УСТАНОВКА КОМПЛЕКСНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ СЕЛЬХОЗОТХОДОВ Российский патент 2001 года по МПК C02F1/00 C02F3/00 C02F11/04 

Изобретение относится к технике КБУ СХО и может быть использовано на сельхозпредприятиях АПК с выработкой дополнительной товарной продукции: метана /CH₄/, белково-витаминной добавки /БВД/, биоудобрения /БУ/, компоста /КП/, электроэнергии /ЭЭ/, спиртов /этанола, метанола, бутанола и т.д./.

Известна установка КБУ СХО, включающая источник СХО, например товарную ферму крупного рогатого скота /КРС/, сообщенную со сборником СХО и с метантенком из камер: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде взаимодействующих уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, причем метантенк через гидравлический затвор и газгольдер сообщен с сельхозэлектростанцией /СХЭС/ из газовой турбины и электрогенератора/ с.18 - 19, рис. 2.2, 2.3, У.Э.Виестур, А.М. Кузнецов, В. В. Севенков. Системы ферментации. Рига, "Зинатне", 1986/, недостатком которой является низкая концентрация метана /CH₄/ в биогазе, что снижает эффективность утилизации.

Известна установка КБУ СХО, включающая источник СХО, например товарную ферму КРС, сообщенную со сборником СХО и с метантенком и по биогазу и бражке с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками, размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками и поперечными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции, с размещенной на ППП иммобилизационной насадкой в виде полых стеклянных шариков, причем секции сообщены друг с другом переливными трубами, причем нижняя секция сообщена нагнетателем по биогазу, а верхняя секция по бражке с метантенком /патент РФ N 2068812, кл. C 02 F 11/02, 1991/, недостатком которой является невысокий ассортимент выпуска дополнительной товарной продукции, снижающей эффективность ее работы.

Известна ректификационная колонна /РК/, включающая ППП, образующие секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, причем корпус выполнен из двух частей, верхней - укрепляющей, нижней - исчерпывающей, причем верхняя укрепляющая сообщена с дефлегматором, который в свою очередь сообщен со сборником спирта и через гидравлический затвор с верхней секцией РК, а нижняя секция исчерпывающей части РК сообщена с теплообменником /с. 298, рис. 7 - 1, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, Л-д, "Химия", 1976/, использование которой в установке КБУ СХО позволяет получать дополнительный товарный продукт - спирты.

Цель изобретения - повышение эффективности работы установки достигается тем, что камера кислого брожения метантенка сообщена с камерой спиртового брожения и через ЦМФ сообщена с РК.

На чертеже схематически представлена установка КБУ СХО.

Установка КБУ СХО включает источник СХО, например ферму 1 КРС, сообщенную со сборником 2 СХО и метантенком 3 из камер: 4 - кислого, 5 - нейтрального, 6 - щелочного, 7 - метанового брожения, снабженных диспергаторами 8, выполненных из взаимодействующих своими цилиндрическими поверхностями ротора 9 и корпуса 10, причем камера 7 метанового брожения метантенка 3 сообщена с ферментатором 11, включающим корпус 12 со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса 12 светильниками 13, установленными в корпусе 12 ППП 14, образующими секции 15, сообщенные друг с другом переливными трубами 16, причем на ППП 14 размещена иммобилизационная насадка 17, в виде полых стеклянных шариков, а верхняя секция 15 ферментатора 11 сообщена по бражке с камерой 7 метанового брожения метантенка 3, а нижняя секция 15 через нагнетатель 18 сообщена с ней по биогазу и с ЦМФ 19, который по биомассе хлореллы и серобактерий сообщен с ДД 20, включающим корпус 21 с патрубком 22 - входа и патрубком 23 - выхода, размещенный по оси корпуса 21 ротор 24 с глухими отверстиями 25 в кольце магнитофора 26, взаимодействующими через кольцевой канал 27 с отверстиями 28 в перфорированном кольце 29, образующим с корпусом 21 полость 30, изолированную от патрубков: входа - 22 и выхода - 23 и сообщенную патрубком 31 со сборником 32 тяжелой /Д₂O/ воды. Камера 4 кислого брожения метантенка 3 сообщена с камерой 33 спиртового брожения и через ЦМФ 34 с ректификационной колонной /РК/ 35, включающей корпус 36 с ППП 37, образующими секции 38, сообщенные друг с другом переливными трубами 39, причем корпус 36 РК 35 выполнен из верхней 40 - укрепляющей и нижней 41 - исчерпывающей частей, а верхняя 40 - укрепляющая часть сообщена с дефлегматором 42 и сборником 43 спирта, причем дефлегматор 42 через гидравлический затвор 44 сообщен с верхней секцией 38 укрепляющей части 40 РК 35, а нижняя секция 38 исчерпывающей части 41 РК 35 сообщена с теплообменником 45, а средняя секция 38 между укрепляющей 40 и исчерпывающей 41 РК 35 сообщена через гидравлический затвор 46 с ЦМФ 34 и с камерой 33 спиртового брожения. Метантенк 3 установлен в помещении 47, на перекрытии 48 которого размещен твердофазный ферментатар ТФФ 49 с каналами 50, сообщенными каналами 51 с нагнетателем воздуха 52, причем ТФФ 49 выполнен с покрытием 53, например, пленкой и сообщен по компосту /КП/ со сборником 2 СХО. Камера 7 метанового брожения метантенка 3 сообщена по шламу с ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/ 54 и сушилкой 55 биоудобрения /БУ/. Верхняя секция 15 ферментатора 11 сообщена по метану /CH₄/ через гидравлический затвор 55a с газгольдером 56 и с СХЭС из газовой турбинны 57 привода электрогенератора 58 выработки электроэнергии /ЭЭ/, а по выхлопу газовая турбина 57 сообщена с нагнетателем 18 биогаза в ферментатор 11. ЦМФ 19 по избыточной биомассе хлореллы и серобактерий сообщен с ЛПФ 59 и сушилкой 60 белково-витаминной добавки /БВД/.

