Реактор с набивкой

Реактор с набивкой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится вообще к реакторам. Более конкретно настоящее изобретение относится к реакторам с послойной набивкой, которые можно использовать в химических и биологических процессах.

Предпосылки создания изобретения

Реакторы с набивкой обычно используют в различных процессах химической, фармацевтической, ферментационной промышленности и для обработки сточных вод. В целом набивка способствует увеличению поверхности внутри реактора, что отражается на величине отношения величины поверхности к объему для данной выбранной набивки. Обычно поверхность набивки является той поверхностью, на которой в биологических реакторах могут закрепляться промоторы реакции, такие как микробы, или в химических реакторах такие промоторы реакции, как химические катализаторы. Поскольку биологическая или химическая реакция обычно зависит от контакта реагентов и времени контакта с промотором реакции, повышенная величина поверхности контакта с промотором реакции в объеме реактора может способствовать уменьшению объема реактора, что дает существенную экономию. Соответственно чем выше отношение величины поверхности к объему реактора, тем меньший объем реактора необходим для данного процесса.

Производимые промышленностью набивки сильно различаются по форме и могут включать элементы, увеличивающие величину поверхности. Например, цилиндрическая набивка может иметь аксиальный канал, что увеличивает как внутреннюю, так и внешнюю поверхности и приводит к увеличению отношения величины поверхности к объему. Кроме того, цилиндрическая набивка может включать внутренние и/или внешние ребра или другую структуру для получения дополнительной эффективной поверхности.

В примере, более специфичном для биологических реакторов, используемых при обработке сточных вод, примеси служат источником питания, в общем смысле источником углерода и/или азота, для микроорганизмов, живущих на набивке реактора. Метаболизм бактерий превращает примеси в продукты метаболизма с простой химической структурой, иногда полностью разлагая примеси до диоксида углерода и воды в аэробном способе или до метана в анаэробном способе. Но в любом случае продукты метаболизма обычно не оказывают отрицательного воздействия на экологию.

Известны различные способы биологической очистки. Например, в патенте США №4634672 описаны биологически активные композиции для очистки сточных вод и воздуха, которые представляют собой полиуретановый гидрогель, содержащий активированный уголь с величиной удельной поверхности по БЭТ выше 50 м²/г, полимер с катионными группами и способные к росту клетки с ферментативной активностью. В патенте США №4681852 описан способ биологической очистки сточных вод и/или воздуха путем контактирования воды или воздуха с биологически активной композицией по патенту США №4634672. Экспериментальные примеры этих патентов показывают, что способ не эффективен для уменьшения концентрации загрязняющих примесей в отходящем потоке ниже 44 частей на миллион (м.д.). Это не приемлемо, т.к. Агентство по экологической безопасности (ЕРА) в некоторых примерах заявляло, что концентрация некоторых загрязняющих примесей (таких как фенол) в отходящем потоке должна быть ниже 20 частей на миллиард (ppb) (см. Агентство экологической безопасности 40 CFR, разделы 414 и 416. Ограничительные Нормативы на Выбросы Органических Веществ, Пластиков и Синтетических Волокон, Стандарты Предварительной Обработки и Новые Стандарты на Обработку Источников. Federal Register, Vol.52, No. 214, Thursday, Nov. 5, 1989. Rules & Regulations, 42522).

В патентах США №№3904518 и 4069148 описано добавление активированного угля или фуллеровой земли к суспензии биологически активных твердых веществ (активированной пульпе) в сточных водах с целью удаления фенола. Поглотители, по-видимому, действуют как барьер для воздействия токсичных для бактерий примесей на их метаболическую активность. На основе предложенного заявителями подхода разработан так называемый РАСТ-процесс, который нашел применение в промышленности несмотря на длительные времена контакта, обильное образование пульпы и проблемы ее разложения, а также необходимость регенерации отработанного угля.

