БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС "БИОЧЭК" ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Техническое решение относится к области переработки отходов путем их биологической обработки и может быть использовано при проектировании и строительстве инженерных сооружений для промышленных или сельскохозяйственных целей специального назначения.
Известные традиционные технологии утилизации отходов путем термической переработки [17, с.314] и биологической очистки [17, с.49] в последнее время получают инновационное развитие, особенно в области биологической обработки промышленных и бытовых сточных вод [2-6].
В последние годы запатентованы: полигоны [14, 15] по очистке стоков предприятий нефтеперерабатывающей промышленности, очистки нефтешламов и нефтезагрязненного грунта, метантенки [12, 13] с вентиляционными трубами, система [10] рекультивации нефтезагрязненных поверхностей, установка [4] биологической очистки сточных вод, технология [7] очистки почвы, система [6] очистки сточных вод, система [5] (очистное сооружение) очистки поверхностного стока, очистное сооружение [2], комплекс [1] для переработки твердых бытовых отходов. Перспективным считается [11] использование биологических прудов с использованием в качестве поглотителя загрязнений свежескошенной травы [16], особенно высших водных растений [2, 3, 5, 6].
Так, в известной установке [4] биологической очистки сточных вод, содержащей отстойник (механическое разделение загрязненных вод) и аэротэнк, для повышения качества и производительности очистки использованы устройства рационального смешивания сточных вод с активным илом в аэротэнке. Достаточно высокую степень очистки сточных вод показывают системы очистки (см. например [3, 6]), включающие кроме отстойников биологические пруды, засаженные высшими водными растениями (ВВР).
Наибольшую эффективность, подтвержденную обширной практикой применения [11], дают биологические сооружения [2, 5, 6], включающие совокупность водоемов засаженных ВВР, и мелководных биологических прудов, поверхность которых заселена свободно плавающими неукореняющимися ВВР (ряска, многокоренник, водный гиацинт - Эйхорния). Как правило, такие водоемы [2, 5, 6] с ВВР выполнены в виде открытых водных бассейнов, поэтому использование их ограничено при низких температурах, а создание отапливаемых теплиц на очистных сооружениях для их круглогодичной работы, в общем случае, считается высокозатратным.
Одним из последних известных запатентованных технических решений является очистное сооружение [2], содержащее группу сообщающихся водоемов и средства гидроботанической обработки воды водной растительностью, которые выполнены в виде обособленного водоема с ВВР Эйхорния в качестве водной растительности. При такой технологии [2] круглогодичная очистка загрязненных вод обеспечивается периодической (сезонной) сменой традиционных физико-механических средств обработки воды во вневегатационный период ВВР на средства биологической обработки воды посредством ВВР Эйхорния в вегетационный период с соответствующей перенастройкой циркуляции воды в очистном сооружении. Таким образом, в технологии [2] делается акцент на установленные [11] исключительные адсорбционные свойства и способности ВВР Эйхорния, являющееся одним из наиболее активных видов ВВР, по очищению воды (поглощению загрязнений), по переработке иловых отложений, по подавлению болезненных бактерий и микроорганизмов, по ускорению разложения нефтепродуктов, по накапливанию тяжелых металлов.
Технология [2] является специфической, но, учитывая свойства Эйхорнии как поглотителя, не использует, однако, ее уникальные возможности как производителя биогаза.
Таким образом, основным препятствием для широкого круглогодичного применения тропического теплолюбивого растения Эйхорния в средних широтах является невозможность ее использования при понижении температуры в осенне-зимний период (ниже 16°С), поскольку создание теплых водоемов для эффективного функционирования ВВР является сложным и высокозатратным и может быть целесообразным только в особых условиях при удовлетворении оптимального комплексного критерия производства (процесса) «сложность-стоимость-эффективность» (получение максимальной эффективности при приемлемых сложности и стоимости).
