RU2473473C2

RU2473473C2 - Apparatus for processing fermented organic substrates

Info

Publication number: RU2473473C2
Application number: RU2011111134/05A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Ковалев; Евгений Николаевич Камайданов; Андрей Александрович Ковалев
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2013-01-27
Also published as: RU2011111134A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to processing of organic substrates, e.g. liquid manure, sediments and silts of effluents biological treatment plants. Proposed apparatus consists of vertical housing with branch pipes to discharge gas products and used fermented substrate that accommodate film degassing evaporator with branch pipe to feed fermented substrate at bottom section. Not here that gas product discharge branch pipe is communicated via gas line with vacuum pump. Apparatus incorporates, additionally, compressor with pressure stage connected to compressed air control valve arranged at bottom. Housing bottom section is composed of double-deck settler with its settling section furnished with heat exchange register. Wall of film degassing evaporator is hollow and connected jointly with heat exchange register to heat pump circuit.

EFFECT: higher efficiency, yield of commercial biogas increased to 60-75%, stable and decontaminated product.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для обработки органических субстратов, таких как: бесподстилочный навоз, осадки и илы сооружений для механо-биологической очистки хозяйственных и некоторых видов производственных сточных вод после проведения анаэробной ферментации в анаэробных биореакторах-метантенках с целью получения стабилизированного и обеззараженного продукта - эффлюента, а также биогаза с содержанием горючего газа - метана - до 60-75%.The present invention relates to devices for the processing of organic substrates, such as: bedding manure, sediment and sludge of structures for mechano-biological treatment of domestic and some types of industrial wastewater after anaerobic fermentation in anaerobic digesters to obtain a stabilized and disinfected product - effluent as well as biogas with a content of combustible gas - methane - up to 60-75%.

Более конкретно, предлагаемое изобретение является разновидностью сооружений для уплотнения и дегазации эффлюента перед его дальнейшей обработкой (например, более глубоким механическим обезвоживанием на центрифугах, прессах и фильтрах, или сушилкой) или депонированием на иловых площадках.More specifically, the present invention is a type of structures for densification and degassing of the effluent before further processing (for example, a deeper mechanical dehydration in centrifuges, presses and filters, or a dryer) or deposition on silt sites.

Снижение относительной влажности удаляемого из сооружений осадка, а также концентрации взвешенных веществ в надосадочной жидкости позволяет сократить приведенные затраты на последующих стадиях обработки осадка, снизить затраты энергии на обработку надосадочной жидкости в сооружениях биологической очистки.Reducing the relative humidity of the sludge removed from the structures, as well as the concentration of suspended solids in the supernatant, can reduce the costs involved in the subsequent stages of sludge treatment, and reduce the energy costs for processing the supernatant in biological treatment plants.

Известны устройства такого назначения. Наиболее известными широко применяющимися на практике являются сооружения н основе отстойника-уплотнителя и камеры смешивания ферментированного осадка с очищенной сточной водой, которая выполняет функции промывной жидкости. Промывка позволяет удалить из эффлюента значительную часть мелкодисперсных и коллоидных частиц, снизить его щелочность, что на последующей стадии осаждения и уплотнения обеспечивает снижение влажности с 96,8 до 94,5-96% (Туровский И.С. «Обработка осадкой сточных вод», Москва, Стройиздат, 1988, с.43-45, 239).Known devices for this purpose. The most well-known widely used in practice are structures on the basis of a settling tank-compactor and a chamber for mixing the fermented sludge with treated wastewater, which serves as a washing liquid. Rinsing allows you to remove a significant portion of finely dispersed and colloidal particles from the effluent, to reduce its alkalinity, which in the subsequent stage of sedimentation and compaction ensures a decrease in humidity from 96.8 to 94.5-96% (I. Turovsky, “Treatment of sewage sludge”, Moscow, Stroyizdat, 1988, p. 43-45, 239).

Основными недостатками таких сооружений являются значительный объем отстойника-уплотнителя, что обуславливается продолжительностью обработки, до 10-12 часов), и высокая концентрация взвешенных веществ в сливной жидкости (2-4 г/л), что приводит к необходимости применять специальные устройства для ее очистки перед подачей на сооружения биологической очистки.The main disadvantages of such structures are a significant amount of sedimentation tank, which is caused by the processing time, up to 10-12 hours), and a high concentration of suspended solids in the drain fluid (2-4 g / l), which leads to the need to use special devices for cleaning it before serving biological treatment facilities.

