СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПОФАЗНОГО АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ РАЗЖИЖЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК A01C3/00 C02F11/04 

Изобретение относится к канализации и преимущественно предназначается к использованию в сельском хозяйстве на животноводческих и птицеводческих фермах для выработки из навоза, помета, различных растительных отходов горючего биогаза на энергетические цели и для приготовления высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений.

Известны способ анаэробного сбраживания осадка сточных вод и осуществляющее его устройство в виде коаксиального метантенка по а.с. СССР №552308, согласно которым сырой осадок вводят внутрь коаксиальной перегородки метантенка, являющейся центральной внутренней камерой анаэробного сбраживаиия, снабженной мешалкой. В основном сброженный во внутренней камере метантенка осадок выводится из под не доходящей до дна метантенка коаксиальной перегородки во внешнюю камеру, образуемую стенкой резервуара метантенка и коаксиальной перегородкой, где при завершении анаэробного досбраживания поступающая в нее из внутренней центральной камеры масса разделяется на отдельно удаляемые из нее иловую воду и уплотненный сброженный осадок. Выделяемый из сбраживаемой во внешней и внутренней камерах биогаз отводится из них через обособленные патрубки.

Недостатками известного способа и устройства его осуществления является то, что сбраживание осуществляют в центральной камере коаксиального метантенка, где вводимый в эту камеру свежий насыщенный органическими веществами сырой осадок смешивают со всей сбраживаемой массой, объединяя при этом разные фазы анаэробного сбраживания - гидролиза, ферментации, ацетатогенной и метаногенной фаз - воедино, усредняя фазные значения рН и смешивая преимущественные фазные симбиозы микроорганизмов, что замедляет процесс сбраживания и снижает производительность.

Приведенные недостатки известного способа не позволяют использовать его для анаэробного сбраживания разнообразных разжиженных органических отходов сельскохозяйственного производства, насыщенных трудносбраживаемыми как и легко всплываемыми, так и осаждающимися растительными материалами различной плотности.

Конструктивное выполнение известного по а.с. №552308 метантенка с коаксиально закрепленной внутри его резервуара концентрической перегородкой имеет тот недостаток, что он не обеспечивает возможность осуществления пофазного анаэробного сбраживания органических отходов, а подающий сырой осадок трубопровод, установленный внутри центральной общей камеры сбраживания, исключает возможность осуществить пофазное анаэробное сбраживание без конструктивных изменений метантенка.

Известны и другие способы анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов последовательно пофазно и устройство для его осуществления по патенту РФ №2163750, согласно которым сбраживание 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 сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер, тогда как устройство для осуществления способа, содержащее изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической конической или цилиндрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженной массы, средства перемешивания и подогрева сбраживаемой массы и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер.

Недостатком этого известного способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, выполняемого в устройстве для его осуществления, является то, что из вводимых во внешнюю камеру метантенка в составе разжиженных органических отходов трудносбраживаемых веществ, содержащих в своем составе клетчатку, лигнин, целлюлозу, гемицеллюлозу и другие сложные элементы и имеющие повышенную плотность, - самопроизвольно под воздействием гравитации осаждаются наиболее плотные отходы непосредственно во внутреннюю камеру без должной их расщепляющей /гидролизующей/ обработке в кислой среде первой фазы анаэробного сбраживания, способствуя тем самым образованию во внутренней камере образованию пассивного неразложившегося осадка органического вещества снижая при этом выработку биогаза.

Конструктивное выполнение устройства по патенту РФ №2163750 не позволяет без его изменения устранить приведенные выше недостатки.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известные по патенту РФ №2163750 способ и устройство для его осуществления являются наиболее близкими к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа и устройства для его осуществления, которое устраняло бы приведенные выше недостатки способа и устройства для его осуществления и обеспечило бы повышение эффективности анаэробного сбраживания, способствовало бы более полному распаду трудносбраживаемой органики с получением из нее наибольшей выработки биогаза.

