Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА И УДОБРЕНИЙ ИЗ ОТХОДОВ СВИНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТЬЮ

Изобретение относится к способам утилизации органических отходов, а именно к способам анаэробной переработки свиноводческих стоков и птицеводства и получения при этом биогаза и удобрения для индивидуальных и фермерских хозяйств, использующих, предпочтительно, бесподстилочное содержание и гидросмыв отходов жизнедеятельности животных и птиц.

Широкое внедрение установок получения биогаза определяется решением двух основных задач:

утилизация органических отходов (решение экологической проблемы);

получением тепловой и электрической энергии, обеспечивающей работу собственно установки получения биогаза, а также получение избыточной тепловой и электрической энергии для реализации.

Для эффективной работы биогазовых установок необходимо осуществлять переработку органических отходов с получением достаточно дешевой тепловой и электрической энергии, в частности при использовании в качестве сырья продуктов жизнедеятельности животных и птиц. Кроме того, биогаз физиологически воздействует на людей, животных и растения, является источником специфического запаха и участвует в «парниковом эффекте».

Количество биогаза, образующегося на объекте, зависит от стадии биохимических процессов. Для увеличения количества образующегося биогаза необходимо устройство для перемешивания отходов, образование при этом большого количества пены и устройство надежной газонепроницаемой изоляции, которая может предотвратить миграцию газовых скоплений в устройстве и выделение биогаза из пенообразующей массы жидкости.

Экологическая безопасность применения и калорийность биогаза в сочетании с простой технологией его получения является положительным фактором для дальнейшего развития и распространения биогазовой технологии при переработке сельскохозяйственных отходов, в частности, для фермерских хозяйств.

Следует отметить, что переработка различных органических отходов методом анаэробного сбраживания с образованием биогаза становится в последние годы приоритетным направлением для фермерских хозяйств по утилизации отходов и др.

Образующийся в процессах метаногенеза жидкий и твердый шлам - отходы от работающей биогазовой установки, вывозят на поля и используют в качестве органических удобрений.

Метановое сбраживание представляет собой многостадийный процесс микробиологической переработки органического вещества до конечных продуктов, в основном метана и углекислого газа. При этом метанобразующие бактерии развиваются в анаэробных условиях.

Следует отметить, что здесь не рассматривается весь процесс протекания сбраживания постадийно, а конкретно, в результате волнообразования на поверхности аэрируемой жидкости, образуется пена, обогащенная кислородом воздуха в закрытой емкости, который используется для аэрации жидкости путем многократной рециркуляции последней, а это в свою очередь позволяет создавать улучшенные условия эксплуатации установки и создает надлежащие санитарно-гигиенические условия в зоне ее работы. В конечном итоге, позволяет обеспечить необходимый гидродинамический режим во всем объеме сооружения, более равномерное насыщение жидкости кислородом, увеличить объем аэрационной емкости без увеличения энергозатрат или при равном объеме аэрационной емкости сократить энергозатраты примерно в 1,2 раза за счет увеличения коэффициента использования кислорода воздуха.

Выход биогаза в основном зависит от состава и вида используемого сырья, при этом такие стоки используются и как удобрение для орошения, однако здесь необходимо учитывать образование избыточного активного ила, который не должен сразу поступать на орошение в связи с его опасностью для окружающей среды, а использование его для удобрения полей возможно только после продолжительного хранения и переработки на специальной установке.

Биогаз - это дешевый и доступный способ получения энергии. В настоящее время разработано и применяется большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания и т.д. Кроме того, анаэробной переработке органических отходов в биогаз посвящены десятки статей, обзоров патентов. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза и удобрений при использовании свиноводческих стоков или птичьего помета на индивидуальных и фермерских хозяйствах, в частности использования корпуса емкости хранения из пластикового прочного материала, основание которого имеет днище, к которому крепится узел для аэрируемой жидкости.

Известен способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления (Патент RU №2073401, кл. A01C 3/00, C02F 3/00 от 20.02.1997).

Сущность известного изобретения состоит в том, что анаэробное сбраживание органических отходов осуществляют последовательно во внешней и внутренней камерах метатенка, а перемешивание сбраживаемых отходов во внешней камере осуществляют путем подачи в нее вводимых в метатенк органических отходов.

Недостатком известного изобретения является то, что не используются условия относительно продолжительности времени, по времени процесс переработки отходов для индивидуальных и фермерских хозяйств с небольшим количеством животных (например, свиней), т.е. оно предназначено для большого времени выдержки и большим потребным суммарным объемом. Кроме того, при эксплуатации установки требуется значительный расход воды для разбавления отходов.

Известен способ получения биогаза из экскрементов животных WO 2012/152266, заявка PCT/DE 2012/100124, опубл. 15.11.2012, кл. C12P 5/02).