Частично указанные недостатки устранены в устройстве, представляющем собой вторичный отстойник и выполняющем функции уплотнителя и накопителя эффлюента (Экологическая биотехнология», под ред. Форстера К.Ф. и Вейза Д.А., Ленинград, Химия, 1990, с.63, 64). Необходимая степень уплотнения эффлюента достигается за счет низкой удельной нагрузки на объем сооружения. В то же время, достичь необходимого качества сливной воды, а также снизить габариты сооружения невозможно из-за остаточного газовыделения в уплотняемой массе. Известны следующие методы снижения метаболической активности анаэробных микроорганизмов в осадочной части: флотация, вакуумирование, охлаждение, продувка воздухом. Наибольший эффект по снижению остаточного газовыделения и, следовательно, повышению объемной нагрузки на сооружения дают охлаждение биомассы (температурный шок), отдувка воздухом и вакуумирование надосадочного пространства сооружения (там же, стр.70-71).Partially indicated disadvantages are eliminated in the device, which is a secondary sedimentation tank and acts as a compactor and accumulator of effluent (Ecological biotechnology ", edited by Forster KF and Vase DA, Leningrad, Chemistry, 1990, p.63, 64) . The necessary degree of compaction of the effluent is achieved due to the low specific load on the volume of the structure. At the same time, it is impossible to achieve the required quality of drain water, as well as to reduce the dimensions of the structure due to the residual gas evolution in the compacted mass. The following methods are known to reduce the metabolic activity of anaerobic microorganisms in the sedimentary part: flotation, evacuation, cooling, and air purging. The greatest effect on reducing residual gas evolution and, consequently, increasing the volumetric load on the structures is provided by cooling of biomass (temperature shock), air blowing and evacuation of the supernatant space of the structure (ibid., Pp. 70-71).

Основными недостатками данных технических решений являются потери ценного в агротехническом отношении аммонийного азота в процессе продувки воздухом и вакуумирования, низкие коэффициенты массопередачи между воздухом и аэрируемой средой в больших объемах, значительные затраты энергии на создание искусственного холода.The main disadvantages of these technical solutions are the loss of agronomically valuable ammonia nitrogen during air purging and evacuation, low mass transfer coefficients between the air and the aerated medium in large volumes, significant energy costs for creating artificial cold.

В значительной степени данные недостатки устранены в пленочном аппарате, в котором интенсификация процессов дегазации и охлаждения ферментированного субстрата осуществляется посредством организации пленочного гравитационного течения эффлюента по вертикальной стенке в условиях вакуумирования. При этом обеспечиваются максимальный контакт анаэробной микрофлоры с ингибирующим процесс газогенерации агентом-воздухом, а также охлаждение биомассы за счет испарения части влаги с поверхности стекающей пленки (Nähle С «The contact process for the anaerobic treatment of wastewater technology, design and experiences», Water science and technology, V.24, №8, 1991).To a large extent, these shortcomings were eliminated in a film apparatus in which the degassing and cooling of a fermented substrate are intensified by organizing a film of gravitational effluent flow along a vertical wall under vacuum conditions. This ensures maximum contact of the anaerobic microflora with the gas-inhibiting agent-air, as well as cooling of the biomass by evaporation of part of the moisture from the surface of the falling film (Nähle C “The contact process for the anaerobic treatment of wastewater technology, design and experiences”, Water science and technology, V.24, No. 8, 1991).

Основным недостатком данного технического решения является незначительная степень охлаждения биомассы в сравнении с машинными методами охлаждения, потери тепловой энергии с удаляемым эффлюентом и потери аммонийного азота.The main disadvantage of this technical solution is the insignificant degree of cooling of biomass in comparison with machine cooling methods, the loss of thermal energy with a removable effluent, and the loss of ammonia nitrogen.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа.The task of the invention is to remedy these disadvantages of the prototype.

В результате использования предлагаемого изобретения достигается более глубокое охлаждение эффлюента и, тем самым, практически полное прекращение газовыделения. Отводимая при этом тепловая энергия после термодинамической трансформации используется для нагрева исходного субстрата, что позволяет увеличить долю товарного биогаза. Основная часть содержащегося в эффлюенте аммонийного азота (до 60%) рекуперируется для последующего агротехнического использования. Степень уплотнения эффлюента дополнительно увеличивается за счет полного подавления остаточного газовыделения в зоне отстаивания.As a result of using the present invention, a deeper cooling of the effluent is achieved and, thereby, almost complete cessation of gas evolution. The thermal energy removed in this case after thermodynamic transformation is used to heat the initial substrate, which allows to increase the share of commercial biogas. The main part of ammonium nitrogen contained in the effluent (up to 60%) is recovered for subsequent agricultural use. The degree of compaction of the effluent is further increased due to the complete suppression of residual gas in the settling zone.

