RU2841780C1 - Bioreactor for processing liquid organic wastes into biohumus and biogas - Google Patents
Bioreactor for processing liquid organic wastes into biohumus and biogas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2841780C1 RU2841780C1 RU2024138611A RU2024138611A RU2841780C1 RU 2841780 C1 RU2841780 C1 RU 2841780C1 RU 2024138611 A RU2024138611 A RU 2024138611A RU 2024138611 A RU2024138611 A RU 2024138611A RU 2841780 C1 RU2841780 C1 RU 2841780C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biogas
- bioreactor
- biohumus
- substrate
- liquid
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно анаэробной переработке жидких органических отходов сельского хозяйства с получением энергии в качестве биогаза и биогумуса.The invention relates to agriculture, namely the anaerobic processing of liquid organic agricultural waste to produce energy in the form of biogas and vermicompost.
Перспективное развитие биотехнологии с целью утилизации жидких органических отходов сельского хозяйства включает интенсификацию биопроцессов через усовершенствование оборудования, что, в свою очередь, способствует более глубокой переработке биологического субстрата микроорганизмами в биореакторах (метантенках), оптимизируя эффективность биотехнологического производства полезных продуктов из органических отходов.The prospective development of biotechnology for the purpose of utilizing liquid organic agricultural waste includes the intensification of bioprocesses through the improvement of equipment, which, in turn, promotes deeper processing of the biological substrate by microorganisms in bioreactors (methane tanks), optimizing the efficiency of biotechnological production of useful products from organic waste.
Известен способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления [1] для сбраживания различных органических отходов с получением из них биогаза и обеззараженных от вредной микрофлоры удобрений, который содержит емкость с коническими днищем и куполом, закрепленной на куполе, не доходящей до дна резервуара концентрической перегородкой, разделяющей резервуар на внешнюю и внутреннюю камеры сбраживания, патрубки подвода разжиженных и измельченных органических отходов во внешнюю камеру, отвода сброженной массы из внутренней камеры, патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер, а также разделительный элемент в виде усеченного конуса.A method for anaerobic fermentation of liquefied organic waste and a device for implementing it are known [1] for fermenting various organic wastes to obtain biogas and fertilizers disinfected from harmful microflora, which contains a container with a conical bottom and dome, a concentric partition fixed to the dome that does not reach the bottom of the tank, dividing the tank into an external and internal fermentation chamber, pipes for supplying liquefied and crushed organic waste to the external chamber, removing the fermented mass from the internal chamber, pipes for removing biogas from the external and internal chambers, as well as a separating element in the form of a truncated cone.
Недостатком данного устройства является то, что поступающие во внешнюю камеру в составе разжиженных и измельченных органических отходов оседающие плотные и трудносбраживаемые органические вещества, опускаясь без их распада активным симбиозом расщепляющих микроорганизмов с образованием жирных кислот в кислой среде первой фазы сбраживания по поверхности конусного разделительного элемента, оседают на днище внутренней камеры, образуя тем самым несбраживаемый в щелочной среде внутренней камеры иловый осадок органических веществ, который вынуждены затем удалять из устройства в составе сброженной массы на иловые площадки очистных сооружений для последующего их разложения.The disadvantage of this device is that the dense and difficult-to-ferment organic substances that settle in the outer chamber as part of the liquefied and crushed organic waste, descending without their decomposition by the active symbiosis of decomposing microorganisms with the formation of fatty acids in the acidic environment of the first phase of fermentation along the surface of the conical separating element, settle on the bottom of the inner chamber, thereby forming a sludge sediment of organic substances that is not fermented in the alkaline environment of the inner chamber, which must then be removed from the device as part of the fermented mass to the sludge beds of the treatment facilities for their subsequent decomposition.
Известна также установка для производства биогаза из содержащего жидкие и твердые компоненты органического, биологически разлагаемого материала, в частности отходов производства, а также резервуар для производства биогаза для использования в такой установке [2]. Установка содержит резервуар для производства биогаза с подачей биологически разлагаемого материала и зоной сбора биогаза с выпуском биогаза и флотационное разделительное устройство с устройством для отделения твердых компонентов разлагаемого материала от жидких, перемешивающее устройство, расположенное внутри резервуара для производства биогаза для перемешивания содержимого резервуара, а перед резервуаром производства биогаза имеется устройство разделения материала на твердую и жидкую фазы. Устройство разделения твердой фазы и жидкости снабжено шнековым прессом-сепаратором.Also known is a plant for producing biogas from organic, biodegradable material containing liquid and solid components, in particular production waste, as well as a biogas production tank for use in such a plant [2]. The plant comprises a biogas production tank with a feed of biodegradable material and a biogas collection zone with a biogas outlet and a flotation separation device with a device for separating solid components of the degradable material from liquid ones, a mixing device located inside the biogas production tank for mixing the contents of the tank, and in front of the biogas production tank there is a device for separating the material into solid and liquid phases. The device for separating the solid phase and liquid is equipped with a screw press separator.