Указанное решение заявлено первоначально в Германии и в 116 странах мира и предлагает несколько стадий брожения для отделения метана. В качестве исходного субстата используется жидкий навоз или куриный помет. Первый этап брожения происходит в течение от 1 до 4 дней с добавлением фермента, а затем раствора аммиака. После чего происходит отделение газа, содержащего около 50% CO₂, H₂S, NH₃. Затем проводится повторная ферментации от 10 до 30 дней при температуре от 35°С и выше, определенной кислотности и после этого повторно отделяют биогаз, содержащий метан 75%.

Недостатком известного решения является длительность и сложность его применения, например, для применения небольшими фермерскими хозяйствами. Кроме того, поддерживается достаточно высокий температурный режим реакции.

Известен также способ метанового сбраживания навозных стоков (Патент №2413408, кл. A01C 3/00, C02F 11/04, C02F 3/34 от 10.03.2009).

Недостатком этого способа являются большие затраты теплоэнергии на подогрев и поддержание реактора при температуре 37,5°C, что повышает расходы небольших фермерских хозяйств, в частности, в течение всего года, т.е. ведет к удорожанию способа.

Навоз, в частности свиноводческий, содержит все необходимые для метанового сбраживания бактерии, следовательно, нет необходимости дополнительно вводить метаногенерирующие структуры, необходимо лишь обеспечить уже имеющимся бактериям оптимальные условия для их жизнедеятельности.

За прототип принята известная установка для переработки отходов животноводства и производства удобрений, содержащая блоки нейтрализации и очистки, компремирования и хранения газа, первый из которых выполнен в виде последовательно установленных накопителя навоза с жидкостным разбавителем и насосом подачи, теплообменника, метатенка и сепаратора с магистралями вывода твердой и жидкой фракций, подключенными соответственно через насосы - активаторы к потребителю и отстойнику, при этом перед метатенком на линии подачи подогретого навоза установлен газожидкостный эжектор, а в метатенке установлен эрлифтный барботер, соединенный по входу с выходом газожидкостного эжектора, вход которого по газу соединен с выходом блока компремирования и хранения газа (Патент RU №2056393, кл. C05F 3/06 от 20.03.1996).

Недостатком известного изобретения является то, что необходима температура для протекания реакции метангенерации (55±2°C), которая поддерживается нагревателем, и в качестве греющей среды необходимо большое количество горячей воды, что неприемлемо для небольших фермерских хозяйств, особенно в летнее теплое время. Кроме того, сложность самого процесса получения биогаза, соответственно отбора сброженной массы в трубопроводы, отвода отработанного активного ила с отбором жидкой фракции из емкости.

Навоз из свиноводческих стоков содержит все необходимые для метанового сбраживания бактерии, следовательно, нет необходимости предварительно обработанный органический субстат свиностоков, который доведен до влажности 90% с последующей загрузкой в герметичную емкость с днищем, дополнительно проводить после этого длительно выдержку (около 7 суток), необходимо лишь использовать полученную массу с уже имеющимися бактериями оптимальные для условия их жизнедеятельности в герметичной емкости с днищем.

Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанного брожения жидкого навоза внутри герметичной закрытой емкости с аэрирующим узлом и расширение технологических возможностей переработки жидкого навоза в биогаз и органическое удобрение.

Способ получения биогаза и удобрений из отходов свиноводческих стоков, предусматривающий использование емкости, которая заполняется жидким навозом с помощью насоса, и при подаче сжатого воздуха от компрессора или баллона через пневмопровод он поступает в данную емкость, где жидкий навоз перемешивается, при одновременном поступлении воздуха в аэрируемую жидкость, находящуюся в герметично закрытой емкости, причем в герметично закрытой емкости под действием давления сжатого воздуха, поступающего от компрессора или баллона, клапан корпуса открывается и воздух с большой скоростью по трубопроводам через форсунки истекает на обрабатываемый участок, при этом пена, обогащенная кислородом воздуха, через толщу аэрируемой жидкости, накапливается в верхних слоях, активно насыщаясь газовоздушной смесью, жидкость, насыщенная растворенным кислородом, постоянно закручивается с иловым осадком в емкости и сбраженная масса начинает, при использовании нагревателя, возмущаться заполненным продуктом с примесями и обеспечивать вовлечение во вращательное движение всей массы продукта во взвешенном состоянии, при этом ориентированность форсунок и заборных воздушных патрубков трубопроводами под углом к стенке емкости (к касательной окружности) обеспечивает вовлечение всего заполняемого объема навозной массы (жидкого навоза) во вращательное движение в емкости, в верхней ее части создается давление выделяющегося биогаза из пены, биогаз собирается в газосборные перфорированные трубы, далее в сборный коллектор и собирается в компрессорную станцию, откуда периодически подается в сжатом состоянии потребителю, кроме того, извлеченный биогаз также может поступать в когенератор, где происходит обезвреживание биогаза, далее преобразование энергии сжигаемого биогаза в электрическую и тепловую с последующей доставкой потребителю, после прекращения выделения биогаза содержимое из твердых фракций и с частью сбраживаемой массы удаляется в шнековый сепаратор за счет подачи сжатого воздуха и с уклоном днища к центру не менее 15° и используется как органическое удобрение, после освобождения рабочей емкости цикл переработки органических отходов в биогаз и удобрение повторяется.

