АППАРАТ ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ И ПОЛУЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ
APPARATUS FOR BIOCHEMICAL PROCESSING OF LIQUID AND SEMI-LIQUID ORGANIC SUBSTRATES

Предлагаемое техническое решение относится к области переработки органических субстратов влажностью 95-97% с концентрацией органического вещества не менее 20 г/л. Такими субстратами являются полужидкий и жидкий навоз, образующийся при самосплавном навозоудалении, на средних и крупных животноводческих комплексах (фермах), первичный осадок и сгущенный активный ил из сооружений механобиологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод (на городских очистных сооружениях) и стоков после переработки сельскохозяйственной продукции.
Исходными субстратами для биохимической переработки в предлагаемом аппарате могут являться бесподстилочные навоз и помет, осадки первичных отстойников, избыточный активный ил аэротенков.
Более конкретно, аппарат предназначен для интенсивной аэробно-анаэробной переработки вышеуказанных субстратов в стабилизированный и обеззараженный продукт - эффлюент, и метаносодержащий газ - биогаз.
Известные недостатки традиционного анаэробного метаногенного процесса низкая удельная производительность, значительное (до 70%) потребление энергии на собственные нужды частично устранены в устройстве-аналоге; см. патент США №6730223, Европатент 2105414 по кл. C02F 3/28/
В устройстве-аналоге исходный субстрат подвергается гидролизу в паровом автоклаве с последующей анаэробной переработкой гидролизованного субстрата в комбинированном вертикальном аппарате -анаэробном биореакторе. На анаэробной первой стадии обработке подвергается весь субстрат.После фильтрационного разделения на фракции дополнительной анаэробной обработке подвергается жидкая фракция субстрата (первичного эффлюента). Целевыми продуктами являются: стабилизированные фракции (твердая фракция первичного эффлюента, вторичный эффлюент на выходе из анаэробного биофильтра) и биогаз. Применение предварительной обработки - гидролиза позволяет повысить интенсивность анаэробного процесса, улучшить условия перемешивания и разделения на фракции.
Основным недостатком является значительный расход биогаза на получение водяного пара для проведения гидролиза.
Дополнительными недостатками являются:
1) проведение гидролиза в отдельном аппарате-автоклаве, что существенно увеличивает материалоемкость конструкции и теплопотери в окружающую среду.
2) Реализация второй стадии в анаэробном биофильтре, который конструктивно выполнен в виде внешнего коаксиального корпуса, охватывающего корпус основного анаэробного биореактора. Такое решение не позволяет эффективно решить основную задачу -управления гидродинамическим режимом биофильтрации, связанную с равномерным распределением исходного потока в поперечном сечении аппарата.
3) Невозможность эффективного разделения первичного эффлюента на фракции что, в конечном счете, приводит к кольматации фильтрующей системы.
4) Малая концентрация анаэробной биомассы в анаэробном биореакторе вследствие отсутствия средств для интенсивной рециркуляции первичного эффлюента и иммобилизации микрофлоры.
В известной степени, указанные недостатки устранены в аппарате согласно авторскому свидетельству СССР №1301790, кл. C02F 3/60.
Гидролиз и анаэробная переработка субстрата проводятся в отдельных коаксиальных секциях аппарата, конструктивно представляющего собой моноблок. В секции аэробного гидролиза осуществляется подготовка субстрата путем первичной ферментации органического вещества аэробными бактериями гидролитиками и первичный нагрев субстрата за счет выделения биологической теплоты. Такое техническое решение позволяет снизить затраты биогаза на собственные нужды сопряженного процесса переработки субстрата и уменьшить материалоемкость конструкции.
Средства иммобилизации и рециркуляции биомассы отсутствуют. Не предусмотрены разделение субстрата на фракции с последующей обработкой жидкой фракции в биофильтре, что обуславливает низкую скорость ведения анаэробного процесса и, как следствие, ухудшение массогабаритных характеристик аппарата и дополнительные теплопотери в окружающую среду.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является техническое решение согласно патента Японии 4-59040, кл. CO2F 3/28. в аппарате прототипе исходный субстрат подвергается анаэробному гидролизу и предварительной обработке прикрепленной метаногенной микрофлорой в вертикальном цилиндрическом аппарате - анаэробном биореакторе с нисходящим потоком. Обработанный таким образом субстрат поступает в зоны осветления и уплотнения, которые размещены в нижней части аппарата.
