БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к устройствам для двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов и может быть использовано на животноводческих и птицеводческих фермах, сельских усадьбах и дачных участках.
Известен метантенк для сбраживания осадка сточных вод (а.с. СССР 552308, опубликованное 30.03.1977. Бюл. №12), содержащий резервуар с цилиндрическим корпусом и коническим днищем, внутри которого к его купольному покрытию коаксиально прикреплена не доходящая до днища концентрическая перегородка, образующая в верхней части метантенка внешнюю межстенную камеру разделения и внутреннюю центральную камеру сбраживания, снабженных газоотводными патрубками, а внутри центральной камеры установлены трубопровод подачи сырого осадка, мешалка и патрубок отвода осадка у днища.
Недостатком известного метантенка является то, что время сбраживания отходов является достаточно длительным, т.к. он не обеспечивает возможность разделения фаз кислотогенеза и метаногенеза, что существенно снижает производительность метантенка.
Известен также метантенк для последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов (патент SU 2108702, опубликованный 20.04.1998), содержащий резервуар, изготавливаемый из различных материалов круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане с наклонными днищем и куполом, к последнему из которых прикреплена перегородка, имеющая расширяющийся к днищу раструб, под которым выполнен выпуклый к центру резервуара отражатель в виде кольца, а так же содержащий патрубки подвода разжиженных органических отходов во внешнюю камеру и отвода сброженного осадка из внутренней камеры, патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер.
Недостатком этого известного метантенка является то, что время сбраживания отходов является достаточно длительным, т.к. фазы кислотогенеза и метаногенеза разделены не полностью, поэтому сложно контролировать допустимую дозу загрузки во внутреннюю камеру. Также недостатком является то, что исключается возможность отделения летучих жирных кислот (далее ЛЖК), которые в свою очередь являются ингибиторами фазы метаногенеза.
Известен также метантенк (патент №2462509 от 15.07.2011), в котором указанные выше проблемы решаются тем, что метантенк содержит герметичный резервуар с куполом и днищем, внутри которого расположены внутренняя и внешняя камеры сбраживания, патрубки подвода разжиженных органических отходов, отвода сброженной массы и патрубок отвода биогаза, внутренняя камера выполнена изолированной от внешней и расположена соосно внутри нее на опорах, соединенных с днищем резервуара, при этом внутренняя камера сообщена с внешней через систему трубопроводов, соединенных с сепаратором, состоящую из патрубка для подачи во внутреннюю камеру смеси летучих жирных кислот из сепаратора и воздуха из воздухозаборника, патрубка для подачи из внутренней камеры субстрата после фаз гидролиза и кислотогенеза в сепаратор для отделения летучих жирных кислот от густой массы, и трубопровода для подачи густой массы, отделенной от летучих жирных кислот в сепараторе, во внешнюю камеру самотеком.
Недостатком этого известного метантенка является то, что предлагаемая схема его реализации не позволяет получить максимально возможную производительность по биогазу, так как исходные отходы перед поступлением во внутреннюю камеру не диспергированы до необходимой величины. Недостатком является также предложенное подключение патрубка для воздухозабора для подачи во внутреннюю камеру смеси воздуха и ЛЖК, поскольку воздух не способствует развитию анаэробного сбраживания, что не позволяет получить биогаз с предельно высоким содержанием метана. Есть в рассматриваемом метантенке и чисто конструктивные недостатки, в частности, наличие опор для внутренней камеры делает ее неустойчивой и практически непригодной для создания метантенков объемом свыше 20 куб. м.
Данный метантенк наиболее близок по технической сущности к заявленной установке анаэробного сбраживания органических отходов, и поэтому принят за прототип.
