Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОПРОДУКТОВ И ЭНЕРГИИ ИЗ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО КУРИНОГО ПОМЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области интенсивного птицеводства, реализуемого на промышленной (фабричной) основе в условиях крупных птицефабрик и ферм. В более узком смысле предлагаемое изобретение предназначено для реализации на птицефабриках (фермах) с клеточным (батарейным) содержанием птицы, в первую очередь, наиболее широко распространенных кур яичного и мясного направлений, с влажностью удаляемого помета свыше 92%. В основу предлагаемых способа и устройства положена анаэробная переработка с получением биогаза и обеззараженного стабилизированного продукта, пригодных для генерирования электрической и тепловой энергии и получения таких биопродуктов - удобрений и белково-витаминных добавок (премиксов) соответственно.

Предлагаемое изобретение может быть использовано на животноводческих комплексах (фермах), на которых:

-предъявляются повышенные требования к охране окружающей природной среды;

-предъявляются повышенные требования к качеству органических удобрений и затруднена возможность организации непрерывного цикла их производства и использования;

-имеется повышенная потребность в собственных энергоносителях.

В наибольшей степени преимущества предлагаемого технического решения реализуются при переработке бесподстилочного куриного помета.

Известны способы и устройства аналогичного назначения, применяемые для анаэробной переработки бесподстилочного навоза, помета сельскохозяйственных животных, птицы, а также органических полисубстратов со сходными свойствами, например осадков сооружений биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.

В кн. Лозановской И.Н., Орлова Д.С., Попова П.Д. «Теория и практика использования органических удобрений», М.: ВО «Агропромиздат», 1987, с. 75-77 представлены способ анаэробной переработки бесподстилочного навоза в биогаз и обеззараженный, стабилизированный биопродукт эффлюент, пригодный для приготовления твердых и жидких органических удобрений и кормовых добавок, и технологическая схема для его реализации. Биогаз используется для совместной выработки электрической и тепловой энергии для собственных нужд и нужд фермы (фабрики). При этом жидкая фракция обогащена аммиаком, в твердой фракции отсутствуют жизнеспособные семена сорняков. В сравнении с традиционными видами удобрений применение удобрений на основе эффлюента позволяет увеличить урожайность основных сельскохозяйственных культур на 15-30%; использование кормовых добавок дает возможность заменить до 10 - 15% основных кормов. Так как анаэробная переработка осуществляется в полностью закрытых биореакторах - метантенках, а полученный в них метан полностью сгорает при энергогенерации, достигается значительный экологический эффект за счет устранения эмиссии в атмосферу наиболее опасного парникового газа - метана. Например, применительно к птицефабрике на 500000 кур-несушек сокращение метановой эмиссии составляет не менее 800 т/год.

Основным недостатком аналога является высокий уровень капитальных вложений в основное оборудование из-за значительных объемов основных сооружений, метантенков обусловленных низкими удельными нагрузками по органическому веществу из-за потребности в дополнительном времени для гидролиза крупных органических включений (взвесей), различных кинетических характеристик процессов кислото- и метаногенеза, высокого содержания аммонийного азота - до 8 г/л, и ряда других причин. В результате продолжительность пребывания помета в анаэробном биореакторе может достигать 50 суток (см. Баадер В., Доне Е. И др. «Биогаз: теория и практика». М.: Колос, 1982, с. 24.). Другими недостатками являются: достаточно высокая вероятность проскока нестабилизированного органического вещества, приводящая к высоким значениям БПКп жидкой фракции и значительным остаточным газовыделениям при последующем хранении эффлюента и его фракций, а также потери аммонийного азота при хранении. В результате увеличиваются капитальные и энергетические затраты на доочистку жидкой фракции, происходит вторичное загрязнение атмосферы парниковыми и дурнопахнущими газами, ухудшается качество удобрений.

