Спосіб анаеробної переробки сільськогосподарських відходів в біогаз

Є ще 4 сторінки.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Способ анаэробной переработки сельско­хозяйственных отходов в биогаз, включающий от­деление крупных включений, последовательную подачу отходов на сбраживание в отдельно разме­щенные герметичные кислототенк и матантенк, поддержание физико-химических параметров процесса, вывод биогаза, отличающийся тем, что перед подачей на сбраживание измельчают твер­дые включения до размеров 3-х мм, поддерживают влажность подаваемой на переработку смеси в пре­делах 84-86% и пропускают ее через теплообмен­ник в кислототенк, выдерживают подаваемую смесь до достижения оптимального значения рН для конкретного вида отходов, определяемого в пределах 5,5-6,4, а температуру в кислототенке устанавливают на 5-10°С ниже, чем на последую­щей стадии сбраживания, затем образовавшуюся в кислототенке смесь направляют под слои жидкости в метантенк с учетом сохранения давления в кис­лототенке не ниже 2 м высоты водного столба, при­чем периодически по мере необходимости производят увеличение подачи сбражипаемых от­ходов из кислототенка в метантенк путем частич­ного сброса рабочего объема кислототенка, в метантенк устанавливают температуру 33-35°С, а значение рН в метантенке регулируют в пределах 7,6-8,0 путем изменения соотношения объема метантенка и величины загрузки, производят отделе­ние смеси, содержащий биогаз, жидкую фракцию из которой возвращают в метантенк, затем от ос­тавшейся пены отделяют биогаз, а сброженные от­ходы из метантенка направляют в теплообменник.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разницу между температурами в кислототенке и метантен­ке определяют по максимальному выходу биогаза из метантенка или при одинаковом выходе - по отсутствию устойчивой пены в метантенке.

