биореактор

Формула изобретения

Биореактор, содержащий резервуар с отсеками для субстрата, магистрали для подачи и возврата субстрата, вакуум-насос, соединенный с магистралями отсоса и транспортировки биогаза, и запорные клапаны, отличающийся тем, что он содержит дополнительный резервуар и грязесборник, при этом дополнительный резервуар сообщен через запорные клапаны с каждым из отсеков основного резервуара посредством магистралей подачи и возврата субстрата, а грязесборник установлен на конечном участке магистрали возврата субстрата, снабженной запорным клапаном, и состоит из двух верхнего и нижнего отсеков, нижний из которых имеет воронкообразное днище с выпускными горловинами, на концах которых установлены цилиндрические запорные клапаны, а внутри этого отсека размещена вертикальная цилиндрическая перегородка, верхний торец которой закрыт фильтром, а между фильтром и выпускными горловинами по оси размещен поплавок, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, снабженный дистанционными стержнями и укрепленным на них диском с эластичной кромкой, выполненный с диаметром, большим диаметра нижнего торца цилиндрической перегородки и равным внутреннему диаметру цилиндрического участка днища, причем поплавок имеет центральное отверстие, соединенное шлангом с выходным патрубком нижнего отсека, воронкообразная верхняя горловина которого с эластичной кромкой и поплавком размещена внутри верхнего отсека, а верхний отсек снабжен герметичной крышкой с запорным клапаном для сообщения с атмосферой, связанного через запорные клапаны магистралей с нижним отсеком грязесборника и дополнительным резервуаром, который, в свою очередь, соединен через запорный клапан с магистралью отсоса биогаза перед всасывающим патрубком вакуум-насоса, напорный патрубок которого снабжен ответвлением, сообщенным через запорный и обратный клапаны с входным участком магистрали возврата субстрата.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к биоэнергетическим устройствам и может быть использовано для утилизации отходов сельхозпроизводства.

Известны секционные биореакторы, снабженные для осуществления перемешивания в процессе метанового сбраживания органического вещества механическими мешалками, насосами,а также нагревателями (1).

Известны также секционные биореакторы, в которых перемешивание осуществляется барботажем биогаза (1).

К недостаткам первых относятся возможность разгерметизации биореакторов из-за наличия сальниковых выходов приводных валов, заиление и засорение насосов крупными частицами навоза, налипание осадка на трубы нагревателей. Кроме того, каждая секция должна иметь свое индивидуальное средство перемешивания, т. к. нарушение сложившегося посекционного симбиоза микроорганизмов ведет к образованию токсичных конечных продуктов.

К недостаткам вторых относится образование корки на поверхности субстрата, что ведет к уменьшению выделения биогаза и образованию осадка на донных частях секций биореакторов.

Целью предлагаемого изобретения является предотвращение образования корки и неподвижного осадка на донных частях секций биореактора, обеспечение однородности среды субстрата по концентрации питательных элементов и сокращение количества технологических механизмов обслуживания до минимума.

Поставленная цель достигается тем, что биореактор, содержащий резервуар башенного или горизонтального типа с изолированными отсеками, в каждом из которых размещена отдельно сложившаяся симбиозная группа микроорганизмов субстрата, магистрали для подачи и возврата субстрата, вакуум-насос, соединенный с магистралями отсоса и транспортирования в рессивер биогаза, запорные клапаны на магистралях, снабжен дополнительным резервуаром и дополнительным грязесборником.

Дополнительный резервуар связан через запорные клапаны с каждым из отсеков основного резервуара магистралями подачи и возврата субстрата.

Дополнительный грязесборник установлен в конце магистрали возврата перед дополнительным резервуаром: таким образом, что патрубок магистрали входит в грязесборник тангенциально, а после выхода из грязесборника через запорный клапан соединяется с дополнительным резервуаром.

Корпус грязесборника состоит из двух отсеков нижнего и верхнего.

Нижний отсек имеет воронкообразное днище, переходящее в две концевые выпускные горловины, на которых установлены запорные клапаны, через цилиндрический придонный участок, а внутри отсека размещена цилиндрическая перегородка, оканчивающаяся конической горловиной.

Верхнее отверстие перегородки закрыто фильтром, а между фильтром и выпускными горловинами с возможностью перемещения no вертикальной оси от основания горловин до входа во внутреннюю полость цилиндрической перегородки размещен поплавок, снабженный в нижней части дистанционными стержнями, несущими на определенном расстоянии от нижней плоскости поплавка диск с эластичной кромкой, выполненный диаметром, большим диаметра конической горловины цилиндрической перегородки и равным внутреннему диаметру цилиндрического придонного участка днища нижнего отсека.

Поплавок снабжен центральным отверстием, соединенным верхней кромкой с гибким шлангом, сформированным в виде пружинной спирали с выходным патрубком нижнего отсека.

