Ферментер для ускоренной переработки отходов животноводства в органическое удобрение
FERMENTER FOR ACCELERATED PROCESSING OF ANIMAL WASTE INTO ORGANIC FERTILIZER

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к изготовлению органических удобрений из различных видов помета, трупов животных и птиц в животноводческих предприятиях, пищевых отходов, отложений бытовых сточных вод.
Из существующего уровня техники известны следующие технические решения:
- установка для обезвреживания и приготовления удобрений из органических отходов (RU 2040515 C1, 25.07.1995) путем анаэробного сбраживания с последующим разделением на твердую, жидкую и газообразную фазы, которая содержит биореактор с изолирующим утепляющим кожухом и перемешивающее устройство, при этом бродильная камера биореактора представляет собой горизонтальный цилиндр, разделенный вертикальной диафрагмой на две неравные части, и в большей части ниже оси цилиндра установлен водяной обогревающий радиатор, а в центральной его части перемешивающее устройство, выполненное в виде механически вращаемого колеса с лопастями мельничного типа, влагоотделитель и газосборник соединены общим трубопроводом и установлены за биореактором последовательно, при этом обогрев осуществляется путем сжигания газа;
- система ускоренной аэробной переработки биомассы (RU 2579787 C1, 10.04.2016), которая содержит устройство подготовки перерабатываемой жидкой среды, термостатированный корпус с патрубками ввода сырья и отбора готового продукта, патрубками ввода газа и отбора его избытка (при этом используется технический кислород или озон), устройство для аэрации от воздушного нагнетателя, мешалку биомассы с электроприводом, при этом устройство для аэрации размещено в корпусе и выполнено в виде пустотелого шнека с отверстиями, на шнеке закреплена вдоль корпуса рейка-скребок, а к патрубку отбора среды на выходе готового жидкого продукта подключен сепаратор, выход с отсепарированной жидкостью которого, через вентили, подключен к входам устройства подготовки перерабатываемой жидкой среды, которое выполнено из последовательно соединенных насоса-экструдера, сборника исходного сырья, электрогидравлической дробилки и смесительной камеры;
-  устройство аэробной ферментации органических отходов (GB2162195A, 29.01.1986), содержащее двойной резервуар, гибкую мембрану (крышку), прикрепленную к верхней части резервуара, и снабженную надувной трубчатой частью, впускное и выпускное отверстия, устройство перемешивания, теплообменник и устройство для снабжения и отвода газа, и дополнительные блоки перемешивания, при этом сырье подвергается поэтапному перемешиванию путем перемещения его через отдельные отсеки резервуара.
Недостатками известных технических решений являются сниженная эффективность, использование сжигаемого горючего газа либо технического кислорода и озона в качестве источника подогрева, что в свою очередь повышает вероятность возникновения пожара, и загрязнение окружающей среды.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение заключается в повышении эффективности утилизации различных видов помета, трупов животных и птиц, пищевых отходов, отложений бытовых сточных вод, сокращение загрязнения окружающей среды, а также расширение производственной цепочки животноводческих хозяйств, и повышение добавленной стоимости их продукции.
Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является увеличение производительности ферментера, за счет сокращения времени производственного цикла, обеспечение производственного цикла дополнительной тепловой энергией, расходуемой на собственные нужды предприятия, и сокращение энергозатрат, увеличение срока службы ферментера, путем повышения износостойкости применяемых узлов.