Согласно изобретению поставленная задача в выполнении способа достигается тем, что вводимые во внешнюю камеру метантенка в составе разжиженных органических отходов более плотные и трудносбраживаемые осаждающиеся органические вещества удерживают во внешней камере до более полного их гидролизующего расщепления в кислой среде первой фазы анаэробного сбраживания с последующим поступлением продуктов их распада во внутреннюю камеру метантенка с выработкой из них в щелочной среде второй фазы анаэробно-сбраживания горючего биогаза, тогда как удерживаемые во внешней камере метантенка нерасщепляющиеся вещества, введенные во внешнюю камеру метантенка в составе разжиженных органических отходов, периодически по мере накопления удаляют с места их удержания во внешней камере во вне, а для перемешивания и регулирования задаваемого кислотного режима сбраживаемой массы во внутренней камере метантенка применяют кислую жидкую фазу сбраживаемой массы во внешней камере или щелочную жидкую фазу сбраживаемой массы во внутренней камере.

Достигается поставленная задача и новым конструктивным изготовлением устройства для осуществления приведенного выше нового способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйства, содержащего изготавливаемый из различных материалов резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической конической или цилиндрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженных осадков, средства перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, - тем, что во внешней камере метантенка выполнен кольцевой порог, присоединенный внешней своей стороной к стенке резервуара, а внутренняя его сторона отстоит с зазором от поверхности концентрической конической перегородки при том, что кольцевой порог выполнен в виде усеченного конуса с вниз направленным основанием и установлен наклонно к горизонтальной плоскости в сторону присоединенного к порогу выгрузного патрубка с пробоотборником и задвижками, тогда как над кольцевым порогом выполнено приспособление для удаления из кольцевого порога оседающего в нем осадка из неразлагающихся отходов в виде снабженной смывными насадками кольцевой трубы, соединенной патрубком с задвижкой с напорным трубопроводом насоса, а во внешней и во внутренней камерах метантенка выполнены обособленные друг от друга патрубки забора сбраживаемой в них массой, снабженные задвижками и соединенными с всасывающим патрубком насоса.

На чертежах схематично приведено устройство коаксиального метантенка, где на фиг.1 показан его общий вид в разрезе с присоединенными к нему и встроенными в него газопроводами, редукционными клапанами, инжектором, насосом, теплообменником, нагревателем, трубопроводами, кольцевым порогом в виде усеченного конуса с вниз направленным и наклонно установленным основанием к горизонтальной плоскости с выгрузным патрубком с пробоотборником и задвижками, приспособлением для удаления из кольцевого порога осевшего осадка в виде кольцевой трубы со смывными насадками и патрубком с задвижкой, присоединенной к напорному трубопроводу насоса, 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 выполнении - 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 по своей форме в плане с формой резервуара 1 в плане и обращенная своим основанием "Б" к днищу 2. Концентрическая перегородка 5 разделяет резервуар 1 на внешнюю 6 и внутреннюю 7 камеры, в которых размещены патрубки подвода разжиженных отходов 8 и отвода сброженного осадка 9. Из разнонаправленного тройника на конце патрубка 8, устанавливаемого вплотную к стенке резервуара 1, обеспечивается как эффективное перемешивание сбраживаемой массы во внешней камере 6 струйным напором подаваемых разжиженных отходов из тройника патрубка 8, так и наиболее полное осаждение плотных органических трудносбраживаемых включений в составе подаваемых разжиженных отходов непосредственно на пристенную часть кольцевого порога 29. Над внешней 6 и внутренней 7 камерами выполнены патрубки 10 и 11 отвода из них биогаза, тогда как патрубок 10 отвода биогаза из внешней камеры 6 метантенка соединен газопроводом 12 с всасывающим патрубком 13 инжектора 14, к напорному патрубку которого 15 присоединен теплообменник 16 с нагревателем 17 и насосом 18. Всасывающий 19 патрубок насоса 18 соединен с трубопроводами забора сбраживаемой массы из внешней камеры 6 метантенка - трубопроводом 20а и из внутренней камеры 7 метантенка - трубопроводом 20б, снабженных задвижками открываемых порознь или совместно, тогда как патрубок смесительной камеры 21 инжектора 14 соединен напорным 22 трубопроводом нагретой газожидкостной смеси с введенным в метантенк и установленным над его днищем 2 рассредоточителем потока 23.

