Биореакторная установка для анаэробной обработки органических отходов животного и растительного происхождения с получением органических удобрений и биогаза
BIOREACTOR PLANT FOR ANAEROBIC TREATMENT OF ORGANIC WASTES OF ANIMAL AND VEGETABLE ORIGIN TO PRODUCE ORGANIC FERTILIZERS AND BIOGAS

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для анаэробной переработки органических отходов животного и растительного происхождения с получением органических удобрений и производства биогаза в биореакторах с неподвижными носителями для заселения микроорганизмами.
Большие объемы органических отходов, образующихся в процессе деятельности сельскохозяйственных и животноводческих предприятий, в том числе навоза и птичьего помета, сложность реализации инженерно-технических задач их подготовки, переработки и утилизации указывают на необходимость совершенствования устройств для эффективной переработки органических отходов.
Для интенсификации процесса массообмена между анаэробными микроорганизмами и биомассой необходимо выполнение целого ряда условий, среди которых важнейшими являются увеличение количества микроорганизмов в объеме биореактора, эффективное перемешивание биомассы для улучшения контакта микроорганизмов с частицами биомассы и стабильное поддержание температуры биомассы.
Увеличение количества микроорганизмов в известном патенте на изобретение RU 2377191, МПК C02F 3/00, опубл. 27.12.2009 (конвенционный приоритет: 29.10.2003 DE 10350502.4), обеспечивается за счет иммобилизации микроорганизмов в неподвижном слое, который выполнен в виде расположенных параллельно несущих элементов, находящихся в средней части биореактора. 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 биореактора, занятая несущими элементами с микроорганизмами, в биореакторе по патенту RU 2377191 составляет 15-40%, что снижает его производительность.
Известны устройства для механического перемешиванием биомассы, которые обеспечивают повышение эффективности сбраживания биомассы в биореакторах, см., например, RU 2664457 С1, МПК C02F 11/04, С12М 1/02, С12М 1/107, С12М 1/38, опубл. 17.08.2018; RU 2651940 C1I, С12М 1/02, С12М 1/107, С12М 1/36, C02F 11/04, опубл. 24.04.2018. Однако механическое перемешивание не может быть использовано с биореакторах с неподвижными носителями микроорганизмов.
Известны также устройства для регулировки температуры биомассы. Так в биореакторе по патенту на полезную модель RU 118963 U1, МПК С12М 1/00, опубл. 10.08.2012, устройство для прогрева биомассы содержит теплообменник, выполненный в виде системы труб, размещенной внутри корпуса биореактора, что уменьшает полезный объем биореактора.
Известна биореакторная установка, входящая в состав биогазовой установки по патенту RU 2595426, МПК С12М 1/107, С12М 1/36, C02F 11/04, опубл. 27.08.2016, принятая в качестве прототипа, которая содержит группу однотипных параллельно работающих вертикальных трубчатых биореакторов. Каждый из биореакторов содержит биофильтр в виде заселенных микроорганизмами несущих элементов, создающих вертикальные протоки для биомассы. Несущие элементы выполнены в виде коаксиально расположенных цилиндрических каркасов, на наружной и/или внутренней поверхности которых установлен слой материала с пористой структурой для удерживания анаэробных микроорганизмов. Цилиндрические каркасы поддерживаются на расстоянии друг от друга 3-6 см с помощью распорных стержней. Температурный режим работы в биореакторах обеспечивается подачей биомассы, подогретой до заданной температуры и выполнением биореакторов с термоизоляцией, что не обеспечивает стабильности поддержания заданной температуры биомассы и ухудшает качество переработки сырья. Кроме того, конструкция несущих элементов в виде коаксиально расположенных цилиндрических каркасов не обеспечивает качественное перемешивание биомассы.
В основу настоящего изобретения положена задача создания биореакторной установки, обеспечивающей повышение производительности и качества переработки биомассы, а также расширение ее функциональных возможностей по сзданию различных по производительности биогазовых установок.
