Спосіб одержання рідкого мінерального добрива в процесі очистки біогазу

Реферат: UA 77213 U UA 77213 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Галузь, до якої належить корисна модель: Корисна модель відноситься до біотехнології в сільському господарстві, зокрема біоконверсії відходів сільськогосподарського виробництва тваринництва та рослинництва в біогаз та високоефективні добрива без шкідливих для довкілля наслідків, а саме до способів одержання рідких мінеральних добрив в процесі очищення біогазу. Корисна модель може бути використана на тваринницьких та птахівницьких комплексах, фабриках і фермах, де з гною, посліду та рослинних відходів виробляють біогаз та добрива в біогазових установках безперервної дії. 2. Рівень техніки: Відомий "Спосіб обробки біогазу при зберіганні і прилад для його здійснення" (Патент Росії на винахід № 2222501 С 1). В даному способі очистка біогазу здійснюється в мокрому газгольдері перемінної ємкості. Як водяний затвор використовують проточну, переброджену і нагріту в метантенку масу при відмові від використання для цієї цілі води і її підігріву зимою для попередження замерзання. Очищений шляхом пропускання біогазу дрібними потоками через проточну в резервуарі газгольдеру переброджену масу, біогаз насичує її в основному наявною в біогазі вуглекислотою, забезпечує підвищення удобрюваної якості анаеробно-переброджених у метантенку гною, пташиного посліду і рослинних відходів. Спосіб забезпечує: вихід цінного органічного добрива (перебродженої маси), додатково насиченої СО2 і H2S, оскільки через біомасу пропускають біогаз, насичений цими сполуками. 3 Біомаса поглинає 21,4 нм /42,32 кг/СО2 із 59,2 кг виділеного СО2. Сірководень повністю поглинається перебродженою масою. І отже здійснюється часткова очистка біогазу з одержанням цінного органічного добрива. Недоліком відомого способу є те, що процес пропускання газу через гній є дуже громіздким. Гній як адсорбент можна використовувати для очистки газу тільки після закінчення процесу бродіння. Відомий також "Спосіб попередньої очистки біогазу в біогазових установках безперервної дії" (Патент України на винахід № 43780) В основу способу поставлено задача отримати біогаз з вищим вмістом метану за рахунок відокремлення його негорючої частини, який інтенсивно виділяється в перший період ферментації. Поставлена задача вирішується тим, що органічні відходи, після накопичення і підготовки їх до ферментації, направляються не в основний реактор чи камеру попередньої ферментації, а у камеру попередньої очистки біогазу від його негорючої частини. Ці камери працюють в анаеробному режимі, їх об'єм є такий, що дозволяє зберігати певний об'єм відходів протягом терміну, поки біогаз, що там утворився, не почне горіти. Збільшення кількості камер дасть можливість отримати біогаз з більшим вмістом метану. Після того, як біогаз, що виділяється в камері попередньої очистки, почне горіти, субстрат з цієї камери слід перезавантажити в основний реактор, де ферментація буде продовжуватися. Технічний результат способу полягає у підвищенні якісних характеристик біогазу, що обумовлює до збільшення його теплотворної здатності. Недоліком способу є те, що негорючий газ, що виділяється з камери попередньої очистки, на початку ферментації випускають в атмосферу, а це в свою чергу буде викликати її забруднення. Найбільш близьким за суттю до способу, що заявляється є "Спосіб обробки біогазу при зберіганні і пристрій для його здійснення" (Патент Великобританії GB 2 190 682 А). Суть відомого способу полягає в тому, що анаеробно-зброджений в метантенку із органічних відходів біогаз, який має у своєму складі сірководень і вуглекислоту, суцільним потоком зрошують під дзвоном дрібноструминним і інтенсивним водяним душем резервуара газгольдера. Біогаз з метантенку вводять в простір під дзвоном через окрему трубку суцільним потоком, а потім зрошують встановленим під дзвоном над поверхнею води зрошувачем. Воду з резервуара в зрошувач подають багатократно. Для виведення очищеного від сірководню і вуглекислоти біогазу з надводного простору під дзвоном газгольдера встановлена газовідвідна трубка, забірна частина якої розташована вище рівня води в резервуарі. Пристроєм для здійснення способу є мокрий газгольдер, через патрубки якого постійно подається вода в резервуар. Вода є одночасно запором для біогазу, який зберігається під дзвоном. Процес очистки біогазу від сірководню і вуглекислоти в проточній воді відбувається шляхом подачі біогазу в трубу, перфорована частина якої занурена в воду на певну глибину. Відомий спосіб