废物处理装置及其方法

专利名称：废物处理装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种废物处理装置及其方法。
背景技术：
至今为止，处置包括牲畜饲养场粪便的废物的过程一直是耗时且昂贵的过程，这些牲畜饲养场包括养猪场、肉用牛养牛场、奶牛挤奶棚和存放场，以及大规模商业运行的家禽饲养场。这主要是由于不溶性或不可消化的固体或污泥的处置问题引起的，这些固体或污泥主要是由动物粪便构成的，有时混入了难消化的饲养场饲料。动物粪便含有蛋白质、蛋白质分解产物、脂肪、复合碳水化合物和木质纤维素。木质纤维素是一种半纤维素和木质素的非晶形基质。半纤维素是多糖类，通常是有分支且由糖类和糖醛酸形成。由于木质素是通过自由基的缩合作用形成的，所以木质素是高度交联的无规律重复单元的芳族聚合物。动物粪便中的木质纤维素来源于大麦(例如大麦芒)、苜蓿、高粱和其它饲料。
参见澳大利亚专利申请91080/91(即国际专利申请PCT/AU91/00587，公开号为WO 92/11210)，它描述了一种废物处理方法和装置，包括使生物废物流过一个或多个悬挂着的隔板，这些隔板是由两层软的网构聚氨酯泡沫塑料和一层插入其间的合成材料的加强层构成的。这些隔板构成了丝状微生物的载体，微生物形成了一层致密的细胞物质层。这些微生物可以除去生物废物中的溶解磷、以氨形式存在的氮，和作为有机酸的碳。
WO 92/11210所描述的方法在处理来自酒厂和啤酒厂的生物废物以及甘油废物方面是非常有效的，这是因为这些废物无需初始的厌氧发酵步骤，而如上所述初始厌氧发酵步骤对处理饲养场废物是必需的。如WO 92/11210所描述的，没发酵的生物废物必须经过厌氧发酵处理步骤，以将复杂的大分子，如碳水化合物、蛋白质、脂类分解成8个或更少个碳原子的有机酸。通常在有产酸发酵菌存在的情况下进行发酵，这种产酸发酵菌能够生产有机酸，如挥发性脂肪酸，通过如上所述的悬挂隔板装配单元技术，脂肪酸容易代谢成二氧化碳。
通常发酵时间要经历5天或更多，在经过发酵之后，可溶的降解物质集中在上清液中，使它与不溶的或未降解的污泥组分相分离，如上所述，上述污泥组分中含有木质纤维素。
传统难消化物质的处置方法包括使难消化物质进入厌氧处理池、化粪池或坑。或者，通过过滤，或通过在露天或有盖的砂床干燥使难消化物质脱水。随后焚烧干燥后的污泥，或把它用作肥料。在某些场合下，难消化物质还可填埋处理。
然而，应当知道，在厌氧发酵池或消化池中存在有难消化物质，不得不使厌氧发酵池关闭一段时间，以除去难消化物质，这项工作是耗时的、不经济的且昂贵的。
在某些穆斯林国家，如马来西亚或印度尼西亚，还不能将难消化物质输送到厌氧处理池或土地填埋。在实现这种处置方法的国家，由于运输费用高，所以这种方法相对比较昂贵。
厌氧消化池中存在难消化物质是人们所不希望的，在这种情况下，经过一段时间，消化池中会积累难消化物质，并且，由于生成了酚类化合物，从而抑制物质按有效方式进行的发酵反应。这些化合物对WO/9211210说明书中的悬挂隔板技术使用的丝状微生物也是有毒的。
还应当知道，难消化物质还含有许多致病微生物，在厌氧发酵步骤之后，当把难消化物质作为泥浆泵到厌氧处理池之前，或当把它们埋到土地下时，它们不能被灭绝，并因此会传染疾病或感染。为了避免这种可能性，如在Henry等人的Journal Appl Bact 55 89-95(1983)中所述的那样，需要将难消化物质的pH值降低到pH4.5或更低(也即低于挥发性脂肪酸的pKa)。在这一方面，应当知道，游离的挥发性脂肪酸能够除去细菌性病原体。
发明概述因此，本发明的目的是提供一种处理废物的方法和装置，它在有效地处置不溶的或不可降解的含有木质纤维素的污泥方面，至少能够一定程度地解决上述问题。
