RU2501207C1

RU2501207C1 - Method of production of crop products in cultivation facilities and methane using bioenergy potential of liquid manure

Info

Publication number: RU2501207C1
Application number: RU2012112902/13A
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Камайданов; Дмитрий Александрович Ковалев
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-12-20
Also published as: RU2012112902A

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: invention relates to agriculture. According to the proposed method, the liquid manure is subjected to anaerobic digestion in an anaerobic digester to produce biosludge and biogas. The biosludge is separated into solid and liquid fractions, the solid fraction is subjected to thermochemical processing to produce ash residue and heat carrier to heat the indoor structures and the anaerobic digester. The biogas is separated into carbon dioxide and methane; carbon dioxide is used to intensify the process of obtaining crop products. Liquid manure is subjected to preliminary aerobic treatment with decomposition of organic matter of not more than 10-15 %. The resulting substrate is separated into solid and liquid fractions, the liquid fraction of the substrate is subjected to the anaerobic treatment, the solid fraction of the substrate is subjected to additional aerobic treatment with decomposition of organic matter by more than 10-15 %, after which, at least partly, it is used to prepare the soil. The oxygen formed in the preliminary aerobic treatment, containing gas is mixed with air supplied for the additional aerobic treatment. The gas enriched with carbon dioxide from the stage of additional aerobic treatment is mixed with carbon dioxide of the biogas.

EFFECT: complete utilisation of bioenergy potential of biosludge is ensured.

2 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к выращиванию растениеводческой продукции в условиях защищенного грунта, преимущественно в теплицах, расположенных поблизости от животноводческих ферм - источников бесподстилочного навоза.The present invention relates to the cultivation of crop products in a protected ground, mainly in greenhouses located near livestock farms - sources of bedless manure.

В более узком плане, предлагаемый способ ориентирован на реализацию в составе комплекса «теплица - животноводческая ферма» с использованием биоэнергетического потенциала бесподстилочного навоза, углекислого газа и других ресурсов, источником которых является животноводческая ферма.In a narrower plan, the proposed method is focused on the implementation of the complex “greenhouse - livestock farm” using the bioenergy potential of bedrock manure, carbon dioxide and other resources, the source of which is a livestock farm.

Известны способы выращивания растениеводческой продукции в теплицах, совмещенных с биоэнергетическими объектами - метантенками, перерабатывающими отходы животноводства и растениеводства. При этом наиболее рациональным является подземное размещение метантенков; при этом часть энергии, подводимой к грунту теплицы в виде солнечной радиации и с теплоносителем, ассимилируется биомассой метантенка. Дополнительно устраняется опасность переохлаждения биомассы в случае экстремального похолодания.Known methods of growing crop products in greenhouses, combined with bioenergy facilities - digesters, processing waste from livestock and crop production. The most rational is the underground placement of digesters; at the same time, part of the energy supplied to the soil of the greenhouse in the form of solar radiation and with the coolant is assimilated by the biomass of the digester. Additionally, the danger of biomass overcooling in the event of extreme cooling is eliminated.

В свою очередь биогаз, вырабатываемый в процессе анаэробной переработки отходов в метантенке, разделяется на метан, который может использоваться для обогрева теплицы путем прямого сжигания в теплогенераторах, и углекислый газ, используемый для интенсификации процесса фотосинтеза.In turn, biogas produced during anaerobic waste processing in a digester is divided into methane, which can be used to heat the greenhouse by direct burning in heat generators, and carbon dioxide, which is used to intensify the photosynthesis process.

Биошлам (эффлюент) метантенка используется для приготовления почвогрунта, т.к. обладает значительным удобрительным потенциалом, не содержит семян сорных растений, возбудителей заболеваний растений, животных и человека, стабилен (Селиванов Н.П., Мелуа А.И. и др. «Энергоактивные здания», М.: Стройиздат, 1988, с.85,86; Васильев В.А., Филиппова Н.В. «Справочник по органическим удобрениям». М.: Росагропромиздат, 1988, с.103-105).Bio-sludge (effluent) methane tank is used for soil preparation, as possesses significant fertilizing potential, does not contain weed seeds, pathogens of plants, animals and humans, is stable (Selivanov NP, Melua AI, etc. “Energy-active buildings”, M .: Stroyizdat, 1988, p. 85 , 86; Vasiliev V.A., Filippova N.V. “A Handbook of Organic Fertilizers.” M.: Rosagropromizdat, 1988, pp. 103-105).

