PL176200B1

PL176200B1 - Sposób i urządzenie do mieszania płynnej biomasy w bioreaktorze, zwłaszcza w obecności mikroorganizmów mezofilnych i/lub termofilnych z równoczesnym uzyskiwaniem gazowego metanu

Info

Publication number: PL176200B1
Application number: PL93300077A
Authority: PL
Inventors: Mirosław Szuster
Original assignee: Szuster Miroslaw
Priority date: 1993-08-13
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1999-04-30
Also published as: WO1995005451A3; WO1995005451A2; PL300077A1; AU7391794A

Abstract

1. Sposób mieszania plynnej biomasy w biore- aktorze, zwlaszcza w obecnosci mikroorganizmów mezo- f ilnych i/lub termofilnych z równoczesnym uzyskiwaniem gazowego metanu, w którym biomase przemieszcza sie za pomoca rury wznoszacej z dolnej do górnej czesci biore- aktora, znamienny tym, ze mieszanie odbywa sie w dwóch nastepujacych po sobie fazach: w fazie wznoszenia podczas której biomase pod wplywem wytwarzanej próz- ni w zbiorniku górnym (1) podaje sie dolem rury wznosza- cej (2) do zbiornika górnego (1), gdzie nastepuje jej spietrzenie oraz w fazie recyrkulacji - podczas której przynajmniej wiekszosc spietrzonej wczesniej biomasy w zbiorniku gór- nym (1) wprowadza sie pod wplywem jej cisnienia w zbiorniku górnym (1) do górnych warstw biomasy znaj- dujacej sie w bioreaktorze (5), przy czym czas trwania fazy recyrkulacji jest krótszy od czasu trwania f a zy wznoszenia. 8. Urzadzenie do mieszania plynnej biomasy w bioreaktorze, zwlaszcza w obecnosci mikroorganizmów me- zofilnych i/lub termofilnych z równoczesnym uzyskiwa- niem gazowego metanu, posiadajace rure wznoszaca, której dolny koniec umieszczony jest w dolnej czesci bloreaktora, znamienne tym, ze górny koniec rury wznoszacej (2) umieszczony jest w zbiorniku górnym (1), od którego od- prowadzony jest co najmniej jeden zamkniety zwrotnie przewód recyrkulacyjny (3) dla odprowadzenia powrotnego biomasy ze zbiornika górnego (1) do górnej czesci bioreakto- ra (5), przy czym zbiornik górny (1) znajduje sie wewnatrz i/lub powyzej bioreaktora (5) i posiada dla gazu odgalezienie doprowadzajace (7) i odgalezienie odprowadzajace (10) z zainstalowana na nim pompa prózniowa (11). fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do mieszania płynnej biomasy w bioreaktorze, zwłaszcza w obecności mikroorganizmów mezofilnych i/lub termofilnych z równoczesnym uzyskiwaniem gazowego metanu, a w szczególności do mieszania osadów ściekowych w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych.

Znane są i powszechnie stosowane sposoby mieszania biomasy w bioreaktorze, w których biomasę przemieszcza się za pomocą rury wznoszącej z dolnej do górnej części bioreaktora pod

176 200 wpływem doprowadzanego do rury wznoszącej lub pod wpływem obracania się zainstalowanego w niej mieszacza mechanicznego. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem, zwłaszcza w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych, jest mieszanie biomasy za pomocą rury wznoszącej z zastosowaniem mieszadła śrubowego w jej górnej części. Mieszadło instaluje się najczęściej na stropie stałym w osi bioreaktora. Przepływ biomasy w rurze wznoszącej odbywa się z dołu do góry z możliwością zmiany kierunku obrotów mieszadła śrubowego i przepływu biomasy z góry w dół. Przy przepływie biomasy w rurze wznoszącej z dołu do góry biomasa o większym ciężarze właściwym pobierana z dolnej części bioreaktora narzucana jest od góry na lżejsze od niej warstwy pływające w górnej części bioreaktora. Następuje wtedy zatapianie warstw pływających i przyspieszony rozkład ich części organicznych. Przy okresowej zmianie kierunku obrotów mieszadła śrubowego, gromadzący się w górnej części bioreaktora kożuch zostaje wtłoczony za pomocą rury wznoszącej do dolnych warstw biomasy bioreaktora. W ten sposób następuje dodatkowe niszczenie warstw kożucha. Biomasę po fermentacji poddaje się często odgazowaniu próżniowemu, aby następnie wydzielić z niej wodę nadosadową w osadniku wtórnym.

Wadą rozwiązaniajest to, że dlabioreaktorów o dużych pojemnościach mieszanie biomasy za pomocą rury wznoszącej wystarcza tylko do niszczenia warstw pływających biomasy, lecz nie jest wystarczające dla dokładnego wymieszania i homogenizacji biomasy w całej objętości bioreaktora. Ponadto mieszadło śrubowe w mniejszym lub większym stopniu powoduje rozbijanie kłaczków osadu, co prowadzi do zakłóceń procesów fermentacyjnych biomasy w bioreaktorze, co z kolei obniża wydajność pracy bioreaktora. Przy tego rodzaju sposobach mieszania trudności w przeprowadzeniu dokładnego wymieszania zawartości bioreaktora polegają na tym, iż potrzebne są duże moce urządzeń mieszających. Aby zniszczyć kożuch i spowodować zawirowanie zawartej w bioreaktorze biomasy celemjej dokładnej homogenizacji potrzeba dużej ilości energii w krótkim czasie. Nawet w przypadku okresowego mieszania biomasy w bioreaktorze potrzebne są duże moce przyłączy elektrycznych. Dlatego dla bioreaktorów o dużych objętościach stosuje się dodatkowe systemy mieszania, jak na przykład za pomocą pomp, które najczęściej skojarzone są z systemem ogrzewania biomasy w bioreaktorze. Ponadto, celem odgazowania próżniowego biomasy należy budować oddzielne zbiorniki próżniowe, co zdecydowanie zwiększa koszty takiej instalacji i komplikuje sam proces technologiczny.

