установка комплексной утилизации сельхозотходов

Формула изобретения

Установка комплексной утилизации сельхозотходов, включающая источник сельхозотходов, например птицефабрику, сообщенную по жидкому помету со сборником сельхозотходов и метантенком в виде камер кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами из взаимодействующих уступчатыми боковыми поверхностями корпуса и ротора, причем камера метанового брожения метантенка сообщена по биогазу и бражке с ферментатором в виде корпуса со светопроницаемыми стенками, размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, причем корпус выполнен с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции с размещенной на поперечной перфорированной перегородке насадкой в виде полых стеклянных шариков для культивирования на насадке хлореллы и серобактерий, причем секции сообщены друг с другом переливными трубами, а нижняя секция сообщена с нагнетателем биогаза из метантенка, а верхняя секция ферментатора сообщена по бражке с метантенком, а по метану через гидравлический затвор, газгольдер с сельхозэлектростанцией в виде газовой турбины с электрогенератором, отличающаяся тем, что нижняя секция ферментатора сообщена с центробежным микрофильтром, а по биомассе хлореллы и серобактерий с динамическим дезинтегратором, включающим корпус с патрубками входа и выхода, размещенный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями на цилиндрической поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующим с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода, а полость сообщена со сборником тяжелой (D₂О) воды патрубком, а патрубок выхода корпуса динамического дезинтегратора сообщен с раструбом улитки, плоская часть которой сообщена с трубой, перпендикулярной к плоской части улитки, а во внутренней полости трубы размещена плоская спираль, причем труба сообщена с верхней секцией ферментатора, а камера метанового брожения метантенка сообщена со следующей ступенью ферментатора, который сообщен с центробежным ферментатором, а по биомассе сообщен с динамическим дезинтегратором и сборником сверхтяжелой (Т₂О) воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике комплексной утилизации (КУ) сельхозотходов (СХО) и может быть использовано на птицефабриках АПК с гидросмывом и гидросплавом помета при клеточном содержании птицы для снижения себестоимости производства сельхозпродукции, путем выработки из СХО метана /CH₄/, белково-витаминной добавки /БВД/, биоудобрения /БУ/, тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ воды в качестве дополнительной товарной продукции.

Известна установка КУ СХО, включающая источник СХО, например птицефабрику с клеточным содержанием птицы и с гидросмывом, и гидросплавом помета, сообщенную со сборником СХО и метантенком в виде камер: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами из взаимодействующих уступчатых боковых поверхностей корпуса и ротора, причем камера метанового брожения метантенка по биогазу сообщена через гидравлический затвор и газгольдер с сельхозэлектростанцией /СХЭС из газовой турбины и электрогенератора /с. 18-19, рис. 2.2., 2.3, У.Э. Виестур, А.М. Кузнецова, В.В. Савенков. Системы ферментации, Рига, "Зинатне", 1986/, недостатком которого является невысокое содержание метана в биогазе, порядка 65-75%, что снижает эффективность использования.

Известна установка КУ СХО, включающая источник СХО, сообщенный со сборником СХО и метантенком, камера метанового брожения которого сообщена по биогазу и бражке с ферментатором, в виде корпуса со светопроницаемыми стенками, размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, причем корпус выполнен с поперечными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции, с размещенной на ППП насадкой в виде полых стеклянных шариков, для культивирования на насадке хлореллы и серобактерий, причем секции сообщены друг с другом переливными трубами, а нижняя секция сообщена с нагнетателем биогаза в корпусе ферментатора /патент РФ N 2068812, кл. C 02 F 11/02, 1991/, недостатком которого является отсутствие условий для выработки тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ воды, что сдерживает снижение себестоимости производства сельхозпродукции.

Цель изобретения - снижение себестоимости производства сельхозпродукции за счет КУ СХО достигается тем, что ферментатор сообщен с центробежным микрофильтром /ЦМФ/, а по биомассе хлореллы и серобактерий с динамическим дезинтегратором /ДД/, включающим корпус с патрубками входа и выхода, размещенный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями на цилиндрической поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующим с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода, а полость сообщена со сборником тяжелой /D₂O/ воды, а патрубок выхода корпуса ДД сообщен с раструбом улитки, плоская часть которой сообщена с трубой, перпендикулярной к плоскости улитки, а во внутренней полости трубы размещена плоская спираль, причем труба сообщена с верхней секцией ферментатора, а камера метанового брожения метантенка по биогазу и бражке сообщена со следующей ступенью ферментатора, который по биомассе сообщен с ЦМФ и следующей ступенью ДД, а его полость сообщена патрубком со сборником сверхтяжелой /T₂O/ воды.

