СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
METHOD OF ANIMAL FARMING WASTES TREATMENT AND RECLAMATION

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству и предназначено для переработки и утилизации отходов животноводческого комплекса в виде помета и других органических веществ, с получением биометана, удобрений, электрической и тепловой энергий. Преимущественная область применения - фермы крупного рогатого скота.
Известен способ для переработки навозных сточных вод, например, свиноводческих комплексов, реализованный линией с технологическими операциями сбора и разделения стока на жидкую и твердую фракции, аэробной очистки жидкой фракции, обработки ила, обеззараживания стока, стабилизации осадка при доведении степени очистки жидкой фракции до параметров, требуемых для сброса ее в водоемы (см., например, книга "Животноводческие комплексы и охрана окружающей среды", авторы Ворошилов Ю.И., Дурыбаев С.Д., Ербанова Л.Н. и др. М.: Агропромиздат, 1991. С.46-48, рис.8).
Недостатками этого способа являются невозможность получения биометана, электрической и тепловой энергии, жидких удобрений из-за отсутствия процессов сбора биогаза и переработки жидких и твердых фракций в тепловую и электрическую энергию.
Известен способ для переработки навоза и других сельскохозяйственных отходов, реализованный в виде комплексной системы, в которой предусмотрены следующие технологические операции: подача навоза и подогретого воздуха в ферментационную емкость, аэрация ферментируемой жижи с конденсированием избыточной влаги, накопление компонентов компостной смеси, отделение из нее грубых включений и измельчение (см. патент Российской Федерации RU 2169450, 2000.11.03).
Недостатками этого способа являются невозможность получения биометана, электрической и тепловой энергии из-за отсутствия процессов сбора биогаза и переработки жидких, а твердых фракций - в тепловую и электрическую энергию.
Известен способ для безотходный очистки стоков фермы, позволяющий проводить метановое брожение жидкой фракции с выделением биогаза, его утилизацию с получением горячей воды, использование полученной горячей воды на обогрев метантенка, газгольдера, сушильных аппаратов, обработку перебродившей биомассы с отделением утилизируемого в качестве удобрения осадка (см. патент Российской Федерации RU 2083510, 1994.08.24).
Недостатками этого способа являются: невозможность получения биометана, электроэнергии и жидких удобрений из-за отсутствия переработки полученной тепловой энергии в электрическую, а также сжигание биогаза вместо твердых фракций помета при выработке тепловой энергии.
Известен способ, в котором с помощью метанового брожения навоза, сепарирования остатков брожения на твердые и жидкие фазы, сжигания биогаза происходит получение тепловой и электрической энергии, жидких и твердых удобрений (см. патент Украины №29997, 2008.02.11).
Недостатками этого способа являются: низкая эффективность процессов переработки отходов при выработке тепловой и электрической энергии из-за сжигания биогаза и неиспользования твердых фракций помета.
Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ, включающий в себя операции по сбору помета, сбраживанию его в анаэробной среде с получением и сбором биогаза, сепарированию перебродившего помета с получением твердой и жидкой фракций, используемых для получения удобрений, с осуществлением утилизации отходящих газов и воздуха из производственных помещений (см. патентный документ SU 836829 А, 1984.03.30).
Однако данный способ имеет недостаточно высокую эффективность процессов переработки и утилизации отходов.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в существенном повышении эффективности процессов переработки и утилизации отходов животноводческого комплекса за счет использования создаваемого биотоплива, экономии получаемого биогаза, повышения энергоотдачи, получения минеральных удобрений и утилизации собственных отходов.