Sposób według wynalazku polega na tym, że mieszanie odbywa się w dwóch następujących po sobie fazach: w fazie wznoszenia - podczas której biomasę pod wpływem wytwarzanej próżni w zbiorniku górnym podaje się dołem rury wznoszącej do zbiornika górnego, gdzie następuje jej spiętrzenie oraz w fazie recyrkulacji - podczas której przynajmniej większość spiętrzonej wcześniej biomasy w zbiorniku górnym wprowadza się pod wpływem jej ciśnienia w zbiorniku górnym do górnych warstw biomasy znajdującej się w bioreaktorze, przy czym czas trwania fazy recyrkulacji jest krótszy od czasu trwania fazy wznoszenia. Faza wznoszenia rozpoczyna się od momentu wypompowywania gazu ze zbiornika górnego celem wytworzenia w nim próżni, a faza recyrkulacji rozpoczyna się od momentu doprowadzania gazu do zbiornika górnego celem likwidacji w nim próżni. Wypompowywanie gazu ze zbiornika górnego dokonuje się z chwilą lub po osiągnięciu przez biomasę w zbiorniku górnym poziomu niższego stanu napełnienia, w wyniku czego w zbiorniku górnym powstaje podciśnienie, które powoduje zassanie do niego biomasy z bioreaktora, przez co stan napełnienia biomasą zbiornika górnego wzrasta.

Gaz do zbiornika górnego doprowadza się z chwilą lub po osiągnięciu przez biomasę w zbiorniku górnym poziomu wyższego stanu napełnienia, lub osiągnięciu przez biomasę w bioreaktorze położenia minimalnego poziomu napełnienia, w wyniku czego ciśnienie w zbiorniku górnym rośnie, a biomasa ze zbiornika górnego wprowadzana jest do bioreaktora pod wpływem jej parcia hydrostatycznego lub pod wpływem jej parcia hydrostatycznego i zwiększonego ciśnienia gazu w zbiorniku górnym, przez co stan napełnienia w zbiorniku górnym opada, a w bioreaktorze wzrasta, po czym znów biomasa osiąga w zbiorniku górnym poziom niższego stanu napełnienia. W fazie wznoszenia wypompowywany gaz ze zbiornika górnego wprowadza się do bioreaktora, a w fazie recyrkulacji doprowadzany gaz do zbiornika górnego zawraca się z bioreaktora i/lub ze zbiornika magazynującego gaz i/lub wyrównującego ciśnienie.

W fazie wznoszenia wypompowywany gaz ze zbiornika górnego można również sprężać w zbiorniku ciśnieniowym gazu do ciśnienia wyższego niż ciśnienie gazu w bioreaktorze, a w fazie recyrkulacji sprężony gaz ze zbiornika ciśnieniowego gazu można doprowadzać do zbiornika górnego i/lub do rury wznoszącej. Do dolnej części rury wznoszącej w trakcie fazy wznoszenia doprowadza się świeżą porcję biomasy zmieszaną wcześniej z biomasą z bioreaktora. Świeżą porcję biomasy lub świeżą porcję biomasy zmieszaną wcześniej z biomasą z bioreaktora można wprowadzać bezpośrednio do zbiornika górnego.

W urządzeniu według wynalazku górny koniec rury wznoszącej umieszczony jest w zbiorniku górnym, od którego odprowadzony jest co najmniej jeden zamknięty zwrotnie przewód recyrkulacyjny dla odprowadzenia powrotnego biomasy ze zbiornika górnego do górnej części bioreaktora. Zbiornik górny znajduje się wewnątrz i/lub powyżej bioreaktora, i posiada dla gazu odgałęzienie doprowadzające i odgałęzienie odprowadzające z zainstalowaną na nim pompą próżniową. Odgałęzienie odprowadzające z zainstalowaną na nim pompą próżniową połączone jest z górną częścią bioreaktora. Odgałęzienie odprowadzające może być również połączone ze zbiornikiem ciśnieniowym gazu, od którego odprowadzony jest łącznik gazowy z zaworem impulsowym połączony ze zbiornikiem górnym i/lub łącznik gazujący z zaworem odcinającym połączony z rurą wznoszącą. Od strony zbiornika górnego, odgałęzienie odprowadzające, połączone jest króćcem połączeniowym gazu ze zbiornikiem magazynującym gaz i/lub wyrównującym ciśnienie.

Na króćcu połączeniowym gazu zainstalowany jest zwrotny zawór nadmiarowy. Od zbiornika ciśnieniowego gazu odprowadzony jest przewód ciśnieniowy gazowy z zamontowanym na nim zaworem bezpieczeństwa odprowadzającym gaz do zbiornika magazynującego gaz i/lub wyrównującego ciśnienie. Odgałęzienie doprowadzające z zainstalowanym na nim zaworem sterowniczym wyprowadzone jest z górnej części bioreaktora. Odgałęzienie doprowadzające od strony zbiornika górnego połączone jest króćcem gazowym ze zbiornikiem magazynującym gaz i/lub wyrównującym ciśnienie. Na króćcu gazowym zainstalowany jest podciśnieniowy zawór sterowniczy. Górny koniec rury wznoszącej wystaje ponad dnem zbiornika górnego. Dno zbiornika górnego wykonane jest korzystnie w kształcie stożka ściętego.

Górny koniec rury wznoszącej jest zakończony lejem otwartym rozszerzającym się ku górze, którego górna krawędź znajduje się na wysokości równej lub niższej od poziomu wyższego stanu napełnienia biomasą zbiornika górnego. Ze ściany bocznej leja otwartego wyprowadzony jest co najmniej jeden króciec przelewowy. Górny koniec rury wznoszącej może wystawać ponad poziomem wyższego stanu napełnienia biomasą w zbiorniku górnym, jak również może być zakończony dyszą, nad którą umieszczona jest współosiowo rura mieszająca, której górny rozszerzony koniec położony jest pomiędzy poziomem niższego stanu napełnienia, a poziomem wyższego stanu napełnienia biomasą zbiornika górnego. Co najmniej jeden z przewodów recyrkulacyjnych posiada syfonowe zamknięcie zwrotne.

