Анаэробный реактор циклического действия с одновременно функционирующими фазами
Изобретение предназначено для микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество. Способ микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество, посредством которого производят биогаз в установке, содержит биореактор (1), предпочтительно биореактор, работающий в анаэробных условиях, и отдельный резервуар (2). Способ включает (i) стадию загрузки в биореактор, (ii) стадию циклической реакции, на которой в биореакторе (1) вырабатывают биогаз, который временно хранят в отдельном резервуаре (2), и далее по меньшей мере одну последующую стадию (iii), включающую стадию осаждения твердых частиц и/или стадию слива выходящего потока водной текучей среды, причем биогаз, хранящийся в отдельном резервуаре (2), используют для снижения колебаний выходного потока (15) биогаза из установки, а последующая стадия (iii) включает в себя фазу осаждения водной суспензии и/или слив выходящего потока текучей среды. Технический результат: повышение эффективности процесса. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 пр.
Настоящее изобретение относится к способу обработки текучих сред, содержащих биоразлагаемые органические вещества, который включает в себя стадию циклической реакции, при которой биоразлагаемое органическое вещество перерабатывается анаэробными микроорганизмами, в результате чего образуется биогаз (смесь, обычно в основном состоящая из метана и углекислого газа). Кроме того, настоящее изобретение относится к установке для микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество.
Процесс производства биогаза из отходов, содержащих органическую биомассу в анаэробном реакторе циклического действия (AnSBR) был разработан в 1990-х годах. Патент США 5185079 A относится к однокамерному реактору циклического действия AnSBR с четырьмя основными стадиями: заполнение, реакция, осаждение и декантирование, с удалением ила при необходимости. Преимущества реактора AnSBR включают в себя высокую степень технологической гибкости в плане времени циклов и их последовательности, возможность работы без необходимости использования отстойников, а также возможность эксплуатировать систему с использованием сравнительно простой контрольно-измерительной аппаратуры. Более того, режимы «питания» и «голода», возникающие при последовательной работе, ускоряют процесс разложения медленно разлагаемых веществ (взвешенных твердых частиц, жиров и масел) и/или сравнительно неразлагаемых соединений, а также усиливают процесс биофлоккуляции. Кроме того, циклическая работа ведет к образованию быстро оседающего ила, благодаря естественному селективному давлению на плохо оседающий ил. В результате это способствует эффективному отделению твердых частиц что, в свою очередь, ведет к длительному времени удержания твердых частиц (SRT) и эффективному преобразованию органического субстрата в метан и углекислый газ.
Несмотря на то, что технология разработана давно, промышленное применение реакторов AnSBR ограничено. Основными причинами ограниченного применения реакторов AnSBR являются, судя по всему, неправильное применение данной конфигурации, ошибки в проектировании, неопределенность в контроле осаждаемости ила, а также сложности с размещением перерабатываемых объемов (жидкостей и газов), что ведет к необходимости в использовании больших буферных емкостей и резервуаров для хранения газа.
Известны несколько попыток разработки вариантов конфигураций реакторов AnSBR с целью использования преимуществ, указанных выше. Например, был предложен процесс, именуемый «AnSBR с температурными фазами», где два реактора работают последовательно. Первая реакция проходит при термофильной температуре (55°С), а вторая - при температуре мезофильного сбраживания (35°С).
Патент США 5599450 A относится к другой конфигурации, разработанной для реакторов AnSBR - анаэробный реактор циклического действия с восходящим потоком. В данной системе происходит формирование пробкообразного потока через анаэробный реактор очистки сточных вод с равномерным распределением потоков на дне реактора и сбором сточных вод на верхнем уровне для формирования восходящего пробкообразного потока через реактор во время наполнения, рециркуляции и декантирования с минимизацией горизонтального перемешивания. Согласно утверждениям создателей данной системы, пробкообразный поток обеспечивает рост более тяжелой биомассы ближе к нижней части реактора, где концентрация субстрата является наиболее высокой, и подавляет рост легкой биомассы ближе к верхней части реактора, где концентрация субстрата минимальная.
Несмотря на различные преимущества обработки сточных вод, содержащих органическую биомассу, в реакторах AnSBR, данные системы также имеют типичные объективные недостатки. Стадия реакции, во время которой формируется биогаз из органической массы, и стадия осаждения выполняются последовательно. Во время осаждения твердые частицы перемещаются в направлении нижней части реактора, туда, где формируется (концентрированный) ил, а в верхней части реактора формируется надиловая жидкость (жидкая водная фаза, со сниженным содержанием твердых частиц по сравнению с содержанием твердых частиц в жидкой фазе (взвесь), которая преимущественно имеет существенно меньше твердых частиц, после значительного времени осаждения надиловая жидкость сливается из реактора в виде выходящего потока. Желательно обеспечить длительное время для цикла осаждения, необходимого для образования надиловой жидкости, имеющей низкое содержание твердых частиц или отсутствие таковых, т. к. это содействует последующей очистке выходящего потока. При заданном времени цикла в технологическом процессе продолжительность цикла осаждения является ограничивающим фактором для общей способности расщепления органических веществ и производства биогаза, т. к. это сокращает количество времени, необходимого для выполнения фазы реакции. Последующие процессы, проходящие в реакторе AnSBR, что характерно, имеют плавающий уровень производительности выработки биогаза. В начале технологического цикла (стадия загрузки) уровень производительности выработки биогаза будет постепенно увеличиваться, пока не достигнет максимального уровня (обычно к концу либо ближе к концу стадии загрузки, либо в начальной фазе стадии реакции. После достижения максимального уровня производительности выработки биогаза стадия реакции обычно продолжается до тех пор, пока производительность не достигнет нижнего пограничного значения, после чего начинается стадия осаждения. Обычно во время стадии осаждения некоторое количество биогаза все еще продолжает вырабатываться, однако на данной стадии уровень производительности продолжает снижаться пока не достигнет минимума (возможно до 0) во время фазы декантирования (в течение которой происходит сброс выходящего потока). В результате колебаний уровня производительности выработки биогаза, его поток из реактора также идет со значительными колебаниями, что не желательно, в том числе ввиду дальнейшей переработки потока биогаза далее в технологической цепочке реактора AnSBR и/или для бесперебойной подачи биогаза для дальнейшего использования, например, для производства энергии.
Авторы настоящего изобретения нашли способ решения одной или обеих этих проблем. Авторы, в данном случае, обнаружили преимущество способа решения этих проблем в процессе анаэробной переработки. Как бы то ни было, они выяснили, что результаты их решения также пойдут на пользу процессам, проходящим в неанаэробных условиях.
Соответственно, настоящее изобретение относится к процессу очистки текучих сред в рамках которого производится биогаз в установках, включающих в себя биореактор (1) и отдельный резервуар (2), данный технологический процесс включает в себя стадию загрузки биореактора (i), после чего стадию циклической реакции (ii), при которой производится биогаз, который временно хранится в отдельном резервуаре (2), и затем, по крайней мере, еще одну стадию (iii), содержащую стадию осаждения и/или стадию слива выходящего потока водной текучей среды, при которой биогаз, складированный в отдельном резервуаре (2) используется для снижения колебаний потока биогаза на выходе из установки (15).
Вышеуказанные стадии обычно проходят в фактически анаэробных условиях.
В частности, настоящее изобретение относится к способу микробиологической обработки водных текучих сред, содержащих биоразлагаемые органические вещества, согласно которому по меньшей мере часть вышеуказанных биоразлагаемых органических веществ перерабатываются при помощи микроорганизмов, в частности анаэробных микроорганизмов, в результате чего производится биогаз в установке, содержащей биореактор, в частности анаэробный биореактор (1), причем указанный биореактор (1) содержит водную суспензию, которая имеет жидкую фазу и твердую фазу и содержит указанные микроорганизмы;
установка также содержит отдельный резервуар (2) для хранения очищенной водной текучей среды (2а) из биореактора (1), и для хранения биогаза (2b) из биореактора (1),
причем способ включает в себя:
(i) стадию заполнения биореактора, на которой водная текуча среда, содержащая биоразлагаемые органические вещества, подается в биореактор (1); и далее
(ii) стадию циклической реакции, при которой биоразлагаемое органическое вещество перерабатывается в биореакторе (1) при помощи микроорганизмов, в результате чего формируется биогаз; при этом во время указанной стадии поддерживают выходной поток биогаза из установки, причем по меньшей мере во время части фазы циклической реакции по меньшей мере часть произведенного биогаза временно хранят в отдельном резервуаре (2), за которой следует
(iii) по меньшей мере еще одна стадия, которая включает стадию осаждения и/или стадию слива выходящего потока водной текучей среды (предпочтительно жидкости)
и при которой биогаз (2b), хранящийся в резервуаре (2) используется для снижения колебаний выходного потока (15) биогаза во время стадии циклической реакции или после нее.