Текст

1. Способ анаэробной переработки сельскохозяйственных отходов в биогаз, включающий отделение крупных включений, последовательную подачу отходов на сбраживание в отдельно размещенные герметичные кислототенк и метантенк, поддержание физико-химических параметров процесса, вывод биогаза, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что перед подачей на сбраживание измельчают твердые включения до размеров 3-х мм, поддерживают влажность подаваемой на переработку смеси в пределах 84-86% и пропускают ее через теплообменник в кислототенк, выдерживают подаваемую смесь до достижения оптимального значения рН для конкретного вида отходов, определяемого в пределах 5,5-6,4, а температуру в кислототенке устанавливают на 5-10°С ниже, чем на последующей стадии сбраживания, затем образовавшуюся в кислототенке смесь направляют под слой жидкости в метантенк с учетом сохранения давления в кислототенке не ниже 2 м высоты водного столба, причем периодически по мере необходимости производят увеличение подачи сбраживаемых отходов из кислототенка в метантенк путем частичного сброса рабочего объема кислототенка, в метантенке устанавливают температуру 3335°С, а значение рН в метантенке регулируют в пределах 7,6-8,0 путем изменения соотношения объема метантенка и величины загрузки, производят отделение смеси, содержащей биогаз, жидкую фракцию их которой возвращают в метантенк, затем от оставшейся пены отделяют биогаз, а сброженные отходы из метантенка направляют в теплообменник. 2. Способ по п. ^ о т л и ч а ю щ и й с я тем, что разницу между температурами в кислототенке и метантенке определяют по максимальному выходу биогаза из метантенка или при одинаковом выходе - по отсутствию устойчивой пены в метантенке. С > 00 ON 00 О Изобретение относится к способам получения биогаза, в частности, к способам переработки сельскохозяйственных отходов в биогаз. Известен способ переработки органических отходов в биогаз, реализованный в двухфазном (двухстадийном) биореакторе (Дубровский B.C., Виэстур У.Э. Метано 10868 вое сбраживание сельскохозяйственных отходов. - Рига. - 1988. - С. 129), в котором кислотогенную и метаногенную стадии проводят в отдельных последовательно соединенных биореакторах при одинаковых давлениях и температуре (55°С) в биореакторах, рН = 6,5 для кислотогеннай стадии и рН = 7,2 - 7,8 для метаногенной стадии, осуществляя отбор сброженных отходов, вывод и смешение биогаза из обеих стадий. В этом случае не оптимально выбрано время пребывания отходов в кислотогенной стадии. В результате кислотогенная стадия при данном времени пребывания в своем объеме проходит недостаточно, чему свидетельствует незначительное изменение рН от 6,8 до 6,3. Поэтому кислотогенная стадия продолжает проходить во втором биореакторе, тормозя процесс метаногенеза. При этом рН в кислотогенной стадии увеличивается от 7,6 до 7,4, что во-первых, возможно в данный период выше оптимальной величины, а, во-вторых, увеличение происходит на только за счет физического разбавления метаногенной стадии более кислым потоком из кислотогенной стадии, а дополнительно за счет кислотогенного процесса, что снижает активность метаногенов, если он происходит в одном объеме с метаногенами. Кроме того, смешение биогаза кислотогенной и метаногенной стадии снижает концентрацию метана в биогазе, так как концентрация метана в биогазе кислотогенной стадии значительно ниже, чем в метаногенной. В конечном результате снижается выход биогаза и концентрация метана в нем. Известен способ переработки органических отходов в биогаз, включающий подачу отходов в биореактор с псевдоожиженным слоем носителя для иммобилизации клеток микроорганизмов, рециркуляцию отходов с целью псевдоожижения носителя, вывод сброженных отходов и биогаза (Калюжный СВ., Пузанков А.Г.«, Варфоломеев С.Д. Биогаз: проблемы и решения. - Биотехнология // Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, М., 1988, 21, с. 105). Способ позволяет увеличить выход биогаза до 3 - 5 м 3 /м 3 реактора в сутки. Однако в этом случае возникает проблема удержания в реакционном объеме заданного объема носителя, решение которой связано с усложнением конструкции биореактора. Потери носителя в результате уноса, коррозии, механического разрушения связано с дополнительными материальными затратами. Кроме того, рециркуляция с целью псевдоожи 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 жения носителя связана с дополнительными затратами энергии. И, наконец, известный способ не позволяет без подготовки перерабатывать концентрированные (до 85% влажности) сельскохозяйственные отходы. Известен также способ переработки животноводческих отходов в биогаз (там же, с. 80), реализованный в установке фирмы "Биосистем", включающий подачу отходов последовательно в выдерживатель (кислотогенную стадию), а после в биореактор (метаногенную стадию) при температуре процесса 50°С, давлении 104000 Па (10,4 м вод. ст.), вывод сброженных отходов и биогаза. В этом случае отношение объемов кислотогенной и метаногенной стадий составляло 1:5. В известном способе время пребывания составляло 1 1 - 1 2 суток при сравнительно высоком выходе биогаза 1,8 м 3 /м 3 реактора в сутки. Однако возврат сброженных отходов,в выдерживатель и отсутствие полезного отвода биогаза из вьщерживателя снижает выход биогаза. Кроме того, высокое парциальное давление метана и водорода в биореакторах также снижает выход биогаза (там же, с. 40). Известен способ сбраживания органических отходов (там же, с. 83), реализованный в установке фирмы "Швартинг", включающий подачу отходов на двухстадийное сбраживание с возвратно-поступательным