Процессы гравитационного осветления и уплотнения интенсифицированы путем предварительной дегазации субстрата с применением лопастного перемешивающего устройства. Жидкая (осветленная) фракция направляется в анаэробный биофильтр, твердая (уплотненная) фракция выводится для последующего депонирования или утилизации. Биогаз, отводимый из газовых частей анаэробных биореактора и биофильтра, используется для получения энергии.
Преимуществом данного устройства в сравнении с аналогами является наличие секций интенсивного осветления и уплотнения, а также компактность, обусловленная возможностью использования высокоскоростных анаэробных процессов в условиях обработки субстрата и жидкой фракции прикрепленной анаэробной биомассой. Применение
В кольцевом пространстве размещена иммобилизирующая регулярная насадка 17 для анаэробной гидролитической, кислото- и метаногенной микрофлоры, выполненной в виде сборки вращающихся стержней 18. Насадка 17 приводится во вращательное движение посредством электромеханического или иного привода 19. Вращательный момент насадке 17 передается через вал 20, место ввода которого в крышку 21 корпуса анаэробной секции 7 герметизируется посредством гидрозатвора 22.
В нижней части корпуса 14 размещены зоны осветления 23 и уплотнения 24 биомассы, причем в средней части зоны осветления предусмотрено лопастное перемешивающее устройство 25, жестко связанное с валом 20 и поддерживаемое опорой 26. Зона уплотнения 24 с разгрузочным устройством 28 известного типа, которое, в свою очередь, связано со всасывающей стороной циркуляционного насоса 10. Верхняя часть зоны осветления 23 через лабиринтное уплотнение 29 гидравлически связана со входом анаэробного биофильтра 16. Иммобилизирующая загрузка анаэробного биофильтра 16 - известного типа (зернистая, кольцевая, из материала с внутренними порами). Вал 20. проходит через центральную трубу 30 анаэробного биофильтра 16, снабженную верхним 31 и нижним 32 уплотняющими устройствами.
Обработанная жидкая фракция - эффлюент - через переливное устройство 33 отводится за пределы аппарата. Анаэробный биофильтр 16 и анаэробная секция - биореактор 7 имеют общую газовую часть 34.
Устройство работает следующим образом.
Исходный субстрат подается во всасывающую часть циркуляционного насоса 10, при необходимости с рециркулируемой биомассой. В трубе Вентури 11 субстрат смешивается с воздухом и затем через патрубок 3 вводится в аэробную секцию 1. В аэробной секции 1 осуществляется биохимическая реакция, в ходе которой органическое вещество субстрата частично распадается с выделением тепловой энергии. Нераспавшееся органическое вещество приобретает свойства, способствующие интенсификации последующей анаэробной переработки: повышается рН, увеличивается относительное содержание растворенного и тонкодисперсного органического вещества. Процесс реализуется в условиях циркуляции по схеме «аэробная секция 1 - циркуляционный насос 10 - труба Вентури 11 - аэробная секция 1».
2
Образующиеся газообразные продукты метаболизма (в основном СО), не прореагировавшийся кислород и инертные составляющие воздуха отводятся за пределы корпуса 2 через патрубок 4. Внутри корпуса 2 обработанный и нагретый субстрат постепенно, огибая полупогружную перегородку 5, поступает к переливному патрубку 8 и затем в корпус анаэробной секции 7. Перемещение субстрата внутри анаэробной секции 7 осуществляется по спиральной траектории. Вращательная составляющая обеспечивается посредством вращения насадки 17, приводимой в действие приводом 19. При этом вращение может быть реверсивным. Общее направление движения субстрата - «сверху вниз». Анаэробная микрофлора, предварительной анаэробной обработки прикрепленной биомассы в условиях нисходящего потока позволяет существенно повысить устойчивость процесса. Недостатком устройства-прототипа следует считать ограничение области его применения, т.к. средства подогрева исходного субстрата не предусмотрены, следовательно, высокую производительность можно достичь только на подогретых субстратах. Другим недостатком является нерациональная двухкорпусная компоновка с раздельными газовыми частями. Применение неподвижной насадки для прикрепления микрофлоры не позволяет использовать динамические факторы интенсификации процесса, особенно в условиях колебания влажности и реологических характеристик субстрата.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, и, как следствие, повышение энергетической эффективности процесса метаногенерации и улучшение массогабаритных характеристик устройства.
