Спосіб виробництва біогазу та органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату

Спосіб виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату, що включає процеси підготовки органічної сировини подрібненням і змішуванням рідкої та подрібненої твердої фаз субстрату, подачу одержаного субстрату до горизонтального ферментера, послідовне анаеробне зброджування субстрату у горизонтальному ферментері, а потім у вертикальному ферментері з наступним накопиченням і зберіганням одержаних біогазу в газгольдері перед очисткою й енергетичним використанням, а органічних добрив після ферментації - у вертикальному сховищі перед внесенням на поля, який відрізняється тим, що компоненти субстрату готують і піддають анаеробній ферментації диференційовано і таким чином, що тверду фазу органічної сировини в процесі підготовки піддають подрібненню і плющенню до часток не більше ніж 50 мм, і зберігають в анаеробних умовах при температурі від 4 до 24 °С до зброджування у вертикальному ферментері, при цьому до горизонтального ферментера подають гомогенізований змішуванням, збагачений інокулянтом з вторинно 2 (19) 1 3 93789 4 при температурі 70 °С протягом 90 хв. і перемішуванні при 40 об./хв., а потім їх сепарують на тверду і рідку фази перед переміщенням рідкої фази до вертикального сховища, а твердої - на компос тну площадку, причому всі названі процеси, що супроводжують трансформацію зброджуваної сировини в біогаз і органічні добрива, здійснюють при тиску, близькому до атмосферного. Винахід відноситься до галузей переробки сільськогосподарської сировини й утилізації органічних відходів агропромислового комплексу і комунального господарства, зокрема до способів виробництва біогазу та органічних добрив із субстратів, що мають у своєму складі органічні матеріали або їх відходи. Відомий спосіб виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні субстрату з кількох компонентів, що включає процеси підготовки органічної сировини подрібненням й змішуванням рідкої та подрібненої твердої фаз субстрату, подачу одержаного субстрату до горизонтального ферментеру, послідовне анаеробне зброджування субстрату у горизонтальному ферментері, а потім у вертикальному ферментері з наступним накопиченням і зберіганням одержаних біогазу - в газгольдері перед очисткою й енергетичним використанням, а органічних добрив після ферментації - у вертикальному сховищі перед внесенням на поля [Патент AT 405185B, 1999]. Означений спосіб має певні недоліки, оскільки технологія попередньої підготовки біомаси при його здійсненні не обумовлена. При цьому змішування у горизонтальному ферментері субстрату, що містить тверді мінеральні частки й сторонні включення, та попередньо подрібнену біомасу рослинного походження погіршує можливості видалення мінерального шламу, обумовлює необхідність збільшення об'єму зброджуваної первинно маси субстрату й цим ускладнює його знезараження в процесі анаеробної ферментації. А проведення процесу зброджування багатокомпонентного субстрату у вертикальному ферментері не дозволяє ефективно розділити ту органічну сировину, яка щойно надійшла, від збродженої раніше, тобто веде до зменшення виходу біогазу й органічних добрив високої якості. Відсутність гігієнізації одержаних органічних добрив може призвести до зараження рослин і ґрунту. В основу винаходу покладене завдання удосконалення способу виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату шляхом введення нових технологічних рішень й обмежень для істотного збільшення виходу біогазу з обґрунтуванням раціональних режимних параметрів та ефективним диференційованим зброджуванням наявного складу субстрату при ферментації, у комплексній взаємодії суттєвих ознак нового способу. Завдання вирішується завдяки тому, що в способі виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату, що включає процеси підготовки органічної сировини подрібненням й змішуванням рідкої та подрібненої твердої фаз субстрату, подачу одержаного субстрату до горизонтального ферментеру, послідов не анаеробне зброджування субстрату у горизонтальному ферментері, а потім у вертикальному ферментері з наступним накопиченням і зберіганням одержаних біогазу - в газгольдері перед очисткою й енергетичним використанням, а органічних добрив після ферментації - у вертикальному сховищі перед внесенням на поля, компоненти субстрату готують й піддають анаеробній ферментації диференційовано і таким чином, що тверда фаза органічної сировини в процесі підготовки піддається подрібненню й плющенню до часток не більших, ніж 50 мм, й зберігається в анаеробних умовах при температурі від 4 до 24 ºС до зброджування у вертикальному ферментері; при цьому до горизонтального ферментеру подається гомогенізований змішуванням, збагачений інокулянтом з вторинного реактору, і попередньо підігрітий до температури не менше 36 ºС багатокомпонентний субстрат, який під час анаеробного зброджування при температурі 36-40 ºС на протязі 15-25 діб забезпечує постадійне протікання процесу метаногенезу з виділенням біогазу й гравітаційним відділенням від загального масиву субстрату твердих мінеральних часток й сторонніх