Пространство для хранения в отдельном резервуаре может быть разделено по меньшей мере по существу на первую секцию для хранения водной текучей среды (секция 2а) и вторую секцию для хранения биогаза (секция 2b). При нахождении биогаза и водной текучей среды в резервуаре (2), граница (5) между секцией 2а и секцией 2b обычно представляет собой границу раздела жидкость-газ между биогазом и водной текучей средой. Таким образом, данная граница не обязательно фиксирована, а размеры первой и второй секций могут изменяться в течение различных стадий способа согласно настоящему изобретению.
Как правило, стадии технологического процесса, согласно настоящему изобретению, повторяются множество раз. Каждая отдельная последовательность содержит стадию (i), стадию (ii) и стадию (iii), причем выполнение загрузки, реакции, осаждения и декантирования (сброса выходящего потока) формирует так называемый технологический цикл (или сокращенно «цикл»). По меньшей мере после первого цикла, с которого начинается способ, по меньшей мере по существу постоянный выходной поток биогаза в целом поддерживают в течение указанных стадий.
Обычно, за исключением случаев, когда система запускается с самого начала (например, при первом запуске или после ремонта), в реакторе уже содержатся микроорганизмы, производящие биогаз. Как только микроорганизмы введены в реактор, в большинстве случаев нет необходимости их повторного ввода при последующих циклах способа.
Настоящее изобретение также относится к установке для микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество, в частности установки для использования в способе согласно настоящему изобретению, причем
установка содержит биореактор, обычно анаэробный биореактор (1), при этом содержит перемешивающее устройство для перемешивания водной текучей среды в биореакторе (1) и отдельный резервуар (2), содержащий
- первую секцию (2а) для размещения обработанной водной текучей среды из биореактора (1), которая имеет впускное отверстие для обработанной водной текучей среды, которое подсоединено к выпускному отверстию для обработанной водной текучей среды из биореактора (1) посредством выполненного с возможностью закрывания трубопровода (3), и выпускное отверстие для удаления содержимого первой секции через выполненный с возможностью закрывания трубопровод (6) и
- вторую секцию (2b) для размещения биогаза, содержащую впускное отверстие для биогаза, которое соединено с выпускным отверстием для биогаза из биореактора (1) посредством трубопровода (4),
причем установка также содержит входное отверстие (14) для подачи потока текучих водных отходов в установку, выходное отверстие (15) для вывода биогаза из установки, выпускное отверстие (7) для вывода выходящего потока водной текучей среды и выходное отверстие (9) для вывода ила из установки.
Установка, согласно настоящему изобретению, особенно подходит для использования при микробиологической обработке водной текучей среды, содержащей биоразлагаемые органические вещества, при которой образуется биогаз из указанных биоразлагаемых веществ, предпочтительно согласно способу по настоящему изобретению.
В предпочтительном варианте реализации изобретения отдельный резервуар оборудован механизмом, а конкретно мешалкой. Данный механизм, как правило, присутствует в секции (2а). Он может использоваться для расщепления пены, формирующейся во время осаждения, когда резервуар используется для такой цели.
В предпочтительном варианте реализации изобретения секция 2а отдельного резервуара 2 содержит сепаратор жидкой и твердой фаз, предпочтительно осадитель с наклонным внутренним оборудованием, выполненным с возможностью повышения осаждаемости твердых частиц в водной текучей среде (таких как суспензия или ил). Наклонное внутреннее оборудование может представлять собой, например наклонные трубы или наклонные пластины, которые могут быть плоскими или рифлеными. Такое наклонное внутреннее оборудование может улучшить отделение биогаза от жидкой и твердой фаз. Наклонное внутренне оборудование обычно устанавливают под углом от 55 до 60°С и располагают на расстоянии по крайней мере в 2-10 см друг от друга для улучшения разделения и во избежание закупоривания сепаратора.
Сепаратор жидкой и твердой фаз предпочтительно располагают в средней части внешнего сепаратора.
Согласно другой реализации изобретения, сепаратор жидкой и твердой фаз может занимать по крайней мере примерно 50% от рабочего объема внешнего сепаратора, более предпочтительно - по меньшей мере около 75%, еще более предпочтительно - по меньшей мере около90%, и наиболее предпочтительно варианте - 100% рабочего пространства внешнего сепаратора.
Основным преимуществом настоящего изобретения является то, что оно позволяет одновременно перерабатывать органическое вещество при помощи микроорганизмов в биореакторе (1) и выполнять осаждение твердых частиц в обрабатываемой текучей среде в отдельном резервуаре (2).
Соответственно, в наиболее предпочтительном варианте реализации изобретения, на по меньшей мере части (ii) стадии циклической реакции, отдельный резервуар (2) используется в качестве осадителя, в котором обеспечивается осаждение твердых частиц из водной суспензии, присутствующей в резервуаре.
Соответственно, в наиболее предпочтительном варианте реализации изобретения, на стадии циклической реакции (ii), в биореакторе (1) формируется биогаз и одновременно обеспечивается осаждение любой водной суспензии из биореактора (1), которая предварительно была введена в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2), в указанном резервуаре (2).
Таким образом, в наиболее предпочтительном варианте реализации изобретения (i) стадия загрузки в биореактор, стадия циклической реакции (ii) и стадия осаждения твердых частиц и/или стадия слива выходящего потока текучей среды выполняются одновременно в течение, по меньшей мере (значительной) их части. Это позволяет обеспечить более длительные периоды осаждения (в 2-3 раза дольше чем в обычных реакторах AnSBR) без ущерба продолжительности фазы реакции, что является основным преимуществом перед обычными реакторами AnSBR.
Согласно варианту реализации настоящее изобретение позволяет выполнять стадии загрузки и декантирования одновременно в течение по меньшей мере значительной их части. Также возможно достичь одновременного выполнения фаз загрузки и декантирования, таким образом сократив количество стадий необходимых в каждом цикле, тем самым упрощая процесс, что также является основным преимуществом перед обычными реакторами AnSBR (см., например, фиг. 2 и 4).
Одновременное проведение стадий позволяет сократить общую продолжительность цикла, что обеспечивает снижение объема партии на цикл, и позволяет уменьшить необходимый объем буферного резервуара (13), необходимого для достижения определенной производительности.
Наличие первой секции (2а) для водной текучей среды и второй секции (2b) для биогаза в резервуаре (2) также является важным для обеспечения по меньшей мере частично одновременного выполнения стадии реакции и стадии осаждения или по меньшей мере частично одновременного выполнения стадий загрузки и декантирования, как будет проиллюстрировано далее.
Вторая секция (2b) служит в качестве хранилища для биогаза в течении некоторого периода времени способа, на котором производство биогаза сравнительно высоко, а также для подачи из нее биогаза на выпускной трубопровод (15) для биогаза из системы, таким образом достигается более равномерный поток биогаза через весь технологический процесс по сравнению с обычными реакторами AnSBR. Кроме того, это позволяет обеспечить гомогенизацию состава биогаза, который может изменяться во время производства.
Конструкция установки (используемой в способе) в соответствии с изобретением также имеет преимущество в том, что свободное пространство биореактора (1) (т. е. верхняя часть внутреннего пространства реактора над жидкой фракцией, которую занимает биогаз) соединено посредством трубопровода со второй секцией (2b) резервуара. Таким образом обеспечивается герметичность системы, вследствие чего устраняется значительный риск неприятных запахов и выбросов биогаза, являющихся регулярно возникающей проблемой в анаэробных контактных реакторах.
Способ согласно настоящему изобретению, позволяет обеспечить удобную, работающую в режиме реального времени систему мониторинга, оптимизации и автоматизации работы фаз на основе последовательных профилей производства биогаза (уровень производительности биогаза как временная зависимость, см., например, фиг. 6). Производительность системы можно контролировать в режиме реального времени, отслеживая уровень выработки биогаза в каждом профиле.
В способе согласно настоящему изобретению, продолжительность фаз загрузки системы и фазы реакции/осаждения можно настраивать и оптимизировать на основании «стандартного» профиля биогаза, т. е. контрольного/эталонного профиля биогаза, определенного оператором для соответствующего процесса. Это представляет собой основное преимущество перед способами, в которых требуется непрерывное управление, такими как обработка в анаэробном мембранном реакторе (AnMBR) или в реакторе непрерывного действия с перемешиванием среды, имеющей блок флотации растворенным биогазом (DBF).
Термин «или» в настоящей заявке соответствует «и/или» если не указано иное.
При использовании описания элемента в единственном числе в настоящем документе, указанное описание следует рассматривать как имеющее значение "по меньшей мере один" за исключением случаев, в которых явно указано обратное.
При указании на существительное (например состав или добавка и т.д.) в единственном числе, также подразумевается и использование данного существительного во множественном числе.