本发明的方法包括以下步骤(i)使含有不溶组分的废物经过一个生物反应器系统，该生物反应器系统包括多个串联的生物反应器，并使上述不溶组分作为悬浮物保留在所述废物中；和(ii)使不溶组分从废物中分离出来。
本发明还提供了一种废物处理装置，包括(i)包括用于处理废物的多个串联的生物反应器的生物反应器系统；(ii)在经过生物反应器系统之后，用于使不溶组分从上述废物中分离出来的部件。
适于用本发明方法处理的废物包括人或动物的粪便，且优选地是来自如上所述的饲养场的粪便，其中还会有含有木质纤维素的饲料。
通过溢流管使每一个生物反应器相互连接，使得无需泵送，废物或出流物就能够迅速而有效地从一个生物反应器流到相邻的另一个生物反应器，以便从一个生物反应器到另一个生物反应器输送废物。
每一个生物反应器都设有搅拌部件，它使每一个生物反应器中的物质呈泥浆或悬浮状态，使固体物质保持悬浮状态，以达到本发明的目的。
每一个生物反应器中还有可进行适当加热的加热部件，一种形式是提供蒸汽，使蒸汽出入每一个生物反应器。然而，还可以使用其他形式的加热部件，例如电加热。优选地，通过适当地采用恒温控制部件，使每一个生物反应器的温度都维持在希望的温度，25-50℃之间，更优选地是在30-40℃之间。在一个最佳实施方式中，当废物流过每一个生物反应器时，温度缓慢地从初始的40℃降低到最后的30℃。
优选地，使进入生物反应器的废物的pH值保持在5.0-7.0之间，更优选地是在5.8-6.4之间。在每一个生物反应器中的停留时间可以是12-48小时，但是，较合适的是24小时。
在废物的出流物离开生物反应器之后，可以流过一个过滤器或筛滤器，以滤除不溶物质，不溶物质可以焚烧掉，或者如果要把它输送到土地填埋场，如上所述可以使它流过酸化池。应当知道，可以用任何适当方式，除去不溶物质。然而过滤是一个优选的步骤，还可以采用絮凝。
然后，使来自过滤器的上层清液或溶液流入一个或多个酸化池，在上述池中停留24-48小时，以使pH值降低至低于4.5，更优选的是4.0-4.5之间，该pH值低于挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸和辛酸以及有关的异构体的pKa值。这些挥发性脂肪酸(VFAs)是在厌氧生物反应器系统中产生的，降低pH值是为了在酸化池中将VFA盐转化为游离酸。这会如果不是全部也是大部分地消灭细菌病原体。
上述步骤的一种变形是在某些情况下，在出流物离开生物反应器系统之后，在除去不溶物质之前，可以使它流过酸化处理池。在该实施方式中，在除去不溶物质之后，废物出流物可以流到一个下文还要描述的隔板装配单元。在废物流过生物反应器系统之后，在废物经过过滤处理之后，当不溶性物质不能用焚烧来处置时，用这种方式进行处理是优选的。
还需要提供一种使上述酸化池中保持二氧化碳或其它气体气氛的部件，以抑制上述酸化池中泡沫的增长。例如，这种部件可以是二氧化碳或其它气体的导管，它伸入一个或每一个酸化池中。这些导管可以连接到一个合适的二氧化碳或所述其它气体源上。
优选地，在该实施方式中，还提供了一个合适的输送导管，以便将在生物反应器系统中产生的出气(可能包括二氧化碳)输送到酸化池中，以保持被酸化的废物上的气体气氛。如上所述，该特征在抑制酸化池中泡沫或真菌，如Candidaingens生长方面是有用的。随后可以通过适当的导管使气体从酸化池流到气体洗涤器中，最后再排放掉。
最后，来自酸化池的废物流至一个悬挂隔板装配单元，例如它可以是上述91080/91专利说明书中所描述的那种类型的悬挂隔板装配单元，通过这种装置，可以从废物中除去氨形式的氮、溶解磷和作为挥发性脂肪酸的碳。一些碳以二氧化碳的形式释放出，其余的保持在微生物中。
附图的简要说明下面参照附图描述本发明的最佳实施例，其中

图1是根据本发明构建的废物处理装置的流程图。
图2是根据本发明构建的另一种废物处理装置的流程图。
