CN1313835A - 舍饲条件下饲养场所产生废物的处理法 - Google Patents

Abstract

以废水处理装置(34)代替常规化粪池及废物弃置场,从而消除舍饲条件下,饲养猪、牛和家禽普遍引起的有毒臭气和水污染的问题。该处理装置(34)从废水中提取出粪肥,然后同收集的废气一起将粪肥干燥(40)和燃烧(40),液体废物部分被过滤(40)、除臭(40),然后通过泵(14)再循环到育养舍(10),用作冲洗水。

Description

舍饲条件下饲养场所产生废物的处理法

本发明涉及舍饲条件下(例如在育养屋舍中或肥育场中)饲养场动物，例如猪、牛和家禽的养育。更具体来说，本发明涉及舍养区域对冲洗动物所产生废物的废水进行处理的新型构建和改型系统。该工艺用于从废水中提取粪肥，并以有利环保方式处置所述粪肥。

根据现代农业技术，在饲养场舍饲动物条件下，由于其废物的处置，带来极为严重的环境问题。这些问题在养猪场、育牛场及养禽场均已遇到。

美国环境保护署估计过，全美有450000个舍饲动物饲养场在运作，其中有约6600个规模大到足以养育超过2500头猪，或超过1000头牛，或30000只鸡。但许多饲养场规模更大。EPA估计6600个饲养场有三分之二没有得到污染物排放许可，并且大部分获得许可的也不足以控制来自地上所弃置粪肥的废水污染。散布于地上，总是猪废弃物处置的原始方式。

场主、学者、企业家以及政府官员，已就动物废物的各种情况提出了种种解决方案，但一般来说不是成本高就是不适宜。因此，所有努力虽部分解决了问题，但要达到完善，差距尚远。从前在动物废物因其营养价值能售予农场主的地方，也由于方便的化学肥料的开发而根绝了这些又笨又臭的肥料市场。而且任何因关注环境问题而明显提高饲养场开销的措施，在极为激烈的养殖行业中是难以接受的。

由本发明解决的问题可应用于各种舍饲养殖场，以育猪舍为典型例，饲养场运作的这种类型将在本文中给予详细介绍，既联系本发明背景，亦结合本发明具体实施方案而举例说明。更具体来说，本发明将就美国第二大产猪州，北卡洛林那州的养猪业的各种情况加以描述。

北卡洛林那州的养猪场历经爆炸性发展速度带来的兴奋与忧患。该行业在1990-1995期间扩大了三倍以上，1995年有1千2百万头猪投入市场。产品大部分出口到其它州或其它国家。价格的竞争性及数量的增加，很快造成了以通过大规模经营来节约成本的趋势。目前北卡洛林那州(下面简称北卡州)每个饲养场有超过5000头猪，同时高技术自动化工厂式饲养场育有50000头或更多的猪。

当然，这样多的猪带来的不希望的后果是同样多的猪废物。北卡州1995年猪养殖业产生的废弃物多到相当于一个3000万人口的国家产生的废弃物。虽然自1980年以来废弃物量几乎增加了上百倍，而废物处置法却未曾改变。养猪场运作的详述(结合现有技术)

现参考图1结合现有技术对大规模养猪场运作进行介绍。猪自出生到投入市场均圈养在猪舍10的栅格上(未画出)。猪屎尿落入栅格下面的槽中。冲洗泵14从化粪池18抽出沉降过的冲洗水，充满水罐22供冲洗各猪舍用。猪舍地板下水槽中积存的废水然后流回到化粪池中，此处暂时储存废水，直至弃置场上永久性废水处置条件成熟为止，见下面所述。

废水中的粪肥废物在化粪池中沉降并分解。该过程使固体废物量减少，变成污泥状，产生极臭的气体，当该池中水由于强风、受热或大量排放而搅动时，臭气便释放出来。虽然池中废水必需按一定周期排空，但场主却很少清理沉降的污泥。结果池底不断升高，几年之后其深度变得不足以进行分解处理。场主便不得不建另一个化粪池。

由于废物积存再加上落入的雨水量超过蒸发量，化粪池中废水面会升高。为了防止溢出，必需将废水排弃于相邻弃置场地24而周期性地降低池中液面。

弃置场地24属于场主，并由场主操纵，专用于吸收高养料充满细菌的废水。重要的是这些场地应种植能完全吸收这些废物养料的农作物，以使这些废物不会通过土壤滤走而污染含水层及水系。

借助场地弃置来处置猪废物的效率，取决于废物的体积、场地大小、农作物类型及作物状况，再加上精心考虑的弃置操作。平均而言，有多于一半的饲养场采用弃置场地废物处置法。

动物废弃物的臭味比起其它形式的污染会引起更大的麻烦。饲养场的邻居会因过强的臭味而愤怒、沮丧，并丧失其财产价值。刺鼻的臭味最初出现是因为在缺氧条件下化粪池表面下的废物细菌分解而致。该缺氧分解过程会放出许多有害气体，如氨、甲烷以及挥发性脂肪酸。这些当中，脂肪酸产生最为烦人的气味。氨是酸雨的主要制造者，而甲烷引起全球变暖。当水变热，或因风而搅动，或者过量的废物放入池中时，这些气体便会放出。因此，难怪得养猪场最令人讨厌的气味是在池中液流向弃置场地排放时出现。尽管带来很多环境问题，但因缺氧池运作成本低，因此是饲养场粪肥最为普遍使用的池。

另一种比缺氧分解法投资较多的处理法由有氧池来达到。虽然有氧池能减小气味，但还是产生氨。需氧细菌要求恒定地供给氧，这可通过抽入大量的空气进粪水混合物中而实现。此外有氧法还取决于阳光。由于连续氧合作用的高成本及需要大的表面积，所以认为该需氧池对大多数动物废物的处理并不切实际。

北卡州有关化粪池构建的环保法规(它是其它州的这类法规的例证)，并不适应不断出现的问题。人们一般确信化粪池是自封闭的，也就是说，污泥沉积会将池底盖住，数月内可避免有害细菌及化学物质渗入地下水中。然而近期的研究表明很多的化粪池会渗漏，有些还很严重。研究人员发现建在渗透性土壤中的池从不可能有足够的密封性，而以粘土为基础的池，在经历干热气候接着突然淋雨后便会漏。可以使用合成材料内衬或压实膨润土建成防漏池，但这种方式建造的密封池成本高，因此，目前为止还很少用防护内衬构建池子的。