Технический результат обеспечивается ферментером для ускоренной переработки отходов животноводства в органическое удобрение, состоящим из контроллера, герметичной цистерны, выполненной в форме цилиндрической емкости, с двойными стенками, при этом внешняя стенка цистерны изготовлена из оцинкованной стали, внутренняя - из нержавеющей стали, а между внешней и внутренней стенкой расположен теплоизолирующий наполнитель, и закрепленной вертикально на основании, содержащем храповый механизм, два гидроцилиндра, два вентилятора, четыре воздушных фильтра и гидростанцию, а также имеющей отверстие загрузки и устройство выгрузки сырья, подъемник для доставки сырья к отверстию загрузки, внутри цистерны вертикально смонтирован вал, выполненный с вертикальным каналом, с закрепленными на нем смешивающими лопастями, расположенными в верхнем, среднем и нижнем уровнях цистерны, при этом лопасти нижнего уровня выполнены с полыми горизонтальными каналами, в нижних стенках которых выполнены отверстия, направленные вертикально вниз, а полость вертикального канала нижней части вала соединена с горизонтальными каналами лопастей нижнего уровня цистерны, и систем магистралей, которые последовательно соединяют цистерну, теплообменник кожухотрубный и дезодоратор, при этом под устройством выгрузки сырья размещен конвейер для приема и отгрузки готовой продукции на склад.
В общем виде процесс переработки сырья (отходов, помета и т.д.), в конечный продукт - органическое удобрение, заключается в перемешивании в аэробной среде в одной емкости, и основан на принципе ферментации аэробными бактериями. Бактерии поглощают органические вещества и остаточный белок из экскрементов и трупов птиц и быстро размножаются при определенной температуре, влажности и уровне кислорода. При этом бактерии, поглощая органические вещества из экскрементов и останков птицы, белки и кислород, вырабатывают аммиак, углекислый газ, сероводород, метилмеркаптан и водяной конденсат.
На рис. 1-5 представлена конструкция ферментера для ускоренной переработки отходов животноводства в органическое удобрение.
Внешний вид и пример монтажа ферментера представлен на рис. 1,2, конструкция, основные элементы и внутреннее устройство ферментера - на рис 3-5.
3
Ферментер состоит из бетонного фундамента 19 (рис.4), периметром 6х9 м, на котором установлено основание 20 (рис.4). На основание устанавливается, и, способом болтового соединения, крепится цистерна 7 (рис.4), выполненная в форме цилиндрической емкости, объемом 102 м, диаметром 6000 мм и высотой 8846 мм, смонтированная вертикально на основании. Цистерна 7 имеет отверстие загрузки 13 (рис.4) в верхнем основании цилиндрической емкости для подачи сырья внутрь, а также - устройство выгрузки сырья 24 (рис.3.3) в нижнем основании цилиндрической емкости, для выгрузки материала, прошедшего плановый цикл ферментации. По периметру верхнего края цистерны, способом ручной дуговой сварки, установлено ограждение 10 верхней площадки 12 (рис.3.1). Также на верхнем основании цистерны на четырех несущих металлических опорах смонтирована крыша 11 (рис.3.1 и рис.4), препятствующая попаданию осадков внутрь цистерны. Способом ручной дуговой сварки и способом болтового соединения к краю верхнего основания цистерны крепится лестница 2 (рис.3.1), предназначенная для выполнения персоналом ежедневных работ по эксплуатации и обслуживанию ферментера. Внутри цистерны вертикально смонтирован вал 23 (рис.5) с закрепленными на нем смешивающими лопастями 17.1-17.11 (рис.5), расположенными на трех уровнях цистерны (верхнем, среднем и нижнем). Во внутреннем пространстве основания размещается машинное отделение, состоящее из: храпового механизма 4 (рис.3.1 и рис.5), двух гидроцилиндров 5 (рис.3.1 и рис.5), двух вентиляторов 3 (рис.3.1 и рис.5), четырех воздушных фильтров 16 (рис.5), гидростанции 14 (рис.3.2 и рис.5), при этом два гидроцилиндра, два вентилятора, четыре воздушных фильтра и гидростанция крепятся к каркасу основания 6 (рис.5), во внутреннем пространстве, способом болтовых соединений. На поверхности цистерны способом болтового соединения смонтирован подъемник 8 (рис.3.1 и рис.4) для доставки сырья к отверстию загрузки, который включает в себя ковш 22 (рис.4), а также - гидравлический подъемник 21 (рис.4), оснащенный собственным вертикальным гидроцилиндром, обеспечивающим подъем и опускание ковша. Теплообменник кожухотрубный 1 (рис.3.1 и рис.4), установлен на фундаменте, соединен поливинилхлоридными (ПВХ) магистралями 25 (рис. 3.3 и рис. 4) с внутренним пространством основания 20 и цистерной 7, и полипропиленовой (ПП) магистралью 26 (рис. 3.1, рис. 3.3 и рис. 4) с верхней частью цистерны 7 и дезодоратором 18 (рис.4). Дезодоратор 18, установленный на фундаменте, связанный с теплообменником кожухотрубным 1 ПП - магистралью 26, предназначен для очистки загрязненного воздуха. Также, на поверхности фундамента устанавливается контроллер 9 (рис.3.1 и рис.4), выполняющий функцию шкафа управления ферментером. Конвейер 15 (рис.3.2), предназначенный для выгрузки готового сырья размещается к цистерне, при этом нижняя часть конвейера располагается непосредственно под отверстием выгрузки.