Otwór wlotowy przewodu recyrkulacyjnego umieszczony jest w dolnej części zbiornika górnego poniżej położenia minimalnego poziomu napełnienia biomasą bioreaktora lub powyżej tego poziomu z jednoczesnym wygięciem przewodu recyrkulacyjnego ku dołowi poniżej położenia minimalnego poziomu napełnienia biomasą bioreaktora. Najwyżej położony otwór wylotowy przewodu recyrkulacyjnego umieszczony jest w górnej części bioreaktora powyżej położenia normalnego poziomu napełnienia biomasą w bioreaktorze. Co najmniej jeden z otworów wylotowych przewodu recyrkulacyjnego zanurzony jest w bioreaktorze poniżej położenia minimalnego poziomu napełnienia biomasą i połączony jest z co najmniej jednym otworem wylotowym tego przewodu położonym ponad normalnym poziomem napełnienia biomasą króćcem pionowym, którego średnica jest mniejsza od średnicy przewodu recyrkulacyjnego. Otwory wylotowe przewodu recyrkulacyjnego położone powyżej normalnego poziomu napełnienia biomasą w bioreaktorze zakończone są króćcami bocznymi, których końce leżą ponad położeniem normalnego poziomu napełnienia biomasą w bioreaktorze. Dolny koniec króćca pionowego połączony jest z górnym wieńcem rurowym, od którego odchodzą kanały boczne rozmieszczone na jego obwodzie.

Kanały boczne górnego wieńca rurowego w rzucie pionowym z góry odchodzą w tę samą stronę od wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni górnego wieńca rurowego pod kątem ostrym

176 200 w stosunku do tych powierzchni, celem wywołania w bioreaktorze ruchu wirowego wokół jego osi symetrii. Górny wieniec rurowy połączony jest odgałęzieniem cyrkulacyjnym z zamontowaną na nim pompą cyrkulacyjną z dolnym wieńcem rurowym, od którego zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni wyprowadzone są kanały ukośne, które w rzucie pionowym z góry skierowane są w stronę przeciwną w stosunku do kanałów bocznych górnego wieńca rurowego. Na odgałęzieniu cyrkulacyjnym zainstalowany jest wymiennik ciepła i/lub elementy grzejne. Dolne końce przewodów recyrkulacyjnych w rzucie pionowym są styczne do okręgu wewnętrznego zbiornika górnego o średnicy większej niż średnica rury wznoszącej i leżą w jej pobliżu. Górne końce przewodów recyrkulacyjnych wygięte są w przybliżeniu pod kątem prostym i skierowane są w dół korzystnie pod kątem ostrym do poziomu. Górne końce przewodów recyrkulacyjnych mogą być podwieszone są do stropu bioreaktora za pomocą cięgien. Do dolnej części rury wznoszącej doprowadzony jest przewód zasilający.

Na przewodzie zasilającym zainstalowana jest strumienica zasysająca biomasę z bioreaktora za pomocą króćca ssącego. Króciec ssący połączony jest z dolnym wieńcem rurowym. Rurę wznoszącą może stanowić betonowa podpora zbiornika górnego, w której umieszczony jest płaszcz grzewczy. Zbiornik górny przykryty jest stropem stałym w kształcie kopuły lub stożka. Zbiornik górny wykonany może być w postaci zbiornika cylindrycznego o osi pionowej z zamocowanym na nim kołnierzem mocującym. Na rurze wznoszącej może być zamocowany zawór odcinający cieczowy leżący na zewnątrz zbiornika górnego. Od rury wznoszącej, powyżej zaworu odcinającego cieczowego, odprowadzona jest rura spustowa z zaworem spustowym.

Podstawową zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że wydajność sekundowa mieszania podczas fazy recyrkulacji może być od kilkunastu do kilkuset razy większa od wydajności mieszaczy mechanicznych stosowanych, zwłaszcza w dużych beztlenowych komorach fermentacyjnych z odzyskiwaniem biogazu.

Sposób mieszania według wynalazku pozwala najednoczesne mieszanie i odgazowywanie próżniowe w tym samym bioreaktorze, co pozwala w znaczym stopniu oddzielać osad od wody nadosadowej w osadniku wtórnym, bez potrzeby instalowania odrębnego zbiornika do odgazowywania próżniowego biomasy, a także przyspieszać procesy fermentacyjne w bioreaktorze.

Urządzenie do mieszania biomasy według wynalazku ma z racji swego działania małe zapotrzebowanie na moc.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, naktórym fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie w pionowym przekroju osiowym; fig. 2 - urządzenie w przekroju poprzecznym w płaszczyźnie A-A na fig. 1; fig. 3 - urządzenie w pionowym przekroju osiowym, takie samo, jak pokazano na fig. 1, lecz ze zróżnicowanym wyposażeniem i kierowaniem biomasą; fig. 4 - urządzenie w przekroju poprzecznym w płaszczyźnie B-B na fig. 3; fig. 5 - górny i dolny fragment odmiany urządzenia w pionowym przekroju osiowym ze zbiornikiem górnym w postaci pionowo usytuowanego zbiornika cylindrycznego; fig. 6 - urządzenie w przekroju poprzecznym w płaszczyźnie C-C na dolnym fragmencie fig. 5; fig. 7 - górny fragment urządzenia w pionowym przekroju osiowym, takiego samego jak pokazano na fig. 5, lecz ze zróżnicowanym wyposażeniem i kierowaniem biomasą.

