Способ переработки органических субстратов в удобрения и газообразный энергоноситель

Предлагаемый способ относится к области утилизации концентрированных органических субстратов, таких как бесподстилочный навоз, помет, осадки и илы сооружений механо-биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод. Способ переработки органических субстратов в удобрения и газообразный энергоноситель включает аэробную обработку исходного субстрата с образованием нагретого и гидролизованного субстрата и нагретых влажных кислородосодержащих газов, анаэробную обработку с образованием нагретого эффлюента и биогаза и разделение на фракции. 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. Нагретые влажные кислородосодержащие газы используют для предварительного нагрева и аэрации исходного субстрата. Изобретение позволяет снизить продолжительность пребывания аэробно-подготовленного нагретого и гидролизованного субстрата на лимитирующей анаэробной стадии, снизить массогабаритные показатели оборудования, отказаться от ненадежного теплообменного оборудования и обеспечить эффективное использование элементов питания эффлюента в агротехнических целях, повышая энергоэффективность процесса. 1 ил.

 

Предлагаемый способ относится к области утилизации концентрированных органических субстратов, таких как бесподстилочный навоз, помет, осадки и илы сооружений механо-биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод.

Способ может использоваться в таких отраслях, как животно- и птицеводство, очистка сточных вод в системе ЖКХ и АПК.

Переработке согласно предполагаемому изобретению подлежат органические субстраты с влажностью преимущественно 92-96%.

Известен способ анаэробной переработки органических субстратов в удобрения и энергию, согласно которому исходный бесподстилочный навоз подвергается анаэробной переработке в биогаз, используемый для выработки товарной энергии, и эффлюент, являющийся основой для приготовления различных удобрительных смесей. (См. кн. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М.: Агропромиздат, 1989, с.103-105). Применение данного способа обеспечивает обеззараживание исходного субстрата в соответствии с действующими санитарными требованиями и нормами, получение удобрений с повышенным содержанием аммонийного азота, а также товарной энергии.

Основными недостатками являются: высокие капитальные затраты, связанные со значительной продолжительностью анаэробного процесса (не менее 10-15 суток); необходимость использования значительной доли производимого биогаза (до 50-70%) для собственных нужд процесса.

Указанные недостатки в известной степени в известной степени устраняются путем введения дополнительной биологической обработки исходного субстрата.

Известен способ снижения объемов основных сооружений анаэробной переработки - метантенков - посредством введения дополнительной анаэробной фазы, обеспечивающей глубокий гидролиз исходного субстрата, накопление питательных компонентов в наиболее приемлемой для основной метаногенерирующей анаэробной фазы форме, см. кн. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М.: АСВ, 2004, с.473-475.

Основным недостатком такого способа является невысокая степень снижения объемов основных сооружений анаэробной обработки субстрата, значительный расход биогаза на собственные нужды анаэробных процессов.

Дополнительным недостатком является необходимость поддержания термофильного режима анаэробной обработки для обеспечения необходимой степени обеззараживания субстрата.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, согласно которому исходный субстрат подвергают предварительной аэробной обработке с распадом не более 10-15% органического вещества субстрата. Подготовленный таким образом субстрат обладает начальной температурой до 60°С, что позволяет исключить дорогостоящее и сложное в эксплуатации теплообменное оборудование и обеспечить необходимую степень обеззараживания.

Объем анаэробного биореактора-метантенка при этом снижается в 1,2-4 раза, весь произведенный биогаз является товарным. Высокая интенсивность анаэробного процесса объясняется глубоким гидролизом и повышением буферности субстрата на аэробной стадии. Способ - прототип представлен в кн. Понтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991, с.94-97.

Основным недостатком прототипа является нерациональное использование тепловой энергии, генерируемой на аэробной стадии обработки, и невысоким уровнем использования биогенных элементов, в первую очередь азота, содержащихся в эффлюенте.

Так как аэробную стадию проводят, как правило, в термофильном режиме (надежное обеззараживание достигается в температурном диапазоне 50-60°С), а анаэробную - в мезофильном (мезофильно обработанный субстрат обладает лучшими седиментационными свойствами), применяют регенеративный теплообмен между аэробно обработанным и исходным субстратом.

При влажности 92-96% реализация теплообмена представляет собой трудно решаемую задачу в силу неудовлетворительных реологических характеристик и низкими теплообменными свойствами субстрата.

Значительная часть тепловой энергии, вырабатываемой на аэробной стадии процесса, теряется с влажными газообразными продуктами метаболизма (до 15-20%). Практически достижимая степень усвоения кислорода в аэробном термофильном процессе не превышает 50%, что также является причиной снижения энергетической эффективности процесса.

