Біореактор для переробки пташиного посліду з отриманням органічного добрива та біогазу

Реферат: Біореактор для переробки пташиного посліду з отриманням органічного добрива та біогазу містить засоби для здійснення ферментації за технологією "fixed film", засіб для відводу біогазу, щонайменше один механічний засіб для розділення отриманого продукту на тверду фракцію та фільтрат, причому додатково містить щонайменше дві відокремлені ємності для змішування фільтрату та посліду, обладнані засобом для перемішування, засіб для подачі фільтрату в ємності для змішування фільтрату та посліду та засіб подачі отриманої суміші в зону ферментації за технологією "fixed film", обладнану засобом для перемішування суміші. UA 96315 U (54) БІОРЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ ПТАШИНОГО ПОСЛІДУ З ОТРИМАННЯМ ОРГАНІЧНОГО ДОБРИВА ТА БІОГАЗУ UA 96315 U UA 96315 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі біологічної переробки органічної маси, зокрема пташиного посліду, і може бути використана як в сільському господарстві, так і в інших областях з метою отримання біогазу та органічно чистого добрива. Для більшості сучасних біогазових установок характерна значна сумарна кількість устаткування, що в загальному випадку включає резервуар для накопичення субстрату або бункер подачі твердої сировини, декілька ферментаторів, насосно-розподільну станцію, лагуни для збродженої маси, газгольдери, систему доочищення біогазу, когенераційну установку, теплопункт. Таке устаткування необхідне в основному за рахунок спрямування роботи установки на отримання біогазу в значних об'ємах. На сучасному етапі існує тенденція на переорієнтацію від отримання біогазу як основного продукту до виробництва органічного добрива як основного продукту та біогазу як допоміжного продукту, тим самим спрощуючи конструкцію установок та зменшуючи витрати на її утримання. Відомо, що важливим моментом в приготуванні субстрату являється використання фільтрату в суміші з чистим послідом. В субстраті з чистого пташиного посліду співвідношення азоту і вуглецю вище, ніж для нормально збалансованих. Надлишковий азот виділяється з складу вихідних білків і в результаті біохімічних реакцій перетворюється в іони амонію. Амоній являється токсичним для бактерій і призводить до їх загибелі. Іони амонію розкладаються з виділенням аміаку. Аміак в десятки разів токсичніший, ніж амоній. Застосування субстрату з суміші пташиного посліду і фільтрату вихідного шламу в звичайних ферментаторах призводить до того, що кількість бактерій в ферментаторі починає зменшуватись до того часу, поки не досягне мінімального рівня, і реакція зупиняється. Для зменшення негативного впливу азотних сполук (амонію і аміаку) фільтрат перед подачею на вхід біореактора додатково обробляють хімічними або мінеральними агентами (наприклад, цеолітом). Це призводить до додаткових витрат, а головне - не дозволяє отримати чисті органічні добрива як тверді, так і рідкі. Відомі біоустановки переробки органічних відходів з отриманням біогазу та органічного добрива. Інформація про такі установки відома заявнику з мережі Інтернет, зокрема міститься на наступних веб-сайтах: http://www.lipp-system.de/53-biogas_systems.html - концерн Lipp GmbH; http://www.mt-energie.com/ - компанія МТ Energie; http://www.envitec-biogas.com/ - компанія Envitec Biogas; http://www.schmack-biogas.com/ - компанія Schmack Biogas; http://rueckert-naturgas.de/ - компанія Ruckert NatUrgas ті інші. Основним напрямком використання зазначених біоустановок являється отримання біогазу, в зв'язку з чим збільшується кількість устаткування для переробки суміші в газ та знижується якість вихідного субстрату, як біогумусу. Більшість відомих способів переробки пташиного посліду та установок для їх реалізації мають ряд недоліків. Вони включають: - використання хімічних чи мінеральних речовин для обробки фільтрату, - використання додаткової кількості води як дефіцитного та дорогого ресурсу; - створення значних за обсягом сховищ для збродженої маси. Винахіднику відомо багато аналогічних рішень пристроїв для переробки біологічних відходів з отриманням органічного добрива та біогазу, серед яких за сукупністю суттєвих ознак найближчими є наступні. Відомі пристрої для переробки органічної речовини з отриманням біогазу та органічних добрив: патент US 7727395 В2, опублікований 01.06.2010, заявка DE 102009043846 А1, опублікована 03.03.2011, заявка DE 102010032916 А1, опублікована 02.02.2012, заявка ЕР 2666868 А1, опублікована 27.11.2013, заявка WO 2012/152266 