RU2208004C1

RU2208004C1 - Bioreactor

Info

Publication number: RU2208004C1
Application number: RU2001129596A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Воробьев
Original assignee: Воробьев Николай Иванович
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2003-07-10

Abstract

FIELD: biotechnology. SUBSTANCE: bioreactor has casing with branch pipes for supplying biomass to be reprocessed, for discharging ready fertilizer, for discharging biogas, bubbler, and biomass heating device. Bubbler has vertical gas duct continued with horizontal outlets equipped with nozzles, and vertical pipes arranged inside biomass for cooperating with nozzles. Biomass supplying branch pipe and ready fertilizer discharge branch pipe are positioned on single casing end wall. Biomass heating device is made in the form of narrow rectangular tank filled with heated water to the height exceeding the level of biomass in casing. Narrow rectangular tank is positioned lengthwise of casing and adjoins with its end wall to casing end wall at charging and discharge side in equally spaced relation with respect to casing side wall, said space being equal to distance between second end walls of rectangular tank and casing. Bubbler horizontal outlets are located in lower part of rectangular tank along its side walls. Nozzles are disposed in equally spaced relation lengthwise of horizontal outlets. Rectangular tank divides casing bottom into two portions inclined to opposite sides at angle of discharge of biomass. Bioreactor may be used for fermentative reprocessing of organic plant and animal wastes, domestic wastes, forestry and wood-working industry wastes etc for producing ecologically clean fertilizer and biogas. EFFECT: increased intensity, stable operation and completeness of biochemical processes in bioreactor and simplified maintenance and operation. 2 dwg

Description

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к устройствам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, бытовых отходов, в том числе отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности, ботвы, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения биогаза и органического экологически чистого удобрения. The invention relates to biotechnology, and in particular to devices for the enzymatic processing of waste products of plant and animal origin, household waste, including waste from the forestry and woodworking industries, tops, plant stems, animal and poultry manure, wastewater for biogas and organic organic fertilizer .

Известен аппарат для ферментации навоза, содержащий цилиндрический корпус, крышку, установленную на ней емкость для сбора биогаза, снабженную по продольной оси патрубком для загрузки навоза, патрубком для выхода биогаза и трубопроводом для выгрузки отферментированного навоза, перемешивающее устройство с приводом и устройство для разрушения корки навозной суспензии, состоящее из гребенки, содержащей штыри, прикрепленные к нижней части емкости для сбора биогаза, и конуса, установленного под гребенкой соосно с патрубком для загрузки навоза, причем трубопровод для выгрузки навоза снабжен дополнительным патрубком для периодического изменения уровня навозной суспензии (см. а.с. SU, 1386650, МКИ⁴ C 12 M 1/00).A known apparatus for manure fermentation, comprising a cylindrical body, a lid, a biogas collection tank installed on it, equipped with a pipe for loading manure along a longitudinal axis, a pipe for biogas exit and a pipe for unloading the fermented manure, a stirring device with a drive and a device for breaking down the manure crust suspension consisting of a comb containing pins attached to the bottom of the biogas collection tank and a cone mounted under the comb coaxially with the nozzle for loading for, the manure discharge conduit provided with an additional pipe for the periodic changes slurry suspension level (see. AS SU, 1386650, MKI ⁴ C 12 M 1/00).

Недостатком известного устройства является несколько сниженная производительность за счет цикличности процесса, включающего загрузку, выдержку для ферментативной переработки навоза и выгрузку. Кроме того, недостаточно стабильно, и полно идут процессы ферментации биомассы во всем ее объеме, так как слив отферментированного навоза происходит при подъеме уровня суспензии выше сливного патрубка во время загрузки новой порции биомассы, что ведет к попаданию ее в готовое удобрение, а также наблюдается процесс расслаивания биомассы и оседания тяжелых ее фракций вниз за счет выполнения днища корпуса конической формы. A disadvantage of the known device is a slightly reduced productivity due to the cyclical process, including loading, aging for enzymatic processing of manure and unloading. In addition, it is not stable enough and the processes of fermentation of biomass in its entirety are fully underway, since the discharge of fermented manure occurs when the suspension level rises above the drain pipe while loading a new portion of biomass, which leads to its getting into the finished fertilizer, and the process is also observed stratification of biomass and sedimentation of its heavy fractions down due to the execution of the bottom of the conical shape.

