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

Изобретение относится к технике комплексной переработки (КП) сельхозотходов (СХО), например СХО товарных свиноферм АПК с выработкой метана /CH₄/, белково-витаминной добавки /БВД/, биоудобрения /БУ/, компоста /КП/, электроэнергии /ЭЭ/, тяжелой /D₂O/, сверхтяжелой /T₂O/ воды и может быть использовано в районах Крайнего Севера, в глубинных сельхозрайонах.

Известна установка КП СХО, включающая СХО, например товарную свиноферму, сообщенную со сборником СХО и метантенком из камер: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде взаимодействующих своими уступчатыми поверхностями ротора и корпуса, причем метантенк размещен в помещении, на перекрытии которого расположен твердофазный ферментатор /ТФ/ с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха, а ТФ выполнен с покрытием, например пленкой, при этом камера метанового брожения метантенка сообщена через гидравлический затвор с газгольдером и с сельхозэлектростанцией /СХЭС/ из газовой турбины и электрогенератора /см. с. 18-19, рис. 2.1, 2.2, 2.3, У. Э. Виэстур, А.М. Кузнецов, В.В. Савенков. Системы ферментации, Рига, "Зинатне", 1986/, недостатком которой является низкая концентрация метана /CH₄/ в биогазе, что снижает эффективность работы установки КП СХО.

Известен ферментатор, включающий корпус с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, которые сообщены друг с другом переливными трубами, а по оси корпуса установлен приводной вал с турбинками /см. там же с. 94-95, рис. 5.6./, в котором низкая степень дезинтеграции микроорганизмов турбинками при перемещении жидкостного потока через переливные трубы.

Известна установка КП СХО, включающая источник СХО, сообщенный с метантенком и по биогазу и бражке с ферментатором, корпус которого выполнен со светопроницаемыми стенками и размещенных с внешней стороны стенок корпуса светильниками, корпус выполнен с поперечными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции с размещенной на ППП иммобилизационной насадкой в виде полых стеклянных шариков, для культирования на ней хлореллы и серобактерий, ассимилирующих из биогаза диоксид углерода и сероводород в условиях фотосинтеза, причем секции сообщены друг с другом переливными трубами по бражке, причем нижняя секция ферментатора сообщена по биогазу нагнетателем с камерой метанового брожения метантенка /патент РФ N 2068812, кл. C 02 F 11/02, 1991/, недостатком которого является низкая степень переработки СХО в дополнительные компоненты товарной продукции, что снижает эффективность ее работы.

Цель изобретения - повышение эффективности переработки СХО достигается тем, что твердофазный ферментатор /ТФ/ по компосту /КП/ сообщен со сборником СХО для корректировки его по азоту, а поперечные перфорированные перегородки /ППП/ ферментатора выполнены с переливными трубами, концентричными приводному валу турбинок, причем выступ переливных труб над ППП образует гидравлический затвор для иммобилизационной насадки, в виде полых стеклянных шариков, размещенных на ППП, а выходной конец переливной трубы размещен в створке покровного диска турбинки, а напротив лопаток турбинки размещены стержни, свободно подвешенные к нижней поверхности ППП, а между основными ППП размещены в секциях дополнительные ППП, а нижняя секция ферментатора сообщена с центробежным микрофильтром /ЦМФ/, который по биомассе хлореллы и серобактерий сообщен с динамическим дезинтегратором /ДД/, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный 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 корпуса ДД и сообщенную патрубком со сборником тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ воды, а патрубок выхода ДД сообщен с верхней секцией ферментатора, которая в свою очередь по метану /CH₄/ сообщена через гидравлический затвор и газгольдер с сельхозэлектростанцией /СХЭС/ из газовой турбины и электрогенератора для выработки электроэнергии /ЭЭ/, а газовая турбина по выхлопу сообщена с нагнетателем биогаза в нижнюю секцию ферментатора.

Хлорелла исчерпывает из биогаза CO₂, а серобактерии - H₂S, т.е. происходит биологическое обогащение биогаза CH₄. Под воздействием полиферментных систем дезинтеграта, поступающего из ДД, в ферментаторе происходит разложение воды на водород и кислород
2H₂O ---> 2H₂ + O₂, причем H₂ восстанавливает CO₂
CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ + 2H₂O, т.е. происходит ферментолиз, по результатам которого масса CH₄ превосходит массу распада беззольной органики в метантенке.

В условиях фотосинтеза хлорелла синтезирует водород с использованием в качестве катализатора фермента гидрогеназы, воздействующего на пигмент белка хлорофилла хлореллы, причем водород участвует в процессе ферментолиза.

