利用高温需氧发酵、石灰凝固和反渗透膜分离处理牲畜排泄物的方法

专利名称：：利用高温需氧发酵、石灰凝固和反渗透膜分离处理牲畜排泄物的方法
技术领域：
：本发明涉及一种处理牲畜排泄物的方法，特别是一种使用生物氧化工艺(高温需氧发酵)、化学絮凝和脱水工艺(石灰凝固)和物理纯化工艺(反渗透膜分离)及其组合处理牲畜排泄物的方法，其中生物氧化工艺使用在506(TC下操作的高温需氧发酵装置促进了病原微生物的灭绝和有机物质的分解，化学絮凝和脱水工艺产生石灰肥料(limingfertilizer)，并除去氮、磷、悬浮固体(SS)、色度(chromaticity)、有机物质，从而提高物理纯化工艺的效率，且物理纯化工艺浓縮了剩余的有机物质和氮，由此产生液相肥料而使牲畜排泄物作为资源。
背景技术：
：处理牲畜排泄物的方法根据牲畜的种类而不同，且主要地分成纯化处理方法和资源回收方法。纯化处理方法使用例如需氧、厌氧和液相腐蚀等处理方法。然而，由于牲畜排泄物中有机物质和营养盐类的含量很高，使用一般的污水处理方法实际上不可能纯化牲畜排泄物。经济和技术条件较差的小型家畜农场面对的是要符合浓縮规定的处理难题。同时，作为处理含有高浓度有机材料的废水的方法，从1970年代开始已经对使用由微生物反应产生的热能的高温需氧消化方法(无需其他外界热量供应)作为高浓度有机废水的纯化处理方法的一部分进行研究，但由于缺乏各种控制技术，该方法实际上没有被应用。现有的资源再回收策略主要由液相肥料和固相肥料的堆肥设备支持，主要基于个体农场。这个策略的争议点在于生成的牲畜排泄物的海洋处理费用的增加，这是由于个体农场的运行技术不充分且处理能力匮乏导致不能充分实现目标。另外，由于缺乏可以适当地处理牲畜排泄物的纯化处理方法，现有的牲畜废水处理策略正遭遇到很多困难。因此，韩国政府当局考虑到上述项目以处理作为水系统的主要污染源的牲畜排泄物，且提出了各地区的协作处理计划。然而，现有的协作处理计划的争议点在于，例如由于处理工艺的限制，以及由于收集系统和处理方法的限制，仅能处理高级水(high-classwater)，不能回收所有由农场产生的浆状牲畜排泄物；且由于使用了用于周期性发作的流行性牲畜接触传染病的消毒剂导致气泡产生和微生物灭绝，使处理效率迅速下降。而且，现有协作处理计划从牲畜排泄物的资源回收角度转移，在实行和成本上还存在大量问题。因此，需要有效稳定地进行资源回收和牲畜排泄物处理的早期开发和应用。由于对于处理牲畜废水的立法已被加强，普及了一种处理排泄物的方法，其中使用水调节材料(例如锯屑)对排泄物进行堆肥，使用生物处理(例如活性污泥法)对尿进行纯化。但是，由于牲畜排泄物需要相对长的时间处理，且运行技术不足，处理费用的重负，因此依靠海洋处理大量牲畜废水的农场近来有所增加。在其他的例子中，用下水道污泥等的有机肥料处理牲畜排泄物，利用了稳定方法的优点，该稳定方法是生产土壤改良剂、有机肥料等的废物处理方法。但是，石灰稳定方法可以在引入的污泥的湿度为7585%(固体物质的浓度为1525%)时使用。因此，难以在家畜农场中排出的大多数含水量为7590%的牲畜排泄物中使用石灰稳定方法。因此，开发了新的确保无害和安全的石灰稳定方法，但是没有开发用于含水量大于85%的牲畜排泄物的石灰稳定方法。因此，本发明已经开发了一种经济有效的资源回收方法，其在将牲畜排泄物回收处理成资源的过程中，使用通过生物氧化工艺具有排除有机物质效果的高温需氧发酵工艺、使用石灰的化学絮凝工艺、和使用反渗透膜分离技术的物理纯化工艺。在高温需氧消化技术中，在高温需氧微生物消化有机物质时产生的热量得以保持并在发酵装置中使用。