СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПОФАЗНОГО АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ РАЗЖИЖЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК A01C3/00 C02F11/04 

Изобретение относится к области канализации и преимущественно предназначается к использованию в сельском хозяйстве на животноводческих и птицеводческих фермах, в сельских населенных пунктах для приготовления из навоза, помета, фекалий, различных растительных отходов, непригодных к употреблению плодов и корнеклубнеплодов высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений различной консистенции и горючего биогаза.

Известен способ переработки органических отходов и приведено устройство для его выполнения по патенту СССР 1809974, согласно которым разбавленную исходную массу отходов после ее подогрева в теплообменнике выгружаемой из метантенка нагретой сброженной массой осадка вводят в метантенк и анаэробно сбраживают с отделением биогаза и с последующим разделением сброженной массы осадка на фазы центрифугированием, сепарированием и мембранным ультрафильтрованием с получением отдельных продуктов для удобрения, корма и белкововитаминных кормовых добавок с выделением на разбавление исходных органических отходов очищенной жидкости.

Недостатками этого известного способа переработки органических отходов и устройства для его выполнения является то, что при растворении исходных свежих органических отходов очищенной от микроорганизмов и от растворенных в ней веществ жидкостью, т.е. чистой почти питьевой водой, не представляется возможным изменять значение рН органики к обсеменять ее симбиозом активных микроорганизмов - участниками анаэробного сбраживания в метантенке. Не способствует этому к выполненное по патенту 1809974 устройство без его конструктивного изменения.

Известен также и способ последовательного показного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов к устройство для его осуществления по патенту РФ 2159530, согласно которому разжиженные органические отходы вводят во внешнюю камеру коаксиального метантенка с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка с подогревом и перемешиванием сбраживаемой массы, выводом из метантенка нагретого сброженного осадка и биогаза из внутренней и внешней камер, смешивая биогаз из последней в инжекторе со сбрасываемой массой, вводя полученную газожидкостную смесь рассредоточенными струями в нижнюю часть внутренней камеры метантенка. Известно и устройство для выполнения приведенного выше способа, содержащее изготавливаемый из различных материалов метантенк с герметичным резервуаром круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до дна резервуара концентрической конической или цилиндрической внутренней перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода в резервуар разжиженных органических отходов и отвода из резервуара нагретого сброженного осадка от переливного трубопровода, средства перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внутренней и внешней камер с соединением последнего газопроводом с инжектором, взаимодействующим с насосом, соединенным трубопроводом подачи газожидкостной смеси в рассредоточитель потока над днищем внутри резервуара.

Недостатками известного способа и устройства для его выполнения по патенту РФ 2159530 является то, что при выполнении способа кислотный режим сбраживаемой в метантенке разжиженной органики не регулируется и значение рН сбраживаемой массы зависит в основном только от значения рН загружаемой в метантенк разжиженной органики и дозы ее загрузки, тогда как для обеспечения регулирования рН сбраживаемой массы в устройстве для выполнения способа должна быть осуществлена конструктивная доработка.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известные по патенту РФ 2159580 способ и устройство для его выполнения являются наиболее близкими к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа и устройства для его выполнения, которое устраняло бы приведенные выше недостатки способа и устройства его осуществления по патенту РФ 2159580 и обеспечило бы возможность регулирования значения рН сбраживания для установления оптимального режима брожения различного сырья при разном значении их рН.

Согласно изобретению, поставленная задача в выполнении способа достигается тем, что в свежие разжиженные органические отходы, перед их подачей во внешнюю камеру метантенка вводят сбраживаемую во внешней или во внутренней камере метантенка массу, а их смесь нагревают в теплообменнике теплом выводимого из метантенка нагретого сброженного осадка, тогда как ввод в свежие разжиженные органические отходы сбраживаемой массы из внешней или из внутренней камеры метантенка осуществляют в количестве, обеспечивающим задаваемое повышение или понижение значения рН получаемой смеси свежих разжиженных органических отходов со сбраживаемой в камерах метантенка массой. Поставленная задача в выполнении способа достигается согласно изобретению и тем, что ввод смеси свежих разжиженных органических отходов со сбраживаемой в камерах метантенка массой во внешнюю камеру метантенка осуществляют непрерывно или периодически порционно через установленные промежутки времени.

