Спосіб анаеробного зброджування органічних субстратів з отриманням біогазу

Реферат: UA 112599 U UA 112599 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі комунального, сільського господарства та промисловості, а саме анаеробного зброджування осадів каналізаційних стічних вод, рідких та напіврідких відходів сільгоспвиробництв тощо, далі субстратів, для їх стабілізації (упередження подальшого загнивання), дезінфекції (знищення патогенної мікрофлори) та отримання біогазу як енергоносія. Відомий спосіб анаеробного зброджування (Патент Російської Федерації RU2080371 Апарат метанового брожения / В.И. Тумченок; заявл. 30.01.1995), який полягає у тому, що процес проводять у горизонтальній циліндричній ємності, розділеній вертикальними перегородками з перфорованими ділянками на камери кислого, нейтрального, лужного і метанового зброджування. Недоліком такого способу є неможливість повного відокремлення усіх чотирьох стадій бродіння одну від одної через наявність перфорованих ділянок у перегородках. Спосіб також не дає можливості врахування кінетики кожної стадії процесу бродіння, забезпечення введення в субстрат необхідних ферментів та дотримання оптимальних значень рН. Відомий спосіб отримання біогазу шляхом двофазного анаеробного зброджування (Патент США US 4722741A Production of high methane content product by two phase anaerobic digestion / Thomas D. Hayes, Ronald Isaacson, James R. Frank; заявл. 11.03.1985), який полягає у тому, що в у період проходження кислотогенної фази бродіння субстрат тримають у першій ємності і процес проводять при атмосферному тиску, в результаті чого вуглекислий газ, що утворюється при цьому легко виділяється з субстрату й викидається у атмосферу. Протягом метанової фази бродіння субстрат тримають у другій ємності і проводять процес під надлишковим тиском, в результаті чого метан, що утворюється в субстраті, легко виділяється з нього, а значна частина вуглекислого газу, що також утворюється, розчиняється у воді і залишається у субстраті. В результаті біогаз, що відводиться з другої ємності, має підвищений вміст метану та знижений вміст вуглекислого газу, а отже підвищену якість як паливо. Недоліком такого способу є те, що процес не враховує усіх відомих відмінностей в оптимальних умовах проходження усіх стадій бродіння, зокрема процесів гідролізу, кислотогенезу, ацетогенезу та метаногенезу. В результаті процес бродіння залишається тривалим, а вихід біогазу суттєво не збільшується. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу анаеробного зброджування органічних субстратів, в якому за рахунок введення нових елементів та зв'язків досягається можливість прискорення процесу бродіння, збільшення виходу біогазу, підвищення вмісту метану в біогазі та отримання товарного вуглекислого газу. Поставлена задача вирішується тим, що у способі анаеробного зброджування органічних субстратів з отриманням біогазу, що дозволяє наряду з біогазом отримувати товарний вуглекислий газ, згідно з корисною моделлю використовують для зброджування чотири окремі ємності, при цьому як першу ємність використовують оснащений клапаном, манометром, ультразвуковим диспергатором та теплогенеруючою установкою, для роботи якої подають отриманий біогаз, герметичний гідролізатор, всередині якого розміщують барботер і подають у ємність свіжий субстрат, до якого попередньо додають рециркульований зброджений субстрат та луг, після чого барботують субстрат отриманим вуглекислим газом, підтримуючи в ємності надлишковий тиск, відводять барботований вуглекислий газ на змішування з іншим товарним вуглекислим газом, відводять гідролізований субстрат у другу ємність, додаючи до нього кислоту, як другу ємність використовують обладнаний барботером та теплообмінником, що отримує тепло від окремої працюючої на отриманому біогазі теплогенеруючої установки, кислототенк, в ємність якого подають гідролізований субстрат і барботують воднем, отриманим в окремо розташованому електрогенераторі водню, в ємності підтримують атмосферний тиск, відводять барботований водень та отриманий в результаті кислотогенезу вуглекислий газ і подають на блок очищення вуглекислого газу, частину вуглекислого газу подають на компресор для барботування субстрату в гідролізаторі та ацетотенку, а решту вуглекислого газу подають на змішування з іншим товарним вуглекислим газом, як третю ємність використовують обладнаний барботером, теплообмінником, що отримує тепло від окремої працюючої на отриманому біогазі теплогенеруючої установки, та наповнений твердим завантаженням для іммобілізації мікроорганізмів ацетотенк, в ємність якого подають субстрат, вивантажений з кислототенка, одночасно додаючи до нього луг, і барботують вуглекислим газом, в ємності підтримують атмосферний тиск та сталий