В ферментаторе под воздействием дезинтеграта, в частности его фермента - нитрогеназы, происходит ферментолиз, т.е. разложение воды - 2H₂O ---> 2H₂ + O₂. Одновременно хлорелла под влиянием другого фермента -гидрогеназы - на пигмент белка хлорофилла вырабатывает водород: хлорелла ---> H₂.

Полиферментная система хлореллы восстанавливает CO₂ до CH₄.

CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ + 2H₂O

По результатам ферментолиза вес метана на 20-30% превышает вес распавшейся в метантенке беззольной органики.

Теплотворная способность углеводородов определяется соотношением H/C и для метана - CH₄ равна 4. Для сравнения у бензина это соотношение - 2,2 для керосина порядка - 2, для угля - 1.

В процессе жизнедеятельности в условиях фотосинтеза хлорелла накапливает в своих клетках тяжелую /D₂O/ и сверхтяжелую /T₂O/ воду, причем последняя обладает радиоактивностью. Возврат тяжелой и сверхтяжелой воды с дезинтегратом в ферментатор обеспечивает появление среди хлореллы мутантов, обладающих высокой продуцирующей способностью по исчерпыванию из биогаза CO₂ и выработке H₂.

На фиг. 1 схематически показана установка КУ СХО; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Установка КУ СХО включает источник СХО, например птицефабрику 1, сообщенную по жидкому помету со сборником 2 СХО и метантенком 3 в виде камер: 4 - кислого, 5 - нейтрального, 6 - щелочного, 7 - метанового брожения, снабженных диспергаторами 8 из взаимодействующих уступчатыми боковыми поверхностями корпуса 9 и ротора 10, причем камера 7 метанового брожения метантенка 3 сообщена по биогазу и бражке с ферментатором 11 в виде корпуса 12 со светопроницаемыми стенками, размещенными с внешней стороны стенок корпуса 12 светильниками 13, причем корпус 12 выполнен с ППП 14, образующими секции 15, с размещенной на ППП 14 насадкой 16 в виде полых стеклянных шариков для культивирования на насадке 16 хлореллы и серобактерий, причем секции 15 сообщены друг с другом переливными трубами 17, а нижняя секция сообщена с нагнетателем 18 биогаза из метантенка 3, а верхняя секция 15 ферментатора 11 сообщена по бражке с метантенком 3, а по метану через гидравлический затвор 19, газгольдер 20 с сельхозэлектростанцией /СХЭС/ в виде газовой турбины 21 с электрогенератором 22. Нижняя секция 15 ферментатора 11 сообщена с ЦМФ 23, а по биомассе хлореллы и серобактерий с ДД 24, включающим корпус 25 с патрубками 26 - входа, 27 - выхода, размещенный по оси корпуса 25 ротор 28 с глухими отверстиями 29 на цилиндрической поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал 30 с отверстиями 31 в перфорированном кольце 32, образующим с корпусом 25 полость 33, изолированную от патрубков 26 входа и 27 выхода, а полость 33 сообщена со сборником 34 тяжелой /D₂O/ воды патрубком 35, а патрубок 27 выхода корпуса 25 ДД 24 сообщен с раструбом 36 улитки 37, плоская часть 38 которой сообщена с трубой 39, перпендикулярной к плоской части 38 улитки 37, а во внутренней полости трубы 39 размещена плоская спираль 40, причем труба 39 сообщена с верхней секцией 15 ферментатора 11, а камера 7 метантенка 3 сообщена со следующей ступенью ферментатора 41, который сообщен с ЦМФ 42, который по биомассе сообщен с ДД 43 и сборником 44 сверхтяжелой /T₂O/ воды. Верхняя секция 15 ферментатора 41 сообщена со сборником 45 метана /CH₄/, а нижняя секция 15 ферментатора 41 сообщена через ЦМФ 42 по избыточной биомассе хлореллы и серобактерий с ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/ 46 и сушилкой 47 белково-витаминной добавки /БВД/, а ЦМФ 23 по избыточной биомассе сообщен с ЛПФ 48 и сушилкой 49 БВД. Камера 7 метанового брожения метантенка 3 сообщена по шламу с ЛПФ 50 и сушилкой 51 биоудобрений /БУ/.