普遍应用的高温需氧消化技术分为两种其一为一系统，其中自吸式曝气器/搅拌机装在反应器的一个侧壁上，且在反应器中混合有机物质的同时，提供氧气以分解有机物质；另一个为一系统，其中通过循环泵将内部的水由底部循环到顶部，所述循环泵装在反应器外部以向其内部提供氧气。这个技术的要点在于很好地控制供氧的方法，且保持微生物最大限度的生长。高温需氧消化方法在5565。C主要使用嗜热微生物时活性最强二因此，在高温需氧消化方法中维持反应器的温度在5565'C是非常重要的。在韩国，开发了一种反应时间在4天以内且可以生产质量优良的液相肥料的系统，在很短反应时间内将反应温度提高到高温(嗜热环境)的最后，同时曝气器平行运行，且连续研究系统驱动条件，其在高温下将牲畜排泄物发酵，并将牲畜排泄物再生产成液相肥料，同时，自1980年代后期开始利用牲畜排泄物的光合微生物的特性。
发明内容为了解决上述常规技术的问题，本发明的目的在于提供一种处理牲畜排泄物的方法，其使用了高温需氧发酵工艺、和使用石灰的化学絮凝工艺和使用反渗透膜分离工艺的物理纯化工艺。为了达成上述本发明的目的，本发明提供了一种处理牲畜排泄物的方法，其包括高温需氧发酵工艺、和使用石灰的化学絮凝工艺和使用反渗透膜分离工艺的物理纯化工艺。根据本发明的另一方面，还提供了一种使用高温需氧发酵装置和石灰凝固装置处理牲畜排泄物的方法，其中，无需外界供热，微生物自身产热从而保持高温环境，且将石灰加入牲畜排泄物使牲畜排泄物稳定，其中大量存在于牲畜排泄物中的病原微生物和通过水传播的致病微生物被消除，且将牲畜排泄物制成稳定的液相肥料和石灰固相肥料。根据本发明的另一方面，微生物自身产热以保持温度处于约5060。C。根据本发明的另一方面，通过加入石灰以稳定意指溶液的氢离子浓度(pH)变成pH12或以上。根据本发明的另一方面，将石灰、无机凝结剂和聚合物凝结剂注入在高温需氧发酵装置中加工的水中作为脱水助剂，因而得到尺寸大的颗粒状物质，且使用固液分离装置将固体物质制成石灰肥料，且上层液体在通过反渗透膜分离工艺生产浓縮的液相肥料时抑制重金属的浓度。本发明的上述和其他的目的和优点将会通过参考附图对优选的实施方式进行更详细的说明而更明显，其中图1是说明本发明处理牲畜排泄物的方法的流程图；图2是说明在高温需氧发酵装置中的生物氧化工艺的流程图；图3是说明在石灰凝固设备和脱水装置中的化学絮凝工艺的流程图；图4是说明在反渗透膜分离装置中的物理纯化工艺的流程图；图5是在高温需氧发酵装置中，处理时间对轮状病毒(Rota-virus)的消灭效果的图示；图6是在高温需氧发酵装置中，处理时间对0-157的消灭效果的图示；图7是对沙门氏菌(Salmonella)失活效果的图示；图8表示小球隐孢子虫(Cryptosporidiumparvum)在高温需氧发酵装置中处理前和处理后的荧光图片。本发明的最佳实施方式本发明优选的实施方式的处理牲畜排泄物的方法将会参考附图而说明。图1是说明根据本发明处理牲畜排泄物的方法的流程图；且图2是说明在高温需氧发酵装置中生物氧化工艺的流程图。高温需氧消化通过高温保存消灭了病原微生物，因此解决了在陆地上使用牲畜排泄物时对于病原微生物的担忧。在高温需氧发酵装置的生物氧化工艺中，将存放在废水储存池中的牲畜排泄物引入高温需氧发酵装置(TAO系统)中，其为一种通过传送泵无需预处理牲畜排泄物的生物处理工艺，因而同时进行强烈的混合和曝气，然后诱发高温微生物进行自发热反应，该反应自身产热。在反应器中，由于通过发热维持高温，因而消灭了大多数的病原微生物。另外，由于通过高温微生物排除了有机物质，且通过蛋白质成分的溶解产生氨，导致溶液的氢离子浓度(pH)升高。