Достигается согласно изобретению поставленная задача и новым конструктивным выполнением устройства для осуществления приведенного выше нового способа последовательного показного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов тем, что патрубок подвода в резервуар метантенка свежих разжиженных органических отходов и патрубок отвода из резервуара метантенка нагретого сброженного осадка от переливного трубопровода соединены соответственно с внутренней с внешней камерами теплообменника, тогда как внутренняя камера теплообменника соединена трубопроводами о внешней и внутренней камерами резервуара метантенка. Поставленная задача достигается и тем выполнением устройства, что присоединение внутренней камеры теплообменника к трубопроводам от внешней и внутренней камер резервуара метантенка выполнено через тройник и встроенный во внутреннюю камеру теплообменника эжектор.

Выполнение предложенного способа в устройстве для его осуществления позволяет производить корректировку кислотности как исходной смеси свежих разжиженных органических отходов, так и кислотность сбраживаемой массы, обеспечивая тем самым интенсификацию сбраживания при более полном распаде органического вещества с получением большего количества биогаза лучшего качества и повышение надежности гарантированного обеззараживания сбраживаемых отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков.

Нагрев свежих разжиженных органических отходов теплом выгружаемого из метантенка нагретого сброженного осадка на 10-15% сокращает энергозатраты сбраживания и повышает производительность метантенка при любых режимах сбраживания.

На чертежах схематично приведено устройство резервуара коаксиального метантенка, где на фиг.1 показан его общий вид в разрезе с присоединенным к нему в разрезе теплообменником, трубопроводами, газопроводами с редукционными клапанами, эжектором, насосом и рассредоточителем потока, а на фиг.2 показан вид по А-А на фиг.1 при круглой форме выполнения резервуара метантенка в плане.

Коаксиальный метантенк /фиг.1 и 2/ представляет собой герметичный /в данном виде - цилиндрический/ резервуар 1 с коническими днищем 2 и купольным покрытием 3 с газосборником 4, снизу под которым к нему присоединена не доходящая до днища 2 резервуара 1 концентрическая в виде усеченного конуса перегородка 5, одинаковая в плане по своей форме с формой резервуара 1 в плане и обращенная своим основанием к днищу 2. Концентрическая перегородка 5 разделяет резервуар 1 на внешнюю 6 и внутреннюю 7 камеры, в которых размещены патрубки подвода разжиженных отходов 8 с тройником на конце и опорожнения резервуара метантенка 9. Из разнонаправленного тройника на конце патрубка 8 обеспечивается перемешивание сбраживаемой массы во внешней камере 6 струйным напором подаваемых различенных отходов патрубком 8. Над внешней 6 и внутренней 7 камерами выполнены патрубки 10 и 11 отвода из них биогаза, тогда как патрубок 10 соединен газопроводом 12 с всасывающим патрубком 13 инжектора 14, к напорному патрубку 15 которого присоединен трубопроводом напорный патрубок 16 насоса 17, а всасывающий патрубок 18 насоса 17 соединен с всасывающим трубопроводом 19 из резервуара метантенка, тогда как патрубок смесительной камеры 20 инжектора 14 соединен напорным трубопроводом 21 газожидкостной смеси с введенным в метантенк и установленным над его днищем 2 рассредоточителем потока 22.

Для обеспечения широкого диапазона регулирования заданных величин избыточного давления биогаза и величин его вакуума во внешней камере 6 всасывающий газопровод 12 инжектора 14 двумя параллельно обособленными газопроводам 24 и 26 соединен с газопроводом 23, в один из которых 24 встроен редукционный клапан 25 сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры 6 метантенка в газопровод 23 отвода биогаза из внутренней его камеры 7, а во второй параллельно обособленный газопровод 26 встроен редукционный клапан 27 подачи биогаза из газопровода 23 во внешнюю камеру 6 метантенка при образовании в ней вакуума.

В центральной части внутренней камеры 7 установлена переливная труба 28, сообщающаяся с выгрузной камерой 29, снабженной подъемным регулирующим уровень сбраживаемой в резервуаре 1 массой шибером 30 и патрубком 31 отвода сброженного осадка из переливной трубы 28.

