Способ двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов
Владельцы патента RU 2349556:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к переработке отходов и предназначено для последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных разжиженных органических отходов, навоза и помета с выработкой из них органических удобрений и горючего биогаза. Способ двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов включает предварительный нагрев свежих отходов в теплообменнике, затем подачу во внутреннюю и внешнюю камеры метантенка для осуществления фаз кислотогенеза и метаногенеза с выходом горючего биогаза и органических удобрений. Кислотогенез осуществляют во внутренней камере метантенка, затем производят отделение летучих кислот от густой массы сепарированием. Летучие кислоты нагнетают в необходимом количестве во внутреннюю камеру метантенка, а густую фазу направляют во внешнюю камеру для осуществления метаногенеза. Для затравки во внутренней камере кислотогенеза метантенка задерживают некоторое количество сброженной массы в необходимом количестве для активного размножения кислотообразующих бактерий в фазе кислотогенеза. Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение длительности сбраживания органических отходов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к переработке отходов и предназначено для последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных разжиженных органических отходов, навоза и помета с выработкой из них органических удобрений и горючего биогаза.
Известен способ переработки органических отходов [Патент СССР 1808819 А1, 15.04.93, Бюл. №14], согласно которому исходный навоз выдерживают в аэробных условиях для проведения частичного гидролиза и кислотогенеза, а затем перекачивают насосом в теплообменник-регенератор, где происходит нагрев навоза за счет встречного потока отводимой жидкой фазы навоза. Предварительно подогретый навоз поступает в камеру кислотогенеза метантенка, где происходит нагрев навоза до заданной температуры. Равномерное распределение температуры по всему объему метантенка обеспечивают насосом, который многократно забирает навоз на разных уровнях по высоте из метантенка, а затем подает его через теплообменник по трубопроводу обратно в камеру кислотогенеза метантенка. После завершения процесса сбраживания навоз выдерживают в камере кислотогенеза метантенка до образования двух фаз. Жидкая фаза сброженного навоза подается в теплообменник-регенератор, где, отдав часть тепла, она поступает в промежуточную емкость, откуда насосом подают в накопительную емкость или гидросмывную систему навозоудаления животноводческого предприятия. Густую фазу (осадок) насосом подают на дальнейшее сбраживание в камеру метаногенеза метантенка, где с помощью системы перемешивания, включающей трубопроводы с патрубками, расположенными по высоте метантенка для забора и подачи с помощью насоса сбраживаемой массы, обеспечивают заданную (режимную) температуру сбраживания по всему объему метантенка. Сброженную густую массу подают в устройство для разделения органических отходов на фракции, откуда жидкая фракция поступает в накопительную емкость, твердую грузят на транспортное средство и вывозят. Образующийся в процессе сбраживания горючий биогаз отводят из метантенков в газгольдер сухого типа и используют для получения горячей воды в водонагревателе или на производственные нужды животноводческого предприятия.
Недостатком этого известного способа переработки органических отходов является то, что время сбраживания отходов является достаточно длительным за счет выдержки навоза при аэробных условиях для частичного гидролиза и кислотогенеза. Увеличивает время переработки также и система перемешивания с использованием теплообменника-регенератора и системы насосов, включенных с ним в общую систему. Такой способ перемешивания требует продолжительной работы насосов и значительных энергетических затрат на их работу, что снижает КПД выработки биогаза и органических удобрений.
Известен также способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов [Патент РФ 2196410 С2, 04.01.2001, Бюл. №1], согласно которому разжиженные органические отходы подают во внешнюю камеру метантенка для осуществления кислотогенеза с последующим метаногенезом во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрева и перемешивания сбраживаемой массы, вывода из метантенка нагретого сброженного осадка и отбора биогаза из внутренней и внешней его камер. В свежие разжиженные органические отходы перед их подачей во внешнюю камеру метантенка вводят сбраживаемую во внешней или во внутренней камере метантенка массу.