另外，通过氨的除气除去氮，以在高温下升高pH。将泵装在高温需氧发酵装置内，利用内溶液的吸入通过压力差自动引入空气的方法。为了除去空气注入导致在反应池上部形成的气泡，装上螺旋桨状气泡除去器。高温需氧发酵装置是间歇式装置，其可在使用高浓度(大于BOD30,000mg/L)有机固体物质作为基质材料，通过高温微生物反应一天时达到60°C(这是病原微生物的热致死亡点)。因此，100%的病原微生物通过高温保存效果而消灭。消灭病原微生物在降低陆地产生液体肥料的时候作用重大。当通过高温需氧发酵装置产生的液体肥料不能使用时，即处于不均衡的时候，应该进行纯化处理。从养殖农场排出的牲畜排泄物大多数为泥浆状，因此浓度很高。在现有的牲畜污水处理系统中，引入的污水通过离心分成固体和液体，通过化学凝聚/脱水进行厌氧消化，并进行活性污泥处理。这里，当浓縮具有聚合材料作为主要成分的原始废水时，会产生过量的气泡，且大量聚合材料在脱水后存在于剩余的上层液体中。因此，存在的问题是，由于聚合材料不能顺利地分解并在后续的生物过程中除去，因此后处理的花费巨大。高温需氧发酵装置将聚合材料制成小分子，因而在牲畜排泄物的纯化处理时起到预处理的良好作用，且因此在化学凝聚时，提供了降低气泡产生和降低剂量的效果。图3是说明在石灰凝固装置和脱水装置中的化学絮凝工艺的流程图。石灰稳定方法的基本目的是阻止病原微生物的活性。其受到pH水平和反应物的pH持续时间的影响，而并非受到使用的石灰的量的影响。如果反应物在pH大于12的环境中保持超过2小时，病原微生物被消灭且微生物活性被抑制。另外，优选的反应物的pH符合EPA(环境保护局)的PSRP(显著降低病原体的工艺)，其在pH12.5的条件下保持或在pH12的条件下保持超过2小时。而且，石灰本身作为植物的营养而被吸收和同化，但是改善了土壤的物理化学性质，例如土壤的渗透功能、土壤的含水能力、土壤的胶结功能、降低粘结力、代替基材、并避免干燥(removalofdrought)，因此，强化了根的活力并因而增强了吸收力，且解决或除去阻止农作物生长、促进有机物质溶液溶解或使有机氮累积矿化并使氨氮浓縮的各种有害条件，因而据信对农作物和土壤有很大的直接或间接影响。石灰凝固除去了包含在使用无机凝结剂和聚合物凝结剂的高温需氧处理液体肥料中的有机物质、悬浮固体和重金属，因而提高了作为后处理的膜分离的处理效率。另外，将石灰引入到没有在高温需氧处理装置中消灭的病原微生物中，使pH升到12。也就是，石灰凝固是稳定失活的且残留的有机物质的工艺。絮凝沉淀是注射药品且除去水中溶解材料或悬浮固体材料的工艺。絮凝沉淀分成3个步骤通过注射药品进行絮凝，凝聚产生的薄絮凝，和沉淀产生的厚絮凝。在3个步骤中的絮凝步骤注射了药品或凝结剂使微观胶体型的颗粒或溶解的离子或较大的悬浮固体不稳定，因而形成易于沉淀沉淀絮凝。参考图3，通过化学絮凝工艺的石灰凝固设备和脱水装置凝固包含在牲畜排泄物中悬浮的高浓度固体，产生石灰肥料，并包括絮凝样品控制池、第一絮凝池、剩余液储存池、第二絮凝池和过滤机。在絮凝样品控制池中，引入熟石灰以使得TAO处理水进行碱性水解，然后使pH从9.0增加到12.0。然后引入铁盐和聚合物凝结剂驱使大量絮凝，过滤机起到对凝结的废水进行固液分离的作用。在反渗透方法(为一种膜分离工艺)中使用的反渗透(RO)膜可以用作例如超过滤型的组件。反渗透(RO)膜分为管式(T)、中空纤维型(HFF)、扁平型(PF)和螺旋型(SW)。这些形式与超过滤基本上相同。反渗透(RO)膜具有约0.0005岸的小沟槽，其排斥离子成分，并由200600psi的压力推动。RO膜的操作速度一般为320g/sfd，但是有各种范围。