Хлорелла имеет высокую накопительную способность по тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой воде /T₂O/, коэффициент накопления K_н = 10⁷-10⁹, а концентрация D₂O и T₂O порядка 0,4-0,6% от массы хлореллы, которая в поле центробежных сил ДД доводится до 90-95% за счет разности в плотности. Плотность D₂O на 10%, а плотность T₂O на 33% превышает плотность H₂O. Одновременно с динамической дезинтеграцией ассоциатов молекул легкой, тяжелой и сверхтяжелой воды происходит статическая, основанная на том, что температура кипения D₂O - 101,42^oC, сверхтяжелой - 104^oC, т.е. они хуже испаряются и лучше конденсируются в сравнении с легкой водой. Под воздействием кольца магнитофора ротора, выполненного из каучука с ферромагнитным наполнителем с наведением магнитного поля магнитофором-индуктором, происходит временная перестройка ассоциатов молекул воды в связанные цепи, теплота испарения такой связанной воды в 2-3 раза выше теплоты испарения легкой воды, а это повышает фактор статической дезинтеграции.

При возврате выхлопа газовой турбины в ферментатор оксид углерода окисляется до диоксида углерода, а последний восстанавливается до метана
CO + H₂O ---> CO₂ + H₂;
CO₂ + 4H₂ ---> СН₄ + 2H₂O,
т. е. продолжение процесса ферментолиза, за счет ферментов дезинтеграта, причем дезинтеграт содержит 45% углерода, 11% азота, 5% фосфора и обеспечивает хлореллу и серобактерии биогенными элементами питания, а тепло выхлопа термостатирует процесс фотосинтеза.

На фиг. 1 схематически показана установка КП СХО; на фиг. 2 - узел 1 ферментатора.

Установка КП СХО включает источник СХО, например товарную свиноферму 1, сообщенную со сборником 2 СХО и метантенком 3 из камер: 4 - кислого, 5 - нейтрального, 6 - щелочного, 7 - метанового брожения, снабженных диспергаторами 8 в виде взаимодействующих своими уступчатыми поверхностями ротора 9 и корпуса 10, причем метантенк установлен в помещении 11, на перекрытии 12 которого размещен твердофазный ферментатор 13 с каналами 14, сообщенными с нагнетателем 15 воздуха, а ТФ 13 выполнен с покрытием 16, например пленкой, при этом камера 7 метанового брожения метантенка 3 по биогазу и бражке сообщена с ферментатором 17, включающим корпус 18 со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса 18 светильниками 19, причем корпус 18 выполнен с перфорированными поперечными перегородками /ППП/ 20, образующими секции 21, по оси корпуса 18 ферментатора 17 установлен приводной вал 22 с турбинками 23 с покровными дисками 24 и лопатками 25, причем турбинки 23 размещены под ППП 20, а верхняя секция 21 по метану сообщена через гидравлический затвор 26 с газгольдером 27 и с СХЭС из газовой турбины 28 и электрогенератора 29, при этом газовая турбина 28 СХЭС сообщена по выхлопу с нагнетателем 30 биогаза в нижнюю секцию 21 ферментатора 17. ТФ 13 сообщен по компосту /КП/ со сборником 2 СХО, для корректировки их по азоту, а ППП 20 ферментатора 17 выполнены с переливными трубами 31, концентричными приводному валу 22 с турбинками 23, причем выступ 32 переливных труб 31 над ППП 20 образует гидравлический затвор для иммобизационной насадки 33 в виде полых стеклянных шариков, а выходной конец 34 переливных труб 31 размещен в створе покровного диска 24, а лопатки 25 турбинок 23 взаимодействуют со стержнями 35, свободно подвешенными к нижней поверхности ППП 20, между основными ППП 20 размещены дополнительные ППП 36, а нижняя секция 21 ферментатора 17 сообщена с центробежным микрофильтром /ЦМФ/ 37, который по биомассе хлореллы и серобактерий сообщен с динамическим дезинтегратором /ДД/ 38, включающим корпус 39 с патрубками 40 - входа, 41 - выхода, установленный по оси корпуса 39 ротор 42 с глухими отверстиями 43 в кольцо 44 магнитофора, взаимодействующими через кольцевой канал 45 с отверстиями 46 в перфорированном кольце 47, образующим с корпусом 39 полостью 48, изолированную от патрубков 40 и 41 корпуса 39 ДД 38 и сообщенную патрубком 49 со сборником 50 тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ воды, а патрубок 41 выхода сообщен по дезинтеграту с верхней секцией 21 ферментатора 17. ТФ 13 сообщен ленточным конвейером 51 со сборником 52 компоста /КП/, а камера 7 метанового брожения по шламу сообщена с ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/ 53 и сушилкой 54 биоудобрения /БУ/, а ЦМФ 37 по избыточной биомассе хлореллы и серобактерий сообщен с ЛПФ 55 и сушилкой 56 белково-витаминной добавки /БВД/.

