RU2505488C2

RU2505488C2 - Apparatus for biochemical processing of liquid and semi-liquid organic substrates

Info

Publication number: RU2505488C2
Application number: RU2012107616/05A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Ковалев; Евгений Николаевич Камайданов
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2014-01-27
Also published as: RU2012107616A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to field of processing organic substrates with humidity 95-97% with concentration of organic substance not less than 20 g/l. Such substrates are represented by semi-liquid and liquid manure, formed in the process of self- floating manure removal, primary precipitation and condensed active sludge from constructions of mechanical-biological purification of household sewages (at city purification constructions) and discharges after processing of agricultural production. Apparatus consists of anaerobic section with descending ceiling and immobilising regular nozzle with zones of biomass clarification and condensing with mixing device, located in lower part of section. Clarification zone is hydraulically connected with input of anaerobic biofilter. Anaerobic biofilter is located coaxially inside anaerobic section case with common gas part. Immobilising regular nozzle is made in form of assemblage of rods with possibility of rotation. Anaerobic section is coaxially placed into aerobic section case, whose output has hydraulic connection with anaerobic section.

EFFECT: intensification of combined aerobic-anaerobic process, increase of energy efficiency of methane generation process and improvement of mass and size characteristics of device.

1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области переработки органических субстратов влажностью 95-97% с концентрацией органического вещества не менее 20 г/л. Такими субстратами являются полужидкий и жидкий навоз, образующийся при самосплавном навозоудалении, на средних и крупных животноводческих комплексах (фермах), первичный осадок и сгущенный активный ил из сооружений механобиологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод (на городских очистных сооружениях) и стоков после переработки сельскохозяйственной продукции.The proposed technical solution relates to the field of processing organic substrates with a moisture content of 95-97% with a concentration of organic matter of at least 20 g / l. Such substrates are semi-liquid and liquid manure generated by self-alloying manure removal on medium and large livestock breeding complexes (farms), primary sludge and condensed activated sludge from the facilities for mechanobiological treatment of domestic wastewater (at city sewage treatment plants) and sewage after processing agricultural products .

Исходными субстратами для биохимической переработки в предлагаемом аппарате могут являться бесподстилочные навоз и помет, осадки первичных отстойников, избыточный активный ил аэротенков.The initial substrates for biochemical processing in the proposed device may be litterless manure and litter, sedimentation of primary sedimentation tanks, excess activated sludge aeration tanks.

Более конкретно, аппарат предназначен для интенсивной аэробно-анаэробной переработки вышеуказанных субстратов в стабилизированный и обеззараженный продукт - эффлюент, и метаносодержащий газ - биогаз.More specifically, the apparatus is intended for intensive aerobic-anaerobic processing of the above substrates into a stabilized and disinfected product - effluent, and methane-containing gas - biogas.

Известные недостатки традиционного анаэробного метаногенного процесса низкая удельная производительность, значительное (до 70%) потребление энергии на собственные нужды частично устранены в устройстве-аналоге; см. патент США №6730223, Европатент 2105414 по кл. C02F 3/28/Known disadvantages of the traditional anaerobic methanogenic process; low specific productivity; significant (up to 70%) energy consumption for own needs is partially eliminated in the analog device; see US patent No. 6730223, Europatent 2105414 for CL. C02F 3/28 /

В устройстве-аналоге исходный субстрат подвергается гидролизу в паровом автоклаве с последующей анаэробной переработкой гидролизованного субстрата в комбинированном вертикальном аппарате -анаэробном биореакторе. На анаэробной первой стадии обработке подвергается весь субстрат.После фильтрационного разделения на фракции дополнительной анаэробной обработке подвергается жидкая фракция субстрата (первичного эффлюента). Целевыми продуктами являются: стабилизированные фракции (твердая фракция первичного эффлюента, вторичный эффлюент на выходе из анаэробного биофильтра) и биогаз. Применение предварительной обработки - гидролиза позволяет повысить интенсивность анаэробного процесса, улучшить условия перемешивания и разделения на фракции.In an analog device, the initial substrate is hydrolyzed in a steam autoclave, followed by anaerobic processing of the hydrolyzed substrate in a combined vertical apparatus, an anaerobic bioreactor. At the anaerobic first stage, the entire substrate is processed. After filtration into fractions, the liquid fraction of the substrate (primary effluent) is subjected to additional anaerobic treatment. Target products are: stabilized fractions (solid fraction of the primary effluent, secondary effluent at the outlet of the anaerobic biofilter) and biogas. The use of pre-treatment - hydrolysis can increase the intensity of the anaerobic process, improve the conditions of mixing and separation into fractions.