Указанная задача решается тем, что в биореакторной установке, содержащей группу однотипных параллельно работающих биореакторов, причем каждый из биореакторов снабжен выходным патрубком, крышкой с входным патрубком и патрубком выхода газа, и содержит заселенный микроорганизмами биофильтр, согласно изобретению, на крышке каждого биореактора дополнительно установлен распределительный узел, подключенный к входному патрубку, корпус каждого биореактора имеет форму вертикально ориентированного прямоугольного параллелепипеда с автоматически регулируемым водяным обогревом, выполненным в виде контуров обогрева из труб, которые снабжены теплоизоляцией и расположены на торцевых и на одной из боковых стенок корпуса биореактора, корпуса биореакторов последовательно состыкованы боковыми стенками, снабженными контуром обогрева, с боковыми стенками без контура обогрева другого биореактора, боковая стенка с контуром обогрева крайнего биореактора закрыта панелью без контура отопления, а боковая стенка без контура обогрева другого крайнего биореактора закрыта панелью, снабженной контуром обогрева, корпус каждого биореактора внутри разделен вертикальными продольными и поперечными ребрами жесткости на секции, в которых установлены элементы биофильтра в виде блоков биологической загрузки, при этом блок биологической загрузки содержит модули, образованные из вертикально ориентированных элементов трубчатой формы, выполненных из полимерного материала с микропористой структурой, обеспечивающей сквозное проникновение микроорганизмов, элементы модулей скреплены по продольным торцовым поверхностям, модули расположены слоями, при этом элементы модулей, расположенные в смежных слоях, смещены в горизонтальной плоскости на половину поперечного размера элемента и имеют зазор между слоями. Технический результат достигается также тем, что:
- распределительный узел биомассы содержит подключенные к входному патрубку распределительные камеры, к каждой из которых подключены, по крайней мере, две форсунки, снабженные патрубками прочистки;
- регулировку температуры биомассы внутри каждого биореактора обеспечивают путем автоматической регулировки температуры воды, поступающей в контуры обогрева, по данным датчиков температуры, установленных в контурах обогрева и внутри биореакторов;
- на одной из боковых сторон модулей блока биологической загрузки установлены элементы с половинным размером поперечного сечения, при этом стороны модулей с половинами элементов в смежных слоях направлены в противоположные стороны;
- угловые полноразмерные элементы модуля блока биологической загрузки длиннее остальных элементов на величину зазора между слоями;
- биореактор снабжен двумя выходными патрубками.
Повышение производительности и качества переработки биомассы достигается за счет увеличения количества микроорганизмов и улучшения перемешивания биомассы в биофильтрах биореакторов, а также стабилизацией температурного режим биомассы во всем объеме биореакторной установки. Расширение функциональных возможностей биореакторной установки обеспечивается возможностью ее комплектования тем количеством биореакторов, которое соответствует по производительности проектируемой установки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - биореакторная установка, общий вид;
на фиг. 2 - биореактор, вид с боковой стороны без контура обогрева;
на фиг. 3 - биореактор, вид с торцевой стороны;
на фиг. 4 - разрез А-А по горизонтали изображения биореактора на фиг. 2;
на фиг. 5 - разрез Б-Б по вертикали изображения биореактора на фиг. 3;
на фиг. 6 - контур водяного обогрева на боковой стенке;
на фиг. 7 - распределительный узел, вид сверху со снятым кожухом;
на фиг. 8 - распределительный узел, вид сбоку;
на фиг. 9 - модули в смежных слоях, общий вид;
на фиг. 10 - вид сверху на модули, изображенные на фиг. 9.
Биореакторная установка 1 содержит группу однотипных параллельно работающих биореакторов 2. Количество биореакторов определяется заданной производительности проектируемой биореакторной установки. Корпус каждого биореактора имеет форму вертикально ориентированного прямоугольного параллелепипеда и снабжен водяным обогревом, выполненным в виде контуров обогрева 3 из труб. Теплоноситель циркулирует в контурах обогрева через патрубки 4 для подвода и патрубки 5 для отвода теплофикационной воды. Количество контуров и расстояние между соседними элементами контуров выбирают из условия равномерного обогрева поверхности стенок корпуса. На фиг. 6 приведен пример выполнения контура обогрева боковой стенки биореактора в виде двух параллельных контуров трубопровода.
