CZ281637B6

CZ281637B6 - Způsob stimulace tvorby bioplynu při anaerobní fermentaci organických materiálů a zařízení

Info

Publication number: CZ281637B6
Application number: CZ941236A
Authority: CZ
Inventors: Michal Doc. Ing. Csc. Dohányos; Jana Ing. Csc. Zábranská; Jiří Ing. Cihlář; Václav Kutil
Original assignee: Vysoká Škola Chemicko-Technologická; K + H Klatovy, S.R.O.
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1996-11-13
Also published as: CZ123694A3

Abstract

Způsob stimulace tvorby bioplynu při anaerobní fermentaci kalů, odpadních vod a jiných organických materiálů přídavkem stimulačního činidla tvořeného fyzikálně upravenou suspensí biomasy, spočívá v tom, že se k organickému materiálu určenému k fermentaci a/nebo během fermentace přidává suspenze biomasy v množství 0,1 až 20 % hmotn. s výhodou 10 % hmotn., vztaženo na sušinu fermentovaného materiálu, upravené krátkým ohřevem po dobu 0,2 až 10 min. při teplotě 100 až 200 .sup.o.n.C a tlaku 0,1 až 1,5 MPa. Zařízení pro provádění tohoto způsobu fermentace spočívá v tom, že sestává z anaerobního reaktoru (14), na jehož vstupu je připojen zásobník materiálu určeného k fermentaci-surového kalu a výstup z termického reaktoru (13), výstup anaerobního reaktoru (14) je propojen na vstup termického reaktoru (13) a s nádrží (17) na odvodnění stabilizovaného kalu po fermentaci, anaerobní reaktor (14) je opatřen výstupem pro bioplyn, termický reaktor (13) je propojen s vyvíječem (16) topné páry. Termiŕ

Description

Vynález se týká zvýšení a urychleni produkce bioplynu při anaerobní methanové fermentaci kalů, odpadních vod a jiných organických materiálů, například při anaerobní stabilizaci exkrementů hospodářských zvířat a při anaerobním čištění odpadních vod.

Dosavadní stav techniky

Anaerobní rozklad - methanová fermentace organických látek je proces, při kterém směsná kultura mikroorganismů za anaerobních podmínek postupné rozkládá biologicky rozložitelnou organickou hmotu. Konečnými produkty rozkladu jsou methan, oxid uhličitý, sulfán, dusík, vodík, vzniklá biomasa a stabilizovaná organická hmota (dále již nerozložitelný zbytek-)·.

Mezi nejdůležitéjší faktory, které ovlivňují průběh anaerobního rozkladu organických látek, patří složení substrátu (na něm také závisí specifická produkce a složeni bioplynu), přítomnost živin, pH, tlumívá kapacita a teplota.

Pro dobrý průběh anaerobního rozkladu je důležitá přítomnost řady anorganických živin. Důležitá je také přítomnost řady růstových faktorů a vitamínů, některé z nich si mikroorganismy dovedou synthetizovat, jiné musí být dodávány.

Uvedený problém řeší způsob stimulace tvorby bioplynu při anaerobní methanové fermentaci kalů, odpadních vod a jiných organických materiálů podle vynálezu, chráněného čs. autorským osvědčením č. 242979. Jeho podstata spočívá v tom, že k materiálu, určenému k fermentaci nebo přímo do anaerobního reaktoru, se přidává jako stimulační činidlo lyzát, což je mechanicky, nebo fyzikálně upravená suspenze biomasy v množství 0,1 až 10 % hmotn. s výhodou 5 % hmotn., vztaženo na organickou sušinu zpracovávaného materiálu.