Urządzenie według wynalazku posiada zbiornik górny 1, do którego doprowadzona jest rura wznosząca 2 oraz od którego odprowadzony jest co najmniej jeden przewód recyrkulacyjny 3. Zbiornik górny 1 zamocowany jest w stropie 4 bioreaktora 5 w wykonaniu monolitycznym, jak pokazano na fig. 1 i fig. 3 lub montowany jest na stropie 4 oddzielnie i mocowany do niego za pomocą kołnierza 6, co przedstawiono na fig. 5 i fig. 7. Do zbiornika górnego 1 doprowadzone jest odgałęzienie doprowadzające 7 z zamontowanym na nim zaworem sterowniczym 8, przy czym drugi koniec odgałęzienia doprowadzającego 7 połączony jest z górną częścią bioreaktora 5. Odgałęzienie doprowadzające 7 od strony zbiornika górnego 1 połączone jest króćcem gazowym 9 ze zbiornikiem magazynującym gaz i/lub wyrównującym ciśnienie. Króciec gazowy 9 w zależności od wykonania zbiornika górnego 1 może być również odgałęzieniem odprowadzającym 10 z zamontowaną na nim pompą próżniową 11 nie pokazaną na fig. 1 i na fig. 3. Od zbiornika górnego 1 może być odprowadzone odgałęzienie odprowadzające 10 z zamontowaną na nim pompą próżniową 11 i wprowadzone do górnej części bioreaktora 5, co pokazano na fig. 5.

176 200

Sposób mieszania według wynalazku odbywa się w dwóch następujących kolejno po sobie fazach: w fazie wznoszenia i w fazie recyrkulacji. W fazie wznoszenia zawór sterowniczy 8 zostaje zamknięty, a pompa próżniowa 11 zasysa gaz ze zbiornika górnego 1 za pomocą odgałęzienia odprowadzającego 10 wprowadza go do bioreaktora i/lub do zbiornika magazynującego gaz lub wyrównującego ciśnienie. Pod wpływem wytwarzanej próżni w zbiorniku górnym 1 zasysana zostaje biomasa z dolnej części bioreaktora 5 dołem rury wznoszącej 2 do zbiornika górnego 1. W tym czasie, lustro biomasy w bioreaktorze 5 przemieszcza się od położenia normalnego poziomu napełnienia 12 w dół, aż do osiągnięcia przez biomasę w bioreaktorze 5 położenia minimalnego poziomu napełnienia 13.

Po osiągnięciu przez biomasę wyższego stanu napełnienia 14 w zbiorniku górnym 1 lub osiągnięciu przez biomasę w bioreaktorze 5 położenia minimalnego poziomu napełnienia 13, zostaje otwarty zawór sterowniczy 8 i rozpoczyna się faza recyrkulacji. Gaz z górnej części bioreaktora 5 przedostaje się odgałęzieniem doprowadzającym 7 do zbiornika górnego 1 i likwiduje w nim wytworzoną wcześniej próżnię. W tej fazie mieszania, biomasa spiętrzona wcześniej w zbiornik górnym 1 przepływa przewodami recyrkulacyjnymi 3 do górnej części bioreaktora 5, aż w zbiorniku górnym 1 osiągnięty zostanie niższy stan napełnienia 15 biomasą. W fazie recyrkulacji następuje dość gwałtowne mieszanie górnych warstw biomasy w bioreaktorze 5, gdyż duże porcje biomasy wyrzucane są w krótkim czasie ze zbiornika górnego 1 do górnych warstw biomasy w bioreaktorze 5. Powoduje to intensywne niszczenie warstw kożucha na powierzchni biomasy w bioreaktorze 5, równomierne rozprowadzenie biomasy w całej objętości bioreaktora 5 i dobrą jej homogenizację.

Przewody recyrkulacyjne 3 posiadają syfonowe zamknięcia zwrotne H, których wysokość zawarta jest pomiędzy górną krawędzią dolnego otworu wlotowego przewodu recyrkulacyjnego 3 znajdującego się w zbiorniku górnym 1 lub górną krawędzią otworu najniżej położonej części przewodu recyrkulacyjnego 3, a poziomem niższego stanu napełnienia 15 biomasą w zbiorniku górnym 1. Górne końce przewodów recyrkulacyjnych 3 wprowadzone są do górnej części bioreaktora 5, przy czym posiadają one co najmniej po jednym otworze na króćcu bocznym 16 leżącym ponad położeniem normalnego poziomu napełnienia 12 biomasą bioreaktora 5. Górne końce przewodów recyrkulacyjnych 3 mogą posiadać króće pionowe 17, których dolne końce zanurzone są w bioreaktorze 5 poniżej położenia minimalnego poziomu napełnienia 13 biomasą i których średnice są mniejsze od średnic przewodów recyrkulacyjnych 3.

W korzystnym wykonaniu, co pokazano na fig. 1, króćce pionowe 17 połączone są z górnym wieńcem rurowym 18. Od górnego wieńca rurowego 18 odprowadzone są kanały boczne 19 rozmieszczone najego obwodzie, przy czym w rzucie pionowym z góry odchodzą one w tę samą stronę od wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni górnego wieńca rurowego 18. Przy takim położeniu króćców bocznych 16 i króćców pionowych 17 górnych końców przewodów recyrkulacyjnych 3 w górnej części bioreaktora 5, podczas fazy recyrkulacji, biomasa wyrzucana ze zbiornika górnego 1 pod wpływem jej parcia hydrostatycznego wpływa do górnej części bioreaktora 5 za pomocą króćców bocznych 16 i jest narzucana na poniżej pływający kożuch, natomiast reszta biomasy przepływa w dół króćcami pionowymi 17 do górnego wieńca rurowego 18, stąd wypływa kanałami bocznymi 19 powodując mieszanie biomasy w bioreaktorze 5. Górny wieniec rurowy 18 może być połączony za pomocą odgałęzienia recyrkulacyjnego 20 z zamontowaną na nim pompą recyrkulacyjną 21 z dolnym wieńcem rurowym 22, od którego zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni odprowadzone są kanały ukośne 23, które w rzucie pionowym z góry skierowane są w stronę przeciwną w stosunku do kanałów bocznych 19 górnego wieńca rurowego 18. Po zainstalowaniu na odgałęzieniu recyrkulacyjnym 20 wymiennika ciepła 24 i/lub elementów grzejnych 25 oraz korzystnej recyrkulacji z góry do dołu w przewodzie cyrkulacyjnym 20, dzięki wymuszonemu przepływowi przez pompę cyrkulacyjną 21, otrzymujemy odpowiedni układ grzewczy bioreaktora 5. Ukośnie wyprowadzone z górnego wieńca rurowego 18 kanały boczne 19 i skierowane w stronę przeciwną do nich kanały ukośne 23 dolnego wieńca rurowego 22 powodują dodatkowe zawirowania w bioreaktorze 5, dzięki czemu utrzymany jest prawie jednakowy poziom temperatury w całej objętości bioreaktora 5. Górne końce przewodów recyrkulacyjnych 3 mogą również w całości wystawać ponad położeniem normalnego poziomu