При разделении эффлюента на фракции значительная часть азота и калия переходит в жидкую фракцию, объемы которой существенно превосходят объемы твердой фракции и круглогодичное использование которой в агротехнических целях весьма проблематично (см. Васильев В.А., Филиппова Н.В. Справочник по органическим удобрениям. М.: Агропромиздат, 1988, с.87).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности процесса переработки органических субстратов в удобрения и газообразный энергоноситель, за счет устранения указанных недостатков.

В результате использования предлагаемого изобретения существенно (до 1 порядка) снижается продолжительность пребывания аэробно подготовленного нагретого и гидролизованного субстрата на лимитирующей анаэробной стадии, что позволяет добиться соответствующего снижения массогабаритных показателей оборудования, отказаться от ненадежного теплообменного оборудования и обеспечить эффективное использование элементов питания эффлюента в агротехнических целях. Энергоэффективность процесса возрастает.

Технический результат достигается тем, что 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, 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.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена структурная схема реализации способа.

Согласно изобретению исходный субстрат подвергается предварительной обработке в контактном аппарате 1, затем аэробной микробиологической обработке в аэробном биореакторе 2. Подготовленный таким образом нагретый и гидролизованный субстрат, основное количество органического вещества которого переходит в растворенную и тонкодисперсную фазу, подвергается разделению на жидкую и твердую фракции в устройстве механического обезвоживания 3. Твердая фракция поступает в смеситель 4 для приготовления удобрительных смесей, в который направляется также наполнитель (например, торф), и аммиачная вода. Жидкая фракция из устройства механического обезвоживания 3 направляется в анаэробный биореактор-метантенк 5, с прикрепленной микрофлорой, в котором осуществляется биоконверсия органического вещества в обеззараженный стабилизированный жидкий продукт - эффлюент, с температурой термофильного процесса анаэробной обработки (50-55°С), и биогаз. Эффлюент отличается повышенным содержанием аммонийного азота (его концентрация увеличивается примерно в 2 раза в сравнении с субстратом); биогаз содержит до 70-80% метана и используется для получения электрической и тепловой энергии в когенерационной установке 6. Тепловая энергия с теплоносителем (горячей водой, паром) передается внешним потребителям; некоторая (незначительная) часть электрической энергии применяется в системе для обеспечения функционирования ее активных элементов (насосов, компрессоров, смесителей и т.п.).

В целях увеличения глубины рекуперации аммонийного азота, содержащегося в эффлюенте, применяется коррекция водородного показателя (рН) эффлюента в сторону его увеличения путем введения корректирующих реагентов (извести, щелочи). Коррекция рН и отдувка аммиака осуществляется в блоке отдувки 7. Аммиачная вода из блока 7 направляется в смеситель 4 для обогащения твердых компонентов (наполнителя, твердой фракции эффлюента) удобрений.

Нагретый эффлюент (имеющий температуру процесса термофильной анаэробной обработки) направляется в аэробный биореактор 2 для стабилизации температурного режима аэробного процесса, что особенно важно при работе на обедненных органическим веществом субстратах. Также на начальной стадии процесса при работе аэробного биореактора в периодическом режиме. Охлажденный эффлюент поступает на доочистку в типовые сооружения искусственной (аэротенки) или естественной (биологические пруды) очистки. При необходимости эффлюент поступает на доочистку, минуя аэробный биореактор.

При реализации данного способа такие компоненты системы, как устройство механического обезвоживания 3, смеситель 4, когенерационная установка 6 являются типизированными и широко применяемыми на практике. В качестве устройства механического обезвоживания 3 могут использоваться центрифуга, фильтр-пресс, шнековый пресс. Когенерационная установка 6 может быть реализована на основе ДВС или ГТУ. В основу блока отдувки может быть положено известное аэрируемое устройство типа градирни, или десорбционное устройство.

В качестве анаэробного биореактора-метантенка 5 предпочтительно использование аппарата проточного типа - биофильтра (ABF), UASB - реактора и т.п., обеспечивающего время экспозиции подготовленного субстрата на уровне 0,5-3 суток при рабочей температуре 30-60°С.

Аэробный биореактор 2 представляет собой герметичный аппарат, оснащенный патрубками подведения и отведения субстрата от отведения газов реакции, а также средствами аэрации и перемешивания известной конструкции (Wolinski W.K. "Aerobic thermophilic Sludge Stabilization using air", Water Pollution control, 1985).

В качестве обязательного конструктивного элемента аэробного биореактора 2 должна быть предусмотрена теплообменная поверхность 8, обеспечивающая тепловой контакт между жидким нагретым эффлюентом и предварительно обработанным субстратом.

