СПОСОБ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C02F3/28 C02F11/04 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и топливной энергетики, а более конкретно - к способам и устройствам для переработки различных жидких органических отходов, например навоза, птичьего помета и т.п., в биогаз (газообразное органическое топливо) и жидкое органическое удобрение.

Известны различные способы и установки для переработки органических отходов в экологически чистые и полезные вещества, например в удобрения и биогаз (см. а.с. СССР №785231, C02F 11/04, 1978, а.с. СССР №1247354, C02F 11/04, 1984, а.с. СССР №1437355, C02F 03/28, 1987, а.с. СССР №1451103, C02F 11/04, 1986, а.с. СССР №1585299, C02F 03/28, 1988, патент РФ №2040515, C05F 03/06, 1993 и др.). Как показала практика, все эти способы и установки из-за ряда своих технологических и конструктивных особенностей недостаточно эффективны для современных требований.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату от его использования является известный способ анаэробной переработки органических отходов по патенту США №6663777, C02F 3/28, 2003, заключающийся в том, что сначала влажную органическую биомассу подают в узел сбраживания, состоящий из двух анаэробных биоректоров, в каждом из которых присутствуют анаэробные бактерии, обеспечивающие сбраживание влажной биомассы (при этом используются слабые культуры микроорганизмов), причем в первом анаэробном биореакторе (концентраторе) происходит накопление мезофильной и термофильной культур, которые и осуществляют сбраживание, а во втором анаэробном биореакторе обеспечивают циклическое изменение давления от 0,5 атм (вакуума) до атмосферного и выше (1,5 атм). Процесс проводят при температуре 35 град.С.

В процессе обработки исходной биомассы обеспечивают ее технологическое перемещение без интенсивного перемешивания, а именно перемещение влажной биомассы из первого биореактора во второй и возврат биомассы из второго анаэробного биореактора в первый анаэробный биореактор. При этом производится продувка биогазом сбраживаемой смеси, так называемая "газовая пластификация".

На протяжении всего процесса из обоих анаэробных биореакторов производят отбор биогаза и органического удобрения.

Весь процесс управляется программируемым компьютером, в который заложена база данных по сбраживанию различных по составу биомасс при различных условиях. Программа позволяет выбирать оптимальные параметры технологического процесса для обеспечения максимального выхода биогаза.

Данный способ хотя и позволяет получать биогаз из влажной органической биомассы, однако, он обладает рядом существенных недостатков.

Во-первых, выход биогаза затруднен из-за образования корки на поверхности биомассы внутри каждого анаэробного биореактора, что снижает производительность процесса.

Во-вторых, производительность процесса по биогазу существенно ограничена из-за плохого массообмена, который связан с недостаточным перемешиванием органической биомассы внутри реактора и небольшим путем прохождения частиц биомассы внутри каждого анаэробного биореактора.

В-третьих, процесс сбраживания в известном способе проводят при невысокой температуре, что снижает степень конверсии органического вещества, а следовательно, снижает производительность процесса.

В-четвертых, как показала практика, используемые в известном способе различные переменные сочетания параметров процесса по давлению и температуре являются неоптимальными.

В-пятых, применяемый в известном способе основной температурный режим (при температуре 35 град.С) не обеспечивает полное уничтожение патогенной микрофлоры и тем самым не обеспечивает экологическую чистоту процесса и санитарные, а следовательно, потребительские качества удобрения.

В-шестых, применение бедной ординарной смешанной культуры анаэробов, постепенно выращиваемой в первом биореакторе, не позволяет быстро достичь максимального выхода биогаза и поддерживать его на всем протяжении работы установки.

В-седьмых, пластификация сбраживаемой массы биогазом (т.е. его избыток) по законам химической кинетики должна сдвигать равновесие суммы химических реакций разложения в сторону исходных продуктов, таким образом снижая степень конверсии и эффективность процесса как по биогазу, так и по удобрению.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение арсенала уже имеющихся технических средств определенного назначения, связанных с повышением эффективности процесса производства биогаэа и жидкого органического удобрения из исходной влажной органической биомассы.

