СПОСОБ ОБРАБОТКИ, В ТОМ ЧИСЛЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ, ЖИДКОГО НАВОЗА ИЛИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ УДАЛЕНИЕ ВРЕДНЫХ КОМПОНЕНТОВ, В ЧАСТНОСТИ АЗОТА, ФОСФОРА И МОЛЕКУЛ ПАХУЧИХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2012 года по МПК C02F11/02 

Настоящее изобретение относится к способу обработки, в том числе предварительной, жидкого навоза или отходов производства биогаза, обеспечивающему удаление вредных компонентов, в частности азота, фосфора и молекул пахучих веществ, и раскрытому в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Общая интенсификация сельского хозяйства, укрупнение фермерских хозяйств, концентрация сельскохозяйственного производства в определенных регионах, а также узкая специализация фермерских хозяйств по видам сельхозпродукции привели к тому, что питательных веществ производится больше, чем необходимо для внесения и распределения на полях. В результате, это привело к созданию централизованных предприятий по производству биогаза, в которых происходит сбраживание сырья, богатого питательными веществами и поставляемого с фермерских хозяйств. Установлено, что питательные вещества сельскохозяйственного происхождения являются основной причиной эвтрофикации водоемов. Сток азота представляет собой наиболее серьезную экологическую опасность, связанную с утечками азота. В частности, со стоком в водоемы попадают нитраты, образующиеся в результате нитрификации. Поступающий в водоемы азот вызывает бурное развитие азотфиксирующих водорослей, что приводит к ухудшению качества воды. Сток азота в хранилища питьевой воды может быть опасен для здоровья в том случае, если содержание азота в воде станет чрезмерно высоким.

В частности, для того чтобы снизить сток питательных веществ в естественные водоемы, были приняты законодательные акты, ограничивающие использование азотных удобрений. Директива о нитратах, принятая в Евросоюзе, ограничивает количество азота, допускаемого к внесению в почву. В результате, некоторые фермерские хозяйства вынуждены вывозить питательные вещества на большие расстояния или вообще за пределы фермерских хозяйств.

Однако большую часть жидкого навоза составляет вода. Это влечет за собой значительные издержки на перевозку и распределение навоза. Помимо объемов производства существуют также другие проблемы, связанные с использованием азота, содержащегося в жидком навозе, в качестве удобрения. Удобрительную ценность азота, содержащегося в жидком навозе, трудно определить, поскольку часть азота находится в жидком навозе в форме органических соединений. Азот, входящий в состав органических соединений, не может быть непосредственно использован растениями. Он постепенно переходит в неорганическую форму, пригодную для усвоения растениями. Кроме того, часть азота, содержащегося в жидком навозе, может теряться в виде выделяющегося газообразного азота как во время хранения, так и в процессе распределения или непосредственно после распределения жидкого навоза. Азот может выделяться в виде газообразного аммиака или в виде оксидов азота и/или газообразного азота, образующихся в результате денитрификации. Таким образом, удобрительная ценность азота, содержащегося в жидком навозе, колеблется шире, чем ценность азота, присутствующего в минеральных удобрениях.

Вследствие того, что эффект, получаемый при внесении азотных удобрений, трудно оценить, часто удобрения вносят в недостаточном или избыточном количестве.

Таким образом, исходя из изложенных выше доводов, существует необходимость в разработке способов, обеспечивающих возможность:

1) концентрировать или отделять азот от жидкой фракции;

2) преобразовать азот, содержащийся в жидком навозе, в форму, позволяющую наиболее эффективно использовать удобрительную ценность указанного азота и тем самым снизить потребность в использовании минеральных удобрениях.

Что касается содержащегося в жидком навозе фосфора, то существует несколько приемлемых способов, позволяющих снизить содержание фосфора или полностью его отделить. По существу, содержание фосфора можно снизить просто за счет разделения твердой и жидкой фракций, например, путем механического разделения, в результате чего значительная часть фосфора остается в твердой фракции. Кроме того, фосфор эффективно осаждается из жидкого навоза химически, например, с образованием фосфата магния и аммония (струвита), причем в этом случае выпавшие в осадок питательные вещества находятся в форме, пригодной для усвоения растениями. Химическое осаждение фосфора можно также осуществить способом, который, как правило, используют на водоочистительных станциях, а именно, за счет добавления солей трехвалентного железа или алюминия (Fe³⁺, Al³⁺). Концентрированние или отделение азота осуществить гораздо сложнее, чем концентрирование или отделение фосфора. При механическом разделении большая часть азота остается в жидкой фракции.

