Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к переработке отходов и может быть использовано в сельском хозяйстве для производства органических удобрений и горючего биогаза из навоза, помета и различных растительных отходов. Способ включает подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах ментантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка. Биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру, для чего устройство содержит компрессор. Конец введенного во внутреннюю камеру метантенка напорного газапровода, следующего за компрессором, соединен с газопроводом подвода биогаза к фильтросам, рассредоточено установленным над днищем метантенка. Изобретение обеспечивает повышение эффективности анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, а также качества и калорийности вырабатываемого биогаза. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение касается канализации и преимущественно предназначено для использования в сельском хозяйстве на животноводческих и птицеводческих фермах, в фермерских хозяйствах, индивидуальных усадьбах сельских жителей и на садово-огородных участках для приготовления высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений и горючего биогаза из навоза, помета, фекалий, различных растительный отходов, непригодных к употреблению поврежденных плодов и корнеклубнеплодов.

Известны способ анаэробного сбраживания осадка сточных вод и осуществляющее его устройство в виде коаксиально метантенка по авт.св. СССР N 562308, согласно которым сырой осадок вводят внутрь коаксиальной перегородки метантенка, являющейся центральной внутренней камерой анаэробного сбраживания, снабженной мешалкой. В основном сброженный во внутренней камере метантенка осадок выводится из-под не доходящей до дна метантенка коаксиальной перегородки во внешнюю камеру, образуемую стенкой резервуара метантенка и коаксиальной перегородкой, где при завершении анаэробного досбраживания поступающая в нее из внутренней центральной камеры масса разделяется на отдельно удаляемые из нее иловую воду и уплотненный сброженный осадок. Выделяемый из сбраживаемой во внешней и внутренней камерах массы биогаз отводится из них через обособленные патрубки.

Недостатками известного способа и устройства для осуществления являются то, что сбраживание осуществляют в центральной камере коаксиального метантенка, где вводимый в эту камеру свежий, насыщенный органическими веществами сырой осадок, смешивают со всей сбраживаемой массой, объединяя при этом разные фазы анаэробного сбраживания (гидролиза, ферментации, ацетатогенной и метаногенной фаз) воедино, усредняя фазные значения pH и смешивая преимущественные фазные симбиозы микроорганизмов, что замедляет процесс сбраживания и снижает производительность.

Приведенные недостатки известного способа не позволяют использовать его для анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельскохозяйственного производства, насыщенных трудносбраживаемыми и легко всплывающими растительными материалами.

Конструктивное выполнение известного по а.с. N552308 метантенка с коаксиально закрепленной внутри его резервуара концентрической перегородкой имеет тот недостаток, что он не обеспечивает возможность осуществления пофазного анаэробного сбраживания органических отходов, а подающий сырой осадок трубопровод, установленный внутри центральной общей камеры сбраживания, исключает возможность осуществить пофазное сбраживание без конструктивных изменений метантенка Известны и другие способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления по патенту РФ N 2073401, согласно которым сбраживание разжиженных органических отходов осуществляют последовательно пофазно во внешней и внутренней камерах коаксиального метантенка с перемешиванием сбраживаемых отходов во внешней камере путем подачи в нее свежих разжиженных органических отходов, тогда как устройство для осуществления способа, содержащее резервуар, выполняемый различной формы в плане с коническими или пирамидальными днищем и куполом с прикрепленной к нему не доходящей до днища концентрической перегородкой, образующей внутреннюю и внешнюю камеры с вводом в нее патрубка подвода разжиженных органических отходов. Отвод выделяемого во внутренней и внешней камерах биогаза производится через обособленные патрубки над обеими камерами.

