Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ И АЭРОБНОЙ ОБРАБОТКИ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Предлагаемое устройство относится к области природоохранной техники, преимущественно сооружений для подготовки к утилизации бесподстилочного навоза, помета на фермах, животноводческих, птицеводческих комплексах, сооружений для обработки осадков и других отходов механобиологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод.

В частности, устройство может использоваться при очистке фугатов, надосадочных жидкостей, фильтратов, образующихся при механическом разделении на фракции бесподстилочного навоза, помета, осадков и илов очистных сооружений, а также для непосредственной очистки сточных вод перерабатывающей промышленности АПК.

Известны устройства аналогичного назначения. Согласно патенту Германии №3228782, кл. CO2F 11/04, комбинированный аппарат для анаэробной и аэробной обработки концентрированных субстратов представляет собой моноблочную конструкцию с размещенными коаксиально анаэробной зоной (снаружи) и аэробной аэрируемой зоной (внутри). Исходные концентрированные воды подвергаются последовательной аэробной и анаэробной обработке с получением биогаза и очищенной стабильной жидкости - эффлюента, пригодного для последующей глубокой очистки перед сбросом в водоем и/или повторным использованием.

Объединение двух процессов в одном корпусе существенно снижает капитальные затраты, позволяет эффективно использовать тепловой потенциал аэробного процесса для поддержания требуемого температурного режима анаэробного процесса.

Основным недостатком данного устройства является незначительное время удержания биомассы, что приводит к ее частичному преждевременному выносу и снижению тем самым удельной производительности аппарата. Другим недостатком является наличие значительного радиального градиента температуры биомассы в анаэробной зоне, что обуславливает ухудшение условий ведения термочувствительного анаэробного процесса и, как следствие, приводит к падению выхода биогаза и повышению нагрузки на аэробную степень, что в свою очередь ведет к повышению энергозатрат или снижению качества очистки.

В известной степени указанные недостатки устранены в А.С. №1301790, кл. CO2F 3/00. С целью увеличения продолжительности пребывания биомассы в аэробной и анаэробной зонах, в аппарате коаксиального типа предусмотрены средства для осуществления многоходового движения биомассы по спиральной траектории; при этом несколько улучшаются условия внутреннего и внешнего тепломассопереноса. Однако невозможность достижения значительного возраста и концентрации биомассы, устранения неравномерности обогрева анаэробной зоны не позволяют достигнуть высоких скоростей обработки исходного субстрата.

Общим недостатком рассмотренных аналогов является невозможность эксплуатации устройств в анаэробно-аэробном режиме обработки субстратов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство согласно патента Великобритании №2276617, кл. CO2F 3/00.

Устройство-прототип представляет собой вертикально ориентированный аппарат, разделенный горизонтальной перегородкой на анаэробную и аэробную зоны. Каждая из зон имеет выходные патрубки для газов, а также патрубки для подведения исходной и отведении обработанной жидкости. Внутренние полости зон заполнены средствами иммобилизации анаэробной и аэробной микрофлорой, согласно патенту, данные средства могут представлять собой зернистый материал, в поровом пространстве которого осуществляется перемещение газожидкостного потока. Перемешивание в анаэробной зоне осуществляется биогазом. Перемешивание в аэробной зоне осуществляется аэрирующим агентом - воздухом, кислородсодержащим газом, кислородом. При концентрации кислорода 0,5-5,0 мг/л, времени контакта от 5 до 30 мин и кратности циркуляции потока в аэробной зоне от 2 до 30 раз и времени пребывания в анаэробной зоне 8-48 час массообмен системе «жидкость - биомасса (биопленка) - газообразные продукты метаболизма» осуществляется по всему объему аппарата с достаточно высокой равномерностью и скоростью, что позволяет существенно снизить объем аппарата и осуществлять его эксплуатацию в проточном режиме. Другим преимуществом прототипа в сравнении с устройствами аналогами является компактность, относительная простота конструкции, возможность маневрирования жидкостными и газовыми потоками, а также создание многокорпусных (от 2 до 30) установок на базе унифицированного аэробно-анаэробного модуля. Устройство может работать как анаэробно-аэробном, так и в аэробно-анаэробном режимах. Указанный в патенте типоразмерный ряд имеет высоту 2-30 м и диаметр 1-20 м.