Фактически осуществить химическое связывание азота с помощью химреагентов затруднительно, причем в этом случае можно отделить лишь некоторую часть азота. До сих пор отделение аммиака из жидкого навоза в противоточной колонне (отгонку аммиака) не производили из-за экономической нецелесообразности.

АЗОТ В ЖИДКОМ НАВОЗЕ

Жидкий навоз содержит азот как в органической, так и в неорганической форме, причем концентрация азота высока. В среднем содержание растворимого азота в жидком свином навозе составляет 2,5 кг/т, а общее содержание азота составляет, в среднем, 3,8 кг/т. В жидком коровьем навозе общее содержание азота составляет 3,0 кг/т азота, при этом содержание растворимого азота равно 1,8 кг/т (по данным Soil Analysis Service). Разница между общим содержанием азота и содержанием растворимого азота представляет собой количество органического азота, присутствующего в жидком навозе. Большая часть азота содержится в моче и подвергается гидролизу под действием ферментов с образованием аммония в течение первых нескольких дней с начала хранения. Растворимый азот, присутствующий в жидком навозе, содержится, главным образом, в форме аммония. Содержание азота в жидком навозе в десять раз превышает содержание азота в сточных водах.

СПОСОБЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ АЗОТА ИЗ ЖИДКОГО НАВОЗА

Необходимость в отделении азота из жидкого навоза привела к тому, что было разработано и испытано множество различных способов. В частности, к таким способам относятся различные способы химического осаждения, ионный обмен, различные способы мембранной фильтрации, способы биологического отделения азота, а также отделение аммиака в противоточной колонне (отгонка). Для большинства указанных способов характерно то, что они не обеспечивают получение требуемой степени отделения аммиака и отличаются достаточно высокой себестоимостью.

РАЗДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОЙ И ЖИДКОЙ ФРАКЦИЙ

Физическое разделение навоза на фракции, как известно, весьма незначительно влияет на часть азота, растворенного в жидкости.

ОСАЖДЕНИЕ И МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ

При механическом разделении большая часть азота остается в жидкой фракции.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ

Что касается биологических способов, то наиболее известным и широко используемым, в частности для отделения азота из сточных вод, является процесс нитрификации/денитрификации. Указанный процесс представляет собой двухстадийный окислительно-восстановительный процесс. В рамках данного способа азот предварительно окисляют в нитраты, то есть нитрифицируют. Затем наступает бескислородная стадия денитрификации, на которой азот нитратов восстанавливают до газообразного азота. Для реализации данного способа необходимо точное соблюдение оптимальных условий.

Также были разработаны другие способы биологического отделения азота. Среди указанных способов наибольшее внимание, пожалуй, привлекает способ, основанный на процессе анаэробного окисления аммония (anammox), который до сих пор находится на стадии разработки. Этот способ предусматривает окисление аммония непосредственно до газообразного азота (N₂), причем NO₂ выполняет функцию акцептора электронов. Указанный способ в настоящее время находится на этапе разработки.

Основным недостатком всех способов биологического отделения азота являются достаточно высокие капитальные и эксплуатационные затраты. В рамках указанных способов азот не утилизируют, он попадает в атмосферу в виде газа.

ФИЛЬТРАЦИЯ

Несмотря на то, что фильтрацию используют, главным образом, для удержания твердой фракции, она при этом оказывает влияние на химические, а также, возможно, биологические свойства отфильтрованного раствора. Однако содержание азотных соединений, растворенных в жидкости, удается снизить в лучшем случае не более чем на 10%.

ОБРАТНЫЙ ОСМОС

Обратный осмос представляет собой способ очистки, заключающийся в прохождении жидкой среды через мембрану под давлением. Основная идея данного способа состоит в том, что под воздействием давления растворитель (обычно чистую воду) пропускают через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в направлении, противоположном осмосу. Для того чтобы обеспечить возможность использования данного способа для отделения азота из жидкого навоза, необходимо подвергнуть жидкий навоз предварительной обработке (отстаиванию, осаждению, микрофильтрации).

