СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ Российский патент 2019 года по МПК C02F9/14 C02F11/04 C02F3/28 F24C7/02 H05B6/64 B02C13/12 

Изобретение относится к области утилизации концентрированных органических субстратов, пригодных к дальнейшему использованию в условиях производств - их источников или в смежных областях.

Источниками таких субстратов могут быть предприятия агропромышленного комплекса - животноводческие и птицеводческие комплексы (бесподстилочный навоз, помет), перерабатывающие предприятия. При этом субстратами могут выступать осадки локальных очистных сооружений, последрожжевая барда. В жилищно-коммунальном хозяйстве такими субстратами являются избыточный активный ил, осадки городских очистных сооружений.

К известным техническим решениям такого назначения следует отнести технологические схемы с анаэробными биореакторами-метантенками, широко применяющиеся на практике при обезвреживании осадков городских очистных сооружений (Яковлев С.В., Воронов Ю.В. «Водоотведение и очистка сточных вод», М, АСВ, 2004 г., с. 466), бесподстилочного навоза и помета (Ковалев Н.Г., Глазков И.К. «Проектирование систем утилизации навоза на комплексах» М., ВО «Агропромиздат», 1989, с. 104).

Известно установка для переработки органического сырья, включающее систему подачи исходного сырья, анаэробный биореактор, нагреватель биомассы, систему отвода биогаза, систему удаления биомассы, систему управления технологическим процессом (патент РФ №2525897, МПК C02F 11/04, В09В 3/00, B01F 7/04, опубл. 20.08.2014, Бюл. №23). В систему подачи исходного сырья включен механизм, состоящий из приемной воронки, механизма измельчения, механизма перемешивания, системы подогрева. Система подогрева включает рабочие лопатки, установленные на двух полых валах, образующих две батареи с разным направлением вращения. Нагреватель биомассы выполнен в полых валах двух батарей посредством продольных сквозных отверстий с возможностью пропускания через них теплоносителя. Установка содержит устройство для очистки газа, для выработки электрической и тепловой энергии, а также сепаратор для разделения отработанной биомассы на твердую и жидкую фракции.

Недостатком известной установки является длительность процесса предварительной обработки и высокие энергетические затраты.

Известен способ переработки органических субстратов в удобрения и газообразный энергоноситель, согласно которому исходный субстрат подвергают аэробной обработке с образованием нагретого и гидролизованного субстрата и нагретых влажных кислородосодержащих газов, анаэробный обработке с образованием нагретого эффлюента и биогаза и разделению на фракции, в котором разделение на фракции производят после аэробной обработки, анаэробной обработке подвергают жидкую фракцию, нагретый эффлюент используют в качестве теплоносителя для регулирования теплового режима аэробной обработки и в качестве источника аммонийного азота для обогащения твердой фракции, а нагретые влажные кислородосодержащие газы используют для предварительного нагрева и аэрации исходного субстрата (патент РФ №2500628, МПК C02F 11/02, C02F 11/12, В09В 3/00, опубл. 10.12.2013, Бюл. №34).

Недостатком известного способа является распад части органического вещества (до 15%) на стадии аэробной предобработки, что приводит к пропорциональному снижению выхода биогаза.

Известен способ очистки фракции навозного стока и сточной воды ЖКХ с использованием метанового брожения, осуществляемого биоценозом анаэробных бактерий с кавитационной обработкой жидкой фракции навоза или сточной воды (патент РФ №2513691, МПК С12Р 5/00, C02F 11/04, опубл. 20.04.2014, Бюл. №11).

Недостатком известного аппарата является высокие энергетические затраты на проведения процесса кавитационной обработки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения биогаза из экскрементов животных, включающий предварительную обработку органического субстрата путем доведения его до влажности 90% с последующим измельчением субстрата до размера частиц от 0,5 до 0,7 см (патент РФ №2526993, МПК C02F 11/04, C05F 3/00, А01С 3/00, В09В 3/00, опубл. 27.08.2014, Бюл. №24). Вводят органический катализатор и осуществляют сбраживание в анаэробной среде и сбор биогаза. В качестве органического катализатора используют отходы молочного производства в объеме от 5% до 10% от массы органического субстрата. Сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 22°С.