Основным недостатком аналогов является недостаточно полное использование биоэнергетического потенциала биошлама, так как на приготовление почвогрунта требуется лишь незначительная часть биошлама, и при отсутствии других крупных потребителей удобрений избыточный биошлам депонируется в накопителях, его биоэнергетический потенциал постепенно утрачивается, возникает вторичное загрязнение окружающей среды.The main disadvantage of analogues is the insufficient use of the bioenergy potential of bio-sludge, since only a small part of bio-sludge is required to prepare the soil, and in the absence of other large fertilizer consumers, excess bio-sludge is deposited in storage tanks, its bio-energy potential is gradually lost, and secondary environmental pollution occurs.

Другим существенным недостатком является потребность в значительном объеме общестроительных работ на сооружение метантенка.Another significant drawback is the need for a significant amount of construction work on the construction of the digester.

Известен способ, в котором указанные недостатки по крайней мере частично устранены (Абаев Г.Н., Андреева Р.А. и др. «Энергоэффективность комплексной переработки органосодержащих отходов». Химическая промышленность, 2010, №6).There is a method in which these disadvantages are at least partially eliminated (Abaev G.N., Andreeva R.A. et al. “Energy Efficiency of Complex Processing of Organo-Containing Wastes.” Chemical Industry, 2010, No. 6).

Согласно способу-прототипу, бесподстилочный навоз подвергается анаэробной переработке в размещенном под теплицей метантенке, биогаз подвергается разделению на метан и углекислый газ, причем последний направляется в шатер теплицы для подкормки растений. Эффлюент метантенка (биошлам) подвергается разделению на твердую и жидкую фракции, причем твердая фракция подвергается термохимической переработке с получением обезвреженного компактного остатка-золы и газов, газы используют для нагревания теплоносителя, направляемого затем для обогрева метантенка и теплицы.According to the prototype method, litterless manure undergoes anaerobic processing in a digester placed under the greenhouse, biogas is separated into methane and carbon dioxide, the latter being sent to the tent of the greenhouse to feed plants. The effluent methane tank (bio-sludge) is subjected to separation into solid and liquid fractions, and the solid fraction is subjected to thermochemical processing to obtain a neutralized compact residue-ash and gases, gases are used to heat the coolant, which is then used to heat the digester and greenhouse.

Основными недостатками прототипа являются значительные капитальные затраты из-за использования метантенка для переработки всего объема исходного субстрата; недостаточно глубокое использование потенциала исходных отходов, включая растительные остатки, отработанный почвогрунт для получения необходимых для нормального функционирования теплицы ресурсов - энергии, диоксида углерода, почвогрунта..The main disadvantages of the prototype are significant capital costs due to the use of a digester for processing the entire volume of the original substrate; insufficiently deep use of the potential of the initial waste, including plant debris, spent soil to obtain the resources necessary for the normal functioning of the greenhouse - energy, carbon dioxide, soil ..

Задачей данного изобретения является устранение указанных недостатков, и, как следствие, снижение удельных капитальных и эксплуатационных затрат.The objective of the invention is to remedy these disadvantages, and, as a consequence, reduce specific capital and operating costs.