Известна установка для сбраживания навозной массы, содержащая корпус с загрузочным и выгрузным люками, патрубком отвода биогаза. Корпус содержит накопительную, бродильную и разгрузочную камеры, отделенные одна от другой днищами, установленными под углом естественного схода массы. Наклонные днища разгрузочной и бродильной камер снабжены нагревательными электропанелями с терморегуляторами, а днища накопительной и бродильной камер - шиберными заслонками для разгрузки камер. Кроме того, установка снабжена устройством для перемешивания биомассы, выполненным в виде приводных валов с закрепленными на них лопатками, установленных горизонтально в бродильной и разгрузочной камерах (см. а.с. SU, 1825583, МКИ⁵ А 01 С 3/00).A known installation for the fermentation of manure, comprising a housing with loading and unloading hatches, a biogas outlet pipe. The housing contains a storage, fermentation and discharge chambers, separated from one another by bottoms installed at an angle of natural mass gathering. The inclined bottoms of the unloading and fermentation chambers are equipped with heating electric panels with temperature regulators, and the bottoms of the accumulating and fermentation chambers are equipped with slide gate valves for unloading the chambers. In addition, the installation is equipped with a device for mixing biomass, made in the form of drive shafts with blades fixed on them, mounted horizontally in the fermentation and discharge chambers (see AS SU, 1825583, MKI ⁵ A 01 S 3/00).

Недостатком известной установки является ее пожароопасность, обусловленная наличием большого количества отверстий в корпусе для установки вращающихся валов механизмов перемешивания биомассы и открывания шиберных заслонок днищ камер, что ведет к утечке биогаза из корпуса через уплотнения, накоплению его около корпуса и часто к возгоранию установки. Кроме того, наличие большого количества приводных механизмов установки усложняет ее обслуживание и требует затрат электроэнергии. A disadvantage of the known installation is its fire hazard due to the presence of a large number of holes in the housing for installing the rotating shafts of the biomass mixing mechanisms and opening the slide gate valves of the chamber bottoms, which leads to the leakage of biogas from the housing through the seals, its accumulation near the housing and often to the ignition of the installation. In addition, the presence of a large number of drive mechanisms of the installation complicates its maintenance and requires energy costs.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для обеззараживания осадка сточных вод, содержащее герметичный корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, отвода биогаза, отвода готового удобрения, устройство прогрева биомассы в виде паропровода и узла подвода пара, барботажное устройство, включающее вертикальный подающий биогаз газопровод, переходящий в горизонтальные отводы, снабженные форсунками, и вертикальные трубы с перфорацией, равномерно размещенные по периферии корпуса и взаимодействующие с форсунками. Кроме того, установка снабжена механизмом вертикального перемещения вертикальных труб барботажного устройства (см. а.с. SU, 1675228, МПК⁵ C 02 F 11/04).The closest technical solution to the claimed is a device for disinfecting sewage sludge, containing a sealed enclosure with pipes for supplying processed biomass, biogas removal, removal of finished fertilizer, biomass heating device in the form of a steam line and steam supply unit, a bubbler device including a vertical biogas supply gas pipeline passing into horizontal bends equipped with nozzles and vertical pipes with perforation, evenly spaced around the periphery of the housing and interacting guides with nozzles. In addition, the installation is equipped with a mechanism for vertical movement of the vertical pipes of the bubbler device (see AS SU, 1675228, IPC ⁵ C 02 F 11/04).

Недостатками известного технического решения являются цикличность работы, а также сложность конструкции, обусловленная присутствием механизма вертикального перемещения труб в барботажном устройстве, а также механизма прогрева биомассы паром, сложного в обслуживании для поддержания параметров по температуре и давлению. Кроме того, прогрев биомассы паром не всегда доступен и ограничивает применение установки в малых фермерских хозяйствах. The disadvantages of the known technical solutions are the cyclical nature of the work, as well as the complexity of the design, due to the presence of the mechanism of vertical movement of the pipes in the bubbler device, as well as the mechanism of heating the biomass with steam, which is difficult to maintain to maintain the temperature and pressure parameters. In addition, steam biomass heating is not always available and limits the use of the plant in small farms.

Техническим результатом заявленного технического решения является повышение интенсивности, стабильности и достижение полноты биохимических процессов при обеспечении непрерывности процесса в биореакторе, упрощении его обслуживания, простоты изготовления и доступности его применения в различных хозяйствах. The technical result of the claimed technical solution is to increase the intensity, stability and achieve completeness of biochemical processes while ensuring the continuity of the process in the bioreactor, simplifying its maintenance, ease of manufacture and availability of its use in various farms.

