АЭРАТОР И ФЕРМЕНТЕР С АЭРИРУЮЩИМ И ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 1997 года по МПК A01K63/04 C02F3/16 C12M1/04 

Настоящее изобретение относится к области биологической обработки жидкостных сред, точнее к биологической очистке водоемов и сточных вод, а также к аэробному выращиванию микроорганизмов, и может быть использовано в очистных сооружениях сельскохозяйственного производства, предприятий пищевой промышленности и коммунального хозяйства, для обеспечения кислородом водоемов и в производстве биомассы в ферментерах.

Известны устройства для аэрации водоемов и сооружений для биологической очистки сточных вод. Эти устройства можно условно разделить на следующие три группы: пневматические аэраторы и перемешиватели, механические перемешиватели с принудительной подачей аэрирующего воздуха в зону действия аэрирующего устройства и устройства с поверхностной аэрацией и глубинным перемешиванием.

Следует отметить, что установки для биологической очистки разрабатываются с учетом применяемых аэрирующих устройств.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому аэратору является аэратор по патенту ФРГ N 949696, кл. A 01 K 63/00, опубликованному в 1956 году, представляющий собой заглубленный в водную среду и ориентированный параллельно поверхности воды насос с входным фильтром, приводимый в действие электродвигателем и имеющий на выходе эжекционные насадки, на вход которых через воздуховод подается атмосферный воздух.

Указанный аэратор используется для аэрации воды в рыбоводных прудах и в связи с горизонтальным расположением обеспечивает локальную аэрацию малого объема водной среды, достаточную только для создания ограниченной зоны, насыщенной кислородом, в большом водном объеме.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение эффективной аэрационной очистки жидкостных сред в больших объемах при минимальных материалах и энергетических затратах.

Поставленная задача решается тем, что в аэраторе, содержащем заглубленный в жидкостную среду насос с выходным эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой, согласно изобретению насос установлен в стакане, размещенном перпендикулярно поверхности жидкостной среды, а выход эжектора расположен наклонно к вертикали для обеспечения спирального тангенциального движения газожидкостной струи, выходящей из эжектора.

Такое размещение насоса обеспечивает всасывание придонных масс воды с большой площади и их аэрации при небольших энергетических затратах и минимальных габаритах аэратора и обеспечивает очистку больших водоемов за короткое время с восстановлением в них требуемых экологических характеристик.

Одним из вариантов изобретения является такой, в котором стакан снабжен направляющими и газораспределительными средствами, улучшающими эффективность аэрации.

Предлагаемая конструкция аэратора может быть использована в качестве аэрирующего и перемешивающего устройства ферментера для аэробного выращивания микроорганизмов.

Известны конструкции ферментеров, в которых аэрирование осуществляется за счет ввода механической энергии в объем ферментера (в отличие от ферментеров барботажного и эрлифтного типов, в которых перемешивание и аэрирование осуществляют пневматической энергией компремированного воздуха, и барботажных ферментеров с механическим перемешиванием, в которых аэрирование осуществляют пневматической энергией, а перемешивание механической энергией перемешивающего устройства).

К ферментерам этого типа относятся турбоэжекционные ферментеры, наиболее близким из которых к предлагаемому является ферментер по а.с. СССР N 958492, C 12 M 1/06, 1981, в котором аэрирование осуществляется за счет всасывания воздуха при работе перемешивающего устройства.

К недостаткам этого типа устройств относятся невысокая эффективность использования энергии перемешивающих устройств, сложность изготовления перемешивающих устройств и, как следствие, относительно невысокая эксплуатационная надежность.

Основным недостатком указанной конструкции являются высокие затраты энергии на создание необходимого напора жидкой фазы для обеспечения необходимой эжекции газовой фазы.

Технической задачей настоящего изобретения является создание ферментера с компактным и высокопроизводительным устройством, обеспечивающим перемешивание жидкой фазы ферментера с одновременным эффективным ее газоснабжением.

Поставленная задача решается тем, что аэрирующее и перемешивающее устройство ферментера согласно изобретению представляет собой размещенный в жидкостной фазе ферментера насос с эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой.