перемешиванием массы, состоящее из последовательных кислотогенной и метаногенной стадий, проводимых в отдельных герметичных биореакторах, поддержание одинаковых температур и давлений на стадиях, рекуперацию тепла сброженных отходов, вывод сброженных отходов, отвод осадка из кислотогенной стадии, вывод и смешение биогазовых потоков из стадий, разделение пены и биогаза. В известном способе рециркуляция отходов между стадиями, т. е. возврат отходов из метаногенной стадии в кислотогенную, приводит к сильному пенообразованию и торможению процесса из-за попадания продуктов метаболизма метаногенов и самих метаногенов, имеющих другие температурные и рН-оптимумы, в кислотогенную стадию. Аналогичный отрицательный результат, т. е. вспенивание и торможение процесса, но уже в метаногенной стадии, получается при поддержании одинаковых температур на стадиях. При одинаковых температурах на стадиях кислотогены, имеющие другие рН-оптимумы, способны оказать на метаногенез отрицательное влияние. В результате из 10868 меняются реологические свойства отходов в метаногенной стадии, происходит вспенивание и флотация микроорганизмов. В конечном результате выход биогаза ограничен 1,5 м 3 /м 3 реактора в сутки. Кроме того, отбор газа в биогазовую линию одновременно из кислотогенной и метаногенной стадий, т. е. их смешение, снижает концентрацию метана в биогазе до 65 - 70%. Следует отметить, что рекуперация тепла при поддержании одинаковых температурных режимов на стадиях является не эффективной. Отделение пены в известном способе производится без возврата жидкости в метаногенную стадию. Следует также отметить, что при интенсивном выделении биогаза объем жидкой фракции, выбрасываемой с биогазом, может достигать суточной загрузки, что может приводить к значительным колебаниям рабочих объемов биореакторов и снижению выхода биогаза. Анализ литературных данных показывает, что известные способы получения биогаза из органических отходов проводят в мезофильном или термофильных режимах с температурными оптимумами 32 - 34°С для мезофильного режима и 53 55°С для термофильного режима (Дубровский B.C., Виэстур У.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. - Рига. - 1988. С. 59). При этом стадии двухстадийного сбраживания имеют различные рН-оптимумы, т. е. в метаногенной стадии двухстадийного сбраживания рН = 6,5 - 8,0 (там же, стр. 71), а в кислотогенной стадии рН = 5 - 6,5 (Калюжный СВ., Пузанков А.Г., Варфоломеев С.Д. Биогаз: проблемы и решения. - Биотехнология // Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, М., 1988, 21, с. 14). Следует отметить, что рН-оптимумы на кислотогенной стадии для различных отходов (помета курей, уток, навоза свиней, .КРС) будут разные. Однако их значения находятся в указанном выше диапазоне рН. Большое значение для интенсификации выхода биогаза имеет характер изменения рН в кислотогенной стадии. В этой стадии в периодическом режиме рН сперва увеличивается до какой-то максимальной величины, а потом снижается и достигает рН метаногенной стадии. Следует отметить, что в диапазоне повышения рН окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) среды составляет -60 - -150 мВ, что явно не достаточно для жизнедеятельности метаногенов, ОВП среды для которых должен быть в пределах -170 - -250 мВ. Поэтому в диапазоне (фазе) повыше 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ния рН метан не образуется Так, например, для помета курей рН в кислотогенной стадии при рН загрузки 6,5 ед. увеличивается до 5,3 ед., а потом снижается до 7 ед., при которой начинается выделяться меган. Для помета уток и навоза КРС при рН загрузки 6,8 и 7,0 соответственно рН увеличивается до 6,3 - 6,0, а потом снижается до 6,8, при которой начинает выделяться метан. Поэтому здесь и далее под наиболее вьюоким значением рН понимается рН, достигаемое в кислотогенной стадии при конкретно сложившихся условиях сбраживание в фазе ее увеличения. В качестве прототипа выбран способ анаэробной переработки сельскохозяйственных отходов в биогаз, реализованный в системе Шмидта-Эгерглюса (Калюжный СВ., Пузанков А.Г., Варфоломеев С.Д. Биогаз: проблемы и решения. - Биотехнология // Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, М., 1988, 21, с. 77 - 78), включающий отделение крупных включений, отстой и подачу отходов на двухстадийное сбраживание, состоящее из последовательных кислотогенной и метаногенной стадий, приводимых в отдельных герметичных реакторах, поддержание температуры (35°С), перемешивание среды в биореакторах путем подачи в реакционный объем биогаза, вывод биогаза и сброженных отходов с последующим разделением сброженных отходов на твердую и жидкую фракции. Выход биогаза в известном способе составлял 1 - 1 , 2 м 3 /м 3 биореактора в сутки. В известных способах, в т. ч. и в прототипе, не достигается повышение выхода биогаза и концентрации метана в нем по следующим общим причинам: - переработка отходов проводится при сильном их разбавлении (влажность 95% и выше), т. е. способы не позволяют перерабатывать концентрированные отходы о влажностью 86% и ниже, - при подготовке отходов к сбраживанию или при их сбраживании вместе с крупными (грубыми) включениями производят отделение взвешенных частиц (в прототипе отстой) - песка, щебенки, органики и т. п., которые можно при создании определенных условий сбраживания использовать в метаногенной стадии в качестве носителей для иммобилизации клеток микроорганизмов, - при недостаточном количестве носителей интенсивность метаногенеза ограничена концентрацией аммонийного азота или аммиака в отходах, ингибирующая 10868 величина которой для не иммобилизированного на носителе метаногена, по литературным данным, составляет 1,5 г/л (там же, с. 64 или Дубровский B.C., Виэстур У.