RU2505490C2

RU2505490C2 - Device for utilisation of organic substrates with humidity 92-99% with obtaining organic manure and electric power

Info

Publication number: RU2505490C2
Application number: RU2012113914/05A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Ковалев; Евгений Николаевич Камайданов
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2014-01-27
Also published as: RU2012113914A

Abstract

FIELD: biotechnologies.

SUBSTANCE: device includes subsequently connected to each other downstream of organic substance the first mechanical thickener, aerobic bioreactor, the inlet of which is connected to the residual part of the first mechanical thickener, anaerobic bioreactor and the second mechanical thickener. The device contains mechanical mixer for organic manure preparation. Anaerobic bioreactor is made in the form of anaerobic biofilter, the second mechanical thickener is located between the aerobic and anaerobic bioreactors. Its residual part is connected to the mechanical mixer, and above-residual parts of the first and the second mechanical thickeners are connected to the inlet of anaerobic biofilter. The device contains the first electric power generator actuated by internal-combustion engine equipped with steam-generating utilisation unit, the second electric power generator actuated by steam-piston machine, heat pump plant and heat producing unit. Note that the outlet of anaerobic bioreactor is by liquid flow connected to the main evaporator of the heat pump plant, the outlet by biogas - to the internal-combustion engine, and condenser of the heat pump plant, steam-generating utilisation unit, steam-piston machine and heat producing unit are interconnected via steam-condensing circuit with formation of closed thermo-dynamic cycle.

EFFECT: improvement of initial substrate organic substance processing efficiency together with more complete use of bio-energy potential.

4 cl, 1 dwg

Description

Устройство для утилизации органических субстратов влажностью 92-99% с получением органических удобрений и электроэнергии предназначено для решения задач рационального природопользования, автономного энергоснабжения и обеспечения плодородия сельскохозяйственных угодий.A device for the disposal of organic substrates with a moisture content of 92-99% to produce organic fertilizers and electricity is designed to solve the problems of rational environmental management, autonomous energy supply and ensuring the fertility of agricultural land.

Задачи рационального природопользования решаются посредством малоотходной технологии переработки концентрированных жидких и полужидких субстратов, загрязняющих поверхностные и грунтовые воды, в полезные продукты и энергию.The tasks of rational nature management are solved through low-waste technology for processing concentrated liquid and semi-liquid substrates that pollute surface and ground waters into useful products and energy.

Задачи автономного энергоснабжения решаются посредством использования биоэнергетического потенциала органического вещества с непосредственным получением высокопотенциальной энергии и трансформацией низкопотенциальной энергии в высокопотенциальную непосредственно на объекте - источнике органических субстратов.The tasks of autonomous energy supply are solved by using the bioenergy potential of organic matter with the direct production of high potential energy and the transformation of low potential energy into high potential directly at the facility - the source of organic substrates.

Задачи обеспечения плодородия сельскохозяйственных угодий решаются посредством переработки исходных, непригодных для непосредственного агротехнического применения, органических субстратов в обеззараженные, стабилизированные жидкие и твердые удобрения.The tasks of ensuring the fertility of agricultural land are solved by processing the original, unsuitable for direct agricultural use, organic substrates into disinfected, stabilized liquid and solid fertilizers.

Областью применения предлагаемого изобретения является сельское хозяйство в составе животноводческих и растениеводческих комплексов, жилищно-коммунальное хозяйство (городские и поселковые сооружения биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод), перерабатывающие производства.The scope of the invention is agriculture as part of livestock and crop complexes, housing and communal services (urban and urban biological treatment facilities for domestic wastewater), processing industries.

Известны устройства аналогичного назначения. В источнике «Water pollution control)), V 86, №1, 1987, в статье «Heating and cooling of sewage sludge - some recent developments)) авт. Bruce A.M. etc., представлены два основных вида устройств, предназначенных для биотехнологической переработки концентрированных органических субстратов влажностью 92-96%, таких как осадки и илы, образующиеся в процессе биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.Known devices for a similar purpose. In the source “Water pollution control)), V 86, No. 1, 1987, in the article“ Heating and cooling of sewage sludge - some recent developments)) ed. Bruce A.M. etc., there are two main types of devices designed for the biotechnological processing of concentrated organic substrates with a moisture content of 92-96%, such as sludge and sludge generated during the biological treatment of domestic wastewater.

Устройством первого вида, наиболее широко представленным в системах утилизации органических отходов процесса очистки сточных вод, является анаэробный биореактор, принцип действия которого основан на биохимической конверсии органического вещества отходов в газообразный энергоноситель - биогаз с удельной теплотой сгорания не менее 21 МДж/ м³. В процессе конверсии из 1 т органического вещества исходного субстрата образуется 8,8 ГДж запасенной в биогазе энергии, из которой не менее 30% является товарной. По мимо биогаза, на выходе из анаэробного биореактора выделяется эффлюент, содержащий остаточное количество неразложившегося органического вещества, неразлагаемое (минеральное) вещество, иловую воду и некоторое количество биогаза. Эффлюент обладает следующими положительными свойствами:The first type of device, the most widely used in organic waste disposal systems for wastewater treatment, is an anaerobic bioreactor, the principle of which is based on the biochemical conversion of the organic matter of the waste into a gaseous energy carrier - biogas with a specific heat of combustion of at least 21 MJ / m ³ . During the conversion, from 1 ton of organic matter of the initial substrate, 8.8 GJ of energy stored in biogas is generated, of which at least 30% is marketable. In addition to biogas, an effluent is released at the exit of the anaerobic bioreactor, containing the remaining amount of undecomposed organic matter, non-decomposable (mineral) substance, sludge water and some biogas. Effluent has the following positive properties:

