Биореактор

 

Изобретение относится к коммунальному и сельскому хозяйствам и в основном предназначается к использованию жителями усадеб сельских населенных мест, содержащих животных и птицу, огород и сад и имеющих постоянно различные органические отходы, которые могут быть использованы для производства горючего биогаза на бытовые потребности и высококачественных удобрений для огорода и сада. Биореактор состоит из мокрого газгольдера переменной емкости и метантенка для последовательного пофазного анаэробного сбраживания измельченных и разжиженных органических отходов. Корпус газгольдера имеет днище и подъемный газовый колокол. Резервуар метантенка имеет конический купол, расположенный над ним газосборник и коаксиально присоединенную снизу к куполу концентрическую разделительную перегородку, например, в виде усеченного конуса с направленным вниз основанием, которая делит метантенк на внешнюю и внутреннюю камеры сбраживания. Биореактор содержит патрубок ввода в метантенк измельченных и разжиженных органических отходов с тройником сверху и патрубки вывода из метантенка осадка сброженной массы и биогаза. Патрубки метантенка встроены в корпус газгольдера, причем патрубок вывода из метантенка осадка сброженной массы снабжен отводом, а патрубок вывода биогаза выполнен в виде коаксиально установленной и закрепленной центрирующими держателями трубы. Резервуар метантенка без его днища с боковой стенкой, коническим куполом и газосборником над ним и с коаксиально присоединенной снизу к куполу концентрической разделительной перегородкой закреплен своим газосборником на коаксиально установленной в корпусе газгольдера трубе патрубка вывода биогаза. Предлагаемый биореактор прост в изготовлении и обслуживании и доступен к использованию жителями сельских домов и усадеб. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к коммунальному и сельскому хозяйствам и в основном предназначается к использованию жителями усадьб сельских населенных мест, содержащих животных и птицу, огород и сад и имеющих на усадьбе постоянное поступление различных органических отходов, которые могут быть сырьем для производства из них горючего биогаза на бытовые потребности и высококачественных удобрений для огорода и сада.

Известна автоматическая биоэнергетическая установка непрерывного действия для получения из отходов сельскохозяйственного производства газообразного биотоплива, состоящая из совмещенных в одном агрегате газгольдера и бродильной камеры /метантенка/, купол которой выполнен подъемным и является колоколом газгольдера переменного объема с гидравлическим затвором из наполненного водой канала, расположенного вокруг установки между стенкой корпуса бродильной камеры /метантенка/ и приваренной к нему стенкой колпака установки /А.с. СССР №122728/.

Недостатком известной биоэнергетической установки по а.с. СССР №122728 является ее работа, при которой осуществляется совмещение функционально обособленных фаз анаэробного сбраживания путем ввода в сбраживаемую в бродильной камере массу свежих разжиженных органических отходов с их общим перемешиванием, что не только замедляет действие расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов в проведении необходимого выполнения первой фазы анаэробного сбраживания с разрушением сложных соединений на более простые с образованием жирных кислот и аминокислот, но и ухудшает также и условия в выполнении второй фазы анаэробного сбраживания по выработке метаногенирующими бактериями горючего биогаза, не позволяет эффективно использовать анаэробный процесс сбраживания. Недостатком известной биоэнергетической установки является и то, что выполнение обособленного вокруг корпуса бродильной камеры кругового водяного канала-резервуара для гидрозатвора подъемного колокола газгольдера усложняет изготовление и обслуживание установки.

Известен также метантенк для последовательного пофазного анаэробного сбраживания измельченных и разжиженных различных органических отходов, содержащий изготавливаемый различной формы и размеров резервуар, включая и вертикально устанавливаемый цилиндрической формы, с коническим днищем и куполом с присоединенной к куполу снизу не доходящей до днища разделительной концентрической перегородкой в виде усеченного конуса с обращенным вниз основанием и делящей резервуар метантенка на внешнюю и внутреннюю камеры сбраживания, патрубки подвода измельченных и разжиженных органических отходов во внешнюю камеру и отвода сброженного осадка из внутренней камеры, а также патрубки отвода из метантенка биогаза /Патент РФ №2149531, А 01 С 3/00, С 02 F 11/04/.

