BG66587B1 - Биофилмов реактор с потопен неподвижен пълнеж за получаване на биогаз - Google Patents

Abstract

Биореакторът намира приложение при преработката на отпадъци от селскостопанските производства, от хранителната индустрия, от производството на енергоносители от възобновяеми източници, в пречистването на отпадни води и в изследванията на анаеробни процеси в лабораторни условия. С него се постигат високи скорости при получаване на биогаз, на тор с високо съдържание на азот и фосфор, и ниски концентрации на въглеродсъдържащи съединения в отпадните води. Биореакторът създава условия за ускорено образуване на биофилм от микробни съобщества на анаероби и равнодостъпност на суровината до всяка точка от повърхността на биофилма. Той осигурява висока степен на херметичност в много продължителен период и условията, необходими за провеждане на успешна експериментална дейност в лабораторен мащаб. Биофилмовият реактор се състои от цилиндричен корпус (1), оформящ реакционна зона за захранване със суровина в течна фаза, под формата на суспензия и/или в разтворено състояние. В реакционната зона е поместен неподвижен пълнеж (2), повърхността на който е приспособена за спонтанна фиксация на микроорганизми в анаеробни условия с участието на биофилм при получаване на биогаз и отпадък, съдържащ утаяваща се на дъното на биореактора тежка фракция и лека фракция, плаваща на повърхност, намираща се на границата на течната и газовата фаза и оформяща междуфазова повърхност, под която е разположено разбъркващо устройство, състоящо се от гребло (13) и етажна бъркачка (9), монтирани на задвижващ вал (10), свързан чрез магнитен съединител (14 и 16), със задвижващ вал (15) на редуктор към двигател. Етажната бъркачка (9) е поместена в централна тръба (4) с отбойници (11), а греблото (13) е разположено близко до нивото на междуфазовата повърхност. На изхода на централна тръба (4) е установено устройство за изравняване на скоростите на течния поток (5), с форма на пресечен конус с перфорирана повърхност. На дъното на цилиндричния корпус (1) е разположен нагревател (6), а върху повърхността на потопения пълнеж (2), оформен на повърхности на цилиндрични тела (7) от износоустойчив спрямо течната фаза материал, разположени коаксиално на централна тръба (4) и разположени от горния й край на поддържаща решетка (3) за фиксиране на разстоянието между тях, която е със свободно сечение ? ? 0,4, установена перпендикулярно на централна ос на корпуса (1), между него и централна тръба (4), при устройството за изравняване на скоростите на течния поток (5).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до биофилмов реактор с периодично, полунепрекъснато и непрекъснато действие, който ще намери приложение в преработката на отпадъци от приложението на селскостопански технологии, от хранителната индустрия, в анаеробното пречистване на отпадни води, в производството на енергоносители, като краен етап, осигуряващ високо ниво на екологичност, а също така и при провеждане на изследвания на анаеробни процеси в лабораторен мащаб и на пилотни инсталации.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е биофилмов реактор за получаване на биогаз с носител на биофилм, във вид на потопен неподвижен пълнеж, който е с централна бъркачка, разположена под решетка, поддържаща твърд инертен носител от стъклени пръстени на Рашиг [Alves Μ. М., Pereira М. А., Bellouti М, Alvares Pereira R. М., Mota Vieira J. A., Novais J., Mota M. (1998) A new method to study interactions between biomass and packing material in anaerobic filters, Biotechnology Techniques, 12, (4): 277-283]. Върху стъклените пръстени се образува и функционира биофилм, формиралото се анаеробно микробно съобщество, на който разгражда въглеродсъдържащи субстанции в течната фаза до газова смес, състояща се главно от метан и въглероден диоксид, която при определени стандарти се приема за «биогаз».

При експлоатацията на този биореактор, биофилмът нараства неконтролируемо, което постепенно води до намаляване на свободното сечение на каналите, по които се движи течната фаза в неподвижния слой, поради увеличаването на дебелината на биофилма. Наличието на суспендирани частици в течната фаза ускорява процеса на обрастването им, тъй като неподвижният пълнеж функционира не само като носител за биофилма, но и като филтър. Освен това, въртеливото движение на течната фаза, предизвикано от действието на бъркачката, създава неравномерно разпределение на течната фаза по хоризонталните сечения на пълнежа, която се увеличава с нарастването на дебелината на биофилма и намалява ефективното му използване.

