RU2170719C2

RU2170719C2 - Organic waste reprocessing apparatus

Info

Publication number: RU2170719C2
Application number: RU99120599/13A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Еникеев; Ю.Ф. Малаков; А.В. Липов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: agriculture. SUBSTANCE: apparatus has bioreactor connected through controllable valve to air blower. Bioreactor is connected through controllable valve to charging auger-type mixer. Construction of apparatus allows methane produced in the process of fermentation in bioreactor to be collected. Apparatus is equipped with device for controlling microorganism activity. Apparatus may be used for producing fertilizers from agricultural wastes. EFFECT: increased efficiency and improved controllability of organic waste reprocessing operation. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к приготовлению удобрений из отходов сельскохозяйственного производства. The invention relates to the field of agriculture, in particular to the preparation of fertilizers from agricultural waste.

Известна установка для обезвреживания и приготовления удобрений из органических отходов путем анаэробного сбраживания с последующим разделением на твердую, жидкую и газообразную фазы, включающая биореактор с изолирующим утепляющим кожухом и перемешивающее устройство, при этом бродильная камера биореактора представляет собой горизонтальный цилиндр, разделенный вертикальной диафрагмой на две неравные части, причем в большей части ниже оси цилиндра установлен водяной обогревающий радиатор, а в центральной его части - перемешивающее устройство, выполненное в виде механически вращаемого колеса с лопастями мельничного типа, а устройство для отделения твердой фазы связано трубопроводом с бродильной камерой биореактора и выполнено в виде коаксиально установленного одно в другом и шарнирно соединенного двойного сита с решетчатым дном, при этом влагоотделитель и газосборник соединены общим трубопроводом и последовательно установлены за биореактором (патент РФ N 2040515 C 05 F 3/06, 9/02). A known installation for the disposal and preparation of fertilizers from organic waste by anaerobic digestion, followed by separation into solid, liquid and gaseous phases, including a bioreactor with an insulating insulation casing and a mixing device, while the fermentation chamber of the bioreactor is a horizontal cylinder divided by two unequal vertical diaphragm parts, and for the most part below the axis of the cylinder, a water heating radiator is installed, and in its central part - a mixing radiator a structure made in the form of a mechanically rotated wheel with mill type blades, and a device for separating the solid phase is connected by a pipeline to the fermentation chamber of the bioreactor and is made in the form of a coaxially mounted one in the other and articulated double sieve with a grating bottom, while the water separator and gas collector are connected by a common pipeline and sequentially installed behind the bioreactor (RF patent N 2040515 C 05 F 3/06, 9/02).

Недостатком данного устройства является то, что она производит дополнительное разжижение экскрементов, приводимое к увеличению объемов, а значит и энергозатрат на их переработку. The disadvantage of this device is that it produces additional liquefaction of excrement, leading to an increase in volumes, and hence energy costs for their processing.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству относится установка для приготовления удобрений, содержащая ферментер, корпус которого посредством воздуховода сообщен с источником подачи воздуха, устройство для подачи в ферментер исходного материала, приспособление для его распределения и средство для выгрузки удобрений. Корпус ферментера выполнен в виде вертикально установленного конуса, обращенного своим основанием вверх, устройство для подачи в ферментер исходного материала выполнено в виде пневматического погрузчика, сообщенного с корпусом ферментера посредством трубопровода с загрузочным патрубком, установленным в основании конуса. Средство для выгрузки удобрений выполнено в виде расположенного в днище корпуса выгрузного шнека. Воздуховод выполнен в виде набора перфорированных патрубков, которые установлены в корпусе ферментера горизонтально, при этом отверстия перфорации выполнены в упомянутых патрубках под углом к их продольной оси и обращены в направлении днища корпуса. Приспособление для распределения исходного материала выполнено в виде конической пластины, установленной в корпусе под выходным концом загрузочного патрубка, и вертикальной оси, нижний конец которой закреплен на воздуховоде, а на верхнем с возможностью вращения в горизонтальной плоскости установлена упомянутая пластина, снабженная приспособлением для фиксации, которое установлено в верхней части корпуса ферментера под конической пластиной и закреплено на вертикальной оси. Вертикальная ось приспособления для распределения снабжена набором растяжек для закрепления на стенках корпуса. Установка снабжена заслонкой, установленной в трубопроводе подачи в ферментер исходного материала, приспособлением для погрузки удобрений в транспортное средство, датчиком температуры и индикатором наличия кислорода. Корпус ферментера снабжен теплоизоляционным покрытием и установлен на опорах (патент РФ N 2044435 A 01 C 3/02). The closest analogue to the claimed device includes a plant for the preparation of fertilizers containing a fermenter, the housing of which is connected via an air duct to a source of air supply, a device for supplying the source material to the fermenter, a device for its distribution and means for unloading fertilizers. The case of the fermenter is made in the form of a vertically mounted cone with its base facing up, the device for feeding the source material into the fermenter is made in the form of a pneumatic loader in communication with the case of the fermenter by means of a pipeline with a loading nozzle installed in the base of the cone. Means for unloading fertilizers is made in the form of an unloading screw located at the bottom of the housing. The air duct is made in the form of a set of perforated nozzles, which are installed horizontally in the fermenter body, while the perforation holes are made in the said nozzles at an angle to their longitudinal axis and face towards the bottom of the housing. The device for distributing the source material is made in the form of a conical plate mounted in the housing under the output end of the loading nozzle, and a vertical axis, the lower end of which is fixed to the air duct, and the said plate equipped with a fixing device, which mounted in the upper part of the fermenter body under a conical plate and mounted on a vertical axis. The vertical axis of the distribution device is equipped with a set of extensions for fixing on the walls of the housing. The installation is equipped with a flap installed in the feed pipe to the fermenter of the source material, a device for loading fertilizers into the vehicle, a temperature sensor and an indicator of oxygen availability. The fermenter housing is provided with a heat-insulating coating and is mounted on supports (RF patent N 2044435 A 01 C 3/02).