A3, опублікована 15.11.2012, заявка WO 2014/090376 А2, опублікована 19.06.2014, патент Російської Федерації № 133829 U1, опублікований 27.10.2013, патент Російської Федерації № 2404240 С2, опублікований 20.11.2010, патент Російської Федерації № 2226047 С1, опублікований 27.03.2004, патент України № 29997 U, опублікований 11.02.2008, патент України № 75605 С2, опублікований 15.05.2006, патент України № 64019 U, опублікований 25.10.2011, патент України № 77213 U, опублікований 11.02.2013, патент України № 87422 U, опублікований 10.02.2014. Також відомо пристрій для переробки органічних відходів за технологією "fixed film", за допомогою якого може бути реалізований спосіб переробки стічного гною, за патентом US 7297274, опублікованого 20.11.2007. Пристрій включає закритий септик-танк (фіксований або гнучкий дах), внутрішнє середовище для розвитку біоплівки, засіб для збору біогазу та факельну систему, різні насоси та гідравлічні системи управління. Переважне середовище має практично вертикально-орієнтовані, неперервні канали для іммобілізації анаеробних 1 UA 96315 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 мікроорганізмів і розвитку біоплівки, що дозволяє ефективно очистити стічні води при температурі навколишнього середовища і більш високих температурах, а також протягом прийнятного часу гідравлічного перебування суміші. За прототип прийнято пристрій переробки тваринного гною за технологією "fixed film", за допомогою якого може бути реалізований спосіб переробки, за патентом US 6811701, опублікованого 02.11.2004. Пристрій включає закритий септик танк з підлогою та дахом, поділений на верхню і нижню область; середовище для розвитку біоплівки підтримується в септиктанку, що включає вертикально-орієнтовані, неперервні канали для іммобілізації анаеробних мікроорганізмів; припливну лінію для направлення стічних відходів тваринництва в септик танк; стічну лінію для видалення оброблених стічних відходів тваринництва з септик танку; люк для перевірки та технічного обслуговування вказаного середовища; засіб для збору біогазу. Сумішшю для переробки в даних біоустановках виступає тваринний гній, який є більш збалансованим та відповідно більш придатним для переробки за технологією "fixed film", ніж наприклад курячий послід. Недоліком даних установок є те, що застосування в зазначених біоустановках такої сировини як чистий пташиний послід призводить до нестабільності та припинення процесу ферментації через особливі властивості цієї сировини та вимагає додаткової обробки фільтрату для зменшення його негативного впливу на процес ферментації, або його відділення та зберігання. В основу корисної моделі поставлено задачу створити такий біореактор, який за рахунок своєї удосконаленої конструкції забезпечить стабільність біологічного процесу переробки чистого пташиного посліду. Поставлена задача вирішується таким чином, що біореактор для переробки пташиного посліду з отриманням органічного добрива та біогазу, що містить засоби для здійснення ферментації за технологією "fixed film", засіб для відводу біогазу, щонайменше один механічний засіб для розділення отриманого продукту на тверду фракцію та фільтрат, відповідно до корисної моделі, додатково містить щонайменше дві відокремлені ємності для змішування фільтрату та посліду, обладнані засобом для перемішування, засіб для подачі фільтрату в ємності для змішування фільтрату та посліду та засіб подачі отриманої суміші в зону ферментації за технологією "fixed film", обладнану засобом для перемішування суміші. При цьому засіб для перемішування суміші в зоні ферментації оснащений засобом для подачі біогазу в суміш, що перемішується. При цьому засіб для перемішування суміші в зоні ферментації оснащений засобом для розбризкування суміші з верхньої частини ферментатора. При цьому біореактор може містити ємність для збору шламу, розміщену між зоною ферментації та механічним засобом для розділення отриманого продукту. При цьому біореактор може містити ємність для накопичення фільтрату, сполучену із засобом для подачі фільтрату на вхід біореактора. При цьому вихідний отвір засобу подачі суміші в ферментатор може бути розташований приблизно на середині висоти ємності ферментатора. При цьому вхідний отвір засобу виведення шламу з ферментатора може бути розташований в нижній частині ємності ферментатора. При цьому засіб виведення шламу може бути влаштований як сифон. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом існує наступний. Винахіднику в процесі багаторазових досліджень було розроблено, виготовлено та випробувано біореактор для переробки пташиного посліду, який додатково до засобів для здійснення ферментації за технологією "fixed film", засобів для відводу біогазу, механічного засобу для розділення отриманого продукту на тверду фракціюта фільтрат, містить щонайменше дві відокремлені ємності для змішування фільтрату та посліду, обладнані засобом для перемішування, засіб для подачі фільтрату в ємності для змішування фільтрату та посліду та засіб подачі отриманої суміші в зону ферментації за технологією "fixed film", обладнану засобом для перемішування суміші. Використання в біореaкторі щонайменше двох ємностей для змішування фільтрату та посліду дозволяє оптимізувати і пришвидшити процес підготовки суміші для подачі її в зону ферментації, оскільки можливий паралельний процес відстоювання і змішування. Таким чином, при відстоюванні суміші в одній ємності змішування, суміш подається в зону ферментації з іншої, ємності змішування, де вже відбулось необхідне відстоювання і змішування, а також відповідні процеси гідролізу, і навпаки. 2 UA 96315 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 За рахунок наявності засобу для подачі фільтрату в ємності для змішування фільтрату та посліду здійснюється подача фільтрату з ємності для накопичення фільтрату. Як засіб для подачі фільтрату може бути використана система трубопроводів разом з перекачуючим насосом або інший пристрій аналогічної функціональності. Таким же чином здійснюється подача суміші з ємності змішування в зону ферментації за рахунок засобу подачі отриманої суміші в зону ферментації. Як засіб подачі отриманої суміші в зону ферментації може бути використаний пристрій аналогічно засобу для подачі фільтрату. Крім цього засіб для перемішування суміші в залежності від способу перемішування може бути оснащений засобом для подачі біогазу в суміш, що перемішується, або засобом для розбризкування суміші з верхньої частини зони ферментації. Наявність будь-якого з цих засобів забезпечує здійснення процесу перемішування суміші, який є одним з найважливіших в переробці органічної речовини. Розміщення ємності для збору шламу між зоною ферментації та механічним засобом для розділення отриманого продукту забезпечує можливість оптимізувати роботу біореактора за рахунок збору шламу відразу після виходу з зони ферментації, при необхідності короткочасового зберігання з наступною подачею до механічного засобу для розділення отриманого продукту. Сполучення ємності для накопичення фільтрату із засобом для подачі фільтрату дозволяє безпосередньо здійснювати подачу отриманого фільтрату на вхід в біореактор, тим самим зациклюючи процес переробки органічної речовини та відведення продуктів переробки. Запропонована конструкція подачі та виведення шламу з ферментатора, а саме розташування вихідного отвору засобу подачі суміші в ферментатор приблизно на середині висоти ємності ферментатора, а вхідного отвору засобу виведення шламу з ферментатора в нижній частині ємності ферментатора, а також виконання засобу виведення шламу влаштований як сифон, дозволяє досягнути ефекту "сполучених посудин", який спрощує транспортування речовин в біореакторі. Заявлена корисна модель ілюструється наступним прикладом здійснення біореактора для переробки пташиного посліду з отриманням органічного добрива та біогазу, а також відповідними ілюстрованими матеріалами, на яких зображено наступне: - на фіг. 1 - функціональна схема біореактора для переробки пташиного посліду з отриманням органічного добрива та біогазу, - на фіг. 2 - фото зони ферметації діючого біореактора, влаштовані за технологією "fixed film". Зображені матеріали, що ілюструють заявлену корисну модель, а також наведений приклад конкретного виконання біореактора ніяким чином не обмежують обсяг домагань, викладений у формулі, а тільки пояснюють суть корисної моделі. На фігурі 1 зображена функціональна схема біореактора для переробки пташиного посліду з отриманням органічного добрива та біогазу. Пристрій містить ферментатор 1 та засоби для здійснення ферментації за технологією "fixed film" 2, розміщені в ньому. Разом дані елементи конструкції утворюють зону ферментації. Також пристрій включає щонайменше один засіб для відводу біогазу 3 та щонайменше один механічний засіб 4 для розділення отриманого продукту на тверду фракцію та фільтрат, представлений у вигляді сепаратора, наприклад шнекового. Пристрій містить щонайменше дві відокремлені ємності 5 для змішування фільтрату та посліду, які утворюють зону змішування. Ємності для змішування 