Патрубок 8 подвода в резервуар 1 свежих разжиженных органических и патрубок 31 отвода сброженного нагретого осадка из переливной трубы 28 соединены трубопроводами соответственно с внутренней 32 и внешней 33 камерами теплообменника 34, тогда как внутренняя камера 32 теплообменника 34 соединена трубопроводами 35 и 36 с внешней 6 и внутренней 7 камерами резервуара 1. Присоединение внутренней камеры 32 теплообменника 34 к снабженным кранами-регуляторами 37 и 38 трубопроводам 35 и 36 от внешней 6 и внутренней 7 камер резервуара 1 метантенка выполнено посредством встроенного в нее эжектора 39, соединенного с тройником 40, а для ввода свежих разжиженных органических отходов во внутреннюю камеру 32 теплообменника 34 эжектор 39 снабжен патрубком 41. Для отвода из внешней камеры 32 теплообменника 34 охлажденного в ней сброженного осадка его внешняя камера 33 снабжена патрубком 42.

Для периодического или постоянного контроля значений рН в патрубках 8, 35, 36 и 41, а также в резервуаре 1 метантенка установлены датчики определения рН 43, взаимодействующие с программным пультом управления 44 кранами-регуляторами 37 и 38. Для отбора проб по замеру значений рН в лабораторных условиях и переносными рН-метрами рядом с датчиками 43 или вместо них могут быть установлены ручные краны-пробоотборники.

Другие трубопроводы /для подогрева метантенка, разновысотных и отдельных труб перелива и др./, как и устройство теплоизоляции и грозозащиты метантенка и теплообменника, установка приборов КИПА - на фигурах не показаны, т.к. их выполнение возможно во многих вариантах.

Последовательное пофазное анаэробное сбраживание разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйства в предложенном коаксиальном метантенке, соединенном с теплообменником, выполняют следующим образом.

Свежие разжиженные органические отходы, предпочтительно предварительно измельченные и отделенные от посторонних включений /камни, гравий, песок, металл и др./, влажностью 93±4 %, по патрубку 41 непрерывно или периодически порционно вводят в эжектор 39 внутренней камеры 32 теплообменника 34. При этом в эжектор 39 через тройник 40 и через кран-регулятор 37 или 38 и их трубопроводы 35 или 36 соответственно может свободно из камер 6 или 7 резервуара 1 метантенка поступать сбраживаемая в них масса, имеющая разные значения рН, подкисляя или подщелачивая в эжекторе 39 поступающую в него по патрубку 41 свежую разжиженную и измельченную массу органических отходов и нагревая ее при этом.

В зависимости от вида и химического состава вводимых в эжектор 39 по патрубку 41 свежих разжиженных органических отходов, значения их рН, дозы загрузки и температуры назначается оптимальное значение величины рН сбраживания первой фазы в камере 6 с обеспечением требуемого уровня распада органического вещества в камере 6, количества и качества вырабатываемого в камере 7 биогаза во второй фазе сбраживания при щелочном значении рН.

Вводимая во внутреннюю камеру 32 теплообменника 34 из эжектора 39 несколько подогретая теплом сбраживаемой в резервуаре 1 метантенка массой смесь со свежей разжиженной органикой, нагреваясь далее в камере 32 теплообменника 34 теплом выводимого из метантенка нагретого осадка от камеры 33 теплообменника 34, вводится затем по патрубку 8 в верхнюю часть внешней камеры 6 резервуара 1 метантенка, обеспечивая тем самым задаваемый режим рН образования в камере 6. Кислотность сбраживаемой массы в камере 6 резервуара 1 метантенка корректируется кранами-регуляторами 37 и 38 по задаваемой программе пульта управления 44 в автоматическом режиме и при возможности настройки вручную.

Установление задаваемого значения рН сбраживаемой в камере 6 резервуара 1 метантенка массы обуславливается в том числе и необходимостью обеспечения более полного эффекта гарантированного обеззараживания сбраживаемых разжиженных органических отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков, что более полно достигается в кислой среде сбраживания, устанавливаемой во внешней камере 6 резервуара 1 метантенка при широком диапазоне температур анаэробного сбраживания.

