СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ В БИОГАЗ, ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ УДОБРЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКУЮ ВОДУ, УСТРОЙСТВО И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF RECYCLING ORGANIC SUBSTRATES INTO BIOGAS, LIQUID AND SOLID FERTILISERS AND TECHNICAL WATER, DEVICE AND APPARATUS FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к отраслям хозяйства, в которых образуются концентрированные органические субстраты, малопригодные для повторного или непосредственного использования, а также образующиеся в избыточном количестве - бесподстилочный навоз, помет животноводческих и птицеводческих комплексов, ферм, отходы предприятий переработки сельскохозяйственной продукции, осадки сооружений механобиологической очистки хозяйственно-бытовых и близких в ним по составу сточных вод.
Посредством предлагаемого изобретения можно подвергать переработке органические субстраты влажностью 90-97% с содержанием органического вещества не менее 20 г/л, с преобладанием биоразлагаемых фракций (не менее 60-70%).
Способ может быть реализован на животноводческих и птицеводческих комплексах (фабриках), перерабатывающих предприятиях агропромышленных объединений (холдингов), городских водоканалах.
При этом обеспечиваются:
- решение экологических проблем;
- получение товарных продуктов с высокой добавленной стоимостью: органических и органоминеральных твердых и жидких удобрений, биогаза с содержанием метана до 70%, технической воды, пригодной, после доочистки, для сброса в водоемы и на рельеф местности;
- повышение энергетической независимости и надежности функционирования предприятий в условиях перебоев в централизованном энергоснабжении.
В структурном отношении устройство для реализации способа может быть решено в виде отдельных функциональных модулей, связанных друг с другом посредством коммуникаций, или единой технологической установки с максимальной степенью интеграции технологического оборудования в сооружениях моноблочного типа.
Известны устройства аналогичного назначения.
Одним из наиболее распространенных видов сооружений-аналогов для рентабельного решения экологических и энергетических проблем хозяйств являются комплексы на основе анаэробных биореакторов - метантенков. В кн.: Ковалев Н.Г., Глазков И.К. «Проектирование систем утилизации навоза на комплексах». М.: «Агропромиздат», 1989 г, представлен комплекс по переработке отходов свинофермы на 24 тыс. голов, реализованный в Пярну (Эстония) в 80-е гг. XX в.
Исходный навоз из накопителей-усреднителей поступал в метантенки, в которых распавшееся органическое вещество бесподстилочного навоза (30-40% от исходного) переходило в основном в биогаз (до 79% метана). Обеззараженная стабилизированная масса из метантенка (биошлам) направлялась на механическое разделение. Твердая фракция использовалась в качестве удобрения, жидкая направлялась на доочистку. Биогаз утилизировался в местной котельной, замещая тем самым покупные первичные энергоносители (жидкое топливо). Удобрения использовались в растениеводческом комплексе свиноводческого хозяйства или реализовывались как товарная продукция.
Основными недостатками рассмотренного технического решения являются:
- значительный объем метантенков, что существенно снижает экономическую эффективность строительства (при влажности инфлюента 96% суточная доза загрузки не превышала 15-20%);
- потери ценных в агрономическом отношении биогенных элементов, в первую очередь азота, с жидкой фракцией;
- потери тепловой энергии с биошламом, температура которого на выходе из метантенка может достигать 50-55°C (при термофильном режиме обработки).
Наиболее эффективным из известных технических решений, направленных на снижение объемов метантенков, является предварительная обработка исходного субстрата с целью перевода значительной (до 75%) части органического вещества в жидкую фазу, а также расщепление высокомолекулярных органических соединений (белков, жиров, углеводов) на более простые вещества - жирные кислоты, спирты. Далее, после механического разделения на фракции осуществляется анаэробная переработка растворенного и тонкодисперсного органического вещества в биогаз и эффлюент. Твердая фаза может быть использована для приготовления удобрений. Такое техническое решение приведено в патенте США №6921485, кл. C02F 3/28.
Положительным эффектом является существенное снижение объемов метантенка, т.к. обработка производится в сооружении проточного типа с прикрепленной или гранулированной микрофлорой, объем которого в несколько раз ниже, чем метантенка со взвешенной микрофлорой. В то же время потери биогенных элементов, в первую очередь азота, и тепловой энергии с анаэробно обработанной жидкой фракцией приводят к существенному снижению эффективности комплекса в целом, создают дополнительные проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды.
В известной степени данные проблемы решены в патенте США №7014768.
