Способ переработки и утилизации органических и бытовых отходов Российский патент 2023 года по МПК B09B3/00 B03B7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам переработки и утилизации бытовых и промышленных отходов, (далее - отходы), и утилизации ТКО (твердых коммунальных отходов) и промышленных отходов с помощью гидросепарации, позволяя применять технологию анаэробного сбраживания, благодаря чему позволяет значительно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и получить ценные продукты, такие как биогаз и биоудобрение, кормовой белок.

Уровень техники

Существует особая потребность в переработке и утилизации отходов, особенно их органической составляющей. Значительная часть отходов утилизируются путем захоронения на полигонах ТБО (твердых бытовых отходов), которые в связи со своей устаревшей организацией являются источниками загрязняющих веществ (парниковые газы, вредные выбросы, загрязненные фильтрационные воды и т.д.), оказывают долгосрочное негативное воздействие на окружающую среду и здоровье населения. Анаэробное метановое сбраживание является наиболее перспективной технологией переработки коммунальных и других видов органических отходов. Применение технологии анаэробного сбраживания позволяет значительно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и получить ценные продукты, биогаз и биоудобрение, кормовой белок. Метан, основной компонент биогаза, может быть использован для получения тепловой и электрической энергии. В мире наиболее распространено анаэробное сбраживание в мезофильных условиях (30-35°С). Однако, термофильное сбраживание (50-57°С) имеет ряд существенных преимуществ, связанных с увеличением скорости роста микроорганизмов и осуществляемых ими реакций, более глубоким разложением органического вещества (ОВ) за счет повышения растворимости органических соединений. Повышенная температура процесса позволяет добиться обеззараживания отходов от патогенных организмов (бактерий, вирусов, яиц гельминтов), что необходимо для дальнейшего использования сброженной биомассы в качестве биоудобрения. В настоящее время наиболее перспективными путями увеличения производительности анаэробных биореакторов считаются ко-ферментация различных видов органических отходов, снижение влажности субстратов и повышения нагрузки по органическому веществу.

Анаэробное разложение органического вещества - это сложный многоступенчатый процесс, требующий совместной активности нескольких групп микроорганизмов с различными метаболитическими возможностями.

Процесс анаэробной деградации ОВ включает четыре последовательные стадии:

1) стадию гидролиза сложных биополимеров (полисахаридов, липидов, белков) на более простые олиго- и мономеры: углеводы и простые сахара, длинноцепочечные жирные кислоты и глицерин, аминокислоты и т.д.;

2) стадию ферментации (брожение, кислотогенез) - образовавшиеся в ходе гидролиза мономеры сбраживаются до более простых веществ - летучие жирные кислоты (ЛЖК), спиртов, углекислого газа и водорода;

3) синтрофную стадию (ацетогенез) окисление летучих жирных кислот (ЛЖК) и спиртов синтрофными бактериями с образованием ацетата, водорода и углекислого газа;

4) метаногенную стадию, в ходе которой метаногенные археи образуют метан - конечный продукт анаэробного разложения ОВ, если в среде отсутствуют другие акцепторы электронов (сульфат, нитрат, Fe (III)).

Ближайшими аналогами данного изобретения можно считать:

Патент на изобретение № RU 115244 U1;

Патент на изобретение № RU 76541 U1.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения

Создание такого способа утилизации и переработки бытовых отходов, который будет максимально безопасен для окружающей среды и позволит выгодно использовать полученный в ходе переработки продукты производства, такие как, биоудобрения и биогаз. Основной результат - это отсутствие необходимости осуществлять захоронение каких-либо отходов, поскольку после обработки и утилизации остаются только товарные продукты

Новизна

Обработка (сортировка) предлагаемым в составе комплекса методом гидросепарации гарантирует степень разделения смешанных отходов на уровне более 90% по видам фракции (стекло, резина, пластик, органика, камни, песок и т.д.)

В обработке и утилизации на таком комплексе Отходов отсутствует необходимость дальнейшего захоронения и какого-либо обезвреживания, поскольку в результате работы комплекса образуются только товарные продукты.

Разработан способ сбраживания при температуре 50-62°С для обеспечения полного обеззараживания от патогенов, содержащихся и развивающихся в органической составляющей отходов.

Предусмотрена возможность использования фильтрата Полигонов ТКО в процессе сбраживания, что приводит также к его утилизации, не нанося ущерба окружающей среде. Сброженный осадок после биореакторов является биоудобрением благодаря разработанной технологии регулирования компонентного состава конечного продукта.

