СИСТЕМА УСКОРЕННОЙ АЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ
SYSTEM FOR ACCELERATED AEROBIC PROCESSING OF BIOMASS

Система относится к области биотехнологий в сельском и лесном хозяйстве и может быть использована для ускоренной ферментационной переработки отходов жизнедеятельности животных, населения и птиц, а также других видов биомассы.
Ежесуточно в РФ производится более чем 450 тыс тонн навоза, помета и стоков очистных сооружений. Уже сегодня под навозные хранилища заняты более 2 млн га земли, и этот ресурс представляет реальную экологическую угрозу.
Построить биогазовые установки с метановым циклом на такие объемы сырья невозможно из-за длительности процессов метанового брожения и необходимости создавать большое количество метантенков.
Аэробные процессы позволяют значительно сократить сроки переработки исходного сырья, превращая его в экологически чистое удобрение, как альтернативу химическому удобрению.
Известны устройства ускоренной аэробной переработки биомассы путем дробления ее электрогидравлической обработкой, например, по «способу подготовки торфа для микробиологической бродильной и комбикормовой промышленности» авторов Юткина Л.А. и Гольцева Л.И. по авторскому свидетельству СССР №275028 [1].
Недостатками устройства, созданными по этому способу, являются их ограниченное применение, т.к. они обеспечивают только измельчение сырья, а для дальнейшего процесса, кроме подсева соответствующей микрофлоры, требуется дополнительные устройства, обеспечивающие ускоренную ферментацию биомассы. Известен также «Аппарат для микробиологического разложения органических отходов автора Тумченока В.И. по патенту РФ №2016063 [2].
Аппарат содержит конус с трубами для подвода и отвода воздуха и сред, разделенный по высоте горизонтальными перегородками, аэратор над ними из горизонтальных уголков с ребрами вверх для образования полостей, в которые подается через трубы воздух, а в щелевых зазорах размещены гибкие нити с насадками для иммобилизации микроорганизмов.
Недостатком данного аппарата являются его низкая производительность из-за ограниченного времени контакта органических отходов с микроорганизмами, т.к. последовательное перемещение стоков с вышележащих полостей на нижележащие полости ограничивается размерами конструкции, которая не может быть чрезмерно большой по габаритам. Других устройств в данном аппарате, интенсифицирующих анаэробный процесс, не предусматривается. Известно также «устройство ферментации сельскохозяйственных отходов» по патенту GB, заявка №2299075, 1986 [3].
В данном устройстве также сделана попытка удлинить пути перемещения сырья и время его контакта с микроорганизмами. Это обеспечивается тем, что устройство выполнено в виде многоярусного аппарата в вертикальном исполнении и содержит ферментационные и выдерживающие резервуары.
Ферментационные резервуары содержат опорные узлы с вращающимися лопастями, воздухоподающие и фильтрующие элементы.
Недостатками данного устройства являются его громоздкость и ограниченные функциональные возможности по интенсификации процесса аэробной переработки биомассы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по нашему мнению является «Устройство для ферментационной переработки жидкого навоза и помета» авторов Лужкова Ю.М., Джафарова Ш.А. и др. по патенту РФ №2247099 [4].
Данное устройство содержит корпус, средства ввода перерабатываемой жидкой среды и суспензии микроорганизмов, лопастное колесо с приводом вращения, устройство для аэрации с барботажной тарелкой, патрубки ввода и вывода сырья и воздуха, мешалку с приводом, рубашку для подвода теплоносителя или хладагента.
В данном устройстве сделана попытка удлинить пути перемещения биомассы и время ее контакта с микроорганизмами за счет цикличной оборачиваемости сырья с помощью лопастного колеса и наклонной поверхности вокруг барботажной тарелки.
Недостатками данного устройства являются низкая эффективность и сложность в его технической реализации, в том числе, из-за наличия двух электроприводов, отсутствие устройства предварительной подготовки перерабатываемой жидкой среды из различного вида биомассы в состояния его гомогенизации и наличие по углам прямоугольного корпуса застойных зон, не смываемых перемещением сырья, что создает условия для развития плесневых и других видов грибков, находящихся в конфронтации с полезной микрофлорой.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.
Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:
- увеличена эффективность системы за счет размещения в корпусе пустотелого шнека из пористого металла на центральной трубе, подключенной одним концом к электроприводу, а другим - через муфту скольжения к газовому нагнетателю;
- увеличена эффективность системы и ее способность работать на разных видах биосырья за счет использования устройства предварительной подготовки перерабатываемой жидкой среды, содержащего последовательно включенные насос-экструдер, сборник исходного сырья, электрогидравлическую дробилку и смесительную камеру, выход которой соединен с патрубком ввода сырья в корпус ферментатора, причем в смесительную камеру с выхода корпуса подается также отсепарированная жидкость с суспензиями микроорганизмов;
- повышена эффективность системы за счет исключения застойных зон с накоплением вредной для аэробного процесса микрофлорой путем выполнения корпуса в виде цилиндра, размещением рейки-скребка на торцах шнека, причем ось вращения шнековой мешалки смещена вниз относительно оси цилиндрического корпуса;
- повышена эффективность системы за счет выполнения шнека из пористого металла с мельчайшими отверстиями и применения для аэрации технического кислорода и/или озона;
- повышена эффективность системы за счет размещения на поверхности шнека мелкоячеистой сетки из волокнистого материала с развитой поверхностью, например графитового войлока для размещения анаэробной микрофлоры.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующих описываемую «систему аэробной переработки биомассы», нами не обнаружена. Таким образом, по нашему мнению, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новое».
На основании сравнительного анализа, предложенного решения с известным уровнем техники можно утверждать, что между совокупностью отличительных признаков, выполняемых ими функций и достигаемой задачи, предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение может найти применение в качестве универсального реактора аэробной переработки различных видов биомассы большой производительности.
На чертеже в разрезе изображена конструкция «системы ускоренной аэробной переработки биомассы».
Система ускоренной аэробной переработки биомассы содержит устройство 1 предварительной подготовки перерабатываемой жидкой среды, соединенной с термостатированным корпусом 2 ферментатора, внутри которого расположен пустотелый шнек 3 из пористого металла, закрепленный на трубе 4, соединенный одним концом с реверсным электроприводом 5, а другим - с муфтой 6 скольжения, герметично поджатой к трубе и подключенной к воздушному (газовому) нагнетателю 7.
На поверхности шнека размещен волокнистый наполнитель 8, а корпус имеет патрубок-люк 9 для удаления непроферментированного осадка, патрубок 10 для выхода готового продукта, соединенный с сепаратором 11, с одного выхода которого отбирается сухой продукт, а другой его выход с жидкостью, обогащенной бактериями, через вентили 12 и 13 подключен соответственно к первым входам сборника 14 исходного сырья и смесительной камере 15, причем выход последней подключен к патрубку 16 ввода подготовленного сырья в корпус. Вход 17 устройства подготовки перерабатываемой жидкой среды соединен через насос-экструдер 18 с другим входом сборника исходного сырья, один выход которого через электрогидравлическую дробилку 19 подключен к другому входу смесительной камеры, а второй выход сборника подключен к шламовому отстойнику 20, очищенная жидкость с которого может насосом 21 подаваться на смыв обратно на ферму. Корпус системы имеет патрубок 22 выпуска избыточного газа и может оснащаться также устройством первоначального разогрева биомассы, например по принципу «теплого пола» и рядом контрольно-измерительных приборов (не показано на чертеже).
Для исключения слеживания непроферментированного продукта на дне корпуса, на шнеке прикреплена рейка-скребок 23, а ось вращения шнековой мешалки смещена вниз относительно оси цилиндрического корпуса.
«Система ускоренной анаэробной переработки биомассы» работает следующим образом.
Биомасса, например стоки с фермы поступают в устройство 1 предварительной подготовки перерабатываемой жидкой среды через его вход 17 на насос-экструдер 18 для предварительного измельчения. Для этих целей может быть использовано «Устройство …» по авторскому свидетельству СССР №954016 авторов Шеповалова В.Д., Александряна К.В. и других или его аналоги [5]. С насоса-экструдера измельченная биомасса поступает в электрогидравлическую дробилку 19, а твердые частицы и лишняя жидкость подаются в шламовый отстойник 20, откуда очищенная жидкость насосом 21 подается обратно на ферму для использования в агрегатах смыва навоза.
В электрогидравлической дробилке [1] происходит гомогенизация и измельчение биомассы до мельчайших размеров, соизмеримых с размерами микроорганизмов, что делает этот кашеобразный продукт более усвояемым, т.к. увеличивается количество контактов бактерий с микрокусочками биомассы в процессе дальнейшей ферментации.
В дробилке 19 происходит одновременно обеззараживание и подогрев поступающей биомассы, которая затем передается в смесительную камеру 15. При первоначальном запуске системы на вход смесительной камеры 15 может подаваться подсев (инокуляция) аэробной микрофлоры, а при постоянной эксплуатации системы суспензии микроорганизмов на вход камеры 75 поступают через вентиль 13 с отсепарированной жидкостью от сепаратора 11, подключенного к патрубку 10 для выхода готового продукта.
