1.4. Интенсификация процесса получения биогаза барботажным перемешиванием субстрата
В настоящее время научные исследования в области повышения интенсивности процесса получения биогаза ведутся в следующих основных направлениях [ ]:
- увеличение температуры процесса брожения;
- разделение процесса на стадии, основанные на жизнедеятельности кислотогенных и метанообразующих бактерий;
- создание штаммов высокоактивных микроорганизмов;
- применение анаэробных биофильтров для иммобилизации метанообразующих бактерий;
- интенсификация тепло- и массообмена с помощью системы перемешивания.
Одним из эффективных способов интенсификации процесса получения биогаза при переработке отходов является перемешивание бродильной массы внутри биореактора, необходимое для эффективной и стабильной работы биогазовой установки. Интенсивное перемешивание позволяет решить следующие проблемы: высвобождение произведенного биогаза, предотвращение формирования корки, осадка и участков разной температуры, обеспечение равномерного распределения популяции бактерий, предотвращение образования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь биореактора.
В настоящее время перемешивание биомассы осуществляется следующими основными способами [ ]:
– механическим;
– гидравлическим;
– барботажным;
– комбинированным.
Гидравлический метод перемешивания заключается в рециркуляции бродильной массы из одной части биореактора в другую (рис.1.14). При этом требуется насос большой мощности т.к. с помощью него осуществляется подача исходного субстрата и удаление перебродившей массы. Преимуществом данной системы является отсутствие внутри реактора движущихся частей, что упрощает условия эксплуатации. Но гидравлические системы применяются лишь в установках, работающих на очень жидких субстратах, не склонных к образованию корки и скоплению осадка.
Рис.1.14. Гидравлическая система перемешивания
Механическое перемешивание производится с помощью применения мешалок, рабочими органами которых являются шнеки и лопасти, приводимые в действие от двигателя или вручную [11]. Этот вид перемешивания осуществляется по трем основным схемам: мешалка со многими лопастями; пропеллерная погружная и лопастная системы (Рис 1.15.).
а
б
в
Рис.1.15. Механические системы перемешивания:
а – мешалка со многими лопастями; б - ; пропеллерная погружная; в – лопастная.
Мешалка со многими лопастями (рис.1.15,а) используется чаще всего для перемешивания в горизонтальных реакторах, выполненных из стали и бетона. Конструктивно они представляют собой горизонтальный вал с лопастями или загнутыми трубами, расположенный по всей длине реактора. При вращении вала сырье перемешивается, предотвращая образование корки, при этом происходит продвижение биомассы к выходному патрубку в виде пробки (идеального вытеснения), что эффективно для гигиенизации процесса. Применение в качестве рабочих органов трубок, по которым протекает горячая вода, позволяет также производить подогрев бродильной массы.
Погружная пропеллерная система перемешивания (рис.1.15.,б) применяется в основном в цилиндрических реакторах объемом 1000 м3. Представляет собой пропеллер с двигателем, находящимся в водонепроницаемой оболочке и установленным на штатив. При работе осуществляется вертикальное движение биомассы, а изменение высоты расположения мешалки позволяет избежать образования корки. Недостатком данной системы является малый объем перемешивания, что требует установки двух и более перемешивающих устройств, при этом область применения погружных двигателей ограничивается температурным режимом до 40 0С.
Лопастная система перемешивания (рис.1.15.,в) состоит из двигателя, размещенного снаружи реактора и удлиненного вала с лопастями. Данная система может быть вертикальной, закрепленной на верхнем основании реактора, но чаще применяется диагонально расположенная мешалка, входящая через верхнюю часть боковой стенки реактора. При этом вал мешалки может изменять угол наклона, что позволяет перемешивать больший, по сравнению с погружной системой, объем биомассы.
Применяются также механические мешалки с ручным приводом, которые просты в изготовлении и эксплуатации, но применяются только в реакторах небольших объемов, с незначительным выходом биогаза.
Существенным недостатком механических перемешивающих систем является ограниченная зона перемешивания, что затрудняет их применение в установках больших объемов. Ввиду небольшого радиуса действия мешалок возникают застойные зоны, в которых скапливается осадок, а также наблюдается образование на поверхности биомассы корки, препятствующей выходу биогаза.
Барботажное перемешивание осуществляется путем подачи выделяющегося биогаза обратно в реактор с помощью побудителя тяги и системы трубопроводов, расположенных в нижней части реактора (рис.1.16). Барботирование биогаза через толщу сырья создает благоприятное воздействие на процесс брожения и имеет ряд преимуществ. При этом происходит отделение мелких пузырьков газа от метаногенных микроорганизмов, что облегчает их контакт с питательным субстратом.
Рис.1.16. Барботажная система перемешивания
Кроме того, в биореакторе повышается концентрация растворенного углекислого газа, который, являясь акцептором водорода, снижает его парциальное давление и тем самым улучшает условия жизнедеятельности ацетатразлагающих метаногенов, в результате чего повышается выход метана.
Одним из более эффективных методов перемешивания является барботажный, с помощью получаемого биогаза. Поэтому целесообразным представляется разработка биореактора с системой перемешивания барботажного типа, применение которого обеспечивает интенсификацию процесса получения биогаза.