В биореакторах с конусным исполнения днища применяется технология гидроперемешивания, предотвращающая образование застойных зон. В близких по назначению устройствах используется механическое перемешивание (например, лопастными мешалками).

В отличие от аналогов в блоке гидросепарации спроектирован замкнутый контур оборота воды для повышения насыщаемости воды органикой. Это позволяет снизить объем воды для гидросепарации на 60% и более.

Технологический режим сбраживания в отличие от аналогов предусматривает работу на повышенных концентрациях органических веществ в исходном субстрате до 36% по объемной доли в отличи от аналогов, которые используют концентрации до 20% по объемной доли. Данный цикл повышает выход биогаза и удобрений на 50-70%.

Технический результат

Ко-ферментация осадка сточных вод (ОСВ) и органической фракции ТБО (ОФ-ТБО) позволяет сбалансировать состав питательных веществ и влажность смеси и увеличить разнообразие микроорганизмов, участвующих в деградации отходов. Снижение влажности субстратов позволяет снизить потребление воды, расходы на обезвоживание сброженной биомассы и очистку фильтрационных вод, тепловые потери и энергоемкость процесса. Повышение нагрузки позволяет увеличить скорость образования и выход биогаза. В результате подобного способа переработки и утилизации возможно получение биоудобрений, биогаза и кормовой белок.

Биогаз - газообразная часть продуктов анаэробного разложения органических веществ, являющегося результатом жизнедеятельности симбиоза множества видов бактерий. То есть процесс анаэробного брожения - биологический процесс. Он существуют сам по себе и в природных условиях: во-первых, в желудках животных организмов, а во-вторых, в толще грунта или на дне водоемов, где затруднен доступ кислорода.

В силу таких исходно биологических свойств техпроцесса работы биогазовой установки невозможно абсолютно точно подсчитать заранее такие выходные параметры, как глубину разложения биомассы, удельный выход биогаза и его состав.

Характеристика биоудобрений

Получение биогумуса при производстве биогаза. Нерациональное использование органических отходов является причиной значительных потерь растительных питательных веществ, в которых нуждается сельское хозяйство для поддержки плодородия почв. Применение биогазовых технологий способно обеспечит максимальное использование доступных сельскому населению ресурсов: остающихся после выработки биогаза биошлам, который представляет собой удобрение, повышающее общее качество земель и увеличивающее урожайность.

Фосфат и калий. Содержание фосфата (форма фосфора, напрямую усваиваемая растениями) не изменяется в процессе ферментации сырья. В этой форме растениями может быть усвоено около 50% общего содержания фосфора. Ферментация не влияет на содержание калия, от 75 до 100% которого может быть усвоено растениями.

Азот. В отличие от фосфата и калия, некоторое количество азота изменяется в процессе ферментации. Около 75% азота, содержащегося в свежем навозе, становится частью органических макромолекул, остальные 25% представлены в минеральной форме. После переработки в биогазовой установке около 50% азота в биоудобрении находятся в органической форме и 50% - в минеральной. Минеральный азот может быть напрямую усвоен растениями, а органический азот должен сначала минерализоваться с помощью почвенных микроорганизмов.

Реализация задачи

Способ включает в себя переработку ТБО, при котором в результате сбраживании осадков, на медленной первой стадии гидролиза сложного органического вещества, осуществляется процесс анаэробного сбраживания, в результате которого происходит выделение энергии в виде биогаза, что является существенным преимуществом данного способа. Также в ходе данного процесса переработки, осуществляется стабилизации разбавленных осадков сточных вод (избыточного активного ила) - фильтратом ТБО, данный способ является наиболее выгодным и доступным.

