установка комплексной микробной утилизации сельхозотходов

Формула изобретения

Установка комплексной микробной утилизации сельхозотходов, включающая источник сельхозотходов, например товарную свиноферму, сообщенную со сборником сельхозотходов и метантенком из камер кислого, регрессии кислого, нейтрального и метанового брожения, снабженных диспергаторами из взаимодействующих своими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, причем камера метанового брожения метантенка сообщена с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, установленными в корпусе поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, причем на поперечных перфорированных перегородках размещена иммобилизационная насадка в виде полых стеклянных шариков, а верхняя секция ферментатора сообщена по бражке с камерой метанового брожения метантенка, а нижняя секция сообщена с ней через нагнетатель по биогазу и с центробежным микрофильтром, который по биомассе синезеленых водорослей и серобактерий сообщен с динамическим дезинтегратором, включающим корпус с патрубками входа и выхода, размещенный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями в кольце магнитофора, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующим с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода и сообщенную патрубком со сборником тяжелой (D₂O) воды, отличающаяся тем, что камера кислого брожения метантенка сообщена со спиртовой камерой и через центробежный микрофильтр с ректификационной колонной, а камера регрессии кислого брожения метантенка сообщена с кислотной камерой и через центробежный микрофильтр с ректификационной колонной, включающей корпус с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, причем корпус ректификационной колонны выполнен из верхней укрепляющей и нижней исчерпывающей частей, а верхняя укрепляющая часть сообщена с дефлегматором и сборником органических кислот, причем дефлегматор через гидравлический затвор сообщен с верхней секцией укрепляющей части ректификационной колонны, нижняя секция исчерпывающей части ректификационной колонны сообщена с теплообменником, а средняя секция между укрепляющей и исчерпывающей частями ректификационной колонны через гидравлический затвор сообщена с центробежным микрофильтром и кислотной камерой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике КМУ СХО и может быть использовано на предприятиях АПК для снижения стоимости основной продукции за счет выработки дополнительной товарной: метана /CH₄/, тяжелой воды /D₂O/, спиртов /СП/, органических кислот /ОК/, белково-витаминной добавки /БВД/, электроэнергии /ЭЭ/, биоудобрения /БУ/, компоста /КП/.

Известна установка КМУ СХО, включающая источник СХО, например, товарную свиноферму, сообщенную со сборником СХО и метантенком из камер: кислого, регрессии кислого, нейтрального, метанового брожения, снабженных диспергаторами, выполненных в виде взаимодействующих своими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, а камера метанового брожения метантенка через гидравлический затвор и газгольдер сообщена с сельхозэлектростанцией /СХЭС/ из газовой турбины и электрогенератора /с.18-19, рис. 2.2, 2.3, У.Э. Виестур, А. М. Кузнецов, В.В.Савенов, Система ферментации, Рига, 1986/, недостатком которой является невысокое содержание CH₄ в биогазе, что снижает эффективность комплексной утилизации СХО.

Известна установка КМУ СХО, включающая источник СХО, например, товарную свиноферму, сообщенную со сборником СХО и с метантенком, и по биогазу и бражке с ферментатором со светопроницаемыми стенками корпуса и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками и поперечными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции с размещенной в секциях на ППП иммобилизационной насадкой в виде полых стеклянных шариков, для культирования на ней сине-зеленых водорослей /СЗВ/ и серобактерий, исчерпывающих примеси биогаза, при этом секции сообщены друг с другом переливными трубами; причем нижняя секция сообщена нагнетателем по биогазу, а верхняя по бражке с метантенком /патент РФ N 2068812, кл. C 02 F 11/02, 1991/, в которой небольшой перечень дополнительной товарной продукции, вырабатываемой при утилизации СХО, что снижает эффективность.

