Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ОЧИСТКИ ФЕКАЛЬНО-БЫТОВЫХ СТОКОВ

Изобретение относится к комплексной биологической очистке фекально-бытовых стоков (далее ФБС) и может быть использовано на АЭС с реакторами типа РБМК (реактор большой мощности, канальный), с выработкой товарных продуктов: метана (CH₄), белково-витаминной добавки (БВД) и тритиевой воды для теплоэлектрогенераторов (ТЭГ) районов Крайнего Севера, в которые завоз традиционного горючего и топлива затруднен.

Известна установка очистки стоков, в том числе ФБС (см. «Системы ферментации» Виестур У.Э., Кузнецов A.M., Савенков В.В., Рига, «Зинатне», 1986), включающая сборник, сообщенный с метантенком из камер кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергираторами, в виде взаимодействующих через кольцевой канал уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, причем метаненк по бражке и по биогазу через нагнетатель биогаза сообщен с хлореллогенератором, который по метану сообщен со сборником, а по биомассе хлореллы и серобактерией - с центробежным микрофильтром (ЦМФ) и динамическим дезинтегратором (ДД), с патрубком ввода биомассы, патрубком отвода дезинтеграта и патрубком отвода смеси обычной и дейтериевой воды, сообщенным через гидравлический затвор с ректификационной колонной (РК).

Недостатком является отсутствие выработки тритиевой (Т₂О) воды для нужд предприятия АПК, что снижает эффективность ее работы.

Известна установка очистки фекально-бытовых стоков (см. патент РФ №2163927 МПК С12M 1/00, C02F 3/00, опубл. 2000 г.), включающая сборник фекально-бытовых стоков, сообщенный с метантенком из камер кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде взаимодействующих через кольцевой канал уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, причем метантенк по бражке и по биогазу через нагнетатель биогаза сообщен с хлореллогенератором, который по метану сообщен со сборником, а по биомассе хлореллы и серобактерий - с центробежным микрофильтром и динамическим дезинтегратором с патрубком ввода биомассы, патрубком отвода дезинтеграта и патрубком отвода смеси обычной (Н₂О) и дейтериевой (D₂O) воды, при этом патрубок отвода смеси обычной и дейтериевой воды сообщен через гидравлический затвор с ректификационной колонной, выполненной с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщение друг с другом переливными трубами, с размещенной на каждой поперечной перфорированной перегородке насадкой в виде полых стеклянных шариков, под каждой поперечной перфорированной перегородкой прикреплены пучки стекловолокон, причем верхняя секция по пару сообщена с дефлегматором, а по флегме (конденсату) через гидравлический затвор с ректификационной колонной, при этом нижняя секция сообщена с теплообменником, а ректификационная колонна установлена на упругих опорах и снабжена вибратором, причем ректификационная колонна по тяжелой воде сообщена с контуром циркуляции реактора типа реактора большой мощности канального с сепаратором пара и циркуляционным насосом, а контур циркуляции реактора сообщен с дополнительной ректификационной колонной и сборником товарной тритиевой (Т₂О) воды.

Недостатком является снижение параметров метана (CH₄) ниже нормированных, поступающего из хлореллогенератора в сборник из-за наличия в нем загрязнений как каплеобразных, так и твердых частиц при выходе из камеры метанового брожения в нагнетатель.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективной работы установки очистки фекально-бытовых стоков путем поддержания нормированных параметров по чистоте метана (СН₄) за счет очистки его от мелкодисперсных каплеобразующих и твердых частиц загрязнений.

Технический результат доочистки достигается тем, что установка очистки фекально-бытовых стоков включает сборник фекально-бытовых стоков, патрубок отвода смеси обычной и дейтериевой воды сообщен через гидравлический затвор с ректификационной колонной, выполненной с поперечными перфорированными перегородками (ППП), образующими секции, сообщение друг с другом переливными трубами, с размещенной на каждой поперечной перфорированной перегородке насадкой в виде полых стеклянных шариков, под каждой поперечной перфорированной перегородкой прикреплены пучки стекловолокон, причем верхняя секция по пару сообщена с дефлегматором, а по флегме (конденсату) через гидравлический затвор - с ректификационной колонной, при этом нижняя секция сообщена с теплообменником, а ректификационная колонна установлена на упругих опорах и снабжена вибратором, причем ректификационная колонна по тяжелой воде сообщена с контуром циркуляции реактора типа реактора большой мощности канального с сепаратором пара и циркуляционным насосом, а контур циркуляции реактора сообщен с дополнительной ректификационной колонной и сборником товарной тритиевой (Т₂О) воды, что нагнетатель снабжен входным патрубком, соединенным с камерой метанового брожения и выходным, соединенным с хлореллогенератором, причем патрубок выполнен в виде сужающегося сопла, на внутренней поверхности которого расположены криволинейные продольно размещенные от входного к выходному отверстию канавки, связанной с круглой канавкой у выходного отверстия, соединенной со сборником загрязнений.

