БИОФИЛЬТР АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА Российский патент 2001 года по МПК C12M1/00 

Изобретение относится к технике комплексной биологической утилизации сельхозотходов и может быть использовано на фермах крупного рогатого скота с выработкой дополнительной товарной продукции: биометана, белково-витаминной добавки, тяжелой и сверхтяжелой воды, компоста, энергии для снижения себестоимости производства молока, мяса и мясо-молочной продукции.

Известен биофильтр агропромышленного комплекса, включающий корпус со светопроницаемыми стенками, расположенную внутри корпуса плоскую светопроницаемую спираль и размещенные с внешней стороны корпуса светильники (с. 120, рис. 5, 7, С.В.Яковлев и др. Биологическая очистка производственных сточных вод. М., 1985), недостатком которого является невысокая продуцирующая способность фотосинтеза при очистке бражки и исчерпывании CO₂ и H₂ из биогаза метантенка, что снижает эффективность его работы.

Цель изобретения - повышение эффективности работы достигается тем, что спираль установлена на приводном валу, ее нижняя поверхность и торцы имеют пучки стекловолокон, причем пучки стекловолокон на торцах спирали размещены с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью стенки корпуса, а вал снабжен приводом и установлен на упругой опоре с возможностью взаимодействия с вибратором, при этом корпус биофильтра выполнен из стеклопластика и имеет в верхней части ороситель бражки и патрубок отвода метана, а в нижней части - патрубок ввода биогаза нагнетателем и патрубок, снабженный с центробежным микрофильтром.

Выполнение корпуса и спирали из светопроницаемого материала, например стеклопластика, позволяет выполнять фотосинтетическое наращивание биомассы хлореллы и бактерий, исчерпывающих из биогаза диоксид углерода и сероводород, а пучки стекловолокон на нижней поверхности и на торцах спиралей увеличивают контакт биогаза с бражкой и являются элементами прилипания хлореллы и бактерий, а установка приводного вала на упругой опоре, взаимодействующей с вибратором, позволяет освобождать биопленку на поверхностях прилипания от старых и мертвых клеток микроорганизмов, т.е. осуществляется выполнение цели изобретения - повышение эффективности работы.

На фиг. 1 схематически показан биофильтр в установке биоутилизации сельхозотходов товарной фермы крупного рогатого скота; на фиг. 2 - узел 1 на фиг. 1.

Биофильтр агропромышленного комплекса /АПК/ включает корпус со светопроницаемыми стенками, расположенную внутри корпуса 1 плоскую светопроницаемую спираль 3 и размещенные с внешней стороны корпуса 1 светильники 2. Спираль установлена на приводном валу 4, ее нижняя поверхность и торцы имеют пучки 5 стекловолокон, причем пучки 6 световолокон на торцах спирали 3 размещены с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью стенки корпуса 1, а вал 4 снабжен приводом 7 и установлен на упругой опоре 8 с возможностью взаимодействия с вибратором 9, при этом корпус 1 биофильтра выполнен из стеклопластика и имеет в верхней своей части ороситель 10 бражки и патрубок 11 ввода биогаза нагнетателем 12 и патрубок 15, сообщенный с центробежным микрофильтром /ЦМФ/ 16. Патрубок 13 отвода метана /CH₄/ сообщен с газосборником 17, размещенным над твердофазным ферментатором /ТФФ/ 18, включающим покрытие 19, герметизирующее объем ТФФ 18, с каналами 20 подвода воздуха от нагнетателя 21, оросителем 22 шлама, загрузочным питателем 23 и разгрузочным питателем 24. ТФФ 18 установлен на перекрытии 25 помещения 26 метантенка 14, включающего камеры брожения: 27 - кислого, 28 - нейтрального, 29 - щелочного, 30 - метанового, снабженные диспергаторами 31, выполненными в виде взаимодействующих уступчивыми цилиндрическими поверхностями ротора 32 и корпуса 33. Разгрузочный питатель 24 сообщен по компосту /КП/ со сборником 34 сельхозотходов /СХО/, поступающих из товарной фермы 35 крупного рогатого скота /КРС/. ЦМФ 16 сообщен по биомассе хлореллы и бактерий с динамическим дезинтегратором /ДД/ 36, включающим корпус 37 с патрубками: 38 - входа, 39 - выхода, установленный по оси корпуса 37 ротор 40 с глухими отверстиями 41 в кольце магнитофора 42, взаимодействующими через кольцевой канал 43 с отверстиями 44 в перфорированном кольце 45, образующим с корпусом 37 полость 46, изолированную от патрубков 38 и 39, сообщенную патрубком 47 со сборником 48 смеси обычной и тяжелой воды. Патрубком 39 ДД 36 сообщен с оросителем 10 корпуса 1 биофильтра по дезинтеграту, а по избыточному дезинтеграту сообщен с сушилкой 49 белково-витаминной добавки /БВД/. Сборник 48 смеси обычной и тяжелой воды сообщен через гидравлический затвор 50 с ректификационной колонной /РК/ 51, включающей поперечные перфорированные перегородки /ППП/ 52, образующие секции 53, сообщенные друг с другом переливными трубами 54. Причем верхняя секция 53 по пару обычной воды сообщена с дефлегматором 55, а по флегме /конденсату/ обычной воды через гидравлический затвор 56 с РК 51, а нижняя секция 53 по тяжелой воде сообщена с теплообменником 57 и переточной трубой 58, с которой достыкован сборник 59 сверхтяжелой /T₂O/, смесь тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ состыкована со сборником 60, реактора-размножителя 61 трития, во внутренней полости 62 которого установлены электроды 63 и 64, сообщенные с конденсаторной батареей 65, а концентрично оси между электродами 63 и 64 установлен бланкетный теплообменник 66, включающий обечайки: 67 - литиевую, 68 - берилливую и 69 - графитовую, сообщенные контуром охлаждения 70 с сепаратором 71 и по пару с паровой турбиной 72 привода электрогенератора 73 и по обработанному пару с конденсатором 74 и РК 75, сообщенной со сборником 76 тритиевой воды. Во внутренней полости 62 реактора-размножителя 61 установлены дуговые электроды 77 и 78, с возможностью перемещения навстречу друг другу, сообщенные с источником электрода /на чертеже не показаны/. Электроды 77 и 78 выполнены с впрессованным в них порошкообразным литием. Стык между электродами 77 и 78 размещен напротив отверстия 79 в торцевой стенке сборника 60, которое взаимодействует по впрыскам плунжерного насоса 80 при контакте с упором 81. Плунжерные насосы смонтированы концентрично в диске 82 на приводном валу 83. На противоположной торцевой стенке реактора-размножителя 61 выполнен диск 84 с концентричными отверстиями 85 относительно электрода 63, сообщаемыми с отверстием 86 полой приводной ступицы 87, сообщенной с конденсатором 88 и по конденсату смеси тяжелой и сверхтяжелой воды со сборником 60, по не конденсирующему гелию /He/ со сборником 89 /He/.