Задача решается тем, что в способе переработки и утилизации отходов животноводческого комплекса собирают помет и подстилочный материал, сбраживают помет в анаэробной среде, получают биогаз при сбраживании помета, сепарируют перебродивший помет на твердую и жидкую фазы, смешивают твердую фазу перебродившего помета и подстилочный материал в однородную массу в виде твердых органических удобрений, часть которой сжигают с образованием тепла, превращают полученным теплом воду, поданную извне, в пар, используют пар для производства электроэнергии и подают ее для собственных нужд и потребителя, причем жидкую фазу перебродившего помета выпаривают до получения сухих концентрированных удобрений, пар при этом преобразуют в воду, которую используют на собственные и потребительские нужды, биогаз очищают путем пропускания через воду, в процессе которого получают биометан с подачей потребителю, а воду насыщают органическими веществами и используют в качестве жидкого удобрения, воздух из производственных помещений собирают и поддерживают процесс горения однородной массы с повышением теплоотдачи, остаток после сжигания однородной массы используют как минеральное удобрение, а отходящий газ очищают от твердых летучих примесей путем пропускания через воду, при этом ее насыщают минеральными веществами и используют в качестве жидкого удобрения, очищенный отходящий газ используют для выработки электроэнергии, который после отработки подают в теплицу.
Совокупность отличительных признаков способа переработки и утилизации отходов животноводческого комплекса обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Графическая часть включает в себя чертеж, на котором изображена функциональная схема способа переработки и утилизации животноводческого комплекса.
Способ переработки и утилизации отходов животноводческого комплекса отображен функциональной схемой (см. чертеж), включающей в себя 12 основных операций: 1 - сбор помета и подстилочного материала, который поступает от животноводческого комплекса; 2 - сбраживание помета, например, при добавлении метаногеновых бактерий и отсутствии доступа воздуха с получением биогаза; 3 - очистка биогаза с получением биометана и жидких органических удобрений; 4 - разделение перебродившего помета с получением его твердой и жидкой фаз; 5 - выпаривание жидкой фазы перебродившего помета с получением сухих органических удобрений и оборотной воды; 6 - измельчение подстилочного материала; 7 - смешивание твердой фазы перебродившего помета и измельченного подстилочного материала с получением твердых органических удобрений и смеси для сжигания; 8 - переработка смеси для сжигания с получением биотоплива; 9 - очищение воздуха, собранного из производственных помещений, с получением жидких органических удобрений и насыщенного воздуха; 10 - сжигание биотоплива при подаче насыщенного воздуха с получением тепловой и электрической энергий и сухих минеральных удобрений; 11 - очистка отходящего газа, образовавшегося при сжигания биотоплива, путем пропускания через воду, с получением жидких минеральных удобрений; 12 - утилизация очищенного отходящего газа. На этом же чертеже показаны следующие входы и выходы: А - воздух из помещений; Б - подстилочный материал; В - биометан; Г - жидкое органическое удобрение; Д - сухие органические удобрения; Е - оборотная вода; Ж - твердые органические удобрения; 3 - сухие минеральные удобрения; И - жидкие минеральные удобрения; К - тепловая энергия; Л - электроэнергия.
Способ реализуют следующим образом. Собирают (1) помет и подстилочный материал для дальнейшей переработки. Помет подают (входная стрелка, блок 2) для метанового сбраживания (2), например, добавляют к сбраживаемой массе метанобразующие бактерии. Собирают и подают (входная стрелка блок 3) биогаз, очищают (3), например с помощью воды, и подают (выходы В и Г, блок 3) потребителю. После завершения цикла брожения в блоке 2 помет подают в блок 4, в котором сепарируют (4). Жидкую фазу после сепарирования подают в блок 5, выпаривают и конденсируют воду (5). Полученную воду возвращают (выход Е, блок 5) на нужды комплекса либо транспортируют (выход Е, блок 5) потребителю. Выход Д, блок 5 - сухой остаток в виде органического удобрения собирают и помещают на хранение.
