УСТАНОВКА КОМПЛЕКСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ СЕЛЬХОЗОТХОДОВ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА Российский патент 2001 года по МПК C02F3/00 C02F11/04 

Изобретение относится к технике комплексной утилизации /КУ/ сельхозотходов /СХО/ крупного рогатого скота /КРС/ и может быть использовано на товарных фермах АПК для снижения себестоимости производства молока, мяса и мясомолочной продукции за счет расширения выработки метана /CH₄/, белково-витаминной добавки /БВД/, биоудобрений /БУ/, компоста /КП/, тепла и электроэнергии на сельхозэлектростанциях /СХЭС/, тяжелой /Д₂О/ и сверхтяжелой /Т₂О/ воды для термоядерных реакторов /ТЯР/.

Известна установка КУ СХО КРС, включающая источник СХО, например товарную животноводческую ферму, сообщенную со сборником СХО и метантенком в виде камер: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами, состоящими из взаимодействующих своими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, причем камера метанового брожения метантенка по биогазу сообщена через гидравлический затвор, газгольдер с СХЭС, состоящей из газовой турбины и электрогенератора /с. 18-19, рис. 2.2, 2.3. У. Э. Виестур, А. М. Кузнецов, В. В. Савенков. Системы ферментации, Рига, "Зинатне", 1986/, недостатком которой является низкая концентрация метана /CH₄/ в биогазе, порядка 65-75%.

Известна установка КУ СХО КРС, включающая ферму КРС, сборник СХО, метантенк, сообщенный с ферментатором в виде корпуса со светопроницаемыми стенками, размещенными с внешней стороны корпуса светильниками, установленными в корпусе поперечными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции, сообщенные друг с другом по бражке переливными трубами, прочем на ППП размещена иммобилизационная насадка в виде полых стеклянных шариков, верхняя секция ферментатора сообщена со сборником метана /CH₄/, а нижняя с нагнетателем биогаза в корпус ферментатора /патент РФ N 2068812, кл. C 02 F 11/02, 1991/, недостатком которой являются тепловые потери корпусом метантенка, снижающие эффективность сбраживания СХО.

Известна установка КУ СХО КРС, включающая метантенк, установленный в помещении, выполненном в грунте, перекрытия помещения плитами, на которых размещен твердофазный ферментатор с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха, причем твердофазный ферментатор выполнен с покрытием, например пленкой /патент РФ N 2102468, кл. C 12 M 1/00, 1992/, в которой не используют компост в качестве добавки в СХО для установления соотношения углерод:азот = 20: 1. Высокое содержание азота ингибирует жизнедеятельность микроорганизмов в установке, что снижает эффективность ее работы по комплексной утилизации с выработкой ассортимента дополнительной товарной продукции.

Цель изобретения - повышение эффективности работы КУ СХО КРС с выработкой ассортимента товарной продукции, достигается тем, что твердофазный ферментатор по компосту сообщен со сборником СХО КРС для корректировки СХО по азоту, ферментатор сообщен с центробежным микрофильтром /ЦМФ/, а по биомассе хлореллы и серобактерий - с динамическим дезинтегратором /ДД/, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный по оси корпуса ротор с кольцом магнитофора с выполненными в кольце магнитофора глухими отверстиями, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующем с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода и сообщенную патрубком со сборником тяжелой /Д₂О/ воды,
а патрубок выхода корпуса ДД сообщен с раструбом улитки, плоская часть которой сообщена с трубой, установленной перпендикулярно к плоскости улитки, с размещенной в полости трубы плоской спиралью, причем труба сообщена с верхней секцией ферментатора, камера метанового брожения метантенка по биогазу и бражке сообщена с ферментатором следующей ступени установки с ЦМФ, а по биомассе хлореллы и серобактерий - со следующей ступенью ДД и сборником сверхтяжелой /Т₂О/ воды, причем количество последующих ступеней ферментаторов и ДД определено преимущественным преобладанием сверхтяжелой воды /Т₂О/ воды над тяжелой /Д₂O/ водой.

