[1]Изобретение относится к области утилизации концентрированных органических субстратов, пригодных к дальнейшему использованию в условиях производств - их источников или в смежных областях.
[2]Источниками концентрированных органических субстратов являются предприятия агропромышленного комплекса - животноводческие и птицеводческие комплексы (бесподстилочный навоз, помет), перерабатывающие предприятия. В жилищно-коммунальном хозяйстве такими субстратами являются избыточный активный ил, осадки городских очистных сооружений.
[3]К перспективному развитию биотехнологии для утилизации органических отходов относится интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и усовершенствования оборудования, так и за счет использования катализаторов процесса. Важным этапом биотехнологического производства полезных продуктов из органических отходов является тщательная подготовка исходного сырья перед анаэробной обработкой с целью создания питательной среды для жизнедеятельности микробного сообщества и получение качественной смеси, подаваемой для переработки в основной аппарат-биореактор (метантенк).
[4]Все известные устройства и способы с единой технологией переработки, заключающейся в создании условий для микробиологической переработки биомассы метанобразующими анаэробными бактериями в одном или нескольких этапах, предусматривают подготовку сырья от простого перемешивания до тщательного измельчения смеси перед загрузкой в биореактор.
[5]Клетчатка (целлюлоза, входящая в состав клеточных оболочек всех высших растений) не переваривается животными, поэтому навоз содержит её в большом количестве, причём в измельчённом виде.
[6]Известно, что предварительное озонирование образцов (целлолигнин, древесные опилки, подсолнечная лузга, пшеничная солома) в процессе их биоконверсии в сахара, увеличивает скорость и степень их гидролиза под действием целлюлолитических ферментов. (Ковалева Валентина Владимировна. Окислительная деструкция лигнина и лигноцеллюлозных материалов под действием озона. Диссертация кандидата химических наук, МГУ, 2000 г.)
[7]Известен способ для переработки различных жидких органических отходов, например навоза, птичьего помета и т.п., в биогаз и жидкое органическое удобрение (патент РФ №2370457, МПК C02F 3/28, опубл. 20.10.2009). Для интенсификации процесса сбраживания при подготовке сырья исходное сырье измельчают, перемешивают и дополнительно подают жидкость, полученную из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора.
[8]Недостатком известного способа являются высокие энергетические затраты на процесс измельчения и перемешивания.
[9]Известен способ получения органических удобрений из продуктов жизнедеятельности животных с целью их утилизации и получения высокоэффективного удобрения диспергированием органической составляющей, гидроударным воздействием на смесь в процессе ее циркуляции по замкнутому контуру (патент РФ №2258686, МПК C05F 3/00, опубл. 20.08.2005).
[10]Недостатком известного способа являются высокие затраты электрической энергии на процесс диспергирования, поскольку энергия привода диспергатора расходуется на нагрев жидкости до высоких температур (97°С).
[11]Известен способ переработки органических субстратов в удобрения и газообразный энергоноситель, в котором исходный субстрат подвергают аэробной обработке с образованием нагретого и гидролизованного субстрата и нагретых влажных кислородосодержащих газов, анаэробный обработке с образованием нагретого эффлюента и биогаза и разделению на фракции, в котором разделение на фракции производят после аэробной обработки, анаэробной обработке подвергают жидкую фракцию, нагретый эффлюент используют в качестве теплоносителя для регулирования теплового режима аэробной обработки и в качестве источника аммонийного азота для обогащения твердой фракции, а нагретые влажные кислородосодержащие газы используют для предварительного нагрева и аэрации исходного субстрата (патент РФ №2500628, МПК C02F 11/02, C02F 11/12, B09B 3/00, опубл. 10.12.2013, Бюл. №34).
[12]Недостатком известного способа является распад части органического вещества (до 15%) на стадии аэробной предобработки, за счет аэробного окисления органического вещества, что приводит к пропорциональному снижению выхода биогаза.