В известной степени указанные недостатки устранены в технических решениях, приведенных в кн. Яковлева СВ., Воронова Ю.В. «Водоотведение и очистка сточных вод», М.: АСВ, 2004, стр. 472-475. Применение фазового разделения процесса анаэробной обработки исходного субстрата позволяет добиться рационального распределения времени основного цикла обработки между кислотообразующим и метаногенерирующим биореакторами, в которых поддерживаются оптимальные для каждой фазы условия. При этом быстродействующий кислотообразующий биореактор обеспечивает метаногенерирующий биореактор сбалансированным по составу питательным субстратом, что приводит к существенному улучшению кинетических показателей метаногенеза. При этом суммарная продолжительность анаэробной обработки снижается; при продолжительности кислотообразующей фазы до 2,5 сут длительность метаногенерирующей фазы не превышает 10-14 сут. Таким образом, суммарный объем наиболее капиталоемких анаэробных сооружений также снижается; сокращение объема может достигать 50 и более %. Температурный режим обработки в обоих биореакторах устанавливается в зависимости от типа субстрата и технологических ограничений; применительно к куриному помету оптимальной является схема «мезофильный - термофильный режимы» (Тарасов С.И., Ковалев А.А., Мерзлая Г.Е. и др. «Эффективность применения эффлюента», сб. научных трудов ВНИПТИОУ, вып. 2 «Научные основы и технологии производства и применения органических удобрений», М-В.: ВНИПТИОУ, 1999). При фазовом разделении процесса достигаются некоторые дополнительные эффекты: улучшаются водоотдающие свойства эффлюента, повышается относительное содержание метана в эффлюенте.

Реализация рассмотренного способа осуществляется в устройстве, приведенном на рис. 15.18, стр. 473, см. упомянутый источник (кн. Яковлева С.В., Воронова Ю.В). Устройство-прототип состоит из последовательно связанных друг с другом анаэробного биореактора 1 фазы, анаэробного биореактора 2 фазы, средств разделения эффлюента на жидкую и твердую фракции. Генератором энергии может служить любое типовое устройство - паровой, водогрейный котлы, когенерационная установка на основе ГТУ или ДВС, см. рис. 15.15 упомянутого источника.

Основными недостатками прототипа являются недостаточно высокая степень гарантированной стабилизации эффлюента, приводящая к высоким значениям БПКп жидкой фракции (св. 2 г/л), повышенному отношению углерода к азоту и C:N в эффлюенте в целом (свыше 10) и в его фракциях. Хранение эффлюента и его фракций в типовом открытом хранилище приводит к остаточным газовыделениям и вторичному загрязнению атмосферы, а также потерям аммонийного азота.

Задачей, решаемой в рамках предлагаемого изобретения, является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является повышение глубины переработки органического вещества исходного субстрата в сочетании с более полным использованием биоэнергетического потенциала. Снижается или исключается эмиссия в атмосферу наиболее опасного парникового газа - метана, снижаются потери биогенных элементов эффлюента и его фракций, повышается качество органических удобрений и кормовых добавок на его основе. Образующаяся в наибольших количествах и опасная в экологическом отношении жидкая фракция становится пригодной для агротехнической утилизации или последующей обработки в аэротенках перед сбросом в водоемы или при подготовке к повторному использованию. Конечным результатом от использования предлагаемого изобретения является создание на его основе биоэнергетических установок высокого технического уровня как источников эффективного газообразного энергоносителя - метана, и биопродуктов высококачественных органических удобрений (удобрительных смесей), белково-витаминных добавок. Капитальные вложения в основное оборудование (метантенки) в сравнении с аналогами и прототипом существенно ниже, т.к. используются процессы интенсивного типа, за исключением твердофазного анаэробного биореактора - накопителя. Устройство функционирует существенно надежнее, т.к. выход из строя отдельного аппарата или даже технологического блока в отсутствие резервирования не приводит к полной остановке устройства.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Исходный помет подвергают последовательно мезофильной анаэробной обработке в температурном диапазоне 32-37°С продолжительностью не более суток, термофильной анаэробной обработке в температурном диапазоне 52-57°С продолжительностью не более 6 суток с получением биогаза и эффлюента. Эффлюент разделяют на жидкую фракцию с влажностью более 97% и твердую фракцию с влажностью не более 90%. Биогаз используют для получения энергии. Жидкую фракцию подвергают анаэробной биофильтрации в рециркуляционном режиме с получением дополнительных количеств биогаза и значения БПКп жидкости не более 2000 мг/л, твердую фракцию подвергают твердофазной анаэробной обработке в психрофильном режиме с получением отношения углерода к азоту C:N<10 и дополнительных количеств биогаза. Полученные биопродукты используют для получения твердых и жидких удобрений и белково-витаминных добавок.