Недостатком этого известного по патенту РФ №2149531 метантенка является то, что для его использования дополнительно необходим газгольдер, тогда как по своему выполнению и достигаемому результату работы этот метантенк является наиболее близким к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого биореактора, который обеспечивал бы возможность одновременного выполнения им как функций мокрого газгольдера переменной емкости, так и функции метантенка для последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных измельченных и разжиженных органических отходов с выработкой из них горючего биогаза для бытовых нужд и обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков высококачественных органических удобрений для огорода и сада, был бы прост в изготовлении и обслуживании, эффективен в использовании при его выполнении в малых объемах вместимости с применением для его обслуживания преимущественно простейшего ручного инвентаря и приспособлений, доступен к использованию жителями сельских домов и усадеб, содержащих на них животных, птицу, огороды и сады при постоянном поступлении от них и жителей различных органических отходов, которые могут быть сырьем для работы предлагаемого биореактора.

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что в корпус газгольдера с днищем встроены патрубки метантенка, включая патрубок ввода во внешнюю камеру резервуара метантенка измельченных и разжиженных различных органических отходов с тройником сверху, патрубок вывода из внутренней камеры метантенка осадка сброженной массы, снабженный отводом, и вертикально коаксиально установленный в виде закрепленной центрирующими держателями трубы патрубок вывода из метантенка биогаза, а резервуар метантенка без его днища, с боковой стенкой, коническим куполом и газосборником над ним и с коаксиально присоединенной снизу к куполу концентрической разделительной перегородкой закреплен своим газосборником на коаксиально установленной в корпусе газгольдера трубе патрубка вывода биогаза.

Достигается поставленная задача и тем, что сверху, по периметру коаксиально присоединенной снизу к куполу резервуара метантенка концентрической разделительной перегородки, выполнены отверстия, а внутри концентрической разделительной перегородки коаксиально закреплена присоединенными к стенке концентрической разделительной перегородки распорками, направляющая и центрирующая положение резервуара метантенка, устанавливаемая на трубу патрубка вывода биогаза втулка, тогда как присоединение снизу к куполу резервуара метантенка концентрической разделительной перегородки осуществлено разъемным, например посредством съемных конических штифтов, устанавливаемых в отверстия проушин, которые выполнены сверху концентрической разделительной перегородки и введены в изготавливаемые щелевые отверстия в куполе метантенка.

Поставленная задача настоящим изобретением достигается также и тем, что закрепление газосборника резервуара метантенка без его днища на установленной коаксиально и закрепленной в корпусе газгольдера и центрирующей положение резервуара метантенка в корпусе газгольдера трубе патрубка вывода из метантенка и газового колокола биогаза выполнено посредством установки съемного штифта или фиксатора, вводимого в соосно выполняемые отверстия в стенках газосборника и в трубе патрубка вывода биогаза.

Еще достигается поставленная задача настоящим изобретением и тем, что корпус газгольдера, изготавливаемый различной формы в плане с коническим или пирамидальным днищем, выполняют из разных материалов, включая металл, полимеры, пластмассы, стеклопластик, бутовый камень, кирпич, бетон и железобетон, а газовый колокол газгольдера, боковую стенку метантенка с коническим или пирамидальным куполом, газосборник и разделительную концентрическую перегородку изготавливают преимущественно из листовых водогазонепроницаемых материалов.

На фиг.1 изображен биореактор в разрезе, выполненный из листовых материалов; на фиг.2 - вид по А-А на фиг.1; на фиг.3 - место “В” на фиг.1; на фиг.4 приведен вариант использования биореактора совместно с разделителем выгружаемого из биореактора сброженного осадка на жидкую и густую фракции с показом устройства разделителя, состоящего из резервуара для сбора жидкой фракции и сетчатого поворота ведра отстоя густой фракции.