Для обеспечения широкого диапазона регулирования заданных величин избыточного давления биогаза и его вакуума во внешней камере 6 - всасывающий газопровод 12 инжектора 14 двумя обособленными параллельными газопроводами 24 и 26 соединен с газопроводом 28. При этом в газопровод 24 встроен редукционный клапан 25 сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры 6 метантенка в газопровод 28 отвода биогаза из внутренней его камеры 7, а в газопровод 26 встроен редукционный клапан 27 подачи биогаза из газопровода 28 во внешнюю камеру 6 метантенка при образовании в ней вакуума.

Во внешней камере 6 метантенка к стенке резервуара внешней своей стороной присоединен кольцевой порог 29, выполненный в виде усеченного конуса с вниз направленным основанием, наклоненным в сторону его выгрузного патрубка с пробоотборником и задвижками, тогда как верхняя поверхность установлена в горизонтальной плоскости. Установка основания конического кольцевого порога 29 на угол "α" может быть обеспечена выполнением соответствующего скоса основания при обособленном изготовлении конического кольцевого порога 29 до его закрепления на стенке резервуара, а размер кольцевого зазора 30 должен обеспечивать свободное перетекание сбраживаемой массы из внешней камеры 6 во внутреннюю 7. Над кольцевым порогом 29 установлена кольцевая труба смыва осадка с насадками 31 патрубком и задвижкой, присоединенной к напорному трубопроводу 32 насоса 18 после теплообменника 16. К кольцевому порогу 29 присоединен выгрузной патрубок осадка во вне 33, снабженный пробоотборником и задвижками.

В целях недопущения поступления биогаза из рассредоточителя потока нагретой газожидкостной смеси 23 во внешнюю камеру 6 размер его внешнего габарита "В" выполнен менее размера "Б" основания конической концентрической перегородки 5, что обеспечивает более полное использование тощего биогаза нагретой газожидкостной смеси метанообразующими микроорганизмами.

Другие трубопроводы /для контроля уровня и перелива и др./, как и устройство теплоизоляции метантенка, установка приборов КИПА - на чертежах не показаны, т.к. их выполнение возможно во многих вариантах. В соответствии с требованиями СНиП давление биогаза во внутренней камере 7 метантенка устанавливается в пределах 1,5-2,5 кПа /150-250 мм вод. столба/.

Последовательное пофазное анаэробное сбраживание разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйств в предложенном коаксиальном метантенке выполняют следующими образом.

Свежие разжиженные и предпочтительно предварительно измельченные органические отходы влажностью 93±4%, включая плотную трудносбраживаемую органику, по трубопроводу 8 через его приближенный к стенке резервуара изнутри тройник под напором вводят в межстенную камеру 6, где разнонаправленными из тройника патрубка 8 струями вводимого потока смешивают с содержимой в камере 6 сбраживаемой массой. Менее плотная органика всплывает в верхнюю часть камеры 6, где подвергается в кислой среде первой фазы анаэробного сбраживания активным симбиозом /гидролизующих/ микроорганизмов расщеплению с образованием жирных кислот, стекающих через кольцевой зазор 30 из камеры 6 в камеру 7, а образуемые при этом газы /углекислота, сероводород и водород/ отсасываются и из камеры 6 через патрубок 10 и по газопроводу 12 поступают в инжектор 14, образуя газожидкостную смесь, вводимую по газопроводу 22 в рассредоточитель потока 23, обеспечивая перемешивание сбраживаемой в камере 7 массы совместно со стекающей в нее через кольцевой зазор 30 сброженной в камере 6 массы, образуя тем самым вторую фазу ацетогенного и метаногенного анаэробного досбраживания с образованием в щелочной среде горючего биогаза. Более плотная трудносбраживаемая органика, вводимая во внешнюю камеру 6 метантенка в составе разжиженных органических отходов через тройник патрубка 8 осаждается по камере 6 вниз, оседая на кольцевом пороге 29 в кислой среде при рН менее 7,0, и где их удерживают более длительное время во внешней камере 6 до более полного гидролизующего расщепления в кислой среде первой фазы анаэробного сбраживания с последующим стеканием продуктов их распада из кольцевого порога 29 через зазор 30 во внутреннюю камеру 7 метантенка. Во внутренней камере 7 в щелочной среде с рН более 7,2, в которую из внешней камеры 6 через зазор 30 стекают также и продукты распада менее плотной и ранее всплывшей в камере 6 органики, - осуществляют общее перемешивание всех поступающих в камеру 7 компонентов с выработкой из них в завершающей фазе анаэробного сбраживания горючего биогаза и высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений.

