УСТАНОВКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬХОЗОТХОДОВ Российский патент 2001 года по МПК C02F1/00 C02F3/00 C02F11/04 C12M1/33 

Изобретение относится к технике биологической переработки (БП) сельхозотходов (СХО), например, ферм крупного рогатого скота /КРС/ в глубинных сельхозрайонах с выработкой дополнительной товарной продукции: метана /CH₄/, белково-витаминной добавки /БВД/, биоудобрения /БУ/, компоста /КП/, электроэнергии /ЭЭ/, тяжелой /D₂O/ воды для снижения стоимости молока, мяса и продуктов из них.

Известна установка БП СХО, включающая ферму КРС, 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 твердофазной 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 сельхозэлектростанцией /СХЭС/ из газовой турбины и электрогенератора /У.Э. Виестур, А.М. Кузнецов, В.В. Савенков. Системы ферментации, Рига, "Зинатне", 1986, с. 18-19, рис. 2.1., 2.2. , 2.3/, недостатком которой является низкое содержание метана /CH₄/ в биогазе, что снижает эффективность работы БП СХО.

Известен ферментатор, включающий корпус с поперечными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, а по оси корпуса установлен приводной вал с турбинками /там же с. 94-96, рис. 5.6./, в котором отсутствуют условия для культивирования сине-зеленых водорослей /СЗВ/, исчерпывающих CO₂ из биогаза для повышения концентрации CH₄.

Известна установка БП СХО, включающая источник СХО, сообщенный с метантенком и по биогазу и бражке с ферментатором, корпус которого выполнен со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, корпус выполнен с ППП, образующими секции, с размещенной на ППП иммобилизационной насадкой в виде полых стеклянных шариков, для культирования на ней сине-зеленых водорослей и серобактерий, ассимилирующих из биогаза диоксид углерода и сероводород в условиях фотосинтеза, причем секции сообщены друг с другом переливными трубами по бражке, а нижняя секция сообщена нагнетателем биогаза с камерой метанового брожения метантенка /патент РФ N 2086812, кл. C 02 F 11/02, 1991/, недостатком которой является небольшой перечень выработки дополнительных продуктов переработки, что снижает эффективность ее работы.

Цель изобретения - повышение эффективности БП СХО достигается тем, что ферментатор сообщен с центробежным микрофильтром, а по биомассе СЗВ и серобактерий с динамическим дезинтегратором /ДД/, включающим корпус из двух сопряженных цилиндров, с общими для них патрубками входа и выхода, установленных по осям корпусов, фрикционно сопряженных роторов с глухими отверстиями в кольцах магнитофоров, взаимодействующих через кольцевой канал с отверстиями в перфорированных кольцах, образующими с корпусами полость, изолированную от патрубков входа и выхода, сообщенную патрубком со сборником тяжелой /D₂O/ воды, а патрубок выхода ДД сообщен по дезинтеграту с верхней секцией ферментатора.

Достижение цели изобретения приведено в описании работы установки БП СХО, схематически показанной на чертеже.

Установка БП 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 в виде взаимодействующих своими уступчатыми поверхностями ротора 9 и корпуса 10, причем метантенк 3 размещен в помещении 11, на перекрытии 12 которого расположен ТФ 13, с каналами 14, сообщенными с нагнетателем 15 воздуха, а ТФ выполнен с покрытием, например пленкой 16, при этом ТФ по компосту сообщен со сборником 2 СХО, а метантенк 3 сообщен по биогазу и бражке с ферментатором 17, включающим корпус 18 со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса 18 светильниками 19, корпус 18 выполнен с ППП 20, образующими секции 21, с размещенной на ППП 20 иммобилизационной насадкой 22 в виде стеклянных полых шариков, для культивирования на ней СЗВ и серобактерий, по оси корпуса 18 размещен приводной вал 23 с установленными на нем турбинками 24 под ППП 20, а секции 21 сообщены друг с другом по бражке переливными трубами 25, концентричными приводному валу 23 своими выступами 26, образующими затвор для иммобилизационной насадки 22, причем нижняя секция 21 сообщена нагнетателем 27 с камерой 7 метанового брожения метантенка 3 и с ЦМФ 28, который по биомассе сообщен с ДД 29, включающим корпус 30 из двух сопряженных цилиндров, с общими для них патрубками 31 - входа, 32 - выхода, установленных по осям корпуса 30, фрикционно сопряженных ротором 33 и 34, с глухими отверстиями 35 в кольцах магнитофоров 36 и 37, взаимодействующих через кольцевой канал 38 с отверстиями 39 в перфорированных кольцах 40 и 41, образующими с корпусом 30 полость 42, изолированную от патрубков 31 и 32, сообщенную патрубком 43 со сборником 44 тяжелой /D₂O/ воды, а патрубок 32 выхода ДД 29 сообщен по дезинтеграту с верхней секцией 21 ферментатора 17. Верхняя секция 21 ферментатора 17 по метану /CH₄/ сообщена через гидравлический затвор 45, газгольдер 46 с СХЭС из газовой турбины 47 и электрогенератором 48. Камера 7 метанового брожения метантенка 3 по шламу сообщена с ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/ 49 и сушилкой 50 биоудобрений /БУ/, а ЦМФ 28 по избыточной биомассе СЗВ и серобактерий сообщен с ЛПФ 51 и сушилкой 52 БВД, а ТФ 13 выполнен с транспортером 53 для отгрузки КП.