Хлорелла исчерпывает из биогаза CO₂, используя его для построения клеточного вещества биомассы в условиях фотосинтеза на биогенных компонентах бражки, а серобактерии исчерпывают сероводород, превращая его после окисления в микроэлемент - серу. Полиферментная система хлореллы разлагает воду на водород и кислород.

2H₂O ---> 2H₂ + O₂,
причем водород восстанавливает CO₂ до метана
CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ +2H₂O.

По результатам ферментолиза количество метана по массе на 20-30% превышает массу распада беззольной органики.

В процессе жизнедеятельности фермент хлореллы гидрогеназа воздействует на пигмент белка хлорофилла в качестве катализатора выработки им водорода: хлорелла ---> H₂, который участвует в ферментолизе по наращиванию массы метана.

Хлорелла накапливает в себе тяжелую /Д₂O/ и сверхтяжелую /Т₂О/ воду, при коэффициенте накопления К_н = 10⁷ - 10⁹ концентрация смеси Д₂0 и Т₂О составляет порядка - 0,4-0,6% от массы хлореллы.

Отделение ассоциатов молекул тяжелой и сверхтяжелой воды осуществляют в поле центробежных сил, основываясь на разнице в плотности: тяжелая вода на 10%, а сверхтяжелая - на 33% тяжелее легкой /H₂O/. Выходу тяжелой и сверхтяжелой воды из полости препятствует вязкость, например вязкость тяжелой воды на 23% превышает вязкость легкой.

Температура кипения тяжелой воды 101,42^oC, а сверхтяжелой - 104^oC, следовательно, они труднее испаряются и лучше конденсируются в сравнении с легкой водой, т.е. динамическая дезинтеграция ассоциатов молекул тяжелой и сверхтяжелой воды дополняется статической, причем нагрев воды осуществляют за счет тепла, выделяющегося при пульсации скоростных и статических напоров в дезинтеграторе, диссипации энергии при трении струй в улитке и между витками плоской спирали. При переходе воды из раструба в плоскую часть улитки и из плоской части в трубу, перпендикулярную плоскости улитки, происходит жидкостная экструзия - дезинтеграция дросселированием. Дезинтеграция клеток хлореллы и серобактерий сопровождается освобождением внутриклеточной жидкости, т. е. ожижением биомассы, одновременно за счет белковых включений происходит перестройка ассоциатов молекул води в линейные цепи макромолекул, сообщающих воде скользкость - повышенную текучесть, что практически в 2 раза увеличивает скорость заполнения и опорожнения отверстий ротора, способствует появлению в глухих отверстиях ротора пузырьков пара, конденсации пузырьков пара, образованию пустот, их схлопыванию с разрушением клеток хлореллы и серобактерий до фрагментов, причем клетки и фрагменты клеток являются центрами конденсации. Воздействие магнитного поля магнитофора кольца ротора приводит к перераспределению молекул воды по временным ассоциативным образованиям, способствующим дезинтеграции ассоциатов молекул легкой, тяжелой и сверхтяжелой воды.

На фиг. 1 чертежа схематически показана установка КУ СХО КРС; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Установка КУ СХО КРС включает источник СХО, например товарную животноводческую ферму 1, сообщенную со сборником 2 СХО и метантенком 3 в виде камер: 4 - кислого, 5 - нейтрального, 6 - щелочного, 7 - метанового брожения, снабженных диспергаторами 8, состоящими из взаимодействующих своими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора 9 и корпуса 10, причем камера метанового брожения 7 по биогазу и бражке сообщена с ферментатором 11 в виде корпуса 12 со светопроницаемыми стенками, размещенными с внешней стороны стенок корпуса 12 светильниками 13, установленными в корпусе 12 поперечными перфорированными перегородками /ППП/ 14, образующими секции 15, сообщенные друг с другом по бражке переливными трубами 16, причем на ППП 14 размещена иммобилизационная насадка 17 в виде полых стеклянных шариков, верхняя секция 15 ферментатора 11 сообщена со сборником 18 метана /CH₄/, а нижняя секция 15 - с нагнетателем 19 биогаза в корпус 12 ферментатора 11, причем метантенк 3 установлен в помещении 20, выполненном в грунте 21 с перекрытием помещения 20 плитами 22, на которых размещен твердофазный ферментатор 23 с каналами 24, сообщенными с нагнетателем 25 воздуха, а твердофазный ферментатор 23 выполнен с покрытием, например пленкой 26.