Технический результат достигается тем, что биореактор, содержащий корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство, включающее вертикальный газопровод, переходящий в горизонтальные отводы, снабженные форсунками, и вертикальные трубы, размещенные в объеме биомассы и взаимодействующие с форсунками, патрубки для подачи биомассы и слива готового удобрения, размещенные на одной торцовой стенке корпуса, устройство прогрева биомассы, выполненное в виде узкого прямоугольного бака, заполненного подогреваемой водой с высотой, превышающей уровень заполнения корпуса биомассой, причем узкий прямоугольный бак установлен по продольной оси корпуса, торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке корпуса со стороны загрузки и выгрузки на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, совпадающим с расстоянием между вторыми торцовыми стенками узкого прямоугольного бака и корпуса, причем горизонтальные отводы барботажного устройства установлены внизу прямоугольного бака вдоль боковых его стенок, а форсунки размещены равномерно по длине горизонтальных отводов, при этом узкий прямоугольный бак делит днище корпуса на два участка, выполненных с наклоном в противоположные стороны под углом естественного схода массы. The technical result is achieved in that the bioreactor comprising a housing with nozzles for feeding the processed biomass, draining the finished fertilizer, biogas drain, a biomass heating device, a bubbler device including a vertical gas pipeline turning into horizontal branches equipped with nozzles and vertical pipes placed in the volume of biomass and interacting with the nozzles, nozzles for supplying biomass and draining the finished fertilizer placed on one end wall of the housing, a biomass heating device, made in the form of a narrow rectangular tank filled with heated water with a height exceeding the filling level of the housing with biomass, and a narrow rectangular tank is installed along the longitudinal axis of the housing, with the end wall adjacent to the end wall of the housing from the loading and unloading sides at an equal distance from the side walls of the housing, matching with the distance between the second end walls of the narrow rectangular tank and the housing, and horizontal taps of the bubbler device are installed at the bottom of the rectangular tank along Shackle its walls, while the nozzles are arranged uniformly along the length of horizontal taps wherein the narrow rectangular tank bottom divides the housing into two portions executed inclined in opposite directions at an angle of descent of the natural weight.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволило установить наличие отличительных от прототипа признаков. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "НОВИЗНА". Comparison of the proposed technical solutions with the prototype allowed us to establish the presence of distinctive features from the prototype. Therefore, the claimed technical solution meets the criterion of "NEW".

Анализ технических решений показал, что заявленная совокупность признаков, обеспечивающая повышение интенсивности, стабильности, полноты биохимических процессов при переработке биомассы, при простоте обслуживания биореактора, доступности его применения в различных хозяйствах неизвестна из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ". An analysis of technical solutions showed that the claimed set of features, providing increased intensity, stability, completeness of biochemical processes in the processing of biomass, with ease of maintenance of the bioreactor, the availability of its use in various farms is unknown from the prior art and, therefore, meets the criterion of "INVENTIVE LEVEL".

Выполнение корпуса биореактора разделенным на две равные части за счет установки устройства для прогрева биомассы в виде узкого прямоугольного бака с водой по продольной оси корпуса на равном расстоянии от боковых и торцовой сторон корпуса, с размещением патрубков подачи перерабатываемой биомассы и слива готового удобрения на одной торцовой стенке корпуса, при наклоне участков днища корпуса со стороны загрузки и выгрузки в противоположные стороны под углом естественного схода биомассы обеспечивает естественное свободное прохождение биомассы, заполнение ею корпуса биореактора, полную и интенсивную переработку биомассы с выделением биогаза, при первоначальной выдержке после загрузки в течение 7-10 дней, в зависимости от вида биомассы при стабильности температурного режима и интенсивном перемешивании в результате удачного размещения устройства для прогрева биомассы в центре корпуса и закрепления на его баке вертикальных труб барботажного устройства, взаимодействующих с форсунками и легко эжектирующих биомассу, захватывая ее в месте наилучшего прогрева и подавая в верхнюю часть корпуса для перемешивания биомассы и разрушения оксидной пленки, улучшающих ее переработку, и обеспечивая интенсивный выход биогаза. The bioreactor body is divided into two equal parts by installing a biomass heating device in the form of a narrow rectangular tank with water along the longitudinal axis of the body at an equal distance from the sides and end faces of the body, with the placement of the feed pipes of the processed biomass and draining of the finished fertilizer on one end wall hull, when tilting sections of the bottom of the hull from the loading and unloading sides in opposite directions at an angle of natural biomass gathering provides natural free passage biomass, filling the bioreactor body with it, complete and intensive processing of biomass with the release of biogas, during initial exposure after loading for 7-10 days, depending on the type of biomass with temperature stability and intensive mixing as a result of successful placement of the biomass heating device in the center hulls and fastenings on its tank of vertical pipes of a bubbler device interacting with nozzles and easily ejecting biomass, capturing it in the place of the best heating and feeding into the upper part of the body for mixing biomass and destruction of the oxide film, improving its processing, and providing an intensive output of biogas.

