SK286482B6 - Spôsob likvidácie pevných biodegradovateľných látok pri výrobe bioplynu s využitím anaeróbneho aktivovaného kalu a zariadenie na vykonávanie spôsobu - Google Patents

Abstract

Spôsob likvidácie pevných biodegradovateľných látok pri výrobe bioplynu, ktorého základom je fermentačný a metanizačný proces, pri ktorom pevné biodegradovateľné látky sa mechanicky rozdrvia a zmiešajú sa s anaeróbnym aktivovaným kalom na substrát, ktorý sa počas stáleho miešania bez prístupu vzduchu zohrieva na teplotu v rozsahu 30 °C až 60 °C sozádržnou dobou 1 až 40 dní pri hodnote pH 4,0 až 12,0 s následným prečerpaním do metanizačného reaktora, kde sa podrobuje pôsobeniu metanizačných baktérií, pričom vzniká bioplyn a aktivovaný kal a aspoň časť aktivovaného kalu sa recirkuluje do nádrže fermentačného reaktora.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu likvidácie biodegradovateľných látok pri výrobe bioplynu, ktorého základom je fermentačný a metanizačný proces, s využitím anaeróbneho aktivovaného kalu, a zariadenia na jeho vykonávanie.

Doterajší stav techniky

Likvidácia prebytočných a odpadových biodegradovateľných látok sa v súčasnosti uskutočňuje rôznymi spôsobmi. Tak napríklad drevný odpad alebo prebytočná slama sa spaľujú v spaľovniach, neškodný odpad z kuchýň sa používa napríklad na skrmovanie pre zvieratá, iné odpady sa uskladňujú cielene na skládkach - zber triedeného odpadu, prípadne odpad z priemyselne využiteľnej stromovej hmoty alebo z výrubu sa môže použiť napr. na výrobu rašelinových substrátov.

Doterajší spôsob likvidácie biodegradovateľných látok je vo väčšine prípadov neekologický, bez výrazného ekonomického prínosu, skôr náročný na náklady spojené s prepravou a skladovaním týchto látok. Najvýraznejším negatívnym javom doterajších spôsobov likvidácie biodegradovateľných odpadových látok hlavne spaľovaním a ukladaním na skládkach je pomerne vysoké ekologické zaťaženie životného prostredia.

Je taktiež známe spracovávať alebo likvidovať biodegradovateľné látky s využitím biotechnológií, konkrétne anaeróbneho rozkladu organickej hmoty na bioplyn. Takýto spôsob spracovania, resp. likvidácie biodegradovateľných látok je opísaný napríklad v dokumente US 5,525,229. Spôsob uvedený v tomto dokumente využíva tri stupne (fázy) anaeróbneho spracovania organického odpadu. V prvej fáze sa privádzaný odpad hydrolyzuje (resp. fermentuje). V druhej fáze je produkt hydrolyzácie z prvého stupňa privedený do prvého metanizačného stupňa, kde je podrobený termofilnej metanizácii. V nasledujúcej tretej fáze je zostatok z prvého metanizačného stupňa privedený do druhého metanizačného stupňa, kde je podrobený mezofilnej metanizácii. Uvedený spôsob je vykonávaný na zariadení, ktoré pozostáva zo spojitej nádrže, v ktorej sú jednotlivé stupne (fázy) oddelené priehradkami, ktoré umožňujú prúdenie kvapaliny cez jednotlivé fázy. Na zlepšenie efektivity a energetickej účinnosti procesu je v metanizačnej fáze umiestnený biofilm, ktorý podporuje rast baktérií a odpadové teplo z prúdu spracovávanej kvapaliny je v poslednom stupni odoberané cez výmenník tepla a pričom toto teplo môže byť výhodne použité na ohrev organického materiálu privádzaného do prvej fázy.