Устройство для реализации способа состоит из последовательно соединенных мезофильного анаэробного биореактора, термофильного анаэробного биореактора, средств разделения эффлюента на жидкую и твердую фракции и также генератора энергии. Генератор энергии связан с анаэробными биореакторами газопроводом. На выходе жидкой фракции из средств разделения эффлюента установлен анаэробный биофильтр, оснащенный средствами рециркуляции эффлюента. На выходе твердой фракции из средств разделения эффлюента установлен анаэробный биореактор с твердофазным режимом обработки. Анаэробный биофильтр и твердофазный анаэробный биореактор связаны с генератором энергии посредством дополнительного газопровода.

Научно-практические работы, выполненные авторами с использованием пилотных установок в условиях птицефабрики яичного направления, подтвердили эффективность представленного технического решения, см. Тарасов С.И., Ковалев А.А., Мерзлая Г.Е. и др. «Эффективность применения эффлюента», сб. научных трудов ВНИПТИОУ, вып. 2 «Научные основы и технологии производства и применения органических удобрений», М-В.: ВНИПТИОУ, 1999.

Структурная схема способа получения биопродуктов и биогаза из бесподстилочного куриного помета представлена на фигуре 1.

Исходный, очищенный от крупных инородных включений помет влажностью 92-96% направляют в блок мезофильной анаэробной обработки 1, в котором производятся анаэробный или аноксидный гидролиз, кислотогенез и в известной степени метаногенез, осуществляемые соответствующим консорциумом бактерий. Температура процесса 32-37°С (мезофильный режим), при этом высокая точность поддержания указанного температурного режима не требуется. Процесс осуществляется в условиях интенсивного перемешивания. Продолжительность обработки не более суток. Распад органического вещества при этом незначителен и не превышает 10-15% от исходного.

Подготовленный таким образом помет представляет собой питательный субстрат для последующей метаногенной, фазы, реализуемой в блоке термофильной анаэробной обработки 2 в температурном диапазоне 52-57°С. На данном этапе осуществляется относительно быстрый перевод основной массы биоразлагаемого органического вещества в биогаз, содержащий до 80% метана, и в существенно меньшей степени - в биомассу (до 10%). Доминирующей является метаногенная группа микроорганизмов. Требования к соблюдению температурного режима более высокие (допустимое отклонение 2°С). Интенсивность перемешивания в сравнении с 1 фазой более низкая, с кратностью обмена биомассы 1-3 сут^-1. Продолжительность обработки не более 6 суток. Эффлюент представляет собой обеззараженный стабилизированный биопродукт с повышенным содержанием аммонийного азота.

Далее в блоке разделения 3 эффлюент разделяют на жидкую фракцию с влажностью более 97% и твердую фракцию с влажностью не более 90%. Твердую фракцию направляют в блок твердофазной анаэробной обработки 4, в котором в течение произвольного времени (от нескольких суток до нескольких месяцев) происходит окончательный распад нестабильного органического вещества с выделением биогаза, который улавливается и направляется на утилизацию в генераторе энергии. Дополнительно происходит уплотнение массы до значений относительной влажности, удешевляющих и упрощающих последующее приготовление удобрительных смесей (75-80%). Температурный режим - психрофильный или, при соответствующем обосновании, - мезофильный. Перемешивание не осуществляется или осуществляется в незначительной степени (с кратностью циркуляции <1 сут^-1).