окислювально-відновний потенціал, відводять барботований та отриманий в результаті ацетогенезу вуглекислий газ і подають на блок очищення вуглекислого газу, очищений вуглекислий газ відводять як товарний, як четверту ємність використовують обладнаний клапаном, манометром, барботером, теплообмінником, що отримує тепло від окремої працюючої на отриманому біогазі теплогенеруючої установки, та 1 UA 112599 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 наповнений твердим завантаженням для іммобілізації мікроорганізмів метанотенк, в ємність якого подають субстрат вивантажений з ацетотенка, одночасно додаючи до нього біостимулятор та мікроелементи, і барботують воднем, отриманим в окремо розташованому електрогенераторі водню, в ємності підтримують надлишковий тиск та сталий окислювальновідновний потенціал, відводять отриманий в результаті метаногенезу біогаз та барботований водень, частину біогазу подають на теплогенеруючі установки для спалювання, а решту біогазу відводять як товарний, відводять зброджений субстрат на подальше використання. На кресленні представлено загальну технологічну схему способу анаеробного зброджування органічних субстратів з отриманням біогазу, яка складається з оснащеного манометром 3, ультразвуковим диспергатором 1, компресором 10 та теплогенеруючою установкою 11 гідролізатора 2, всередині якого розміщують барботер, оснащеного барботером кислототенка 4, оснащеного барботером ацетотенка 7, оснащеного манометром 8, компресором 14 та барботером метанотенка 9, двох блоків очищення вуглекислого газу 5 і 6, окремої теплогенеруючої установки 12, а також діафрагмового електрогенератора водню 13 і яка передбачає подавання в гідролізатор свіжого субстрату, до якого попередньо додають рециркульований зброджений субстрат, нагрівають, опромінюють ультразвуком та одночасно під надлишковим тиском барботують вуглекислим газом, переміщення субстрату з гідролізатора у кислототенк, де забезпечують температурну стабілізацію і барботують воднем, подальше переміщення субстрату з кислототенка у ацетотенк, де також забезпечують температурну стабілізацію і барботують вуглекислим газом, подальше переміщення субстрату з ацетотенка у метанотенк, де при постійній температурі та надлишковому тиску барботують воднем, а також подальше видалення збродженого субстрату. Технологічна схема функціонує таким чином. Перед подаванням у гідролізатор до порції сирого субстрату (осаду каналізаційних очисних споруд, рідких чи напіврідких органічних відходів сільгоспвиробництва тощо) додають зброджений субстрат, що виконує функцію "закваски", а також луг, за який можна використовувати розчин NaOH, для зниження рН субстрату та ініціювання початку лужного гідролізу. Суміш подають у порожнину гідролізатора 2 так, щоб у верхній частині залишався вільний простір. Ультразвуковим диспергатором 1 субстрат опромінюють ультразвуком, збурюючи в ньому ультразвукову кавітацію. За допомогою компресора 10 у середину гідролізатора під тиском подають вуглекислий газ, який розпилюють через барботер. Проходячи через субстрат вуглекислий газ збирається у верхній частині ємності. При цьому тиск у гідролізаторі зростає. Відводять вуглекислий газ через клапан, розташований у верхній частині корпусу, який підтримує всередині гідролізатора постійний надлишковий тиск, що вимірюють манометром 3. Бульбашки вуглекислого газу, проходячи через субстрат послаблюють міжмолекулярні зв'язки і порушують суцільність середовища, утворюючи мікронадриви і стаючи центрами зародження кавітації. Це знижує енергозатрати на зародження кавітації і підсилює її інтенсивність без збільшення інтенсивності опромінювання ультразвуком. Надлишковий тиск збільшує інтенсивність захлопування кавітаційних бульбашок і підвищує значення локальних зростань тисків, що інтенсифікує руйнування органіки. Значення надлишкового тиску не повинно підвищувати кавітаційного порога. Теплогенеруюча установка 11, спалюючи частину рециркульованого біогазу, поступово нагріває субстрат. Швидкість нагрівання визначають з умови досягнення необхідного для подальшого бродіння значення температури до закінчення гідролізу. Після закінчення гідролізу субстрат видаляють з гідролізатора, додають кислоту для зниження його рН (можна використовувати розчин соляної кислоти НСl) і подають у кислототенк 4. Через барботер у ємність кислототенка подають водень, який виробляють за допомогою діафрагмового електрогенератора водню 13, для збільшення його парціального тиску а також примусового перемішування субстрату. Збільшення парціального тиску водню активізує діяльність бактерій, що виробляють кислоти. Процес здійснюють при постійній температурі, яку підтримують за допомогою теплогенеруючої установки 12, що спалює частину рециркульованого біогазу, та при