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы при низких температурах окружающей среды и в условиях резкого изменения климата, а также неравномерность протекания процесса выработки биогаза при изменениях характеристик исходного сырья, неравномерности его поступления, а также необходимости дополнительных операций по транспортировке разделенных компонентов.The disadvantage of the known device is low reliability of operation at low ambient temperatures and in conditions of sudden climate change, as well as unevenness of the biogas production process with changes in the characteristics of the initial raw material, unevenness of its supply, and the need for additional operations to transport the separated components.
Наиболее близким к заявленному биореактору для переработки жидких органических отходов на биогумус и биогаз, выбранным в качестве прототипа, является устройство переработки пивной дробины в биогаз [3].The closest to the declared bioreactor for processing liquid organic waste into biohumus and biogas, chosen as a prototype, is a device for processing brewer's grains into biogas [3].
Устройство переработки пивной дробины в биогаз состоит из герметичного корпуса реактора, крышки реактора, привода перемешивающего устройства, вала перемешивающего устройства, лопатки перемешивающего устройства «якорного» типа, паровой рубашки, ультразвуковых излучателей, расположенных спирально на корпусе реактора, выхода биогаза, входа перерабатываемого субстрата, выхода переработанного (сброженного) субстрата. Достоинством устройства является возможность контроля температурного режима посредством паровой рубашки, расположенной между корпусом и обечайкой реактора.The device for processing brewer's grains into biogas consists of a sealed reactor body, a reactor cover, a drive for the mixing device, a shaft for the mixing device, a blade for the "anchor" type of mixing device, a steam jacket, ultrasonic emitters located spirally on the reactor body, a biogas outlet, an inlet for the processed substrate, and an outlet for the processed (fermented) substrate. The advantage of the device is the ability to control the temperature regime by means of a steam jacket located between the body and the shell of the reactor.
Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа, является неоднородное распределение энергии воздействующих ультразвуковых волн по объему средних или больших биореакторов. Это означает, что часть субстрата может быть обработана недостаточно или вовсе остаться без воздействия. Эффективность обеззараживания ультразвуковыми волнами зависит от параметров рабочей камеры излучателя. Для частот излучения 20±1,5 кГц требуемая по санитарным нормам степень обеззараживания достигается при радиусе рабочей камеры не более 0,2 м. Увеличение длины ультразвуковой волны не приводит к уменьшению размера получаемых частиц, что увеличит длительность процесса сбраживания и уменьшит глубину переработки субстрата, уменьшение длины волны ультразвука приведет к повышению энергозатрат, что существенно скажется на стоимости готового продукта. Такая неоднородность может существенно снизить эффективность процесса деструкции, что в конечном итоге приведет к уменьшению объема выделяемого биогаза. The disadvantage of the technical solution chosen as a prototype is the non-uniform distribution of the energy of the ultrasonic waves in the volume of medium or large bioreactors. This means that some of the substrate may be insufficiently processed or remain untreated. The efficiency of ultrasonic wave disinfection depends on the parameters of the emitter working chamber. For radiation frequencies of 20±1.5 kHz, the degree of disinfection required by sanitary standards is achieved with a working chamber radius of no more than 0.2 m. Increasing the length of the ultrasonic wave does not reduce the size of the resulting particles, which will increase the duration of the fermentation process and reduce the depth of substrate processing, reducing the length of the ultrasound wave will lead to an increase in energy costs, which will significantly affect the cost of the finished product. Such non-uniformity can significantly reduce the efficiency of the destruction process, which will ultimately lead to a decrease in the volume of biogas released.
Технический результат изобретения – повышение эффективности и ускорение анаэробной переработки жидких органических отходов сельского хозяйства.The technical result of the invention is to increase the efficiency and accelerate the anaerobic processing of liquid organic agricultural waste.
Указанный технический результат биореактора для переработки жидких органических отходов на биогумус и биогаз достигается тем, что биореактор разделен на основную и дополнительную камеры, оснащенные клапаном для подачи жидкого субстрата, дополнительная камера имеет трубопровод с фильтром и компрессором для подачи биогаза обратно в основную камеру через дополнительную камеру и канала с отверстиями перелива жидкого субстрата и выхода биогаза, а также в дополнительной камере установлены ультразвуковые излучатели.The specified technical result of the bioreactor for processing liquid organic waste into biohumus and biogas is achieved by the fact that the bioreactor is divided into a main and an additional chamber, equipped with a valve for feeding a liquid substrate, the additional chamber has a pipeline with a filter and a compressor for feeding biogas back into the main chamber through the additional chamber and a channel with openings for overflow of liquid substrate and biogas outlet, and ultrasonic emitters are installed in the additional chamber.