Установка КП СХО работает следующим образом.

СХО из товарной свинофермы 1 гидросмывом и гидросплавом поступают в сборник 2, причем статистически установлена норма СХО 34 л/голову в сутки, причем соотношение углерода к азоту C:N = 8:1. Азот является ингибитором биологической переработки СХО. Для устранения ингибирования в сборник 2 вводят компост /КП/ из ТФ 13. Экспериментально установлено оптимальное соотношение C:N=20:1, подготовленный субстрат последовательно обрабатывают анаэробами: кислотогенами, ацетогенами, ацетогидрогенами...метаногенами в камерах 4-7 метантенка 3. Для изменения pH среды от кислой в камере 4 до щелочной в камере 6 в нее вводят гидрат окиси аммония и двууглекислый аммоний. Заселенность микрофлорой устанавливают в пределах 20 г/м³ путем ввода "затравки" из культиваторов /не показаны/. При пульсации напоров: переход скоростного в статический, статического в скоростной при взаимодействии между уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора 9 и корпуса 10, когда пульсация напоров сопровождается потерями напоров, потерянная энергия напоров переходит в тепловую с нагревом субстрата, т.е. использование диспергаторов позволяет отказаться от специальных встроенных теплообменников в метантенк 3, обеспечивая тепловую стабилизацию процесса сбраживания в пределах, не превышающих колебания температуры одним градусом в сутки, что благотворно сказывается на процесс сбраживания. Термостатирование осуществляется отключением привода диспергаторов 8 от реле температуры /не показаны/. Процесс компостирования в ТФ 13 сопровождается подъемом температуры до 50-70^oC, а это освобождает от необходимости выполнения корпуса метантенка 3 с изоляционным покрытием и позволяет выдерживать одноградусный порог по температуре в условиях изменения температуры воздуха днем и ночью и по временам года. Период генерации //удвоения/ биомассы анаэробов составляет порядка 20-30 минут, отсюда существенным является фактор непрерывности подвода субстрата в метантенк 3 и отвода из него продуктов сбраживания. Использование диспергаторов 8 устраняет коркообразование флотируемых взвесей в верхней части камер 4-7 и оседание минерализованных в нижней, причем диспергаторы 8 устраняют парогазовые оболочки и минерализованный слой на поверхности частиц и создает условия для полного исчерпывания беззольной составляющей СХО. Биогаз через нагнетатель 30 поступает в нижнюю секцию 21 ферментатора 17, а бражка в верхнюю секцию, их потоки перемешиваются в турбинках 23 при выбросе из-под покровных дисков 24 лопастями 25. При ударах смеси о стержни 35 осуществляется разрушение оболочек клеток хлореллы и серобактерий, культивируемых на насадке 33, в виде полых стеклянных шариков, выходу шариков препятствуют выступы 32 переливных труб 31. Хлорелла ассимилирует из биогаза CO₂, а серобактерии - H₂S с построением своей клеточной биомассы. За счет ферментов дезинтеграта, поступающего из ДД 38, происходит разложение воды на водород и кислород и восстановление CO₂ до метана /CH₄/. Под воздействием фермента - гидрогеназы - хлорелла нарабатывает дополнительный водород для процесса ферментолиза. Поступающий из газовой турбины 28 привода СХЭС оксид углерода окисляется до диоксида и затем восстанавливается до CH₄, а тепло выхлопа термостатирует температурный режим в ферментаторе 17. В условиях фотосинтеза через светопроницаемые стенки корпуса 18 от светильников 19 в хлорелле происходит накопление тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ воды до концентраций 0,4-0,6% от веса биомассы. Практически чистый CH₄ отводят через гидравлический затвор 26 в газгольдер 27 для осушки и последующего сжигания в газовой турбине 28 привода электрогенератора 29 СХЭС. Биомассу хлореллы и серобактерий отделяют на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока, в ЦМФ 37, и она поступает через патрубок 40 в ДД 38 и в кольцевом канале 45 подвергается дезинтеграции с ожижением. Одновременно с дезинтеграцией оболочек клеток хлореллы и серобактерий происходит дезинтеграция ассоциатов молекул легкой, тяжелой и сверхтяжелой воды. Тяжелая и сверхтяжелая вода, имеющие плотность, превышающую плотность легкой через отверстия 46 в перфорированном кольце 47, поступают в полость 48, причем их выходу в кольцевой канал 45 препятствует их повышенная вязкость, превышающая вязкость легкой воды. Ассоциаты тяжелой и сверхтяжелой воды отводят из полости 48 по патрубку 49 в сборник 50 для последующего использования в качестве замедлителя быстрых нейтронов в урановых реакторах, а после электролиза дейтерий и тритий могут быть использованы в термоядерных реакторах /ТЯР/. Избыточную биомассу хлореллы и серобактерий отжимают на ЛПФ 55 и после термообработки в сушилке 56 в качестве БВД применяют в птицеводстве и животноводстве из расхода 1 грамм а.с.в. на 1 кг живого веса, наличие до 50% белка и витаминов, в т.ч. витамина B₁₂, сокращает расход обычных кормов на 20%, а расходы на корма составляют 70-90% всех расходов, что сокращает себестоимость производства сельхозпродукции. Шлам из метантенка 3 отжимают в ЛПФ 53 и после термообработки в сушилке 54 используют в качестве биоудобрения /БУ/. В качестве удобрения используют компост /КП/ из сборника 52.