Общая характеристика элементов конструкции ферментера для ускоренной переработки отходов животноводства в органическое удобрение, представленных на рис.3-5:
3
- цистерна 7 (рис.4), полностью герметична, процесс брожения, протекающий внутри пространства цистерны, не подвержен влиянию температуры окружающей среды, что позволяет обеспечить непрерывный круглогодичный производственный цикл и достичь промышленных стандартов производства удобрения из перегноя. Герметичность цистерны 7 не дает газам, образующимся в процессе ферментации, проникнуть в окружающую среду, и исключает опасность вторичного загрязнения. Цистерна 7 выполнена с цельным стальным дном и боковыми поверхностями с двойными стенками, при этом внешняя стенка изготовлена из оцинкованной стали, внутренняя - из нержавеющей стали, а между внешней и внутренней стенкой размещен путем заливки теплоизолирующий наполнитель. В качестве наполнителя используется заливной закрытоячеистый пенополиуретан, обладающий плотностью ≥45кг/м. Данный материал отличается низким коэффициентом теплопроводности, устойчивостью к воздействиям влажной среды, а также характеризуется упругой и однородной структурой. Совокупность указанных конструктивных особенностей цистерны 7 гарантирует пользователю соблюдение температурного режима, повышающего эффективность производственного цикла, а также обеспечивает непрерывный круглогодичный цикл эффективной ферментации сырья. Сильное разрежение, существующее во внутреннем пространстве цистерны 7 (относительно внешнего пространства, окружающего корпус цистерны) активно препятствует утечкам газовой смеси из отверстия загрузки и отверстия выгрузки, гарантируя герметичность цистерны 7. Разрежение обеспечивается непрерывной работой вытяжного мотора, установленного в верхней части теплообменника и предназначенного для перемещения массы загрязненной газовой смеси из внутреннего пространства цистерны 7 в теплообменник 1 и далее - в дезодоратор 18 по ПП - магистрали 26.
- смешивающие лопасти 17.1-17.11 (рис.5) предназначены для перемешивания сырья и подачи воздушной смеси, при этом смешивающие лопасти 17.1-17.5, расположенные внутри пространства цистерны 7 на первом (нижнем) уровне, предназначены как для перемешивания массы ферментируемого сырья, так и для подачи внутрь пространства цистерны 7 воздушной смеси, прошедшей через четыре фильтра воздушной очистки 16 и обогащенной необходимым количеством кислорода и тепловой энергии. В каждой из этих лопастей организованы полые горизонтальные каналы, а в нижних стенках каналов выполнены отверстия, направленные вертикально вниз и сообщающиеся с пространством цистерны в нижнем уровне. Таким образом, реализована функция питания массы ферментируемого материала кислородом и теплом для обеспечения эффективности процесса ферментации, и сокращения времени на ферментацию сырья. Смешивающие лопасти 17.6-17.11, выше первого (нижнего) уровня цистерны 7, расположенные в среднем и верхнем уровнях, служат лишь для механического перемешивания массы сырья и не имеют питающих воздушных каналов. Размещение лопастей внутри пространства цистерны 7 на различных высотных уровнях позволяет повысить эффективность производственного цикла работы ферментера за счет исключения образования зон застоя сырьевого материала и снижения скоплений вредной для аэробных бактерий микрофлоры.