Вводимая под давлением в камеру 6 из тройника патрубка 8 подогретая в теплообменнике 34 разжиженная смесь свежих органических отходов, смешиваясь с содержимой и сбраживаемой в ней массой, обсеменяется активным симбиозом микроорганизмов, расщепляющих /гидролизующих/ трудносбраживаемые составлявшие отходов /гемицеллюлоза, целлюлоза, легнин и другие полисахариды, белки и жиры/, образуя тощий биогаз с СО₂ и Н₂, выводимого из камеры 6 через патрубок 10, тогда как образуемые при этом жирные кислоты и аминокислоты в составе вытесняемой из камеры 6 загружаемой в нее свежей смесью органических отходов из патрубка 8 опускаются по камере 6 вниз в камеру 7, где рН в основном более 7,2 и где преимущественно симбиоз метаногенерируюших микроорганизмов завершает ацетогенную и метаногенную фазы анаэробного сбраживания с использованием CO₂ и Н₂ тощего биогаза, вводимого из патрубка 10 в камеру 7 в составе газожидкостной смеси из инжектора 14 по трубопроводу 21 и рассредоточителя потока 22, размещенного над днищем 2 и обеспечивающим подачу в камеру 7 газожидкостной смеси отдельными мелкими рассредоточенными струями перемешивания сбраживаемой в камере 7 массы. Более калорийный биогаз, образуемый в камере 7 метаногенерирующим симбиозом микроорганизмов, выводят из метантенка по патрубку 11.

Постоянное поступление газожидкостной смеси из рассредоточителя потока 22 у днища 2 камеры 7 метантенка обеспечивает совмещенное газожидкостное перемешивание сбраживаемой массы с поступлением в нее из камеры 6 жирных кислот и аминокислот, раскисляемых восходящими рассредоточенными газожидкостными потоками сбраживаемой в камере 7 массой. Обильное поступление биогаза в составе газожидкостной смеси из рассредоточителя потока 22 совместно о биогазом, который вырабатывают метаногенерирующие микроорганизмы, обеспечивает у основания газосборника 4 постоянно "кипящую" поверхность сбрасываемой в метантенке массы, препятствуя тем самым образованию плотной корки, тогда как при подъеме биогаза от днища 2 к основанию газосборника 4 осуществляется досбраживание легких частиц массы и поглощение из тощего биогаза из камеры 6 углекислого газа, водорода и сероводорода на формирование симбиоза микроорганизмов, осуществляющих анаэробное сбрасывание в метантенке. Совместное газожидкостное перемешивание сбраживаемой массы в едином потоке, что существенно упрощает и удешевляет эксплуатационное обслуживание метантенка, активизирует и ускоряет анаэробное сбраживание с увеличением выхода биогаза, повышает % его содержания по составу метана при снижении в составе биогаза углекислоты и сероводорода.

В зависимости от выполняемых режимов работы метантенка, обуславливаемых влажностью сбраживаемой массы, периодичностью и дозой загрузки отходов и их составом, температурой сбраживания и другими факторами, стабильность давления вырабатываемого в камере 6 биогаза может изменяться, тогда как уровень давления биогаза в камере 7 практически стабилен, т.к. он регулируется газгольдером или другим устройством в устанавливаемых пределах. При работе насоса 17 сбраживаемая в камере 7 масса засасывается трубопроводом 19 и под давлением подается в инжектор 14, который через газопровод 12 и патрубок 10 засасывает биогаз из камеры 6. Образованная в смесительной камере 20 инжектора 14 газожидкостная смесь по трубопроводу 21 подается под напором в рассредоточитель потока 22, который может быть выполнен в том числе и в виде закольцованной системы перфорированных трубопроводов. Из многочисленных отверстий рассредоточителя потока 22 газожидкостная смесь отдельными мелкими струями вводится во внутреннюю камеру 7, поднимается вверх и смешивается с содержимым камеры 7 и вливающейся в нее массой из камеры 6.

При аварийном прекращении работы насоса 17 с эжектором 14 и при других случаях их отключения, а также при спонтанном обильном газообразовании в камере 6 давление биогаза в камере 6 может превысить 2,0 кПа/200 мм вод. ст./, что обусловит автоматическое срабатывание редукционного клапана 25 и биогаз из камеры 6 поступит в газопровод 23 и далее через газгольдер к потребителю /имеется в виду, что в газопроводе 23 и в камере 7 метантенка газгольдером поддерживается давление 2,0 кПа/.

При образовании в камере 6 вакуума более 2,0 кПа автоматически срабатывает редукционный клапан 27 и биогаз из газопровода 23 но газопроводу 26 поступит в камеру 6 и по газопроводу 12 будет отсасываться инжектором 14.

