установка утилизации сельхозотходов

Формула изобретения

Установка утилизации сельхозотходов, включающая источник сельхозотходов, например свиноферму, сообщенную со сборником сельхозотходов и с метантенком, состоящим из камер кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде корпуса с выступами на внутренней боковой поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал с выступами ротора, причем метантенк по биогазу и бражке сообщен с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, при этом нижняя секция сообщена с нагнетателем биогаза, а верхняя секция сообщена по метану через гидравлический затвор с газгольдером и сельхозэлектростанцией, состоящей из газовой турбины и электрогенератора, отличающаяся тем, что на поперечных перфорированных перегородках размещена иммобилизационная насадка в виде полых стеклянных шариков, нижняя секция ферментатора сообщена по бражке с центробежным микрофильтром, а по биомассе сине-зеленых водорослей - с динамическим дезинтегратором, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями перфорированного кольца, образующего с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода и сообщенную патрубком со сборником тяжелой воды,

при этом патрубок выхода динамического дезинтегратора сообщен с верхней секцией ферментатора, а по избыточному дезинтеграту - с последующей ступенью ферментатора с центробежным микрофильтром, динамическим дезинтегратором и сборником сверхтяжелой воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике утилизации сельхозотходов и может быть использовано на сельхозпредприятиях агропромышленного комплекса /АПК/ для снижения себестоимости производства продуктов животноводства и птицеводства за счет выработки метана /CH₄/, белково-витаминной добавки /БВД/, биоудобрения /БУ/, тяжелой /Д₂О/ и сверхтяжелой /Т₂О/ воды.

Известна установка УСХО, включающая источник СХО, например свиноферму, сообщенный со сборником СХО и с метантенком, состоящим из камер: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде корпуса с выступами на внутренней боковой поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал с выступами ротора, причем метантенк по биогазу сообщен через гидравлический затвор с газгольдером и сельхозэлектростанцией /СЗЭС/, состоящей из газовой турбины с электрогенератором /с. 18-19, рис. 2.2. , 2.3. , У.Э.Виестур, А.М.Кузнецов, В.В.Савенков. Системы ферментации. Рига, "Зинатне", 1986/, недостатком которой является низкая концентрация метана /CH₄/ в биогазе, что снижает калорийность и выход электроэнергии.

Известна установка УСХО, включающая источник СХО, сообщенный со сборником СХО и с метантенком, а по биогазу с ферментатором, включающим корпус со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок светильниками, поперечными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами /патент РФ N 2068812, кл. C 02 F 11/02, 1991/, в которой отсутствуют условия для выработки тяжелой /Д₂О/ и сверхтяжелой воды /Т₂О/ для последующего использования дейтерия /Д₂/ и трития /Т₂/ в термоядерных реакторах /ТЯР/ для выработки энергии при их распаде.

Цель изобретения - выработка тяжелой /Д₂0/ и сверхтяжелой /Т₂О/ воды при утилизации СХО достигается тем, что нижняя секция ферментатора сообщена по бражке с центробежным микрофильтром /ЦМФ/, а по биомассе синезеленых водорослей /СЗВ/ с динамическим дезинтегратором /ДД/, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями перфорированного кольца, образующего с корпусом полость, изолированную от входного и выходного патрубков и сообщенную патрубком со сборником тяжелой /Д₂О/ воды, патрубок выхода ДД сообщен с верхней секцией ферментатора, а по избыточному дезинтеграту сообщен о последующей ступенью ферментатора с ЦМФ и ДД и сборником сверхтяжелой /Т₂0/ воды.

Сине-зеленые водоросли /СЗВ/ в процессе жизнедеятельности исчерпывают из биогаза CO₂ для построения своей клеточной биомассы, т.е. происходит обогащение биогаза метаном /CH₄/. Одновременно серобактерии исчерпывают сероводород с переводом в микроэлемент серы. Для СЗВ коэффициент накопления Д₂О составляет порядка 10⁷-10⁹, а концентрация Д₂0 порядка 0,4-0,6% от веса биомассы СЗВ. При динамической дезинтеграции происходит освобождение ферментов, которые разлагают воду на водород и кислород

2H₂O ---> 2H₂+O₂,

а водород восстанавливает CO₂:

CO₂+4H₂ ---> CH₄+2H₂O

За счет ферментолиза масса CH₄ на 20-30% превышает массу распада беззольной органики.