Rehm и сотрудники предложили использовать активированный уголь в аэробном окислении фенолов с использованием микроорганизмов на гранулированном угле, который служит пористым носителем биомассы. Используя способность микроорганизмов расти и оставаться закрепленными на поверхности, Rehm использовал в качестве пористого носителя биомассы в реакторе с циркуляцией для удаления фенола носитель из гранулированного активированного угля с развитой поверхностью (1300 м²/г), в макропорах которого закреплены клетки [Н.М.Ehrhardt и Н.J.Rehm, Appl. Microbiol. BiotechnoL, 21, 32-6 (1985)]. Полученные «иммобилизованные» клетки были устойчивы к фенолу до концентрации в сырье примерно 15 г/л, в то время как свободные клетки оставались устойчивыми до концентрации не выше 1.5 г/л. Было предположено, что активированный уголь работает как «буфер и хранилище», защищая иммобилизованные микроорганизмы путем поглощения токсичных высоких концентраций фенола, оставляя малые количества поглощенного фенола для участия в постепенном биоразложении. Эта работа была усовершенствована путем использования смешанной культуры, иммобилизованной на активированном угле [A.Morsen and Н.J.Rehm, Appl. Microbiol. BiotechnoL, 26, 283-8 (1987)], где авторы отметили, что значительное количество микроорганизмов «прорастали» в водную среду, т.е. в системе образовывалось заметное количество пульпы.

Suidan и сотрудники подробно исследовали аналогичное анаэробное разложение фенола с использованием упакованного слоя микроорганизмов, закрепленных на гранулированном угле [Y.Т.Wang, M.Т.Suidan and В.E.Rittman, Journal Water Pollut. Control Fed., 58 227-33 (1986)]. Например, при использовании гранулированного активированного угля фракции 16×20 меш в качестве носителя для микроорганизмов в виде расширенного слоя в случае сырья, содержащего 358-1432 мг фенола/л, была достигнута концентрация фенола на выходе примерно 0.06 мг/л (60 ppb) при гидравлическом времени контакта (HRT) примерно 24 ч. Несколько позже использовали слой с седловидной насадкой Берля и ряд анаэробных реакторов с расширенным слоем гранулированного активированного угля для демонстрации высокой степени превращения в метан веществ, окисляемых за счет потребления кислорода (COD), которое практически полностью протекало в реакторе с расширенным слоем [P.Fox, М.Т.Suidan, and J.Т.Pfeffer, ibid., 60, 86-92, 1988]. Была отмечена также устойчивость к разложению ортокрезола и метакрезола.

Givens and Sack, 42nd Purdue University Industrial Waste Conference Proceedings, pp.93-102 (1987) подробно изучили свойства пропитанной углем полиуретановой пены в качестве носителя для микробов при аэробном удалении вредных примесей, включая фенол. Пористая полиуретановая пена, пропитанная изнутри активированным углем и содержащая микроорганизмы, закрепленные на внешней поверхности, была использована в активированном пульповом реакторе аналогично способам Captor и Linpor, которые отличаются только отсутствием угля внутри пены. Способ сопровождается значительным образованием пульпы и положительный эффект угля отсутствует.

В самом способе Captor используется набивка из пористой полиуретановой пены для создания большой внешней поверхности, на которой растут микробы в резервуаре аэрации для биологической обработки сточных вод. В приведенной выше работе описан способ Captor, модифицированный наличием угля внутри пены. Оценка самого способа Captor на пилотной установке в течение двух лет показала заметное образование пульпы со значительно меньшей плотностью микробов, чем было заявлено [J.A.Heidman, R.С.Bremier and Н.J.Shah, J. of Environmental Engineering, 114, 1077-96 (1988)]. Следует отметить, что, как было отмечено выше, способ Captor представляет собой в сущности аэрируемый пульповый реактор, в котором пульповая набивка удерживается в резервуаре аэрации с помощью экранов на отходящей линии. Избыток пульпы следует непрерывно удалять путем удаления части набивки с помощью выгружного конвейера и пропускания набивки через нажимные валики для выдавливания твердых веществ.

Н.Bettmann and Н.J.Rehm, Appl. Microbial. BiotechnoL, 22, 389-393 (1985) использовали биореактор с кипящим слоем для эффективного непрерывного аэробного разложения фенола при гидравлическом времени контакта примерно 15 ч с применением культуры Pseudomonas putida в полиакриламидгидразидном геле. Также было описано применение микроорганизмов в полиуретановых пенах для аэробного окисления фенола во встряхиваемой колбе [А.М.Anselmo et al., Biotechnology B.L., 7, 889-894 (1985)].