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. - Рига. 1988. - С. 83); - в известных способах отсутствует автоматическое поддержание оптимальных значений рН на стадиях, - добавление химреагентов для поддержания рН приводит к торможению метаногенеза, так как нарушается сбалансированное взаимодействие различных групп микроорганизмов ( там же, с. 134) или происходит ингибирование (Калюжный СВ., Пузанков А.Г., Варфоломеев С.Д. Биогаз: проблемы и решения. - Биотехнология//Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, М., 1988, 21, с. 14), ~ при двухстадийном сбраживании стадии проводят при одинаковых температурах и давлениях, что повышает конкурентную способность кислотогенов при поступлении последних в метаногенную стадию, снижает выход метана, приводит к образованию устойчивой пены, повышает энергозатраты на подогрев кислотогенной стадии и не позволяет эффективно производить рекуперацию тепла сброженных отходов, - при двухстадийном сбраживании производят смешение потоков биогаза с кислотогенной и метаногенной стадий, что снижает концентрацию метана в биогазе. Кроме того, в прототипе подачи биогаза в реакционный объем стадий для перемешивания среды приводит к флотации микроорганизмов, интенсивному коркообразованию и избыточному содержанию биогаза с сброженных отходах, которое оказывает ингибирующее влияние на метаногены и приводит к снижению выхода биогаза. Таким образом, в известных способах переработки органических отходов в биогаз не достигается технический результат - увеличение выхода биогаза и повышение в нем концентрации метана. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа анаэробной переработки сельскохозяйственных отходов в биогаз, в котором в результате поддержания оптимальных условий жизнедеятельности различных групп анаэробных микроорганизмов и их сбалансированного взаимодействия обеспечивается упрощение способа, увеличение выхода биогаза и повышение концентрации метана в нем, и за счет этого увели 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8 чивается удельный выход биогаза, калорийность биогаза как энергоносителя, снижаются удельные капитальные и энергетические затраты. Поставленная задача решена тем, что в способе анаэробной переработки сельскохозяйственных отходов в биогаз, включающем измельчение крупных включений, подачу отходов на двухстадийное сбраживание, состоящее из последовательных кислотогенной и метаногенной стадий, проводимых в отдельных герметичных биореакторах соответственно в кислототенке и метантенке, содержащих носитель для иммобилизации микроорганизмов, поддержание оптимальных значений температур, рН, время пребывания и давлений на стадиях, вывод биогаза и сброженных отходов на твердую и жидкую фракции, наколление жидкой фракции, согласно изобретению, после измельчения крупных включений осуществляют дозировку носителя, содержащегося в отходах, путем разбавления последних до влажности 84 86%, после заполнения кислототенка производят выдержку в нем отходов до получения максимального значения рН, а затем поддерживают это значение путем изменения его рабочего объема, оптимальную температуру в кислототенке поддерживают на 5 - 10°С ниже, чем в метантенке, давление - не менее, чем на 10000 Па больше давления в метантенке, причем, биогаз, выделившийся в кислототенке, подают в метантенк в систему газжидкость-носитель-пена, оптимальную величину рН в метантенке поддерживают путем регулирования подачи отходов, содержащих носители, в кислототенк, Из которого избыток подготовленных отходов подают в метантенк, после разделения избытка сброженных отходов из метантенка жидкую фракцию подают на нагрев исходных отходов, биогаз из метантенка выводят в виде системы газ-жидкость-пена-легкий носитель, после разделения которой жидкость возвращают в метантенк, а пену, включающую легкий носитель, выводят из системы через слой жидкости, имеющий гидравлическое сопротивление большее, чем общее сопротивление биогазовой линии, оптимальную разницу между заданными температурами в кислототенке и метантенке определяют по максимальному выходу биогаза из метантенка или при одинаковом выходе по отсутствию устойчивой пены в метантенке, после разбавления исходных отходов производят их гомогенизацию путем перемешивания, при недостаточном интенсивном об 10868 разовании системы газ-жидкость-носитель-пена и недостаточном выносе легкого носителя из метантенка производят одноразовую загрузку содержимого кислототенка в нижнюю часть метантенка. Ввод в метантенк дозированного количества носителей и иммобилизация метаногенов на вводимых носителях позволяет до 16% и выше увеличить в отходах концентрацию органических и других веществ, в т. ч. аммонийного азота до 10 г/ л, и этим самым уменьшить влажность перерабатываемых отходов, а, следовательно, уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты и увеличить интенсивность выхода биогаза. Использование в предлагаемом способе дозированного количества естественных носителей, находящихся непосредственно в подаваемых на переработку отходах, и их флюидизация за счет интенсивного выделения биогаза позволяет без дополнительных материальных и энергетических затрат создавать псевдоожиженное состояние носителей и сильно развитую поверхность контакта метаногенов с перерабатываемыми отходами, что, в свою очередь, увеличивает выход биогаза. При этом отсутствует необходимость подбора носителя, его улавливания или задержки в реакционной зоне, что значительно упрощает технические требования к конструкции биореактора. При влажности отходов 84 - 86% наблюдается постоянная концентрация и состав носителей в биореакторе. Отклонение влажности отходов от указанного диапазона приводит к снижению выхода биогаза. Получение максимальной рН в кислототенке предотвращает продолжение кислотогенных процессов в метантенке. Последнее достигается также проведением кислотогенной стадии при более низкой температуре, чем температура метаногенеза. Кислотогены, имеющие другие .