Термин «(по меньшей мере) по существу» обычно используется в настоящей заявке для указания на то, что описываемый предмет или характеристика в основном обладает указанным свойством или функцией. При указании на свойство, выражаемое количественно данный термин, конкретно, используется для указания на то, что он обладает по меньшей мере 50%, в частности более чем 75%, еще более, в частности более чем 90% от максимального значения указанного свойства. Термин «по существу свободный» по большей части используется для указания на то, что вещество отсутствует (ниже предела обнаружения при помощи аналитических методов, имеющихся на момент подачи заявки) или присутствует в таком малом количестве, что оно не имеет значительного влияния на свойства продукта по существу свободного от присутствия указанного вещества. На практике, в количественном выражении, продукт обычно считается фактически свободным от присутствия вещества, если содержание указанного вещества составляет 0-1 % масс., а конкретно 0-0,5% масс., конкретнее 0-0,1% масс.
В рамках настоящей заявки термин «примерно» обычно означает отклонение в 15% или менее от указанного значения, а конкретно отклонение в 10% или менее, конкретнее отклонение в 5% или менее.
В контексте настоящей заявки термин «биоразлагаемое органическое вещество» означает органическое вещество, которое может быть переработано при помощи биомассы в реакторе, как правило по существу в анаэробных условиях, с получением биомассы или метана.
Термин «текучая среда» используется для определения жидкостей или смесей жидкостей и по меньшей мере еще одной фазы, такой как суспензия, которая может течь без применения внешнего давления (давления, отличного от давления, вызываемого силой тяжести).
В контексте настоящего документа термин «органическое вещество» определяет любую органическую субстанцию, подверженную реакции химического окисления, что можно установить при помощи анализа химической потребности в кислороде (ХПК), как указано в стандарте ISO 6060:1989. Содержание органического вещества обычно выражается в гХПК, т. е. граммах кислорода, потребляемого для окисления органического вещества.
Специалист обычно знаком с терминами «верхний», «нижний», «средний», «в нижней части», «ближе к нижней части», «в верхней части» и «ближе к верхней части». Обычно вышеуказанные термины толкуются в контексте с другими терминами, и подготовленный специалист сможет практически реализовать настоящее изобретение, основываясь на знаниях общего характера, информации и ссылок, представленных в настоящем документе, а также характерных особенностях блоков (таких как биореактор, отдельный резервуар или объем вещества, содержащегося в биореакторе или секции) указанной установки.
Как показывает опыт, если из контекста не следует другое, «около» определенной контрольной точки (такой как «нижняя часть» или «верхняя часть») обычно означает «на относительной высоте до +/- 20%» от «контрольной точки», а конкретно «на относительной высоте до +/- 15%» от «контрольной точки», а еще конкретнее «на относительной высоте до +/- 10% от «контрольной точки». Относительная высота представляет собой расстояние от нижней части, поделенное на общую высоту блока (разность высот между нижней частью и верхней частью).
Как показывает опыт, если по контексту не следует иное, «верхняя» часть обычно означает верхнюю 1/2, а конкретнее верхнюю 1/3 часть блока, «нижняя» часть обычно означает нижнюю 1/2 блока, а конкретнее нижнюю 1/3 часть блока. При указании на среднюю часть это, в частности, означает среднюю 1/3 часть блока (между нижней 1/3 и верхней 1/3 частями).
В целях обеспечения ясности и лаконичности описания, свойства приведены в настоящем документе в качестве части настоящего или отдельного варианта осуществления изобретения, как бы то ни было, необходимо учесть, что объем изобретения может включать в себя описания вариантов осуществления настоящего изобретения, включающие в себя комбинации всех или некоторых описанных характеристик. Термины, используемые в настоящей заявке, которым не дано особое определение в настоящей заявке, имеют определение в патентной заявке WO 2013/139823 или, если таковые там не указаны, используются в соответствии с общедоступными сведениями.
На фиг. 1 схематично показано общее устройство установки (для использования в способе) в соответствии с изобретением. Выше по потоку от биореактора (1) обычно расположен буферный резервуар (13), в котором может храниться водная текучая среда, содержащая биоразлагаемые органические вещества (входящий поток, поступающая на очистку) перед ее введением в биореактор. Такой буферный резервуар (обычно представляющий из себя бак), как правило, устанавливается при переработке непрерывного потока отходов, т. к. способ согласно настоящему изобретению - это процесс периодического действия, по крайней мере что касается сточной воды, поступающей на очистку (водной текучей среды). Также присутствие буферного резервуара (13) позволяет гасить гидравлические колебания и колебания в составе органических веществ входящего потока. Биогаз (15) по большей части по существу непрерывно выводится из установки. В зависимости от конфигурации выходящий водный поток (7) также может по существу непрерывно выводиться из установки.
Отдельный резервуар (2) содержит по меньшей мере две секции ((2а) и (2b)). Первая секция (2а) выполнена с возможностью приема водной текучей среды, такой как суспензия и/или водные растворы, поступающей из биореактора (1). Вторая секция (2b) выполнена с возможностью приема биогаза, подаваемого из биореактора в секцию (2b) и выводимого из нее посредством трубопровода (4). Обычно вторая секция (2b) располагается над первой секцией (2а). Обычно обе эти секции формируют часть единого открытого пространства внутри резервуара. Таким образом, в зависимости от объема газа, на определенной стадии способа в резервуаре требуется присутствие соответствующего количества водной текучей среды, при этом большая или меньшая часть внутреннего пространства резервуара может использоваться для хранения газа или водной текучей среды. В частном варианте осуществления настоящего изобретения первая и вторая секции резервуара (2) отделены разделительной конструкцией, которая фактически непроницаема для биогаза, жидкостей и твердых частиц. Верхняя сторона первой секции обычно является нижней стороной второй секции. Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что в первой секции (2а) резервуара (2) нет необходимости во внутренних компонентах, необходимых для обычных осадителей, это также справедливо и в случае использования первой секции для осаждения. Тем не менее, при желании эти внутренние компоненты можно и добавить.
По меньшей мере верхняя крышка второй секции (2b), как правило выполнена с возможностью растяжения, таким образом, она может надуваться при введении биогаза и сдуваться при удалении биогаза. Для обеспечения указанной функции используется гибкая крышка по меньшей мере значительная часть которой может перемещаться вверх и вниз.
В предпочтительном варианте реализации это достигается при помощи двойной мембраны. Технология двойных мембран общеизвестна в данной области техники. Двойная мембрана состоит из первой (верхней) мембраны и второй (нижней) мембраны. Смежные стороны мембран определяют объем надуваемого/сдуваемого пространства (межмембранное пространство). При введении газа, например воздуха, объем межмембранного пространства увеличивается и при удалении газа данный объем уменьшается. Таким образом, как правило, к межмембранному пространству подключается газовый насос для введения и удаления газа из указанного пространства. Таким образом, двойная мембрана может использоваться для вытеснения биогаза в резервуаре 2 к выходному отверстию для биогаза или для поддержания необходимого давления газа внутри резервуара 2.
Соответственно, в предпочтительном варианте реализации изобретения верхняя крышка (17) отдельного резервуара (2) содержит надувную двойную мембрану, имеющую первую и вторую мембраны, между которыми при надувании образуется пространство. В особенно предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения пространство между первой и второй мембранами надувается или сдувается таким образом, что давление биогаза (2b) внутри отдельного резервуара поддерживается в пределах заданного диапазона. В особенно предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения пространство между первой и второй мембранами увеличивается для того, чтобы биогаз (2b), находящийся в резервуаре (2), подавался к выходному отверстию (15) для биогаза в том случае, когда выходной поток биогаза меньше порогового значения и/или пространство между первой и второй мембранами уменьшается для обеспечения большего пространства для хранения большего количества биогаза, когда производительность выработки биогаза выше верхнего порогового значения.
Нижняя часть резервуара может быть, например, горизонтальной, скошенной или конической. Скошенная или коническая нижняя часть с выпускным отверстием в самой нижней точке днища или около нее может быть предпочтительным вариантом для обеспечения эффективного (быстрого и/или фактически полного) удаления густого вязкого вещества, такого как концентрированный ил или шламообразная смесь из резервуара.
В резервуаре не требуется устанавливать какое-либо специальное внутреннее оборудование для выполнения осаждения или для выкачивания содержимого из резервуара. Например, жидкость может сливаться через фиксированное выпускное отверстие. В частном варианте осуществления настоящего изобретения резервуар оборудован плавучим декантером, который обеспечивает удаление выходного водного потока из резервуара на поверхности жидкой фазы или около нее внутри резервуара. В этом, в частности, состоит преимущество варианта осуществления настоящего изобретения, при котором резервуар содержит суспензию со сравнительно высоким содержанием твердых частиц, т.к. во время осаждения содержание твердых частиц будет наименьшим на поверхности жидкой фазы или около нее.
