Аппарат метанового брожения

 

Изобретение может быть использовано при утилизации свиного навоза с выработкой биогаза, биоудобрения, белково-витаминной добавки, дейтерия. Аппарат включает сборник жидкого навоза, сообщенный с биреактором. Последний выполнен из камер кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, снабженных патрубками и сообщенных друг с другом диспергаторами. Камера метанового брожения по биогазу сообщена с газосборником, а по осветленной бражке - с ферментатором. Последний включает корпус с технологическими патрубками и установленными по высоте корпуса перфорированными перегородками, образующими секции. На перегородках размещена иммобилизационная насадка, а секции сообщены с нагнетателем воздуха. Нижняя секция ферментатора сообщена патрубком с микрофильтром с нежесткой фильтровальной перегородкой. Патрубком отвода осадка биомассы аэробов из корпуса эта секция сообщена с дезинтегратором. Последний содержит корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками, установленный по оси корпуса ротор с впадинами, взаимодействующими через жидкостной кольцевой канал с выступами и впадинами корпуса, снабженного упругой водопроницаемой накладкой, образующей полость с корпусом, разобщенную от всасывающего и нагнетательного патрубков. Полость патрубком сообщена с ленточным пресс-фильтром. Сборник последнего сообщен со следующей ступенью дезинтегратора, который в свою очередь через сборник сообщен со следующей ступенью дезинтегратора. Последний патрубком сообщен с приемной камерой электролиза и через полупроницаемые перегородки - с катодной и анодной секциями. Катодная секция сообщена со сборником дейтерия и со сборником щелочного раствора, который в свою очередь сообщен с камерой щелочного раствора биореактора. Изобретение позволит повысить эффективность брожения. 1 ил.

Изобретение относится к области утилизации жидкого навоза, удаляемого с товарных свиноферм гидросмывом и гидросплавом с выработкой белково-витаминной добавки /БВД/, дейтерия, кислорода воды для технических нужд.

Известен аппарат метанового брожения, включающий сборник жидкого навоза, сообщенный с биореактором, выполненным из камер кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, снабженных патрубками и сообщенных друг с другом через диспергаторы, причем камера брожения по биогазу сообщена с газосборником, а по осветленной бражке - с ферментатором, включающим корпус с технологическими патрубками, с установленными по высоте корпуса перфорированными перегородками, образующими секции, с размещенной на перегородках иммобилизационной насадкой, а секции сообщены с нагнетателем воздуха /патент РФ N 2102468, кл. C 12 M 1/00, 1995/, недостатком которого является низкая щелочность субстрата в камере щелочного брожения биореактора, что снижает эффективность процесса метанового брожения.

Цель изобретения - повышение эффективности метанового брожения - достигается тем, что нижняя секция ферментатора сообщена с центробежным микрофильтром с нежесткой фильтровальной перегородкой, патрубком отвода осадка биомассы аэробов сообщена с дезинтегратором, содержащим корпус со всасывающим и нагнетательными патрубками, установленный по оси корпуса ротор с впадинами, взаимодействующими через жидкостной кольцевой канал с выступами и впадинами корпуса, снабженного упругой водопроницаемой накладкой, образующей полость с корпусом, разобщенную от всасывающего и нагнетательных патрубков, при этом полость сообщена патрубком с ленточным пресс-фильтром, сборник дезинтеграта которого сообщен со следующей ступенью дезинтегратора, который в свою очередь через сборник сообщен с последующей ступенью дезинтегратора, а последний патрубком сообщен с приемником камеры электролиза и через полупроницаемые перегородки - с катодной и анодной секциями, причем катодная секция сообщена со сборником дейтерия и со сборником щелочного раствора, который в свою очередь сообщен с камерой щелочного брожения биореактора.

Средой для жизнедеятельности метаногенов является щелочная. Подвод щелочного раствора создает подпор кислому раствору из камеры кислого брожения, а это создает благоприятные условия для жизнедеятельности метаногенов, т.е. выполнение цели изобретения.

На чертеже схематически показан аппарат метанового брожения комплексной утилизации свиного навоза.

