способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка, отличающийся тем, что биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ввод биогаза из внешней камеры метантенка в его внутреннюю камеру осуществляют обособленно рассредоточенными малыми струйными потоками, предпочтительно размещенными у днища метантенка.

3. Устройство для последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащее изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической конической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеру, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженного осадка, средство перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, отличающееся тем, что патрубок отвода биогаза из внешней камеры метантенка соединен газопроводом с всасывающим патрубком компрессора, а напорный патрубок компрессора соединен с газопроводом, второй конец которого введен во внутреннюю камеру метантенка.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что второй конец введенного во внутреннюю камеру метантенка напорного газопровода соединен с газопроводом подвода биогаза к фильтросам, рассредоточенно установленным над днищем метантенка.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер метантенка соединены между собой двумя обособленными газопроводами, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры метантенка во внутреннюю, а во второй газопровод встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внутренней камеры метантенка во внешнюю.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается канализации и преимущественно предназначено для использования в сельском хозяйстве на животноводческих и птицеводческих фермах, в фермерских хозяйствах, индивидуальных усадьбах сельских жителей и на садово-огородных участках для приготовления высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков органических удобрений и горючего биогаза из навоза, помета, фекалий, различных растительный отходов, непригодных к употреблению поврежденных плодов и корнеклубнеплодов.

Известны способ анаэробного сбраживания осадка сточных вод и осуществляющее его устройство в виде коаксиально метантенка по авт.св. СССР N 562308, согласно которым сырой осадок вводят внутрь коаксиальной перегородки метантенка, являющейся центральной внутренней камерой анаэробного сбраживания, снабженной мешалкой. В основном сброженный во внутренней камере метантенка осадок выводится из-под не доходящей до дна метантенка коаксиальной перегородки во внешнюю камеру, образуемую стенкой резервуара метантенка и коаксиальной перегородкой, где при завершении анаэробного досбраживания поступающая в нее из внутренней центральной камеры масса разделяется на отдельно удаляемые из нее иловую воду и уплотненный сброженный осадок. Выделяемый из сбраживаемой во внешней и внутренней камерах массы биогаз отводится из них через обособленные патрубки.

Недостатками известного способа и устройства для осуществления являются то, что сбраживание осуществляют в центральной камере коаксиального метантенка, где вводимый в эту камеру свежий, насыщенный органическими веществами сырой осадок, смешивают со всей сбраживаемой массой, объединяя при этом разные фазы анаэробного сбраживания (гидролиза, ферментации, ацетатогенной и метаногенной фаз) воедино, усредняя фазные значения pH и смешивая преимущественные фазные симбиозы микроорганизмов, что замедляет процесс сбраживания и снижает производительность.

Приведенные недостатки известного способа не позволяют использовать его для анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельскохозяйственного производства, насыщенных трудносбраживаемыми и легко всплывающими растительными материалами.

Конструктивное выполнение известного по а.с. N552308 метантенка с коаксиально закрепленной внутри его резервуара концентрической перегородкой имеет тот недостаток, что он не обеспечивает возможность осуществления пофазного анаэробного сбраживания органических отходов, а подающий сырой осадок трубопровод, установленный внутри центральной общей камеры сбраживания, исключает возможность осуществить пофазное сбраживание без конструктивных изменений метантенка

Известны и другие способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления по патенту РФ N 2073401, согласно которым сбраживание разжиженных органических отходов осуществляют последовательно пофазно во внешней и внутренней камерах коаксиального метантенка с перемешиванием сбраживаемых отходов во внешней камере путем подачи в нее свежих разжиженных органических отходов, тогда как устройство для осуществления способа, содержащее резервуар, выполняемый различной формы в плане с коническими или пирамидальными днищем и куполом с прикрепленной к нему не доходящей до днища концентрической перегородкой, образующей внутреннюю и внешнюю камеры с вводом в нее патрубка подвода разжиженных органических отходов. Отвод выделяемого во внутренней и внешней камерах биогаза производится через обособленные патрубки над обеими камерами.

Недостатком этого известного способа анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, выполняемого в устройстве для его осуществления, является то, что выводимые из внутренней и внешней камер через обособленные патрубки биогазы существенно отличаются друг от друга по своему составу и калорийности, что не позволяет рационально использовать отводимый из внешней камеры биогаз обособленно из-за малого содержания в его составе метана и повышенного содержания углекислоты с сероводородом, низкой калорийности, тогда как общее смешивание биогаза из обеих камер существенно снижает качество и калорийность смеси.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известные по патенту РФ N 2073401 способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления являются наиболее близкими к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа и устройства для его осуществления, которые устраняли бы приведенные выше недостатки способа и устройства его осуществления по патенту РФ N 2073401 и обеспечили бы повышение эффективности анаэробного сбраживания, улучшение качества и калорийности биогаза.

Согласно изобретению поставленная задача в выполнении способа достигается тем, что способ пофазного последовательного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, перемешивание и подогрев сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка, выполняют так, что биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру, тогда как ввод биогаза из внешней камеры метантенка в его внутреннюю камеру осуществляют обособленно рассредоточенными малыми струйными потоками, предпочтительно размещенными у днища метантенка.