最近几年，出现过几次重大的池破裂事故。一个例子是，有10000头猪的饲养场上一个7.5英亩的化粪池泄漏了2千5百万加仑的未处理污物泄入附近的河流中，结果过量的硝酸盐引起大量的鱼死亡，延绵数英里。泄漏事故之后还发现粪便大肠杆菌类含量大大提高，这些细菌可对人传播致命的肠病，例如沙门氏菌及埃希氏大肠杆菌。

现有动物废弃物处置法的可能后果是Pfiesteria的爆发。所述Pfiesteria是因养猪或养鸡场粪便污染物泄漏过多流入河里，而发现的有毒生物体。自从1991年该有毒生物体被验明后，已怀疑从特拉华州到阿拉巴马州它已毒死了几十亿的鱼类。也确信由于与其寄生的水接触，或呼吸其散发到空气中的毒素而伤害到人类。

现有技术的废物处理法频繁地引起严重问题。废物通常散布于不毛之地，许多情况下还故意地未经处理就弃入河流或沼泽。从历史上看，化粪池的构建如此粗劣，以致池漏和破裂很普遍。在目前更为严格，耗资更多的构建规定下，场主却总试图在构建质量上打折扣。

即使目前人们对环境破坏问题有了更高认识，而北卡州执法当局除了偶尔的视察外，也无所作为。

鉴于公众对有关臭味的不断抱怨，1995年北卡州立法强制规定建新的养猪场离邻居不可近于1500英尺。对于10000头猪的养猪场，养殖区占地约100英亩，这包括育养舍、饲料仓、路、装料台、设备仓库等等。化粪池和弃置场地可占1百英亩至2百英亩以上。所有这些相加，由该强制法规要求的过大缓冲面，使之几乎不可能找到够养猪场用的大片土地，并使得新猪场的成本几乎不可能承受。1997年由于该法规受到激烈的抗议，被迫在该州大规模饲养场中将其延迟二年实施，而实际变得无效。除非有新方法或新技术采用，使臭味明显减小，无论什么新的运作，或是更强的操纵都行不通。在通过延迟法后，立法机构垦请大学和产业部门到1999年春季要解决该局面。

城市废水处理技术已被考虑用来作为解决上述问题的备选方案，但是该方法成本高，而对于动物废水处理的一般应用而言太冒风险。第一种处理法是除去可沉积的废弃固体物，结果大量的湿污泥必需装车运走用于垫地。第二种处理法是用有机物对废水中养分进行生物消化而使之降低。该方法依赖于小心维持能食用污物的微生物的健康培养。这要求有经验的操作人员随时注意，因为即使很轻微的搅动废水流，也可能引起该细菌菌落受损或死亡。这里，原有污物可直接通过该系统，然后再排入公用水系。

解决上述环境问题的另一方法由美国专利5078882和5538529提出，该两专利介绍以有氧方式和无氧方式处理废水，产生有益的腐殖质物料。但当该方法减少饲养场臭味的同时，又出现一些其它问题。通常当化粪池大而深到足以容纳沉积物时，常规无氧池的沉积污泥可以堆积几年之久。但对于小池而言该过程进行很快，如果不定时除去，可能完全停止处理过程。场主不得不保证定期采集沉积物并加以处置。如果有两个池子，便有助于除去沉积物，一个使用而另一个疏浚。当加有其它需氧消化剂时，该方法要求连续的强能量氧合作用。该方法也要求建有潮湿土壤区并维持之。除了化粪池，地面弃置仍需要，只是规模可小些。氨的产生仍不减弱。同时该方法对于非连续排水化粪池不可能使用。

因此，人们对于有利环境的饲养场废水处理系统有着迫切的需求，尤其需要拚弃借助化粪池和弃置场地的肮脏处置法，而代之以降低空气和水污染的新方法。最好该方法因消除化粪池和弃置场地，用自容纳处置系统取代之，而使饲养场面积缩小到目前的一半或更小。

本发明提供能大大减小或消除舍饲场养动物所产生的环境问题的经济实用系统，同时使饲养场所需土地也大大减少。更具体来说，本发明省去了化粪池和弃置场的原有处置方式，而代之以快速废物处理器，该装置能在几小时内将所有废弃物基本上分解掉。因此不需要保留化粪池，也无需弃置场按批量处置。而来自一般废弃粪肥的能量，可用于燃烧所有固体物及废气成分，以及有助于过剩废水的蒸发。使用太阳能蒸发的工艺还提供了过剩废水处置的低成本方法。其余的废水被过滤及除臭然后作为冲洗水再循环使用。本发明不会产生现有技术处理生成的氨和甲烷气等有害副产物。本发明适于构建新的饲养场，或者可用于改建现有以化粪池和弃置场来运作的饲养场。就改建运作而言，一旦安装上本发明体系，场主便可自由出售原用非连续弃置场地，或使用该土地扩大其养殖业。

从更宽范围来说，本发明介绍饲养场舍饲区所产生的动物废弃物的处理方法。首先汇集起来自饲养区的冲洗水和废物的废水流，从废水流中将粪肥分离出，形成湿粪肥部分和液体部分。将湿粪肥部分脱水，接着使脱水的粪肥燃烧。将液体部分净化，并再循环入舍饲区用作冲洗水。按照该方法，分离步骤是首先将废水过筛，产生第一部分湿粪肥，接着再将其余废水沉积，产生第二部分湿粪肥。因此，在分离和脱水步骤期间所产生的废水可以收集在一起并烧掉。

另一方面，本发明可以定义为一种废水处理装置，包括接纳废水流并将其分离为湿粪肥部分和液体部分的分离器；并有与分离器连通的干燥器，用于接纳湿粪肥，将其干燥至可以燃烧的程度；燃烧器与干燥器连通，用于接纳粪肥并使之燃烧；还有适宜的设备用于将分离器来的液体部分再循环到舍饲区用作冲洗水。该废水处理装置优选还包括下述设备：例如臭氧发生器，用于将用作冲洗水的液体于再循环之前净化；还优选包括冲洗水储水池，用于接纳和控制再循环前用作冲洗水的液体部分；以及带有水池的太阳能蒸发池，用于接纳来自冲洗水储水池中的冲洗水，并使其部分蒸发，以抵销冲洗水池中不断汇集的水。