Недостатком этого известного способа анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, выполняемого в устройстве для его осуществления, является то, что выводимые из внутренней и внешней камер через обособленные патрубки биогазы существенно отличаются друг от друга по своему составу и калорийности, что не позволяет рационально использовать отводимый из внешней камеры биогаз обособленно из-за малого содержания в его составе метана и повышенного содержания углекислоты с сероводородом, низкой калорийности, тогда как общее смешивание биогаза из обеих камер существенно снижает качество и калорийность смеси.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известные по патенту РФ N 2073401 способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления являются наиболее близкими к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа и устройства для его осуществления, которые устраняли бы приведенные выше недостатки способа и устройства его осуществления по патенту РФ N 2073401 и обеспечили бы повышение эффективности анаэробного сбраживания, улучшение качества и калорийности биогаза.

Согласно изобретению поставленная задача в выполнении способа достигается тем, что способ пофазного последовательного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, перемешивание и подогрев сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка, выполняют так, что биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру, тогда как ввод биогаза из внешней камеры метантенка в его внутреннюю камеру осуществляют обособленно рассредоточенными малыми струйными потоками, предпочтительно размещенными у днища метантенка.

Достигается поставленная задача и новым конструктивным выполнением устройства для осуществления приведенного выше нового способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйства, содержащего изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженного осадка, средство перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, выполняют так, что патрубок отвода биогаза из внешней камеры метантенка соединен газопроводом с всасывающим патрубком компрессора, а напорный патрубок компрессора соединен с газопроводом, второй конец которого введен во внутреннюю камеру метантенка, тогда как второй конец введенного во внутреннюю камеру метантенка напорного газопровода соединен с газопроводом подвода биогаза к фильтросам, рассредоточенно установленным над днищем метантенка.

Поставленная задача достигается и тем выполнением устройства, что патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер метантенка соединены между собой двумя обособленными газопроводами, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры метантенка во внутреннюю, а во второй газопровод встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внутренней камеры метантенка во внешнюю.

На чертежах схематично приведено устройство коаксиального метантенка, где на фиг. 1 показан общий вид коаксиального метантенка в разрезе с присоединенными к нему и встроенными в него газопроводами с редукторами, ресивером, компрессором и фильтросами; на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1 при круглой форме выполнения резервуара метантенка в плане (при выполнении резервуара метантенка овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане фильтросы устанавливают в центральной части днища аналогично как и при круглой форме выполнения резервуара метантенка).

Коаксиальный метантенк (фиг. 1 и 2) представляет собой герметичный (в данном виде - цилиндрический) резервуар 1 с коническими днищем 2 и купольным покрытием 3 с газосборником 4, снизу под которым присоединена к нему не доходящая до днища 2 резервуара 1 концентрическая в виде усеченного конуса перегородки 5, одинаковая в плане по своей форме с формой в плане резервуара 1 и обращенная основанием Б к днищу 2. Концентрическая перегородка 5 разделяет резервуар 1 на внешнюю 6 и внутреннюю 7 камеры, в которых размещены патрубки подвода разжиженных отходов 8 и отвода сброженного осадка 9. Из разнонаправленного тройника на конце патрубка 8 обеспечивается перемешивание сбраживаемой массы во внешней камере 6 струйным напором подаваемых разжиженных отходов патрубком 8. На внешней 6 и внутренней 7 камерах выполнены патрубки 10 и 11 отвода из них биогаза, тогда как патрубок 10 соединен газопроводом 12 с всасывающим патрубком 13 компрессора 14, а напорный патрубок 15 компрессора 14 соединен с газопроводом 16, второй конец которого введен во внутреннюю камеру 7 метантенка, где присоединен к газопроводу 17 подвода биогаза под давлением к фильтросам 18, рассредоточенно установленным в пределах размера В над днищем 2 метантенка и обеспечивающим множество малых струйных потоков в виде малоразмерных мелкодисперсных всплывающих друг за другом в сбраживаемой массе пузырьков тощего малокалорийного из внешней камеры 6 биогаза, содержащего в своем составе повышенные количества углекислоты и сероводорода.