В предлагаемом способе объем и издержки на обслуживание наиболее дорогостоящего сооружения - метантенка предлагается снизить за счет перевода анаэробного процесса в жидкофазный режим с проточной подачей исходного субстрата. С этой целью вводится стадия предварительного аэробного гидролиза исходных отходов с последующим разделением на фракции и переходом основной части биоразлагаемого органического вещества в жидкую фракцию. В данном технологическом решении используется метантенк горизонтального типа, который в наибольшей степени соответствует своему дополнительному назначению - служить несущей теплоаккумулирующей конструкцией по отношению теплице. Твердая фракция после дополнительной аэробной обработки используется для приготовления тепличного почвогрунта.In the proposed method, the volume and costs of servicing the most expensive building - digester is proposed to be reduced by transferring the anaerobic process into a liquid-phase regime with flowing feed of the initial substrate. For this purpose, the stage of preliminary aerobic hydrolysis of the initial waste is introduced, followed by separation into fractions and the transition of the main part of the biodegradable organic matter to the liquid fraction. In this technological solution, a horizontal type digester is used, which is most suitable for its additional purpose - to serve as a supporting heat storage structure in relation to the greenhouse. The solid fraction after additional aerobic treatment is used to prepare the greenhouse soil.

Диоксид углерода, выделяющийся на стадиях аэробной обработки, вместе с углекислотой биогаза полезно утилизируется в шатре теплицы.Carbon dioxide released at the stages of aerobic treatment, together with the carbon dioxide of biogas is useful for disposal in the tent of the greenhouse.

Не утилизируемая в качестве почвогрунта часть твердой фракции подвергается термохимической газификации с получением генераторного газа. Дополнительно термохимической газификации подвергаются также использованный почвогрунт и растительные остатки из теплицы. Таким образом, дополнительно к метану вырабатывается еще один газообразный энергоноситель - генераторный газ, «энергетическими» составляющими которого в основном являются оксид углерода СО и водород. При теплотворной способности Q=3-12 МДж/м³ он может быть пригоден для использования в теплогенераторах - паровых и водогрейных котлах, совместной выработки электрической и тепловой энергии на мини-ТЭЦ (когенерации), синтеза моторного топлива и т.п.Part of the solid fraction that is not utilized as soil is subjected to thermochemical gasification to produce generator gas. Additionally, thermochemical gasification also applies to the used soil and plant residues from the greenhouse. Thus, in addition to methane, another gaseous energy carrier is generated - generator gas, the “energy” components of which are mainly carbon monoxide CO and hydrogen. With a calorific value of Q = 3-12 MJ / m ³ it can be suitable for use in heat generators - steam and hot water boilers, for the joint generation of electric and thermal energy at mini-thermal power plants (cogeneration), synthesis of motor fuel, etc.

Технический результат достигается тем, что бесподстилочный навоз подвергается анаэробной переработке в метантенке с получением биошлама и биогаза. Биошлам разделяют на твердую и жидкую фракции, твердую фракцию подвергают термохимической переработке с получением зольного остатка и теплоносителя для обогрева культивационных сооружений и метантенка. Биогаз разделяют на диоксид углерода и метан, диоксид углерода используется для интенсификации процесса получения растениеводческой продукции. Бесподстилочный навоз подвергают предварительной аэробной обработке с распадом органического вещества не более 10-15%. Образовавшийся субстрат разделяют на твердую и жидкую фракции, анаэробной переработке подвергают жидкую фракцию субстрата, твердую фракцию субстрата подвергают дополнительной аэробной обработке с распадом органического вещества более 10-15%, после чего по крайней мере частично используют для приготовления почвогрунта. Образовавшийся при предварительной аэробной обработке кислород содержащий газ смешивают с воздухом, подаваемым на дополнительную аэробную обработку. Обогащенный диоксидом углерода газ со стадии дополнительной аэробной обработки смешивают с диоксидом углерода биогаза. Использованный почвогрунт совместно с растительными отходами подвергают термохимической переработке.The technical result is achieved by the fact that litterless manure is subjected to anaerobic digestion in a digester to produce bio-sludge and biogas. The bio-sludge is divided into solid and liquid fractions, the solid fraction is subjected to thermochemical processing to obtain an ash residue and a coolant for heating cultivation facilities and a digester. Biogas is divided into carbon dioxide and methane, carbon dioxide is used to intensify the process of obtaining crop products. Litterless manure is subjected to preliminary aerobic treatment with the decomposition of organic matter not more than 10-15%. The resulting substrate is divided into solid and liquid fractions, the liquid fraction of the substrate is subjected to anaerobic processing, the solid fraction of the substrate is subjected to additional aerobic treatment with decomposition of organic matter of more than 10-15%, after which it is at least partially used for preparing soil. The oxygen-containing gas formed during the preliminary aerobic treatment is mixed with the air supplied to the additional aerobic treatment. The carbon dioxide-enriched gas from the post-aerobic treatment step is mixed with carbon dioxide biogas. Used soil together with plant waste is subjected to thermochemical processing.