详细说明图1中有一个进料的地下储槽10，进料中含有与来自养猪场(图中未示)的未经消化的物料或废物相混合的粪便。穿过切碎机12用进料泵11输送进料，在进料流入生物反应器13之前，切碎机12将进料中的颗粒物质切成小碎片或细小的分散物质，生物反应器13设置有带转轴15的搅拌器14，转轴15安装在轴承16上。在储槽10和切碎机12之间设有导管17，在进料泵11和切碎机12之间设有导管18，在导管20和生物反应器13之间还设有使两者流体连通的导管19。导管20有一个截止阀V1和流量控制膜片阀V2。导管21是使进料从生物反应器13穿过导管20回流到储槽10中的回流管线，用来循环进料这取决于阀门V1和V2的运行状态。
此外还设有附加生物反应器13A、23B、13C、13D和13E，每一个生物反应器的结构与生物反应器13的结构相似。在相邻的生物反应器之间设有转移物料用的溢流管22。每一个生物反应器都设有一个带截止阀V1的排放管23。
此外还设有一个蒸汽锅炉24，原料水穿过一个带单向阀V1的导管25进入其中。然后蒸汽流入一个带有压力控制阀组件27的导管26。
此外，如图所示，还设有多个蒸汽管28，每一个蒸汽管都与供气导管26流体连通，以将蒸汽输送到每一个生物反应器13-13E中。如图所示，每一个蒸汽管28还都设有一个止回阀(vacuum breaker valve)V3，以防止液体向回虹吸。在每一个导管28上还设有一个截止阀V1，以及与温度控制阀29以一个滑动闸阀的形式相关联的另一个阀V1，而滑动闸阀与导管30相关联，导管30还有一个温度自动调节器或恒温控制器31，温度自动调节器或恒温控制器以探针的形式伸入每一个生物反应器，以控制每一个生物反应器13-13E达到的温度。
每一个生物反应器13-13E还设有一个出水管32，它们分别与导管33流体连通，以便将流出的气体引入下文将要描述的气体管49中。流出的气体然后穿过回流管34A从气体管49流入一对并行连接的气体洗涤器34中，如图所示。气体洗涤器34的底部与导管35相关联，顶部与管36相关联。每一个导管35和36都由阀V4来截止，并与导管37流体连通，而导管37又与风扇38和烟囱39流体连通。此外还设有一个凝汽筒40。阀门V4的作用是使其中的一个气体洗涤器34不运行，以便进行维修。
在废物流出最后一个生物反应器13E之后，用输料泵41输送流出物穿过导管42，随后穿过管43流入污泥过滤器44。如图所示，压力指示器51与导管43以及导管47相关联。来自污泥过滤器44的固体部分45存放在容器46中，该固体部分45主要是木质纤维素，可用卡车46A将它们运走进行焚烧或用其它方式处置掉。然后富含挥发性脂肪酸或VFAs的液体部分穿过导管47输送到VFA进料槽48，在这里，在它穿过导管52输送到传送泵53之前，在借助于与导管流体连通的导管54输送到VFA储存池50之前储存2天。
导管28A用于将蒸汽从导管26输送到VFA液体酸化池56中，该酸化池56中有输送自硫酸储罐57的硫酸(H2SO4)，该硫酸储罐57与一个进料导管58相关联，该进料导管58同时还带有压力安全阀V5和排放导管59，排放导管59与连接硫酸泵60的导管62流体连通。此外还设置了一个污泥坑61。如图所示，硫酸穿过与导管58和59流体连通的导管62流入酸化池56，该酸化池56还设有搅拌器14，如图所示。在生物反应器13-13E以及池56中的每一个搅拌器14和与之相关联的轴15都设有变速控制装置(VS)，如虚线所示。可以将废物从池56穿过导管49输送到导管52中，然后，再输送到导管55中，随后池50中，或者，穿过导管57输送到池56中，这取决于截止阀V1的运行状况。
此外，还设置有导管64、63和65，每一个导管分别与池48、56和50流体连通，以便将流出的气体送回气体管线49A，并随后流过回流管线34A。导管67上也显示有一个温度控制器31，用于控制池56的温度。如图所示，通过温度控制阀29，导管67与导管28A流体连通。