В ферментаторе в условиях фотосинтеза под воздействием фермента гидрогеназы на пигмент белка хлорофилла происходит выработка H₂

СЗВ ---> H₂.

Дезинтеграция ассоциатов молекул легкой /H₂O/ и тяжелой /Д₂О/ воды происходит в поле центробежных сил вследствие того, что плотность тяжелой воды на 10% выше плотности легкой, и она переходит в полость, изолированную от основного потока, а выходу препятствует вязкость тяжелой воды, на 23% превышающая вязкость легкой.

Температура кипения тяжелой воды 101,42^oC, и она хуже испаряется и лучше конденсируется в сравнении с легкой водой, т.е. динамическая дезинтеграция сопровождается статической.

В последующих ступенях дезинтеграторов осуществляется динамическая и статическая дезинтеграция ассоциатов тяжелой и сверхтяжелой воды, причем сверхтяжелая вода имеет плотность, на 33% превышающую плотность легкой, а температуру кипения 104^oC.

При использовании смеси легкой и тяжелой воды в ТЯР температура плазмы должна составлять порядка миллиарда градусов, для смеси тяжелой и сверхтяжелой порядка ста миллионов, а при использовании сверхтяжелой воды существенно ниже, что уже достигается в ТЯР 80-х годов. Использование 1 кг дейтерия в ТЯР эквивалентно сжиганию 10000 т угля, т.е. эшелону из 100 вагонов по 100 т грузоподъемностью каждый.

На чертеже схематически показана установка УСХО, включающая источник СХО, например свиноферму 1, сообщенную со сборником СХО 2 и с метантенком 3, состоящим из камер: 4 - кислого, 5 - нейтрального, 6 - щелочного, 7 - метанового брожения, снабженных диспергаторами 8 в виде корпуса 9 с выступами 10 на внутренней боковой поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал 11 с выступами 12 ротора 13, причем метантенк 3 по биогазу и бражке сообщен с ферментатором 14, включающим корпус 15 со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса 15 светильниками 16, поперечными перфорированными перегородками /ППП/ 17, образующими секции 18, сообщенные друг с другом переливными трубами 19, причем нижняя секция 18 сообщена с нагнетателем 20 биогаза, а верхняя секция 18 сообщена по метану через гидравлический затвор 21 с газгольдером 22 и СХЭС, состоящей из газовой турбины 23 и электрогенератора 24. На ППП 17 размещена иммобилизационная насадка 25 в виде полых стеклянных шариков.

Нижняя секция 18 ферментатора 14 сообщена по бражке с ЦМФ 26, а по биомассе СЗВ с ДД 27, включающим корпус 28 с патрубками 29 входа, 30 - выхода, установленный по оси корпуса 28 ротор 30a с глухими отверстиями 31, взаимодействующими через кольцевой канал 32 с отверстиями 33 перфорированного кольца 34, образующего с корпусом 28 полость 35, изолированную от патрубков 29 входа и 30 выхода и сообщенную патрубком 36 со сборником 37 тяжелой /Д₂О/ воды, а патрубок 30 выхода ДД 27 сообщен c верхней секцией 18 ферментатора 14, а по избыточному дезинтеграту сообщен с последующей ступенью ферментатора 38 с ЦМФ 39, ДД 40 и сборником 41 сверхтяжелой /Т₂О/ воды. Камера 7 метантенка 3 по шламу сообщена с ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/ 42 и сушилкой 43 биудобрения /БУ/. ЦМФ 26 по избыточной биомассе СЗВ сообщен с ЛПФ 44, сушилкой 45 белково-витаминной добавки /БВД/. ЦМФ 39 по избыточной биомассе СЗВ сообщен с ЛПФ 46 и сушилкой 47 БВД.

Установка УСХО работает следующим образом.

