СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ В КУЛЬТИВАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЯХ И МЕТАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА БЕСПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА
METHOD OF PRODUCTION OF CROP PRODUCTS IN CULTIVATION FACILITIES AND METHANE USING BIOENERGY POTENTIAL OF LIQUID MANURE

Предлагаемое изобретение относится к выращиванию растениеводческой продукции в условиях защищенного грунта, преимущественно в теплицах, расположенных поблизости от животноводческих ферм - источников бесподстилочного навоза.
В более узком плане, предлагаемый способ ориентирован на реализацию в составе комплекса «теплица - животноводческая ферма» с использованием биоэнергетического потенциала бесподстилочного навоза, углекислого газа и других ресурсов, источником которых является животноводческая ферма.
Известны способы выращивания растениеводческой продукции в теплицах, совмещенных с биоэнергетическими объектами - метантенками, перерабатывающими отходы животноводства и растениеводства. При этом наиболее рациональным является подземное размещение метантенков; при этом часть энергии, подводимой к грунту теплицы в виде солнечной радиации и с теплоносителем, ассимилируется биомассой метантенка. Дополнительно устраняется опасность переохлаждения биомассы в случае экстремального похолодания.
В свою очередь биогаз, вырабатываемый в процессе анаэробной переработки отходов в метантенке, разделяется на метан, который может использоваться для обогрева теплицы путем прямого сжигания в теплогенераторах, и углекислый газ, используемый для интенсификации процесса фотосинтеза.
Биошлам (эффлюент) метантенка используется для приготовления почвогрунта, т.к. обладает значительным удобрительным потенциалом, не содержит семян сорных растений, возбудителей заболеваний растений, животных и человека, стабилен (Селиванов Н.П., Мелуа А.И. и др. «Энергоактивные здания», М.: Стройиздат, 1988, с.85,86; Васильев В.А., Филиппова Н.В. «Справочник по органическим удобрениям». М.: Росагропромиздат, 1988, с.103-105).
Основным недостатком аналогов является недостаточно полное использование биоэнергетического потенциала биошлама, так как на приготовление почвогрунта требуется лишь незначительная часть биошлама, и при отсутствии других крупных потребителей удобрений избыточный биошлам депонируется в накопителях, его биоэнергетический потенциал постепенно утрачивается, возникает вторичное загрязнение окружающей среды.
Другим существенным недостатком является потребность в значительном объеме общестроительных работ на сооружение метантенка.
Известен способ, в котором указанные недостатки по крайней мере частично устранены (Абаев Г.Н., Андреева Р.А. и др. «Энергоэффективность комплексной переработки органосодержащих отходов». Химическая промышленность, 2010, №6).
Согласно способу-прототипу, бесподстилочный навоз подвергается анаэробной переработке в размещенном под теплицей метантенке, биогаз подвергается разделению на метан и углекислый газ, причем последний направляется в шатер теплицы для подкормки растений. Эффлюент метантенка (биошлам) подвергается разделению на твердую и жидкую фракции, причем твердая фракция подвергается термохимической переработке с получением обезвреженного компактного остатка-золы и газов, газы используют для нагревания теплоносителя, направляемого затем для обогрева метантенка и теплицы.
Основными недостатками прототипа являются значительные капитальные затраты из-за использования метантенка для переработки всего объема исходного субстрата; недостаточно глубокое использование потенциала исходных отходов, включая растительные остатки, отработанный почвогрунт для получения необходимых для нормального функционирования теплицы ресурсов - энергии, диоксида углерода, почвогрунта..
Задачей данного изобретения является устранение указанных недостатков, и, как следствие, снижение удельных капитальных и эксплуатационных затрат.
В предлагаемом способе объем и издержки на обслуживание наиболее дорогостоящего сооружения - метантенка предлагается снизить за счет перевода анаэробного процесса в жидкофазный режим с проточной подачей исходного субстрата. С этой целью вводится стадия предварительного аэробного гидролиза исходных отходов с последующим разделением на фракции и переходом основной части биоразлагаемого органического вещества в жидкую фракцию. В данном технологическом решении используется метантенк горизонтального типа, который в наибольшей степени соответствует своему дополнительному назначению - служить несущей теплоаккумулирующей конструкцией по отношению теплице. Твердая фракция после дополнительной аэробной обработки используется для приготовления тепличного почвогрунта.
Диоксид углерода, выделяющийся на стадиях аэробной обработки, вместе с углекислотой биогаза полезно утилизируется в шатре теплицы.
3
Не утилизируемая в качестве почвогрунта часть твердой фракции подвергается термохимической газификации с получением генераторного газа. Дополнительно термохимической газификации подвергаются также использованный почвогрунт и растительные остатки из теплицы. Таким образом, дополнительно к метану вырабатывается еще один газообразный энергоноситель - генераторный газ, «энергетическими» составляющими которого в основном являются оксид углерода СО и водород. При теплотворной способности Q=3-12 МДж/м он может быть пригоден для использования в теплогенераторах - паровых и водогрейных котлах, совместной выработки электрической и тепловой энергии на мини-ТЭЦ (когенерации), синтеза моторного топлива и т.п.