参考图4，其是说明在反渗透膜分离装置中的物理纯化工艺的流程图，在通过物理纯化工艺的反渗透膜分离装置中的反渗透膜为选择性渗透膜，其可除去溶解的固体，例如金属盐。反渗透膜分离装置包括预处理泵和高压泵以注射大于渗透压的压力。这里，操作压力泵将废水分离成处理水和浓縮水。使用乙酸纤维素和芳香聚酰胺作为膜材料。膜的交换循环约为2年。当处理水的量降低时，用清洁液对膜进行清洗。用刷子刷管状(tubular)或管型(pipe-shaped)膜除去残余物。当洗涤不再有效时，更换新膜。通过R/O系统泵上来的水理论上被处理过，且回收率为100%，但是由于污染，1525%流入物被回收到浓縮水问题，且系统被设置成多级系统。一般的反渗透膜的孔径为0.00050.002#m。一般的反渗透膜在300~400psi(2027atms)的压力下驱动。为了防止污染，引入的流入水预加工成通常浊度为1NTU(比浊法浊度单位)或以下。需要化学处理设备、沉淀设备、过滤设备作为预处理设备，且最后的筒式过滤器的大小为5/"m。各种微生物在有丰富营养的牲畜排泄物中繁殖和传播。其中，存在病原微生物。因此，回收在牲畜排泄物处理中产生的污泥是不可能的，但是一般可以在分解和老化以后进行回收。高温需氧发酵装置使用牲畜排泄物的有机物质作为能量的来源，且由于通过自发热高温保存消灭病原微生物，因而稳定了污泥且解决了回收污泥的问题。高温需氧发酵以间歇式驱动，且每日流入或排出预计流量一次。注射原始废水时的温度为424°C，在反应结束24小时后，反应器的内部温度升到60。C左右，然后继续保持等温温度。由于在6(TC或更低的温度下所有的病原微生物在30~120分钟内被消灭，因此在使用这个高温需氧发酵装置生产牲畜排泄物的液体肥料时病原微生物被100%地消灭。现有的石灰稳定方法可以在引入污泥的含水量为7585%(固体物质的浓度为1525%)时使用。因此，难以在家畜农场中排出的大多数含水量为7590%的牲畜排泄物使用石灰稳定方法。因此，开发了新的确保无害和安全的石灰稳定方法，用于含水量大于95%的牲畜排泄物。[实施例1]申请人根据上述结构制备了牲畜排泄物处理模型装置，并且在约5个月的时间中，用5mV天的处理量进行试验。参考图2，其为说明在高温需氧发酵装置中的生物氧化工艺的流程图，排泄物储存池具有搅拌装置，其容量为37m3，得以在高温需氧发酵装置中处理固体浓度为58%的排泄物，并使用传送泵将排泄物从排泄物储存池转移到高温需氧发酵装置。然后通过空气泵向高温需氧发酵装置注射量为60mV次的空气，并在5565。C的驱动温度下处理排泄物。排泄物质的输入量为4.05.0mV天，且排泄物质的排出量为3.04.0m"天。从高温需氧发酵装置排出的废水被运到发酵液储存池中，发酵液储存池具有搅拌装置，其容量为37m3。使用传送泵将排泄物从发酵液储存池送到混合物池。混合物池有搅拌装置，其容量为10m3。在混合物池中，向排泄物加入40kg/n^熟石灰和5.0kg/i^铁盐，然后使其在pH1212.5下进行处理。将在混合物池中处理的排泄物发送到第一絮凝池中。第一絮凝池有搅拌装置其容量为6.01!13的，并加入0.50kg/mS聚合物。在第一絮凝池中处理过的排泄物被再次送到脱水装置进行脱水处理，然后再次传送到第二絮凝池。第二絮凝池有搅拌装置，其容量为10m3，并向排泄物加入5.0kg/m3铁盐，并额外地加入0.25kg/n^聚合物。然后在pH1010.5下处理排泄物。然后，在脱水装置中对排泄物进行脱水处理，然后将其再次传送到具有搅拌装置的滤液储存池。使用该滤液储存池中的传送泵将排泄物发送到反渗透膜分离装置中，且再次传送到37m3的具有搅拌装置的浓縮液储存池中。