RU2084513C1

RU2084513C1 - Biomethane installation

Info

Publication number: RU2084513C1
Application number: RU9595100861A
Authority: RU
Inventors: Виктор Игнатьевич Тумченок
Original assignee: Виктор Игнатьевич Тумченок
Priority date: 1995-01-19
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 1997-07-20
Also published as: RU95100861A

Abstract

FIELD: waste disposal. SUBSTANCE: invention relates to producing methane, biological fertilizers, protein-vitamin feed additives when anaerobically processing carbon- nitrogen-containing wastes and sewage originated from enterprises of agricultural, food, and other industries. Biomethane installation contains waste and sewage collector, mixer, propagator with chambers for acidic, neutral, alkaline, and methane fermentation, and concentration column made in the form of vertical casing separated with perforated partitions into sections communicating with each other through immobilization charge placed on perforated partitions. According to invention, the column has tangential pipes for introducing methane through fan from propagator to each column section, whereas the lower one communicates with centrifugal settler of fermentation residue, which is connected through a branch pipe with residue collector. In the upper part of centrifugal settler, there is a cavity for clarified water connected through branch pipe with microfilter for separation of methanobacteria biomass, after which disintegrator is mounted connected with upper section of concentration column. Disintegrator is also connected with collector for extra disintegrated material. EFFECT: improved structure of installation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике переработки углерод-азотсодержащих отходов и стоков предприятий агропромышленного комплекса, пищевой, мясомолочной, рыбоконсервной промышленности и может быть использовано для выработки метана, биоудобрений и белково-витаминных добавок в корм скоту и птице. The invention relates to techniques for processing carbon-nitrogen-containing wastes and effluents from agricultural enterprises, food, meat and dairy, canning industry and can be used to produce methane, biofertilizers and protein-vitamin supplements in livestock and poultry feed.

Известна биометановая установка, содержащая сборники отходов и стоков, сообщенные со смесителем и биокультиватором с камерами кислого, щелочного и метанового брожения (патент США N 4022665, кл. C 12 M 1/07, 1977), в которой продолжительное время сбраживания, что снижает эффективность работы установки. A known biomethane installation containing waste and effluent collectors communicated with a mixer and bio-cultivator with acid, alkaline and methane fermentation chambers (US patent N 4022665, class C 12 M 1/07, 1977), in which a long fermentation time, which reduces the efficiency installation work.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является установка (Ru, патент N 2017810 кл. C 12 M 1/107, 1994), содержащая сборник отходов со смесителем, биокультиватор с камерами кислого и щелочного брожения и перемешивающим устройством и сообщенная с биокультиватором колонна обогащения, выполненная в виде вертикального корпуса с перфорированными перегородками, образующими секции, размещенной на перегородках каждой секции иммобилизационной засыпкой и с системой подачи послеброжевого остатка сверху вниз и биометана снизу вверх. The closest to the invention in technical essence and the achieved result is the installation (Ru, patent N 2017810 class C 12 M 1/107, 1994), containing a waste collector with a mixer, a bio-cultivator with acid and alkaline fermentation chambers and a mixing device and communicated with a bio-cultivator enrichment column, made in the form of a vertical body with perforated partitions forming a section placed on the partitions of each section with an immobilization backfill and with a post-ferment residue supply system from top to bottom and biome tana from bottom to top.

В известной установке затруднено отделение послеброжевого остатка от осветленной воды, что снижает эффективность работы установки. In the known installation, it is difficult to separate the post-ferment residue from clarified water, which reduces the efficiency of the installation.

Задача изобретения повышение эффективности работы установки. The objective of the invention is to increase the efficiency of the installation.

Это достигается тем, что колонна обогащения имеет в каждой секции тангенциальные патрубки для ввода метана, сообщенные с помощью вентилятора с биокультиватором, и размещенный под нижней секцией центробежный осадитель послеброжевого остатка с патрубком для его отвода и расположенной в верхней части центробежного осадителя полостью для осветленной воды, сообщенной с патрубком с микрофильтром для отделения биомассы метанобактерий, и установленный за ним дезинтегратор, соединенный с верхней секцией колонны обогащения и со сборником для избытка дезинтеграта, причем сборник отходов и стоков сообщен со смесителем с помощью дезинтегратора. This is achieved by the fact that the enrichment column has in each section tangential nozzles for methane injection communicated by means of a fan with a bio-cultivator, and a centrifugal precipitator of the post-ferment residue with a nozzle for its removal and a cavity for clarified water located in the upper part of the centrifugal precipitator located under the lower section, connected with a nozzle with a microfilter for separating biomass of methanobacteria, and a disintegrator installed behind it, connected to the upper section of the enrichment column and with a collector for excess disintegrate, and the collection of waste and effluent communicated with the mixer using a disintegrator.