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ

Электрофлотация представляет собой способ разделения, в процессе которого легкие частицы поднимаются на поверхность сточной воды, переносимые малыми пузырьками газов. В рамках данного способа при проведении электролиза воды на поверхности электродов (анода и катода) образуются малые пузырьки водорода и кислорода (22-50 мкм в диаметре). Пузырьки поднимаются на поверхность жидкости и при этом выполняют функцию собирателей мелкодисперсных частиц. Для осуществления электролиза требуется мощный источник электрического тока. Процесс ограничен высоким содержанием сухих веществ в жидком навозе. Для того чтобы обеспечить возможность эффективного использования данного способа для удаления растворимого азота, необходимо обеспечить одновременное электрохимическое окисление.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Существует множество способов осуществления электрохимического окисления. Хорошо известен и широко распространен способ, в процессе которого для окисления аммиака используют хлор и образующийся на аноде гипохлорит. В соответствии с данным способом расщепление аммония происходит в результате реакции непрямого окисления. Расщепление происходит посредством сильных окислителей, образующихся в жидком растворе в процессе электрохимической реакции. В присутствии хлорида на аноде выделяется газообразный хлор. Далее за анодной реакцией следует диффузия газообразного хлора в жидком растворе (растворение), а затем протолитическая реакция с образованием гипохлорита и хлорноватистой кислоты в зависимости от уровня рН. Эффективность данного способа зависит от вида добавляемой соли и величины электрического тока. Для эффективного окисления аммиака, как правило, требуется 30 г/литр хлорида. Недостаток состоит в том, что возможно образование промежуточных органических соединений, содержащих хлор.

ОТДЕЛЕНИЕ АЗОТА ОТГОНКОЙ

Данный способ предусматривает понижение содержания аммиака в жидкой фазе за счет превращения его в газообразную фазу в колонне. Данный способ основан на предварительном повышении уровня рН жидкого навоза для того, чтобы обеспечить возможность преобразования аммонийного азота, содержащегося в жидком навозе, в аммиак. Затем жидкий навоз пропускают через колонну, заполненную наполнителем, что способствует испарению NH₃. Причем жидкий навоз подают в колонну сверху, а снизу в колонну вдувают воздух. В результате, происходит десорбция аммиака, то есть его переход в газообразную фазу с поверхности (границы) навозной жижи, которая проникает вниз в наполнитель. Отделенный газообразный аммиак далее пропускают через воду или кислоту, где жидкость поглощает указанный газообразный аммиак.

Процесс испарения аммония зависит от уровня рН и температуры раствора. С повышением уровня рН ион аммония распадается и образует ионы водорода и аммиак. Полученные в результате ионы водорода соединяются с отрицательными ОН ионами и образуют воду [NH₄ ⁺+OH^-⇄NH₃+H₂O]. Указанное равновесное состояние зависит от уровня рН и температуры. В нейтральном растворе (рН 7) число молекул аммиака по отношению к общему числу ионов аммония и молекул аммиака составляет всего 0,39%, а при уровне рН 9 - уже 28,4% при температуре 20 градусов.

Аммиак довольно легко испаряется, а также хорошо растворяется в воде. Согласно закону Генри при постоянной температуре количество данного газа, растворенного в заданном объеме некоторой жидкости, прямо пропорционально парциальному давлению этого газа в состоянии равновесия с данной жидкостью. Таким образом, в соответствии с законом Генри парциальное давление газообразного аммиака на поверхности навозной жижи прямо пропорционально молярному отношению аммиака в жиже.

Отгонку осуществляют в колонне, в том числе содержащей наполнитель, который обеспечивает наибольшую возможную удельную площадь поверхности при наиболее низком аэродинамическом сопротивлении. В результате добиваются эффективной десорбции, то есть перехода аммиака в газообразную форму с граничной поверхности. Вода и воздух в колонне движутся относительно друг друга встречно, при этом вода стекает вниз по поверхности наполнителя в виде пленки, а воздух движется вверх как сплошная среда. Необходимо обеспечить достаточно мощный и возмущенный поток воздуха, чтобы исключить возможность увеличения концентрации газообразного аммиака в воздухе у поверхности наполнителя и добиться эффективного удаления аммиака. Также желательно обеспечить возмущение потока жидкости.

Проводились испытания по использованию отгонной колонны для отделения азота из жидкого навоза. Однако при этом возникли проблемы, из-за которых способ так и не перешел из стадии испытаний и исследований в общую производственную практику. Можно выделить следующие причины:

1) Высокое содержание сухих веществ в жидком навозе приводит к засорению колонны и затрудняет выполнение отгонки.

2) Для осуществления отгонки требуется достаточно высокий уровень рН раствора, чтобы обеспечить возможность отделения аммония в колонне в виде газообразного аммиака. Уровень рН необработанного жидкого навоза составляет примерно 7,4. При таком уровне рН число молекул аммиака составляет всего 1% по отношению к общему числу ионов аммония и молекул аммиака, а при уровне рН 8,8 данное соотношение достигает примерно 20%.