Известные способы биоразложения имеют множество недостатков. Например, основным результатом расширенного применения таких способов является повышенное количество пульпы, что представляет собой серьезную экологическую проблему в связи с необходимостью ограничения выбросов и распространения необработанной пульпы по поверхности суши и моря [G.Michael Alsop and Richard A. Conroy, «Улучшенная термическая переработка пульпы с помощью кислот и оснований», Journal WPCF, Vol.54, No. 2 (1982), Т. Calcutt and R. Frost, «Перспективы переработки пульпы», Journal of the Institute of Water Pollution Control, Vol.86, No. 2 (1987) и «Кризис утилизации городских отходов и разработка новых технологий». Подготовлено строительной корпорацией США United States Building Corporation, P.O. Box 49704, Los Angles, Calif. 90049 (Nov. 22, 1988)]. Затраты на разложение пульпы сегодня могут в несколько раз превышать сумму расходов на обработку сточных вод.

Для решения проблем с пульпой было предложено использовать системы анаэробной обработки сточных вод [William J. Jewell «Анаэробная обработка сточных вод», Environ. Sci. Technol., Vol.21, No. 1 (1987)]. Наибольшее различие между аэробными и анаэробными системами заключается в количестве вновь образующихся клеток. Более половины субстрата, удаляемого в аэробных системах, может образовать новую микробную массу или пульпу, тогда как в анаэробных условиях ее количество обычно меньше 15% удаленных органических веществ. Однако анаэробные системы ограничены числом субстратов, которые могут разлагаться или подвергаться изменению, таких как незамещенные ароматические соединения [cм. N.S.Battersby & V.Wilson. «Обзор органических веществ по потенциалам анаэробного биоразложения сточных вод». Applied & Environmental Microbiology, 55(2): р. 433-439, February 1989]. Существенным недостатком большинства промышленных способов является образование побочных продуктов - кокса и угольной смолы - обычно в виде незамещенных ароматических соединений [см. J.М.Thomas, М.D.Lee, М.J.Scott и С.Н.Ward, «Микробная экология приповерхностного слоя в местах неконтролируемого выброса креозота». Journal of Industrial Microbiology, Vol.4, p.109-120, 1989].

Другим недостатком некоторых известных способов биоразложения является то, что в этих способах концентрация органических вредных примесей не снижается до разумных величин [предпочтительно менее примерно 0.1 частей на миллион (м.д.)] при разумных временах контакта (предпочтительно менее примерно 24 ч). Например, в способе согласно патентам США №№4681851 и 4634672 (см. конкретные примеры) концентрация примесей фенола не уменьшалась ниже примерно 44 м.д.

Патент США №2812031 относится к экстракции фенолов из водных растворов с помощью полиуретановой пены в присутствии гидрофильных волокон. В патенте указано, что в то время как полиуретановые пены относительно гиброфобны, что может мешать необходимому для адсорбции межфазному контакту, проблема решается с помощью использования гидрофильных волокон, способных тесно контактировать с поверхностью полиуретана и облегчающих его смачивание.

Патент США №3617531 относится к способу селективной адсорбции фенола из растворов в углеводородах. В этом способе раствор приводят в контакт с полиуретановой пеной.

В патенте США №4983299 и РСТ WO 90/11970 описаны реакторы с неподвижным слоем для биоразложения или разложения органических вредных примесей, причем реактор содержит биомассу из частиц, состоящих из субстрата, такого как полиуретановая пена, с анаэробными микробами, и адсорбента для вредных примесей на поверхности, внутри или во всем указанном субстрате.

В патенте США №4165281 раскрыты способ и установка для обработки сточных вод с помощью микроорганизмов, в которой в резервуаре аэрации по меньшей мере один каркас из нетканых волокон с трехмерной сетчатой структурой служит носителем для удержания микроорганизмов на поверхности и в междоузлиях каркаса и органические вредные примеси в сточных водах окислительно разлагаются микроорганизмами в присутствии кислорода.

В патенте США №4820415 раскрыт способ биологической обработки сточных вод путем удаления органического вещества с помощью микроорганизмов, в котором носитель для указанных микроорганизмов добавляют к указанной жидкости, а указанный носитель включает содержащий наполнитель гидрофильный полимер с открытыми порами в виде отдельных частиц, причем усовершенствование заключается в том, что указанные частицы полимера, насыщенные водой и содержащие по меньшей 70 об.% биомассы, образующейся во время процесса, имеют среднюю плотность несколько ниже плотности указанной жидкости и поэтому суспендируются в верхних двух третях указанной жидкости.

