Способ анаэробного сбраживания органических отходов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК C02F3/28 

Изобретение касается анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства и может быть использовано при очистке стоков с органическими включениями промышленных предприятий и в коммунальном хозяйстве.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса анаэробного сбраживания органических отходов и увеличение удельного выхода биогаза.

Эффективность процесса анаэробного сбраживания органических отходов (биоме- таногенеза) зависит от ряда биохимических, технологических и конструктивных факторов, главными из которых являются качественный и количественный состав

метаногенной ассоциации микроорганизмов. В проточном режиме загрузки доза вносимого исходного материала и эффективность процесса определяются не только объемом поступающих органических веществ, но и количеством активных метано- генов, находящихся во взвешенном состоянии в биомассе и удаляемых из реактора при очередных загрузках-выгрузках материала.

Для стабильной и эффективной работы установки анаэробного сбраживания органических отходов необходимо создать условия постоянства концентрации работающей ассоциации микроорганизмов. Это достигается введением в реактор фильтра (загрузxj

ГО

«д

СА) N

ки) для фиксации на его поверхности колоний микроорганизмов, активность которых в фиксированном состоянии выше, чем во взвешенном. В качестве загрузки применяются неорганические материалы (полимеры, ткани, керамзит и др.). Существенное значение для образования биопленки на поверхности загрузки имеет характер ее поверхности, С ма ийаём сть (гидрофильность или гидрофобность), определяющая скорость контакта загрузки с органическими отходами и сцепления с помощью внеклеточных полимеров микроорганизмов с поверхностью загрузки.

При анаэробном сбраживании органических отходов сельскохозяйственного про- изводства(особенностоков

животноводческих ферм и комплексов) применение в качестве фильтра неорганических материалов менее эффективно, так как наличие в стоках вязких, коллоидных структур приводит к забиванию микро- и макро- пор загрузки, уменьшению площади активной поверхности, созданию неблагоприятных трофических условий для колоний микроорганизмов, образующих биопленку.

В силу естественных процессов увеличение плотности биопленки проводит к ее разрушению при достижении критической величины, связанному с исчерпанием резервов питания в толще биопленки. Замена загрузки (фильтра) в реакторе вызывает необходимость прерывания (полной остановки) технологического процесса анаэробного сбраживания органических отходов, т.е. слива отходов из реактора, что еще более снижает эффективность работы установки.

При осуществлении способа органические отходы циркулируют через биофильтр с загрузкой, сброженные отходы отводят, биогаз отделяют и часть его используют в системе циркуляции отходов.

В качестве загрузки используют стержни кукурузных початков в количестве 5,0- 7,5% от объема сбраживаемых отходов. Замену загрузки осуществляют в процессе сбраживания через каждые 50-60 сут.

Использование в качестве загрузки стержней кукурузных початков способствует быстрому, закреплению микроорганизмов, развитию биопленки и увеличению биохимической активности метаногенов благодаря многослойной структуре поверхности, характеризующейся наличием ячей (карманов), углубленных до 4 мм (места присоединения зерен кукурузы к стержню), и ячей наружного чешуйчатого слоя. Кроме того, поверхность стержня кукурузного початка обладает хорошей смачиваемостью.

Иммобилизация микроорганизмов, осуществляющих анаэробную биодеградацию и обладающих высокой адгезией на органическом субстрате, каким является стержень

кукурузного початка, обеспечивается питанием бактерий как с поверхности, обращенной к сбраживаемым отходам, так и в глубине биопленки.

Быстрое заселение микроорганизмами.

0 поверхности загрузки способствует уже через сутки после ввода последней в реактор увеличению ферментирующей активности системы, ускорению процессов биодеградации органических отходов и, как следствие,

5 увеличению выхода биогаза и степени разложения органических веществ, т.е. повышению эффективности процесса анаэробного сбраживания органических отходов.

0 Использование органической загрузки в количестве 5,0-7,5% от объема сбраживаемых отходов обеспечивает максимальную эффективность процесса за счет постоянства оптимальной концентрации работающей

5 ассоциации микроорганизмов.

Замена загрузки по мере ее выработки (разложения) через 50-60 сут без остановки микробиологического реактора и полного слива органических отходов обеспечивает непре0 рывность технологического процесса анаэробного сбраживания органических отходов и устойчивую производительность. На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг, 2 - то

5 же, поперечный разрез.

