用于禽畜废弃物厌氧消化的系统及方法与流程

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技术领域

本发明涉及禽畜废弃物，尤其来自猪舍的废弃物的厌氧处理，而不使用废水池或堆肥。

背景技术：

饲养禽畜用于食物生产的天然产物之一是禽畜废弃物(即，粪肥)的积累。非常大的生产设施可以产生难以置信的数量的废弃物。具体来说，大型猪场产生大量废弃物，已难摆脱处理废弃物的麻烦。

典型的猪舍大约160英尺长，40英尺宽，大约容纳1,100头猪，其大约6个月成熟用于市场屠宰。目前通过使用来自猪舍的水冲洗清除废弃物。尽管已经提出了几种用于猪舍粪便的处理方法，但是目前最常用的处理方式是将水和废弃物冲洗到废水池中进行处理。可替代地，通过耗氧堆肥法来处理高浓度粪肥。

废水池面临几个问题。来自废水池的流体通常喷洒在作物上。允许固体材料在废水池中腐烂和/或散布在作物田地上。这引起对来自田地和周围地区的不可接受的气味的投诉。另一个问题是可能发生风暴或其它洪水情形，导致废弃物及其相关病原体到达地表和地下水。这导致地方市政当局或依靠该地下水位用于饮用水的其他人的问题。

北卡罗来纳州是美国第二大猪肉生产州，并且一直受大量的养猪泄湖及其相关问题困扰。大型养猪场每天可以产生数吨废弃物，使整个县弥漫有臭味并且承受这种废物处理方法的问题。由于这些问题，北卡罗来纳州立法机构已经减少了新猪场的建设，等待养猪场废弃物处理的解决方案。因此，仍然需要找到一种可接受的方法替代废水湖，迄今为止还没有一个可行的解决方案。当然，问题不单独在北卡罗来纳州。在世界各地，大型养猪场和其他物种的禽畜养殖场，诸如家禽和乳牛，也面临类似问题。

技术实现要素：

本发明是一种用于修复猪舍粪肥的备选的解决方案，其中，废弃物经由生物质除砂、消化和共消化，以产生沼气能和有机肥料，而没有可怕的气味和现有技术的其它问题。在一个实施例中，除砂器、厌氧消化器和次级消化器是模块化设计，以便容易地配装在一起形成用于日常或半连续处理的整体结构。为了使系统紧凑和有效，它必须隔热并且在嗜热温度(即，50℃至60℃)下操作。

因此，在一个实施例中，本发明涉及一种用于半连续处理来自禽畜舍的禽畜废弃物的方法，包括：

a)定期从禽畜舍中清除未稀释的禽畜废弃物；

b)将所清除的废弃物放置在具有足够热水或蒸汽的水解除砂室中以获得至少约50℃至约60℃的混合物并且进行除砂；

c)将经除砂的混合物转移到保持在约50℃至约60℃的温度的厌氧消化器室中并消化；和

d)将至少一部分经消化的混合物转移到装载有干生物质的次级固相消化器室，并且在至少约50℃的温度下发酵混合物，并且从固相消化器中清除生物有机肥料。

在另一实施例中，本发明涉及一种用于半连续处理来自禽畜舍的禽畜废弃物的系统；

a)包含禽畜废弃物的一座或多座禽畜舍；

b)与厌氧消化器室流体连通的水解除砂器，其又与次级固相消化器室流体连通，全部在隔热的整体结构中，其中，通过流动压力实现流通；

c)热水或蒸汽，与来自一座或多座舍的禽畜废弃物结合，足以将组合温度升高至约50℃至约60℃；和

d)其中，来自禽畜舍的禽畜废弃物然后与水解除砂器流体连通。

附图说明

图1是本发明的系统的描绘。

图2是本发明的方法的实施例的流程图。

图3是本发明的模块化系统整体结构的剖面侧视图。

具体实施方式

尽管本发明容许许多不同形式的实施例，但是在附图中示出并且将在本文中详细描述具体实施例，应当理解这样的实施例的本公开被认为是示例并且不旨在将本发明限制于所示出和描述的具体实施例。在下面的描述中，在附图的几个视图中，相同的附图标记用于描述相同、相似或对应的部件。该具体实施方式定义了本文中所使用的术语的含义，并且具体描述了实施例，以便本领域技术人员实践本发明。

