Метантенк для переработки жидкого органического сырья

Полезная модель относится к области биотехнологии и может быть использована для анаэробной переработки в биогазовых установках органических отходов и сырья животного и растительного происхождения, в результате чего получают органические удобрения и биогаз.
В биогазовых установках могут перерабатываться не только отходы – отработанные и не пригодные для дальнейшего использования органические продукты производств, но и органическое сырье, специально производимое для дальнейшего использования в биогазовых установках. Кроме того, сырьем называют подготовленные для переработки в метантенке отходы. Поэтому здесь и далее под сырьем следует понимать отходы, подготовленные для переработки, либо отходы, соответствующие техническим условиям работы метантенка и потому не требующие подготовки, а также специально производимые продукты для переработки, которые также могут требовать или не требовать стадии подготовки перед сбраживанием в метантенке.
Из уровня техники известен метантенк для переработки жидкого органического сырья (RU 2374814 C1, 10.12.2009), содержащий закрытый резервуар с устройством для подогрева, а также каналами для загрузки сырья, отвода биогаза и выгрузки сброженной массы, при этом в резервуаре на уровне, до которого наполняют сырье, выполнены форсунки, предназначенные для дробления образующейся корки перерабатываемого сырья путем подачи жидкой фракции этого сырья, отбираемой из нижней части резервуара. Резервуар выполнен в виде вертикального цилиндра, высота которого больше диаметра. Метантенк предназначен только для сбраживания навоза и его недостаток заключается в неравномерной загрузке сырья, организованной сбоку.
В качестве прототипа выбран метантенк для переработки жидкого органического сырья (RU 73329 U1, 20.05.2008), содержащий закрытый резервуар, снабженный перемешивающим устройством, устройством для обогрева и каналами для загрузки сырья, отвода биогаза и выгрузки сброженной массы, при этом резервуар выполнен в виде вертикального цилиндра, высота которого больше диаметра. Основной недостаток данной установки аналогичный – неравномерная загрузка сырья, организованная в верхней части сбоку, кроме того, установка снабжена громоздким перемешивающим устройством, и приспособлена для сбраживания только осадка сточных вод.
Задачей полезной модели является создание метантенка, пригодного для переработки сырья, содержащего биоматериал с трудноразрушаемой клеточной оболочкой, и обладающего за счет интенсификации процесса сбраживания наилучшими показателями эффективности работы, которые выражаются, в первую очередь, в количестве выделяемого биогаза и в качестве получаемого продукта, пригодного для использования в качестве удобрения.
Установка должна перерабатывать такое сырье с трудноразрушаемой клеточной оболочкой, как послеспиртовая барда, отходы дрожжевой и/или пивоваренной промышленности, например отработанные пивные дрожжи, суспензию одноклеточных микроорганизмов и другое.
Технический результат заключается в улучшении процесса сбраживания органического сырья за счет повышения числа клеток органического сырья с разрушенной оболочкой.
Указанный результат достигается метантенком для переработки жидкого органического сырья, содержащим закрытый резервуар с теплоизоляцией и устройством для подогрева, а также каналами для загрузки сырья, загрузки субстрата, отвода биогаза, выгрузки сброженной массы и выгрузки шлама, причем канал для загрузки сырья снабжен форсунками, выполненными в верхней части резервуара с возможностью распыления сырья в газовый объем над поверхностью субстрата.
Резервуар может быть выполнен в виде вертикального цилиндра, высота которого больше диаметра.
Резервуар может быть выполнен в виде вертикального цилиндра, диаметр которого больше высоты.
Резервуар может быть выполнен в виде горизонтального цилиндра, длина которого больше диаметра.
Форсунки могут быть расположены на направляющей в виде кольца.
Форсунки могут быть расположены на направляющей в виде многолучевой звезды.
Форсунки могут быть расположены на направляющей в виде овала.
Форсунки могут быть расположены на одной или более прямых направляющих.
Форсунки могут быть расположены на волнообразной направляющей.
За счет распыления жидкого сырья форсунками в верхней части метантенка в газовый объем над поверхностью субстрата, то есть в биогазовую среду или же атмосферу, сформированную продуктами жизнедеятельности субстрата, дальнейшего движения клеток сырья вниз в данной среде и взаимодействия непосредственно с микроорганизмами субстрата повышается степень деструкции клеточных стенок, что увеличивает выход биогаза и улучшает качество получаемого продукта – сброженной массы, пригодной для дальнейшего применения в качестве удобрения.
