СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПОФАЗНОГО АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ НЕИЗМЕЛЬЧЁННЫХ ТВЁРДЫХ СБРАЖИВАЕМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И МЕТАНТЕНК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C02F11/04 C02F11/04 C02F101/30 C02F103/20 

Изобретение предназначается к использованию в коммунальном и сельском хозяйствах для последовательного пофазного анаэробного сбраживания твердых неизмельченных сбраживаемых органических отходов городов и поселков, навоза и помета животноводческих и птицеводческих ферм, растительных отходов сельхозпроизводства, различных органических отходов сельских усадеб и дачных участков с выработкой из них высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков жидких минерализованных органических удобрений и горючего биогаза на энергетические нужды.

Известен способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных органических отходов, реализованный в метантенке по патенту РФ № 2149531, согласно которому свежие органические отходы перед их сбраживанием измельчают и разжижают до влажности пульпы 93±5% и под напором вводят во внешнюю камеру резервуара метантенка, образованную присоединенной к куполу и не доходящей до днища метантенка разделительной концентрической перегородкой, где загруженную в метантенк пульпу перемешивают со сбраживаемой во внешней камере массой. При этом малоплотные органические вещества всплывают и подвергаются активному воздействию симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов, обеспечивая в первой фазе сбраживания при рН менее 7,0 образование стекающих вниз жирных кислот и аминокислот, тогда как плотные органические вещества осаждаются на дно метантенка в зону второй фазы сбраживания с рН более 7,2 и остаются в щелочной среде без расщепления с образованием из них осадка сброженной массы.

Недостатком известного осуществляемого в метантенке по патенту РФ способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных органических отходов является то, что твердые органические отходы необходимо измельчать и разжижать до их загрузки в метантенк, тогда как конструктивное выполнение метантенка по патенту РФ № 2149531 не обеспечивает сбраживание неизмельченных твердых отходов.

Вместе с тем известен способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания неизмельчаемых и неразжижаемых различных органических отходов с выработкой из них удобрений и горючего биогаза, осуществляемый в установке для анаэробного сбраживания твердых органических отходов в режиме частичной рециркуляции сбраживаемой массы, снабженной газосборником и цепочно-скребковым элеватором загрузки и выгрузки твердых отходов /См. ж-л "БИОТЕХНОЛОГИЯ", 1989, т.5, № 2, стр.222, рис.3"б"/.

Недостатком этого известного способа анаэробного сбраживания твердых неизмельченных и неразжиженных органических отходов в снабженном цепочно-скребковым элеватором метантенке является то, что твердые отходы погружают лишь в среднюю и нижнюю зоны метантенка, т.е. в нейтральную при рН=7,0 и в щелочную при рН более 7,2 зоны сбраживания, в которых первая фаза анаэробного сбраживания при рН менее 7,0 осуществляется при слабой активности симбиоза расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов, что оставляет более 90% загружаемых в метантенк твердых органических отходов без их расщепления и образования из них биогаза.

Конструктивным недостатком приведенной выше известной установки для анаэробного сбраживания твердых отходов в виде встроенного в метантенк загрузочно-разгрузочного цепочно-скребкового элеватора является то, что транспортирование ветвей его элеватора осуществлено лишь только через нейтральную и щелочную зоны сбраживания в центре и снизу метантенка и не проходит через расположенную в верхней части метантенка кислотную зону с рН менее 7,0 активного расщепления, в которой осуществляется активная первая фаза анаэробного сбраживания симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату приведенные выше способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания твердых органических отходов и устройство для его осуществления, приведенное в журнале "БИОТЕХНОЛОГИЯ", являются наиболее близкими к изобретению.

Первой задачей настоящего изобретения является создание такого способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания твердых сбраживаемых органических отходов, который устранял бы приведенные выше недостатки известного способа и обеспечил бы более эффективное использование симбиоза расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов первой кислотной зоны анаэробного сбраживания с рН менее 7,0 для более полного образования из сбраживаемых твердых органических отходов жирных кислот и аминокислот с их вводом во вторую зону щелочного сбраживания при рН более 7,2 и выработки из них метаногенными микроорганизмами наибольшего количества биогаза.

Второй задачей настоящего изобретения является создание такого метантенка для осуществления приведенного выше способа, которое обеспечило бы загрузочно-разгрузочным цепочно-скребковым элеватором ввод загружаемых твердых органических отходов непосредственно в верхнюю часть резервуара метантенка в его кислую первую зону анаэробного сбраживания при рН менее 7,0.