Заявляемый биореактор для переработки жидких органических отходов на биогумус и биогаз поясняется чертежом:The claimed bioreactor for processing liquid organic waste into biohumus and biogas is illustrated by the drawing:
Чертеж – Общий вид установки. Drawing – General view of the installation.
Биореактор для переработки жидких органических отходов на биогумус и биогаз включает в себя герметичный корпус 1, вход 2 перерабатываемого субстрата, выход 3 полученного биогумуса, штуцер 4 транспортировки биогаза, систему обогрева с паровой рубашкой 5, основную 6 и дополнительную 7 камеры биореактора, оснащенные клапаном 8 для подачи жидкого субстрата, трубопровод 9 с фильтром 10 и компрессором 11 для подачи биогаза, канал 12 с отверстиями 13 и 14 перелива жидкого субстрата и выхода биогаза соответственно, ультразвуковые излучатели 15.A bioreactor for processing liquid organic waste into biohumus and biogas includes a sealed body 1, an input 2 of the processed substrate, an output 3 of the obtained biohumus, a nozzle 4 for transporting biogas, a heating system with a steam jacket 5, a main 6 and an additional 7 chamber of the bioreactor equipped with a valve 8 for feeding a liquid substrate, a pipeline 9 with a filter 10 and a compressor 11 for feeding biogas, a channel 12 with openings 13 and 14 for overflowing the liquid substrate and exiting the biogas, respectively, and ultrasonic emitters 15.
Биореактор для переработки жидких органических отходов на биогумус и биогаз работает следующим образом.The bioreactor for processing liquid organic waste into biohumus and biogas works as follows.
Перед началом переработки органических отходов сельского хозяйства подготавливается субстрат (отходы сельского хозяйства, помет, навоз, моча, вода из поилок, солома и другие органические отходы), предварительно доведенный до влажности 85-90%, который подается в основную камеру 6 биореактора через вход 2 перерабатываемого субстрата. Далее через клапан 8 жидкий субстрат попадает в дополнительную камеру 7, где ультразвуковыми излучателями 15 происходит воздействие при определенной частоте и продолжительности, которое оказывает положительное воздействие на развитие жизнедеятельности метанобактерий. Применение ультразвуковых излучателей помогает разрушить клеточные структуры растительного материала в субстрате, что способствует более эффективному высвобождению питательных веществ и улучшению их доступности. Для измельчения объектов с высокой влажностью (80-90%) используется ультразвук с частотой 20±1,5 кГц. Использование ультразвука с длиной волны 20±1,5 кГц позволяет проводить измельчение субстрата на частицы размером 50-100 мм. Метанопродуцирующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях. Благодаря периодическому воздействию ультразвуковых излучателей поддерживается уровень pH в процессе метанового брожения на постоянном уровне. Под действием ультразвуковых излучателей 15 в клетках частиц субстрата происходят физико-химические сдвиги, приводящие к «разрыхлению» внутриклеточных структур, содержащих ферменты. Во время работы происходит переливание жидкого субстрата из дополнительной камеры 7 в основную камеру 6 биореактора по каналу 12 через отверстие 13 для перелива жидкого субстрата, где происходит естественное брожение, а через отверстие 14 выходит биогаз в свободную часть основной камеры 6 биореактора. Для полноценного обеспечения перелива каждый день в течение 10 минут запускают компрессор 11, и находящийся в свободной части основной камеры 6 биореактора биогаз по трубопроводу 9 под давлением поступает через фильтр 10 в дополнительную камеру 7, а далее в основную камеру 6 по каналу 12 через отверстие выхода биогаза. Расположение ультразвуковых излучателей 15 в дополнительной камере 7 позволяет осуществлять наиболее эффективное воздействие на весь объем перерабатываемого субстрата. Температурный режим переработки контролируется посредством паровой рубашки 5, расположенной между герметичным корпусом 1 и основными 6 дополнительными 7 камерами биореактора. Герметичный корпус 1 биореактора предотвращает утечки биогаза в окружающую среду, а также проникновение кислорода из воздуха внутрь биореактора. Выгрузку полученного биогумуса осуществляют через выход 3. Накопленный биогаз в свободной части основной камеры 6 биореактора транспортируется через штуцер 4 транспортировки биогаза.Before processing organic agricultural waste, a substrate (agricultural waste, dung, manure, urine, water from drinking bowls, straw and other organic waste) is prepared, preliminarily brought to a humidity of 85-90%, which is fed into the main chamber 6 of the bioreactor through the inlet 2 of the processed substrate. Then, through valve 8, the liquid substrate enters the additional chamber 7, where ultrasonic emitters 15 act at a certain