КОМПЛЕКС ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и может быть использована для анаэробной переработки органических отходов животного и растительного происхождения, производства биогаза и приготовления удобрений из навоза животных и отходов сельскохозяйственного производства.
Известна установка для анаэробной переработки органических отходов, включающая в себя анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы, снабженный патрубками загрузки сырья и выгрузки жидкого органического удобрения, систему подачи исходного сырья, систему отвода биогаза с компрессором, систему удаления жидкого органического удобрения, систему управления технологическим процессом. Система подготовки исходного сырья снабжена трубопроводом, соединенным с системой удаления жидкого органического удобрения. Анаэробный биореактор разделен переливной и двумя перегородками-теплообменниками на три сообщающиеся между собой секции. Корпус биореактора имеет систему наружного обогрева, газгольдер, предназначенный для сбора и хранения биогаза и соединенный с системой удаления биогаза с одной стороны и с источником теплоснабжения с другой стороны. (RU, №2370457, C02F 3/28, 14.07.2008).
Недостатком известной установки является недостаточно высокий уровень эффективности переработки органических отходов вследствие отсутствия анализа свойств субстрата, возможностей его многопараметрической подготовки и стерилизации, реализации процесса инокуляции, а также дегазации полученного органического удобрения от остаточного биогаза и автоматического контроля параметров протекающих процессов.
Также известна установка анаэробной переработки органических отходов, содержащая анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы, систему подачи исходного сырья, систему удаления биогаза с вакуум-насосом, систему удаления жидкого органического удобрения, систему подготовки исходного сырья, подсоединенную к входу системы подачи исходного сырья, выполненную в виде емкости для приема сырья, оснащенной устройством для измельчения, устройством для перемешивания и смешения исходной биомассы с шламом и устройством для ее предварительного нагрева, устройство интенсивного перемешивания биомассы внутри анаэробного биореактора, а также систему управления технологическим процессом, при этом выход системы подачи исходного сырья подсоединен к полости загрузочной секции анаэробного биореактора, (RU, №2006110378, C02F 3/28, 03.04.2006).
Недостатком известной установки является недостаточно высокий уровень эффективности переработки органических отходов вследствие отсутствия анализа свойств субстрата, возможностей его многопараметрической подготовки и стерилизации, реализации процесса инокуляции, а также дегазации полученного органического удобрения от остаточного биогаза и автоматического контроля параметров протекающих процессов.
Также известна установка для анаэробной переработки органических отходов животного и растительного происхождения, производства биогаза и жидкого органического удобрения, содержащая систему подачи предварительно подогретого и измельченного исходного сырья, систему интенсивного перемешивания биомассы, биореактор с нагревателем биомассы и боковой мешалкой, систему удаления биогаза из реактора с вакуумным насосом, систему управления технологическим процессом, систему выгрузки и розлива готового продукта. Биореактор выполнен в виде герметичной емкости цилиндрической формы с размещенными в ней, с зазором с ней и между собой, по принципу «матрешки», емкостями (RU, №86589, C05F 11/04, 16.02.2009).
Недостатком известной установки является недостаточно высокий уровень эффективности переработки органических отходов вследствие отсутствия анализа свойств субстрата, возможностей его многопараметрической подготовки и стерилизации, реализации процесса инокуляции, а также дегазации полученного органического удобрения от остаточного биогаза.