атмосферному тиску. Це активізує виділення з субстрату вуглекислого газу. Виділений газ видаляють з кислототенка і направляють у блок очищення 5, де вуглекислий газ очищують від домішок водню, метану, сірководню та аміаку. Частину очищеного вуглекислого газу направляють для барботажу субстрату в гідролізаторі і ацетотенку, решту відводять як товарний вуглекислий газ. Після закінчення кислотогенезу субстрат видаляють з кислототенка, додають луг для підвищення його рН (можна використовувати розчин NaOH) і подають у ацетотенк 7. Через барботер у ємність ацетотенка для перемішування субстрату подають рециркульований вуглекислий газ, отриманий у кислототенку 4 та очищений у блоці очищення вуглекислого газу 5. Процес здійснюють при постійній температурі, яку підтримують за допомогою теплогенеруючої установки 12 та 2 UA 112599 U 5 10 атмосферному тиску. Це активізує виділення з субстрату вуглекислого газу. Виділений газ видаляють з ацетотенка і направляють у блок очищення 6, де вуглекислий газ очищують від домішок водню, після чого відводять як товарний вуглекислий газ. Після закінчення ацетогенезу субстрат видаляють з ацетотенка, додають біостимулятор BIOSTIM-SBCH4, та мікроелементи і подають у метанотенк 9. Через барботер за допомогою компресора 14 у ємність метанотенка під тиском подають водень, який виробляють за допомогою діафрагмового електрогенератора водню 13, для насичення ним субстрату. Біогаз, що утворюється в метанотенку, збирається у верхній частині ємності. При цьому тиск у метанотенку зростає. Відводять біогаз з газ через клапан, розташований у верхній частині корпусу, який підтримує всередині метанотенка постійний надлишковий тиск, що вимірюють манометром 8. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 35 40 45 Спосіб анаеробного зброджування органічних субстратів з отриманням біогазу, що дозволяє наряду з біогазом отримувати товарний вуглекислий газ, який відрізняється тим, що використовують для зброджування чотири окремі ємності, при цьому як першу ємність використовують оснащений клапаном, манометром, ультразвуковим диспергатором та теплогенеруючою установкою, для роботи якої подають отриманий біогаз, герметичний гідролізатор, всередині якого розміщують барботер і подають у ємність свіжий субстрат, до якого попередньо додають рециркульований зброджений субстрат та луг, після чого барботують субстрат отриманим вуглекислим газом, підтримуючи в ємності надлишковий тиск, відводять барботований вуглекислий газ на змішування з іншим товарним вуглекислим газом, відводять гідролізований субстрат у другу ємність, додаючи до нього кислоту, як другу ємність використовують обладнаний барботером та теплообмінником, що отримує тепло від окремої працюючої на отриманому біогазі теплогенеруючої установки, кислототенк, в ємність якого подають гідролізований субстрат і барботують воднем, отриманим в окремо розташованому електрогенераторі водню, в ємності підтримують атмосферний тиск, відводять барботований водень та отриманий в результаті кислотогенезу вуглекислий газ і подають на блок очищення вуглекислого газу, частину вуглекислого газу подають на компресор для барботування субстрату в гідролізаторі та ацетотенку, а решту вуглекислого газу подають на змішування з іншим товарним вуглекислим газом, як третю ємність використовують обладнаний барботером, теплообмінником, що отримує тепло від окремої працюючої на отриманому біогазі теплогенеруючої установки, та наповнений твердим завантаженням для іммобілізації мікроорганізмів ацетотенк, в ємність якого подають субстрат вивантажений з кислототенка, одночасно додаючи до нього луг, і барботують вуглекислим газом, в ємності підтримують атмосферний тиск та сталий окислювально-відновний потенціал, відводять барботований та отриманий в результаті ацетогенезу вуглекислий газ і подають на блок очищення вуглекислого газу, очищений вуглекислий газ відводять як товарний, як четверту ємність використовують обладнаний клапаном, манометром, барботером, теплообмінником, що отримує тепло від окремої працюючої на отриманому біогазі теплогенеруючої установки, та наповнений твердим завантаженням для іммобілізації мікроорганізмів метанотенк, в ємність якого подають субстрат, вивантажений з ацетотенка, одночасно додаючи до нього біостимулятор та мікроелементи, і барботують воднем, отриманим в окремо розташованому електрогенераторі водню, в ємності підтримують надлишковий тиск та сталий окислювально-відновний потенціал, відводять отриманий в результаті метаногенезу біогаз та барботований водень, частину біогазу подають на теплогенеруючі установки для спалювання, а решту біогазу відводять як товарний, відводять зброджений субстрат на подальше використання. 3 UA 112599 U Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4