- теплообменник кожухотрубный 1 (рис.4), позволяет повторно использовать тепло, генерируемое в процессе ферментации, и предназначен для передачи тепловой энергии нагретой загрязненной газовой смеси, отводимой из внутреннего пространства цистерны 7, через него по ПП-магистрали 26, диаметром 315 мм, к дезодоратору 18. Тепловая энергия передается массе прохладной воздушной смеси, богатой кислородом, прошедшей через четыре фильтра воздушной очистки 16 и возвращаемой в подогретом состоянии из теплообменника 1 по ПВХ-магистралям 25, диаметром 160 мм, обратно во внутреннее пространство цистерны 7. Теплообменник 1, выполненный на трех опорных стойках, имеет высокую устойчивость к опрокидыванию и размещается на фундаменте без каких-либо дополнительных крепежных элементов.
- контроллер 9 (рис.4) обеспечивает функцию как ручного, так и автоматического управления работой ферментера. Внутри контроллера располагается процессор, электрические пускатели и электрические автоматы защиты, при этом при помощи процессора, обеспечивается в автоматическом режиме исполнение машинных функций управления работой ферментера.
- гидроцилиндры 5 (рис.5), размещены в ферментере, во внутреннем пространстве основания 20. Пара гидроцилиндров создаёт приложение пары сил для вращения основного вала 23, что позволяет ферментеру работать при полной загрузке цистерны 7 сырьем, и обеспечивает высокую надежность работы ферментера.
- вентиляторы 3 (рис.5), расположены во внутреннем пространстве основания. Пара вентиляторов непрерывно подает по ПВХ-магистралям 25, и далее по вертикальному воздушному каналу основного вала 23 и смешивающим лопастям 17.1-17.5 первого (нижнего) уровня, внутрь пространства цистерны 7, воздух, содержащий необходимые для ферментации кислород и тепло. До подачи внутрь пространства цистерны 7 воздух проходит через четыре воздушных фильтра 16, улавливающих пыль и иные механические примеси. Пара вентиляторов 3, расположенных во внутреннем пространстве основания 20, предназначена для обеспечения принудительного наддува воздушной смеси, обогащенной кислородом и теплом, по воздушным каналам смешивающих лопастей 17.1-17.5 первого (нижнего) уровня внутрь пространства цистерны.
- устройство выгрузки сырья 24 (рис.3.3) представляет собой металлическую подвижную заслонку, размещенную в плоскости нижнего основания во внутреннем пространстве цистерны 7, перемещаемую над отверстием выгрузки 13 под действием усилия гидроцилиндра 5 в положение «открыто» или «закрыто». Органическое удобрение, полученное в результате завершенной ферментации, выгружается из емкости на ленточный конвейер 15 через окно выгрузки 13, расположенное в днище цистерны 7.
- конвейер выгрузки сырья 15 (рис. 3.2) представляет собой наклонный ленточный транспортер. Нижняя часть конвейера выгрузки сырья располагается непосредственно под устройством выгрузки сырья 24 и не имеет жесткого крепления (механической связи) с основанием 20 ферментера. Конвейер 15 предназначен для приема готовой продукции из отверстия выгрузки 13 и дальнейшего перемещения ее для складирования в вентилируемом закрытом помещении или на открытой площадке под навесом.
- дезодоратор 18 (рис.4) предназначен для дезодорации и обеззараживания воздуха, поступающего из внутреннего пространства теплообменника 1, и позволяет эффективно нейтрализовать аммиак и другие ядовитые газы (метилмеркаптан, сероводород), образующиеся в процессе ферментации. В процессе размножения ферментирующие бактерии поглощают органические газы в качестве питательных веществ и разлагают вредные примеси, содержащиеся в этих газах на углекислый газ и воду. Диапазон концентраций для использования системы относительно широкий, процесс эксплуатации простой, вторичное загрязнение практически исключено. При этом, чем длительнее непрерывный ферментационный цикл, тем более эффективной и стабильной будет усвоение и переработка газов бактериями. После обработки в дезодораторе 18 очищенный воздух выводится из верхней части дезодоратора 18 в пространство окружающей среды.