Также известна система комплексной переработки органических отходов, включающая в себя средства подготовки отходов в виде измельчителя, смесителя и насоса для подачи отходов в нижнюю часть емкости реакторного блока, средства вывода продуктов переработки, реакторный блок для выработки биогаза, блок газоразделения, трубопроводную и запорную арматуру, аппаратуру контроля и управления. Реакторный блок содержит средства для поддержания уровня рабочих температур и концентрации газов в массе отходов, выход реакторного блока по биогазу соединен через блоки осушки, очистки и накопительный приемник с входом блока газоразделения, включающего, по крайней мере, один мембранный контакторный модуль для селективного выделения из биогаза метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов. Реакторный блок выполнен в виде вертикально установленной емкости в форме тела вращения и снабжен осевой мешалкой с пневмоприводом, теплообменной рубашкой, полость которой соединена патрубками с водонагревателем, средствами для подачи в емкость навески штаммов бактерий и профилактической очистки рабочего объема. Накопительный приемник содержит эластичную емкость для приема биогаза, размещенную внутри металлического сосуда в форме цилиндра, объем которого соединен с воздушным компрессором для регулируемой подачи биогаза в блок газоразделения. Реакторный блок, блоки газоразделения, осушки, очистки и накопительный приемник имеют дополнительные входные и выходные патрубки и элементы запорной арматуры, аппаратуры контроля и управления, в том числе, для отработки режимов и увеличения функциональных возможностей системы. В рассмотренной системе переработки органических отходов возможно проведение технологической переработки различных органических субстанций с помощью термофильного и мезофильного анаэробного разложения отходов с получением метана или анаэробного продуцирования водорода с использованием фототрофных микроорганизмов, в том числе, пурпурных, циановых или зеленых бактерий. Реализация системы переработки органических отходов позволяет проводить комплексную биохимическую переработку органических отходов, в том числе, зеленой массы, отходов сельского хозяйства, животноводческих ферм и лесопереработки, водных растворов лактата, малата и другого органического сырья с получением товарных количеств биогаза и конечных целевых продуктов, в том числе, энергоносителей метана и водорода, ценных производных в виде твердых и жидких удобрений, а также диоксида углерода, аммиака, сероводорода и др. (RU, №65048, C12M 1/00, B01D 61/00, 01.03.2007).
Недостатком известной системы переработки органических отходов является невысокий уровень эффективности переработки органических отходов, обусловленный отсутствием технических средств анализа свойств субстрата, узлов переработки и распределения жидкого органического удобрения, недостаточным количеством подготовительных операций субстрата и отсутствием его стерилизации, а также относительно низкой эффективностью процесса инокуляции и дегазации полученного органического удобрения от остаточного биогаза.
Задачей полезной модели является создание многофункционального комплекса переработки органических отходов.
Техническим результатом, достигаемым при решении задачи, является повышение эффективности процесса функционирования комплекса, обеспечиваемое за счет:
- рационального алгоритма проведения предварительной и финишной подготовки субстрата, реализуемого с учетом показателей измерений, полученных с блока анализаторов свойств субстрата;
- осуществления стерилизации субстрата, что позволяет ликвидировать патогенную для животных и растений микрофлору, паразитов, таких как гельминты, в том числе, на стадиях покоя (эндоспоры, цисты и прочие) и элиминировать в субстрате конкурентную микрофлору, необходимую для процессов анаэробного метаногенного брожения, что в конечном итоге, позволяет получать жидкие удобрения и биогаз и/или его компоненты с более высокими потребительскими и экологическими показателями;
- ввода инокулюма в узел анаэробной метаногенной ферментации субстрата посредством системы трубопроводов, в том числе, и с управляемыми клапанами, что позволяет реализовать режим технологического процесса с оптимальными параметрами в узле анаэробной метаногенной ферментации субстрата (например, обеспечить высокую специфичность процессов анаэробного метаногенного брожения и повысить стабильность микробиологического комплекса узла анаэробной метаногенной ферментации);
- дегазации полученного удобрения от остаточного биогаза, что позволяет получать дополнительное количество биогаза и применять полученное удобрение сразу после его обработки без предварительного хранения для естественной дегазации, обеспечивая возможность внесения в почву без развития нежелательной анаэробной почвенной микрофлоры.