Верхняя часть нижнего отсека, выполненная в виде воронкообразной горловины с эластичной кромкой, несет на себе свободно лежащий глухой поплавок и входит во внутреннюю полость верхнего отсека, который выполнен с верхним люком, герметично закрытым быстросъемной крышкой, вогнутой вниз.

В верхней части верхнего отсека расположен запорный клапан для возможности сообщения полости отсека с атмосферой.

Полости верхнего и нижнего отсека сообщаются между собой через запорный клапан.

Верхняя часть верхнего отсека связана через клапан с дополнительным резервуаром, который, в свою очередь, через запорный клапан связан с магистралью отсоса биогаза перед всасывающим патрубком вакуум-насоса, напорный патрубок которого одним ответвлением тройника через запорный клапан связан с магистралью транспортировки биогаза в рессивер, а вторым ответвлением тройника через запорный и обратный клапаны с началом магистрали возврата субстрата.

На фиг. 1 схематично изображена система биореактора; на фиг. 2 - грязесборник в состоянии опорожнения; на фиг. 3 разрез по А А на фиг. 2; на фиг. 4 грязесборник в процессе очистки субстрата.

Биореактор состоит из герметичного резервуара 1 башенного типа, разделенного конусообразными днищами на три технологических отсека, заполненных субстратом 2, в каждом из которых субстрат находится на определенной, исключающей воздействие соседней, стадии симбиоза микроорганизмов и выделяющимся биогазом 3. Полость каждого из отсеков через запорные клапаны 4, 5, 6 связана с напорной магистралью 7 подачи субстрата, исходящей из дополнительного резервуара 8, представляющего из себя герметичный сосуд плавных форм с конусообразным днищем и начинающимся конусным раструбом у основания днища. Полость дополнительного резервуара через верхний свод посредством запорного клапана 9 и дополнительного грязесборника 10 связана с самотечной магистралью 11 возврата субстрата, соединенной через зaпорные клапаны 12, 13, 14 с каждым из отсеков резервуара 1.

Кроме того, полости отсеков своими верхними частями свободно сообщаются между собой, а через запорный клапан 15 с верхней частью дополнительного резервуара 8, а также с всасывающим патрубком вакуум-насоса 16 магистралью 17.

Вакуум-насос на напорном патрубке имеет разветвление, одно ответвление через запорный клапан 18 и обратный клапан 19 продувочной магистралью 20 связано с начальной частью самотечной магистрали 11 возврата субстрата. Другое ответвление через запорный клапан 21 связано с рессивером (на чертеже не показано) магистралью 22 транспортировки биогаза.

Дополнительный грязесборник 10 состоит из герметичного корпуса (фиг. 2, 4), включающего верхний 23 и нижний 24 отсеки.

Верхний отсек, выполненный, например, в виде цилиндра, имеет наверху люк, герметизируемый быстросъемной крышкой 25, вогнутой в полость отсека. В верхней части отсек снабжен двумя запорными клапанами 26 и 27, из которых клапан 26 создает возможность сообщения полости отсека с атмосферой, а 27 связан магистралью с верхней частью полости дополнительного резервуара 8.

Нижний отсек 24 имеет воронкообразные, оканчивающиеся горловинами, свод и днище. Днище переходит в две концевые выпускные горловины, на которые установлены запорные клапаны 28, например, ротационного типа, через цилиндрический придонный участок.

Внутри отсека размещена цилиндрическая перегородка 29, оканчивающаяся конической горловиной. Верхнее отверстие перегородки закрыто фильтром 30, например, сетчатого типа, а между фильтром и выпускными горловинами с возможностью перемещения по вертикальной оси от основания горловин до входа во внутреннюю полость цилиндрической перегородки размещен поплавок 31, снабженный в нижней части дистанционными стержнями 32, несущими на определенном расстоянии от нижней плоскости поплавка диск 33 с эластичной кромкой, выполненный диаметром большим, чем диаметр конической горловины цилиндрической перегородки 29 и равным внутреннему диаметру цилиндрического придонного участка днища отсека.

Поплавок снабжен центральным отверстием, соединенным верхней кромкой с гибким шлангом 34, например, оплетенным или кольчатым, сформированным в гибкую спираль пружинного типа, например, витками пружинной проволоки, скрепленной со шлангом снаружи или помещенной внутри. Другой конец шланга соединен с выходным патрубком 35 грязесборника, в то же время входной патрубок 36 тангенциально расположен над выходным патрубком, а оба патрубка являются элементами связи с самотечной магистралью 11 возврата субстрата. Верхняя горловина снабжена эластичной кромкой, несущей на себе свободно лежащий глухой округлый поплавок 37, удерживаемый от смещения от оси во время всплытия направляющими (на чертеже не показано) входит во внутреннюю полость верхнего отсека.