включень, що містились в ньому до ферментації, а також знезараження багатокомпонентного субстрату за рахунок виконання умов неперемішування нових й раніше поданих порцій субстрату на протязі усього періоду його експозиції в горизонтальному ферментері при інтенсивності роботи мішалки в 1-5 об./хв.; крім того, анаеробне зброджування субстрату у вертикальному ферментері продовжується у два етапи, з яких на першому етапі субстрат з горизонтального ферментеру поступає до кільцевого реактора вертикального ферментеру й поступово змішується з дозовано поданою туди ж попередньо подрібненою до часток не більше 50 мм рослинної біомаси при інтенсивності роботи мішалок кільцевого реактору в 40-200 об./хв. й температурі 36-40 ºС, причому одержаний комплексний субстрат продовжує анаеробне бродіння поступово переміщуючись кільцевим реактором вертикального ферментеру на протязі 20-40 діб; на другому етапі, перероблений у кільцевому реакторі вертикального ферментеру субстрат подається на доброджування при температурі не нижче 36°С у вторинний реактор вертикального ферментеру, розміщений в середині кільцевого реактору, де перемішується мішалкою в режимі 20-100 об./хв. на протязі 20-30 діб, з постійним відбором утвореного біогазу до газгольдеру з кільцевої й центральної частин вертикального ферментеру; частина одержаного інокулянту подається до місткостей підготовки й змішування субстрату для його збагачення бактеріальною мікрофлорою, а одержані після анаеробної ферментації органічні добрива далі проходять гігієнізацію в окремому реакторі 5 при температурі 70 °С на протязі 90 хв. й переміщуванні при 40 об./хв., а потім сепаруються на тверду й рідку фази перед переміщенням рідкої фази до вертикального сховища, а твердої - на компостну площадку; всі названі процеси, що супроводжують трансформацію зброджуваної сировини в біогаз й органічні добрива, проводять при тиску, близькому до атмосферного. Те, що тверда фаза органічної сировини в процесі підготовки піддається подрібненню й плющенню до часток не більших, ніж 50 мм, та зберігається в анаеробних умовах при температурі від 4 до 24 °С до зброджування у вертикальному ферментері дозволяє попередити окислення органічної сировини й викликану цим втрату сухої органічної речовини, тобто збагачує живильне середовище для анаеробів в загальній масі субстрату. Попередня гомогенізація субстрату з кількох компонентів змішуванням, його збагачення інокулянтом з вторинного реактору і підігрів багатокомпонентного субстрату до температури не менше 36 °С перед його подачею до горизонтального ферментеру дозволяє стабілізувати анаеробне зброджування субстрату з кількох компонентів при температурі 36-40 °С на протязі 15-25 діб, що забезпечує постадійне протікання процесу метаногенезу з виділенням біогазу й гравітаційним відділенням від загального масиву субстрату твердих мінеральних часток й сторонніх включень, що містились в ньому до ферментації, а також знезараження багатокомпонентного субстрату. Це досягається за рахунок виконання умов неперемішування нових й раніше поданих порцій субстрату на протязі усього періоду його експозиції в горизонтальному ферментері при інтенсивності роботи мішалки в 1-5 об./хв. і є обов'язковим елементом способу для підвищення виходу біогазу з одиниці субстрату. Важливо, що анаеробне зброджування субстрату у вертикальному ферментері продовжується у два етапи, бо на першому етапі субстрат з горизонтального ферментеру поступає до кільцевого реактору вертикального ферментеру й поступово змішується з дозовано поданою туди ж попередньо подрібненою до часток не більше 50 мм рослинної біомаси при інтенсивності роботи мішалок кільцевого реактору в 40-200 об./хв. й температурі 36-40 °С, причому одержаний комплексний субстрат продовжує анаеробне бродіння поступово переміщуючись кільцевим реактором вертикального ферментеру на протязі 20-40 діб. Це обумовлює рівномірність надходження свіжої сировини для переробки мезофільними бактеріями, стабілізує й активізує метаногенез. Те, що на другому етапі, перероблений у кільцевому реакторі вертикального ферментеру субстрат подається на доброджування при температурі не нижче 36 °С у вторинний реактор вертикального ферментеру, де перемішується мішалкою в режимі 20100 об./хв. на протязі 20-30 діб, з постійним відбором утвореного біогазу до газгольдеру з кільцевої й центральної частин вертикального ферментеру, дозволяє ефективно завершити зброджування субстрату, при цьому частина одержаного інокулянту подається до місткостей підготовки й змішування субстрату для його збагачення бактеріаль 93789 6 ною мікрофлорою й прискорює початок анаеробної ферментації. Крім того, одержані після анаеробної ферментації органічні добрива далі проходять гігієнізацію в окремому реакторі при температурі 70 °С на протязі 90 хв. й переміщуванні при 40 об./хв., а потім сепаруються перед переміщенням рідкої фази до вертикального сховища, а твердої - на компостну площадку. Це обумовлює безпеку довкілля в процесі подальшого використання органічних добрив. Оскільки всі названі процеси, що супроводжують трансформацію зброджуваної сировини в біогаз й