Биофильтр АПК в установке КБУ СХО работает следующим образом. Поступающий из товарной фермы 35 КРС гидросмывом и гидросплавом навоз в сборнике 34 корректируется по азоту, за счет ввода компоста, чтобы отношение C:N = 20:1, с освобождением от просыпей сена и подстилочных материалов, которые загрузочным питателем 23 направляют для биотермического разложения в ТФФ 18, в котором процесс протекает при температуре 70-80^oC. Процессу биотермического распада загрузки ТФФ 18, в который входит листовой спад, опилки древесины лиственных пород, пожнивные остатки, способствует ввод шлама, через ороситель 22, обсемененного микрофлорой и обогащенного ферментами из метантенка 14, причем процесс протекает при интенсивном аэрировании из каналов 20 от нагнетателя воздуха 21. В условиях аэрации происходит распад органики с образованием газообразных продуктов C₅H₇O₂N + 5O₂ ---> 5CO₂ + 2H₂O + NH₃, которые при температуре 70-80^oC поступают в сборник 34 и доводят температуру субстрата до 53^oC, соответствующей температуре брожения в метантенке 14, в котором происходит гидролиз углеводо-, жиро-, белкоподобных компонентов загрузки
УГЛЕВОДЫ + H₂O ---> 3CO₂ + 3CH₄;
ЖИРЫ + H₂O ---> 2CH₄ + CO₂;
БЕЛКИ + H₂O ---> 2CH₄ + CO₂ + H₂S + NH₃ + CO₂.

Процессы протекают при температуре 53^oC, причем колебания температуры не превышают одного градуса в сутки. Термостатирование осуществляется нагревом субстрата в диспергаторах 31 при пульсациях напоров в кольцевом канале между ротором 42 и корпусом 33. При повышении температуры привод диспергатора 31 отключается, а при снижении происходит включение от реле температуры /на чертеже не показаны/. Диспергаторы 31 разрушают газопаровые оболочки вокруг взвесей, флотирующие их в верхнюю часть метантенка 14. Одновременно с разрушением оболочек происходит обновления контакта между взвесями и микрофлорой.