Описание технологического процесса

1. Блок гидросепарации

Спецавтомобиль, загруженный ТБО, выгружается в приемный бункер (1), из бункера фракция ТБО, ленточным конвейером (2), транспортируется на шредер (3). Данное оборудование предназначено для разрывания пакетов с мусором и усреднения фракционной составляющей. Из шредера однородная и измельченная фракция ТБО, ленточным конвейером (4), подается в модуль начального разделения форсуночного типа (либо как альтернатива напрямую в роторный сепаратор производства компании MAVITEC или аналогичный ему) поз. 5, где происходит отделение прилипшей органики к полиэтилену, пластику, бутылкам. Применяя форсунки высокого давления, происходит первая стадия начального разделения органики от других составляющих ТБО. Пройдя данный модуль, получается размытая органическая фракция и частично очищенная основная часть ТБО. Далее разделенная фракция попадает в первую секцию оборудования гидротранспортировки и разделения фракций поз. 6, заполненная водой. Первая секция оборудована напорным коллектором поз. 7 и воздушным сепаратором аэрлифт поз. 8. В данной секции происходит отделение твердой фракции ТБО (песок, камни, стекло, цветной металл), которые удаляются со дна отсека с помощью сепарационного винтового конвейера твердой фракции поз. 9. Под воздействием воздушной сепарации аэрлифта поз. 8 и движения водного потока поз. 7, легкая фракция ТБО и органическая составляющая, перемещаются во второй отсек данного оборудования поз. 10. Технология основана на разности в весе и плотности составляющей ТБО. Тяжелая фракция осела в первом отсеке поз. 6, а органика менее тяжелая и пакеты полиэтилен, пластиковые бутылки начинают разделение во второй секции поз. 10. Все легкое пакеты полиэтилен, пластиковые бутылки всплывает и держится на поверхности воды, данная составляющая удаляется с поверхности, лопастным конвейером поз. 11 с транспортировкой на ленточный конвейер удаления легкой фракции поз. 12. А органическая составляющая направляется движущимся водным потоком на сепарационный винтовой конвейер органической фракции поз. 13, где происходит отделение органической фракции крупнее 4 мм. Водный поток насыщенный мелко составляющей органической фракцией, циркуляционным насосом поз. 14, подается на гидроциклон поз. 15. В гидроциклоне поз. 15, за счет большой центробежной силы, происходит выделение оставшейся органики и осветленная вода, через фильтр поз. 16, подается в 1 отсек поз. 6, модуля гидросепарации.

Отобранная тяжелая фракция на вибросите поз. 17 разделяется на камни и стекло, а водный поток, насыщенный песком, направляется центробежным насосом поз. 18 на второй гидроциклон поз. 19 для отделения песка и очищения воды. После гидроциклона поз. 19, очищенная вода подается на форсунки модуля начального разделения поз. 5. Пластик, полиэтилен передается на утилизацию в пиролизной установке поз. 20. Органическая фракция после гидроциклона поз. 15 и сепарационного винтового конвейера поз. 13 доизмельчается на мацераторе. Для обеспечения работы установки аэрлифт, установлена центробежная воздуходувка, для удаления металлической составляющей, предусмотрен магнитный сепаратор.

Обработка (сортировка) предлагаемым в составе комплекса методом гидросепарации гарантирует степень разделения смешанных отходов на уровне более 90% по видам фракции (стекло, резина, пластик, органика, камни, песок и т.д.)

2. Блок анаэробного сбраживания

После разделения механических примесей от органического сырья в блоке гидросепарации, механические примеси в виде (полиэтилена, пенопласта, мелких не удаленных примесей в процессе сортировки), ленточным транспортером удаляются из помещения на уличный контейнер для упаковки и отгрузке потребителям вторичного сырья либо установку пиролиза для получения пиролизного топлива. Органический субстрат, после предварительного измельчения, с концентрацией сухих веществ СВ 60-70%, самотеком поступает в емкость субстрата, где происходит его первичное интенсивное перемешивание. Из емкости субстрат оседиагональным насосом перекачивается на Мацератор (Измельчитель) для дополнительного измельчения субстрата и удаления оставшихся взвешенных твердых примесей. Измельченный (гомогенизированный субстрат), далее поступает через регулирующий клапан и расходомер, на окончательную подготовку к сбраживанию, смеситель гидрокинетической дезитеграции и предварительного нагрева субстрата, также в данный смеситель, через регулирующий клапан и расходомер, подается фильтрат обводного канала полигона ТБО из сборника (поз. 10), для разбавления исходного субстрата до 30% СВ и дальнейшей его нейтрализации в процессе анаэробного сбраживания. Анаэробное сбраживание фильтрата проводится, для его очистки с целью улучшения экологического состояния окружающей природной среды.

Метод анаэробного сбраживания имеет ряд преимуществ, таких как:

• возможность осуществлять очистку непосредственно в месте образования фильтрата;

• очистка стоков от микроорганизмов и яиц гельминтов;

• возможность получения альтернативного источника энергии - биогаза, образующегося в процессе сбраживания;

• отсутствие негативного воздействия на окружающую среду.

При термофильном сбраживания практически полностью погибают микроорганизмы семейства энтерогруппы (кишечныепалочки) и яйца гельминтов.