Vo všeobecnosti, pri anaeróbnom spracovaní organických látok, je cieľom získať čo najväčšie množstvo bioplynu a čo najmenšie množstvo ďalej nespracovateľných odpadových látok. Jednou z možností zlepšenia procesu anaeróbneho spracovania organických látok je pridávanie aktivovaného kalu do spracovávaného substrátu. Substrátom sa vo všeobecnosti rozumie zmes organických (biodegradovateľných) látok určených na spracovanie alebo likvidáciu, kvapaliny, prípadne rôznych prísad alebo prídavkov, ktorú je možné anaeróbne spracovať. Pridávaním aktivovaného kalu je možné dosiahnuť lepšie rozloženie organického podielu substrátu a zvýšiť výťažnosť bioplynu.

Spôsoby anaeróbneho spracovania odpadov s využitím, resp. pridávaním aktivovaného kalu, sú opísané napríklad v dokumentoch DE 4 141 832, JP 60216899, JP 01 099 696, SK 281 321.

V dokumente DE 4 141 832 je opísaný spôsob prevádzky zariadenia na ďalšie spracovanie číriaceho kalu pripojeného k čističke odpadových vôd. Číriaci kal z čističky odpadových vôd sa skladá zo zmesi aktivovaného kalu a primárneho kalu. Cieľom tohto riešenia je spracovanie číriaceho kalu z čističky odpadových vôd na vysoko mineralizovaný kal so zlepšenými odvodňovacími vlastnosťami. Toto sa dosiahne anaeróbnym spracovaním číriaceho kalu z čističky odpadových vôd. Pri tomto spôsobe sa k číriacemu kalu pridáva do acidifíkačného stupňa biokatalyzátor, ktorým sú proteázy, amylázy, lipázy, celulázy alebo ich zmesi. Týmto sa dosiahne rozsiahly rozklad látok obsiahnutých v číriacom kale na nízke organické kyseliny, hlavne na kyselinu octovú. V tomto substráte (tekutej fáze) je k dispozícii vysoká koncentrácia nízkych organických kyselín, ktoré predstavujú ideálny zdroj uhlíka na biologické procesy. Ľahko rozkladateľný substrát z acidifkačného stupňa je schopný privádzania do procesu čistenia odpadových vôd. Tieto procesy čistenia odpadových vôd nie sú predmetom predkladaného ďalej uvedeného riešenia. Pretože proces čistenia odpadových vôd prakticky nevyužije všetok substrát z acidifíkačného stupňa je ostávajúca časť tohto substrátu vedená do bioplynového reaktora (metanizačného stupňa), kde sa zo substrátu oddeľuje bioplyn a vzniknutý kal je rozdeľovaný v osobitnom zariadení na kalnú vodu a kal. Riešenie uvažuje aj o spätnom prívode kalu (biohmoty) z metanizácie do metanizačného reaktora na intenzifikáciu metanizovania. Produkcia bioplynu je závislá od potreby substrátu (z acidifíkačného stupňa) pre čističku odpadových vôd. Pri malej spotrebe substrátu čističkou odpadových vôd stúpa produkcia bioplynu a naopak. Výsledkom celého uvedeného procesu je dosiahnutie vysokej mineralizácie privádzaného kalu. Množstvo kalu (z čističky odpadových vôd), ktoré je potrebné likvidovať, na základe rozsiahleho rozkladu organickej zložky a na základe lepšieho pomeru odvodnenia, hnilokalu značne ubúda.

Dokument JP 01 099 696, opisuje prakticky podobný spôsob spracovania kalu z čističiek odpadových vôd pomocou aktivovaného kalu s tým rozdielom, že pred anaeróbnym spracovaním tohto kalu sú pevné častice obsiahnuté v kale rozdrvené na prach s priemernou veľkosťou častíc menšou alebo rovnajúcou sa 40 pm, pričom na tento drvený kalový prach sa nechávajú pôsobiť enzýmy rozkladajúce vysokomolekulárne organické látky, s účelom zvýšiť rozpustnosť a produkciu metánu. Cieľom tohto riešenia je taktiež zníženie množstva odpadového kalu.