В патенте США 4469600 описана биологическая очистка сточных вод в реакторе в присутствии сжимаемого носителя с открытыми порами для биомассы, причем носитель перед использованием в реакторе заполняют бактериями и мелкоизмельченными неорганическими и/или органическими соединениями, выбранными для очистки воды, и затем либо хранят, либо используют в данном способе, причем заполненный носитель особенно полезен для уменьшения времени начального периода работы предприятия для очистки сточных вод.

Патент США №4576718 относится к использованию непенящихся, неабразивных высококонцентрированных полиуретановых (мочевинных) композиций с высокой способностью поглощать воду, которые во время их приготовления не содержат клеток, способных к росту, в качестве носителей для биомассы при биологической обработке сточных вод. Эти носители содержат наполнитель в количестве более 15 мас.% и менее 95 мас.% (в расчете на сухое вещество). Наполнители выбирают из группы, состоящей из природных веществ, содержащих мелкораздробленную ископаемую лигноцеллюлозу или ее вторичные продукты (например, торф, лигнит, минеральный уголь или кокс), активированный уголь, мелкораздробленные остатки от перегонки, неорганические наполнители, однородные или клеточные частицы пластиков (и более конкретно частицы полиуретановой пены (лом, отходы)) и их смеси. Полиуретан (мочевина) является гидрофильным и/или гидрофобным полиуретаном (мочевиной) и предпочтительно содержит катионные группы. Эти полиуретановые (мочевинные) носители с высоким наполнением обладают способностью поглощать воду в количестве более 33 мас.% воды в набухшем носителе.

На предшествующем уровне техники были описаны исключительные свойства полиуретановой пены с открытыми порами в качестве матрицы-носителя для биологически активной биомассы, но не рассматривались проблемы, связанные с использованием этого материала в биореакторах. Массоперенос в биореакторах с неподвижной пленкой и полиуретаном в качестве матрицы-носителя ограничен структурной целостностью полиуретановой пены и сопротивлением сжатию и вследствие этого проскоком воды и воздуха в реакторе с неподвижной пленкой, как описано у L.J.DeFilippi and F.Stephen Lupton, «Введение в микробное разложение водных стоков и его применение в реакторах с неподвижной пленкой», Chapter 2, р.35-68, в книге «Биологическая обработка вредных стоков», под ред. G.A.Lewandowski and L.J.DeFilippi, 1998. Неоднократно предпринимались попытки преодолеть этот недостаток полиуретановой пены. В одном способе использовали полиуретановую пену, прикрепленную к вращающимся пластинам вращающегося биологического контактора (RBC), как это описано в работе Takahiro Suzuki, Satomi Yamaya and Masaru Ishida, «Обработка углеводородов в биореакторе с разбрызгиванием воздуха и вращающемся биологическом контакторе», The Association for Environmental Health and Sciences, Soil Sediment and Water, August, 2001. Однако эти авторы показали, что вращающиеся биологические контакторы не являются такими эффективными биореакторами, как реакторы с разбрызгиванием воздуха типа барботажной колонны.

Патент США 5217616 относится к использованию полиуретановой пены, хаотически смешанной с твердыми прокладками из пластика, которые предотвратили бы сжатие полиуретана при аэрировании слоя. Хотя слой полиуретана не сжимается, массоперенос кислорода из пузырьков кислорода к жидкой фазе понижен по сравнению с аэрированием жидкой фазы в отсутствие набивки.

Соответственно желательно разработать набивку для реактора, которая создавала бы повышенную величину отношения поверхности к объему при поддержании низкого снижения давления, что позволило бы избежать избыточного проскока жидкости через реактор, с тем чтобы достичь узкого интервала распределения времен контакта в реакторе. Кроме того, желательно использовать материалы, такие как полиуретановые пены, с потенциально большим отношением величины поверхности к объему благодаря наличию пор, доступных для протекания реакции. Более того, из последующего подробного описания и формулы в сочетании с сопровождающими чертежами и рассмотренными выше областью техники и предпосылками создания изобретения будут очевидны другие важные особенности и характеристики настоящего изобретения.

