СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROCESSING ORGANIC WASTES AND BIOGAS PLANT THEREFOR

Группа изобретений относится к области биотехнологии и может быть использована для анаэробной переработки органических отходов животного и растительного происхождения с получением органических удобрений и производства биогаза.
Большие объемы органических отходов, образующихся в процессе деятельности сельскохозяйственных и животноводческих предприятий, в том числе навоза и птичьего помета, сложность реализации инженерно-технических задач их подготовки, переработки и утилизации указывают на необходимость использования разнообразных способов решения проблемы эффективной переработки органических отходов.
Известна биогазовая установка по патенту RU 118963 U1, МПК С12М 1/00, опубл. 10.08.2011, которая содержит биореактор, корпус которого выполнен с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство, включающее вертикальный газопровод, переходящий в горизонтальные отводы. Биореактор выполнен в виде одной камеры, а также содержит компрессор для откачивания биогаза и перемешивания биомассы в биореакторе за счет пропускания биогаза через биомассу при помощи труб с односторонними клапанами, устройство прогрева биомассы выполнено в виде теплообменника с теплоносителем, который нагревается в котле электричеством или газом. Дополнительно биогазовая установка может содержать насос для подачи жидких органических удобрений в емкость, расположенную выше уровня биогазовой установки, или в сепаратор для преобразования жидких органических удобрений в твердые. Недостатком полезной модели по патенту RU 118963 является низкая удельная производительность, значительное потребление энергии на собственные нужды.
Известны способ и установка для утилизации навоза по «евротехнологии», описанные W. Romaniuk в своей книге под названием "Ecological systems of manure and liquid manure management" («Управление экологическими системами навоза и жидких удобрений»), IBMER, Warszawa 2000. Утилизация навоза по «евротехнологии» основана на нагревании навоза в теплообменниках до температуры 35°С, перекачивании подогретого навоза в бродильный чан таким образом, чтобы количество ферментированного навоза, покидающего бродильный чан и поступающего в камеры для сбора навоза, соответствовало количеству свежего навоза, изначально поданного в камеру. Навоз, помещенный в бродильный чан, претерпевает анаэробное превращение биомассы в биогаз под действием метановых мезофильных бактерий в течение более чем 20 дней при интенсивном перемешивании три раза в день. Полученный в результате биогаз сжигают в камере сгорания либо используют в качестве газового топлива для газовых двигателей генераторов электрического тока с водяным охлаждением. Часть возвращенного тепла используют для подогрева свежего навоза, помещенного в бродильный чан.
Установка для утилизации навоза состоит из предварительного резервуара для удобрения, теплообменников "удобрение/удобрение" и "вода/удобрение", бродильного чана, аппарата для десульфуризации биогаза, сборника биогаза. Аналогичные системы используют при утилизации навоза вместе с растительными и другими органическими отходами.
Известные способ и устройство имеют недостаточную производительность из-за дискретного режима работы и требуют энергозатрат на перемешивание биомассы.
Известен патент на изобретение RU 2377191, МПК C02F 3/00, опубл. 27.12.2009 (конвенционный приоритет: 29.10.2003 DE 10350502.4), «Реактор и способ анаэробной очистки сточных вод», в котором описан гибридный реактор анаэробной очистки сточных вод, обеспечивающий комбинацию работающего с микроорганизмами-гранулами способа UASB (Upflow Anaerobis Sludge Blanket) и иммобилизации микроорганизмов в неподвижном слое, который выполнен в виде расположенных параллельно несущих элементов, находящихся в средней части реактора. Несущие элементы выполнены в виде плит и расположены параллельно, так что между этими несущими элементами в вертикальном направлении имеются пути протекания.
Несущие элементы выполнены пористыми для протекания и из материала, образованного, по существу, соединенными между собой полимерными и керамзитовыми частицами. Плиты расположены друг от друга на расстоянии 3-6 см, в частности предпочтительно расстояние в 3,5-5,5 см. Несущие элементы расположены, если смотреть сверху на поперечное сечение реактора, тангенциально в пакетах, образующих сегменты шестиугольника. Другие расположения также возможны, например расположения прямоугольных пакетов, пакетов с основной формой многоугольника или расположения с криволинейными плитами. На несущих элементах при работе реактора происходит обрастание микроорганизмами.