Příprava lyzátu drcením buněk je v průmyslovém měřítku náročná na zařízení i na množství energie. Totéž platí i pro způsob přípravy lyzátu zmrazováním nebo ultrazvukem. Při nižších teplotách 100 až 200 ’C je potřebná příliš dlouhá doba působeni této teploty, zvyšují se nároky na kapacitu zařízeni, což je opět v průmyslu neekonomické.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob stimulace tvorby bioplynu a rychlosti rozkladu organických materiálů při anaerobní metanové fermentaci kalů, odpadních vod a jiných organických materiálů přídavkem lyzátu tvořeného fyzikálně upravenou suspenzí biomasy podle vynálezu, který spočívá v tom, že se k organickému materiálu určenému k fermentaci a/nebo během fermentace přidává lyzát v množství 0,1 až 20 % hmotn., vztaženo na sušinu fermentováného materiálu, připravený ze suspenze biomasy zahřívané při pH 6 až 8, teplotě 100 až 200 ’C a tlaku 0,1 až 1,5 MPa po dobu 0,2 až 10 min. a následně podrobené expanzi.

-1CZ 281637 B6

Zařízení pro provádění tohoto způsobu fermentace spočívá v tom, že sestává z anaerobního reaktoru, k jehož vstupu je připojen zásobník materiálu určeného k fermentaci surového kalu a výstup z termického reaktoru pro přípravu lyzátu. Výstup anaerobního reaktoru je přes čerpadlo propojen na vstup termického reaktoru a s nádrži na odvodnění stabilizovaného kalu po fermentaci. Anaerobní reaktor je opatřen výstupem pro bioplyn. Termický reaktor je propojen s vyvíječem topné páry.

Termický reaktor sestává z hlavy, pláště a zásobní nádrže lyzátu, které jsou vzájemné odnímatelné pomocí přírubových spojů, plášť je tvořen nejméně jedním členem, jednotlivé členy pláště jsou spojeny pomocí přírubových spojů, v členu pláště jsou instalovány 2 až 10 rozstřikovacích mís, jejichž poloha je v členu pláště fixována sloupkem a distančními trubkami, připevněnými svorníky s matkami k nosníkům, rozstřikovaci mísy jsou spolu s nosnými a distančními sloupky vyjímatelné a vzájemné se překrývají střídavé pro průchod topné páry v —protiproudu a křížovém proudu proti toku přepadajícího kalu. Zásobní nádrž lyzátu je uzavřena klenutým dnem téhož nebo většího průměru jako je plášť, je opatřena hrdlem pro odběr lyzátu, přívodem topné páry a přípojkami pro regulaci teploty, tlaku a množství lyzátu v nádrži lyzátu. Do hlavy termického reaktoru je zaveden přívod suspenze organického materiálu určeného k fermentaci a hlava termického reaktoru je opatřena bezpečnostním a odvzdušňovacím potrubím.

Termický reaktor může být usazen na nohách nebo zavěšen na nosné konstrukci.

Rozstřikovaci mísy jsou s výhodou rovné, vyztužené žebry, tvaru kruhové úseče, opatřené děleným přepadem.

Hlava reaktoru je s výhodou opatřena rozstřikovačem rozkládaného organického materiálu.

Způsob rozrušování buněk mikroorganizmů v termickém reaktoru lze použit k přípravě lyzátu jako stimulačního činidla, ale též k předúpravé materiálu určeného k fermentaci.

Buněčný lyzát se připravuje obyčejné z biomasy anaerobního reaktoru tak, že se část odtoku z anaerobního reaktoru v množství 0,1 až 20 % hmotn. (vztaženo na organickou sušinu zpracovávaného materiálu) podrobí v rychlém termickém reaktoru krátkému ohřevu po dobu 0,1 až 10 minut při teplotě 100 až 200 ’C, tlaku 0,1 až 1,3 MPa a pH 6 až 8 a následné expanzi.

K přípravě lze také použít materiál složený výlučné, nebo z převážné z buněk mikroorganizmů, například přebytečný aktivovaný kal, nebo zbytková biomasa z fermentačnich výrob například antibiotik, aminokyselin a podobné. V rychlém termickém reaktoru dojde za shora uvedených podmínek k rozrušení buněčných stěn buněk mikroorganizmů, čímž se uvolní v buňkách obsažené enzymy do roztoku, a tím se zvýší jejich biologická účinnost při anaerobní fermentaci. To má za následek výrazné zvýšení produkce bioplynu a snížení množství přebytečného kalu včetně zlepšení jeho odvodnitelnosti.