Тези ефекти дават като краен резултат блокиране на възможността за функциониране на зоната на биофилма и налагат прекратяване на дейността на биореактора с цел отстраняване на излишния биофилм, което намалява значително времето на ефективното му действие, особено при непрекъснат и полунепрекъснат режим на функциониране в индустриални условия.

Известен е друг биофилмов реактор с потопен неподвижен пълнеж [Ann С., Fixed film anaerobic digestion of flushed manure, (2004) US Patent No 681170, Pimary. Class 210/603 10, Publ. date 11/02/2004; Filing date 10/22/2002], състоящ се от носител, съставен от множество вертикално разположени тръби, с два външни циркулационни кръга - единият е за повторно използване на отпадащия биофилм, а другият - за връщане на част от напускащата апарата течна фаза отново чрез входящия в него поток. Разпределението на течната фаза на вход в пълнежа, която се състои от суровина за преработване и част от биофилма, се осъществява от поддържащата пълнежа решетка.

Наличието на външни циркулационни потоци към биофилмовия реактор увеличава опасността от нарушаване на изискванията за строга анаеробност в биофилмовия реактор, повишава консумацията на електроенергия, усложнява и оскъпява експлоатацията му. Както показва опитът от инженерната химия и биопроцесното инженерство, наличието на суспендирани частици във входящите в апаратите потоци затрудняват равномерното разпределение на скоростта на течната фаза по сечението на апарата и не позволяват ефективно използване на повърхността на биофилма. Освен това, за да се намали вредното влияние на ефектите, описани по-горе, които често предизвикват блокирането на неподвижните пълнежи, а предлаганите за случая техни елементи във формата на вертикални тръби трябва да имат големи диаметри и разстоянията между тях да са достатъчно големи, което намалява значително специфичната повърхност на носителя. Всичко това не позволява високоефективно функциониране на биореактора като апарат, който трябва да действа в индустриални условия.

Известен е също така биофилмов реактор за получаване на биогаз в лабораторни условия [Camargo E.F.M, Canto C.S.A, Ratusznel S.M., Rodriguees J.A.D., Zaiat, M., Borzani W. (2005)

66587 Bl

INTERCINCA, v. 30, No 4, 168-194] c външен циркулационен кръг, който осигурява движението на течната фаза във вертикална посока нагоре, и носител на биофилм от пенополиуретанови петмилиметрови кубчета с плътност по-малка от тази на водата и неподвижен слой с висока порьозност, който е оформен като пакет от две решетки - поддържаща го отдолу и ограничаваща движението му нагоре. Недостатъците на този биофилмов реактор са същите както на описания по-горе биореактор, поради наличието на външен циркулационен кръг и блокирането на зоната с биофилм. В условията на лабораторни експерименти тези ефекти не позволяват функциониране в продължителен период, който е задължителен за изучаване на функционирането на биофилма във всички фази на жизнения му цикъл в лабораторни условия.

Известен е и реактор за анаеробно получаване на биогаз от предварително обработени мокри отпадъци, който е описан в патент ЕР 2 020 434 В1, заявен на 03.08.2007 г. Реакторът се състои от цилиндричен корпус с капак, оформящ реакционна зона за захранване със смес от предварително обработени мокри отпадъци, която е приспособена за осъществяване на биохимична реакция в анаеробна среда за преобразуване на сместа в биогаз и отпадък, съдържащ първа фракция, която се утаява в дъното на реакционната камера и втора фракция, по-лека от първата фракция, която плава върху свободна междуфазова повърхност, намираща се на границата на течната и газовата фаза. По-тежката фракция на втората биомаса се утаява гравитационно, във вътрешността на реактора, докато нейната полека фракция продължава да плува по свободната повърхност на взаимодействие на сместа от мокри отпадъци и вода.

Реакционната камера се захранва със смес, съдържаща предварително обработените мокри отпадъци с вода и в нея сместа реагира при анаеробни условия с микроорганизми, генериращи биогаз и вторична биомаса. По централната ос на корпуса, в реакционната зона е разположено разбъркващо устройство с етажна бъркачка, монтирано на задвижван вал, свързан чрез съединител със задвижващия вал на редуктор към двигател.