Полости верхнего и нижнего отсеков грязесборника сообщаются между собой через клапан 38. На фиг. 2, 4 показан твердый осадок 39 и плавучий загрязнитель 40.

Работа биореактора состоит из следующих последовательных операций и включаемых в работу элементов.

Продувка. Открыты запорные клапаны 18-19-12, включен вакуум-насос 16. Биогаз по магистрали 20 подается в низ первого отсека, где происходит продувка сливного патрубка отсека и барботаж субстрата.

Заполнение субстратом грязесборника. Открыты клапаны 12-38-27-15. Субстрат по самотечной магистрали 11 возврата поступает через тангенциальный патрубок 36 в нижний отсек 24 грязесборника 10 и полностью наполняет отсеки 23 и 24 грязесборника за счет сообщения между собой через клапан 38 полостей обоих отсеков, всплытия поплавка 37 и вытеснения биогаза из грязесборника через клапан 27 в общее биогазовое пространство.

В то же время поплавок 31 всплывает вверх и эластичной кромкой диска 33 упирается в кромку конуса цилиндрической перегородки 29, срабатывая как клапан, перекрывающий доступ субстрата внутрь перегородки снизу и фиксируется таким образом до операции опорожнения грязесборника.

Очистка и слив субстрата в дополнительный резервуар. Открыты клапаны 12-9-15. Очистка субстрата происходит следующим образом. Благодаря тангенциальному расположению входного патрубка 36 и объему удаляемого из грязесборника субстрата равному объему поступающего в грязесборник субстрата остальная масса совершает циркуляционное движение. В то же время происходит разделение загрязнений по фракциям, т.е. тяжелая в виде песка, глины, цемента оседает внизу, не имея доступа к выходному патрубку 35, а легкая фракция в виде всплывающих кверху коркообразующих компонентов субстрата, таких как ботва, солома, корма, попадает через отверстие между поплавком 37 и верхней горловиной свода нижнего отсека и концентрируется в верхнем отсеке грязесборника.

Очищенный таким образом субстрат через фильтр 30, центральное отверстие поплавка 31, шланг 34, патрубок 35, клапан 9 сливается в резервуар 8.

Опорожнение грязесборника. Откpыты клапаны 12-38-9-27-15. При полном опустошении отсека резервуара 1 и постепенном понижении уровня субстрата поплавок 37 перекрывает входную горловину нижнего отсека, закрывая доступ к выходу плавучих загрязнителей из верхнего отсека, а слив субстрата происходит через клапан 36. При понижении уровня до верха цилиндрической перегородки неудаленные плавучие загрязнители оседают на сетке 30 фильтра. При понижений уровня до самого возможно низкого диск 33 локализует отверстие поплавка 31 от попадания в него твердого осадка.

Подача субстрата в отсек. Открыты клапаны 18-19-38-9-4, включен вакуум-насос 16. В результате из дополнительного резервуара субстрат выжимается по магистрали 7 подачи субстрата через клапан 4 в верхний отсек резервуара 1. Причем одновременно биогазом из грязесборника 10 выжимаются остатки субстрата "досуха", сводя на нет вероятность смещения сембионтов соседних отсеков при последующей операции с другими отсеками.

Описанные операции производятся со средним и нижним отсеками резервуара 1. По мере надобности, например, после полного цикла со всеми отсеками резервуара 1 производится откачка биогаза и очистка от накопившихся загрязнений из биореактора.

Откачка биогаза. Открыты клапаны 9-27-15-21, включен вакуум-насос 16. Биогаз по магистрали 22 поступает в рессивер. При этом в результате создания вакуума дополнительно стимулируется выделение биогаза из субстрата.

Затем система биореактора отключается до накопления необходимого объема биогаза, после чего цикл повторяется

Очистка грязесборника. От твердого осадка очистка производится с помощью ротационных затворов 28 постоянно. От легких фракций очистка производится после откачки биогаза из системы следующим образом. Клапаны 18-38-9-27 обязательно перекрыты. Отрывается клапан 26 сообщения полости верхнего отсека атмосферного давления. За счет перепада давлений, т.е. вакуума в нижнем отсеке грязесборника после откачки биогаза из системы, притягивающего поплавок 37 и атмосферного давления на поплавок, воздух в нижний отсек не проникает.

Затем открывается крышка 25 и удаляется осадок 40. После удаления осадка крышка герметично закрывается, а в процессе заполнения грязесборника и вытеснения субстратом воздуха через клапан 26 закрывается и сам клапан.

Таким образом, с помощью грязесборника из субстрата удаляются твердые частицы в виде песка, цемента, глины, а также флотирующие коркообразующие, такие, как ботва, солома, корма и т.д. обеспечивается однородность среды субстрата, а также интенсификация процесса выделения биогаза при экономии электроэнергии и упрощении всей конструкции.