Данный технический результат достигается тем, что аппарат для обработки ферментированных органических субстратов состоит из вертикального корпуса с патрубками для отвода газообразных продуктов и обработанного ферментированного субстрата. Внутри корпуса размещен коаксиально корпусу пленочный испаритель-дегазатор с полой стенкой. Патрубок для подвода эффлюента находится в донной части. Патрубок для отвода газообразных продуктов связан с вакуумным насосом. Дополнительно предусмотрен компрессор, нагнетательная часть которого подключена к распределителю для подвода сжатого воздуха в донной части. Нижняя часть корпуса выполнена в виде двухъярусного отстойника, осадочная часть которого снабжена охлаждающим теплообменным регистром-испарителем теплового насоса. Конденсатор теплового насоса размещен в баке-аккумуляторе, который посредством циркуляционного контура связан с теплообменным аппаратом-нагревателем исходного субстрата.This technical result is achieved in that the apparatus for processing fermented organic substrates consists of a vertical casing with nozzles for the removal of gaseous products and the processed fermented substrate. Inside the housing is placed coaxial to the housing of the film evaporator-degasser with a hollow wall. The pipe for the supply of effluent is located in the bottom. A pipe for the removal of gaseous products is connected to a vacuum pump. Additionally, a compressor is provided, the discharge part of which is connected to a distributor for supplying compressed air to the bottom. The lower part of the casing is made in the form of a two-tier sedimentation tank, the sedimentary part of which is equipped with a cooling heat exchange register-evaporator of the heat pump. The condenser of the heat pump is located in the storage tank, which is connected through a circulation circuit to the heat exchanger-heater of the original substrate.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена конструктивная схема устройства.The essence of the invention is illustrated by figure 1, which presents a structural diagram of the device.

Устройство состоит из вертикального герметичного корпуса 1, внутри которого размещен вертикальный пленочный испаритель-дегазатор 2.The device consists of a vertical sealed enclosure 1, inside of which is placed a vertical film evaporator-degasser 2.

В верхней части корпуса 1 предусмотрен патрубок 3 для отвода газообразных продуктов, связанный газопроводом 4 с вакуум-насосом 5. Корпус 1 снабжен теплоизоляцией 6. В верхней части пленочного испарителя-дегазатора 2 размещено распределительное устройство 7, предназначенное для формирования пленки обрабатываемого субстрата. Конструктивно пленочный испаритель-дегазатор 2 представляет собой тонкостенную трубу с полой стенкой 8, внутрь которой может подаваться теплоноситель или хладоноситель. С этой целью предусматриваются патрубки 9 и 10. Нагнетательная часть вакуум-насоса 5 подключена к поглотителю паров аммиака 11 известного типа. Поглощающее аммиак вещество может быть жидким или твердым, с пористой структурой (например, сухой ферментированный субстрат).In the upper part of the housing 1, a pipe 3 is provided for the removal of gaseous products, connected by a gas pipe 4 to a vacuum pump 5. The housing 1 is provided with insulation 6. In the upper part of the film evaporator-degasser 2 there is a switchgear 7 designed to form a film of the processed substrate. Structurally, the film evaporator-degasser 2 is a thin-walled pipe with a hollow wall 8, into which a coolant or coolant can be supplied. To this end, nozzles 9 and 10 are provided. The discharge part of the vacuum pump 5 is connected to an ammonia vapor absorber 11 of a known type. The ammonia-absorbing substance may be liquid or solid, with a porous structure (for example, a dry fermented substrate).