- не содержит или содержит в малых количествах патогенную микрофлору;- does not contain or contains in small quantities pathogenic microflora;

- не разлагается при хранении и не является питательным субстратом для вредоносных насекомых и мезофауны;- does not decompose during storage and is not a nutrient substrate for harmful insects and mesofauna;

- содержит на уровне, не меньшем чем в исходном субстрате, питательные(биогенные) вещества - соединения азота, фосфора, калия.- contains at a level no less than in the initial substrate, nutrient (biogenic) substances - nitrogen, phosphorus, potassium compounds.

Недостатками являются значительные потери энергии с нагретым в биоректоре эффлюентом - до 58% от начального энергосодержания субстрата - и проблемы, связанные с остаточным газовыделением (низкая эффективность гравитационного разделения на фракции, неконтролируемая эмиссия парниковых газов в атмосферу).The disadvantages are significant energy losses with an effluent heated in the bioreactor - up to 58% of the initial energy content of the substrate - and problems associated with residual gas evolution (low efficiency of gravitational separation into fractions, uncontrolled emission of greenhouse gases into the atmosphere).

В целомGenerally

анаэробный процесс в рассматриваемом устройстве обладает двумя основными недостатками: the anaerobic process in this device has two main disadvantages:

1. Значительными (до 70%) затратами энергии на собственные нужды, в первую очередь на нагрев и перемешивание субстрата.1. Significant (up to 70%) energy costs for own needs, primarily for heating and mixing the substrate.

2. Невысокой интенсивностью процесса биоконверсии, что связанно в основном с проблемами доступа анаэробной микрофлоры к твердым частицам субстрата и отводом продуктов метаболизма.2. The low intensity of the bioconversion process, which is mainly associated with the problems of access of anaerobic microflora to solid particles of the substrate and the removal of metabolic products.

Устройством второго вида является аэробный биореактор, принцип действия которого основан на биохимической конверсии органического вещества отходов, сопровождающийся нагревом субстрата в процессе его переработки аэробными микроорганизмами. В процессе конверсии из 1 т органического вещества исходного субстрата выделяется 8,4 ГДж тепловой энергии. Образующийся в процессе переработки эффлюент является обеззараженным и стабилизированным продуктом.The second type of device is an aerobic bioreactor, the principle of which is based on the biochemical conversion of waste organic matter, accompanied by heating of the substrate during its processing by aerobic microorganisms. During the conversion process, 8.4 GJ of thermal energy is released from 1 ton of organic matter of the initial substrate. The effluent formed during processing is a disinfected and stabilized product.

Основным преимуществом переработки субстрата в аэробном биореакторе является высокая интенсивность процесса конверсии, что позволяет в несколько раз снизить объем биореактора.The main advantage of processing the substrate in an aerobic bioreactor is the high intensity of the conversion process, which allows several times to reduce the volume of the bioreactor.

Основными недостатками являются: значительные затраты энергии на перемешивание субстрата - до 1,5 ГДж на 1 т загруженного органического вещества, и необходимость подачи в биореактор кислорода воздуха в количестве 0,6 т на 1 т органического вещества.The main disadvantages are: significant energy consumption for mixing the substrate - up to 1.5 GJ per 1 ton of loaded organic matter, and the need to supply oxygen to the bioreactor in the amount of 0.6 ton per 1 ton of organic matter.

Дополнительным недостатком является низкий потенциал получаемого в процессе переработки теплоносителя - нагретого до 50-60°С эффлюента и наличие интенсивной эмиссии СО₂ в атмосферу.An additional disadvantage is the low potential obtained during the processing of the coolant - the effluent heated to 50-60 ° C and the presence of intense CO ₂ emission into the atmosphere.

В силу указанных причин, в сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве используют в основном биореакторы анаэробного типа, а аэробный процесс применяют для переработки субстратов с исходной влажность до 65% в компост.For these reasons, anaerobic type bioreactors are mainly used in agriculture and housing and communal services, and the aerobic process is used to process substrates with an initial moisture content of up to 65% into compost.

Известны технические решения данного типа. В патенте США №5593590, Кл. C02F 3/28 (МКИ 210/603) от 1997 года исходный субстрат подвергается разделению на фракции, твердая фракция влажностью 65% подвергается компостированию, жидкая фракция - переработке в анаэробном биореакторе с получением эффлюента и биогаза. Так как анаэробной переработке подвергается субстрат, органическое вещество в котором представлено в основном в мелкодисперсном и растворенном виде, интенсивность процесса переработки существенно возрастает и, соответственно, в несколько раз снижается объем биореактора. Согласно пат. США №5593590, эффлюент подвергается сгущению. Жидкая фракция направляется на физико-химическую очистку с применением флокулянтов с целью достижения уровня загрязненности, допускающего последующую очистку на типовых очистных сооружениях. Осадок направляется на вход устройства, что обеспечивает рециркуляцию анаэробной биомассы и увеличение выхода твердой фракции.Technical solutions of this type are known. In US patent No. 5593590, CL. C02F 3/28 (MKI 210/603) from 1997, the initial substrate is fractionated, the solid fraction with a moisture content of 65% is composted, the liquid fraction is processed in an anaerobic bioreactor to produce effluent and biogas. Since the substrate is subjected to anaerobic processing, the organic matter of which is mainly present in finely divided and dissolved forms, the intensity of the processing process increases significantly and, accordingly, the volume of the bioreactor decreases. According to US Pat. US No. 5593590, the effluent is thickened. The liquid fraction is sent for physico-chemical treatment using flocculants in order to achieve a level of contamination that allows subsequent treatment at typical treatment plants. The sediment is directed to the input of the device, which provides recirculation of anaerobic biomass and increase the yield of solid fraction.