Простота изготовления и доступность использования биореактора даже в малых фермерских хозяйствах (4-5 коров), а также простота обслуживания установки, заключающаяся в наблюдении за температурным режимом, подачей биогаза в газгольдер и в барботажное устройство и в выгрузке готового удобрения и загрузке биомассы один раз в сутки 1/10 части объема, позволяет его широко использовать, что доказывает соответствие его критерию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ". The simplicity of manufacture and accessibility of the use of the bioreactor even in small farms (4-5 cows), as well as the ease of maintenance of the installation, which consists in monitoring the temperature regime, supplying biogas to the gas tank and the bubbler device and unloading the finished fertilizer and loading the biomass once per day 1/10 of the volume, it can be widely used, which proves compliance with its criterion "INDUSTRIAL APPLICABILITY".

Фиг.1. Вид сверху биореактора. Figure 1. Top view of the bioreactor.

Фиг.2. Разрез А-А на фиг.1. Figure 2. Section AA in figure 1.

Биореактор содержит прямоугольный корпус 1 с патрубком 2 для подачи перерабатываемой биомассы, патрубком 3 для слива готового удобрения, установленных на одной торцовой стенке 4 корпуса 1, патрубком 5 для отвода биогаза, установленного вверху корпуса. Кроме того, в корпусе 1 размещено устройство для прогрева биомассы, содержащее узкий прямоугольный бак 6, заполненный водой, подогреваемой, например, с помощью ТЭНов или получаемого биогаза. Прямоугольный узкий бак 6 установлен по продольной оси корпуса, одной торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке 4 корпуса 1 на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, при этом расстояние между боковыми стенками узкого прямоугольного бака 6 и корпуса 1 равно расстоянию между их вторыми торцовыми стенками. Высота узкого прямоугольного бака 6 превышает уровень заполнения биомассой корпуса 1 биореактора. В корпусе 1 также установлено барботажное устройство, включающее вертикальный газопровод в виде 2-х вертикальных труб 8, соединенных с двумя горизонтальными отводами труб 9, снабженных равномерно расположенными по их длине форсунками 10, и вертикальных труб 11, размещенных с двух сторон вдоль боковой поверхности узкого прямоугольного бака 6. Высота вертикальных труб 11 не превышает высоту узкого прямоугольного бака 6 и превышает уровень заполнения корпуса биомассой. Дно корпуса 1 разделено узким прямоугольным баком 6 на два участка, выполненных с наклоном под углом естественного схода биомассы со стороны подачи ее в биореактор в одну сторону, а со стороны выхода готового удобрения - в противоположную сторону. The bioreactor comprises a rectangular housing 1 with a pipe 2 for supplying the processed biomass, a pipe 3 for draining the finished fertilizer installed on one end wall 4 of the housing 1, a pipe 5 for removing biogas installed at the top of the housing. In addition, in the housing 1 there is a device for heating the biomass containing a narrow rectangular tank 6, filled with water, heated, for example, by using heating elements or the resulting biogas. A rectangular narrow tank 6 is installed along the longitudinal axis of the housing, with one end wall adjacent to the end wall 4 of the housing 1 at an equal distance from the side walls of the housing, while the distance between the side walls of the narrow rectangular tank 6 and the housing 1 is equal to the distance between their second end walls. The height of the narrow rectangular tank 6 exceeds the level of biomass filling of the housing 1 of the bioreactor. A bubbler device is also installed in the housing 1, including a vertical gas pipeline in the form of 2 vertical pipes 8, connected to two horizontal pipe bends 9, equipped with nozzles 10 evenly spaced along their length, and vertical pipes 11 placed on both sides along the narrow side surface rectangular tank 6. The height of the vertical pipes 11 does not exceed the height of the narrow rectangular tank 6 and exceeds the level of filling the housing with biomass. The bottom of the housing 1 is divided by a narrow rectangular tank 6 into two sections made with an inclination at an angle of natural biomass gathering from the supply side to the bioreactor in one direction, and from the output side of the finished fertilizer in the opposite direction.

Биореактор работает следующим образом. The bioreactor operates as follows.