забезпечуєвивід біогазу з анаеробно-збродженого в метантенку органічними відходами, розподіленими дрібними потоками біогазу в проточно-змінну запірну рідину 1 UA 77213 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 резервуара мокрого газгольдера змінної ємкості із змінним об'ємом простору газу, що зберігається, і вивід його з газового простору із мокрого газгольдера, очищеного в проточнозмінній-запірній рідині від сірководню, вуглекислоти. Заявлений спосіб і прототип мають спільні суттєві ознаки: спосіб включає анаеробне зброджування органічних відходів з одержанням біогазу, очищеного від сірководню, вуглекислоти та аміаку шляхом пропускання дрібними струменями через воду, яка є запірною в резервуарі очисного пристрою (мокрого газгольдера), та високоякісного органічного добрива, додатково збагаченого сірководнем, вуглекислотою та аміаком. Недоліком способу є значний розхід безперервно змінюваної в резервуарі води через її насичення сірководнем і вуглекислотою, з наступним нераціональним видаленням води. Заявлений нами спосіб усуває недоліки прототипу і забезпечує не тільки одержання біогазу, очищеного від сірководню, аміаку та вуглекислоти, органічного добрива, збагаченого сірководнем та вуглекислотою, але й додаткове одержання рідкого мінерального добрива. 3.0. Суть корисної моделі. 3.1. Суттєві ознаки В основу корисної моделі поставлена задача - створення такого способу очистки біогазу при його виробництві, який сприяв би зменшенню енерговитрат на очистку біогазу, а також додатково забезпечував одержання мінерального азотного добрива з води, яка є водяним запором в очисному пристрої. Поставлена задача вирішується тим, що заміну запірної води в резервуарі очисного пристрою здійснюють по мірі досягнення в ній концентрації амонію 20-25 % (із вмістом азоту не менше 16,5-20,5 %), а кількість циклів заміни біомаси органічних відходів і пропускання біогазу визначають контролюючи концентрацію амонію після кожної заміни біомаси в біогазовій установці пристрою, при цьому по досягненні заданих показників концентрації амонію запірну воду з очисного пристрою подають у накопичувальну ємність, герметично закриту, і використовують як добриво. Технічний результат заявленого способу обумовлений наступним. Біогаз подається в пристрій завдяки надлишковому тиску, близькому до атмосферного, створеному в біогазовій установці, проходить через перфоровану трубку, занурену у воду водяного запору, насичуючи воду вуглекислотою, аміаком і сірководнем. При досягненні необхідної концентрації аміаку у воді, вода використовується як мінеральне азотне добриво. При додаванні до такого добрива гашеного вапна Са(ОН) 2 утворюється вапняно-аміачне добриво (NH4OH+СаСО3), яке успішно може використовуватися на кислих ґрунтах. Так як СО 2 реагує з внесеним Са(СО)2 з утворенням СаСО3, який випадає у осад і поверхнева рідина повністю насичена амонієм NH4OH. Допустима кількість домішок вуглекислого газу згідно стандарту для аміачної води становить 8 г/л. Аміачну воду при внесенні до ґрунту можна використовувати під всі сільськогосподарські культури, при обов'язковому закладанні у ґрунт на глибину 10-15 см, на ґрунтах легкого механічного складу - на всю глибину орного шару. Аміачна вода добре утримується ґрунтом, при внесенні восени - атмосферними опадами не вимивається. Азот аміаку краще утримується ґрунтом, ніж амонійний азот твердих добрив. Завдяки миттєвому засвоюванню рослинами водорозчинного азоту аміачна вода є економічним та ефективним рідким добривом. Таким чином, перевагою запропонованого способу є те, що після очистки біогазу із відпрацьованої води додатково одержують рідке мінеральне азотне добриво (аміачну воду), яке можна вносити у ґрунт на глибину 10-15 см, а на ґрунтах легкого механічного складу - на всю глибину орного шару. Аміачна вода утримується ґрунтом, а при внесенні восени атмосферними опадами не вимивається, а також його можна поміщати в закриті теплиці в яких через погану вентиляцію понижена кількість СО2, яке необхідне для здійснення процесу фотосинтезу. Так як в теплиці температури підвищені, то СО 2 буде випаровуватися, насичуючи повітря. Після насичення повітря теплиці вуглекислим газом, ємкість з мінеральним азотним добривом потрібно герметизувати для запобігання випаровування азоту. Рівень амонійного азоту при проходженні біогазу через воду можна довести до 16,5-20,5 % завдяки багатократному проходженню біогазу через одну й ту ж саму воду. Швидкість насичення води газом залежить від площі і часу контакту біогазу з водою, які залежатьвід конструктивних особливостей