Достигается поставленная задача и новым конструктивным выполнением устройства для осуществления приведенного выше нового способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов сельского и коммунального хозяйства, содержащего изготавливаемый из различных материалов герметичный резервуар круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане, конические или пирамидальные днище и купол с прикрепленной к куполу и не доходящей до днища резервуара концентрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженного осадка, средство перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, выполняют так, что патрубок отвода биогаза из внешней камеры метантенка соединен газопроводом с всасывающим патрубком компрессора, а напорный патрубок компрессора соединен с газопроводом, второй конец которого введен во внутреннюю камеру метантенка, тогда как второй конец введенного во внутреннюю камеру метантенка напорного газопровода соединен с газопроводом подвода биогаза к фильтросам, рассредоточенно установленным над днищем метантенка.

Поставленная задача достигается и тем выполнением устройства, что патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер метантенка соединены между собой двумя обособленными газопроводами, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры метантенка во внутреннюю, а во второй газопровод встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза из внутренней камеры метантенка во внешнюю.

На чертежах схематично приведено устройство коаксиального метантенка, где на фиг. 1 показан общий вид коаксиального метантенка в разрезе с присоединенными к нему и встроенными в него газопроводами с редукторами, ресивером, компрессором и фильтросами; на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1 при круглой форме выполнения резервуара метантенка в плане (при выполнении резервуара метантенка овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане фильтросы устанавливают в центральной части днища аналогично как и при круглой форме выполнения резервуара метантенка).

Коаксиальный метантенк (фиг. 1 и 2) представляет собой герметичный (в данном виде - цилиндрический) резервуар 1 с коническими днищем 2 и купольным покрытием 3 с газосборником 4, снизу под которым присоединена к нему не доходящая до днища 2 резервуара 1 концентрическая в виде усеченного конуса перегородки 5, одинаковая в плане по своей форме с формой в плане резервуара 1 и обращенная основанием Б к днищу 2. Концентрическая перегородка 5 разделяет резервуар 1 на внешнюю 6 и внутреннюю 7 камеры, в которых размещены патрубки подвода разжиженных отходов 8 и отвода сброженного осадка 9. Из разнонаправленного тройника на конце патрубка 8 обеспечивается перемешивание сбраживаемой массы во внешней камере 6 струйным напором подаваемых разжиженных отходов патрубком 8. На внешней 6 и внутренней 7 камерах выполнены патрубки 10 и 11 отвода из них биогаза, тогда как патрубок 10 соединен газопроводом 12 с всасывающим патрубком 13 компрессора 14, а напорный патрубок 15 компрессора 14 соединен с газопроводом 16, второй конец которого введен во внутреннюю камеру 7 метантенка, где присоединен к газопроводу 17 подвода биогаза под давлением к фильтросам 18, рассредоточенно установленным в пределах размера В над днищем 2 метантенка и обеспечивающим множество малых струйных потоков в виде малоразмерных мелкодисперсных всплывающих друг за другом в сбраживаемой массе пузырьков тощего малокалорийного из внешней камеры 6 биогаза, содержащего в своем составе повышенные количества углекислоты и сероводорода.

Для недопущения поступления биогаза из фильтросов 18 во внешнюю камеру 6 размер внешнего габарита В установки фильтросов 18 меньше размера Б основания конической концентрической перегородки 5, что обеспечивает более полное использование тощего биогаза метанообразующими микроорганизмами.

Патрубки 10 и 11 отвода биогаза из внешней 6 и внутренней 7 камер соединены между собой двумя обособленными газопроводами 19 и 20, в первый из которых 19 встроен редукционный клапан 21 сброса избыточного давления биогаза из внешней камеры 6 во внутреннюю камеру 7, а во второй газопровод 20 встроен редукционный клапан 22 сброса избыточного давления из внутренней камеры 7 во внешнюю камеру 6. В качестве редукционных клапанов 21 и 22 могут быть использованы широко известные и серийно выпускаемые мембранно-пружинные клапаны соответствующей пропускной способности при установки в них регулируемых пружин на задаваемое давление биогаза.

Для сглаживания резких изменений давления биогаза, вырабатываемого во внешней камере 6 в различных почасовых количествах в зависимости от интенсивности загрузки метантенка разжиженными органическими отходами, их качества, температуры сбраживания, производительности компрессора 14 и других факторов, в газопровод 12 встроена промежуточная герметичная буферная емкость в виде ресивера 28, снабженная краном 24 спуска конденсата через сифонное устройство 25. Подача вырабатываемого в метантенке биогаза потребителям осуществляется по газопроводу 26, соединенному с газгольдером или с другими регуляторами давления биогаза в метантенке в установленных СНиП пределах в 1,5-2,5 кПа (150-250 мм вод. столба).

Другие трубопроводы /для подогрева метантенка, контроля перелива и др./, как и устройство теплоизоляции метантенка, установка приборов КИПА на чертежах не показаны, т.к. их выполнение возможно во многих вариантах

Последовательное пофазное анаэробное сбраживание разжиженных органических отходов сельского или коммунального хозяйства в предложенном коаксиальном метантенке выполняют следующим образом.