frequency and duration, which has a positive effect on the development of the vital activity of methanobacteria. The use of ultrasonic emitters helps to destroy the cellular structures of plant material in the substrate, which contributes to a more effective release of nutrients and improves their availability. Ultrasound with a frequency of 20 ± 1.5 kHz is used to grind objects with high humidity (80-90%). The use of ultrasound with a wavelength of 20 ± 1.5 kHz allows grinding the substrate into particles of 50-100 mm in size. Methane-producing bacteria are best adapted to exist in neutral or slightly alkaline conditions. Due to the periodic action of ultrasonic emitters, the pH level is maintained at a constant level during methane fermentation. Under the action of ultrasonic emitters 15, physicochemical shifts occur in the cells of the substrate particles, leading to the "loosening" of the intracellular structures containing enzymes. During operation, the liquid substrate is poured from the additional chamber 7 into the main chamber 6 of the bioreactor through channel 12 through opening 13 for overflowing the liquid substrate, where natural fermentation occurs, and biogas exits through opening 14 into the free part of the main chamber 6 of the bioreactor. To fully ensure the overflow, compressor 11 is started every day for 10 minutes, and the biogas located in the free part of the main chamber 6 of the bioreactor enters under pressure through pipeline 9 through filter 10 into the additional chamber 7, and then into the main chamber 6 through channel 12 through the biogas outlet opening. The arrangement of the ultrasonic emitters 15 in the additional chamber 7 allows for the most effective impact on the entire volume of the substrate being processed. The temperature regime of the processing is controlled by means of the steam jacket 5, located between the hermetic body 1 and the main 6 additional 7 chambers of the bioreactor. The hermetic body 1 of the bioreactor prevents biogas leaks into the environment, as well as the penetration of oxygen from the air into the bioreactor. The unloading of the obtained biohumus is carried out through the outlet 3. The accumulated biogas in the free part of the main chamber 6 of the bioreactor is transported through the nozzle 4 for transporting biogas.
В совокупности, данные процессы способствуют более интенсивному разложению жидкого субстрата и, как следствие, возрастанию количества выделяющегося биогаза. Осуществляется сбраживание жидкого субстрата по всему объему биореактора путем использования ультразвуковых колебаний от расположенных в дополнительной камере биоректора ультразвуковых излучателей. Изобретение позволяет повысить выход биогаза при переработке жидких органических отходов, увеличить глубину переработки, снизить время переработки.Taken together, these processes contribute to more intensive decomposition of the liquid substrate and, as a consequence, to an increase in the amount of biogas released. Fermentation of the liquid substrate is carried out throughout the volume of the bioreactor by using ultrasonic vibrations from ultrasonic emitters located in the additional chamber of the bioreactor. The invention allows increasing the yield of biogas during the processing of liquid organic waste, increasing the depth of processing, and reducing the processing time.
Список использованной литературыList of references
1. Патент № 2073401 C1 Российская Федерация, МПК C02F 11/04, A01C 3/00, C02F 3/00. Способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления: № 92009236/15: заявл. 01.12.1992: опубл. 20.02.1997 / Т.Я. Андрюхин. 1. Patent No. 2073401 C1 Russian Federation, IPC C02F 11/04, A01C 3/00, C02F 3/00. Method for anaerobic fermentation of liquefied organic waste and device for its implementation: No. 92009236/15: declared 01.12.1992: published 20.02.1997 / T. Ya. Andryukhin.
2. Патент № 2383497 C1 Российская Федерация, МПК C02F 3/28. Установка и способ производства биогаза из содержащего жидкие и твердые компоненты биологически разлагаемого материала, в частности отходов производства, а также резервуар для производства биогаза для использования в такой установке: № 2008128492/15: заявл. 12.12.2006: опубл. 10.03.2010 / Д. Айхлер, Ф. Вайганд, М. Рабенер; заявитель Ререн-Унд Пумпенверк Бауер Гезелльшафт М.Б.Х. 2. Patent No. 2383497 C1 Russian Federation, IPC C02F 3/28. Installation and method for producing biogas from a biodegradable material containing liquid and solid components, in particular production waste, as well as a tank for producing biogas for use in such an installation: No. 2008128492/15: declared 12.12.2006: published 10.03.2010 / D. Eichler, F. Weigand, M. Rabener; applicant Roehren-Und Pumpenwerk Bauer Gesellschaft M.B.H.