В камерах 29 щелочного и 30 - метанового брожения образуются гидрат окиси аммония
NH₃ + H₂O ---> (NH₄)OH
и двууглекислый аммоний
NH₃ + CO₂ + H₂O ---> (NH₄)HCO₃, создающие слабощелочную реакцию среды, обеспечивающую ферментное разложение воды
2H₂O ---> 2H₂ + O₂, причем водород восстанавливает CO₂ до CH₄
CO₂ + 4H₂ ---> CH₄+2H₂O, за счет ферментолиза масса метана на 20-30% превышает массу распада беззольной органики. Концентрация CH₄ в биогазе не превышает 70-80%, что недостаточно для использования биогаза в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания /ДВС/ автотранспорта и сельхозмашин. Для исчерпывания CO₂ и H₂S биогаз нагнетателем 12 продувают через корпус 1 биофильтра, при орошении потока биогаза бражкой из оросителя 10. Исчерпывание осуществляют в биопленке из хлореллы и бактерий, поселенных на спирали 3 и пучках нитей 5 и 6, служащих иммобилизацией /прилипанием/ для микрофлоры. Использование стеклонитей и стеклопластика позволяет освобождать биопленку от старых и мертвых клеток микроорганизмов при встряхивании приводного вала 4 на упругой опоре 8 от вибратора 9. В условиях фотосинтеза микрофлора накапливает в своем организме тяжелую /D₂O/ воду в концентрациях 0,4-0,6%. Практически чистый метан через патрубок 13 отводят в газосборник 17 для освобождения от паров воды. Калорийность углеводородного топлива характеризуется отношением H/C, для метана оно равно 4, для бензина 2,2, для керосина 1,8, для угля порядка 1. Использование CH₄ в качестве горючего в ДВС автотранспорта и сельхозмашин в 2 раза повышает межремонтный ресурс, на 10-20% сокращает расход горючего, на 15% сокращается расход смазочных материалов, выхлоп становится экологически чистым. Вода, со взвешенными в ней старыми и мертвыми клетками микрофлоры, поступает через патрубок 15 в ЦМФ 16, в котором на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока, происходит отделение биомассы и она через патрубок 38 поступает в корпус 37 дезинтегратора /ДД/ 36 и подвергается обмотке в кольцевом канале 43. Под действием магнитного поля магнитофора 42 происходит перераспределение молекул воды по временным ассоциативным образованиям в виде линейных макромолекул с деформацией водородных связей между ними при гидроударных воздействиях. При многократных заполнениях и опорожнениях отверстий 41 в жидкости возникают пузырьки пара, которые конденсируются при выходе из отверстий 41 в кольцевом канале 43, с образованием пустот, причем центрами конденсации являются клетки хлореллы и бактерий, оболочки которых разрушаются гидравлическими ударами среды, заполняющей пустоты. Клетки микроорганизмов на 80-85% состоят из воды, и происходит сжижение биомассы. Нуклеиновые кислоты дезинтеграта повышают скользкость воды, и она с большей скоростью заполняет и опоражнивает отверстия 41, и скорость перемещения биомассы в кольцевом канале 43. При разрушении оболочек клеток хлореллы происходит освобождение тяжелой воды, которая на 10% имеет плотность, превышающую плотность обычной воды. Тяжелая вода проходит через отверстия 44 в кольце 45 в полость 46, вытесняя оттуда обычную воду. Выходу тяжелой воды из плоскости 46 препятствует ее вязкость, на 23% превышающая вязкость обычной. Смесь обычной и тяжелой воды поступает из полости 46 через патрубок 47 в сборник 48 и через гидравлический затвор 50 в РК 51. Температура кипения тяжелой воды 101,42^oC, т. е. она труднее испаряется и лучше конденсируется в сравнении с обычной водой. Путем многократных частичных испарений и конденсаций получаем вверху пар почти чистой обычной воды, внизу в теплообменнике 57 почти чистую тяжелую воду. Пар перемещается вверх РК 51 через перфорацию ППП 52, а вода проходит по секциям 53 по переливным трубам 54. Для создания условий конденсации пара, его частично конденсируют в дефлегматоре 55 и через гидравлический затвор 56 флегму /конденсат/ возвращают на орошение в РК 51. К тяжелой /D₂O/ воде добавляют из сборника 59 сверхтяжелую /T₂O/ воду и по переточной трубе 58 направляют в сборник 60 реактора-размножителя 61 трития, в виде тритиевой воды. Смесь дейтериевой и тритиевой воды в соотношении 1:1 вспрыскивается плунжерными насосами 80 при входе в контакт с упорами 81 через отверстия 79 во внутреннюю полость 62 реактора-размножителя 61. Плунжерные насосы 80 установлены в диске 82, совершающем прерывистые перемещения от привода 83, причем в нижнем положении плунжерных насосов 80 в сборнике 60 происходит их заполнение, а напротив отверстия 79 - опорожнение в виде вспрыска. Вспрыск проходит через дугу, создаваемую дуговыми электродами 77 и 78, причем смесь тяжелой и сверхтяжелой воды при температуре дуги порядка 2-3000^oC превращается в плазму, в виде электронов, вылетевших из атомов и ионов, в виде атомов, потерявших электроны. Вспрыски плунжерных насосов 80 совпадают по фазе с электрическими разрядами между электродами 63 и 64 от конденсаторной батареи 65. В полости 62 создается разрежение с отводом плазмы, которая переходит в пар и отводится через отверстия 85 в диске 84 при прерывистом контакте их с отверстием 86 прерывисто перемещающейся ступицы 87. Конденсация пара в конденсаторе 88 создает разрежение в полости 62 реактора-размножителя 61. Размещение отверстий 85 по концентрическим окружностям и их контакт с отверстием 86 обеспечивает формирование поля плазмы относительно линейного разряда электротока между электродами 63 и 64 в виде спиральных траекторий, поджатие которых к линейному разряду электротока происходит за счет испарения высокоэнергетических ионов с поверхности спиралей и их контакта с литиевой обечайкой 67 теплообменника 66, причем высокоэнергетические ионы в литиевой и бериллиевой обечайках 67 и 68 воспроизводят тритий, который отводится с охлаждающей водой контура 70 в сепаратор 71. Воспроизводство трития происходит при распаде лития в дуге между электродами 77 и 78.