Сущность изобретения

Изобретение предлагает реактор с набивкой, пригодный для разнообразного применения в химической, фармацевтической и ферментационной промышленности, для сокращения отходов и в родственных отраслях. Варианты набивки характеризуются чередованием слоев набивки. Реакторы с набивкой отличаются низким снижением давления при проходе через слои, пониженным проскоком через слой и следовательно улучшенным распределением времен контакта в реакторе. Улучшенное распределение времен контакта оказывает заметное влияние на качество отходящих технологических потоков после обработки, а также вероятное уменьшение размера реактора и экономию затрат.

Изобретение в значительной мере устраняет один из основных недостатков реакторов с набивкой, особенно биореакторов, содержащих микроорганизмы, а именно проблему неравномерного распределения потока через набивку в хаотически упакованных слоях. Неравномерное распределение потоков возникает потому, что воздух и вода стараются найти в хаотической набивке и биомассе каналы наименьшего сопротивления. В результате растворенные питательные вещества, кислород и субстраты вытесняются преимущественно в зоны, соседние с этими образующимися каналами, в то время как другие части слоя оказываются не активными в биологических процессах. Кроме того, т.к. рост микроорганизмов поддерживается в зонах, соседних с каналами, это еще больше ограничивает распределение биохимических реагентов по хаотически упакованному слою. Слои набивки согласно изобретению, состоящие из чередующихся слоев активных веществ (пористые носители для микроорганизмов), и пустотелые элементы набивки являются полезным решением проблемы, как объяснено ниже.

В одном варианте изобретение предлагает реактор с набивкой, состоящей из ряда чередующихся слоев. Чередующиеся слои набивки включают первый слой набивки из пустотелых элементов и второй слой набивки из пористых элементов носителя, содержащих поры размером примерно 15-20 пор на дюйм (ppi).

В другом варианте изобретение предлагает реактор с набивкой в виде ряда чередующихся слоев, где первый слой набивки содержит пустотелые элементы набивки, хаотически помещенные в слой глубиной до 10 элементов набивки, и второй слой набивки из пористых элементов носителя из гидрофобной пены. Пена содержит поры размером примерно 15-20 ppi, и пористые элементы носителя беспорядочно упакованы в слой глубиной до примерно 10 пористых элементов носителя. Элементы набивки первого слоя и пористые элементы носителя во втором слое подобраны по форме так, чтобы объем пустот в реакторе составлял примерно 50-65%.

В другом варианте реактор с набивкой содержит ряд чередующихся слоев набивки, где первый слой набивки состоит из пустотелых элементов, беспорядочно набитых в слой глубиной примерно 10 элементов набивки, и второй слой набивки включает пористые элементы носителя из гидрофобной пены. Пористые элементы носителя хаотически насыпаны в слой глубиной до примерно 10 пористых элементов. Кроме того, элементы набивки в первом слое включают в основном цилиндры, а пористые элементы носителя второго слоя имеют в основном прямолинейную форму.

Хотя последующее подробное описание относится в основном к использованию реакторов в биологических способах обработки сточных вод, специалистам очевидно, что реакторы согласно данному изобретению имеют широкое применение и в других областях химической и биологической промышленности, где в полной мере проявятся преимущества данного изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения варианта цилиндрического реактора с набивкой согласно изобретению.

Фиг.2 представляет схематическое поперечное сечение для варианта прямолинейного реактора с набивкой согласно данному изобретению.

Фиг.3 схематически представляет пенный элемент носителя в поперечном сечении.

Фиг.4 представляет пример перспективного изображения элемента набивки предшествующего уровня техники в виде пустотелого цилиндра типа элемента набивки HiFlow™ от Jaeger.

Фиг.5 представляет схематическое поперечное сечение реакторов, использованных в примере I.

Фиг.6 представляет схематическое поперечное сечение реакторов, использованных в примере II.

Подробное описание изобретения

Следующее подробное описание является по существу иллюстративным и не ставит целью ограничить изобретение или области его применения. Более того, авторы не связывают себя какой-либо определенной теорией, представленной в приведенных разделах - область техники, предпосылки создания изобретения, краткое содержание или последующее подробное описание.