定义

术语“约”和“基本上”意指±10％。

如本文中所使用的术语“一”或“一个”被定义为一个或多于一个。如本文中所使用的术语“多个”被定义为两个或多于两个。如本文中所使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多个。如本文中所使用的术语“包括”和/或“具有”被定义为包括(即，开放式语言)。本文中所使用的术语“联接”被定义为连接，尽管不一定是直接连接，并且不一定是机械连接。

术语“包括”不旨在将本发明限制为仅用这种包括语言来要求保护本发明。使用术语包括的任何发明可以使用“由...组成(consisting)”或“由...组成(consisting of)”权利要求语言分成一个或多个权利要求，并且是如此打算。

在整个文档中对“一个实施例”、“某些实施例”和“实施例”或类似术语的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特点包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各种地方的这些短语的出现不一定所有是指相同的实施例。更进一步地，特定特征、结构或特点可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中，而不受限制。

如本文中所使用的术语“或”将被解释为包括性或意指任何一个或任何组合。因此，“A、B或C”是指以下任何一种：“A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。该定义的例外仅当元件、功能、步骤或动作的组合以某种方式固有地相互排斥时才会发生。

附图中特征的绘制是为了说明本发明的某些方便的实施例的目的，而不应被认为是对其的限制。在操作的现在分词之前的术语“器件”指示所期望的功能，对于该功能存在一个或多个实施例，即，用于实现期望功能的一个或多个方法、设备或装置，并且本领域技术人员可以根据本文的公开内容从这些或它们的等同物中进行选择，并且术语“器件”的使用不旨在是限制性的。

如本文中所使用的，术语“砂砾”是指存在于禽畜废弃物内的不溶性砂质，诸如猪、家禽和奶牛粪肥废弃物。术语“禽畜废弃物”是指任何废弃物类型的禽畜粪肥，诸如猪、家禽和奶牛粪肥，其将用于厌氧消化系统并且含有砂砾。例如，在一个实施例中，禽畜废弃物被周期性地每天从禽畜舍转移到除砂器室。不过，本领域技术人员可以选择适当的时间，例如每12小时、24小时、36小时和48小时等。

如本文中所使用的，术语“除砂器室”是指被设计成用于在升高的温度下用热水或蒸汽保持和水解有机废物的空间。室可以由任何材料制成，诸如不锈钢、玻璃纤维或混凝土室，并且在一个实施例中，罐必须隔热以便一旦添加热水就在整个过程中更好地保持升高的温度，而不需要附加的加热装置。升高的温度(约50℃至约60℃)促进水解并且分离砂砾，添加足够的热水，或者注入蒸汽以将混合物升至该温度。水解和除砂的浆料被转移，并且在一个实施例中，在流动压力下通过周期性进入的粪肥和热水(参见附图)被迫进入厌氧消化器室(例如，参见图3)。在操作一段选定的时间后，砂砾通过沉降在水解室的底部累积。它可以通过泵或用重力底部排水管(诸如锥形区域)清除，以通过排出砂砾来清除砂砾。这可以周期性地进行，例如，每日等等。

在每个室或系统中的操作是半连续的，从而周期性地(例如，每天等等)供给粪肥和排出有机肥料。在一个实施例中，作为活塞式流动系统，即，流体重力转移，液化材料从其在其中停留一天的除砂器室流到其在其中被保留至少约10天(在一个实施例中，约10天至15天)的水平厌氧消化器罐(在一个实施例中为流体重力)，然后将消化器混合物(消化物)加入次级固相消化器中1天至5天，最后作为有机肥料排出。整个系统的操作是半连续过程，以保持猪舍清洁。然后，活塞流依赖于新添加的废弃物以及添加到除砂器中将经除砂的材料推送经过系统的水。因此，在一个其中废弃物每天被添加到除砂器中的实施例中，室足够大到容纳一天的混合物(水和粪料)。添加第二天的混合物将第一天混合物推到第二室，并且取决于第二室的长度(大小)将确定混合物在该室中停留的长度等等。在一个实施例中，厌氧室是除砂器室大小的10倍，即，当在除砂器中一天时停留10天(保留时间)。

