УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА И УДОБРЕНИЙ ИЗ ОТХОДОВ СВИНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ Российский патент 2018 года по МПК C05F3/06 C02F11/04 

Изобретение относится к способам утилизации органических отходов, а именно к способам анаэробной переработки свиноводческих стоков и птицеводства и получения при этом биогаза и удобрений для индивидуальных и фермерских хозяйств, использующих предпочтительно бесподстилочное содержание и гидросмыв отходов жизнедеятельности животных и птиц.

Широкое внедрение установок получения биогаза определяется решением двух основных задач:

Утилизация органических отходов (решение экологической проблемы);

Получение тепловой и электрической энергии, обеспечивающих работу собственно установки получения биогаза, а также получение избыточных тепловой и электрической энергии для реализации.

Для эффективной работы биогазовых установок необходимо осуществлять переработку органических отходов с получением достаточно дешевой тепловой и электрической энергии, в частности при использовании в качестве сырья продуктов жизнедеятельности животных и птиц. Кроме того, биогаз физиологически воздействует на людей, животных и растения, является источником специфического запаха и участвует в «парниковом эффекте».

Количество биогаза, образующегося на объекте, зависит от стадии биохимических процессов. Для увеличения количества образующегося биогаза необходимо устройство для перемешивания отходов, образование при этом большого количества пены и устройство надежной газонепроницаемой изоляции, которая предотвращает миграцию газовых скоплений в устройстве и выделение биогаза из пенообразующей массы жидкости.

Экологическая безопасность применения и калорийность биогаза в сочетании с простой технологией его получения является положительным фактором для дальнейшего развития и распространения биогазовой технологии при переработке сельскохозяйственных отходов, в частности, для фермерских хозяйств.

Следует отметить, что переработка различных органических отходов методом анаэробного сбраживания с образованием биогаза становится в последние годы приоритетным направлением для фермерских хозяйств по утилизации отходов и др.

Образующийся в процессах метаногенеза жидкий и твердый шлам - отходы от работающей биогазовой установки вывозят на поля и используют в качестве органических удобрений.

Метановое сбраживание представляет собой многостадийный процесс микробиологической переработки органического вещества до конечных продуктов, в основном метана и углекислого газа. При этом метанобразующие бактерии развиваются в анаэробных условиях.

При этом здесь не рассматривается весь процесс сбраживания и протекания постадийно, а конкретно в результате волнообразования на поверхности аэрируемой жидкости образуется большая масса пены, обогащенная кислородом воздуха в закрытой емкости, кислород, который используется для аэрации жидкости путем многократной рециркуляции последней, а это в свою очередь позволяет создавать улучшенные условия эксплуатации установки и создает надлежащие санитарно-гигиенические условия в зоне ее работы. В конечном итоге, позволяет обеспечить необходимый гидродинамический режим во всем объеме сооружения, более равномерное насыщение жидкости кислородом, увеличить объем аэрационной емкости без увеличения энергозатрат или при равном объеме аэрационной емкости сократить энергозатраты примерно в 1,2 раза за счет увеличения коэффициента использования кислорода воздуха.

Выход биогаза в основном зависит от состава и вида используемого сырья, при этом такие стоки используются и как удобрение для орошения, однако здесь необходимо учитывать образование избыточного активного ила, который не должен сразу поступать на орошение в связи с его опасностью для окружающей среды, а использование его для удобрения полей возможно только после продолжительного хранения и переработки на специальной установке.

Биогаз - это дешевый и доступный способ получения энергии. В настоящее время разработано и применяется большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания и т.д. Кроме того, анаэробной переработке органических отходов в биогаз посвящены десятки статей, обзоров патентов. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза и удобрений при использовании свиноводческих стоков или птичьего помета на индивидуальных и фермерских хозяйствах, в частности использования корпуса емкости хранения из пластикового прочного материала, основание которого имеет днище с отводящим патрубком жидкой фракции и в целом сам узел аэрируемой жидкости (стоков).

