БИОРЕАКТОР Российский патент 2009 года по МПК A01C3/02 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, и получения экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза.

Известен реактор для анаэробного сбраживания жидких органических отходов, например навоза, содержащий теплоизолированную бродильную емкость с водяной рубашкой, патрубками для ввода и вывода сбраживаемой массы, вертикальную, центральную трубу, коаксиально установленную внутри бродильной емкости, не доходящую до днища последней, выполненную с двойными стенками и имеющую направляющие элементы на внешней поверхности и в верхней части патрубок для отхода биогаза, при этом центральная труба снабжена безнапорной магистралью, которая выполнена в виде наклонного патрубка с регулируемым клапаном, сообщенного верхним концом с верхней частью внутренней полости центральной трубы, а нижним концом - с бродильной емкостью, причем нижний конец патрубка погружен в сбраживаемую массу, а направляющие элементы выполнены в виде подвижных лопастей, установленных попарно с наклоном друг к другу (см. авторское свидетельство СССР №1152541, МПК А01С 3/00, опубликованное 30.04.1985).

Недостатки этого известного реактора заключаются в низкой эффективности удаления твердой фракции осадка, особенно при сбраживании полужидкого навоза или высококонцентрированных стоков из-за быстрого уплотнения осадка в зоне нижнего торца центральной трубы, большой длительности процесса брожения вследствие неинтенсивного перемешивания сбраживаемой массы подвижными лопастями, не имеющими привода, высоком коркообразовании на поверхности сбраживаемой массы в верхней части бродильной емкости.

Наиболее близким к предлагаемому реактору является реактор (см. патент FR 2471124 (13) А1, 19.06.1981, на 13 л., фиг 1-2). Сущность данного технического решения заключается в том, что запатентованный реактор содержит горизонтально расположенную стальную емкость, которая имеет загрузочный и выгрузочные люки и подключена к газгольдеру, кроме того, емкость биореактора покрыта теплоизоляцией для поддержания стабильной температуры в биореакторе.

Недостатком данного технического решения является то, что при загрузке смешиваются массы перебродившие и вновь поступившие, так же, как и при выгрузке, происходит выгрузка смешанных масс, что не обеспечивает полного перебраживания сбраживаемой массы и снижает эффективность биореактора.

Технические результаты заявляемого технического решения биореактора заключаются в том, что:

- повышается КПД работы биореактора за счет горизонтальной трубной конструкции биореактора, в которой обеспечивается разделение сбраживаемой биомассы по степени сбраживания, что способствует более полному выделению биогаза;

- создается возможность быстрого получения качественных удобрений, пригодных сразу после пропускания через биореактор для использования в сельском хозяйстве за счет полного перебраживания;

- повышается безопасность работы биореактора за счет того, что загрузочный и выгрузочный люки не имеют запорной арматуры, и давление в рабочей части биореактора удерживается за счет гидрозатвора;

- в заявляемой установке имеется управляющий автомат, выполненный в виде микропроцессорного контроллера, который следит за созданием заданной кислотности, температуры, влажности, давления внутри биореактора, обеспечивая при этом стабильность процесса протекания биореакций. Горизонтальная трубчатая конструкция биореактора, имеющая на выходе свободный излив, обеспечивает простоту обслуживания биореактора.

- смещенная в сторону от центра горизонтальная мешалка, расположенной в нижней части биореактора, обеспечивает более легкое прохождение биомассы внутри биореактора - не создает дополнительного сопротивления.

Заявляемый биореактор выполнен в виде стальной трубчатой емкости, расположенной либо горизонтально, либо под уклоном 3-5 град., разделенной сверху на три секции. Вдоль корпуса биореактора имеются металлические перегородки-сегменты, не доходящие до дна биореактора. Нижняя часть биореактора заключена в водяную рубашку. Длина биореактора зависит от времени сбраживания биомассы, а диаметр трубы - от производительности биореактора.

Первая секция биореактора - загрузочная, она имеет небольшой объем и снабжена в верхней части загрузочным люком, через который осуществляется загрузка биомассы. В первой секции монтируется датчик рН для контроля исходной кислотности загружаемой биомассы.

Вторая секция - рабочая, в ней происходит брожение и образование биогаза. Биогаз поступает в газгольдер через отборное устройство. Во второй секции смонтировано подключение к газгольдеру, а также в ней имеется соединение с микропроцессорным контроллером, на который поступают сигналы с приборов, измеряющих температуру, рН и давление. Биомасса во второй секции периодически, три раза в сутки перемешивается мешалкой, расположенной в нижней части биореактора, и смещенной в сторону от центра.

Третья секция - выгрузочная, имеет небольшой объем. В третьей секции на торцевой поверхности смонтирован открывающийся выгрузочный люк для выгрузки перебродивших масс.

В нижней части торца третьей секции биореактора может быть выполнен открывающийся очистной люк, через который при остановке биореактора выполняется очистка внутренней поверхности биореактора.