[实施例2]对根据本发明处理水进行分析。由位于韩国的Gungchon-ri、Munmag-eup、Wonju-city禾口Gangwon-do的养猪场收集牲畜排泄物。根据本发明，对牲畜排泄物进行高温需氧发酵处理、石灰凝固处理和反渗透分离处理，在牲畜排泄物的资源回收工艺中将牲畜排泄物生产成颗粒模式的石灰肥料和浓縮的液体肥料，且生成处理水。这里，基于公共加工场的废水排放标准分析处理水。根据排放废水标准，测量了BOD、CODcr、CODMn、SS、TN、TP和大肠杆菌(colitisgerm)。根据处理水的平均浓度，BOD为16mg/L，CODMn为25mg/L,SS为2mg/L,TN为44mg/L,TP为0mg/L,未检出大肠杆菌。也就是，处理水显示出适合排放废水质量标准的良好的数值。表1通过排水水质标准比较流入物/流出物<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>测量污染物的除去效率。在对与实施例2相同的排泄物分析的结果中，原始水的BOD和COD的浓度分别为平均35，000mg/L和25，877mg/L，其比流入公共加工场的废水的浓度相对较高。原始水的BOD和COD^的浓度相对高于流入现有公共加工场的废水的浓度的原因是实际农场生产的废水的浓度反映了其实际情况。表2显示流入物、单元工艺的浓度、和除去效率。在表2中，当每个处理单元工艺的除去效率在整个工艺中表示时，可看到除去效率为99%或以上。表2表2显示了污染物浓度和处理效率。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>99.0999.99100[实施例4]高温需氧发酵装置显示消灭病原微生物的效果。高浓度的对人类有害的病原微生物包含在牲畜排泄物和牲畜废物(呼吸器官分泌的分泌物、尿、羽毛和死了的牲畜的皮)中。每头牲畜(例如牛或猪)的排泄物的量远大于人类的排泄物，且每单位面积的排泄物量非常高，因为牲畜饲养的密度很高。因此，出于环境污染和公共卫生，牛或猪应该有效地管理。这个系统在55±5°(:下驱动24小时或在更长时间，更高温度下驱动。由于在这个系统中的反应温度非常高，牲畜排泄物转化成清澈的液体肥料，其中所有包括在牲畜排泄物中的大肠杆菌和有毒的病原微生物被消灭，且在图5至图7中显示了实验结果。除了法定标准以外，当在陆地上使用牲畜排泄物发酵肥料(提取物)和固体堆肥时，有毒微生物的分解和成熟度，和其是否存活是非常重要的。现在，C.Parvum和G丄amblia是导致水系统传染疾病的微生物。自1983年起，C.Parvum被视为水系统传染的主要原因，且从现有的饮用水的水卫生质量的角度看，C.Parvum已被视为最重要的病原微生物。另外，水路中存在最少0.8oocysts/L至最多112.0oocysts/L的C.Parvum。因此，报道指出可能会引起群体腹泻(Tsushima,2001;LeChevallier,1991;Rose,J.B.,etal1991)。通常，虽然蛔虫的胞囊(cysts)和卵囊对消毒液有很强的抵抗力，特别地，已知C.Parvum的卵囊对氯消毒有很强的抵抗力。但是，WHO(1996)和Fujino，etal(2002)等，报道C.Parvum和G丄amblia对加热抵抗很弱，在C.Parvum的例子中，报道其在55°C下于30秒被杀灭，在60。C下于15秒被杀灭。在使用这个高温需氧发酵系统处理的液体肥料的例子中，导致通过水传播的传染病的微生物被去活，因此除去了由牲畜排泄物引起的二次污染。