Основным недостатком устройства прототипа являются:

- недостаточная равномерность (однородность) температурного поля в анаэробной зоне, что может вызвать снижение интенсивности анаэробной ферментации при колебаниях температур исходной жидкости и/или окружающей среды;

- необходимость в специальных конструктивных решениях для загрузки и выгрузки иммобилизирующего материала (разгрузочные люки, гидрозатворы), длительность и сложность данных процедур.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Посредством введения унифицированного конструктивного элемента - двухфазного термосифона достигается необходимая температурная стабильность анаэробного процесса. При этом полезно используется биологическое тепло, выделяемое при введении сопряженного аэробного процесса. Основная проблема, возникающая при эксплуатации поверхностных теплообменных элементов, а именно загрязнение поверхности теплообмена органическими отложениями, устраняется в данном случае за счет эффекта биорегенерации поверхности вследствие метаболической деятельности соответствующих групп бактерий, использующих органические загрязнения в качестве питания. Необходимая поверхность тепло-, массообмена достигается за счет введения продольного оребрения с характеристиками, обусловленными эксплуатационными (наличие критической скорости) и конструктивными (технологии изготовления) ограничениями.

Реальная удельная поверхность иммобилизации может составлять 50-100 м²/м³ и более. Компоновочное решение в виде единой сборки термосифонов с разделительной перегородкой позволяет обеспечить быстрый монтаж конструкции, а также ее извлечение из корпуса аппарата.

На фигуре 2 представлен ход температур рабочей среды (обрабатываемой жидкости, субстрата) вдоль тепломассообменной поверхности устройства для анаэробно-аэробной обработки концентрированных органических жидкостей. При отсутствии изотермических тепловодов в необогреваемом пространстве анаэробной зоны за счет теплоотвода в окружающую среду температура снижается на величину , при этом возможен выход температуры процесса из «эффективного» диапазона и, как следствие, снижение выхода биогаза и степени очистки потока. В то же время, в аэробной зоне прототипа температура возрастает на значение за счет выделения биологического тепла, при этом тепловая энергия бесполезно теряется с эффлюентом. При использовании заявляемого технического решения, за счет подведения тепловой энергии изотермическим тепловодом выходная температура потока в анаэробной зоне возрастает на величину , соответственно, температура на выходе из аэробной зоны снижается на . Таким образом, снижаются бесполезные потери в окружающую среду, повышаются степень очистки потока и и выход товарного биогаза.

Работоспособность конструкций «теплообменная поверхность - иммобилизирующая поверхность» подтверждена рядом работ. Так, в исследовании «The performance of a heat exchanger type anaerobic biofilm reactor» by Escalera C.R., Uchida S. Water Science technology, V.24, №5, установлено, что при температуре стенки теплообменника - анаэробного биореактора 25-37°C и температуре исходного потока 5-15°C эффективность удаления органических загрязнений составляет 70-98%.

Технический результат достигается тем, что устройство для анаэробной и аэробной обработки концентрированных органических жидкостей состоит из вертикального корпуса, в котором размещены разделенные горизонтальной перегородкой полости с анаэробной зоной, снабженной средствами газодинамического перемешивания, аэробной зоной, снабженной средствами газодинамического перемешивания и аэрации. Рабочее пространство зон заполнено иммобилизирующей насадкой и снабжено патрубками для ввода и вывода жидкости и отвода газообразных продуктов с возможностью их рециркуляции. Иммобилизирующая насадка выполнена в виде совокупности голых вертикальных стержней, заполненных легкокипящей жидкостью, причем наружная поверхность стержней по крайней мере в анаэробной зоне снабжена оребрением.

