жидкое минерализованное органическое удобрение из анаэробно сброженных разжиженных и измельченных органических отходов, способ приготовления и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Жидкое органическое удобрение из анаэробно сброженных разжиженных и измельченных органических отходов с содержанием в их составе питательных веществ для растений, отличающееся тем, что органические вещества, содержащиеся в составе жидкого удобрения, минерализованы не менее чем на 95% от количества органических веществ в отходах до их сбраживания в метантенке с образованием гумуса.

2. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных и измельченных органических отходов, включающий подачу во внешнюю камеру коаксиального метантенка разжиженных и измельченных органических веществ отходов с последующим их последовательным анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание газожидкостной смесью сбраживаемой массы с выводом ее на удобрение, отбор биогаза из внешней и внутренней камер, ввод биогаза из внешней камеры в составе подогретой газожидкостной смеси во внутреннюю камеру рассредоточенными струйными потоками перемешивания сбраживаемой в ней массы, отличающийся тем, что первую фазу анаэробного сбраживания разжиженных и измельченных органических веществ отходов во внешней камере в кислой среде при рН менее 7,0 осуществляют до полного распада всех поступивших и осаждающихся разноплотных сбраживаемых органических веществ отходов активным симбиозом расщепляющих (гидролизующих) микроорганизмов с разрушением ими сложных соединений в более простые и образованием жирных кислот и тощего биогаза (углекислоты, водорода и сероводорода), вводимых затем во внутреннюю камеру для выполнения в ней второй фазы анаэробного сбраживания в щелочной среде при рН более 7,2 с выработкой из них метаногенными бактериями горючего биогаза.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что горючий биогаз вырабатывают во внутренней камере метантенка с содержанием в его составе до 95% метана при калорийности биогаза до 33500 кДж/нм ³ в количестве до 260 м³ из тонны помета влажностью 70% и до 110 м³ из тонны экскрементов свиней влажностью 88%.

4. Устройство для последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных и измельченных органических отходов, содержащее герметичный резервуар с концентрической перегородкой, одинаковой в плане с формой резервуара и разделяющей его на внешнюю и внутреннюю камеры, патрубки подвода разжиженных органических отходов и отвода сброженных осадков, средства перемешивания и подогрева сбраживаемых отходов и патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, причем патрубок отвода биогаза из внешней камеры метантенка соединен газопроводом с всасывающим патрубком инжектора, к напорному патрубку которого присоединен теплообменник, с нагревателем и с насосом, соединенным своим всасывающим патрубком с введенным в метантенк трубопроводом, а патрубок смесительной камеры инжектора соединен с напорным трубопроводом нагретой газожидкостной смеси, введенным в метантенк, отличающееся тем, что концентрическая перегородка выполнена на полную высоту резервуара при присоединении к его днищу с отверстиями в ее стенке и с наклонными вниз козырьками со стороны внешней камеры.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что отверстия в концентрической перегородке выполнены в нижней половине ее высоты от днища.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внизу внешней камеры выполнены патрубок ее опорожнения и закрываемые с крышками люки очистки внешней камеры от минеральных осадков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к коммунальному и к сельскому хозяйствам и преимущественно предназначается к использованию на животноводческих и птицеводческих фермах, комплексах и фабриках.

Известно по А.С. СССР 472923 жидкое минерализованное концентрированное органическое удобрение из анаэробно сброженных экскрементов животных и различных органических отходов, получаемое путем их разжижения и измельчения, сбраживания, разделением на твердую и жидкую фракции сброженной массы, концентрированием и выпариванием жидкой фракции при получении из тонны экскрементов животных до 130-150 литров жидкого концентрата, в котором сохранена лишь часть питательных веществ для растений от их количества в исходном сырье до его сбраживания, тогда как значительная масса питательных веществ осталась в отделенных 100-120 кг сухого концентрата и в удаляемой воде.

Недостатком известного по А.С. СССР №472923 жидкого минерализованного концентрированного органического удобрения является то, что в его составе остается менее 13%-15% питательных веществ от их количества в исходной тонне экскрементов до их сбраживания и являющихся сырьем для получения жидкого концентрата, а недостатком способа и устройства по приготовлению жидкого минерализованного концентрированного органического удобрения по А.С. СССР №472923 с использованием известного оборудования для его осуществления является многооперационность выполняемого процесса при сложности и трудоемкости обслуживания энергоемких механизмов при их высокой стоимости изготовления.

