Способ анаэробной переработки жидких органических отходов с предварительной обработкой озоном в аппарате вихревого слоя
METHOD FOR ANAEROBIC PROCESSING OF LIQUID ORGANIC WASTES WITH OZONE PRETREATMENT IN A VORTEX LAYER APPARATUS

Изобретение относится к области утилизации концентрированных органических субстратов, пригодных к дальнейшему использованию в условиях производств - их источников или в смежных областях.
Источниками концентрированных органических субстратов являются предприятия агропромышленного комплекса - животноводческие и птицеводческие комплексы (бесподстилочный навоз, помет), перерабатывающие предприятия. В жилищно-коммунальном хозяйстве такими субстратами являются избыточный активный ил, осадки городских очистных сооружений.
К перспективному развитию биотехнологии для утилизации органических отходов относится интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и усовершенствования оборудования, так и за счет использования катализаторов процесса. Важным этапом биотехнологического производства полезных продуктов из органических отходов является тщательная подготовка исходного сырья перед анаэробной обработкой с целью создания питательной среды для жизнедеятельности микробного сообщества и получение качественной смеси, подаваемой для переработки в основной аппарат-биореактор (метантенк).
Все известные устройства и способы с единой технологией переработки, заключающейся в создании условий для микробиологической переработки биомассы метанобразующими анаэробными бактериями в одном или нескольких этапах, предусматривают подготовку сырья от простого перемешивания до тщательного измельчения смеси перед загрузкой в биореактор.
Клетчатка (целлюлоза, входящая в состав клеточных оболочек всех высших растений) не переваривается животными, поэтому навоз содержит её в большом количестве, причём в измельчённом виде.
Известно, что предварительное озонирование образцов (целлолигнин, древесные опилки, подсолнечная лузга, пшеничная солома) в процессе их биоконверсии в сахара, увеличивает скорость и степень их гидролиза под действием целлюлолитических ферментов. (Ковалева Валентина Владимировна. Окислительная деструкция лигнина и лигноцеллюлозных материалов под действием озона. Диссертация кандидата химических наук, МГУ, 2000 г.)
Известен способ для переработки различных жидких органических отходов, например навоза, птичьего помета и т.п., в биогаз и жидкое органическое удобрение (патент РФ №2370457, МПК C02F 3/28, опубл. 20.10.2009). Для интенсификации процесса сбраживания при подготовке сырья исходное сырье измельчают, перемешивают и дополнительно подают жидкость, полученную из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора.
Недостатком известного способа являются высокие энергетические затраты на процесс измельчения и перемешивания.
Известен способ получения органических удобрений из продуктов жизнедеятельности животных с целью их утилизации и получения высокоэффективного удобрения диспергированием органической составляющей, гидроударным воздействием на смесь в процессе ее циркуляции по замкнутому контуру (патент РФ №2258686, МПК C05F 3/00, опубл. 20.08.2005).
Недостатком известного способа являются высокие затраты электрической энергии на процесс диспергирования, поскольку энергия привода диспергатора расходуется на нагрев жидкости до высоких температур (97°С).
Известен способ переработки органических субстратов в удобрения и газообразный энергоноситель, в котором исходный субстрат подвергают аэробной обработке с образованием нагретого и гидролизованного субстрата и нагретых влажных кислородосодержащих газов, анаэробный обработке с образованием нагретого эффлюента и биогаза и разделению на фракции, в котором разделение на фракции производят после аэробной обработки, анаэробной обработке подвергают жидкую фракцию, нагретый эффлюент используют в качестве теплоносителя для регулирования теплового режима аэробной обработки и в качестве источника аммонийного азота для обогащения твердой фракции, а нагретые влажные кислородосодержащие газы используют для предварительного нагрева и аэрации исходного субстрата (патент РФ №2500628, МПК C02F 11/02, C02F 11/12, B09B 3/00, опубл. 10.12.2013, Бюл. №34).
Недостатком известного способа является распад части органического вещества (до 15%) на стадии аэробной предобработки, за счет аэробного окисления органического вещества, что приводит к пропорциональному снижению выхода биогаза.