Известен способ анаэробного сбраживания разжиженных отходов и устройство для его осуществления (Патент RU №2073401, А01С 3/00, C02F 3/00, от 20.02.1997).

Сущность известного изобретения состоит в том, что анаэробное сбраживание органических отходов осуществляют последовательно во внешней и внутренней камерах метатенка, а перемешивание сбраживаемых отходов во внешней камере осуществляют путем подачи в нее вводимых в метатенк органических отходов.

Недостатком известного изобретения является то, что не используются условия относительно продолжительности времени по времени процесса переработки отходов для индивидуальных и фермерских хозяйств с небольшим количеством животных (например, свиней), т.е. оно предназначено для большого времени выдержки и большим потребным суммарным объемом. Кроме того, при эксплуатации установки требуется значительный расход воды для разбавления отходов.

Известен способ получения биогаза из экскрементов животных WO 2012/152266, заявка PCT/DE 2012/100124, опубл. 15.11.2012, кл. С12Р 5/02).

Указанное решение заявлено первоначально в Германии и в 116 странах мира и предлагает несколько стадий брожения для отделения метана. В качестве исходного субстрата используется жидкий навоз или куриный помет. Первый этап брожения происходит в течение от 1 до 4 дней с добавлением фермента, а затем раствора аммиака. После чего происходит отделение газа, содержащего около 50% CO₂, H₂S, NH₃. Затем проводится повторная ферментации от 10 до 30 дней при температуре от 35°C и выше, определенной кислотности и после этого повторно отделяют биогаз, содержащий метан 75%.

Недостатком известного решения является длительность и сложность его применения, например, для применения небольшими фермерскими хозяйствами, Кроме того, поддерживается достаточно высокий температурный режим реакции.

Известен также способ метанового сбраживания навозных стоков (Патент №2413408, А01С 3/00, C02F 11/04, C02F 3/34, от 10.03.2009).

Недостатком этого способа являются большие затраты теплоэнергии на подогрев и поддержание реактора при температуре 37,5°C, что повышает расходы небольших фермерских хозяйств, в частности, в течение всего года, т.е. ведет к удорожанию способа.

Навоз, в частности свиноводческий, содержит все необходимые для метанового сбраживания бактерии, следовательно, нет необходимости дополнительно вводить метаногенерирующие структуры, необходимо лишь обеспечить уже имеющимся бактериям оптимальные условия для их жизнедеятельности.

За прототип принята известная установка для переработки отходов животноводства и производства удобрений, содержащая сложные блоки нейтрализации и очистки, компремирования и хранения газа, первый из которых выполнен в виде последовательно установленных накопителя навоза с жидкостным разбавителем и насосом подачи, теплообменника, метатенка и сепаратор с магистралями вывода твердой и жидкой фракции, подключенными соответственно через насосы - активаторы к потребителю и отстойнику, при этом перед метатенком на линии подачи подогретого навоза установлен газожидкостный эжектор, а в метатенке установлен эрлифтный барбортер, соединенный по входу с выходом газожидкостного эжектора, вход которого по газу соединен с выходом блока компремирования и хранения (Патент RU №2056393, C05F 3/06, от 20.03.1966).

Недостатком известного изобретения является то, что необходима температура для протекания реакции метангенерации (55±2°C), которая поддерживается нагревателем, и в качестве греющей среды необходимо большое количество горячей воды, что неприемлемо для небольших фермерских хозяйств, особенно в летнее теплое время. Кроме того, сложность самого процесса получения биогаза, соответственно отбора сброженной массы и трубопроводы отвода отработанного активного ила с отбором жидкой фракции из емкости. Другим недостатком является отсутствие активной массы перемешивания с закручиванием биомассы по всей высоте резервуара. Таким образом, степень активного перемешивания сбраживаемой массы недостаточна для анаэробного сбраживания, которое должно ускорить получение большого образования объема пены, из которой больше может выделяться биогаз для протекания внутри емкости активного спонтанного перемешивания сбраживаемой массы, при котором отпадает необходимость длительного времени дополнительного перемешивающего устройства, не способствует интенсификации активного перемешивания сбраживаемой массы.