Техническим результатом предлагаемой установки анаэробного сбраживания органических отходов является уменьшение длительности сбраживания органических отходов и повышение производительности, повышение концентрации метана в биогазе, а также повышение устойчивости и надежности конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, содержащая герметичный резервуар с куполом и днищем, внутри которого расположены соосно внутренняя и внешняя камеры сбраживания, а также патрубок подвода разжиженных органических отходов, подключенный к внутренней камере, при этом сама камера выполнена изолированной от внешней камеры, расположена внутри нее, и соединена с внешней камерой через систему патрубков, состоящую из патрубка, соединяющего внутреннюю камеру с гидравлическим насосом, который в свою очередь подключен с помощью патрубка к сепаратору, в котором осуществляется отделение летучих жирных кислот (ЛЖК) от субстрата, образовавшегося после фаз гидролиза и кислотогенеза, и который имеет два выхода, первый из которых с помощью патрубка соединен с компрессором, который в свою очередь с помощью другого патрубка соединен с внутренней камерой, а второй выход сепаратора соединен с внешней камерой патрубком, через который густой субстрат поступает самотеком во внешнюю камеру, а также в систему трубопроводов входят трубопровод для отвода сброженной массы (эффлюента), подключенный к выходу внешней камеры, и трубопровод отвода генерируемого биогаза, подключенный через редукционный клапан и патрубок к куполу резервуара, а другим концом - к потребителю биогаза, дополнительно содержит гидродинамический кавитатор, соединенный с источником разжиженных органических отходов и с патрубком, подключенным к внутренней камере, установленной непосредственно на днище резервуара, выполненное наклонным, а также дополнительно добавлены патрубок, подключенный к трубопроводу с биогазом и через дроссельный клапан подключен к входу компрессора, где биогаз смешивается с ЛЖК, и который через патрубок подключен к барботеру, установленному на дне внутренней камеры биогазовой установки, и кроме того дополнительно установлен патрубок, подключенный к трубопроводу, отводящего биогаз, и барботеру, установленному на дне внешней камеры.
На фиг.1 приведен общий вид установки в разрезе, на фиг.2 представлен вид в разрезе сверху.
Биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов представляет собой герметичный резервуар 1 с куполом 2 и наклонным днищем 3, внутри которого расположены соосно и изолированы друг от друга внешняя камера 4 и внутренняя камера 5. Для подачи во внутреннюю камеру 5, в которой осуществляется фаза кислотогенеза свежих разжиженных органических отходов, установлен патрубок 6. Из внешней камеры 4 эффлюент удаляют по трубопроводу 7. Отвод биогаза осуществляют по патрубку 8, который подключен к редукционному клапану 9. Внутренняя камера 5 с помощью патрубка 10 соединена с сепаратором 11.Патрубок 12 соединяет сепаратор 11 с внешней камерой 4 и через него осуществляется подача густой массы во внешнюю камеру 4. С помощью дроссельного клапан 13 производят забор биогаза через патрубок 14 и направляют его с помощью компрессора 15 во внутреннюю камеру 5 по патрубку 16.Движение густой массы по патрубку 10 к сепаратору 11 осуществляют насосом 17. Для диспергации подаваемых разжиженных органических отходов на входе установки к патрубку 6 подключен гидродинамический кавитатор 18. Снизу во внешней камере 4 и внутренней камере 5 установлены люки 19 и 20, соответственно, для периодической очистки камер как от неразложившихся осевших органических веществ, так и от осадков неорганических включений (песок, гравий, металл и др.). Для подачи образующегося биогаза для дальнейшего использования непосредственно к редукционному клапану 9 подключен компрессор 21, который подает образующийся биогаз через патрубок 22 во внешнюю камеру 4 биогазовой установки, а также через трубопровод 23 в газгольдер (на схеме не показан). На дне внутренней камеры 5 к патрубку 16 подключен барботер 24, а на дне внешней камеры 4 установлен барботер 25, подключенный к патрубку 22.
Установка анаэробного сбраживания органических отходов работает следующим образом.
Предварительно нагретые разжиженные органические отходы с исходной влажностью под напором подаются на вход кавитатора 18, а затем с помощью патрубка 6 подаются во внутреннюю камеру 5, куда также подают по патрубку 16 смесь ЛЖК из сепаратора 11 и биогаза, поступающего по патрубку 14 через дроссельный клапан 13 и компрессор 15. Из внутренней камеры 5 субстрат после фаз гидролиза и кислотогенеза с помощью насоса 17 по патрубку 10 подают в сепаратор 11 для отделения ЛЖК от густой массы. Отделенная от ЛЖК густая масса поступает во внешнюю камеру 4 по патрубку 12 самотеком. Образовавшийся биогаз отводят по патрубку 8, который установлен на куполе 2, тогда как величина избыточного давления биогаза и величина его вакуума регулируется редукционным клапаном 9. Сброженная масса - эффлюент отводится по трубопроводу 7 в хранилище органических удобрений (на схеме не показано). Для перемешивания субстрата во внешней камере используется биогаз, подаваемый компрессором 21 через патрубок 22 и барботер 25. Очистка камер от неразложившихся веществ осуществляется через люки 19 и 20, и если при работе биогазовой установки совместно с разжиженными органическими отходами в него поступили ингибиторы процесса сбраживания (антибиотики, бытовая химия, токсичные вещества и др.), которые приводят к замедлению процесса сбраживания и сокращению выхода биогаза, необходимо остановить работу установки промыть камеры сбраживания. Для этого нужно опорожнить внешнюю камеру 4 и внутреннюю камеру 5, открыть запорно-регулирующую арматуру на патрубке 6, а затем пустить воду и промыть эти камеры.