Использование заявленного технического решения позволит получить следующий результат:

- упростить способ переработки жидкого илового осадка;

- обеспечить надежность и полноту отбора биогаза из перерабатываемого жидкого свиноводческого стока за счет газодренажной конструкции в закрытой емкости, совмещающей функции вертикального газового отвода биогаза и использование отработанного илового осадка или удобрения;

- термин биогаз, используемый в формуле, получаемый в результате распада органического материала в виде илового осадка и полученный в результате жизнедеятельности в кислородной среде в достаточном количестве, позволяет соблюдать технологию сбраживания осадка микроорганизмами, осуществляющими свою жизнедеятельность;

- следует отметить, что каждый вид микроорганизмов анаэробного размножения отличается специфической потребностью аэрируемой жидкости, обогащенной кислородом воздуха;

- активное насыщение атмосферным воздухом от компрессора представляет собой водовоздушную смесь, получаемую с образованием пены на поверхности жидкости путем растворения воздуха в сточной воде, т.е. процесс растворения воздуха в сточной воде интенсифицируется за счет дробления воздушных пузырьков, где воздух выходит по трубопроводам через форсунки на обрабатываемый иловый осадок в герметично закрытой емкости.

Сопоставительный анализ заявленного способа с известными позволяет сделать вывод о том, что предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения «новизна».

Из известной патентной и научно-технической литературы не известен способ получения биогаза и удобрения из отходов свиноводческих стоков с вертикальной цилиндрической емкостью, в которой воздух под действием сжатого воздуха подается в пневмопровод, поступающего от компрессора или баллона, клапан корпуса открывается, в котором установлено несколько патрубков, расположенных веерообразно по периферии внутри корпуса емкости, кроме того, это также способствует повышению степени чистоты днища и повышению надежности предлагаемой вертикальной цилиндрической емкости (резервуара). Все это в целом, после окончания отбора газа, освобождает стенку емкости от механических нагрузок ила, что также повышает надежность вертикальной пластмассовой цилиндрической емкости и может быть реализовано небольшими фермерскими хозяйствами.

Заявленный способ получения биогаза и удобрения из отходов свиноводческих стоков осуществляется с помощью устройства:

на фиг. 1 схематически представлен общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 и общий вид; на фиг. 3 представлен узел А, схема подключения сборного коллектора к транспортирующему трубопроводу; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

В герметично закрытой емкости 1, которая содержит основание 2 с уложенным на нем днищем 3, к которому крепится корпус 4, соединенный с пневмопроводом 5. Воздух под действием давления сжатого воздуха, поступающего от компрессора или баллона, подают в пневмопровод 5 и нагреватель 7.

Клапан корпуса 4 открывается, и воздух с большой скоростью по трубопроводам и иззаданного расчета количества патрубков 8 (более двух), расположенных веерообразно по периферии внутри корпуса 4, через форсунки 11 истекает на обрабатываемый участок. Патрубки с помощью эластичных муфт 9 соединяют с трубопроводами 10, имеющими на конце щелевую форсунку 11 (сопло).

Крепление трубопроводов к раме внутри емкости 1 выполняют с помощью гаек 12, навинчиваемых на ходовой винт 13. Гайки закрепляют к трубопроводу с возможностью поворота оси 14, закрепленной накладкой 15. Ходовой винт 13 закрепляют на раме кронштейнами 16. Вращение ходового винта осуществляют маховиком 17. Ходовой винт на участках, взаимодействует с разными гайками 12, имеющими различный шаг, увеличенный от оси емкости.

На участке 18 ходового винта 13 шаг больше, чем на участке 19. Это позволяет обеспечить при повороте ходового винта равномерное перемещение трубопроводов 10.

Заполнение сточных вод производится до общей проектной высоты емкости 1, выше которой осуществляют отбор биогаза через газосборные трубы 20, сборный коллектор 21, транспортирующий трубопровод 22, компрессорную станцию 23, когенератор 24 и кондесатосборник 26 для подачи сжатого биогаза к промышленным потребителям. Основание 2 с уложенным днищем 3 в нижней части с трубопроводом 27, шнековый сепаратор 28 соответственно сброженной массы 29 отбора жидкой фракции, далее в трубопровод 30 подачи жидкости в отстойник (не показан) и трубопровод 31 отбора сухого остатка.