Установка КУ СХО на птицефабрике агропромышленного комплекса работает следующим образом.

Помет из клеток птицефабрики 1 гидросплавом после гидросмыва поступает в сборник 2 СХО, в котором его корректируют за счет ввода измельченных сельскохозяйственных отходов до соотношения C:N = 20:1 и последовательно сбраживают в камерах 4-7 метантенка 3, в котором 4/5 объема приходится на субстрат, а верхняя часть для паров и газов, образующихся в результате брожения с изменением pH среды от кислой в камере 4 до щелочной - в камере 7 метанового брожения. Для повышения щелочности среды в камеру 6 щелочного брожения вводят гидрат окиси аммония /NH₄/ OH и двууглекислый аммоний /NH₄/ HCO₃, причем концентрация кислотогенов, ацетогенов, ацетогидрогенов... метаногенов поддерживается в пределах 20-40 г/м³, за счет ввода "затравки" из культиваторов /не показаны/. При жизнедеятельности анаэробов взвеси субстрата флотируются в верхнюю часть метантенка 3, для возврата их в зону брожения диспергаторы 8 между уступами 9 корпуса и уступами 10 ротора разрушают парогазовые оболочки с переводом взвесей в зону брожения. При обработке субстрата между уступчатыми цилиндрическими поверхностями корпуса 9 и ротора 10 происходит нагрев субстрата, предпочтительная температура субстрата при сбраживании в пределах 30-40^oC, причем колебания температуры субстрата не должны превышать одного градуса в сутки. Термостатирование осуществляется за счет отключения привода диспергатора 8 от реле температуры /не показаны/. Термостатирование от воздействия температуры внешней среды осуществляется с использованием изоляции на корпусе метантенка 3 /не показана/. Концентрация метана /CH₄/ на выходе в биогазе из метантенка 3 не превышает 65-75%, а остальное составляют CO₂, H₂S и другие примеси. Для исчерпывания CO₂ и H₂S применяют хлореллу и серобактерии, ассимилирующие их в условиях фотосинтеза в ферментаторе 11 с подводом света от светильников 13 через светопроницаемые стенки корпуса 12. Бражка поступает в верхнюю секцию 15 и перемещается вниз через переливные трубы 17 в нижнюю секцию 15 ферментатора 11. Биогаз подают нагнетателем 18, и он перемещается через ППП 14 и расположенную на ППП 14 насадку 16 из полых стеклянных шариков. Стекло экранирует свет в глубину слоя субстрата на ППП 14 и не подвержено биологическому обрастанию, т.е. при соударениях освобождается от иммобилизации /прилипания/. После 2-3 месяцев эксплуатации ферментатора 11 в условиях иммобилизации в хлорелле и серобактериях популяционно появляются особи, обладающие повышенной исчерпывающей способностью к высокопродуктивному накоплению биомассы -автоселекция. Хлорелла и серобактерии вырабатывают в себе способность использовать в качестве биогенных элементов питания продукты жизнедеятельности /метаболиты/ вышележащих особей нижележащими особями по ходу субстрата по высоте ферментатора 11 - сукцессия. Хлорелла имеет коэффициент накопления порядка 10⁷-10⁹ по тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ воде, причем концентрация изотопов водорода в хлорелле составляет 0,4-0,6% от биомассы хлореллы. Под воздействием полиферментных систем дезинтеграта, поступающего из ДД 24, в ферментаторе 11 осуществляется ферментолиз, т. е. разложение воды на водород и кислород и восстановление водородом CO₂ до CH₄, с использованием в качестве дополнительного источника водорода фотосинтезируемый водород хлореллы. Метан отбирают в газгольдер 20 и после осушки сжигают в газовой турбине 21 СХЭС привода электрогенератора 22. Образующиеся в результате сжигания продукты выхлопа - CO₂, пары H₂O и тепло -через нагнетатель 18 направляют в ферментатор 11 на регенерацию и термостатирование процессов. Биомассу из ферментатора 11 отделяют на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока в ЦМФ 23, и направляют на дезинтеграцию в ДД 24 через патрубок 26 корпуса 25. Продукт перемещается от патрубка входа 26 к