Под степенью деструкции понимается отношение числа клеток сырья с разрушенной клеточкой оболочкой к числу клеток с неразрушенной оболочкой в общей массе переработанного сырья.
Полезная модель поясняется фигурой, на которой схематически представлен вариант реализации предлагаемого метантенка.
Метантенк для переработки жидкого органического сырья содержит закрытый резервуар 1, имеющий, например, съемную верхнюю часть 2 с технологическим люком (не показан), предназначенную для сбора биогаза и предотвращения образования застойных зон, устройство для подогрева 3 и теплоизоляцию 4 – стандартные и известные из других метантенков. К резервуару 1 подведены каналы: для загрузки сырья 5, для отвода биогаза 6, для выгрузки сброженной массы 7, для загрузки субстрата 8 и для выгрузки шлама 9. На каждом из каналов 5-9 расположен запорный клапан 13.
Канал для загрузки сырья 5 снабжен форсунками 10, выполненными с возможностью распыления сырья в газовый объем над поверхностью субстрата, это подразумевает расположение форсунок 10 непосредственно в свободной от сырья верхней части 2 резервуара 1, что способствует наиболее равномерному распылению сырья по всему газовому объему.
Под газовым объемом понимается область резервуара 1, свободная от субстрата и заполненная продуктами его жизнедеятельности – биогазом.
В качестве субстрата, на этапе первичного запуска метантенка, используют, как правило, не полностью сброженную массу из другой установки с высоким содержанием активных микроорганизмов, либо питательную среду, в которую добавлена заранее выделенная микробиологическая культура.
Субстрат может быть отобран из установки, работающей на таком сырье, как:
– кукуруза, силос из листостебельной массы, трава, зерновые культуры, свекла, водоросли, свекольная ботва, пожнивные остатки;
– отходы растительного происхождения, например, содержимое контейнеров для сбора биоотходов, остатки пищи, фритюрное масло, барда, выжимки, пульпа сахарной свеклы, картофельные очистки, скошенная трава;
– отходы животного происхождения, например, жиры, кровь животных, содержимое желудочно-кишечного тракта, боенские отходы, отходы предприятий молочной промышленности, навоз и/или помет, в частности, коровий навоз (навоз крупного рогатого скота – КРС) влажностью 95%, свиной навоз или навоз/помет других сельхоз животных, собираемый самосплавным способом, в соотношении 50% навоза и 50% воды;
– смеси указанных видов сырья в различных сочетаниях, например, смесь навоза и/или помета с растительной биомассой, к примеру, 75% птичьего помета и 25% кукурузного силоса, смесь навоза КРС с послеспиртовой бардой, к примеру, 85-90% послеспиртовой барды и 15-10% навоза.
Заранее выделенные микробиологические культуры для анаэробного метанового брожения традиционно получают в лабораторных условиях из свежего рубца КРС, далее производят их размножение с использованием в качестве питательной среды тех субстратов, которые в дальнейшем подлежат переработке.
По мере работы метантенка происходит постепенная замена субстрата, использованного на стадии запуска, на субстрат, состоящий из сырья разной степени разложения и комплекса активных микроорганизмов.
Форсунки 10 могут быть расположены на направляющей в виде кольца, многолучевой звезды, овала, в частности эллипса, на одной или более прямых направляющих или на волнообразной направляющей. Возможны и другие фигуры, способствующие равномерному расположению форсунок и распылению сырья.
Резервуар 1, как правило, выполнен в виде вертикального цилиндра, высота которого больше диаметра, либо диаметр больше высоты, или горизонтального цилиндра, длина которого больше диаметра. Не исключены другие формы, в том числе шарообразная, а также траншейного типа.
Работает установка следующим образом.