В нижней части корпуса 1 размещается двухъярусный отстойник 12, состоящий из цилиндро-конического днища 13, лотков 14 и 15 с разрезными днищами 16 и 17 и газоотводящими каналами 18 и 19. Патрубок 20 предназначен для отведения уплотненного осадка (ферментированного субстрата), патрубок 21 - для осветленной надосадочной жидкости. Теплообменный регистр-испаритель 22 теплового насоса 23 размещен по крайней мере частично в осадочной части 24 двухъярусного отстойника 12. Тепловой насос 23 снабжен конденсатором 25, который размещен в баке-аккумуляторе 26. Теплообменный регистр-испаритель 22, полая стенка 8 конденсатора 25 связаны с компрессором 27 теплового насоса 23 посредством многоходового распределителя потоков 28 с возможностью их реверсирования. Бак-аккумулятор 26 посредством циркуляционного контура 29 связан с теплообменным аппаратом-нагревателем исходного субстрата 30. В донной части 31 внутренней полости пленочного испарителя-дегазатора 2 предусмотрен патрубок 32 для подвода эффлюента, а также распределитель 33, подключенный к нагнетательной части компрессора 34.In the lower part of the housing 1 there is a two-tier sump 12, consisting of a cylindrical-conical bottom 13, trays 14 and 15 with split bottoms 16 and 17 and gas outlet channels 18 and 19. The pipe 20 is designed to discharge the compacted sediment (fermented substrate), the pipe 21 - for clarified supernatant. The heat transfer register-evaporator 22 of the heat pump 23 is located at least partially in the sedimentary part 24 of the two-stage sump 12. The heat pump 23 is equipped with a condenser 25, which is located in the storage tank 26. The heat transfer register-evaporator 22, the hollow wall 8 of the condenser 25 are connected to the compressor 27 of the heat pump 23 by means of a multi-way flow distributor 28 with the possibility of reversing them. The storage tank 26 is connected through a circulation circuit 29 to a heat exchanger-heater of the initial substrate 30. In the bottom part 31 of the inner cavity of the film evaporator-degasser 2 there is a pipe 32 for supplying the effluent, as well as a distributor 33 connected to the discharge part of the compressor 34.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Исходный субстрат (эффлюент из метантенков) через патрубок 32 вводится в донную часть пленочного испарителя-дегазатора 2. При движении потока вверх он подвергается нескольким видам физических и физико-химических воздействий: во-первых, аэрации воздухом, подаваемым через распределитель 33 от компрессора 34; во-вторых, охлаждению, которое осуществляется путем теплопередачи от нагретого потока (начальная температура эффлюента 30-50°С) охлаждающему агенту, который подается в полую стенку 7 пленочного испарителя-дегазатора 2 через патрубки 9 и 10. В качестве охлаждающего агента используется низкокипящий хладон, являющийся рабочим телом теплового насоса 23. В процессе обработки потока эффлюента воздухом происходит удаление из него диоксида углерода и метана, что существенно улучшает седиментационные свойства эффлюента. Дополнительно происходит повышение значения рН свыше значений, благоприятных для метаногенеза (рН<8). Повышение рН свыше 8 создает также благоприятные условия для перехода значительной части азота из аммонийной (растворенной) в аммиачную (газообразную) форму. По достижении верхней части пленочного испарителя-дегазатора 2 посредством распределительного устройства 7 происходит формирование пленки эффлюента на поверхности пленочного испарителя-дегазатора 7. По мере стекания пленки происходят следующие процессы, существенно меняющие седиментационные характеристики эффлюента и его газонасыщенность: во-первых, происходит дальнейшее удаление метана и диоксида углерода; во-вторых, удаляется неусвоенный массой эффлюента воздух; в-третьих, происходит удаление паров аммиака; в-четвертых, происходит дальнейшее охлаждение эффлюента; в-пятых, в пленке начинаются процессы аэробного окисления, не разрушенного в метантенке органического вещества.The initial substrate (effluent from digesters) through the pipe 32 is introduced into the bottom of the film evaporator-degasser 2. When the flow moves upward, it is subjected to several types of physical and physico-chemical effects: firstly, aeration with air supplied through the distributor 33 from the compressor 34; secondly, cooling, which is carried out by heat transfer from the heated stream (the initial effluent temperature is 30-50 ° С) to the cooling agent, which is supplied to the hollow wall 7 of the film evaporator-degasser 2 through pipes 9 and 10. A low-boiling refrigerant is used as the cooling agent , which is the working fluid of the heat pump 23. In the process of processing the effluent stream with air, carbon dioxide and methane are removed from it, which significantly improves the sedimentation properties of the effluent. Additionally, there is an increase in the pH value above the values favorable for methanogenesis (pH <8). Raising the pH above 8 also creates favorable conditions for the transition of a significant part of nitrogen from ammonium (dissolved) to ammonia (gaseous) form. Upon reaching the upper part of the film evaporator-degasser 2 by means of a distributor 7, an effluent film is formed on the surface of the film evaporator-degasser 7. As the film drains, the following processes occur that significantly change the sedimentation characteristics of the effluent and its gas saturation: first, methane is further removed and carbon dioxide; secondly, air that is not mastered by the effluent mass is removed; thirdly, the removal of ammonia vapor; fourthly, further cooling of the effluent; fifthly, the processes of aerobic oxidation that are not destroyed in the digester of organic matter begin in the film.