如图所示，池50也设置有温度指示器68，池56还设置有pH指示器69。
将来自VFA储存池50的液体穿过导管71输送至悬挂式隔板装配单元70，并流过带有变速控制装置VS的隔板进料泵72。导管71可以分成单独的导管73和74、75和76，以及77和78，如图所示，它们可以在隔板装配单元或隔板部件79A其中的一侧加液体。如果需要可以使用三个附加组件79B，以增加悬挂隔板装配单元70的废物处理能力。为清楚起见，省略了组件79B到泵72的流通连接。每一个组件79A和79B都被装在一个带有倾斜的排料底板81的外壳80中。还可以使用一个与外壳80相关联的温度指示器82。
来自外壳80的气体流过导管83、调节阀V6、冷却风扇84和烟囱85。如图所示，另一个调节阀V6与外壳80的内部流体连通，运行每一个调节阀V6以控制穿过外壳80的空气流。优选地维持外壳80内部的空气压力低于大气压。
从外壳80的倾斜底板81流出的废物流入处理后废物储槽86中，该储槽86中有一个通过导管86A与其相关联的排放泵87。还设有一个控制泵87的水位部件91，用来维持外壳80内的流体水位。还设有一个pH指示器89。通过一个带回流管线89A的泵87穿过排放导管88泵送废物。如图所示，废物穿过导管90、从导管88回流到外壳80中。此后，废物流过处理槽92，它通过导管94与另一个槽93流体连通，而导管94又与泵95相关联。随后通过导管97将废物转移到进料池96中。此后导管97A将流体输送到养猪场的处理沟或处理槽98中。然后，流体通过溢流板99流到储槽10中，或者，穿过导管100流到一个带排料泵102的地下储槽101中，该排料泵用于使流体穿过管103而转移到处理池92中。
另一种布置如虚线所示，来自导管88的原料可以穿过导管104而被传输至过滤器105，由此，在用卡车108A运走焚烧或进行其它处置之前，将固体部分107储存在容器106中。流出过滤器105的液体部分经由导管105A流到液体储槽108中，经由导管109和泵110的帮助，可使液体部分回流到处理槽98中。
图2表示的是一个与图1所示的废物处理装置相反的改进后的废物处理装置。为简便起见，采用了相似的参考标号。图1所示的装置与图2所示的装置的一个不同之处在于采用了呈梯度排列的生物反应器13-13F，它们分别带有一个从相邻的生物反应器输送流体的溢流管22。为了简化起见，没有表示出阀门。导管18连接储槽10和生物反应器13，且来自蒸汽锅炉24的蒸汽流过导管26，随后穿过进气导管28分别进入生物反应器13-13F。排放导管32与主传输导管33流体连通，如同上述图1所示的废物处理装置。
如图所示，气体穿过导管33流入酸化池56A和56B，并穿过进气导管33A和33B流入每一个池。此外在气体洗涤器34上还设置了气体回流管线34A。
与图1所示的过程不同，在经过最后一个生物反应器13F处理后，废出流物或废物直接通过用虚线表示的导管44A转移到酸化池56A中。这种改变是，废物中仍然含有不溶组分，在废物穿过用虚线表示的导管45A之后，将废物从酸化池56B转移到过滤器44。随后，穿过用虚线表示的导管46A转移到隔板装配单元70中。
另一个不同之处在于采用了两个VFA液体酸化池56A和56B，从而使来自污泥过滤器44的液体部分流过导管47，随后流入池56A中。用泵60并通过导管62，从槽或筒57中输送硫酸至池56A中。然后将废物穿过导管62A从池56A输送到池56B。经过酸处理后的流体穿过导管71流到隔板装配单元70中。
流过隔板装配单元70的废液穿过导管86A流入过滤器进料池86中，然后流体通过泵87穿过导管88输送到处理池92中，或者在流过导管104A之后，穿过循环导管90流入隔板装配单元70。来自池92的液体在泵95的作用下，穿过导管97回到水槽98。流体还穿过导管104A从隔板装配单元70流到过滤器105，由此，液体部分穿过导管105A流到处理池108，此后流体穿过装配有泵110的导管109流入导管97中。