[13]Известен способ подготовки сырья для анаэробной переработки органических отходов, а также установка подготовки сырья (патент РФ №2535967, МПК С12М 1/42, C05F 3/06, C05F 9/00, опубл. 20.12.2014). Способ характеризуется тем, что в едином объеме герметичной емкости одновременно с подогревом производят дегазацию смеси путем вакуумирования и последующую обработку. Обработку осуществляют воздействием энергией ультразвукового гидродинамического излучателя на поток смеси при ее циркуляции в замкнутом контуре герметичной емкости. В качестве жидкости для смешивания сырья используют жидкую фракцию слива из биореактора. Процесс подготовки сырья завершают после нагрева смеси до заданной температуры, соответствующей температуре первой стадии процесса биореактора.
[14]Недостатком известного способа являются высокие энергетические затраты на процесс предварительной обработки, при его низкой эффективности, длительность процесса сбраживания в мезофильном режиме (37°С), а также невозможность обеспечения санитарно-гигиенических требований к обработанным отходам.
[15]Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ анаэробной переработки жидких органических отходов, в котором предварительную обработку отходов осуществляют посредством тонкодисперсного измельчения малорастворимых компонентов органических отходов, частичного гидролиза органических веществ, а также внесения в субстрат микрочастиц железа, образующихся за счет истирания рабочего органа в первичном аппарате вихревого слоя(патент РФ 2690463, МПК C02F 11/04, C02F 3/28, C12M 1/42, B02C 13/12, C02F 9/00, опубл. 3.06.2019, Бюл. №16). Затем полученный субстрат подают в метантенк для анаэробного сбраживания в термофильных условиях. Сброженную массу обрабатывают во вторичном аппарате вихревого слоя. После обработки в аппарате вихревого слоя сброженную массу направляют для разделения на фракции. Тепловую энергию, образующуюся в результате работы первичного и вторичного аппаратов вихревого слоя, используют для обеспечения термофильного температурного режима работы метантенка. Предварительную обработку осуществляют в рабочей камере первичного аппарата вихревого слоя в течение от 0,5 до 1 мин при частоте вращения магнитного поля от 50 до 120 Гц, сброженную массу обрабатывают во вторичном аппарате вихревого слоя в течение от 1 до 4 мин при частоте вращения магнитного поля от 50 до 120 Гц.
[16]Недостатками известного способа являются высокие энергетические затраты на работу вторичного аппарата вихревого слоя, наличие которого не требуется для обеззараживания сброженной массы, поскольку ее обеззараживание происходит в результате анаэробной обработки в термофильном режиме, а метаногенные микроорганизмы в результате обработки в АВС не уничтожаются (Эффект обеззараживания субстратов анаэробных биореакторов в аппарате вихревого слоя / Д. А. Ковалев, А. А. Ковалев, И. В. Катраева [и др.] // Химическая безопасность. - 2019. - Т. 3. - № 1. - С. 56-64. - DOI 10.25514/CHS.2019.1.15004.) и низкая эффективность процесса анаэробной обработки, поскольку обработка в первичном аппарате вихревого слоя в течение от 0,5 до 1 мин при частоте вращения магнитного поля от 50 до 120 Гц не обеспечивает деструкцию лигно-целлюлозных компонентов входящих в состав органических отходов до более простых соединений, разлагающихся с образованием метана.
[17]Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности процесса анаэробной переработки жидких органических отходов.
[18]В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность повысить эффективность процесса анаэробной переработки жидких органических отходов путем предварительной обработки в аппарате вихревого слоя, за счет тонкодисперсного измельчения, улучшающего реологические свойства субстрата и доступность питательных веществ для микроорганизмов, частичного гидролиза органических соединений, увеличивающего степень разложения органического вещества и соответственно выход целевого продукта - биогаза и внесения микрочастиц железа истирания рабочего органа (стальные иглы) и дополнительного введения газообразного озона в рабочую камеру аппарата вихревого слоя, позволяющего произвести деструкцию (озонолиз) лигно-целлюлозных компонентов входящих в состав органических отходов до более простых соединений, разлагающихся с образованием метана, при этом увеличивается скорость образования и конечный выход метана, обеспечивается более полное разложение субстрата, повышается адаптивная способность микробного сообщества к неблагоприятным условиям (например, избыточное накопление летучих жирных кислот (ЛЖК) или водорода, снижение рН).