Недостатками данной установки являются:
1. Негерметичность ферментера, что приводит к загрязнению окружающей среды газами;
2. Невозможность создания непрерывного, с точки зрения оптимальности, режима ферментации.The disadvantages of this installation are:
1. Leakage of the fermenter, which leads to environmental pollution by gases;
2. The impossibility of creating a continuous, in terms of optimality, fermentation mode.

Задача изобретения - создание установки, структура и конструкция которой позволяет осуществить контроль за дыхательной активностью микроорганизмов за счет анализа метаболитного газа в условиях аэрации рабочей среды и оперативным управлением процессом ферментации. The objective of the invention is the creation of the installation, the structure and design of which allows you to control the respiratory activity of microorganisms by analyzing metabolite gas under conditions of aeration of the working environment and the operational control of the fermentation process.

Поставленная задача решается за счет того, что установка для переработки органических отходов, содержащая теплоизолированный биореактор, корпус которого выполнен в виде вертикально установленного конуса, обращенного своим основанием вверх, и сообщен с устройством для подачи исходного материала и источником подачи воздуха через воздуховод, выполненный в виде набора перфорированных патрубков, которые установлены в корпусе горизонтально, при этом отверстия перфорации выполнены в упомянутых патрубках под углом к их продольной оси и обращены в направлении днища корпуса, а в стенке корпуса установлены датчики температуры и газоанализатора, а средство для выгрузки удобрений выполнено в виде выгрузного шнека, расположенного в днище корпуса, при этом устройство для подачи исходного материала выполнено в виде шнекового смесителя с бункером-питателем влагопоглощающего материала и минеральных добавок и соединено с биореактором через управляемый клапан, в верхней части биореактора установлен управляемый клапан, соединенный через водоотделитель с газгольдером, при этом датчики температуры и газоанализатора соединены с электрическим блоком контроля и управления, выход которого соединен с входом усилителя мощности, а выходы последнего - с управляемыми клапанами подачи исходного материала, воздуха и сбора газа. The problem is solved due to the fact that the installation for the processing of organic waste containing a thermally insulated bioreactor, the casing of which is made in the form of a vertically mounted cone, facing upwards, and is in communication with the device for supplying the source material and the air supply through the duct made in the form a set of perforated nozzles that are installed horizontally in the housing, while the perforation holes are made in the said nozzles at an angle to their longitudinal axis and puppies in the direction of the bottom of the case, and temperature sensors and a gas analyzer are installed in the wall of the case, and the means for unloading fertilizers is made in the form of an unloading screw located in the bottom of the case, while the device for feeding the source material is made in the form of a screw mixer with a hopper-feeder of moisture-absorbing material and mineral additives and is connected to the bioreactor through a controllable valve, in the upper part of the bioreactor a controllable valve is installed, connected through a water separator to a gas holder, while iki temperature and gas analyzer connected to the electrical control and management unit, whose output is connected to the input of the power amplifier, the outputs of the latter - with controllable valves feeding the starting material, air and gas collection.