-2CZ 281637 B6

Tlak topné páry, požadovaná malá doba zdržení - aby bylo vyhověno pojmu tepelný šok, fyzikálně-chemický charakter kalu o sušině 3 až 8 % hmotn., který má tendenci se spékat a v neposlední řadě velmi vysoký teplotní spád cca 100 až 200 “C jsou poměrně náročné parametry, které nelze dodržet běžné známými způsoby ohřevu, jako je například injektorový přímý ohřev.

Z těchto důvodů byl navržen thermický reaktor, který uvedené technologické parametry splňuje. Průměr, výška a počet mís (pater) jsou proměnné, dané kontinuálně protékajícím množstvím recyklovaného kalu, velikosti zpracovávaného teplotního spádu a odvozené i množstvím protiproudné protékající a kondenzující páry v termickém reaktoru. Celý termický reaktor lze jednoduchým způsobem čistit.

V zařízení podle vynálezu, kapalina přichází v termickém reaktoru do přímého styku s ohřívacím médiem - topnou parou jednak ve formě kapek při dopadu a rozstřiku na rovné rostřikovací míse a podruhé při řízeném křížovém prouděni topné páry přes přerušovanou clonu kapaliny, tvořenou přerušovaným přepadem z rozstřikovací mísy, čímž dochází k intenzivní kondenzaci topné páry, a tím i k intenzivnímu ohřevu kapaliny a rozrušení buněk mikroorganismů.

Výška hladiny kapaliny na rozstřikovacich mísách, konstruovaných jako kruhové úseče je minimální. Ohřívaná kapalina stéká z rozstřikovacich mis přerušovanými praménky, vytvořenými děleným přepadem na tětivě kruhové úseče mísy, čímž je zabráněno vytvořeni souvislé clony kapaliny, která by mohla způsobit rázy při užitkové kondenzaci topné páry v clonou uzavřeném parním prostoru termického reaktoru. Zvyšováním počtu rozstřikovacich mís a prodlužováním pláště lze dosáhnout velkého teplotního spádu mezi vstupem a výstupem kapaliny. Tento způsob přímého ohřevu parou lze použít u všech čistých kapalin i kapalin s vyšším obsahem suspendovaných látek, při libovolné teplotě a odpovídajícím tlaku topné páry.

Způsob podle vynálezu je ekonomicky výhodnější z hlediska využití v průmyslovém měřítku oproti způsobům přípravy lyzátu mechanicky nebo ultrazvukem nebo ohřevu při nižších teplotách.

Další výhodou je možnost lyzace i organického materiálu určeného k fermentaci, obsahujícího převážné odpadní mikroorganizmy, před jejich anaerobní fermentaci v termickém reaktoru podle vynálezu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je vysvětlen na připojeném výkrese, kde na obr. 1 je průřez termickým reaktorem, na obr. 2 je je detail rozstřikovací mísy v pohledu, na obr. 3 je je detail rozstřikovací mísy v půdorysu, na obr. 4 je řez A-A z obr. 1 a na obr. 5 je schéma zařízení pro tvorbu bioplynu rozkladem organického materiálu.

Válcový termický reaktor 13 sestává ze tří hlavních konstrukčních části - hlavy 1 termického reaktoru 13., pláště 2. a zásobní nádrže 3 lyzátu. Hlava 1 i nádrž 3. jsou od pláště 2 odnímá

-3CZ 281637 B6 telné pomocí přírubových spojů což umožňuje čištění vnitřku termického reaktoru 13., obzvláště rozstřikovacích mís 5.

Ve válcové hlavě 1, uzavřené klenutým dnem je instalován nad první rozstřikovací misou 5 rozvod 4 recyklovaného kalu a dále přípojky pro odvětrání a poj. ventil. V plášti 2 termického reaktoru jsou instalovány rozstřikovací mísy 5, jejichž poloha je v plášti 2 fixována nosnými a distančními trubkami 6. Počet mís 5 a jejich vzájemná vzdálenost jsou taktéž proměnné podle technologického zadáni. Plášť 2 termického reaktoru 13 může být proveden vcelku a nebo dělený, jak je uvedeno na obrázku, aby provozní personál mohl vyjmutím nebo naopak přidáním další části pláště a tím zvýšením nebo snížením počtu mís 5 (pater) regulovat velikost rozdílu teplot mezi vstupní teplotou recyklovaného kalu a jeho výstupní teplotou, tedy teplotou lyzátu. Rozstřikovací mísy 5 jsou spolu s nosnými a distančními sloupky 6 lehce vyjímatelné z pláště 2 termického reaktoru 13, nebo jeho částí.