На фиг.1 схематически показана установка очистки ФБС в продольном разрезе; на фиг.2 - внутренняя поверхность выходного патрубка с криволинейными канавками и сборником загрязнений.

Установка очистки ФБС включает сборник 1, сообщенный с метантенком 2 из камер 3 - кислотного, 4 - нейтрального, 5 - щелочного, 6 - метанового брожения, снабженных диспергаторами 7, в виде взаимодействующих через кольцевой канал 8 уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора 9 и корпуса 10, причем метантенк 2 по бражке и по биогазу через нагнетатель 11 биогаза сообщен с хлореллогенератором 12, который по метану сообщен со сборником 13, а по биомассе хлореллы и серобактерией - с ЦМФ 14 и ДД 15, с патрубком 16 ввода биомассы, патрубком 17 отвода дезинтеграта и патрубком 18 отвода смеси обычной (Н₂О) и дейтериевой (D₂O) воды, сообщенным через гидравлический затвор 19 с РК 20, выполненной с ППП 21, образующими секции 22, сообщенные друг с другом переливными трубами 23, с размещенной на ППП 21 насадкой 24 в виде полых стеклянных шариков, а под ППП 21 прикреплены пучки 25 стекловолокон, причем верхняя секция 22 по пару сообщена с дефлегматором 26, а по флегме (конденсату) через гидравлический затвор 27 - с РК 20, а нижняя секция 22 сообщена с теплообменником 28, причем РК 20 установлена на упругих опорах 29 и снабжена вибратором 30, причем РК 20 по тяжелой воде сообщена с контуром 31 циркуляции реактора 32 типа РБМК, с сепаратором 33 пара и циркуляционным насосом 34. Контур 31 циркуляции реактора 32 типа РБМК сообщен с дополнительной РК 35, конструктивно повторяющей вышеописанную РК 20, причем дополнительная РК 35 сообщена со сборником 36 товарной тритиевой (Т₂О) воды. Патрубок 17 ДД 15 по дезинтеграту сообщен с хлорреллогенератором 12, а по избыточной биомассе - с сушкой 37 БВД. Нагнетатель 11 снабжен входным патрубком 38, соединенным с камерой метаненкового брожения 6 и выходным патрубком 39, соединенным с хлореллогенератором 12, который по метану сообщен со сборником 13. Выходной патрубок 39 выполнен в виде суживающегося сопла, на внутренней поверхности 40 которого расположены криволинейные канавки 41, продольно размещенные от входного отверстия 42 к выходному отверстию 43. Криволинейные канавки 41 связаны с круговой канавкой 44, выполненной у выходного отверстия 43 и соединенной со сборником загрязнений 45.

Установка очистки ФБС на АЭС с реакторами типа РБМК работает следующим образом.

ФБС из сборника 1 поступают в метаненк 2, в котором при температуре 53°С происходит анаэробная деградация жиро-, белково-, углеводоподобных компонентов ФБС, причем колебания температуры не должны превышать одного градуса в сутки и температурная стабилизация осуществляется за счет пульсации скоростного и статического напоров в кольцевом канале 6 между ротором 9 и корпусом 10. За счет срезающих усилий уступчатых цилиндрических поверхностей происходит измельчение взвесей ФБС и разрушение газопаровых оболочек на их поверхностях, устраняющих флотацию взвесей в верхнюю часть - газовую полость метаненка 2, занимающую 1/5 часть его объема. Концентрация метана в биогазе не превышает 75-80%, что недостаточно для использования биогаза в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), автотранспорта и поршневых газогенерирующих установках. Для исчерпывания диоксида углерода и сероводорода биогаз обрабатывают хлореллой и серобактериями в хлореллогенераторе 12. В этом случае биогаз из камеры 6 метанового брожения, насыщенный мелкодисперсными каплеобразными и твердыми загрязнениями, поступает во входной патрубок 38 нагнетателем 11 и с повышенным (по сравнению с атмосферным) давлением направляется в выходной патрубок 39 в виде суживающегося сопла, что приводит к возрастанию скорости смеси биогаза с загрязнениями, и при перемещении данного потока от входного отверстия 42 к выходному отверстию 43 по продольно расположенным криволинейным канавкам 41 образуется вихреобразное движение биогаза с загрязнениями.