而另一方面，本发明介绍将现有带有养猪舍饲区、化粪池和弃置场的养猪场，转变为只需较小面积、以有利于环境方式运作的饲养场。该方法包括在现有养猪场中安装废水处理装置，并根据上述方法操作之。此外，非连续化粪池内容物被排除，在该装置过剩的容量允许的情况下，可即时使之通过废水处理装置。这能使场主非连续地使用弃置场接纳化粪池水，运使弃置场可用于扩大养猪规模、用作常规种植园，或因无需弃置化粪池水，而将其售出取得经费，用来安装该废水处理装置、或按场主的意愿作它用。

本发明的某些目的已介绍过，当联系附图进行描述后，其它目的将显而易见。其中：

图1表示现有技术养猪场的基本构成；

图2表示配置有本发明废水处理装置的养猪场；

图3是构成图2处理装置一部分的废物处理器的代表性构件；

图4是配置本发明废水处理系统的一般养猪场，表示其质量平衡分析的流程图；

图5相似于图2，但表示本发明废水处理装置另一实施方案，即改建现有饲养场的方案；

图6是两工段分离器和干燥器的物理结合图；

图7是气体冷凝器视图；

图8是系统控制器视图；

图9是智能太阳能蒸发池的一种方案；

图10A和10B是太阳能蒸发池的另一方案主要部分的顶视图和侧视图。

虽然，下面将参考附图更为全面的介绍本发明实践的优选方式，但应明确，按照这些描述，本领域有适当技术之专业人员，可以对本发明所述进行修改而同样能达到本发明优良效果。因此，应理解这些描述只是针对本领域专业人员的广义指导性公开，而非作为对本发明的限制。

图2以图式说明本发明饲养场30的主要构成，其中化粪池和弃置场均由废水处理装置34代替。如上述图1所述现有技术系统一样，使用泵抽冲洗水将粪尿从育养舍废物槽中周期性冲走。根据本发明，废物和冲洗水一起靠重力流进有盖的未处理废物储罐38(其中装有废水，然后进行处理)。

通常废物即时被除去和处理掉，优选在其沉积于废物储罐38的同一天除掉。但储罐38优选容量要能容纳几天中产生的废物，以便处理装置关闭维修时也能承受。该罐38优选被盖住，阻隔放出的气味。风扇(未画出)将这些废气臭味吹向有盖处理器40，下面将详细讨论。如果系统动力丧失，罐38不起作用的通风(未画出)管总是开放，便使气味逸散到大气中。

固液废物的粗淤浆从废物储罐排入废物处理器40中，在此处由粉碎机56(图3)将其混合成均匀稠度。然后该淤浆流通过分离器58，将湿固体与液体部分分开。湿固体(粪肥)被送入脱水器或干燥器80，将其干燥到燃烧所允许的湿度，例如40％-70％水分，脱水操作使用来自焚化器或燃烧器120(下面要介绍)的烟道气。液体废物中大部分固体颗粒被清除后送入除臭器94中。

除臭之后，液流从处理器40流入清洁冲洗水储水池50中。在正常装置运行期间，除臭后的冲洗水当产生后便被从储水池50取走。使用后的冲洗水，由于日常动物废弃物的产生，其量增大，使其再回到处理装置废水储罐38中。

“智能”太阳能蒸发池55与清洁冲洗水储水池50相连，以避免过多的冲洗水聚积，这些水来自聚积的废物加降雨。在北卡州，正如许多地带一样，因为降雨量超过了蒸发量，暴露的水本身体积随时间而增多。正如下面要详述的，本发明“智能”太阳能蒸发池55与量雨计、计算机演算及蒸发控制器相连，这些能使该蒸发池感知降雨多少，从而将其除去。

由于省去了化粪池和弃置场地，本发明的废水处理装置消除了最为困难的管理要求。没有化粪池泄漏或破裂问题、没有大量的场地占用、也没有要遵循的弃置规则。在废水处理装置控制下，整个系统自动遵循环境规则。

值得注意的是猪的大小是从新生猪崽到超过600磅的大母猪，它们一般长到230-250磅即可出栏。所有猪的“标称”平均重量设定为135磅。

标称猪每天产生粪尿约1加仑，而1加仑猪废物由约7.5磅废液和1磅粪便组成。每头猪日产废水体积为约1加仑(尿+屎中水分)+1加仑遗洒的饮用水+8加仑冲洗水。

直接从猪所在地收集起来时，新鲜粪肥含约85％液体和约15％“干透”挥发性固体。因此一个10000头猪的饲养场每天能产生相当于1500磅干透固体物。1磅干透固体有热值7KBTUs，则每天总的潜热值为10.5百万BTUs。该能量将用来分解粪肥和气味，并蒸发大部分过剩废水。如果用电来提供这么多能量，则每个KBTU要花费3美分，则每年要耗费场主$115000。这等于给市售每头猪的成本不情愿地增加了$5.20。因此，如果不策划对粪肥能量加以利用，那么按现有养猪场经济核算，此种程度的改革不可能成功。

现参考附图3,4和6，以处置10000头猪的饲养场相应的废水处理装置为例进行说明。如上述，图3表示废物处理器40的主要子系统，该处理器将未经处理的废水转化为清洁冲洗水，同时将废固体物和气体燃烧。将未经处理的废物粗淤浆从其储罐38中抽出通过粉碎机56，在此处固体被粉细，然后与废水彻底混合。污水处理用的、相信适宜该场合的粉碎设备是购自新泽西州Livingstor的Franklin Miller公司的TM8500 Taskmaster粉碎机。