Подача смеси ЛЖК и биогаза по патрубку 16 ко дну внутренней камеры 5, где происходит выпуск этой смеси через барботер 24, что обеспечивает эффективное перемешивание сбраживаемой массы во внутренней камере 5, создает в ней постоянно «кипящую» поверхность жидкости, препятствуя тем самым образованию «корки». Регулирование температурного режима во внутренней камере обеспечивается температурой воды, необходимой для разжижения отходов на входе в патрубок 6. Температурный режим во внешней камере 4 поддерживается за счет теплообмена через разделительную стенку внешней 4 и внутренней 5 камер.
Для периодического или постоянного контроля значений pH в патрубках 6, 12 и 10, а также в трубопроводе 7 и во внутренней 5 и внешней 4 камерах установлены датчики pH, взаимодействующие с программным пультом управления и кранами-регуляторами (на схеме не показаны). Для отбора проб по замеру значений pH в лабораторных условиях и переносными pH-метрами рядом с датчиками или вместо них могут быть установлены ручные краны-пробоотборники.
Устройства для нагревания субстрата, теплоизоляции и грозозащиты биогазовой установки, установка контрольно-измерительных приборов на фигурах не показаны, так как их выполнение возможно во многих вариантах.
Установление задаваемого значения pH сбраживаемой в установке массы обуславливается, в том числе, необходимостью обеспечения более полного эффекта гарантированного обеззараживания сбраживаемых отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков, что более полно достигается в кислой среде сбраживания, устанавливаемой во внутренней камере 5 установки при широком диапазоне температур анаэробного сбраживания.
Переработка отходов осуществляется следующим образом. Разжиженная смесь свежих органических отходов после обработки в гидродинамическом кавитаторе 18 вводится под напором во внутреннюю камеру 5, где смешивается с находящейся в камере сбраживаемой массой и обсеменяется активным симбиозом микроорганизмов. Подача смеси ЛЖК и биогаза по патрубку 16 к барботеру 24 и обсеменение активным симбиозом микроорганизмов обеспечивает более быстрое расщепление (гидролиз) трудносбраживаемых составляющих отходов (гемицеллюлоза, целлюлоза, лигнин и другие полисахариды, белки, жиры), тогда как образуемые при этом ЛЖК и аминокислоты отбираются в сепараторе 11 перед подачей во внешнюю камеру 4. Во внешней камере 4 преимущественно симбиоз метаногенерирующих микроорганизмов завершает ацетогенную и метаногенную фазы анаэробного брожения с выделением биогаза. Одновременно, благодаря отделению ЛЖК, которые являются ингибиторами метаногенеза, сокращается время сбраживания органических отходов и увеличивается производительность установки, также повышается концентрация метана в образующемся биогазе.
Применение гидродинамического кавитатора 18 позволяет существенно уменьшить размеры частиц перерабатываемых отходов, увеличить их суммарную поверхность и тем самым позволяет резко повысить скорость реакций гидролиза и кислотогенеза, уменьшить время пребывания перерабатываемых отходов во внутренней камере, повысить производительность установки по выходу биогаза.
Подключение патрубка 22 к барботеру 25 позволяет осуществить активное перемешивание субстрата во внешней камере 4, повысить активность анаэробов и, в итоге, повысить концентрацию метана в генерируемом биогазе.
Установка внутренней камеры 5 непосредственно на наклонном днище 3 внешней камеры 4 повышает устойчивость и надежность всей конструкции биогазовой установки.