Основным недостатком является значительный расход биогаза на получение водяного пара для проведения гидролиза.The main disadvantage is the significant biogas consumption for producing water vapor for hydrolysis.

Дополнительными недостатками являются:Additional disadvantages are:

1) проведение гидролиза в отдельном аппарате-автоклаве, что существенно увеличивает материалоемкость конструкции и теплопотери в окружающую среду.1) carrying out hydrolysis in a separate autoclave apparatus, which significantly increases the material consumption of the structure and heat loss to the environment.

2) Реализация второй стадии в анаэробном биофильтре, который конструктивно выполнен в виде внешнего коаксиального корпуса, охватывающего корпус основного анаэробного биореактора. Такое решение не позволяет эффективно решить основную задачу -управления гидродинамическим режимом биофильтрации, связанную с равномерным распределением исходного потока в поперечном сечении аппарата.2) The implementation of the second stage in the anaerobic biofilter, which is structurally made in the form of an external coaxial body, covering the body of the main anaerobic bioreactor. This solution does not allow to effectively solve the main problem of controlling the hydrodynamic regime of biofiltration associated with a uniform distribution of the initial flow in the cross section of the apparatus.

3) Невозможность эффективного разделения первичного эффлюента на фракции что, в конечном счете, приводит к кольматации фильтрующей системы.3) The impossibility of effectively separating the primary effluent into fractions, which, ultimately, leads to the maturation of the filter system.

4) Малая концентрация анаэробной биомассы в анаэробном биореакторе вследствие отсутствия средств для интенсивной рециркуляции первичного эффлюента и иммобилизации микрофлоры.4) The low concentration of anaerobic biomass in the anaerobic bioreactor due to the lack of funds for intensive recycling of primary effluent and immobilization of microflora.

В известной степени, указанные недостатки устранены в аппарате согласно авторскому свидетельству СССР №1301790, кл. C02F 3/60.To a certain extent, these shortcomings were eliminated in the apparatus according to the USSR copyright certificate No. 1301790, class. C02F 3/60.

Гидролиз и анаэробная переработка субстрата проводятся в отдельных коаксиальных секциях аппарата, конструктивно представляющего собой моноблок. В секции аэробного гидролиза осуществляется подготовка субстрата путем первичной ферментации органического вещества аэробными бактериями гидролитиками и первичный нагрев субстрата за счет выделения биологической теплоты. Такое техническое решение позволяет снизить затраты биогаза на собственные нужды сопряженного процесса переработки субстрата и уменьшить материалоемкость конструкции.Hydrolysis and anaerobic processing of the substrate are carried out in separate coaxial sections of the apparatus, which is structurally a monoblock. In the section of aerobic hydrolysis, the substrate is prepared by primary fermentation of the organic matter by aerobic bacteria by hydrolytics and the primary heating of the substrate due to the release of biological heat. This technical solution allows to reduce biogas costs for the own needs of the associated process of processing the substrate and to reduce the material consumption of the structure.