Известна ректификационная колонна /РК/, включающая ППП; образующие секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, корпус которой выполнен из двух частей: верхней - укрепляющей, нижней - исчерпывающей, верхняя сообщена с дефлегматором и сборником товарного продукта, который через гидравлический затвор сообщен с верхней секцией РК, нижняя секция исчерпывающей части сообщена с теплообменником, а средняя секция между верхней и нижней частей РК сообщена со сборником исходной смеси через гидравлический затвор /с. 298, рис. 7-1, К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков, Примеры и задачи "Химия", Л-д, 1976/; использование РК в установке КМУ СХО позволяет получать дополнительные товарные продукты.

Цель изобретения - повышение эффективности работы установки КМУ СХО, что достигается тем, что камера кислого брожения метантенка сообщена со спиртовой камерой и через центробежный микрофильтр /ЦМФ/ с РК и сборником спирта, а камера регрессии кислого брожения сообщена с кислотной камерой, и через ЦМФ с РК и сборником органических кислот /ОК/.

Достижение эффективности аргументировано в описании работы установки КМУ СХО, которая схематически показана на чертеже и включает источник СХО, например, товарную свиноферму 1, сообщенную со сборником 2 СХО и метантенком 3 из камер: 4 - кислого, 5 - регрессии кислого, 6 - нейтрального, 7 - метанового брожения, снабженных диспергаторами 8 из взаимодействующих своими уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора 9 и корпуса 10, причем камера 7 метанового брожения метантенка 3 сообщена с ферментатором 11, включающим корпус 12 со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса 12 светильниками 13, установленными в корпусе 12 ППП 14, образующими секции 15, сообщенные друг с другом переливными трубами 16, причем на ППП 14 размещена иммобилизационная насадка 17 в виде полых стеклянных шариков, а верхняя секция 15 ферментатора 11 сообщена по бражке с камерой 7 метанового брожения метантенка 3, а нижняя секция 15 сообщена с ней через нагнетатель 18 по биогазу и с ЦМФ 19, который по биомассе СЗВ и серобактерий сообщен с динамическим дезинтегратором /ДД/ 20, включающим корпус 21 с патрубками; 22 - входа и 23 - выхода, размещенный по оси корпуса 21 ротор 24 с глухими отверстиями 25 в кольце магнитофора 26, взаимодействующими через кольцевой канал 27 с отверстиями 28 в перфорированном кольце 29, образующем с корпусом 21 полость 30, изолированную от патрубков 22 - входа, 23 - выхода и сообщенную патрубком 31 со сборником 32 тяжелой /D₂O/ воды. Камера 4 кислого брожения метантенка 3 сообщена со спиртовой камерой 33 и через ЦМФ 34 с РК 35, а камера 5 регрессии кислого брожения метантенка 3 сообщена с кислотной камерой 36 и через ЦМФ 37 с РК 38, включающей корпус 39 с ППП 40, образующими секции 41, сообщенные друг с другом переливными трубами 42, причем корпус 39 РК 38 выполнен из верхней 43 укрепляющей и нижней 44 - исчерпывающей частей, а верхняя укрепляющая часть 43 сообщена с дефлегматором 45 и сборником 46 органических кислот /ОК/, причем дефлегматор 45 через гидравлический затвор 47 сообщен с верхней секцией 41 укрепляющей части 43 РК 38, нижняя секция 41 исчерпывающей части 44 РК 38 сообщена с теплообменником 48, а средняя секция 41 между укрепляющей 43 и исчерпывающей 44 РК 38 через гидравлический затвор 49 сообщена с ЦМФ 37 и кислотной камерой 36. Метантенк 3 установлен в помещении 50, на перекрытии 51 которого размещен твердофазный ферментатор /ТФФ/ 52 с каналами 53, сообщенными с нагнетателем воздуха 54, причем ТФФ 52 выполнен с покрытием 55, например пленкой, и сообщен по компосту /КП/ транспортером 56 со сборником 2 СХО. Камера 7 метанового брожения метантенка 3 сообщена по шламу с ленточным прессфильтром /ЛПФ/ 57 и сушилкой 58 биоудобрений /БУ/. Верхняя секция 15 ферментатора 11 сообщена по метану /CH₄/ через гидравлический затвор 59 с газгольдером 60 и с СХЭС из газовой турбины 61 привода электрогенератора 62 выработки электроэнергии /ЭЭ/, а по выхлопу газовая турбина 61 сообщена с нагнетателем биогаза 18 в ферментатор 11. ЦМФ 19 по избыточной биомассе СЗВ и серобактерий сообщен с ЛПФ 63 и сушилкой 64 белково-витаминной добавки /БВД/.