Исходный субстрат после усреднения поступает в метантенк, образовавшийся биогаз отводится в когенерационную установку, биошлам (эффлюент) направляется в устройство для реагентного механического обезвоживания. После удаления осадка жидкая фракция направляется в блок извлечения аммиака, который используется затем для приготовления удобрений на основе компонентов твердой фракции.
В данном техническом решении степень рекуперации аммиака может достигать 90-95%. Тепловая энергия эффлюента также полезно используется, т.к. процесс извлечения аммиака («стриппинг») реализуется при более высоких температурах (до 110°C), чем анаэробная ферментация (до 60°C). Недостающая тепловая энергия подводится от когенерационной установки.
В отличие от предыдущего устройства-аналога, анаэробной обработке подвергается вся масса исходного субстрата, что приводит к существенному росту капитальных вложений в метантенк. Предварительной обработки субстрата (гидролиза, кислотогенеза), повышающей интенсивность метаногенеза, не производится. Другим недостатком является сброс нагретой жидкости из блока извлечения аммиака без полезного использования ее тепловой энергии и доочистки от органических загрязнений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является патент США №6464875, кл. C02F 3/28.
Согласно прототипу исходный субстрат, после усреднения, коррекции состава, кислотного (щелочного) гидролиза и нагрева в накопителе-усреднителе поступает в анаэробный биореактор - метантенк, в котором органическое вещество частично перерабатывается в биогаз.
Эффлюент, отводимый из метантенка, подвергается разделению на фракции в механическом сгустителе, твердая фракция направляется в блок приготовления удобрений с возможностью дополнительного механического и/или теплового обезвоживания, а также обогащения с целью повышения концентрации биогенных элементов. Жидкая фракция поступает в блок извлечения аммиака, в котором реализуется принцип воздушной отдувки (десорбции) аммиака с последующим химическим связыванием аммиака (хемосорбции) с использованием щелочи или кислоты с образованием концентрированных жидких удобрений (сернокислого или фосфорнокислого аммония, гидроксида аммония). Отдувка может также производиться с использованием биогаза.
Анаэробная переработка включает в себя несколько стадий фаз предварительной и основной обработки, включая гидролиз, ацидогенез и метаногенез, осуществляемых в сооружении емкостного типа - метантенке. Приготовление удобрений на основе твердой фракции включает в себя такие дополнительное стадии (операции), как экструзия, сушка, смешение с дополнительными компонентами, в том числе минеральными, гранулирование и т.п.
В качестве механических сгустителей используется типовое оборудования: комбинация отстойников, центрифуга, фильтр-пресс или шнековый пресс.
3
На выходе комплекса согласно патенту США №6464875 получают следующие полезные продукты: газообразный энергоноситель (биогаз) с энергосодержанием до 24 МДж/м, твердые сыпучие или гранулированные удобрения, концентрированное жидкое азот-(фосфоро)содержащее удобрение, воду с повышенным содержанием органических загрязнений.
Основным недостатком прототипа является высокий уровень капитальных затрат, вызванный использованием метантенка со взвешенной микрофлорой и, соответственно, большим удельным объемом.
Другими недостатками являются:
- неэффективное использование тепловой энергии жидкой фракции эффлюента после отдувочной колонны, т.к. горячие воды после отдувки аммиака предлагается отводить в очистные сооружения;
- высокая степень загрязнений сбросных вод органическими загрязнениями;
- низкая надежность функционирования при резком падении температуры окружающей среды; при снижении температуры атмосферного воздуха эффективность процессов метаногенеза и отдувки может снизиться ниже уровня, обеспечивающего рентабельную эксплуатацию.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков. Использование аэробного термофильного гидролиза как наиболее эффективного в сравнении с «анаэробным» и «аноксичным» гидролизом в сочетании с механическим сгустителем интенсивного типа (центруфугой, винтовым прессом, фильтрпрессом) позволяет добиться перевода значительной части органического вещества (до 70%) в растворенную и тонкодисперсную форму. Жидкая фракция с влажностью свыше 97% становится пригодной, при отсутствии или минимальном расходе биогаза на собственные нужды (в номинальном режиме) для анаэробной обработки в проточном режиме в сооружениях (аппаратах) с прикрепленной микрофлорой, удельный объем которых в несколько раз меньше метантенка со взвешенной микрофлорой. Биологическая тепловая энергия, выделяемая в процессе аэробного термофильного гидролиза исходного субстрата, используется для температурной стабилизации анаэробного процесса. Явное тепло сбросных вод после процесса рекуперации аммиака используется одновременно для регулирования