Изобретение представляет реакторы с набивкой в виде ряда чередующихся слоев набивки, которые находят широкое применение. Для краткости и упрощения описания оно в основном будет относиться к обработке сточных вод с учетом того, что описание этого варианта или области не ограничивает применение изобретения только этой областью.

В одном варианте данное изобретение относится к способу удаления органических вредных примесей из сточных вод. Более конкретно этот вариант относится к реактору с набивкой и способу удаления таких вредных примесей, особенно вредных примесей и веществ, окисляемых за счет потребления кислорода (COD), путем аэробного биоразложения с использованием пористых носителей для биомассы. Разумеется, удаление других загрязняющих веществ, таких как вещества, окисляемые биологическим путем (BOD), которые, как известно, удаляются за счет биоразложения, также входит в объем настоящего изобретения.

Для обработки сточных вод используют реактор, имеющий вход для потока сырья с одним или более загрязняющими веществами и выход для отходящего потока, в котором концентрация по меньшей мере одного из загрязняющих веществ меньше, чем его концентрация в подаваемом сырье. Реактор заполнен биологически активной биомассой, которая эффективно понижает уровень одного или более загрязняющих веществ. Биомассу наносят на множество пористых носителей, которые вместе с биомассой образуют множество биологически активных элементов. Пористые носители распределены в реакторе так, что между ними остаются промежутки. Таким образом, в целом биологически активные элементы включают субстрат (а именно, пористые носители) и эффективное количество одного или более микроорганизмов, способных к переработке по меньшей мере одного из загрязняющих веществ в потоке сырья в условиях процесса в реакторе. Биологически активные элементы характеризуются отношением поверхности к объему, которое больше, чем у полых элементов набивки, которые распределены в биомассе для создания контакта между потоком сырья, проходящего через пустотелые элементы набивки, и всей или частью внутренней и внешней поверхности всех биологически активных элементов, соседних с указанными промежутками.

Кроме того, данное изобретение относится к способу, аппаратуре и биомассе, которые обеспечивают улучшенные параметры - скорость, эффективность и регулируемость процесса биоразложения. Предположено, что эти усовершенствования обусловлены улучшенным контактом и распределением жидкости, газа и/или твердой фазы в технологической схеме, аппаратуре и биомассе по сравнению с технологическими схемами, аппаратурой и биомассой предшествующего уровня техники с такими же физическими и рабочими параметрами, т.е. конфигурацией, компонентами, гидравлическим давлением и т.д., но использующими только биологически активные элементы без пустотелых элементов набивки. Результатом введения соответствующим образом распределенных пустотелых элементов набивки является то, что способ, аппаратура и биомасса данного изобретения способствуют биоразложению. Кроме того, соответствующее распределение добавленных пустотелых элементов набивки также повышает способность реактора поддерживать более стационарную концентрацию загрязняющего вещества в отходящем потоке, несмотря на сравнительно большую флуктуацию концентрации этого загрязняющего вещества в потоке сырья по сравнению с известными способами, аппаратурой и биомассой, которая содержит только биологически активные элементы, но без пустотелых элементов набивки. В реакторах согласно изобретению пустотелые элементы набивки распределены слоями, которые чередуются со слоями биологически активных элементов, создавая промежутки в биомассе в реакторе для потока жидкости. Это усовершенствование в потоках жидкости через реактор приводит к многим преимуществам по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Биологически активные элементы включают пористые носители, и эти носители предпочтительно изготавливают из эластичной полимерной пены, которая может сжиматься (до некоторой степени) при рабочем давлении, применяемом в способе биоразложения, что позволяет жидкости проникать в поток через поры в пене. Аппаратура и биомасса данного изобретения обеспечивают пониженное сжатие активных элементов по сравнению со способами, аппаратурой и биомассой предшествующего уровня техники с теми же структурными и рабочими параметрами и активными элементами, но без пустотелых элементов набивки. Послойное расположение биологически активных элементов и пустотелых элементов набивки обеспечивает быстрый массоперенос кислорода в ходе биоразложения. Аппаратура и биомасса данного изобретения также приводят к повышенному массопереносу по сравнению со способами, аппаратурой и биомассой предшествующего уровня техники с теми же структурными и рабочими параметрами и активными элементами, но без пустотелых элементов набивки наряду с активными элементами.