Технический результат достигается тем, что в аппарате для биохимической переработки жидких и полужидких органических субстратов, состоящего из анаэробной секции с нисходящим потоком и иммобилизирующей регулярной насадкой с размещенными в нижней части секции зонами осветления и уплотнения биомассы с перемешивающим устройством, причем зона осветления гидравлически связана со входом анаэробного биофильтра, анаэробный биофильтр размещен коаксиально внутри корпуса анаэробной секции с общей газовой частью, иммобилизирующая регулярная насадка выполнена в виде сборки стержней с возможностью вращения, анаэробная секция заключена коаксиально в корпус аэробной секции, выход которой имеет гидравлическую связь с входом анаэробной секции.
Конструктивная схема предлагаемого устройства представлена на фигуре 1.
Устройство состоит из трех коаксиальных секций, выполненных в виде моноблока и снабженных вспомогательными механизмами и приспособлениями.
Внешней секцией является аэробная секция - биореактор - 1, состоящая из кольцевого цилиндрического корпуса 2, патрубка для подведения исходного рециркуляционного субстрата 3, патрубка для отведения газов 4, полупогружной перегородки 5. Внутренняя стенка 6 выполнена общей с анаэробной секцией - биореактором 7 и имеет переливной патрубок 8. В нижней части аэробной секции 1 предусмотрен патрубок 9, соединенный со всасывающей стороной циркуляционного насоса 10. Нагнетательная сторона насоса 10 снабжена трубой Вентури 11 и связана с одной стороны с патрубком 3 и источником сжатого воздуха. Наружная стенка 12 аэробной секции 1 снабжена теплоизоляционным слоем 13. Анаэробная секция - биореактор 7 состоит из кольцевого цилиндрического корпуса 14, со стенками 6 и 15, причем стенка 15 выполнена общей с анаэробным биофильтром 16.
иммобилизированная на пористом покрытии сборки стержней 18, осуществляет переработку субстрата с образованием промежуточных (жирных кислот и других органических соединений) и целевых продуктов (стабилизированной биомассы и метана). Высокая концентрация анаэробной микрофлоры, оптимальный режим перемешивания и наличие гидролизованного органического питания позволит существенно интенсифицировать анаэробный процесс в сравнении с аппаратами-аналогами и прототипом. Стабилизированная биомасса (эффлюент) поступает в зону осветления 23, в которой одновременно протекают два процесса: дегазация биомассы посредством динамического воздействия на комплекс «взвешенное вещество - газовый пузырь» при вращении лопастного перемешивающего устройства 25, и постепенное осаждение взвешенного вещества под действием гравитации. В нижней (предпочтительно конусной) части корпуса анаэробной секции 7 (зоне уплотнения 24) происходит постепенное накопление и сгущение биомассы с последующим ее отведением чрез патрубок 27 в разгрузочное устройство 28. При этом часть биомассы может подаваться в аэробную секцию 1.
Жидкая фаза из зоны осветления 23 поступает через лабиринтное уплотнение 29 в анаэробный биофильтр 16, в котором происходит окончательный распад нестабильного органического вещества. Образовавшийся биогаз накапливается в общей для анаэробной секции 7 газовой части 34 и далее отводное на утилизацию в типовое энергогенерирующее оборудование. Стабилизированная жидкая фракция (эффлюент) через переливное устройство 33 отводится на последующую стадию обработки или утилизируется.