Доля объема реактора, занятая несущими элементами с микроорганизмами, в реакторе по патенту RU 2377191 составляет 15-40%, что снижает его производительность.
Известны способ и устройство для обработки сточных вод по патенту US 6709591 В1, МПК C02F 3/28, опубл. 23.03.2004. Способ включает подачу вниз сточных вод, содержащих органические загрязнения, в биореактор, содержащий слой активных анаэробных гранул, и поддержание контакта с гранулами в течение периода времени, достаточного для снижения уровня органических примесей в сточных водах, и периодическую откачку газа. Устройство для очистки сточных вод включает камеру реактора, содержащую слой активных анаэробных гранул; и насос для подачи сточных вод в камеру реактора с нисходящим потоком.
Недостатком известных способа и устройства для обработки сточных вод по патенту US 6709591 является уменьшение активной поверхности из-за соприкосновения анаэробных гранул.
В патенте DE 4309779 A1, опубл. 29.09.1994 (RU 2144004 C1, МПК C02F 3/00, C02F 3/10, В29С 43/00, опубл. 10.01.2000), описан биореактор с неподвижным слоем для осуществления способа, который включает подачу вниз жидкостей, содержащих органические загрязнения, и поддержание контакта с несущими элементами, заселенными микроорганизмами в течение периода времени, достаточного для снижения уровня органических примесей, и периодическую откачку газа. Способ и устройство по патенту DE 4309779, 1994 г. приняты в качестве прототипа для заявляемого способа и устройства, соответственно.
Несущий элемент имеет пористую структуру, поры которой приспособлены для пропускания жидкости и заселения микроорганизмами. Несущие элементы выполнены предпочтительно из частичек пластмассы, соединенных друг с другом под воздействием тепла, например из частиц полиэтилена средней плотности.
Кроме того, несущий элемент содержит измельченные частицы керамзита, которые сами по себе являются микропористыми. Между частицами пластмассы и керамзита также образуются поры.
Несущие элементы представляют собой плоские образования с толщиной, которая, по сравнению с поверхностью элементов-носителей, незначительна. Несущие элементы поддерживаются на расстоянии друг от друга с помощью распорных стержней, благодаря чему определяются пути протекания (протоки) между несущими элементами.
Для встраивания в биореактор несущие элементы собирают в пакет (блок биологической загрузки), который устанавливают в некоторое подобие рамы. Рама состоит, в основном, из четырех вертикальных угловых профилей на углах пакета несущих элементов. Эти угловые профили вверху и внизу соединены друг с другом в каждом случае с помощью четырех соединительных прутков. В виде такой целой конструкции пакет несущих элементов устанавливают на днище биореактора.
Известные способ и устройств по патенту DE 4309779 имеют производительность, которая обусловлена конечной скоростью прохождения жидкости для очистки через биореактор. Увеличение производительности за счет увеличения объема биореактора приводит к необходимости построения капитального сооружения, требующего больших затрат на его изготовление.
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа и биогазовой установки с увеличенным количеством перерабатываемого сырья и повышенной удельной производительностью на единицу объема биореактора.
Применительно к способу задача решается тем, что в способе переработки органических отходов, включающем подготовку биомассы путем повышения влажности, измельчения и нагревания, последующую анаэробную обработку подготовленной биомассы в биореакторе, отвод образующегося газа и вывод сливной жидкости, согласно изобретению подготовленную биомассу подают на группу однотипных одновременно работающих вертикальных трубчатых биореакторов, в каждом из которых с помощью несущих элементов, заселенных микроорганизмами, создают нисходящие парциальные потоки биомассы и поддерживают постоянный уровень находящейся в биореакторах биомассы за счет подачи сливной жидкости по выходному патрубку в сливную емкостью через гидрозатвор, выполненный по принципу сообщающихся сосудов, при этом периодически удаляют пузырьки газа с несущих элементов в биореакторах за счет встряхивания биомассы.