Средства иммобилизации и рециркуляции биомассы отсутствуют. Не предусмотрены разделение субстрата на фракции с последующей обработкой жидкой фракции в биофильтре, что обуславливает низкую скорость ведения анаэробного процесса и, как следствие, ухудшение массогабаритных характеристик аппарата и дополнительные теплопотери в окружающую среду.Means of immobilization and biomass recycling are not available. Separation of the substrate into fractions with subsequent processing of the liquid fraction in a biofilter is not provided, which leads to a low speed of the anaerobic process and, as a result, deterioration of the mass and size characteristics of the apparatus and additional heat loss to the environment.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является техническое решение согласно патента Японии 4-59040, кл. CO2F 3/28. в аппарате прототипе исходный субстрат подвергается анаэробному гидролизу и предварительной обработке прикрепленной метаногенной микрофлорой в вертикальном цилиндрическом аппарате - анаэробном биореакторе с нисходящим потоком. Обработанный таким образом субстрат поступает в зоны осветления и уплотнения, которые размещены в нижней части аппарата.Closest to the alleged invention is a technical solution according to Japanese patent 4-59040, cl. CO2F 3/28. in the apparatus of the prototype, the initial substrate is subjected to anaerobic hydrolysis and pre-treatment with attached methanogenic microflora in a vertical cylindrical apparatus - an anaerobic bioreactor with a downward flow. The substrate thus treated enters the clarification and compaction zones, which are located in the lower part of the apparatus.

Процессы гравитационного осветления и уплотнения интенсифицированы путем предварительной дегазации субстрата с применением лопастного перемешивающего устройства. Жидкая (осветленная) фракция направляется в анаэробный биофильтр, твердая (уплотненная) фракция выводится для последующего депонирования или утилизации. Биогаз, отводимый из газовых частей анаэробных биореактора и биофильтра, используется для получения энергии.The processes of gravitational clarification and compaction are intensified by preliminary degassing of the substrate using a paddle mixing device. The liquid (clarified) fraction is sent to the anaerobic biofilter, the solid (compacted) fraction is removed for subsequent deposition or disposal. Biogas removed from the gas parts of the anaerobic bioreactor and biofilter is used to generate energy.

Преимуществом данного устройства в сравнении с аналогами является наличие секций интенсивного осветления и уплотнения, а также компактность, обусловленная возможностью использования высокоскоростных анаэробных процессов в условиях обработки субстрата и жидкой фракции прикрепленной анаэробной биомассой. ПрименениеThe advantage of this device in comparison with analogues is the presence of intensive clarification and compaction sections, as well as compactness, due to the possibility of using high-speed anaerobic processes in the conditions of processing the substrate and the liquid fraction with attached anaerobic biomass. Application

В кольцевом пространстве размещена иммобилизирующая регулярная насадка 17 для анаэробной гидролитической, кислото- и метаногенной микрофлоры, выполненной в виде сборки вращающихся стержней 18. Насадка 17 приводится во вращательное движение посредством электромеханического или иного привода 19. Вращательный момент насадке 17 передается через вал 20, место ввода которого в крышку 21 корпуса анаэробной секции 7 герметизируется посредством гидрозатвора 22.In the annular space there is an immobilizing regular nozzle 17 for anaerobic hydrolytic, acid and methanogenic microflora, made in the form of an assembly of rotating rods 18. The nozzle 17 is rotationally driven by an electromechanical or other drive 19. The rotational moment of the nozzle 17 is transmitted through the shaft 20, the input point which in the cover 21 of the housing of the anaerobic section 7 is sealed by means of a water lock 22.