температурные и рН-оптимумы и чувствительные к изменению температуры, попадая с потоком в метаногенную стадию, прекращают свою жизнедеятельность в качестве кислотогенов, что улучшает условия метаногенеза. При этом максимальное значение рН является показателем того, что в кислототенке закончились процессы образования требуемого субстрата (субстратов) для метаногенов. Подача в метаногенную стадию более кислого потока из кислототенка с заданным значением рН позволяет без использования химических реагентов за счет только физического разбавления поддерживать в метаногенной стадии оптимальное значение 5 10 15 20 25 30 35 40 46 50 55 10 рН. Следует отметить, что максимальное значение рН в кислотогенной стадии поддерживают не рециркуляцией части потока с метаногенной стадии, как в известных способах, а регулированием времени пребыванием отходов в кислотогенной стадии путем изменения рабочего объема кислотогенной стадии. Большая разница температур кислотогенной и метаногенной стадий позволяет осуществлять эффективную рекуперацию тепла сброженных отходов, а использование для этого только жидкой фракции сброженных отходов предотвращает засорение теплообменного оборудования и повышает эффективность теплообмена и связанных с ним процессов. При этом понижение температуры в кислотогенной стадии совместно с повышением давления включает в работу необходимую ассоциацию микроорганизмов, что также способствует получению более доступного субстрата для селекционированных метаногенов. В конечном результате достигается увеличение выхода биогаза и концентрации метана в нем. Кроме того, повышение концентрации метана в биогазе в отличие от известных способов достигается путем подачи биогаза из кислототенка в метантенк, а именно, в гомогенную систему газ-жидкость-носитель-пена, имеющую сильно развитую поверхность обмена, которая образовалась благодаря интенсивному выделению биогаза при создании указанных выше оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов. В этом случае СО2, подаваемый с биогазом из кислотогенной стадии, потребляется метаногенами и не проскакивает в биогаз, выходящий из метаногенной стадии. В конечном результате концентрация СО2 в биогазе снижается, а метана повышается. При этом проведение процесса метаногенеза в системе газ-жидкость-носитель-пена позволяет решить проблему перемешивания в метаногенной стадии при больших объемах метантенков за счет внутренних энергетических ресурсов системы, т. е. за счет интенсивного выделения образовавшегося биогаза. В такой системе происходит интенсивная флюидизация носителя с закрепленными метаногенами. При этом вывод биогаза из метантенка в виде системы газ-жидкость-пена, содержащий легкий носитель, с последующим ее разделением и выводом пены и легкого носителя из системы предотвращает образование в метантенке корки и накопление в верхней части метантенка легкого носителя, что обычно приводит к 11 10868 уменьшению выхода биогаза или к остановке процесса. Одноразовая загрузка содержимого кислототенка в нижнюю часть метантенка увеличивают вынос легкого носителя из метантенка, способствует созданию ложи восходящего тяжелого носителя с иммобилизованными метаногенами (восходящего осадка), а также интенсифицирует образование системы газ-жидкость-носитель-пена. Последнее увеличивает выход биогаза. Возврат жидкости в метантенк при разделении системы газжидкость-пена стабилизирует рабочий объем метантенка и выход из него биогаза. При достижении в биореакторе (метантенке) указанной гидродинамической обстановки в отличие от прототипа снижается необходимость отделения {отстаивание) перед сбраживанием и в его процессе взвешенных частиц, что упрощает способ и увеличивает выход биогаза за счет иммобилизации метаногенов на взвешенных частицах (носителях) и увеличение допустимой величины загрузки исходных веществ. Таким образом поддержание оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов на стадиях в конечном результате приводит к получению оптимального соотношения рабочих объемов кислотогенной и метаногенной стадий и оптимальному взаимодействию различных групп микроорганизмов, что в свою очередь, приводит к увеличению выхода и концентрации метана в нем. На чертеже показана технологическая схема, реализующая предлагаемый способ. Способ осуществляют следующим образом. Отходы влажностью 60 - 84%, содержащие мелкие включения размером до 1 мм - песок, ракушечник, щебенку, пух, а также другую органику, входящую в состав комбикормов, кормов или подстилки и * имеющих высокий индекс кристалличности, а также крупные включения - солому, перо подают в приемное отделение 1. В приемном отделении осуществляют подготовку носителя для иммобилизации микроорганизмов, заключающуюся в измельчении крупных включений и в дозировке носителя путем разбавления отходов до влажности 84 - 86%. Затем в приемном отделении производят гомогенизацию отходов путем перемешивания с помощью насоса 2 через задвижку 3. Разбавленные и гомогенизированные отходы с температурой 7 - 20°С подают насосом 2 через задвижку 4 и рекуперативный теп 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 12 лообменник 5, где осуществляют их подогрев