Известно и другое жидкое частично минерализованное органическое удобрение из анаэробно сброженных разжиженных и измельченных различных органических отходов при реализации "Способа последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления" по патенту РФ №2163750, согласно которому сбраживание разжиженных и измельченных органических отходов осуществляют последовательно пофазно во внешней и внутренней камерах коаксиального метантенка с перемешиванием сбраживаемых отходов, подогревом газожидкостной смесью, подачей во внешнюю камеру свежих разжиженных и измельченных органических отходов с их перемешиванием со сбраживаемой во внешней камере массой до полного расщеплении органических веществ в первой фазе сбраживания при последующем перетекании их продуктов распада во внутреннюю камеру с выработкой в ней горючего биогаза и жидких минерализованных частично органических удобрений, тогда как устройство для осуществления способа, содержащее резервуар, выполняемый различной формы в плане с коническими или пирамидальными днищем и куполом с прикрепленной к куполу концентрической перегородкой, образующей внутреннюю и внешнюю камеры с вводным патрубком свежих отходов, патрубки отвода биогаза, соединенные с эжектором, взаимодействующим с теплообменником, котлом и насосом ввода газожидкостной смеси во внутреннюю камеру с перемешиванием ею сбраживаемой в ней массой.

Недостатком этого известного по патенту РФ №2163750 способа и устройства его осуществления является то, что вводимые во внешнюю камеру резервуара метантенка разжиженные и измельченные органические отходы, имеющие в своем составе разноплотные всплывающие и осаждающиеся органические вещества, расслаиваются и всплывающие из них, перемешиваясь со сбраживаемой во внешней камере массой, обсеменяются симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов в первой кислой фазе сбраживания при рН менее 7,0 и преобразуются из сложных соединений с выделением водорода, углекислоты и сероводорода в жирные кислоты, стекающие вниз во внутреннюю камеру, где во второй фазе анаэробного сбраживания при рН более 7,2 преобразуются метаногенными бактериями в горючий биогаз, тогда как более плотные трудносбраживаемые осаждающиеся органические вещества опускаются по внешней камере вниз без расщепления во внутреннюю камеру со щелочной средой второй фазы сбраживания, где при рН более 7,2 они не расщепляются и образуют в составе сбраживаемой во внутренней камере массе неразлагаемый иловый осадок органических веществ, что ограничивает более полную минерализацию сбраживаемой массы, используемую при ее выгрузке из метантенка в качестве жидкого минерализованного органического удобрения, как и ограничивает более полную выработку горючего биогаза из органических веществ, поступивших на сбраживание в метантенк разжиженных и измельченных органических отходов.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известные по патенту РФ №2163750 жидкие частично минерализованные органические удобрения, способ приготовления и устройство для его осуществления являются наиболее близкими к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является получение жидкого минерализованного органического удобрения из анаэробно сброженных разжиженных и измельченных органических отходов улучшенного качества, создание таких способа приготовления жидкого удобрения и устройства для его осуществления, которые устраняли бы приведенные выше их недостатки и обеспечили бы повышение эффективности анаэробного сбраживания при выработке жидкого органического удобрения с более полной минерализацией органического вещества и с наименьшим содержанием органического илового осадка в его составе при наибольшем производстве биогаза из сбраживаемых органических веществ и на единицу объема метантенка с улучшением его качества и с повышением калорийности.

Согласно изобретению поставленная задача в улучшении качества жидкого минерализованного органического удобрения достигается тем, что органические вещества, содержащиеся в составе жидкого удобрения, минералиэованы не менее чем на 95% от количества органических веществ в отходах до их сбраживания в метантенке с образованием гумуса.