176 200 napełnienia 12 biomasą bioreaktora 5, przy czym są one wtedy korzystnie wygięte w przybliżeniu pod kątem prostym i skierowane w dół pod kątem ostrym do poziomu, co pokazano na fig. 3 i fig. 4.

Na fig. 3 pokazano również korzystne ułożenie dolnych końców przewodów recyrkulacyjnych 3, które w rzucie pionowym są styczne do okręgu wewnętrznego zbiornika górnego 1 o średnicy większej od średnicy rury wznoszącej 2 i leżą w jej pobliżu oraz skierowane są w tę samą stronę. Tak ułożone dolne końce przewodów recyrkulacyjnych 3 powodują liczne turbulencje w zbiorniku górnym 1 w trakcie fazy recyrkulacji. Górne końce przewodów recyrkulacyjnych 3 mogą być przy dużych rozmiarach bioreaktora 5 podwieszone do jego stropu 4 za pomocą cięgien 26. Celem poprawienia warunków fermentacji w bioreaktorze 5 należy w odpowiedni sposób dozować świeżą biomasę małymi porcjami.

Sposobem na to, według wynalazku, jest doprowadzanie świeżej porcji biomasy za pomocą przewodu zasilającego 27 bezpośrednio do zbiornika górnego 1 lub pośrednio w trakcie fazy wznoszenia do rury wznoszącej 2 jak również można ją wcześniej zmieszać z biomasą z bioreaktora 5 za pomocą króćca ssącego 28 połączonego ze strumienicą 29 zainstalowaną na przewodzie zasilającym 27. Doprowadzenie świeżej porcji biomasy do dolnej części rury wznoszącej 2, w trakcie fazy wznoszenia, powoduje dokładne i turbulentne zmieszanie się w rurze wznoszącej 2 tej biomasy z aktywną biomasą podawaną z bioreaktora 5 dołem rury wznoszącej 2 do zbiornika górnego 1. Wcześniejsze zasysanie biomasy z bioreaktora 5 do przewodu zasilającego 27 za pomocą strumienicy 29 jest korzystne wówczas, gdy chcemy wcześniej ogrzać i zmieszać doprowadzaną biomasę do rury wznoszącej 2 lub bezpośrednio do zbiornika górnego 1. Rurę wznoszącą 2 może stanowić betonowy słup, na którym wznosi się zbiornik górny 1 oraz wewnątrz którego umieszczony jest płaszcz grzewczy 30. W tym przypadku rura wznosząca 2 pełni jeszcze rolę wieży montażowo-transportowej w trakcie budowy bioreaktora 5.

Zbiornik górny 1 przykryty jest stropem stałym 31 w kształcie kopuły lub stożka albo dzwonem gazowym 32 zamocowanym na stałe lub w sposób rozłączny na stropie 4 bioreaktora 5. Dzwon gazowy 32 może być w trakcie montażu zalany masą betonową 33. Na dzwonie gazowym można zainstalować mieszadło mechaniczne 34 do rozbijania kożucha w zbiorniku górnym 1. Na rurze wznoszącej 2 może być zainstalowany zawór odcinający cieczowy 35. W przypadku jego otwarcia, biomasa swobodnie przepływa rurą wznoszącą 2 ku górze - w trakcie fazy wznoszenia. Od rury wznoszącej 2, powyżej zaworu odcinającego cieczowego 35, można odprowadzić rurę spustową 36 z zainstalowanym na niej zaworem spustowym 37. Przy otwartym zaworze odcinającym cieczowym 35 i po otwarciu zaworu spustowego 37 spuszcza się za pomocą rury spustowej 36 osad z dna bioreaktora 5 lub też, po zamknięciu zaworu odcinającego cieczowego 35 usuwa się za pomocą tej rury, znajdujący się w zbiorniku górnym 1 kożuch. W korzystnym wykonaniu, górny koniec rury wznoszącej 2 wystaje ponad dnem 38 zbiornika górnego 1, które wykonuje się najczęściej w postaci stożka ściętego z wierzchołkiem skierowanym w dół.

Jak pokazano na fig. 1, górny koniec rury wznoszącej 2 może być zakończony lejem otwartym 39 rozszerzającym się ku górze, którego górna krawędź znajduje się na wysokości równej lub niższej od poziomu wyższego stanu napełnienia 14 biomasą zbiornika górnego 1. Ze ścian bocznych leja otwartego 39 wyprowadzone są króćce przelewowe 40, które w rzucie pionowym ułożone są podobnie jak przewody recyrkulacyjne 3. Króćce przelewowe 40 leja otwartego 39 rury wznoszącej 2 służą do równomiernego rozprowadzania biomasy w zbiorniku górnym 1 podawanej rurą wznoszącą 2 z dolnej części bioreaktora 5. W trakcie fazy recyrkulacji część biomasy ze zbiornika górnego 1 powraca rurą wznoszącą 2 do dolnej części bioreaktora 5 i w ten sposób następuje również rozbijanie oraz tłoczenie w dół kożucha, znajdującego się w zbiorniku górnym 1. Górny koniec rury wznoszącej 2 może być również umieszczony ponad poziomem wyższego stanu napełnienia 14 biomasą w zbiorniku górnym 1, co pokazano na fig. 7. W trakcie fazy wznoszenia zasysana z bioreaktora 5 biomasa dostaje się za pomocą rury wznoszącej 2 do zbiornika górnego 1 i przelewa się przez górny koniec tej rury powodując przemieszanie warstw biomasy w zbiorniku górnym 1.