Данная задача решается с помощью технического результата от использования предлагаемого изобретения, заключающегося в существенном повышении производительности и в обеспечении экологической чистоты процесса, в существенном увеличении количества производимого биогаза, а также в получении высококачественного жидкого органического удобрения по непрерывному циклу.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе анаэробной переработки органических отходов, заключающемся в том, что в анаэробный биореактор помещают влажную предварительно подготовленную органическую биомассу с анаэробными бактериями (закваской) и обеспечивают ее сбраживание с нагреванием, при этом из анаэробного биореактора производят отбор биогаза и жидкого органического удобрения, причем управление процессом осуществляют с помощью программируемого компьютера,

во-первых, всю исходную биомассу предварительно измельчают и перемешивают, а также смешивают с переброженным шламом для дополнительного осеменения и предварительно нагревают, после чего ее помещают в анаэробный биореактор, разделенный на секции (например, на четыре секции, как в нижеописанном примере реализации способа, хотя количество секций может быть и другим), и интенсивно перемешивают в течение всего процесса с периодичностью несколько раз в час в соответствии с заложенной в компьютер программой,

во-вторых, анаэробный биореактор герметизируют и создают в нем постоянный вакуум от 0,05 до 0,90 атм. при температуре от 40 до 56 град.С, выдерживая эти параметры в течение всего процесса.

Введение дополнительных операций, особенно внесение при запуске биореактора мощной дозы закваски с сильными, заранее адаптированными к процессу культурами микроорганизмов, с активным перемешиванием перерабатываемой биомассы, а также особые режимы выполнения уже имеющихся операций позволяют существенно повысить эффективность производства биогаза и жидкого органического удобрения с гарантированным обеспечением экологической чистоты процесса.

Предлагаемый способ легко реализуется с помощью специальной разработанной и апробированной авторами нижеописанной установки.

Известны различные установки для анаэробной переработки органических отходов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой установке по технической сущности и достигаемому результату от его использования является известная установка анаэробной переработки органических отходов по патенту США №6663777, C02F 3/28, 2003.

Данная установка содержит:

два анаэробных биореактора с нагревателями биомассы, первый из которых является концентратором, в котором выращивают и накапливают мезофильную и термофильную культуры, которые и осуществляют сбраживание исходной биомассы, а во втором анаэробном биореакторе обеспечивают циклическое изменение давления от вакуума до атмосферного и выше,

систему подачи исходного сырья,

систему удаления биогаза с вакуум-насосом,

систему удаления органического удобрения (в т.ч. жидкого),

систему управления технологическим процессом, выполненную в виде программируемого компьютера.

Такая установка хотя и позволяет перерабатывать органические отходы в биогаз и удобрения, однако область ее использования ограничена тем, что она:

во-первых, имеет довольно сложную конструкцию, что снижает надежность ее работы и увеличивает ее себестоимость;

во-вторых, имеет относительно небольшую производительность, обусловленную малой поверхностью массообмена внутри каждого биореактора, затрудненным выходом биогаза из всего объема биореактора и, как следствие, низкой скоростью процесса сбраживания.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение арсенала уже имеющихся технических средств определенного назначения, связанного с повышением эффективности процесса производства биогаза и жидкого органического удобрения из исходной влажной органической биомассы.

Данная задача решается с помощью технического результата от использования предлагаемого изобретения, заключающегося:

- в повышении надежности работы установки путем упрощения ее конструкции;

- в существенном повышении производительности установки путем обеспечения предварительной (до подачи в биореактор) обработки исходного сырья, ускорения процесса сбраживания за счет существенного увеличения поверхности массообмена внутри биореактора и обеспечения беспрепятственного выхода биогаза из всего объема биореактора;

- в обеспечении возможности получения высококачественного жидкого органического удобрения по непрерывному циклу.

