Установка подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов

 

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и биоэнергетике и может быть использована в подготовке сырья для анаэробной переработки различных видов органических отходов в экологически чистые и полезные вещества в виде удобрения и биогаза с целью утилизации биологических отходов и локальной стабилизации экологической ситуации в местах их скопления (навоз, птичий помет, отходы сельскохозяйственного и агропромышленного производства, бытовые пищевые отходы и др.). Технический результат - улучшение качества субстрата за счет достижения высокой степени измельчения, обеззараживания и гомогенизации смеси, обеспечивающего повышение скорости переработки и увеличение выхода полезного продукта при снижении материальных затрат. Установка содержит средства дозированной подачи жидкости из биореактора и сырья, подогрева, обработки излучением и дозированной подачи субстрата в биореактор. Она оснащена герметичной емкостью и снабжена вакуумным насосом, а средство обработки смеси излучением выполнено в виде ультразвукового гидродинамического излучателя, камера которого подсоединена к емкости с образованием замкнутого контура и подаче газа из биореатора. /1 н.п.ф, 3 з.п.ф, 1 илл./

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и биоэнергетике и может быть использована в подготовке сырья для анаэробной переработки различных видов органических отходов в экологически чистые и полезные вещества в виде удобрения и биогаза с целью утилизации биологических отходов и локальной стабилизации экологической ситуации в местах их скопления (навоз, птичий помет, отходы сельскохозяйственного и агропромышленного производства, бытовые пищевые отходы и др.).

К перспективному развитию биотехнологии для утилизации органических отходов относится интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов, так и за счет усовершенствования оборудования. Важным этапом биотехнологического производства полезных продуктов из органических отходов является тщательная подготовка исходного сырья с целью создания питательной среды для культивирования микроорганизмов и получение качественной смеси, вносимой в основной аппарат - биореактор (ферментер).

Анаэробная переработка неподготовленной должным образом биомассы при наличии идеальных условий длится гораздо дольше (в 2-3 раза), а выход биогаза на 50-200% меньше, чем при переработке такого же объема тщательно подготовленной биомассы.

Улучшение качества субстрата позволяет повысить эффективность использования биореактора - самого дорогого элемента биогазового комплекса.

Традиционно в подготовке сырья для анаэробной переработки органических отходов используют устройства механического измельчения и перемешивания сырья с добавлением, по необходимости, жидкости и/или других компонентов с подогревом или без подогрева.

Подготовка сырья без его измельчения (полезная модель RU 88665, 20.11.2009) не обеспечивает равномерности гранулометрического состава исходного сырья, поступающего в биореактор, что замедляет процесс биоферментации.

Указанный недостаток устраняется в блоке подготовки сырья технологической линии по патенту на полезную модель RU 125995, 20.03.2013, содержащем бункер-накопитель и измельчитель, в котором предусмотрена возможность подачи крупного исходного сырья в измельчитель, возврата измельченного сырья в бункер-питатель и подачи измельченного сырья из бункера-питателя на загрузочный транспортер-смеситель. Такая подготовка сырья требует большого количества оборудования и также не обеспечивает получения оптимального качества субстрата.

В качестве измельчающих и перемешивающих средств биомассы широко используют механические роторные измельчители, например, лопастные устройства с приводным валом и лопастями, установленные в емкости, сообщенной перфорированной перегородкой с камерой кислого брожения реактора (RU 2084515, 20.07.1997).

Для повышения эффективности процесса сбраживания в системе подготовки сырья по патенту RU 2370457, 20.10.2009 дополнительно предусмотрены средства подачи в емкость с измельчителем жидкости, полученной из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора.