Основным недостатком данного технического решения является необходимость использовать значительную часть энергии биогаза для нагрева жидкой фракции до рабочей температуры в диапазонах 33-37°С и 53-57°С для обеспечения необходимой интенсивности процесса анаэробной переработки. Другими недостатками являются невозможность повышения рН в случае утилизации кислого исходного субстрата, и недостаточная степень гидролиза исходного органического вещества, что не позволяет в полной мере реализовать его биоэнергетический потенциал в процессе анаэробной переработки в биореакторе.The main disadvantage of this technical solution is the need to use a significant part of the biogas energy to heat the liquid fraction to the operating temperature in the ranges 33-37 ° C and 53-57 ° C to ensure the necessary intensity of the anaerobic processing process. Other disadvantages are the impossibility of increasing the pH in the case of utilization of the acidic initial substrate, and the insufficient degree of hydrolysis of the starting organic matter, which does not allow to fully realize its bioenergy potential in the process of anaerobic processing in a bioreactor.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение, представленное в кн. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. «Метантенки» М:, Стройиздат, 1991 г.Closest to the proposed invention is a technical solution presented in the book. Gunter L.I., Goldfarb L.L. "Metantenki" M :, Stroyizdat, 1991

Устройство состоит из последовательно связанных по потоку органического вещества первого механического сгустителя, аэробного биореактора, анаэробного биореактора и второго механического сгустителя. Биореакторы оснащены стандартными средствами перемешивания и нагрева биомассы и утилизации биогаза.The device consists of a series of organic matter connected in series with a first mechanical thickener, an aerobic bioreactor, an anaerobic bioreactor, and a second mechanical thickener. Bioreactors are equipped with standard means of mixing and heating biomass and utilizing biogas.

Исходный субстрат влажностью 92-99% поступает в первый механический сгуститель, образующийся осадок насосом перекачивается в аэробный биореактор, в котором осуществляется его предварительная обработка с распадом органического вещества не более 10-15% и получение промежуточного субстрата с повышенным (не менее 6,5-7) значением рН и содержанием растворенного органического вещества. Далее промежуточный субстрат загружается в анаэробный биореактор с целью получения биогаза и обеззараженного стабилизированного эффлюента. Эффлюент подвергается разделению на фракции во втором механическом сгустителе. Полученный осадок может быть утилизирован в качестве органического удобрения, жидкая фракция вместе с надосадочной жидкостью из первого механического сгустителя может быть подвергнута доочистке известными способами.The initial substrate with a moisture content of 92-99% enters the first mechanical thickener, the precipitate formed is pumped into an aerobic bioreactor, in which it is pretreated with the decomposition of organic matter no more than 10-15% and an intermediate substrate with an increased (not less than 6.5- 7) the pH value and the content of dissolved organic matter. Next, the intermediate substrate is loaded into an anaerobic bioreactor in order to obtain biogas and disinfected stabilized effluent. The effluent is fractionated in a second mechanical thickener. The resulting precipitate can be disposed of as organic fertilizer, the liquid fraction together with the supernatant from the first mechanical thickener can be subjected to purification by known methods.

В сравнении с аналогом пат. США №5593590, устройство-прототип обладает следующими преимуществами:In comparison with the analogue of US Pat. US No. 5593590, the prototype device has the following advantages:

- нагрев порции исходного субстрата, загружаемого в анаэробный биореактор, осуществляется за счет использования автотермического аэробного процесса; снижение выхода биогаза (не более 10-30%) значительно меньше снижения затрат биогаза на собственные нужды анаэробного процесса;- heating a portion of the initial substrate loaded into the anaerobic bioreactor is carried out through the use of an autothermal aerobic process; a decrease in biogas yield (not more than 10-30%) is much less than a decrease in biogas costs for the auxiliary needs of the anaerobic process;

- гидролиз исходного субстрата в сочетании с повышением рН позволяет увеличить удельный выход биогаза в сочетании с увеличением стабильности процесса;- hydrolysis of the starting substrate in combination with an increase in pH allows increasing the specific biogas yield in combination with increasing process stability;

- двухступенчатая микробиологическая переработка обеспечивает гарантированные обеззараживание и стабилизацию исходного субстрата. Основными недостатками устройства-прототипа являются:- two-stage microbiological processing provides guaranteed disinfection and stabilization of the initial substrate. The main disadvantages of the prototype device are:

- вовлечение в анаэробную переработку всего объема аэробно подготовленного субстрата, что отрицательно сказывается на интенсивности анаэробного процесса и приводит к значительному увеличению объема биореактора;- involvement in the anaerobic processing of the entire volume of the aerobically prepared substrate, which negatively affects the intensity of the anaerobic process and leads to a significant increase in the volume of the bioreactor;