Для недопущения поступления биогаза из фильтросов 18 во внешнюю камеру 6 размер внешнего габарита В установки фильтросов 18 меньше размера Б основания конической концентрической перегородки 5, что обеспечивает более полное использование тощего биогаза метанообразующими микроорганизмами.

Патрубки 10 и 11 отвода биогаза из внешней 6 и внутренней 7 камер соединены между собой двумя обособленными газопроводами 19 и 20, в первый из которых 19 встроен редукционный клапан 21 сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры 6 во внутреннюю камеру 7, а во второй газопровод 20 встроен редукционный клапан 22 сброса избыточного давления из внутренней камеры 7 во внешнюю камеру 6. В качестве редукционных клапанов 21 и 22 могут быть использованы широко известные и серийно выпускаемые мембранно-пружинные клапаны соответствующей пропускной способности при установки в них регулируемых пружин на задаваемое давление биогаза.

Для сглаживания резких изменений давления биогаза, вырабатываемого во внешней камере 6 в различных почасовых количествах в зависимости от интенсивности загрузки метантенка разжиженными органическими отходами, их качества, температуры сбраживания, производительности компрессора 14 и других факторов, в газопровод 12 встроена промежуточная герметичная буферная емкость в виде ресивера 28, снабженная краном 24 спуска конденсата через сифонное устройство 25. Подача вырабатываемого в метантенке биогаза потребителям осуществляется по газопроводу 26, соединенному с газгольдером или с другими регуляторами давления биогаза в метантенке в установленных СНиП пределах в 1,5-2,5 кПа (150-250 мм вод. столба).

Другие трубопроводы /для подогрева метантенка, контроля перелива и др./, как и устройство теплоизоляции метантенка, установка приборов КИПА на чертежах не показаны, т.к. их выполнение возможно во многих вариантах Последовательное пофазное анаэробное сбраживание разжиженных органических отходов сельского или коммунального хозяйства в предложенном коаксиальном метантенке выполняют следующим образом.

Свежие разжиженные органические отходы, предпочтительно предварительно измельченные, влажностью 93±4% по трубопроводу 8 вводят под напором в межстенную камеру 6, где струями разнонаправленных потоков из тройника патрубка 8 вводимые отходы смешивают с содержимой массой, сбраживаемой в камере 6. При этом легко всплывающие трудносбраживаемые целлюлоза, легнин, жир и белки, содержащие легкие включения, всплывают вверх, будучи до этого перемешаны потоками струй с содержимым камеры 6 и обсеменены самым активным симбиозом расщепляющих (гидролизующих) микроорганизмов, обеспечивающих в первой фазе анаэробного сбраживания разрушение сложных соединений в более простые с образованием из них во второй фазе сбраживания более плотных кислот и аминокислот, имеющих pH менее 7,2 и опускающихся вниз по камере 6 в камеру 7, где pH более 7,2 и где осуществляют последующие ацетогенную и метаногенную фазы анаэробного сбраживания.

Образующийся в межстенной камере 6 малокалорийный биогаз выводят из нее по патрубку 10, а более калорийный биогаз, образующийся в камере 7, выводят из метантенка по патрубку 11.

Постояннео поступление биоагзаа из фильтросов 18 обеспечивает интенсивное перемешивание сбраживамой массы биогазом в камере 7 и постоянное активное смешивние содержимого камеры 7 и вливающегося в нее из камеры 6 более плотного потока кислот и аминокислот, раскисляемого восходящими газонасыщенными потоками сбраживаемой массы в камере 7. Обильное поступление биогаза из фильтросов 18 камеры 7 в ее центральную и в верхнюю части обеспечивает у основания газосборника 4 постоянно "кипящую" поверхность сбраживаемой в метантенке массы, препятствуя тем самым образованию плотной корки, тогда как при подъеме биогаза от днища 2 к основанию газосборника 4 осуществляется досбраживание легких частиц массы и поглощение из тощего биогаза из камеры 6 углекислого газа и сероводорода на формирование симбиоза микроорганизмов, осуществляющих анаэробное сбраживание в метантенке.