Указанный результат достигается тем, что в известной установке анаэробной переработки органических отходов, содержащей

анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы,

систему подачи исходного сырья,

систему удаления биогаза с вакуум-насосом,

систему удаления жидкого органического удобрения,

систему управления технологическим процессом, выполненную в виде программируемого компьютера,

во-первых, анаэробный биореактор выполнен в виде герметично закрытой емкости, разделенной с помощью вертикальных перегородок (перегородкой-теплообменником, установленной по высоте от дна корпуса биореактора до зеркала жидкости в биореакторе, и набором из шести перпендикулярно расположенных к ней переливных перегородок) на четыре гидравлически сообщенные между собой секции: первой (загрузочной) секции, соединенной с системой подачи исходного сырья, второй секции (подготовительной), третьей секции (промежуточной) и четвертой (сливной), сообщенной с системой удаления жидкого органического удобрения,

при этом первая переливная перегородка установлена на выходе из загрузочной секции по высоте с недоходом до дна корпуса биореактора, с превышением над зеркалом жидкости в биореакторе и с недоходом до крышки корпуса биореактора,

вторая переливная перегородка установлена на входе в подготовительную секцию по высоте от дна корпуса биореактора, с недоходом до зеркала жидкости в биореакторе,

третья переливная перегородка установлена на выходе из подготовительной секции по высоте, с недоходом до дна корпуса биореактора, с превышением над зеркалом жидкости в биореакторе и с недоходом до крышки корпуса биореактора,

четвертая переливная перегородка установлена на выходе из промежуточной секции по высоте от дна корпуса биореактора, с недоходом до зеркала жидкости в биореакторе,

пятая переливная перегородка установлена на входе в сливную секцию по высоте, с недоходом до дна корпуса биореактора, с превышением над зеркалом жидкости в биореакторе и с недоходом до крышки корпуса биореактора,

шестая переливная перегородка установлена на выходе из сливной секции по высоте от дна корпуса биореактора, с недоходом до зеркала жидкости в биореакторе;

во-вторых, дополнительно введена система подготовки исходного сырья, подсоединенная ко входу системы подачи исходного сырья, выполненная в виде емкости для приема сырья, оснащенной устройством для измельчения, устройством для перемешивания и смешения исходной биомассы с переброженным шламом и устройством для ее предварительного нагрева, при этом выход системы подачи исходного сырья подсоединен к полости загрузочной секции анаэробного биореактора;

в-третьих, введено устройство интенсивного перемешивания биомассы внутри анаэробного биореактора, выполненное в виде двух насосов, установленных снаружи корпуса анаэробного биореактора, первый из которых подсоединен с одной стороны к выходному патрубку полости подготовительной секции анаэробного биореактора, а с другой стороны подсоединен к входному патрубку полости загрузочной секции анаэробного биореактора, при этом второй насос подсоединен с одной стороны к выходному патрубку полости сливной секции анаэробного биореактора, а с другой стороны подсоединен к входному патрубку полости промежуточной секции анаэробного биореактора.

Введение в конструкцию установки новых блоков и элементов, а также особое выполнение уже имеющихся основных узлов установки и особое размещение их элементов позволяет существенно повысить эффективность эксплуатации такой установки за счет повышения ее производительности, а также за счет обеспечения высокой надежности ее работы при одновременном обеспечении удобства ее эксплуатации в любых самых сложных условиях.

Заявляемое изобретение пояснено чертежами, на которых:

на Фиг.1 показан вид спереди на анаэробный биореактор с вырезами для показа его внутренних элементов;

на Фиг.2 показан вид сверху на анаэробный биореактор со снятой верхней крышкой;

на Фиг.3 показано сечение по А-А первой (загрузочной) секции анаэробного биореактора с блок-схемой систем подготовки и подачи исходного сырья;

на Фиг.4 показано сечение по Б-Б сливной секции анаэробного биореактора для показа конструкции системы удаления жидкого органического удобрения.