Жидкую фракцию направляют в блок анаэробной биофильтрации 5, который обеспечивает окончательную стабилизацию жидкой фракции со снижением БПКп до значения не более 2 г/л с получением дополнительных количеств биогаза. Биогаз используют для получения дополнительной энергии. Достигаемое относительное содержание аммонийного азота во вторичном эффлюенте составляет 50-75% от общего содержания азота, что делает вторичный эффлюент ценным сырьем для приготовления жидких удобрений (подкормок). Обработка осуществляется в режиме рециркуляции; продолжительность может составлять от нескольких часов до нескольких суток (для крупноразмерных установок). Обработанная таким образом жидкая фракция пригодна для длительного хранения в накопителях (при последующем агротехническом использовании) или для последующей обработки в высоконагруженных аэротенках (перед сбросом в водоем или при получении технической воды).

Принципиальная технологическая схема устройства для реализации способа утилизации органических субстратов представлена на фигуре 2.

Мезофильный анаэробный биореактор 1, в котором реализуется первая фаза анаэробной обработки, представляет собой аппарат с герметичным корпусом 2, снабженным патрубками для загрузки помета 3, выгрузки субстрата 4 и отведения биогаза 5, теплообменным регистром 6 и средствами механического перемешивания 7 известных типов. Предпочтительный режим функционирования непрерывно-циклический. Температура биомассы t1 поддерживается посредством циркуляции теплоносителя (например, воды) между генератором энергии 8 и теплообменным регистром 6. Выгрузка подготовленного помета (субстрата) производится через патрубок выгрузки 4 в патрубок загрузки субстрата 9 термофильного анаэробного биореактора 10 в момент загрузки исходной партии помета в мезофильный анаэробный биореактор 1. Биогаз через патрубок 5 отводится в газохранилище 11 известного типа.

Термофильный анаэробный биореактор 10 может быть смесительного или вытеснительного типа. Аппарат снабжен герметичным корпусом 12 с патрубками загрузки субстрата 9, выгрузки эффлюента 13 и отведения биогаза 14, теплообменным регистром 15 и средствами механического перемешивания 16. Температура биомассы t2 поддерживается посредством циркуляции теплоносителя между генератором энергии 8 и теплообменным регистром 15. Выгрузка эффлюента производится через патрубок выгрузки 13 в средство разделения эффлюента на жидкую и твердую фракции в момент загрузки исходной порции субстрата. Биогаз через патрубок 14 отводится в газохранилище 11.

Средства разделения эффлюента на жидкую и твердую фракции 17 могут быть механическими известных типов (отстойник, центрифуга, пресс, пресс-фильтр, а также комплексы на их основе) или тепловыми (сушилка), обеспечивающими влажность твердой фракции не выше 90%. Возможна комбинация механических и тепловых средств.

На выходе жидкой фракции из средства разделения эффлюента установлен анаэробный биофильтр 18, который может быть интенсивного типа, например с расширенным или взвешенным слоем загрузки 19, или крупноразмерный накопительного типа, см. фигуру 3. В анаэробном биофильтре интенсивного типа 18 предусматриваются герметичный вертикальный корпус 20 с загрузочно-накопительным 21, разгрузочным 22 устройствами и циркуляционным насосом 23, составляющими единый циркуляционный контур. Разгрузочное устройство 22 оборудовано гидрозатвором, обеспечивающим внутри корпуса 20 анаэробный режим. Отведение биогаза из разгрузочного устройства 22 осуществляется в газохранилище 11. Эффлюент из загрузочно-накопительного устройства 21 направляется на приготовление жидких удобрений. Теплообменный регистр 24 обеспечивает поддержание температуры биомассы t3, для чего предусматривается контур циркуляции теплоносителя между генератором энергии 8 и теплообменным регистром 24. При вакуумно-конденсационном способе разделения на фракции, а также применении быстродействующих адиабатных механических сгустителей (центрифуг, прессов) температура жидкой фазы соответствует термофильному диапазону или отличается незначительно. Теплообменный регистр 24 предусматривается в основном для зимнего режима эксплуатации.