Установка КБУ СХО работает следующим образом.

Из фермы 1 КРС гидросмывом и гидросплавом СХО поступает в сборник 2, соотношение C:N=8:1. Для корректировки СХО по азоту в сборник 2 вводят компост /КП/ из ТФФ 49, а из сборника 2 из гидросплава извлекают сено, солому и направляют на компостирование в ТФФ 49, в котором за счет микробного распада органики устанавливается температура 50 - 70^oC, причем тепло аэробного распада термостатирует процессы брожения в помещении 47 и расположенном в нем метантенке 3. Субстрат сбраживают в камерах 4 - 7 воздействием ацетогенов, ацетогидрогенов, кислотогенов. . . метаногенов при температуре 53^oC, причем колебания температуры в камерах 4 - 7 не должны превышать одного градуса в сутки. Нагрев субстрата осуществляют за счет пульсации скоростных и статических напоров в диспергаторе 8 между взаимодействующими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора 9 и корпуса 10. Одновременно за счет срезающих усилий в диспергаторе 8 происходит разрушение размеров частиц взвесей до размеров, сопоставимых с размерами микрофлоры. Под воздействием брожения органика субстрата разлагается на CO₂ и CH₄, причем газовые оболочки взвесей флотируют в верхнюю часть метантенка 3, занимающую 1/5 часть объема. Газовые оболочки препятствуют контакту микрофлоры с органикой взвесей и разрушение оболочек интенсифицирует процесс распада органики при взаимодействии ее с водой:
Жиры+H₂O--->2CH₄+CO₂;
Белки+H₂O--->2CH₄+CO₂+H₂S +NH₃+CO₂;
Углеводы+H₂O--->3CH₄+3CO₂.

Концентрацию микрофлоры в пределах 20 г/м³ поддерживают за счет ввода в камеры 4 - 7 затравки из культиваторов /на чертеже не показаны/. Количество азота должно составлять для метаногенов порядка 0,3 - 0,4% от массы а.с.в. органики за счет ввода в камеры 6 и 7 углекислого аммония, способствующего появлению слабощелочной среды с pH 7 - 7,4. Влажность субстрата в камерах 4 - 7 метантенка 3 в пределах 95 - 96%. За счет перемешивания субстрата диспергаторами 8 обеспечивается контакт микрофлоры с жироподобными, белковоподобными и углеводоподобными компонентами питания, распределение микрофлоры по объему и обсеменение питания микрофлорой. Причем подвод свежего субстрата и отвод продуктов распада осуществляют непрерывно по прямоточной схеме при ступенчатом брожении. Из камеры 4 кислого брожения метантенка 3 субстрат отводят в камеру 33 спиртового брожения, не допуская появления кислот, а взвеси отделяют ЦМФ 34. Смесь спиртов/этанол, метанол, бутанол и т.д./ поступает через гидравлический затвор 46 в среднюю часть РК 35 между укрепляющей 36 и исчерпывающей 41 ее частями. За счет разности в температурах кипения смеси спиртов и воды происходит разгонка. Почти чистую спиртовую смесь в виде пара отводят на конденсацию в дефлегматор 42, а часть конденсата - флегмы возвращают через гидравлический затвор 44 назад в РК 35. Для создания непрерывных процессов испарения и конденсаций на ППП 37 в теплообменник 45 подводят пар, тепло конденсации которого определяет парообразование в РК 35. Смесь спиртов /СП/ из сборника 43 поступает на разгонку в специальную РК /на чертеже не показана/. Для приостановки брожения на стадии спиртообразования температура в камере 35 спиртового брожения устанавливается порядка 48 - 49^oC. Биогаз из камеры 7 метанового брожения метантенка 3 нагнетателем 18 поступает в нижнюю секцию 15, а бражка в верхнюю секцию 15 ферментатора 11. Биогаз барботирует через слой иммобилизационной насадки 17 в виде полых стеклянных шариков, на которых культивируют хлореллу и серобактерии. Хлорелла исчерпывает в условиях фотосинтеза от светильников 13 CO₂ для построения клеточного вещества своей биомассы, а серобактерии сероводород. Под воздействием ферментов CO₂ восстанавливается до метана /CH₄/ с одновременным разложением воды
2H₂O--->2H₂+O₂;
CO₂+4H₂--->CH₄+2H₂O.