经过一系列生物反应器处理后的废物，再通过不同种群的菌丛在每一个池中连续进行消化处理。物料在每一个池中的停留时间短(约24小时)，这使得在每一个池中都能生成特殊的菌丛，并逐渐消化流经的物质。最后的结果是生成了挥发性脂肪酸(VFA)，例如C2-C8(醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸和辛酸和相关的异构体)。但不会生成不挥发性组分如乳酸和/或琥珀酸。此外还出现了痕量的苯乙酸。将发酵的最后产物限制为VFAs的目的是保证生成过量的酸，以有效地破坏废物中存在的细菌性病原体。
一系列的发酵试验使得每一个生物反应器的pH条件、发酵和停留时间得到了控制，以使VFAs的生成最优化。
废物处理装置的设计标准1.0 通则大气压力 101.325kPa最低设计温度 15℃，50％相对湿度最高设计温度 32℃，100％相对湿度运行时间 7天/星期，24小时/天2.0 进料规定进料物质 养猪场水槽地板冲洗水处理能力 1500L/天进料的固体比％3％w/v固体的粒径范围2-5mm进料的pH值5.8-6.4最低设计温度 20℃最高设计温度 30℃设计利用率85％设计流速 73.5L/h3.0 进料池形式 地下材料 混凝土停留时间 24小时能力 通常1500L温度 20℃-30℃4.0 厌氧生物反应器级数 6每级的停留时间24小时反应温度 1 40℃2 35℃3 35℃4 35℃5 30℃6 30℃发酵固体的％ 45％池材料FRP(间苯二酸)搅拌 悬浮物(大约0.25kW/m3)S.S. 316 A310 混合器5.0 发酵产物pH5.8-6.4温度 30℃固体％1.5％w/v
固体组成木质纤维素6.0 发酵后过滤过滤速度 L/m2.h滤饼湿度 根据％湿湿度产物的热值 20MJ/kg，气干燥每天的产物量Kg 257.0 酸化停留时间(分批) 48小时池数 3(分批级数)酸化后的pH值 4-5加酸比 每L滤液2-3mL H2SO4温度 天然酸消耗 3-4.5L/天酸储罐 200L圆筒输送酸 借助于泵或人工容器添加8.0 向隔板单元进料分析乙酸 137mmol/L 0.82％w/v丙酸 37mmol/L 0.27％w/v丁酸 38mmol/L 0.33％w/v戊酸 10mmol/L 0.10％w/v己酸 3.1mmol/L 0.04％w/v挥发性脂肪酸总量 1.57％w/v进料速度平均 62.5L/h设计 73.5L/hpH 4.5温度 30℃9.0 隔板组件隔板的处理能力 40-100L/m2天隔板数 3隔板落差 3米或更大运行温度-最高37℃空气温度在 28℃-32℃相对湿度％ 90％相对湿度％ 100％隔板之间的距离 150mm
权利要求
1.一种废物处理方法，包括以下步骤(i)使含有不溶组分的废物经过一个生物反应器系统，该生物反应器系统包括多个串联的生物反应器，并使上述不溶组分作为悬浮物保留在所述废物中；和(ii)使不溶组分从废物中分离出来。
2.如权利要求1所述的废物处理方法，其特征在于在每一个生物反应器中搅拌废物，使所述废物呈泥浆或悬浮状态，以使所述不溶组分保持悬浮状态。
3.如权利要求1所述的废物处理方法，其特征在于将每一个生物反应器中的所述废物加热到25-50℃之间。
4.如权利要求3所述的废物处理方法，其特征在于将该温度保持在30-40℃之间。
5.如权利要求4所述的废物处理方法，其特征在于在所述生物反应器系统中，在温度缓慢降低到的30℃之前，废物的初始温度是40℃。
6.如权利要求1所述的废物处理方法，其特征在于上述生物反应器系统的pH值保持在5.0-7.0之间。
7.如权利要求6所述的废物处理方法，其特征在于该pH值保持在5.8-6.4之间。
8.如权利要求1所述的废物处理方法，其特征在于所述废物在每一个生物反应器中保留12-48小时。