Сначала открывают клапан 13 на канале 8 и в резервуар 1 метантенка осуществляют загрузку субстрата, например, навоза КРС влажностью 95%, для создания в свободном газовом объеме биогазовой среды, являющейся анаэробной. Параллельно, либо сразу после загрузки субстрата включают устройство подогрева 3 и поддерживают требуемую температуру для работы установки в мезофильном или термофильном режиме. При мезофильном режиме работы температура составляет 30-40°С, а при термофильном – 50-55°С. Выбор режима осуществляют в зависимости от времени года из соображений энергоэкономичности, технических возможностей по поддержанию требуемой температуры, а также типа и количества сырья.
Далее контролируют заполнение резервуара 1 биогазом по манометру 11 и посредством газоанализатора (на фигуре не показан) определяют состав газовой среды. После того, как содержание метана в биогазе достигнет 50%, с помощью насоса 12 начинают дискретно-непрерывную подачу жидкого органического сырья, например, отработанных пивных дрожжей или послеспиртовой барды, по каналу загрузки сырья 5 в форсунки 10, выполненные, например, на направляющей в виде кольца. Форсунки 10 за счет повышенного давления в канале 5 осуществляют распыление сырья в биогазовую среду метантенка.
В агрессивной биогазовой среде клетки органического сырья ослабляются и чем дольше они задерживаются в газовом объеме, тем активнее разрушаются клеточные стенки. Этим и определяется расположение форсунок 10 сверху над поверхностью субстрата, предпочтительно на максимально возможной высоте. Наибольший эффект достигается при расположении форсунок 10 друг относительно друга так, чтобы образующийся аэрозоль заполнял весь свободный объем резервуара 1. То есть, форсунки 10 располагают на направляющей в виде кольца, овала, многолучевой звезды, одной или более прямых направляющих или на волнообразной направляющей, при этом все указанные формы рассчитывают и изготавливают размером, подходящим под конкретный резервуар для эффективного распыления сырья по всему газовому объему резервуара 1.
Так осуществляют впрыскивание, равномерно распределяя по времени суточную норму вносимого сырья. Повторное внесение субстрата или дополнительного питания для его микроорганизмов, как правило, не требуется, но допустимо.
Далее, как только распыленные клетки сырья оседают на поверхности субстрата, осуществляют анаэробное сбраживание в мезофильном или термофильном режиме.
Перерабатываемое органическое вещество постепенно опускается вниз к выходному отверстию, находящемуся в нижней части резервуара 1. Отвод сброженной массы по каналу 7 выполняют за счет повышения давления в метантенке, вследствие выделения биогаза. При этом отвод вырабатываемого биогаза, состоящего, главным образом, из метана и углекислого газа с примесью аммиака и сероводорода, осуществляют непрерывно по каналу 6 после открытия соответствующего клапана 13.
Следует отметить, что в установке не предусмотрены средства перемешивания, такие как механические мешалки или системы перемещения масс субстрата из нижней точки резервуара в верхнюю, так как данные средства увеличивают вес установки и снижают эффективность деструкции клеток сырья. Одна из основных задач перемешивания – препятствие образованию поверхностной корки, тормозящей работу метантенка, а в предлагаемом решении корка не образуется за счет постоянного смачивания поверхности субстрата новыми порциями распыленного жидкого сырья.
В отличие от известных способов загрузки, в которых подача сырья осуществляется в локальный участок резервуара, использование форсунок обеспечивает распыление дрожжей по всему газовому объему. Сырье затем оседает на поверхности субстрата по всей площади, и далее равномерно и постепенно опускается вниз, что обеспечивает эффективное использование всего объема резервуара метантенка без необходимости использования средств перемешивания.
Получаемая в результате улучшенной деструкции клеток сброженная масса будет обогащена продуктами жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов (витаминами и аминокислотами) в дополнение к полностью извлеченным полезным веществам, которые изначально содержатся в перерабатываемом сырье, в зависимости от выбранного типа. Соответственно, получаемый продукт, пригодный к использованию в качестве удобрений, кормовых и биологически активных добавок, обладает преимуществами по отношению к аналогичным продуктам, полученным в известных метантенках.
Были реализованы следующие варианты установок.
3
1) Метантенк объемом 25 м имеет резервуар в виде горизонтального цилиндра, длина которого больше диаметра, а форсунки расположены вдоль прямой направляющей.