Дополнительный H₂ в условиях фотосинтеза вырабатывает хлорелла воздействием фермента-катализатора на пигмент белка хлорофилла хлорелла--->H₂.

За счет ферментолиза масса метана /CH₄/ на 20 - 30% превышает массу распада беззольной органики. Одновременно в ферментаторе 11 происходит утилизация выхлопа газовой турбины 57 с восстановлением оксида и диоксида углерода до метана, а тепло выхлопа термостатирует режимы жизнедеятельности хлореллы и серобактерий.

Иммобилизация на насадке 17 обеспечивает появление среди хлореллы продуктивных особей, т.е. популяционная автоселекция, сопровождаемая выработкой у микрофлоры способности усваивать продукты жизнедеятельности /метаболиты/ вышележащих сообществ в качестве источника питания микрофлоры нижележащих секций 17 ферментатора 11 - сукцессия. Для углеводородов по теплотворной способности вводится определитель в виде соотношения H/C, для метана он равен 4, для бензина - 2,2, для дизтоплива - 1,5, для угля - 1. Отсюда метан /CH₄/ является ценным горючим для двигателей внутреннего сгорания /ДВС/ автотранспорта и сельхозмашин, повышая межремонтный ресурс ДВС в 2 раза, снижая расход смазочных материалов на 15% с экологически чистым выхлопом. Хлореллу и серобактерии отделяют на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока в ЦМФ 19 и биомассу направляют в ДД 20, в котором обрабатывают в кольцевом канале 27 между кольцом 26 магнитофора ротора 24 и перфорированным кольцом 29. При опорожнении в поле центробежных сил отверстий 25 возникает разрежение между днищем отверстия 25 и жидкостным поршнем, и в нем появляются пузырьки пара, которые конденсируются в кольцевом канале 27. Объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, и в жидкости появляются пустоты, которые схлопываются с гидравлическими ударами. Центрами конденсации являются серобактерии и клетки хлореллы, которые на 80 - 85% состоят из воды, что приводит к ожижению биомассы. Опорожнение и заполнение отверстий 25 повторяется многократно, причем скоростной напор воды в отверстиях 25 переходит в статический в кольцевом канале 27. Пульсация напоров сопровождается нагревом жидкости. При дезинтеграции оболочек клеток бактерий освобождается накопленная в условиях фотосинтеза тяжелая /Д₂O/ в количестве 0,4 - 0,6%, плотность ее на 10% выше плотности легкой /H₂O/ и в поле центробежных сил она проходит через отверстия 28 в кольце 29 в полость 30, а выходу ее из полости 30 препятствует вязкость Д₂O, которая на 23% выше H₂O. Кольцо магнитофора 26 ротора 24 выполнено из каучука с ферромагнитным наполнителем, в котором магнитофором-индуктором наведено магнитное силовое поле, под действием которого происходит перестройка ассоциатов молекул Д₂O и H₂O во временные ассоциативные образования в виде длинных макромолекул, подверженных разрыву водородных связей и дезинтеграции. Тяжелая вода Д₂O имеет температуру кипения 101,42^oC и она хуже испаряется и быстрее конденсируется и наряду с динамической дезинтеграцией происходит статическая, способствующая исчерпыванию Д₂O из внутриклеточной жидкости и Д₂O из полости 30 по патрубку 31 отводят в сборник 32 для последующего использования в качестве замедлителя быстрых нейтронов в урановых реакторах, на смену обычной воды, водород и кислород которых поглощают бесполезно нейтроны. Перевод урановых реакторов с обычной воды на тяжелую на 20% повышает эксплуатационный ресурс тепловыделяющих элементов, что имеет место в канадских реакторах. Дезинтеграт из ДД 20 через патрубок 23 поступает в верхнюю секцию 15 ферментатора 11 и его содержимое: нуклеиновые кислоты, витамины, микроэлементы, ферменты и биостимуляторы участвуют в процессах фотосинтеза, ферментолиза, размножения и роста микрофлоры, в том числе окисления оксида углерода выхлопа базовой турбины 57 в диоксид и его восстановления до метана, который по своим характеристикам превосходит природный газ, а тем более керосин в турбинах авиации. Сжиженный метан имеет плотность в 2 раза ниже плотности керосина, что повышает грузоподъемность и дальность полетов без дозаправки. Шлем из камеры 7 метанового брожения метантенка 3 отжимают на ЛПФ 54 и после сушки в сушилке 55 используют в качестве биоудобрения /БУ/. Термообработка устраняет гельминты и стерилизует микрофлору. БУ имеет запах свежей земли и является ценным биостимулятором в почвенных процессах для растений микрофлоры почвы. Избыточную биомассу после ЦМФ 19 и биомассу после ЦМФ 34 обезвоживают на ЛПФ 59 и после термообработки в сушилке 60 получают белково-витаминую добавку /БДВ/, содержащую до 50% белка, в том числе лизин, витамины, в т.ч. B₁₂, причем вследствие разрушения оболочек клеток хлореллы и серобактерий они находятся в удобно усвояемой форме, что повышает их питательную ценность. Применение БВД сокращает расход основных кормов более чем на 20%, а расходы на корма составляют порядка 70 - 90% всех расходов на выработку яйца, мяса, молока и мясо-молочных продуктов. Расход БВД составляет 1 грамм а.с.в. на 1 кг живого веса животных и птицы. Применение БВД до минимума уменьшает падеж молодняка, повышает генетику родительского стада.