Предлагаемая конструкция с использованием погружного насоса, напорный выход которого снабжен эжектором, также погруженным в объем жидкой фазы ферментера, позволяет снизить энергозатраты на аэрирование и перемешивание из-за того, что при этом не происходит разрыва струи, циркулирующей в объеме жидкостной фазы ферментера.

Средствами, улучшающими эффективность газоснабжения жидкостной фазы ферментера, являются
сообщение входа эжектора с газовой фазой ферментера;
размещение выхода эжектора наклонно к вертикали;
размещение насоса в стакане;
снабжение заборника воздушной среды эжектора перфорированным раструбом;
установка насоса во внешнем контуре циркуляции жидкостной фазы ферментера.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее изобретение, примеров выполнения предлагаемых устройств.

На фиг. 1 представлены аэрирующее устройство применительно для систем биологической очистки сточных вод и ферментер с его использованием.

На фиг. 1 изображен аэратор, состоящий из центробежного насоса 1 в кожухе с электродвигателем эжектора 2, сопла 3, магистрали 4 воздушной среды, циркуляционного стакана 5. Выход эжектора 2 расположен наклонно к вертикали, а стакан 5 установлен перпендикулярно поверхности жидкостной среды.

Целесообразно стакан 5 снабдить направляющими и газораспределительными средствами (не показаны).

К нижней части центробежного насоса 1 присоединен раструб 6, обеспечивающий всасывание жидкости с широкого пространства.

Стакан 5 представляет собой отрезок трубы с диаметром, превышающим диаметр насоса в 5 10 раз, и предназначен для направленной циркуляции жидкостной среды за счет эрлифта во внешней для центробежного насоса части пространства, занимаемого этой средой.

Аэратор работает следующим образом.

Центробежный насос 1 устанавливают ниже уровня воды на глубину от дна 0,1 0,5 от общей глубины водоема или установки для очистки воды.

Вода или вода совместно с активным илом поднимается по раструбу 6 через входной патрубок в центробежный насос 1 и выходит через выходной патрубок в эжектор 2. За счет эжекции вода, проходящая через эжектор 2, захватывает воздух, поступающий по магистрали 4, который при движении жидкости диспергируется и вместе с жидкостью выбрасывается в объем монолита водоема или установки. Движение воздуха в магистрали 4 обеспечивается напором, создаваемым центробежным насосом 1.

Диспергированный в монолите жидкости воздух поднимается к ее поверхности и обеспечивает дополнительное перемешивание за счет эрлифта. Для обеспечения направленной циркуляции за счет эрлифта. Для обеспечения направленной циркуляции за счет эрлифта устройство дополнительно снабжено циркуляционным стаканом 5.

Технический результат применения предлагаемого аэратора виден при сравнении с импеллерным аэратором типа МВ 22-0,9, имеющим массу 4,8 т и обеспечивающим производительность по кислороду 43 кг/ч при потребляемой мощности 22 кВт.

Кроме того, для предотвращения осаждения активного ила эти аэраторы обычно работают совместно с механическими перемешивающими устройствами типа МПУ-37-3.3, имеющими массу 6,3 т при потребляемой мощности 37 кВт.

Для обеспечения той же производительности по кислороду предлагаемая конструкция аэратора имеет значительно меньшую массу при низкой потребляемой мощности и обеспечивает стабильную работу при погружении центробежного насоса в водную среду от глубины 0,1 м и от поверхности воды до глубины по меньшей мере 6 м.

При этом снижаются материальные и энергетические затраты на подачу воздуха в аэратор, обеспечивается стабильность его энергетического режима работы, а также обеспечиваются перемешивание глубинных слоев воды и предотвращение осаждения активного ила.

В представленном на фиг. 1 варианте конструкции ферментера с использованием описанного аэрирующего и перемешивающего устройства указанное устройство размещено в корпусе 7, снабженном необходимыми штуцерами для подвода источников питания и отвода газовой и жидкой фаз, для обеспечения регулирования технологического процесса, а также теплообменниками (не показаны).