СХО со свинофермы 1 гидросмывом и гидросплавом поступают в сборник 2. Особенностью СХО свинофермы 1 является избыточное содержание практически в 2 раза по отношению к углероду. Для снижения процесса ингибирования в сборник 2 вводят измельченные растительные остатки с тем, чтобы C:N=20:1. Подготовленный субстрат последовательно сбраживают в метантенке 3, в котором по высоте 4/5 занимает субстрат, а верхнюю часть камер 4-7 занимает парогазовый объем. По результатам жизнедеятельности кислогенов, ацетогенов, ацетогидрогенов. . .метаногенов pH среды изменяется от кислой в камере 4 до щелочной в камере 7 за счет образования гидрата окиси аммония и двууглекислого аммония, причем концентрация микрофлоры в камерах 4-7 не превышает 40 г/м³ субстрата. Микроорганизмы иммобилизованы на взвесях, образуют парогазовые оболочки, которые флотируют взвеси в верхнюю часть метантенка 3. Парогазовые оболочки снижают массообменные процессы микрофлоры на границе между взвесями и субстратом. Для интенсификации массообмена субстрат отбирают из камер 4-7 и обрабатывают в диспергаторах 8 с разрушением парогазовых оболочек срезающими усилиями между выступами 10 и 12. При выбросе субстрата из впадин между выступами 12 ротора 13 в кольцевом канале 11 скоростной напор переходит в статический. После опорожнения впадины между выступами 12 вновь заполняются новыми порциями субстрата. При пульсации скоростных и статических напоров часть энергии напоров теряется и переходит в тепловую с нагревом субстрата, предпочтительная температура сбраживания порядка 30-40^oC, причем колебания температуры субстрата не должны превышать одного градуса в сутки.

Термостатирование осуществляется путем отключения привода диспергаторов 8 от реле температуры /на чертеже не показаны/. Использование диспергаторов 8 устраняет потребность в установке в метантенке 3 специальной теплообменной аппаратуры. Субстрат-бражка из камеры 7 метантенка 3 с pH щелочной среди поступает в ферментаторы 14, 38 и т.д., прочем количество ступеней ферментаторов определяется из условия выработки сверхтяжелой воды в сборнике 41. Из камеры 7 метантенка 3 отбирают биогаз, который продувают нагнетателями 20 с перемещением его через перфорацию ППП 17, слои насадки 25, на которой культивируют СЗВ. СЗВ исчерпывают из биогаза CO₂ и используют его для построения своей клеточной биомассы, а серобактерии исчерпывают сероводород и на выходе из ферментаторов 14 и 38 получают практически чистый метан /CH₄/, который через гидравлической затвор 21 поступает в газгольдер 22 для освобождения от водяных паров и сжигается в газовой турбине 23 СХЭС привода электрогенератора 24.

Выхлоп СХЭС состоит из CO₂ и водяных паров и его направляют в нагнетатели 20 для утилизации, а тепло выхлопа термостатирует теплообменные массообменные процессы в ферментаторах 14 и 38. Из ДД 27 в ферментаторы 14, 38 поступает дезинтеграт с ферментами, биогенными элементами питания, включающими до 45% углерода, 11% азота и до 5% фосфора, микроэлементы, витамины. Ферменты обеспечивают ферментолиз, т.е. разложение воды на водород и кислород, причем водород восстанавливает CO₂ до CH₄, а кислород окисляет сероводород. За счет ферментолиза вес вырабатываемого CH₄ превышает вес распавшейся части беззольной органики. Фермент гидрогеназа воздействует на пигмент белка хлорофилла и является катализатором выработки СЗВ ворода, участвующего в процессе ферментолиза. Стеклянные полые шарики переломляют свет от светильников 16 в глубину слоя бражки.

Иммобилизация СЗВ на насадке 25 обеспечивает популяционную автоселекцию, т.е. размножаются высокопродуктивные особи СЗВ, а низкопродуктивные отмирают и выносятся вместе с бражкой через переливные трубы 19 из ферментаторов 14, 38. При длительной эксплуатации СЗВ нижележащих секций 18 вырабатывают способность использовать в качестве источника питания продукты жизнедеятельности /метаболиты/ микрофлоры вышележащих секций - сукцессия. Отделение биомассы осуществляют в ЦМФ 26, 39 на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электрического тока. В факеле распыла поля центробежных сил ЦМФ 26 биомасса поступает в патрубок 29 ДД 27 и перемещается по кольцевому каналу 32 к патрубку выхода 30. При выбросе биомассы из глухих отверстий 31 между столбом биомассы и днищем отверстия 31 возникает разрежение и в жидкости появляются пузырьки пара.