Настоящее изобретение в варианте биоразложения будет более понятно при рассмотрении включенных фигур. Разумеется, специалистам в этой области будут очевидны и другие варианты изобретения, касающиеся других химических и биологических процессов.

На фиг.1 и 2 реактор 100 предназначен для использования в варианте данного изобретения для биоразложения веществ, содержащихся в сырье, с помощью аэробных или анаэробных микробов. Использованный здесь термин «биоразложение» включает метаболическое разложение органических соединений в более низкомолекулярные соединения, метаболическую конверсию неорганических соединений азота, таких как аммиак (NH₃) и оксиды азота (например, NO₃, NO₂ и т.п.), до газообразного азота и дегалогенирование путем удаления атомов галогенов, таких как хлор, фтор, бром и/или йод, из галогенированных органических соединений.

Реакторы 100 на фиг.1 и 2 являются горизонтальными и вертикальными в соответствии с их конструкцией и конфигурацией. Однако на практике данного изобретения конструкция, конфигурация и конструкционные материалы могут варьироваться в широких пределах и в практике данного изобретения можно использовать другие конструкции и конфигурации при условии, что весь слой 102 или его часть в реакторе являются неподвижным или практически неподвижными. Использованный здесь термин «реактор с неподвижным слоем или практически неподвижным слоем» относится к реактору, в котором множество биологически активных частиц являются стационарными или практически стационарными при движении потока сырья через реактор. Кроме того, термин «слой набивки» означает слой в реакторе, включающий набивку любого вида независимо от того, содержит (или будет содержать) набивка биомассу.

Реактор 100 содержит слой 102, который включает биологически активные элементы 110, биомассу 116 и пустотелые элементы набивки 120. В биомассе 116 между активными элементами 110 и элементами набивки 120 остаются пустоты или пустые или практически пустые области 115. Технологический поток может протекать по этим пустым областям 115. Активные элементы 110 удерживаются от уноса силами, направленными вдоль технологического потока, пористым экраном или пластиной 136. Экран 136 достаточно пористый, чтобы через него протекало эффективное количество газа или жидкости, необходимое для осуществления метаболизма микроорганизмов на активных элементах в ходе биоразложения. Реактор 100 также включает диффузоры 138 для подачи газа в реактор 100 и распределитель потока сырья 130.

Как показано в вариантах на фиг.1 и 2, слои набивки 102 в реакторах 100 включают пустотелые элементы набивки 120, которые соседствуют со слоями активных элементов 110. В принципе в качестве структур для пустотелых элементов набивки 120 можно использовать любые из разнообразных структур, способных образовать пустые или практически пустые области для прохода через них жидкости. Соответственно пустотелые элементы набивки 120 могут иметь разную форму. Однако эти формы можно необязательно выбирать таким образом, чтобы облегчить образование промежутков 115 между активными элементами и пустотелыми элементами набивки 120 в биомассе 116 для прохода жидкого потока через промежутки 115.

В одном варианте носители 114 для биологически активных элементов 110 (см. фиг.1, 2 и 3) представляют собой прямоугольные пористые элементы типа кубов, а пустотелые элементы набивки 120 могут тогда быть практически цилиндрическими. Как показано на фиг.4, элементы набивки HiFlow™ от Jaeger являются примером пустотелых элементов набивки 120. В этом случае элементы набивки 120 имеют форму тонких цилиндрических стаканов 122, которые содержат четыре сквозных отверстия 126 по одному на каждой четверти внешней поверхности. Кроме того, стакан 122 содержит пару пересекающихся вертикальных внутренних стенок (или ребер) 124, что увеличивает внутреннюю поверхность и отношение величины поверхности к объему в элементе набивки 120. Элементы набивки имеют жесткий полый каркас 128, который определяет форму структур.

Хотя форма пустотелых элементов набивки 120 не является критичной и можно использовать практически любую форму, которая создает промежутки для потока, варианты, показанные на фиг.4, являются практически цилиндрическими.

Во время работы реактора поток сырья, протекающий через пустые области 115 и пустотелые элементы набивки 120, обеспечивает контакт между жидкостью и всей или практически всей внутренней или внешней поверхностью всех или практически всех соседних биологически активных элементов 110.