Свежие разжиженные органические отходы, предпочтительно предварительно измельченные, влажностью 934% по трубопроводу 8 вводят под напором в межстенную камеру 6, где струями разнонаправленных потоков из тройника патрубка 8 вводимые отходы смешивают с содержимой массой, сбраживаемой в камере 6. При этом легко всплывающие трудносбраживаемые целлюлоза, легнин, жир и белки, содержащие легкие включения, всплывают вверх, будучи до этого перемешаны потоками струй с содержимым камеры 6 и обсеменены самым активным симбиозом расщепляющих (гидролизующих) микроорганизмов, обеспечивающих в первой фазе анаэробного сбраживания разрушение сложных соединений в более простые с образованием из них во второй фазе сбраживания более плотных кислот и аминокислот, имеющих pH менее 7,2 и опускающихся вниз по камере 6 в камеру 7, где pH более 7,2 и где осуществляют последующие ацетогенную и метаногенную фазы анаэробного сбраживания.

Образующийся в межстенной камере 6 малокалорийный биогаз выводят из нее по патрубку 10, а более калорийный биогаз, образующийся в камере 7, выводят из метантенка по патрубку 11.

Постояннео поступление биоагзаа из фильтросов 18 обеспечивает интенсивное перемешивание сбраживамой массы биогазом в камере 7 и постоянное активное смешивние содержимого камеры 7 и вливающегося в нее из камеры 6 более плотного потока кислот и аминокислот, раскисляемого восходящими газонасыщенными потоками сбраживаемой массы в камере 7. Обильное поступление биогаза из фильтросов 18 камеры 7 в ее центральную и в верхнюю части обеспечивает у основания газосборника 4 постоянно "кипящую" поверхность сбраживаемой в метантенке массы, препятствуя тем самым образованию плотной корки, тогда как при подъеме биогаза от днища 2 к основанию газосборника 4 осуществляется досбраживание легких частиц массы и поглощение из тощего биогаза из камеры 6 углекислого газа и сероводорода на формирование симбиоза микроорганизмов, осуществляющих анаэробное сбраживание в метантенке.

Из патрубка 10 малокалорийный биогаз, содержащий повышенное количество углекислоты и сероводорода, по трубопроводу 12 и через ресивер 23 откачивается компрессором 14 и под давлением через газопроводы 16 и 17 подводится к фильтросам 18, обеспечивающим ввод во внутреннюю камеру 7 рассредоточенного мелкодисперсного всплывающего потока биогаза, что активизирует жизнедеятельность метанообразующих микроорганизмов, повышает выход и качество биогаза, увеличивает процент содержания метана.

В зависимости от принятых режимов работы метантенка, обуславливаемых влажностью, периодичностью и дозой загрузки отходов и их составом, температурой сбраживания и другими факторами, стабильность давления вырабатываемого в камере 6 биогаза может изменяться, тогда как уровень давления биогаза в камере 7 стабилен, т.к. он поддерживается на определенном заданном уровне согласно норм СНиП. При работе компрессора 14 в патрубке 10 давление биогаза может быть до минус 200 мм вод. столба, ниже которого срабатывает редукционный клапан 22, и биогаз из патрубка 11 поступит в патрубок 10 и будет отсасываться из него компрессором 14 совместно с биогазом, вырабатываемым в камере 6. В случае весьма активного выделения биогаза в камере 6 и при остановках работы компрессора 14 давление биогаза в камере 6 может превысить его уровень в патрубке 11, т.е. 200 мм водяного столба, что откроет клапан 21, и биогаз из камеры 6 поступит в патрубок 11, смешиваясь с биогазом из камеры 7. При снижении в этом случае давления биоагза в патрубке 10 до 200 мм вод. столба и ниже клапан 21 закрывается и поступление биогаза в компрессор 14 будет только из камеры 6.

Приведенное выше в указанной последовательности пофазное выполнение анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов в обособленных сообщающихся камерах одного метантенка с подачей из фильтросов тощего биогаза обеспечивает более быстрый распад трудносбраживаемой органики, повышает выход биогаза, увеличивает производительность метантенка.

Предложенный способ анаэробного сбраживания разжиженных сельскохозяйственных или коммунальных органических отходов и стоков может быть осуществлен в широком диапазоне температурных режимов от 12 до 60^oC, выбор оптимального из которых обуславливается конкретными условиями, видом и качеством органики, назначением циклического или непрерывного процесса сбраживания.

Экспериментальная проверка предложенного способа и метантенка для его осуществления, проведенная применительно к анаэробному сбраживанию помета кур, навоза крупного рогатого скота и свиней, показала высокую эффективность процесса и позволила обеспечить получение до 0,9 л биогаза с 1 кг органического вещества при его калорийности 27220-29300 кДж/нм³ (6500-7000 ккал/нм³).

В приготовленном органическом удобрении из помета кур, обеззараженном от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков, была обеспечена сохранность 94-97% основных питательных веществ (N РК) для растений от их содержания в исходном помете, поступившем на сбраживание.