Заявляемая установка анаэробной переработки органических отходов содержит анаэробный биореактор 1 с основным нагревателем биомассы, выполненным в виде водогрейного котла 2, работающего на биогазе, производимом предлагаемой установкой, теплоноситель которого (например, вода) поступает в теплообменник, функцию которого выполняет полая вертикальная перегородка 3, расположенная внутри анаэробного биореактора 1. Кроме этого, установка содержит систему 4 подачи исходного сырья, систему 5 удаления биогаза с вакуум-насосом, систему 6 удаления жидкого органического удобрения и систему 7 управления технологическим процессом, выполненную в виде программируемого компьютера.

Анаэробный биореактор 1 выполнен в виде герметично закрытой емкости, разделенной с помощью вертикальных перегородок (полой вертикальной перегородкой 3 - теплообменником, установленной по высоте от дна корпуса биореактора до зеркала жидкости 8 в биореакторе, и набором из шести перпендикулярно расположенных к ней переливных перегородок) на четыре гидравлически сообщенные между собой секции: первой (загрузочной) секции 9, соединенной с системой 4 подачи исходного сырья, второй секции (подготовительной) 10, третьей секции (промежуточной) 11 и четвертой (сливной) секции 12, сообщенной с системой 6 удаления жидкого органического удобрения. При этом первая переливная перегородка 13 установлена на выходе из загрузочной секции 9 по высоте с недоходом до дна корпуса биореактора 1, с превышением над зеркалом жидкости 8 в биореакторе 1 и с недоходом до крышки корпуса биореактора 1. Вторая переливная перегородка 14 установлена на входе в подготовительную секцию 10 по высоте от дна корпуса биореактора 1, с недоходом до зеркала жидкости 8 в биореакторе 1. Третья переливная перегородка 15 установлена на выходе из подготовительной секции 10 по высоте с недоходом до дна корпуса биореактора 1, с превышением над зеркалом жидкости 8 в биореакторе 1 и с недоходом до крышки корпуса биореактора 1. Четвертая переливная перегородка 16 установлена на выходе из промежуточной секции 11 по высоте от дна корпуса биореактора 1, с недоходом до зеркала жидкости 8 в биореакторе 1. Пятая переливная перегородка 17 установлена на входе в сливную секцию 12 по высоте, с недоходом до дна корпуса биореактора 1, с превышением над зеркалом жидкости 8 в биореакторе 1 и с недоходом до крышки корпуса биореактора 1. Шестая переливная пере городка 18 установлена на выходе из сливной секции 12 по высоте от дна корпуса биореактора 1, с недоходом до зеркала жидкости 8 в биореакторе 1.

Имеется также система 19 подготовки исходного сырья, подсоединенная ко входу системы 4 подачи исходного сырья, выполненная в виде емкости 20 для приема сырья, оснащенной устройством 21 для измельчения, устройством 22 для перемешивания и смешения исходной биомассы с переброженным шламом и устройством 23 для ее предварительного нагрева, при этом выход системы 4 подачи исходного сырья подсоединен к полости загрузочной секции 9 анаэробного биореактора 1.

Кроме этого, имеется устройство 24 интенсивного перемешивания биомассы внутри анаэробного биореактора 1, выполненное в виде двух насосов, установленных снаружи корпуса анаэробного биореактора 1, первый 25 из которых подсоединен с одной стороны к выходному патрубку 26 полости подготовительной секции 10 анаэробного биореактора 1, а с другой стороны подсоединен к входному патрубку 27 полости загрузочной секции 9 анаэробного биореактора 1, при этом второй насос 28 подсоединен с одной стороны к выходному патрубку 29 полости сливной секции 12 анаэробного биореактора 1, а с другой стороны подсоединен к входному патрубку 30 полости промежуточной секции 11 анаэробного биореактора 1.