Изменить уровень рН жидкого навоза сложно из-за его высокой буферной емкости. Для повышения уровня рН сырого жидкого навоза необходимо большое количество химреагентов, что обуславливает экономическую нерентабельность указанного процесса.

3) Процесс удаления азота связан с проблемой сильного запаха, поскольку необработанный жидкий навоз пропускают сквозь колонну, и запах распространяется с потоком воздуха.

4) В промышленности отгонку, как правило, осуществляют с помощью одной высокой колонны (высота составляет по меньшей мере 7 м (Агентство по охране окружающей среды США (USEPA 2000)). Данная технология выполнима при условии, что подаваемый в колонну раствор содержит азот по возможности в форме аммиака. При отделении аммиака уровень рН раствора падает, вследствие чего снижается способность колонны отделять азот. В промышленности растворы зачастую содержат азот, на 100% представленный в форме аммиака. Использование одной высокой колонны влечет за собой дополнительные расходы, поскольку для обеспечения требуемой высота колонны необходимы дорогостоящие конструктивные решения.

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ обработки, в том числе предварительной, жидкого навоза или отходов производства биогаза, обеспечивающий удаление вредных компонентов, в частности азота, фосфора и молекул пахучих веществ, причем

согласно предлагаемому способу используют устройство, содержащее по меньшей мере два последовательно соединенных технологических резервуара, в которых осуществляют биологическую обработку вещества, подлежащего обработке,

указанные технологические резервуары содержат впускные средства, предназначенные для подачи обрабатываемого вещества в технологические резервуары, выпускные средства, предназначенные для отвода обработанного вещества из технологических резервуаров, а также средства подачи воздуха, предназначенные для подачи в технологические резервуары воздуха, необходимого для осуществления биологического процесса,

причем способ отличается тем, что

предварительно каждый технологический резервуар заполняют популяцией микроорганизмов, приспособленных для обработки подаваемого вещества; вещество, подлежащее обработке, постепенно загружают в первый технологический резервуар, а оттуда - в следующий технологический резервуар или следующие технологические резервуары таким образом, что популяция микроорганизмов, которую предварительно поместили в технологические резервуары, постепенно вытесняет первичную популяцию микроорганизмов, обитающую в обрабатываемом веществе;

причем вещество, в котором, по существу, отсутствуют первичные микроорганизмы и которое находится в последнем технологическом резервуаре, возвращают в первый технологический резервуар для того, чтобы разбавить вещество, подлежащее обработке и загружаемое в первый технологический резервуар,

причем способ содержит этап обработки, на котором ниже по потоку от по меньшей мере одного технологического резервуара осуществляют удаление азота путем подачи в отгонную колонну обрабатываемого вещества из технологического резервуара,

в котором уровень рН обрабатываемого вещества повысили за счет микробиологической обработки до значения, достаточного для того, чтобы удалить азот без добавления химреагентов.

В основе разработанной системы микробиологической обработки жидкого навоза лежат следующие идеи:

i) Добавлять жидкий навоз в соответствующем количестве к существующей колонии микроорганизмов вместо того, чтобы вводить в жидкий навоз небольшое количество микробиологического препарата (микробная «инокуляция»). Идея заключается в том, что существующую в жидком навозе колонию микроорганизмов можно вытеснить при условии, если данная колония представлена в недостаточном количестве в доминирующем микробном сообществе с широким многообразием видов, причем условия обитания благоприятны для доминирующего микробного сообщества.

ii) Разработать технологическую систему, направленную на устранение неприятного запаха жидкого навоза, которая поддерживает активность колонии микроорганизмов в процессе устранения запаха. Такая система позволяет:

a) создавать и поддерживать оптимальные условия для развитого микробного сообщества,

b) а также условия, обеспечивающие дальнейший рост данного микробного сообщества. На начальном этапе обработки систему заполняют развитой колонией микроорганизмов.

Развитое микробное сообщество выделяют из почвы и приспосабливают для обработки жидкого навоза. Почву, из которой выделяют микроорганизмы, десятилетиями обрабатывают и удобряют жидким навозом. Также в почве в избытке присутствуют земляные черви. В процессе выделения почву преобразовывают в почвенно-водную суспензию, к которой постепенно добавляют жидкий навоз. Микробное сообщество выращивают в лабораторных условиях в течение нескольких лет, чтобы обеспечить его пригодность для устранения неприятного запаха навоза. В микробном сообществе отсутствуют генетически созданные организмы. Оно развивается путем мутаций, естественного отбора и генетических комбинаций, появляющихся спонтанно естественным образом. Штаммы микроорганизмов, способных разрушать пахучие вещества, определены и известны в большом количестве (например, из патента США №5811287, Rappert and Muller, 2005).