В результате термодинамического расслоения смеси биогаза с мелкодисперсными каплеобразными и твердыми загрязнениями образуется периферийный поток с загрязнениями, перемещающийся в полостях криволинейных канавок 41 от большего входного отверстия 42 к меньшему выходному отверстию 43, и осевой очищенный от загрязнений поток, перемещающийся в том же направлении, что и периферийный, т.е. прямоточно (см., например, А.П.Меркулов. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1979, 386 с.).

При этом криволинейные канавки 41 соединены с круговой канавкой 44, выполненной у выходного отверстия 43, и загрязнения в виде каплеобразных и твердых мелкодисперсных частиц собираются в круговой канавке 44 и далее перемещаются в сборник загрязнений 45, связанный с круговой канавкой 44, а из сборника загрязнений 45 загрязнения удаляются вручную или автоматически (на фиг.2 не показано). В результате в хлореллогенератор 12 поступает биогаз, очищенный от междисперсных загрязнений, что при последующей обработке на выходе из хлореллогенератора 12 позволяет получать чистый метан (СH₄) в сборнике 13 для последующего его эффективного использования как топлива в ДВС или поршневых газогенерирующих установках.

Хлорелла и серобактерии в условиях фотосинтеза в хлореллогенераторе 12 накапливают в своем организме тяжелую (D₂О) воду в концентрациях 0,4-0,6%. Причем селекцией есть возможность повышения коэффициента накопления тяжелой воды. Хлореллу и серобактерии отделяют на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока, в ЦМФ 14. Биомассу вводят через патрубок 16 в ДД 15 и разрушают оболочки клеток микрофлоры с освобождением воды, которая составляет 80-85% массы. Плотность тяжелой воды на 10% превышает плотность протиевой, и она перемещается в направлении патрубка 18, а выходу в противоположном направлении препятствует вязкость тяжелой воды, которая выше на 23% вязкости обычной воды. Смесь тяжелой и обычной воды через гидравлический затвор 19 поступает в РК 20.

Температура кипения тяжелой воды 101,42°С, т.е. у нее хуже способность к испарению и лучше к конденсации. Частичными испарениями обычной воды и конденсациями тяжелой воды, многократно повторяемых в секциях 22 вверху РК 20, получают пары обычной воды, а внизу - конденсат тяжелой. Пары поднимаются вверх через перфорацию ППП 21 и насадку 24. Выполнение последней из полых стеклянных шариков препятствует биообрастанию насадки в процессе эксплуатации. Конденсат перемещается вниз по переливным трубам 23. Для снижения количества секций 22, а соответственно высоты РК 20, она установлена на упругие опоры 29 и снабжена вибратором 30, а также пучками 25 стекловолокон. Из теплообменника 28 D₂O отводят в контур 31 циркуляции реактора 32 типа РБМК, в котором за счет активации дейтерия он переводится в тритий. Смесь обычной и тритиевой воды в количествах 1-5% от объема циркулирующей отводят в дополнительную РК 35. Тритиевая вода кипит при температуре 104°С, и ее отделяют от обычной и отводят в сборник 36 для использования в теплоэлектрогенераторах (ТЭГ) в населенных пунктах районов Крайнего Севера. 1 кг трития эквивалентен завозу в эти районы 10000 т угля. При использовании тритиевой воды в ТЭГ вырабатывается электроэнергия, что исключает завоз в эти районы дизтоплива. Экологическая опасность ТЭГ и РБМК относятся как 1:1000.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что повышение эффективности работы установки очистки ФБС достигается путем обеспечения получения чистого метана (СН₄) при дополнительной очистке биогаза от мелкодисперсных загрязнений в виде каплеобразных и твердых частиц перед поступлением из нагнетателя в хлореллогенератор за счет выполнения выходного патрубка нагнетателя в виде суживающегося сопла, на внутренней поверхности которого выполнены криволинейные канавки, продольно размещенные от входного к выходному отверстию и связанные с круговой канавкой у выходного отверстия, соединенной со сборником загрязнений.