Подстилочный материал подают (вход Б, блок 6), где измельчают (6) и затем смешивают (блок 7) с твердой фазой перебродившего сепарированного помета. Полученную смесь делят (блок 7) на смесь для сжигания (выходная стрелка, блок 7) и твердые органически удобрения (выход Ж, блок 7). Смесь для сжигания проходит дополнительный процесс подготовки (блок 8) и поступает (блок 10) в печь как экологичное биотопливо. Тепло, полученное при сжигании биотоплива с подачей (выходная стрелка блок 9) насыщенного воздуха, используется для превращения воды, поданной извне, в пар, с помощью которого вырабатывают электроэнергию (выход К, блок 10) в турбогенераторах. Сухой остаток после сжигания биотоплива собирают и подают (выход 3, блок 10) на склад в качестве минеральных удобрений. Отработавший пар используют (выход Л, блок 10) в комплексе либо подают потребителю. Холодную воду собирают с комплекса и от пользователя и подают (вход Е, блок 10).
Помимо пара также используют горячий воздух из печи. После очистки и охлаждения (блок 11) с помощью него генерируют (выход Л, блок 11) электроэнергию, например в турбогенераторах, затем его подают (входная стрелка, блок 12) в теплицу для утилизации оставшихся продуктов горения. А воду, применяемую для очистки отходящего газа, затем сливают и используют в качестве жидкого минерального удобрения.
В качестве примера на реализацию способа возьмем ферму КРС с 50 головами коров. Каждая корова, в среднем, дает 35-60 кг помета в сутки. Также ферма использует примерно 5-10 кг сена/силоса в качестве подстилочного материала и не съеденного корма. Тогда для 50 коров имеем выход: помета - 1,75-3 т и подстилочного материала - 0,25-0,5 т.
Для сбраживания необходимо, чтобы влажность помета составляла ≥90%, а исходная влажность составляет примерно 80%. Тогда на 1,75-3 т помета необходимо добавить 220-380 л воды.
3
3
Известно, что с тонны помета КРС при брожении выделяется 40-60 мбиогаза с содержанием метана 60%, отсюда выход биометана - 24-36 м.
Перебродивший помет сепарируют до влажности в 15%. Допуская потерю массы помета при брожении 20% как выход биогаза и испарение воды, выход твердой фазы перебродившего помета после сепарирования составит 0,35-0,54 т. Далее к этому объему добавляют подстилочный материал, и общая масса получаемой смеси (биотопливо) составит 0,6-1,04 т.
По известным параметрам тепловыделения при сжигании биогаза или биотоплива подсчитаем энергетический баланс.
Зная примерную плотность биогаза, можно подсчитать его массу: 1 кубометр биогаза весит 0,67 кг. При сжигании 1 кг биогаза выделяется энергии 34 МДж, тогда получим, что в сутки будет произведено примерно от 911 до 1367 МДж тепловой энергии.
Принимая, что выделение энергии при сжигании полученного биотоплива (смеси твердой фазы перебродившего помета и подстилочного материала) примерно такое же, как и при сжигании дерева, тогда получим, что в сутки будет произведено примерно 6000-10400 МДж тепловой энергии.
Если взять отношение произведенной энергии, получим, что выработка энергии при сжигании получаемого биотоплива выше, чем при сжигании биогаза от  до
Зная, что в прототипе сжигается биогаз, и за счет этого вырабатывается тепловая и электрическая энергии, и предполагая 50%-ные потери энергии, получим, что эффективность предложенного способа по энергетическому балансу выше в 7,6·50%=3,8 раза в сравнении с прототипом. Экономическая выгода примерно соответствует энергетической выгоде, за вычетом того, что не учитывается доход от производства удобрений, утилизации отходящего газа и реализации биометана.
3
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ переработки и утилизации отходов животноводческого комплекса обеспечивает увеличение выхода биометана примерно на 40 м в сутки за счет того, что не сжигается биогаз. Прирост тепловой и электрической энергий составляет не менее 350% (по расчетам 380%) за счет использования создаваемого биотоплива. Кроме того, повышается экологичность производства за счет утилизации выходящего газа из печи в теплицу или потребителю.