Далее, в способе согласно настоящему изобретению имеется возможность удалять биогаз из второй секции (2b) и подавать его в выпускное отверстие (15) для биогаза при помощи вытеснения текучей средой, подаваемой в первую секцию (2а).
Первая секция (2а) отдельного резервуара (2) оборудована выходным отверстием для выходного потока и линией рециркуляции (6) для возврата ила или водной текучей среды в биореактор (1). В установке также имеется выходная линия (9) для избыточного анаэробного ила (WAnS). Такой линией обычно оборудован биореактор (1) с выпускным отверстием для избыточного анаэробного ила WAnS, расположенным в нижней части биореактора (1) или около нее.
Водная текучая среда, обрабатываемая согласно способу в соответствии с настоящим изобретением, может быть, в принципе, любой водной текучей средой, содержащей органическое вещество, биоразлагаемое, в частности, в анаэробных условиях. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения водная текучая среда выбирается из группы, содержащей муниципальные сточные воды, промышленные сточные воды, канализационные сточные воды, текучие водные отходы процессов ферментации (таких как остаточный ферментативный бульон), водных суспензий и водных шламов. Что касается содержания воды в стоках, обрабатываемых способом в соответствии с настоящим изобретением, оно может варьироваться в широком диапазоне. Обычно содержание воды в обрабатываемой водной текучей среде составляет более 80% масс., точнее, по меньшей мере 80% масс., еще точнее 90% масс. или более от общего веса текучей среды. Как правило, содержание воды составляет 99,9% масс. или менее, предпочтительно 99,5% масс. или менее, еще предпочтительнее 99% масс. или менее, точнее 98% масс. или менее, еще точнее 96% масс. или менее. Общее содержание органического вещества в подлежащей обработке водной текучей среде обычно составляет 0,1 гХПК/л или более, предпочтительно в диапазоне 0,3 - 100 гХПК/л, в частности в диапазоне 5-50 гХПК/л.
Способ в соответствии с настоящим изобретением также особенно подходит для обработки потоков отходов со сравнительно высоким содержанием жиров, масел и/или смазки (FOG) и/или со сравнительно высоким содержанием взвешенных твердых частиц (TSS). Общее содержание взвешенных твердых частиц это фракция твердых частиц в текучей среде, получаемая при помощи фильтрации текучей среды с известным весом или объемом через фильтр размером 1,6 мкм («тупиковое» фильтрование), получение ретентата, его последующее промывание дистиллированной водой, высушивание промытого ретентата, и последующее определение остаточного сухого веса. Таким образом, взвешенные частицы могут содержать, кроме органических веществ, также и неорганические вещества. Для отделения органического вещества от неорганического образец подвергается сжиганию при 550°С, все органические вещества сгорают и в образце остается неорганический материал. Тест со сжиганием, как правило, является практической альтернативой анализу ХПК. Например, способ согласно настоящему изобретению (при работе в условиях, при которых твердые частицы в биореакторе по меньшей мере значительно хлопьевидны) также перспективен, например, по сравнению с обычными технологиями, при работе в условиях, при которых твердые частицы в биореакторе по меньшей мере значительно гранулированы - для обработки текучих отходов с общим содержанием взвешенных частиц - 0,5 г/л или более, в частности 1,0 г/л или более, предпочтительнее 1,5 - 30 г/л, в частности 2,0-20 г/л и/или содержание жиров - 50 мг/л или более, в частности 0,1 - 2 г/л. Одним из таких преимуществ является более эффективная переработка взвешенных твердых частиц микроорганизмами. Вторым преимуществом, особенно при высоком содержании жиров, является пониженная склонность или полное отсутствие флотации твердых частиц (включая микроорганизмы), обычно возникающей по причине высокого содержания жиров в системах с гранулированным материалом, что, возможно, приводит к вымыванию микроорганизмов.
Примеры водных текучих сред, которые особенно подходят для обработки в соответствии с настоящим изобретением, это водные отходы молочного производства или переработки (например, производство/обработка молока, сыра, масла), производство или обработка напитков (например, вина, пива, ликеро-водочной продукции, фруктовых соков, молока), производство или переработка биотоплива, химические комбинаты или водные отходы сельскохозяйственных предприятий.
Для специалиста очевидно, каким образом определить подходящее содержание жидкости, твердых веществ и микроорганизмов в биореакторе, основываясь на знаниях общего характера, информации, раскрытой в настоящем документе и ссылок, упомянутых в настоящем документе.
Способ согласно настоящему изобретению включает в себя по меньшей мере три стадии: первую стадию заполнения биореактора, вторую стадию циклической реакции. Способ также включает в себя осаждение твердых частиц из обрабатываемой текучей среды с получением фазы обработанной водной текучей среды из которой удалена по меньшей мере значительная часть твердой фазы. Далее способ включает в себя удаление (декантацию) водной текучей среды, преимущественно жидкостного выходного потока, из установки, в которой протекает процесс. В зависимости от режима работы, осаждение и/или удаление выполняют параллельно со стадией загрузки и/или стадией реакции или выполняются по меньшей мере в течение еще одной стадии, включающей стадию осаждения и/или стадию слива выходного потока водной текучей среды.
Далее будут рассмотрены предпочтительные режимы работы, где будет проиллюстрировано, каким образом будет выполняться заполнение, реакция, осаждение и декантация в соответствии с настоящим изобретением.
Первый предпочтительный вариант реализации изобретения проиллюстрирован на фиг. 2 и фиг. 4. Кроме прочих преимуществ, перечисленных выше, основным преимуществом настоящего варианта реализации изобретения (после первоначального цикла согласно способу, состоящего из трех описанных стадий), является то, что он позволяет избежать чрезмерно высоких пиков потока газа и, что предпочтительнее, позволяет обеспечить достаточно постоянный поток газа и/или непрерывный и, что предпочтительнее, по меньшей мере по существу постоянный выходящий водный потокв течение всего цикла согласно способу. Кроме того, в настоящем варианте реализации изобретения, первая секция (2а) резервуара (2) служит в качестве аварийного резервуара рециркуляции ила, в качестве гарантии от нежелательных потерь биомассы, в случае неожиданной поломки оборудования. Кроме этого, настоящий вариант реализации изобретения особенно перспективен для установления более короткой общей продолжительности циклов.
В настоящем варианте реализации изобретения биореактор (1) содержит систему (11) внутреннего сепаратора, находящуюся внутри биореактора (1) и расположенную над входным отверстием (14) для водной текучей среды, содержащей биоразлагаемые вещества и ниже выходного отверстия (16) для обработанной текучей среды, выходящей из биореактора. В настоящем варианте реализации изобретения входное отверстие (14) располагается обычно в нижней части биореактора (1).
Система (11) внутреннего сепаратора выполнена с возможностью отделения газа и твердой фракции от жидкости, в процессе которого формируется текучая фаза со сниженным содержанием твердых частиц (и, соответственно, сниженным содержанием взвешенных твердых частиц) по сравнению с содержанием твердых частиц в водной суспензии в начале стадии осаждения; предпочтительнее текучая фаза, которая по меньшей мере в значительной степени свободна от наличия твердых частиц. Внутренняя сепараторная система, как правило, содержит внутренний дефлектор или другие средства для создания объема, по существу свободного от биогаза у выпускного отверстия (12а) для водной текучей среды и рядом с выпускным отверстием (12а) для водной текучей среды, поступающей из биореактора. Соответствующие внутренние сепараторы на данном этапе развития техники широко известны, например, такие сепараторные системы были первоначально спроектированы для анаэробных реакторов со слоем активного ила и восходящим потоком (реакторы UASB), см. например G.Lettinga et al: Use of the upflow sludge blanket (USB) reactor concept for biological wastewater treatment, especially for anaerobic treatment, in Biotechnology and Bioengineering, Volume 22, Issue 4April 1980, Pages 699-734, available on internet via “http :// onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.260220402/full.
В настоящем варианте реализации изобретения входное отверстие (14) для водной текучей среды, как правило, находится в нижней части биореактора, в частности в днище или около него. Выходное отверстие (16), как правило, находится в верхней части биореактора, непосредственно у/или ниже границы между суспензией и свободным пространством, заполненным биогазом. Расположение входного отверстия (14) для водной текучей среды и выпускного отверстия (12а) выполнено на удалении друг от друга для того, чтобы жидкость могла бы сливаться из биореактора (1) фактически свободной от газообразной фазы и предпочтительно фактически без твердых частиц. В настоящем варианте реализации изобретения, при нормальной работе, жидкость, фактически свободная от твердой фазы, или текучая среда по меньшей мере в целом имеющая по существу сниженное содержание твердых частиц по сравнению со взвесью в реакторе, выводится из него. Выводимая жидкость, как правило, свободна от газовой фазы.