Из смесителя по трубопроводу, с контролем температуры и содержания СВ, субстрат поступает в реактор первичного гидролиза и усреднения субстрата с перемешивающим устройством, где происходит первичное разложение и формирование необходимого качества субстрата за счет добавления энзимов и жира. На фазе гидролиза бактерии расщепляют белки, жиры и углеводы на более простые молекулы, типа сахаров, аминокислот и т.п. Первичная стадия гидролиза проходит во временном интервале от 3 до 10 часов. Из реактора подготовленный субстрат, оседиагональным насосом, через спиральный теплообменник, подается в емкость хранения и сбраживания субстрата. На выходе из теплообменника температура субстрата повышается до 60°С. Процесс анаэробного сбраживания - это фаза гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. В каждой фазе работает свой тип бактерий, причем количество видов бактерий, участвующих в каждой фазе. В емкости хранения и сбраживания субстрата, происходит завершающая стадия гидролиза и начинается процесс ацидогенеза. На фазе ацидогенеза образуются различные органические кислоты, а так же уксусная кислота, являющаяся основной составляющей для третьей стадии метаногенеза (образования метана). Разработанная технология предусматривает термофильное сбраживание при температуре 55-56°С. Для поддержания температурного баланса представленной технологии, предусмотрена мини котельная мощностью 3 Гкал с котлом Ква -3.0(70-95) или аналоги. Работа котельной предусматривается на двух видах топлива: жидкое печное, дизельное и пиролизное, а также биогаз - это предусматривает работу котельной на топливе, полученном в результате переработки отходов. На первоначальном этапе котельная вводится в эксплуатацию для запуска энергетического комплекса анаэробного сбраживания, необходимость поддержания определенных температур технологического процесса с помощью установленных теплообменников. При выходе на технологические параметры и получение стабильной выработки биогаза, включаются в работу ГПУ (газопоршневые установки). Отбор тепла на технологию переводится на ГПУ, котельное отделение выводится в резерв. ГПУ начинают вырабатывать эл. энергию, которая используется на обеспечение работы энергоцентра, а излишки передаются в электрораспределительную сеть. Емкости оборудованы насосами для гидроперемешивания субстрата во всех зонах, переточными трубами между ректорами, датчиками давления, температуры, уровнемерами и предохранительными клапанами от повышенного и пониженного давления. Технологический процесс предусматривает непрерывно поточный метод сбраживания субстрата, что позитивно влияет на качество брожения, максимальное получение биогаза. Термофильные условия способствуют более глубокому разложению ОВ также за счет повышения растворимости органических соединений и уменьшения степени кристаллизации целлюлозы. В ходе термофильного сбраживания достигается обеззараживание отходов. Это имеет большое значение для дальнейшей утилизации сброженной биомассы и ее использования в сельском и озеленительном хозяйствах, в том числе для формирования плодородного слоя.

При непрерывно поточном методе субстрат загружается в первую емкость и по мере заполнения через переточные трубы, поступает во вторую, третью и четвертую. На четвертой емкости практически прекращается образование метана и процесса брожения, образуется отброженный обеззараженный субстрат, который насосами перекачивается в сборник отработанного субстрата (поз. 25) и далее на шнековый обезвоживатель (поз. 26) для удаления твердой фракции в виде кека (гумуса), с содержанием 65-70% СВ. Который складируется на площадке и в дальнейшем, после проведения анализа, может быть использован как биоудобрение. Жидкая обеззараженная фракция отводится в обводной канал полигона, тем самым снижая токсичность находящегося в нем фильтрата, за счет разбавления. А также снижается нагрузка на очистные сооружения полигона. Либо отправляется на локальные очистные сооружения.

Удаление образовавшегося биогаза осуществляется по трубопроводам, оборудованным предохранительными клапанами и удалением конденсата через гидрозатворы, счетчиками, запорной арматурой, из каждой емкости с помощью вентилятора-компрессора. В каждой емкости автоматически поддерживается давление не более 20mbar., с помощью вентилятора-компрессора и автоматической запорной арматуры. По трубопроводам, после вентилятора-компрессора, биогаз направляется систему очистки биогаза от сероводорода и меркаптанов, трубопровод оборудован предохранительным клапаном с выводом на факел аварийного сжигания биогаза.

Технический результат

Ко-ферментация осадка сточных вод (ОСВ) и органической фракции ТБО (ОФ-ТБО) позволяет сбалансировать состав питательных веществ и влажность смеси и увеличить разнообразие микроорганизмов, участвующих в деградации отходов. Снижение влажности субстратов позволяет снизить потребление воды, расходы на обезвоживание сброженной биомассы и очистку фильтрационных вод, тепловые потери и энергоемкость процесса. Повышение нагрузки позволяет увеличить скорость образования и выход биогаза. В результате подобного способа переработки и утилизации возможно получение биоудобрений, биогаза и кормовой белок.

