гидрозатвор для газа брожения и воздуха; 10. Трубопровод отвода сбраживаемой массы к циркуляционному насосу 5.
3
Органические компоненты ТБО после их измельчения и флотационного отделения от минеральных компонентов (металла и стекла) влажностью около 70% смешиваются в соотношении 1:20 с избыточным активным илом аэротенков очистной канализационной станции в концентрации 4 кг/м и загружаются через люк 8, снабженный гидрозатвором 9, исключающим проникновение воздуха в резервуар 1 анаэробного биореактора из атмосферы.
Газлифтные трубы 3 диаметром не менее 500 мм, использующие для работы циркуляционный газ брожения в смеси с паром, обеспечивают перемешивание всего объема жидкости резервуара 1 анаэробного биореактора в течение одного часа не менее 100 раз.
Пример 1
2
2
3
Диаметр резервуара 1 анаэробного биореактора составляет 16 метров, площадь поперечного сечения F=16⋅0.785=200 м, высота резервуара 12 метров, а объем резервуара около 2400 м.
2
3
3
3
3
При размещении труб диаметром 500 мм с шагом 2 метра по днищу размещается 31 труба. При скорости движения жидкости в трубе 1 м/сек и сечении трубы 0,2 м расход потока жидкости составляет 0,3 м/сек, суммарный расход 31 трубы составляет 9 м/сек или 9⋅3600 сек/час = 32400 м/час; 32400:2400=135 раз, такая циркуляция сбраживаемой массы исключает залегание органических компонентов ТБО и активного ила на днище анаэробного биореактора и обеспечивает поддержание оптимальной температуры процесса анаэробной подготовки органических компонентов ТБО к сбраживанию в метантенке совместно с первичным осадком очистной станции канализации жилого массива. Производительность газодувки для подачи газа в газлифты равна 30000 м/час. Количество теплоносителей пара назначается индивидуально для каждого региона в зависимости от температуры окружающего воздуха и теплопотерь через стенки резервуара 1.
х
3
3
3
Поскольку органические компоненты ТБО после измельчения имеют размеры от 15 мм и более, то для их более полного биологического разложения, а также для исключения комкования и залегания на днище биореактора и в трубопроводах циркуляции необходимо осуществлять измельчение частиц органических компонентов до величины 3-5 мм, а для этого циркуляционный насос должен иметь рабочее колесо с режущей кромкой и производительность, обеспечивающую прокачку за 3 суток времени анаэробной подготовки смеси к сбраживанию в метантенке с первичным осадком сточных вод не менее 2 раз, т.е. объем 2400 м дважды за трое суток - это 4800 м за 72 часа или 4800:72 часа = 67 м/час.
На графике (фиг. 3) показана зависимость величины ХПК растворенного органического вещества в форме ЛЖК (треугольники) и общего растворенного органического вещества (круги) избыточного активного ила от времени его пребывания в анаэробном кислотогенном биореакторе.
Работает анаэробный биореактор кислотогенной стадии брожения следующим образом: за пределами анаэробного биореактора ТБО измельчаются и подвергаются флотационному разделению на органические и минеральные компоненты. Далее органические компоненты смешиваются с избыточным активным илом аэротенков в соотношении 1:20 и влажностью около 95% загруженного через люк 8 внутрь анаэробного резервуара 1, имеющего коническое перекрытие 1.1 и коническое днище 1.2. За счет размещения газлифтных труб внутри резервуара 1 с шагом 2 метра газлифты обеспечивают непрерывное перемешивание смеси и подготовку ее к сбраживанию в метантенках совместно с первичным осадком сточных вод. Для поддерживания pH среды и температуры внутри резервуара 1 вводится сброженный осадок по трубе 7 и теплоноситель (пар) по трубе 6 совместно с газом брожения по трубе 4. Исключает залегание и комкование смеси циркуляция подготовленной смеси через насос рециркуляции 5, снабженной рабочим колесом с режущей кромкой. Наличие измельченной пластмассы в флотоконцентрате органических компонентов ТБО способствует поддержанию в анаэробном биореакторе биоценоза прикрепленных микроорганизмов и стабильности процесса в анаэробной установке.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, идентификационный номер RFMEFI60714X0024.
Источники информации
1. “Водоснабжение II. Ассоциация инженеров строителей Финляндия «новый журнал»” Санкт-Петербург, 2005 г. 688 с., с. 579.
2. Мирный А.Н., Скворцов Л.С., Пупырев Е.И., Корецкий В.Е., Смирнов А.Н. Санитарная очистка и уборка населенных мест, справочник (под ред. Мирного А.Н.). // М.: Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова. 2010. 367 С.
3. Nikitina А.А., Kevbrina M.V., Kallistova A.Yu., Nekrasova V.K., Litti Yu.V., Nozhevnikova A.N. Intensification of microbial decomposition of organic fraction of municipal waste: Laboratory and field experiments // Applied Biochemistry and Microbiology. - 2015. - T. 51. - №.4. - C. 393-401.
4. Eastman J.A., Ferguson J.F. Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion // Journal (Water Pollution Control Federation). - 1981. - C. 359.
5. А. св. СССР №829590 «Устройство для анаэробной очистки промышленных сточных вод». Авторы: Куликов Н.И. и др. Заявитель Макеевский инженерно-строительный институт. Заявка №2833481. Приоритет от 24.07.1979 г. Зарегистрирована 14.01.1981 г.