5 можуть обладнані технологічним газгольдером 6 для буферизації зміни рівня вхідної речовини. Газгольдер 6 може бути виконаний гнучким для компенсації коливання рівня суміші в ємностях для змішування 5 за рахунок зміни своєї форми, оскільки, крім змішування пташиного посліду і фільтрату та гідролізу отриманої суміші в даних ємностях вже може відбуватись незначне газовиділення, пов'язане з роботою бактерій третьої та четвертої фаз бродіння. Встановлення газгольдера 6 на ємностях 5 для змішування фільтрату та посліду дозволяє забезпечити буферизацію біогазу, виділеного в зоні змішування, і одночасно компенсацію коливань рівня вхідної речовини. Крім цього пристрій містить засіб для подачі фільтрату в ємності для змішування фільтрату та посліду 7 та ємність для накопичення фільтрату 8, яка сполучена із засобом для подачі фільтрату на вхід біореактора 7. Зони змішування та ферментації сполучені між собою завдяки засобу подачі отриманої суміші 9 в зону ферментації за технологією "fixed film". В зоні ферментації розташовані відповідні конструкції 2, на яких формується за технологією "fixed film" велика плівка анаеробних бактерій. Зони змішування та ферментації обладнані засобом для перемішування суміші 10, керованого за допомогою програмованого контролера (не показано). Даний засіб для 3 UA 96315 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 перемішування суміші 10 оснащений засобом для подачі біогазу в суміш, що перемішується, або засобом для розбризкування суміші з верхньої частини ферментатора 1 (не показано). Пристрій містить ємність для збору шламу 11, а також може містити додаткову ємність для збору шламу, з якої суміш надходить на сепаратор 4. Пристрій, відповідно до корисної моделі, використовують наступним чином. Вихідними продуктами переробки біореактора є біогумус, фільтрат і газ, що виділяється з ферментатора. Газ виводять через зворотний клапан 3 з наступним обліком його проходження і скидають в навколишнє середовище. При необхідності біогаз можуть відводити у відповідні ємності для зберігання або транспортування. Вихідний шлам являє собою екологічно чисте органічне добриво, яке не являється шкідливим для навколишнього середовища. При цьому здійснюють його сепарацію на біогумус і рідкий фільтрат. Частина фільтрату використовується для приготування суміші. Надлишки фільтрату можуть зливатися в звичайну каналізацію, так як вони представляють собою знешкоджений ферментований гній, тобто такий, який можливо подавати до каналізації без шкідливих наслідків, або може використовуватись як рідке біодобриво. Для запуску біореактора одноразово використовується технічна вода. Приготована суміш, утворена з пташиного посліду та фільтрату, по команді оператора з панелі керування (не показано) насосом перекачується з однієї ємності для змішування в іншу 5, обладнану технологічним газгольдером для буферизації зміни рівня суміші через асинхронність подачі і викачування суміші 6. Частина фільтрату, який подається в зону змішування, регулюється так чином, щоб вологість суміші фільтрату та пташиного посліду знаходилась в межах 86…92 %. В ємності для змішування 5 суміш тримають в середньому 1,5…3 доби при температурі 25 °C. Час перебування суміші в ємності для змішування 5 регулюється оператором шляхом зміни максимального рівня заповнення ємності для змішування 5. Суміш в ємності для змішування 5 періодично перемішується за допомогою засобу для перемішування суміші 10 за командами програмованого контролера. Перемішування суміші може мати декілька відомих варіантів здійснення. Засоби для здійснення ферментації за технологією "fixed film" 2 знаходяться у верхній частині ферментатора 1, а придонна частина ферментатора 1 вільна. Тому один з варіантів полягає в перемішуванні суміші лише в цій частині. Вертикальне ж переміщення суміші крізь конструкції "fixed film" забезпечується бульбашками, що виділяються біогазом. Таким чином здійснюють гідравлічне перемішування суміші. Другий варіант здійснюється подібним чином, але при цьому при перемішуванні за допомогою засобу для подачі біогазу додають біогаз з зони біогазоутворення або зберігання біогазу. Далі цей біогаз забезпечує вертикальне переміщення суміші. Таким чином, отримують гідравлічне перемішування з додаванням додавання біогазу. За третім варіантом суміш з дна установки піднімають і за допомогою засобу для розбризкування суміші розбризкують зверху вниз спадаючим конусом в зону ферментації. Таким чином, здійснюють перемішування суміші гідравлічно шляхом розбризкування суміші з верхньої