Задачу круглогодичного применения ВВР Эйхорния вне тропических зон (средние широты) с учетом этого комплексного критерия можно решить при использовании свойств Эйхорнии не только как очистителя вод и поглотителя загрязнений и ила (деструктора органических и неокисленных минеральных соединений), но и при реализации уникального свойства этого ВВР как высокоэффективного симбионта бактерий метанообразования, процесс которого сопровождается спонтанным саморазогревом смеси отходов и биомассы ВВР Эйхорния. С учетом известных технологий [2, 3 и др.], являющихся аналогами предлагаемого технического решения в части обработки отходов, и введением нового концептуального подхода к очистке отходов с одновременным получением биогаза-метана может быть создан самодостаточный автономный комплекс «очистное сооружение - энергоблок» без внешнего энергопотребления.
В части общей структуры и функционирования предлагаемого комплекса одним из близких аналогов является комплекс [1] для переработки твердых бытовых отходов, который состоит из следующих основных узлов: модуль подготовки отходов, измельчитель, смеситель отходов, система газификации сырья (СГС) и последовательно соединенные с выходом СГС компрессор, газгольдер и энергоблок. Однако, комплекс является специфическим и предназначен для переработки только твердых отходов и их газификации.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании комплекса (специальное название: Биоэнергетический комплекс «БиоЧЭК»), реализующего пионерную, не имеющую аналогов технологию круглогодичной вне зависимости от климатической зоны глубокой биологической переработки загрязнений сточных вод, ила и других отходов с самодостаточным для процесса автономной работы очистного сооружения производством электро- и тепловой энергии, которое обеспечивается биогазом-метаном, выработанным при взаимодействии биомассы ВВР Эйхорния со сточными водами и/или промышленными и бытовыми отходами.
Основной технический результат изобретения - синергетический эффект круглогодичной глубокой биологической переработки отходов при одновременном производстве электро- и тепловой энергии, достаточной для автономной работы комплекса и передачи ее внешнему потребителю. Замкнутое высокоэкологичное бесперебойное производство с использованием ВВР Эйхорния вне зависимости от климатической зоны и температуры окружающей среды ускоряет процесс устранения загрязнений и бактериального разложения нефтепродуктов, подавляет болезнетворные бактерии и микроорганизмы, обеспечивает наиболее полное извлечение тяжелых металлов и тем самым позволяет достигнуть оптимального критерия функционирования комплекса «сложность-стоимость-эффективность».
Технический результат в предложенном биоэнергетическом комплексе «БиоЧЭК» достигается следующим образом.
Биоэнергетический комплекс для утилизации отходов содержит модуль подготовки отходов, измельчитель, смеситель отходов, систему газификации сырья (СГС) и последовательно соединенные с выходом СГС компрессор, газгольдер и энергоблок.
Отличительной особенностью комплекса является то, что модуль подготовки отходов представляет собой модуль очистных сооружений (МОС) для гидроботанической переработки отходов, в том числе сточных вод и/или иловых отложений, водной растительностью, система газификации сырья СГС размещена в закрытом помещении с теплой кровлей и представляет собой модуль производства газообразного биотоплива-биогаза (МПГ), а энергоблок выполнен в виде газотурбинной теплоэлектростанции (ГТЭС). При этом модуль МОС содержит, по крайней мере, один отстойник и, по крайней мере, один биопруд, поверхность которого заселена свободно плавающими неукореняющимися высшими водными растениями - макрофитами (ВВР), например водным гиацинтом (Эйхорнией), а модуль МПГ содержит измельчитель биомассы ВВР, гомогенизатор и, по крайней мере, один метантенк для газификации сырья с получением биогаза-метана. Причем вход отстойника является входом подачи отходов в биоэнергетический комплекс, первый выход отстойника посредством трубопровода соединен с первым входом гомогенизатора, второй выход отстойника связан с биопрудом, выход которого посредством трубопровода соединен через измельчитель биомассы ВВР с вторым входом гомогенизатора, выход которого соединен трубопроводом с входом метантенка, используемого для обогрева размещенной под теплой кровлей СГС, а выход метантенка через компрессор и газгольдер соединен газопроводом биогаза-метана с входом ГТЭС, которая имеет выход электроэнергии, соединенный с входами аппаратуры электропотребления в СГС, и выход уходящих дымовых газов, соединенный с дополнительной установкой теплоснабжения СГС, в том числе подогрева биопруда.