Поставленная задача в выполнении способа достигается тем, что первую фазу анаэробного сбраживания разжиженных и измельченных органических веществ отходов во внешней камере в кислой среде при рН менее 7,0 осуществляют до полного распада всех поступающих в нее всплывающих и осаждающихся разноплотных сбраживаемых органических веществ отходов активным симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов с разрушением ими сложных соединений в более простые и с образованием жирных кислот и тощего биогаза /углекислоты, водорода и сероводорода/, вводимых затем во внутреннюю камеру выполнения в ней второй фазы анаэробного сбраживания в щелочной среде при рН более 7,2 с выработкой из них метаногенными бактериями горючего биогаза, который вырабатывают во внутренней камере метантенка с содержанием в его составе до 95% метана при калорийности биогаза до 33500 кДж/нм³ в количестве до 260 нм³ из тонны помета влажностью 70% и до 110 нм³ из тонны экскрементов свиней влажностью 88%.

Достижение поставленной задачи в выполнении устройства достигается тем, что прикрепленная в куполу резервуара метантенка концентрическая перегородка, разделяющая на внешнюю и внутреннюю камеры резервуар метантенка, выполнена на полную высоту резервуара при присоединении к его днищу с круглыми или щелевыми отверстиями в ее стенке с наклоненными вниз козырьками со стороны внешней камеры, тогда как отверстия в концентрической перегородке выполнены в нижней половине ее высоты от днища, а внизу внешней камеры выполнены патрубок ее опорожнения и закрываемые с крышками люки очистки внешней камеры от минеральных осадков.

На чертежах схематично приведено устройство коаксиального метантенка, где на фиг.1 показан его общий вид в разрезе с пристроенными к нему газопроводами, редукционными клапанами, инжектором и насосом с теплообменником, нагревателем, трубопроводами, встроенных в резервуар метантенка патрубков, люков и рассредоточителя потоков, а на фиг.2 - вид по А-А на фиг.1.

Коаксиальный метантенк /фиг.1 и 2/ представляет собой герметичный /в данном выполнении цилиндрический/ резервуар 1 с коническими днищем 2 и купольным покрытием 3 с газосборником 4, снизу под которым к нему присоединена доходящая до днища 2 резервуара 1 концентрическая перегородка 5, одинаковая по своей форме в плане с формой резервуара 1 в плане и разделяющая резервуар 1 на внешнюю 6 и внутреннюю 7 камеры, в которых размещены патрубки подвода разжиженных отходов 8 и отвода сброженной массы 9. Из разнонаправленного тройника на конце патрубка 8 обеспечивается перемешивание поступающих отходов со сбраживаемой во внешней камере 6 массой струйным напором подаваемых разжиженных отходов из тройника патрубка 8. Над внешней 6 и внутренней 7 камерами выполнены патрубки 10 и 11 отвода из них биогаза, тогда как патрубок 10 отвода биогаза из внешней камеры 6 метантенка соединен газопроводом 12 с всасывающим патрубком 13 инжектора 14, к напорному патрубку 15 которого присоединен теплообменник 16 с нагревателем 17 и насосом 18. Всасывающий патрубок 19 насоса 18 соединен с трубопроводом 20 забора сбраживаемой массы из метантенка на перемешивание и подогрев, тогда как патрубок смесительной камеры 21 инжектора 14 соединен напорным трубопроводом 22 нагретой газожидкостной смеси с введением в метантенк и установленным над его днищем 2 рассредоточителем потока 23.

Для обеспечения широкого диапазона регулирования задаваемых величин избыточного давления биогаза и его вакуума во внешней камере 6 всасывающий газопровод 12 инжектора 14 двумя обособленными параллельными газопроводами 24 и 26 соединен с газопроводом 28. При этом в газопровод 24 встроен редукционный клапан 25 сброса избыточного давления из внешней камеры 6 метантенка в газопровод 28 отвода биогаза из внутренней его камеры 7, а в газопровод 26 встроен редукционный клапан 27 подачи биогаза из газопровода 28 во внешнюю камеру 6 метантенка при образовании в ней вакуума.

Выполнение наклоненных вниз козырьков 29 над отверстиями 30 в концентрической перегородке 5 со стороны внешней камеры 6 исключает как поступление в камеру 7 из камеры 6 оседающих плотных и трудносбраживаемых органических веществ, поступающих в камеру 6 в составе вводимых в нее по патрубку 8 разжиженных и измельченных органических отходов на сбраживание, так и предотвращает поступление вырабатываемого в камере 7 биогаза в камеру 6.