本发明的方法包括：将诸如猪粪肥之类的有机废物添加到除砂器室中。这可以通过刮擦等进行，而不稀释粪肥，直到它到达除砂器室为止。将热水加入到室中或将蒸汽注入室中以获得浆料混合物，其中，最终混合物为约50℃至约60℃，并且通过隔热保温将混合物保持在罐中的该温度下，而非进一步加热罐内容物。通常，本领域技术人员可以基于通过简单测试过程添加的粪肥的重量，获得最佳的固体百分比，从而获得适当的水量及其温度。在一个实施例中，将1：1比例的热水添加到除砂器室中的粪肥中，以得到基于重量/重量的5％至10％的总固体百分比。可替代地，可以将蒸汽注入除砂器中以升高温度并且达到5％至10％的总固体浓度。在一个实施例中，水解除砂器过程需要一天。第二天，将来自猪舍的新鲜粪肥刮入除砂器中，并且加入热水以迫使至少一部分的经除砂的混合物流入大型消化器罐中。可以如上文所描述的清除砂砾。

一旦混合物被除砂，就将其转移，并且在一个实施例中，其在悬挂壁下流动到厌氧消化器的连接的水平室，用于厌氧消化和用于生产沼气。如本文中所使用的，“厌氧消化”是其中微生物在不存在氧的情况下分解可生物降解材料以产生较低固体的液体流出物的过程。消化过程从输入物质的细菌水解开始，以分解不溶性有机聚合物，诸如碳水化合物、蛋白质和脂质，并且使它们可用于其它细菌。产酸细菌然后将糖和氨基酸转化为二氧化碳、氢、氨和有机酸。最后，产甲烷菌将这些产物转化为可以被收集和利用的被称为沼气的甲烷和二氧化碳的气体混合物。产甲烷古细菌群体在厌氧处理中发挥不可或缺的作用。沼气可以被收集到在消化器罐顶部上的柔性和可膨胀的塑料膜覆盖物，其中，沼气又可以被泵送到大的中央气体储存站用于进一步的处理和利用。在该消化阶段，被称为“消化物”的混合物流动至下一阶段需要至少10天(10倍消化器体积/每日进料体积)的时间。该阶段中的消解在隔热室中保持在约50℃至约60℃。整个系统可以用屋顶封装以降低热损失。

其用作该过程的一部分用于处理可生物降解废弃物。作为产生、捕获和利用沼气的综合废弃物管理系统的一部分，此项技术减少了温室气体排放到大气中。厌氧消化器还可以利用诸如玉米杆、稻草之类农弃物，或特定的能源作物，供给用于共消化。

本发明的方法产生由甲烷、二氧化碳和痕量的其它“污染”气体组成的沼气。该沼气可以直接用作气体燃料用于热量并且被脱硫后用于发电，或升级为用于运输燃料的天然气质量生物甲烷。使用沼气作为燃料有助于替代化石燃料。还有，所产生的富营养消化物可以浓缩成液体肥料，或进一步加工成生物有机肥料。来自该阶段的液体流出物或消化物被传送到第三级罐。在一个实施例中，在另一个实施例中预加载生物质，将排出的消化物喷洒在生物质上(参见图3)。

将从厌氧消化器室排出的消化物转移至预先装载有干生物质的次级固相消化器，用于在约50℃至60℃下进一步发酵混合物。在一个实施例中，次级消化器是保温的，不含加热器。

如本文中所使用的，术语“生物质”是指植物材料，包括芒草、柳枝稷、藜草、大麻、玉米、杨树、柳树、高粱、甘蔗、多种树种和作物或蔬菜废弃物。典型地，这些植物材料富含多糖，并且是可收集的和可干燥的。

在一个实施例中，在添加消化物之前，将生物质固体装载在次级消化器的室中。每天在生物质顶部添加(例如，通过喷洒)消化液(在一个实施例中以1：1的重量比)，并且保存在保温室中用于发酵。流出物的温度保持在约50℃至约60℃，混合物不进一步加热，并且将室隔热以保持温度而无需进一步加热。将混合物发酵约1天或更长的时间。

所得产物的固体含量高，为约30％至约50％。通过浸出、压制或干燥分离液体。然后，大于50％的高固体物质可以用作生物有机肥料或根据需要。更多的沼气也可以从该步骤由顶部收集到可充气膜覆盖物中。

如本文所使用的，术语“半连续”是指本发明的周期性过程，其以规则的周期性间隔(诸如每天、每隔一天等)从禽畜舍清除材料，并且将材料与热水或蒸汽一起在禽畜生长季节期间添加到除砂器室中。半连续粪肥进料的工艺将通过重力流动并且在消化器中混合来推动内部混合物。消化物将每天排放到次级固相消化器中以取决于所添加的量和频率产生生物有机肥料和更多的沼气。