Изображенный на чертежах биореактор содержит корпус газгольдера 1 с коническим днищем 2 и с подъемным газовым колоколом 3, в корпус 1 которого неподвижно установлены и закреплены патрубки метантенка, включая патрубок ввода во внешнюю камеру резервуара метантенка измельченных и разжиженных различных органических отходов 4 с тройником 5 сверху, патрубки вывода сброженного осадка 6 с отводом 7, отметка порога присоединения которого установлена ниже отметки уровня верха корпуса 1 на величину “Б”, и патрубки вывода биогаза 8, вертикально коаксиально установленный в виде центрирующей трубы, забора сбраживаемой массы на перемешивание и подогрев 9, напорный патрубок возврата сбраживаемой массы 10, патрубок опорожнения корпуса 1 от сбраживаемой массы с вентилем 11 и люк 12. Сверху на закрепленные в корпусе 1 патрубки установлен резервуар метантенка без его днища с боковой стенкой 13, коническим куполом 14 с газосборником 15 и с присоединенной снизу к куполу 14 съемными штифтами 16 концентрической разделительной перегородкой 17, в верхней части которой выполнены отверстия 18, а внутри установлена центрирующая втулка 19, закрепленная распорками 20 со стенкой разделительной перегородки 17, тогда как сверху разделительной перегородки 17 выполнены проушины 21 с отверстиями для штифтов 16, устанавливаемых после ввода проушин 21 в щелевые пазы 22, выполняемые в коническом куполе 14. Приведенная выше сборка деталей метантенка установлена на трубе патрубка вывода биогаза 8 и соединена с ней съемным штифтом или фиксатором 23, вводимым в соосно выполняемые отверстия в стенках газосборника 15 и трубы патрубка вывода биогаза 8, центрирующее положение которой фиксируется распорками 24. Подъемный газовый колокол 3, установленный в корпус 1 между ним и боковой стенкой метантенка 13 в сбраживаемую в биореакторе разжиженную и измельченную органическую массу, служащую гидрозатвором, снабжен роликами, перемещаемыми по установленным на корпусе 1 направляющим /на чертеже не показаны/, и ручками 25 для его подъема и съема при выполнении биореакторов малого объема емкостью до 2-х кубометров. Такие же ручки 25 выполнены и на куполе 14, что обеспечивает возможность сборки и разборки малоемких биореакторов вручную. Устойчивость положения биореактора обеспечивается выполнением снизу его корпуса 1 опор 26, если он изготовлен из листовых материалов. При изготовлении корпуса биореактора из бутового камня, кирпича, бетона или железобетона опорой служит грунт.

Работа биореактора, в зависимости от вида и качества органического сырья, необходимости иметь наибольшую выработку биогаза либо наибольший выход сухих веществ в сброженной массе, может осуществлять в широком диапазоне доз загрузки сырья в биореактор при температурах сбраживания от 10 до 58°С, что назначается технологическим регламентом конкретного использования биореактора и его теплоизоляции.

Устройство теплоизоляции корпуса 1 биореактора и верхней части его подъемного газового колокола 3 /на чертежах не показано/ осуществляется исходя из того, что температура сбраживаемой в биореакторе массы в период суток между его загрузкой и подогревом не должна снижаться более чем на 1°С, а установку биореактора рекомендуется производить в обособленном защищенном от воздействия внешней среды месте с соблюдением противопожарных мер защиты.

Анаэробное сбраживание различных органических отходов домашних животных и птицы, фекалий, растительных отходов огорода и сада в предложенном биореакторе осуществляют следующим образом.

Предназначенные к анаэробному сбраживанию в биореакторе различные органические отходы измельчают до крупности их частиц не более 20 мм с последующим их разжижением до влажности 92%±1% с получением путем перемешивания однородной пульпы.

При вводе биореактора в эксплуатацию первоначальное разбавление измельченных органических отходов может быть осуществлено преимущественно нагретой до 40-45°С водой с доливом в приготовленную пульпу специальной бактериальной закваски или сброженную массу из другого биореактора или метантенка, при отсутствии которых в качестве закваски могут быть использованы свежие экскременты крупного рогатого скота или лошадей в количестве до 15% объема загружаемой в биореактор пульпы. Для ввода биореактора в эксплуатацию объем впервые приготавливаемой пульпы должен быть не менее 1,5 объема загружаемого биореактора, т.к. на последующую загрузку биореактора потребуется пульпа в количестве до 10% емкости биореактора для нескольких его загрузок и получения активного сброженного осадка для приготовления разбавителя /рециркулята/ измельченной органики вместо воды, что обеспечит также обсеменение измельченной органики сбраживающими микроорганизмами до поступления пульпы в биореактор, ускорит сбраживание органики в биореакторе.

Загружаемая в биореактор пульпа по патрубку 4 и его тройнику 5 вводится двумя разнонаправленными потоками во внешнюю камеру 27, обеспечивая перемешивание загружаемой пульпы со сбраживаемой в камере 27 массой, вытесняя при этом вниз во внутреннюю камеру 28 часть ранее загруженной в камеру 27 пульпы, которая подверглась воздействию содержащихся в камере 27 симбиоза расщепляющих /гидролизирующих/ микроорганизмов, обеспечивая в первой фазе анаэробного сбраживания при рН менее 7,2 разрушение сложных органических соединений с образованием плотных жирных кислот и аминокислот. Во внутренней камере 28, в которой во второй фазе анаэробного сбраживания из поступающей из камеры 27 массы метаногенерирующими микроорганизмами осуществляется выработка биогаза со значительным содержанием метана, завершается анаэробное сбраживание органики, и образуемый в камере 28 биогаз устремляется вверх, где к нему через отверстия 18 в разделительной перегородке 17 поступает тощий биогаз из камеры 27 и их смесь, осуществляя “кипение” и препятствуя тем самым образованию “корки” у основания газосборника 15, выходит через верх газосборника 15 в подколокольное пространство подъемного газового колокола 3 и затем по трубе патрубка вывода биогаза 8, что на фиг.1 показано стрелками, поступает к потребителю.