Контактный аппарат 1 может быть выполнен в виде массообменного аппарата противоточного типа, в котором влажный нагретый кислородсодержащий газ из аэробного биореактора 2 подается в нижнюю часть через распределитель противотоком по отношению к исходному субстрату. В процессе предварительной обработки субстрата в контактном аппарате 1 происходит его предварительное насыщение кислородом, а также некоторый подогрев, что позволяет более рационально использовать биоэнергетический потенциал субстрата на последующих микробиологических стадиях обработки.

Ориентировочные параметры процесса обработки субстрата согласно предлагаемому способу применительно к биоэнергетической установке, рассчитанной на переработку 10 т/сут. исходного субстрата влажностью 95% и зольностью 15%:

1. Выход биогаза Vбг=170 м3/сут, с учетом снижения удельного выхода после аэробной обработки с распадом органического вещества на уровне 10%.

2. Мощность когенерационной установки: с общим к.п.д. η0=90%

- тепловая Qт=27 кВт;

- электрическая Qэ=13,5 кВт.

3. Тепловая мощность, отводимая с газообразными продуктами метаболизма на аэробной стадии обработки при доле (об.) водяных паров Nв.п=13%: Qскр=3 кВт

4. Тепловая мощность, развиваемая в процессе аэробной термофильной обработки: Qбио=13,3 кВт.

5. Начальная температура субстрата, при которой обеспечивается термофильный режим последующей анаэробной обработки (tан=53°):t0=21,6°C.

6. Начальная температура субстрата при использовании скрытой теплоты паров в контактном аппарате: t0'=14,4°C.

7. Основные конструктивные параметры аэробно-анаэробного процесса с предобработкой субстрата в контактном аппарате:

- аэробный биореактор: Vаэ=10 м3

- анаэробный биореактор: Vан=29 м3

- контактный аппарат: Vк=0,26 м3.

Суммарный объем основного оборудования при реализации способа: Vacи=39,76 м3.

Объем анаэробного биореактора при анаэробной обработке в термофильном режиме: Vана=100 м3, что в 2,55 раз превышает объем основного оборудования при реализации предполагаемого изобретения.

8. Тепловая мощность, необходимая для нагрева исходного субстрата до термофильной температуры с t0=14,4°C

Qн=16,4 кВт, что составляет 60% располагаемой тепловой энергии.

9. Располагаемая товарная тепловая энергия:

- при анаэробной обработке:: Qане=10,6 кВт

- согласно предлагаемому способу: Qсие=16,9 кВт, что в 1,6 раза превышает Qане.

10. Тепловая мощность, которая может быть использована для термостабилизации аэробного режима или для дополнительного подогрева исходного субстрата и в регенеративном цикле «эффлюент - субстрат» при коэффициенте регенерации ηр=0,4 Qрег=16,3 кВт.

11. Минимальная температура субстрата, при которой обеспечивается термофильный режим обработки согласно предлагаемому способу t0min=6°С. Условные обозначения: ИС - исходный субстрат; ПОС - предварительно обработанный субстрат; ПС - подготовленный субстрат; ТФ - твердая фракция; ЖФ - жидкая фракция; Н - наполнитель; У - удобрение; НЭ - нагретый эффлюент; ОЭ - охлажденный эффлюент; Т - теплоноситель; БГ - биогаз; Г - нагретые кислородсодержащие газы; ДГ - дымовые газы; ЭЭ - электроэнергия; АВ - аммиачная вода; КР - корректирующие реагенты.

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, анаэробной обработке с образованием нагретого эффлюента и биогаза и разделению на фракции, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к обезвоживанию водосодержащего материала, в частности осадков сточных вод. Способ обезвоживания осадков включает отжим осадка вакуумированием подслоевого пространства в импульсном режиме с использованием ресивера и быстродействующего клапана до вскипания влаги в глубинных слоях и миграции ее на поверхность при одновременном нагреве отжимаемого осадка прососом нагретого воздуха или инертного газа через слой осадка и последующее его двухстороннее вакуумирование.

Изобретение относится к способам обработки осадков сточных вод, в том числе содержащих высококонцентрированные, эмульгированные нефтепродукты, и может быть использовано в промышленных предприятиях перед концентрированием осадков фильтрованием.

Изобретение относится к устройству и способу сушки водосодержащего материала, такого как навоз. .

Изобретение относится к способу для кондиционирования жидких осадков, образующихся при обработке сточных вод. .

Изобретение относится к оборудованию для обезвоживания сыпучих материалов и может быть использовано в угольной, горнорудной и других отраслях промышленности, где вода используется для гидротранспорта материалов, куски которых разновеликие.