Удерживаемые во внешней камере 6 внутри кольцевого порога 29 нерасщепляющиеся при гидролизе в кислой среде вещества, каковыми в том числе могут быть и вещества не минерального и минерального происхождения /перо кур, ракушка, гравий, песок, грунт и др./, - периодически по мере накопления удаляют из кольцевого порога 29 через его выгрузной патрубок 33, снабженный пробоотборником и задвижками. Удаление из кольцевого порога 29 осадка осуществляют путем смыва его струями сбраживаемой массы из насадок на кольцевой трубе смыва осадка 31 с патрубком и задвижкой, соединенной с напорным трубопроводом 32 насоса 18.

В зависимости от задаваемых режимов работы метантенка, обуславливаемых влажностью сбраживаемой массы, периодичностью и дозой загрузки в метантенк отходов и их составом, температурой сбраживания и другими факторами, - давление вырабатываемого в камере 6 биогаза изменяется, тогда как давление биогаза в камере 7 постоянно и регулируется газгольдером или другими устройствами в пределах норм СНиП. При работе насоса 18 сбраживаемая в камерах 6 и 7 масса засасывается из трубопровода 20а или 20б и иод давлением через теплообменник 16 подается в инжектор 14, который через газопровод 12 и патрубок 10 засасывает биогаз из камеры 6. Образованная в смесительной камере 21 инжектора 14 подогретая газожидкостная смесь с устанавливаемым рН по трубопроводу 22 подается с напором в рассредоточитель потока 23, который может быть выполнен в том числе и в виде закольцованной системы перфорированных трубопроводов. Из отверстий рассредоточителя потока 23 нагретая газожидкостная смесь отдельными малыми струйными потоками вводится во внутреннюю камеру 7, поднимается вверх и смешивается с содержимой в камере 7 массой и вливающейся в нее массой из камеры 6, обеспечивая тем самым подкисление или подщелачивание сбраживаемой в камере 7 массы в соответствии с технологическим регламентом установления значения рН.

При аварийном или каком-либо другом вынужденном прекращении и остановки работы насоса 18 с инжектором 14, а также при спонтанном обильном газообразовании в камере 6 давление биогаза в камере 6 может превысить 2,0 кПа /200 мм вод. столба/, что обусловит автоматическое срабатывание редукционного клапана 25 и биогаз из камеры 6 поступит в газопровод 28 и далее через газгольдер к потребителю /в газопроводе 28, как и во внутренней камере 7 метантенка, давление биогаза поддерживается газгольдером на уровне 2,0 кПа/.

При образовании в камере 6 вакуума более 2,0 кПа автоматически срабатывает редукционный клапан 27 и биогаз из газопровода 28 по газопроводу 26 поступит в камеру 6 и по газопроводу 12 будет отсасываться инжектором 14.

В зависимости от видов, количества и качества отходов, дозы и периодичности их загрузки в метантенк, температуры сбраживания и других факторов в назначении режима работы метантенка - давление сработки редукционных клапанов 25 и 27 может изменяться.