тепловых режимов аэробного и анаэробного процессов обработки. В номинальном режиме функционирования теплообменное изотермическое устройство, тепловоспринимающая часть которого находится в последовательном тепловом контакте со сбросными водами и аэробно обрабатываемым субстратом, является регулятором температурных режимов биологических процессов. Дополнительно используются биологическая тепловая энергия, выделяющаяся при аэробном окислении остаточных органических загрязнений, содержащихся в сбросных водах, а также скрытое и явное тепло газов, образующихся в процессе аэробного гидролиза. Оребренная поверхность изотермических тепловодов в анаэробной секции и секции аэробной обработки сбросных вод выступает в качестве иммобилизирующей поверхности для анаэробной и аэробной микрофлоры, соответственно. Остаточный кислород газов со стадии аэробного термофильного гидролиза, содержание которого составляет от 20 до 80% от первоначального, также утилизируется в процессе аэробного окисления остаточных органических загрязнений сбросных вод. Далее газы последовательно используются при усреднении в качестве перемешивающего, аэрирующего и деаммонифицирующего агента и при деаммонификации анаэробно обработанной жидкой фракции. Применяемая в предлагаемом способе система маневрирования биологической, явной и скрытой физической энергией жидких и парогазовых потоков позволяет, в нормальном режиме функционирования, в максимальной степени использовать энергетический потенциал исходного органического вещества. Изотермический принцип организации теплопереноса позволяет добиться равномерного обогрева секций с иммобилизированной микрофлорой, и тем самым устойчивого функционирования соответствующий стадий обработки. При нештатных режимах эксплуатации, например, при экстемальном похолодании, или снижении концентрации органического вещества в исходном субстрате, некоторое количество образующегося на анаэробной стадии биогаза используется для дополнительного нагрева поступающих на анаэробную стадию обработки и деаммонизацию потоков. Часть биогаза при этом является товарной.
Таким образом, в энергетическом отношении устройство представляет собой автотермическую систему с относительно малым удельным потреблением вырабатываемой высокопотенциальной энергии (запасенной в биогазе) на собственные нужды.
При использовании в процессе приготовления удобрений сушильной установки и(или) экструдера становится возможной аммонизация твердых удобрений с использованием рекуперированного из жидкой фракции парообразного аммиака. На основе предложенного технического решения организовывается рентабельное производство органических или органоминеральных удобрений и товарной энергии.
В экологическом отношении вторичное загрязнение окружающей среды сведено к минимуму в силу использования аэробной доочистки деаммонизированной фракции и применения газооборотных циклов.
Основным конструктивным элементом устройства для реализации заявляемого способа является аппарат изотермической аэробно-анаэробной обработки, значительно превосходящий по показателю компактности известные аналоги.
Технический результат достигается тем, что исходный субстрат последовательно подвергается усреднению, анаэробной обработке, механическому сгущению с получением твердой и жидкой фракций, с последующими использованием твердой фракции для приготовления твердых удобрений, деаммонизацией жидкой фракции путем отдувки с хемосорбцией парогазовой смеси посредством кислотных или щелочных реагентов с получением жидких удобрений и доочисткой деаммонизированной жидкой фракции. Перед анаэробной обработкой осуществляют предварительные аэробную обработку с распадом 5-15% органического вещества и механическое сгущение. Жидкую фракцию аэробно обработанного субстрата подвергают анаэробной обработке с использованием иммобилизации анаэробной биомассы. Выделяющуюся при предварительной аэробной обработке тепловую энергию используют для изотермического регулирования температурного режима анаэробной обработки. Доочистку деаммонизированной жидкой фракции производят в аэробном режиме с использованием иммобилизации аэробной биомассы. Выделяющуюся при этом тепловую энергию и остаточное теплосодержание используют для изотермического регулирования температурного режима предварительной аэробной обработки и анаэробной обработки. Для аэрации используют подвергшийся термокомпрессии кислородсодержащий газ от стадии предварительной аэробной обработки. Газы после доочистки деаммонизированной жидкой фракции последовательно используют для предварительной деаммонификации исходного субстрата при его усреднении и аэрации деаммонизированной жидкой фракции. Часть парогазовой смеси используется для аммонизации твердой фракции при приготовлении твердых удобрений.
Структурная схема способа для переработки органических субстратов в биогаз, жидкие и твердые удобрения и техническую воду представлена на фиг.1.