- биоэнергетический потенциал жидких фракций (надосадочных жидкостей) из первого и второго механических разделителей, а также явное тепло эффлюента не используются;- bioenergy potential of liquid fractions (supernatants) from the first and second mechanical separators, as well as the apparent heat of the effluent are not used;

- значительные (до 25%) потери энергии в виде скрытого и явного тепла влажных газов метаболического процесса, отводимых из рабочего пространства аэробного биореактора;- significant (up to 25%) energy losses in the form of latent and apparent heat of the moist gases of the metabolic process, removed from the working space of the aerobic bioreactor;

- отсутствие рециркуляции анаэробной биомассы, и, как следствие, снижение интенсивности процессов разделения на фракции в первом механическом сгустителе и анаэробной переработки.- lack of recirculation of anaerobic biomass, and, as a consequence, a decrease in the intensity of the processes of separation into fractions in the first mechanical thickener and anaerobic processing.

Задачей, решаемой в рамках предлагаемого изобретения, является устранение указанных недостатков.The problem to be solved within the framework of the invention is to eliminate these disadvantages.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является повышение глубины переработки органического вещества исходного субстрата в сочетании с более полным использованием биоэнергетического потенциала. Конечным результатом от использования предлагаемого изобретения является создание на его основе биоэнергетических природоохранных комплексов - источников автономного энергоснабжения и удобрений (удобрительных смесей).The technical result achieved by the implementation of the present invention is to increase the depth of processing of organic matter of the initial substrate in combination with a more complete use of bioenergy potential. The end result from the use of the invention is the creation on its basis of bioenergy environmental complexes - sources of autonomous energy supply and fertilizers (fertilizer mixtures).

Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.

Устройство содержит последовательно связанные друг с другом по потоку органического вещества первый механический сгуститель, аэробный биореактор, анаэробный биореактор и второй механический сгуститель. Вход аэробного биореактора связан с осадочной частью первого механического сгустителя. Дополнительно предусматривается механический смеситель для приготовления органических удобрений, связанный с осадочной частью второго механического сгустителя. Второй механический сгуститель размещен между аэробным и анаэробным биореакторами. Анаэробный биореактор выполнен в виде анаэробного биофильтра. Надосадочные части первого и второго механических сгустителей связаны со входом анаэробного биофильтра. Дополнительно предусматриваются первый генератор электрической энергии с приводом от двигателя внутреннего сгорания, оснащенным парогенерирующим утилизационным блоком, второй генератор электрической энергии с приводом от паропоршневой машины, теплонасосная и теплофикационная установки. Выход анаэробного биореактора по жидкому потоку связан с основным испарителем теплонасосной установки, выход по биогазу - двигателем внутреннего сгорания. Конденсатор теплонасосной установки, парогенерирующий утилизационный блок, паропоршневыя машина и теплофикационный блок связаны друг с другом посредством пароконденсатного контура с образованием замкнутого термодинамического цикла. Между выходом анаэробного биореактора по жидкому потоку и основным испарителем теплонасосной установки предусмотрен третий механический сгуститель, осадочная часть которого связана с надосадочной частью первого механического сгустителя. На выходе из аэробного биореактора по газовому потоку установлен дополнительный испаритель теплонасосной установки, подключенный по холодильному агенту параллельно основному испарителю, и связанный посредством гидрозатвора со входом анаэробного биореактора. На выходе из механического сгустителя предусматривается площадка для компостирования, аэрирующее устройство которой по газовому потоку связано с выходом дополнительного испарителя теплонасосной установки.The device comprises a first mechanical thickener, an aerobic bioreactor, an anaerobic bioreactor and a second mechanical thickener, sequentially connected to each other by the flow of organic matter. The inlet of the aerobic bioreactor is connected with the sedimentary part of the first mechanical thickener. Additionally, a mechanical mixer for the preparation of organic fertilizers is provided, associated with the sedimentary part of the second mechanical thickener. A second mechanical thickener is placed between the aerobic and anaerobic bioreactors. Anaerobic bioreactor is made in the form of an anaerobic biofilter. The supernatants of the first and second mechanical thickeners are connected to the inlet of the anaerobic biofilter. In addition, a first electric energy generator driven by an internal combustion engine equipped with a steam generating utilization unit, a second electric energy generator driven by a steam piston machine, a heat pump and a heating system are additionally provided. The liquid flow output of the anaerobic bioreactor is connected to the main evaporator of the heat pump installation, and the biogas output is connected to the internal combustion engine. The condenser of the heat pump installation, the steam generating utilization unit, the steam piston machine and the heating unit are connected to each other by means of a steam condensate circuit with the formation of a closed thermodynamic cycle. Between the liquid flow exit of the anaerobic bioreactor and the main evaporator of the heat pump installation, a third mechanical thickener is provided, the sedimentary part of which is connected with the supernatant of the first mechanical thickener. At the outlet of the aerobic bioreactor, an additional evaporator of the heat pump installation is installed through the gas flow, connected in parallel with the main evaporator via a refrigerant, and connected by means of a water trap to the inlet of the anaerobic bioreactor. At the exit from the mechanical thickener, a composting platform is provided, the aeration device of which is connected in gas flow to the outlet of an additional evaporator of the heat pump installation.