Согласно изобретению поставленная задача в создании нового способа достигается тем, что ввод отходов в резервуар метантенка осуществляют в обособленно отделенную в верхней части резервуара метантенка газоводопроницаемой перфорированной ограждающей перегородкой /решетом, сеткой/ зону первой фазы анаэробного сбраживания симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов, а продукты их жизнедеятельности - в виде жирных кислот, аминокислот и других выделений вводят через перфорированное ограждение обособленной зоны в нижнюю часть резервуара метантенка, где из них осуществляют вторую фазу анаэробного сбраживания метаногенными микроорганизмами с образованием горючего биогаза, который пропускают снизу вверх через огражденную перфорированную газоводопроницаемую зону первой фазы анаэробного сбраживания твердых отходов и через газосборник выводят из метантенка, тогда как несброженные твердые органические отходы и несбраживаемые неорганические включения, загружаемые в метантенк в составе твердых отходов без их сортировки, - выгружают из обособленно отделенной перфорированным ограждением /решетом, сеткой/ зоны верхней части резервуара метантенка. Достигается поставленная задача в создании нового способа и тем, что первую фазу анаэробного сбраживания выполняют в кислой среде с рН менее 7,0, а вторую фазу - в щелочной среде с рН более 7,2, тогда как ввод твердых органических отходов в обособленно отделенную зону верхней части резервуара метантенка осуществляют непрерывно или порционно периодически в пределах общей суммарной устанавливаемой технологическим регламентом их суточной дозы для определенного объема метантенка, состава, качества и влажности вводимых отходов, режима их сбраживания, задаваемого количества и качества продуктов сбраживания.

Поставленная задача в создании нового метантенка достигается тем, что сбоку в верхней части резервуара выполнена горловина с присоединенным к ней съемным цепочно-скребковым загрузочно-разгрузочным элеватором, горизонтально расположенные друг над другом противонаправленно работающие ветви которого, имеющие между собой и снаружи перфорированное ограждение /решето, сетка/, - введены в горловину и размещены в резервуаре сверху, а наружная часть присоединенного к горловине резервуара элеватора выполнена наклонной с непроницаемым внешним защитным ограждением его цепочно-скребковых рабочих ветвей, их приводом, патрубками загрузки и разгрузки при отметке порога выгрузки выше отметки основания газосборника. Поставленная задача в создании нового метантенка достигается и тем, что по форме своего выполнения в плане его изготавливают круглым, квадратным, прямоугольным или многоугольным из различных материалов, а привод цепочно-скребкового загрузочно-разгрузочного элеватора выполняют в виде ручной рукоятки /штурвала/ или электромеханическим с задаваемым программным управлением.

На фиг.1 показан метантенк в разрезе; на фиг.2 - вид на метантенк на фиг.1 сверху; на фиг.3 - вид по А-А на фиг.1; на фиг.4 - вид фрагмента цепочно-скребкового элеватора сверху; на фиг.5 - вид на фрагмент цепочно-скребкового элеватора на фиг.4 сбоку.

Показанный на чертежах метантенк представляет собой герметичный резервуар 1, выполняемый круглой, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане и изготавливаемый из различных материалов, имеет газосборник 2, патрубок слива 3, патрубок опорожнения 4 и боковую горловину 5 с присоединенным к ней съемным цепочно-скребковым загрузочно-разгрузочным элеватором 6 с патрубками загрузки 7 и выгрузки 8, приводом 9 ручного или электромеханического управления по задаваемой программе.

Другие трубопроводы /для подогрева и перемешивания сбраживаемой в метантенке массы, контроля уровня и др./ на чертежах не показаны и их выполнение и размещение возможны в различных вариантах исполнения.

Присоединенный к боковой горловине 5 резервуара 1 съемный загрузочно-разгрузочный цепочно-скребковый элеватор 6 своими горизонтально расположенными друг над другом противонаправленно работающими верхней 10 и нижней 11 ветвями, имеющими между собой и снаружи перфорированное ограждение /решето, сетка/ 14 и 16 с перегрузочным окном 15 в промежуточном между ветвями 10 и 11 перфорированном ограждении 14, что показано на фиг.1 дуговой стрелкой, - введен в горловину 5 и размещен в резервуаре 1 сверху, тогда как наружная часть съемного загрузочно-разгрузочного цепочно-скребкового элеватора 6, выполненная наклонной с непроницаемым защитным ограждением его цепочно-скребковых рабочих органов так, что порог перелива сбраживаемой в резервуаре 1 жидкости установи лен выше основания газосборника 2 на величину "Н", которая больше давления биогаза /150-250 мм вод.ст./ в два-три раза, тогда как порог патрубка слива 3 выше основания газосборника 2 лишь на величину "h", примерно равную давлению биогаза, т.е. на 150-250 мм.