图6表示分离器58和干燥器80组合的方案，该分离器和干燥器封闭于联合外壳中。该分离器58包括一个旋转筛式分离器60，为主过滤器，还包括沉积罐式第二过滤器90。

筛分离器60包括分离器鼓SD，它通过鼓齿轮由鼓电机旋转，同时支承于鼓轴承B上。干燥器80中，连续的整体形成的干燥器鼓，按下述方式接纳来自分离器鼓SD的湿固体物，随分离器鼓一起旋转。虽然图示为共用单一鼓，但分离器58和干燥器80也可以采用不同鼓，或可以采用有独立非旋转子系统的其它所有不同形式。

来自粉碎机56的混合废淤浆直接泵入分离器鼓SD。该旋转鼓包括带有适宜过滤猪排泄物适当大小筛眼的强化筛筒62，已发现75μm数量级的筛眼适合此用。该鼓有稍向下的斜度、每次鼓旋转可使固体物向下移动(到图6的右边)。废物液体(由尿和冲洗水组成)通过筛落入下面的沉积罐90中，而废固体(即粪便)向前移至分离器端部，在此进入干燥器80，此时粪肥滞留于转鼓干燥器DD中。

直接从猪接纳的屎便自然水分约85％，分离器鼓的搅动和振动作用，使游离液体成分排除，遗下的粪肥可保持85％水分。

借助一排强力空气喷头72，清洗鼓式筛62，优选每次旋转整个连续地进行，所述喷头安装于与鼓SD相邻的杆74上，也随鼓全程转动。除了随着空气喷头旋转而使筛清洁之外，鼓中固体也由强力空气吹起，引起慢慢振动，有助于驱赶未结合的液体。该所谓“空气刮削器”的安装位置，要促进最佳翻滚及排泄、例如鼓底后面约30度角。粪肥固体物经受搅动翻滚作用持续几个鼓旋转周期，给以其最佳排液的足够机会。

如上所述，分离工艺分离出的湿废物固体在干燥器80中脱水，降低水分到适合焚烧的水平。与分离器一样，当鼓旋转时，干燥鼓DD的倾斜旋转筛将固体向前推。正如图6所示，与干燥鼓DD配合使用的清洗装置相似于分离鼓SD的空气刮削器设计。

干燥器80优选由高温罩84包围。来自燃烧器的不含有毒或有气味成分的热烟道气回到干燥器，在此该气体加热该湿粪肥，驱赶水蒸汽和废烟雾。如果粪肥进入燃烧器含50％水分，则其燃烧可以是自支持的，因此不需额外的能量来支持燃烧。如果干燥工艺未达50％湿度，则需一定支持能量加到燃烧工艺中。但正如下面马上要说明的，使用适量支持燃料对出栏猪的成本有一定影响。

如果1磅粪肥含0.85磅结合水，而理想的燃烧湿度为50％，则该粪肥必需干至含水0.15磅。因此，每磅粪肥中有0.70磅水分必需被排出，这需要700BTUs热能。每磅粪肥有0.15磅干透固体，每磅干透固体有7000BTUs热能，这样1磅粪肥便有1050BTUs热能。对烟道气总体来说，转移到干燥步骤的热转移效率为50％,1磅粪肥便能提供525BTUs干燥热能。丙烷，农业地区可最为广泛获得的燃料，将提供其余的175BTUs。每1000BTUs为$0.01，丙烷的使用为每头猪每天耗费$0.00175。因此按每头猪饲养平均160天计，附加出栏成本只有$0.28。

通过鼓筛62的所有废物落入沉积罐90中，其中缓慢而不搅动的液流会使小废物颗粒沉积到罐底。根据粪肥沉积特性，在最初的15分钟，有超过50％粪肥会沉积出来。为了相对完全沉积出来，优选应提供1小时的沉积时间间隔，但也可长可短。罐90的逐渐变尖的形状，使之能使用常规螺杆进料机92很容易地将沉积废固体物移出。然后使用污物泵(未画出)将该湿固体物从罐90转移到干燥鼓DD中。

大部分固体被除去之后，将废液净化，优选在除臭器中将臭味很快分解。优选实施方案中除臭器采用臭氧发生罐形式。臭氧为氧化有机化合物提供可靠而低成本手段。臭氧的普遍使用包括处理饮用水，游泳池和都市废水。它氧化矿物质、杀死细菌、病毒和藻类，并从水中除去不希望的颜色。在所述猪废水处理应用中，在不到1小时时间内，臭氧便能从废液流中除去臭味，臭氧处理之后，澄清的、无臭液体适宜再用作冲洗水，储存于清洁冲洗水储水池50中。对于10000头猪的饲养场，每头猪平均养育160天的情况下，臭氧发生和分配系统的操作成本，分摊于每头出栏猪只不到$0.20。虽然有各种不同形式的臭氧发生装置推入市场，但我们认为美国新泽西州Wayne的Finnegan-Reztek公司制造的DO-20型臭氧发生装置最满意。

干燥器出口82处，废物干燥工艺排出的热气体是有毒烟雾和水蒸汽的混合物。实践本发明的优选方式中，提取出水蒸汽使烟雾可以有效燃烧，水蒸汽的提取采用冷却而非加热方式、类似蒸馏的工艺，其端部采用气体冷凝器100。冷凝器100(细节如图7所示)包括热交换器101，其中将冲洗水F于室温下由泵103引入用作冷却源。冷凝器100通过温度控制系统，设定为180°操作。所述温度控制系统包括温度传感器105和温度控制器109，温度控制器带有传感放大器、电压比测计和启动泵103的动力转换电路。通过冷凝器的冲洗水流恒定地加以调节，使流出的冷凝水温(导管111)维持于180°F。通过115导管排除冷凝器的废气也是180°F。虽然180°F数量级的温度据信对气体分离最宜，但根据系统设计师提示决定的温度也可行。

处理装置34中，所有来源的废气由燃烧器吸流管抽入共用气箱110中。具体来说，是将未处理废物储罐38、粉碎机56、分离器58、除臭器94和气体冷凝器100上方的烟雾抽入气箱，在这里它们再被抽入燃烧器120，与来自干燥器80的脱水粪肥固体一起燃烧。优选燃烧器采用二阶段燃烧工艺，将颗粒状物最低限度耗尽，其中在第一燃烧阶段产生的气体和颗粒，变成第二燃烧阶段的燃料。认为适宜的此类燃烧器是美国威斯康辛州Milwaukee的Decton Iron Works公司生产的1250型。质量平衡分析