W przypadku, kiedy konieczne jest intensywniejsze mieszanie biomasy w zbiorniku górnym 1, górny koniec rury wznoszącej 2 wyposaża się w dyszę 41, nad którą umieszcza się rurę mieszającą 42, której górny rozszerzony koniec położony jest pomiędzy poziomem wyższe10

176 200 go stanu napełnienia 14 biomasą w zbiorniku górnym 1, a poziomem niższego stanu napełnienia 15 w tym zbiorniku, co uwidoczniono na fig. 3. W trakcie fazy wznoszenia przemieszzzająza się biomasa rurą wznoszącą 2 do zbiornika górnego 1, dzięki swej energii kinetycznej zasysa część biomasy z dna 38 zbiornika górnego 1, a te dwa strumienie biomasy mieszają się w rurze mieszającej 42 i wypływają nad górnym rozszerzonym końcem tej rury. Powoduje to dość intensywną cyrkulację biomasy w zbiorniku górnym 1.

Urządzenie według wynalazku można wykonać poza miejscem budowy bioreaktora 5, a następnie przetransportować je na miejsce budowy i zamontować na stropie 4 bioreaktora 5, co pokazano na fig. 5 i fig. 7. Takie rozwiązanie przyspiesza proces budowy bioreaktora 5 i oddania go do eksploatacji, a w trakcie jego remontu urządzenie może być czasowo zdemontowane i wyremontowane poza miejscem bioreaktora.

W urządzeniu według wynalazku przedstawionym na fig. 5 i fig. 7 zainstalowano na króćcu gazowym 9 podciśnieniowy zawór sterowniczy 43. Umożliwia to eksploatację urządzenia przy okresowym jego wykorzystaniu. Normalnie podciśnieniowy zawór sterowniczy 43 jest otwarty, co pozwala na swobodne odprowadzenie gazu ze zbiornika górnego 1 podczas postoju urządzenia. W momencie uruchomienia pompy próżniowej 11 podciśnieniowy zawór sterowniczy 43 zamyka się. Podobna rolę odgrywać może króciec połączeniowy gazu 44 zamontowany na odgałęzieniu odprowadzającym 10 od strony zbiornika górnego 1 i połączony ze zbiornikiem magazynującym gaz i/lub wyrównującym ciśnienie. Zainstalowany na nim zawór zwrotny nadmiarowy 45 automatycznie upuszcza porcję gazu ze zbiornika górnego 1 do zbiornika magazynującego i/lub wyrównującego ciśnienie przy nadmiernym wzroście ciśnienia w zbiorniku górnym 1.

W odmianie sposobu według wynalazku w trakcie fazy wznoszenia odprowadzany gaz ze zbiornika górnego 1 za pomocą pompy próżniowej 11 można sprężać w zbiorniku ciśnieniowym gazu 46 połączonym ze zbiornikiem górnym 1 odgałęzieniem odprowadzającym 10, natomiast w fazie recyrkulacji sprężony gaz ze zbiornika ciśnieniowego gazu 46 doprowadza się za pomocą łącznika gazowego 47 - po otwarciu zamontowanego na nim zaworu impulsowego 48 i/lub za pomocą łącznika gazującego 49 - po otwarciu zamontowanego na nim zaworu odcinającego 50. Nadmiar gazu usuwa się ze zbiornika ciśnieniowego gazu 1, instalując w górnej jego części przewód ciśnieniowy gazowy 51 z zamontowanym na nim zaworem bezpieczeństwa 52 odprowadzającym gaz do zbiornika magazynującego gaz i/lub wyrównującego ciśnienie.

Urządzenie w przykładach wykonania na rysunku przystosowane jest, zwłaszcza do prowadzenia fermentacji beztlenowej z odzyskiwaniem biogazu z upłynnionych organicznych części stałych, takich jak osady ściekowe, gnojowica, odpady poubojowe i inne. Urządzenie według wynalazku może być przystosowane do obróbki ścieków zawierających rozpuszczone substancje organiczne przez dodanie do nich luźnego wypełnienia i/lub przy wypełnieniu sztucznym podłożem wnętrza bioreaktora 5. Może mieć również zastosowanie do mieszania biomasy w otwartych zbiornikach, takich jak otwarte komory fermentacyjne, laguny, stawy i inne.

