Анаеробний ферментний реактор

1. Апарат для анаеробної ферментації речовин (А, В), який включає секцію попереднього підкислювання, в якій речовини (А, В) піддають попередньому підкисленню, ферментер, в якому ферментуються попередньо підкислені речовини (А, В), і транспортувальні засоби, призначені для переміщення речовин (А, В) із секції попереднього підкислювання у ферментер, який відрізняється тим, що секція попереднього підкислювання обладнана флотаційним пристроєм або мішалкою, а транспортувальні засоби містять засоби, які утримують у секції попереднього підкислювання слаборозчинені тверді речовини доти, поки вони достатньо не підкисляться, але забезпечують при цьому переміщення достатньо підкислених речовин. 2. Апарат за п. 1, який відрізняється тим, що транспортувальні засоби включають відвідний пристрій, призначений для відведення речовин із секції попереднього підкислення. 3. Апарат за п. 2, який відрізняється тим, що транспортувальні засоби містять керуючий пристрій для зазначеного відвідного пристрою і, переважно, пристрій для перемішування, наприклад мішалку. 4. Апарат за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що транспортувальні засоби додатково оснащені ситом. 5. Апарат за п. 1, який відрізняється тим, що транспортувальні засоби включають флотаційний 2 (19) 1 3 Винахід стосується пристрою і способу для анаеробної ферментації органічних речовин. Відомий пристрій та спосіб згідно з пунктами 1 та 6 формули винаходу за патентом DE 198 04 007. Цей документ стосується переробки рідини, насиченої органічними речовинами, причому під час її ферментації виробляється газ. Практикою виявлено, що середній термін перебування рідини, насиченої органічними речовинами, у фазі попереднього підкислення триває приблизно 15 годин, а загальний процес - приблизно 30 годин. За цей час технологічний розчин достатньо підкислюється для перетворення у біохімічному реакторі без загрози подальшого окислення, яке могло б негативно вплинути на процес ферментації, зокрема, через загибель метаноутворюючих бактерій через низьке значення рН. Як правило, при окислюванні значення рН мають досягати 6,0 або менше. Для розчинення комплексних вуглецевих сполук необхідне попереднє підкислення, оскільки ферментаційні бактерії можуть переробляти тільки прості вуглецеві сполуки. При ферментації утворюється біогаз, яким є собою суміш метану і двоокису вуглецю і може використовуватися для отримання енергії. З практики відомі також реактори для отримання біогазу з твердої сировини, в яких бродіння і ферментація відбувається одночасно. В таких реакторах можна переробляти речовини від пастоподібних до твердих, і термін перетворення у ферментері триває тижнями до завершення процесу. У пивоварнях, скажімо, використовується рідкий технологічний розчин, наприклад після процесу очищення, а також більш густі органічні речовини: дріжджі і пивна дробина. На підприємствах по виробництву фруктового соку відходи пресування поступають разом з технологічним розчином як густі домішки. На таких і подібних виробничих підрозділах підприємств виробляються як рідина, насичена органічними речовинами, так і органічна залишкова сировина, тому обидві звичайно перероблюють шляхом звичайного бродіння, тобто необхідні два незалежні реактори, щоб використати сировину для виробництва біогазу. Проте, це вельми коштовний і складний процес. В DE 199 37 876 Al пропонують спосіб для біологічного перетворення органічних речовин у газ метан. Цей спосіб повинен дати можливість підвищення продуктивності, бо система переводиться у стабільний режим. Для цього під час бродіння органічні компоненти слід роз'єднати шляхом затримання органічних компонентів за допомогою напівпроникної мембрани в реакторах гідравлічної витримки для досягнення кращого адаптивного контролю зростання бактерій. Задача даного винаходу полягає у тому, щоб створити пристрій і спосіб економічно доцільнішими за рахунок перетворення всієї органічної сировини у достатньо окислений стан (шляхом сепаративного процесу) та переробка лише достатньо окисленої сировини, внаслідок чого може з'явитися більш проста альтернатива для виробництва біогазу з рідких і твердих органічних речовин. 