В конкретных случаях выполнения комплекса количество отстойников и биопрудов модуля МОС очистных сооружений, а также количество метантенков модуля МПГ производства биогаза-метана составляет два или более.
Отличием комплекса является то, что гомогенизатор модуля МПГ выполнен с возможностью гомогенизации ила и других отходов с измельченной биомассой ВВР Эйхорния в массовом соотношении 1:1.
Кроме того, комплекс отличается тем, что метантенк модуля МПГ выполнен с возможностью обеспечения при переработке смеси ила и других отходов с измельченной биомассой ВВР Эйхорния высокотемпературного процесса метанообразования при температуре от 70 до 90°С.
При этом ГТЭС имеет дополнительные выходы электроэнергии и тепловой энергии на установки потребления, внешнего по отношению к СГС.
Биоэнергетический комплекс также отличатся тем, что система газификации сырья СГС включает блок управления и контроля, информационные и управляющие входы-выходы которого соединены с соответствующими информационно-управляющими входами-выходами всех узлов СГС.
Вход отстойника может являться входом подачи в биоэнергетический комплекс биоотходов от птицефабрики, или коровника, или свинофермы, или другого животноводческого сельскохозяйственного предприятия, при этом дополнительные выходы для внешнего потребления электро- и тепловой энергии ГТЭС подключены к энергоустановкам этих сельскохозяйственных предприятий.
В другом случае вход отстойника является входом подачи в биоэнергетический комплекс отходов от стоков предприятий нефтеперерабатывающей промышленности или полигонов очистки нефтешламов и нефтезагрязненного грунта.
Кроме того, гомогенизатор может иметь дополнительный вход для подачи измельченной рисовой соломы для последующей ее утилизации.
Сущность технического решения поясняется чертежом с изображением блок-схемы биоэлектрического комплекса «БиоЧЭК», где использованы следующие обозначения:
1 - газотурбинная теплоэлектростанция (ГТЭС);
2 - система газификации сырья (СГС), размещенная в закрытом помещении под теплой кровлей;
3 - модуль очистных сооружений (МОС) для гидроботанической переработки отходов;
4 - модуль производства газообразного биотоплива-биогаза (МПГ);
5 - блок управления и контроля (БУК) СГС;
6 - отстойники;
7 - биопруды, поверхность которых заселена ВВР Эйхорния;
8 - измельчитель биомассы ВВР;
9 - гомогенизатор;
10 - метантенки для плучения биогаза-метана;
11 - компрессор;
12-газгольдер;
13 - выход электроэнергии ГТЭС для аппаратуры электропотребления в СГС;
14 - выход уходящих дымовых газов для теплоснабжения СГС и подогрева биопруда 7;
15, 16 - дополнительные выходы электро- и тепловой энергии ГТЭС на установки внешнего потребления;
17 - дополнительный вход для рисовой соломы.
Работа биоэнергетического комплекса «БиоЧЭК» заключается в следующем.