Известны также установка переработки органических отходов для получения удобрений, в которой средства перемешивания, измельчения и гомогенизации выполнены в виде электрогидравлической камеры, в корпусе которой размещен ряд парных электродов (RU 2135437, 27.08.1999), биогазовая установка по патенту RU 2102468, 20.01.1998., в которой для подготовки сырья используют деструктор, расположенный между сборником помета и биореактором, а также установки для реализации способов получения органического удобрения диспергированием смеси по патентам RU 2258686, 20.08.2005 и RU 2207328, 27.06.2003, в первой из которых предусмотрен роторный гидроударный аппарат для гидроударного воздействия на смесь при ее циркуляции по замкнутому контуру, а во второй - генератор ультразвуковых колебаний для ультразвукового воздействия на смесь при аэробной обработке.

Известные установки подготовки сырья с применением механических измельчителей и деструкторов, устраняющих крупные и протяженные фрагменты, которые препятствуют перекачке смеси в биореактор, также как и реализуемые на них способы, малоэффективны и не обеспечивают получения качественного субстрата, усложняя тем самым конструкции биореакторов дальнейшей анаэробной переработки органических отходов.

В качестве прототипа установки подготовки сырья для анаэробной переработки отходов принята система подготовки сырья в установке для обработки биологических отходов ЕР 1636869, 22.05.2008.

Система подготовки по прототипу включает средство для смешивания сырья с водой и группу ультразвуковых излучателей для ультразвуковой обработки, размещенных вокруг канала прохода смеси к биореактору. В качестве облучателя смеси ультразвуком используется устройство, описанное в WO 0035579, 22.06.2000 г., содержащее сосуд и множество ультразвуковых преобразователей, прикрепленных к внешней стенке сосуда. Шестьдесят модулей 50 Вт пьезоэлектрических преобразователей, каждый из которых резонирует на частоте 20 кГц, плотно упакованы в решетке и образуют вокруг сосуда пять колец по 12 модулей в каждом.

При достаточно сложной конструкции установка подготовки сырья по прототипу, как и реализуемый на ней способ, малоэффективна и не обеспечивает хорошего качества субстрата, требует больших материальных затрат и времени на переработку.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании установки, обеспечивающей повышение эффективности подготовки сырья, ускорение анаэробной переработки органических отходов и увеличение ее глубины.

Техническим результатом является улучшение качества субстрата за счет достижения высокой степени измельчения, обеззараживания и гомогенизации смеси, обеспечивающего повышение скорости переработки и увеличение выхода полезного продукта при снижении материальных затрат.

Технический результат достигается также тем, что установка подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов, включающая средства дозированной подачи сырья и жидкости, подогрева, обработки излучением и дозированной подачи субстрата в биореактор, согласно полезной модели, она оснащена герметичной емкостью, которая снабжена вакуумным насосом, а средство обработки смеси излучением выполнено в виде ультразвукового гидродинамического излучателя, камера которого подсоединена к емкости с образованием замкнутого контура.

При этом камера ультразвукового гидродинамического излучателя снабжена средством подачи не содержащего кислорода газа, которое может быть подсоединено непосредственно к биореактору, а средство подачи жидкости для смешивания сырья - к его системе слива.

Полезная модель поясняется примером выполнения с сопровождающим чертежом схематичного изображения установки подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов.

Установка содержит герметичную емкость 1, соединенную с дозаторами 2 и 3 соответственно подачи органического сырья и жидкости, с вакуумным насосом 4, дозатором 5 подачи газа из биореактора и дозатором 6 подачи субстрата в биореактор (на чертеже не показан). Емкость 1 оснащена нагревателем 7 и ультразвуковым гидродинамическим излучателем 8 пластинчатого или стержневого типа, камера которого подсоединена к емкости 1 через прокачивающий насос 9 с образованием замкнутого контура циркуляции смеси.

Работа установки осуществляется следующим образом.

