Способ анаэробной переработки жидких органических отходов
METHOD FOR ANAEROBIC PROCESSING OF LIQUID ORGANIC WASTE

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. При этом субстратами могут выступать осадки локальных очистных сооружений, последрожжевая барда. 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).
Известно, что порошок наночастиц железа оказывает положительное влияние на процесс метаногенеза (Yang et al., 2013; Carpenter et al., 2015; Hu et al., 2015; Huang et al., 2016; Binh et al., 2016; Suanon et al., 2017).
Выход метана достигает максимального значения при добавлении порошка наночастиц железа 2 г/л и 5 г/л в термофильном и мезофильном состоянии, соответственно, во время обработки пищевых отходов в системе анаэробного сбраживания (Wang P. et al., Effects of nanoscale zero-valent iron on the performance and the fate of antibiotic resistance genes during thermophilic and mesophilic anaerobic digestion of food waste. Bioresource Technology.-2019. – 293. – р.122092 (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122092).
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.
Известен способ переработки органических отходов, в которых перемешивание, измельчение и гомогенизацию органических отходов осуществляют путем воздействия на смесь электрогидравлическими разрядами, циклически перемещающимися по длине аппарата (патент РФ №2135437, МПК C05F 3/00, опубл. 27.08.1999).
Недостатком известного способа является то, что в получаемом удобрении остаются легкоразлагаемые органические вещества, которые при их разложении в почве будут образовывать летучие жирные кислоты, приводя к закислению почвы, т.е. удобрение не стабилизировано по органике. Кроме того, неизбежная ограниченность числа электродов приводит к тому, что обработке подвергается не весь водный субстрат, а только часть, прилегающая к каналу прохождения разряда, что снижает эффект обработки.
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 получения биогумуса из органических отходов, включающий последовательное аэробное, а затем анаэробное брожение отходов с поддержанием температуры 65-75°С (патент РФ №2207328, МПК C05F 7/00, C02F 11/00, опубл. 27.06.2003). Перед брожением готовят смесь органических отходов и воды, а брожение ведут в замкнутом контуре при температуре 65-75°С, в котором осуществляют циркуляцию смеси. При аэробном брожении на смесь воздействуют сначала низкочастотной, а затем высокочастотной составляющей колебательного спектра ультразвукового поля, причем воздействие высокочастотной составляющей колебательного спектра ультразвукового поля осуществляют совместно с воздействием света актиничного диапазона, а при анаэробном брожении смесь подвергают магнитной обработке.
Недостатком известного способа является снижение выхода биогаза за счет аэробного окисления органического вещества на первой стадии, а также высокие затраты электроэнергии на ультразвуковые излучатели.
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, анаэробной 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 энергии 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).
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 (АВС) (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 требуемую концентрацию микрочастиц железа в субстрате 2 г/л, обеспечивающую интенсификацию процесса.
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 до концентрации 2 г/л за счет истирания рабочего органа (стальные иглы) и дополнительного введения порошка железа в рабочую камеру аппарата вихревого слоя, позволяющего увеличить скорость образования и конечный выход метана, обеспечить более полное разложение субстрата, повысить адаптивную 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 мин при частоте вращения магнитного поля 50 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 рабочую камеру аппарата вихревого слоя дополнительно вносят порошок железа для увеличения его концентрации в субстрате 2 г/л.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема способа анаэробной переработки жидких органических отходов.
Способ анаэробной переработки жидких органических отходов 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 механическом воздействии рабочего органа (стальные иглы) и вращающегося магнитного поля, при этом происходит тонкодисперсное измельчение малорастворимых компонентов органических отходов, частичный гидролиз органических веществ. Также в рабочую камеру аппарата вихревого слоя вносят порошок железа для увеличения его концентрации в субстрате 2 г/л, которая определяется гравиметрическим способом. Тонкодисперсное измельчение малорастворимых компонентов органических отходов и частичный гидролиз органических веществ увеличивают доступность питательных веществ для консорциума микроорганизмов в метантенке. Дополнительное внесение микрочастиц железа увеличивает скорость образования и конечный выход метана, обеспечивает более полное разложение субстрата, поскольку микрочастицы железа являются катализатором процесса. Подготовленный в АВС субстрат направляют в метантенк для анаэробного сбраживания с получением биогаза и сброженной массы (эффлюента). Тепловую энергию, образующуюся в процессе работы аппарата вихревого слоя, используют для подогрева метантенка. Сброженную массу подают в известные устройства для разделения на фракции (отстойники, центрифуги, сепараторы и т.п.).
Пример конкретного выполнения способа анаэробной переработки жидких органических отходов.
Из жидких органических отходов извлекают крупные включения и с помощью насоса подают в аппарат вихревого слоя для предварительной обработки, при этом в рабочую камеру АВС вводят порошок железа марки ПЖР 3.315.28 ГОСТ 9849-86 в количестве необходимом для обеспечения его концентрации 2 г/л. Время пребывания отходов в рабочей камере аппарата составляет 0,5 мин, частоту вращения магнитного поля устанавливают 50 Гц. Затем 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.