біогазової установки (діаметра перфорованої частини труби, кількості і діаметра отворів на перфорованій частині труби, а також від висоти водяного стовпа). При змішуванні попередньо запропонованого мінерального добрива, що містить в своєму складі амоній, вуглекислоту (вільний СО 2), фосфати з переродженим органічним добривом 2 UA 77213 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (курячий послід), ми отримаємо біологічно-повноцінне і екологічно чисте комплексне органомінеральне добриво за рахунок поєднання їх позитивних властивостей. Водою, насиченою мікроелементами після проходження біогазу, можна розводити курячий послід (гній) перед закладанням у біогазову установку, так як у ній є достатньо вільного СО 2, небагато Н2 з якого метаногени синтезують метан, що сприятиме утворенню більшої кількості метану. Отже наведені вище інформаційні відомості пояснюють одержання технічного результату заявленого способу. 3.2. Відомості, що розкривають суть корисної моделі. При проведенні патентно-інформаційного пошуку заявником і авторами знайдено технічне рішення / Патент GBN 2 190 682 А, що містить найбільшу кількість суттєвих ознак, спільним із заявленим рішенням: спосіб включає анаеробне зброджування органічних відходів з одержанням біогазу, очищеного від сірководню, вуглекислоти та аміаку шляхом пропускання дрібними струменями через воду, яка є запірною в резервуарі очисного пристрою (мокрого газгольдера), та високоякісного органічного добрива, додатково збагаченого сірководнем, вуглекислотою та аміаком. Однак наявність згаданих, спільних з прототипом ознак, недостатня для одержання технічного результату, який забезпечує заявлений спосіб. Технічних рішень, що за сукупністю ознак повністю співпадають із заявленим, - не виявлено. Це дозволяє зробити висновок про відповідність заявленого технічного рішення критерію винаходу (корисної моделі) – "новизна". В патентній і науково-технічній літературі не знайдено технічних рішень, в яких були би описані відомості, що відрізняють заявлений спосіб від прототипу і забезпечують досягнення технічного результату: заміну запірної води в резервуарі очисного пристрою здійснюють по мірі досягнення в ній концентрації амонію 20-25 % (із вмістом азоту не менше 16,5-20,5 %), а кількість циклів заміни біомаси органічних відходів і пропускання біогазу визначають контролюючи концентрацію амонію після кожної заміни біомаси в біогазовій установці пристрою, при цьому по досягненні заданих показників концентрації амонію запірну воду з очисного пристрою подають у накопичувальну ємність, герметично закриту, і використовують як добриво. Заявлений спосіб належить до біотехнології в сільському господарстві, зокрема біоконверсії відходів сільськогосподарського виробництва тваринництва та рослинництва в біогаз та високоефективні добрива без шкідливих для довкілля наслідків, а саме до способів одержання рідких мінеральних добрив в процесі очистки біогазу, а тому відповідає критерію корисної моделі - "промислова придатність". Таким чином, заявлене технічне рішення є новим, промислово придатним, тобто відповідає всім умовам патентоспроможності винаходу (корисної моделі відповідно до ст.7 розділу 2 Закону України "Про охорону прав на винаходи і корисні моделі" N 1771-III, 2000 p. 4. Відомості, які підтверджують можливість здійснення корисної моделі. 4.1. Порядок здійснення способу. Заявлений спосіб здійснюють наступним чином: В установку загружають біомасу (курячий послід або гній), розводять водою у співвідношенні 3:1. Біомасу перемішують. Закривають резервуар біогазового генератора з збереженням герметичності. Регулюють терморегулятор на температуру, яка забезпечує мезофільний режим бродіння біомаси. Біогаз, який буде виділятися в біогазовому генераторі, піде по відвідній трубі в очисний пристрій (герметичний резервуар з водою) і там буде очищатися з подальшим відводом в накопичувальну ємність. Резервуар з водою, через яку пропускають біогаз, використовують в наступних циклах бродіння, кожен з яких починається закладанням у біогазовий генератор свіжої біомаси (гною, посліду). Кількість таких циклів здійснювали доки концентрація амонію досягатиме 20-25 %-го водного розчину (з вмістом азоту 16,5-20,5 %), що відповідає вимогам стандарту до аміачної води. Надалі вода з очисного пристрою подається в накопичувальну ємність і може використовуватись як добриво. При цьому, це добриво зберігають на холоді із збереженням герметики до моменту внесення у ґрунт. Швидкість насичення води газом залежить від площі і часу контакту біогазу з водою, що, в свою чергу, залежить від конструкторських особливостей біогазової установки (діаметру перфорованої частини труби, кількості і діаметру отворів на перфорованій частині труби, а також від висоти водяного стовпа). Ефективність заявленого способу підтверджується прикладом конкретного виконання способу. 