При этом ширину биореактора выбирают из условия быстрого прогревания биомассы по всей ширине биореактора, предпочтительно в диапазоне от 600 до 800 мм. Контура обогрева 3 снабжены теплоизоляцией и расположены на торцевых 6 и на одной из боковых стенок 7 корпусов биореактора. На другой боковой стенке 8 контур обогрева не установлен. Корпуса биореакторов 2 последовательно состыкованы боковыми стенками 7, снабженными контуром обогрева, с боковыми стенками 8 без контура обогрева другого биореактора. Боковая стенка без контура обогрева крайнего биореактора закрыта панелью 9, снабженной контуром обогрева, а боковая стенка с контуром обогрева другого крайнего биореактора закрыта панелью 10 без контура отопления. Соединение биореакторов между собой и присоединение панелей производится, например, с помощью фланцев 11. Такое конструктивное решение системы обогрева упрощает монтаж биореакторов в единую установку, при этом в собранном виде обеспечивается обогрев каждого из биореакторов со всех сторон.
Каждый из биореакторов 2 снабжен крышкой 12, на которой установлен подключенный к входному патрубку 13 распределительный узел 14, закрытый кожухом 15, и патрубок 16 выхода газа. Для обеспечения более равномерного выхода отработанного сырья биореакторы могут быть снабжены двумя выходными патрубками 17 и 18 (см. фиг. 2).
Распределительный узел 14 (см. фиг. 7 и фиг. 8) предназначен для равномерного распределения биомассы по поверхности биофильтра и содержит подключенные к входному патрубку распределительные камеры 19, к каждой из которых подключены, по крайней мере, две форсунки 20, снабженные патрубками 21 прочистки.
Корпус каждого биореактора 2 внутри разделен (см. фиг. 4) вертикальными продольными 22 и поперечными 23 ребрами жесткости на секции, в которых установлены элементы биофильтра 24 в виде блоков 25 биологической загрузки (БЗ).
Каждый блок БЗ содержит модули 26 для заселения микроорганизмами, которые расположены слоями. На фиг. 9 приведены два модуля 27 и 28, расположенные в смежных слоях. Каждый модуль образован из вертикально ориентированных элементов 29 трубчатой формы, скрепленных по продольным торцовым поверхностям. На фиг. 9 в качестве примера приведены модули в виде прямоугольных параллелепипедов с элементами 29 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 30 модуля длиннее остальных элементов в слое на величину зазора между слоями. Одновременно эти элементы являются опорными. На одной из боковых сторон модулей установлены элементы 31 с половинным размером поперечного сечения D/2, при этом стороны модулей с элементами 31 в смежных слоях 27 и 28 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 32 (см. фиг. 10).
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.
Подготовленная биомасса подается сверху в каждый из биореакторов 2, которые работают автономно. Биомасса с помощью распределительного узла 14 равномерно распределяется по всей поверхности верхних модулей блоков БЗ. В каждом блоке БЗ 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 32, 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 БЗ 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.
Температурный режим работы в биореакторах обеспечивается подачей подогретой биомассы и регулировкой температуры биомассы внутри каждого биореактора путем автоматической регулировки температуры воды, по данным датчиков температуры 33 и 34, установленных в контурах обогрева и внутри биореакторов.
Увеличенное количества микроорганизмов в биофильтре, улучшенное перемешивание биомассы в объеме биореактора и поддержание постоянной температуры биомассы обеспечивают ускорение процесса анаэробной переработки биомассы и повышают производительность биореакторной установки.
3
3
3
При внутренних измерениях биореактора: длина - 2,5 м, ширина - 0,7 м и высота - от 3,6 м до 6 м, объем одного биореактора составляет от 6,3 м до 10,5 м. С учетом объема, занимаемого элементами биофильтра, биореакторная установка с возможностью комплектования до 10 биореакторов перекрывает объем единовременно перерабатываемого сырья до 50 м, что расширяет функциональные возможности биореакторной установки по использованию в малых и средних фермерских хозяйствах.