9.如权利要求9所述的废物处理方法，其特征在于所述废物在每一个生物反应器中保留24小时。
10.如权利要求1所述的废物处理方法，其特征在于在废物离开生物反应器系统之后，可以经过一个过滤器或筛滤器；以滤除不溶物质。
11.如权利要求10所述的废物处理方法，其特征在于在除去了不溶组分之后，使液体部分流入一个或多个酸化池，在上述池中停留24-48小时，以使pH值降至低于4.5，生成游离的挥发性脂肪酸，以在所述液体部分消灭细菌性病原体。
12.如权利要求11所述的废物处理方法，其特征在于在经过所述一个或多个酸化池之后，上述废物流入一个悬挂隔板装配单元，由此从废物中除去氨形式的氮、溶解磷和作为挥发性脂肪酸的碳。
13.如权利要求11所述的废物处理方法，其特征在于pH值降低到4.0-4.5之间。
14.如权利要求12所述的废物处理方法，其特征在于一个或每一个酸化池中保持一个二氧化碳或出气的气氛，以抑制细菌性病原体的增长。
15.一种废物处理装置，包括(i)包括用于处理废物的多个串联的生物反应器的生物反应器系统；(ii)在经过生物反应器系统之后，用于使不溶组分从上述废物中分离出来的部件。
16.如权利要求15所述的废物处理装置，其特征在于通过输送导管使每一个生物反应器与相邻的生物反应器相互连接。
17.如权利要求15所述的废物处理装置，其特征在于每一个所述的生物反应器支撑在一个斜面上，初始生物反应器位于一个比最后一个生物反应器高的位置上。
18.如权利要求15所述的废物处理装置，其特征在于每一个生物反应器都设有加热部件，以将运行温度维持在30-40℃的范围内。
19.如权利要求18所述的废物处理装置，其特征在于上述加热部件包括向每一个生物反应器注入蒸汽的部件。
20.如权利要求19所述的废物处理装置，其特征在于设置一个与蒸汽导管相连的蒸汽锅炉，蒸汽导管又与连接每一个生物反应器的注入导管流体连通。
21.如权利要求18所述的废物处理装置，其特征在于还设有恒温控制部件，使每一个生物反应器的温度都维持在上述运行温度的范围内。
22.如权利要求15所述的废物处理装置，其特征在于每一个生物反应器都设有搅拌部件，以使上述要处理的废物保持在悬浮状态。
23.如权利要求15所述的废物处理装置，其特征在于设有一个过滤器或筛滤器，以使所述不溶组分从所述废物的液体部分中分离出来。
24.如权利要求23所述的废物处理装置，其特征在于设置一个或多个处理液体部分的酸化池，以降低pH值，以便在一个或每个生物反应器中产生挥发性脂肪酸。
25.如权利要求24所述的废物处理装置，其特征在于还设置了一种维持所述酸化池中的二氧化碳或其它气体气氛的部件，以抑制泡沫的增长。
26.如权利要求25所述的废物处理装置，其特征在于上述维持二氧化碳气氛的部件包括传输部件，将在所述生物反应器系统中产生的出气输送到所述酸化池中。
27.如权利要求26所述的废物处理装置，其特征在于将来自所述酸化池中的所述气体被输送到气体洗涤器中，用以排放。
28.如权利要求24所述的废物处理装置，其特征在于进一步还设置了一个隔板装配单元，与所述一个或多个酸化池流体连通，以进一步处理上述废物。
全文摘要
一种废物处理方法，包括以下步骤(i)使含有不溶组分(如木质纤维素)的动物或人的粪便废物经过一个生物反应器系统，该生物反应器系统包括多个串联的生物反应器，并使所述不溶组分作为悬浮物保留在上述废物中；和(ii)通过过滤使不溶组分从废物中分离出来，一种废物处理装置，包括(i)包括多个串联的生物反应器的用于处理废物的生物反应器系统；(ii)在经过生物反应器系统之后，用于使不溶组分从上述废物中分离出来的部件，如过滤部件。
文档编号C02F11/02GK1143940SQ95192128
公开日1997年2月26日 申请日期1995年3月16日 优先权日1994年3月17日
发明者迪克·彼得·亨利 申请人:昆士兰大学