до температуры 25 - 27°С, на кислотогенную стадию обработки в кислототенк 6. После заполнения кислототенка отходами до заданного объема загрузку прекращают или ограничивают с помощью задвижки 4 и, контролируя рН, осуществляют выдержку отходов до получения максимальной величины рН для данного вида отходов, после достижения которой рН или остается постоянной, или начинает снижаться. Характер изменения рН зависит от жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в кислототенке. Максимальное значение рН является показателем окончания процесса приготовления субстрата для последующей метаногенной стадии. В кислототенке при этом стабилизируют заданную температуру отходов с помощью автоматической системы 7. А после достижения максимальной величины рН подачу отходов в кислототенк восстанавливают, при этом максимальное значение рН поддерживают путем изменения его рабочего объема с помощью устройства для поддержания уровня 8. Избыток отходов из кислототенка 6 через устройство для поддержания уровня 8 подают в метантенк 9, содержащий ассоциацию анаэробных микроорганизмов иммобилизованных на носителях. Субстраты, поступающие из кислототенка 6 в метантенк 9, перерабатываются в метантенке иммобилизованными на носителях метаногенами в биогаз. При этом в результате интенсивного выделения биогаза в метантенке образуется система газ-жидкость-носитель-пена. Биогаз, выделившийся в кислототенке 6, подают в метантенк 9 и в систему газ-жидкостьноситель-пена, создавая гидравлическое сопротивление выходу биогаза, которое соответствует заданному давлению в газовой фазе кислототенка 6 и должно быть не менее чем на 10000 Па (1 м вод. столба) больше давления в метантенке. В метантенке поддерживают давление, величина которого не должна превышать 5000 Па. Оптимальную величину рН в метантенке, равную 7 , 4 - 7 , 6 , поддерживают путем регулирования подачи отходов в кислототенк, из которого избыток отходов, содержащих носители и полученные для метаногенов субстраты, подают в метантенк. Например, при увеличении рН в метантенке выше оптимальной величины, т. е. до 7,3, подачу отходов уменьшают и наоборот, при уменьшении рН, т. е. до 7,7, подачу отходов увеличивают. Каждый раз при изменении величины подачи от 13 10868 ходов в кислототенк максимальное значение рН в нем восстанавливают путем изменения его рабочего объема. В метантенке с помощью автоматической системы 10 поддерживают оптимальную температуру метаногенеза - 32 - 34°С. А в кислототенке поддерживают оптимальную температуру на 5 - 10°С ниже оптимальной температуры в метантенке. Оптимальную разницу между температурами в кислототенке и метантенке определяют для конкретных отходов опытным путем по максимальному выходу биогаза из метантенка или при одинаковом выходе по отсутствию образования устойчивой пены, изменяя величину разницы температур и большей величины к меньшей. Рабочий объем в метантенке 9 поддерживают с помощью гидрозатвора 11. Избыток сброженных отходов из метантенка вместе с избытком носителя через гидрозатвор 11 подают на центрифугу 12, где отделяют взвешенные частицы (осадок), в том числе тяжелый носитель. Жидкую фракцию (фугат) из центрифуги 12 подают в рекуперативный теплообменник 5 для подогрева исходных отходов и далее в накопитель отходов 13. Биогаз из метантенка 9 В виде системы газ-жидкость-пена, содержащий легкий носитель с удлиненным весом меньшим, чем у воды, через сепаратор 14, где отделяют жидкость и возвращают ее в метантенк, и пеноотделитель 15 подают в узел подготовки биогаза 16 и далее в биогазовую линию потребителю. Пену и легкий носитель из пеноотделителя 15 через слой жидкости гидрозатвора 11 подают на центрифугу 12. При недостаточно интенсивном образовании системы газ-жидкость-носитель-пена, контролируемом визуально, и неудовлетворительном выносе из метантенка легкого носителя производят одноразовую загрузку содержимого кислототенка 6 через задвижку 17 в нижнюю часть метантенка 9. Каждый раз после проведения одноразовой загрузки метантенка вышеуказанные операции, касающиеся заполнения кислототенка отходами и вывода его на рабочий режим, повторяют. П р и м е р 1. Куриный помет в количестве 1,4 м 3 после разбавления и гомогенизации с влажностью 85%, зольностью 25%, температурой 10°С, рН = =6,7 насосом через рекуперативный теплообменник, где подогревают его до температуры 25 - 27°С, подают в кислототенк, в котором поддерживают температуру 26 ± 1°С, давление 15000 Па (1,5 м вод. ст.). После этого производят выдерж 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 14 ку помета до получения рН ь,3 - 5,5. Это значение рН в данном случае являлось максимальным. Далее максимальное значение рН при постоянной подаче, равной 1,4 м3/сут, поддерживали изменением его рабочего объема, который в установившемся режиме составил 1 м 3 . Из кислототенка избыток перерабатываемых отходов и биогаз подают в метантенк с рабочим объемом 14 м3, в котором поддерживают оптимальную температуру 33 ± 1°С, давление 2000 Па (0,2 м вод. ст). При этих условиях в метантенке устанавливается оптимальное значение рН = 7,5, концентрация аммонийного азота - 48Q0 - 5000 мг/л. В дальнейшем оптимальное значение рН в метантенке поддерживали изменением подачи отходов в кислототенк в пределах 1,35 - 1,45 м3/сутки, при этом максимальное значение рН в кислототенке поддерживал изменением его рабочего объема в пределах 1 • 1,3 м3. При достижении указанных показателей процесса наблюдается интенсивное выделение биогаза в количестве 86,5 м3/сут и создание в метантенке системы газ-жидкость-носитель-пена. Для профилактики с целью выноса легкого носителя из