Устройство для анаэробного сбраживания органических отходов содержит микро- биологический реактор 1 в виде герметичного цилиндра, заполненного ор0 ганическими отходами 2. В центре реактора 1 размещен эрлифт 3 в виде трубы, в нижнюю часть которой введен трубопровод 4 подачи сжатого биогаза на перемешивание. Трубопровод 5 предназначен для подачи

5 сбраживаемых органических отходов, а трубопровод 6 - для отвода сброженных отходов. Трубопровод 7 предназначен для рециркуляции (гидравлического перемешивания) отходов в реакторе 1.

0 Объем реактора 1 представляет собой четыре накладывающиеся одна на другую зоны: зону А осаждения сбраживаемых отходов; зону Б турбулентности (перемешивания) отходов; зону В отстаивания

5 (фильтрования) отходов; зону Г накопления биогаза, образующегося в результате биодеградации органических отходов и загрузки.

Трубопровод 8 предназначен для отбо- ра биогаза из зоны Г реактора 1, а трубопровод 9 - для подачи части биогаза на компрессор 10. Труба 11 предназначена для разделения зон Б и В и оборудована расширительным конусом 12. Между корпусом реактора 1 и конусом 12 образуется кольцевая щель 13 для уплотнения и вывода осадка из зоны В в зону Б. Дегазация перемешиваемых отходов осуществляется на выходе трубы 14 эрлифта 3, который размещен ниже верхней- кромки трубы 11. На трубе эрлифта 3 закреплен дефлектор 15 для улучшения турбулентности потока отходов в зоне Б. В корпус реактора 1 введены контейнеры 16, заполненные зьгрузкой 17 (стержнями кукурузных початков).

Контейнеры 16 выполнены в виде цилиндров из легкопроницаемого для органических отходов материала (пластмассовая или металлическая сетка и др.). Контейнеры 16 вводятся в микробиологический реактор

1через гидравлические затворы 18 в виде цилиндров, верхняя кромка которых герметично соединена с корпусом реактора 1, а нижняя заглублена под уровень отходов в реакторе 1, что исключает сообщение зоны Г с атмосферой при очередной замене контейнера 16с новой загрузкой 17.

Устройство для анаэробного сбраживания органических отходов работает следую- щим образом.

В процессе биометаногенеза органических отходов 2 в реакторе 1 образуется би- огаз, накапливающийся в зоне Г. По трубопроводу 8 биогаз направляется к потребителю. Часть биогаза по трубопроводу 9 поступает на компрессор 10. после кото рого биогаз под давлением по трубопроводу 4 поступает в нижнюю часть эрлифта 3. При прохождении биогаза по эрлифту 3 снизу вверх в нижней части эрлифта 3 создается разрежение, способствующее засасыванию и транспортированию сбраживаемых отходов 2 из зоны А в зону В. Дегазация отходов

2происходит на выходе трубы 14 эрлифта 3. Дегазированные отходы 2 через кольцевой зазор между трубой 11 и эрлифтом 3 поступают в зону Б. где происходит активное циркулирование отходов 2. Дефлектор 15 способствует турбулентности потоков отходов 2 в зоне Б, что обеспечивает хороший доступ органических веществ к колониям микроорганизмоэ, закрепленных на поверхности загрузки 17. Часть микроорганизмов и частичек загрузки 17 находится во взвешенном состоянии в сбраживаемых отходах 2, образуя биомассу. Биомасса попадает в зону В, где происходит ее отстаивание. Отстоянные сброженные отходы отводятся из реактора 1 через трубопровод 6. Осадок биомассы через кольцевую щель 13 между расширительным конусом 12 и корпусом реак- тора 1 под воздействием силы тяжести по: вращается в зону Б. По трубопроводу 7 осуществляется частичная рециркуляция от 5 стоянных отходов в зону Б.

Очередная подача исходных (свежих) органических отходов в реактор 1 произпо дится по трубопроводу 5 в зону Б.

По мере разложения загрузки 17 из ро 0 актора 1 извлекается соответствующий кон тейнер 16, производится замена загрузки 17 и ввод контейнера 16 в реактор 1. Гидрозат- вор 18 исключает сообщение зоны Г с атмосферой при вынутом контейнере 16.