Технический результат в способе достигается также тем, что:
биомассу измельчают до размеров частиц, сопоставимых с размерами бактерий;
влажность биомассы поддерживают в пределах от 93% до 98% в зависимости от вида перерабатываемого сырья;
анаэробную обработку в биореакторах ведут в термофильном или в мезофильном режиме;
встряхивание биомассы осуществляют с помощью гидропомпы на выходном патрубке сливной жидкости.
Применительно к устройству задача решается тем, что биогазовая установка, включающая соединенные трубопроводами приемную емкость, перекачивающий насос, блок предварительной подготовки биомассы, подающий насос, подогреватель и подающий патрубок, сливной патрубок, сливную емкость, соединенную со сливным насосом, и газгольдер, соединенный с воздушным компрессором, согласно изобретению, содержит группу однотипных параллельно работающих вертикальных трубчатых биореакторов, входные патрубки биореакторов объединены системой распределительных трубопроводов, подключенной к подающему патрубку, выходные патрубки биореакторов объединены сливной трубопроводной системой, соединенной со сливным патрубком, патрубки отвода газа биореакторов объединены газовой трубопроводной системой, соединенной с газгольдером, при этом сливной патрубок снабжен гидропомпой и соединен со сливной емкостью через гидрозатвор, выполненный по принципу сообщающихся сосудов, а каждый из биореакторов содержит заселенные микроорганизмами несущие элементы, создающие вертикальные протоки для биомассы.
Технический результат в устройстве достигается также тем, что:
датчик температуры биомассы установлен на подающем патрубке;
приемная и сливная емкости снабжены датчикам верхнего и нижнего уровня;
биореактор выполнен с термоизоляцией;
несущие элементы выполнены в виде коаксиально расположенных цилиндрических каркасов, на наружной и/или внутренней поверхности которых установлен слой материала с пористой структурой для удерживания анаэробных микроорганизмов, при этом цилиндрические каркасы поддерживаются на расстоянии друг от друга с помощью распорных стержней.
Увеличение количества перерабатываемого сырья и повышенная удельная производительностью на единицу объема биореактора достигаются:
использованием группы однотипных параллельно работающих вертикальных трубчатых биореакторов с нисходящим потоком биомассы;
поддержанием постоянного уровня биомассы, находящейся в каждом биореакторе, за счет подачи сливной жидкости по выходному патрубку в сливную емкость через один гидрозатвор, выполненный по принципу сообщающихся сосудов;
удалением пузырьков газа с несущих элементов в каждом биореакторе за счет встряхивания биомассы с помощью одной гидропомпы на выходном патрубке сливной жидкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - структурная схема биогазовой установки;
на фиг. 2 - биореактор, продольное сечение;
на фиг. 3 - биореактор, поперечное сечение.
На фиг. 1-3 введены обозначения:
1 - биореактор;
2 - входной патрубок биореактора;
3 - выходной патрубок биореактора;
4 - патрубок отвода газа биореактора;
5 - приемная емкость;
6 - перекачивающий насос;
7 - блок предварительной подготовки биомассы;
8 - подающий насос;
9 - подогреватель;
10 - подающий патрубок;
11 - датчик температуры;
12 - сливной патрубок;
13 - гидропомпа;
14 - гидрозатвор;
15 - сливная емкость;
16 - сливной насос;
17 - газгольдер;
18 - воздушный компрессор;
19 - система распределительных трубопроводов;
20 - сливная трубопроводная система;
21 - газовая трубопроводная система;
22 - корпус биореактора;
23 - несущие элементы;
24 - цилиндрический каркас;
25 - слой материала с пористой структурой;
26 - распорные стержни;
27 - проток;
28 - термоизоляция.
Описанный способ переработки органических отходов совместим с описанием биогазовой установки для его осуществления.