В нижней части корпуса 14 размещены зоны осветления 23 и уплотнения 24 биомассы, причем в средней части зоны осветления предусмотрено лопастное перемешивающее устройство 25, жестко связанное с валом 20 и поддерживаемое опорой 26. Зона уплотнения 24 с разгрузочным устройством 28 известного типа, которое, в свою очередь, связано со всасывающей стороной циркуляционного насоса 10. Верхняя часть зоны осветления 23 через лабиринтное уплотнение 29 гидравлически связана со входом анаэробного биофильтра 16. Иммобилизирующая загрузка анаэробного биофильтра 16 - известного типа (зернистая, кольцевая, из материала с внутренними порами). Вал 20. проходит через центральную трубу 30 анаэробного биофильтра 16, снабженную верхним 31 и нижним 32 уплотняющими устройствами.In the lower part of the housing 14, clarification zones 23 and biomass seals 24 are located, and in the middle part of the clarification zone there is a paddle mixing device 25, rigidly connected to the shaft 20 and supported by a support 26. The sealing zone 24 with a discharge device 28 of a known type, which, in its the turn is connected with the suction side of the circulation pump 10. The upper part of the clarification zone 23 through the labyrinth seal 29 is hydraulically connected to the input of the anaerobic biofilter 16. The immobilizing load of the anaerobic biofilter 16 - known type (granular, annular, from a material with internal pores). The shaft 20. passes through the central tube 30 of the anaerobic biofilter 16, equipped with upper 31 and lower 32 sealing devices.

Обработанная жидкая фракция - эффлюент - через переливное устройство 33 отводится за пределы аппарата. Анаэробный биофильтр 16 и анаэробная секция - биореактор 7 имеют общую газовую часть 34.The processed liquid fraction - effluent - through the overflow device 33 is discharged outside the apparatus. Anaerobic biofilter 16 and anaerobic section - bioreactor 7 have a common gas part 34.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Исходный субстрат подается во всасывающую часть циркуляционного насоса 10, при необходимости с рециркулируемой биомассой. В трубе Вентури 11 субстрат смешивается с воздухом и затем через патрубок 3 вводится в аэробную секцию 1. В аэробной секции 1 осуществляется биохимическая реакция, в ходе которой органическое вещество субстрата частично распадается с выделением тепловой энергии. Нераспавшееся органическое вещество приобретает свойства, способствующие интенсификации последующей анаэробной переработки: повышается рН, увеличивается относительное содержание растворенного и тонкодисперсного органического вещества. Процесс реализуется в условиях циркуляции по схеме «аэробная секция 1 - циркуляционный насос 10 - труба Вентури 11 - аэробная секция 1».The original substrate is fed into the suction part of the circulation pump 10, if necessary with recycled biomass. In the venturi 11, the substrate is mixed with air and then introduced through the pipe 3 into the aerobic section 1. In the aerobic section 1, a biochemical reaction is carried out, during which the organic substance of the substrate partially decomposes with the release of thermal energy. Non-dissolved organic matter acquires properties that contribute to the intensification of subsequent anaerobic processing: the pH rises, the relative content of dissolved and finely divided organic matter increases. The process is implemented under the conditions of circulation according to the scheme "aerobic section 1 - circulation pump 10 - venturi 11 - aerobic section 1".

Образующиеся газообразные продукты метаболизма (в основном СО₂), не прореагировавшийся кислород и инертные составляющие воздуха отводятся за пределы корпуса 2 через патрубок 4. Внутри корпуса 2 обработанный и нагретый субстрат постепенно, огибая полупогружную перегородку 5, поступает к переливному патрубку 8 и затем в корпус анаэробной секции 7. Перемещение субстрата внутри анаэробной секции 7 осуществляется по спиральной траектории. Вращательная составляющая обеспечивается посредством вращения насадки 17, приводимой в действие приводом 19. При этом вращение может быть реверсивным. Общее направление движения субстрата - «сверху вниз». Анаэробная микрофлора, предварительной анаэробной обработки прикрепленной биомассы в условиях нисходящего потока позволяет существенно повысить устойчивость процесса. Недостатком устройства-прототипа следует считать ограничение области его применения, т.к. средства подогрева исходного субстрата не предусмотрены, следовательно, высокую производительность можно достичь только на подогретых субстратах. Другим недостатком является нерациональная двухкорпусная компоновка с раздельными газовыми частями. Применение неподвижной насадки для прикрепления микрофлоры не позволяет использовать динамические факторы интенсификации процесса, особенно в условиях колебания влажности и реологических характеристик субстрата.The resulting gaseous metabolic products (mainly CO ₂ ), unreacted oxygen and inert air components are discharged outside the body 2 through the pipe 4. Inside the body 2, the treated and heated substrate gradually passes around the semi-submersible baffle 5 and enters the overflow pipe 8 and then into the body anaerobic section 7. The movement of the substrate inside the anaerobic section 7 is carried out along a spiral path. The rotational component is provided by rotating the nozzle 17, driven by the drive 19. In this case, the rotation can be reversible. The general direction of movement of the substrate is "from top to bottom." Anaerobic microflora, preliminary anaerobic treatment of attached biomass in a downward flow can significantly increase the stability of the process. The disadvantage of the prototype device should be considered a limitation of its scope, because Means of heating the initial substrate are not provided, therefore, high performance can be achieved only on heated substrates. Another disadvantage is the irrational two-hull arrangement with separate gas parts. The use of a fixed nozzle for attaching microflora does not allow the use of dynamic factors of the intensification of the process, especially in conditions of fluctuating humidity and rheological characteristics of the substrate.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, и, как следствие, повышение энергетической эффективности процесса метаногенерации и улучшение массогабаритных характеристик устройства.The task of the invention is to remedy these disadvantages, and, as a result, increase the energy efficiency of the methane generation process and improve the overall dimensions of the device.