Установка БП СХО работает следующим образом.

Навоз КРС гидросмывом и гидросплавом непрерывно поступает с фермы 1 в сборник 2, в котором отделяют растительные компоненты /сено, солому/ и направляют на компостирование в ТФ 13 под пленкой 16 при продувке воздухом из канала 14, подаваемого нагнетателем 15 с подъемом температуры до 50-70^oC. Теплобиологический распад в ТФ 13 термостатирует температуру в помещении 11, в котором установлен метантенк 3. В сборнике 2 стоки корректируют за счет ввода компоста из ТФ 13 из условия, чтобы C:N = 20:1. Стоки последовательно сбраживают в камерах 4-7
ЖИРЫ + H₂O ---> 2CH₄ + CO₂

УГЛЕВОДЫ + H₂O ---> 3CH₄ + 3CO₂
Взвеси измельчают в диспергаторах 8 между уступчатыми поверхностями ротора 9 и корпуса 10 с одновременным нагревом до 33^oC. Колебания температуры не должны превышать одного градуса в сутки, что достигается отключением приводов диспергаторов 8 от реле температуры /на чертеже не показаны/. Для корректировки по азоту в камере 7 вводят углекислый аммоний, который позволяет изменять pH от 4,5-5 для камеры 4 до pH 7,2-7,6 в камере 7, т.е. от кислой к щелочной среде. Вся сбраживаемая органика превращается в CH₄ и CO₂.

Для исчерпывания CO₂ из биогаза используют сине-зеленые водоросли /СЗВ/ в ферментаторе 17, которые культивируют на иммобилизационной насадке 22 из полых стеклянных шариков, которые отражают свет от светильников 19 в глубину слоя СЗВ. Бражка из вышележащих секций 21 переходит на нижележащие по переливным трубам 25, причем распыливается в смеси с биогазом турбинками 24. Биогаз из метантенка 3 прокачивается нагнетателем 27 через ППП 20 и слой насадки 22. За счет иммобилизации /прилипания/ СЗВ к насадке 22 происходит популяционное развитие наиболее производительных особей СЗВ и отмирание непродуктивных /автоселекция/. Одновременно в СЗВ вырабатывается способность использовать продукты жизнедеятельности /метаболиты/ вышележащих особей в качестве источников питания микрофлорой нижележащих секций 21 /сукцессия/. Ферменты дезинтеграта, поступающего из ДД 29, обеспечивают разложение воды 2H₂O ---> 2H₂ + O₂, причем водород восстанавливает диоксид углерода до метана CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ + 2H₂O.

Дополнительный водород вырабатывают СЗВ воздействием фермента гидрогеназы на пигмент белка хлорофилла. За счет ферментолиза масса CH₄ на 20-30% превышает массу распада беззольной органики.

Сероводород окисляется кислородом ферментного разложения воды и исчерпывается серобактериями. Практически чистый CH₄ поступает через гидравлический затвор 45 в газгольдер 46 и сжигается в газовой турбине 47 привода электрогенератора 48. Выхлоп /CO₂ + H₂O/ возвращается в ферментатор 17 для восстановления и термостатирования процессов, ферментолиза, исчерпывания, фотосинтеза.