Тангенциальный ввод метана под перфорированную перегородку каждой секции обеспечивает интенсивное перемешивание стекающего с предыдущей секции послеброжевого остатка в последующую, при котором метаногены осуществляют разложение воды на водород и кислород, причем водород восстанавливает диоксид углерода до метана, а кислород окисляет примеси, в том числе сероводород. Центробежный осадитель обеспечивает механическое отделение взвесей из послеброжевого остатка перед поступлением в микрофильтр. Содержащаяся в воде послеброжевого остатка биомасса содержит значительно меньше минерализованных взвесей, что повышает качество дизентегратора и снижает балластную составляющую при его поступлении в верхнюю секцию колонны обогащения и качество белково-витаминной добавки в сборнике избыточного дезинтегратора. The tangential introduction of methane under the perforated baffle of each section provides intensive mixing of the post-ferment residue that flows from the previous section into the next, in which methanogens decompose water into hydrogen and oxygen, and hydrogen reduces carbon dioxide to methane, and oxygen oxidizes impurities, including hydrogen sulfide. A centrifugal precipitator provides mechanical separation of suspensions from the post-ferment residue before entering the microfilter. The biomass contained in the water after the fermentation residue contains significantly less mineralized suspensions, which increases the quality of the disintegrator and reduces the ballast component when it enters the upper section of the enrichment column and the quality of the protein-vitamin supplement in the excess disintegrator collector.

На чертеже схематически представлена биометановая установка. The drawing schematically shows a biomethane installation.

Установка содержит сборники 1 и 2, сообщенные диспергатором 3 со смесителем 4 и биокультиватором 5 с камерами 6 кислого, 7 щелочного, 8 и 9 метанового брожения, причем биокультиватор 5 снабжен иммобилизационной засыпкой 10 и перемешивающим устройством 11 по биометану и послеброжевому остатку, биокультиватор 5 сообщен с колонной обогащения 12 в виде вертикального корпуса с перфорированными перегородками 13, образующими секции 14, сообщенные одна с другой через иммобилизационную засыпку 15, размещенную на перфорированных перегородках 13, и с системой подачи сверху вниз послеброжевого остатка, а снизу вверх биометана. Колонна обогащения 12 выполнена с тангенциальными патрубками 16 ввода метана через вентилятор 17 из биокультиватора 5 в каждую секцию 14, нижняя секция 14 сообщена с центробежным осадителем 18 послеброжевого остатка, сообщенным патрубком 19 с его сборником 20, а в верхней части центробежного осадителя 18 выполнена полость 21 для осветленного послеброжевого остатка, сообщенная патрубком 22 с микрофильтром 23 для отделения биомассы метанобактерий, сообщенным по биомассе с дезинтегратором 24 и по дезинтегратору с верхней секцией 14 колонны обогащения 12, а по избыточному дезинтеграту с его сборником 25. Биокультиватор 5 сообщен патрубком 26 со сборником грубого послеброжевого остатка 27. The installation contains collectors 1 and 2, communicated by dispersant 3 with a mixer 4 and biocultivator 5 with chambers 6 of acidic, 7 alkaline, 8 and 9 methane fermentation, and biocultivator 5 is equipped with immobilization backfill 10 and a mixing device 11 for biomethane and post-fermentation residue, biocultivator 5 communicated with enrichment column 12 in the form of a vertical body with perforated partitions 13 forming sections 14 communicated with one another through an immobilization backfill 15 placed on perforated partitions 13, and with the system feed from top to bottom after the fermentation residue, and from bottom to top biomethane. The enrichment column 12 is made with tangential nozzles 16 for methane inlet through a fan 17 from the bio-cultivator 5 to each section 14, the lower section 14 is in communication with the centrifugal precipitator 18 of the post-ferment residue, communicated by the pipe 19 with its collector 20, and a cavity 21 is made in the upper part of the centrifugal precipitator 18 for the clarified post-ferment residue, communicated by a pipe 22 with a microfilter 23 for separating the biomass of methanobacteria, communicated through the biomass with a disintegrator 24 and a disintegrator with the upper section 14 of the enrichment column 12 , and the excess disintegrate with its collection 25. The bioculture 5 is communicated by a pipe 26 with a collection of rough post-ferment residue 27.

Биометановая установка работает следующим образом. Biomethane installation works as follows.