Органический субстрат последовательно подвергается следующим операциям (стадиям) обработки: усреднению на стадии 1 в условиях аэрации и перемешивания кислородсодержащим газом, поступающим со стадии аэробной доочистки 2 деаммонизированной жидкой фракции, предварительной аэробной обработке 3, предварительному механическому сгущению 4 с получением твердой и жидкой фракций. Кислородсодержащий газ со стадии предварительной аэробной обработки 3 используется на стадии аэробной доочистки 2. Твердая фракция направляется на стадию приготовления твердых удобрений 5. Жидкая фракция аэробно обработанного субстрата подвергается нагреву посредством сжигания части биогаза на стадии 6 перед анаэробной обработкой с получением эффлюента и биогаза на стадии 7. На стадии 6 одновременно осуществляется подогрев жидкой фракции эффлюента со стадии механического сгущения 8. Твердая (сгущенная) фракция направляется на стадию предварительного механического сгущения 4. Обогащенная аммиаком и нагретая жидкая фракция эффлюента подвергается деаммонизации отдувкой аммиака воздухом на стадии 9, пары аммиака связываются посредством щелочных или кислотных реагентов (предпочтительно азотной или серной кислотами) на стадии 10 с получением жидких удобрений или/и направляются на стадию приготовления твердых удобрений 5. В качестве агента отдувки используется газ, поступающий со стадии усреднения 1. Деаммонизированная жидкая фракция с температурой до 100 гр.С используется для предварительного подогрева жидкой фракции эффлюента на стадии 11 перед подачей на стадию 9. Воздух, компримируемый на стадии 12, предварительно подогревается очищенными на стадии 2 сточными водами. Биогаз, отводимый со стадии 7 перед подачей на стадию 6 и потребителям, подвергается нормализации и накоплению на стадии 14.
Принципиальная конструктивно-технологическая схема устройства и аппарата для реализации способа для переработки органических субстратов в биогаз, жидкие и твердые удобрения и техническую воду представлена на фиг.2.
Устройство состоит из следующих основных аппаратов и блоков: усреднителя 1, представляющего собой резервуар, предпочтительно вертикального типа, снабженный штатными патрубками для подведения исходного субстрата, подведения газообразного кислородсодержащего агента, для отведения газов и для выгрузки субстрата.
Усреднитель 1 посредством технологического трубопровода связан с основным узлом обработки субстрата и жидкостей - аппаратом изотермической аэробно-анаэробной обработки 2, внутри которого находятся секция аэробной предобработки субстрата 3, секция анаэробной обработки жидкой фракции 4 и секция аэробной доочистки жидкой фракции 5. Секции отделены друг от друга герметичными перегородками 6 и 7. Снаружи герметичный корпус 8 снабжен теплоизоляцией 9. Подвод усредненного субстрата в секцию аэробной предобработки субстрата 3 осуществляется через патрубок 10, отбор на рециркуляцию и выгрузку - через патрубок 11. Кислородсодержащий газ отводится через патрубок 12. Внутри секции находятся изотермические тепловоды 13, представляющие собой полые вакуумированные трубки с легкокипящим агентом, например, аммиаком или фреоном. Изотермические тепловоды 13 через герметичные перегородки 6 и 7 сообщаются с секциями 4 и 5. Патрубок 11 связан с патрубком 12 рециркуляционной линией с насосом 14 и аэрационным устройством 15, которое, в свою очередь, подключено к воздуходувке 16. Воздух в воздуходувку 16 подводится через водовоздушный теплообменник 17, связанный с выходом секции аэробной доочистки жидкой фракции 5. Разгрузочный патрубок 11 секции 3 посредством насоса 14 связан с предварительным механическим сгустителем 18, который, в свою очередь, линией подачи твердой фракции связан с блоком приготовления твердых удобрений 19. Предварительный механический сгуститель 18 может быть любого типа, его выбор зависит от особенностей обрабатываемого субстрата. Выход предварительного механического сгустителя 18 связан последовательно с биогазовым подогревателем 20, распределительным устройством 21 и входным патрубком 22 секции анаэробной обработки 4. Выходной патрубок 23 секции анаэробной обработки 4 связан с механическим сгустителем 24, на линии эффлюента между ними размещен датчик температуры 25 биогазового подогревателя 20. Изотермические тепловоды 13 внутри секции 4 снабжены оребрением 26, которое выполняет дополнительно функцию иммобилизирующей поверхности для анаэробной микрофлоры. Для отведения биогаза предусматривается патрубок 27, связанный через газораспределитель 28 с газохранилищем 29. В нижней части герметичного корпуса 8 предусмотрена секция аэробной доочистки жидкой фракции 5, снабженная патрубками подведения 30 и отведения 31 исходной деаммонизированной жидкой фракции и очищенной жидкой