87972 4 Ця задача вирішується за допомогою апарата згідно із ознаками пункту 1 формули і способу з ознаками пункту 8 формули винаходу. У залежних пунктах пояснюються переважні форми втілення винаходу. У винайденому апараті передбачені засоби для перетворення органічних речовин у ферментері, за допомогою яких можна перетворювати всю органічну сировину у достатньо окислений стан шляхом сепаратного процесу. При цьому недостатньо підкислені, як правило більш тверді та слаборозчинні речовини, залишаються у секції попереднього підкислення доти, поки вони достатньо не підкисляться. Відповідно до цього за винайденим способом перероблюється тільки достатньо окислена сировина. У такий спосіб в секцію попереднього підкислення можна завантажувати як рідкі, отже значно розчинені, так і тверді або пастоподібні, слаборозчинні речовини, а потім після достатнього підкислення подавати їх у ферментер. Для вибіркового переміщення можна використовувати різні характеристики речовини, які відрізняють достатньо підкислену сировину від ще не достатньо підкислених органічних речовин. При цьому, наприклад, достатньо окислені, тверді або пастоподібні речовини у секції попереднього підкислення розмокають і розчиняються у рідині, а недостатньо окислені тверді речовини, як правило грубозернисті, відповідно осідають. Тому сортування може відбуватися, наприклад, проціджуванням крізь сито або осадженням, причому, сито повинно бути таким, щоб недостатньо підкислені тверді речовини затримувалися ситом, а рідкі та розм'якшені речовини могли б бути проціджені. Встановлено, що недостатньо окислені тверді речовини накопичуються на дні секції попереднього підкислення, якщо в ній не провадиться ніякого ворошіння або перемішування. Це означає, що при припиненні ворошіння або перемішування, яке проводиться, як правило в секції попереднього підкислення, недостатньо окислені речовини осаджуються в нижній частині, тоді як достатньо окислені речовини збираються у верхній частині, внаслідок чого сортування достатньо окислених органічних речовин проводиться відбором органічних речовин у верхній частині секції попереднього підкислення, з якого подальше їх переміщення у ферментер буде відбуватися тільки в "фазах спокою". Встановлено, що завдяки флотації, наприклад, вдуванням повітря або газу в секцію попереднього підкислення, тверді речовини, які знаходяться в нижніх шарах, виносяться переважно на поверхню, що призводить до розділення ще недостатньо окислених органічних речовин від достатньо окислених органічних речовин та наступного сортування при переміщенні шляхом сепарації органічних речовин з нижньої частини секції попереднього підкислення. Переважний спосіб переробки вельми неоднорідних сировинних речовин, наприклад з луш 5 87972 6 пинням, шкаралупою і таке інше, включає вищенаНаведений на Фіг.1 резервуар може бути позвану попередню обробку переважно з попереднім міщений в землю, який на Фіг.1 не показаний. механічним подрібненням твердих речовин в поЗгідно Фіг.1 секція попереднього підкислення дрібнювачі, млині або в подібних пристроях. Попе2, ферментер з блоками навантаження 3а, 3b та редня обробка, зокрема механічним попереднім блок кінцевого відстоювання розміщені в одному подрібненням, полегшує розчинення твердих оррезервуарі. Однак вони також можуть бути розміганічних речовин в секції попереднього підкисленщені в окремих резервуарах або цистернах. ня. На Фіг.2 схематично наведений розріз показаОсновні частини конструкції апарата і спосіб ного на Фіг.1 пристрою, при цьому в даному випапереробки згідно із даним винаходом роз'яснюдку також показаний і тент 13, що накриває блок ються за допомогою доданих фігур, де: головного навантаження та блок помірного наванФіг.1 - трьохмірне