PL203001B1 - Bioreaktor do mikrobiologicznej konwersji substancji zbrylonych i/albo pastowatych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest bioreaktor do mikrobiologicznej konwersji substancji zbrylonych i/lub pastowatych, w szczególności do aerobowej degradacji odpadków o znacznym udziale substancji organicznych.

Znane są z DE-19629129 A1 sposób i urządzenie do mikrobiologicznej konwersji resztek organicznych.

Urządzenie opracowane do realizacji sposobu zawiera jako zasadniczą część odizolowany termicznie od otoczenia reaktor rurowy.

Rura tego reaktora umieszczona w zasadzie poziomo w jej głównym położeniu funkcjonalnym ma przekrój w zasadzie ceowy i w rurze tej, koncentrycznie z jej osią wzdłużną, jest umieszczony segmentowy przenośnik ślimakowy. Przenośnik ten służy po pierwsze do równomiernego napełniania komory reaktora, czyli do równomiernego rozdzielania odpadków podawanych na początek przenośnika, patrząc w kierunku podawania, przez obrót przenośnika w kierunku wprowadzania do komory reaktora.

Po napełnieniu segmentowy przenośnik ślimakowy służy do przemieszania odpadków poddawanych konwersji, przy czym sterowany cyklicznie przenośnik obraca się okresowo w kierunku podawania materiału i przeciwnie do tego kierunku. Łopatkowe segmenty przenośnika ślimakowego poruszają odpadki i ciągle inne strefy odpadków stykają się ze strumieniem powietrza, który przepływa stale ponad odpadkami, żeby umożliwić jak najszybszy i gruntowny rozkład aerobowy składników organicznych odpadków. Strumień powietrza, które nagrzewa się wskutek reakcji bakteryjnych, jest wyprowadzany przez wymiennik ciepła i filtr, a odzyskane ciepło wykorzystuje się do podgrzewania nowo doprowadzanego powietrza, aby przyspieszyć reakcję.

Wadą tego znanego urządzenia jest to, że przemieszanie odpadków przez przenośnik ślimakowy nie wystarcza do tego, żeby zapewnić doprowadzenie powietrza na powierzchnię odpadków w taki sposób, jaki jest potrzebny do optymalnej i niemal wyłącznie aerobowej konwersji odpadków.

Poza tym okazało się, że łopatkowe segmenty, zależnie od jakości odpadków, są częściowo narażone na działanie zbyt wysokich sił reakcji, które są tak wysokie, że występują zakłócenia w realizującym funkcję ciągłego przemieszania segmentowym przenośniku ślimakowym, zwłaszcza w przypadku odpadków pastowatych i lepkich, co w skrajnych przypadkach może doprowadzić do uszkodzenia napędu i zdeformowania lub złamania segmentów.

Z niemieckiego zgł oszenia patentowego nr DE-A-2 856 553 znane są sposób i urzą dzenie do przyspieszonego biologiczno-chemicznego rozkładu mieszanin odpadów i osadów ściekowych, które to urządzenie składa się w zasadzie z bębna i agregatu napędowego. W bębnie jest pośrodku wzdłużnie osadzony wał mieszający, który na obu końcach bębna jest przeprowadzony gazoszczelnie przez posiadające kołnierze dna. Na wale mieszającym na całej jego długości wewnątrz bębna umieszczonych jest wiele par ramion mieszających, w równych wzajemnych odstępach jedna za drugą, przy czym wał mieszający jest napędzany przez agregat mieszający. Bęben posiada podwójny płaszcz do przeprowadzania przez niego medium ogrzewającego lub chłodzącego.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji bioreaktora, za pomocą, którego możliwe jest optymalne doprowadzanie gazów, na przykład powietrza, do substancji poddawanych konwersji w reaktorze, i w którym nie należy spodziewać się zakłóceń w działaniu segmentowego przenośnika ślimakowego także w przypadku substancji pastowatych i lepkich.