метантенка производят одноразовую загрузку содержимого кислототенка в нижнюю часть метантенка. При одноразовой загрузке интенсивность выхода биогаэа через 3 часа после загрузки составила 120 мэ/сут, при этом среднесуточный выход биогаза оставался постоянным и составлял 88,5 м э / сут. Биогаз выводят из метантенка в виде системы газ-жидкость-пена, содержащий легкий носитель, и отделяют от жидкой фазы в два этапа, возвращая жидкую фазу в метантенк и удаляя из системы легкий носитель и пену через гидрозатвор. Избыток нерастворимых и органических носителей, имеющих высокий индекс кристалличности, выводят из метантенка с жидким потоком и подают вместе с пеной, содержащий легкий носитель, на центрифугу, откуда жидкая фракция с температурой 33°С поступает в рекуперативный теплообменник для подогрева исходных отходов и далее в накопитель сброженных отходов. Удельный выход биогаза составил более 0,6 м3/кг беззольного сухого органического вещества (СОВ) или 6,3 м 3 /м 3 рабочего объема метантенка при концентрации метана в биогазе 80%. П р и м е р ы 2 - 4. Процесс переработки куриного помета проводят также, как и в примере 1, изменяя только влажность поступающего на переработку по 15 10868 16 реработки, в т. ч. результаты из примера мета. Результаты переработки, в т. ч. ре1, сведены в табл. 3. зультаты их примера 1, сведены в табл. 1. Из табл. 3 следует, что резкое повыИз табл. 1 следует, что наибольший шение выхода биогаза и концентрации мевыход биогаза наблюдается при влажности помета примерно 84 - 86%. В этом 5 тана в нем достигается при давлении в случае влажность помета, находящегося в кислототенке более 1,5 м вод. столба, что метантенке, является постоянной величиболее, чем на 1 м вод. столба выше давной, что обеспечивает устойчивость проления в метантенке. Однако, данные, прицесса. Снижение влажности ниже 84% деведенные в табл. 3, не могут однозначно лает процесс неустойчивым, при котором 10 характеризовать процесс переработки. Так, может наблюдаться резкое уменьшение вынапример, отсутствие кислотогенного прохода биогаза и срыв процесса из-за нацесса в кислототенке в связи с ингибирокопления взвешенных частиц в метантенке ванием или по другим причинам также и увеличения концентрации аммонийного связано с низким давлением в кислотоазота выше 10 г/л. При увеличении влаж- 15 тенке и низким выходом биога^а. При наности выше 86% наблюдается некоторое личии заданного давления в кислототенснижение выхода биогаза и общей конке, согласно литературным данным, поцентрации носителей в метантенке. давляется процесс образования водорода в связи с ростом его парциального давП р и м е р ы 5 - 15. Процессы 20 ления. Поэтому можно предположить, что переработки куриного помета проводят процесс в кислотогенной стадии преимутакже как и в примере 1, изменяя только щественно идет по пути образования ацерН потока, поступающего из кислототентата или другого не газообразного субстка в метантенк. Результаты переработки, рата для метаногенов. Последнее увелив т. ч. результаты из примера 1, сведены 25 чивает концентрацию метана в биогазе. в табл. 2. Кроме того, восстановление СО2 в этом Из таблицы 2 следует, что максимальслучае, поступающего в метантенк из кисный выход биогаза наблюдается при полототенка, до метана происходит за счет даче потока, имеющего максимальное знаиспользования атомов водорода воды, начение рН, получаемой в кислототенке в 30 ходящейся в метантенке, а не за счет фазе ее увеличения, или значения рН, молекулярного водорода, образование косоответствующие началу фазы ее уменьторого подавляется повышением давлешения. Таким образом, оптимальными знания в кислотогенной стадии. С другой сточениями рН являются 5,5; 5,4; 5,3 в фазе роны, понижение давления в метантенке увеличения и 5,5 в фазе ее уменьшения. 35 (ниже 0,5 м вод. столба) также способстПри этом в метантенке устанавливается вует повышению выхода биогаза за счет оптимальная рН = 7,4 - 7,5. Снижение снижения парциального давления метана. выхода биогаза при увеличении рН потоП р и м е р ы 2 3 - 3 2 . Процессы ка с 6,3 до 5,7 объясняется недостаточпереработки куриного помета производят ным рабочим объемом кислототенка или 40 также, как и в примере 1, изменяя только недостаточным временем пребывания в температуру в кислотогенной стадии и поднем помета, что приводит к продолжению держивая при этом температуру в метакислотогенного процесса в метаногенной ногенной стадии для мезофильного режистадии и закисленню среды в метантенма - 33°С, для термофильного - 55°С. ке. При больших объемах кислототенка 45 Результаты переработки, в т. ч. результанаступает фаза уменьшения рН, при коты из примера 1, сведены в табл. 4. торой могут иметь место нежелательные Из табл. 4 следует, что достаточной на этой стадии метаногенные процессы. температурой для проведения кислотогенрН среды в метантенке в этом случае ной стадии в мезофильном режиме явсдвигается в щелочную сторону, что и 50 ляется температура 25 - 27°С, а в термоприводит, по-видимому, к снижению выфильном 45 - 50°С, т. е. на 5 - 10°С ниже хода биогаза. При закислении метантентемпературы в метаногенной стадии. При ка, что наблюдается при малых рабочих этом наблюдается повышенный выход биообъемах кислототенка (см. табл. 2, фаза газа. Таким образом, снижение темпераувеличения рН), происходит снижение кон55 туры в кислотогенной стадии на 5 - 10°С центрации метана в биогазе. позволяет снизить конкурентоспособность П р и м е р ы 1 6 - 2 2 . Процессы кислотогенов при вводе их в метаногенпереработки куриного помета проводят ную стадию, обеспечить жизнедеятельность также, как и в примере 1, изменяя только