Биогаз - газообразная часть продуктов анаэробного разложения органических веществ, являющегося результатом жизнедеятельности симбиоза множества видов бактерий. То есть процесс анаэробного брожения - биологический процесс. Он существуют сам по себе и в природных условиях: во-первых, в желудках животных организмов, а во-вторых, в толще грунта или на дне водоемов, где затруднен доступ кислорода.

В силу таких исходно биологических свойств техпроцесса работы биогазовой установки невозможно абсолютно точно подсчитать заранее такие выходные параметры, как глубину разложения биомассы, удельный выход биогаза и его состав.

Характеристика биоудобрений

Получение биогумуса при производстве биогаза. Нерациональное использование органических отходов является причиной значительных потерь растительных питательных веществ, в которых нуждается сельское хозяйство для поддержки плодородия почв. Применение биогазовых технологий способно обеспечит максимальное использование доступных сельскому населению ресурсов: остающихся после выработки биогаза биошлам, который представляет собой удобрение, повышающее общее качество земель и увеличивающее урожайность.

Фосфат и калий. Содержание фосфата (форма фосфора, напрямую усваиваемая растениями) не изменяется в процессе ферментации сырья. В этой форме растениями может быть усвоено около 50% общего содержания фосфора. Ферментация не влияет на содержание калия, от 75 до 100% которого может быть усвоено растениями.

Азот. В отличие от фосфата и калия, некоторое количество азота изменяется в процессе ферментации. Около 75% азота, содержащегося в свежем навозе, становится частью органических макромолекул, остальные 25% представлены в минеральной форме. После переработки в биогазовой установке около 50% азота в биоудобрении находятся в органической форме, и 50% - в минеральной. Минеральный азот может быть напрямую усвоен растениями, а органический азот должен сначала минерализоваться с помощью почвенных микроорганизмов.

Изобретение относится к способам переработки и утилизации бытовых и промышленных отходов. Способ переработки и утилизации отходов включает магнитную сепарацию, разделение фракций, разделение всплывающих фракций, измельчение и подготовку к сбраживанию органической фракции, подачу фракций на гидролиз и последующее сбраживание, обезвоживание отработанного субстрата, с возможностью дальнейшего использования в качестве биоудобрения либо как исходное сырье для производства биогумуса. При этом перекачку образовавшегося после сбраживания биогаза осуществляют по трубопроводу, включающему в себя систему очистки биогаза от сероводорода и меркаптанов. Причем при стабильной выработке биогаза запускают цикл системы самообеспечения за счет работы газопоршневых установок. Изобретение обеспечивает создание способа утилизации и переработки бытовых отходов, который будет максимально безопасен для окружающей среды и позволит выгодно использовать полученные в ходе переработки продукты производства, такие как биоудобрения и биогаз, что обеспечит отсутствие необходимости осуществлять захоронение каких-либо отходов, поскольку после обработки и утилизации остаются только товарные продукты. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ переработки и утилизации отходов, включающий в себя семь стадий: магнитную сепарацию; разделение фракций; разделение всплывающих фракций; измельчение и подготовку к сбраживанию органической фракции; подачу фракций на гидролиз и последующее сбраживание; обезвоживание отработанного субстрата, с возможностью дальнейшего использования в качестве биоудобрения либо как исходное сырье для производства биогумуса, отличающийся тем, что перекачку образовавшегося после сбраживания биогаза осуществляют по трубопроводу, включающему в себя систему очистки биогаза от сероводорода и меркаптанов, причем при стабильной выработке биогаза запускают цикл системы самообеспечения за счет работы газопоршневых установок.

2. Способ переработки и утилизации отходов по п. 1, отличающийся тем, что с помощью гидросепарации и анаэробного сбраживания обеспечивают разделения смешанных отходов на уровне более 90% по видам фракции с целью их дальнейшей утилизации и получением биогаза и биоудобрений.

3. Способ переработки и утилизации отходов по п. 1, отличающийся наличием технологии анаэробного термофильного сбраживания при температуре 50-62°С для обеспечения полного обеззараживания от патогенов.

4. Способ переработки и утилизации отходов по п. 1, отличающийся тем, что в биореакторах применена технология гидроперемешивания.

5. Способ переработки и утилизации отходов по п. 1, отличающийся тем, что биореакторы установки выполнены с конусным исполнения днища.

6. Способ переработки и утилизации отходов по п. 1, отличающийся тем, что в блоке гидросепарации спроектирован замкнутый контур оборота воды для повышения насыщаемости воды органикой.

7. Способ переработки и утилизации отходов по п. 1, отличающийся тем, что трубопровод перекачки биогаза оборудован предохранительным клапаном с выводом на факел аварийного сжигания биогаза.