Биореактор для получения биогаза и удобрений

(51) 01 3/02 (2006.01) 05 3/06 (2006.01) 02 11/04 (2006.01) 12 1/04 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ корпуса в виде вертикального цилиндра,иммобилизационного устройства, содержащего слой колец из полимерных инертных материалов,расположенных между двумя решетками,рециркуляционной и нагревательной систем,сборника биогаза, в котором иммобилизационное устройство расположено в нижней части биореактора и выполнено в виде набора колец с перфорированными стенками и внутренними вертикальными перегородками. Использование биореактора с иммобилизационным устройством дает возможность эффективно переработать сточные и твердые отходы агропромышленного комплекса,животноводства и птицеводства при коротком времени гидролитического удержания, в пределах 610 дней, получить биогаз с высоким содержанием метана от 60-95 и удобрение с высоким содержанием питательных веществ за счет высокой концентрации биомассы,закрепленной на поверхности колец иммобилизационного устройства и участвующей в процессе анаэробного сбраживания.(72) Бахов Жумабек Кубеевич Коразбекова Карлыгаш Усипханкызы Муталиева Ботагоз Жаксылыковна Сапарбекова Альмира Амангельдиевна(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения ЮжноКазахстанский государственный университет им. М. Ауэзова Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА И УДОБРЕНИЙ(57) Изобретение относится к сельскому хозяйству,в частности,к биореакторам с иммобилизационными устройствами для выделения биогаза и получения удобрений из твердых отходов и жидкостей животноводческих и птицеводческих ферм. Предложена конструкция биореактора для получения биогаза и удобрений, состоящего из Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к биореакторам с иммобилизационными устройствами для выделения биогаза и получения удобрений из твердых отходов и жидкостей животноводческих и птицеводческих ферм. Известен метантенк для выработки биогаза и белково-витаминной добавки /БВД/ анаэробными и аэробными микроорганизмами из продуктов жизнедеятельности животных и птицы, содержащий корпус, сообщенный посредством трубопроводов с камерой метанового брожения, разделенный на камеры кислого, регрессии кислого и щелочного брожения и сборник бражки, перекрытия камер и корпуса, патрубки подвода и отвода сред, причем камера метанового брожения выполнена в виде шахты, разделенной на секции поперечными перегородками, которые расположены, чередуясь сплошные и перфорированные, камеры снабжены поперечными ленточными фильтрами из гибких нитей с перемещающимися по днищам камер планками, выполняющими функции перемешивания и иммобилизации микроорганизмов для распада жиров, белков и углеводородов беззольного органического вещества субстрата, что повышает полноту распада до 90-95, установленными с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а гибкие нити из углеродсодержащих волокон, плотность которых существенно меньше плотности субстрата, прикрепленные к планкам,выполнены вертикальными, и камера метанового брожения сообщена по биогазу с камерами кислого,регрессии кислого и щелочного брожения, а по бражке со сборником бражки, размещенным в камере щелочного брожения (Патент 2086512,22.01.1992). Недостатком этого известного метантенка является сложность конструкции. Кроме того,использование в качестве иммобилизационного приспособления выполненных вертикально гибких нитей из углеродсодержащих волокон,прикрепленных к планкам, приводит к закреплению относительно малого количества микроорганизмов,участвующих в процессе образования биогаза, так как планки, снабженные гибкими вертикальными нитями, не обеспечивают эффективную удельную поверхность для достаточного развития биопленки и при использовании волокнистых углеродосодержащих материалов для иммобилизации микроорганизмов в средах с высоким содержанием твердых частиц наблюдается их обволакивание и обрастание биомассой, за счет этого эффективность процесса анаэробного брожения снижается. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является реактор, входящий в состав установки для переработки органических отходов,преимущественно для сбраживания жидкого куриного помета, влажностью от 80 до 95,имеющий приспособления для перемешивания и иммобилизационное устройство. Перемешивание в реакторе осуществляется непрерывно в течение всего цикла сбраживания при помощи ввода ферментационной среды рециркуляционными 2 насосами через сопло тангенциально в нижнюю часть биореакторов, что позволяет организовать более интенсивный теплообмен и гомогенизацию ферментационной среды, и таким образом интенсифицировать процесс метаногенеза. Иммобилизационное устройство, служащее для закрепления осуществляющей метаногенез микрофлоры в аппарате, представляет собой слой колец из инертного материала, например, из поливинилхлорида, полиэтилена, расположенный между двумя съемными решетками, закрепленными в верхней части слоя ферментационной жидкости(Патент 2040138, С 1, МПК А 01 С 3/02,25.07.1995). Недостатками этого реактора являются реактор не предназначен для переработки органических отходов влажностью меньше чем 80 процесс анаэробного брожения в реакторе требует дополнительную конструкцию смесителя приспособление для перемешивания,обеспечивающее непрерывное перемешивание в течение всего цикла сбраживания и выполненное в виде соединенных между собой центробежного насоса, установленного на выходе реактора,теплообменника и сопла, расположенного на выходе теплообменника в днище реактора, приводит к энергетическим затратам. Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции биореактора,обеспечивающей улучшение процесса образования биогаза и удобрений из твердых отходов и жидкостей сельского хозяйства и повышение эффективности протекания анаэробного брожения органических отходов. Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения,заключается в упрощении конструкции биореактора,повышении эффективности и производительности биореактора. Поставленная задача решается тем, что в биореакторе для получения биогаза и удобрений,состоящем из корпуса в виде вертикального цилиндра,иммобилизационного устройства,содержащего слой колец из полимерных инертных материалов,расположенных между двумя решетками, рециркуляционной и нагревательной систем, сборника биогаза, согласно изобретению,иммобилизационное устройство расположено в нижней части биореактора и выполнено в виде набора колец с перфорированными стенками и внутренними вертикальными перегородками. Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически показан биореактор для производства биогаза и удобрения и на фиг.2 кольца иммобилизационного устройства А - вид сбоку и Б - вид сверху. Биореактор 1 содержит герметичный корпус 2 в виде вертикального цилиндра, с фиксированной или подвижной крышкой 3. Нижняя часть биореактора сообщена трубопроводом 4 отвода обработанных органических субстратов(удобрение) через управляемый вентиль 5 со сборником 20 жидкого органического удобрения. Биореактор 1 снабжен иммобилизационным устройством 6, состоящим из нижней 7 и верхней 8 съемных решеток и матрицы 9, представляющей собой слой колец (фиг.2) из полимерных инертных материалов. В верхней части биореактора установлена решетка 10, для просеивания циркулируемой и исходной жидкостей от крупных частиц субстрата. Стенка корпуса 2 биореактора 1 снабжена рубашкой 11 с трубопроводом 12 для подвода и отвода теплоносителя, насосом 13 для циркуляции горячей воды и нагревательного прибора 14. Биореактор содержит также трубопроводы подвода и отвода 15 ферментационной среды, трубопровод 16 подвода и сборник 21 исходного жидкого субстрата и рециркуляционный насос 17. Верхняя часть биореактора 1 сообщена трубопроводом 18 со сборником биогаза 19. Биореактор работает следующим образом. Исходная жидкая фракция поступает внутрь корпуса 2 биореактора 1 через трубопровод 16 из сборника 21 исходного жидкого субстрата рециркуляционным насосом 17 до уровня верхней съемной решетки 8 иммобилизационного устройства 6, а исходная твердая фракция влажностью 65-75 поступает при открытии крышки 3 внутрь биореактора 1 на поверхность иммобилизационного устройства 6. Запускается процесс перемешивания жидкой фракции с помощью рециркуляционого насоса 17, циркуляция протекает по направлению к верхней части реактора( система) и жидкость распыляется на поверхность твердой фракции через трубопровод 15 подвода ферментационной среды, при этом, проходя через твердый субстрат,жидкая фракция обогащается питательными