Практика такого сбраживания органических отходов свиноводческих отходов и птичьего помета показывает, что анаэробного сбраживания остается недостаточно полно решенной задачей. Для эффективной работы объема небольших емкостей, в частности для использования в малых животноводческих хозяйствах получения из свежего навоза (помета) животных - органических удобрений, горючего биогаза, а также улучшение экологической ситуации сельских населенных пунктов.

Задачей изобретения является повышение эффективности и расширение технологических возможностей переработки отходов свиноводческих стоков (птичьего помета) в биогаз и органическое удобрение.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для получения биогаза и удобрений из отходов свиноводческих стоков, включающее накопитель навоза с жидкостным накопителем в цилиндрической емкости и насосом подачи, сепаратор с магистралями-выводами твердой и жидкой фракции к потребителю и отстойнику, на дне цилиндрической емкости, установленной на подготовленном основании, днище совмещают с патрубком вывода жидкой фракции со сбросной задвижкой и дополнительно над ним закрепляют наклонную перфорированную пластину с отверстиями под углом к оси пустотелого вала, который снабжают соплами для подачи сжатого воздуха от источника питания, перпендикулярно установленные на валу и выполняют в виде трубок, изогнутых на конце под прямым углом, в направлении, противоположном предлагаемому вращению вала за счет энергии выходящей из сопел сжатого воздуха, на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом длину сопел увеличивают сверху вниз в сторону наклонной перфорированной пластины с отверстиями, причем угол наклона перфорированной пластины с отверстиями к оси вала ориентирован в направлении выходного отверстия отводящего трубопровода с наклоном своей оси для выгрузки отработанной твердой фракции илового осадка, кроме того, отводящий трубопровод снабжают разгруженным устройством в виде вала шнека ступенчатым с диаметром ступеней, уменьшающимися в направлении перемещения отработанного илового осадка, и используют в качестве удобрения, при этом выгрузку отработанной твердой фракции илового осадка внутри емкости производят при вращении вала, приводимого в движение электродвигателем.

Кроме того, с целью расширения области применения в режиме максимальной выгрузки отработанной твердой фракции илового осадка закрытый трубопровод, состоящий из отдельных секций трубы и соединенных болтами между собой, начальную секцию трубы выполняют цельной, а вторую и последующие секции труб выполняют разрезными вдоль средней их части, которые состоят из нижнего лотка и верхней крышки, последнюю шарнирно прикрепляют к стенке лотка с возможностью поворота ее в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно крепления к стенке лотка.

Кроме того, верхнюю крышку снабжают защелкой в виде замка крепления к стенке лотка.

Кроме того, уплотнение крышки образовано резиной, прикрепленной к внутреннему ее контуру, и располагают над внешней стенкой лотка.

Использование заявляемого технического решения позволит получить следующий результат:

упростить способ переработки жидкого свиноводческого стока (или куриного помета);

обеспечить надежность и полноту отбора биогаза из перерабатываемого жидкого свиноводческого стока (или куриного помета) за счет газодренажной конструкции в закрытой емкости, совмещающей функции вертикального газового отвода биогаза и разделение стока на твердую и жидкую фракции с возможностью использования твердого илового осадка для удобрения;

термин биогаз, используемый в формуле, получаемый в результате распада органического материала в виде свиноводческих стоков (или куриного помета) и получаемый в результате жизнедеятельности в кислородной среде в достаточном количестве, позволяет соблюдать технологию сбраживания стоков микроорганизмами, осуществляющими свою деятельность;

следует отметить, что каждый вид микроорганизмов анаэробного размножения отличается специфической потребностью аэрируемой теплой жидкости, обогащенной кислородом воздуха;

активное насыщение атмосферным сжатым воздухом от источника питания (например, компрессора и др.), представляет собой водовоздушную смесь, получаемую с образованием большого количества пены на поверхности стоков путем растворения воздуха в сточной воде, т.е. процесс растворения воздуха в стоках интенсифицируется за счет дробления воздушных пузырьков, где сжатый воздух выходит из сопел под большим давлением и закручивает эти стоки в герметично закрытой емкости (перемешивает стоки).