Към цилиндричния корпус са монтирани, тръбопровод за входящ поток, предварително третираната с вода смес, тръбопровод за отвеждане на биогаз, пробоотборник за течната фаза и централен тръбопровод с хидрозатвор за извеждане на изходящ поток от тежка фракция биомаса.

Този реактор е предназначен да обработва с прекъсване големи обеми смес от мокри отпадъци и вода и се базира на принципите за получаване на биогаз на псевдохомогенните биореактори, в които активните микроорганизми плуват в течната фаза, където контактуват с органичните съставки на суровината и произвеждат биогаз и които принципно се отличават от биофилмовите реактори.

Недостатъците на този реактор са:

- ниска производителност по биогаз, поради многократно по-ниските концентрации на активните микроорганизми, способни да произвеждат биогаз, по отношение на биофилмовите реактори;

- много голяма ограниченост на приложението му, защото той е подходящ, но само за условията за работа в показаната технологична линия, тъй като конструкцията му е ориентирана само към суровини във формата на втечнени твърди отпадъци, което е значителен недостатък поради наличието на значителни по брой и количество отпадъци - суровини в състояние на водни суспензии;

- отсъствие на подходяща система за постоянно подгряване на реакционната зона в самия биореактор, особено при отсъствие на топлоизолация, която не е предвидена в дадения случай, намалява неговата производителност, особено в случаите, когато биореакторът функционира «на открито» и температурата на околната среда може да бъде много по-ниска от тази в биореактора, а това ще предизвиква рязко охлаждане на реакционната зона;

- постоянно подаване на топлинна енергия в реакционната зона в такива случаи е необходимо и поради това, че процесът на получаване на биогаз с участието на анаеробни микроорганизми е ендотермичен, т.е. изискващ внос на топлинна енергия отвън;

- при работа «на закрито», при най-малката възможност за разхерметизация на биореактора, каквато при този биореактор съществува, води до още една допълнителна, но задължителна експлоатационна операция за периодична подмя-

66587 Bl на на уплътнението на вала, защото в противен случай в затвореното пространство ще нараства концентрацията на биогаз, който с въздуха прави взривоопасни смеси.

Техническа същност на изобретението

Целта на предлаганото изобретение е да се създаде биофилмов реактор за получаване на биогаз с потопен неподвижен пълнеж, повърхността на който да служи за твърд носител на биофилм, като се създадат подходящи условия за спонтанна фиксация на микроорганизмите върху него, с което да се осигури продължителна работа при периодичен, полунепрекъснат и непрекъснат режими, при различни времена на пребиваване на течната фаза в реактора, да се избягва блокирането на дейността в зоната на потопения пълнеж чрез спонтанно отделяне на биофилма от носителя, поради естествени процеси на нарушаване адхезията му в последните фази на неговия жизнен цикъл, като се осигурява отвеждането на отпадналите от него части с изходящия от биореактора поток, без да се налага прекъсване на процеса на получаване на биогаз, поради необходимост от почистване на пълнежа, както и да се осигуряват еднакви хидромеханични и топло- и масообменни условия за снабдяване на повърхността на биофилма с разтворените и суспендирани субстанции в течната фаза по хоризонталните сечения на обема в реакционната зона на биореактора.