Установка КБУ СХО за счет выработки дополнительной товарной продукции: метана /CH₄/, спиртов /СП/, тяжелой /Д₂O/ воды, электроэнергии /ЭЭ/, белково-витаминной добавки /БВД/, биоудобрения /БУ/, компоста /КП/ снижает стоимость производства яйца, мяса, молока на предприятиях АПК.

Установка содержит источник сельхозотходов, сообщенный с ним сборник отходов и метантенк, включающий камеры кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения. Камера метанового брожения метантенка сообщена с ферментатором, разделенным на секции поперечными перфорированными перегородками. Секции сообщены друг с другом переливными трубами. Верхняя секция ферментатора сообщена с камерой метанового брожения метантенка и с газгольдером, а нижняя секция через нагнетатель сообщена с ней и с центробежным микрофильтром. Газгольдер соединен с газовой турбиной привода электрогенератора для выработки электроэнергии. Камера кислого брожения метантенка сообщена с камерой спиртового брожения и через центробежный микрофильтр с ректификационной колонной. Верхняя часть ректификационной колонны сообщена с дефлегматором и сборником спирта. Камера метанового брожения метантенка сообщена с ленточным пресс-фильтром и сушилкой биоудобрения. Установка обеспечивает полную переработку сельхозотходов с получением спиртов, тяжелой воды, биоудобрения, компоста, белково-витаминной добавки и метана для его использования на электростанции для выработки электроэнергии. 1 ил.

Установка комплексной биологической утилизации сельхозотходов, включающая источник сельхозотходов, например ферму, сообщенную со сборником сельхозотходов и метантенком из камер кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами, выполненных из взаимодействующих своими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, причем камера метанового брожения метантенка сообщена с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, установленными в корпусе поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, причем на поперечных перфорированных перегородках размещена иммобилизационная насадка в виде полых стеклянных шариков, верхняя секция ферментатора сообщена по бражке с камерой метанового брожения метантенка, а нижняя секция через нагнетатель сообщена с ней по биогазу и с центробежным микрофильтром, который по биомассе хлореллы и серобактерий сообщен с динамическим дезинтегратором, включающим корпус с патрубками входа и выхода и размещенный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями в кольце магнитофора, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующим с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода и сообщенную патрубком со сборником тяжелой (D₂O) воды, отличающаяся тем, что камера кислого брожения метантенка сообщена с камерой спиртового брожения и через центробежный микрофильтр с ректификационной колонной, включающей корпус с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, причем корпус ректификационной колонны выполнен из верхней, укрепляющей, и нижней, исчерпывающей, частей, а верхняя, укрепляющая, часть сообщена с дефлегматором и сборником спирта, причем дефлегматор через гидравлический затвор сообщен с верхней секцией укрепляющей части ректификационной колонны, нижняя секция исчерпывающей части ректификационной колонны сообщена с теплообменником, а средняя секция между укрепляющей и исчерпывающей частями ректификационной колонны сообщена через гидравлический затвор с центробежным микрофильтром и с камерой спиртового брожения.