Технический результат достигается тем, что в аппарате для биохимической переработки жидких и полужидких органических субстратов, состоящего из анаэробной секции с нисходящим потоком и иммобилизирующей регулярной насадкой с размещенными в нижней части секции зонами осветления и уплотнения биомассы с перемешивающим устройством, причем зона осветления гидравлически связана со входом анаэробного биофильтра, анаэробный биофильтр размещен коаксиально внутри корпуса анаэробной секции с общей газовой частью, иммобилизирующая регулярная насадка выполнена в виде сборки стержней с возможностью вращения, анаэробная секция заключена коаксиально в корпус аэробной секции, выход которой имеет гидравлическую связь с входом анаэробной секции.The technical result is achieved by the fact that in the apparatus for the biochemical processing of liquid and semi-liquid organic substrates, consisting of an anaerobic section with a downward flow and a regular immobilizing nozzle with biomass clarification and compaction zones located in the lower part of the section with a mixing device, the clarification zone being hydraulically connected to the input anaerobic biofilter, anaerobic biofilter is placed coaxially inside the body of the anaerobic section with a common gas part, immobilizing regular the nozzle is made in the form of an assembly of rods with the possibility of rotation, the anaerobic section is enclosed coaxially in the body of the aerobic section, the output of which has a hydraulic connection with the input of the anaerobic section.

Конструктивная схема предлагаемого устройства представлена на фигуре 1.The structural diagram of the proposed device is presented in figure 1.

Устройство состоит из трех коаксиальных секций, выполненных в виде моноблока и снабженных вспомогательными механизмами и приспособлениями.The device consists of three coaxial sections, made in the form of a monoblock and equipped with auxiliary mechanisms and devices.

Внешней секцией является аэробная секция - биореактор - 1, состоящая из кольцевого цилиндрического корпуса 2, патрубка для подведения исходного рециркуляционного субстрата 3, патрубка для отведения газов 4, полупогружной перегородки 5. Внутренняя стенка 6 выполнена общей с анаэробной секцией - биореактором 7 и имеет переливной патрубок 8. В нижней части аэробной секции 1 предусмотрен патрубок 9, соединенный со всасывающей стороной циркуляционного насоса 10. Нагнетательная сторона насоса 10 снабжена трубой Вентури 11 и связана с одной стороны с патрубком 3 и источником сжатого воздуха. Наружная стенка 12 аэробной секции 1 снабжена теплоизоляционным слоем 13. Анаэробная секция - биореактор 7 состоит из кольцевого цилиндрического корпуса 14, со стенками 6 и 15, причем стенка 15 выполнена общей с анаэробным биофильтром 16.The external section is the aerobic section - bioreactor - 1, consisting of an annular cylindrical body 2, a pipe for supplying the original recirculation substrate 3, a pipe for exhausting gases 4, a semi-submersible partition 5. The inner wall 6 is made common with the anaerobic section - bioreactor 7 and has an overflow pipe 8. At the bottom of the aerobic section 1 there is a pipe 9 connected to the suction side of the circulation pump 10. The discharge side of the pump 10 is equipped with a venturi 11 and is connected on one side with p tube 3 and the compressed air source. The outer wall 12 of the aerobic section 1 is provided with a heat-insulating layer 13. The anaerobic section - the bioreactor 7 consists of an annular cylindrical body 14, with walls 6 and 15, the wall 15 being made common with the anaerobic biofilter 16.

