СИСТЕМА ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области биохимической технологии, более конкретно, к системе глубокой переработки органических отходов с получением биогаза и может найти применение при переработке муниципальных отходов, отходов лесопереработки и фермерских хозяйств для получения товарных количеств целевых продуктов и их использования, в том числе, в качестве удобрений и альтернативного газового энергоносителя, содержащего метан.
Известна система переработки органических отходов, содержащая реакторный блок для выработки биогаза, газоразделительный блок, трубопроводную и запорную арматуру, средства контроля и управления (Панцхава Е.C., Биогазовые технологии - радикальное решение проблем экологии, энергетики и агрохимии. Теплоэнергетика, 1994, №4, с.36).
К недостаткам известной системы следует отнести несовершенство имеющихся средств управления термодинамическими параметрами процесса анаэробного разложения отходов различного происхождения и малую глубину газоразделения исходного биогаза для получения товарных количеств целевых продуктов, в том числе, метана и диоксида углерода с отделением токсичных веществ, например, сероводорода.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система комплексной переработки органических отходов, содержащая реакторный блок для выработки биогаза, блоки осушки, очистки и газоразделения, средства подготовки отходов и вывода продуктов переработки, трубопроводную и запорную арматуру (патент РФ №65048, опубл. 27.07.2007, бюл. №21 - прототип).
Особенностью известной системы является то, что реакторный блок содержит средства для поддержания уровня рабочих температур и концентрации газов в массе отходов, выход реакторного блока по биогазу соединен через блоки осушки, очистки и накопительный приемник с входом блока газоразделения, включающего, по крайней мере, один мембранный контакторный модуль для селективного выделения из биогаза метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов: при этом реакторный блок выполнен в виде двух вертикально установленных емкостей, снабженных водонагревателем, осевой мешалкой с пневмоприводом, средствами подготовки, подачи отходов, вывода газовых, жидких и твердых продуктов переработки.
Известная система характеризуется недостаточной эффективностью анаэробного сбраживания органического вещества из-за сравнительно малой скорости развития микрофлоры среды при анаэробных условиях. Данная проблема связана неравномерным распределением температуры по всему объему реакторного блока и отсутствие системы отвода продуктов жизнедеятельности метанобразующих бактерий. Это приводит к снижению продуктивности метанообразующей стадии и уменьшению выхода биогаза с единицы перерабатываемого сырья.
Технический результат заключается в создании экологически чистой системы глубокой биохимической переработки органических отходов различной природы с использованием более эффективной анаэробной технологии их разложения для получения коммерческих количеств целевых продуктов, используемых в качестве удобрений и компонентов биогаза, содержащих ценные альтернативные энергоносители, а также другие полезные производные, в том числе, диоксид углерода.
Технический результат достигается тем, что система глубокой переработки органических отходов, содержит реакторный блок для выработки биогаза, блоки осушки, очистки и газоразделения, средства подготовки отходов и вывода продуктов переработки, трубопроводную и запорную арматуру, причем новым является то, что система содержит дополнительную линию для подачи части получаемого метана в рабочий объем реакторного блока, причем вход дополнительной линии соединен через насос с выходом абсорбера блока газоразделения, с возможностью осуществления выхода в рабочий объем реакторного блока; приэтом реакторный блок снабжен барботажным перемешивающим устройством, выполненным в виде трубы в форме плоской спирали и расположенным горизонтально в нижней части реакторного блока при этом плоская спираль снабжена равнорасположенными отверстиями для подачи газа в субстрат; причем система трубопровода для подачи газа к плоской спирали расположена в теплообменной рубашке, и выполнена в виде змеевика.
На фиг.1 представлена блок-схема системы глубокой переработки органических отходов;
На фиг.2 - реакторный блок в разрезе;
На фиг.3 - разрез А-А.