На выходе твердой фракции из средств разделения эффлюента установлен твердофазный анаэробный биореактор 25, который дополнительно выполняет функции герметичного накопителя и уплотнителя с отбором биогаза в газохранилище 11. Сбор и промежуточное накопление биогаза осуществляется под гибким, жестким или плавающим перекрытием 26 известного типа. Уплотненный эффлюент через механизм выгрузки 27 по мере необходимости направляется на приготовление твердых удобрений. Надосадочная жидкость через жидкостной патрубок 28 отводится на доочистку. Таким образом, биореактор 25 функционирует в периодическом режиме, что обуславливает его значительный объем в сравнении с биореакторами 1 и 10. Его применение позволяет отказаться от неэффективных и экологически опасных накопителей традиционного типа. Таким образом, весь биогаз, производимый в биореакторах 1, 10, 25 и в анаэробном биофильтре 18 отводится в газохранилище 11 и далее к генератору энергии, для чего предусмотрен дополнительный газопровод 29.

Конструктивная схема заглубленного крупноразмерного анаэробного биофильтра представлена на фигуре 3.

Крупноразмерный анаэробный биофильтр 1 перегородочного типа состоит из горизонтального заглубленного или обвалованного герметичного корпуса 2, снабженного патрубками загрузки 3 и выгрузки 4, разгрузочным колодцем 5 и погружным насосом 6. Наличие полупогружных перегородок 7 существенно увеличивает продолжительность пребывания первичного эффлюента в биофильтре, этому же способствует наличие средств рециркуляции. Биогаз отводится в газохранилище 11. Данная конструкция позволяет совместить функции биофильтра и накопителя при гарантированном обеспечении необходимого уровня стабилизации эффлюента. В случае необходимости в повторном использовании воды или при сбросе в водоем биологическая нагрузка на последующие стадии аэробной очистки может быть дополнительно снижена путем введения секций биофильтрации с восходящим 8 и нисходящим 9 потоками. Такое техническое решение приведет к существенному снижению уровня энергоемкости всей системы очистки в целом. Сооружение работает в психрофильном режиме, обогрев и перемешивание не предусматриваются, энергия расходуется на рециркуляцию и перекачку жидкости.

Конструктивная схема заглубленного твердофазного анаэробного биореактора большой вместимости горизонтального типа с психрофильным режимом работы представлена на фигуре 4.

Заглубленный твердофазный анаэробный биореактор большой вместимости горизонтального типа 1 выполнен в виде вытянутого параллелепипеда с загрузочным 2 и разгрузочным 3 гидрозатворами, гидроизолированный корпус 4 в нижней части оснащен наклонным днищем 5, в верхней части - газосборным колпаком 6 плавающего или жесткого типа. Средства рециркуляции, обогрева и перемешивания отсутствуют, режим работы - непрерывно-циклический или периодический, с единовременной выгрузкой не более 0,7 объема.

Конструктивная схема заглубленного психрофильного анаэробного биореактора большой вместимости вертикального типа представлена на фигуре 5.

Заглубленный твердофазный анаэробный биореактор большой вместимости вертикального типа 1 выполнен в виде цилиндра с загрузочным патрубком 2 и разгрузочным устройством 3. Герметичный корпус 4 в верхней части оснащен газосборным колпаком 5 плавающего или эластичного типа. Корпус 4 в вертикальной плоскости секционирован посредством вертикальной перегородки 6, в нижней части оснащен наклонным днищем 7. В отличие от биореактора согласно фигуре 4 биореактор вертикального типа является эффективным уплотнителем, обеспечивая снижение относительной влажности твердой фракции до 75 - 80%. Надосадочная вода через жидкостной гидрозатвор 8 отводится на доочистку. Средства рециркуляции, обогрева и перемешивания отсутствуют, режим работы - непрерывно-циклический или периодический с единовременной выгрузкой не более 0,75 объема.

Предлагаемое изобретение применительно к птицефабрике на 500000 кур-несушек позволяет достичь интегрального выхода биогаза, близкого к практическому пределу - 6643 м³/сут. Данный показатель приблизительно в 2,1 раза превышает аналогичный показатель, приведенный в кн. Лысенко В.П. «Переработка отходов птицеводства». С.-Посад.: ВНИТИП, 1998, стр. 80. Соответственно, снижаются вредные выбросы в атмосферу, решается проблема промежуточного хранения эффлюента и его фракций без потери удобрительных свойств.