Принципиальная технологическая схема устройства для утилизации органических субстратов представлена на фигуре 1.Schematic diagram of a device for the disposal of organic substrates is presented in figure 1.

Устройство состоит из первого механического сгустителя 1, осадочная часть 2 которого посредством насоса 3 соединена с аэробным биореактором 4. Аэробный биореактор 4 представляет собой герметичный резервуар, снабженный средствами перемешивания - механической мешалкой 5, и аэрации - аэратором 6, подключенным к воздушному компрессору 7. средства перемешивания могут быть агрегированы в единый аэрационно-перемешивающий узел. Внутри аэробного биореактора находится сгущенный субстрат и аэробная микрофлора, обеспечивающая обработку данного субстрата. Для отведения обработанного субстрата предусмотрен разгрузочный патрубок 8; для отведения газообразных продуктов метаболизма - газоотводящий патрубок 9. Разгрузочный патрубок 8 связан со входом второго механического сгустителя 10, осадочная часть 11 которого в свою очередь связана со входом механического смесителя 12. Помимо аэробно обработанного сгущенного субстрата, на вход механического смесителя 12 могут подаваться корректирующие состав питательных веществ, рН и другие показатели добавки, а также влагопоглощающие наполнители. Выход механического смесителя 12 связан с площадкой для компостирования 13, снабженной аэрирующим устройством 14. устройство содержит также анаэробный биореактор 15, выполненный в виде аппарата проточного типа - анаэробного биофильтра с пористым материалом 16 для иммобилизации анаэробной микрофлоры. Вход анаэробного биореактора 15 посредством подающего насоса 17 связан с надосадочными частями 18 и 19 соответственно первого механического сгустителя 1 и второго механического сгустителя 10, а также с жидкостным выходом дополнительного испарителя 20 теплонасосной установки 21, размещенным на газоотводящем тракте аэробного биореактора 4.The device consists of a first mechanical thickener 1, the sedimentary part 2 of which is connected via a pump 3 to an aerobic bioreactor 4. Aerobic bioreactor 4 is a sealed tank equipped with mixing means — a mechanical stirrer 5, and aeration — with an aerator 6 connected to the air compressor 7. means mixing can be aggregated into a single aeration-mixing unit. Inside the aerobic bioreactor is a condensed substrate and aerobic microflora, which provides the processing of this substrate. For the removal of the processed substrate, a discharge pipe 8 is provided; for discharge of gaseous metabolic products - a gas outlet 9. The discharge pipe 8 is connected to the inlet of the second mechanical thickener 10, the sedimentary part 11 of which in turn is connected to the input of the mechanical mixer 12. In addition to the aerobically treated condensed substrate, corrective composition can be supplied to the input of the mechanical mixer 12 nutrients, pH and other indicators of additives, as well as moisture-absorbing fillers. The output of the mechanical mixer 12 is connected to the composting platform 13, equipped with an aeration device 14. The device also contains an anaerobic bioreactor 15, made in the form of a flow type apparatus - anaerobic biofilter with porous material 16 for immobilization of anaerobic microflora. The inlet of the anaerobic bioreactor 15 through the feed pump 17 is connected with the supernatant parts 18 and 19, respectively, of the first mechanical thickener 1 and the second mechanical thickener 10, as well as with the liquid output of the additional evaporator 20 of the heat pump installation 21, located on the exhaust duct of the aerobic bioreactor 4.