Сепаратор (11) выполнен с возможностью получать фазу водной текучей среды в верхней части биореактора со сниженным содержанием твердой фазы, которая может быть по существу свободна от твердых частиц. Кроме того, система выполнена с возможностью отделения биогаза от фазы водной текучей среды.
Очищенная водная текучая среда/жидкость, из которой был удален биогаз и твердые частицы, собирается в верхней части биореактора (1), т. е. над сепараторной системой (11).
На (i) стадии загрузки в биореактор согласно указанному первому предпочтительному варианту реализации изобретения водная текучая среда, содержащая биоразлагаемое органическое вещество, подается в биореактор (1) через указанное входное отверстие (14) для водной текучей среды. Это продемонстрировано на фиг. 4, схема I. В этом варианте реализации, загрузка, как правило, осуществляется без значительного перемешивания, не считая перемешивания, возникающего в процессе загрузке, по меньшей мере в начале второго и последующих циклов способа согласно настоящему изобретению, когда обработанная водная текучая среда (преимущественно жидкость на водной основе) из предыдущих циклов способа находится в верхней части биореактора. В связи с отсутствием какого-либо значительного перемешивания, по существу отсутствует смешивание обработанной текучей среды (предпочтительно жидкости), находящейся выше внутренней сепараторной системы (11) с суспензией/илом, присутствующим ниже внутренней сепараторной системы (11) в биореакторе (1). Таким образом, отделяемый водная текучая среда (преимущественно жидкость) выводится из биореактора (1) через выпускное отверстие (12а) и по меньшей мере часть этой водной текучей среды подается в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2) через впускное отверстие (3). В настоящем варианте реализации изобретения выпускное отверстие (12а) для текучей среды (предпочтительно жидкости), как правило, размещается на границе раствора и биогаза или около нее, через которое может выводиться водная текучая среда (преимущественно жидкость) фактически свободная от твердых частиц и газовой фазы, т. е. выше сепараторной системы (11).
Слив (декантирование) текучей среды (преимущественно жидкости) из биореактора может выполняться непрерывно, во время стадии заполнения биореактора, с периодичностью или циклично. Кроме того, возможен одновременный слив текучей среды (преимущественно жидкости) из первой секции (2а) отдельного резервуара (2) посредством трубопровода (6) и выходящего потока (7). В качестве меры предосторожности первая секция (2а) также действует в качестве буферного резервуара, если по какой-либо причине произойдет недопустимый сброс твердых частиц из реактора. Если содержание твердых частиц в первой секции станет выше допустимого уровня, конструкция системы позволяет произвести этап осаждения содержимого первой секции, после чего твердая фракция возвращается в реактор. В качестве альтернативы водная текучая среда в секции 2а полностью возвращается в реактор.
Поскольку при данном предпочтительном способе водная текучая среда в резервуаре (2), как правило, имеет низкую вязкость (например, вязкость примерно равна таковой у чистой воды), по существу полное удаление текучей среды эффективно происходит без использования специальных мер. Например, днище резервуара может иметь простую конструкцию, фактически горизонтальную (плоскую), хотя другие конструкции, например, коническая также хорошо работают.
Поскольку во вторую секцию (2b) поступает биогаз (обычно после первого цикла работы способа), этот биогаз из второй секции (2b), при необходимости, может использоваться для обеспечения по меньшей мере части выходного потока (15) биогаза во время стадии загрузки для поддержания достаточного выходного потока биогаза. Обычно это происходит в самом начале стадии загрузки, когда выработка биогаза еще сравнительно низка. Также во время декантирования биогаз из секции 2b может быть использован для того, чтобы избежать возникновения отрицательного давления во время декантирования. На стадии загрузки обычно не происходит вывода избыточного анаэробного ила WAnS (9).
После завершения заполнения (ii) начинается стадия циклической реакции. Данная стадия показана на схеме II рисунка 4. На этой стадии обычно нет потока раствора в биореактор (через линию 14). На этой стадии обычно нет потока раствора между биореактором (1) и первой секцией (2а). На этой стадии излишки избыточного анаэробного ила WAnS (9), когда необходимо, могут быть выведены.
Обычно во время стадии циклической реакции водная суспензия в биореакторе (1) перемешана, в силу чего водная суспензия, содержащая биоразлагаемые органические вещества и микроорганизмы, расширяется до фактически полного объема текучей среды биореактора, что является благоприятным для эффективной переработки органического вещества.
В связи с наличием сепараторной системы (11) твердая фракция над сепараторной системой имеет свойство опускаться ниже уровня сепараторной системы, если не предпринято дальнейших действий. Таким образом, при желании, водная суспензия выводится из биореактора (1) через выпускное отверстие (12а), расположенное выше внутренней сепараторной системы (11). Это может быть то же самое или другое выпускное отверстие, используемое для вывода водной текучей среды из биореактора во время фазы заполнения. Эту выведенную суспензию затем обычно подают обратно в биореактор посредством линии рециркуляции (12b), впускное отверстие которой расположено ниже внутренней сепараторной системы (11). Данная рециркуляция имеет полезное свойство поддержания суспензии в более однородном виде внутри биореактора.
Во время стадии циклической реакции водная текучая среда (предпочтительно жидкость), хранящаяся в первой секции (2а) обычно выводится из установки через выпускное отверстие (6) для водной текучей среды по выпускному трубопроводу (7) для выходного потока. Необходимо отметить, что в рассматриваемом варианте реализации изобретения первая секция (2а) также служит в качестве предохранительного буферного резервуара, в случае если (в результате ошибки) твердые частицы удаляются вместе с водной текучей средой (предпочтительно жидкостью) из биореактора. В таком случае, если содержание твердой фазы в первой секции становится выше максимально допустимого значения для определенного режима обработки во время по меньшей мере части стадии циклической реакции, содержимому первой секции дают осесть (при этом сброс выходного потока не происходит), после чего твердая фаза возвращается в реактор, либо все содержимое полностью возвращается в реактор.
После (ii) стадии циклической реакции следует (iii) стадия осаждения. Осаждение выполняется внутри биореактора (2). Данная стадия показана на схеме III фиг. 4. На данной стадии обычно не наблюдается потока текучей среды из биореактора к первой секции (2а) отдельного резервуара (2).
Во время этой стадии может продолжаться переработка биоразлагаемого органического вещества микроорганизмами, в частности анаэробными микроорганизмами, однако выработка биогаза, как правило, значительно ниже, чем в начале стадии циклической реакции, и затем постепенно снижается еще больше в связи с выработкой субстрата (биоразлагаемого органического вещества).
Во время стадии осаждения твердая фракция в биореакторе осаждается, посредством чего водная текучая среда формируется над внутренней сепараторной системой (11) со сниженным содержанием твердой фазы. Осаждение предпочтительно продолжается по меньшей мере до того момента, пока присутствует фаза текучей среды, фактически свободная от частиц, видимых невооруженным взглядом (частицы размером >0,1 мм), которая может быть впоследствии выведена в виде водной текучей среды (жидкости) во время последующей стадии заполнения при следующем цикле способа. Во время осаждения интенсивность перемешивания снижается либо перемешивание прекращается. Во время осаждения обычно не происходит рециркуляции текучей среды из верхней части реактора в нижнюю часть реактора (из 12а в 12b). Таким образом, внутренняя сепараторная система (11) имеет возможность по меньшей мере в значительной степени разделить взвесь на более концентрированную суспензию, находящуюся в части биореактора, расположенной ниже сепараторной системы (11), и фазу текучей среды выше сепараторной системы, имеющую пониженное содержание твердых частиц, и предпочтительно по существу свободную от твердых частиц.
Во время стадии осаждения водная текучая среда (предпочтительно жидкость), хранящаяся в первой секции (2а), выводится из установки через выпускное отверстие (6) для водной текучей среды.
Во время осаждения, концентрированный ил формируется в пространстве ниже сепараторной системы (11) в средней и, особенно, в нижней части. Авторы изобретения обнаружили, что здесь находится ил с наилучшим осаждением (наилучшим в плане возможности образования хлопьев и соответственно быстрого осаждения, оставляя более чистый выходной потока над осевшей промежуточной фазой суспензии).
Более того, при необходимости, биогаз из второй секции (2b) используется для обеспечения по меньшей мере части выходного потока (15) биогаза во время стадии осаждения.
Второй предпочтительный вариант реализации изобретения проиллюстрирован на фиг. 3 и 5. Этот вариант реализации изобретения также предлагает различные преимущества, такие как указанные выше, включая возможность сокращения общей продолжительности цикла благодаря одновременному выполнению таких действий как: проведение осаждения в резервуаре (2), в то время как водная текучая среда в биореакторе (1) обрабатывается при помощи микроорганизмов для преобразования биоразлагаемого вещества в биогаз, заполнение биореактора одновременно с выводом выходного потока из системы, а также поддержание по меньшей мере по существу постоянного потока биогаза на выходе из установки.