Из сборника 1 в смеситель 4 поступает углерод-азотсодержащий отход, например барда пивоваренного производства, и в смесителе 4 готовят субстрат с соотношением углерода к азоту в пределах 20 1 и концентрацией порядка 3 - 5% при многократной циркуляции субстрата взвеси измельчают до размеров частиц, сопоставимых с размерами кислотогенов, ацетогидрогенов и метангенов в камерах 6, 7, 8 и 9 биокультиватора 5, в котором происходит сбраживание устройством 11 в присутствии иммобилизационной засыпки 10, например керамзита, модифицированного цеолита, вспученного перлита и т.д. Избыток субстрата из биокультиватора 5 поступает в смеситель 4, в котором многократной циркуляцией через диспергатор 3 температура сбраживания поддерживается в пределах 30 40^oC, при этом колебания температуры не превышают одного градуса в сутки. Послеброжевой остаток из биокультиватора 5 по патрубку 26 отводится в сборник 27 грубого остатка. Субстрат из биокультиватора 5 поступает в верхнюю часть секцию 14 колонны обогащения 12, а биометан вентилятором 17 через тангенциальные патрубки 16 вдувают под перфорированные перегородки 13. За счет иммобилизационной засыпки 15, являющейся поверхностью прилипания для метанобактерий, последние адаптируются к изменению биогенного состава субстрата по высоте колонны 12. При перемешивании биометана, нагнетаемого вентилятором 17 через тангенциальные патрубки 16, в жидкостно-газовой смеси, образующейся под перфорированными перегородками 13, и при барботаже через слой иммобилизационной засыпки 15 метанобактерии восстанавливают диоксид углерода до метана, причем для восполнения недостатка водорода они своими ферментами разлагают воду на водород и кислород, причем последний окисляет сероводород до элементарной серы, являющейся микроэлементом питания для метаногенов. Количество секций 14, а соответственно высота колонны обогащения 12, принимается из условий доведения концентрации метана в биометане с 65 75% до 95 98% что по калорийности соответствует бензину. Пополнение истирающейся в процессе эксплуатации засыпки 15 осуществляют через тангенциальные патрубки 16 при профилактических остановах установки. Для достижения степени обогащения 95 98% возможна последовательная установка колонн 12. В нижней секции 14 стекающий вниз из предыдущей секции субстрат закручивается вводимым через тангенциальный патрубок 16 биометаном, и послеброжевой остаток отбрасывается к стенке центробежного осадителя 18 и сползает вниз и отводится по патрубку 19 в сборник 20. Осветленный субстрат из полости 21 отводится в микрофильтр 23, на нежесткой фильтровальной перегородке которого, выполненной из электропроводного материала, например, армированного углеродсодержащими волокнами, прочность на разрыв которых превышает прочность на разрыв стали, при этом фильтровальная перегородка находится под напряжением электрического тока, электронейтральные молекулы воды проходят, диполи которых имеют невысокую жесткость, а метанобактерии задерживаются при взаимодействии их отрицательного заряда с электрическим полем фильтровальной перегородки, причем жесткость бактерии на несколько порядков выше жесткости диполей бактерий, что обеспечивает высокую степень очистки воды субстрата от метанобактерий. Воду после микрофильтра 23 возвращают в смеситель 4 для разбавления при приготовлении субстрата, что одновременно сокращает тепловые потери в установке. Биомасса метанобактерий из микрофильтра 25 поступает в дезинтегратор 24, в котором под воздействием гидродинамических, кавитационных, тепловых и истирающих факторов происходит разрушение оболочек с освобождением физиологически активных веществ, в первую очередь ферментов, которые при поступлении дезинтеграта в верхнюю секцию 14 колонны обогащения 12 и при перемещении вместе с субстратом сверху вниз обеспечивают ферментолиз - разложение воды на водород и кислород, в результате чего достигается выход биометана до 1,3-1,5 кг на 1 кг беззольной органики субстрата. Избыточный дезинтеграт из дизентегратора 24 поступает в сборник 25 и используется в качестве белково-витаминной добавки в корм скоту и птице. При его расходе порядка 1 г на кг живого веса животных и птицы расход обычных кормов сокращается на 20 80% одновременно на 30 40% повышаются яйценоскость, надои молока, привесы мяса, сокращается падеж молодняка, улучшаются генетические данные родительского стада. Использование биометана в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания повышает межремонтный ресурс в 2 раза, на 15% сокращается расход смазочных материалов, снижается токсичность выхлопа. Биоудобрение из биометановой установки замещает 2 3 т комплексного минерального и существенно повышает урожайность в сравнении с минеральным. Улучшается биологическая обстановка вокруг хозяйств агропромышленного комплекса (АПК) и других предприятий.From the collection 1, carbon-nitrogen-containing waste, for example distillery distillery, is passed to mixer 4, and in mixer 4, a substrate is prepared with a carbon to nitrogen ratio of 20 1 and a concentration of about 3 - 5% with repeated circulation of the substrate, the suspension is crushed to particle sizes comparable with the sizes of acidogens, acetohydrogens and methangens in chambers 6, 7, 8 and 9 of the bioculture 5, in which the device 11 is fermented in the presence of immobilization backfill 10, for example expanded clay, modified zeolite, perlite, etc. The excess substrate from the biocultivator 5 enters the mixer 4, in which by repeated circulation through the dispersant 3, the