Все контактирующие с сырьем детали вала 23 и лопастей 17.1-17.11 выполнены из стали марки Q235B, обладающей высоким пределом текучести, высокой прочностью на разрыв, а также износостойкостью, что предотвращает коррозию и увеличивает срок службы ферментера, а благодаря использованию заливного закрытоячеистого пенополиуретана в качестве теплоизолирующего материала, данный ферментер может работать при высокой влажности, в холодном климате и горных районах с неровностями ландшафта.
При первом запуске ферментера к загружаемому сырью требуется добавить ферментирующие бактерии. При последующих загрузках, повторное внесение бактерий не требуется, бактерии внутри емкости обеспечивают непрерывную ферментацию. В дальнейшем необходимо ежесуточно догружать сырье, чтобы в емкости оптимально сочетались и поддерживались: уровень наполнения, процесс эффективного перемешивания, а также температурно-влажностный режим и режим приточно-вытяжной вентиляции, являющиеся необходимыми условиями для обеспечения жизнедеятельности ферментирующих бактерий. При этом максимальная скорость размножения ферментирующих бактерий обеспечит ферментацию отходов животноводства.
Последовательность цикла ферментации заключается в следующем:
Перед первой загрузкой сырья (непосредственно после завершения монтажа ферментера) путем визуального считывания данных, выводимых на панель отображения информации контроллера 9, персонал производит проверку параметров рабочего цикла ферментера, заданных изначально заводом-изготовителем, таким образом, чтобы в автоматическом режиме, вал 23 и смешивающие лопасти 17.1-17.11 совершали круговое вращение в следующем рабочем цикле: «период движения смешивания 548 секунд - период покоя 400 секунд». В течение 365 дней данный рабочий цикл является основным, а его временные параметры, выраженные в секундах, не подлежат корректировкам и фиксируются в качестве оптимальных, обеспечивающих успешное протекание суточного цикла ферментации. По истечении 365 дней эксплуатации ферментер полностью освобождается от продукции и сырья, находящихся внутри цистерны 7 и останавливается для проведения работ по плановому ежегодному обслуживанию. Плановое ежегодное обслуживание занимает 4-5 рабочих дней.
Сырье для ферментации загружается в ковш 22 и с помощью подъемника 8 через отверстие загрузки 13 выгружается в цистерну 7. При запуске рабочего цикла храповый механизм 4, приводимый в движение толкающими штоками пары основных гидроцилиндров 5, передает воздействие пары сил на вал 23 для вращения смешивающих лопастей 17.1-17.11, причем смешивающие лопасти 17.1-17.5, обеспечивают не только перемешивание, но и питание массы ферментируемого материала кислородом и теплом для обеспечения заданной эффективности процесса ферментации, далее вентиляторы 3 и ПВХ-магистраль 25 обеспечивает непрерывный наддув и подачу воздуха через полость вертикального канала нижней части вала 23 в горизонтальные каналы лопастей 17.1-17.5 нижнего уровня цистерны 7 для запуска и поддержания непрерывного цикла аэробной реакции внутри ферментера. Чистый холодный воздух, перемещается по ПВХ-магистрали 25 из внутреннего пространства основания 20 во внутреннее пространство теплообменника кожухотрубного 1, принудительно подогревается в пространстве теплообменника 1 и нагнетается внутрь цистерны 7. При принудительной подаче воздуха по ПВХ-магистралям 25 внутрь емкости, активируется аэробная реакция, сырье нагревается до 45°С, начинается рост бактерий, а при последующем возрастании температуры до 60-70°С осуществляется процесс ферментации. Последовательность заключается в следующем: при 45-70°С происходит размножение бактерий; при температуре 60-70°С (непосредственно процесс активной ферментации) уничтожаются вредные и патогенные бактерии, личинки паразитов и другие опасные элементы из экскрементов и трупов сельскохозяйственных животных, а полезные бактерии при такой температуре, влажности и кислотности продолжают существование. При