Задача решается, а технический результат достигается при использовании комплекса переработки органических отходов, содержащего подключенную к соответствующим блокам и узлам комплекса систему электропитания и управления комплексом, подключенную к ней систему телеметрии и видеонаблюдения за технологическим процессом, последовательно соединенные трубопроводом загрузочное устройство, блок анализаторов свойств субстрата, узел предварительной подготовки субстрата, узел финишной подготовки субстрата, узел стерилизации субстрата, узел анаэробной метаногенной ферментации субстрата, узел удаления остатков биогаза из субстрата после ферментации и узел распределения жидкого органического удобрения, соединенный соответствующими входами посредством газопровода и дополнительного газопровода с соответствующими выходами узла анаэробной метаногенной ферментации субстрата и узла удаления остатков биогаза из субстрата после ферментации узел распределения биогаза и/или его компонентов, соответствующий выход которого соединен посредством дополнительного газопровода с соответствующим входом узла анаэробной метаногенной ферментации субстрата, дополнительный трубопровод, соединяющий выход узла финишной подготовки субстрата и соответствующий вход узла анаэробной метаногенной ферментации субстрата, инокулятор, соответствующие входы которого соединены с соответствующим выходом узла финишной подготовки субстрата посредством дополнительного трубопровода, а также посредством дополнительного трубопровода, имеющего регулирующий клапан, - с трубопроводом на участке соединения узла стерилизации субстрата и узла анаэробной метаногенной ферментации субстрата, выход инокулятора сообщен посредством дополнительного трубопровода с соответствующим входом узла анаэробной метаногенной ферментации субстрата и соединен посредством дополнительного трубопровода с трубопроводом на участке соединения узла стерилизации субстрата и узла анаэробной метаногенной ферментации субстрата после точки соединения трубопровода и дополнительного трубопровода, имеющего регулирующий клапан, а также посредством дополнительного трубопровода - с дополнительным трубопроводом, соединяющим соответствующий выход узла финишной подготовки субстрата и соответствующий вход узла анаэробной метаногенной ферментации субстрата, при этом дополнительные трубопроводы связи выхода инокулятора с трубопроводом и дополнительным трубопроводом выполнены с однонаправленными клапанами, узел распределения жидкого органического удобрения и узел распределения биогаза и/или его компонентов выполнены с возможностью сообщения с потребителем посредством трубопровода и дополнительного газопровода, соответственно, а система электропитания и управления комплексом подключена к системе телеметрии и видеонаблюдения за технологическим процессом посредством узла электропроводной или беспроводной связи.
Решению поставленной задачи и достижению указанного технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
В комплексе регулирующий и однонаправленные клапаны выполнены дистанционно управляемыми.
На фигуре представлена структурная схема комплекса переработки органических отходов.
Комплекс переработки органических отходов содержит подключенную к соответствующим блокам и узлам комплекса систему 1 электропитания и управления комплексом, подключенную к ней систему 2 телеметрии и видеонаблюдения за технологическим процессом, последовательно соединенные трубопроводом 3 загрузочное устройство 4, блок 5 анализаторов свойств субстрата, узел 6 предварительной подготовки субстрата, узел 7 финишной подготовки субстрата, узел 8 стерилизации субстрата, узел 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата, узел 10 удаления остатков биогаза из субстрата после ферментации и узел 11 распределения жидкого органического удобрения, соединенный соответствующими входами посредством газопровода 12 и дополнительного газопровода 13 с соответствующими выходами узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата и узла 10 удаления остатков биогаза из субстрата после ферментации узел 14 распределения биогаза и/или его компонентов, соответствующий выход которого соединен посредством дополнительного газопровода 15 с соответствующим входом узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата. Также комплекс содержит дополнительный трубопровод 16, соединяющий выход узла 7 финишной подготовки субстрата и соответствующий вход узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата, инокулятор 17, соответствующие входы которого соединены с соответствующим выходом узла 7 финишной подготовки субстрата посредством дополнительного трубопровода 18, а также посредством дополнительного трубопровода 19, имеющего регулирующий клапан 20, - с трубопроводом 3 на участке соединения узла 8 стерилизации субстрата и узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата. Выход инокулятора 17 сообщен посредством дополнительного трубопровода 21 с соответствующим входом узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата и соединен посредством дополнительного трубопровода 