На (i) стадии заполнения биореактора (схема I на фиг. 5) водная текучая среда, содержащая биоразлагаемое органическое вещество подается в биореактор (1) через указанное входного отверстия (14) для водной текучей среды, предпочтительно во время перемешивания, причем входное отверстие (14) расположено в верхней части биореактора. Загрузка в верхнюю часть, в частности на уровне поверхности текучей среды в биореакторе или около нее желательна во избежание перетока, поскольку если отверстия для входного и выходного потоков расположены в биореакторе слишком близко друг к другу, подаваемый поток может выйти из реактора без существенного контакта с биомассой.
По меньшей мере после первоначального цикла способа биогаз, присутствующий в биореакторе, замещается водной текучей средой, подающейся в биореактор (1), и указанный газ формирует по меньшей мере часть выходного потока (15) биогаза во время стадии заполнения.
Любая водная суспензия, поступающая из биореактора (1), которая предварительно была введена в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2), осаждается в первой секции (2а), таким образом формируя верхнюю жидкую фазу, в которой сниженное содержание твердых частиц и которая по меньшей мере по существу свободна от наличия твердой фазы, и нижнюю фазу ила, в которой содержание твердых частиц увеличено. При необходимости на этой стадии суспензия дегазируется и/или перемешивается в отдельном резервуаре (2). Перемешивание суспензии в отдельном резервуаре перед осаждением (также известное как «продолжительное перемешивание», т.к. суспензия продолжает перемешиваться после вывода из биореактора) имеет множество преимуществ. Например, оно помогает улучшить переработку медленно разлагающегося материала (такого как жиры и твердые частицы), т. к. контакт биомассы с этими компонентами улучшен, и биомасса может расщеплять их в отсутствие других легко биоразлагаемых веществ. Другое преимущество продолжительного перемешивания перед осаждением состоит в эффекте дегазации во время перемешивания: продолжительное перемешивание усиливает вывод газа из биомассы, в частности из хлопьевидной биомассы, таким образом улучшая осаждение в последующих фазах осаждения.
После заполнения биореактора (1) начинается (ii) стадия циклической реакции. В течение фаз данной стадии биоразлагаемое органическое вещество перерабатывается микроорганизмами, преимущественно анаэробными микроорганизмами, в биореакторе (1), в то же время производится перемешивание суспензии в биореакторе (1). На данной стадии в реактор, как правило, загрузку материала не осуществляют. Стадии циклического реактора включают в себя по меньшей мере две фазы: (iia) первая фаза работы циклического реактора (схема II фиг. 5), на которой продолжается осаждение внутри отдельного резервуара, после чего начинается (iib) вторая фаза работы циклического реактора, на которой осажденный материал выводят из первой секции (2а) и, как правило, возвращают в биореактор (по трубопроводам 6 и 8) см. схему II фиг. 5).
Во время (iia) первой фазы работы циклического реактора суспензия из биореактора (1), которая предварительно была введена в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2), что, как правило, происходит после первоначального цикла технологического процесса, продолжает осаждаться в первой секции (2а).
Во время (iib) второй фазы работы цикличного реактора, по меньшей мере часть осажденного ила, сформированного в нижней части первой секции (2а), выводится из первой секции. Она как правило возвращается в биореактор по трубопроводу, проходящему между выпускным отверстием (6) первой секции (2а) и впускным отверстием (8) в нижней секции биореактора (1).
Данную стадию также предпочтительнее использовать для сброса излишков ила из установки, обычно непосредственно из биореактора.
При необходимости на стадии циклической реакции, а именно по меньшей мере в течение второй фазы, часть биогаза выработанного в биореакторе (1) складируется во второй секции (2b) резервуара (2).
Фаза (iii) - фаза слива выходящего потока текучей среды (жидкости), следует за второй стадией циклической реакции, см. схему IV фиг. 5.
Во время стадии слива выходящего потока, после того как фактически весь ил (находящийся в нижней части первой секции) удален из первой секции (2а), оставшаяся водная текучая среда (предпочтительно жидкость) выводится из первой секции через выпускное отверстие (6) и выходящий поток выводится из установки посредством сливного отверстия (7).
При необходимости вторая фаза (iib) циклической реакции и стадия (iii) слива выходного потока текучей среды могут быть выполнены в обратном порядке. Например, данный порядок может быть полезен при выборе типа ила, используемого в способе. Если в выходящем потоке после слива все еще присутствует ил, это может указывать на плохую осаждаемость ила. В настоящем варианте реализации изобретения выходящий поток сливается из отдельного резервуара (2), после чего по меньшей мере часть осажденного ила, сформированного в нижней части первой секции (2а), выводится из первой секции (2a). Ил, как правило, возвращается в биореактор (1) по трубопроводу, проходящему между выпускным отверстием (6) первой секции (2а) и впускным отверстием (8) в нижней секции биореактора (1), см. также Пример 1.
Во время стадии слива выходящего потока, внутри биореактора (1) может все еще оставаться некоторое количество биоразлагаемого вещества, которое перерабатывается микроорганизмами. Однако, скорость реакции будет значительно ниже, чем общая скорость реакции во время стадии реакции.
При необходимости во время этой стадии может происходить дегазирование суспензии в биореакторе (1) одновременно с перемешиванием суспензии. Часть газовой фазы, выработанной во время дегазирования, обычно хранится во второй секции (2b) резервуара (2). На практике на стадии слива выходящего потока содержание биоразлагаемого вещества в реакторе очень низкое и, следовательно, выработка биогаза также очень низка. Это также благоприятно для осаждения в отдельном резервуаре, т. к. формирование пузырьков биогаза во время осаждения может негативно повлиять на скорость осаждения.
После стадии слива выходящего потока запускается (iv) стадия слива из биореактора. Это показано на схеме V фиг. 5. По меньшей мере часть суспензии сливается из нижней секции биореактора (1) через выпускное отверстие (16) и подается в первую секцию (2а) резервуара (2) через впускное отверстие (2), соединенное с выпускным отверстием (16) посредством трубопровода. Обычно лишь часть суспензии в биореакторе (1) сливается из него, таким образом, достаточное количество микроорганизмов остается в биореакторе для производства газа во время последующих циклов способа.
Условия реакции в биореакторе могут быть основаны на известных процессах, таких как анаэробные процессы, для микробиологической переработки жидких стоков, содержащих биоразлагаемые органические вещества, например, как описано в справочниках или указанной в настоящем документе литературе.
Обычно, по меньшей мере во время циклической реакции суспензия в биореакторе содержит хлопьеобразную массу, а точнее хлопьеобразную биомассу, содержащую микроорганизмы. Как уже было упомянуто выше, система, в которой используются хлопья, имеет преимущества перед системами, в которой используются гранулы. Настоящее изобретение также предлагает преимущества перед известными системами, в которых используется биомасса в виде хлопьев. Например, способ согласно настоящему изобретению имеет преимущество перед анаэробными контактными реакторами, заключающееся в том, что в настоящем изобретении процесс может проходить в более компактной установке, в то время как анаэробные контактные реакторы требуют большую площадь для осадителей, при этом легче осуществлять контроль над процессом (удержание биомассы в анаэробных контактных реакторах легко нарушается), большая эксплуатационная гибкость, отсутствие риска выброса парниковых газов из установки, отсутствие или снижение риска образования плавающего ила из-за недостаточного дегазирования ила.
В предпочтительном варианте реализации изобретения поток биогаза из биореактора (1) контролируется по меньшей мере во время стадии циклической реакции (ii) и используется для определения момента, когда необходимо переходить к следующей стадии.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения производительность контролируется по меньшей мере во время значительной части процесса, предпочтительнее - в течение всего процесса. Это делается, например, при помощи замера потока биогаза на выходе из биореактора (в линии 4 до развилки на резервуар (2) и выходного потока (15) биогаза). На фиг. 6 показаны два примера профиля производства биогаза во время цикла способа в соответствии с настоящим изобретением. Во время стадии реакции количество органического вещества сократится и производство биогаза также сократится. После чего существуют два возможных варианта: (1) Если уровень производительности выработки биогаза останется выше заданного порогового значения в течение определенного промежутка времени в рамках стадии реакции (это может определить специалист для конкретной системы), то следующий этап можно будет отложить во избежание перегрузки системы, а также для обеспечения должного дегазирования ила перед осаждением (выработка биогаза работает как подъемная сила, что мешает осаждению ила); (2) если уровень производительности выработки биогаза во время стадии реакции оказывается ниже заданного порогового значения (это может определить специалист для конкретной системы), то система может получить больше материала за то же время либо может выполнить фазу заполнения за меньший срок, тем самым получая дополнительный объем. Таким образом, время цикла в способах, показанных верхними (черными) кривыми, относится к варианту (1), а нижними (серыми) кривыми относится к варианту (2).