Новые существенные признаки:
1. Устройство для подачи исходного материала выполнено в виде шнекового смесителя с бункером-питателем влагопоглощающего материала и минеральных добавок;
2. Устройство для подачи исходного материала соединено с биореактором через управляемый клапан;
3. В верхней части биореактора установлен управляемый клапан, соединенный через водоотделитель с газгольдером;
4. Датчики температуры и газоанализатора соединены с электрическим блоком контроля и управления;
5. Выход электрического блока контроля и управления соединен с входом усилителя мощности;
6. Выходы усилителя мощности соединены с управляемыми клапанами подачи исходного материала, воздуха и сбора газа.New significant features:
1. The device for feeding the source material is made in the form of a screw mixer with a hopper-feeder moisture-absorbing material and mineral additives;
2. A device for feeding the source material is connected to the bioreactor through a controlled valve;
3. In the upper part of the bioreactor a controlled valve is installed, connected through a water separator to a gas holder;
4. The temperature and gas sensors are connected to the electrical control and management unit;
5. The output of the electrical control and control unit is connected to the input of the power amplifier;
6. The outputs of the power amplifier are connected to controlled valves for the supply of source material, air and gas collection.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на который распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. The listed new essential features in conjunction with the known ones allow to obtain a technical result in all cases to which the requested amount of legal protection applies.

Выполнение устройства подачи исходного материала в виде шнекового смесителя позволяет получить однородную массу оптимальной влажности для жизнедеятельности микроорганизмов, а управляемый клапан на входе биореактора позволяет обеспечить герметичность. The implementation of the feed device of the source material in the form of a screw mixer allows you to get a homogeneous mass of optimal humidity for the life of microorganisms, and a controlled valve at the inlet of the bioreactor allows for tightness.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмов происходит выделение газов в виде смеси метана и углекислого газа, который накапливается в верхней части биореактора. Для его отвода установлен управляемый клапан, работающий по заданной программе. During the life of microorganisms, gases are released in the form of a mixture of methane and carbon dioxide, which accumulates in the upper part of the bioreactor. To divert it, a controlled valve is installed that works according to a given program.

Сигналы с датчиков температуры и газоанализатора контролируются и сравниваются с заданными в электрическом блоке контроля и управления. При отклонении от заданных (оптимальных условий) вырабатывается сигнал корректировки, который подается через усилитель мощности на управляемые клапаны. The signals from the temperature sensors and the gas analyzer are monitored and compared with those set in the electrical control and control unit. When deviating from the set (optimal conditions), an adjustment signal is generated, which is fed through the power amplifier to the controlled valves.

На фиг. 1 схематически изображена предлагаемая установка; на фиг. 2 - функциональная схема устройства оперативного контроля и управления процессом переработки органических отходов. In FIG. 1 schematically shows the proposed installation; in FIG. 2 is a functional diagram of a device for operational control and management of an organic waste processing process.

Установка для переработки органических отходов (фиг. 1) представляет собой коническую емкость (биореактор) 1, соединенный патрубком 2, через управляемый клапан 3, с воздуходувкой 4. Биореактор 1 соединен управляемым клапаном 5 с загрузочным шнековым смесителем 6, который посредством бункера-питателя влагопоглощающего материала 7 производит смешивание экскрементов животных с торфом или соломой, или древесными опилками. Предусмотрена возможность добавления в органическую смесь и минеральных добавок посредством бункера-питателя 8. В нижней части биореактора расположен выгрузной шнек 9 для погрузки готовых удобрений в транспортное средство. Биореактор 1 заключен в теплоизоляционный кожух 10. Воздухопровод 11 в центре биореактора фиксируется растяжками 12 и трубопроводами 13, в которых под углом 30^o книзу от горизонтальной оси симметрии просверлены отверстия 14 для насыщения органической смеси кислородом воздуха. Установка позволяет производить сбор газа метана, посредством клапана 15, водоотделителя 16 и газосборника-газгольдера 17. Установка дополнительно оснащена устройством, функциональная схема которого представлена на фиг. 2, позволяющее оперативно контролировать активность микроорганизмов в условиях аэрации рабочей смеси и в целом управлять процессом переработки органических отходов.The plant for processing organic waste (Fig. 1) is a conical tank (bioreactor) 1, connected by a pipe 2, through a controlled valve 3, to a blower 4. The bioreactor 1 is connected by a controlled valve 5 to a loading screw mixer 6, which is equipped with a moisture-absorbing hopper-feeder material 7 produces a mixture of animal excrement with peat or straw, or sawdust. It is possible to add mineral additives to the organic mixture through the hopper-feeder 8. At the bottom of the bioreactor there is an unloading auger 9 for loading finished fertilizers into the vehicle. The bioreactor 1 is enclosed in a heat-insulating casing 10. The air duct 11 in the center of the bioreactor is fixed by braces 12 and pipelines 13, in which holes 14 are drilled at an angle of 30 ^° from the horizontal axis of symmetry to saturate the organic mixture with atmospheric oxygen. The installation allows the collection of methane gas by means of a valve 15, a water separator 16 and a gas collector-gas tank 17. The installation is additionally equipped with a device, the functional diagram of which is shown in FIG. 2, which allows you to quickly monitor the activity of microorganisms in the conditions of aeration of the working mixture and in general to control the process of processing organic waste.