Bioreaktor do mikrobiologicznej konwersji zbrylonych i/lub pastowatych substancji z odizolowaną termicznie od otoczenia komorą reakcyjną, która mieści, co najmniej jedną wannę reaktorową o ceowym w zasadzie przekroju, segmentowy przenośnik ślimakowy umieszczony w jednej albo każdej wannie reaktorowej koncentrycznie z jej kierunkiem wzdłużnym i obracający się w półkolistej strefie ceowego przekroju, urządzenia prowadzące gaz i/lub ciecz, a także przynajmniej po jednym urządzeniu załadowczym i wyładowczym doprowadzającym i odprowadzającym substancje poddawane konwersji, przy czym przynajmniej część urządzeń doprowadzających gaz i/lub ciecz jest umieszczona w półkolistej strefie wanny reaktorowej poniżej osi segmentowego przenośnika ślimakowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że umieszczone w półkolistej strefie urządzenia prowadzące gaz i/lub ciecz mają część końcową, która jest ukształtowana jako blacha perforowana i jest wbudowana w ściankę wanny reaktorowej równo z nią.

PL 203 001 B1

Korzystnie, urządzenie ciśnieniowe jest połączone z umieszczonym w półkolistej strefie urządzeniami prowadzącymi gaz i/lub ciecz, tak że gaz względnie ciecz jest pod działaniem ciśnienia podawany/-a do substancji przemieszczanych w wannie reaktorowej.

Korzystnie, urządzenie próżniowe jest połączone z umieszczonymi w półkolistej strefie urządzeniami prowadzącymi gaz i/lub ciecz, tak że gaz względnie ciecz pod działaniem podciśnienia przepływa przez substancje przemieszczane w wannie reaktorowej.

Korzystnie, co najmniej dwie wanny reaktorowe są umieszczone równolegle obok siebie.

Korzystnie, segmentowy przenośnik ślimakowy posiada segmenty przenoszące, które są rozmieszczone wokół jego osi środkowej na przebiegu linii śrubowej w odstępie kątowym i osiowym.

Korzystnie, segmenty przenoszące posiadają trzonek odchodzący promieniowo od osi środkowej segmentowego przenośnika ślimakowego oraz główkę połączoną z zewnętrznym końcem trzonka, umieszczoną poprzecznie do trzonka.

Korzystnie, główki segmentów przenoszących na zewnętrznym końcu trzonków są umieszczone w kształcie odcinka łuku względem osi środkowej segmentowego przenośnika ślimakowego.

Korzystnie, główki są umieszczone w kierunku wzniosu linii śrubowej.

Korzystnie z promieniową powierzchnią zewnętrzną każdej główki są połączone wystające na zewnątrz zęby.

Korzystnie, segmentowy/-e przenośnik/-i ślimakowy/-e jest względnie są napędzany/-e przez urządzenie sterujące w sposób zaprogramowany.

Korzystnie, segmentowy/-e przenośnik/-i ślimakowy/-e jest względnie są przez urządzenie sterujące uruchamiany/-e cyklicznie i jest względnie są napędzany/-e w okresie w kierunku podawania materiału i w okresie przeciwnie do kierunku podawania.

Korzystnie, okresy są w zasadzie jednakowe.

Korzystnie, jeden okres jest krótszy niż drugi okres.

Korzystnie, segmentowy/-e przenośnik/-i ślimakowy/-e jest względnie są przez urządzenie sterujące napędzany/-e z małą prędkością obrotową < 10 obrotów na godzinę.

Korzystnie, urządzenie załadowcze jest umieszczone na początku wanny (względnie pierwszej wanny) reaktorowej, a urządzenie wyładowcze jest umieszczone za końcem albo obok wolnego boku poprzecznego wanny (względnie ostatniej wanny) reaktorowej.