Принципиальная технологическая схема способа получения растениеводческой продукции в культивационных сооружениях и метана с использованием биоэнергетического потенциала бесподстилочного навоза представлена на фигуре 1.Schematic diagram of a method for producing crop products in cultivation facilities and methane using the bioenergy potential of bedding manure is presented in figure 1.

Согласно схемы, исходный бесподстилочный навоз поступает в накопитель 1, затем подается в аэробный биореактор предварительной обработки 2, в котором при распаде до 10-12% органического вещества исходного навоза происходит нагрев массы до температуры 50-60°С. Благодаря деятельности аэробных бактерий - гидролитиков, значительная часть (до 74% в пределе) органического вещества переходит в растворенную форму, и далее в узле механического разделения 3 в жидкую фракцию. Твердая фракция направляется в аэробный биореактор дополнительной обработки 4, сюда же подводятся кислородсодержащие газы со стадии предварительной аэробной обработки. Обогащенный СО₂ газ из аэробного биореактора дополнительной обработки 4 вместе с СО₂ биогаза направляется в шатер теплицы 5. Жидкая фракция направляется в анаэробный биореактор (метантенк) 6. Основная часть твердой фракции направляется в аппарат термохимической переработки 7. Образовавшаяся зола направляется на депонирование, а генераторный газ - в теплообменник смешения 8 (скруббер) для очистки и охлаждения. Нагретые промывные воды направляются в теплообменник поверхностного типа 9, сюда же подается эффлюент из метантенка 6. Нагретый в теплообменнике 9 теплоноситель (вода) поступает в регистры метантенка 10 и теплицы. 11, соответственно. Нагрев воды производится последовательно низкопотенциальным агентом (эффлюент) и промывными водами. Охлажденный в регистрах теплоноситель подается в скруббер 8 для промывки генераторного газа.According to the scheme, the initial litterless manure enters the drive 1, then it is fed into the aerobic bioreactor pre-treatment 2, in which when the decay to 10-12% of the organic matter of the initial manure is disintegrated, the mass is heated to a temperature of 50-60 ° C. Due to the activity of aerobic bacteria - hydrolytics, a significant part (up to 74% in the limit) of organic matter passes into the dissolved form, and then in the mechanical separation unit 3 into the liquid fraction. The solid fraction is sent to the aerobic bioreactor of additional processing 4, oxygen-containing gases from the preliminary aerobic treatment stage are also supplied here. The CO ₂ enriched gas from the after-treatment aerobic bioreactor 4, together with the CO ₂ biogas, is sent to the tent of the greenhouse 5. The liquid fraction is sent to the anaerobic bioreactor (digester) 6. The bulk of the solid fraction is sent to the thermochemical processing apparatus 7. The resulting ash is sent to deposition, and generator gas - into mixing heat exchanger 8 (scrubber) for cleaning and cooling. Heated wash water is sent to a surface-type heat exchanger 9, and an effluent from a digester 6 is supplied here. Heated heat carrier (water) in a heat exchanger 9 enters the digester 10 and greenhouse registers. 11, respectively. Water is heated sequentially with a low-potential agent (effluent) and wash water. The coolant cooled in the registers is supplied to the scrubber 8 for washing the generator gas.