Предложений способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйства, предусматривающий корректировку кислотности как исходной смеси свежих разжиженных органических отходов, так и кислотность сбраживаемой массы, нагрев свежей смеси теплом выводимого из метантенка нагретого сброженного осадка, совместное газожидкостное перемешивание сбраживаемой массы в коаксиальном метантенке в сочетании с отсосом биогаза из его внешней камеры, может быть осуществлен в широком диапазоне температурных режимов от 12 до 60^oС, выбор оптимального из которых обуславливается конкретным условиями, видом и качеством органики, назначением циклического или непрерывного режима сбраживания, повышает надежность гарантированного обеззараживания сбрживаемых отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков.

В предложенном устройстве для осуществления приведенного выше способа выбор конструкции теплообменного аппарата, как и его габариты могут осуществляться во многих вариантах его выполнения и в значительной мере зависеть от назначения непрерывного или периодического режима загрузки метантенка разжиженными органическими отходами и емкости метантенка.

Контроль значений рН исходных свежих разжиженных органических отходов и сбраживаемой в камерах метантенка массы может осуществляться ежедневно или периодически при изменениях состава сырья отходов как путем отбора проб вручную из кранов с их анализом в лаборатории или с использованием переносных рН-метров, так и путем установки датчиков 43, взаимодействующих с программным пультом управления 44 кранами-регуляторами 37 и 83. Последнее целесообразно осуществлять при эксплуатации метантенков с большой их емкостью, загружаемых разнообразными отходам различного состава.

Способ включает подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка нагретого сброженного осадка и отбор биогаза из внутренней и внешней его камер. В свежие разжиженные органические отходы, перед их подачей во внешнюю камеру метантенка вводят сбраживаемую во внешней или во внутренней камере метантенка массу. Смесь нагревают в теплообменнике теплом выводимого из метантенка нагретого сброженного осадка. Устройство содержит герметичный резервуар с прикрепленной к его куполу и не доходящей до конца резервуара концентрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода нагретого сброженного осадка, средства перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внутренней и внешней камер с присоединением последней газопроводом с взаимодействующим с насосом инжектором, трубопровод газожидкостной смеси от которого соединен с рассредоточителем потока у днища метантенка. Патрубок подвода в резервуар метантенка свежих разжиженных органических отходов и патрубок отвода из резервуара метантенка нагретого сброженного осадка от переливного трубопровода соединены соответственно с внутренней и внешней камерами теплообменника. Внутренняя камера теплообменника соединена трубопроводами с внешней и с внутренней камерами резервуара метантенка. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка нагретого сброженного осадка и отбор биогаза из внутренней и внешней его камер, отличающийся тем, что в свежие разжиженные органические отходы, перед их подачей во внешнюю камеру метантенка, вводят сбраживаемую во внешней или во внутренней камере метантенка массу, а их смесь нагревают в теплообменнике теплом выводимого из метантенка нагретого сброженного осадка. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ввод в свежие разжиженные органические отходы сбраживаемой массы из внешней или из внутренней камеры метантенка осуществляют в количестве, обеспечивающим задаваемое повышение или понижение значения рН получаемой смеси свежих разжиженных органических отходов со сбраживаемой в камерах метантенка массой. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ввод смеси свежих разжиженных органических отходов со сбраживаемой в камерах метантенка массой во внешнюю камеру метантенка осуществляют непрерывно или периодически порционно через устанавливаемые промежутки времени. 4. Устройство для последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащее герметичный резервуар с прикрепленной к его куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической перегородкой одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода нагретого сброженного осадка, средства перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внутренней и внешней камер с присоединением последней газопроводом с взаимодействующим с насосом инжектором, трубопровод газожидкостной смеси от которого соединен с рассредоточителем потока у днища метантенка, отличающееся тем, что патрубок подвода в резервуар метантенка свежих разжиженных органических отходов и патрубок отвода из резервуара метантенка нагретого сброженного осадка от переливного трубопровода - соединены соответственно с внутренней и с внешней камерами теплообменника, тогда как внутренняя камера теплообменника соединена трубопроводами с внешней и с внутренней камерами резервуара метантенка. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что присоединение внутренней камеры теплообменника к трубопроводам от внешней и внутренней камер резервуара метантенка выполнено через тройник и встроенный во внутреннюю камеру теплообменника эжектор.