Поддержание устанавливаемой температуры сбраживания органической массы в метантенке, вне зависимости от температуры внешней среды в различные периоды года, - обеспечивается автоматически тем, что в трубопроводе ввода сбраживаемой массы от насоса 18 в теплообменник 16 установлен /не показан/ датчик температуры, взаимодействующий с автоматически действующим терморегулятором водонагревателя 17, обеспечивающего нагрев сбраживаемой массы в теплообменнике 16 до ее ввода в метантенк через инжектор 14.

Предложенный способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельского хозяйства и коммунальных стоков может быть осуществлен в широком диапазоне температур от 12 до 60°С, выбор оптимальной из которых обуславливается конкретными условиями.

Осуществление предложенного способа в коаксиальном метантенке для его осуществления позволяет обеспечить более полный распад плотной трудносбраживаемой осаждающейся разжиженной органики при увеличении количества и повышении качества вырабатываемого биогаза из абсолютно сухого органического вещества сбраживаемых отходов, поднять калорийность биогаза.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано на животноводческих и птицеводческих фермах для выработки из навоза, помета, различных растительных отходов горючего биогаза на энергетические цели и для приготовления высококачественных органических удобрений. 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 ее из метантенка и отбор биогаза. Вводимые во внешнюю камеру метантенка в составе разжиженных органических отходов более плотные и трудносбраживаемые осаждающиеся вещества удерживают во внешней камере до более полного их гидролизующего расщепления в кислой среде первой фазы сбраживания с поступлением продуктов их распада во внутреннюю камеру в щелочную среду второй фазы сбраживания. Для осуществления способа предложено устройство, новым в котором является то, что во внешней камере метантенка выполнен удерживающий осаждающиеся плотные трудносбраживающиеся органические вещества кольцевой порог в виде усеченного конуса типа лотка с горизонтальным верхом и наклоненным основанием для удобства удаления осадка из струйных насадок кольцевой трубы над лотковым порогом с подсоединением трубы смыва к насосу, перемешивающему сбраживаемую массу. Изобретение позволяет обеспечить более полный распад плотной трудносбраживаемой осаждающейся разжиженной органики при увеличении количества и повышении калорийности вырабатываемого биогаза. 2 н. и 5 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 ее из метантенка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка, отличающийся тем, что вводимые во внешнюю камеру метантенка в составе разжиженных органических отходов более плотные и трудносбраживаемые осаждающиеся органические вещества удерживают во внешней камере до более полного их гидролизующего расщепления в кислой среде первой фазы анаэробного сбраживания с последующим поступлением продуктов их распада во внутреннюю камеру метантенка с выработкой из них в щелочной среде второй фазы анаэробного сбраживания горючего биогаза.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удерживаемые во внешней камере метантенка нерасщепляющиеся вещества, введенные во внешнюю камеру метантенка в составе разжиженных органических отходов, периодически по мере накопления удаляют с места их удержания во внешней камере во вне.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для перемешивания и регулирования задаваемого кислотного режима сбраживаемой массы во внутренней камере метантенка применяют кислую жидкую фазу сбраживаемой массы во внешней камере или щелочную жидкую фазу сбраживаемой массы во внутренней камере.4. Устройство для последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащее изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической конической или цилиндрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженных осадков, средства перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, отличающееся тем, что во внешней камере метантенка выполнен кольцевой порог, присоединенный внешней своей стороной к стенке резервуара, а внутренняя его сторона отстоит с зазором от поверхности концентрической конической перегородки.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что кольцевой порог выполнен в виде усеченного конуса с вниз направленным и наклонно установленным основанием к горизонтальной плоскости в сторону присоединенного к порогу в виде лотка выгрузного патрубка с пробоотборником и задвижками, а верхняя поверхность порога в виде лотка установлена по всей поверхности горизонтально.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что над кольцевым порогом выполнено приспособление для удаления из лотка кольцевого порога оседающего в нем осадка из неразлагающихся отходов в виде снабженной смывными насадками кольцевой трубы, соединенной патрубком с задвижкой с напорным трубопроводом насоса.7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что во внешней и во внутренней камерах метантенка выполнены обособленные друг от друга патрубки забора сбраживаемой в них массы, снабженные задвижками и соединенными с всасывающим патрубком насоса.