Твердофазный ферментатор по компосту /КП/ сообщен со сборником 2 СХО для корректирования СХО по азоту, ферментатор 11 сообщен с центробежным микрофильтром /ЦМФ/ 27, а по биомассе хлореллы и серобактерий с динамическим дезинтегратором /ДД/ 28, включающим корпус 29 с патрубком 30 - входа и патрубком 31 - выхода, установленный по оси корпуса 29 ротор 32 с кольцом магнитофора 33 с выполненными в кольце магнитофора 33 глухими отверстиями 34, взаимодействующими через кольцевой канал 35 с отверстиями 36 в перфорированном кольце 37, образующем с корпусом 29 полость 38, изолированную от патрубков 30 и 31 и сообщенную патрубком 39 со сборником 40 тяжелой /Д₂О/ воды, а патрубок 31 выхода корпуса 29 ДД 28 сообщен с раструбом 41 улитки 42, плоская часть 43 которой сообщена с трубой 44, установленной перпендикулярно к плоскости 43 улитки 42, с размещенной в полости трубы 44 плоской спиралью 45, причем труба 44 сообщена с верхней секцией 15 ферментатора 11, камера 7 метантенка 3 по биогазу и бражке сообщена с ферментатором 45 следующей ступени установки КУ СХО КРС с ЦМФ 46, а по биомассе хлореллы и серобактерий со следующей ступенью ДД 47 и сборником 48 сверхтяжелой /Т₂О/ воды, причем количество последующих ступеней ферментаторов 45, ЦМФ 46, ДД 47 определяют преимущественным преобладанием сверхтяжелой /Т₂О/ над тяжелой /Д₂О/ водой.

Сборник 2 СХО снабжен цепной соломотаской 49. Камера 7 метанового брожения метантенка 3 сообщена по шламу с ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/ 50 и сушилкой 51 биоудобрения /БУ/. ЦМФ 27 по избыточной биомассе сообщен с ЛПФ 52 и сушилкой 53 белково-витаминной добавки /БВД/, а также ЦМФ 46 по избыточной биомассе сообщен с ЛПФ 54 и сушилкой 55 БДД.

Установка КУ СХО КРС работает следующим образом.

Навоз с товарной фермы 1 КРС гидросмывом и гидросплавом поступает в сборник 2, в котором его освобождают от включений сена, соломы и других растительных остатков, которые направляют в твердофазный ферментатор /ТФ/ 23. При продувке воздухом из нагнетателя 25 происходит распад, который сопровождается подъемом температуры под пленкой 26 до 50-70^oC. Тепло процесса компостирования термостатирует через перекрытие 22 воздух в помещении 20 и процессы сбраживания в метантенке 3. Особенностью СХО КРС является избыточное наличие азота, т.е. C : N = 8 : 1. Для устранения ингибирования /угнетения/ микрофлоры азотом в сборнике 2 осуществляют корректировку по углероду за счет ввода в СХО компоста из ТФ 23 в сборник 2 с доведением соотношения C : N = 20 : 1. После корректировки СХО поступают для сбраживания в ферментатор 3, в котором подвергаются воздействию кислотогенов, ацетогенов, ацетогидрогенов ... метаногенов. Для изменения pH среды от кислой в камере 4 до щелочной в камере 7 в камеру 6 щелочного брожения дополнительно вводят гидрат окиси аммония и двууглекислый аммоний. Особенностью процесса сбраживания является потребность в стабильности температуры в камерах 4 - 7, колебания температуры не должны превышать одного градуса в сутки при температуре бражки 30 - 40^oC, предпочтительно 36^oC.