Далее представлено подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж. В частности, на фиг.1 схематично изображено устройство, используемое для реализации предлагаемого способа.

Показанное на фиг.1 устройство содержит технологические резервуары 5, в которых осуществляют микробиологическую обработку. Технологические резервуары 5 предварительно заполняют популяцией микроорганизмов, выделенной из почвы. В соответствии с изображенным вариантом устройство содержит, например шесть технологических резервуаров, соединенных между собой таким образом, что подлежащее обработке вещество, например, жидкий навоз или отходы производства биогаза, способно перетекать из одного резервуара в следующий. Каждый технологический резервуар 5 содержит средства подачи воздуха, соединенные с источником 2 сжатого воздуха. Сначала подлежащее обработке вещество загружают посредством питающего насоса 1 в накопительный резервуар 3, в котором осуществляют отделение крупной фракции. Далее из накопительного резервуара 3 обрабатываемое вещество посредством питательного насоса 4 поступает в первый технологический резервуар 5 и далее в следующие технологические резервуары таким образом, что популяция микроорганизмов, которую предварительно поместили в технологические резервуары, постепенно вытесняет первичную популяцию микроорганизмов, обитающую в обрабатываемом веществе.

Из отгонной колонны 22А посредством питательного насоса 8 можно осуществить обратную подачу вещества в первый технологический резервуар 5 для того, чтобы возвратить в первый технологический резервуар 5 вещество, в котором, по существу, отсутствуют первичные микроорганизмы, и разбавить тем самым подлежащее обработке вещество, загруженное в указанный резервуар. Для улучшения процесса обработки целесообразно производить обратную подачу вещества в соотношении 1:1. В первом технологическом резервуаре 5 происходит расщепление токсичных соединений под действием ферментов, которые первыми вступают в процесс обработки. Эффективное вытеснение популяции микроорганизмов, обитающей в жидком навозе, начинается лишь во втором технологическом резервуаре. В процессе аэробной биологической обработки уровень рН жидкого навоза предпочтительно возрастает с 7,5 до значения не менее 8,5, как правило, до 8,8-9,0. Указанное значение уровня рН является достаточно высоким для того, чтобы обеспечить возможность подачи обрабатываемого вещества в отгонную колонну 22А, расположенную ниже по потоку от последнего технологического резервуара, причем в указанной колонне происходит отделение примерно 1/3 содержащегося в веществе азота без добавления химреагентов.

Согласно варианту изобретения, показанному на фиг.1, обрабатываемое вещество из колонны 22А перекачивают в направлении ниже по потоку посредством питательного насоса 9 и подают в технологический резервуар 10, в котором в вещество посредством насоса 11 для химреагентов добавляют оксид магния (MgO) из резервуара 12, предназначенного для хранения оксида магния.

Номером позиции 13 обозначено перемешивающее устройство. Из резервуара 10 обрабатываемое вещество посредством питательного насоса 14 направляют во вторую отгонную колонну 22, причем навозную жижу собирают в уравнительный резервуар 25 и далее посредством питательного насоса 20 через нагреватель 26 перемещают в третью отгонную колонну 22. Выше по потоку от третей колонны 22 в навозную жижу посредством питательного насоса 16 добавляют гидроксид кальция (Са(ОН)₂) или гидроксид натрия (NaOH) из резервуара 18 для того, чтобы повысить уровень рН.

После добавления указанных химреагентов обрабатываемое вещество подают в третью отгонную колонну 22. Последовательных отгонных колонн может быть больше, чем указано в данном варианте. Подвод воздуха для удаления азота (в отгонных колоннах) осуществляют посредством вентилятора 21. Подводимый воздух нагревают с помощью нагревателя 27. Из отгонной колонны воздух поступает на этап очистки в резервуар 24 с водой или серной кислотой, в котором происходит улавливание азота. Жидкий навоз из последней отгонной колонны 22 по трубе 28 направляют на следующий этап фракционирования, например, в отстойники. Из последнего отстойника отводят очищенную воду.

Под номером позиции 25 указан уравнительный резервуар для потока навозной жижи. Номер позиции 26 соответствует нагревателю, предназначенному для нагревания навозной жижи до ее подачи в каждую из колонн 22А и 22. Под номером 28 указана труба, по которой обработанная навозная жижа, не имеющая запаха и из которой удален азот, поступает на следующий этап фракционирования, осуществляемый, например, в отстойниках путем добавления химреагентов. Указанные химреагенты содержат, например, сульфат железа (Fe₂(SO₄)₃), сульфат алюминия (Al₂(SO₄)₃) и карбонат кальция (СаСО₃). Из отстойника образовавшийся осадок посредством соответствующего перекачивающего насоса подают в осушитель, откуда жидкость под давлением поступает на начальный этап обработки в накопительный резервуар 3.