Dokument JP 60216899 opisuje spôsob anaeróbneho spracovania organických materiálov, ktoré sú pridané k prebytočnému koncentrovanému aktivovanému kalu z čistiarne odpadových vôd. Aktivovaný kal je zmiešaný s pridaným organickým materiálom. Organický materiál je rozložený anaeróbnymi mikroorganizmami, pričom vzniknutý metán je oddelený a ďalej využitý. Kal vzniknutý po metanizácii je odoberaný zo dna nádrže a neskôr vysušovaný. Použitím aktivovaného kalu pri anaeróbnom spracovaní organických materiálov sa zvýši rýchlosť spracovania pri vysokom zaťažení a zvýši sa aj výťažnosť bioplynu.

Zahustený aktivovaný kal z čistiarne odpadových vôd sa využíva aj pri riešení podľa SK 281321. Uvedené riešenie opisu spôsob anaeróbneho spracovania, likvidácie biomasy z výroby antibiotík a výroby aminokyselín. K substrátu, ktorý je tvorený biomasou z výroby antibiotík a animokyselín sa pridáva aktivovaný zahustený kal z čistiarne odpadových vôd. Substrát sa podrobí anaeróbnej mikrobiálnej fermentácii za vzniku bioplynu, kvapalnej zložky a ostávajú zvyšky organickej hmoty. Toto riešenie uvažuje s použitím výsledných produktov po metanizácii tak, že tuhá fáza po anaeróbnom mikrobiálnom spracovaní ako stabilizovaný materiál môže byť použitá na kompostovanie, kvapalná fáza môže byť spracovaná v procese aeróbneho čistenia odpadových vôd a bioplyn je využitý na výrobu tepelnej alebo elektrickej energie.

Cieľom vynálezu je poskytnúť ďalší spôsob likvidácie biodegradovateľných látok pri výrobe bioplynu s využitím anaeróbneho aktivovaného kalu, ktorým by sa dosiahlo výrazné zvýšenie účinnosti procesu oproti doterajšiemu stavu techniky a to najmä procesov určených na likvidáciu pevných odpadových biodegradovateľných látok.

Podstata vynálezu

Cieľ vynálezu sa dosiahne spôsobom likvidácie pevných biodegradovateľných látok pri výrobe bioplynu, ktorého základom je fermentačný a metanizačný proces, s využitím anaeróbneho aktivovaného kalu, pričom jeho podstata spočíva v tom, že pevné biodegradovateľné látky sa mechanicky rozdrvia a zmiešajú s anaeróbnym aktivovaným kalom na substrát, ktorý sa počas stáleho miešania bez prístupu vzduchu zohrieva na teplotu v rozsahu 30 až 60 °C so zádržnou dobou 1 až 40 dni, pri hodnote pH 4,0 až 12,0 s následným pôsobením metanizačných baktérií, uvoľňujúcich bioplyn, pričom aspoň časť aktivovaného kalu odlúčeného v metanizačnom reaktore sa recirkuluje do nádrže fermentačného reaktora.

Podstatou zariadenia na vykonávanie tohto spôsobu, ktoré pozostáva z drviča, miešacieho mechanizmu, nádrže fermentačného reaktora, nádrže metanizačného reaktora a zahusťovača hnojiva je, že nádrž metanizačného reaktora, vybavená odvádzacím potrubím bioplynu, je dvojfázovým odlučovačom rozdelená aspoň na dve časti a je spojená s nádržou fermentačného reaktora potrubím vonkajšej recirkulácie. V dolnej časti je vybavená rozvodom substrátu. V hornej časti má vytvorený otvor na odvádzanie bioplynu. Na dno dvojfázového odlučovača je pripojené potrubie vnútornej recirkulácie.

Výhodné je, keď nádrž metanizačného reaktora má nad dnom lokalizovaný vyhrievací element.

K výhodám patrí aj to, že nádrž fermentačného reaktora je vybavená miešacím mechanizmom a je pripojená na drvič.

Výhodou je tiež to, že nádrž fermentačného reaktora je v dolnej časti vybavená vyhrievacím článkom.

Výhodné je aj to, keď potrubie vnútornej recirkulácie je pripojené na zahusťovač hnojiva.