Недостатками известных способа и устройства, прототипа, являются высокие энергетические затраты на процесс измельчения, необходимость доставки органического катализатора, длительность процесса сбраживания в психрофильном режиме (от 17°С до 22°С), а также невозможность обеспечения санитарно-гигиенических требований к обработанному навозу.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса анаэробной переработки органических отходов, путем их предварительной обработки, обеспечивающей тонкодисперсное измельчение, частичный гидролиз сложных органических веществ и внесение микрочастиц железа с использованием аппарата вихревого слоя (ABC) и ускорение разогрева субстрата под воздействием СВЧ поля.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность повысить эффективность процесса анаэробной переработки органических отходов за счет тонкодисперсного измельчения, улучшающего реологические свойства субстрата и доступность питательных веществ для микроорганизмов, частичного гидролиза органических соединений, увеличивающего степень разложения органического вещества и соответственно выход целевого продукта - биогаза, внесения микрочастиц железа, позволяющего сократить периода запуска биореактора, увеличить скорость образования и конечный выход метана, обеспечить более полное разложение субстрата и снижение необходимого объема биореактора, повысить адаптивную способность микробного сообщества к неблагоприятным условиям (например, избыточное накопление летучих жирных кислот (ЛЖК) или Н₂, снижение рН), ускоренного нагрева субстрата в СВЧ поле до температуры процесса, обеспечивающего снижение температурных колебаний в реакторе и повышение стабильности процесса, за счет того, что микрочастицы железа вносят путем истирания рабочего органа аппарата вихревого слоя (стальные иглы), а ускорение нагрева субстрата в аппарате СВЧ нагрева происходит при утилизации отбросной теплоты от аппарата вихревого слоя.

Вышеуказанный технический результат достигается, тем, что в предлагаемом способе анаэробной переработки жидких органических отходов, включающем измельчение субстрата, согласно изобретению, тонкодисперсное измельчение до крупности не более 0,1 мм, частичный гидролиз органических веществ, внесение микрочастиц железа в субстрат, образующихся за счет истирания стальных игл осуществляют в аппарате вихревого слоя, а разогрев субстрата до температуры 55°С осуществляют в аппарате СВЧ нагрева, при этом субстрат направляют из аппарата СВЧ нагрева в аппарат вихревого слоя по единому циркуляционному контуру субстрата, а теплоноситель с температурой 60-70°С из теплообменника охладителя аппарата вихревого слоя направляют в теплообменник подогреватель аппарата СВЧ нагрева по контуру циркуляции теплоносителя для ускорения нагрева субстрата, затем нагретый субстрат с влажностью 90-96% и содержанием органического вещества не менее 20 кг/м³ подают в метантенк для анаэробного сбраживания.

Технический результат достигается также тем, что в предлагаемой установке для осуществления способа анаэробной переработки жидких органических отходов, содержащей метантенк, аппарат вихревого слоя, аппарат СВЧ нагрева, согласно изобретению, аппарат СВЧ нагрева дополнительно снабжен теплообменником подогревателем, а аппарат вихревого слоя снабжен теплообменником охладителем, при этом аппарат СВЧ нагрева гидравлически связан трубопроводом с реактором аппарата вихревого слоя через насос циркуляции субстрата и трехходовой клапан, образуя единый циркуляционный контур по субстрату, а теплообменник охладитель аппарата вихревого слоя соединен трубопроводом с теплообменником подогревателем аппарата СВЧ нагрева через насос циркуляции теплоносителя, образуя циркуляционный контур по теплоносителю, причем метантенк соединен с единым циркуляционным контуром по субстрату трубопроводом загрузки через трехходовой клапан, который управляется от датчика температуры, установленного в аппарате СВЧ нагрева.

Сущность предлагаемого изобретения, на котором представлена представлена общая схема установки для анаэробной переработки жидких органических отходов.