органічні добрива, проводять при тиску, близькому до атмосферного, досягається стабільність ферментації, зменшуються наднормативні викиди біогазу, зменшуються нераціональні втрати кінцевих продуктів виробництва. Отже, удосконалення способу виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату дійсно досягається введенням нових технологічних рішень й обмежень, сприяє істотному збільшенню виходу біогазу при ефективному диференційованому зброджуванні наявного субстрату за його складом у комплексній взаємодії суттєвих ознак цього способу. Спосіб виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату виконується наступним чином. Важливо, що компоненти субстрату готують й піддають анаеробній ферментації диференційовано, що забезпечує ефективне енерговикористання та збільшує кількість біогазу, який раціонально використовується. Спочатку здійснюються процеси підготовки органічної сировини до зброджування, а саме: тверда фаза органічної сировини в процесі підготовки піддається подрібненню до часток не більших, ніж 50 мм. Сировина зберігається в анаеробних умовах, наприклад, у закритих рулонах з плівки чи у вкритих силосних чи сінажних спорудах при температурі від 4 до 24 °С до зброджування в горизонтальному чи вертикальному ферментерах. Далі подрібнена сировина, що являє собою продукти переробки чи відходи сільського і комунального господарства; наприклад: відходи різних харчових, в тому числі молочних й оліє-жирових підприємств, супермаркетів та боєнь, а також гній, гноївка, послід, гліцерин тощо; змішується з допомогою мішалки і, при необхідності, зволожується до вмісту сухої органічної речовини на рівні 15-20 %, а також збагачується інокулянтом з вторинного реактору в спеціальних місткостях гомогенізації субстрату з кількох компонентів, який готується до зброджування. Після цього здійснюється подача одержаного і попередньо підігрітого до температури не менше 36 °С гомогенізованого субстрату з кількох компонентів до горизонтального ферментеру, де проводиться анаеробне зброджування при температурі 36-40 °С на протязі 15-25 діб. Підігрів процесу здійснюється в зонах надходження й вивантаження субстрату. Горизонтальний ферментер забезпечує постадійне протікання процесу метаногенезу з виділенням біогазу й гравітаційним відділенням від загального масиву субстрату твердих мінеральних часток й сторонніх включень, що 7 93789 містились в ньому до ферментації, а також знезараження багатокомпонентного субстрату за рахунок виконання умов неперемішування нових й раніше поданих порцій субстрату на протязі усього періоду його експозиції при інтенсивності роботи мішалки в 1-5 об./хв. Потім анаеробне зброджування субстрату у вертикальному ферментері продовжується у два етапи, що істотно покращує вихід біогазу й покращує якість добрив. На першому етапі субстрат з горизонтального ферментеру поступає до кільцевого реактору вертикального ферментеру й поступово змішується з дозовано поданою туди ж попередньо подрібненою, до часток не більше 50 мм, біомасою рослинного походження вологістю в межах 45-30 % при інтенсивності роботи мішалок кільцевої частини в 40-200 об./хв. й температурі 36-40 °С. Підігрів процесу здійснюють лише в кільцевому реакторі. Важливо, що одержаний комплексний субстрат продовжує анаеробне бродіння поступово переміщуючись кільцевим реактором вертикального ферментеру на протязі 20-40 діб, що стабілізує виконання процесу, дозволяє поступово видалити сторонні тверді включення, що надійшли з біомасою. Інтенсивність протікання метаногенезу за рахунок додавання свіжої органічної сировини з біомаси істотно зростає. На другому етапі, перероблений у кільцевому реакторі субстрат подається на доброджування при температурі не нижче 36 °С у вторинний реактор вертика Комп’ютерна верстка В. Мацело 8 льного ферментеру, де перемішується мішалкою в режимі 20-100 об./хв. на протязі 20-30 діб. При цьому частина одержаного інокулянту подається до місткостей гомогенізації багатокомпонентного субстрату для його підготовки, змішування й збагачення бактеріальною мікрофлорою. Накопичення і зберігання біогазу, одержаного з горизонтального й вертикального ферментерів, перед його очисткою й енергетичним використанням відбувається в газгольдері. Органічні добрива після анаеробної ферментації, при необхідності, проходять гігієнізацію в окремому реакторі при температурі 70 °С на протязі 90 хв. й переміщуванні при 40 об./хв., а потім сепаруються перед переміщенням рідкої фази до вертикального сховища, а твердої - на компостну площадку, перед внесенням їх на поля. При цьому всі процеси, що супроводжують трансформацію зброджуваної сировини в біогаз й органічні добрива, проводять при тиску, близькому до атмосферного. Таким чином, досягти істотного збільшення виходу біогазу при зброджуванні багатокомпонентного субстрату можливо за рахунок введення нових технологічних рішень й обмежень при раціональних режимних параметрах процесу та ефективному диференційованому багатоступеневому зброджуванні наявного складу субстрату й комплексному об'єднанні усіх суттєвих ознак нового способу. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601