Достаточная степень получения биогаза и получение органических удобрений достигается путем увеличения поверхности массообмена между слоями стоков, заполняющими емкость с помощью постоянного насыщения сжатым воздухом, перемешивания и использования энергии сжатого воздуха, вытекающих из сопел. Концы сопел загнуты под прямым углом для сохранения максимальной реактивной силы, необходимой для вращения полого вала. Длина сопел увеличивается сверху вниз в сторону наклонной перфорированной пластины с отверстиями, угол наклона которой к оси вала ориентирован в направлении отверстия отводящего трубопровода с наклоном к своей оси для выгрузки отработанного илового осадка к потребителю. При этом разная длина сопел увеличивает поверхность массообмена и минимизации «пристеночного эффекта» (прилипания к стенке емкости). По окончании цикла получения полностью биогаза подача стоков прекращается и соответственно прекращается вращение полого вала, поэтому для выгрузки отработанной твердой фракции в виде илового осадка он приводится в движение электродвигателем посредством клиноременной передачи, а отводящий трубопровод работает с разгрузочным устройством в виде вала шнека ступенчатым с диаметром ступеней, уменьшающимся в направлении перемещения в направления отработанного илового осадка.

Другим новым конструктивным решением является то, что конструкция отводящего трубопровода включает отдельные секции труб, соединенных болтами, при этом начальную секцию трубы выполняют цельной, а вторую и последующие секции труб выполняют разрезными вдоль средней их части, состоящими из нижнего лотка и верхней крышки, шарнирно прикрепленной к стенке лотка с возможностью поворота ее относительно крепления к стенке лотка. Таким образом, предлагаемое решение удовлетворяет критерию изобретения «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение может быть использовано для малых фермерских хозяйств, получения биогаза и удобрений из отходов свиноводческих стоков (или куриного помета), в которых получают большую массу пены на поверхности жидкости в герметично закрытой емкости. Все это в целом после окончания отбора газа также уменьшает влияние «пристеночного эффекта», при этом улучшается выгрузка отработанной твердой фракции в виде илового осадка.

Заявленный способ получения биогаза и удобрений из отходов свиноводческих стоков осуществляется с помощью устройства: на фиг. 1 схематически представлен общий вид в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - отводящий трубопровод и схема вала шнека согласно описываемому решению; на фиг. 4 - секция трубы с крышкой, сечение на фиг. 3.

Способ осуществляется в следующей последовательности. Вертикальный цилиндрический корпус емкости 1 устанавливают на подготовленное основание с днищем 2 с патрубком 3 вывода жидкой фракции со сбросной задвижкой, и выше днища 2 закрепляют наклонную перфорированную пластину 4 с отверстиями под углом к оси пустотелого вала 5. Сопла 6 для подачи сжатого воздуха, перпендикулярно установленные на валу 5 и выполненные в виде трубок, изогнутых на конце под прямым углом в направлении, противоположном предполагаемому вращению вала, за счет энергии, выходящей из сопел сжатого воздуха от источника питания, например, компрессора, или другого источника (не показан). Длину сопел 6 увеличивают сверху вниз в сторону наклонной перфорированной пластины 4 с отверстиями. В верхней части вала 5 закрепляют колесо 7 для ременного соединения с электродвигателем.

Свиноводческие стоки (или куриный помет) разбавляют при влажности от 90 до 96%. Именно при этой влажности создаются оптимальные условия для жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. Сточную воду загружают через отверстие 8 в крышке 9 емкости 1.

Температуру среды, необходимую для протекания реакции метангенерации (55-60°C), поддерживают нагревателем 10, который может быть использован в качестве греющей горячую воду среды.