3. Патент на полезную модель № 207707 U1 Российская Федерация, МПК C12M 1/02, C12M 1/107, C12M 1/42. Устройство переработки пивной дробины в биогаз: № 2021107419: заявл. 22.03.2021: опубл. 12.11.2021 / Б.Н. Федоренко, В.В. Житков; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет пищевых производств". 3. Patent for Utility Model No. 207707 U1 Russian Federation, IPC C12M 1/02, C12M 1/107, C12M 1/42. Device for processing brewer's grains into biogas: No. 2021107419: declared 03/22/2021: published 11/12/2021 / B.N. Fedorenko, V.V. Zhitkov; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Moscow State University of Food Production".
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2841780C1 true RU2841780C1 (en) | 2025-06-17 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202004009304U1 (en) * | 2004-06-11 | 2004-08-19 | Wenning, Franz | Assembly to sanitize a biomass, before processing to yield a biogas, has a double-wall vessel for a heating/cooling medium flow between them and an inner pipe with displacement to give a mass flow |
| RU2567649C1 (en) * | 2014-12-30 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" | Biogas unit |
| RU207707U1 (en) * | 2021-03-22 | 2021-11-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет пищевых производств" | DEVICE FOR PROCESSING BEER GRINDER INTO BIOGAS |
| RU2778150C1 (en) * | 2022-02-16 | 2022-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | Plant for the processing of waste from the agricultural industry |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202004009304U1 (en) * | 2004-06-11 | 2004-08-19 | Wenning, Franz | Assembly to sanitize a biomass, before processing to yield a biogas, has a double-wall vessel for a heating/cooling medium flow between them and an inner pipe with displacement to give a mass flow |
| RU2567649C1 (en) * | 2014-12-30 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" | Biogas unit |
| RU207707U1 (en) * | 2021-03-22 | 2021-11-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет пищевых производств" | DEVICE FOR PROCESSING BEER GRINDER INTO BIOGAS |
| RU2778150C1 (en) * | 2022-02-16 | 2022-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | Plant for the processing of waste from the agricultural industry |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1595551B1 (en) | Concept for slurry separation and biogas production. | |
| US20130260433A1 (en) | High rate anaerobic digester system and method | |
| US20110318778A1 (en) | Organic Substrate Treatment System | |
| Rasapoor et al. | Energy performance evaluation of ultrasonic pretreatment of organic solid waste in a pilot-scale digester | |
| MX2010010350A (en) | Method for producing biogas. | |
| US20120171742A1 (en) | Method and Apparatus for Treating Fermentable Substances | |
| RU2108702C1 (en) | Methane tank | |
| EA013653B1 (en) | ENZYME FOR THE PRODUCTION OF BIOGAS FROM ORGANIC MATERIAL | |
| US10597629B2 (en) | Method and system for preparation of substrate for use in anaerobic digestion of organic waste | |
| RU2841780C1 (en) | Bioreactor for processing liquid organic wastes into biohumus and biogas | |
| JP2019042692A (en) | Biological treatment device and methane gas manufacturing method | |
| KR101289053B1 (en) | Sludge Reduction by Combined Fermentation and Reconstruction Method | |
| KR100676312B1 (en) | Sewage sludge pretreatment using dual frequency ultrasound | |
| Kalal et al. | Anaerobic Digestion | |
| JP3854269B2 (en) | Sewage treatment equipment | |
| CN218478691U (en) | Aerobic composting fermentation tank | |
| KR101126125B1 (en) | Sludge and Organic Matter Treatment Plant Having Two-Phase Digester | |
| JP4907123B2 (en) | Organic waste processing method and processing system | |
| KR101663082B1 (en) | A manufacturing apparatus for organic ferilizer and fermentation liquefied fertilizer using food garbage and sludge in sewage and a manufacturing method thereof | |
| CN113909276A (en) | Integrated combined type medium-temperature anaerobic digestion process | |
| RU2655795C1 (en) | Device for producing pig breeding sewage wastes biogas and fertilizers | |
| RU2196410C2 (en) | Method and apparatus for sequential phase by phase anaerobic fermentation of diluted organic wastes | |
| RU136435U1 (en) | INSTALLATION OF PREPARATION OF RAW MATERIALS FOR ANAEROBIC PROCESSING OF ORGANIC WASTE | |
| CN217103838U (en) | Useless fungus sediment circulation system device of recycling of domestic fungus | |
| KR200397310Y1 (en) | Apparatus for disintegrating thickened sludge using ultrasonic waves |