Для периодической очистки внешней камеры 6 от минеральных осадков /грунт, песок, глина, мелкий гравий, ракушка и др./, которые на животноводческих и птицеводческих фермах поступают на сбраживание в метантенки в составе разжиженных и измельченных органических отходов, в нижней части внешней камеры 6 выполнены закрываемые крышками люки 31 и патрубок опорожнения 32.

Другие трубопроводы /для контроля уровня сбраживаемой массы и ее перелива, отбора проб и др./, как и устройство теплоизоляции метантенка, установка приборов и датчиков КИПА - на чертежах не показаны, т.к. их выполнение возможно во многих вариантах. В соответствии с требованиями СНиП давление биогаза во внутренней камере 7 метантенка устанавливается в пределах 1,5-2,5 кПа.

Последовательное пофазное анаэробное сбраживание разжиженных и измельченных органических отходов сельского и коммунального хозяйств в предложенном коаксиальном метантенке с выработкой из органических веществ жидкого минерализованного органического удобрения одновременно с получением высококалорийного биогаза выполняют следующим образом.

Свежие разжиженные и предпочтительно измельченные не крупнее в своем размере более 5 мм органические отходы влажностью 92±3% по трубопроводу 8 вводят под напором во внешнюю камеру 6, где струями разнонаправленных из тройника патрубка 8 потоков вводимые отходы смешивают с содержимой в камере 6 сбраживаемой массой при одновременном вытеснении через переливной трубопровод сбровенную массу из камеры 7, являющуюся жидким минерализованным органическим удобрением. Загрузка метантенка разжиженными и измельченными органическими отходами может производиться как непрерывно постоянно в пределах суточной дозы загрузки, так и периодически циклично один или несколько раз в сутки с соблюдением дозы в сутки.

При загрузке метантенка менее плотные органические вещества всплывают внутри внешней камеры 6 до образования из них в кислой среде первой фазы сбраживания жирных кислот и тощего биогаза, а более плотные осаждающиеся органические вещества опускаются вниз камеры 6, где также в кислой среде первой фазы сбраживания из них симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов образуются жирные кислоты и тощий биогаз, которые совместно с продуктами распада всплывших малоплотных органических веществ вводят в камеру 7 в щелочную среду второй фазы сбраживания: жирные кислоты из-под козырька 29 через отверстия 80, а тощий биогаз по патрубку 10, газопроводу 12 и инжектору 14 в составе газожидкостной смеси через рассредоточитель потока 23. При этом через отверстия 30 из камеры 6 в камеру 7 при загрузке камеры 6 свежими отходами из патрубка 8 попадают также среднеплотные частично расщепленные органические вещества, которые или дорасщепляются в камере 7, или остаются недорасщепленными в составе сбраживаемой в камере 7 массе, выгружаемой из метантенка в качестве жидкого минерализованного удобрения. Находящиеся в составе вводимых в камеру 6 органических отходов минеральные включения /грунт, песок, глина, мелкий гравий, ракушка и др./, состав которых зависят от методов содержания животных и птицы, оседая на дно камеры 6 образуют осадок с незначительным количеством неразлагаемым органическим веществом, что обуславливает необходимость примерно раз в 3-4 года производить через люки 31 очистку камеры 6 после слива из нее по патрубку 32 сбраживаемой в ней и частично в камере 7 массы, оставляя при этом примерно 1/3 объема сбраживаемой массы в камере 7 с активной популяцией метаногенных микроорганизмов. Сохраняемая слитая из камеры 6 сбраживаемая масса загружается вновь в очищенную камеру 6 совместно со свежими разжиженными и измельченными органическими отходами, что обеспечивает быстрый ввод работы метантенка в нормальный режим работы.

Постоянное поступление нагретой газожидкостной смеси из рассредоточителя 23 у днища 2 камеры 7 обеспечивает в ней во второй фазе сбраживания при рН более 7,2 совмещенное газожидкостное перемешивание сбраживаемой массы при нагреве с вливающимся в камеру 7 из камеры 6 через отверстия 30 более плотного потока кислот и аминокислот, раскисляемого восходящими рассредоточенными нагретыми газожидкостными потока сбраживаемой массы в камере 7, что обеспечивает эффективный рост и активизацию популяции метаногенных бактерий с выработкой ими большего количества биогаза с содержанием в нем до 95% метана при калорийности биогаза до 33500 кДж/нм³.