Обогащенная бактериями биомасса с выхода смесительной камеры 75 поступает через патрубок 16 ввода сырья в корпус 2. Реверсивный электропривод 5 по заданной программе вращает трубу 4 с пустотелым шнеком из пористого металла, имеющего огромное количество микроотверстий. В настоящее время пористый металл выпускается из нержавеющей стали, никелевых сплавов, из литого алюминия и меди [6, 7, 8].
С воздушного (газового) нагнетателя 7 воздух, технический кислород или озон подаются через муфту 6 скольжения в трубу 4 и далее через микропоры шнека 3 и волокнистый наполнитель 8 поступает в раствор. На волокнистом наполнителе 8 оседают колонии анаэробных бактерий [9, 10], жизнедеятельность которых интенсифицируется кислородом, что ускоряет их размножение. Исследования, проведенные в УрФУ показали, что обработка исходного сырья кислородом и озоном ускоряет его разложение на 9,3 и 19,8% соответственно.
Рейка-скребок 23 перемещаясь вблизи нижней поверхности корпуса не позволяет слеживаться осадку, а реверс электропривода 5 перемещает массу вдоль корпуса в прямом и обратном направлении, создавая условия для активного перемешивания жидкой среды и кислорода с бактериями для ускоренной аэробной переработки биомассы.
Аэробный процесс экзотермический, поэтому в процессе переработки биомассы необходимую температуру в корпусе можно также поддерживать, перемещая часть неиспользуемой жидкости с сепаратора 11 через вентиль 12 в сборник 14 исходного сырья.
Для условий жаркого климата термостатирование биомассы в корпусе может осуществляться подачей холодной воды в устройство «теплого пола», используемом при первоначальном запуске системы (не показан на чертеже).
«Готовый продукт» - жидкая переработанная биомасса выдается через патрубок 10, а при необходимости в виде «сухого продукта» - с выхода сепаратора 11.
Максимальное ускорение аэробной переработки биомассы достигается в режиме однократной загрузки корпуса при закрытом патрубке 16 и реверсивном перемещении шнека 3 внутри корпуса до готовности продукта.
В режиме непрерывного проведения процесса через патрубок 16 поступает в малых расчетных дозах раствор биомассы и за определенное время по готовности продукта он поступает на патрубок 10 для выхода из корпуса.
Предлагаемая «Система ускоренной аэробной переработки биомассы» за счет использования насоса-экструдера в совокупности с электрогидравлической дробилкой и другими узлами устройства 1 предварительной подготовки перерабатываемой жидкой среды позволяет использовать различные виды исходного сырья: помет, траву, силос, листья, стоки канализации и т.д.
Предложенная «Система …» найдет широкое применение в качестве универсального аэробного реактора для переработки органических отходов с различными свойствами.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Юткин Л.А., Гольцова Л.И. Способ подготовки торфа для микробиологической бродильной и комбикормовой промышленности. Авторское свидетельство СССР №275028, МПК A23K 1/00, C12N 1/00 (аналог).
2. Тумченок В.И. Аппарат для микробиологического разложения органических отходов. Патент РФ №2016063, МПК C12M 1/00 (аналог).
3. Заявка по патенту GB №2299075, 1986. Устройство ферментации сельскохозяйственных отходов (аналог).
4. Лужков Ю.М., Джафаров Ш.А. и др. Устройство для ферментационной переработки жидкого навоза и помета. Патент РФ №2247099, МПК C05F3/06, A01C 3/02 (прототип).
5. Шеповалов В.Д., Александрян К.В. и др. Устройство для обработки навоза. Авторское свидетельство СССР №954016, МПК A01C 3/00.
6. Технические условия ЕКО. 021.755 ТУ Уральского электрохимического комбината. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.ricon.e-burg.ru.
7. Рекламный проспект на фильтрующие элементы и глушители шума ООО «Композитные материалы». [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.km.skb.ru.
8. Рекламный проспект ОАО «Уралэлектромедь» на изделия антифрикционные пористые. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.elem.ru/ru/business/production/search/index.ohp187.
9. Ершовая биозагрузка. Рекламный лист ЗАО «Экопромкомпания». Раздел: очистка сточных вод. 600016. Г. Владимир, ул. Б. Нижегородская, 77.
10. Ткани углеродные РУП СПО «Химволокно». 247400, Светлогорск, ул. Заводская, 5. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.sohim.open.by.
11. Снайдер Мартин. Установка для осуществления периодического или непрерывного способа гидролиза органического вещества. Патент РФ №2426777, МПК C12M 1/107. Патентообладатель Корамэкспорт С.Р.О. (CZ).