На выходе газожидкостного потока из анаэробного биореактора 15 предусмотрен сепаратор фаз 22, служащий для выделения биогаза из потока. Посредством газоотводящего тракта сепаратор фаз 22 связан с газохранилищем 23 и двигателем внутреннего сгорания 24, приводящим в действие первый генератор электрической энергии 25. биогаз также может подаваться к газомоторному приводу компрессора теплонасосной установки 21 (в случае применения парокомпрессионного цикла). По жидкому потоку сепаратор фаз 22 связан с третьим механическим сгустителем 26, надосадочная часть 27 которого связана с основным испарителем 28 теплонасосной установки 21, а осадочная часть 29 посредством насоса 30 - с надосадочной частью 18 первого механического сгустителя 1. Устройство содержит также второй генератор электрической энергии 31, приводимый в действие паропоршневой машиной 32, и теплофикационный блок 33, базовым элементом которого является теплообменный аппарат известного типа, и обеспечивающий передачу тепловой энергии от пароконденсатной смеси к теплоносителю. Двигатель внутреннего сгорания 24 оснащен утилизационным блоком 34,связанным посредством замкнутого пароконденсатного контура с конденсатором 35 теплонасосоной установки 21, теплофикационным блоком 33 и паропоршневой машиной 32. В состав парогенерирующего утилизационного блока 34 входят теплообменники «конденсат -вода» и «продукты сгорания -пар» известного типа.At the outlet of the gas-liquid stream from the anaerobic bioreactor 15, a phase separator 22 is provided, which serves to separate the biogas from the stream. By means of the gas exhaust path, the phase separator 22 is connected to the gas storage 23 and the internal combustion engine 24, which drives the first electric energy generator 25. Biogas can also be supplied to the gas-motor drive of the compressor of the heat pump installation 21 (in the case of a vapor compression cycle). In liquid flow, the phase separator 22 is connected to the third mechanical thickener 26, the supernatant part 27 of which is connected to the main evaporator 28 of the heat pump unit 21, and the sediment part 29 by means of the pump 30 is connected to the supernatant part 18 of the first mechanical thickener 1. The device also contains a second electric energy generator 31, driven by a steam piston machine 32, and a heating unit 33, the basic element of which is a heat exchanger of a known type, and which transfers heat energy from the parks ndensatnoy mixtures to the coolant. The internal combustion engine 24 is equipped with a recovery unit 34 connected via a closed steam condensate circuit with a condenser 35 of the heat pump unit 21, a heat recovery unit 33 and a steam piston machine 32. The composition of the steam generating recovery unit 34 includes “condensate-water” heat exchangers and “combustion products-steam” known type.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Исходный субстрат (жидкий и полужидкий бесподстилочный навоз, помет, осадки, или различные концентрированные органические смеси) поступает в первый механический сгуститель 1, в котором под действием гравитационных и/или иных сил происходит его разделение на фракции. Сгущенная фракция (осадок) из осадочной части 2 первого механического сгустителя 1 насосом 3 подается на вход аэробного реактора 4, в котором вступает во взаимодействие с аэробной термофильной микрофлорой. Процесс осуществляется в условиях активной аэрации и перемешивания системы «субстрат - аэробная микрофлора»; температура процесса достигает 50-60°С, что соответствует верхнему температурному пределу обработки субстрата в анаэробном биореакторе 15. Помимо нагрева субстрата, который осуществляется в автотермическом режиме, происходит его частичное обеззараживание и гидролиз, а также повышение щелочности. Процесс осуществляется таким образом, что распадается не более 10-15% (по ХПК) органического вещества. Такой глубины распада достаточно для быстрого достижения требуемых температур (временной интервал 0,5-1,5 сут, в зависимости от вида субстрата и параметров технологического режима), в то же время снижение выхода биогаза на последующей стадии микробиологической обработки - не более 10-30% от максимально достижимого уровня выхода. Процесс обработки осуществляется, в отличие от распространенного процесса аэробной стабилизации, в условиях недостатка кислорода. Перемешивание обеспечивается механической мешалкой 5, аэрация - посредством аэратора бот воздушного компрессора 7. Возможно применение комбинированных аэрационно-перемешивающих устройств известного типа. Газообразные продукты метаболизма (в основном СО₂) в смеси с балластными составляющими воздуха и некоторыми другими газами и парами удаляются через гозоотводной патрубок 9 через дополнительный испаритель 20 теплонасосной установки 21 и аэрирующее устройство 14 площадки для компостирования 13 в атмосферу. При этом на внешней теплообменной поверхности дополнительного испарителя 20 конденсируется основная масса водяных паров (в основном органического происхождения), что обеспечивает частичную рекуперацию энергии, затраченной на проведение процесса.The initial substrate (liquid and semi-liquid litter, manure, sediment, or various concentrated organic mixtures) enters the first mechanical thickener 1, in which it is divided into fractions under the influence of gravitational and / or other forces. The condensed fraction (precipitate) from the sedimentary part 2 of the first mechanical thickener 1 is pumped by pump 3 to the inlet of the aerobic reactor 4, in which it interacts with aerobic thermophilic microflora. The process is carried out under conditions of active aeration and mixing of the system "substrate - aerobic microflora"; the process temperature reaches 50-60 ° C, which corresponds to the upper temperature limit of processing the substrate in an anaerobic bioreactor 15. In addition to heating the substrate, which is carried out in an autothermal mode, it is partially disinfected and hydrolyzed, as well as an increase in alkalinity. The process is carried out in such a way that no more than 10-15% (by COD) of organic matter decomposes. Such a depth of decomposition is sufficient to quickly achieve the required temperatures (time interval 0.5-1.5 days, depending on the type of substrate and the parameters of the technological regime), at the same time, a decrease in the biogas yield at the subsequent stage of microbiological treatment is not more than 10-30 % of maximum achievable output level. The processing process is carried out, in contrast to the common process of aerobic stabilization, in conditions of oxygen deficiency. Mixing is provided by a mechanical stirrer 5, aeration - by means of an aerator bot air compressor 7. It is possible to use combined aeration-mixing devices of a known type. Gaseous metabolic products (mainly CO ₂ ) in a mixture with ballast constituents of the air and some other gases and vapors are removed through the exhaust pipe 9 through an additional evaporator 20 of the heat pump unit 21 and the aeration device 14 of the composting platform 13 into the atmosphere. At the same time, the bulk of water vapor (mainly of organic origin) condenses on the external heat exchange surface of the additional evaporator 20, which ensures partial recovery of the energy spent on the process.