Биомассу СЗВ и серобактерий отделяют в ЦМФ 28 на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока, и она поступает через патрубок 31 в ДД 29 для обработки в кольцевом канале 38. При выбросе субстрата из отверстий 35 между днищем отверстия 35 и жидкостным поршнем возникает разрежение, появляются пузырьки пара, которые конденсируются в кольцевом канале 38 с образованием пустот, так как объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, из которого он образовался. Центрами конденсации являются СЗВ, оболочки клеток которых разрушаются при схлопывании пустот. В процессе фотосинтеза СЗВ накапливают в себе тяжелую /D₂O/ воду до концентраций 0,4-0,6%, которая освобождается при дезинтеграции оболочек клеток СЗВ. Плотность D₂O на 10% выше плотности легкой /H₂O/ и в поле центробежных сил она вытесняется через отверстия 39 в перфорированном кольце 40 и 41 в полость 42, выходу ее оттуда препятствует вязкость D₂O на 23%, превышающая вязкость H₂O. D₂O через патрубок 43 отводят в сборник 44. Дезинтеграт СЗВ и серобактерий через патрубок 32 отводят в ферментатор 17, в котором биологические компоненты /нуклеиновые кислоты, витамины, особенно витамин B₁₂, микроэлементы, ферменты, особенно гидрогеназа, участвуют в фотосинтезе/. Избыточную биомассу СЗВ и серобактерий отжимают на ЛПФ 51 и после термообработки в сушилке 52 используют в качестве БВД. При расходе 1 грамм а.с.в. на 1 кг живого веса животных и птицы сокращается расход основных кормов на 20%, а расходы на корма составляют 70-90% всех расходов в животноводстве и птицеводстве. Использование БВД - это 50% белка, витамины, биостимуляторы - повышает яйценоскость, надои молока, привесы мяса. Углеводороды характеризуются отношением H/C, для метана оно 4, для сравнения у бензина - 2,2, у дизтоплива - 1,5, у угля - 1. Перевод двигателей внутреннего сгорания /ДВС/ с бензина на CH₄ повышает межремонтный ресурс ДВС в 2 раза, на 15% сокращается расход смазочных материалов, выхлоп становится экологически чистым. D₂O - это ценный и дефицитный продукт в атомной энергетике - замедлитель быстрых нейтронов. Перевод атомных реакторов с обычной воды на тяжелую повышает продолжительность использования атомного горючего в 1,5-2 раза, причем в Канаде реакторы работают только на тяжелой воде. Биологическая переработка СХО с выработкой дополнительной товарной продукции снижает стоимость производства яйца, молока, мяса и мясо-молочной продукции.

Установка содержит сборник сельхозотходов и соединенный с ним метантенк с камерами кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, снабженными диспергаторами. Камера метанового брожения сообщена с ферментатором, имеющим корпус и светопроницаемые стенки. С внешней стороны стенок корпуса размещены светильники. Корпус ферментатора разделен поперечными перфорированными перегородками на секции. На перфорированных перегородках размещены стеклянные полые шарики для культивирования сине-зеленых водорослей, перерабатывающих отходы. Секции сообщены друг с другом переливными трубами. Метан из верхней секции ферментатора направляется через гидравлический затвор в газгольдер и на газовую турбину привода электрогенератора, обеспечивающего выработку электроэнергии. Нижняя секция ферментатора через центробежный микрофильтр соединена с ленточным пресс-фильтром и сушилкой белково-витаминной добавки, получаемой при обработке избыточной биомассы сине-зеленых водорослей. Нижняя секция ферментатора через микрофильтр соединена также с динамическим дезинтегратором, включающим корпус из двух сопряженных цилиндров и установленных в нем двух фрикционно-сопряженных роторов. В дезинтеграторе происходит разрушение клеток сине-зеленых водорослей, а накопленная в них тяжелая вода через патрубок отводится в сборник. Установка обеспечивает переработку сельхозотходов и получение дополнительной товарной продукции - метана, компоста, белково-витаминных добавок и тяжелой воды. 1 ил.

Установка биологической переработки сельхозотходов, включающая источник сельхозотходов, например ферму крупного рогатого скота, сообщенную со сборником сельхозотходов и метантенком из камер кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде взаимодействующих уступчатыми поверхностями ротора и корпуса, причем метантенк размещен в помещении, на перекрытии которого расположен твердофазный ферментатор с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха, а твердофазный ферментатор выполнен с покрытием, например пленкой, при этом твердофазный ферментатор по компосту сообщен со сборником сельхозотходов, а метантенк сообщен по биогазу и бражке с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, корпус выполнен с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, с размещенной на поперечной перфорированной перегородке иммобилизационной насадкой в виде полых стеклянных шариков для культивирования на ней сине-зеленых водорослей и серобактерий, по оси корпуса размещен приводной вал с установленными на нем турбинками под поперечными перфорированными перегородками, а секции сообщены друг с другом по бражке переливными трубами, концентричными приводному валу и своими выступами образующими затвор для иммобилизационной насадки, причем нижняя секция сообщена нагнетателем с камерой метанового брожения метантенка и с центробежным микрофильтром, который по биомассе сообщен с динамическим дезинтегратором, отличающаяся тем, что динамический дезинтегратор выполнен в виде корпуса из двух сопряженных цилиндров с общими для них патрубками входа и выхода, установленных по осям корпуса, фрикционно сопряженных роторов с глухими отверстиями в кольцах магнитофоров, взаимодействующих через кольцевой канал с отверстиями в перфорированных кольцах, образующими с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода, сообщенную патрубком со сборником тяжелой (D₂О) воды, а патрубок выхода динамического дезинтегратора сообщен по дезинтеграту с верхней секцией ферментатора.