СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПОФАЗНОГО АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ РАЗЖИЖЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК A01C3/00 C05F3/00 C05F3/06 

Изобретение относится к области канализации и преимущественно предназначается к использованию в сельском хозяйстве на животноводческих и птицеводческих фермах, в фермерских хозяйствах, индивидуальных усадьбах сельских жителей и на садово-огородных участках для приготовления высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений и горючего биогаза из навоза, помета, фекалий, боенских отходов, различных растительных отходов, не пригодных к употреблению поврежденных плодов и корнеклубнеплодов.

Известны способ анаэробного сбраживания осадка сточных вод и осуществляющее его устройство в виде коаксиального метантенка по а.с. СССР N 552308, согласно которым сырой осадок вводят вовнутрь коаксиальной перегородки метантенка, являющейся центральной внутренней камерой анаэробного сбраживания, снабженной мешалкой. В основном сброженный во внутренней камере метантенка осадок выводится из под не доходящей до дна метантенка коаксиальной перегородки во внешнюю камеру, образуемую стенкой резервуара метантенка и коаксиальной перегородкой, где при завершении анаэробного досбраживания поступающая в нее из внутренней центральной камеры масса разделяется на отдельно удаляемые из нее иловую воду и уплотненный сброженный осадок. Выделяемый из сбраживаемой во внешней и внутренней камерах массы биогаз отводится из них через обособленные патрубки.

Недостатками известного способа и устройства его осуществления является то, что сбраживание осуществляют в центральной камере коаксиального метантенка, где вводимый в эту камеру свежий насыщенный органическими веществами сырой осадок смешивают со всей сбраживаемой массой, объединяя при этом разные фазы анаэробного сбраживания - гидролиза, ферментации, ацетатогенной и метаногенной фаз - воедино, усредняя фазные значения pH и смешивая преимущественные фазные симбиозы микроорганизмов, что замедляет процесс сбраживания и снижает производительность.

Приведенные недостатки известного способа не позволяет использовать его для анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельскохозяйственного производства, насыщенных трудносбраживаемыми и легко всплываемыми растительными материалами.

Конструктивное выполнение известного по а.с. N 552308 метантенка с коаксиально закрепленный внутри его резервуара концентрической перегородкой имеет тот недостаток, что он не обеспечивает возможность осуществления пофазного анаэробного сбраживания органических отходов, а подающий сырой осадок трубопровод, установленный внутри центральной общей камеры сбраживания, исключает возможность осуществить пофазное сбраживание без конструктивных изменений метантенка.

Известны и другие способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления по патенту РФ 2073401, согласно которым сбраживание разжиженных органических отходов осуществляют последовательно пофазно во внешней и внутренней камерах коаксиального метантенка с перемешиванием сбраживаемых отходов во внешней камере путем подачи в нее свежих разжиженных органических отходов, тогда как устройство для осуществления способа, содержащее резервуар, выполняемый различной формы в плане с коническими или пирамидальными днищем и куполом с прикрепленной к куполу не доходящей до днища концентрической перегородкой, образующей внутреннюю и внешнюю камеры с вводом в последнюю патрубка подвода разжиженных органических отходов. Отвод биогаза из внутренней и внешней камер производится через обособленные патрубки над обеими камерами.

Недостатком этого известного способа анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, выполняемого в устройстве для его осуществления, является то, что выводимые из внутренней и внешней камер через обособленные патрубки биогазы существенно отличаются друг от друга по своему составу и калорийности, что не позволяет рационально использовать отводимый из внешней камеры биогаз обособленно из-за малого содержания в его составе метана и повышенного содержания углекислоты с сероводородом, низкой калорийности, тогда как смешивание биогаза из обеих камер существенно снижает качество и калорийность смеси. Недостатком является и то, что перемешивание и подогрев сбраживаемой массы осуществляются порознь.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известные по патенту РФ N 2073401 способ и устройство для его осуществления являются наиболее близкими к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа и устройства для его осуществления, которое устраняло бы приведенные выше недостатки способа и устройства для его осуществления и обеспечило бы повышение эффективности анаэробного сбраживания, улучшение качества и калорийности биогаза.

Согласно изобретению поставленная задача в выполнении способа достигается тем, что способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, перемешивание и подогрев сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка, выполняют так, что отводимый из внешней камеры метантенка биогаз смешивают в инжекторе со сбраживаемой в метантенке массой, которую до ввода ее в инжектор подогревают, а нагретую газожидкостную смесь вводят во внутреннюю камеру метантенка, тогда как введенную во внутреннюю камеру метантенка нагретую газожидкостную смесь распределяют по внутренней камере метантенка отдельными рассредоточенными потоками, предпочтительно размещенными у днища метантенка.