Система глубокой переработки органических отходов животноводческих ферм содержит реакторный блок, выполненный в виде двух вертикально установленных емкостей 1 для выработки сырого биогаза. Выходы емкостей 1 по биогазу через блок осушки 2 и блок очистки 3 соединены с входом блока газоразделения 4, включающего сдвоенный рециркуляционный контакторный модуль в виде абсорбера (биогаз - вода) 5 и десорбера (вода - воздух) 6 для селективного разделения биогаза на смесь воздуха с диоксидом углерода и целевого продукта метана.
Водяная емкость 7 обеспечивает подачу воды в контур блока газоразделения 4, а насос 8 предназначен для прокачки воды через мембранную систему абсорбера 5 и десорбера 6. Компрессор 9 предназначен для подачи воздуха в десорбер 6, а также в другие агрегаты системы, в том числе, для их продувки.
Система содержит дополнительную линию 10 для подачи части получаемого метана в рабочий объем реакторного блока, включающий запорный кран 11, трубопроводную систему 12, выполненную в виде змеевика и расположенную в теплообменной рубашке 13, а так же перемешивающее устройство 14, выполненное в виде трубы в форме плоской спирали, которая снабжена равнорасположенные отверстиями В по ее длине для подачи газа в субстрат. Вход запорного крана 11 дополнительной линии 10 соединен через насос 15 с выходом абсорбера 5 блока газоразделения 4.
Емкости 1 выполнены в форме тел вращения и снабжены барботажным перемешивающим устройством 14, выполненным в виде трубы в форме плоской спирали и расположенным горизонтально в нижней части реакторного блока с отверстиями для подачи газа в субстрат (фиг.2).
Емкости реакторного блока 1 имеют общие средства подготовки и подачи в них отходов, включающих емкость 16 для первичных отходов, измельчитель отходов 17, смеситель отходов с водой 18 и фекальный насос 19 для подачи подготовленных отходов в емкости реакторного блока 1, которые имеют общий электрический водонагреватель 20 для поддержания в рабочем объеме емкостей необходимого уровня рабочих температур.
Центральные патрубки в нижней части емкостей реакторного блока 1 предназначены для вывода жидких отходов после переработки в сборник 21, а затем в сборник твердых отходов 22. Газообразные продукты из блока газоразделения 4 поступают в магистраль 23 для отправки потребителю.
Емкости реакторного блока 1 снабжены теплообменными рубашками 13, полость которых соединена патрубками с общим электрическим водонагревателем 20. Агрегаты подготовки первичных отходов и вывода переработанных отходов из емкостей реакторного блока 1 выполнены с возможностью перемещения между емкостями 1 для их попеременного обслуживания по мере выработки биогаза.
Основные агрегаты системы, а также агрегаты подготовки отходов и их вывода из реакторного блока размещены в отдельных помещениях, снабженных приточно-вытяжной вентиляцией, оборудованием по классу взрывобезопасной зоны, а также коммуникациями для предотвращения неконтролируемых накоплений и утечек биогаза (не показаны).
Система глубокой переработки органических отходов животноводческих ферм функционирует следующим образом.
Предварительно емкости реакторного блока 1 промывают водой, продувают воздухом и заполняют блок осушки 2 силикагелем для снижения относительной влажности сырого биогаза, а блок 3 очистки - цеолитом типа NaX для удаления из осушенного биогаза основных примесей сероводорода. Из емкости 16, предварительно заполненной отходами животноводческой фермы, навоз подается с помощью транспортирующего устройства в измельчитель отходов 17 для их подготовки к подаче в смеситель 18. В смесителе 18 отходы в необходимом соотношении смешивают с водой и с помощью фекального насоса 19 поочередно подают в емкости реакторного блока 1 по мере выработки биогаза в каждой из них. Одновременно включают электроподогрев водонагревателя 20 и подают через соответствующие патрубки горячую воду в теплообменную рубашку 13 данной емкости, обеспечивая необходимый подогрев массы отходов для анаэробного разложения органического сырья.