Для обеспечения лучшей осушки выгружаемых несброженных твердых отходов и несбраживаемых неорганических включений, загруженных в метантенк в составе твердых отходов без их сортировки, - под наклонной частью разгрузочной ветви 11 элеватора 6, в продолжении нижнего перфорированного ограждения 16, выполнена его наклонная часть 17, из под которой стекающая с выгружаемой массы жидкость возвращается в резервуар 1. Закрепление съемного элеватора 6 в боковой горловине 5 осуществляется болтами 18, соединяющими отбортованные фланцы боковой горловины 5 и элеватора 6.

Выполнение цепочно-скребкового элеватора 6 в прямоугольном 19 изготовлении в плане, как это показано на фиг.2, позволяет и резервуар 1 метантенка изготавливать по форме в плане круглым, квадратным, прямоугольным или многоугольным из различных материалов согласно выявлению эффективности применения того или иного варианта изготовления метантенка в конкретных условиях.

В зависимости от объема метантенка, частоты, количества и качества загружаемых в сутки твердых отходов выполнение привода 9 цепочно-скребкового загрузочно-разгрузочного элеватора 6 может быть как ручным /рычаг с рукояткой или штурвалом/, так и электромеханическим с задаваемым программным управлением. Основой работы привода 9 элеватора 6 являются установленные на общем валу ведущие звездочки 12, тогда как вспомогательные боковые и концевые звездочки 13 определяют установочное положение и натяжение его противоположно направленно работающих друг над другом цепочно-скребковых ветвей 10 и 11, что показано стрелками на фиг.1 и в разрезе по А-А на фиг.3.

На приведенных в двух видах на фиг.4 и 5 фрагментах цепочно-скребкового загрузочно-разгрузочного элеватора 6 показано возможное конструктивное выполнение ведущей тяговой цепи 20 и прикрепленных к ней скребков 21, что обеспечивает простоту и доступность их изготовления и удобство эксплуатации.

Работа предлагаемого изобретением метантенка по осуществлению способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания неизмельченных твердых сбраживаемых органических отходов, - в зависимости от вида, качества и влажности сырья, выработки из него требуемого количества и качества горючего биогаза и жидкого минерализованного органического удобрения, необходимости обеспечения эффективного обеззараживания сбраживаемых отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков, - может осуществляться в широком диапазоне размеров и производительности различной формы метантенков из различных материалов, изменяемых доз цикличной или непрерывной загрузки при температурах сбраживания от +10°С до +60°С, что назначается технологическим регламентом конкретного использования метантенка избранной емкости и формы изготовления.

Анаэробное сбраживание твердых неизмельченных сбраживаемых различных органических отходов, образуемых как в сельском и коммунальном хозяйствах в производственных и бытовых условиях фабрик, ферм, комплексов, индивидуальных домов и усадеб, дачных и садово-огородных участках, так и на пищевых и им подобным предприятиях общественного питания, столовых, ресторанах, кафе и др., - в предложенном изобретением метантенке выполняют следующим образом.

Свежие или несколько подсушенные или подвяленные и подгнившие неизмельченные сбраживаемые различные твердые органические отходы, в пределах установленной суточной дозы их сбраживания, - одноразово, циклично или непрерывно ежесуточно загружают в патрубок 7 при вращении привода 9 на верхнюю ветвь 10 при равномерном и равноплотном разравнивании. При одноразовой загрузке суточной дозы отходов их размещают примерно на 1/3-1/4 общей длины элеватора, т.е. от уровня жидкости у патрубка 7 до положения окна перегрузки 15 /на фиг.1 показано дуговой стрелкой/, что обеспечивает полное погружение свежих отходов в сбраживаемую в резервуаре 1 жидкую заранее приготовленную массу из органических веществ, каковыми могут быть экскременты или навоз животных и птицы.

