Способ подземного захоронения жидких бытовых отходов и иловых осадков Российский патент 2023 года по МПК B65G5/00 B09B1/00 E21F17/16 

Область техники

Изобретение относится к областям экологии и охраны окружающей среды, в частности к области хранения жидких бытовых отходов, а также иловых осадков, и предполагает рациональное использование естественных и техногенных локально-изолированных ёмкостей.

Уровень техники

Жидкие бытовые отходы (ЖБО), а также иловые осадки выделяют метан и летучие соединения, называемые также биогазом, которые могут быть переработаны и использованы в хозяйстве и промышленности. Для переработки отходов в природных и техногенных подземных ёмкостях наиболее оптимальным является анаэробное разложение, по следующим причинам:

- для деятельности анаэробных микроорганизмов не требуется кислород, отсутствуют биологические реакции сопровождающиеся выбросом энергии, соответственно температура среды не повышается;

- при разложении органических составляющих, которые находятся в воде, численность колоний бактерий остается практически неизменной;

- не требуется сложная система контроля за условиями среды, стоимость технологии получается сравнительно невысокой.

Основным недостатком анаэробной очистки отходов является образование в результате деятельности анаэробных микроорганизмов горючего газа метана (метаногенерация). В ходе метаногенерации органические загрязнения конвертируются в биогаз, содержащий в основном CH4 и CO2, который можно использовать в качестве целевого продукта, например, биотоплива или подвергнуть дальнейшей переработке, например, для синтеза метанола или преобразования в электрическую энергию.

Известен способ утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) и их захоронения в выработанных подземных пространствах, включающий в себя брикетирование ТБО, транспортировку к месту захоронения, заполнение брикетами подземного пространства через выходящую на поверхность скважину и закупоривание указанной скважины закладочным материалом. Указанный способ, также как и заявляемое изобретение связано с использованием подземных пространств для захоронения отходов, однако не раскрывает аспекты, связанные с отведением и утилизацией образующихся в процессе брожения, газообразных продуктов (патент РФ 2452591, 28.12.2010, МПК: B09B 1/00 (2006.01)).

Известен способ подземного захоронения жидких бытовых и дождевых стоков, при котором проводят геологические и геофизические исследования пород, выявляют природные локальные изолированные ёмкости в подземных слабопроницаемых породах, закачивают отходы в выявленные природные локальные изолированные ёмкости через пробуренную скважину, причем газообразные продукты биологического распада отводят через пробуренную вторую скважину с последующей их утилизацией (патент РФ 2174939, 02.12.1999, МПК B65G 5/00, E21F 17/16, B09B 1/00). Указанное решение также как и заявляемое изобретение решает задачу захоронения и анаэробного разложения ЖБО в подземных пространствах, поэтому выбрано заявителем в качестве наиболее близкого аналога (прототипа). Недостатком данного решения является стихийный, неуправляемый процесс метаногенерации и отделения и выведения газообразных продуктов.

Цель и задача изобретения

Целью изобретения является рациональное использование естественных и техногенных локально-изолированных ёмкостей. Задачей изобретения является обеспечение активного, контролируемого процесса сбраживания и метаногенерации ЖБО и иловых осадков, помещенных внутрь естественной или техногенной подземной ёмкости, а также дегазации биомассы отходов и выведения газообразных продуктов из подземной ёмкости для последующей переработки и (или) целевого использования.

Указанная задача решается следующими средствами:

ЖБО или смесь ЖБО и иловых осадков (далее - отходы) предварительно измельчают и разжижают, что повышает эффективность сбраживания и метаногенерации, в связи с тем, что крупные фракции органических компонентов (более 15 мм) затрудняют доступ микроорганизмов к разлагаемому субстрату за счет устойчивости клеточных стенок живых микроорганизмов и лигноцеллюлозных соединений к разложению.

Предварительно добавляют к отходам колонии анаэробных микроорганизмов и (или) биологически активные вещества в расчетной концентрации, что обеспечивает реактивность биомассы отходов.

Предварительно выполняют дегазацию отходов с целью удаления кислорода, пагубно влияющего на анаэробные микроорганизмы. Затем закачивают отходы через герметичный трубопровод, выход которого располагают у дна емкости, препятствуя, тем самым, аэрации отходов и нежелательным флуктуациям.

Отходы, помещенные внутрь подземной ёмкости, перемешивают с необходимой периодичностью в зависимости от требуемого выхода биогаза, для чего на дне подземной ёмкости размещают по крайней мере один смесительный трубопровод, соединенный гидравлически с биомассой отходов, и содержащий, по крайней мере, один рециркуляционный насос. За счет данного решения обеспечивается эффективный массообмен между органическими компонентами отходов и анаэробными гидролитическими и ферментативными микроорганизмами, а также активное отделение газообразных продуктов от биомассы отходов.

На дне подземной ёмкости размещают герметичный нагревательный рукав с теплоносителем, за счет чего обеспечивается поддержание оптимальной температуры, подходящей для жизнедеятельности анаэробных бактерий.