От емкости 1 выводится отводящий закрытый трубопровод 11 с заслонкой для выгрузки отработанного илового осадка с наклоном своей оси, начальная часть, которого ориентирована с наклонной перфорированной пластины 4 с отверстиями. Отводящий трубопровод 11 выполняют из отдельных секции труб, соединенных болтами между собой, при этом начальную секцию 12 трубы выполняют цельной, а вторую 13 и последующую 14 секции труб выполняют разрезными вдоль средней их части, состоящими из нижнего лотка 15 и верхней крышки 16. Крышка 16 шарниром 17 прикреплена к стенке лотка 15 с возможностью поворота ее в вертикальной и горизонтальной плоскости относительно крепления к стенке лотка 15. Закрытый отводящий трубопровод 11 по всей длине снабжают валом 18 со шнеком 19, разгрузочное устройство которого выполняют ступенчатым с уменьшающимся диаметром в направлении перемещения отработанного твердого илового осадка потребителю за пределы емкости 1.

В емкости 1 происходит щелочное (метановое) брожение, далее образуется углекислота и метан. Распад сбраживаемых веществ происходит до определенного предела, и сбраживание осадка в виде активного ила в емкости 1 зависит от режима сбраживаемой дозы и влажности загруженного стока.

Выход биогаза при сбраживании происходит под крышкой 20 емкости 1. Газосборные трубы 21 могут быть выполнены комплектом из полиэтиленового материала и связаны между собой посредством общего патрубка 22 выше площади зеркала стоков с образующейся при обработке стоков большой массой пены. Далее биогаз транспортируют трубопроводом 23 в компрессорную станцию в когенератор (не показано).

После окончания цикла выделения биогаза из стоков прекращается подача сжатого воздуха от источника питания, полый вал 5 останавливают, открывают заслонку на отводящем трубопроводе 11 в начале цельной секции трубы 12. Включают электродвигатель (не показан), который посредством клиновидной передачи с колесом 7 приводит в движение вал 5 для перемешивания использованного свиноводческого стока в виде твердой фракции вниз в сторону перфорированной пластины 4 с отверстиями. В ходе перемешивания соответственно при наличии закрепленной наклонной перфорированной пластины 4 с отверстиями облегчается перемещение твердой фракции в виде илового осадка в сторону поступления в отводящий трубопровод 11 с помощью размещения в конце его привода 24 с электродвигателем 25, далее используется как органическое удобрение с соблюдением нормы экологической безопасности окружающей среды. Такое конструктивное решение выгружного устройства позволяет пропускать твердую фракцию без остановки устройства, а это значит двигатель с приводом для вала шнека обеспечивает работоспособность без поломок и надежен в работе.

После окончания освобождения емкости 1 от стоков ее заполняют новым объемом сточных вод, и процесс продолжается известным технологическим повторяющимся циклом до выделения из них биогаза и получения твердой фракции потребителю на удобрение, а также жидкой фракции в отстойник (не показан). Такое конструктивное решение устройства для способа получения биогаза и удобрений из отходов свиноводческих стоков (или птичьего помета) позволяет использовать цилиндрическую замкнутую емкость, в частности, для малых фермерских хозяйств, без применения дорогостоящих катализаторов и ферментов.

Следует отметить, что животноводческие предприятия являются потенциальными источниками загрязнения окружающей среды биогенными и органическими веществами, а также микроорганизмами и другими веществами, содержащимися в навозе.

Предотвратить ущерб от загрязнения окружающей среды навозом можно путем применения оптимальных технологий его переработки и рационального использования не только биогаза, но и питательных веществ из оставшихся и отработанных твердых фракций илового остатка в качестве удобрения для повышения урожайности сельхозкультур.

Происходит глубокое перемешивание стоков с образованием большой массы пены на поверхности, обогащенной кислородом воздуха под крышкой цилиндрической закрытой емкости, в результате чего происходит ускорение за счет потока массы и ее закручивания за счет энергии, вытекающей из сопел сжатого воздуха от источника питания. Сама емкость может быть выполнена из полиэтиленового материала, достаточно прочного в производстве.