Предлагаемая установка анаэробной переработки органических отходов работает следующим образом.

Исходное сырье в виде влажной органической биомассы загружают в приемную емкость 20 системы 19 подготовки исходного сырья, где его с помощью соответствующих устройств измельчают (21), перемешивают и смешивают с переброшенным шламом (22) для предварительного осеменения и предварительно подогревают (23). Такая подготовка сырья значительно ускоряет процесс сбраживания и обеспечивает скорейший выход анаэробного биореактора 1 на нужный оптимальный режим.

После этого тщательно подготовленную исходную биомассу с закваской с помощью системы подачи 4 подают (см. Фиг.3) в полость загрузочной секции 9, а через нее и во все другие сообщенные с нею секции 10, 11 и 12 анаэробного биореактора 1. После заполнения биомассой всех секций анаэробный биореактор 1 готов к работе.

С помощью системы управления 7 включают основной нагреватель 2, подключенный к входному и выходному патрубкам на корпусе биореактора 1 (см. Фиг.1) для подвода и отвода теплоносителя (воды), и нагревают исходную влажную биомассу до 40...56 град.С, поддерживая эту температуру в течение всего процесса, а также включают вакуум-насос 5 системы удаления биогаза, создавая необходимый вакуум и поддерживая его в течение всего процесса в пределах от 0,05 до 0.9 атм.

В течение всего процесса с помощью первого 25 и второго 28 насосов биомасса внутри анаэробного биореактора 1 интенсивно перемешивается с периодичностью несколько раз в час в соответствии с заложенной в компьютер программой управления процессом.

В течение всего процесса с помощью системы 5 с вакуум-насосом биогаз удаляется через патрубок в верхней крышке корпуса анаэробного биореактора 1, а с помощью системы 6 через патрубок в верхней части стенки сливной секции 12 анаэробного биореактора 1 жидкое органическое удобрение сливается самотеком в емкость для готового продукта.

Таким образом обеспечивается непрерывный цикл процесса и обеспечивается высокая производительность установки.

Использование предлагаемой группы изобретений позволяет:

1. Повысить производительность процесса при обеспечении его гарантированной экологической чистоты.

2. Существенно увеличить количество производимого биогаза, а также высококачественного жидкого органического удобрения по непрерывному циклу.

3. Обеспечить высокую надежность работы установки при одновременном обеспечении удобства ее эксплуатации в любых самых сложных условиях.

4. Повысить технологичность и снизить затраты на изготовление таких установок за счет упрощения конструкции основных узлов.