В процессе аэробной биологической обработки уровень рН жидкого навоза возрастает. В результате высвобождения аммиака уровень рН раствора падает. Таким образом, равновесие между двууглекислой солью и двуокисью углерода смещается в сторону двуокиси углерода, при этом часть двуокиси углерода также высвобождается из раствора в виде газа и попадает в атмосферу. Удаление/высвобождение аммония и карбонатов из жидкого навоза позволяет существенно снизить буферный эффект жидкого навоза.

Изменение уровня рН жидкого навоза зависит от сложной буферной системы, содержащей аммоний, карбонаты, летучие жирные кислоты и другие органические соединения. Большая часть азота, присутствующего в жидком навозе, представлена в виде мочевины, содержащейся в моче. Один из наиболее существенных факторов, препятствующих отделению азота, связан с высокой буферной емкостью жидкого навоза.

ТЕОРИЯ, СВЯЗАННАЯ С БУФЕРНОЙ РЕАКЦИЕЙ В СИСТЕМЕ КАРБОНАТА АММОНИЯ

Ферментативный гидролиз мочевины, полученной из мочи, до карбоната аммония

(1)

Дальнейший распад карбоната аммония на аммиак

(2) 2NH₄ ⁺+CO₃ ^2-⇄NH₄ ⁺+HCO₃ ^-+NH₃

и двуокись углерода

(3) NH₄ ⁺+HCO₃ ^-⇄CO₂+H₂O+NH₃.

Если указанные газы выделяются в атмосферу, то реакции (2) и (3) протекают вправо. Данные уравнения демонстрируют то, как происходит, во-первых, высвобождение протонов при гидролизе, а во-вторых, связывание протонов в результате выделения двуокиси углерода.

Гидролиз аммония

(4) NH₄ ⁺⇄NH₃+H⁺

Выделение двуокиси углерода

(5) СО₃ ^2-+H⁺⇄НСО₃ ^-

(6) НСО₃ ^-+Н⁺⇄CO₂+H₂O.

Константа равновесия для реакции гидролиза аммония pKa NH₄ равна 9,3, испарение аммиака происходит только в нейтральной или щелочной среде. При испарении аммиака протоны высвобождаются.

В процессе аэробной микробиологической обработки количество жирных кислот, присутствующих в жидком навозе, снижается, это происходит в результате того, что микроорганизмы расщепляют указанные кислоты. Из приведенных ниже уравнений видно, что в результате такой реакции протоны поглощаются.

СН₃СОО^-+H⁺⇄СН₃СООН

СН₃СОО^-+H⁺+2O₂⇄2CO₂+2H₂O

После того, как жидкий навоз пропустили через отгонную колонну, уровень рН навоза можно изменить путем добавления значительно меньшего количества химреагентов по сравнению с тем количеством, которое добавляют в жидкий навоз до удаления аммония и карбонатов. Кроме того, снова повысить уровень рН жидкого навоза можно за счет аэробной биологической обработки. В этом случае отделение аммиака путем отгонки можно осуществлять последовательно за счет использования нескольких коротких колонн вместо одной традиционно используемой высокой колонны (Агентство по охране окружающей среды США (USEPA 2000)). Отделение аммиака в последовательно и/или параллельно соединенных колоннах происходит более эффективно по сравнению с процессом отгонки в одной высокой колонне. Жидкий навоз с пониженным содержанием аммония можно использовать в процессе обработки для осуществления обратной подачи. Аммиак является токсичным для организмов и клеток. Установлено, что во время клеточного роста аммиак способствует апоптозу клеток (запрограммированной гибели клеток).

Хотя механизмы токсического действия аммиака до сих пор полностью не изучены, известно, что аммиак нарушает электрохимический градиент клетки. Высокая концентрация аммиака в среде, в которой происходит клеточный рост, вызывает цитоплазматическое окисление. Таким образом, для того, чтобы поддержать оптимальное значение уровня рН, клетки поглощают больше энергии. В результате ферментативных процессов накопление конечных продуктов может привести к замедлению реакции (ингибированию конечных продуктов). Возможность осуществления обратной подачи жидкого навоза с пониженным содержанием аммония позволяет снизить токсичность и ингибирование конечных продуктов аммония, что, в свою очередь, приводит к улучшению биологического процесса. Возможность улучшить биологический процесс способствует сокращению продолжительности обработки жидкого навоза в установке и позволяет тем самым уменьшить размеры реакторов. В процессе биологической аэробной обработки жидкий навоз теряет запах и становится более текучим. В результате, облегчена подача жидкого навоза в колонну и отвод жидкого навоза из колонны, а продувка колонны воздухом исключает возможность распространения запаха на близлежащей территории. Целесообразно настроить технологический процесс таким образов, чтобы обрабатываемое вещество несколько раз проходило через по меньшей мере одну отгонную колонну до того, как его подадут на следующий этап обработки.