Непрореагировавший в аэробном биореакторе 4 кислород используется в аэробном процессе компостирования; при прохождении потока от аэрирующего устройства в атмосферу через слой компоста поглощаются дурнопахнующие газы. Аэробно обработанный субстрат через разгрузочный патрубок 8 подается во второй механический сгуститель 10; сгущенный субстрат из осадочной части 11 направляется в механический смеситель 12, на вход которого поступают также различные корректирующие добавки и влагопоглощающие материалы. Образовавшаяся смесь используется для приготовления компоста на площадке для компостирования 13. Жидкая фракция из надосадочных частей 18 и 19 соответственно первого и второго механических сгустителей 1 и 10 совместно с конденсатом из дополнительного испарителя 20 теплонасосоной установки 21 подается насосом 17 на вход анаэробного биореактора 15. Так как обработке подвергается жидкая фракция субстрата с влажностью не менее 98%, становится возможным применение анаэробного процесса с протоком жидкости в непрерывном режиме и с высокой интенсивностью массообменных и биохимических процессов. Высокая степень перехода органического вещества субстрата в жидкую фазу обеспечивается предварительной аэробной обработкой. Снижение концентрации средне-размерных взвешенных частиц в жидкой фазе обеспечивается применением процесса биофлокуляции с использованием в качестве биофлокулянта сгущенную анаэробную биомассу из третьего механического сгустителя 26,осадочная часть 29 которого связана с надосадочной частью первого механического сгустителя 1. Повышенное значение рН обеспечивает устойчивость анаэробного процесса. Анаэробный процесс осуществляется в системе «жидкий субстрат - биопленка». Биопленка формируется на поверхности пористого носителя (иммобилизирующего материала) искусственного (например стекло) или природного (гравий, уголь) происхождения с оптимизированными размером гранул (зерен) и структурой пор.Unreacted oxygen in the aerobic bioreactor 4 is used in the aerobic composting process; when a stream passes from an aeration device into the atmosphere through a layer of compost, foul smelling gases are absorbed. Aerobically treated substrate through the discharge pipe 8 is fed into the second mechanical thickener 10; the condensed substrate from the sedimentary portion 11 is sent to a mechanical mixer 12, the input of which also receives various corrective additives and moisture-absorbing materials. The resulting mixture is used for composting on the composting site 13. The liquid fraction from the supernatants 18 and 19, respectively, of the first and second mechanical thickeners 1 and 10, together with the condensate from the additional evaporator 20 of the heat pump unit 21, is pumped 17 to the input of the anaerobic bioreactor 15. Since the liquid fraction of the substrate with a moisture content of not less than 98% is subjected to treatment; it becomes possible to use the anaerobic process with a fluid flow in a continuous mode and with a high Stu mass transfer and biochemical processes. A high degree of transition of the organic matter of the substrate into the liquid phase is provided by preliminary aerobic treatment. A decrease in the concentration of medium-sized suspended particles in the liquid phase is ensured by the use of a biofloculation process using a condensed anaerobic biomass from the third mechanical thickener 26 as a bioflocculant, the sedimentary portion 29 of which is associated with the supernatant of the first mechanical thickener 1. An increased pH ensures the stability of the anaerobic process. The anaerobic process is carried out in the "liquid substrate - biofilm" system. A biofilm is formed on the surface of a porous carrier (immobilizing material) of artificial (e.g. glass) or natural (gravel, coal) origin with optimized granule (grain) size and pore structure.