Технический результат достигается тем, что бесподстилочный навоз подвергается анаэробной переработке в метантенке с получением биошлама и биогаза. Биошлам разделяют на твердую и жидкую фракции, твердую фракцию подвергают термохимической переработке с получением зольного остатка и теплоносителя для обогрева культивационных сооружений и метантенка. Биогаз разделяют на диоксид углерода и метан, диоксид углерода используется для интенсификации процесса получения растениеводческой продукции. Бесподстилочный навоз подвергают предварительной аэробной обработке с распадом органического вещества не более 10-15%. Образовавшийся субстрат разделяют на твердую и жидкую фракции, анаэробной переработке подвергают жидкую фракцию субстрата, твердую фракцию субстрата подвергают дополнительной аэробной обработке с распадом органического вещества более 10-15%, после чего по крайней мере частично используют для приготовления почвогрунта. Образовавшийся при предварительной аэробной обработке кислород содержащий газ смешивают с воздухом, подаваемым на дополнительную аэробную обработку. Обогащенный диоксидом углерода газ со стадии дополнительной аэробной обработки смешивают с диоксидом углерода биогаза. Использованный почвогрунт совместно с растительными отходами подвергают термохимической переработке.
Принципиальная технологическая схема способа получения растениеводческой продукции в культивационных сооружениях и метана с использованием биоэнергетического потенциала бесподстилочного навоза представлена на фигуре 1.
2
2
Согласно схемы, исходный бесподстилочный навоз поступает в накопитель 1, затем подается в аэробный биореактор предварительной обработки 2, в котором при распаде до 10-12% органического вещества исходного навоза происходит нагрев массы до температуры 50-60°С. Благодаря деятельности аэробных бактерий - гидролитиков, значительная часть (до 74% в пределе) органического вещества переходит в растворенную форму, и далее в узле механического разделения 3 в жидкую фракцию. Твердая фракция направляется в аэробный биореактор дополнительной обработки 4, сюда же подводятся кислородсодержащие газы со стадии предварительной аэробной обработки. Обогащенный СО газ из аэробного биореактора дополнительной обработки 4 вместе с СО биогаза направляется в шатер теплицы 5. Жидкая фракция направляется в анаэробный биореактор (метантенк) 6. Основная часть твердой фракции направляется в аппарат термохимической переработки 7. Образовавшаяся зола направляется на депонирование, а генераторный газ - в теплообменник смешения 8 (скруббер) для очистки и охлаждения. Нагретые промывные воды направляются в теплообменник поверхностного типа 9, сюда же подается эффлюент из метантенка 6. Нагретый в теплообменнике 9 теплоноситель (вода) поступает в регистры метантенка 10 и теплицы. 11, соответственно. Нагрев воды производится последовательно низкопотенциальным агентом (эффлюент) и промывными водами. Охлажденный в регистрах теплоноситель подается в скруббер 8 для промывки генераторного газа.
Некоторая часть твердой фракции после дополнительной обработки в аэробном биореакторе 4 направляется в качестве субстрата для приготовления почвогрунта 12.
Биогаз из метантенка 6 поступает в узел разделения биогаза 13, из которого диоксид углерода направляется в шатер теплицы 5, а товарный метан - потребителям. В случае необходимости, метан и генераторный газ могут быть по крайней мере частично использоваться во внутреннем энергетическом цикле комплекса «теплица - животноводческая ферма». По окончании вегетационного цикла, отработанный почвогрунт 12 и растительные остатки направляются для обезвреживания и в качестве дополнительного источника энергии в аппарат термохимической переработки 7.
Наиболее приемлемым по геометрическим (параллелепипед) и технологическим (высокая концентрация взвешенных веществ на входе) ограничениям типом заглубленного метантенка 6 является так называемый «перегородочный» биореактор, несложный в изготовлении и надежно функционирующий в рассматриваемых условиях (Калюжный С.В. с соавт., «Анаэробная биологическая очистка сточных вод»,сер. «Биотехнология, т.29, М.: ВИНИТИ, 1991»).
Конструктивная схема метантенка данного типа представлена на фигуре 2. Жидкая фракция поступает через загрузочное устройство 14, эффлюент выгружается через разгрузочное устройство 15. В рабочем пространстве метантенка 6 по ходу субстрата размещены полупогружные перегородки 16, формирующие траекторию движения обрабатываемого потока. Обработка ведется посредством взвешенной или сфлокулированной микрофлоры, за исключением секций 17 и 18, в которых могут быть предусмотрены соответствующие носители биомассы.