Zariadenie na výrobu bioplynu z pevných biodegradovateľných látok pracuje v uzavretom cykle bezodpadovou technológiou, bez znečisťovania vody a bez vzniku ekologického balastu. Pracuje s vysokým zaťažením od 30 do 150 kg.m’³ celkovej sušiny. Výťažnosť bioplynu je 0,2 až 0,9 m³ z 1 kg pevnej biodegradovateľnej látky.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený pomocou výkresu, na ktorom je zariadenie na výrobu bioplynu z pevných biodegradovateľných látok znázornené schematicky.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Spôsob výroby bioplynu z pevných biodegradovateľných látok je založený na použití prebytočného anaeróbneho aktivovaného kalu, ktorý sa privádza spolu s rozdrvenými pevnými biodegradovateľnými látkami napríklad zelenou trávovou hmotou do nádrže fermentačného reaktora, kde sa zmieša na substrát s obsahom sušiny 1 až 98 % , ktorý sa počas stáleho miešania bez prístupu vzduchu zohrieva na teplotu v rozsahu 30 až 60 °C so zádržnou dobou dva dni. V nádrži fermentačného reaktora prebieha čiastočná fermentácia pri hodnote pH 4,0 a permanentnom odčerpávaní fermentovanej zmesi do nádrže metanizačného reaktora, kde sa pôsobením metanizačných baktérií rozkladá na metán a anaeróbny aktivovaný kal, ktorý sa recirkuluje späť do nádrže fermentačného reaktora, alebo ako prebytočný odvádza na odvodnenie a po úprave sa použije ako hnojivo.

Príklad 2

Drevná hmota sa rozdrví na drobné častice a privedie sa do nádrže fermentačného reaktora, kde sa zmieša s anaeróbnym aktivovaným kalom na substrát, ktorý sa počas stáleho miešania zohrieva na teplotu v rozsahu 30 až 60 °C so zádržnou dobou 40 dní. V nádrži fermentačného reaktora prebieha čiastočná fermentácia pri hodnote pH 12,0, s následným prečerpávaním fermentovanej zmesi do nádrže metanizačného reaktora, kde sa podrobuje pôsobeniu metanizačných baktérií za vzniku bioplynu. Odlúčený anaeróbny aktivovaný kal sa recirkuluje späť do nádrže fermentačného reaktora, alebo sa ako prebytočný odvádza na odvodnenie a po úprave sa používa ako hnojivo.

Zariadenie na výrobu bioplynu z pevných biodegradovateľných látok je tvorené nádržou 1 metanizačného reaktora, vybavenou v najvyššom mieste odvádzacím potrubím 8 bioplynu, ktorá je rozdelená dvojfázovým odlučovačom 2 na dve časti. V dolnej časti je vybavená rozvodom 3 substrátu, pod ktorým je lokalizovaný vyhrievací prvok 4. V homej časti má vytvorený otvor 9 na odvádzanie bioplynu. Potrubím 6 vonkajšej recirkulácie je nádrž 1 metanizačného reaktora spojená s nádržou 10 fermentačného reaktora. Na dno dvojfázového odlučovača 2 je pripojené potrubie 5 vnútornej recirkulácie, ktoré je vyúsťuje do spodnej časti nádrže 10 fermentačného reaktora a do zahusťovača 7 hnojiva. Nádrž 10 fermentačného reaktora je spojená s drvičom 12 a je vybavená miešacím mechanizmom 11. V dolnej časti je vybavená vyhrievacím článkom 13.