Целта се постига с биофилмов реактор за получаване на биогаз, съгласно настоящото изобретение, който се състои от цилиндричен корпус с капак, оформящ реакционна зона за захранване със суспензии, съдържащи суровина за биогаз, състояща се от предварително обработени с вода мокри отпадъци. Реакционната зона е приспособена за осъществяване на биохимична реакция в анаеробна среда с микроорганизми за получаване на биогаз и отпадък, съдържащ утаяваща се в камерата тежка фракция и лека фракция, плаваща на свободна междуфазова повърхност, намираща се на границата на течната и газовата фаза, под която е разположено разбъркващо устройство с етажна бъркачка, монтирана на задвижван вал, разположен по централната ос на корпуса и свързан чрез съединител със задвижващ вал на редуктор към двигател. Към корпуса са монтирани тръбопровод за входящ поток втечнена суровина, тръбопровод за извеждане на биогаз, тръбопровод за вземане на проба от реакционната зона и тръбопровод за извеждане на изходящ поток отпадък от тежка фракция. Приносът на изобретението към състоянието на техниката се дължи на това, че разбъркващото устройство е съставено от етажната бъркачка, която е поместена в централна тръба с отбойници и от разположено в близост до нивото на свободната междуфазова повърхност, гребло за разрушаване на твърдата кора на повърхността на реакционната зона, което е монтирано на задвижвания вал, свързан със задвижващия вал, посредством магнитен съединител. На изхода на централната тръба е установено устройство за изравняване на скоростите на течния поток, изпълнено във вид на перфорирана повърхност с форма на пресечен конус, при голямата основа на който и централно на дъното на цилиндричния корпус е разположен нагревател. От външната страна на централната тръба е разположен носител на биофилм във вид на потопен неподвижен пълнеж от концентрични цилиндрични тела, разположени от външната страна на централната тръба и разпрострени от горния й край до поддържаща решетка за фиксиране на разстоянието между тях, която е със свободно сечение φ > 0,4 и е установена перпендикулярно на централната ос на корпуса, между него и централната тръба, захваната към устройството за изравняване на скоростите на течния поток.

Биофилмовият реактор за получаване на биогаз, съгласно едно предпочитано изпълнение, съгласно изобретението, е изпълнен с разбъркващо устройство, съставено от двуетажна високоскоростна бъркачка.

Съгласно друго предпочитано изпълнение на биофилмовия реактор за получаване на биогаз, разбъркващото устройство е съставено от триетажна високоскоростна бъркачка.

Биофилмовият реактор за получаване на биогаз, съгласно настоящото изобретение, за предпочитане е изпълнен и по такъв начин, че носителят за биофилм във вид на потопен пълнеж, е оформен от цилиндричните повърхности на разположените концентрично спрямо централната тръба, цилиндрични тела, монтирани на поддържащата решетка за фиксиране на разстоянието между тях и изработени от твърд и износоустойчив спрямо химическо и микробио

66587 Bl логично въздействие на суспензията, материал. Между цилиндричните тела са оформени свободни пространства за циркулация на суспензията.

В още едно изпълнение на биофилмовия реактор за получаване на биогаз, съгласно настоящото изобретение, магнитният съединител е изпълнен от магнитно тяло, закрепено на задвижващия вал на редуктора към двигателя и магнитно тяло, свързано със задвижвания вал на разбъркващото устройство.

Реакционната зона е предвидена за захранване със суспензии съдържащи суровина за биогаз, състояща се от предварително обработени с вода, мокри отпадъци, които са със зададени технологични параметри - концентрация на твърди вещества, концентрация на разтворени биоразградими вещества, допълнителни съставки, при зададени температура и дебит на захранващия поток. В реакционната зона е поместен а неподвижен пълнеж, чиято повърхност служи за носител на биофилм, в който се осъществява микробиологична конверсия в анаеробна среда на суровината в суспендирано и/или разтворено състояние в биогаз и инертни отпадъци. Отпадъците съдържат утаяваща се на дъното на биореактора тежка фракция и лека фракция, плаваща на свободна повърхност, която оформя междуфазовата граница на течната и газовата фаза в биореактора, над която е монтирано гребло. Под междуфазовата повърхност са разположени другите елементи на разбъркващото устройство.

Носителят на биофилма е във вид на потопен неподвижен пълнеж, оформен от цилиндрични повърхности, изработени от износоустойчив по отношение на течната фаза материал.

Високоскоростната бъркачка, която е двуили триетажна, като броя на разбъркващите й елементи, изпълнени във вид на витла, е в зависимост от височината на биореактора.

Повърхността на пълнежа може да бъде релефна и/или пореста, но към нея микроорганизмите трябва да проявяват афинитет към спонтанно фиксиране.