Установка комплексной микробной утилизации /КМУ/ сельхозотходов /СХО/ работает следующим образом.

Навоз из товарной свинофермы 1 гидросмывом и гидросплавом поступает в сборник 2. Соотношение углерода к азоту составляет C : N = 8 : 1. Азот является ингибитором процессов брожения, а поэтому в субстрат вводят компост из ТФФ 52, который получен из растительных остатков и опилок древесины лиственных пород, и доводят C : N = 20 : 1. Субстрат сбраживают в камерах 4 - 7 метантенка 3 при температуре 53^oC, причем колебания температуры не должны превышать одного градуса в сутки. Термостатирование процесса брожения осуществляется теплом ТФФ 52, в котором за счет разложения органики температура устанавливается 70-72^oC, под покрытием 55, например пленки. Нагрев субстрата осуществляется за счет пульсации скоростных и статических напоров между уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора 9 и корпуса 10 в диспергаторах 8, при повышении температуры свыше 53^oC привод диспергаторов отключается от реле температуры /на чертеже не показаны/ При сбраживании вокруг взвесей образуются парогазовые оболочки, которые флотируют взвеси в газовую полость, занимающую 1/5 объема метантенка 3. Оболочки разрушаются при соударениях в зазоре между ротором 9 и корпусом 10 диспергатора 8. При разрушении парогазовых оболочек одновременно происходит разрушение взвесей до размеров частиц, сопоставимых с размерами микрофлоры, что обеспечивает глубокий распад органики. Концентрация микрофлоры в камерах 4-7 поддерживается в пределах 20 г/м³ за счет ввода "затравки" из культиваторов /на чертеже не показаны/. Из камеры 4 кислого брожения отводят спирты в спиртовую камеру 35, взвеси отделяют ЦМФ 34 и производят разгонку в РК 35, работа которой описана на примере РК 38. Метанол имеет температуру 64,7^oC, а этанол - 78,3^oC, и их отделяют от воды путем многократных испарений и конденсаций. Из камеры 5 регрессии кислого брожения отводят субстрат в кислотную камеру 36, отделяют взвеси в ЦМФ 37 и через гидравлический затвор 49 вводят в среднюю часть РК 38. Кислота, в частности металацетат, имеет температуру кипения 57,5^oC, поэтому он лучше испаряется и труднее конденсируется в сравнении с водой. Метилацетат исчерпывают в части 44 РК 38, а укрепляют в части 43. Часть конденсата из дефлегматора 45 возвращают в корпус 39 на орошение, а избыточную часть отводят в сборник 46 в качестве товарного продукта /ОК/. Обеспечение теплом осуществляют конденсацией водяного пара в теплообменнике 48. Концентрация метана /CH₄/ в камере 7 метантенка 3 не превышает 65-70% и для исчерпывания диоксида углерода в ферментаторе 11 используют сине-зеленые водоросли /СЗВ/, которые культивируют на насадке 17 из полых стеклянных шариков, увеличивающих глубину фотосинтеза через светопроницаемые стенки корпуса 12 от светильников 13 в секциях 15. Биогаз продувают нагнетателем 18 через ППП 14 и слой иммобилизационной насадки 17, а бражка перетекает сверху вниз по переливным трубам 16. Под воздействием ферментов дезинтеграта, поступающего из ДД 20, происходит разложение воды 2H₂O ---> 2H₂O + O₂. Водород восстанавливает диоксид углерода CO₂ + 4 H₂ ---> CH₄ + 2 H₂O, за счет ферментолиза масса CH₄ на 20-30% превышает массу распада беззольной органики. Под воздействием фермента-гидрогеназы на пигмент белка хлорофилла СЗВ вырабатывают водород, который участвует в процессе ферментолиза. За счет иммобилизации /прилипания/ микрофлоры к насадке 17 в ней появляются высокопродуктивные популяции особей СЗВ, т.