Do drviča 12 sa privedú biodegradovateľné látky ako napríklad drvená biomasa alebo kuchynský odpad zo separovaného zberu, prípadne slama, traviny a iná zelená hmota, ktorá sa mechanicky drvičom 12 rozdrví na drobné častice, ktoré sa miešajú v prvej fáze so substrátom v nádrži 10 fermentačného reaktora. Za stáleho miešania miešacím mechanizmom 11 je do nádrže 10 fermentačného reaktora potrubím 6 vonkajšej recirkulácie privádzaný prebytočný kal z nádrže 1 metanizačného reaktora. Takto vytvorený substrát s obsahom sušiny 1 až 98 % hmotnostných sa pri permanentnom nahrievaní na teplotu v rozsahu od 30 do 60 °C so zádržnou dobou od 1 do 40 dní, závislou od zloženia biodegradovateľných látok, podrobuje fermentácii, po ktorej sa odčerpáva do nádrže 1 metanizačného reaktora a rozvádza sa v jeho spodnej časti po celej ploche rozvodu 3, odkiaľ prúdi a mieša sa s biomasou vnútornou recirkuláciou, kde vytvára homogénnu zmes s metanizačnými baktériami, ktoré produkujú metán, ktorý sa oddeľuje v dvojfázovom odlučovači 2. V dvojfázovom odlučovači 2 sa v prvej fáze vylúči anaeróbno aktivovaný kal a následne sa v druhej fáze odlúči bioplyn, ktorý prestúpi otvorom 9 do najvyššieho miesta nádrže 1 metanizačného reaktora, odkiaľ sa odvádza odvádzacím potrubím 8 bioplynu, na ďalšie využitie ako vysokohodnotné palivo s obsahom metánu 60 až 80 %. Oddelený anaeróbny aktivovaný kal sa odvádza potrubím 6 vonkajšej recirkulácie späť do nádrže 10 fermentačného reaktora, kde sa za stáleho miešania miešacím mechanizmom 11a privádzaní biodegradovateľných látok drvených drvičom 12 mieša a nahrieva na teplotu 30° až 60 °C prostredníctvom vyhrievacieho článku 13. Z potrubia 5 vnútornej recirkulácie sa odoberá prebytočný aktivovaný kal, ktorý sa môže recirkulovať späť do nádrže 1 metanizačného reaktora alebo sa odvádza na odvodnenie do zahusťovača 7 hnojiva, kde sa bez pridávania chemických látok zahusťuje na vysokohodnotné tekuté hnojivo.

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob likvidácie pevných biodegradovateľných látok pri výrobebioplynu podľa tohto vynálezu nachádza široké využitie prakticky vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti, kde sa produkujú biodegradovateľné látky vo forme odpadu alebo druhotných surovín. Tieto látky sú spracovávané zariadením, ktoré je tiež predmetom tohto vynálezu na vysokohodnotné palivo. Z ekologického hľadiska ide o najčistejšiu formu získavania energie bezodpadovou technológiou.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob likvidácie pevných biodegradovateľných látok pri výrobe bioplynu, ktorého základom je fermentačný a metanizačný proces, s využitím anaeróbneho aktivovaného kalu, pri ktorom sa pevné biodegra-

   5 dovateľné látky mechanicky rozdrvia a privedú do fermentačného reaktora, kde sa zmiešajú s anaeróbnym aktivovaným kalom na substrát, ktorý sa počas stáleho miešania bez prístupu vzduchu zohrieva na teplotu v rozsahu 30° až 60 °C so zádržnou dobou 1 až 40 dní, pri hodnote pH 4,0 až 12,0, pričom po fermentácii sa substrát prečerpáva do metanizačného reaktora, kde sa podrobuje pôsobeniu metanizačných baktérií, pričom vzniká bioplyn a aktivovaný kal, vyznačujúci sa t ý m, že aspoň časť aktivovaného kalu odlúče10 ného v metanizačnom reaktore sa recirkuluje do nádrže fermentačného reaktora.
2. 2. Zariadenie na vykonávanie spôsobu podľa nároku 1, pozostávajúce z drviča, nádrže fermentačného reaktora, ktorá môže obsahovať miešací mechanizmus a vyhrievací element, nádrže metanizačného reaktora s odvodom bioplynu, ktorá môže obsahovať rozvod substrátu, vyhrievací element a môže byť vybavená recirkuláciou aktivovaného kalu v metanizačnej nádrži, a zahusťovača hnojiva, vyznačujúce sa

   15 t ý m , že nádrž (1) metanizačného reaktora je rozdelená dvojfázovým odlučovačom (2) aspoň na dve časti a je spojená s nádržou (10) fermentačného reaktora potrubím (6) vonkajšej recirkulácie.