Изобретение относится к аэробной биологической очистке сточных вод и может быть использовано в очистных сооружениях населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.

Изобретение относится к устройству для осушения и уплотнения твердой фазы сточных вод, подлежащих удалению. .

Изобретение относится к установкам, содержащим гравитационные и мембранные средства с применением реагентов для обезвоживания отстоя сточных вод, шламов и флотошламов.

Изобретение относится к малым автоматизированным установкам для комплексной обработки осадков сточных вод с возможностью их утилизации в качестве удобрения. .

Изобретение относится к области переработки концентрированных органических субстратов - бесподстилочного навоза, помета, осадков локальных очистных сооружений перерабатывающих производств, отходов механобиологической очистки городских сточных вод - в газообразный энергоноситель - биогаз и стабилизированные обеззараженные продукты - биошламы - эффлюент, которые могут быть использованы при приготовлении удобрений.

Изобретение относится к способу обработки сточных вод, образующихся в процессе переработки биомассы в жидкое биотопливо, где процесс переработки биомассы в жидкое биотопливо включает в себя получение синтез-газа из биомассы и синтез Фишера-Тропша для превращения указанного синтез-газа в жидкие углеводороды, в котором используется кобальтовый катализатор, в котором сточные воды, содержащие загрязненные спиртами водные стоки, образующиеся при переработке биомассы в жидкое биотопливо, очищают в общем процессе обработки сточных вод, включающем процесс биологической очистки, совместно со сточными водами, образующимися в процессе производства целлюлозы и/или бумаги, с которым интегрирован указанный процесс переработки биомассы в жидкое биотопливо, в котором загрязненные спиртами стоки разбавляют водными стоками из указанного процесса производства целлюлозы и/или бумаги перед процессом биологической очистки.

Изобретение относится к химической промышленности и к сельскому хозяйству, а именно к технологии переработки осадков городских сточных вод в органические удобрения.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к обезвреживанию осадков сточных вод, получаемых в процессе очистки сточных вод на биологических очистных сооружениях канализации.
Изобретение относится к способам получения органоминеральных удобрений из осадков сточных вод, получаемых в процессе очистки сточных вод на биологических очистных сооружениях канализации.

Изобретение относится к области защиты окружающей среды в сфере деятельности нефтегазодобывающей и нефтегазоперерабатывающей промышленности, в частности к микробиологическому обезвреживанию нефтешламов и нефтезагрязненных грунтов с использованием тепловой энергии от факельных систем при сжигании попутного нефтяного газа.

Изобретение относится к электротехническим устройствам производства удобрений и может быть использовано при изготовлении вертикального трубчатого проточного электролизера-реактора для получения гуминосодержащего продукта, который гидравлически соединен с помощью насоса-дозатора с технологическим смесителем по замкнутой циркуляционной схеме, и выполнен с параллельными друг к другу и тангенциально, по касательной, к поверхности цилиндра входным и сливным патрубками, и неподвижными электродами, соединенными с источником постоянного электрического тока.
Изобретение относится к способам аэробной обработки осадка сточных вод и активного ила и может быть использовано на станциях биологической очистки. .

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления и горячего водоснабжения небольших производственных помещений, индивидуальных жилых домов, отдельных сооружений при использовании низкопотенциальных природных источников тепла, хозбытовых стоков и других тепловых отходов.

Изобретение относится к области переработки концентрированных органических субстратов - бесподстилочного навоза, помета, осадков локальных очистных сооружений перерабатывающих производств, отходов механобиологической очистки городских сточных вод - в газообразный энергоноситель - биогаз и стабилизированные обеззараженные продукты - биошламы - эффлюент, которые могут быть использованы при приготовлении удобрений.

Предлагаемый способ относится к области утилизации концентрированных органических субстратов, таких как бесподстилочный навоз, помет, осадки и илы сооружений механо-биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод. Способ переработки органических субстратов в удобрения и газообразный энергоноситель включает аэробную обработку исходного субстрата с образованием нагретого и гидролизованного субстрата и нагретых влажных кислородосодержащих газов, анаэробную обработку с образованием нагретого эффлюента и биогаза и разделение на фракции. 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. Нагретые влажные кислородосодержащие газы используют для предварительного нагрева и аэрации исходного субстрата. Изобретение позволяет снизить продолжительность пребывания аэробно-подготовленного нагретого и гидролизованного субстрата на лимитирующей анаэробной стадии, снизить массогабаритные показатели оборудования, отказаться от ненадежного теплообменного оборудования и обеспечить эффективное использование элементов питания эффлюента в агротехнических целях, повышая энергоэффективность процесса. 1 ил.

Наверх