Особенностью свиного навоза является низкое содержание углерода в сравнении с азотом, т.е. 11:1, в то время как для нормальной жизнедеятельности анаэробов необходимо доведение соотношения углерода к азоту 20:1. Отсюда особенности аппарата метанового брожения, включающего сборник 1 жидкого навоза, сообщенный с биореактором 2, выполненным из камер; 3 - кислого, 4 - нейтрального, 5 - щелочного, 6 - метанового брожения, снабженных патрубками 7 и 8 и сообщенных друг с другом диспергаторами 9, причем камера 6 метанового брожения по биогазу сообщена с газосборником 10, а по осветленной бражке - с ферментатором 11, включающим корпус 12 с технологическими патрубками 13 и 14, с установленными по высоте корпуса 12 перфорированными перегородками 15, образующими секции 16, с размещенной на перегородках 15 иммобилизационной насадкой 17, а секции 16 сообщены с нагнетателем воздуха 18. Нижняя секция 16 сообщена патрубком 14 с микрофильтром 19 с нежесткой фильтровальной перегородкой 21, патрубком 22 отвода осадка биомассы аэробов из корпуса 23 сообщена с дезинтегратором 24, содержащим корпус 25 со всасывающим патрубком 26 и нагнетательным 27, установленный по оси корпуса 25 ротор 28 с впадинами 29, взаимодействующими через жидкостной кольцевой канал 30, с выступами 31 и впадинами 32 корпуса 25, снабженного упругой водопроницаемой накладкой 33, образующей полость 34 с корпусом 25, разобщенную от всасывающего 26 и нагнетательного 27 патрубков, при этом полость 34 патрубком 35 сообщена ленточным пресс-фильтром 36, сборник дезинтеграта 37 которого сообщен со следующей ступенью дезинтегратора 38, который в свою очередь через сборник 39 сообщен со следующей ступенью дезинтегратора 40, а последний патрубком 41 сообщен с приемной камерой 42 электролиза и через полупроницаемые перегородки 43 с катодной 44 и анодной 45 секциями, причем катодная 44 секция сообщена со сборником 46 дейтерия и со сборником 47 щелочного раствора, который в свою очередь сообщен с камерой 5 щелочного брожения. Диспергатор 9 включает цилиндрический корпус 48 со всасывающим 49 и нагнетательным 51 патрубками, установленный по оси корпуса 48 ротор 52 с выступами 53 и впадинами 54, взаимодействующими через жидкостной кольцевой канал 55 с выступами 56 и впадинами 57 корпуса 48. Биореактор 2 по шламу сообщен с ленточным пресс-фильтром 58, а его сборник 59 сообщен с патрубком 13 ферментатора 11.

Аппарат метанового брожения - биореактор 2 в установке утилизации жидкого свиного навоза работает следующим образом.

Свиной навоз гидросмывом и гидросплавом поступает в сборник 1, где его освобождают от минеральных взвесей осаждением и корректируют по углероду, чтобы соотношение углерод:азот находилось в пределах 20:1. Субстрат сбраживают последовательно в камерах 3-6 при измельчении взвесей в диспергаторах 9 между выступами 53 ротора 52 и выступами 56 корпуса 48. При сбраживании газообразные продукты брожения поднимают взвеси и образуют на поверхности камер, а они заполнены на 4/5 объема, поверхностные ассоциаты взвесей. Разрушение ассоциатов взвесей делает доступным для усвоения биогенные вещества кислотогенами, ацетогенами, ацетогидрогенами и т.д. Срезающие воздействия выступов 53 ротора 52 о выступы 56 корпуса 48 доводят размеры взвесей до размеров, сопоставимых с размерами микроорганизмов, что обеспечивает исчерпывание биогенных элементов и минерализацию взвесей. При выбросе субстрата из впадин 54 ротора 52 скоростной напор переходит в статический во впадинах 57 корпуса, такие трансформации напоров осуществляются многократно за время перемещения субстрата от всасывающего патрубка 49 к нагнетательному 51 с отсечкой отсекателем 50. Пульсации напоров сопровождаются их потерями, которые переходят в тепловую и нагревают субстрат до температуры 24-36^oC. Образующийся биогаз из камеры 6 метанового брожения отводится в газосборник 10 для использования. Шлам из камеры 5 поступает в ленточный пресс-фильтр 58 и из него отжимают бражку в сборник 59. На выходе из ленточного пресс-фильтра получают лепешку удобрения, лишенного запаха. Осветленная бражка из сборника 59 и вода из нагнетательных патрубков 27 дезинтеграторов 24, 38, 40 через патрубок 13 поступает в ферментатор 11. В условиях иммобилизации /прилипания/ на насадке 17 образуется биопленка, которая исчерпывает из воды растворенные примеси, причем в микрофлоре биопленки насадки 17 наблюдается АВТОСЕЛЕКЦИЯ: малопродуктивные микроорганизмы отмирают, а развиваются адаптированные к изменению состава растворенных примесей по высоте корпуса 12 популяции микроорганизмов. Одновременно в биопленке насадки 17 вырабатывается способность к СУКЦЕССИИ, т.е. продукты жизнедеятельности /метаболиты/ микроорганизмов выше лежащих секций 26 усваиваются микроорганизмами ниже лежащих секций 16. Перемещение воды сверху вниз происходит за счет ее провала через перфорацию перегородок 15, когда сила тяжести слоя воды превышает напор воздуха, создаваемый нагнетателем /вентилятором/ 18. Вода из нижней секции 16 ферментатора 11 по патрубку 14 поступает в центробежный микрофильтр 19, на нежесткой фильтровальной перегородке 21 которой отделяют воду и отводят из корпуса 23 по патрубку 20 в факеле распыла. Осадок биомассы аэробов в смеси с фрагментами биопленки из патрубка 22 микрофильтра 19 поступает в патрубок 26 дезинтегратора 24. При вращении ротора 28 вода выбрасывается из впадин 29, при движении воды в виде жидкостного поршня, между жидкостным поршнем и впадиной 29, ее днищем создается разрежение и в жидкостном поршне появляются пузырьки пара. При контакте жидкостного поршня с выступами 31 и впадинами 32 пузырьки пара конденсируются, так как объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, из которого он образовался, во впадинах 32 образуются пустоты, которые заполняются гидравлическими ударами новыми порциями жидкостных поршней. Центрами конденсации являются бактерии-аэробы, оболочки которых разрушаются. Аэробы в ферментаторе 11 накапливали тяжелую воду, коэффициент накопления K_н = 10⁷ - 10⁹ и концентрация тяжелой воды в протоплазме аэробов составляет 0,4 - 0,6% от массы бактерий. Тяжелая вода в сравнении протиевой /H₂O/ имеет более высокую температуру кипения, поэтому она медленнее испаряется за счет тепла конденсации паровых пузырьков и быстрее конденсируется. Отсюда во впадинах 32 происходит концентрация тяжелой воды /D₂O/. Тяжелая вода имеет плотность на 20% превышающую плотность легкой и в поле центробежных сил проходит через отверстия упругой пористой накладки 33 в полость 34. Накоплению тяжелой воды способствует повышенная вязкость, на 23% превышающая вязкость протиевой воды. Смесь протиевой и дейтериевой воды по патрубку 35 поступает в ленточный пресс-фильтр 36, в котором отделяют биомассу, которую направляют для корректировки углеродного состава свиного навоза в сборнике 1, а избыточную биомассу используют в качестве белково-витаминной добавки на корм свиней из расчета 1 г а.с.в. на 1 кг живого веса. Из сборника 37 смесь протиевой и дейтериевой воды поступает во вторую ступень дезинтегратора 38, в которой происходит в поле центробежных сил дезинтеграция ассоциатов молекул протиевой и дейтериевой воды с обогащением последней. Обогащенная дейтериевая вода из дезинтегратора 40 по патрубку 41 поступает в приемную камеру 42 электролиза, в которой в анодной секции 45 образуется кислый раствор с отделением кислорода, а в катодной - щелочной раствор, который из сборника 47 направляют в камеру 6 биореактора 2 для подщелачивания субстрата и стабилизации щелочной среды в камере 6 метанового брожения, необходимой для жизнедеятельности метаногенов, завершающей операции анаэробного брожения - выработки метана. Дейтерий из сборника 46 используют в термоядерных реакторах. 1 кг дейтерия при термоядерном распаде эквивалентен сгоранию 10 тыс. т угля.