22 с трубопроводом 3 на участке соединения узла 8 стерилизации субстрата и узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата после точки соединения трубопровода 3 и дополнительного трубопровода 19, имеющего регулирующий клапан 20, а также посредством дополнительного трубопровода 23 - с дополнительным трубопроводом 16, соединяющим соответствующий выход узла 7 финишной подготовки субстрата и соответствующий вход узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата. При этом дополнительные трубопроводы связи выхода инокулятора 17 с трубопроводом 3 и дополнительным трубопроводом 16 выполнены с однонаправленными клапанами 24 и 25, соответственно. Узел 11 распределения жидкого органического удобрения и узел 14 распределения биогаза и/или его компонентов выполнены с возможностью сообщения с потребителем посредством трубопровода 3 и дополнительного газопровода 26, соответственно, а система 1 электропитания и управления комплексом подключена к системе 2 телеметрии и видеонаблюдения за технологическим процессом посредством узла 27 электропроводной или беспроводной связи. Регулирующий 20 и однонаправленные клапаны 24, 25 могут быть выполнены дистанционно управляемыми.
Комплекс переработки органических отходов функционирует следующим образом.
В качестве исходных компонентов, необходимых для работы комплекса, используются различные органосодержащие отходы, в том числе, экскременты крупного рогатого скота, свиней, птицы, отходов забоя и прочие. Субстрат по трубопроводу 3 поступает в загрузочное устройство 4 и далее - на блок 5 анализаторов свойств субстрата. На блоке 5 анализаторов свойств субстрата происходят различные измерения входящего потока, в том числе, по таким показателям, как температура, влажность, плотность, водородный показатель (рН), содержание растворенного кислорода, механический и гранулометрический состав, и другим. Далее субстрат последовательно поступает на узел 6 предварительной подготовки субстрата, где происходит предварительная подготовка субстрата, в том числе, предварительное измельчение до определенных размеров, разбавление или сгущение до заданных показателей, отсев твердых механических включений, таких как камни, предварительный подогрев, нормирование по водородному показателю (рН) или совершаются иные подготовительные операции с последующей подачей на узел 7 финишной подготовки субстрата. На узле 7 финишной подготовки субстрата происходит финишная гомогенизация субстрата и доведение его до оптимальных заданных показателей, в том числе, нормирование по влажности, температуре, водородному показателю (рН), гранулометрическому составу для подачи через узел 8 стерилизации субстрата на узел 9 анаэробной метаногенной ферментации, или по дополнительному трубопроводу 16 непосредственно на узел 9 анаэробной метаногенной ферментации, минуя узел 8 стерилизации для подачи субстрата с нативным микробиологическим комплексом. Дополнительный трубопровод 16 может использоваться в качестве аварийного трубопровода. Также посредством дополнительного трубопровода 18 субстрат от узла 7 финишной подготовки субстрата может подаваться непосредственно в инокулятор 17, в том числе, с целью доставки нативного микробиологического комплекса, содержащегося в исходном субстрате. На узле 8 стерилизации субстрата происходит полная или частичная стерилизация поступающего субстрата, после чего полностью или частично стерилизованный субстрат по трубопроводу 3 поступает на узел 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата по трубопроводу 3 и по дополнительному трубопроводу 19 с регулирующим клапаном 20 - в инокулятор 17. На узле 9 анаэробной метаногенной ферментации происходит анаэробное брожение поступившего подготовленного органического субстрата. Результатом брожения являются выделившийся биогаз и ферментированный субстрат, который после подготовки в дальнейшем может быть использован как самостоятельное жидкое органическое удобрение или служить сырьем для получения органических удобрений. С узла 9 анаэробной метаногенной ферментации продукт поступает на узел 10 удаления остатков биогаза из субстрата после ферментации, где из субстрата посредством различных методов осуществляется удаление остатков биогаза, следующих по газопроводу 13 на узел 14 распределения биогаза. Далее дегазированный субстрат подается на узел 11 распределения жидкого органического удобрения. Жидкое органическое удобрение с узла 11 распределения жидкого органического удобрения по трубопроводу 3 направляется для конечного потребления, хранения, розлива по емкостям и таре, или для последующей модификации. Отходящий от узла 9 анаэробной метаногенной ферментации биогаз последовательно следует по газопроводу 12 на узел 14 распределения биогаза и/или его компонентов, а далее по дополнительному газопроводу 26 - на потребление и/или трансформацию, и/или хранение биогаза и/или его компонентов. При этом по дополнительному газопроводу 15 биогаз и/или его компоненты могут подаваться на узел 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата, что улучшает работу последнего.