Korzystnie, wanna reaktorowa względnie wanny reaktorowe albo cały bioreaktor są przechylne z poziomego zasadniczego poł o ż enia roboczego w kierunku wzdł u ż nym o ką t do 90°.

Korzystnie, bioreaktor posiada, co najmniej jeden wymiennik ciepła i filtr do odzyskiwania ciepła i do filtracji odprowadzanych gazów i do podgrzewania doprowadzanych gazów.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w dwóch przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny przekrój zgodnego z wynalazkiem bioreaktora w pierwszym przykładzie korzystnej realizacji, fig. 2 - schematyczny przekrój zgodnego z wynalazkiem bioreaktora w drugim przykładzie korzystnej realizacji, fig. 3 - ukazany w perspektywie schemat ideowy budowy segmentowego przenośnika ślimakowego, fig. 4 - ukazane w perspektywie doprowadzanie i odprowadzanie substancji poddawanej konwersji w bioreaktorze według drugiego przykładu korzystnej realizacji.

Fig. 1 przedstawia w przekroju pierwszą korzystną postać wykonania bioreaktora 1 do mikrobiologicznej konwersji zbrylonych i/lub pastowatych substancji 2' mającego tylko jedną wanną reaktorową 4. W przypadku przedstawionego bioreaktora 1 według wynalazku chodzi o reaktor do aerobowej degradacji organicznych składników zbrylonych i/lub pastowatych odpadków. Jednak bioreaktor według wynalazku może być też zastosowany do beztlenowego uzyskiwania biogazu lub do podobnych celów.

Substancje poddawane konwersji są wprowadzane do reaktora przez urządzenie załadowcze 30, jak to pokazano na przykładzie reaktora z kilkoma wannami na fig. 4. Urządzeniem załadowczym może być umieszczony nad wanną reaktorową lej lub też tylko otwór załadowczy. Otwór taki może być też umieszczony z boku na początku wanny reaktorowej 4, a substancje poddawane konwersji mogą być doprowadzane za pomocą przenośnika taśmowego albo ładowarki wywrotkowej. Podczas tego wprowadzania segmentowy przenośnik ślimakowy 5 umieszczony w wannie reaktorowej 4 koncentrycznie z osiowym kierunkiem wzdłużnym w półkolistej strefie ceowego przekroju wanny reaktorowej 4, porusza się w kierunku podawania F materiału, żeby rozmieścić równomiernie substancje 2 w całej wannie reaktorowej 4.

Po równomiernym napełnieniu wanny reaktorowej 4 co może być rozpoznawane i sygnalizowane na przykład przez umieszczone w wannie 4 niepokazane na rysunku czujniki masowe, następuje wyłączenie ruchu w kierunku podawania segmentowego przenośnika ślimakowego 5 przez także niepokazane na

PL 203 001 B1 rysunku centralne urządzenie sterujące i jednoczesne włączenie urządzenia 6 doprowadzającego gaz i/lub ciecz.

Urządzenie 6 służy przede wszystkim do tego, aby gaz reakcyjny potrzebny do konwersji substancji 2 znajdujących się w wannie reaktorowej stykał się możliwie intensywnie z powierzchnią substancji 2. Odbywa się to zgodnie z wynalazkiem w ten sposób, że przynajmniej część urządzeń doprowadzających gaz i/lub ciecz jest dla wprowadzania i wyprowadzania gazu i/lub cieczy umieszczona w półkolistej strefie wanny reaktorowej 4 poniżej osi 7 segmentowego przenośnika ślimakowego 5.

Równocześnie z przepływem gazu i cieczy przez substancje 2 rozpoczyna się też programowane poruszanie substancji przez segmentowy przenośnik ślimakowy 5. Przenośnik ten posiada segmenty przenoszące 11 (patrz fig. 3), które są rozmieszczone wokół osi środkowej 12 przebiegu linii śrubowej 13 korzystnie w równomiernych odstępach kątowych i osiowych. Segmenty przenoszące 11 zawierają trzonek 14 odchodzący promieniowo od osi środkowej 12 segmentowego przenośnika ślimakowego 5 oraz główkę 15 połączoną z zewnętrznym końcem trzonka 14, umieszczoną poprzecznie do trzonka 14.