Предимствата от използването на биофилмовия реактор, съгласно настоящото изобретение, наред с известните за този тип апарати, се изразяват:

- в създаването на благоприятна хидродинамична обстановка за осъществяване на режим на течение с равномерно разпределение на скоростите в пространствата на неподвижния пълнеж, определени от цилиндричните повърхности на носителя, разположени концентрично на централната тръба;

- в осъществяване на циркулация на течната фаза без външни циркулационни кръгове, което намалява риска от нарушаване на анаеробността на процеса на получаване на биогаза;

- в много доброто смесване в течната фаза във вид на суспензия, съдържаща суровината, активни микроорганизми, микроскопични микробни агрегати, малки парчета от отпаднал биофилм и твърди инертни частици, поради много по-краткото време на нейната циркулация от времето на пребиваване на суровината в биофилмовия реактор за получаване на биогаз;

- в наличието на много добри хидродинамични условия за фиксиране на микроорганизмите, самостоятелно или в състояние на асоциации от анаеробни микроорганизми, поради ниските срезващи напрежения в близост до повърхността на пълнежа, както и заради използваните подходящи линейни скорости на течната фаза;

- в постигане на равномерно снабдяване на повърхността на биофилма със суровината в разтворима и/или суспендирана форма;

- в използване на всички фази от жизнения цикъл на биофилма за повишаването на интензивността на производството на биогаз;

- в осигуряване на условия за отвеждането на големи части на отпадналия биофилм към дъното на корпуса и извеждането му от биореактора с течната фаза;

- в дораздробяването на твърдите агрегати от частици, постъпващи с входящия поток на предстоящата за преработване суровина и циркулиращите части от отпадналия биофилм чрез високоскоростната етажна бъркачка в централната тръба;

- в разрушаването на формирана кора на междуфазовата повърхност от леката фракция и малки парчета от отлепил се биофилм и микроорганизми в циркулиращата течна фаза;

- в създаване на възможност, част от отпадналия биофилм във формата на малки парчета или отделни микробиални клетки да продължи да пребивава в биореактора чрез увличането им от потока циркулираща течна фаза и да участва в получаването на биогаз в суспендирано състояние;

- в осигуряване на условия за циркулиране

66587 Bl на малки части от отпадналия биофилм като по такъв начин превръща биореактора в апарат от хетерогенно-хомогенен вид, което разкрива възможности за изследване на този тип системи при получаването на биогаз, както и допълнително да се използва най-активната част на отлепилия се биофилм;

- в осигуряване на условия за циркулиращите форми на биофилма да се прикрепват отново към най-външните слоеве на биофилма, както и по освободените части на повърхността на пълнежа от отлепил се биофилм, като по този начин се увеличава концентрацията на активната фиксирана биомаса и още повече се повишава ефективността на биореактора;

- в удовлетворяване на повишените изисквания към поддържане на основните фактори, управляващи процесите на получаване на биогаз в много дълъг период на непрекъсната дейност, както при функциониране „на закрито“ в лабораторни и пилотни експерименти, така и в условията на масово производство на биогаз;

- в използването на магнитен съединител в процеса на разбъркване, чрез който се осигуряват анаеробни условия през много дълги периоди на функционирането на биофилмовия реактор в лаборатории условия при работа „на закрито“, което позволява безопасно изучаване на получаването на биогаз в различните фази на съществуването на биофилма;

- във възможностите за функциониране при много кратки времена на пребиваване на суровината в реакционната зона (много високи степени на разреждания), което е много важно за изследвания в чист вид на приноса на биофилма в получаването на биогаз, както и за изучаване на жизнения цикъл на различни видове анаеробни биофилми.

Пояснение на приложените фигури

За по-детайлно представяне на биофилмовия реактор, съгласно настоящото изобретение, са представени чертежи, в схематичен вид на неговото изпълнение, според които:

фигура 1 представлява разрез по вертикалната ос на биофилмовия реактор с неподвижен пълнеж с триетажна бъркачка, представен в схематичен вид;

фигура 2 е схема в напречен разрез по А-А от фигура 1.