图4表示上述有关10000头猪饲养场所用系统的代表性质量平衡分析。图4详细描绘从废物淤浆进口至最后出口，即生成清洁冲洗水和清洁排出气体的整个废水处理装置处理过程。

每头猪的废水日产量约10加仑，由1加仑(尿+粪便液体)+1加仑(洒出的饮用水)+8加仑(冲洗水)组成。富余容量因素为20％的10000头猪的饲养场，因而每天要处理120000加仑废液。所有进入化粪池的废水中有废固体1％。每天120000加仑废淤浆每小时转化为417磅干透固体物，同时每小时伴有41283磅水。

处理装置的废物分离鼓对废物流进行初步过滤，截获至少60％输入物，或250.2磅/小时干透固体，同时有1417.8磅/小时结合水存在，而游离液体排入沉积罐中。有166.8磅/小时干透固体流入沉积罐，其中至少60％或100.08磅/小时在1小时内沉积出来被回收。

通过于旋转鼓中通入压缩空气流而使分离器筛连续清洁处理。当清洗空气流流过转鼓时，便与其中的废物放出的臭气相结合。该结合气体然后排入燃烧器中。

由分离鼓截获的固体加上从沉积罐回收的固体，每小时产量为350.3磅干透固体，同时含1985磅水，被施加于干燥器鼓。干燥器中，1500°F的烟道气与湿固体直接混合，由此蒸发约1500磅/小时水。在固体朝着燃烧器处湿度是约58％，如果需要，可延长固体在干燥器中的停留时间，使湿度进一步降低。

有携带66.72磅/小时全干固体废物的39298磅/小时废液离开沉积罐。该液体然后在除臭器94中臭氧处理(视需要由第二过滤工艺进行)，再输入冲洗水储水池50中。

1500°F的烟道气施加于干燥器80使粪肥脱水。气流中包含739磅/小时水蒸汽。当废物被加热时，蒸发1500磅/小时水分，结果出口的气流含2239磅/小时水。当湿粪肥被加热时，废烟雾也加入到气流中。水蒸汽在气体冷凝器100中被除去，使废烟雾被燃烧。冲洗水的其它考虑

理想情况是冲洗水储水池50应当储有足够应付有可能长时间关机所需的水，并且未处理废物储罐38也应有相同容量。但在很长时间关机无法运作时，有可能冲洗水断流，这种情况是不允许的，由此可以考虑三个另外的措施：

1．不管问题如何，提供可以短时间内恢复运行的应急维修服务，但这意味着替换零件要随时备好，但这不包括设备严重损坏的情况、也不能有劳动力障碍。

2．提供可以想像到的最长时间设备故障期间足够的冲洗水和废物储存容量。但这样大容量的防漏储水池和废水储罐成本很高，甚至有可能无法使用。

3．根据本发明，提供简单、低成本的解决办法。储水池容量能供给5天所需清洁冲洗水，这对于大多数维修来说时间足够了。如果5天时间已用完，冲洗水便从另外的水源抽取，即来自未处理的废物储罐38，通过手动应急启动冲洗水源阀门99。因此，在紧急情况下，也可以利用尤如一个小化粪池的未处理废物储罐。应注意到，当储水池抽空了时，废物储罐会充满。就像化粪池一样，冲洗水将从离废水沉积处一定距离的位置处抽取。

如果储水池50有足够5天停机所需的容量，则应急情况需再循环使用未处理废水的情况极为少见。关机第一周期间会产生的气味由于厌氧微生物分解而不出现，因此并不令人生厌。同时，在任一地区并不可能有一个以上的饲养场出现同时设备关机的情况，因此从总的效果来看，饲养场的邻里应是较为满意的。过剩的设备容量

设备关机期间积聚在未处理废物储罐38中的废物，应在操作重新开始时迅速处理掉。因此该设备的处理能力和蒸发能力应设置在比日常废物产生速度高至少20％的程度。当过剩的能力不需用于减少废物储罐的积聚时，可用在排空非连续化粪池的改造设备中。储水池容量

如上所述，冲洗水储水池50应当能够为几天关机情况下供给足够的清洁冲洗水。该储水池也要能够储存未被蒸发的过剩冲洗水，应提供一个月不蒸发的容量。

在用于10000头猪饲养场的优选实施方案中，总储水池容量按下式确定：5天×(10000头猪×8加仑冲洗水/猪/天×120％容量因素)+30天×(10000头猪×2加仑新增水/猪/天×120％容量因素)=1.1百万加仑。按327375加仑/英亩-英尺计，则要求3.3英亩-英尺的容量，运对于一个12英尺深的池子来说，其面积需0.28英亩。废物储罐容量

废水储罐38的容量，可如下简单求出：5天×(10000头猪×10加仑废水/猪/天×120％)=600000加仑或1.83英亩-英尺。这对于一个12英尺深的池子来说，其面积应是0.15英亩。智能蒸发池

根据现有技术(图1)，来自育养舍的冲洗废水80-90％由化粪池排出的冲洗水组成。该冲洗水可被看作是恒定再循环体积，但与从育舍冲洗出的所有水的体积不同。其余10-20％废水由尿(主要从饮水衍变的)、漏洒的饮用水、猪群挪动时洗猪栏用的新加水(占较少比例)组成。粪便固体物占总量的约1％。

化粪池液面提高主要由于新加的水。净降雨量，即雨水蒸发较少，是化粪池充满的第二个主要因素。恰如由于废物积累和降雨使化粪池充满一样，清洁冲洗水储水池也会充满。

为避免储水池50溢流，优选要有提供对抗水积聚的设备。虽然由处理设备34产生的冲洗水，比它们的来源(即废水)要干净的多，但仍然不能直接排放于环境中。而蒸发则是除去过剩冲洗水的完全适当方法。为此，提供一种“智能”蒸发池55(图9)，它在除雨天以外的所有时间均启动。系统控制器130(图8)启动泵P，从储水池50将清洁冲洗水运送到蒸发水池130，并在蒸发进行时，保持恒定水平。