如本文中所使用的，术语“禽畜舍”是指农场禽畜生长的建筑物，诸如猪一般一次生长6个月左右的建筑物，也就是猪舍。

如本文中所使用的，术语“禽畜生长季节”是指禽畜在搬运用于屠宰之前停留在禽畜舍中的时间，例如，肉猪的生长时间。

如本文中所使用的，术语“模块化”是指整体建筑物流系统中的部件，即，除砂器、厌氧消化器和次级消化器，其可以被换新并且可互换地模块化并且被设计成配装在一起作为单个单元或整体结构，而非仅通过管道等连接的分离部件。示例如图3所示。模块可以根据需要定制或预制。

附图

图1是本发明的系统，其描绘了整体建筑物中的流动系统。在该方法中，存在两座猪舍1，其在约6个月的时间段内养有猪，每天收集粪肥2，例如，通过刮板集粪，没有水稀释并且与将混合物升高至约50℃至约60℃的热水或蒸汽发生系统4一起转移到水解除砂器5a。处理砂砾5并且经除砂后的混合物在至少约10天(停留时间：在一个实施例中为10天)内在向除砂器添加更多混合物的壁下流到厌氧消化器6，然后流洒到装载有一定量的生物质8的次级消化器7中。在清除或干燥9之前，将次级消化器7中的混合物放置至少二十四小时，以产生干有机肥料10，其可以容易地装袋并且出售。沼气首先从主消化器和次级消化器的柔性顶部收集，然后泵送到中央存储装置10a。整个系统可以由屋顶55覆盖。

图2描绘了具有猪舍实施例的本发明的方法。猪舍11在一年生长季节期间的大约六个月内养满猪。将粪肥从猪舍11中刮下并且收集12，并且与足以将混合物升温至约50℃至约60℃的热水或蒸汽一起置于水解除砂器室中约二十四小时(在一个实施例中)13。根据需要周期性地清除砂砾14。经除砂的浆料混合物流到厌氧消化器，并且在将更多的粪肥和水添加到除砂器时，继续流入次级消化器，其中，发酵约10天，其中停留时间等于10天15。

消化物溢出(流过壁)到装载有生物质的次级消化器中并且发酵一天或更长时间16，随后在任选干燥的情况下作为有机肥料排出17。如所指示的，从两个消化器的顶部收集的沼气可以被泵送到中央存储装置18。流动压力使得所有的混合物被推动通过系统。

图3描绘了本发明的模块化系统的侧剖视图，其中，模块化部件配装在一起以形成具有流通架构的整体结构。在该视图中，来自舍的粪肥刮下物31和热水或蒸汽32被组合并且通过清除板34并且将粪肥31和热水32放置在所连接的除砂器室33内部而被放置到所连接的除砂器室33中。经由除砂器室33的底部处的砂砾阀36清除砂砾35。

来自除砂器室33的除砂器浆料37通过来自进一步添加的粪肥和水的压力进入厌氧消化器室38，其允许通过壁30上方和下方的浆料37的初级消化，同时通过沼气膜40收集所排放的沼气，并且被运输到中央储气库。厌氧消化器室约为除砂器的体积的十倍，从而当混合物流过系统时，允许在系统中有十天的停留时间。

经消化的液体43在约10天的停留时间后，经由喷嘴48溢出壁43a到模块化次级固相消化器44(其装载有生物质45)，并且在经由肥料出口46清除之前的至少24小时或更长时间内发酵，该肥料可以任选地是进一步干燥的肥料。应当指出，该结构50是隔热的，以使除了加热添加到粪肥中的水之外，不需要加热器。将收集更多的沼气40并且泵送到中央储气库。

示例

在一个实例中，添加来自两个猪舍的粪肥刮料，每天约11吨，其中注入11吨热水或蒸汽以提供约50℃至约60℃的温度，在24小时内添加到来自图3的类型的水解除砂器中，而无需进一步加热。该浆料减去砂砾每天流动在厌氧消化器中10天的时间，而无需进一步加热。消化器中的一部分(例如，10％)的量半连续地溢流到装载有22吨干生物质的次级消化器，培养二十四小时或更长时间，并且将排出物半干燥。因此，每个周期大约二十四小时，并且每天加入粪肥以产生肥料和沼气。

本发明所属领域的技术人员可以进行修改，从而产生采用本发明的原理的其它实施例，而不背离其精神或特点，特别是在考虑上述教导时。因此，所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而不是限制性的，因此本发明的范围由所附权利要求而不是由前述描述或附图指示。因此，尽管已经参照特定实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的结构、顺序、材料等的修改仍然落入本申请人要求保护的本发明的范围内。