fermentation temperature is maintained within 30 40 ^o C, while the temperature fluctuations do not exceed one degree per day. The post-ferment residue from the biocultivator 5 through the pipe 26 is discharged into the collection of coarse residue 27. The substrate from the bio-cultivator 5 enters the upper part of the enrichment column section 14, and the biomethane is blown by the fan 17 through the tangential nozzles 16 under the perforated partitions 13. Due to the immobilization backfill 15, which is the adhesion surface for methanobacteria, the latter adapt to the change in the nutrient composition of the substrate along the column height 12. When mixing the biomethane pumped by the fan 17 through the tangential nozzles 16, in the liquid-gas mixture formed under the perforated partitions 13, and when sparging through a layer of immobilization bed 15 of methanobacteria, they restore carbon dioxide to methane, and to make up for the lack of hydrogen, they decompose water with hydrogen and oxygen, and the latter oxidizes hydrogen sulfide to elemental sulfur, which is a micronutrient for methanogens. The number of sections 14, and accordingly the height of the enrichment column 12, is taken from the conditions for adjusting the concentration of methane in biomethane from 65 75% to 95 98%, which corresponds to gasoline by calorific value. The replenishment of the backfill 15 that is abraded during operation is carried out through the tangential nozzles 16 during preventive shutdowns of the installation. In order to achieve an enrichment level of 95 98%, columns 12 can be installed in series. In the lower section 14, the substrate flowing down from the previous section is twisted with biomethane introduced through the tangential pipe 16, and the post-ferment residue is discarded to the wall of the centrifugal precipitator 18 and slides down and is discharged through the pipe 19 into the collector 20. The clarified substrate from the cavity 21 is discharged into the microfilter 23, on the non-rigid filter wall of which is made of an electrically conductive material, for example, carbon-reinforced with fibers whose tensile strength exceeds the tensile strength of steel, while the filter baffle is under electric current, electroneutral water molecules pass, whose dipoles have low stiffness, and methanobacteria are delayed by the interaction of their negative charge with the electric field of the filter baffle, and the stiffness bacteria are several orders of magnitude higher than the stiffness of bacterial dipoles, which provides a high degree of purification of the substrate water from methanobacteria. The water after the microfilter 23 is returned to the mixer 4 for dilution in the preparation of the substrate, which simultaneously reduces the heat loss in the installation. The biomass of methanobacteria from the microfilter 25 enters the disintegrator 24, in which, under the influence of hydrodynamic, cavitation, thermal and abrasion factors, the shells are destroyed with the release of physiologically active substances, primarily enzymes, which when disintegrate enters the upper section 14 of enrichment column 12 and when moving together with the substrate, fermentolysis is provided from top to bottom - decomposition of water into hydrogen and oxygen, resulting in a yield of biomethane up to 1.3-1.5 kg per 1 kg ashless rganiki substrate. Excessive disintegrate from the disintegrator 24 enters the collection 25 and is used as a protein-vitamin supplement in livestock and poultry feed. With its consumption of about 1 g per kg of live weight of animals and poultry, the consumption of conventional feed is reduced by 20 80%, egg production, milk yield, weight gain are increased by 30 40%, the mortality rate of young animals is reduced, the genetic data of the parent herd are improved. The use of biomethane as fuel in internal combustion engines increases the overhaul life by 2 times, the consumption of lubricants is reduced by 15%, and the toxicity of the exhaust is reduced. Biofertilizer from a biomethane plant replaces 2 3 tons of complex mineral and significantly increases productivity in comparison with mineral. The biological situation around the farms of the agro-industrial complex (AIC) and other enterprises is improving.

Claims

A biomethane installation containing a collection of waste and effluent, a mixer, a bio-cultivator with acid and alkaline fermentation chambers and a mixing device, and an enrichment column connected to the bio-cultivator, made in the form of a vertical body with perforated partitions forming sections, with immobilization filling placed on the partitions of each section and with a system for feeding the post-ferment residue from top to bottom and biomethane from bottom to top, characterized in that the enrichment column has tangential patters in each section methane injection tubes communicated by means of a fan with a bio-cultivator and a centrifugal precipitator located under the lower section with a nozzle for removing the post-ferment residue and a cavity located in the upper part for the clarified post-ferment residue, the installation contains a microfilter connected to the centrifugal precipitator cavity for separating biomass methanobacteria and the disintegrator installed behind it, connected to the upper section of the enrichment column with a collector for excess disintegrate, the waste collection and drains communicated to the mixer via a disintegrator.