В поступившей порции жидкости в кольцевом канале 32 пузырьки пара конденсируются. Объем конденсата в тысячу раз меньше объему пара, из которого образовался конденсат, появляются пустоты, которые схлопываются с гидравлическими ударами, причем центрами конденсации являются СЗВ, и оболочки их клеток разрушаются с освобождением внутриклеточной жидкости и появлением дезинтеграта, существенно ожижающего биомассу СЗВ. За счет освобождаемых из СЗВ нуклеиновых кислот происходит перестройка ассоциатов молекул воды с образованием линейных макромолекул, что сокращает гидравлические сопротивления между молекулами, и вода приобретает скользкость, повышающую скорость ее перемещения в кольцевом канале 32 и скорость заполнения и опорожнения глухих отверстий 31. При перемещении в кольцевом канале 32 по поверхности перфорированного кольца 34 над отверстиями 33 возникают очаги разрежения, проводящие к появлению пузырьков пара, которые конденсируются в промежутках между отверстиями 33 с образованием пустот и их схлопыванием с разрывом линейных цепок ассоциатов молекул воды. СЗВ в процессе жизнедеятельности накопили в составе своих клеток тяжелую /Д₂0/ и сверхтяжелую /Т₂0/ до концентраций 0,4-0,6% от массы СЗВ. При дезинтеграции одновременно с дезинтеграцией клеток СЗВ происходит дезинтеграция ассоциатов молекул. Тяжелая вода имеет плотность, на 10% превышающую плотность легкой /H₂O/. Еще более существенней отличается плотность сверхтяжелой воды, на 33% превышающая плотность легкой. В поле центробежных сил тяжелая и сверхтяжелая вода проходят через отверстия 33 в кольце 34 в полость 35, вытесняя из нее легкую воду.

Выходу тяжелой воды препятствует ее вязкость, на 23% превышающая вязкость легкой. Для сверхтяжелой воды разница в вязкости еще более существенней. Тяжелая вода кипит при температуре 101,42^oC, а сверхтяжелая при 104^oC, следовательно, они хуже испаряются и быстрее конденсируются в сравнении с легкой, т.е. динамическая дезинтеграция ассоциатов молекул воды дополняется статической, обусловленная нагревом воды в кольцевом канале 32 под воздействуем пульсации напоров. Тяжелую воду отводят по патрубку 36 в сборник 37, а сверхтяжелую воду в сборник 41. При распаде водорода и дейтерия, в термоядерном реакторе /ТЯР/ температура плазмы должна быть порядка миллиарда градусов, для дейтерия порядка ста миллионов градусов, а для смеси дейтерия и трития существенно ниже, что уже достижимо в поколениях ТЯР, созданных в РФ, Японии, США. Человечество стоит на пороге широкого применения термоядерной энергии. 1 кг дейтерия выделяет энергию, эквивалентную сжиганию 10000 т угля.

При утилизации СХО образуется практически чистый метан /CH₄/. Характеристикой теплотворной способности углеводородного топлива является отношение H/C, у метана оно равно 4, у бензина порядка 2 и для угля в пределах единицы. Перевод автотранспорта с бензина на метан увеличивает в 2 раза межремонтный ресурс ДВС, на 15% сокращается расход смазочных материалов. Особенно перспективно использование метана в авиации, так как плотность жидкого метана в 2 раза ниже керосина, т.е. повышается полезная нагрузка, дальность перевозок, имеются преимущества в оборонной авиации.

СЗВ содержат до 50% белка, биостимуляторы, витамины, в том числе витамин B₁₂. Применение биомассы СЗВ в виде БВД сокращает расход основных кормов на 20%, а расходы на корма составляют порядка 70-90% всех расходов в животноводстве и птицеводстве. При расходе БВД 1 г а.с.в. на 1 кг живого веса животных и птицы повышается яйценосность, надои молока, привесы мяса, снижается падеж молодняка, улучшается генетика родительского стада животных и птицы, снижаются издержки производства микробного белка.

При комплексной утилизации СХО получают биоудобрение, которое лишено неприятного запаха свиного навоза и приобретает запах свежей земли.