УСТАНОВКА ПОДГОТОВКИ СЫРЬЯ ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и биоэнергетике и может быть использована в подготовке сырья для анаэробной переработки различных видов органических отходов в экологически чистые и полезные вещества в виде удобрения и биогаза с целью утилизации биологических отходов и локальной стабилизации экологической ситуации в местах их скопления (навоз, птичий помет, отходы сельскохозяйственного и агропромышленного производства, бытовые пищевые отходы и др.).
К перспективному развитию биотехнологии для утилизации органических отходов относится интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов, так и за счет усовершенствования оборудования. Важным этапом биотехнологического производства полезных продуктов из органических отходов является тщательная подготовка исходного сырья с целью создания питательной среды для культивирования микроорганизмов и получение качественной смеси, вносимой в основной аппарат - биореактор (ферментер).
Анаэробная переработка неподготовленной должным образом биомассы при наличии идеальных условий длится гораздо дольше (в 2-3 раза), а выход биогаза на 50-200% меньше, чем при переработке такого же объема тщательно подготовленной биомассы.
Улучшение качества субстрата позволяет повысить эффективность использования биореактора - самого дорогого элемента биогазового комплекса.
Традиционно в подготовке сырья для анаэробной переработки органических отходов используют устройства механического измельчения и перемешивания сырья с добавлением, по необходимости, жидкости и/или других компонентов с подогревом или без подогрева.
Подготовка сырья без его измельчения (полезная модель RU 88665, 20.11.2009) не обеспечивает равномерности гранулометрического состава исходного сырья, поступающего в биореактор, что замедляет процесс биоферментации.
Указанный недостаток устраняется в блоке подготовки сырья технологической линии по патенту на полезную модель RU 125995, 20.03.2013, содержащем бункер-накопитель и измельчитель, в котором предусмотрена возможность подачи крупного исходного сырья в измельчитель, возврата измельченного сырья в бункер-питатель и подачи измельченного сырья из бункера-питателя на загрузочный транспортер-смеситель. Такая подготовка сырья требует большого количества оборудования и также не обеспечивает получения оптимального качества субстрата.
В качестве измельчающих и перемешивающих средств биомассы широко используют механические роторные измельчители, например, лопастные устройства с приводным валом и лопастями, установленные в емкости, сообщенной перфорированной перегородкой с камерой кислого брожения реактора (RU 2084515, 20.07.1997).
Для повышения эффективности процесса сбраживания в системе подготовки сырья по патенту RU 2370457, 20.10.2009 дополнительно предусмотрены средства подачи в емкость с измельчителем жидкости, полученной из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора.
Известны также установка переработки органических отходов для получения удобрений, в которой средства перемешивания, измельчения и гомогенизации выполнены в виде электрогидравлической камеры, в корпусе которой размещен ряд парных электродов (RU 2135437, 27.08.1999), биогазовая установка по патенту RU 2102468, 20.01.1998., в которой для подготовки сырья используют деструктор, расположенный между сборником помета и биореактором, а также установки для реализации способов получения органического удобрения диспергированием смеси по патентам RU 2258686, 20.08.2005 и RU 2207328, 27.06.2003, в первой из которых предусмотрен роторный гидроударный аппарат для гидроударного воздействия на смесь при ее циркуляции по замкнутому контуру, а во второй - генератор ультразвуковых колебаний для ультразвукового воздействия на смесь при аэробной обработке.
Известные установки подготовки сырья с применением механических измельчителей и деструкторов, устраняющих крупные и протяженные фрагменты, которые препятствуют перекачке смеси в биореактор, также как и реализуемые на них способы, малоэффективны и не обеспечивают получения качественного субстрата, усложняя тем самым конструкции биореакторов дальнейшей анаэробной переработки органических отходов.
В качестве прототипа установки подготовки сырья для анаэробной переработки отходов принята система подготовки сырья в установке для обработки биологических отходов ЕР 1636869, 22.05.2008.
Система подготовки по прототипу включает средство для смешивания сырья с водой и группу ультразвуковых излучателей для ультразвуковой обработки, размещенных вокруг канала прохода смеси к биореактору. В качестве облучателя смеси ультразвуком используется устройство, описанное в WO 0035579, 22.06.2000 г., содержащее сосуд и множество ультразвуковых преобразователей, прикрепленных к внешней стенке сосуда. Шестьдесят модулей 50 Вт пьезоэлектрических преобразователей, каждый из которых резонирует на частоте 20 кГц, плотно упакованы в решетке и образуют вокруг сосуда пять колец по 12 модулей в каждом.
При достаточно сложной конструкции установка подготовки сырья по прототипу, как и реализуемый на ней способ, малоэффективна и не обеспечивает хорошего качества субстрата, требует больших материальных затрат и времени на переработку.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании установки, обеспечивающей повышение эффективности подготовки сырья, ускорение анаэробной переработки органических отходов и увеличение ее глубины.