зображення загального витаження. Під тентом 13 накопичується виділений гляду апарата. біогаз, тому тент надувається, як наведено на Фіг.2 - схематичний вигляд апарата у розрізі. Фіг.2. Фіг.3 - схематичний вигляд у розрізі другого Також на Фіг.2 схематично проілюстровано заваріанту апарата. вантаження органічних речовин А і В по передатоФіг.4 - схематичний вигляд у розрізі наступного чних механізмах трубопроводу 8, а також 9, при варіанта апарата. цьому речовину В можна подавати через блок 25 На фігурі 1 показане трьохмірне зображення попередньої обробки. Рідку речовину А зазвичай апарата для попереднього підкислення і анаеробподають по трубопроводу, а тверду речовину В ної ферментації органічних речовин. Апарат вклюможна подавати за допомогою стрічкового трансчає секцію попереднього підкислення 2, ферменпортера або контейнера тощо. Якщо тверда речотер, що оснащений блоком головного вина В знаходиться в пастоподібній або суспензійнавантаження 3а і блоком помірного навантаженній формі, вона може подаватися також по ня 3b, та блок 4 кінцевого відстоювання. Перед трубопроводу 9. Крім цього, на Фіг.2 показано блок проведенням анаеробної ферментації блок голо25 попередньої обробки твердих речовин В. вного навантаження 3а і блок помірного навантаНа Фіг.3 схематично наведений другий варіант ження 3b укривають, наприклад тентом, для збевиконання пристрою 1. В цьому випадку на вході реження газів, що виділяються, який не показаний трубопроводу 5b, призначеного для переміщення на фігурі 1. Цим тентом також можна покривати речовин з секції попереднього підкислення 2 в секцію попереднього підкислення 2, наприклад, блок головного навантаження 3а, встановлене якщо флотація відбувається за допомогою газу сито 12. У даному випадку сито 12 розташоване або газової циркуляції (не показаний). приблизно на середині висоти секції попереднього Між секцією попереднього підкислення 2 і блопідкислення 2, але його також можна розташовуком головного навантаження 3а знаходиться перевати вище або нижче цього рівня. Сито 12 повинне городка 17, між блоком головного навантаження мати лунки або отвори такого розміру, щоб тверді 3а і блоком помірного навантаження 3b - подвійна речовини В, які вводяться в секцію попереднього перегородка 18, а між блоком помірного навантапідкислення, не могли пройти через них доти, поки ження 3b і блоком кінцевого відстоювання 4 - певони не підкисляться в достатній мірі. регородка 19, яка є пересувною або закріпленою. Замість трубопроводу 5b і сита 12, як транспоВ частині секції попереднього підкислення 2 ртувальний засіб, може бути використане сито або можуть бути розташовані мішалки 6, 7, якими морешето в переливному отворі або лише переливжна виконувати перемішування в частині секції ний отвір з клапаном, що автоматично закриваєтьпопереднього підкислення 2. Мішалки 6, 7 можна ся, через які речовини з секції попереднього підкизапускати від керуючого пристрою 14 по сигнальслення 2 перетікають в блок головного ному проводу або по електричних кабелях живнавантаження 3а. Такий переливний отвір може лення 15. Керуючий пристрій 14 може бути з'єднабути розташований, наприклад, у верхньому кінці ний з сигнальним або електричним проводом 16 перегородки 17 з можливістю закривання. Описані саме при підключенні до насоса 5с, за допомогою переливні отвори також можуть бути розташовані якого по трубопроводах 5а і 5b перероблена речов середній або нижній частині перегородки 17. вина з секції попереднього підкислення 2 може Замість сита 12 для відділення крупнозернисперевантажуватися у блок головного навантажентих, структурованих речовин від дрібнозернистих ня 3а. При цьому кінець патрубка і трубопроводу або рідких речовин може бути застосоване інше 5b розташовані у верхній частині секції поперепідходяще пристосування, наприклад секція проднього підкислення 2, тобто, наприклад, поверх міжного відстоювання. З цієї секції проміжного відсередини уздовж висоти секції попереднього