[实施例5]测量使用石灰凝固装置除去和分离有机物质和磷的处理效率和性能。本发明通过使用熟石灰使溶液的氢离子浓度(pH)升到pH12或以上，以稳定并促使残余未分解有机物、色度诱导剂和没有在高温需氧发酵装置中除去的病原微生物的碱性水解，并且絮凝/除去重金属、SS和TP，并生产有机石灰肥料。表3表明石灰凝固方法的流入物、处理水的浓度和处理效率。根据流入物的平均浓度，BOD为l，119mg/L,CODMn为2，510mg/L，SS为150mg/L，TN为2,958mg/L,TP为7mg/L。可看出SS、BOD、和TP分别具有高除去效率。表3显示在石灰凝固装置中流入物/流出物的浓度和处理效率。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>如上所述，本发明可以将被认为是环境污染物的牲畜排泄物在水质量方面使其保持在排放废水标准内，因而防止水系统的富营养化。另外，本发明可以生产液体肥料、石灰肥料和高浓度液相肥料，其中液体肥料是通过使用高温需氧发酵处理工艺消灭了包含在牲畜排泄物内的病原微生物而获得，石灰肥料是通过使用凝固工艺而获得，高浓度液相肥料是通过使用反渗透膜分离工艺而获得，然后通过作为液体肥料和分解物还原到农用土地中，由此提供加工和回收牲畜排泄物的系统，其可实现循环性的环保农业工业。而且，在本发明中，牲畜排泄物不用原始水稀释，但是通过简单的工艺组合进行处理。因此，由于加工停滞时间短，本发明是经济的，且本发明提供的优点在于其仅需要很少的地皮成本。权利要求1.一种牲畜排泄物的处理方法，所述牲畜排泄物的处理方法包括以下步骤高温需氧发酵工艺；使用石灰的化学絮凝工艺；和使用反渗透膜分离工艺的物理纯化工艺。2.根据权利要求1所述的牲畜排泄物的处理方法，其中所述高温需氧发酵工艺使牲畜排泄物通过排泄物储存池和高温需氧发酵装置，然后排放到发酵液储存池。3.根据权利要求1所述的牲畜排泄物的处理方法，其中所述化学絮凝工艺使通过高温需氧发酵工艺存放在发酵液储存池中的物质，通过混合物池、第一絮凝池、脱水装置、第二絮凝池和脱水装置，然后排出到滤液储存池。4.根据权利要求1所述的牲畜排泄物的处理方法，其中使用反渗透膜分离的物理纯化工艺通过反渗透膜分离装置和浓縮液储存池。5.—种将牲畜排泄物转化成稳定的液体肥料和石灰固相肥料的方法，所述牲畜排泄物转化方法包括以下步骤使用高温需氧发酵装置和石灰凝固装置，其中微生物自身产热而无需外界供热，因而保持高温环境条件；向牲畜排泄物加入石灰以稳定牲畜排泄物；消灭大量存在于牲畜排泄物中的病原微生物和通过水传播的致病微生物；和将牲畜排泄物转化成稳定的液体肥料和石灰固相肥料。6.根据权利要求5所述的牲畜排泄物的转化方法，其中所述微生物自身产热以保持温度处于约50-60°C。7.根据权利要求5所述的牲畜排泄物的转化方法，其中所述加入石灰以稳定意指溶液的氢离子浓度(pH)变成pH12或以上。全文摘要本发明提供了一种处理牲畜排泄物的方法，其包括以下步骤高温需氧发酵工艺；使用石灰的化学絮凝工艺；和使用反渗透膜分离工艺的物理纯化工艺。所述高温需氧发酵工艺使牲畜排泄物通过排泄物储存池和高温需氧发酵装置，然后排放到发酵液储存池。所述化学絮凝工艺使通过高温需氧发酵工艺存放在发酵液储存池中的材料，通过混合物池、第一絮凝池、脱水装置、第二絮凝池和脱水装置，然后排出到滤液储存池。所述使用反渗透膜分离的物理纯化工艺通过反渗透膜分离装置和浓缩液储存池。文档编号C05F3/00GK101125767SQ20071013715公开日2008年2月20日申请日期2007年7月30日优先权日2006年7月28日发明者李明圭申请人:李明圭