Способ анаэробной переработки жидких органических отходов осуществляют с помощью электрофизического и механического воздействия на субстрат в аппаратах вихревого слоя и СВЧ нагрева. Из исходных органических отходов извлекают крупные включения, затем отходы подвергаются комплексной предварительной обработке заключающейся в воздействии на них СВЧ излучения в аппарате СВЧ нагрева и механического воздействия рабочего органа (стальные иглы) аппарата вихревого слоя, при этом происходит тонкодисперсное измельчение малорастворимых компонентов органических отходов до крупности не более 0,1 мм, частичный гидролиз органических веществ, внесение микрочастиц железа в субстрат, образующихся за счет истирания стальных игл, а также разогрев субстрата до температуры 55°С под действием СВЧ излучения и теплоносителя от аппарата вихревого слоя. Внесение микрочастиц железа увеличивает скорость образования и конечный выход метана, обеспечивает более полное разложение субстрата и снижение необходимого объема метантенка, ускоряет нагрев субстрата в СВЧ поле до температуры процесса. Нагрев теплоносителя до температуры 60-70°С осуществляют за счет охлаждения индуктора аппарата вихревого слоя, что позволяет также ускорить нагрев субстрата до 55°С. Подготовленный субстрат направляют в метантенк для анаэробного сбраживания с получением биогаза и эффлюента.

Способ осуществляется установкой для анаэробной переработки жидких органических отходов содержей метантенк 1, аппарат СВЧ нагрева 2, включающий СВЧ излучатель 4, теплообменник подогреватель 5, датчик температуры 6, аппарат вихревого слоя 3, включающий индуктор 10, реактор 11, теплообменник охладитель 12, насос циркуляции теплоносителя 7, насос циркуляции субстрата 8, трехходовой клапан 9, трубопровод циркуляции субстрата 13, трубопровод циркуляции теплоносителя 14 и трубопровод загрузки метантенка 15.

Аппарат СВЧ нагрева 2 гидравлически связан трубопроводом 13 с реактором 11 аппарата вихревого слоя 3 через насос циркуляции субстрата 8 и трехходовой клапан 9, образуя единый циркуляционный контур по субстрату. Теплообменник охладитель 12 аппарата вихревого слоя 3 соединен трубопроводом 14 с теплообменником подогревателем 5 аппарата СВЧ нагрева 2 через насос циркуляции теплоносителя 7, образуя циркуляционный контур по теплоносителю. Метантенк 1 соединен с единым циркуляционным контуром по субстрату трубопроводом загрузки 15 через трехходовой клапан 9. Датчик температуры 6 расположен в аппарате СВЧ нагрева 2.

Работает предлагаемая установка для анаэробной переработки жидких органических отходов следующим образом.

В аппарат СВЧ нагрева 2 загружаются жидкие органические отходы в объеме суточной дозы загрузки метантенка 1, которые насосом циркуляции субстрата 8 по трубопроводу циркуляции субстрата 13 прокачиваются через реактор 11 аппарата вихревого слоя 3 и затем поступают в аппарат СВЧ нагрева 2, при этом отходы подвергаются воздействию СВЧ излучения, создаваемого СВЧ излучателем 4, а также воздействию стальных игл в аппарате вихревого слоя 3, движущихся под действием вращающегося электромагнитного поля создаваемого индуктором 10. При работе индуктора 10 аппарата вихревого слоя 3 выделяется значительное количество теплоты, которая передается теплоносителю с помощью теплообменника охладителя 12, нагретый теплоноситель с помощью насоса циркуляции теплоносителя 7 по трубопроводу циркуляции теплоносителя 14 подается в теплообменник подогреватель 5 аппарата СВЧ нагрева 2, ускоряя тем самым процесс нагрева субстрата до температуры процесса анаэробной переработки в метантенке 1 (до 55°С). По достижению субстратом температуры процесса, определяемой по датчику температуры 6, трехходовой клапан 9 переводится в положение загрузки метантенка 1 и подготовленный субстрат по трубопроводу загрузки 15 поступает в метантенк 1.