Достигается поставленная задача и новым конструктивным изготовлением устройства для осуществления приведенного выше нового способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйства, содержащего изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до дна резервуара цилиндрической или конической концентрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженного осадка, средство перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, которое выполняют так, что патрубок отвода биогаза из внешней камеры метантенка соединен газопроводом с всасывающим патрубком инжектора, к напорному патрубку которого присоединен теплообменник, взаимодействующий с нагревателем и насосом, соединенным своим всасывающим патрубком с введенным в метантенк трубопроводом, а патрубок смесительной камеры инжектора соединен с напорным трубопроводом нагретой газожидкостной смеси, введенным в метантенк, где у его днища внутри метантенка соединен с установленным над днищем рассредоточителем потока. Решается поставленная задача и тем, что в качестве нагревателя установлен работающий на биогазе отопительный газовый аппарат с водяным контуром, снабженный автоматическим регулятором температуры нагрева воды.

Поставленная задача достигается и тем выполнением устройства, что всасывающий газопровод инжектора двумя параллельно обособленными газопроводами соединен с газопроводом отвода биогаза из патрубка внутренней камеры метантенка в газгольдер или в другой регулятор постоянного давления биоагаза во внутренней камере метантенка, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры метантенка в газопровод отвода биогаза из внутренней его камеры, а во второй параллельно обособленный газопровод встроен редукционный клапан подачи биогаза из газопровода его отвода из внутренней камеры во внешнюю камеру метантенка при образовании в ней вакуума.

На чертежах схематично приведено устройство коаксиального метантенка, где на фиг. 1 показан его общий вид в разрезе с присоединенными к нему и встроенными в него газопроводами, редукционными клапанами, инжектором, насосом, теплообменником, нагревателем, трубопроводами и рассредоточителем потока, а на фиг. 2 показан вид по А-А на фиг. 1 при круглой форме выполнения резервуара метантенка в плане /при других формах выполнения резервуара метантенка в плане рассредоточитель потока нагретой газожидкостной смеси устанавливают в центральной части днища резервуара аналогично как и при круглой форме его выполнения с выполнением, что размер Б больше размера В/.

Коаксиальный метантенк /фиг. 1 и 2/ представляет собой герметичный /в данном выполнении - цилиндрический/ резервуар 1 с коническими днищем 2 и купольным покрытием 3 с газосборником 4, снизу под которым к нему присоединена не доходящая до днища 2 резервуара 1 концентрическая в виде усеченного конуса перегородка 5, одинаковая по своей форме в плане с формой резервуара 1 в плане и обращенная своим основанием Б к днищу 2. Концентрическая перегородка 5 разделяет резервуар 1 на внешнюю 6 и внутреннюю 7 камеры, в которых размещены патрубки подвода разжиженных отходов 8 и отвода сброженного осадка 9. Из разнонаправленного тройника на конце патрубка 8 обеспечивается перемешивание сбраживаемой массы во внешней камере 6 струйным напором подаваемых разжиженных отходов из тройника патрубка 8. Над внешней 6 и внутренней 7 камерами выполнены патрубки 10 и 11 отвода из них биогаза, тогда как патрубок 10 отвода биогаза из внешней камеры 6 метантенка соединен газопроводом 12 с всасывающим патрубком 13 инжектора 14, к напорному патрубку 15 которого присоединен теплообменник 16 с нагревателем 17 и насосом 18. Всасывающий патрубок 19 насоса 18 соединен с трубопроводом 20 забора сбраживаемой массы из метантенка, тогда как патрубок смесительной камеры 21 инжектора 14 соединен напорным трубопроводом 22 нагретой газожидкостной смеси с введенным в метантенк и к установленным над его днищем 2 рассредоточителем потока 23.

Для обеспечения широкого диапазона регулирования заданных величин избыточного давления биогаза и его вакуума во внешней камере 6 - всасывающий газопровод 12 инжектора 14 двумя обособленными параллельными газопроводами 24 и 26 соединен с газопроводом 28. При этом в газопровод 24 встроен редукционный клапан 25 сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры 6 метантенка в газопровод 28 отвода биогаза из внутренней его камеры 7, а в газопровод 26 встроен редукционный клапан 27 подачи биогаза из газопровода 28 во внешнюю камеру 6 метантенка при образовании в ней вакуума.

В целях недопущения поступления биогаза из рассредоточителя потока нагретой газожидкостной смеси 23 во внешнюю камеру 6 размер внешнего его габарита В выполнен менее размера Б основания конической концентрической перегородки 5, что обеспечивает более полное использование тощего биогаза нагретой газожидкостной смеси метанообразующими микроорганизмами.