Температурное термостатирование выполняется нагревом бражки диспергаторами 8 за счет пульсации напоров между ротором 9 и корпусом 10 путем отключения привода диспергатора 8 от реле температуры /на чертеже не показаны/. Концентрация микроорганизмов в камерах 4 - 7 устанавливается в пределах 20 г/м³ путем ввода "затравки" из культиваторов /на чертеже не показаны/. За счет иммобилизации /прилипания/ микрофлоры к взвесям происходит пространственная сукцессия биокатализаторов - продукты жизнедеятельности /метаболиты/ микроорганизмов населяющих предыдущие камеры служат источниками питания для микрофлоры последующих.

В процессе жизнедеятельности микрофлора выделяет паровые и газовые метаболиты, которые флотируют взвеси в парогазовую полость, занимающую 1/5 часть объема метантенка 3. Для устранения флотационного эффекта взвеси диспергаторами 8 забирают в верхней части камер 4 - 7 и после обработки выбрасывают в нижнюю часть камер метантенка 3. Одновременно с разрушением парогазовых оболочек происходит разрушение частиц взвесей до размеров, сопоставимых с размерами микрофлоры. Шлам из камеры 7 метанового брожения отводят для обезвоживания в ЛПФ 50 и после сушки в сушилке 31 получают высокоэффективное биоудобрение /БУ/, имеющее запах свежей земли. Концентрация метана в биогазе не превышает 65-75%, что недостаточно для использования его в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания /ДВС/. Для исчерпывания CO₂ и H₂S биогаз нагнетателем 19 продувают через ППП 14 с размещенной на них насадкой 17 и через ферментатор 11. На насадке 17 хлорелла исчерпывает CO₂, а серобактерии - сероводород.

За счет ввода дезинтеграта, содержащего до 45% углерода, 11% азота, 5% фосфора, из ДД 28 хлорелла и серобактерии обеспечиваются биогенными элементами питания. Одновременно с дезинтегратом в ферментатор 11 поступают полиферменты, которые разлагают воду на водород и кислород. Водород восстанавливает диоксид углерода до метана, а кислород окисляет сероводород до элементарной серы. По результатам ферментолиза масса метана на 20-30% превышает массу распада беззольной органики. Использование насадки в виде стеклянных полых шариков повышает глубину фотосинтезирующего слоя бражки путем отражения света от светильников 18, к тому же стекло не подвержено биообрастанию и способно освобождаться от иммобилизационной пленки в процессе эксплуатации, в том числе от старых и мертвых клеток хлореллы и серобактерий.

За счет иммобилизации на насадке 17 популяционно среди хлореллы и серобактерий появляются продуктивные особи, т.е. автоселекция. В автоселекции участвуют мутанты, появление которых обусловлено наличием ассоциатов сверхтяжелой /Т₂О/ воды, обладающей радиоактивностью, освобождаемых в ДД 28. Среди ферментов, поступающих из ДД 28 с дезинтегратом, - гидрогеназа, воздействует на пигмент белка хлорофилла хлореллы, т.е. является биокатализатором фотосинтеза водорода. За счет исчерпывания диоксида углерода и сероводорода из биогаза в газосборник /газгольдер/ 18 через гидравлический затвор 56 отводят практически чистый метан /CH₄/, который используют в качестве горючего в СХЭС, состоящей из газовой турбины 57 и электрогенератора 58, с выработкой, электроэнергии /ЭЭ/.

Выхлоп газовой турбины 58, содержащий диоксид углерода и водяные пары, направляют в ферментатор 11 для восстановления и теплостабилизации процессов. Вода со взвешенными в ней старыми и отмершими клетками хлореллы и серобактерий поступает в ЦМФ 27, в котором на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электрического тока, происходит отделение биомассы, которая поступает в ДД 28 через патрубок 30 входа и обрабатывается в кольцевом канале 35.