На фиг.1 изображен биореактор - вид спереди, на фиг.2 - биореактор - разрез А-А, где

1 - корпус биореактора;

2 - рубашка;

3 - перегородка-сегмент между загрузочной и рабочей секциями;

4 - перегородка-сегмент между рабочей и выгрузочной секциями;

5 - газгольдер;

6 - соединение между рабочей секцией и газгольдером;

7 - горизонтальная мешалка;

8 - датчики, соединенные с управляющим микропроцессорным контроллером;

9 - загрузочный люк;

10 - выгрузочный люк;

11 - очистной люк;

12 - загрузочная секция;

13 - рабочая секция;

14 - выгрузочная секция;

15 - биомасса;

16 - биогаз;

17 - клапан газгольдера;

18 - приемник перебродившей массы.

Биореактор работает следующим образом:

В загрузочную секцию 12 через загрузочный люк 9 загружается биомасса. Датчики влажности и кислотности 8 определяют характеристики загруженного сырья, и в случае необходимости, по сигналу с микроконтроллера, производится увеличение влажности путем добавления воды, или изменение кислотности - путем добавления кислоты или щелочи. Возможно добавление в биомассу бактерий, ускоряющих процесс разложения органических веществ биомассы 15.

Корпус биореактора 1, разделенный перегородками 3 и 4, можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, имеющие перепускные отверстия в виде пространства под перегородками 3 и 4. Вновь поступившая из загрузочной секции 12 биомасса продавливается в рабочую секцию 13.

Биогаз скапливается в рабочей секции 13, занимая свободное пространство между внутренней поверхностью корпуса 1 биореактора, между боковыми поверхностями перегородок-сегментов 3 и 4 и поверхностью биомассы 15, при этом образуется давление биогаза, не превышающее давления гидростатического столба высоты сегмента.

Биомасса 15 продавливается из секции 12 - в секцию 13 и далее, в секцию 14 через выше указанные перепускные отверстия.

Биогаз 16, выделяющийся при сбраживании, скапливается, в основном, в рабочей секции. Технологические параметры в рабочей секции поддерживаются автоматически - по командам, выдаваемым микропроцессорным контроллером.

Продавливание биомассы 15 через корпус биореактора 1 облегчается при использовании горизонтальной мешалки 7, которую включают несколько раз в сутки. Данная мешалка, с одной стороны, рыхлит биомассу, с другой - шнековые лопасти могут продвигать биомассу вдоль корпуса.

Для облегчения перемещения биомассы внутри биореактора корпус биореактора можно устанавливать под углом 3-5 град.

При продавливании биомассы в третью секцию 14, она там накапливается до уровня выгрузочного люка 10, и самоизливом поступает в приемник перебродившей биомассы 18.

При профилактических работах чистку внутри биореактора проводят через очистной люк 11. Для поддержания рабочей температуры биореактор снабжен термостатирующей рубашкой, например, водяной, через которую циркулирует оборотная вода, температура которой регулируется по командам с микроконтроллера, анализирующего показания с датчиков температуры внутри биореактора.

Пример выполнения. Биореактор выполнен в виде трубы и расположен под уклоном 3° в сторону выгрузки. Длина реактора - 20 м, диаметр трубы - 2 м. Корпус биореактора разделен на три секции перегородками-сегментами, не доходящими до дна примерно на 300 мм. Время выхода биореактора на рабочий режим должно составляет не менее четырех суток. Биогаз, который образуется внутри рабочей секции биореактора, обеспечивает внутренние энергетические потребности животноводческого комплекса на 20 голов КРС. Мешалка включается три раза в сутки, а откачивание биогаза из рабочей секции выполняется по показанию датчика.

Биореактор содержит стальную трубчатую емкость, которая расположена горизонтально или под уклоном 3-5. Емкость разделена сверху на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами. Перегородки-сегменты не доходят до дна емкости. В загрузочной секции биореактора сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы, а в выгрузочной секции - выгрузочный люк. Рабочая секция имеет подключение к газгольдеру. Конструкция позволит повысить КПД и безопасность работы биореактора, обеспечить простоту обслуживания биореактора и быстрое получение качественных удобрений. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Биореактор, содержащий стальную трубчатую емкость, которая расположена горизонтально или под уклоном 3-5° и разделена сверху на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, которые не доходят до дна емкости, в загрузочной секции биореактора сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы, в выгрузочной секции - выгрузочный люк для выгрузки биомассы, а рабочая секция имеет подключение к газгольдеру.2. Биореактор по п.1, характеризующийся тем, что внутри биореактора установлены датчики рН, температуры, влажности, которые подключены к управляющему микропроцессорному контроллеру, по сигналам которого осуществляют необходимую корректировку среды внутри биореактора.3. Биореактор по п.1, характеризующийся тем, что внутри рабочей секции емкости установлена горизонтальная мешалка, которая расположена в нижней части биореактора и смещена в сторону от центра.4. Биореактор по п.1, характеризующийся тем, что нижняя часть торца выгрузочной секции биореактора имеет открывающийся очистной люк для очистки внутренней поверхности биореактора.5. Биореактор по п.1, характеризующийся тем, что нижняя часть биореактора заключена в рубашку для поддержания стабильной температуры в биореакторе.