веществами. В биореакторе 1 при анаэробных условиях происходит процесс метанового сбраживания и разложение органических веществ двумя группами микроорганизмов - кислотными и метаногенами в три этапа -гидролиз, окисление и образование метана. В этом сложном комплексе превращения главными микроорганизмами являются метанобразующие бактерии, которые превращают органические кислоты (летучие жирные кислоты,уксусная и муравьиная кислоты), образованные при помощи кислотообразующих бактерий во втором этапе метанового сбраживания, в биогаз и при брожении органического субстрата сложные органические соединения расщепляются в простые вещества. Поддержание температурного режима в биореакторе 1 осуществляется при помощи циркуляции насосом 13 горячей воды, разогретой в нагревательном приборе 14, подаваемой в рубашку 11, расположенную в контуре корпуса 2 биореактора 1 через трубопроводы 12 для подвода и отвода теплоносителя. Перемешивание в биореакторе 1 осуществляется непрерывно 15 минут каждый час в течение всего цикла сбраживания при помощи ввода сбраживаемой жидкости рециркуляционным насосом 17 и трубопроводом 16 подвода и отвода. Проточная линия направляет жидкость в верхнюю часть биореактора, то есть биореактор работает всистеме и при обратной циркуляции обработанного отхода частота соприкосновения между клетками бактерий и иммобилизационным устройством в биореакторе увеличивается, за счет этого образуется единородная среда для дальнейшего развития и активности биопленки,кроме того, улучшается процесс рассеивания субстрата и питательных веществ в биопленке. Иммобилизационное устройство 6 представляет из себя матрицу 9, содержащую инертные носители- кольца (рис.2) из поливинилхлорида, полиэтилена и других полимеров,выполненные с перфорированными стенками и внутренними вертикальными перегородками, фиксированную с двух сторон съемными перфорированными решетками 7 и 8, диаметр отверстий которых 3-5 мм. Иммобилизация метаногенных бактерий в виде биопленки на поверхности носителей служит для предотвращения смывания медленно растущих клеток и обеспечения удержания биомассы независимо от времени гидролитического удержания. Иммобилизационное устройство заселяется микроорганизмами, образуя слизистый слой или биопленки и микроорганизмы,иммобилизованные в кольцах менее, подвергаются раневому стрессу и повреждению клеток пузырьками газа. Верхняя съемная решетка 8 упакована с мелко ячеечной сеткой для задержания волокнистых и грубых частиц навоза и помета. При анаэробном брожении отходов животноводства и птицеводства в данном биореакторе 1 производится биогаз с содержанием метана (СН 4) 60-90 и 15-30 углекислого газа(СО 2), который через трубопровод 18 накапливается в сборнике биогаза 19. Кроме производства биогаза с высоким содержанием метана, в биореакторе 1 с иммобилизованными микрофлорами метанобразующих бактерий происходит полный переход питательных веществ в удобрение, которое через трубопровод отвода 4 обработанных органических субстратов и через управляемый вентиль 5 отбирается в сборник 20 жидкого органического удобрения. Загрузку органических отходов и выгрузку готовых удобрений производят периодически по мере окончания контролируемого технологического процесса. Использование предлагаемого биореактора с иммобилизационным устройством дает возможность эффективно переработать твердые отходы и жидкости животноводства и птицеводства при коротком времени гидролитического удержания, в пределах 6-10 дней, получить биогаз с высоким содержанием метана от 60-95 и удобрение с высоким содержанием питательных веществ за счет высокой концентрации биомассы,закрепленной на поверхности колец иммобилизационного устройства и участвующей в процессе анаэробного сбраживания. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Биореактор для получения биогаза и удобрений,состоящий из корпуса в виде вертикального цилиндра,иммобилизационного устройства,содержащего слой колец из полимерных инертных материалов,расположенных между двумя решетками, рециркуляционной и нагревательной систем, сборника биогаза, отличающийся тем, что иммобилизационное устройство расположено в нижней части биореактора и выполнено в виде набора колец с перфорированными стенками и внутренними вертикальными перегородками.