При выбросе биомассы под действием центробежной силы между днищем глухих отверстий 34 и жидкостным поршнем возникает разрежение и в перемещающемся по глухому отверстию 34 жидкостном поршне возникают пузырьки пара, которые конденсируются в кольцевом канале 35, так как объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, из которого он образовался, в кольцевом канале 35 возникают пустоты, которые схлопываются с гидравлическими ударами. Центрами конденсации являются клетки хлореллы и серобактерий, их оболочки разрушаются и содержимое выливается с ожижением биомассы. Белки хлореллы и серобактерий вызывают перестройку ассоциатов молекул воды с образованием линейных макромолекул. Перестройка ассоциатов приводит к повышению скользкости воды практически в 2 раза. Увеличивается скорость перемещения биомассы в кольцевом канале, скорость заполнения и опорожнения отверстий 34.

При перемещении биомассы по кольцевому каналу 35 над отверстиями 36 возникает разрежение с образованием пузырьков пара, который конденсируется в промежутках между отверстиями 36 с образованием пустот, их схлопыванием и дезинтеграцией. Ротор 32 выполнен с кольцом 33 магнитофора из каучука с ферромагнитным наполнителем и наведением магнитного поля магнитофором - индуктором. Кольцо 33 магнитофора воздействует непосредственно на структуру ассоциатов воды и их перераспределение по временным ассоциативным образованиям в виде ассоциатов легкой, тяжелой и сверхтяжелой воды. Разрушение водородных связей ассоциатов происходит под воздействием разности в плотности легкой, тяжелой и сверхтяжелой воды в поле центробежных сил, создаваемых ротором 32.

Ассоциаты тяжелой и сверхтяжелой воды поступают в полость 38 через отверстия 36 в перфорированном кольце 37, вытесняя оттуда легкую воду, имеющую низкую вязкость в сравнении с тяжелой и сверхтяжелой водой. Дезинтеграт из кольцевого канала 35 отводят через патрубок выхода 31 в улитку 42, в которой происходит жидкостная экструзия - дроссилирование в раструбе 41 и плоской части 43 улитки 42.

При перемещении биомассы между витками спирали 45 в трубе 44 дезинтеграция обусловлена большими скоростными градиентами, разрушающими микроорганизмы до фрагментов клеток, что облегчает последующее использование дезинтеграта в качестве биогенного питания в ферментаторе 11. Практически дезинтеграция заканчивается в ферментаторе 11 и ДД 28. В ферментаторе 45 и ДД 47 осуществляют выработку сверхтяжелой воды в сборник 48 для последующего использования трития в термоядерных реакторах /ТЯР/. При распаде смеси водорода и дейтерия в ТЯР температура плазмы должна быть порядка миллиарда градусов, для дейтерия порядка - ста миллионов, а для трития - существенно ниже, что достижимо в ТЯР настоящего поколения, изготовленных в РФ, Японии, США. Из ферментатора 45 в газосборник /газгольдер/ 18 отбирают метан /CH₄/.

Углеводородное топливо характеризуется отношением H/C и для метана оно равно 4, для сравнения у бензина - 2,2, для керосина - 2, для угля - 1. Отсюда метан - заменитель горючего в ДВС автотранспорта и керосина в авиации. При использовании метана в автотранспорте ресурс ДВС между ремонтами возрастает в 2 раза, расход смазочных материалов снижается на 15%. Плотность метана в 2 раза ниже плотности керосина. Перевод авиации с керосина на метан уменьшает взлетный вес, увеличивает грузовую нагрузку, дальность полетов. По результатам КУ СХО КРС получают после ЛПФ 52 и 54, сушилок 53 и 55 белково-витаминную добавку /БВД/ применение которой из расчета 1 грамм а.с.в. на 1 кг живого веса животных и птицы сокращает расход основных кормов на 20%, а расходы на корма составляют 70-90% всех расходов в животноводстве и птицеводстве, одновременно повышается выход основной сельхозпродукции, снижается ее себестоимость.