Примерно изпълнение на изобретението

На фигури 1 и 2 е показано едно, неограничаващо изобретението, примерно изпълнение на биофилмовия реактор с потопен неподвижен пълнеж и работни елементи, съответно на потопения пълнеж и разбъркващото устройство, според което:

Биофилмовият реактор с неподвижен пълнеж се състои от цилиндричен корпус 1 с капак, осигуряващ анаеробност на процеса на получаване на биогаз в непрекъснат режим чрез изключване на достъпа на въздух до вътрешността на биореактора. Задвижващият вал 15 на редуктор към двигателя (непоказани на фигурите) е свързан със задвижван вал 10 на разбъркващо устройство чрез магнитен съединител, съставен от магнитно тяло 14, монтирано на задвижващия вал 15 и магнитно тяло 16, установено неподвижно на задвижвания вал 10. Разбъркващото устройство е съставено от гребло 13 и етажна бъркачка 9, която е дву- или триетажна, монтирана е на задвижвания вал 10, разположен по централната ос на реакционната камера, във вътрешността на цилиндричния корпус 1. Етажната бъркачка 9 е високоскоростна и е поместена в централна тръба 4 с отбойници 11. Тя осъществява циркулацията на течната фаза и служи и за раздробяване на агрегати от частици, съдържащи се във входящия поток.

Греблото 13 е монтирано също на задвижвания вал 10 и е разположено на разстояние от входа на централната тръба 4, близко над нивото на междуфазовата повърхност, оформяща границата на течната и газовата фаза. Греблото 13 е предвидено за предотвратяване на образуването на твърда кора върху свободната повърхност на течната фаза и служи за изравняване на концентрациите на суровината в суспендирана форма, на входа в централната тръба 4.

Към горната част на корпуса с капак 1 са монтирани тръбопровод с кран 17 за входящ поток течна фаза, съдържаща суровина в разтворена и суспендирана форма, тръбопровод за извеждане на биогаз с кран 18, пробоотборник с кран 19 за анализ на течната фаза, а в дъното е установен тръбопровод с кран 20 за изходящ поток от тежка фракция през хидрозатвор 21. Етажната бъркачка 9 е високоскоростна, разположена е в централната тръба 4 и се задвижва от вала 10. Отбойниците 11 са монтирани от вътрешната

66587 Bl страна на централната тръба 4 и са предвидени да създават условия за насочено движение на течния поток надолу. Към изхода на централната тръба 4 е монтирано устройство за равномерно разпределение на потока течност 5 нагоре към потопен неподвижен пълнеж 2.

Неподвижният пълнеж 2 е оформен от цилиндрични тела, разположени коаксиално на централната тръба 4 и разпростиращи се от горния й край до поддържаща решетка 3 със свободно сечение φ > 0,4, монтирана в долния й край, при устройството за изравняване на скоростите на течния поток 5, което е установено между централната тръба 4 и дъното на корпуса 1. Устройството за равномерно разпределение на потока течност 5 е с форма на пресечен конус с перфорирана повърхност, който е захванат неподвижно за долния край на централната тръба 4 с малката си основа и за дъното на цилиндричния корпус 1 с голямата си основа, в областта на която е монтиран нагревател 6, разположен централно върху дъното на цилиндричния корпус 1.

Цилиндричните тела 7 (Фиг. 1 и Фиг. 2) на потопения неподвижен пълнеж 2, чиято повърхност е носител на биофилм, са изпълнени от твърд, износоустойчив материал по отношение на средата в биореактора и към микроорганизмите, които образуват биофилма и оформят свободни пространства 8 за движение на течната фаза.

Действието на биофилмовия реактор е следното.

След монтажа на всички елементи на биофилмовия реактор, цилиндричният корпус 1 с капак се запълва до необходимата височина през тръбопровода с кран 14 с течна фаза от предварително обработени с вода мокри отпадъци, съдържаща суровина в разтворена и суспендирана форма, до ниво, много близко под греблото 6 и над горното ниво на централната тръба 4, образувайки междуфазова повърхност 12. Задвижващият вал 15 се завърта от редуктора на двигателя (непоказани на фигурите) и чрез свързаното с него магнитно тяло 14 предава въртеливото движение на задвижвания вал 10, който посредством монтираното към него магнитно тяло 16 завърта етажната бъркачката 9 в централната тръба 4 с отбойници 11. Въртеливото движение на етажната бъркачка 9 предизвиква циркулация на течната фаза, при което потокът, движещ се надолу преминава през нагревателния елемент 6 за поддържане на необходимата температура за осъществяване биохимичната реакция и се насочва към устройството за равномерно разпределение на потока течност 5, което служи за изравняване на скоростите на потока и той се насочва вертикално нагоре през свободните пространства 8 на пълнежа 2, като чрез поддържащата решетка 3 на потопения неподвижен пълнеж 2 допълнително се подобрява уеднаквяването на профила на скоростите в реакционното пространство. По този начин се постига равнодостъпност на суровината в разтворима и суспендирана форма във всяко хоризонтално сечение на свободните пространства 8, образувани в реакционната зона и оформени между вътрешната повърхност на корпуса 1 и централната тръба 4. При тези условия се осъществява фиксирането на намиращите се в течната фаза микроорганизми и формирането на биофилм върху повърхностите на неподвижния пълнеж 2, в периодичен или непрекъснат режим, в зависимост от целите за използване на биофилмовия реактор, с отчитане на условията на всеки конкретен случай за получаване на биогаз.