В инокуляторе 17 происходит хранение и поддержание в активной форме микробиологического комплекса, необходимого для правильного и бесперебойного функционирования узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата. Введение инокулюма с выхода инокулятора 17 осуществляется посредством дополнительного трубопровода 21, подключенного к соответствующему входу узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата. Также ввод инокулюма в поток субстрата обеспечивается за счет того, что выход инокулятора 17 соединен посредством дополнительного трубопровода 22 с трубопроводом 3 на участке соединения узла 8 стерилизации субстрата и узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата после точки соединения трубопровода 3 и дополнительного трубопровода 19, имеющего регулирующий клапан 20. Также посредством дополнительного трубопровода 23 выход инокулятора 17 соединен с дополнительным трубопроводом 16, соединяющим соответствующий выход узла 7 финишной подготовки субстрата и соответствующий вход узла 9 анаэробной метаногенной ферментации субстрата для обогащения нестерилизованного субстрата микробиологическим комплексом, содержащимся в инокуляторе 17. Дополнительные трубопроводы связи выхода инокулятора 17 с трубопроводом 3 и дополнительным трубопроводом 16 выполнены с однонаправленными клапанами 24 и 25, соответственно. Регулирующий клапан 20 обеспечивает точное дозирование субстрата, попадающего в дополнительный трубопровод 19 из трубопровода 3, а однонаправленные клапаны 24 и 25 позволяют инокулюму, поступающему из инокулятора 17, беспрепятственно попадать в трубопровод 3 и дополнительный трубопровод 16. Соответствующие устройства, узлы и блоки комплекса обеспечивают транспортирование субстрата и продуктов переработки на соответствующих стадиях протекающих процессов. Система 2 телеметрии и видеонаблюдения за технологическим процессом позволяет системе 1 электропитания и управления комплексом получать данные о текущем состоянии как всего комплекса в целом, так и его отдельных узлов, а также при необходимости изменять режимы работы отдельных узлов (например, управлять скоростью загрузки органических отходов, клапанами и прочей запорной арматурой или при нарушении связи с автоматизированными клапанами и прочей запорной арматурой переходить на ручной режим управления). Также система 2 телеметрии и видеонаблюдения позволяет оператору осуществлять наблюдение за различными фазами технологического процесса для принятия необходимых решений, касающихся протекающих процессов в комплексе.
В процессе переработки органических отходов в узле анаэробной метаногенной ферментации субстрата реализуется режим технологического процесса с оптимальными параметрами, а алгоритм проведения предварительной и финишной подготовки субстрата назначается с учетом показателей измерений, полученных с блока анализаторов свойств субстрата и учитывающих текущее функциональное состояние всего комплекса. Высокие потребительские и экологические показатели жидких удобрений и биогаза и/или его компонентов обеспечиваются за счет осуществления стерилизации субстрата с последующей инокуляцией активного микробиологического комплекса и дегазации органического удобрения от остатков биогаза.
Использование комплекса позволяет проводить процесс переработки органических отходов с высокой эффективностью, получая в качестве конечных продуктов жидкие удобрения различных модификаций, а также биогаз и/или его компоненты.