Одновременно с поступлением сбраживаемой массы из камеры 27 в камеру 28, из камеры 28 по патрубку 6 и его отводу 7 в сетчатое поворотное ведро разделителя, что показано на фиг.4, выливается осадок сброженной массы, количество которой примерно равно количеству загружаемой в биореактор свежей пульпы.

Залив в биореактор по патрубку 4 приготовленной из измельченной и разжиженной органики свежей пульпы может осуществляться диафрагменным насосом с ножным приводом или ручным поршневым насосом, например марки БКФ-4. Эти же насосы используются для периодического перемешивания сбраживаемой во внутренней камере 28 массы с забором ее через патрубок 9 и возврата в камеру 28 с перемешиванием под напором через патрубок 10.

Для упрощения удобства обслуживания биореактора целесообразно объем поворотного сетчатого ведра выполнять равным или несколько большим суточного объема загружаемой в биореактор свежей пульпы, что обеспечит эффективный суточный отстой в сетчатом поворотном ведре осадка сброженной массы на жидкую и густую фракции, первая из которых является разжижителем и обсеменителем микроорганизмами измельченных органических отходов, а вторая - удобрением. Излишек жидкой фракции для разжижения измельченной органики может также использоваться в качестве удобрения самостоятельно или с разбавлением водой при поливе.

В качестве примера использования предлагаемого биореактора на сельской усадьбе показатели эффективности его работы могут быть прослежены при эксплуатации биореактора объемом вместимости сбраживаемой массы два кубометра с дозой загрузки 5% его емкости, температурой сбраживания - 35°С. Из 20 кг измельченной органики со средней влажностью 60% и жидкой фракции ранее сброженной массы /рециркулят/ приготавливают 100 литров пульпы влажностью 92% с подогревом ее до 50°С и насосом после 5-7 минут перемешивания сбраживаемой в биореакторе ранее загруженной в него массы по патрубку 4 заливают в биореактор, из которого по патрубку 6 и его отводу 7 в сетчатое поворотное ведро выльется примерно 95 литров осадка сброженной массы температурой 35°С. После залива в биореактор подогретой до 50°С свежей пульпы и выгрузки из него сброженного осадка производят повторное перемешивание сбраживаемой в биореакторе массы, температура которой на 0,5-0,75°С будет выше установленной температуры сбраживания в 35°С, что и обеспечит за сутки снижение температуры сбраживаемой массы вновь до 35°С за счет теплопотери в окружающую среду при выполнении надлежащей теплоизоляции биореактора. За суточный период между загрузками биореактор из поступившей в него с пульпой органической массы при 50% распада ее абсолютно сухого органического вещества выработает 3,03 нм³ биогаза калорийностью 23000 кДж на нм³ /5500 ккал/нм³/ при общем энергетическом потенциале полученного биогаза 69690 кДж/нм³ /16665 ккал/нм³/, тогда как нагрев 100 литров загружаемой пульпы с 15°С до 50°С с учетом потерь нагревательным устройством потребовал израсходовать почти один кубометр биогаза или 30% от выработанного его количества. Летом при существенно меньших теплопотерях в окружающую среду и при эффективной теплозащите биореактора с размещением его в обособленном месте затраты биогаза на собственные нужды его нагрева составят не более 10% от вырабатываемого количества. За год в среднем на собственные нужды подогрева биореактора потребуется не более 20% вырабатываемого биогаза, тогда как за один год им будет переработано 7,3 тонны органических отходов с выработкой из них 1100 нм³ биогаза и 6 тонн удобрений.