Другие трубопроводы /для контроля уровня и перелива и др./, как и устройство теплоизоляции метантенка, установка прибора КИПА - на чертежах не показаны, т. к. их выполнение возможно во многих вариантах. В соответствии с требованиями СНиП давление биоагаза во внутренней камере 7 метантенка устанавливается в пределах 1,5-2,5 кПа /150-250 мм вод. столба/.

Последовательное пофазное анаэробное сбраживание разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйств в предложенном коаксиальном метантенке выполняют следующим образом.

Свежие разжиженные и предпочтительно предварительно измельченные органические отходы влажностью 93±4% по трубопроводу 8 под напором вводят в межстенную внешнюю камеру 6, где струями разнонаправленных из тройника патрубка 8 потоков вводимые отходы смешивают с содержимой в камере 6 сбраживаемой массой. Загрузка метантенка разжиженными органическими отходами может производиться как непрерывно постоянно, так и периодически циклично один или несколько раз в сутки. При загрузке метантенка менее плотные трудносбраживаемые целлюлоза, легнин, жир и белки, содержащие легкие включения, всплывают вверх, будучи до этого перемещены потоками струй с содержимым камеры 6 и обсеменены с активным симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов, обеспечивающих в первой фазе анаэробного сбраживания разрушение сложных соединений в более простые с образованием из них во второй фазе сбраживания более плотных кислот и аминокислот, имеющих pH менее 7,2 и опускающихся вниз по камере 6 в камеру 7, где pH более 7,2 и где последующие ацетогенную и метаногенную фазы анаэробного сбраживания завершают.

Образующийся в межстенной камере 6 малокалорийный биогаз выводят из нее по патрубку 10, а более калорийный биогаз, образующийся в камере 7, выводят из метантенка по патрубку 11.

Постоянное поступление нагретой газожидкостной смеси из рассредоточителя потока 23 у днища 2 камеры 7 обеспечивает одновременное совмещенное газожидкостное перемешивание при нагреве сбраживаемой массы с вливающимся в камеру 7 из камеры 6 более плотного потока кислот и аминокислот, раскисляемого восходящими рассредоточенными нагретыми газожидкостными потоками сбраживаемой массы в камере 7. Обильное поступление биогаза с газожидкостной смесью из рассредоточителя потока 23 совместно с биогазом, который вырабатывают метанообразующие микроорганизмы в камере 7, обеспечивает у основания газосборника 4 постоянно "кипящую" поверхность сбраживаемой в метантенке массы, препятствуя тем самым образованию плотной корки, тогда как при подъеме биогаза от днища 2 к основанию газосборника 4 осуществляется досбраживание легких частиц массы и поглощение из тощего биогаза из камеры 6 углекислоты и сероводорода на формирование симбиоза микроорганизмов, осуществляющих анаэробное сбраживание в метантенке. Совмещенное газожидкостное перемешивание сбраживаемой массы с ее одновременным подогревом до устанавливаемой автоматически температуры в одном потоке, что существенно упрощает и удешевляет эксплуатационное обслуживание метантенка, активизирует и ускоряет процесс анаэробного сбраживания с увеличением выхода биогаза и повышает % содержание в его составе метана при снижении углекислоты и сероводорода.

В зависимости от задаваемых режимов работы метантенка, обуславливаемых влажностью сбраживаемой массы, периодичностью и дозой загрузки отходов и их составом, температурой сбраживания и другими факторами, давление вырабатываемого в камере 6 биогаза изменяется, тогда как давление биогаза в камере 7 постоянно и регулируется газгольдером или другими устройствами в пределах норм СНиП. При работе насоса 18 сбраживаемая в камере 7 масса засасывается трубопроводом 20 и под давлением через теплообменник 16 подается в инжектор 14, который через газопровод 12 и патрубок 10 засасывает биогаз из камеры 6. Образованная в смесительной камере 20 инжектора 14 подогретая газожидкостная смесь по трубопроводу 22 подается под напором в рассредоточитель потока 23, который может быть выполнен в том числе и в виде закольцованной системы перфорированных трубопроводов. Из отверстий рассредоточителя потока 23 газожидкостная смесь отдельными малыми струйными потоками вводится во внутреннюю камеру 7, поднимается вверх и смешивается с содержимым камеры 7 и вливающейся в нее массой из камеры 6.

При аварийном или каком-либо другом вынужденном прекращении работы насоса 18 с инжектором 14, а также при спонтанном обильном газообразовании в камере 6 давление биогаза в камере 6 может превысить 2,0 кПа /200 мм вод. столба/, что обусловит автоматическое срабатывание редукционного клапана 25, и биогаз из камеры 6 поступит в газопровод 28 и далее через газгольдер к потребителю /в газопроводе 28, как и во внутренней камере 7 метантенка, давление биогаза поддерживается газгольдером на уровне 2,0 кПа/.