В соответствии с проиллюстрированным и описанным выше вариантом изобретения отгонные колонны расположены ниже по потоку от последнего технологического резервуара, тем не менее, целесообразно разместить одну или несколько отгонных колонн по ходу процесса обработки между двумя последовательными технологическими резервуарами. Отгонные колонны, в которые не добавляют химреагенты, по существу, функционируют как технологические резервуары, что позволяет сократить количество технологических резервуаров, например, с шести резервуаров, представленных выше в качестве примера, до трех, при этом обеспечено удаление того же самого суммарного количества азота. Целесообразно установить не менее трех отгонных колонн 22А прежде, чем повышать уровень рН жидкого навоза до значения более 9 за счет добавления химреагентов. Кроме того, можно расположить одну или несколько отгонных колонн, в которые не добавляют химреагенты, ниже по потоку от последнего технологического резервуара. После добавления химреагентов уровень рН возрастает до значения более 9, после чего биологический процесс прекращается, а популяция микроорганизмов погибает.

Источники информации

1. Rappert, S., Muller, R. 2005. Microbial degradation of selected odorous substances. Waste Management 25:940-954.

2. Патент США №5811287. Biologically pure Bacillus badius ferm BP4493 having deodorizing activity.

3. Статистические данные лабораторного анализа навоза и исследований растениеводства за 2002-2004. http://www.viljavuuspalvelu.fi/viljavuuspalvelu/user_flles/files/kotielain/lanta_tilastot.pdf

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обработки, в том числе предварительной, жидкого навоза и отходов производства биогаза, обеспечивающим удаление вредных компонентов, в частности азота, фосфора и молекул пахучих веществ. Технологические резервуары (5), содержащие впускные средства (4), предназначенные для подачи обрабатываемого вещества в технологические резервуары (5), выпускные средства, предназначенные для отвода обработанного вещества из резервуаров, а также средства (2) подачи воздуха, предназначенные для подачи в технологические резервуары воздуха, необходимого для осуществления биологического процесса, используют для осуществления биологической обработки вещества, подлежащего обработке. Предварительно технологические резервуары (5) заполняют популяцией микроорганизмов, приспособленных для обработки подаваемого вещества. Вещество, подлежащее обработке, постепенно загружают в первый технологический резервуар, а оттуда - в следующий технологический резервуар таким образом, что популяция микроорганизмов, которую предварительно поместили в технологические резервуары, постепенно вытесняет первичную популяцию микроорганизмов, обитающую в обрабатываемом веществе. Вещество, в котором, по существу, отсутствуют первичные микроорганизмы и которое находится в последнем технологическом резервуаре, возвращают в первый технологический резервуар для того, чтобы разбавить вещество, подлежащее обработке. Ниже по потоку от технологических резервуаров осуществляют удаление азота путем подачи из технологического резервуара (5) в отгонную колонну (22А) обрабатываемого вещества, в котором уровень рН обрабатываемого вещества повышен биологической обработкой до значения, достаточного для удаления азота. Изобретение позволяет повысить экономическую рентабельность процесса за счет исключения химреагентов. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обработки, в том числе предварительной, жидкого навоза или отходов производства биогаза, обеспечивающий удаление вредных компонентов, в частности азота, фосфора и молекул пахучих веществ, согласно которому используют устройство, содержащее по меньшей мере два последовательно соединенных технологических резервуара (5), в которых осуществляют биологическую обработку вещества, подлежащего обработке, причем указанные технологические резервуары содержат впускные средства (4), предназначенные для подачи обрабатываемого вещества в технологические резервуары (5), выпускные средства, предназначенные для отвода обработанного вещества из технологических резервуаров, а также средства (2) подачи воздуха, предназначенные для подачи в технологические резервуары воздуха, необходимого для осуществления биологического процесса, отличающийся тем, что способ содержит следующие этапы:
предварительно каждый технологический резервуар (5) заполняют выделенной из почвы популяцией микроорганизмов, приспособленных для обработки подаваемого вещества;
вещество, подлежащее обработке, постепенно загружают в первый технологический резервуар, а оттуда в следующий технологический резервуар или следующие технологические резервуары таким образом, что популяция микроорганизмов, которую предварительно поместили в технологические резервуары, постепенно вытесняет первичную популяцию микроорганизмов, обитающую в обрабатываемом веществе;
причем вещество, в котором, по существу, отсутствуют первичные микроорганизмы и которое находится в последнем технологическом резервуаре, возвращают в первый технологический резервуар для того, чтобы разбавить вещество, подлежащее обработке и загружаемое в первый технологический резервуар;
причем способ содержит этап обработки, на котором ниже по потоку от по меньшей мере одного технологического резервуара выполняют отделение азота путем подачи в отгонную колонну (22А) обрабатываемого вещества из технологического резервуара (5), в котором уровень рН обрабатываемого вещества повысился за счет микробиологической обработки до значения, достаточного для того, чтобы удалить азот.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемое вещество из технологического резервуара (5) подают в первую отгонную колонну (22А) без добавления химреагентов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вещество прогоняют через отгонную колонну несколько раз.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в технологическом резервуаре, находящемся выше по потоку от отгонной колонны, за счет биологической обработки повышают уровень рН до значения не менее 8,5, достаточного для удаления некоторого количества азота.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в технологическом резервуаре, находящемся выше по потоку от отгонной колонны, за счет биологической обработки повышают уровень рН до значения примерно 8,8-9,0.