Из патрубка 10 малокалорийный биогаз, содержащий повышенное количество углекислоты и сероводорода, по трубопроводу 12 и через ресивер 23 откачивается компрессором 14 и под давлением через газопроводы 16 и 17 подводится к фильтросам 18, обеспечивающим ввод во внутреннюю камеру 7 рассредоточенного мелкодисперсного всплывающего потока биогаза, что активизирует жизнедеятельность метанообразующих микроорганизмов, повышает выход и качество биогаза, увеличивает процент содержания метана.

В зависимости от принятых режимов работы метантенка, обуславливаемых влажностью, периодичностью и дозой загрузки отходов и их составом, температурой сбраживания и другими факторами, стабильность давления вырабатываемого в камере 6 биогаза может изменяться, тогда как уровень давления биогаза в камере 7 стабилен, т.к. он поддерживается на определенном заданном уровне согласно норм СНиП. При работе компрессора 14 в патрубке 10 давление биогаза может быть до минус 200 мм вод. столба, ниже которого срабатывает редукционный клапан 22, и биогаз из патрубка 11 поступит в патрубок 10 и будет отсасываться из него компрессором 14 совместно с биогазом, вырабатываемым в камере 6. В случае весьма активного выделения биогаза в камере 6 и при остановках работы компрессора 14 давление биогаза в камере 6 может превысить его уровень в патрубке 11, т.е. 200 мм водяного столба, что откроет клапан 21, и биогаз из камеры 6 поступит в патрубок 11, смешиваясь с биогазом из камеры 7. При снижении в этом случае давления биоагза в патрубке 10 до 200 мм вод. столба и ниже клапан 21 закрывается и поступление биогаза в компрессор 14 будет только из камеры 6.

Приведенное выше в указанной последовательности пофазное выполнение анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов в обособленных сообщающихся камерах одного метантенка с подачей из фильтросов тощего биогаза обеспечивает более быстрый распад трудносбраживаемой органики, повышает выход биогаза, увеличивает производительность метантенка.

Предложенный способ анаэробного сбраживания разжиженных сельскохозяйственных или коммунальных органических отходов и стоков может быть осуществлен в широком диапазоне температурных режимов от 12 до 60^oC, выбор оптимального из которых обуславливается конкретными условиями, видом и качеством органики, назначением циклического или непрерывного процесса сбраживания.

Экспериментальная проверка предложенного способа и метантенка для его осуществления, проведенная применительно к анаэробному сбраживанию помета кур, навоза крупного рогатого скота и свиней, показала высокую эффективность процесса и позволила обеспечить получение до 0,9 л биогаза с 1 кг органического вещества при его калорийности 27220-29300 кДж/нм³ (6500-7000 ккал/нм³).

В приготовленном органическом удобрении из помета кур, обеззараженном от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков, была обеспечена сохранность 94-97% основных питательных веществ (N РК) для растений от их содержания в исходном помете, поступившем на сбраживание.

Формула изобретения

1. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка, отличающийся тем, что биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ввод биогаза из внешней камеры метантенка в его внутреннюю камеру осуществляют обособленно рассредоточенными малыми струйными потоками, предпочтительно размещенными у днища метантенка.

3. Устройство для последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащее изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической конической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеру, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженного осадка, средство перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, отличающееся тем, что патрубок отвода биогаза из внешней камеры метантенка соединен газопроводом с всасывающим патрубком компрессора, а напорный патрубок компрессора соединен с газопроводом, второй конец которого введен во внутреннюю камеру метантенка.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что второй конец введенного во внутреннюю камеру метантенка напорного газопровода соединен с газопроводом подвода биогаза к фильтросам, рассредоточенно установленным над днищем метантенка.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер метантенка соединены между собой двумя обособленными газопроводами, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры метантенка во внутреннюю, а во второй газопровод встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внутренней камеры метантенка во внешнюю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2