蒸发池55操作如下：当感受到雨水时，冲洗水回排闸132打开，使蒸发水池内容物借助导管133排回到冲洗水储水池50中。因此，雨水不可能使水池130溢流而使得冲洗水放入环境中。排放闸132保持开放，直到预定量的雨水落入，洗涤蒸发水池130中内容物后回到储水池50为止。当冲洗水排放闸132关闭，则雨水排弃闸136打开。该雨水排弃闸136使所有随后降下的雨水落到蒸发池上再被排放到地上。排放闸132和雨水排弃闸136均由系统控制器130电动操作。如果雷雨天停电，该两闸不起作用，转到安全状态，由此蒸发器卸掉内容物排入冲洗水储水池，而不排入环境中。

北卡州海岸平原养猪地区可查得的蒸发资料表明，8个较暖和月份，即3月1日-11月1日，平均蒸发速度为每月6.1英寸。注意冲洗水储水池的设计，要有够长达30天无蒸发的容量，可使用按蒸发池面积计算出来的平均蒸发速度。从4个较冷月份可查到的资料表明，每月蒸发速度约2.5英寸。应注意较冷季节动物用水明显少于较暖季节。

由5英亩太阳能池产生的蒸发，加上过剩储水池容量施加的平均影响，使得蒸发系统与全年总液体废物的产生保持同步。对于典型10000头猪的饲养场而言，太阳能蒸发的要求列于下表1中：

表Ⅰ

蒸发：11月-2月过剩废物/天      =尿+漏洒的            =14,000加仑/天平均蒸发         =2.5英寸/月           =0.007英尺/天(注1)蒸发体积/英亩                          =2,275加仑/天(注2)5英亩蒸发体积                          =11,375加仑/天(注3)蒸发：3月-10月过剩废物/天      =尿+漏洒的             =20,000加仑/天平均蒸发         =6.1英寸/月            =0.017英尺/天蒸发体积/英亩                           =5,550加仑/天5英亩蒸发体积                           =27,900加仑/天注1：为北卡州东部的太阳能蒸发速度(根据1995、1996年数据)注2：43,000平方英尺/英亩；7.5加仑/立方英尺注3：11月-2月期间，超过蒸发能力的废水量将积累在冲洗水储水池中，并在3月-10月期间被蒸发掉。

在改建的情况下，需要排放非连续化粪池。根据是否只需保持化粪池水平，或是否必需使其降低，而决定增加太阳能池1英亩或2英亩面积。

蒸发池底部应是有小坡度的光滑圆锥状，使它可以无阻碍的快速排泄。希望平均池深度尽可能浅，以使充满蒸发池所需能量最少，而作用于通过池中的液流上的空气最多。类似于构建新化粪池所推荐的，其内衬可用塑料片材，优选覆盖于池底。该片材能避免每次蒸发器排空时池底的砂子、粘土冲入储水池中。以装备激光的电动平路机所能达到的场地平整精度，可以使蒸发池底定纵坡度达到0.1英尺以内的水平。这能使蒸发池底锥体仅为4英寸或更短。

如表Ⅰ所示，10000头猪的饲养场，需要5英亩蒸发池。用于这种面积的开垦和修建投资，如果没有砾石、灌木和树林等，不会很高，大体与其它设计差不多。一个光滑的6英寸锥体，相应的平均蒸发池深度恰好3英寸，充入水的体积达最小，由此使泵抽成本最低。这种锥体在最少搅动残渣的条件下提供良好的排泄作用。但是，希望所有饲养场都有闲置的满足此种要求的5英亩完整平地是不现实的。因此，另一种智能蒸发池255(图10A和10B)为不连续的台阶式池型蒸发工段，可放置于任何放得下的开放空间。各工段均有6英寸锥体，因此总共5英亩蒸发池平均深度仅3英寸。台阶式排列也由于需挪动的土方最少而使构建成本最低。各池型工段260、262、264、266有一对排水闸，可将其内容物排入下一工段，而最后一个工段266则排入储水池50。最后工段266还有附加的排放功能，提供直接将其内容物排入储水池50，或排入环境的能力。所有的闸，优选全关闭时为6英寸高，正好是该处锥形池的深度。因此这些工段不可能过量充满，因闸的溢流设计限制了各工段的水量。工段266的环境排弃口稍微高些，以避免非故意的溢流。

当充填蒸发池255时，冲洗水由泵P抽入最高工段260，然后根据设计，水由最高工段直接落入下一较低工段，或通过导管输入。这一连串工段连续地下流直到最低工段266，在这里过多的水溢出6英寸蒸发池排水闸，在储水池50处其导管终结(储水池也是该循环水开始导出的地方)。蒸发池各工段可以分布在很远的距离，且可升高取最有利的饲养场地形。在改建装置中排放现有化粪池(图5)

当以本发明废水处理装置代替化粪池和弃置场地时，老化粪池并不完全废弃。因为废水再也不流向它，所以化粪池将不断积聚雨水，最后将溢流出。同时，许多现有化粪池均有泄漏，在本发明废水处理装置使它闲置之后将愈加严重。无论废弃的化粪池已知是否泄漏，都应制定降低其泄漏可能性的计划。降低水位，可相应减小造成化粪池泄漏的作用力，由此降低化粪池泄漏速度。

因为没有附加的废物排向废弃的化粪池，废水处理装置安装之后，使用连续喷灌农田计划，在18个月之内可降低其水位三分之二。此后农田不连续喷灌，该设备的过剩容量可用于慢慢排出化粪池中其余的水。系统控制器

图8中所示系统控制器200，由自动化程序控制所有关键废水处理装置参数，包括储水池和废物储罐水位、通风和烟道气流速、燃烧器温度、冷凝器温度、臭氧发生水平、雨水比率、蒸发池泵入速度、蒸发池闸处的传感器、电池电压水平、动力供给电压以及电机电流等。从模拟传感器产生的所有信号被多路传输入模拟-数字控制器201，将其转换为数字形式输入计算机202。借助固态AC转换器机组，该系统控制器可启动各组件和子系统。