Для достижения максимального контакта между технологическим потоком и биомассой на активных элементах 110 пустотелые элементы набивки 120 должны содержать проходы (пустоты или промежутки), через которые может протекать технологический поток. Обычно проходы или пустоты в пустотелых элементах набивки 120 составляют по меньшей мере примерно 40 об.%, предпочтительно по меньшей мере примерно 50 об.%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 80 об.% и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 95 об.% от общего объема элементов набивки 120. Соответственно отношение величины поверхности к объему у структур 120 меньше, чем у биологически активных элементов 110.

Как показано на фиг.3, биологически активные элементы 110 состоят из субстрата 114 и одного или более типов микроорганизмов 112, обычно аэробных или анаэробных, которые способны к превращению по меньшей мере одного из веществ, содержащихся в стоках, на поверхности, внутри или и на поверхности и внутри субстрата 114. Относительное расположение и соотношение биологически активных элементов 110, пустых или практически пустых областей 115 в биомассе 116 и пустотелых элементов набивки 120 критичны для реализации преимуществ данного изобретения. Соотношения компонентов в слое набивки и их расположение должны быть оптимизированы для создания контакта между технологическим потоком сырья и всей или частью внешней или внутренней поверхности биологически активных элементов 110.

Хотя авторы не хотели связывать себя какой-либо теорией, было предположено, что расположение и соотношение компонентов слоя набивки приводят к повышенному массопереносу в системе газ/жидкость/твердое вещество и их распределению и поэтому улучшают контакт между разлагаемым веществом в технологическом потоке и микробами 112 на поверхности, внутри или и на поверхности и внутри субстрата 114 в элементах 110. Это повышает эффективность способа биоразложения. Преимуществом улучшенного распределения жидкости является то, что способ биоразложения, аппаратура и биомасса согласно данному изобретению более эффективны, чем аналогичные способ, аппаратура и биомасса предшествующего уровня техники, при котором в реакторе отсутствовали пустотелые элементы набивки, такие как описанные в патентах США №№4576718 и 4983299 и РСТ WO 90/11970. Более того, данные показывают, что еще одно преимущество по сравнению со способами, реакторами и биомассой предшествующего уровня техники состоит в том, что улучшеное распределение обеспечивает лучшее сопротивление сбоям в работе реактора, как это объяснено ниже.

В целом настоящее изобретение предлагает значительное повышение производительности реактора по сравнению с другими реакторами без пустотелых элементов набивки 120. Например, относительные соотношения и локализация элементов 110 и пустотелых элементов набивки 120 в биомассе 116 реактора 100 согласно данному изобретению таковы, что объемная скорость удаления по меньшей мере одного (загрязняющего) вещества из технологического потока сырья при времени контакта примерно 10 ч больше скорости в другом реакторе с набивкой без пустотелых элементов 120, но другой конфигурации, и компоненты работают таким же образом, как и в реакторе 100 данного изобретения, даже если количество активных элементов 110 в этом другом реакторе равно сумме количества элементов набивки 120 и количества активных элементов 110 в реакторе данного изобретения. Предпочтительно, чтобы относительная локализация и соотношения элементов 110 и пустотелых элементов набивки 120 были таковы, чтобы объемная скорость удаления (загрязняющих) веществ с помощью реактора по настоящему изобретению была больше примерно на 10%, предпочтительно более чем примерно на 20%, более предпочтительно равна или больше примерно на 30% и наиболее предпочтительно более примерно на 50-100%, чем скорость удаления в другом реакторе, в котором слой набивки состоит только из активных элементов 18 и не содержит пустотелых элементов набивки 120. Элементы 110 и пустотелые элементы набивки 120 предпочтительно сближать друг с другом, чтобы по меньшей мере примерно 50% величины внутренней и внешней поверхности по меньшей мере примерно 50% общего числа биологически активных элементов 110 располагались рядом со слоем, включающим пустотелые элементы набивки 120, так чтобы активные элементы 110 находились в контакте с технологическим потоком сырья, протекающим через элементы набивки 120. В более предпочтительных вариантах изобретения активные элементы 110 и пустотелые элементы набивки 120 расположены таким образом, что по меньшей мере примерно 60% внутренней и внешней поверхности по меньшей мере примерно 60% общего числа активных элементов 110 находятся