этом, излишнее тепло и влага отводятся из внутреннего пространства цистерны 7 в теплообменник кожухотрубный 1, а загрязненный воздух из теплообменника 1 перемещается далее по ПП-магистрали 26 в дезодоратор 18, где проходит фазу водяного фильтрования до полной нейтрализации запаха аммиака. В дезодораторе 18, отдавшая значительную часть тепла загрязненная газовая смесь, перемещаемая в его внутреннее пространство методом принудительного наддува, эффективно очищается от аммиака, сероводорода и метилмеркаптана методом мокрой физической абсорбции. В качестве поглотителя используется вода. Далее, при добавлении свежих экскрементов и трупов сельскохозяйственных животных в цистерну 7, процесс ферментации и обеззараживания этих отходов развивается исключительно за счет ферментирующих бактерий, без необходимости внесения дополнительных химических веществ и активирующих добавок. Внутреннее пространство цистерны 7 условно разделено на три уровня: верхний уровень внутреннего пространства цистерны 7 - это свежее, недавно загруженное сырье, средний уровень внутреннего пространства цистерны 7 - уровень органического материала, находящегося в стадии активной ферментации, нижний уровень внутреннего пространства цистерны 7 занимает готовый к выгрузке продукт. Далее готовый к выгрузке продукт через устройство выгрузки сырья 24 поступает на конвейер выгрузки сырья 15, который перемещает готовый продукт на склад.
Таким образом, в ферментере для ускоренной переработки отходов животноводства в органическое удобрение за счет тепловой энергии, получаемой от одного носителя и передаваемой во внутреннем пространстве теплообменника 1 другому носителю, и многократно используемой в цистерне 7 для эффективной ферментации, обеспечивается снижение общего расхода электроэнергии и повышение энергоэффективности ферментера. При этом, дополнительно, в случаях, когда сборка и монтаж ферментера произведены не на открытой местности, а в специально возведенных (либо реконструированных для этой цели) зданиях и сооружениях, ПП-магистрали 26, отводящие загрязненный воздух от внутреннего пространства цистерны 7 к теплообменнику 1, а затем - к дезодоратору 18, позволяют успешно обогревать пространства закрытых помещений, поскольку обладают высокой теплопроводностью и также способствуют повышению энергоэффективности ферментера. Кроме того, реализованный в предлагаемом ферментере цикл подогрева и очистки воздуха, без дополнительной стимуляции процесса с применением сторонних газов, способствует уменьшению загрязнения окружающей среды за счет существенного снижения вредных выбросов.
Основные технические характеристики ферментера:
высота бака (мм) - 5500;
3
внутренний объем (м) - 102;
общий вес (т) - не менее 28;
3
объем бункера (м) - 1,3;
3
пропускная способность (м/день) - 10-15 (включая отходы навоза и
птицы с влажностью 70%);
3
производительность (м/день) - 4-5 (с влажностью около 30-35%);
источник питания - 380V, 50Hz;
нижний вентилятор (Kw) - 22;
гидравлическая станция (Kw) - 9,7;
вентилятор с принудительной тягой (Kw) - 3;
установка силовая с подогревом (КВт) - 40,9;
рабочая мощность (КВт) - около 25.
Совокупность признаков заявленного технического решения позволяет сократить время, затрачиваемое на производство органического удобрения, обеспечить производственный цикл дополнительной тепловой энергией, что в общем приводит к снижению расхода энергии, затрачиваемой на изготовление конечного продукта.
3
3
Ежедневная выгрузка при внесении 10-15 м свежего помета влажностью 70%, составит 4-5 м готового удобрения. Полученный после ферментации субстрат можно использовать напрямую как удобрение или в сочетании с другим органическим удобрением.
При использовании заявленного изобретения, в результате успешной ферментации, предприятие-изготовитель получает удобрение высокого качества, предназначенное для внесения в почвы сельскохозяйственных полей, фруктовых садов и для использования в процессах рекультивации почв.