частини ферментатора. З ємності для змішування 5 за командами програмованого контролера суміш насосом подається малими порціями в середньому один раз на годину через засіб подачі отриманої суміші 9, наприклад трубопровід, в зону ферментації, утворену за технологією "fixed film", при цьому маса одноразової порції подачі суміші не перевищує 9 % від загальної маси суміші в біореакторі. Ферментація в зоні за технологією "fixed film" здійснюється при температурі від 40 °C до 50 °C. В ферментаторі 1 розташовані відповідні конструкції 2, наприклад, у вигляді набору циліндричних співвісних поверхонь, на яких формується велика плівка іммобілізованих анаеробних бактерій. Суміш в ферментаторі 1 періодично перемішується за командами програмованого контролера, зокрема в автоматичному режимі. Засіб подачі суміші в ферментатор 9 (наприклад ввід трубопроводу) розташований приблизно на середині висоти ємності ферментатора 1, що при заповненому сумішшю ферментаторі, утворює гідрозатвор. Засіб виведення шламу з ферментатора 12, утворений, наприклад, у вигляді сифону, виходить з ємності ферментатора 1 в нижній частині, піднімається вгору на висоту рівня суміші в ферментаторі 1 і далі опускається вниз до ємності збору шламу 11. Таким чином, досягають ефекту "сполучених посудин", коли суміш надходить в зону ферментації, одночасно з цим еквівалентна кількість шламу виливається по вихідній трубі. Газ, що виділяється, подається на щит лічильників і гідравлічних затворів, звідки викидається в атмосферу. При необхідності біогаз можуть відводити у відповідні ємності для зберігання або транспортування. 4 UA 96315 U 5 10 15 20 25 30 35 У випадку необхідності забезпечення компактності біореактора шлам з ємності збору шламу 11 насосом за командою оператора може подаватися в іншу буферну ємність для шламу поблизу сепаратора 4. Звідти шлам подається самопливом на сепаратор 4. Фільтрат з сепаратора 4 подається в накопичувач 8 з подальшою подачею через засіб для подачі фільтрату в ємності для змішування фільтрату та посліду 7 в зону змішування. Біогумус збирається в у відповідні ємності 13 і потім зберігається на складі. Періодичність подачі суміші з зони змішування в зону ферментації за технологією "fixed film" та маса одноразової суміші забезпечують час гідравлічного перебування суміші в біореакторі в межах 11…14 діб. Таким чином, застосування заявленої корисної моделі за рахунок своєї удосконаленої конструкції дозволяє забезпечити стабільність біологічного процесу переробки чистого пташиного посліду і, як наслідок, отримання органічних добрив з отриманням біогазу як супутнього продукту без застосування додаткових засобів обробки фільтрату та води. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Біореактор для переробки пташиного посліду з отриманням органічного добрива та біогазу, що містить засоби для здійснення ферментації за технологією "fixed film", засіб для відводу біогазу щонайменше один механічний засіб для розділення отриманого продукту на тверду фракцію та фільтрат, який відрізняється тим, що додатково містить щонайменше дві відокремлені ємності для змішування фільтрату та посліду, обладнані засобом для перемішування, засіб для подачі фільтрату в ємності для змішування фільтрату та посліду та засіб подачі отриманої суміші в зону ферментації за технологією "fixed film", обладнану засобом для перемішування суміші. 2. Біореактор за п. 1, який відрізняється тим, що засіб для перемішування суміші в зоні ферментації оснащений засобом для подачі біогазу в суміш, що перемішується. 3. Біореактор за п. 1, який відрізняється тим, що засіб для перемішування суміші в зоні ферментації оснащений засобом для розбризкування суміші з верхньої частини зони ферментації. 4. Біореактор за п. 1, який відрізняється тим, що містить ємність для збору шламу, розміщену між зоною ферментації та механічним засобом для розділення отриманого продукту. 5. Біореактор за п. 1, який відрізняється тим, що містить ємність для накопичення фільтрату, сполучену із засобом для подачі фільтрату на вхід біореактора. 6. Біореактор за п. 1 який відрізняється тим, що вихідний отвір засобу подачі суміші в ферментатор розташований приблизно на середині висоти ємності ферментатора. 7. Біореактор за п. 1, який відрізняється тим, що вхідний отвір засобу виведення шламу з ферментатора розташований в нижній частині ємності ферментатора. 8. Біореактор за п. 7, який відрізняється тим, що засіб виведення шламу влаштований як сифон. 5 UA 96315 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6