підстоювання тверді речовини переміщують назад до кислення 2. Блок головного навантаження 3a, так секції попереднього підкислення 2 для подальшого само як і блок помірного навантаження 3b можуть підкислення. містити перегородки розділення (не показані). ПоНа Фіг.4 показаний ще один варіант виконання двійна перегородка 18 між блоком головного навинаходу. Згідно цього варіанта як транспортуювантаження 3а і блоком помірного навантаження чий засіб застосовується труба 5е, вхідний кінець 3b, а також перегородка 19 між блоком помірного якої розташовано в нижній частині секції поперенавантаження 3b і блоком 4 кінцевого відстоюванднього підкислення 2. Крім того, у цьому випадку ня можуть бути оснащені фільтрами 20 або злипередбачено флотаційний пристрій 10, 11, за довами, по яких речовини із одного блока, можуть помогою якого через отвори вихідного кінця 11, що переміщуватись в інший. виконані у дві секції, можна подавати повітря або 7 87972 8 газ, який проходить по трубопроводу 10. воду 23 можна знову вводити в процес, подаючи Насос 5d за допомогою сигнального проводу, їх, наприклад, до блока помірного навантаження живильного проводу, трубопроводу, проводу стис3b. У іншому випадку їх можна за допомогою венлого повітря або гідравлічної лінії з'єднаний з кетиля 24 керовано відводити як небажані залишкові руючим пристроєм 14, який за допомогою автомавідходи. тичного клапана (не показаний) може керувати Вижимки і залишки на фільтрі можна механічнасосом 5d. Крім того, керуючий пристрій 14 за но подрібнювати в блоці попередньої обробки 25 допомогою принаймні однієї лінії (сигнального або готувати іншим чином з тим, щоб в результаті проводу, живильного проводу, трубопроводу стисодержати зерна не більше заданого розміру. Це лого повітря або гідравлічної лінії) може з'єднувапозитивно впливає на контрольоване керування тися з необов'язковою для конструкції пристрою процесом, а також прискорює підкислення твердих регульованою мішалкою 6, 7 та/або флотаційним речовин. пристроєм 10, 11, 21 та керувати ними. Ще один варіант здійснення пропонованого Перший варіант здійснення запропонованого способу пояснюється за допомогою посилання на способу роз'яснюється за допомогою посилань на Фіг.3. В цьому випадку подачу речовин А та В до Фіг.1 та 2. секції попереднього підкислення 2, а також ферПо трубопроводу 8 в секцію попереднього підментацію і подальше відстоювання здійснюють кислення 2 подають технологічну воду, наприклад аналогічно до способу описаного згідно посиланводу після переробки, одержану в результаті пиням на Фіг.1 та 2. воварного виробництва. В секцію попереднього Згідно із цим варіантом способу речовини за підкислення 2 за допомогою відповідних транспордопомогою трубопроводу 5b і насоса (не показатних засобів, наприклад, трубопроводів 9, стрічконий) безперервно або періодично переміщують вих конвеєрів тощо, можна подавати пивоварні через сито 12 із секції попереднього підкислення 2 вижимки, дріжджі і залишки фільтра, одержані на в блок головного навантаження 3а. Сито 12. запивоварному виробництві, причому подавати як в тримує недостатньо підкислені тверді речовини, не підготованому, так і повністю або частково підале пропускає достатньо підкислені рідкі та розчиготованому вигляді як тверді речовини В. нені речовини. У цій зоні за рахунок кислотогенних бактерій Відбір речовин із секції попереднього підкисвідбувається бродіння, головним чином, в органічлення 2 може відбуватися як на рівні середини ні кислоти, діоксид вуглеводню та нижчі спирти. (показано на Фіг.3), так і вище або нижче цього При цьому значення рН досягає значення приблирівня. зно 6 і менше або 5,5 і менше. Крім цього, у пристрої можуть бути передбаДля забезпечення постійного перемішування в чені засоби для вільного пропускання крізь сито секції попереднього підкислення 2 можна викорис12, наприклад золотники, які через визначені інтовувати, наприклад, щонайменше одну мішалку тервали часу видаляють із сита 12 