приемлемой ассоциации микроорганизмов, давление в кислототенке. Результаты песнизить затраты на подогрев в кислото I 17 10868 генной стадии и обеспечить рекуперацию тепла сброженных отходов. В конечном результате увеличивается выход биогаза и снижаются удельные затраты энергии на получение биогаза. При температуре кислотогенной стадии близкой к оптимальной температуре метаногенеза наблюдается некоторое снижение выхода биогаза и появляется опасность интенсивного образования пены, что приводит к резкому повышению давления (более 0,5 м вод. столба) в метаногенной стадии и снижению выхода биогаза, так как возрастает парциальное давление метана. П р и м е р 33. Утиный помет напольного содержания уток после доведения влажности до 84 - 85% в количестве 1,4 м3/сутки при температуре 15°С, рН = 7,2 насосом через рекуперативный теплообменник подают в кислототенк, в котором поддерживают температуру 27°С, давление 15000 Па. Рабочий объем кислототенка при^получении максимальной величины рН для утиного помета, равной 6,0 - 6,3 ед, рН, доводят до 1,7 м3. Избыток отходов и биогаз из кислототенка подают в метантенк с рабочим объемом 1,4 м3, в котором поддерживают температуру 33 + 1°С, давление не более 5000 Па. При этих условиях в метантенке поддерживалась оптимальная рН = 7,6 и не требовалось изменение расхода отходов в кислототенк для ее поддержания. Удельный выход биогаза составил 0,59 м3/кг беззольного СОВ или более 6 м3/м3 рабочего объема метантенка в сутки. П р и м е р 34. Навоз крупного рогатого скота (КРС) после измельчения э соломы в количестве 2 м /сутки с влажностью 86%, температурой 15°С, рН = 7,2 5 10 15 20 25 30 35 40 18 насосом через рекуперативный теплообменник подают в кислототенк, в котором поддерживают температуру 28 ± 1°С, давление 20000 Па Максимальное значение рН, достигнутое в кислототенке при отсутствии подачи, составило 6,4. Максимальное значение рН в кислототенке поддерживают изменением его рабочего объема, который при установившейся величине загрузки составил 4 м3. Величина загрузки кислототенка в процессе поддержания рН в метантенке изменялась в пределах 1,8 - 2,2 м3/сутки. Из кислототенка избыток отходов и биогаз подают в метантенк с рабочим объемом 12 м 3 , в котором поддерживают температуру 35° С, давление 3000 Па. При этих условиях в метантенке поддерживалась рН = 7 Г 6. Пена в метантенке отсутствовала. Биогаз из метантенка выводился в виде системы газ-жидкость, содержащей легкий носитель. Жидкость после разделения системы вместе с носителем возвращали в реакционный объем метантенка. Для удаления из метантенка легкого носителя производят загрузку содержимого кислототенка в нижнюю часть метантенка. Разницу между заданными температурами в кислототенке и метантенке устанавливают по максимальному выходу биогаза. Удельный выход биогаза составил 6 м3/м3 рабочего объема метантенка в сутки или 0,32 м3/кг беззольного СОВ, что соответствует максимальной продукции биогаза из навоза КРС. Таким образом, в результате создания оптимальных услоьвий взаимодействия различных групп микроорганизмов достигается увеличение выхода биогаза и концентрации в нем метана. Т а б л и ц а Зависимость выхода биогаза от влажности перерабатываемых отходов Показатели процесса при сбраживании куриного помета 3 Выход биогаза, м /сут Влажность сброженных отходов,% Концентрация метана,% Влажность перерабатываемых отходов, % 82 84 85 86 88 80-40 88 88,5 88 80 83 90 90 90 94 80 80 80 80 80 1 20 10868 19 Т а б л и ц а 2 Зависимость выхода биогаза и рМ в метантенке от рН потока, поступающего из кислототенка Показатели процесса сбраживания куриного помета 3 Выход биогаза, м /сут Концентрация метана,% рН среды метантенка РН среды кислототенка фаза уменьшения рН фаза увеличения рН 6,3 6,0 5,8 5,7 5,5 5,4 5,5 5,6 5,7 6,0 6,3 55 70 7,0 60 70 7,2 70 72 7,3 78 76 7,4 88 80 7,4 89 80 7,5 85 80 7,5 80 80 7,6 74 80 7,8 70 80 7,8 60 80 7,9 Та б пи ца Зависимость выхода биогаза и концентрации метана в нем от давления в кислотогенной стадии Показатели процесса при сбраживании куриного помета Выход биогаза, м3/сут Концентрация метана в биогазе, % Давление в метантенке, м вод. столба 3 Давление в кислотенке, м вод. столба 0,2 1.0 1,5 1,7 2,0 2,5 3,0 50 60 70 88 88,5 83 80 60 66 69 78 80 80 80 0,1 0,2 0,5 0,2 0,2 0,5 0,5 Т а б л и ц а Зависимость выхода биогаза от температуры в кислототенке Показатели процесса при сбраживании куриного помета 15 20 25 27 30 Температура в метантенке, °С Выход биогаза, м3/сут Наличие устойчивой пены 33 40 нет 33 45 нет 33 86 нет 33 89 нет 33 85 да 4 Температура в кислототенке,°С 33 С[ со о со СО СО 40 45 50 55 55 80 нет 55 91 нет 55 92 нет 55 89 да I 10868 Упорядник Техред М. Келемеш Коректор М.Куль Замовлення 534 Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 •4'

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

The method for anaerobic processing of agricultural waste products into a biogas

Автори англійською

Pysarev Stanislav Ivanovych, Kotsynskyi Bronislav Bronislavovych, Babiev Hryhorii Mykolaievych

Назва патенту російською

Способ анаэробной переработки сельскохозяйсвенных отходов в биогаз

Автори російською

Писарев Станислав Иванович, Коцинский Бронислав Брониславович, Бабиев Григорий Николаевич

МПК / Мітки

МПК: C05F 3/00

Мітки: відходів, анаеробної, спосіб, переробки, біогаз, сільськогосподарських

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/12-10868-sposib-anaerobno-pererobki-silskogospodarskikh-vidkhodiv-v-biogaz.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб анаеробної переробки сільськогосподарських відходів в біогаз</a>

Подібні патенти