Контроль уровня производительности выработки биогаза также полезен тем, что позволяет отслеживать случаи, когда уровень выработки биогаза (становится) слишком высок(им). Таким образом, можно управлять процессом, используя последовательность логических операций: если ближе к завершению стадии реакции уровень производительности выработки биогаза выше порогового значения, стадия реакции приостанавливается.
При помощи контроля уровня производительности выработки газа на выходе из биореактора (1) и при сравнении его с целевым значением выхода биогаза (15) можно направить избыточно произведенный биогаз в отдельный резервуар (2b) для хранения и забирать его оттуда, когда выработка биогаза в биореакторе станет ниже целевого значения или диапазона расхода биогаза. Контроль можно производить, например, при помощи замера давления биогаза (например, в верхнем свободном пространстве в биореакторе или на выпускном отверстия для биогаза в биореакторе или около него) либо при помощи замера расхода биогаза.
Целевое значение расхода обычно устанавливается на уровне максимально возможного расхода биогаза на выходе. Специалист сможет определить данное значение для каждой конкретной ситуации.
Целевой диапазон - это допустимое отклонение (ширина диапазона) от необходимого среднего значения расхода биогаза на выходе из установки.
Таким образом можно использовать контроль в реальном времени для регулирования и уменьшения колебаний в расходе биогаза на выходе, что, как известно, в данной области техники является следствием циклического характера работы установки.
Соответственно, в предпочтительном варианте реализации изобретения установка согласно настоящему изобретению содержит систему управления, выполненную с возможностью регулирования выходного потока биогаза (15) из установки, при использовании установки для микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемые органические вещества. Обычно такая система содержит датчик для контроля параметров, отражающих уровень производительности выработки биогаза. Такой датчик может представлять из себя датчик давления (установленный в свободном пространстве биореактора 1 или в трубопроводе 4) либо датчик расхода (установленный в трубопроводе 4) или датчик для определения количества биогаза, выходящего из биореактора. Система также обычно включает в себя датчик расхода или количества биогаза на выходе из установки (выходной поток биогаза 15). Система обычно также включает в себя вычислительное устройство и оборудование для регулировки потока биогаза в отдельный резервуар (2) и из него на основании данных, получаемых вычислительным устройством от указанных датчиков. Кроме того, секция (2b) отдельного резервуара (2) может содержать датчик для измерения количества биогаза или давления биогаза, складированного в резервуаре (2).
Выходящий поток из резервуара (2) может сливаться или использоваться, или подвергаться дальнейшей обработке, т. е. очищаться, перед тем как будут слиты или использованы в дальнейшем процессе. Дальнейшая обработка, такая как дальнейшая очистка, может выполняться при помощи широко известных способов. Например, выходящий поток из резервуара может проходить фильтрацию или очистку по технологии обратного осмоса и т. п.
Пример 1
Сточные воды молочного производства с высоким содержанием взвешенных твердых частиц (2-5 г/л) и высоким содержанием жиров (> 600 мг/л) перерабатывались в Анаэробном реакторе циклического действия с одновременно функционирующими фазами в соответствии с настоящим изобретением (см. фиг. 3), в способе, аналогичном изображенному на фиг. 5, где стадии III и IV выполняются в обратном порядке. Общая продолжить работы реактора составила 235 дней. Сначала входящий поток подавался в реактор, а внешний резервуар подвергался дегазации, во время чего как в реакторе, так и во внешнем резервуаре уже происходила реакция, т. е. происходила переработка загрязняющих веществ в сточной воде в биогаз. Затем ил осаждался во внешнем резервуаре и затем декантировался, а далее выходящий поток сливался из внешнего резервуара. В то же время в реакторе продолжалась реакция. И, наконец, ил удалялся из внешнего резервуара и подавался в биореактор, а затем возвращался из биореактора во внешний резервуар.
Была достигнута высокая величина объемной нагрузки органическими веществами в 8-10 гХПК/л в день, в течение более 100 дней (фиг. 7). В течение всего этого времени проводился мониторинг удаления общего количества органических веществ (ХПК общ.) и растворимых органических веществ (ХПК раств.) (фиг. 8 и 9). Во время работы был достигнут высокий процент удаления ХПК общ. в пределах 90 - 95%, и отличный процент ХПК раств. >98%. Кроме того, выходящий поток имел концентрацию общих взвешенных частиц стабильно ниже 0,2-0,5 г/л, которая считается удовлетворительной для такого типа анаэробных систем с хлопьеобразным активным илом с сепарацией основанной на осаждении (фиг. 10). Более того, осаждаемость ила составила 50 - 70% от объема внешнего резервуара в течение фазы осаждения (фиг. 11). Во время работы потерь биомассы в результате аккумулирования жиров в форме плавающих слоев ила и/или жировых гранул, наблюдаемых в реакторе во время осаждения, не было.
1. Способ микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество, посредством которого производят биогаз в установке, содержащей биореактор (1), предпочтительно биореактор, работающий в анаэробных условиях, и отдельный резервуар (2), при этом способ включает
(i) стадию загрузки в биореактор, далее
(ii) стадию циклической реакции, на которой в биореакторе (1) вырабатывают биогаз, который временно хранят в отдельном резервуаре (2), и одновременно обеспечивают осаждение в указанном резервуаре (2) любой водной суспензии из биореактора (1), которая была предварительно введена в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2), используемого в качестве осадителя, в котором обеспечено осаждение твердых частиц из водной суспензии, присутствующей в резервуаре, во время по меньшей мере части стадии циклической реакции, и далее
по меньшей мере одну последующую стадию (iii), включающую стадию осаждения твердых частиц и/или стадию слива выходящего потока водной текучей среды, причем биогаз, хранящийся в отдельном резервуаре (2), используют для снижения колебаний выходного потока (15) биогаза из установки, а последующая стадия (iii) включает в себя фазу осаждения водной суспензии и/или слив выходящего потока текучей среды.
2. Способ по п. 1, согласно которому на (i) стадии загрузки биореактора
- водная текучая среда, содержащая биоразлагаемое органическое вещество, подается в биореактор (1) через указанное входное отверстие (14) для водной текучей среды, предпочтительно во время перемешивания, причем входное отверстие (14) расположено в верхней части биореактора,
- замещают газ, присутствующий в биореакторе, водной текучей средой, подаваемой в биореактор (1), и указанный газ формирует по меньшей мере часть выходного потока (15) биогаза во время стадии загрузки,
- обеспечивают осаждение в первой секции (2а) любой водной суспензии, поступающей из биореактора (1), которая ранее была введена в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2), таким образом формируя верхнюю фазу текучей среды, которая имеет сниженное содержание твердых частиц по сравнению с указанной суспензией и предпочтительно свободна, по меньшей мере по существу свободна от твердой фазы, и нижнюю фазу ила, в которой содержание твердых частиц увеличено по сравнению с указанной суспензией;
(ii) стадия циклической реакции включает в себя (iia) первую фазу циклической реакции и (iib) вторую фазу циклической реакции, на которых биоразлагаемое органическое вещество перерабатывается при помощи микроорганизмов в биореакторе (1) при перемешивании суспензии в биореакторе (1), причем:
- в (iia) первой фазе работы циклического реактора продолжают обеспечение осаждения в первой секции (2а) любой суспензии из биореактора (1), которая предварительно была введена в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2),
- во (iib) второй фазе работы циклического реактора возвращают в биореактор по меньшей мере часть осажденного ила, сформированного в нижней части первой секции (2а), посредством трубопровода между выпускным отверстием (6) первой секции (2а) и впускным отверстием (8) в нижней секции биореактора (1), причем образующийся излишек ила сливается из установки непосредственно из биореактора,
- хранят часть биогаза, выработанного в биореакторе (1), во второй секции (2b) резервуара (2), причем
(iii) на стадии слива выходящего потока текучей среды, следующей за второй фазой работы циклического реактора или предшествующей ей,
- сливают фазу водной текучей среды из первой секции (2а) через выпускное отверстие (6) и сливное отверстие (7) после удаления по существу всего ила из первой секции (2а),
- удаляют газ из суспензии в биореакторе (1) при перемешивании суспензии, и
после второй фазы работы циклического реактора и стадии слива выходящего потока текучей среды на (iv) стадии слива из биореактора по меньшей мере часть дегазированной суспензии выводят из биореактора (1) из нижней секции биореактора (1) через выпускное отверстие (16) и подают в первую секцию (2а) резервуара (2) через впускное отверстие (3), соединенное с выпускным отверстием (16) посредством трубопровода.