В герметичную емкость 1 через дозаторы 2 и 3 под напором одновременно подают сырье из бункера-накопителя и жидкость, полученную из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора и имеющую повышенную температуру. По завершению загрузки определяют температуру смеси и включают нагреватель 7 для доведения температуры смеси до заданной, соответствующей температуре первой стадии процесса биореактора, которая обычно составляет 37°C. Включают вакуумный насос 4 и одновременно с подогревом смеси в едином объеме герметичной камеры производят дегазацию смеси в течение 15-20 мин. В результате вакуумирования откачиваются пары газов и удаляется основная часть растворенного в исходном сырье кислорода, являющегося ядом для микроорганизмов, участвующих в биотехнологическом процессе. Затем отключают насос 4, перекрывают магистраль клапаном 10, включают насос 9, запускают ультразвуковой гидродинамический излучатель 8 и подключают средства подачи газа через дозатор 5 из биореактора. Осуществляют одновременно нагрев смеси и ее циркуляцию по замкнутому контуру через ультразвуковой гидродинамический излучатель 8. При этом излишки газа стравливаются через клапан 11.

В результате многократной циркуляции смеси по ультразвуковому гидродинамическому излучателю 8 срывающиеся с поверхностей его механических резонаторов завихрения текучей среды и собственные колебания резонаторов возбуждают в текучей среде гармонические акустические колебания в виде периодических импульсов давления. Периодические импульсы моделируют колебания, обеспечивая обратную связь и незатухающие акустические колебания, в результате чего увеличивается амплитуда возбужденных гармонических акустических колебаний в условиях резонанса с колебаниями механических резонаторов излучателя 8. Происходит образование расширенной по зоне обработки кавитационной области, которая воздействует на клеточную структуру биомассы, разрушая клеточные перегородки и обеспечивая интенсивное измельчение смеси. Под воздействием акустических и ультразвуковых волн в текучей среде возникают избыточные давления и напряжения растяжения, вследствие чего на границе раздела жидкой и твердой фаз имеют место явления окислительно-восстановительного действия, благодаря которым получают стойкую эмульсию и суспензию с размерами частиц высокой дисперстности. При этом дополнительная подача дозатором 5 не содержащего кислорода газа в кавитационную зону способствует облегчению создания режима развитого кавитационного течения, оптимизирует процесс и создает множество очень маленьких пузырьков углекислоты, которые, попадая затем в биореактор, являются пищей для метаногенов, т.е. способствуют увеличению доли метана в составе биогаза. Процесс обработки длится 10-30 минут и завершается после нагрева смеси до заданной температуры. После завершения обработки субстрат через дозатор 6 перекачивают в биореактор. Затем процесс подготовки повторяют.

Работа установки полностью автоматизирована.

Таким образом, в едином объеме герметичной емкости одновременно с подогревом смеси осуществляют ее дегазацию и качественную обработку, что существенно увеличивает производительность процесса подготовки высококачественного субстрата из органического сырья любого типа.

Установка, комплектуемая емкостью объемом 1,5 м3 и прокачивающим насосом производительностью 20-50 м3/час, обеспечивает подготовку 50 м3 субстрата за сутки.

Экспериментально установлено, что длительность сбраживания куриного помета с использованием заявляемой установки подготовки сырья сократилась с 14 до 9 суток, а количество полученного биогаза увеличилось в 2,2 раза. Кроме того, результатом удаления кислорода, содержащегося в смешиваемых компонентах, стало существенное ускорение времени начала реакции и уменьшение доли углекислого газа в составе биогаза.

1. Установка подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов, включающая средства дозированной подачи сырья и жидкости, подогрева, обработки излучением и дозированной подачи субстрата в биореактор, отличающаяся тем, что она снабжена герметичной емкостью, которая оснащена вакуумным насосом, а средство обработки смеси излучением выполнено в виде ультразвукового гидродинамического излучателя, камера которого подсоединена к емкости с образованием замкнутого контура.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что камера ультразвукового гидродинамического излучателя оснащена средством подачи газа, не содержащего кислорода.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что средство подачи газа подсоединено к биореактору.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средство подачи жидкости подсоединено к системе слива биореактора.



 

Наверх