речовину, що 6, 7. накопичується на ньому. Для цього також можна Речовини А й В подають в зону секції поперевикористовувати пристрій, що створює в ситі 12 днього підкислення 2 безперервно або періодично. зустрічну течію, що видаляю із сита 12 речовину, Речовини із секції попереднього підкислення 2 що накопичується на ньому. необхідно безперервно або періодично переміщаПід час переміщення речовин перемішуючий ти в реактор головного навантаження За. Для цьопристрій (у даному випадку мішалки 6 та 7) може го керуючий пристрій 14 вимикає пристрій для пебути ввімкнений або вимкнений. ремішування, у даному випадку мішалки 6 або 7. Ще один варіант здійснення пропонованого Через деякий час (від кількох хвилин до декількох способу пояснюється згідно з посиланням на Фіг.4. десятків хвилин) тверді речовини, які, як правило, У цьому випадку подачу органічних речовин А, ще не є достатньо підкисленими, осаджують в ниВ, а також ферментацію і кінцеве відстоювання жній частині секції попереднього підкислення 2. У здійснюють аналогічно способу, описаному згідно верхній частині даної секції нагромаджуються допосиланням на Фіг.1 і 2. статньо підкислені рідкі речовини, а також розм'яДля переміщення органічних речовин з секції кшені, і при цьому достатньо підкислені, тверді попереднього підкислення 2 в блок головного наречовини. Після осадження речовин в секції попевантаження 3а використовують насос 21, який реднього підкислення 2, обумовленого відключенприводиться в дію керуючим пристроєм 14 і через ням мішалок 6, 7, керуючий пристрій 14 запускає трубопровід 10 подаю повітря або газу в нижню насос 5с, який переносить речовини по трубопрочастину секції попереднього підкислення. Повітря водам 5а і 5b з верхньої частини секції попереабо газ виходить крізь вихідні отвори 11, так що в днього підкислення 2 переміщуються в блок голосекції попереднього підкислення 2 відбувається вного навантаження 3а. В іншому можливому флотація. В цей час недостатньо підкислені тверді випадку керуючий пристрій 14 відкриває альтернаречовини суспендують вгору. При цьому керуючий тивно керуємий клапан. пристрій 14 запускає насос 5d, який через трубоВ блоках головного навантаження 3а і помірпроводи 5е переміщує речовини з секції попереного навантаження 3b підкислені речовини ферднього підкислення 2 в блок головного навантаментуються або перетворюються в метан під час ження 3а. У даному випадку вхідний отвір утворення біогазу. Речовини, які поступають із патрубка насоса 5d знаходиться в нижній частині секції низького навантаження, відстоюються в у секції попереднього підкислення 2, оскільки під час блоці 4 кінцевого відстоювання. Додатково відстофлотації недостатньо підкислені тверді речовини яні речовини за допомогою насоса 22 і трубопротут не накопичуються. Однак, якщо відбувається 9 87972 10 не флотація, а седиментація, то патрубок може бу можна або разом, або окремо обробляти як знаходитися також і в середній або верхній частині рідкі, так і тверді речовини А і В, але при цьому в секції. блок головного навантаження 3а будуть переміВ переважному випадку при переміщені речощуватись лише достатньо підкислені речовини. вин функціонально передбачену мішалку 6, 7 слід Виявилось, що при використанні вищезазначеного вимикати. способу для виробництва біогазу коефіцієнт тверОписаний спосіб дозволяє, наприклад, встадих речовин може досягати до 80% і більше. новити середній термін перебування рідких органіПереваги в економічному, технологічному й чних речовин А в секції попередньо підкислення 2 виробничо-технічному відношеннях, що виникають від 5 до 15, переважно 10 годин, а середній термін внаслідок використання лише однієї лінії реактора перебування твердих речовин - від 30 до 150, пепри переробці різноманітних органічних речовин, реважно близько 100 годин. Завдяки цьому спосовиявляються дуже значними. 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 87972 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601