В предложенной системе возможно проведение технологической переработки различных органических субстанций с помощью термофильного и мезофильного анаэробного разложения отходов с получением метана или анаэробного продуцирования водорода с использованием фототрофных микроорганизмов, в том числе, пурпурных, циановых или зеленых бактерий. Для поддержания их жизнедеятельности и ускорения процесса образования биогаза необходимо периодически или постоянно за счет перемешивания удалять газ из всей массы перерабатываемого сырья для ликвидации зон с пересыщенным содержанием биогаза вблизи гранул с иммобилизованными на них бактериями.
По мере выпуска сырого биогаза поочередно из емкостей реакторного блока 1 он, под естественным давлением, превышающем атмосферное, поступает в блоки его осушки 2 силикагелем и очистки 3 от примесей сероводорода. Затем осушенный и очищенный биогаз поступает в блок газоразделения 4 и в магистраль для отправки к потребителю 23. Абсорбер 5 и десорбер 6 предназначены для селективного разделения поступающего биогаза на диоксид углерода и метан с дополнительными компонентами. Очистка биогаза от диоксида углерода осуществляется за счет его селективного проникновения через развитую поверхность полимерной мембраны абсорбера 5 в поток воды с последующим его выделением из воды за счет его десорбции в поток воздуха в противоточном десорбере 6. Уходящий воздух с высоким содержанием диоксида углерода впоследствии может использоваться, например, в тепличном хозяйстве. После выработки в одной из емкостей реакторного блока биогаза осуществляется его очистка от переработанных отходов, заправка новой порции свежих подготовленных отходов и подключение второй емкости реакторного блока на подачу биогаза в газоразделительный блок.
Часть очищенного на выходе абсорбера 5 метана поступает с помощью насоса 16 в дополнительную линию 10 через запорный кран 11 трубопроводную систему 12 в виде змеевика расположенную в водяной рубашке 13 и перемешивающее устройство 14 выполненной в виде трубы в форме плоской спирали для подачи части получаемого метана в рабочий объем реакторного блока через равнорасположенные по ее длинне отверстия В с целью барботажного перемешивания субстрата. Пузырьки метана при всплытии в субстрате встречают сопротивление. В результате возникает возмущение сбраживаемого субстрата и происходит перемешивание субстрата и отвод продуктов жизнедеятельности бактерий. Это необходимо для стабилизации температурного режима субстрата по всему объему емкостей реакторного блока, а так же обеспечения хорошего контакта микрофлоры с питательной средой, устранения токсических и ингибирующих продуктов метаболизма в емкостях. Во время когда нет необходимости в перемешивании субстрата запорный кран 11 находится в закрытом положении.
Колебания температуры, особенно резкие ее перепады в объеме субстрата, оказывают отрицательное воздействие на скорость процесса анаэробного сбраживания. Значительное снижение интенсивности скорости процесса метаногенеза наблюдается при брожении как термофильном режиме, так и в мезофильном, так как метановые бактерии в температурном интервале весьма чувствительны и реагируют на это снижение метаболической активностью и способностью к воспроизведению (см. Гюнтер Л.И., Гольдфраб Л.Л. Метантенки. - М.: Стройиздат, 1991. с.128). Наличие системы стабилизации температурного режима по всему объему биореактора позволяет создать комфортную обстановку для метанобразующих бактерий сбраживаемой среды, интенсифицируя процесс их роста и образование биогаза.
Предложенная система позволяет решить поставленную задачу интенсификации процесса метанового брожения в сбраживаемой среде путем равномерного распределения температуры по всему объему субстрата в реакторном блоке метантенка, а так же отвода продуктов жизнедеятельности бактерий. Предложение позволяет создать достаточно эффективную систему экологически чистой глубокой биохимической переработки органических отходов, в том числе, зеленой массы, отходов сельского хозяйства, животноводческих ферм и лесопереработки, водных растворов лактата, малата и другого органического сырья с получением товарных количеств биогаза и конечных целевых продуктов, в том числе, энергоносителей метана и водорода, ценных производных в виде твердых и жидких удобрений, а также диоксида углерода, аммиака, сероводорода и др.