Первично загруженные твердые органические отходы при одноразовой их загрузке в патрубок 7 сутки выдерживают на ветви 10 в кислой среде при рН менее 7,0 первой фазы анаэробного сбраживания симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов при образовании из них продуктов их жизнедеятельности в виде жирных кислот, аминокислот и других выделений, стекающих вниз через перфорированное ограждение в сбраживаемую в резервуаре 1 массу. В зависимости от вида первично загруженных твердых отходов, их количества и габаритов отдельных составляющих, - не всегда за одни сутки может быть обеспечено полное сбраживание всей загруженной и размещенной на ветви 10 массы в первой фазе, что обусловливает в необходимости продлить время сбраживания для недосброженной части первой дозы суточной их загрузки путем перегруза ее на нижнюю ветвь 11. Осуществление перегруза и увеличение тем самым времени проведения первой фазы сбраживания первично загруженной суточной дозы отходов автоматически выполняется при загрузке через сутки следующей суточной дозы отходов. При этом остатки недосброженных твердых отходов первой дозы суточной загрузки, как и несбраживаемые неорганические включения, загруженные в метантенк в составе твердых отходов без их сортировки, - перегружаются через окно 15 с ветви 10 на ветвь 11, а ветвь 10 через патрубок 7 будет заполнена следующей суточной дозой твердых отходов, тогда как на ветви 11 к концу вторых суток будет осуществлено полное досбраживание ранее загруженной первой дозы отходов. На третий день при загрузке очередной суточной дозы отходов на ветвь 10 автоматически осуществляется перегруз как недосброженной на ветви 10 второй суточной дозы на ветвь 11, так и с ветви 11 через патрубок 8 будет осуществлен выгруз несброженной части первой суточной дозы отходов и несбраживаемых неорганических включений.

Для мелкоразмерных и легкосбраживаемых твердых отходов /навоз крупного рогатого скота, свиней и птицы/ доза одноразовой суточной загрузки может быть увеличена и за одну их загрузку в сутки могут быть заполнены твердыми отходами одновременно обе ветви 10 и 11 на всю их длину горизонтальной части, т.е. почти весь погруженный в жидкость цепочно-скребковый элеватор 6. В этом случае обеспечивается наиболее высокая производительность метантенка.

При осуществлении цикличной или непрерывной загрузки элеватора 6 твердыми отходами приведенные выше операции сбраживания выполняют в той же последовательности, но при меньших скоростях перемещения ветвей элеватора 6 в соответствии с временем между загрузками.

Одноразовая, цикличная или непрерывная загрузки твердых отходов в загрузочный патрубок 7 элеватора 6 обеспечивают за время выполнения первой фазы сбраживания соответствующее поступление продуктов распада твердых отходов расщепляющимися /гидролизующими/ микроорганизмами в сбраживаемую в резервуаре 1 во второй фазе массу с образованием в ней метаногенными микроорганизмами горючего биогаза, поднимающегося вверх в газосборник 2 и проходящего через перфорированные поверхности 14 и 16 с перемешиванием в резервуаре 1 сбраживаемой массы.

Для метантенков малых объемов /примерно от 1 до 12-15 кубометров их емкости/, использование которых предназначается в основном для сельского дома и усадьбы, дачных и садово-огородных участков, - может быть применен цепочно-скребковый элеватор 6 с ручным приводом 9 при использовании его преимущественно для одноразовой загрузки в сутки или раз за 2-3 суток и более, т.к. длительный перерыв между загрузками свежими твердыми отходами не приостанавливает процесс их сбраживания и отражается лишь на производительности метантенка и суточной выработки биогаза.

Сбраживание твердых отходов в метантенке с встроенным цепочно-скребковым загрузочно-разгрузочном элеватором выявило высокую и надежную его работоспособность при использовании различных по составу неизмельченных твердых отходов из навоза животных и птицы, растительных отходов и поврежденных плодов. Так, например, в первой фазе сбраживания были полностью расщеплены /гидролизованы/ включенные в твердый помет кур их неизмельченные перья, в т.ч. и маховые, сброшенные курами при линьке.

Последовательное выполнение приведенных выше операций обособленного пофазного сбраживания неизмельченных твердых отходов обеспечивает полное их расщепление /гидролизацию/ с образованием из продуктов их распада как горючего биогаза на энергетические потребности, так и жидких минерализованных органических удобрений с отсутствием в их составе несброженного органического осадка, что существенно улучшает их качество и эффективность использования по сравнению с традиционно применяемыми навозом и пометом.