По време на формирането на биофилма започва отделянето на основните продукти на деградацията на органичните съединения главно до метан и въглероден двуокис - двата основни компонента на биогаза. В продължение на няколко денонощия техните концентрации достигат стабилни значения, отговарящи на стандартите за биогаз, което се счита за стационарно състояние на функционирането на биореактора като цяло при непрекъснат режим на функциониране.

При по-нататъшното действие на биофилмовия реактор, той функционира стабилно непрекъснато при запазени постоянни величини на входящите материални и енергийни потоци, като интензивността на процеса на получаването на биогаз се запазва постоянна достатъчно дълго време.

Биофилмът, отложен върху повърхността на неподвижния пълнеж 2 продължава да расте до достигане на такава фаза на развитие, при която започва неговото спонтанно отлепване и попадането му в дъното на биореактора, където основната част от него формира главно тежката фракция, която се отвежда чрез изходящия поток през тръбопровода с кран 20 и хидрозатвора 21.

Други части от биофилма, във формата на малки парчета или като отделни микробни клет

66587 Bl ки се подхващат от потока на циркулиращата биомаса и се отнасят от него към реакционната зона с потопения неподвижен пълнеж 2, където могат отново да се фиксират и да останат в тази част на биореактора или да продължат да циркулират заедно с течната фаза, при което участват в суспендирано състояние в процеса за получаване на биогаз.

След известен период от време тези флокули или се увеличават поради развитието на биофилмадо размери достатъчни, задане могат да бъдат увличани от циркулиращата течна фаза биомаса и да се утаят на дъното на биореактора или, ако са се фиксирали отново върху пълнежа 2, продължават да участват в това състояние и след това да се отлепят отново като малки частици и/или да се утаят на дъното на апарата като големи части от биофилма и да се отвеждат с изходящия поток.

Извеждането на биогаза се осъществява през тръбопровода с кран 18 към капака на корпуса 1 за пряка консумация или към газхолдер (не е показан на фигурата).

Биофилмовият реактор е с вътрешна циркулация на течната фаза, осъществявана чрез високоскоростното разбъркващо устройство с етажната бъркачка 9 за получаване на биогаз, с което се постига равнодостъпност на субстратите в разтворимо и суспендирано състояние до повърхността на биофилма, осигурявано чрез устройството за равномерно разпределение на потока течност 5, разположено под неподвижния пълнеж 2.

Реакторът може да функционира в периодичен, полунепрекъснат или непрекъснат режим с фиксиран върху повърхността на неподвижния пълнеж 2 биофилм от анаеробни микробни съобщества, както при съответните времена на пребиваване на течната фаза (при съответни степени на разреждане) като хетерогено-хомогенен апарат, така и при по-кратки времена на пребиваване (при високи степени на разреждане) като типичен хетерогенен апарат, което позволява изследвания на производителността само на биофилма.

Отпадащият, отлепил се биофилм продължава да участва в процесите на получаване на биогаз, чрез повторно фиксиране върху повърхността на неподвижния пълнеж 2 или във формата на агрегати, които циркулират с течната фаза в работния обем на реакционната зона, оформена в корпуса.