该废水处理装置的操作所有时间都必需按规则进行，包括紧急情况在内。为使系统有最大限度可靠性，该系统应经常自我测试，并不断监测其关键参数。出现不可能自动校正的超正常范围状态时，将会使该系统控制器发出紧急维修警告。然后整个系统将切断，结果系统停机处于无源状态。呼叫即时图形显示系统状况，并加以测定的中心服务组的功能，将极有效地参与问题的确定。通过加入遥控系统控制功能到中心服务诊断程序中，可使问题更快更准确的得到解决。储水池一般将储有5天的清洁冲洗水。如果要更长时间关机维修，则中心服务系统必需找寻低级储水条件，然后手动关闭储水池阀，并打开废物储罐冲洗水阀门，从废物储罐引出冲洗水，相当于从化粪池引出一样。

整个系统的动力均由持续供能装置210提供，它一般情况下能排出线路故障并调节AC电压。但在AC线路电压降低期间，该持续供能装置可将备用电池的DC动力转化为全振幅60Hz AC动力，由此启动系统连续运转。认为适于此处应用的持续供能装置是标准智能-UPST系列，由罗德岛西肯斯顿的美国动力转换公司制造。线路电压的降低可由计算机支持模块214上的电路检测出，然后输送该信息到计算机202中。因为大部分动力中断是在很短时间内发生的，而计算机在最初60秒内不工作。60秒后备用模式会启动，引起蒸发池泵、除臭器和冷凝器泵关闭。燃烧器也置于自动关闭模式。废物储罐泵、分离器和干燥器被清除、洗涤和关闭。除了计算机支持模块外，所有元件的动力均被关闭。备用模式中最主要之点就在于使动力消耗降至最低，因此计算机和所有电路都尽可能处于静止状态，只有计算机支持模块保持供能。当需要服务时，支持模块上的定时器电路会发生周期性的唤醒计算机的信号。

计算机与计算机支持模块联系周期性地自测。当试验结果正确时，该计算机再接入支持模块的定时电路上。如果测试结果不正确，则不能接入支持模块定时器上。当定时器不能定时时，计算机支持电路利用专用电话联系装置220发出自动服务警告。如果系统控制器功能出现问题，则智能蒸发池55将自动发出命令排水。同样，当系统控制器测定出备用电池电压处于临界状态，它也使蒸发池排水。

当蒸发池的排水闸升起，蒸发池内容物被排入储水池50中。同时，升起排弃闸使蒸发池内容物弃入环境中，重要的是这些闸要有适当功能。按功能试验法，该闸一天至少试验一次，大大降低不利情况下的失效可能性。提起和降下蒸发池闸要证明其电动和机械元件有适当功能，但是该行为需释放大量的水。如果此时排蒸发池水到储水池的设计未加以考虑，无意识地排入环境中是绝对禁止的。为了适应试验要求，而又使试验排放量降至最小，利用一对独立开动的闸，具有排放和排弃两种功能。

该对闸各自装有上限和下限移动传感器。观察到试验开始，主闸和副闸便活动起来。主闸启动器被命令开放，它将导致对来自主闸上限传感器的反响，由打开主闸放出的水便由副闸使之停止。降下主闸的命令的发出，应来自对其下限移动传感器的反响。然后副闸被起降，产生相应的移动传感信号。主闸和副闸之间拦截的水被放出。但由于两闸相互很靠近，这样试验所排弃掉的水保持绝对最低量。例如，蒸发池深6英寸、闸宽6英寸，闸与闸之间相隔6英寸，那么试验的排弃量便只有不到1加仑。

蒸发池每次再充满所加入每头猪市场价中的成本只有约一分半美金，因此，对这样的一点小花费不会有人在意。该系统控制器使用精确的雨量计计量降雨速度和持续时间与合格标准比较，因此很频繁地交替进行小量雨水积聚和排空蒸发池操作。同样，雨量计数据能使控制计确定何时足够的雨已落入空蒸发池，保证其充分洗涤。此时蒸发池闸设置于能排弃随后落下的雨水的位置。认为适于此用的精确雨量检测器是纽约州Medina的美国Sigma公司制造的model970超声流量和水质测量器。其它方案(带式压滤分离器)

另一实施方案中，分离器58可以取自加料、自清洗带式压滤系统(未画出)。这种系统以彭苏维尼亚州Allison Park的RoedigerPittsburgh公司制造的model7 Meter Tower Press为代表。该系统能从含1％固体浓度的混合浆液中提取出30％浓度的猪粪肥。采用聚合物絮凝剂和精细纤维添加剂，当被加压时，该类肥颗粒被压成粘合在一起的湿层，而不会糊住过滤器(当要过滤的物质使网眼不可逆堵住时，便出现糊死不透的情况)。30％浓度的猪粪饼燃烧时，每磅将产生2100BTUs烟道气能量。燃烧器120要求约50％浓度粪肥固体方能自我支持燃烧。因此，该滤饼优选在干燥器80中从30％脱水至50％浓度，需要除去0.4磅水。因为只需400BTUs供脱水之用，而可利用的烟道气能量是2100BTUs，这对图3中干燥器80的能力来说是完全充足的。

虽然本发明已结合一些实施方案详细描述过了，但应明确，仍可作出不偏离本发明实质精神和范围的种种修改。

Claims (30)

1．处理饲养场舍饲区产生的动物废物的方法，该方法包括：

汇集废水流，所述废水流含有来自饲养场舍饲区的冲洗水和废物；

分离出废水流中的粪肥，由此将废水流分成湿粪肥部分和液体部分；

将湿粪肥部分进行脱水处理；

将脱水后的粪肥燃烧；

将液体部分净化，将其再循环入舍饲区用作冲洗水。

2．权利要求1的方法，其中分离步骤包括将废水过筛，产生第一份湿粪肥，然后从其余废水中沉积出固体，产生第二份湿粪肥。

3．权利要求1的方法，包括将脱水步骤产生的废气收集起来，并使之燃烧。

4．权利要求1的方法，包括将分离和脱水步骤产生的废气收集起来，使之燃烧。

5．权利要求1的方法，包括将焚烧脱水粪肥所产生的热能用于湿粪肥脱水步骤中。

6．处理饲养场舍饲区动物所产生废物的方法，该方法包括：

汇集废水流，所述废水流含来自饲养场舍饲区的冲洗水和废物；

将来自废水流的冲洗水和废物储存于液/固未处理废物储罐中；

从该储罐中抽出液固废物淤浆，并从其中分离出粪肥，由此将所述淤浆分成湿粪肥部分和液体部分；

将湿粪肥部分加以脱水；

将脱水粪肥燃烧；

将液体部分除臭；

在储水池中储存经除臭的液体部分；

部分蒸发储水池内容物；以及

将储水池经除臭的液体部分再循环到舍饲区，用作冲洗水。

7．权利要求6的方法，包括采用冲洗水环路的步骤，该环路有基本上恒定体积的冲洗水循环，冲洗水中附加的水以尿、漏洒饮水、废水等形式加入，其中以蒸发部分储水池中内容物的步骤从回路中除去足量水，以避免由于所述附加水所造成的水积累。