Известен способ подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов, а также установка подготовки сырья (патент РФ №2535967, МПК С12М 1/42, C05F 3/06, C05F 9/00, опубл. 20.12.2014). Способ характеризуется тем, что в едином объеме герметичной емкости одновременно с подогревом производят дегазацию смеси путем вакуумирования и последующую обработку. Обработку осуществляют воздействием энергией ультразвукового гидродинамического излучателя на поток смеси при ее циркуляции в замкнутом контуре герметичной емкости. В качестве жидкости для смешивания сырья используют жидкую фракцию слива из биореактора. Процесс подготовки сырья завершают после нагрева смеси до заданной температуры, соответствующей температуре первой стадии процесса биореактора.
Недостатком известного способа являются высокие энергетические затраты на процесс предварительной обработки, при его низкой эффективности, длительность процесса сбраживания в мезофильном режиме (37°С), а также невозможность обеспечения санитарно-гигиенических требований к обработанным отходам.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ анаэробной переработки жидких органических отходов, в котором предварительную обработку отходов осуществляют посредством тонкодисперсного измельчения малорастворимых компонентов органических отходов, частичного гидролиза органических веществ, а также внесения в субстрат микрочастиц железа, образующихся за счет истирания рабочего органа в первичном аппарате вихревого слоя(патент РФ 2690463, МПК C02F 11/04, C02F 3/28, C12M 1/42, B02C 13/12, C02F 9/00, опубл. 3.06.2019, Бюл. №16). Затем полученный субстрат подают в метантенк для анаэробного сбраживания в термофильных условиях. Сброженную массу обрабатывают во вторичном аппарате вихревого слоя. После обработки в аппарате вихревого слоя сброженную массу направляют для разделения на фракции. Тепловую энергию, образующуюся в результате работы первичного и вторичного аппаратов вихревого слоя, используют для обеспечения термофильного температурного режима работы метантенка. Предварительную обработку осуществляют в рабочей камере первичного аппарата вихревого слоя в течение от 0,5 до 1 мин при частоте вращения магнитного поля от 50 до 120 Гц, сброженную массу обрабатывают во вторичном аппарате вихревого слоя в течение от 1 до 4 мин при частоте вращения магнитного поля от 50 до 120 Гц.
Недостатками известного способа являются высокие энергетические затраты на работу вторичного аппарата вихревого слоя, наличие которого не требуется для обеззараживания сброженной массы, поскольку ее обеззараживание происходит в результате анаэробной обработки в термофильном режиме, а метаногенные микроорганизмы в результате обработки в АВС не уничтожаются (Эффект обеззараживания субстратов анаэробных биореакторов в аппарате вихревого слоя / Д. А. Ковалев, А. А. Ковалев, И. В. Катраева [и др.] // Химическая безопасность. - 2019. - Т. 3. - № 1. - С. 56-64. - DOI 10.25514/CHS.2019.1.15004.) и низкая эффективность процесса анаэробной обработки, поскольку обработка в первичном аппарате вихревого слоя в течение от 0,5 до 1 мин при частоте вращения магнитного поля от 50 до 120 Гц не обеспечивает деструкцию лигно-целлюлозных компонентов входящих в состав органических отходов до более простых соединений, разлагающихся с образованием метана.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности процесса анаэробной переработки жидких органических отходов.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность повысить эффективность процесса анаэробной переработки жидких органических отходов путем предварительной обработки в аппарате вихревого слоя, за счет тонкодисперсного измельчения, улучшающего реологические свойства субстрата и доступность питательных веществ для микроорганизмов, частичного гидролиза органических соединений, увеличивающего степень разложения органического вещества и соответственно выход целевого продукта - биогаза и внесения микрочастиц железа истирания рабочего органа (стальные иглы) и дополнительного введения газообразного озона в рабочую камеру аппарата вихревого слоя, позволяющего произвести деструкцию (озонолиз) лигно-целлюлозных компонентов входящих в состав органических отходов до более простых соединений, разлагающихся с образованием метана, при этом увеличивается скорость образования и конечный выход метана, обеспечивается более полное разложение субстрата, повышается адаптивная способность микробного сообщества к неблагоприятным условиям (например, избыточное накопление летучих жирных кислот (ЛЖК) или водорода, снижение рН).