Со стороны торцовой стенки 4 корпуса 1 через патрубок 2 перерабатываемую биомассу с влажностью 85-93% загружают в корпус 1 биореактора. Дно корпуса 1, выполненное с наклоном в одну сторону под углом естественного схода массы со стороны подачи ее в биореактор и в другую сторону - со стороны выхода готового удобрения, облегчает прохождение биомассы от загрузки к торцовой стенке корпуса 1 и затем в обратную сторону к выходному патрубку 3 и ускоряет процесс заполнения корпуса 1 биомассой. Затем узкий прямоугольный бак 6 устройства для подогрева биомассы заполняют водой и подогревают ее, например, ТЭНом до температуры 25-40^oС. Биомассу нагревают до температуры 25-40^oС, выдерживают в корпусе 1 в течение 7-10 дней для ее сбраживания и полной переработки в готовое экологически чистое удобрение с получением биогаза (метан+СO₂). Биогаз воздуходувкой (не показана) удаляют и подают в газгольдер для дальнейшего потребления. Готовое удобрение через 7-10 дней в количестве 1/10 части по объему удаляют из корпуса 1 через патрубок 3, а в корпус 1 через патрубок 2 загружают новую порцию перерабатываемой биомассы в количестве 1/10 части по объему. Процесс выгрузки 1/10 части по объему готового удобрения и загрузки новой порции в таком же количестве перерабатываемой биомассы происходит один раз в сутки. Часть биогаза с помощью воздуходувки подается через вертикальные трубы 8 барботажного устройства в горизонтальные трубы 9 к форсункам 10. Биогаз, проходя через форсунки 10, создает разряжение, и прогретая биомасса за счет эжекции подается вверх по вертикальным трубам 11 и падает на поверхность биомассы, перемешивая ее, разрушая образовавшуюся оксидную пленку на поверхности, обеспечивая полноту процесса ферментации биомассы и улучшая газоотделение.From the end wall 4 of the housing 1 through the pipe 2 the processed biomass with a moisture content of 85-93% is loaded into the housing 1 of the bioreactor. The bottom of the housing 1, made with an inclination in one direction at an angle of natural gathering of the mass from the supply side to the bioreactor and to the other side - from the outlet of the finished fertilizer, facilitates the passage of biomass from the load to the end wall of the housing 1 and then in the opposite direction to the outlet pipe 3 and accelerates the process of filling the housing 1 with biomass. Then the narrow rectangular tank 6 of the biomass heating device is filled with water and heated, for example, with a heating element to a temperature of 25-40 ^o C. The biomass is heated to a temperature of 25-40 ^o C, kept in the housing 1 for 7-10 days for fermentation and full processing into a ready-made environmentally friendly fertilizer with biogas production (methane + CO ₂ ). Biogas blower (not shown) is removed and fed into the gas tank for further consumption. After 7-10 days, the finished fertilizer in the amount of 1/10 part by volume is removed from the housing 1 through the nozzle 3, and a new portion of the processed biomass in the amount of 1/10 part by volume is loaded into the housing 1 through the nozzle 2. The process of unloading 1/10 of the volume of finished fertilizer and loading a new portion in the same amount of processed biomass occurs once a day. A part of biogas is supplied by blower through vertical pipes 8 of the bubbler device to horizontal pipes 9 to nozzles 10. Biogas passing through nozzles 10 creates a vacuum, and heated biomass is fed upward along vertical pipes 11 and falls onto the biomass surface, mixing it , destroying the formed oxide film on the surface, ensuring the completeness of the biomass fermentation process and improving gas separation.

Claims

A bioreactor containing a housing with nozzles for feeding the processed biomass, draining the finished fertilizer, biogas removal, a biomass heating device, a bubbler device including a vertical gas pipeline turning into horizontal branches equipped with nozzles, and vertical pipes placed in the biomass volume and interacting with nozzles characterized in that the pipes for feeding the processed biomass and draining the finished fertilizer are placed on one end wall of the housing, the biomass heating device is made it is in the form of a narrow rectangular tank filled with heated water with a height exceeding the level of filling the housing with biomass, while a narrow rectangular tank is installed along the longitudinal axis of the housing, with one end wall adjacent to the end wall of the housing from the loading and unloading sides at an equal distance from the side walls of the housing coinciding with the distance between the second end walls of the narrow rectangular tank and the housing, and the horizontal branches of the bubbler device are located below and along the side walls of the narrow a rectangular tank, and the nozzles are placed evenly along the length of the horizontal bends, while a narrow rectangular tank divides the bottom of the body into two sections made with an inclination in opposite directions at an angle of natural mass gathering.