На входы отстойников 6 модуля МОС 3 поступают отходы в виде сточных вод и активного ила. Отстойники 6 комплекса могут являться вторичными по отношению к внешним (первичным) отстойникам очистных сооружений, полей орошения, дорожных стоков, иловых площадок, нефтеочистных полигонов и т.п. (см. [17, с.356]). В отстойниках 6 под действием силы тяжести происходит осаждение примесей (загрязнений) при малых скоростях потока. С выходов отстойников 6 стоки поступают в биопруды 7, поверхность которых заселена плавающими неукореняющимися ВВР Эйхорния, где происходит интенсивный процесс деструкции органических и неокисленных минеральных соединений, содержащихся в загрязненных водах. При этом ВВР Эйхорния, поглощая загрязнения, быстро наращивают свою биомассу [11], которая подается в измельчитель 8 и, далее, в гомогенизатор 9, куда также поступает активный ил из отстойников 6. После перемешивания в гомогенизаторе 9 ила и других отходов с измельченной биомассой ВВР Эйхорния, предпочтительно в массовом соотношении 1:1, смесь поступает в метантенки 10 модуля 4 производства биогаза-метана. В метантенках 10, благодаря уникальным свойствам ВВР Эйхорния как симбионта бактерий метанообразования происходит интенсивный процесс образования и накапливания метана (перерабатывается в метан до 60% биоила и биомассы ВВР Эйхорния), который сопровождается спонтанным саморазогревом смеси отходов и измельченной массы Эйхорнии до температуры от 70 до 90°С. Как показывают промышленные испытания, средняя температура саморазогрева метантенка 10 в процессе метанообразования составляет 78-80°°С, что вполне достаточно для отопления помещения, где размещены СГС 2, отстойники 6 и биопруды 7, и создания тепличных условий (псевдотропического климата) для интенсивного развития и роста массы ВВР Эйхорния. Блок 5 БУК служит для управления работой СГС 2 и контроля текущих параметров всех узлов СГС (температуры в биопрудах 7, степени заполнения гомогенизатора 9 и метантенков 10, температуры метантенков, объема накопленного метана и др.).
Производимый в метантенках 10 метан посредством компрессора 11 перекачивается в газгольдер 12, где накапливается с последующим поступлением на вход газотурбинной теплоэлектростанции ГТЭС 1. При этом выработанная электроэнергия с выхода 13 ГТЭС 1 обеспечивает аппаратуру электропотребления СГС 2, в том числе измельчитель 8, гомогенизатор 9, систему освещения и вентиляции и др., а также используется для снабжения внешних электроустановок с выхода 15 (например, сельскохозяйственных ферм [9], установок по рекультивации болот [10], комплексов по производству риса [8], рисовая солома с которых может поступать на дополнительный вход 17 гомогенизатора 9, или других предприятий). Уходящие дымовые газы, являющиеся теплоносителем, с выхода 14 ГТЭС 1 могут обеспечивать дополнительное теплоснабжение СГС 2, либо с выхода 16 - теплоснабжение внешних потребителей. При этом метантенк 10 используется как основной источник тепла для создания тепличных условий в СГС 2, а теплоснабжение СГС 2 с выхода 14 ГТЭС 1 является резервным и может использоваться при значительном понижении температуры окружающей среды или в высоких широтах с суровым климатом.
Предложенное техническое решение в отличие от известных технологий позволяет реализовать технический результат по оптимизации комплексного критерия «сложность-стоимость-эффективность», т.е. достигнуть высокой эффективности при приемлемой сложности и минимальной стоимости работ, за счет синергии круглогодичной глубокой биологической переработки отходов с одновременным производством электро- и тепловой энергии, достаточной для автономной работы комплекса «БиоЧЭК» и передачи ее внешнему потребителю.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 61844 U1, 10.03.2007 (прототип).
2. RU 47349 U1, 27.08.2005 (аналог).
3. RU 2200802 С1, 20.03.2003 (аналог).
4. RU 2114793 С1, 10.07.1998 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
5. RU 2137884 С1, 20.09.1999.
6. RU 49526 U1, 27.11.2005.
7. RU 2175580 С2, 10.11.2001.
8. RU 2320427 С2, 27.03.2008.
9. RU 70743 U1, 20.02.2008.
10. RU 36273 U1, 10.03.2004.
11. Информационный обзор способа очистки (доочистки) вод с применением Эйхорнии (водного гиацинта). Хронология: Эйхорния в центральной прессе, на центральном телевидении. © 1999-2009 webmaster: http://www.essentuki.com.
12. RU 44335 U1, 10.03.2005.
13. RU 05414 U1, 16.11.1997.
14. RU 51538 U1, 27.02.2006.
15. RU 61162 U1, 27.02.2007.
16. RU 2329200 С1, 20.07.2008.
17. Новый политехнический словарь / Под ред. А.Ю.Ишлинского. - М.: Большая Российская энциклопедия. 2003. - 671 с.