Изобретение предназначено для использования в коммунальном и в сельском хозяйствах для сбраживания твердых неизмельченных органических отходов городов и поселков, навоза и помета животноводческих и птицеводческих ферм, растительных отходов сельхозпроизводства, различных органических отходов сельских усадеб и дачных участков с выработкой из них высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков жидких минерализованных органических удобрений с высоким содержанием гумуса и горючего биогаза на энергетические нужды. Сбраживание твердых органических отходов без их измельчения и сортировки осуществляют в обособленно отделенной перфорированным ограждением кислой зоне первой фазы анаэробного сбраживания с использованием продуктов их расщепления /гидролизации/ во второй фазе щелочного сбраживания с образованием в ней жидких минерализованных органических удобрений и горючего биогаза, который используют до вывода его из метантенка для перемешивания сбраживаемых в нем отходов. В метантенке сбоку в его верхней части выполнен съемный цепочно-скребковый элеватор, две горизонтально расположенные друг над другом и противонаправленно работающие ветви которого имеют между собой и снаружи перфорированное ограждение и введены в горловину. Технический эффект - обеспечение полного расщепления отходов с образованием из продуктов их распада как горючего биогаза на энергетические нужды, так и жидких минерализованных органических удобрений, более эффективных, чем навоз животных и помет кур. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания неизмельченных твердых сбраживаемых органических отходов с выработкой из них горючего биогаза, включающий ввод отходов в резервуар метантенка, выдержку и перемешивание в сбраживаемой и подогреваемой в метантенке органической массе и выгрузку из метантенка несброженной части загруженных твердых органических отходов, отличающийся тем, что ввод отходов в резервуар метантенка осуществляют в обособленно отделенную в верхней части резервуара метантенка газоводопроницаемой перфорированной ограждающей перегородкой (решетом, сеткой) зону первой фазы анаэробного сбраживания симбиозом расщепляющих (гидролизующих) микроорганизмов, а продукты их жизнедеятельности в виде жирных кислот, аминокислот и других выделений, вводят через перфорированное ограждение обособленной зоны в нижнюю часть резервуара метантенка, где из них осуществляют вторую фазу анаэробного сбраживания метаногенными микроорганизмами с образованием горючего биогаза, который пропускают снизу вверх через огражденную перфорированную газоводопроницаемую зону первой фазы анаэробного сбраживания твердых отходов и через газосборник выводят из метантенка, тогда как несброженные твердые органические отходы и несбраживаемые неорганические включения, загружаемые в метантенк в составе твердых отходов без их сортировки, выгружают из обособленно отделенной перфорированным ограждением (решетом, сеткой) зоны верхней части резервуара метантенка.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую фазу анаэробного сбраживания выполняют в кислой среде с рН менее 7,00, а вторую фазу - в щелочной среде с рН более 7,2.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ввод твердых органических отходов в обособленно отделенную зону верхней части резервуара метантенка осуществляют раз в сутки непрерывно или порционно периодически в пределах общей суммарной устанавливаемой технологическим регламентом их суточной дозы для определенного объема метантенка, состава, качества и влажности вводимых отходов, режима их сбраживания, задаваемого количества и качества продуктов сбраживания.4. Метантенк для осуществления способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания неизмельченных твердых сбраживаемых органических отходов с выработкой из них горючего биогаза и жидкого минерализованного органического удобрения, содержащий резервуар с газосборником и размещенные внутри него, огражденные загрузочно-разгрузочные ветви цепочно-скребкового элеватора, технологические трубопроводы и теплоизоляцию снаружи резервуара, отличающийся тем, что сбоку в верхней части резервуара выполнена горловина с присоединенным к ней съемным цепочно-скребковым загрузочно-разгрузочным элеватором, горизонтально расположенные друг над другом, противонаправленно работающие ветви которого, имеющие между собой и снаружи перфорированное ограждение (решето, сетка), введены в горловину и размещены в резервуаре сверху, а наружная часть присоединенного к горловине резервуара элеватора выполнена наклонной с непроницаемым внешним защитным ограждением его цепочно-скребковых рабочих ветвей, их приводом, патрубками загрузки и разгрузки при отметке порога выгрузки выше отметки основания газосборника.5. Метантенк по п.4, отличающийся тем, что по форме своего выполнения в плане его изготавливают круглым, квадратным, прямоугольным или многоугольным из различных материалов.6. Метантенк по п.4, отличающийся тем, что привод цепочно-скребкового загрузочно-разгрузочного элеватора выполняют в виде ручной рукоятки (штурвала) или электромеханическим с задаваемым программным управлением.