Посредством заявляемого изобретения подземная ёмкость превращается в достаточно простой с технической точки зрения анаэробный биореактор с управляемым процессом метаногенерации.

Краткое описание поясняющих рисунков

Изобретение поясняется при помощи рисунка. На фигуре 1 показана схема реализации заявляемого способа с использованием двух скважин (в разрезе):

подземная ёмкость - 1;

трубная колонна - 2;

первая (основная) скважина - 3;

помещенная внутрь подземной ёмкости биомасса отходов - 4;

рециркуляционный насос - 5;

смесительный трубопровод - 6;

кабель-трос - 7;

вторая (сервисная) скважина - 8;

нагревательный рукав - 9.

Раскрытие сущности изобретения и его осуществление

Способ подземного захоронения жидких бытовых отходов и иловых осадков осуществляется следующим образом.

Проводят геологические и геофизические исследования пород природных или техногенных изолированных ёмкостей с целью определения свойств окружающих ёмкость пород и их пригодности для захоронения отходов. В частности, определяют фильтрационные свойства пород, отсутствие поблизости водоносных слоев и т.д. При этом учитывают соответствующий класс опасности планируемых к захоронению отходов и требования к их захоронению и утилизации.

Отходы предварительно измельчают и разжижают до влажности пульпы 93±4%, для этих целей используют канализационные дробилки (на рисунке не показаны), которые измельчают все твердые включения, находящиеся в массе подаваемых отходов до размеров менее 15 мм.

Затем проводят дегазацию отходов. Для этого отходы пропускают через сепаратор или центробежный вихревой деаэратор (на рисунке не показан), где происходит разделение жидких и газообразных фаз.

После дегазации в массу отходов вводят колонии анаэробных микроорганизмов и (или) биологически активные вещества (активаторы метаногенеза и кислотогенеза) в расчетной концентрации на тонну биомассы отходов в зависимости от их химического состава.

Далее, отходы закачивают в подземную ёмкость - 1 по трубной колонне - 2, заведенной в пробуренную первую скважину - 3, обустроенную обсадной колонной. При этом нижний конец трубной колонны - 2 размещают у дна подземной ёмкости - 1, избегая свободное падение масс закачиваемых отходов, что может влиять на протекание биологических реакций, в связи с возможными аэрацией, флуктуациями и иными возмущениями биомассы помещенных в подземную ёмкость отходов - 4.

Затем помещенную в подземную ёмкость - 1 биомассу отходов - 4 перемешивают посредством смесительной системы, содержащей по крайней мере один рециркуляционный насос - 5 и гибкий смесительный трубопровод - 6, гидравлически связанный с насосом - 5 и с подземной ёмкостью - 1. В частном случае осуществления изобретения, для повышения равномерности и эффективности перемешивания смесительный трубопровод - 6 может быть перфорированным. Рециркуляционный насос - 5 и смесительный трубопровод - 6 обеспечивают перемещение объема биомассы отходов - 4, препятствуют расслоению на жидкие и твердые фракции, создавая благоприятные условия для метаногенерации, а также обеспечивает активное отделение газообразных продуктов. При прочих условиях, вместо предлагаемой смесительной системы могли бы быть использованы стационарные или погружные мешалки, широко применяемые в промышленности для искусственных ёмкостей. Однако, такие мешалки не подходят для целей перемешивания жидких отходов в природных и техногенных подземных ёмкостях по следующим причинам:

- размеры природной или техногенной подземной ёмкости могут быть значительными, соответственно единичные мешалки не смогут обеспечивать перемешивание отходов на большой площади;

- необходимость работы в агрессивных, вязких средах при отсутствии возможности постоянного обслуживания стационарного оборудования;

- невозможность или затруднительность доставки внутрь подземной ёмкости и установки стационарного и (или) крупногабаритного оборудования.

В частном случае осуществления изобретения, смесительная система дополнительно содержит, систему загрузки насоса и трубопровода с кабелем и тросом или кабель-тросом - 7 в подземную ёмкость - 1.

В качестве рециркуляционного насоса могут быть использованы известные погружные скважинные электронасосы с объемным принципом действия, пригодные для перекачки вязких сред, например, винтовые. Смесительный трубопровод может быть выполнен как из мягкого гибкого рукава, так и из гибкой перфорированной полимерной или стальной нержавеющей трубы, стойких к агрессивным средам.

Предлагаемая смесительная система проста в доставке и может быть помещена внутрь подземной ёмкости через обсадную колонну сервисной скважины сравнительно небольшого диаметра посредством лебедки. После загрузки и включения рециркуляционного насоса 5 гибкость смесительного трубопровода 6 позволит ему под действием внутреннего давления расправиться и произвольно распределиться по дну подземной ёмкости.