Принципиальная конструктивно-технологическая схема устройства для анаэробной и аэробной обработки концентрированных органических жидкостей представлена на фигуре 1. Аппарат состоит из вертикального герметичного корпуса 1, снабженного крышкой 2 и перегородкой 3. Перегородка 3 разделяет корпус 1 на анаэробную 4 и аэробную 5 зоны. Анаэробная зона 4 снабжена патрубками 6 и 7 для подведения и отведения жидкости и патрубком 8 отведения биогаза. Аэробная зона 5 снабжена патрубками 9 и 10 для подведения и отведения жидкости и патрубком 11 отведения газообразных продуктов метаболизма. Внутри аэробной и анаэробной зон размещены вертикально ориентированные тепло-, массообменные элементы - термосифоны 12, объединенные посредством перегородки 3 и скрепляющих элементов в единую легкоизвлекаемую сборку 13. Каждый термосифон, по крайней мере в анаэробной зоне 4, снабжен наружными ребрами 14 вертикального типа. Внутри герметичной полости термосифона 12 предусматривается легкокипящая жидкость, например фреон, которая при конденсации - испарении образует пленку 15. В свою очередь на поверхности ребер 14 и труб термосифонов 12 образуется биопленка, которая, вступая в биодинамический обмен с очищаемой средой, поглощает из нее органические и минеральные компоненты, кислород (в аэробной зоне) и выделяет в нее продукты метаболизма - биогаз (в анаэробной зоне), диоксид углерода (в аэробной зоне), избыточную биомассу. Часть активной микрофлоры располагается в свободном пространстве и также принимает активное участие в массообменных процессах. Аэробная зона 5 снабжена средствами аэрации 17. Предусматривается маневрирование потоками жидкости посредством распределительного устройства 18. При необходимости аппарат оснащается дополнительно средствами предварительной обработки субстрата, например реакторами аэробного, аноксидного или анаэробного гидролиза 19, механическими сгустителями 20. Анаэробный блок оснащается газохранилищем 21 и компрессором 22. Аэробный блок оснащается воздуходувкой 23. Биогаз для перемешивания подается в газораспределительное устройство 24. Наружная поверхность аппарата снабжается теплоизоляцией 25.

В анаэробно-аэробном режиме устройство функционирует следующим образом. Исходная сточная жидкость, образовавшаяся после обработки субстрата, например, бесподстилочного навоза, в реакторе гидролиза 19 и механическом сгустителе 20 поступает в анаэробную зону 4 герметичного корпуса 1 через патрубок 6 и вступает во взаимодействие с биопленкой, размещенной на поверхности ребер 14 и корпуса термосифона 12. В результате биохимических реакций происходит очистка жидкости от органических загрязнений, основная часть которых (до 90%) переходит в биогаз, отводимый через патрубок 8, и биопленку (не более 3%), которая, по достижении определенного возраста отторгается от поверхности, выносится с очищенной жидкостью и отделяется гравитационным способом. Поток жидкости распределяется вдоль поверхности сборки 13 таким образом, чтобы обеспечить равномерный контакт жидкости с биопленкой. Биогаз скапливается в верхней части аппарата под крышкой 2. При обработке субстрата с влажностью менее 99% в анаэробную зону 4 через газораспределительное устройство 24 подается биогаз компрессором 22 из газохранилища 21. Частично очищенная жидкость или дополнительный поток исходной сточной жидкости направляется в аэробную зону 5 корпуса 1, отделенную перегородкой 3 от анаэробной зоны 4, через распределительное устройство 18 и патрубок 9. Обработка производится активным илом и частично аэробной биопленкой. Основная масса загрязнений переходит в аэробную биомассу, которая частично выносится с очищенной жидкостью в аппарат гравитационного разделения известной конструкции (на схеме не показан). Аэробные условия создаются средствами аэрации 17, например фильтросной пластиной известного типа. Газообразные продукты метаболизма выводятся через патрубок 11.

Выделяющаяся в ходе аэробных биохимических реакций тепловая энергия через поверхность термосифона 12 передается легкокипящей жидкости, которая под действием сил гравитации стекает из верхней (конденсационной) зоны аппарата в виде пленки 15. В результате теплоподвода жидкость закипает, образовавшиеся пары с малой плотностью поступают в конденсационную зону, где передают тепловую энергию анаэробной биомассе (биопленке) 16. Образовавшийся в ходе тепломассобмена конденсат стекает в нижнюю (испарительную) зону, и далее процесс повторяется. Распределительное устройство 18 обеспечивает рециркуляцию аэробного и анаэробного потоков, а также, в случае необходимости, перевод режима функционирования устройства из анаэробно-аэробного в аэробно-анаэробный режим.

Предложенное устройство позволяет обрабатывать жидкости (фугаты, фильтраты, недосадочные жидкости) с высокой концентрацией органических загрязнений (до 5-60 г/л по ХПК) и эффективностью очистки (по ХПК) свыше 90%, причем, степень удаления загрязнений в анаэробной и аэробной зонах можно регулировать в зависимости от типа жидкости, энергообеспеченности производства и требований к глубине очистки.

При техническим обслуживании крышка 2 аппарата снимается, и сборка 13 может быть извлечена из корпусов 1 посредством известных подъемных средств.