Устройство состоит из микропроцессорного контроллера 18, конструктивно объединенного в одном корпусе с блоком сопряжения 19, блоком ввода-вывода информации 20, адресным регистром 21, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 22 и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 23. В него так же входит датчик температуры 24, газоанализатор 25, блок индикации 26, клавиатура 27 и выходное устройство - усилитель мощности 28. The device consists of a microprocessor controller 18, structurally combined in one housing with the interface unit 19, the input / output unit information 20, the address register 21, read-only memory (ROM) 22 and random access memory (RAM) 23. It also includes a sensor temperature 24, gas analyzer 25, display unit 26, keyboard 27 and the output device is a power amplifier 28.

Установка работает следующим образом. Installation works as follows.

Микропроцессорный контроллер 18 содержит следующие программы работы: "Загрузка", "Ферментация", "Сбор газа", "Выгрузка". В начале работы установки при помощи клавиатуры 27 запускается программа "Загрузка", предусматривающая управление загрузочным клапаном 5 на открытие и последующее включение шнекового транспортера 6, а при необходимости и бункеров-питателей 7, 8. Экскременты животных из здания фермы поступают в шнековый транспортер 6, где смешиваются с органическими наполнителями (торф, солома, опилки, листья и т. д.) посредством бункера-питателя 7, тем самым доводя органическую смесь до влажности 60 ... 70%. Одновременно, при необходимости, в органическую смесь могут дозироваться и минеральные добавки посредством бункера-питателя 8. Однородная смесь, при открытом загрузочном клапане 5, поступает в биореактор 1 до полного заполнения, после чего автоматически закрывается загрузочный клапан 5 с последующим отключением шнекового транспортера 6 и бункеров-питателей 7, 8. The microprocessor controller 18 contains the following work programs: "Loading", "Fermentation", "Gas collection", "Unloading". At the beginning of the installation, using the keyboard 27, the "Download" program is launched, which provides for controlling the loading valve 5 to open and then turn on the screw conveyor 6, and, if necessary, hopper feeders 7, 8. Animal excrement from the farm building comes into the screw conveyor 6, where they are mixed with organic fillers (peat, straw, sawdust, leaves, etc.) through a hopper-feeder 7, thereby bringing the organic mixture to a moisture content of 60 ... 70%. At the same time, if necessary, mineral additives can also be dosed into the organic mixture by means of the hopper-feeder 8. The homogeneous mixture, with the loading valve 5 open, enters the bioreactor 1 until it is completely filled, after which the loading valve 5 is automatically closed and then the screw conveyor 6 is turned off and 6 hopper feeders 7, 8.