Główka ta może mieć celowo kształt odcinka łuku zakreślonego względem osi środkowej 12 segmentowego przenośnika ślimakowego 5 i może być umieszczona w kierunku wzniosu linii śrubowej 13.

W korzystnej postaci wykonania bioreaktora według wynalazku łukowe główki 15 na ich promieniowej powierzchni zewnętrznej mogą mieć wystające na zewnątrz zęby 17. Zęby te służą do odspajania ewentualnych narostów powstałych przez zapieczenie lepkich substancji na wewnętrznej powierzchni półkolistej strefy wanny reaktorowej. Substancje 2 wprowadzane do wanny reaktorowej 4 są przemieszczane w tej wannie w kierunku podawania F i przeciwnie do tego kierunku za pomocą programowanego napędu segmentowego przenośnika ślimakowego i są stale mieszane przez segmenty przenoszące 11. W wyniku tego zaprogramowanego przemieszczania substancji z jednoczesnym przepływem przez te substancje gazów reakcyjnych oraz występujących w tych substancjach lub dodatkowo doprowadzanych cieczy dochodzi do bardzo intensywnego kontaktu gazów reakcyjnych z powierzchnią substancji, dzięki czemu szybko zaczyna się i przebiega mikrobiologiczna konwersja substancji 2.

Gazy reakcyjne, na przykład powietrze, tlen i tak dalej, przynajmniej częściowo w półkolistej strefie wanny reaktorowej 4 są wdmuchiwane pod ciśnieniem na substancje 2 albo są zasysane pod działaniem podciśnienia poprzez substancje 2.

Celowo jednocześnie wprowadza się także część gazów reakcyjnych z wolnej przestrzeni nad substancjami 2, tak że powierzchnia substancji styka się ze wszystkich stron ze świeżo doprowadzanymi gazami reakcyjnymi.

Reakcja mikrobiologiczna może być sterowana za pomocą (nieprzedstawionego na rysunku) centralnego urządzenia sterującego w taki sposób, że termiczne sondy pomiarowe umieszczone w wannie reaktorowej 4 mierzą aktualną temperaturę reakcji i sygnały pomiarowe są doprowadzane do centralnego urządzenia sterującego.

Urządzenie sterujące może celowo i skutecznie wpływać na przebieg reakcji mikrobiologicznej poprzez intensyfikację lub redukcję ruchu segmentowego przenośnika ślimakowego 5 albo przez zwiększenie lub dławienie doprowadzania gazu reakcyjnego, co pozwala przeciwdziałać zarówno reakcjom nadmiernym, na przykład przepaleniu, jak i reakcji zbyt słabej albo brakowi reakcji.

Gazy reakcyjne są wprowadzane pod ciśnieniem do wanny reaktorowej 4 w jej półkolistej strefie poniżej osi 7 segmentowego przenośnika ślimakowego 5 względnie są przeprowadzane z użyciem podciśnienia przez substancje 2 znajdujące się w wannie reaktorowej 4 celowo za pomocą urządzeń 6, które mają część końcową ukształtowaną w postaci blachy perforowanej i wbudowaną w ściankę wanny reaktorowej równo z nią.

Doprowadzanie lub odprowadzanie gazów i cieczy do i od substancji 2 może odbywać się jednak także w inny sposób, na przykład przez sięgające do wnętrza wanny reaktorowej 4 dysze z jednym lub kilkoma otworami dyszowymi.

Celem sterowania reakcją mikrobiologiczną segmentowy przenośnik ślimakowy może być uruchamiany cyklicznie i na przykład w okresie Z1 być napędzany w kierunku podawania F materiału a w następnym okresie Z2 przeciwnie do kierunku podawania F.