Техническим результатом является улучшение качества субстрата за счет достижения высокой степени измельчения, обеззараживания и гомогенизации смеси, обеспечивающего повышение скорости переработки и увеличение выхода полезного продукта при снижении материальных затрат.
Технический результат достигается также тем, что установка подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов, включающая средства дозированной подачи сырья и жидкости, подогрева, обработки излучением и дозированной подачи субстрата в биореактор, согласно полезной модели, она оснащена герметичной емкостью, которая снабжена вакуумным насосом, а средство обработки смеси излучением выполнено в виде ультразвукового гидродинамического излучателя, камера которого подсоединена к емкости с образованием замкнутого контура.
При этом камера ультразвукового гидродинамического излучателя снабжена средством подачи не содержащего кислорода газа, которое может быть подсоединено непосредственно к биореактору, а средство подачи жидкости для смешивания сырья - к его системе слива.
Полезная модель поясняется примером выполнения с сопровождающим чертежом схематичного изображения установки подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов.
Установка содержит герметичную емкость 1, соединенную с дозаторами 2 и 3 соответственно подачи органического сырья и жидкости, с вакуумным насосом 4, дозатором 5 подачи газа из биореактора и дозатором 6 подачи субстрата в биореактор (на чертеже не показан). Емкость 1 оснащена нагревателем 7 и ультразвуковым гидродинамическим излучателем 8 пластинчатого или стержневого типа, камера которого подсоединена к емкости 1 через прокачивающий насос 9 с образованием замкнутого контура циркуляции смеси.
Работа установки осуществляется следующим образом.
В герметичную емкость 1 через дозаторы 2 и 3 под напором одновременно подают сырье из бункера-накопителя и жидкость, полученную из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора и имеющую повышенную температуру. По завершению загрузки определяют температуру смеси и включают нагреватель 7 для доведения температуры смеси до заданной, соответствующей температуре первой стадии процесса биореактора, которая обычно составляет 37°C. Включают вакуумный насос 4 и одновременно с подогревом смеси в едином объеме герметичной камеры производят дегазацию смеси в течение 15-20 мин. В результате вакуумирования откачиваются пары газов и удаляется основная часть растворенного в исходном сырье кислорода, являющегося ядом для микроорганизмов, участвующих в биотехнологическом процессе. Затем отключают насос 4, перекрывают магистраль клапаном 10, включают насос 9, запускают ультразвуковой гидродинамический излучатель 8 и подключают средства подачи газа через дозатор 5 из биореактора. Осуществляют одновременно нагрев смеси и ее циркуляцию по замкнутому контуру через ультразвуковой гидродинамический излучатель 8. При этом излишки газа стравливаются через клапан 11.
В результате многократной циркуляции смеси по ультразвуковому гидродинамическому излучателю 8 срывающиеся с поверхностей его механических резонаторов завихрения текучей среды и собственные колебания резонаторов возбуждают в текучей среде гармонические акустические колебания в виде периодических импульсов давления. Периодические импульсы моделируют колебания, обеспечивая обратную связь и незатухающие акустические колебания, в результате чего увеличивается амплитуда возбужденных гармонических акустических колебаний в условиях резонанса с колебаниями механических резонаторов излучателя 8. Происходит образование расширенной по зоне обработки кавитационной области, которая воздействует на клеточную структуру биомассы, разрушая клеточные перегородки и обеспечивая интенсивное измельчение смеси. Под воздействием акустических и ультразвуковых волн в текучей среде возникают избыточные давления и напряжения растяжения, вследствие чего на границе раздела жидкой и твердой фаз имеют место явления окислительно-восстановительного действия, благодаря которым получают стойкую эмульсию и суспензию с размерами частиц высокой дисперстности. При этом дополнительная подача дозатором 5 не содержащего кислорода газа в кавитационную зону способствует облегчению создания режима развитого кавитационного течения, оптимизирует процесс и создает множество очень маленьких пузырьков углекислоты, которые, попадая затем в биореактор, являются пищей для метаногенов, т.е. способствуют увеличению доли метана в составе биогаза. Процесс обработки длится 10-30 минут и завершается после нагрева смеси до заданной температуры. После завершения обработки субстрат через дозатор 6 перекачивают в биореактор. Затем процесс подготовки повторяют.
Работа установки полностью автоматизирована.
Таким образом, в едином объеме герметичной емкости одновременно с подогревом смеси осуществляют ее дегазацию и качественную обработку, что существенно увеличивает производительность процесса подготовки высококачественного субстрата из органического сырья любого типа.
3
3
3
Установка, комплектуемая емкостью объемом 1,5 м и прокачивающим насосом производительностью 20-50 м/час, обеспечивает подготовку 50 м субстрата за сутки.
Экспериментально установлено, что длительность сбраживания куриного помета с использованием заявляемой установки подготовки сырья сократилась с 14 до 9 суток, а количество полученного биогаза увеличилось в 2,2 раза. Кроме того, результатом удаления кислорода, содержащегося в смешиваемых компонентах, стало существенное ускорение времени начала реакции и уменьшение доли углекислого газа в составе биогаза.