3. Способ микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество, посредством которого производят биогаз в установке, содержащей биореактор (1), предпочтительно биореактор, работающий в анаэробных условиях, и отдельный резервуар (2), при этом способ включает
(i) стадию загрузки в биореактор, далее
(ii) стадию циклической реакции, на которой в биореакторе (1) вырабатывают биогаз, который временно хранят в отдельном резервуаре (2), и далее
по меньшей мере одну последующую стадию (iii), включающую стадию осаждения твердых частиц и/или стадию слива выходящего потока водной текучей среды, причем биогаз, хранящийся в отдельном резервуаре (2), используют для снижения колебаний выходного потока (15) биогаза из установки, а последующая стадия (iii) включает в себя фазу осаждения водной суспензии и/или слив выходящего потока текучей среды,
согласно которому биореактор (1) содержит внутреннюю сепараторную систему (11), расположенную в биореакторе (1) над впускным отверстием (14) для водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое вещество, и ниже выпускного отверстия (16) для вывода обработанной водной текучей среды из биореактора (1), причем сепараторная система (11) используется для отделения водной текучей среды суспензии от твердой фазы и биогаза, и где отделяемая водная текучая среда собирается в верхней части биореактора (1) над сепараторной системой (11), причем
во время (i) стадии загрузки в биореактор
- водную текучую среду, содержащую биоразлагаемое органическое вещество, подают в биореактор (1) через указанное впускное отверстие (14) для водной текучей среды без значительного перемешивания, кроме перемешивания, возникающего в результате загрузки,
- отделяемую водную текучую среду выводят из биореактора через выпускное отверстие (16) и по меньшей мере часть этой водной текучей среды подают в первую секцию (2а) отдельного резервуара (2),
- при необходимости биогаз, находящийся во второй секции (2b) отдельного резервуара (2), используют для обеспечения по меньшей мере части выходного потока (15) биогаза во время стадии загрузки,
во время (ii) стадии циклической реакции
- водную суспензию в биореакторе (1) перемешивают,
- при необходимости водную суспензию выводят из биореактора через выпускное отверстие (16), расположенное выше внутренней сепараторной системы (11), и подают обратно в биореактор по линии (12b) рециркуляции, входное отверстие которой расположено ниже внутренней сепараторной системы (11),
- водную текучую среду, хранящуюся в первой секции (2а), выводят из установки через выпускное отверстие (6) для водной текучей среды, и где после (ii) стадии циклической реакции следует (iii) стадия осаждения, во время которой может продолжаться стадия переработки биоразлагаемого органического вещества при помощи микроорганизмов,
- стадия осаждения включает осаждение твердых частиц в биореакторе, посредством чего формируется фаза водной текучей среды над внутренней сепараторной системой,
- водную текучую среду, хранящуюся в первой секции (2а), выводят из установки через выпускное отверстие (6) для водной текучей среды,
- при наличии излишка суспензии ее сливают из биореактора через выпускное отверстие (9) в нижней части биореактора,
- при необходимости биогаз из второй секции (2b) используют для обеспечения по меньшей мере части выходного потока (15) биогаза во время стадии осаждения.
4. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому стадия (iii) включает осаждение твердых частиц водной суспензии, в частности ила, в отдельном резервуаре (2), взятой из биореактора (1), посредством чего формируют фазу, содержащую осажденные твердые частицы, и возвращают указанную фазу в биореактор по трубопроводу между выпускным отверстием (6) отдельного резервуара (2) и впускным отверстием (8) в нижней секции биореактора (1), и сливают избыточную суспензию, в частности ил, из установки, непосредственно из биореактора.
5. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому биореактор (1) содержит водную суспензию, которая имеет жидкую фазу и твердую фазу и содержит анаэробные микроорганизмы, при этом отдельный резервуар (2) используется для размещения обработанной водной текучей среды (2а) из биореактора (1) и размещения биогаза (2b) из биореактора (1), причем указанный способ включает:
(i) стадию загрузки в биореактор, на которой водная текучая среда, содержащая биоразлагаемое органическое вещество, подается в биореактор (1) и далее
(ii) стадию циклической реакции, на которой биоразлагаемое органическое вещество перерабатывается в биореакторе (1) при помощи анаэробных микроорганизмов, в результате чего формируется биогаз, при этом во время фазы циклической реакции на выходе из установки поддерживается выходной поток биогаза, причем во время по меньшей мере части фазы циклической реакции по меньшей мере часть произведенного биогаза временно хранится в отдельном резервуаре (2), затем следует (iii) по меньшей мере еще одна стадия, которая включает стадию осаждения твердых частиц и/или стадию слива выходящего потока водной текучей среды,
и при которой биогаз, хранящийся в отдельном резервуаре (2), используется для снижения колебаний выходного потока (15) биогаза во время стадии циклической реакции или после нее.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором биореактор содержит хлопьеобразную биомассу.
7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором биогаз хранится в верхней части отдельного резервуара (2), а отдельный резервуар (2) имеет гибкую верхнюю крышку (17), которая содержит надувную двойную мембрану, имеющую первую и вторую мембраны, между которыми при надувании образуется пространство.
8. Способ по п. 7, в котором пространство между первой и второй мембранами надувают или сдувают, таким образом поддерживая давление биогаза (2b) внутри отдельного резервуара (2) в пределах заданного диапазона.
9. Способ по п. 7 или 8, в котором пространство между первой и второй мембранами увеличивают для того, чтобы вызывать подачу биогаза (2b), хранящегося в резервуаре (2), к выходному отверстию (15) для биогаза в том случае, когда выходной поток биогаза становится ниже нижнего порогового значения, и/или пространство между первой и второй мембранами уменьшают для обеспечения хранения большего количества биогаза, когда производительность выработки биогаза выше верхнего порогового значения.
10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором поток биогаза из биореактора (1) или уровень производительности биогаза в биореакторе (1) контролируют по меньшей мере во время (ii) стадии циклической реакции и используют для определения момента перехода к следующей стадии.
11. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором указанные стадии повторяют множество циклов и в котором по меньшей мере после первого цикла поддерживают по меньшей мере по существу постоянный выходной поток биогаза в течение указанных стадий.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором подлежащая обработке водная текучая среда имеет общее содержание органических веществ в диапазоне 0,3-100 гХПК/л и/или общее содержание твердых веществ в диапазоне 1-30 г/л.
13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором из первой секции (2а) отдельного резервуара (2) выводят выходящий водный поток, который по меньшей мере по существу свободен от твердых частиц, видимых невооруженным глазом.
14. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором ниже по потоку относительно установки выходящий поток (7) из первой секции (2а) резервуара (2) подвергают стадии очистки.
15. Способ по п. 14, в котором (i) стадию загрузки в биореактор, (ii) стадию циклической реакции и (iii) стадию осаждения твердых частиц и/или стадию слива выходящего потока текучей среды выполняют одновременно по меньшей мере в течение их части.
16. Установка для микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество, в соответствии со способом по любому из предыдущих пунктов, содержащая биореактор (1), который содержит перемешивающее устройство для перемешивания водной текучей среды в биореакторе (1) и отдельный резервуар (2), который содержит
- первую секцию (2а) для размещения обработанной водной текучей среды из биореактора (1), имеющую впускное отверстие для обработанной водной текучей среды, которое соединено с выпускным отверстием для обработанной водной текучей среды из биореактора (1) посредством выполненного с возможностью перекрывания трубопровода (3) и выпускного отверстия для удаления содержимого первой секции посредством выполненного с возможностью перекрывания трубопровода (6), и
- вторую секцию (2b) для размещения биогаза, содержащую впускное отверстие для биогаза, которое соединено с выпускным отверстием для биогаза из биореактора (1) посредством трубопровода (4), причем установка также содержит входное отверстие (14) для подачи потока текучих водных отходов в установку, выпускное отверстие (15) для вывода биогаза из установки, сливное отверстие (7) для выходного водного потока и выпускное отверстие (9) для вывода ила из установки.
17. Установка по п. 16, в которой вторая секция (2b) занимает верхнюю часть отдельного резервуара (2) и имеет расширяемую верхнюю крышку (17), предпочтительно двойную мембрану.
18. Установка по п. 16 или 17, которая содержит управляющую систему для регулирования биогаза, выполненную с возможностью регулирования выходного потока (15) биогаза из установки, когда установка используется для микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество.
19. Установка по любому пп. 16-18, в которой первая секция (2а) содержит сепаратор жидкой и твердой фаз, имеющий наклонное внутреннее оборудование, выполненное с возможностью повышения осаждаемости твердых частиц в водной текучей среде, такой как суспензия или ил.
20. Установка по п. 19, в которой сепаратор жидкой и твердой фаз представляет собой наклонно-пластинчатый осадитель.
21. Применение установки по любому из пп. 16-18 для микробиологической обработки водной текучей среды, содержащей биоразлагаемое органическое вещество, с образованием биогаза из указанного биоразлагаемого вещества, предпочтительно способом по любому из пп. 1-15.