По мере прохождения жидкого потока (предпочтительно по схеме «снизу вверх») органическое вещество жидкого субстрата усваивается анаэробной биопленкой. Газообразный продукт метаболизма - биогаз и отмирающая биопленка уносятся потоком в сепаратор фаз 22, в котором происходит отделение биогаза от жидкости с последующим его накоплением в газохранилище 23 и расходованием на работу двигателя внутреннего сгорания 24 и, соответственно, получение электрической энергии в первом генераторе 25. Биогаз может использоваться в качестве первичного источника энергии в двигателях внутреннего сгорания активных элементов самого устройства - приводах теплового насоса 21, компрессора 7 и т.п. Жидкий поток из сепаратора фаз 22, представляющий собой очищенную воду, направляется в третий механический сгуститель 26, в котором отделяется основная масса твердой фазы потока. Сгущенная фракция, состоящая в основном из анаэробной биомассы, используется в дальнейшем в качестве биофлокулянта, а также, при рециркуляции на вход второго механического сгустителя 10, и может использоваться для организации рециркуляционного процесса в системе «второй механический сгуститель 10 - анаэробный биореактор 15 - третий механический сгуститель 26». Осветленная вода из надосадочной части 27 третьего механического сгустителя 26 подается на вход основного испарителя 28 теплонасосной установки 21 и охлаждается в нем до температуры 25-30°С, таким образом осуществляется подготовка воды для последующей очистки в аэротенках или других сооружениях биологической очистки, в которых рабочие процессы протекают в указанном диапазоне температур, а также рекуперируется часть энергии, затраченной на обработку субстрата. Явное тепло жидкого потока вызывает кипение рабочего тела (хладагента) в рабочем пространстве основного испарителя 28, которое сжимается компрессором и термическим способом, транспортируется в системе теплонасосной установки 21 к конденсатору 35, в котором в свою очередь, конденсирующееся рабочее тело (хладагент) вступает в теплообмен с рабочим телом (водой) пароконденсатного контура. Замкнутый термодинамический цикл в пароконденсатном контуре реализуется следующим образом. Конденсат - охлажденная и химически подготовленная вода - из теплофикационного блока 33 поступает в охладитель рубашки и масляный охладитель (при его наличии), которые входят в состав парогенерирующего теплоутилизационного блока 34 двигателя внутреннего сгорания 24 привода первого генератора электрической энергии 25. Далее конденсат поступает в конденсатор 35 теплонасосной установки 21, догревается до температуры близкой к температуре кипения при заданном давлении, и поступает в парогенератор парогенерирующего теплоутилизационного блока 34, представляющий собой типовой котел-утилизатор, в котором парогенерация осуществляется за счет высокотемпературного (до 600°С) потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания 24. Далее пар перегревается в пароперегревателе за счет сжигания части биогаза, причем пароперегреватель может входить в состав котла-утилизатора, и далее поступает в парораспределительный механизм многоцилиндровой паропоршневой машины, которая приводит в действие второй генератор электрической энергии 31. Отработанный пар, сохранивший значительную часть своей энергии, поступает в теплофикационный блок 33, представляющий собой совокупность теплообменных аппаратов для конденсации пара и охлаждения конденсата-бойлера и водоводяного теплообменника типовых конструкций. Охлажденный конденсат накапливается в конденсатном баке и питательным насосом подается в двигатель внутреннего сгорания 24. Далее цикл повторяется. Полученный таким образом горячий теплоноситель посредством теплофикационного контура 36 поставляется потребителям.As the fluid flows (preferably from the bottom up), the organic matter of the liquid substrate is absorbed by the anaerobic biofilm. The gaseous product of metabolism — biogas and a dying biofilm — is carried away by a stream to a phase separator 22, in which biogas is separated from the liquid with its subsequent accumulation in the gas storage 23 and expenditure on the operation of the internal combustion engine 24 and, accordingly, generation of electric energy in the first generator 25. Biogas can be used as a primary source of energy in internal combustion engines of the active elements of the device itself - the drives of the heat pump 21, compressor 7, etc. The liquid stream from the phase separator 22, which is purified water, is sent to the third mechanical thickener 26, in which the bulk of the solid phase of the stream is separated. The thickened fraction, consisting mainly of anaerobic biomass, is used later as a bioflocculant, and also, when recycled to the inlet of the second mechanical thickener 10, and can be used to organize the recirculation process in the system “second mechanical thickener 10 - anaerobic bioreactor 15 - third mechanical Thickener 26. " The clarified water from the supernatant part 27 of the third mechanical thickener 26 is fed to the inlet of the main evaporator 28 of the heat pump unit 21 and is cooled in it to a temperature of 25-30 ° C, thus preparing the water for subsequent treatment in aeration tanks or other biological treatment plants in which workers processes occur in the indicated temperature range, and also part of the energy spent on processing the substrate is recovered. The apparent heat of the liquid stream causes the working fluid (refrigerant) to boil in the working space of the main evaporator 28, which is compressed by the compressor and thermally, is transported in the heat pump system 21 to the condenser 35, in which the condensed working fluid (refrigerant), in turn, enters the heat exchange with a working fluid (water) of the vapor-condensate circuit. A closed thermodynamic cycle in a vapor-condensate circuit is implemented as follows. Condensate - chilled and chemically prepared water - from the heating unit 33 enters the shirt cooler and oil cooler (if any), which are part of the steam generating heat recovery unit 34 of the internal combustion engine 24 of the drive of the first electric energy generator 25. Next, the condensate enters the condenser 35 heat pump installation 21, is heated to a temperature close to the boiling point at a given pressure, and enters the steam generator of the steam generating heat recovery unit 34, which is a typical recovery boiler, in which steam is generated due to the high-temperature (up to 600 ° C) exhaust gas flow of the internal combustion engine 24. Next, the steam overheats in the superheater by burning part of the biogas, and the superheater can be part of the recovery boiler , and then goes to the steam distribution mechanism of a multi-cylinder steam piston machine, which drives the second electric energy generator 31. Waste steam, which retained a significant part of its energy, enters the heating unit 33, which is a combination of heat exchangers for condensing steam and cooling the condensate-boiler and water-water heat exchanger of typical designs. The cooled condensate accumulates in the condensate tank and is fed into the internal combustion engine 24 by a feed pump. The cycle is then repeated. Thus obtained hot fluid through the heating circuit 36 is supplied to consumers.

Claims

1. A device for the disposal of organic substrates with a moisture content of 92-99% to produce organic fertilizers and electricity, containing the first mechanical thickener, an aerobic bioreactor, the input of which is connected to the sedimentary part of the first mechanical thickener, an anaerobic bioreactor and the second, sequentially connected to each other by the flow of organic matter mechanical thickener, characterized in that the device further comprises a mechanical mixer for the preparation of organic fertilizers, an anaerobic bioreactor in it is filled in the form of an anaerobic biofilter, the second mechanical thickener is placed between the aerobic and anaerobic bioreactors, its sedimentary part being connected to the mechanical mixer, and the supernatant parts of the first and second mechanical thickeners are connected to the inlet of the anaerobic biofilter, while the first electric energy generator is driven by an internal combustion engine equipped with a steam generating utilization unit, a second electric energy generator driven by a steam piston engine, a water pump installation and a heating unit, the anaerobic bioreactor output in liquid flow connected to the main evaporator of the heat pump installation, the biogas output to the internal combustion engine, and the condenser of the heat pump installation, the steam generating utilization unit, the steam piston machine and the heating unit connected to each other via a steam condensate circuit with the formation of a closed thermodynamic cycle.

2. The device for the disposal of organic substrates according to claim 1, characterized in that between the outlet of the anaerobic bioreactor in a liquid stream and the main evaporator of the heat pump installation, a third mechanical thickener is provided, the sedimentary part of which is connected with the supernatant part of the first mechanical thickener.

3. The device for the disposal of organic substrates according to claim 1 or 2, characterized in that at the outlet of the aerobic bioreactor through the gas stream there is an additional evaporator of the heat pump installation connected via a refrigerant parallel to the main evaporator and connected to the input of the anaerobic bioreactor.