W bioreaktorze według pierwszego przykładu wykonania z tylko jedną wanną reaktorową 4 okresy Z1 i Z2 są jednakowe, żeby substancje 2 w wannie reaktorowej były rzeczywiście tylko przemieszczane tam i z powrotem i przemieszane.

PL 203 001 B1

W bioreaktorze wedł ug drugiego przykładu wykonania, który przedstawiono schematycznie na fig. 2 i 4, i który zawiera kilka umieszczonych równolegle obok siebie wanien reaktorowych 4, ruch segmentowego przenośnika ślimakowego ma powodować także stopniowe przemieszczanie wprowadzanych substancji z jednej na następną wannę poprzez boczną krawędź wanny, tak że od wprowadzenia substancji na początek pierwszej wanny do wyprowadzenia poddanych konwersji substancji na końcu ostatniej wanny albo przez krawędź boczną ostatniej wanny odbywa się ciągły albo quasi-ciągły proces konwersji. Aby uzyskać takie przekazywanie wprowadzanych substancji, okres Z2, to jest ruch wsteczny, musi być krótszy od okresu Z1, w którym odbywa się ruch do przodu.

Celem zoptymalizowania konwersji mikrobiologicznej celowe są małe prędkości obrotowe segmentowego przenośnika ślimakowego 5 wynoszące do 10 obrotów na godzinę.

Dla optymalizacji zużycia energii celowe jest, aby z odprowadzanego gazu reakcyjnego, który jest nagrzewany ciepłem powstającym podczas reakcji, był odzyskiwany nadmiar ciepła w wymienniku ciepła i ciepłem tym był podgrzewany doprowadzany gaz reakcyjny, żeby dodatkowo przyspieszyć proces mikrobiologiczny.

Żeby przyspieszyć rozpoczęcie procesu mikrobiologicznego w nowo doprowadzanych substancjach, celowe jest, aby nowo wprowadzane substancje były dodatkowe zaszczepione wyjściowym materiałem przenikniętym mikrobami albo żeby nie wyprowadzać całkowicie substancji z poprzedniego wsadu i w ten sposób zaszczepić nowo wprowadzany materiał.

Zwłaszcza przy wyprowadzaniu substancji może być celowe przechylenie przynajmniej jednej wanny reaktorowej 4 lub całego bioreaktora w kierunku wzdłużnym o kąt do 90°.

Bioreaktor według wynalazku ma tę zaletę w porównaniu ze znanymi bioreaktorami, że między substancjami poddawanymi konwersji i gazem reakcyjnym występuje bardziej dogłębna styczność, dzięki czemu można lepiej sterować reakcją oraz można skrócić czas reakcji.

Poza tym substancje te są bardziej rozluźnione i w wyniku współdziałania z segmentami przenoszącymi są praktycznie wyeliminowane zakłócenia w działaniu segmentowego przenośnika ślimakowego z powodu zaczopowań lub podobnych przyczyn.

Claims (17)

1. Bioreaktor do mikrobiologicznej konwersji zbrylonych i/lub pastowatych substancji z odizolowaną termicznie od otoczenia komorą reakcyjną, która mieści, co najmniej jedną wannę reaktorową o ceowym w zasadzie przekroju, segmentowy przenośnik ślimakowy umieszczony w jednej albo każdej wannie reaktorowej koncentrycznie z jej kierunkiem wzdłużnym i obracający się w półkolistej strefie ceowego przekroju, urządzenia prowadzące gaz i/lub ciecz, a także przynajmniej po jednym urządzeniu załadowczym i wyładowczym doprowadzającym i odprowadzającym substancje poddawane konwersji, przy czym przynajmniej część urządzeń doprowadzających gaz i/lub ciecz jest umieszczona w półkolistej strefie wanny reaktorowej poniżej osi segmentowego przenośnika ślimakowego, znamienny tym, że umieszczone w półkolistej strefie urządzenia (6) prowadzące gaz i/lub ciecz mają część końcową, która jest ukształtowana jako blacha perforowana i jest wbudowana w ściankę wanny reaktorowej (4) równo z nią.

2. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że urządzenie ciśnieniowe jest połączone z umieszczonym w półkolistej strefie urządzeniami (6) prowadzącymi gaz i/lub ciecz, tak że gaz względnie ciecz jest pod działaniem ciśnienia podawany/-a do substancji (2) przemieszczanych w wannie reaktorowej (4).

3. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że urządzenie próżniowe jest połączone z umieszczonymi w półkolistej strefie urządzeniami (6) prowadzącymi gaz i/lub ciecz, tak że gaz względnie ciecz pod działaniem podciśnienia przepływa przez substancje (2) przemieszczane w wannie reaktorowej (4).

4. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej dwie wanny reaktorowe (4) są umieszczone równolegle obok siebie.

5. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że segmentowy przenośnik ślimakowy (5) posiada segmenty przenoszące (11), które są rozmieszczone wokół jego osi środkowej (12) na przebiegu linii śrubowej (13) w odstępie kątowym i osiowym.

PL 203 001 B1

6. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że segmenty przenoszące (11) posiadają trzonek (14) odchodzący promieniowo od osi środkowej (12) segmentowego przenośnika ślimakowego (5) oraz główkę (15) połączoną z zewnętrznym końcem trzonka (14), umieszczoną poprzecznie do trzonka (14).

7. Bioreaktor według zastrz. 6, znamienny tym, że główki (15) segmentów przenoszących (11) na zewnętrznym końcu trzonków (14) są umieszczone w kształcie odcinka łuku względem osi środkowej (12) segmentowego przenośnika ślimakowego (5).

8. Bioreaktor według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że główki (15) są umieszczone w kierunku wzniosu linii śrubowej (13).

9. Bioreaktor według zastrz. 6, znamienny tym, że z promieniową powierzchnią zewnętrzną każdej główki (15) są połączone wystające na zewnątrz zęby (17).

10. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że segmentowy/-e przenośnik/-i ślimakowy/-e (5) jest względnie są napędzany/-e przez urządzenie sterujące w sposób zaprogramowany.

11. Bioreaktor według zastrz. 10, znamienny tym, że segmentowy/-e przenośnik/-i ślimakowy/-e (5) jest względnie są przez urządzenie sterujące uruchamiany/-e cyklicznie i jest względnie są napędzany/-e w okresie (Z1) w kierunku podawania (F) materiału i w okresie (Z2) przeciwnie do kierunku podawania (F).

12. Bioreaktor według zastrz. 11, znamienny tym, że okresy (Z1) i (Z2) są w zasadzie jednakowe.

13. Bioreaktor według zastrz. 11, znamienny tym, że okres (Z2) jest krótszy niż okres (Z1).

14. Bioreaktor według zastrz. 10 albo 11, albo 12, albo 13, znamienny tym, że segmentowy/-e przenośnik/-i ślimakowy/-e (5) jest względnie są przez urządzenie sterujące napędzany/-e z małą prędkością obrotową < 10 obrotów na godzinę.

15. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że urządzenie załadowcze (30) jest umieszczone na początku wanny (względnie pierwszej wanny) reaktorowej (4), a urządzenie wyładowcze jest umieszczone za końcem albo bok wolnego boku poprzecznego wanny (względnie ostatniej wanny) reaktorowej (4).

16. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że wanna reaktorowa względnie wanny reaktorowe (4) albo cały bioreaktor (1) są przechylne z poziomego zasadniczego położenia roboczego w kierunku wzdłużnym o kąt do 90°.

17. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada on co najmniej jeden wymiennik ciepła i filtr do odzyskiwania ciepła i do filtracji odprowadzanych gazów i do podgrzewania doprowadzanych gazów.