Способ переработки органических отходов и биогазовая установка для его осуществления

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложена биогазовая установка и способ переработки органических отходов. Биогазовая установка включает приемную емкость, блок предварительной подготовки биомассы, подающий патрубок, сливной патрубок, газгольдер, компрессор, группу параллельно работающих биореакторов. Входные патрубки биореакторов подключены к подающему патрубку через систему распределительных трубопроводов, выходные патрубки биореакторов соединены со сливным патрубком через сливную трубопроводную систему. Патрубки отвода газа биореакторов соединены с газгольдером через газовую трубопроводную систему, при этом сливной патрубок снабжен гидропомпой и соединен со сливной емкостью через гидрозатвор. Каждый из биореакторов содержит несущие элементы с заселенными микроорганизмами. Несущие элементы представляют собой цилиндрические каркасы. Цилиндрические каркасы поддерживаются на расстоянии 3-6 см друг от друга. Способ включает подготовку биомассы, подачу подготовленной биомассы на группу однотипных биореакторов, создание нисходящих парциальных потоков биомассы и поддерживание постоянного уровня находящейся в биореакторах биомассы. Изобретения обеспечивают увеличение количества перерабатываемого сырья и повышение удельной производительности на единицу объема биореактора. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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.

1. Биогазовая установка для переработки органических отходов, 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, отличающаяся тем, что 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, обеспечивающей удаление пузырьков газа с несущих элементов, и соединен со сливной емкостью через гидрозатвор, выполненный по принципу сообщающихся сосудов, для поддерживания биомассы в каждом биореакторе на заданном уровне, а каждый из биореакторов содержит заселенные микроорганизмами несущие элементы, создающие вертикальные протоки для биомассы, при этом 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 3-6 см с помощью распорных стержней.

2. Биогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что гидропомпа выполнена с электромагнитным приводом.

3. Биогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что приемная и сливная емкости снабжены датчиками верхнего и нижнего уровня.

4. Биогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что биореакторы выполнены с термоизоляцией.

5. Способ переработки органических отходов с помощью биогазовой установки по п. 1, включающий подготовку биомассы путем повышения влажности, измельчения и нагревания, последующую анаэробную обработку подготовленной биомассы в биореакторе, отвод образующегося газа и вывод сливной жидкости, отличающийся тем, что 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 емкость через гидрозатвор, выполненный по принципу сообщающихся сосудов, при этом периодически удаляют пузырьки газа с несущих элементов в биореакторах за счет встряхивания биомассы, при этом биомассу измельчают до размеров частиц, сопоставимых с размерами бактерий, а влажность биомассы поддерживают в пределах от 93% до 98% в зависимости от вида перерабатываемого сырья.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что анаэробную обработку в биореакторах ведут в термофильном режиме.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что анаэробную обработку в биореакторах ведут в мезофильном режиме.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что встряхивание биомассы осуществляют с помощью гидропомпы на выходном патрубке сливной жидкости.