По-специално биофилмовият реактор с потопен неподвижен пълнеж, съгласно настоящото изобретение представлява интегрирана изследователска система, която функционира в малък мащаб като източник на данни за кинетика на процеса за получаване на биогаз, получени в диференциална форма, благодарение на осигуряването на режим, много близък до идеалното смесване при периодично, полунепрекъснато или непрекъснато действие, което го прави много подходящ за изследвания на процесите на получаване на биогаз в лабораторни условия.

Магнитният съединител, състоящ се от магнитни тела 14 и 16, осъществяващ връзката между задвижващия вал 15 и задвижвания вал 10, осигурява високо ниво на херметичност и по този начин изключва достъпа на въздух до реакционната зона, като удължава периода на непрекъснато ефективно действие на реактора при изследванията на процесите на получаване на биогаз при безопасни условия на работа.

Claims (5)

1. Патентни претенции

   1. Биофилмов реактор за получаване на биогаз, състоящ се от цилиндричен корпус с капак, оформящ реакционна зона за захранване със суспензии, съдържащи суровина за биогаз, състояща се от предварително обработени с вода мокри отпадъци, която зона е приспособена за осъществяване на биохимична реакция в анаеробна среда с микроорганизми за получаване на биогаз и отпадък, съдържащ утаяваща се в камерата тежка фракция и лека фракция, плаваща на свободна междуфазова повърхност, намираща се на границата на течната и газовата фаза, под която е разположено разбъркващо устройство с етажна бъркачка, монтирана на задвижван вал, разположен по централната ос на корпуса и свързан чрез съединител със задвижващ вал на редуктор към двигател, като към корпуса са монтирани тръбопровод за входящ поток втечнена суровина, тръбопровод за извеждане на биогаз, тръбопровод за вземане на проба от реакционната зона и тръбопровод за извеждане на изходящ поток отпадък от тежка фракция, характеризиращ се с това, че разбъркващото устройство е съставено от високоскоростна етажна бъркачка (9), която е поместена в централна тръба (4) с отбойници (11) и от разположено в

   66587 Bl близост до нивото на свободната междуфазова повърхност, гребло (13) за разрушаване на твърдата кора на междуфазовата повърхност на реакционната зона (12) с биогаза, монтирано на задвижвания вал (10), който е свързан със задвижващия вал (15), посредством магнитен съединител, при което на изхода на централната тръба (4) е установено устройство за изравняване на скоростите на течния поток (5), изпълнено във вид на перфорирана повърхност с форма на пресечен конус, при голямата основа на който и централно на дъното на цилиндричния корпус (1) е разположен нагревател (6), като от външната страна на централната тръба (4) е разположен носител на биофилм (2) във вид на повърхност на потопен неподвижен пълнеж, състоящ се от цилиндрични тела (7), разположени коаксиално от външната страна на централната тръба (4) и разпрострени от горния й край до поддържаща решетка (3) за фиксиране на разстоянието между тях, която е със свободно сечение φ > 0,4 и е установена перпендикулярно на централната ос на корпуса (1), между него и централната тръба (4), захваната към устройството за изравняване на скоростите на течния поток (5).
2. 2. Биофилмов реактор за получаване на биогаз съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че разбъркващото устройство е съставено от двуетажна високоскоростна бъркачка (9).
3. 3. Биофилмов реактор за получаване на биогаз съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че разбъркващото устройство е съставено от триетажна високоскоростна бъркачка (9).
4. 4. Биофилмов реактор за получаване на биогаз съгласно претенции от 1 до 3, характеризиращ се с това, че носителят на биофилм (2) е повърхността на потопен пълнеж, състоящ се от повърхностите на разположени коаксиално спрямо централната тръба (4), цилиндрични тела (7), монтирани на поддържащата решетка (3) за фиксиране на разстоянието между тях и изработени от твърд и износоустойчив спрямо химическо и микробиологично въздействие на суспензията, материал, между които цилиндрични тела (7) са оформени свободни пространства (8) за циркулация на суспензията.
5. 5. Биофилмов реактор за получаване на биогаз съгласно претенции от 1 до 4, характеризиращ се с това, че магнитният съединител е изпълнен от магнитно тяло (14), закрепено на задвижващия вал (15) на редуктора към двигателя и магнитно тяло (16), свързано със задвижвания вал (10) на разбъркващото устройство.