Некоторая часть твердой фракции после дополнительной обработки в аэробном биореакторе 4 направляется в качестве субстрата для приготовления почвогрунта 12.Some of the solid fraction after additional processing in the aerobic bioreactor 4 is sent as a substrate for the preparation of soil 12.

Биогаз из метантенка 6 поступает в узел разделения биогаза 13, из которого диоксид углерода направляется в шатер теплицы 5, а товарный метан - потребителям. В случае необходимости, метан и генераторный газ могут быть по крайней мере частично использоваться во внутреннем энергетическом цикле комплекса «теплица - животноводческая ферма». По окончании вегетационного цикла, отработанный почвогрунт 12 и растительные остатки направляются для обезвреживания и в качестве дополнительного источника энергии в аппарат термохимической переработки 7.Biogas from digester 6 enters the separation unit of biogas 13, from which carbon dioxide is sent to the tent of the greenhouse 5, and commercial methane is sent to consumers. If necessary, methane and generator gas can be at least partially used in the internal energy cycle of the greenhouse-livestock farm complex. At the end of the vegetation cycle, the spent soil 12 and plant debris are sent for neutralization and as an additional energy source to the thermochemical processing apparatus 7.

Наиболее приемлемым по геометрическим (параллелепипед) и технологическим (высокая концентрация взвешенных веществ на входе) ограничениям типом заглубленного метантенка 6 является так называемый «перегородочный» биореактор, несложный в изготовлении и надежно функционирующий в рассматриваемых условиях (Калюжный С.В. с соавт., «Анаэробная биологическая очистка сточных вод»,сер. «Биотехнология, т.29, М.: ВИНИТИ, 1991»).The most acceptable geometrical (parallelepiped) and technological (high concentration of suspended solids at the inlet) restrictions, the type of buried digester 6 is the so-called "partition" bioreactor, simple to manufacture and reliably functioning in the conditions under consideration (Kalyuzhny S.V. et al., " Anaerobic biological wastewater treatment ", ser." Biotechnology, t.29, M .: VINITI, 1991 ").

Конструктивная схема метантенка данного типа представлена на фигуре 2. Жидкая фракция поступает через загрузочное устройство 14, эффлюент выгружается через разгрузочное устройство 15. В рабочем пространстве метантенка 6 по ходу субстрата размещены полупогружные перегородки 16, формирующие траекторию движения обрабатываемого потока. Обработка ведется посредством взвешенной или сфлокулированной микрофлоры, за исключением секций 17 и 18, в которых могут быть предусмотрены соответствующие носители биомассы.A structural diagram of a digester of this type is presented in Figure 2. The liquid fraction enters through a loading device 14, the effluent is discharged through a discharge device 15. Semi-submersible partitions 16 are placed along the substrate along the substrate in the working space of the digester 6, forming the trajectory of the processed stream. Processing is carried out by means of suspended or flocculated microflora, with the exception of sections 17 and 18, in which appropriate biomass carriers can be provided.

Claims

1. A method of producing crop products in cultivation facilities and methane using the bioenergy potential of bedrock manure of livestock farms, according to which bedrock manure is subjected to anaerobic processing in a digester to produce bio-sludge and biogas, bio-sludge is divided into solid and liquid fractions, the solid fraction is subjected to thermochemical processing with ash residue and coolant for heating cultivation facilities and digester, biogas is divided into dioxide carbon and methane, carbon dioxide is used to intensify the process of obtaining crop products, characterized in that the litterless manure is subjected to preliminary aerobic treatment with the decomposition of organic matter no more than 10-15%, the formed substrate is divided into solid and liquid fractions, the liquid fraction of the substrate is subjected to anaerobic processing , the solid fraction of the substrate is subjected to additional aerobic treatment with the decomposition of organic matter more than 10-15%, after which at least partially The soil containing oxygen is formed during preliminary aerobic treatment, mixed with air supplied to the additional aerobic treatment, and the gas enriched in carbon dioxide from the stage of additional aerobic treatment is mixed with carbon dioxide of biogas.

2. The method according to claim 1, characterized in that the soil used together with the plant waste is subjected to thermochemical processing.