фракции, соответственно, аэратором 32 известного типа, а также патрубком 33 отведения газа. Патрубок 31 гидравлически связан с водовоздушным теплообменником 17, аэратор 32 связан с патрубком 12 отведения кислородсодержащего газа из секции 3 через струйный термокомпрессор 34, связанный, в свою очередь, с воздуходувкой 16. Изотермические тепловоды 13 внутри секции 4 снабжены оребрением 35, которое выполняет дополнительно функцию иммобилизирующей поверхности для аэробной микрофлоры. Секция анаэробной обработки 4 связана через механический сгуститель 24 и далее линией жидкой фракции через биогазовый подогреватель 20, распределительное устройство 21 с блоком деаммонизации жидкой фракции 36 известной конструкции. Извлечение аммиака осуществляется путем отдувки с использованием отходящих от усреднителя 1 газов и подводом воздуха от воздуходувки 16. Необходимое давление газов на входе в десорбирующую насадку обеспечивают посредством дополнительной воздуходувки 37. Циркуляция эффлюента осуществляется насосом 38. Паровоздушная смесь из блока 36 поступает в блок хемосорбции 39 известной конструкции. Хемосорбция осуществляется с использованием реагентов, например, серной, фосфорной кислот с получением эффективных жидких удобрений (сернокислого, фосфорнокислого аммония) в рециркуляционном режиме с использованием циркуляционного насоса 40. Часть парогазовой смеси подается в блок приготовления твердых удобрений 19 через распределитель 41. Деаммонизированная жидкая фракция из блока 36 через распределитель 42 направляется в регенеративный теплообменник 43 и секцию деаммонизации жидкой фракции 36. Регенеративный теплообменник 43 предназначен для предварительного нагрева подаваемого на деаммонификацию эффлюента. Как вариант, предусматривается непосредственная подача деаммонизированной жидкой фракции в секцию 5 через распределитель 42.
Устройство и аппарат работают следующим образом.
Исходный субстрат после усреднения, предварительной аэрации и деаммонификации в усреднителе 1 штатным насосом (не показан) подается в секцию аэробной предобработки субстрата 3, в которой происходит аэробная автотермическая обработка субстрата с увеличением температуры до 60 гр.С (в пределе) при распаде до 15% исходного органического вещества. В процессе ферментации происходит частичный гидролиз с переходом в жидкую фазу до 70% исходного органического вещества. Обработка осуществляется в рециркуляционном режиме по схеме «патрубок 11 - насос 14 - аэрационное устройство 15 - патрубок 10». Выделившаяся при распаде органического вещества тепловая энергия передается через изотермическое тепловоды 13 жидкой фракции аэробно обработанного субстрата, стабилизируя температуру анаэробного процесса в диапазоне 30-55 гр.С. Образовавшиеся в секции 3 газы, содержащие до 80% непрореагировавшего кислорода, сжимаются струйным термокомпрессором 34 и используются для аэрации деаммонизированной жидкой фракции эффлюента в секции 5. Энтальпийная и биологическая тепловая энергия из секции 5 передается через изотермическое тепловоды 13 в секции 5 и 4, повышая стабильность их работы, особенно при нештатных режимах. Образовавшийся в секции 4 биогаз направляется в газохранилище 29 и в случае необходимости частично используется в биогазовом подогревателе 20 для подогрева поступающей на анаэробную обработку из предварительного механического сгустителя 18 жидкой фракции аэробно обработанного субстрата, а также поступающей на деаммонизацию жидкой фракции эффлюента. Управление температурным режимом секции 4 осуществляется посредством САР в составе датчика температуры 25 и автоматического газораспределителя 28. Жидкая фракция обогащенного аммонийным азотом эффлюента (концентрация не менее 1 г/л), полученная в механическом сгустителе 24, направляется через биогазовый подогреватель 20, распределительное устройство 21 в блок деаммонизации жидкой фракции 36. В случае необходимости, эффлюент подвергается в механическом сгустителе 24 коррекции pH с увеличением до 10-11 с использованием соответствующих реагентов, например щелочи. Температура потока на входе блока деаммонизации 36 поддерживается на уровне 50-100 гр.С. Степень извлечения аммиака регулируется таким образом, чтобы соотношение БПКп:N (отношение полного биохимического потребления кислорода к полному содержанию азота) составляло примерно 100:5, при этом достигаются оптимальные условия биологической очистки в секции 5. Количество подаваемого на отдувку газа по отношению к количеству обрабатываемого потока составляет ориентировочно 3000:1. Концентрация реагентов, подаваемых в блок хемосорбции 39. рассчитывается по стехиометрическим соотношениям.
Таким образом, на выходе устройства имеются: биогаз; техническая вода; твердые и жидкие концентрированные удобрения.