6. Способ по любому из пп.1-3 или 5, отличающийся тем, что используют по меньшей мере три отгонные колонны (22А), функционирующие без добавления химреагентов, прежде, чем повышают уровень рН до значения более 9 за счет добавления химреагентов.

7. Способ по любому из пп.1-3 или 5, отличающийся тем, что используют по меньшей мере одну дополнительную отгонную колонну (22), в которой в обрабатываемое вещество добавляют химреагенты для повышения уровня рН загружаемого обрабатываемого вещества до значения, необходимого для осуществления процесса.

8. Способ по любому из пп.1-3 или 5, отличающийся тем, что вещество, возвращаемое в первый технологический резервуар (5), отводят ниже по потоку от отгонной колонны (22А), функционирующей без добавления химреагентов.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что химреагенты, повышающие уровень рН, представляют собой оксид магния (MgO) или гидроксид кальция Са(ОН)₂, причем уровень рН повышают примерно до 9,5-10.

10. Способ по любому из пп.1-3 или 5, отличающийся тем, что по меньшей мере одну отгонную колонну, функционирующую без добавления химреагентов, располагают по ходу процесса обработки между двумя технологическими резервуарами.

11. Устройство для обработки, в том числе предварительной, жидкого навоза или отходов производства биогаза, предназначенное для удаления вредных компонентов, в частности азота, фосфора и молекул пахучих веществ, которое содержит по меньшей мере два последовательно соединенных технологических резервуара (5), предназначенных для осуществления биологической обработки вещества, подлежащего обработке, причем указанные технологические резервуары содержат впускные средства (4), предназначенные для подачи обрабатываемого вещества в резервуары, выпускные средства, предназначенные для отвода обработанного вещества из технологических резервуаров, а также средства (2) подачи воздуха, предназначенные для подачи в технологические резервуары воздуха, необходимого для осуществления биологического процесса, отличающееся тем, что:
технологические резервуары соединены между собой таким образом, что обрабатываемое вещество способно перетекать из одного резервуара в следующий;
причем устройство содержит по меньшей мере одну отгонную колонну (22А), расположенную по ходу процесса ниже по потоку от по меньшей мере одного технологического резервуара, при этом обрабатываемое вещество поступает в указанную отгонную колонну напрямую из технологического резервуара (5);
причем устройство содержит средства (8), предназначенные для возврата вещества, в котором, по существу, отсутствуют первичные микроорганизмы, из отгонной колонны (22А), расположенной ниже по потоку от последнего технологического резервуара, в первый технологический резервуар для разбавления вещества, подлежащего обработке и загружаемого в первый технологический резервуар.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что отгонная колонна (22А), расположенная по ходу процесса ниже по потоку от технологического резервуара, предназначена для поступления в нее обрабатываемого вещества напрямую из технологического резервуара (5) без добавления химреагентов.

13. Устройство по любому из пп.11 и 12, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере три технологических резервуара (5), между двумя из которых установлена по меньшей мере одна отгонная колонна (22А), функционирующая без добавления химреагентов.