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе анаэробной переработки жидких органических отходов, включающем предварительную обработку отходов в аппарате вихревого слоя в течение 0,5-1 мин при частоте вращения магнитного поля 50-120 Гц и их анаэробное сбраживание в метантенке, использование тепловой энергии, образующейся в результате работы аппарата вихревого слоя, для обеспечения термофильного температурного режима работы метантенка, разделение сброженной массы на фракции, согласно изобретению, при предварительной обработке отходов в аппарате вихревого слоя в рабочую камеру дополнительно подают озоносодержащий воздух (концентрация озона 70 мг/л) со скоростью 20 л/минуту, причем предварительную обработку осуществляют в рабочей камере аппарата вихревого слоя в течение 0,5 мин при частоте вращения магнитного поля 50 Гц.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены блок-схема способа анаэробной переработки жидких органических отходовс предварительной обработкой озоном в аппарате вихревого слоя (фиг. 1).
Способ анаэробной переработки жидких органических отходовс предварительной обработкой озоном в аппарате вихревого слоя осуществляют следующим образом:
Из исходных органических отходов извлекают крупные включения, затем отходы подвергают комплексной предварительной обработке в аппарате вихревого слоя в течение 0,5 мин при частоте вращения магнитного поля 50 Гц, заключающейся в одновременном электромагнитном, механическом и химическом воздействии. При этом происходит тонкодисперсное измельчение малорастворимых компонентов органических отходов, частичный гидролиз органических веществ, деструкция лигно-целлюлозных компонентов, входящих в состав органических отходов до более простых соединений, а также внесение в субстрат микрочастиц железа, образующихся за счет истирания рабочего органа (стальные иглы). Тонкодисперсное измельчение малорастворимых компонентов органических отходов и частичный гидролиз органических веществ увеличивают доступность питательных веществ для консорциума микроорганизмов в метантенке. Деструкция лигно-целлюлозных компонентов, входящих в состав органических отходов до более простых соединений позволяет увеличить степень разложения органического вещества и соответственного выход метана. Внесение микрочастиц железа увеличивает скорость образования и конечный выход метана, обеспечивает более полное разложение субстрата и снижение необходимого объема метантенка. Подготовленный субстрат направляют в метантенк для анаэробного сбраживания с получением биогаза и сброженной массы (эффлюента). Сброженную массу подают в известные устройства для разделения на фракции (отстойники, центрифуги, сепараторы и т.п.). Тепловую энергию, образующуюся в процессе работы аппарата вихревого слоя, используют для подогрева метантенка.
Пример конкретного выполнения способа анаэробной переработки жидких органических отходов с предварительной обработкой озоном в аппарате вихревого слоя.
Из жидких органических отходов извлекают крупные включения и с помощью насоса подают в аппарат вихревого слоя для предварительной обработки, при этом в рабочую камеру аппарата подают озонсодержащий воздух, получаемый в озонаторе, концентрация озона 70 мг/л, расход воздуха 20 л/мин. Время пребывания субстрата в рабочей камере аппарата составляет 30 сек, частоту вращения магнитного поля устанавливают 50 Гц. Затем обработанный субстрат направляют в метантенк для анаэробной переработки в термофильных условиях. Сброженную массу из метантенка направляют в отстойник для разделения на фракции. При работе аппарата вихревого слоя выделяется значительное количество теплоты, которая передается теплоносителю, циркулирующему по контуру «теплообменник индуктора аппарата вихревого слоя - теплообменник метантенка». Выделяющийся биогаз из метантенка используют для получения тепловой и электрической энергии. Теплоноситель, охлаждающий индуктор аппарата вихревого слоя с температурой 60°C направляют в теплообменник метантенка для поддержания температурного термофильного режима.