БЫТОВОЙ МЕТАНТЕНК
DOMESTIC DIGESTER

Изобретение относится к области утилизации биологических азот- и углеродсодержащих отходов сельскохозяйственных предприятий путем анаэробного термофильного сбраживания с выработкой высококачественного удобрения и может быть использовано для утилизации отходов домашнего хозяйства.
Известен метантенк, содержащий корпус, разделённый перегородками на камеры кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, перемешивающее устройство, размещенное между патрубками загрузки и выгрузки сред, и теплообменное устройство термостатирования процесса брожения. Нагрев субстрата осуществляется циркулирующей водой, нагреваемой открыто сжигаемым биогазом, причем продукты сгорания выходят в открытую атмосферу или в помещение. Перемешивание субстрата осуществляют при встряхивании корпуса (Патент RU 2098481, опубл. 10.12.97., Бюл. №34, С12М 1/00).
3
Недостатком способа является мезофильный режим брожения, при котором не обеспечивается санитарная безопасность перебродившего субстрата, а открытое сжигание образующегося при брожении биогаза не соответствует требованиям пожарной безопасности. Нагрев субстрата естественно циркулирующей водой неэффективен, а при небольших размерах метантенка (порядка 0,2 м) объема образующегося биогаза недостаточно для подогрева метантенка на широте, например, Нижегородской области РФ.
Известен метантенк, содержащий корпус с перегородками, образующими камеры кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, сообщенные друг с другом окнами для прохода субстрата и газовыми полостями в верхних частях корпуса. В камерах установлены перемешивающие устройства в виде валов, снабженных приводами и элементами перемешивания для перемещения субстрата от загрузочного устройства к разгрузочному. Устройство отвода биогаза выполнено в виде гидравлического затвора с патрубком, а камера метанового брожения по биогазу и жидкой составляющей послеброжевого остатка сообщена с колонной обогащения в виде вертикального корпуса с горизонтальными перфорированными перегородками (Патент RU 2107043, опубл. 20.03.98, бюл. №8, C02F 11/04). Данное устройство, как наиболее близкое по технической сущности, выбрано в качестве прототипа.
3
Конструкция прототипа для бытового метантенка малого объема (порядка 0,2 м) является чрезмерно сложной и ресурсоемкой, а требование соотношения между углеродом и азотом в загружаемом сырье в пропорции порядка 20:1 является слишком жестким, требует контроля и усложняет его эксплуатацию. Кроме того, перебродивший субстрат после мезофильного брожения санитарно не безопасен. Устройство способно функционировать только в определенных климатических условиях.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов, стоимости изготовления и эксплуатации метантенка с одновременным повышением эффективности его работы в режиме получения санитарно безопасного удобрения, не содержащего паразитов и семян сорных растений, в любых климатических условиях, с минимально допустимой температурой в помещениях для содержания животных.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:
3
- компактность и дешевизна: корпус метантенка изготавливается из стандартной бочки объемом 0,216 м;
- эффективность и экономичность работы при минимальном размере корпуса. Энергозатраты, например, не превышают 0,3 кВт·ч при разнице температур субстрата и окружающего воздуха не более 43°С;
- сокращение длительности цикла брожения с 30 до 16 суток;
- получение санитарно безопасного удобрения, не содержащего паразитов и семян сорных растений;
- пожарная безопасность метантенка;
- простота эксплуатации за счёт снижения требований к составу загружаемого сырья.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата в бытовом метантенке, содержащем корпус, разделённый перегородками на камеры брожения, сообщающиеся последовательно одна с другой, загрузочный и разгрузочный патрубки, гидравлический затвор для отвода биогаза, согласно изобретению перегородки выполнены перфорированными и установлены в корпусе одна над другой, загрузочный патрубок снабжен питательным клапаном лепесткового типа в виде гибкого плоского рукава, свободно лежащего на верхней перегородке, на наружной поверхности корпуса установлена теплоизоляция, выполненная в виде двух слоев, установленных с зазором, каждый слой, в свою очередь, состоит из внутреннего теплоотражающего и внешнего теплоизолирующего слоев, а в зазоре расположен резистивный нагреватель, распределенный по поверхности теплоизолирующего слоя. На внутренней поверхности корпуса нанесено антикоррозионное полимерное покрытие. В зазоре между слоями теплоизоляции расположен температурный датчик, а снаружи метантенк заключен в жесткий кожух.