патрубку выхода 27 по кольцевому каналу 30. При вращении ротора 28 биомасса выбрасывается из глухих отверстий 29, при ее перемещении между биомассой и днищем отверстия 29 возникает разрежение и в биомассе появляются пузырьки пара. При выбросе биомассы в кольцевой канал 30 пар в пузырьках конденсируется, так как объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, из которого он образовался, то возникают пустоты, которые схлопываются. Так как центрами конденсации является микрофлора, то оболочки клеток разрушаются и содержимое освобождается с ожижением биомассы. Такие дезинтеграции происходят многократно за время перемещения биомассы по кольцевому каналу 30. За счет освобождения нуклеиновых кислот происходит перестройка ассоциатов молекул воды с образованием линейных цепей ассоциатов молекул и вода приобретает повышенную скользкость, которая практически в 2 раза повышает скорость перемещения и скорость заполнения и опорожнения отверстий 29 в роторе 28. При перемещении массы по кольцевому каналу 30 над отверстиями 31 перфорированного кольца 32 возникают разрежения с образованием пузырьков пара, которые конденсируются и схлопываются в промежутках между отверстиями 31 перфорированного кольца 32. Одновременно с дезинтеграцией клеток микрофлоры происходит дезинтеграция ассоциатов молекул воды. Тяжелая /D₂O/ вода имеет плотность, на 10% превышающую плотность легкой /H₂O/, а сверхтяжелая /T₂O/ на 33% превышает плотность легкой /H₂O/. Под действием центробежной силы ассоциаты D₂O и T₂O через отверстия 31 в перфорированном кольце 32 отбрасываются в полость 33, вытесняя оттуда легкую воду, причем выходу D₂O и T₂O препятствует их вязкость, например вязкость D₂O превышает вязкость H₂O на 23%. Динамическая дезинтеграция сопровождается статической: температура кипения D₂O - 101,42^oC, а T₂O - 104. Они хуже испаряются и труднее конденсируются в условиях нагрева воды от пульсации скоростных и статических напоров в кольцевом канале 30, когда часть потерянной энергии напоров переходит в тепловую. Статическая дезинтеграция происходит при перемещении воды через улитку 37 и между витками плоской спирали 40 за счет жидкостной экструзии - дросселирования - и больших скоростных градиентов, сопровождаемых нагревом биомассы перед ферментатором 11. В газгольдерах 20 и 45 получают практически чистый CH₄. При его использовании в двигателях внутреннего сгорания /ДВС/ межремонтный ресурс повышается в 2 раза, а расход смазочных материалов сокращается на 15%. Следующая ступень ферментатора 41, ЦМФ 42 и ДД 43 преследует цель получения сверхтяжелой воды в сборнике 44. При распаде в термоядерном реакторе /ТЯР/ температура плазмы для смеси H₂ + D₂ необходима порядка миллиарда градусов, для D₂ порядка 100 миллионов градусов, а для смесей дейтерия и трития /D₂ + T₂/ существенно ниже, что уже в настоящее время достижимо в ТЯР Японии, США, РФ. О перспективности термоядерного распада говорит такой факт, что в 1 литре обычной воды содержится дейтерия, эквивалентного при его распаде химическому сжиганию 300 литров бензина.

Одновременно с выработкой тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ на установке КУ СХО получают белково-витаминную добавку, содержащую до 50% белка, в том числе лизина, сокращающего расход обычных кормов на 20%. При расходе БВД 1 грамм а.с.в. на 1 кг живого веса животных и птицы повышается яйценоскость, надои молока, привесы, сокращается падеж молодняка, улучшается генетика родительского стада животных и птицы. Расходы на корма составляют 70-90% всех расходов в животноводстве и птицеводстве, а поэтому в установке КУ СХО создаются предпосылки для снижения себестоимости производства сельхозпродукции в агропромышленном комплексе /АПК/. Установка КУ СХО перспективна к применению в сельхозрайонах, удаленных от линий электропередач, с обеспечением АПК собственным горючим для ДВС сельхозмашин и электроэнергией от СХЭС и ТЯР.