На указанной установке в качестве субстрата, используемого для создания в свободном пространстве метантенка биогазовой среды, применялся коровий навоз (КРС), доведенный до влажности 90%. На начальном этапе навоз с указанными характеристиками был помещен в метантенк в количестве 35% от общего объема. Далее, в течение 1 месяца производился нагрев метантенка с температуры 18°С до температуры 53°С, при ежедневном орошении навоза горячей водой температурой 53°С с целью не допустить образования корки. Таким образом, на 32 сутки влажность навоза была доведена до 95%, а общий объем – до 70% от объема метантенка.
При этом, начиная с 10 дня, ежедневно контролировалось наличие метана в отводимой из метантенка газовой смеси. Контроль производился при помощи газоанализатора.
При достижении 50% содержания метана в газовой смеси и давления 2 кПа, и температуры метантенка 53°С, орошение подогретой водой было прекращено. Вместо орошения водой на 32 сутки была начата дискретно-непрерывная подача сырья – отработанных пивных дрожжей влажностью 92% с температурой 30°С.
Подача дрожжей осуществлялась путем впрыскивания через форсунки под давлением 200 кПа. При этом давление газа в метантенке повышалось до 5 кПа, и за счет этого происходило перетекание (отвод) сброженной массы по каналу 7 в приемную емкость, а давление возвращалось к значению 2 кПа.
Количество отводимой в приемную емкость сброженной массы контролировалось, и для поддержания среднего уровня субстрата в метантенке количество подаваемой в метантенк дрожжевой суспензии было примерно на 20% больше количества отведенной сброженной массы.
Далее установка продолжала работу в непрерывном режиме при поддержании температуры метантенка на уровне 53°С ±1°С. Состав субстрата постепенно обновился до полного замещения навозного субстрата на дрожжевой, что произошло через 42 дня с момента начала подачи дрожжей. После чего, получаемая сброженная масса – дрожжевой экстракт, была исследована на применение в качестве удобрения.
2) Экспериментальный метантенк, изготовленный из пластиковой бочки объемом 160 литров, резервуар которой выполнен в виде вертикальной емкости с высотой больше диаметра, а форсунки расположены в виде кольца.
В этом случае в резервуар поместили 105 литров не полностью сброженного субстрата из биогазовой установки, работающей на свежескошенной мелкорубленной траве в мезофильном режиме с температурой 35°С. Требуемые показатели давления 2 кПа при содержании метана в биогазе 50% были достигнуты через двое суток. В связи с тем, что именно пивные (и другие) дрожжи являются наиболее сложным объектом для переработки в метантенке, была начата дискретно-непрерывная подача посредством форсунок отработанных пивных дрожжей с температурой 30°С и влажностью 92%. На восьмые сутки с начала подачи количество подаваемых дрожжей было доведено до 7 литров в сутки. Поддерживали мезофильный режим работы установки с температурой на уровне 35°С±1°С. Полная замена исходного субстрата на дрожжевой субстрат произошла на 21 сутки с момента начала загрузки. Далее установка еще в течение двух месяцев продолжала работу в непрерывном режиме на дрожжевом субстрате. После чего, получаемая сброженная масса – дрожжевой экстракт, была исследована на применение в качестве удобрения.
Исследования в обоих случаях показали, что применение дрожжевого экстракта в концентрации 1:200 – 1:500 увеличивает энергию прорастания семян на 7-30%, ускоряет развитие рассады минимум на одну неделю, снижает потребность в удобрениях на 10-20%, увеличивает интенсивность корнеобразования до 50%, ускоряет вступление в плодоношение, увеличивает урожайность, способствует лучшей адаптации к неблагоприятным условиям и сопротивляемости болезням. Указанная концентрация дрожжевого экстракта говорит о том, что, фактически, экстракт является уже не удобрением, а комплексом биологически активных веществ – адаптогеном и стимулятором для растений, то есть клеточная оболочка дрожжей не только разрушена, но и трансформировано содержимое самих дрожжевых клеток под воздействием анаэробных метанобактерий в высокоэффективные биологически активные соединения.
Таким образом, предлагаемый метантенк для переработки жидких органических отходов успешно прошел испытания с подтверждением заявленных характеристик, то есть при его использовании достигается улучшении процесса сбраживания органического сырья за счет повышения числа клеток органического сырья с разрушенной оболочкой.