Vzhledem ke konzistenci zpracovávaného média - čistírenský kal s vyšším procentem sušiny - jsou mísy 5 konstruovány jako rozstřikovací, tvaru kruhové úseče, nesené distančními trubkami 6, připevněnými svorníky 7 s matkami k nosníkům 8 u pláště 2 těsněné pryží. Recyklovaný kal je na míse 5 rozstřikován a přes dělený přepad 9 přepadá na další níže položenou mísu 5. Mísy 5 jsou rovné, vyztužené žebry. Navzájem se překrývají tak, aby topná pára postupovala proti přerušovaným clonám z mís 5 přepadajícího kalu v protiproudu a křížovém proudu, podle obrázku. Zásobní nádrž 3. lyzátu je válcová nádrž, uzavřená klenutým dnem, téhož nebo většího průměru jako plášť 2 termického reaktoru .13, k plášti 2 je připojena přírubou. Je opatřena hrdly pro odběr lyzátu, přívod topné páry a přípojkami pro regulaci odběru. Slouží k minimální akumulaci lyzátu, nutné pro vytvoření vodního (kalového) uzávěru oproti parnímu prostoru termického reaktoru 13.

Termický reaktor 13 může být usazen na přivařených nohách podle obrázku, nebo zavěšen na jakoukoliv vhodnou nosnou konstrukci .

Termický reaktor je tlakovou nádobou ve smyslu ČSN 69 00 10, a proto musí být vybaven bezpečnostní armaturou, úředně převzat a vybaven revizní knihou.

Příklad provedení

Funkce zařízení pro tvorbu bioplynu rozkladem organických materiálů je patrna ze schématu na obr. 5. Část odtoku z anaerobního reaktoru 14 je podávacím čerpadlem 15 pod tlakem vháněna do horní části termického reaktoru 13., do kterého je ve spodní třetině vháněna pára z vyvíječe 16 páry. K vlastnímu rozrušení buněk mikroorganizmů dochází zčásti přímo v termickém reaktoru 13 při teplotě 200 'C, tlaku 1,5 MPa a pH 7 a zčásti po uvolněni tlaku a prudkého snížení teploty za clonou po výstupu z termického reaktoru 13. Takto připravený lyzát je veden přímo do anaerobního reaktoru 14, kde je smíchán se surovým kalem, určeným k anaerobní fermentaci. Zbylá část odtoku po anaerobní fermentaci je z anaerobního reaktoru 14 vedena zařízením 17 k odvodněni kalu. Teplo potřebné k vyvíjeni páry se získává spalováním části vyprodukovaného bioplynu.

-4CZ 281637 B6

Množství odtoku z anaerobního reaktoru 14 vedené termickým reaktorem 13 bylo zvoleno tak, aby teplota v anaerobním reaktoru 14 se udržovala na hodnotě 35 ’C, přitom jediným zdrojem tepla pro ohřev anaerobního reaktoru je lyzát z termického reaktoru 13.

Na 100 kg surového kalu určeného k fermentaci postačí recykl 11,62 % hmotn. a 4 kg páry o teplotě 200 “C, to odpovídá spotřebě bioplynu 0,65 až 0,7 m³.

Při klasické anaerobní fermentaci kalu při pH 7 až 7,5 a teplotě 35 °C bez použití lyzátu bylo dosahováno následujících výsledků:

m³ vstupního surového kalu obsahuje 43 kg celkové sušiny kg organické sušiny m³stabilizovaného kalu po fermentaci obsahuje kg celkové sušiny kg organické sušiny Produkce bioplynu činila 18 m³ na 1 m³ surového kalu.