Пар из сепаратора 71 поступает в паровую турбину 72 привода электрогенератора 73, вырабатывающего электроэнергию /Э/, а отработанный пар после конденсации в конденсаторе 75 поступает в ректификационную колонну 75, по конструкции аналогичную РК 51. Температура кипения дейтериевой воды 101,42^oC, тритиевой - 104^oC. В результате разделения получаем вверху РК 75 дейтериевую, а внизу тритиевую, которая поступает в сборник 76 и является товарным продуктом /T₂O/ КБУ СХО. При слиянии ядер дейтерия и трития в плазме вдоль линейного разряда электротока между электродами 63 и 64 образуется гелий /He/, который является неконденсирующейся примесью в парах дейтериевой и тритиевой воды и является товарным продуктом из сборника 89 гелия /He/. Дезинтеграт из патрубка 39 ДД 36 поступает в ороситель 10 корпуса 1 биофильтра с содержанием 45% углерода, 11% - азота, 5% - фосфора и является биогенным питанием для микрофлоры биопленки в корпусе 1 биофильтра. Избыточная биомасса дезинтегратора поступает в сушилку 43 и является товарным продуктом - БВД. Разрушенные оболочки, которые составляют от 10 до 50% массы микроорганизмов, доступные для усвоения нуклеиновые кислоты, ферменты, микроэлементы, витамины и биостимуляторы являются ценным дополнением в рацион скота и птицы. При расходе 1 г на 1 кг живого веса скота и птицы расход обычных кормов сокращается на 20-30%, повышается яйценосность, надои молока, привесы мяса, сокращается падеж молодняка, улучшается генетика родительского стада. Выработка дополнительной товарной продукции при КБУ СХО на товарных фермах КРС АПК снижает себестоимость производства молока и мяса.

Биофильтр относится к технике комплексного биологического использования сельскохозяйственных отходов и может быть использован на фермах для выработки дополнительной товарной продукции. Биофильтр включает корпус со светопроницаемыми стенками и размещенные с внешней стороны корпуса светильники. Внутри корпуса на приводном валу расположена плоская светопроницаемая спираль. На нижней и торцевой поверхностях спирали имеются пучки стекловолокон. Приводной вал установлен на упругой опоре с возможностью взаимодействия с вибратором. Корпус биофильтра имеет в верхней своей части ороситель бражки и патрубок отвода метана. В нижней части корпуса расположены патрубок ввода биогаза нагнетателем и патрубок, сообщенный с центробежным микрофильтром. Образующийся в метантенке биогаз нагнетателем подается в корпус биофильтра и орошается бражкой из оросителя. На спирали и пучках стекловолокон имеется биопленка из хлореллы и бактерий, которая поглощает в условиях фотосинтеза составляющие биогаза. Кроме метана, практически чистый метан отводится в газосборник и используется в качестве горючего. Биомасса поступает в дезинтегратор для переработки. Использование биофильтра позволяет дополнительно получить метан в качестве горючего и биомассу для дальнейшей переработки. 2 ил.

Биофильтр агропромышленного комплекса, включающий корпус со светопроницаемыми стенками, расположенную внутри корпуса плоскую светопроницаемую спираль и размещенные с внешней стороны корпуса светильники, отличающийся тем, что спираль установлена на приводном валу, ее нижняя поверхность и торцы имеют пучки стекловолокон, причем пучки стекловолокон на торцах спирали размещены с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью стенки корпуса, а вал снабжен приводом и установлен на упругой опоре с возможностью взаимодействия с вибратором, при этом корпус биофильтра выполнен из стеклопластика и имеет в верхней своей части ороситель бражки и патрубок отвода метана, а в нижней части - патрубок ввода биогаза нагнетателем и патрубок, сообщенный с центробежным микрофильтром.