Для поддержания оптимальной температуры реакции, биомассу отходов - 4 подогревают. Для подогрева биомассы отходов - 4, внутри ёмкости размещают нагревательный рукав - 9 с теплоносителем, который передает тепло биомассе отходов, поддерживая оптимальную температуру для жизнедеятельности анаэробных бактерий. В зависимости от варианта осуществления изобретения метановое разложение способно протекать при пониженных (не ниже 10-20°С, психрофильный режим), умеренных (30-37°С, мезофильный режим) и повышенных (не выше 50-55°С, термофильный режим) температурах. Протекание этих стадий не строго последовательно во времени - часть субстрата может претерпевать гидролитическое расщепление при одновременном метанообразовании из продуктов разложения.

Выделяемые в процессе реакций брожения биомассы газообразные продукты (биогаз), в частности метан, поднимаются вверх и выводятся через скважину.

В зависимости от варианта осуществления изобретения, газообразные продукты выводятся через первую (основную) скважину, в частности, через зазор между обсадной и трубной колоннами и (или) через обсадную колонну второй (сервисной) скважины - 8. Образующиеся биогазы могут выходить из подземной ёмкости как под действием собственного избыточного давления, так и откачиваться компрессором (на рисунке не показан). Для стравливания избыточного количества биогаза скважина может быть оборудована факелом (на рисунке не показан). Для обеспечения герметичности подземной полости - 1 скважины закрывают герметичными крышками (на рисунке не показаны).

В частном случае осуществления изобретения, откаченные из подземной ёмкости - 1 газообразные продукты подвергаются сепарации и разделяются на два потока, один поток направляется в газгольдер (на рисунке не показан), второй поток направляется непосредственно в реактор, где газ сжигается и передает тепло теплоносителю, циркулирующему в нагревательном рукаве - 9. Температура биомассы может контролироваться при помощи датчика температуры (на рисунке не показан), помещенного внутрь подземной ёмкости - 1 через вторую (сервисную) скважину - 8. Для удобства доставки внутрь подземной ёмкости - 1 датчик температуры может быть закреплен на смесительной системе.

Накопленный в газгольдере метаносодержащий газ может быть подвергнут дальнейшей переработке. В частном случае осуществления изобретения, метан может быть переработан в метанол. Для этого метаносодержащий газ смешивают с кислородом и сжигают в прямоточном трубчатом реакторе, полученные продукты окисления отчищают от примесей и перегоняют до получения целевого продукта, выделяемое в процессе реакции тепло утилизируют, в частности, для подогрева биомассы отходов - 4 в подземной ёмкости - 1.

В зависимости от варианта осуществления изобретения подаваемые внутрь подземной ёмкости ЖБО могут быть смешаны до этапа измельчения с другими видами органических отходов, например, шламов и (или) золы.

Изобретение относится к областям экологии и охраны окружающей среды и направлено на рациональное использование естественных и техногенных локально-изолированных ёмкостей. Способ подземного захоронения жидких бытовых отходов и иловых осадков включает геологические и геофизические исследования пород природных или техногенных локальных изолированных емкостей, окруженных слабопроницаемыми породами, закачивание отходов через пробуренную первую скважину в подземные породы, выведение газообразных продуктов биологического распада через пробуренную вторую скважину с последующей их утилизацией. При этом отходы предварительно измельчают и разжижают, производят их дегазацию, добавляют к отходам анаэробные микроорганизмы и/или биологически активные вещества, затем закачивают отходы в подземную ёмкость. Внутри подземной ёмкости отходы перемешивают и подогревают. Техническим результатом является обеспечение активного, контролируемого процесса сбраживания и метаногенерации ЖБО и иловых осадков. 9 з.п ф-лы, 1 ил.

1. Способ подземного захоронения жидких бытовых отходов и иловых осадков, включающий геологические и геофизические исследования пород природных или техногенных локальных изолированных ёмкостей, окруженных слабопроницаемыми породами, закачивание отходов через пробуренную скважину в подземные породы, выведение газообразных продуктов биологического распада через пробуренную вторую скважину с последующей их утилизацией, отличающийся тем, что отходы предварительно измельчают и разжижают, производят их дегазацию, добавляют к отходам анаэробные микроорганизмы и/или биологически активные вещества, затем закачивают отходы в подземную ёмкость по трубной колонне, заведенной в пробуренную первую скважину, затем внутри подземной ёмкости отходы перемешивают и подогревают, при этом температуру контролируют посредством датчика температуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отходы измельчают и разжижают посредством канализационных дробилок.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отходы измельчают и разжижают до влажности пульпы 93±4%.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отходы измельчают до размеров включений менее 15 мм.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дегазацию выполняют посредством сепаратора.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дегазацию выполняют посредством центробежного вихревого диаэратора.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нижний конец трубной колонны размещают у дна подземной ёмкости.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отходы перемешивают посредством смесительной системы, содержащей по крайней мере один рециркуляционный насос и гибкий смесительный трубопровод.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отходы подогревают посредством нагревательного рукава с теплоносителем.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что топливо для подогрева теплоносителя получают из газообразного продукта, откаченного из подземной ёмкости.