Недостатком известного способа является длительное сбраживание отходов за счет задержки времени на накопление необходимого количества летучих кислот для обеспечения активного кислотогенеза, а также за счет задержки времени при фазе метаногенеза на гашение летучих кислот и создание необходимой щелочности.
Данный способ наиболее близок по технической сущности к заявленному и принят за прототип.
Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение длительности сбраживания органических отходов.
Поставленная задача решается тем, что в способе двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов, включающем предварительный нагрев свежих отходов в теплообменнике, а затем подачу во внутреннюю и внешнюю камеры метантенка для осуществления фаз кислотогенеза и метаногенеза с выходом горючего биогаза и органических удобрений, кислотогенез осуществляют во внутренней камере метантенка, затем производят отделение летучих кислот от густой массы сепарированием, и далее летучие кислоты нагнетают в необходимом количестве во внутреннюю камеру метантенка, а густую фазу направляют во внешнюю камеру для осуществления метаногенеза. Для затравки во внутренней камере кислотогенеза метантенка задерживают некоторое количество сброженной массы в необходимом количестве для активного размножения кислотообразующих бактерий в фазе кислотогенеза.
На чертежах схематично приведена схема способа двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов. На фиг.1 показан общий вид установки для осуществления способа двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов. На фиг.2 показан вид метантенка.
Источник свежих органических отходов 1 соединен с резервуаром 2, который в свою очередь соединен с теплообменником 3. Теплообменник 3 связан трубопроводом с внутренней камерой кислотогенеза 4 метантенка 5 и с местной котельной 6 малой или средней мощности, в которой осуществляют сжигание горючего биогаза. Горючий биогаз также подают в устройство очистки 7 с помощью компрессора 8 и далее в газгольдер 9. В установке применяют закрытый водяной контур. Движение воды в нем обеспечивают насосом 10 с применением отстойника 11. Патрубок 12 соединяет теплообменник 3 и внутреннею камеру кислотогенеза 4, в которой осуществляют фазу кислотогенеза. Внутренняя камера кислотогенеза патрубком 13 соединена с сепаратором 14. По патрубку 15 насосом 16 осуществляют подачу органических отходов во внешнею камеру метаногенеза метантенка 17. Из внешней камеры метаногенеза метантенка 17 удаляют органические удобрения по патрубку 18 и направляют в резервуар 3. С помощью воздухосборника 19 производят забор воздуха и направляют его по патрубку 20 с помощью компрессора 21 во внешнею камеру метаногенеза по патрубку 22. Движение по патрубку 12 осуществляют насосом 23.
Органические отходы с исходной влажностью поступают из источника отходов 1 в приемный резервуар 2. Сюда же подается горячая вода для разбавления, и добавляют отходы полеводства с целью создания нужного соотношения C/N. Одновременно происходит подогрев жидкими шламовыми остатками, поступающими из внешней камеры метаногенеза метантенка 17. Из приемного резервуара органические отходы подают в подогреватель 3, в котором нагревают до оптимальной температуры, необходимой для газообразования, и далее направляют во внутреннюю камеру кислотогенеза метантенка 4 по патрубку 12, куда также подают по патрубку 22 смесь летучих кислот из сепаратора 14 и воздуха из воздухозаборника 19 с помощью компрессора 21. Из внутренней камеры кислотогенеза метантенка 4 субстрат после фаз гидролиза и кислотогенеза с помощью насоса 23 подают в сепаратор 14 для отделения летучих кислот от густой массы. Отделенная от летучих кислот густая масса поступает во внешнюю камеру метаногенеза 17 по трубопроводу 15 с помощью насоса 16. Образовавшийся горючий биогаз подают в местную котельную 6 малой или средней мощности по патрубку 23. Горючий биогаз можно также подавать в устройство очистки 7 и затем в газгольдер 9 /подачу осуществляют компрессором 8/. Органические удобрения по патрубку 18 направляют в резервуар 2.
Для обеспечения широкого диапазона регулирования заданных величин избыточного давления горючего биогаза и величин его вакуума в газгольдере устанавливают редукционный клапан /не показан/.