После осуществления загрузки установка работает по программе "Ферментация", запускаемой из клавиатуры 27, задающей параметры режима аэрации - это % содержание кислорода в биореакторе 1 и температура органической смеси (рабочей среды) в биореакторе. Программа предусматривает управление клапаном 3, соединенным патрубком 2 с воздуходувкой 4, что позволяет регулировать количество подаваемого на аэрацию воздуха. Программа "Ферментация" предусматривает периодический опрос датчиков температуры 24 и газоанализатора 25 и по разнице текущих и заданных параметров режима аэрации вырабатывается сигнал на управляемый клапан 3, увеличивая или уменьшая подачу воздуха, косвенно управляя процессом ферментации. Органическая смесь насыщается кислородом, поступающим с воздухом по патрубку 2, воздухопроводу 11, трубопроводам 13 через отверстия 14 в них, просверленных ниже горизонтальной оси под углом 30^o. В рабочей среде начинают развиваться аэробные микроорганизмы, которые повышают температуру смеси до 60...70^oC, фиксируемая датчиком 24, при наличии кислорода на уровне 5...15%, поддерживающийся, как было уже сказано, управляющим клапаном 3, соединенным патрубком 2 с воздуходувкой 4, по сигналам с микропроцессорного контроллера 18. Установка по этой программе непрерывно работает в автоматическом режиме. Температура рабочей среды, являющаяся следствием работы микроорганизмов и в зависимости от времени года может корректироваться температурой аэрируемого воздуха.After loading, the installation runs the program "Fermentation", launched from the keyboard 27, which sets the parameters of the aeration mode - this is the% oxygen content in the bioreactor 1 and the temperature of the organic mixture (working medium) in the bioreactor. The program provides for the control of the valve 3, connected by a pipe 2 to the blower 4, which allows you to adjust the amount of air supplied to aeration. The Fermentation program provides for periodic polling of temperature sensors 24 and a gas analyzer 25 and, based on the difference between the current and specified parameters of the aeration mode, a signal is generated to the controlled valve 3, increasing or decreasing the air supply, indirectly controlling the fermentation process. The organic mixture is saturated with oxygen entering the air through the pipe 2, air pipe 11, pipelines 13 through holes 14 in them, drilled below the horizontal axis at an angle of 30 ^o . In the working environment, aerobic microorganisms begin to develop, which increase the temperature of the mixture to 60 ... 70 ^o C, detected by the sensor 24, in the presence of oxygen at the level of 5 ... 15%, supported, as already mentioned, by a control valve 3 connected by a pipe 2 with blower 4, according to signals from the microprocessor controller 18. The installation according to this program continuously works in automatic mode. The temperature of the working environment, which is a consequence of the work of microorganisms and, depending on the season, can be adjusted by the temperature of the aerated air.

В разогретой массе ускоряется метаново-киислотное брожение с выделением смеси метана и углекислого газа. Запуск программы "Сбор газа" предусматривает ввод с той же клавиатуры 27 параметра интервала времени, т.е. сбор газа осуществляется через заданные промежутки времени, при этом открывается клапан 15, через который смесь метана и углекислого газа, насыщенная водяными парами поступает в водоотделитель 16, где более тяжелые частицы водяного пара, попадая в статически спокойный объем с малыми скоростями перемещения, оседают в нижней его части, а метаноуглекислая смесь, как более легкая, поднимается и отбирается из верхней зоны в газгольдер 17, установленный последовательно за влагоотделителем 16. В газгольдере 17 метаноуглекислая смесь разделяется по тому же принципу, что и во влагоотделителе 16 и горючий газ подается к потребителю. In a heated mass, methane-acid fermentation is accelerated with the liberation of a mixture of methane and carbon dioxide. Launching the Gas Collection program involves entering a time interval parameter from the same keyboard 27, i.e. gas collection is carried out at predetermined intervals, while the valve 15 opens, through which a mixture of methane and carbon dioxide saturated with water vapor enters the water separator 16, where heavier particles of water vapor, falling into a statically calm volume with low travel speeds, settle in the lower parts thereof, and the methane-carbonic mixture, as lighter, rises and is taken from the upper zone to the gas tank 17, installed sequentially behind the moisture separator 16. In the gas tank 17, the methane-carbon mixture is separated by the same principle as in the separator 16 and the combustible gas is supplied to the consumer.

Программа "Сбор газа" работает одновременно с программой "Ферментация" и не совместима с программой "Загрузка" и "Выгрузка", поскольку необходима герметичность биореактора 1, свободный объем которого и заполняется в этот момент газовой смесью. The Gas Collection program works simultaneously with the Fermentation program and is not compatible with the Loading and Unloading programs, because the tightness of the bioreactor 1 is necessary, the free volume of which is filled at that moment with the gas mixture.

Claims

Installation for processing organic waste, containing a thermally insulated bioreactor, the casing of which is made in the form of a vertically mounted cone, facing upwards, and is in communication with a device for supplying source material and an air supply source through an air duct made in the form of a set of perforated nozzles that are installed in the housing horizontally, while the perforation holes are made in the said nozzles at an angle to their longitudinal axis and are facing in the direction of the bottom of the housing, and in the wall sensors were installed in the housing and a gas analyzer, and the means for unloading fertilizers is made in the form of an unloading screw located in the bottom of the housing, characterized in that the device for feeding the starting material is made in the form of a screw mixer with hoppers feeding moisture-absorbing material and mineral additives and connected to the bioreactor via controlled valve, in the upper part of the bioreactor there is a controlled valve connected through a water separator to a gas holder, while temperature sensors and a gas analyzer ra connected to the electrical control unit and the control output of which is connected to the input of the power amplifier, the outputs of the latter - with controllable valves feeding the starting material, air and gas collection.