Для нужд сельских жителей предлагаемый биореактор может изготавливаться различных размеров с емкостью сбраживаемой массы от 1 до 10 кубометров, что определяется количеством органических отходов, которые могут быть на усадьбе от содержания животных и птицы, количеством жителей, растительных отходов огорода и сада, потребностью в биогазе для приготовления пищи и кормов, отопления дома. Вырабатываемый биореактором биогаз может быть использован в качестве топлива в бытовых газовых плитах, проточных и емкостных газовых водонагревателях, включая автоматические, используемые для получения горячей воды для бытовых нужд, а также для отопления помещений, например типа АГВ.

Выполнение биореактора в сборно-разборном исполнении основных его составляющих узлов позволяет, особенно при его объемах изготовления малых размеров, производить вручную разборку, чистку, регулировку, если после прохождения корпуса 1 через патрубок с вентилем 11 от сбраживаемой массы и очистки днища 2 через люк 12 возникает необходимость очистки отверстий 18 и верхней части внешней камеры 27 от длинноразмерных всплывших неизмельченных веточек, стеблей растений и стружки хвойных деревьев.

Очистку внешней камеры 27 проводят только после освобождения колокола газгольдера 3 от биогаза как путем максимального его расхода потребителями, так и открытием вентиля 29, что опустит колокол 3 в нижнее положение и позволит осуществить его съем и удаление из корпуса 1. После этого снимают закрепленную на трубе патрубка вывода биогаза 8 сборку узлов метантенка и отсоединяют от купола 14 концентрическую разделительную перегородку 17, осуществляя очистку камеры 27.

Все работы по освобождению биореактора от биогаза должны проводиться при строгом соблюдении пожарной безопасности и недопущении огня и курения.

Формула изобретения

1. Биореактор, состоящий из мокрого газгольдера переменной емкости и метантенка для последовательного пофазного анаэробного сбраживания измельченных и разжиженных различных органических отходов, содержащий корпус газгольдера с днищем и подъемный газовый колокол, резервуар метантенка с коническим куполом и газосборником над ним, коаксиально присоединенную снизу к куполу концентрическую разделительную перегородку, например, в виде усеченного конуса с вниз направленным основанием, делящую метантенк на внешнюю и внутреннюю камеры сбраживания, патрубок ввода в метантенк измельченных и разжиженных различных органических отходов с тройником сверху, патрубки вывода из метантенка осадка сброженной массы и биогаза, отличающийся тем, что в корпус газгольдера с днищем встроены патрубки метантенка, включая патрубок ввода во внешнюю камеру резервуара метантенка измельченных и разжиженных различных органических отходов с тройником сверху, патрубок вывода из внутренней камеры метантенка осадка сброженной массы, снабженный отводом, и вертикально коаксиально установленный в виде закрепленной центрирующими держателями трубы патрубок вывода из метантенка биогаза, а резервуар метантенка, без его днища, с боковой стенкой, коническим куполом и газосборником над ним и с коаксиально присоединенной снизу к куполу концентрической разделительной перегородкой закреплен своим газосборником на коаксиально установленной в корпусе газгольдера трубе патрубка вывода биогаза.

2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что сверху по периметру коаксиально присоединенной снизу к куполу резервуара метантенка концентрической разделительной перегородки выполнены отверстия, а внутри концентрической разделительной перегородки коаксиально закреплена присоединенными к стенке концентрической разделительной перегородки распорками направляющая и центрирующая положение резервуара метантенка, устанавливаемая на трубу патрубка вывода биогаза втулка, тогда как присоединение снизу к куполу резервуара метантенка концентрической разделительной перегородки осуществлено разъемным, например, посредством съемных конических штифтов, устанавливаемых в отверстия проушин, которые выполнены сверху концентрической разделительной перегородки и введены в изготавливаемые щелевые отверстия в куполе метантенка.

3. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что закрепление газосборника резервуара метантенка без его днища на установленной коаксиально и закрепленной в корпусе газгольдера и центрирующей положение резервуара метантенка в корпусе газгольдера трубе патрубка вывода из метантенка и газового колокола газгольдера биогаза выполнено посредством установки съемного штифта или фиксатора, вводимого в соосно выполняемые отверстия в стенках газосборника и в трубе патрубка вывода биогаза.

4. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что корпус газгольдера, изготавливаемый различной формы в плане с коническим или пирамидальным днищем, выполняют из разных материалов, включая металл, полимеры, пластмассы, стеклопластик, бутовый камень, кирпич, бетон и железобетон, а газовый колокол газгольдера, боковую стенку метантенка с коническим или пирамидальным куполом, газосборник и разделительную концентрическую перегородку изготавливают преимущественно из листовых водогазонепроницаемых материалов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4