Изобретение может быть использовано в области сельского хозяйства и топливной энергетики для переработки органических отходов, например навоза, птичьего помета. Установка анаэробной переработки органических отходов содержит анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы, систему подачи исходного сырья, систему удаления биогаза с вакуум-насосом, систему удаления жидкого органического удобрения и систему управления технологическим процессом. Анаэробный биореактор выполнен в виде герметично закрытой емкости, разделенной с помощью вертикальных перегородок: перегородки - теплообменника, установленного по высоте от дна корпуса биореактора до зеркала жидкости в биореакторе, и набора из шести переливных перегородок на четыре гидравлически сообщенных между собой секции. Первая - загрузочная секция соединена с системой подачи исходного сырья. Вторая секция - подготовительная, третья секция - промежуточная и четвертая - сливная, сообщенная с системой удаления жидкого органического удобрения. Ко входу системы подачи исходного сырья подсоединена система подготовки исходного сырья, выполненная в виде емкости для приема сырья, оснащенной устройствами для измельчения, перемешивания и смешения исходной биомассы с переброженным шламом и ее предварительного нагрева. Анаэробный биореактор оснащен устройством интенсивного перемешивания биомассы, выполненным в виде двух насосов, установленных снаружи корпуса анаэробного биореактора. Технический результат: повысить производительность процесса, увеличить количество производимого биогаза и жидкого органического удобрения, обеспечить экологическую чистоту и высокую надежность работы. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ анаэробной переработки органических отходов, заключающийся в том, что в анаэробный биореактор помещают влажную предварительно подготовленную органическую биомассу с анаэробными бактериями - закваской, и обеспечивают ее сбраживание с нагреванием, при этом из анаэробного биореактора производят отбор биогаза и жидкого органического удобрения, причем управление процессом осуществляют с помощью программируемого компьютера, отличающийся тем, что всю исходную биомассу предварительно измельчают и перемешивают, а также смешивают с переброженным шламом для дополнительного осеменения и предварительно нагревают, после чего ее помещают в анаэробный биореактор и интенсивно перемешивают в течение всего процесса с периодичностью несколько раз в час.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анаэробный биореактор герметизируют и создают в нем постоянный вакуум от 0,05 до 0,90 атм при температуре от 40 до 56°С, выдерживая эти параметры в течение всего процесса.3. Установка анаэробной переработки органических отходов, содержащая анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы, систему подачи исходного сырья, систему удаления биогаза с вакуум-насосом, систему удаления жидкого органического удобрения и систему управления технологическим процессом, выполненную в виде программируемого компьютера, отличающаяся тем, что анаэробный биореактор выполнен в виде герметично закрытой емкости, разделенной с помощью вертикальных перегородок: перегородки-теплообменника, установленного по высоте от дна корпуса биореактора до зеркала жидкости в биореакторе, и набора из шести перпендикулярно расположенных к ней переливных перегородок, на четыре гидравлически сообщенных между собой секции: первой, загрузочной секции, соединенной с системой подачи исходного сырья, второй секции - подготовительной, третьей секции - промежуточной и четвертой - сливной, сообщенной с системой удаления жидкого органического удобрения, при этом первая переливная перегородка установлена на выходе из загрузочной секции по высоте с недоходом до дна корпуса биореактора, с превышением над зеркалом жидкости в биореакторе и с недоходом до крышки корпуса биореактора, вторая переливная перегородка установлена на входе в подготовительную секцию по высоте от дна корпуса биореактора с недоходом до зеркала жидкости в биореакторе, третья переливная перегородка установлена на выходе из подготовительной секции по высоте с недоходом до дна корпуса биореактора, с превышением над зеркалом жидкости в биореакторе и с недоходом до крышки корпуса биореактора, четвертая переливная перегородка установлена на выходе из промежуточной секции по высоте от дна корпуса биореактора с недоходом до зеркала жидкости в биореакторе, пятая переливная перегородка установлена на входе в сливную секцию по высоте с недоходом до дна корпуса биореактора, с превышением над зеркалом жидкости в биореакторе и с недоходом до крышки корпуса биореактора, шестая переливная перегородка установлена на выходе из сливной секции по высоте от дна корпуса биореактора с недоходом до зеркала жидкости в биореакторе, дополнительно введена система подготовки исходного сырья, подсоединенная ко входу системы подачи исходного сырья, выполненная в виде емкости для приема сырья, оснащенной устройством для измельчения, устройством для перемешивания и смешения исходной биомассы с переброженным шламом и устройством для ее предварительного нагрева, при этом выход системы подачи исходного сырья подсоединен к полости загрузочной секции анаэробного биореактора, кроме этого, введено устройство интенсивного перемешивания биомассы внутри анаэробного биореактора, выполненное в виде двух насосов, установленных снаружи корпуса анаэробного биореактора, первый из которых подсоединен с одной стороны к выходному патрубку полости подготовительной секции анаэробного биореактора, а с другой стороны подсоединен к входному патрубку полости загрузочной секции анаэробного биореактора, при этом второй насос подсоединен с одной стороны к выходному патрубку полости сливной секции анаэробного биореактора, а с другой стороны подсоединен к входному патрубку полости промежуточной секции анаэробного биореактора.