Выработка биогаза, биоудобрении, БВД и дейтерия позволяет рентабельно утилизировать свиной навоз, с оздоровлением экологической обстановки вокруг товарных свиноферм. Биогаз после его осушки из газосборника 10 используют в качестве горючего газовой турбины привода генератора постоянного тока для камеры 42 электролиза. Постоянный ток используют для отделения бактерий на нежесткой фильтровальной перегородке 21 микрофильтра 19, а это позволяет отделять патогенную микрофлору перед использованием воды из патрубка 20 для гидросмыва и гидросплавом навоза. Одновременно в ферментаторе 11 и в микрофильтре 19 при аэрировании происходит насыщение воды кислородом, что повышает ее качественные показатели. Упругие свойства накладки 33 предупреждают биообрастание и предупреждают снижение ее проницаемости при работе. Полупроницаемая перегородка 43 в камере электролиза 42 предупреждает смешение кислого и щелочного растворов.

Формула изобретения

Аппарат метанового брожения, включающий сборник жидкого навоза, сообщенный с биреактором, выполненным из камер кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, снабженных патрубками и сообщенных друг с другом диспергаторами, причем камера метанового брожения по биогазу сообщена с газосборником, а по осветленной бражке - с ферментом, включающим корпус с технологическими патрубками, с установленными по высоте корпуса перфорированными перегородками, образующими секции, с размещенной на перегородках иммобилизационной насадкой, а секции сообщены с нагнетателем воздуха, отличающийся тем, что нижняя секция ферментатора сообщена патрубком с микрофильтром с нежесткой фильтровальной перегородкой, патрубком отвода осадка биомассы аэробов из корпуса сообщена с дезинтегратором, содержащим корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками, установленный по оси корпуса ротор с впадинами, воздействующими через жидкостной кольцевой канал с выступами и впадинами корпуса, снабженного упругой водопроницаемой накладкой, образующей полость с корпусом, разобщенную от всасывающего и нагнетательного патрубков, при этом полость патрубком сообщена с ленточным пресс-фильтром, сборник которого сообщен со следующей ступенью дезинтегратора, который, в свою очередь, через сборник сообщен со следующей ступенью дезинтегратора, а последний патрубок сообщен с приемной камерой электролиза и через полупроницаемые перегородки - с катодной и анодной секциями, причем катодная секция - со сборником дейтерия и со сборником щелочного раствора, который, в свою очередь, сообщен с камерой щелочного раствора биореактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1