176 200

fig. 6

176 200

fig. 7

176 200

8 9 40 39 3i

fig.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób mieszania płynnej biomasy w bioreaktorze, zwłaszcza w obecności mikroorganizmów mezofilnych i/lub termofilnych z równoczesnym uzyskiwaniem gazowego metanu, w którym biomasę przemieszcza się za pomocą rury wznoszącej z dolnej do górnej części bioreaktora, znamienny tym, że mieszanie odbywa się w dwóch następujących po sobie fazach: w fazie wznoszenia - podczas której biomasę pod wpływem wytwarzanej próżni w zbiorniku górnym (1) podaje się dołem rury wznoszącej (2) do zbiornika górnego (1), gdzie następuje jej spiętrzenie oraz w fazie recyrkulacji - podczas której przynajmniej większość spiętrzonej wcześniej biomasy w zbiorniku górnym (1) wprowadza się pod wpływem jej ciśnienia w zbiorniku górnym (1) do górnych warstw biomasy znajdującej się w bioreaktorze (5), przy czym czas trwania fazy recyrkulacji jest krótszy od czasu trwania fazy wznoszenia.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że faza wznoszenia rozpoczyna się od momentu wypompowywania gazu ze zbiornika górnego (1) celem wytworzenia w nim próżni, a faza recyrkulacji rozpoczyna się od momentu doprowadzania gazu do zbiornika górnego (1) celem likwidacji w nim próżni.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wypompowywania gazu ze zbiornika górnego (1) dokonuje się z chwilą lub po osiągnięciu przez biomasę w zbiorniku górnym (1) poziomu niższego stanu napełnienia (15), w wyniku czego w zbiorniku górnym (1) powstaje podciśnienie, które powoduje zassanie do niego biomasy z bioreaktora (5), przez co stan napełnienia biomasą zbiornika górnego (1) wzrasta, natomiast gaz do zbiornika górnego (1) doprowadza się z chwilą lub po osiągnięciu przez biomasę w zbiorniku górnym (1) poziomu wyższego stanu napełnienia (14), lub osiągnięcia przez biomasę w bioreaktorze (5) położenia minimalnego poziomu napełnienia (13), w wyniku czego ciśnienie w zbiorniku górnym (1) rośnie, a biomasa ze zbiornika górnego (1) wprowadzana jest do bioreaktora (5) pod wpływem jej parcia hydrostatycznego lub pod wpływem jej parcia hydrostatycznego i nadciśnienia gazu w zbiorniku górnym (1), przez co stan napełnienia w zbiorniku górnym (1) opada, a w bioreaktorze (5) wzrasta, po czym znów biomasa osiąga w zbiorniku górnym (1) poziom niższego stanu napełnienia (15).

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w fazie wznoszenia wypompowywany gaz ze zbiornika górnego (1) wprowadza się do bioreaktora (5), a w fazie recyrkulacji doprowadzany gaz do zbiornika górnego (1) zawraca się z bioreaktora (5) i/lub ze zbiornika magazynującego gaz i/lub wyrównującego ciśnienie.

5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w fazie wznoszenia wypompowywany gaz ze zbiornika górnego (1) spręża się w zbiorniku ciśnieniowym gazu (46) do ciśnienia wyższego niż ciśnienie gazu w bioreaktorze (5), a w fazie recyrkulacji sprężony gaz ze zbiornika ciśnieniowego gazu (46) doprowadza się do zbiornika górnego (1) i/lub do rury wznoszącej (2).

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do dolnej części rury wznoszącej (2) w trakcie fazy wznoszenia doprowadza się świeżą porcję biomasy lub świeżą porcję biomasy zmieszaną wcześniej z biomasą z bioreaktora (5).

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do zbiornika górnego (1) doprowadza się świeżą porcję biomasy lub świeżą porcję biomasy zmieszaną wcześniej z biomasą z bioreaktora (5).

8. Urządzenie do mieszania płynnej biomasy w bioreaktorze, zwłaszcza w obecności mikroorganizmów mezofilnych i/lub termofilnych z równoczesnym uzyskiwaniem gazowego metanu, posiadające rurę wznoszącą, której dolny koniec umieszczony jest w dolnej części bioreaktora, znamienne tym, że górny koniec rury wznoszącej (2) umieszczony jest w zbiorniku górnym (1), od którego odprowadzony jest co najmniej jeden zamknięty zwrotnie przewód

176 200 recyrkulacyjny (3) dla odprowadzenia powrotnego biomasy ze zbiornika górnego (1) do górnej części bioreaktora (5), przy czym zbiornik górny (1) znajduje się wewnątrz i/lub powyżej bioreaktora (5) i posiada dla gazu odgałęzienie doprowadzające (7) i odgałęzienie odprowadzające (10) z zainstalowaną na nim pompą próżniową (11).

9. Urządzemz wzdług zastrz. 8,znaimeniie tym, że odgałezienieodprowadzająca (10) z zainstalowaną na nim pompą próżniową (11) połączone jest z górną częścią bioreaktora (5).

10. Urządzenie według zastrz. 8, nnemienne tym, że odgałęzienie odprowadzające (10) połączone jest ze zbiornikiem ciśnieniowym gazu (46), od którego odprowadzony jest łącznik gazowy (47) z zaworem impulsowym (48) połączony ze zbiornikiem górnym (1) i/lub łącznik gazujący (49) z zaworem odcinającym (50) połączony z rurą wznoszącą (2).

11. Urządzenie według zastrz. 8, nnemienne tym, że odgałęzienie odprowadzające (10) od strony zbiornika górnego (1) jest połączone króćcem połączeniowym gazu (44) ze zbiornikiem magazynującym gaz i/lub wyrównującym ciśnienie.

12. Urządzenie według zastrz. 11, nnemienne tym, że na króćcu połączeniowym gazu (44) zainstalowany jest zwrotny zawór nadmiarowy (45).

13. Urządzenie według zastrz. 8, nnemienne tym, że od zbiornika ciśnieniowego gazu (46) odprowadzony jest przewód ciśnieniowy gazowy (51) z zamontowanym na nim zaworem bezpieczeństwa (52) odprowadzającym gaz do zbiornika magazynującego gaz i/lub wyrównującego ciśnienie.

14. Urządzenie według zastrz. 8, nnemienne tym, że odgałęzienie doprowadzające (7) z zainstalowanym na nim zaworem sterowniczym (8) wyprowadzone jest z górnej części bioreaktora (5).

15. Urządzenie według zastrz. 14, nnemienne tym, że odgałęzienie doprowadzające (7) od strony zbiornika górnego (1) połączone jest króćcem gazowym (9) ze zbiornikiem magazynującym gaz i/lub wyrównującym ciśnienie, przy czym na króćcu gazowym (9) zainstalowany jest podciśnieniowy zawór sterowniczy (43).

16. Urządzenie według zastrz. 8, nnemienne tym, że górny koniec rury wznoszącej (2) wystaje ponad dnem (38) zbiornika górnego (1), przy czym dno (38) zbiornika górnego (1) wykonane jest korzystnie w kształcie stożka ściętego.