Вышеперечисленные признаки позволяют устранить недостатки прототипа и достичь указанный технический результат.
Последовательно расположенные одна над другой камеры брожения обеспечивают прохождение субстрата из камеры в камеру без механического перемешивания основной массы бродящего субстрата с загружаемыми порциями исходного сырья. Перемешивание субстрата осуществляется автоматически при периодической (1 раз в 4 дня) выгрузке перебродившего субстрата из нижней камеры брожения, поскольку при этом происходит перемещение субстрата из верхних камер в нижние. Образующийся при брожении биогаз, поднимаясь вверх, проходит через перфорированные перегородки и через объем субстрата, обеспечивая дополнительное перемешивание субстрата. Биогаз собирается в газовой полости, расположенной в верхней части метантенка, и выходит через водяной затвор за пределы корпуса.
Используемое свойство микроорганизмов разогревать субстрат при брожении позволяет минимизировать энергозатраты на нагрев загружаемого в метантенк сырья. Эффективность работы метантенка обеспечивается термофильным режимом брожения, сокращающим длительность цикла брожения (до 16 дней) и обеспечивающим санитарную безопасность получаемого удобрения (отсутствие семян сорных растений и паразитов).
Затопленный в субстрат рукав питательного клапана лепесткового типа обеспечивает загрузку сырья в метантенк, предотвращая попадание воздуха внутрь корпуса метантенка, что обеспечивает анаэробное брожение сырья.
Теплоизоляция корпуса выполнена двухслойной, слои установлены с зазором, а каждый слой, в свою очередь, выполнен из теплоотражающего и теплоизолирующего слоя, при этом теплоотражающие слои обращены к корпусу, а теплоизолирующие - наружу. Такое выполнение теплоизоляции и установка в зазоре нагревателя способствуют минимизации и компенсации теплопотерь корпуса, а температурный датчик обеспечивает контроль температуры воздуха в воздушном зазоре, что позволяет поддерживать в камерах требуемую температуру брожения.
Корпус метантенка может быть изготовлен на базе стандартной бочки из углеродистой стали, защищенный изнутри слоем тонкого дешевого антикоррозионного полимерного покрытия. Снаружи метантенка расположен жесткий кожух, защищающий его от внешних механических повреждений и придающий жесткость конструкции теплоизоляции для обеспечения необходимой толщины воздушного зазора между ее слоями. Заявляемая конструкция метантенка является пожаробезопасной, поскольку не предусматривает использование открытого огня.
Совокупность существенных признаков обеспечивает стабильность температурного режима, используя свойство бактерий разогревать субстрат при брожении, позволяет снизить себестоимость изготовления и эксплуатации метантенка, увеличить срок эксплуатации и получить качественное санитарно безопасное и экологически чистое удобрение.
На фиг.1 схематически показан бытовой метантенк, продольный разрез.
На фиг.2 схематически показана теплоизоляция корпуса.
На фиг.3 схематически изображен загрузочный клапан на перегородке.
На фиг.4 изображена перфорированная перегородка.