5 Пример. Для проверки способа в лабораторных условиях используют экспериментальную установку.

Установка состоит из двух реакторов, представляющих собой металлические rep

0 метичные цилиндры, оборудованные устройствами ввода, вывода сбраживаемого материала, отбора биогаза (компрессор 7К- 1М), эрлифтами. Обьем каждого реактора ГЗ л, рабочий обьем 4 л. В одном реакторе

5 (контрольном) в качестве загрузки использу ют пластмассовый гранулированный маге риал, в другом (опытном) - стержни кукурузных початков.

В качестве органических отходов при

0 меняют навоз крупного рогатого скотл влажностью 93-94% с содержанием сухого органического вещества.75-78%.

Оба реактора ежедневно загружают одинаковым объемом навоза (20% от рабо

5 чего объема реактора), фиксируют суточный обьем выхода биогаза и определяют сто пень разложения органических веществ отходов.

Выход биогаза на 1 л сбраживаемых от

0 ходов в опытном реакторе 1,91 л, в контрольном 0.48 л. Степень разложения органических веществ в опытном реакторе 62,7%, в контрольном 19,4%. Максималы-iavi эффективность процесса наблюдается при

5 замене загрузки через 50-60 сут, Разрушение структуры стержней кукурузы происхо дит через 120 сут.

В таблицах представлены данные, ха рактеризующие зависимость выхода биога0 за и степени разложения органических вещрств от материала загрузки и длительности ее пребывания в реакторе (табл. 1), а также от количества загрузки (табл. 2).

В табл. 3 представлены данные по запи5 симости качества биогаза от материала зл грузки.

Изобретение позволяет реализовать и качестве загрузки дешевый и легкодоступ ный материал, осуществить непрерывныи процесс анаэробного сбраживания, исп -,i.

зовэть остатки загрузки в качестве органических удобрений, повысить энергоемкость биогаза на 5-6%. увеличить выход биогаза в 3 раза и вдвое повысить степень очистки. Формула, изобретения

1.Способ анаэробного сбраживания органических отходов, включающий их циркуляцию через биофильтр с загрузкой, выделение биогаза, использование части его в системе циркуляции отходов, отвод сброженных отходов и периодическую замену загрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса анаэробного сбраживания органических отходов и увеличения удельного выхода биога- за. в качестве загрузки используют стержни кукурузных початков в количестве 5,0-7,5%

от объема сбраживаемых отходов.

2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что замену загрузки осуществляют в

процессе анаэробного сбраживания через каждые 50-60 сут..

3. Устройство для анаэробного сбраживания органических отходов, содержащее герметичный корпус реактора, систему перемешивания отходов биогазом, загрузку и технологические трубопроводы, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса анаэробного сбраживания органических отходов и увеличения удельного выхода биогаза, оно снабжено контейнерами для размещения загрузки, проницаемыми для биомассы, а также гидравлическими затворами для ввода контейнеров в корпус реактора, при этом верхняя часть гидравлических затворов герметично присоединена к верхней части корпуса, а нижняя заглублена под уровень биомассы.

Таблица 1

Т.а б л и ц а 2

Изобретение относится к переработке органических отходов, может быть использовано при очистке стоков с органическими включениями в процессе анаэробного сбраживания и позволяет повысить эффективность процесса и увеличить удельный выход биогаза. Органические отходы циркулируют через биофильтр с загрузкой, сброженные отходы отводят, биогаз отделяют и часть его используют в системе циркуляции отходов. В качестве загрузки используют стержни кукурузных початков в количестве 5.0-7,5% от, объема сбраживаемых отходов. Замену загрузки осуществляют в процессе сбраживания через каждые 50-60 сут. Устройство для анаэробного сбраживания органических отходов содержит герметичный корпус реактора, систему перемешивания отходов биогазом, загрузку и технологические трубопроводы. Для повышения, эффективности анаэробного сбраживания отходов и степени их очистки оно снабжено контейнерами для размещения загрузки, проницаемыми для отходов, а также гидравлическими затворами для ввода контейнеров в корпус реактора, при этом верхняя часть гидравлических затворов герметично присоединена к верхней части корпуса, а нижняя заглублена под уровень отходов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 табл.,2 ил.

ТаблицаЗ

Фиг. 2