17. Urządzenie według zastrz. 16, nnemienne tym, że górny koniec rury wznoszącej (2) jest zakończony lejem otwartym (39) rozszerzającym się ku górze, którego górna krawędź znajduje się na wysokości równej lub niższej od poziomu wyższego stanu napełnienia (14) biomasą zbiornika górnego (1).

18. Urządzenie według zastrz. 17, nnemienne tym, że ze ściany bocznej leja otwartego (39) wyprowadzony jest co najmniej jeden króciec przelewowy (40).

19. Urządzenie według zastrz. 16, nnemienne tym, że górny koniec rury wznoszącej (2) wystaje ponad poziomem wyższego stanu napełnienia (14) biomasą w zbiorniku górnym (1).

20. Urządzenie według zastrz. 16, nnemienne tym, że górny koniec rury wznoszącej (2) zakończony jest dyszą (41), nad którą umieszczanajest współosiowo rura mieszająca (42), której górny rozszerzony koniec położony jest pomiędzy poziomem niższego stanu napełnienia (15), a poziomem wyższego stanu napełnienia (14) biomasą zbiornika górnego (1).

21. Urządzenie według zastrz. 8, nnemienne tym, że co najmniej jeden przewód recyrkulacyjny (3) posiada syfonowe zamknięcie zwrotne (H), przy czym otwór wlotowy przewodu recyrkulacyjnego (3) umieszczony jest w dolnej części zbiornika górnego (1) poniżej położenia minimalnego poziomu napełnienia (13) biomasą bioreaktora (5) lub powyżej tego poziomu z jednoczesnym wygięciem przewodu recyrkulacyjnego (3) ku dołowi poniżej położenia minimalnego poziomu napełnienia (13) biomasą bioreaktora (5), a najwyżej położony otwór wylotowy przewodu recyrkulacyjnego (3) umieszczony jest w górnej części bioreaktora (5) powyżej położenia normalnego poziomu napełnienia (12) biomasą w bioreaktorze (5), natomiast co najmniej jeden z otworów wylotowych przewodu recyrkulacyjnego (3) zanurzony jest w bioreaktorze (5) poniżej położenia minimalnego poziomu napełnienia (13) biomasą i połączony jest z co najmniej jednym otworem wylotowym tego przewodu położonym ponad normalnym poziomem napełnienia (12) biomasą króćcem pionowym (17), którego średnica jest mniejsza od średnicy przewodu recyrkulacyjnego (3).

176 200

22. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że otwory wylotowe przewodu recyrkulacyjnego (3) położone powyżej normalnego poziomu napełnienia (12) biomasą w bioreaktorze (5) zakończone są króćcami bocznymi (16), których końce leżą ponad położeniem normalnego poziomu napełnienia (12) biomasą w bioreaktorze (5).

23. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że dolny koniec króćca pionowego (17) połączony jest z górnym wieńcem rurowym (18), od którego odchodzą kanały boczne (19) rozmieszczone na jego obwodzie.

24. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że kanały boczne (19) górnego wieńca rurowego (18) w rzucie pionowym z góry odchodzą w tę samą stronę od wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni górnego wieńca rurowego (18) pod kątem ostrym w stosunku do tych powierzchni, celem wywołania w bioreaktorze (5) ruchu wirowego biomasy wokół jego osi symetrii.

25. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że górny wieniec rurowy (18) połączony jest odgałęzieniem cyrkulacyjnym (20) z zamontowaną na nim pompą cyrkulacyjną (21) z dolnym wieńcem rurowym (22), od którego zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni wyprowadzone są kanały ukośne (23), które w rzucie pionowym z góry skierowane są w stronę przeciwną w stosunku do kanałów bocznych (19) górnego wieńca rurowego (18).

26. Urządzenie według zastrz. 25, znamienne tym, że na odgałęzieniu cyrkulacyjnym (20) zainstalowany jest wymiennik ciepła (24) i/lub elementy grzejne (25).

27. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że dolne końce przewodów recyrkulacyjnych (3) w rzucie pionowym są styczne do okręgu wewnętrznego zbiornika górnego (1) o średnicy większej niż średnica rury wznoszącej (2) i leżą w jej pobliżu, natomiast górne końce przewodów recyrkulacyjnych (3) wygięte są w przybliżeniu pod kątem prostym i skierowane są w dół korzystnie pod kątem ostrym do poziomu.

28. Urządzenie według zastrz. 27, znamienne tym, że górne końce przewodów recyrkulacyjnych (3) podwieszone są do stropu (4) bioreaktora (5) za pomocą cięgien (26).

29. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że do dolnej części rury wznoszącej (2) doprowadzony jest przewód zasilający (27).

30. Urządzenie według zastrz. 29, znamienne tym, że na przewodzie zasilającym (27) zainstalowana jest strumienica (29) zasysająca biomasę z bioreaktora (5) za pomocą króćca ssącego (28).

31. Urządzenie według zastrz. 30, znamienne tym, że króciec ssący (28) połączony jest z dolnym wieńcem rurowym (22).

32. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że rurę wznoszącą (2) stanowi podpora zbiornika górnego (1), w której umieszczony jest płaszcz grzewczy (30).

33. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zbiornik górny (1) przykryty jest stropem stałym (31) kształcie kopuły lub stożka.

34. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zbiornik górny (1) wykonanyjest w postaci zbiornika cylindrycznego o osi pionowej z zamocowanym na nim kołnierzem mocującym (6).

35. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że na rurze wznoszącej (2) zamocowany jest zawór odcinający cieczowy (35) leżący na zewnątrz zbiornika górnego (1).

36. Urządzenie według zastrz. 25, znamienne tym, że od rury wznoszącej (2), powyżej zaworu odcinającego cieczowego (35), odprowadzona jest rura spustowa (36) z zaworem spustowym (37).