Температура среды, необходимая для протекания реакции метангенерации (55±2°С), поддерживается нагревателем 7. Нагреватель 7 использует в качестве греющей среды горячую воду.

Предлагаемое техническое решение работает следующим образом.

Емкость 1 заполняют жидким навозом с помощью насоса (не показан), и далее он при подаче сжатого воздуха от компрессора или баллона через пневмопровод 5 поступает в емкость 1, где жидкий навоз превращается во вращательное движение и перемешивается, одновременно воздух поступает в аэрируемую жидкость, активно насыщаясь газовоздушной смесью, находящейся в герметично закрытой пластмассовой емкости 1. При этом в герметично закрытой емкости 1 под действием давления сжатого воздуха, поступающего от компрессора 6 или баллона, клапан корпуса 4 открывается и воздух с большой скоростью по трубопроводам 10 через форсунки 11 истекает на обрабатываемую массу продукта с примесями. Пена, обогащенная выделяющимся кислородом из продукта с примесями, через толщу аэрируемой жидкости, в верхней части емкости 1 создает давление выделяющегося биогаза из пены, биогаз собирается в газосборные перфорированные трубы 20, далее в сборный коллектор 21 и собирается в компрессорную станцию 23, откуда периодически подается в сжатом состоянии потребителю 26. Кроме того, извлеченный биогаз также может поступать в конгенератор 24, где происходит обезвреживание биогаза, далее преобразование энергии сжигаемого биогаза в электрическую и тепловую с последующей доставкой потребителю. После прекращения выделения биогаза содержимое из твердых фракций и с частью сбраживаемой массы удаляется в шнековый сепаратор 28 за счет подачи сжатого воздуха и с уклоном днища 3 к центру не менее 15° и используется как органическое удобрение, после освобождения рабочей емкости 1 цикл переработки органических отходов в биогаз и удобрение повторяется.

Таким образом, ориентированность форсунок 11 и заборных воздушных патрубков 8 трубопроводами 10 под углом к стенке (к касательной окружности) обеспечивает вовлечение всего заполняемого объема навозной массы (жидкого навоза) во вращательное движение в емкости 1.

При вращении маховика 17 вращаются ходовые винты 13, в результате чего гайки 12, перемещаясь вдоль винтов, перемещают трубопроводы 10 на необходимый угол, сближая или удаляя их друг от друга.

Емкости могут состоять из пакета отдельных секций, когда каждая из них может выполнять операции: заполнение сточной массы продукта, осуществление процесса сбраживания и опорожнение секции.

Все это в целом способствует повышению степени очистки днища и повышается надежность предлагаемой вертикальной цилиндрической емкости.

Турбулентный вихревой воздушный гидропоток, который создается форсунками 11 (соплами) завихрения на обрабатываемый участок с вращательным движением всей массы продукта во взвешенном состоянии, связан с трубопроводами 10. А сам, выделенный биогаз из пены собирается под газовым куполом емкости 1, при этом подогрев биомассы до заданной температуры достигает до 55°С.

Увеличение или уменьшение частоты перемешивания всей массы продукта в герметичной закрытой емкости 1 осуществляется регулировкой подачи сжатого воздуха от компрессора или баллона посредством крана. При использовании предложенного способа обеспечивается наибольшее получение биогаза при образовании пены, обогащенной кислородом воздуха, даже при относительно невысоких температурах брожения.

Таким образом, предлагаемый способ с устройством позволяет интенсифицировать процесс насыщения растворенным кислородом постоянно закручиваемого илового осадка в емкости для сбраживаемой массы навоза за счет предлагаемого узла, соединенного с пневмопроводом, и образования более глубокого перемешивания для образования большой массы пены, обогащенной кислородом воздуха, под крышкой цилиндрической емкости в результате ускорения потока массы и ее закручивания за счет дробления воздушных пузырьков при взаимодействие нескольких форсунок (сопел) между собой в полости емкости смешения. Рассмотренным техническим решением обеспечено выполнения задачи повышения эффективности и расширены технологические возможности переработки жидкого навоза в биогаз и органическое удобрение в условиях значительного изменения климатических условий и характеристик исходного материала с одновременным обеспечением надежности работы полиэтиленовой емкости производства биогаза в условиях также значительного понижения температуры окружающей среды, одновременно выполняя функцию водоохранного сооружения, в частности, для небольших фермерских хозяйств без применения дорогостоящих катализаторов и ферментов.