Биогазовая установка содержит группу однотипных параллельно работающих вертикальных трубчатых биореакторов 1. Входные патрубки 2 биореакторов объединены системой распределительных трубопроводов 19, подключенной к подающему патрубку 10. Выходные патрубки 3 биореакторов объединены сливной трубопроводной системой 20, соединенной со сливным патрубком 12. Патрубки 4 отвода газа биореакторов объединены газовой трубопроводной системой 21, соединенной с газгольдером 17. Сливной патрубок 12 снабжен гидропомпой 13 и соединен со сливной емкостью 15 через гидрозатвор 14, выполненный по принципу сообщающихся сосудов. Чтобы избежать излишней детализации, различные вспомогательные элементы трубопроводов и запорная арматура условно не показаны.
Биомасса поступает в приемную емкость 5, из которой с помощью перекачивающего насоса 6 подается в блок 7 предварительной подготовки биомассы, в котором биомассу измельчают до размеров частиц, сопоставимых с размерами бактерий, и поддерживают влажность биомассы в пределах от 93% до 98% в зависимости от вида перерабатываемого сырья. Затем биомассу с помощью подающего насоса 8 попускают через подогреватель 9, где нагревают биомассу до температуры в зависимости от выбранного термофильного или мезофильного режима брожения. В термофильном режиме больше затраты по теплообеспечению режима брожения, но зато скорость брожения значительно ускоряется. Для уменьшения затрат по теплообеспечению биореакторы выполнены с термоизоляцией 28. Контроль температуры ведут с помощью датчика 11 температуры, подключенного к подающему патрубку 10.
Подготовленная биомасса через систему 19 распределительных трубопроводов поступает в биореакторы 1 в виде нисходящие потоков. В корпусе 22 биореактора расположены несущие элементы 23, которые предпочтительно могут быть выполнены в виде коаксиально расположенных цилиндрических каркасов 24, на наружной и/или внутренней поверхности которых установлен слой материала 25 с пористой структурой для удерживания анаэробных микроорганизмов. Цилиндрические каркасы 24 поддерживаются на расстоянии друг от друга с помощью распорных стержней 26.
Цилиндрические каркасы 24 предпочтительно располагают друг от друга на расстоянии 3-6 см для обеспечения ширины парциального протока 27, при которой происходит активная очистка. В качестве материала с пористой структурой предпочтительно используют волокнистый полимерный материал толщиной 5-10 мм, обладающий развитой поверхностью адгезии. В качестве материала для цилиндрических каркасов 24 целесообразно применение пластиковой сетки, обеспечивающей достаточную жесткость конструкции.
Скорость подачи биомассы выбирают из условия поддержания контакта с несущими элементами, заселенными микроорганизмами, в течение периода времени, достаточного для снижения уровня органических примесей. Переработанная микроорганизмами биомасса по сливной трубопроводной системе 20 через сливную систему трубопроводов 20, сливной патрубок 12, снабженный гидропомпой 13, и гидрозатвор 9 поступает в сливную емкость 10, из которой перекачивается сливным насосом 16.
Гидропомпа 13, которая может быть выполнена, например, с электромагнитным приводом, предназначена для удаления пузырьков газа с несущих элементов путем периодического встряхивания биомассы в каждом биореакторе 1 за счет передачи ударного воздействия, производимого одной гидропомпой 13 на сливную жидкость, проходящую через сливной патрубок 12.
Образующийся в биореакторах 1 биогаз через газовую трубопроводную систему 20 поступает в газгольдер 17, из которого производят откачку газа с помощью воздушного компрессора 18.
С помощью одного гидрозатвора 14, выполненного по принципу сообщающихся сосудов, обеспечивают поддержание биомассы в каждом биореакторе 1 на заданном уровне. Приемная 5 и сливная 15 емкости, для поддержания заданного в них уровня биомассы, снабжены датчикам верхнего и нижнего уровня.
Предлагаемая биогазовая установка реализована в мобильном варианте на основе 40 футового контейнера с габаритами: длина - 12,19 м, ширина - 2,44 м, высота - 2,9 м, с размещением в нем группы из 80 биореакторов диаметром 0,45 м и высотой 2 м. При работе в термофильном режиме биогазовая установка перерабатывает не менее 60 тонн органических отходов в сутки.