Комплексная переработка сельхозотходов /КП СХО/ снижает за счет реализации дополнительной продукции себестоимость производства яйца, молока, мяса и мясомолочных продуктов. Одновременно улучшается экологическая обстановка вокруг предприятий АПК.

Установка включает сборник сельхозотходов и метантенк с камерами кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, снабженными диспергаторами. Метантенк установлен в помещении, на перекрытии которого размещен твердофазный ферментатор с покрытием из пленки. Камера метанового брожения метантенка сообщена с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками. Корпус ферментатора разделен на секции поперечными перфорированными перегородками. По оси корпуса ферментатора установлен приводной вал с турбинками, размещенными под перфорированными перегородками. Верхняя секция ферментатора соединена с газгольдером и с электростанцией с газовой турбиной и электрогенератором для выработки электроэнергии. Между основными поперечными перфорированными перегородками ферментатора размещены дополнительные поперечные перфорированные перегородки, а нижняя секция ферментатора соединена с центральным микрофильтром. Избыточная биомасса отводится от центробежного микрофильтра на ленточный пресс-фильтр и на сушилку белково-витаминной добавки. Центробежный микрофильтр соединен также с динамическим дезинтегратором, где происходит разрушение оболочек клеток с выделением тяжелой и сверхтяжелой воды. Установка обеспечивает полную переработку сельхозотходов с получением метана, белково-витаминной добавки, биоудобрения, компоста, электроэнергии, тяжелой и сверхтяжелой воды. 2 ил.

Установка комплексной переработки сельхозотходов, включает источник сельхозотходов, например товарную свиноферму, сообщенную со сборником сельхозотходов и метантенком из камер кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде взаимодействующих своими уступчатыми поверхностями ротора и корпуса, причем метантенк установлен в помещении, на перекрытии которого размещен твердофазный ферментатор с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха, а твердофазный ферментатор выполнен с покрытием, например пленкой, при этом камера метанового брожения метантенка по биогазу и бражке сообщена с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, причем корпус выполнен с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, а по оси корпуса ферментатора установлен приводной вал с турбинками в виде покровных дисков с лопатками, причем турбинки размещены под поперечными перфорированными перегородками, а верхняя секция по метану сообщена через гидравлический затвор с газгольдером и с сельхозэлектростанцией из газовой турбины и электрогенератора, причем газовая турбина сельхозэлектростанции сообщена по выхлопу с нагнетателем биогаза в нижнюю секцию ферментатора, отличающаяся тем, что твердофазный ферментатор сообщен по компосту со сборником сельхозотходов для корректировки их по азоту, а поперечные перфорированные перегородки ферментатора выполнены с переливными трубами, концентричными приводному валу с турбинками, причем выступ переливных труб над поперечными перфорированными перегородками образует гидравлический затвор для иммобилизационной насадки в виде полых стеклянных шариков, выходной конец переливных труб размещен в створе покровного диска, лопатки турбинок взаимодействуют со стержнями, свободно подвешенными к нижней поверхности поперечных перфорированных перегородок, между основными поперечными перфорированными перегородками размещены дополнительные поперечные перфорированные перегородки, нижняя секция ферментатора сообщена с центробежным микрофильтром, который по биомассе хлореллы и серобактерий сообщен с динамическим дезинтегратором, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный 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 корпуса динамического дезинтегратора и сообщенную патрубком со сборником тяжелой (D₂О) и сверхтяжелой (Т₂О) воды, а патрубок выхода корпуса динамического дезинтегратора сообщен по дезинтеграту с верхней секцией ферментатора.