4.2. Приклад конкретного виконання способу. Заявлений спосіб був здійснений в приватному підсобному господарстві м. Рудки, вул. Самбірська 17а/36 на лабораторній біогазовій установці (Патент України № 69130 від 3 UA 77213 U 5 10 15 20 25 25.04.2012), сконструйованій і виготовленій для здійснення заявленого способу очистки біогазу з метою отримання екологічно чистого органічного добрива, а також виробництва мінерального добрива без застосування додаткових енергозатрат. В установку загружали біомасу (курячий послід, гній), розводили водою у співвідношенні 3:1. Біомасу перемішували. Закривали резервуар біогазового генератора з збереженням герметичності. Відрегулювали терморегулятор на температуру, яка забезпечує мезофільний режим бродіння біомаси 32-34°. Біогаз, який виділився в біогазовому генераторі, по відвідній трубі буде скерований в очисний пристрій (герметичний резервуар з водою) і там очищався з подальшим відводом в накопичувальну ємкість. Резервуар з водою, через яку пропускали біогаз, використовували в наступних циклах бродіння, кожен з яких починався закладанням у біогазовий генератор свіжої біомаси (гною, посліду). Кількість таких циклів здійснювали доки концентрації аміаку (амонію) досягає 20-25 %го водного розчину (з вмістом азоту 16,5-20,5 %), що відповідало вимогам стандарту до аміачної води, надалі вода з очисного пристрою подавалась в накопичувальну ємність і її готували для використання, як добриво. При цьому це добриво зберігали на холоді із збереженням герметики до моменту внесення у ґрунт. Тривалість одного циклу бродіння, під час якого відбувається виділення біогазу і його проходження через воду, становить 7 днів. Біогаз починає активно виділятися через годину після прогріву гною, посліду в біоустановці і така інтенсивність активного виділення відбувається у перші 4-5 днів, після чого інтенсивність виділення біогазу знижується. Одержане рідке мінеральне добриво піддавали аналізу, визначаючи: рН досліджуваної води, вміст в ній гідрокарбонатів, карбонатів, вільних карбонатів, сірководню, аміаку і іонів амонію, а також фосфатів. Одержані результати подані в таблицях 1-4. Контрольними були хімічні показники проби перевареної води (табл. 1) Таблиця 1 Хімічні показники перевареної води М-ди вимірювання 1 2 3 4 5 6 7 30 35 Показники pН 23 Гідрокарбонати (НСО3 ),мг/дм 3 -«-мг СО2 /дм (гідрокарбонатів) 23 Карбонати (СО3 ), мг/дм 3 Вільна СO2, мг/дм 3 Сірководень (H2S), мг/дм 4+ Аміак і іони амонію (NH ) 3 (сумарно); мг/дм 3 мг N/дм 33 Фосфати (РО4 ), мг/дм 3 -«-мг Р/дм Вимірювані величини 7,24 273,4 197,1 не виявлено 13,0 ≤0,2 0,53 0,41 0,280 0,091 У таблиці 2 порівнюється рідке мінеральне добриво, одержане при очистці біогазу з курячого посліду (добриво № 1), і мінеральне добриво, одержане при очистці біогазу з свинячого гною (добриво № 2) із 5-добовим проходженням газу через воду. Результати досліджень свідчать, що водневий показник (рН) мінерального добрива, одержаного при очистці біогазу з курячого посліду у воді є вищим, ніж одержаного при очистці біогазу з свинячого гною на 0,36. Вільної вуглекислоти у добриві, одержаному при проходженні біогазу із з курячого посліду (мінеральне добриво № 1), менше у 1,5 рази (на 32,8 %), а рівень фосфатів у два рази вищий порівняно з добривом, отриманим після біопереробки свинячого гною. У мінеральному добриві, одержаному при очистці біогазу з свинячого гною, сірководню більше у 2 рази. Фосфатів у добриві № 1 більше у 2,2 разу порівняно із добривом № 2. Амонію у добриві № 1 більше у 52 рази. Азоту у добриві, утвореному при проходженні біогазу курячого посліду через воду, більше у 52 рази. Фосфору у курячому посліді більше у 2,168 разу. 40 4 UA 77213 U Таблиця 2 Хімічний склад рідкого мінерального добрива, одержаного при очистці біогазу з курячого посліду (добриво № 1) і свинячого гною (добриво № 2) із 5-добовим проходженням газу через воду № за/п 1 2 3 4 5 6 7 5 Показники рH 23 Гідрокарбонати (НСО3 ), мг/дм 3 -«-мг СО2/дм (гідрокарбонатів) 23 Карбонати (СО3 ), мг/дм 3 Вільна СО2/мг/дм 3 Сірководень (H2S), мг/дм 4+ 3 Аміак і іони амонію (NH ) (сумарно); мг/дм 3 мг N/дм 33 Фосфати (РО4 ), мг/дм 3 -«-мг Р/дм Добриво №1 5,69 283,1 204,2 не виявлено 532,4 2 2,59 2,01 0,514 0,167 Добриво №2 5,33 197,7 142,2 не виявлено 792,4 4,10