Забор газовой фазы для работы эжектора 2 осуществляют из газовой среды ферментера, а ввод свежей газовой фазы производят непосредственно в газовую среду ферментера, в магистраль 4 или в нижнюю часть ферментера через барботеры. Вывод отработанной газовой фазы производят из газовой среды ферментера.

Это позволяет обеспечить рециркуляцию газовой фазы в объеме ферментера, повышая степень использования источников газового питания, а также осуществлять процессы культивирования микроорганизмов при давлениях выше атмосферного без дополнительных энергозатрат на механическое перемешивание.

Для обеспечения эффективного пеногашения в процессе аэробного выращивания микроорганизмов верхняя часть трубопровода 4, соединяющего газовую среду ферментера с воздушным входом эжектора, снабжена перфорированным раструбом 8, обеспечивающим всасывание осушенной при стекании по раструбу пены в эжектор.

Выход эжектора 2 целесообразно расчистить наклонно к вертикали.

Ферментер работает аналогично описанному выше аэратору.

Конструктивное решение ферментера определяется технологическим процессом культивирования микроорганизмов, осуществляемым в нем.

С целью обеспечения более эффективного газораспределения в ферментере могут быть размещены несколько аэраторов. При этом они могут быть расположены на одном уровне, на различной глубине, а также в комбинированном варианте.

Для интенсивных процессов с высоким уровнем тепловыделения, ферментер может быть выполнен с внешним контуром циркуляции жидкостного потока. В этом случае корпус ферментера 6 выполняет функции циркуляционного стакана, а во внешнем контуре проходит нисходящий поток. На внешнем контуре циркуляции жидкостного потока может быть расположен теплообменник. При этом вход центробежного насоса может быть также расположен на этом контуре, а выход насоса с размещенным на нем эжектором располагается, как в описанных вариантах конструкции ферментера.

Технический результат применения описанной конструкции ферментера заключается в снижении энергозатрат на перемешивание и аэрирование за счет общего повышения использования введенной энергии.

Использование: в микробиологической, пищевой, медицинской промышленности для аэробного культивирования микроорганизмов, а также в очистных сооружениях и для обеспечения водоемов кислородом. Сущность изобретения: аэратор содержит заглубленный в жидкостную среду насос с выходным эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой, насос установлен в стакане, расположенном перпендикулярно поверхности жидкостной среды, а выход эжектора расположен наклонно к вертикали. Целесообразно стакан снабдить направляющими газораспределительными средствами. Ферментер содержит аэрирующее и перемешивающее устройство, представляющее собой погруженный в жидкостную фазу ферментера насос с эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой. Целесообразно вход эжектора сообщить с газовой средой ферментера, выход его расположить наклонно к вертикали, а сам насос установить в стакане. Возможно также оснастить эжектор заборником воздушной среды с перфорированным раструбом, а насос установить во внешнем контуре циркуляции жидкостной среды. Использование аэратора и ферментера обеспечивает снижение материальных и энергетических затрат, повышение эффективности аэрации водных сред за счет неразрывности струи потока циркулирующей жидкой фазы. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Аэратор, содержащий заглубленный в жидкостную среду насос с выходным эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой, отличающийся тем, что насос установлен в стакане, размещенном перпендикулярно поверхности жидкостной среды, а выход эжектора расположен наклонно к вертикали. 2. Аэратор по п. 1, отличающийся тем, что стакан снабжен направляющими и газораспределительными средствами. 3. Ферментер с аэрирующим и перемешивающим устройством, отличающийся тем, что упомянутое устройство представляет собой размещенный в жидкостной фазе ферментера насос с эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой. 4. Ферментер по п. 3, отличающийся тем, что вход эжектора сообщен с газовой средой ферментера. 5. Ферментер по п. 3, отличающийся тем, что выход эжектора размещен наклонно к вертикали. 6. Ферментер по п. 3, отличающийся тем, что насос размещен в стакане. 7. Ферментер по п. 3, отличающийся тем, что эжектор снабжен заборником воздушной среды с перфорированным раструбом. 8. Ферментер по п. 3, отличающийся тем, что насос установлен во внешнем контуре циркуляции жидкостной среды.