Для периодического или постоянного контроля значений рН в патрубках 12, 13, 15, 18, резервуаре 2 и во внутренних и внешних камерах кислотогенеза и метаногенеза метантенка устанавливают датчики рН, взаимодействующие с программным пультом управления и кранами регуляторами /не показаны/. Для отбора проб по замеру значений рН в лабораторных условиях и переносными рН-метрами рядом с датчиками или вместо них могут быть установлены ручные краны-пробоотборники.
Устройства теплоизоляции и грозозащиты метантенка и теплообменника, установка приборов КИПА на фигурах не показаны, т.к. их выполнение возможно во многих вариантах.
Установление задаваемого значение рН сбраживаемой в метатенке массы обуславливается в том числе необходимостью обеспечения более полного эффекта гарантированного обеззараживания сбраживаемых отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков, что более полно достигается в кислой среде сбраживания, устанавливаемой во внутренней камере кислотогенеза 4 метантенка при широком диапазоне температур анаэробного сбраживания.
Вводимая под давлением во внутреннюю камеру метаногненеза 4 из теплообменника 3 разжиженная смесь органических отходов, смешиваясь с содержимой в камере сбраживаемой массой, обсеменяется активным симбиозом микроорганизмов. Подача смеси летучих кислот и воздуха по патрубку 22 и обсеменение активным симбиозом микроорганизмов обеспечивает более быстрое расщепление /гидролиз/ трудносбраживаемых составляющих отходов /гемицеллюлоза, целлюлоза, легнин и другие полисахариды, белки, жиры/, тогда как образуемые при этом летучие жирные кислоты и аминокислоты отбирают в сепараторе 14 перед подачей во внешнюю камеру метаногенеза метантенка. Во внешней камере метаногенеза метантенка преимущественно симбиоз метаногенерирующих микроорганизмов завершает ацетогенную и метаногенную фазы анаэробного брожения с выделением горючего биогаза.
В зависимости от выполняемых режимов работы метантенка, обуславливаемых влажностью сбраживаемой массы, периодичностью и дозой загрузки отходов и их составом, температурой сбраживания и другими факторами, стабильность давления горючего биогаза во внутренней камере метаногенеза 17 может изменяться, тогда уровень давления горючего биогаза в камере практически стабилен, т.к. его регулируют редукционным клапаном в устанавливаемых пределах.
Предложенный способ двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов сельского и коммунального хозяйства, предусматривающий корректировку кислотности как и исходной смеси свежих разжиженных органических отходов, так и кислотности сбраживаемой массы, нагрев свежей смеси теплом выводимого из метантенка нагретого сброженного осадка, может быть осуществлен в широком диапазоне температурных режимов от 12 до 60°С, выбор оптимальных из которых обуславливается конкретными условиями, видом и качеством органики, назначением циклического или непрерывного режима сбраживания, повышает надежность гарантированного обеззараживания сбраживаемых отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков.
Контроль значений рН исходных органических отходов и сбраживаемой массы можно осуществлять ежедневно или периодически при измении состава сырья органических отходов как путем отбора проб вручную из кранов с их анализом в лаборатории или с использованием рН-метров, так и путем установления датчиков, взаимодействующих с программным пультом управления. Последнее целесообразно использовать при эксплуатации метантенков с большой емкостью, загружаемых разнообразными отходами различного состава.
1. Способ двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов, включающий предварительный нагрев свежих отходов в теплообменнике, а затем подачу во внутреннюю и внешнюю камеры метантенка для осуществления фаз кислотогенеза и метаногенеза с выходом горючего биогаза и органических удобрений, отличающийся тем, что кислотогенез осуществляют во внутренней камере метантенка, затем производят отделение летучих кислот от густой массы сепарированием, и далее летучие кислоты нагнетают в необходимом количестве во внутреннюю камеру метантенка, а густую фазу направляют во внешнюю камеру для осуществления метаногенеза.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во внутренней камере кислотогенеза задерживают некоторое количество сброженной массы в необходимом количестве для активного размножения кислотообразующих бактерий в фазе кислотогенеза.