8．权利要求6的方法，包括收集储存、分离和脱水步骤中产生的废气，并使之燃烧。

9．权利要求8的方法，包括在燃烧废气之前，冷凝出脱水步骤所产生废气中的至少部分水份。

10．权利要求6的方法，其中动物废物在未处理废物储罐中沉积约24小时之内，按所定义的“即时”通过燃烧粪肥而加以处理。

11．权利要求6的方法，包括储存和分离步骤之间粉碎废淤浆的步骤。

12．权利要求6的方法，其中蒸发步骤由输送储水池部分内容物到太阳能蒸发水池而完成。

13．权利要求12的方法，包括在降雨期间，将太阳能蒸发水池中水排向储水池的步骤。

14．一种废水处理装置，用于从饲养场舍饲区冲洗的废水中分离出粪肥，并以对环境无害的方式处置该粪肥，同时将废水中液体部分循环到饲养区，再用作冲洗水，所述废水处理装置包括：

分离器，用于接纳含有来自饲养场舍饲区的冲洗水和动物废物的废水，并将该废水分成湿粪肥部分和液体部分；

干燥器，与所述分离器连通，用于接纳来自分离器的湿粪肥，并使之干燥到燃烧所能接受的湿度；

燃烧器，与所述干燥器连通，用于接纳来自干燥器的粪肥，并使之燃烧；

用于将分离器分出的液体部分再循环到舍饲区用作冲洗水的设备。

15．权利要求14的废水处理装置，包括再循环液体用作冲洗水以前净化液体部分的设备。

16．权利要求15的废水处理装置，其中所述净化设备包括臭氧发生器。

17．权利要求14的废水处理装置，包括收集分离器和干燥器所产生气体的设备，以及输送所述收集气体到燃烧器的设备。

18．权利要求17的废水处理装置，包括至少能部分除去干燥器输送到燃烧器的气体中水分的冷凝器。

19．权利要求14的废水处理装置，包括在将液体作为冲洗水再循环之前，接纳并储存来自分离器的液体部分的冲洗水储水池。

20．权利要求19的废水处理装置，包括带有水池的太阳能蒸发池，用于接纳来自冲洗水储水池的冲洗水，使其部分蒸发。

21．权利要求20的废水处理装置，其中所述太阳能蒸发池包括降雨期间能将蒸发池内容物排回冲洗水储水池的设备。

22．权利要求20的废水处理装置，包括利用燃烧器产生的部分热能，来提高蒸发池蒸发速度的设备。

23．权利要求14的废水处理装置，其中所述分离设备包括带有筛的第一阶段分离操作及带有沉积罐的第二阶段分离操作。

24．权利要求14的废水处理装置，其中所述分离器包括带式压滤机。

25．动物饲养场，包括：

舍饲区；

该舍饲区用于冲洗育养区动物废物的冲洗水，并形成含冲洗水和动物废物的废水流的设备；

储存通过废水流输送来的冲洗水和动物废物的未处理废物储罐；

通过提取、干燥和燃烧粪肥部分并将液体部分除臭来处理储罐中内容物的废物处理器，所述废物处理器包括：

分离器：用于将未处理废物储罐中内容物分成湿粪肥部分和

液体部分；

干燥器：与分离器连通，用于接纳来自干燥器的湿粪肥部分，

并将其干燥至燃烧所允许的湿度；

燃烧器：与所述干燥器连通，用于接纳来自干燥器的粪肥并

将其燃烧；

除臭器：与所述分离器连通，接纳来自分离器的液体部分并

将其除臭；

与除臭器连通，用于接纳经除臭的液体部分并将其储存的清洁冲洗水储水池；以及

与清洁冲洗水储水池流体连通的太阳能蒸发池，所述蒸发池包括将储水池部分内容物蒸发掉的蒸发水池。

26．权利要求25的动物饲养场，其中所述废物处理器包括用于将废物储罐中内容物送达分离器前加以粉碎的粉碎机。

27．权利要求25的动物饲养场，其中未处理废物储罐、分离器和干燥器被盖住，以捕集其中产生的废气。

28．权利要求27的动物饲养场，包括将来自未处理废物储罐、分离器和干燥器的废气输送至燃烧器供燃烧的设备。

29．权利要求25的动物饲养场，其中太阳能蒸发池包括降雨期间将蒸发池内容物排回冲洗水储水池的设备。

30．将现有带有舍饲育猪区、化粪池和弃置场的养猪场，转变为占用较少场地、符合环保要求合理运作的方法，所述方法包括：

在现有带有舍饲育猪区的养猪场中安装废水处理装置，所述废水处理装置接纳从前流入化粪池的含冲洗水和废物的废水流，该废水处理装置进行如下处理步骤：

从废水流中分离粪肥，由此将废水流分成湿粪肥部分和液体部分；

将湿粪肥部分进行脱水处理；

将经脱水的粪肥燃烧；以及

将液体部分净化，并将已净化的液体部分再循环至舍饲区用作冲

洗水；

在过剩设备容量允许的条件下，不时将非连续化粪池中内容物至少部分通过该废水处理装置排出；

接纳化粪池水的弃置场地的不持续使用，可使该弃置场面积被用于扩大养猪经营，用作常规种植园、售出获得经费供废水处理装置的安装、或按场主意愿作其它用途，而无需在其上弃置化粪池水。

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