Бытовой метантенк (фиг.1-фиг.4) содержит цилиндрический корпус 1, который может быть выполнен из углеродистой стали с полимерным покрытием на внутренней поверхности, снабженный загрузочным патрубком 2 и разгрузочным патрубком 3. В корпусе установлены перегородки 4, разделяющие корпус на камеры брожения 5, сообщенные друг с другом окнами 6 для прохода субстрата. Перегородки выполнены с перфорацией 7 (фиг.4) для прохода биогаза, собираемого в газовой полости 8, расположенной в верхней части корпуса 1. Метантенк содержит устройство отвода биогаза 9 в виде гидравлического затвора с патрубком 10. Загрузочный патрубок 2 снабжен герметично закрывающейся крышкой 11 и питательным клапаном 12 лепесткового типа, нижний конец которого свободно лежит на верхней перегородке (фиг.3). Теплоизоляция корпуса метантенка состоит из двух слоев (фиг.2), между которыми имеется воздушный зазор 15. При этом каждый слой состоит из теплоотражающего 13 и теплоизолирующего 14. Теплоотражающие слои 13 обращены в сторону корпуса 1, а теплоизолирующие слои 14 - наружу. Зазор 15 образован, в частности, при помощи навитого вокруг теплоизолирующего слоя 14 шнура 16. В воздушном зазоре между витками шнура расположен электронагреватель 17, распределенный по поверхности теплоизолирующего слоя 14, и температурный датчик 18. Снаружи метантенк заключен в жесткий кожух 19.
Заявляемый бытовой метантенк работает следующим образом. При открытой крышке 11 в загрузочный патрубок 2 загружают свежие измельченные твердые и жидкие отходы сельскохозяйственных предприятий (например, навоз КРС) с размерами частиц не более 2 мм в количестве 4/5 объема метантенка, причем концентрация твердой составляющей в субстрате составляет порядка 5-10%.
3
Питательный клапан 12 лепесткового типа обеспечивает поступление сырья в метантенк, предотвращая попадание атмосферного воздуха внутрь корпуса за счет того, что его конец всегда погружён в субстрат. Субстрат последовательно перебраживает в камерах брожения 5, проходя сверху вниз при выгрузке; при этом происходит его перемешивание. Образующийся в камерах брожения биогаз (порядка 16 м за цикл брожения полной загрузки метантенка) собирается в верхней части корпуса 8, проходя через отверстия перфорированных перегородок 4, откуда через гидравлический затвор 8 удаляется из метантенка.
Для компенсации теплопотерь корпуса метантенка используется двухслойная теплоизоляция с воздушным зазором, который подогревается распределенным по поверхности теплоизолирующего слоя 14 электронагревателем 17. В воздушном зазоре находится температурный датчик для контроля температуры воздуха в нем, что позволяет термостатировать корпус посредством регулирования режима работы нагревателя. Снаружи метантенк заключен в жесткий кожух, например, из поликарбоната, защищающий теплоизоляцию от внешних механических повреждений и придающий жесткость конструкции теплоизоляции для обеспечения необходимой толщины воздушного зазора между ее слоями.
Пример конкретной реализации процесса
Работа метантенка осуществляется в помещении с температурой окружающего воздуха не ниже 12°С. Нагрев сырья с температуры порядка 35°С до 55°С (оптимальной для термофильных бактерий) осуществляется самими бактериями в процессе своей жизнедеятельности. По истечении 16 дней через разгрузочный патрубок 3 выгружается 1/4 часть объема перебродившего субстрата, после чего через загрузочный патрубок 2 загружают свежее сырье. В дальнейшем периодически, через 4 дня, операцию выгрузки 1/4 части объема перебродившего субстрата и загрузки такого же количества свежего сырья повторяют.
Перебродивший субстрат является санитарно безопасным и экологически чистым удобрением. В теплое время года его можно использовать непосредственно в оригинальном виде, а в холодное время года высушивать и хранить, причем сухого удобрения получается порядка 10% от объема перебродившего субстрата.
Заявляемый бытовой метантенк компактен, дешев и удобен в обслуживании, а также позволяет получить качественное биоудобрение. Видимые количества газообразного синтезируемого биотоплива можно использовать для хозяйственных нужд, например, для подогрева первичного сырья и воды.