Изобретение относится к технике биологической переработки сельхозотходов и может быть использовано на фермах крупного рогатого скота для утилизаци отходов с выработкой метана, белково-витаминной добавки, биоудобрений, компоста, тепла и электроэнергии. Установка содержит связанный со сборником сельхозотходов метантенк, камеры которого снабжены диспергаторами. Камера метанового брожения метантенка по биогазу и бражке сообщена с ферментатором, корпус которого разделен на секции поперечными перфорированными перегородками, на которых размещена иммобилизационная насадка в виде полых стеклянных шариков. Верхняя секция ферментатора соединена с газосборником метана, а нижняя секция - с нагнетателем биогаза. Ферментатор связан с центробежным микрофильтром, а по биомассе хлореллы и серобактерий - с динамическим дезинтегратором, по оси корпуса которого установлен ротор с кольцом магнитофора, имеющим глухие отверстия, взаимодействующие через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующем с корпусом полость, сообщенную со сборником тяжелой воды. Выходной патрубок динамического дезинтегратора связан с верхней секцией ферментатора. Камера метанового брожения метантенка по биогазу и бражке сообщена с ферментатором следующей ступени установки с центробежным микрофильтром, а по биомассе хлореллы и серобактерий - со следующей ступенью динамических дезинтеграторов и сборником сверхтяжелой воды. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы установки за счет расширения ассортимента вырабатываемой при утилизации сельхозотходов дополнительной продукции. 2 ил.

Установка комплексной утилизации сельхозотходов крупного рогатого скота, включающая источник сельхозотходов, например товарную животноводческую ферму, сообщенную со сборником сельхозотходов, метантенком в виде камер: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами, состоящими из взаимодействующих своими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, причем камера метанового брожения по биогазу и бражке сообщена с ферментатором в виде корпуса со светопроницаемыми стенками, размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, установленными в корпусе поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом по бражке переливными трубами, при этом на поперечных перфорированных перегородках размещена иммобилизационная насадка в виде полых стеклянных шариков, верхняя секция ферментатора сообщена с газосборником (газгольдером) метана (CH₄), а нижняя секция - с нагнетателем биогаза в корпусе ферментатора, метантенк установлен в помещении, выполненном в грунте с перекрытием помещения плитами, на которых размещен твердофазный ферментатор с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха, причем твердофазный ферментатор выполнен с покрытием, например пленкой, отличающаяся тем, что твердофазный ферментатор по компосту сообщен со сборником сельхозотходов для корректирования сельхозотходов по азоту, ферментатор сообщен с центробежным микрофильтром, а по биомассе хлореллы и серобактерий - с динамическим дезинтегратором, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный по оси корпуса ротор с кольцом магнитофора с выполненными в кольце магнитофора глухими отверстиями, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующем с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода и сообщенную патрубком со сборником тяжелой (Д₂O) воды, при этом патрубок выхода корпуса динамического дезинтегратора сообщен с раструбом улитки, плоская часть которой сообщена с трубой, установленной перпендикулярно плоскости улитки, с размещенной в полости трубы плоской спиралью, причем труба сообщена с верхней секцией ферментатора, камера метанового брожения метантенка по биогазу и бражке сообщена с ферментатором следующей ступени установки комплексной утилизации сельхозотходов крупного рогатого скота с центробежным микрофильтром, а по биомассе хлореллы и серобактерий - со следующей ступенью динамических дезинтеграторов и сборником сверхтяжелой (T₂O) воды, при этом количество последующих ступеней ферментаторов, центробежных микрофильтров, динамических дезинтеграторов, определено преимущественным преобладанием сверхтяжелой (T₂O) воды над тяжелой (Д₂O) водой.