Po aplikaci lyzátu při pH 7 až 7,5 a teplotě 35 ’C lze dosáhnout následujících výsledků:

m³ vstupního surového kalu obsahuje 43 kg celkové sušiny kg organické sušiny m³ stabilizovaného kalu po fermentaci obsahuje

16,7 kg celkové sušiny 6,6 kg organické sušiny

Produkce bioplynu činila 26,4 m³ na 1 m³ surového kalu.

Po aplikaci stimulační technologie s lyzátem bylo dosaženo zvýšeni produkce bioplynu o 46 % obj. a snížení množství sušiny stabilizovaného kalu o 30 % hmotn.

Energetická náročnost při klasickém procesu fermentace - spotřeba energie na ohřev obsahu fermentoru je stejná jako při způsobu podle vynálezu.

Průmyslové využiti

Vynález lze využít při likvidaci odpadních vod s obsahem organických látek, zejména k likvidaci odpadů při výrobě antibiotik.

Claims

1. Způsob stimulace tvorby bioplynu a rychlosti rozkladu organických materiálů při anaerobní metanové fermentaci kalů, odpadních vod přídavkem lyzátu tvořeného fyzikálně upravenou suspenzí biomasy, vyznačující se tím, že se k organickému materiálu určenému k fermentaci a/nebo během fermentace přidává lyzát v množství 0,1 až 20 % hmotn., vztaženo na sušinu fermentovaného materiálu, připravený ze suspenze biomasy zahřívané při pH 6 až 8, teplotě 100 až 200 ’C a tlaku 0,1 až 1,5 MPa po dobu 0,2 až 10 min. a následně podrobené expanzi.

2. Zařízeni pro provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že sestává z —anaerobního reaktoru (14), na jehož vstupu je připojen zásobník materiálu určeného k fermentaci a výstup z termického reaktoru (13), výstup anaerobního reaktoru (14) je přes čerpadlo (15) propojen na vstup termického reaktoru (13) a s nádrží (17) na odvodnění stabilizovaného kalu po fermentaci, anaerobní reaktor (14) je opatřen výstupem pro bioplyn, termický reaktor (13) je propojen s vyvíječem (16) topné páry.

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že termický reaktor (13) sestává z hlavy (1), pláště (2) a zásobní nádrže (3) lyzátu, které jsou vzájemné odnimatelné pomocí přírubových spojů, plášť (2) je tvořen nejméně jedním členem, jednotlivé členy pláště (2) jsou spojeny pomocí přírubových spojů, v členu pláště (2) jsou instalovány 2 až 10 rozstřikovacích mis (5), jejichž poloha je v členu pláště (2) fixována sloupkem (8) a distančními trubkami (6), připevněnými svorníky s matkami (7) k nosníkům (8), rozstřikovací mísy (5) jsou spolu s nosnými a distančními sloupky (6) vyjímatelné a vzájemné se překrývají střídavě pro průchod topné páry v protiproudu a křížovém proudu proti toku přepadajícího kalu, zásobní nádrž (3) lyzátu je uzavřena klenutým dnem téhož nebo většího průměru jako je plášť (2), je opatřena hrdlem (11) pro odběr lyzátu, přívod topné páry a přípojkami pro regulaci teploty, tlaku a množství lyzátu v nádrži (3) lyzátu, do hlavy (1) termického reaktoru (13) je zaveden přívod (

4) suspenze fermentovaného organického materiálu a je opatřena bezpečnostním a odvzdušňovacím potrubím (10).

4. Zařízení podle nároku 3, v y z n a č u j í c í s e t í m, že termický reaktor (13) je usazen na nohách (12) • 5. Zařízení podle nároku 3, v y z n a č u j í c i s e t í m, že termický reaktor (13) je zavěšen na nosné konstrukci. 6. Zařízeni podle nároku 3, v y z n a č u j i c í s e t í m,

že rozstřikovací mísy (

5) jsou rovné, vyztužené žebry, tvaru kruhové úseče, opatřené děleným přepadem (9).

-

6cz

7. Zařízení podle nároku 3, vyznačující že hlava (1) reaktoru je opatřena rozstřikovačem organického materiálu určeného k fermentaci.