Охлаждение эффлюента происходит благодаря отводу теплоты к кипящему внутри полой стенки 8 хладону, который через распределитель потоков 28 подводится и отводится в контур теплового насоса 23. Выделяющиеся в процессе обработки эффлюента газы и пары удаляются из корпуса 1 через патрубок 3 и газопровод 4 вакуум-насосом 5 в поглотитель паров аммиака 11 и далее в атмосферу.The effluent is cooled due to the removal of heat to the freon boiling inside the hollow wall 8, which is supplied through the flow distributor 28 to the circuit of the heat pump 23. The gases and vapors released during the processing of the effluent are removed from the housing 1 through the pipe 3 and the gas pipeline 4 by a vacuum pump 5 in an absorber of ammonia vapors 11 and further into the atmosphere.

Охлажденный и дегазированный эффлюент поступает в лотки 14 и 15, в которых происходит процесс разделения на жидкую и сгущенную фракции. Жидкая фракция отводится на дальнейшую обработку через патрубок 21. Сгущенная фракция через разрезные днища 16 и 17 поступает в осадочную часть 24 днища устройства 13 для последующего уплотнения. Так как метаногенные анаэробные микроорганизмы после аэрации, температурного шока и повышения рН практически полностью прекращают свою метаболическую деятельность, эффекта биофлотации, сопряженного с выносом частиц в жидкую фазу, не происходит.The cooled and degassed effluent enters the trays 14 and 15, in which there is a process of separation into liquid and condensed fractions. The liquid fraction is discharged for further processing through the pipe 21. The thickened fraction through the split bottoms 16 and 17 enters the sedimentary part 24 of the bottom of the device 13 for subsequent compaction. Since methanogenic anaerobic microorganisms after aeration, temperature shock and pH increase almost completely stop their metabolic activity, the effect of bioflotation associated with the removal of particles into the liquid phase does not occur.

Таким образом, концентрация твердого вещества в осадке увеличивается не менее чем в два раза, концентрация твердого вещества в жидкой фазе соответственно снижается. Нагрузка на всю осадительно-уплотнительную систему увеличивается, что приводит к снижению объема устройства в целом. Другим положительным эффектом является реконструкция аммонийного азота, обладающего значительной агротехнической ценностью.Thus, the concentration of solids in the sediment increases at least twice, the concentration of solids in the liquid phase decreases accordingly. The load on the entire sedimentation-sealing system increases, which leads to a decrease in the volume of the device as a whole. Another positive effect is the reconstruction of ammonia nitrogen, which has significant agricultural value.

Остаточное газовыделение подавляется посредством охлаждения сгущенной фракции, которое реализуется за счет размещения теплообменного регистра-испарителя 22 теплового насоса 23, размещенного в осадочной части 24 устройства. Тепловая энергия, отводимая при кипении хладона в теплообменном регистре-испарителе 22 и полой стенке 8, трансформируется тепловым насосом 23 в высокопотенциальную энергию, используемую для получения теплоносителя - горячей воды в баке аккумулятора 26 с размещенным в нем конденсатором 25 теплового насоса 23. Теплоноситель циркулирует в контуре 29 и используется для нагревания исходного субстрата в теплообменном аппарате 30.The residual gas evolution is suppressed by cooling the condensed fraction, which is realized by placing the heat exchange register-evaporator 22 of the heat pump 23, located in the sedimentary part 24 of the device. The heat energy removed during the boiling of the refrigerant in the heat transfer register-evaporator 22 and the hollow wall 8 is transformed by the heat pump 23 into the high potential energy used to produce the heat carrier - hot water in the battery tank 26 with the condenser 25 of the heat pump 23 located in it. The heat carrier circulates in circuit 29 and is used to heat the starting substrate in a heat exchanger 30.

Уплотненный осадок с влажностью не более 95% через патрубок 20 поступает на дальнейшую обработку (сушку, приготовление удобрительных смесей, депонирование и т.п.).The compacted sediment with a moisture content of not more than 95% through the pipe 20 enters for further processing (drying, preparation of fertilizer mixtures, deposition, etc.).

Claims

1. Apparatus for processing fermented organic substrates, consisting of a vertical body with nozzles for the removal of gaseous products and a treated fermented substrate, inside of which a film evaporator-degasser with a pipe for supplying the fermented substrate in the bottom part is placed coaxially to the body, and a pipe for removing gaseous products by the gas pipeline is connected to a vacuum pump, characterized in that the apparatus is additionally equipped with a compressor, the discharge part of which It is connected to a compressed air distributor located in the bottom part, the lower part of the casing is made in the form of a two-tier sedimentation tank, the sedimentary part of which is equipped with a heat exchange register, the wall of the film evaporator-degasser is hollow and, together with the heat exchange register, is connected to the heat pump circuit.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that a switchgear is located in the upper part of the film evaporator-degasser, and the heat pump condenser is located in the storage tank, which is connected through a circulation circuit to the heat exchanger-heater of the original substrate.