При образовании в камере 6 вакуума более 2,0 кПа автоматически срабатывает редукционный клапан 27, и биогаз из газопровода 28 по газопроводу 26 поступит в камеру 6 и по газопроводу 12 будет отсасываться инжектором 14.

В зависимости от видов, количества и качества отходов, дозы и периодичности их загрузки в метантенк, температуры сбраживания и других факторов в назначении режима работы метантенка регулировочная величина давления сработки редукционных клапанов 25 и 27 может изменяться.

Поддержание устанавливаемой температуры сбраживания органической массы в метантенке вне зависимости от температуры внешней среды в различные периоды года обеспечивается автоматически тем, что в трубопроводе ввода сбраживаемой массы от насоса 18 в теплообменник 16 установлен /на чертеже не показан/ датчик температуры, взаимодействующий с терморегулятором автоматического регулирования температуры воды нагревателя 17, обеспечивающего необходимый подогрев сбраживаемой массы в теплообменнике 16 до ее ввода в метантек через инжектор 14.

Предложенный способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельского хозяйства и коммунальных стоков, предусматривающий совместное гидравлическое жидкостное и газовое перемешивание сбраживаемой массы одновременно с ее подогревом в коаксиальном метантенке в сочетании с отсосом биогаза из его внешней камеры, может быть осуществлен в диапазоне температур от 12 до 60^oC, выбор оптимальной из которых обуславливается конкретными условиями.

Экспериментальная проверка предложенного способа и метантенка для его осуществления, проведенная применительно к анаэробному сбраживанию помета кур, навоза крупного рогатого скота и свиней, показала высокую эффективность процесса, упростила его управление.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при приготовлении высококачественных обеззараженных органических удобрений из различных органических отходов. Во внешнюю камеру метантенка подают разжиженные органические отходы и осуществляют последовательное анаэробное сбраживание во внешней и внутренней камерах. Сбраживаемую массу подогревают и перемешивают, сброженный осадок выводят из метантенка, а из его внешней и внутренней камер отбирают биогаз, который смешивают в инжекторе со сбраживаемой в метантенке массой. До ввода в инжектор сбраживаемую массу подогревают, а нагретую газожидкостную смесь вводят во внутреннюю камеру метантенка. В метантенке для осуществления способа новым является то, что патрубок отвода биогаза из внешней камеры соединен с инжектором, который через взаимодействующий с нагревателем теплообменник соединен с насосом забора сбраживаемой массы из метантенка. Патрубок смесительной камеры инжектора соединен с напорным трубопроводом нагретой газожидкостной смеси, введенным в метантенк. Использование изобретения позволяет повысить эффективность анаэробного сбраживания, улучшить качество и калорийность биогаза. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер, отличающийся тем, что отбираемый из внешней камеры метантенка биогаз смешивают в инжекторе со сбраживаемой в метантенке массой, которую до ввода ее в инжектор подогревают, а нагретую газожидкостную смесь вводят во внутреннюю камеру метантенка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что введенную во внутреннюю камеру метантенка нагретую газожидкостную смесь распределяют по внутренней камере метантенка отдельными рассредоточенными струйными потоками, предпочтительно размещенными у днища метантенка. 3. Устройство для последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащее изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической, конической или цилиндрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженных осадков, средства перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, отличающееся тем, что патрубок отвода биогаза из внешней камеры метантенка соединен газопроводом с всасывающим патрубком инжектора, к напорному патрубку которого присоединен теплообменник, взаимодействующий с нагревателем и насосом, соединенным своим всасывающим патрубком с введенным в метантенк трубопроводом, а патрубок смесительной камеры инжектора соединен с напорным трубопроводом нагретой газожидкостной смеси, введенным в метантенк. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что напорный трубопровод подачи нагретой газожидкостной смеси в метантенк соединен у его днища внутри метантенка с установленным над днищем рассредоточителем потока. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве нагревателя установлен работающий на биогазе отопительный газовый аппарат с водяным контуром, снабженный автоматическим регулятором температуры нагрева воды. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что всасывающий газопровод инжектора двумя параллельно обособленными газопроводами соединен с газопроводом отвода биогаза из патрубка внутренней камеры метантенка в газгольдер или в другой регулятор постоянного давления биогаза во внутренней камере метантенка, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры метантенка в газопровод отвода биогаза из внутренней его камеры, а во второй параллельно обособленный газопровод встроен редукционный клапан подачи биогаза из газопровода его отвода из внутренней камеры во внешнюю камеру метантенка при образовании в ней вакуума.