[19]Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе анаэробной переработки жидких органических отходов, включающем предварительную обработку отходов в аппарате вихревого слоя в течение 0,5-1 мин при частоте вращения магнитного поля 50-120 Гц и их анаэробное сбраживание в метантенке, использование тепловой энергии, образующейся в результате работы аппарата вихревого слоя, для обеспечения термофильного температурного режима работы метантенка, разделение сброженной массы на фракции, согласно изобретению, при предварительной обработке отходов в аппарате вихревого слоя в рабочую камеру дополнительно подают озоносодержащий воздух (концентрация озона 70 мг/л) со скоростью 20 л/минуту, причем предварительную обработку осуществляют в рабочей камере аппарата вихревого слоя в течение 0,5 мин при частоте вращения магнитного поля 50 Гц.
[20]Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены блок-схема способа анаэробной переработки жидких органических отходовс предварительной обработкой озоном в аппарате вихревого слоя (фиг. 1).
[21]Способ анаэробной переработки жидких органических отходовс предварительной обработкой озоном в аппарате вихревого слоя осуществляют следующим образом:
[22]Из исходных органических отходов извлекают крупные включения, затем отходы подвергают комплексной предварительной обработке в аппарате вихревого слоя в течение 0,5 мин при частоте вращения магнитного поля 50 Гц, заключающейся в одновременном электромагнитном, механическом и химическом воздействии. При этом происходит тонкодисперсное измельчение малорастворимых компонентов органических отходов, частичный гидролиз органических веществ, деструкция лигно-целлюлозных компонентов, входящих в состав органических отходов до более простых соединений, а также внесение в субстрат микрочастиц железа, образующихся за счет истирания рабочего органа (стальные иглы). Тонкодисперсное измельчение малорастворимых компонентов органических отходов и частичный гидролиз органических веществ увеличивают доступность питательных веществ для консорциума микроорганизмов в метантенке. Деструкция лигно-целлюлозных компонентов, входящих в состав органических отходов до более простых соединений позволяет увеличить степень разложения органического вещества и соответственного выход метана. Внесение микрочастиц железа увеличивает скорость образования и конечный выход метана, обеспечивает более полное разложение субстрата и снижение необходимого объема метантенка. Подготовленный субстрат направляют в метантенк для анаэробного сбраживания с получением биогаза и сброженной массы (эффлюента). Сброженную массу подают в известные устройства для разделения на фракции (отстойники, центрифуги, сепараторы и т.п.). Тепловую энергию, образующуюся в процессе работы аппарата вихревого слоя, используют для подогрева метантенка.
[23]Пример конкретного выполнения способа анаэробной переработки жидких органических отходов с предварительной обработкой озоном в аппарате вихревого слоя.
[24]Из жидких органических отходов извлекают крупные включения и с помощью насоса подают в аппарат вихревого слоя для предварительной обработки, при этом в рабочую камеру аппарата подают озонсодержащий воздух, получаемый в озонаторе, концентрация озона 70 мг/л, расход воздуха 20 л/мин. Время пребывания субстрата в рабочей камере аппарата составляет 30 сек, частоту вращения магнитного поля устанавливают 50 Гц. Затем обработанный субстрат направляют в метантенк для анаэробной переработки в термофильных условиях. Сброженную массу из метантенка направляют в отстойник для разделения на фракции. При работе аппарата вихревого слоя выделяется значительное количество теплоты, которая передается теплоносителю, циркулирующему по контуру «теплообменник индуктора аппарата вихревого слоя - теплообменник метантенка». Выделяющийся биогаз из метантенка используют для получения тепловой и электрической энергии. Теплоноситель, охлаждающий индуктор аппарата вихревого слоя с температурой 60°C направляют в теплообменник метантенка для поддержания температурного термофильного режима.