В зависимости от устанавливаемых режимов работы метантенка, обуславливаемых влажностью сбраживаемой массы, периодичностью и дозой загрузки отходов и их составом, температурой сбраживания, другими факторами, давление биогаза в камере 6 изменяется, тогда как давление вырабатываемого в камере 7 биогаза постоянно и регулируется газгольдером или другими устройствами в пределах установленных норм СНиП.

При аварийном или каком-либо другом вынужденном прекращении работы насоса 18 с инжектором 14, а также при спонтанном обильном газообразовании в камере 6 давление биогаза в камере 6 может превысить 2,0 кПа /200 мм вод. столба/, что обусловит автоматическое срабатывание редукционного клапана 25 и биогаз из камеры 6 поступит в газопровод 28 и далее через газгольдер к потребителю.

При образовании в камере 6 вакуума более 2,0 кПа автоматически срабатывает редукционный клапан 27 и биогаз из газопровода 28 по газопроводу 26 поступит в камеру 6 и по газопроводу 12 будет отсасываться инжектором 14 с образованием газожидкостной смеси.

Поддержание устанавливаемой температуры сбраживания органической массы в метантенке, вне зависимости от температуры внешней среды в различные периоды года, обеспечивается автоматически тем, что в трубопроводе ввода сбраживаемой массы от насоса 18 в теплообменник 16 установлен /на чертеже не показан/ датчик температуры, взаимодействующий с терморегулятором автоматического регулирования температуры воды нагревателя 17, обеспечивающего необходимый подогрев сбраживаемой массы в теплообменнике 16 до ее ввода в метантенк через инжектор 14. Предложенный способ анаэробного сбраживания разжиженных и измельченных органических отходов может быть осуществлен в диапазоне температур от 12° до 60°С, выбор оптимальной из которых обуславливается конкретными условиями.

Положительным эффектом использования настоящего изобретения в сельском хозяйстве является полное сохранение без потерь в приготовленном жидком минерализованном органическом удобрении из разжиженных и измельченных органических отходов всех питательных веществ для растений, которые были до сбраживания в составе отходов и которые при сбраживании переведены в наиболее усвояемые растениями формы с образованием гумуса /гуминовые и фульвокислоты/ при отсутствии в готовом жидком удобрении ила органических веществ.

Экспериментальная проверка в производственных условиях последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных и измельченных органических отходов с приготовлением из них жидких минерализованных органических удобрений с хранением их зимой при температуре -30°С в хранилище башенного типа емкостью 780 м³ с диаметром 9 метров и высотой 12 метров выявила несмерзаемость полученного минерализованного жидкого органического удобрения до состояния монолитного и сплошного льдообразования. Доставка жидкого удобрения из хранилища на поля и внесение его в почву было осуществлено агрегатом для внутрипочвенного внесения жидких органических удобрений АВВ-Ф-2,8 без потерь питательных веществ при отсутствии в жидком удобрении, анаэробно сброженном в предлагаемом метантенке, нитратов и нитритов. Особо эффективно использование предлагаемого жидкого минерализованного органического удобрения для питания растений в открытом и защищенном овощеводстве, включая гидропонику, что обеспечивает повышение урожайности возделываемых культур и повышает их качество.

Существенным положительным эффектом использования настоящего изобретения на станциях коммунального хозяйства по очистке бытовых и производственных сточных вод, содержащих сбраживаемые органические вещества, является значительное сокращение беззольных органических веществ в выходящей из метантенка сброженной массе по сравнению с их количеством в загружаемых в метантенк на сбраживание осадках из отстойников и в избыточном активном иле из аэротенков, что наряду с повышением производительности метантенка значительно сокращает потребную площадь иловых площадок.

Непременно сопутствующим положительным эффектом использования настоящего изобретения в сельском и в коммунальном хозяйствах является гарантированная выработка повышенного количества горючего биогаза высокой калорийности при последовательном пофазном анаэробном сбраживании разжиженных и измельченных органических веществ, расщепляемых не менее чем на 95% от их количества в поступающих на сбраживание в метантенк органических отходах.