е. происходит автоселекция при длительной эксплуатации ферментатора 11. У микрофлоры в условиях иммобилизации вырабатывается способность использовать продукты жизнедеятельности /метаболиты/ особей, находящихся на вышележащих секциях 15 в качестве продуктов питания особями нижележащих секций 15 - сукцессия. После ферментатора 11 практически чистый метан отводят через гидравлический затвор 59 в газгольдер 60, и после осушки сжигают в газовой турбине 61 привода электрогенератора 62 СХЭС с выработкой товарной электроэнергии /ЭЭ/. Выхлоп возвращают через нагнетатель 18 в ферментатор 11. Тепло выхлопа термостатирует процессы жизнедеятельности микрофлоры, которые проходят при температуре 36^oC, а оксид углерода окисляется до диоксида, который восстанавливают до метана. Серобактерии исчерпывают из биогаза сероводород. Образующийся в результате фотосинтеза кислород окисляет органику до биогенных элементов питания микрофлоры. Из газгольдера 60 в качестве товарного продукта отводят CH₄. Углеводороды по теплотворной способности на единицу массы характеризуются отношением H/C/. У метана она равна 4, для сравнения у бензина 2,2, у дизтоплива - 1,5, у угля - 1. Метан является отличным горючим для двигателей внутреннего сгорания /ДВС/ автотранспорта и сельхозмашин. Метан повышает в 2 раза межремонтный ресурс ДВС и на 15% снижает расход смазочных материалов. Биомассу микрофлоры ферментатора 11 отделяют на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электрического тока в ЦМФ 19 и направляют на дезинтеграцию через патрубок 22 в ДД 20 в кольцевом канале 27. При опорожнении глухих отверстий 25 в роторе 24 между днищем отверстия 25 и жидкостным поршнем возникает разрежение и в жидкости появляются пузырьки пара, которые конденсируются в кольцевом канале 27. Объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, и появляются пустоты, которые схлопываются. Центрами конденсации являются микроорганизмы, оболочки которых разрушаются при гидравлических ударах. Микрофлора на 80-85% состоит из воды, и происходит ожижение биомассы с освобождением внутриклеточной жидкости, содержащей в дезинтеграте нуклеиновые кислоты, ферменты, микроэлементы, витамины, биостимуляторы, которые через патрубок 23 ДД 20 поступают в ферментатор 11 и участвуют в нем в процессах ферментолиза, фотосинтеза, в восстановительно-окислительных процессах, в том числе в накоплении СЗВ тяжелой /D₂O/ воды до концентраций 0,4-0,6%. Под воздействием кольца 26 магнитофора, выполненного из каучука с ферромагнитным наполнителем, осуществляется наведение магнитного силового поля магнитофором-индуктором. Происходит под воздействием магнитного поля перестройка ассоциатов молекул воды в макромолекулы, водородные связи между которыми разрываются при обработке в ДД 20. Плотность тяжелой /D₂O/ воды на 10% выше плотности легкой /H₂O/ и под действием центробежной силы, ассоциаты тяжелой воды проходят через отверстия 28 в кольце 29 в полость 30, а выходу ее оттуда препятствует вязкость, которая на 23% выше вязкости легкой. Тяжелую воду из полости 30 отводят через патрубок 31 в сборник 32 в качестве товарного продукта, замедлителя быстрых нейтронов. Замена обычной воды в атомных реакторах по типу канадских на 20% повышает срок службы тепловыделяющих элементов за счет устранения поглощения нейтронов кислородом и водородом обычной воды. Одновременно с динамической дезинтеграцией происходит статическая за счет температуры кипения D₂O, составляющей 101,42^oC, т. е. она хуже испаряется, быстрее конденсируется. Избыточную биомассу обезвоживают на ЛПФ 63 и после сушки в сушилке 64 используют в качестве БВД из расхода 1 г а.с. в. на 1 кг живого веса животных и птицы, сокращающей расход обычных кормов на 20%. Выработка дополнительной товарной продукции снижает издержки.