Малое количество рабочих элементов и простота конструкции не вызывает больших материальных затрат при изготовлении данной установки, это особенно важно для использования малых фермерских хозяйств. В результате постоянно перемешивающегося сточного илового осадка при загрузке позволяет решить несколько задач вышеперечисленных, а также уменьшения влияния «пристеночного эффекта», т.е. отсутствия налипания ила на внутренние стенки емкости. Таким образом, происходит разделение на жидкую фракцию, которая сливается в днище емкости через наклонную перфорированную пластину с отверстиями, и удаляется далее в отстойник, а также происходит более облегченным способом удаление твердой фракции илового осадка посредством отводящего трубопровода с разгруженным устройством потребителю.

Изобретение относится к способу утилизации органических отходов с использованием устройства анаэробной переработки свиноводческих стоков с получением биогаза и удобрений. Устройство включает цилиндрическую герметичную емкость с отверстием в крышке для подачи стоков и патрубком в днище для вывода жидкой фракции со сбросной задвижкой, нагреватель, наклонную перфорированную пластину, закрепленную выше днища под углом к оси пустотелого вала, сопла для подачи сжатого воздуха от источника питания. Сопла перпендикулярно установлены на валу на одинаковом расстоянии друг от друга и выполнены в виде трубок, изогнутых на конце под прямым углом в направлении, противоположном предполагаемому вращению вала за счет энергии выходящей из сопел сжатого воздуха. Длина сопел увеличена сверху вниз в сторону наклонной перфорированной пластины. Угол наклона перфорированной пластины к оси вала ориентирован в направлении выходного отверстия отводящего закрытого трубопровода для выгрузки отработанной твердой фракции илового осадка, используемого в качестве удобрения, при вращении вала, приводимого в движение электродвигателем. Отводящий трубопровод выполнен с наклоном к своей оси, ступенчатым, с диаметром ступеней, уменьшающимся в направлении перемещения отработанного илового осадка, и имеет разгрузочное устройство в виде вала со шнеком, для отбора биогаза, образующегося в процессе сбраживания. Под крышкой емкости установлены газосборные трубы, связанные между собой посредством общего патрубка. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс очистки животноводческих стоков, выполняя при этом водоохранные мероприятия окружающей среды. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для получения биогаза и удобрений из отходов свиноводческих стоков, включающее накопитель навоза, выполненный в виде цилиндрической герметичной емкости с отверстием в крышке для подачи стоков и днищем с патрубком для вывода жидкой фракции со сбросной задвижкой, нагреватель, наклонную перфорированную пластину, закрепленную выше днища под углом к оси пустотелого вала, сопла для подачи сжатого воздуха от источника питания, перпендикулярно установленные на валу на одинаковом расстоянии друг от друга и выполненные в виде трубок, изогнутых на конце под прямым углом в направлении, противоположном предполагаемому вращению вала за счет выходящей из сопел энергии сжатого воздуха, длина сопел увеличена сверху вниз в сторону наклонной перфорированной пластины, причем угол наклона перфорированной пластины к оси вала ориентирован в направлении выходного отверстия отводящего закрытого трубопровода для выгрузки при вращении вала, приводимого в движение электродвигателем, отработанной твердой фракции илового осадка, используемого в качестве удобрения, отводящий трубопровод выполнен с наклоном к своей оси, ступенчатым, с диаметром ступеней, уменьшающимся в направлении перемещения отработанного илового осадка, и имеет разгрузочное устройство в виде вала со шнеком для отбора биогаза, образующегося в процессе сбраживания, под крышкой емкости установлены газосборные трубы, связанные между собой посредством общего патрубка.

2. Устройство по п. 1, в котором закрытый трубопровод состоит из отдельных секций трубы, объединенных болтами между собой, начальная секция трубы выполнена цельной, а вторая и последующая секция труб выполнены разрезными вдоль средней их части, состоят из нижнего лотка и верхней крышки, которая шарнирно прикреплена к стенке лотка с возможностью поворота ее в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно крепления к стенке лотка.

3. Устройство по п. 2, в котором крышка имеет защелку в виде замка крепления к стенке лотка.

4. Устройство по п. 2, в котором уплотнение крышки образовано резинкой, прикрепленной к внутреннему ее контуру и расположенной над внешней стенкой лотка.