иммобилизированная на пористом покрытии сборки стержней 18, осуществляет переработку субстрата с образованием промежуточных (жирных кислот и других органических соединений) и целевых продуктов (стабилизированной биомассы и метана). Высокая концентрация анаэробной микрофлоры, оптимальный режим перемешивания и наличие гидролизованного органического питания позволит существенно интенсифицировать анаэробный процесс в сравнении с аппаратами-аналогами и прототипом. Стабилизированная биомасса (эффлюент) поступает в зону осветления 23, в которой одновременно протекают два процесса: дегазация биомассы посредством динамического воздействия на комплекс «взвешенное вещество - газовый пузырь» при вращении лопастного перемешивающего устройства 25, и постепенное осаждение взвешенного вещества под действием гравитации. В нижней (предпочтительно конусной) части корпуса анаэробной секции 7 (зоне уплотнения 24) происходит постепенное накопление и сгущение биомассы с последующим ее отведением чрез патрубок 27 в разгрузочное устройство 28. При этом часть биомассы может подаваться в аэробную секцию 1.immobilized on a porous coating of the assembly of rods 18, it processes the substrate with the formation of intermediate (fatty acids and other organic compounds) and target products (stabilized biomass and methane). The high concentration of anaerobic microflora, the optimal mixing mode and the presence of hydrolyzed organic food will significantly intensify the anaerobic process in comparison with analogue devices and the prototype. The stabilized biomass (effluent) enters the clarification zone 23, in which two processes occur simultaneously: the biomass is degassed by dynamically acting on the suspended matter – gas bubble complex during rotation of the paddle stirrer 25, and the gradual precipitation of the suspended matter by gravity. In the lower (preferably conical) part of the body of the anaerobic section 7 (compaction zone 24), the biomass gradually accumulates and thickens, followed by its removal through the pipe 27 to the unloading device 28. In this case, part of the biomass can be supplied to the aerobic section 1.

Жидкая фаза из зоны осветления 23 поступает через лабиринтное уплотнение 29 в анаэробный биофильтр 16, в котором происходит окончательный распад нестабильного органического вещества. Образовавшийся биогаз накапливается в общей для анаэробной секции 7 газовой части 34 и далее отводное на утилизацию в типовое энергогенерирующее оборудование. Стабилизированная жидкая фракция (эффлюент) через переливное устройство 33 отводится на последующую стадию обработки или утилизируется.The liquid phase from the clarification zone 23 enters through the labyrinth seal 29 into the anaerobic biofilter 16, in which the final decomposition of unstable organic matter occurs. The resulting biogas accumulates in the gas part 34, common for the anaerobic section 7, and then diverted for disposal to standard energy generating equipment. The stabilized liquid fraction (effluent) through the overflow device 33 is discharged to the subsequent processing stage or disposed of.

Claims

Apparatus for biochemical processing of liquid and semi-liquid organic substrates, consisting of an anaerobic section with a downward flow and a regular immobilizing nozzle with clarification and biomass compaction zones located in the lower part of the section with a mixing device, the clarification zone being hydraulically connected to the anaerobic biofilter inlet, characterized in that anaerobic biofilter is placed coaxially inside the body of the anaerobic section with a common gas part, the immobilizing regular nozzle is made in the form of orc rods rotatably, anaerobic section is enclosed in a housing coaxially aerobic section, the output of which is in fluid communication with the anaerobic section entrance.