Изобретение относится к области утилизации концентрированных органических субстратов и может быть использовано на предприятиях агропромышленного комплекса и в жилищно-коммунальном хозяйстве. Способ анаэробной переработки жидких органических отходов включает их тонкодисперсное измельчение до крупности не более 0,1 мм, частичный гидролиз органических веществ, внесение микрочастиц железа в субстрат, образующихся за счет истирания стальных игл, в аппарате вихревого слоя, разогрев субстрата до температуры 55°С в аппарате СВЧ нагрева. Субстрат из аппарата СВЧ нагрева направляют в аппарат вихревого слоя по единому циркуляционному контуру субстрата. Теплоноситель с температурой 60-70°С из теплообменника-охладителя аппарата вихревого слоя направляют в теплообменник-подогреватель аппарата СВЧ нагрева по контуру циркуляции теплоносителя для ускорения нагрева субстрата. Затем нагретый субстрат с влажностью 90-96% и содержанием органического вещества не менее 20 кг/м³ подают в метантенк для анаэробного сбраживания. Установка для анаэробной переработки жидких органических отходов содержит метантенк 1, аппарат вихревого слоя 3, аппарат СВЧ нагрева 2. Аппарат СВЧ нагрева 2 снабжен теплообменником-подогревателем 5. Аппарат вихревого слоя 3 снабжен теплообменником-охладителем 12. Аппарат СВЧ нагрева 2 гидравлически связан трубопроводом 13 с реактором аппарата вихревого слоя 3 через насос 8 циркуляции субстрата и трехходовой клапан 9, образуя единый циркуляционный контур по субстрату. Теплообменник-охладитель 12 аппарата вихревого слоя 3 соединен трубопроводом 14 с теплообменником-подогревателем 5 аппарата СВЧ нагрева 2 через насос 7 циркуляции теплоносителя, образуя циркуляционный контур по теплоносителю. Метантенк 1 соединен с единым циркуляционным контуром по субстрату трубопроводом 15 загрузки через трехходовой клапан 9. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса анаэробной переработки органических отходов, улучшить реологические свойства субстрата и доступность питательных веществ для микроорганизмов, увеличить степень разложения органического вещества и выход целевого продукта - биогаза, сократить период запуска метантенка, увеличить скорость образования и конечный выход метана, обеспечить более полное разложение субстрата, снизить объем биореактора, снизить температурные колебания и повысить стабильность процесса анаэробной переработки органических отходов, ускорить нагрев субстрата. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ анаэробной переработки жидких органических отходов, включающий измельчение субстрата, отличающийся тем, что тонкодисперсное измельчение до крупности не более 0,1 мм, частичный гидролиз органических веществ, внесение микрочастиц железа в субстрат, образующихся за счет истирания стальных игл, осуществляют в аппарате вихревого слоя, а разогрев субстрата до температуры 55°С осуществляют в аппарате СВЧ нагрева, при этом субстрат направляют из аппарата СВЧ нагрева в аппарат вихревого слоя по единому циркуляционному контуру субстрата, а теплоноситель с температурой 60-70°С из теплообменника-охладителя аппарата вихревого слоя направляют в теплообменник-подогреватель аппарата СВЧ нагрева по контуру циркуляции теплоносителя для ускорения нагрева субстрата, затем нагретый субстрат с влажностью 90-96% и содержанием органического вещества не менее 20 кг/м³ подают в метантенк для анаэробного сбраживания.

2. Установка для осуществления способа анаэробной переработки жидких органических отходов по п. 1, содержащая метантенк, аппарат вихревого слоя, аппарат СВЧ нагрева, отличающаяся тем, что аппарат СВЧ нагрева дополнительно снабжен теплообменником-подогревателем, а аппарат вихревого слоя снабжен теплообменником-охладителем, при этом аппарат СВЧ нагрева гидравлически связан трубопроводом с реактором аппарата вихревого слоя через насос циркуляции субстрата и трехходовой клапан, образуя единый циркуляционный контур по субстрату, а теплообменник-охладитель аппарата вихревого слоя соединен трубопроводом с теплообменником-подогревателем аппарата СВЧ нагрева через насос циркуляции теплоносителя, образуя циркуляционный контур по теплоносителю, причем метантенк соединен с единым циркуляционным контуром по субстрату трубопроводом загрузки через трехходовой клапан, который управляется от датчика температуры, установленного в аппарате СВЧ нагрева.