MX2012014388A

MX2012014388A - Sistema de recuperacion de nutrientes y metodos.

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Publication number: MX2012014388A
Application number: MX2012014388A
Authority: MX
Inventors: Stephen W Dvorak; Shulin Chen; Craig Frear; Bryan J Vanloo; Quanbao Zhao
Original assignee: Dvo Inc
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2013-06-24
Also published as: WO2011156767A3; RU2012156029A; DK2580167T3; US20140314657A1; EP2580167A4; NZ604050A; EP2580167B1; HUE059182T2; RS63440B1; CN103209933A; US20210017034A1; RU2627874C2; WO2011156767A2; EP2580167A2; US10556804B2; PL2580167T3; NZ700721A; LT2580167T; KR20130041087A; CA2801927A1

Abstract

Se proporcionan métodos, sistemas y aparatos para la digestión anaerobia de material fibroso de desecho y la recuperación de nutrientes. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí proporcionan mecanismos para liberar gases disueltos a partir de efluente de digestor anaerobio. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí pueden recuperar uno o más nutrientes de un efluente digerido anaerobio usando un intervalo de temperaturas, velocidades de aireación, tiempos de aireación, intervalos de pH, y tiempos de sedimentación.

Description

SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE NUTRIENTES Y MÉTODOS REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud de - Patente Provisional U.S. Serie ns 61/354.156, presentada el 11 de junio de 2010, que se incorpora aquí como referencia en su totalidad.

REFERENCIA A LA SUBVENCIÓN GUBERNAMENTAL Esta invención se obtuvo con el apoyo del gobierno de los Estados Unidos de América concedido por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos de América ("USDA"), Número de Proyecto 2008-5511218840; Número de Concesión 2009-33610-19713 del SBIR Fase-I del USDA, y Número de Contrato de Proyecto de USDA 69-3A75-10-152. Los Estados Unidos de América tiene ciertos derechos sobre esta invención.

CAMPO Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí se refieren a sistemas de procesamiento de desechos para procesar estiércol y recuperar nutrientes. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí se refieren a herramientas de manejo de carbono y nutrientes.

ANTECEDENTES Las instalaciones de confinamiento ganado generan grandes cantidades de desecho animal que pueden crear graves problemas medioambientales y para la salud humana. Por ejemplo, los constituyentes del desecho animal, tales como materia orgánica, nitrógeno, fósforo, patógenos y metales, pueden degradar la calidad del agua, la calidad del aire, e impactar de forma adversa en la salud humana. La materia orgánica, por ejemplo, contiene una cantidad elevada de compuestos orgánicos biodegradables , y, cuando se descarga a las aguas superficiales, competirá por y agotará la cantidad limitada de oxigeno disuelto disponible, provocando que los peces mueran y otros impactos indeseables. De forma similar, la carga de nutrientes de nitrógeno y fósforo puede conducir a la eutrofización de las aguas superficiales.

La acumulación anual de desecho orgánico en el mundo es inmensa. Hay aproximadamente 450.000 Operaciones de Alimentación de Animales ("AFOs") en los Estados Unidos de América. Los tipos habituales de AFOs incluyen granjas lecheras, instalaciones para el engorde de ganado, y granjas avícolas. Una única vaca lechera produce aproximadamente 120 libras de estiércol húmedo por día. El desecho producido por día por una vaca lechera es igual al de 20-40 personas. Si se almacena y se usa apropiadamente, el estiércol de las operaciones de alimentación de animales puede ser una fuente valiosa .

La tecnología de digestores anaerobios es una tecnología de manejo de estiércol capaz de aliviar los problemas medioambientales a través de la estabilización del desecho, reducción del olor, control de patógenos y atrapamiento y alivio de los gases de efecto invernadero, a la vez que produce una fuente renovable de calor y energía (US-EPA, 2005) . La adopción de digestores anaerobios en granjas lecheras de los Estados Unidos de América está creciendo pero todavía es lenta, con números insuficientes para cumplir el acuerdo entre los Estados Unidos de América y su industria lechera para reducir los impactos climáticos de las granjas lecheras en un 25% el año 2020 (USDA, 2010) . Una preocupación importante en la adopción de la tecnología de digestores anaerobios reside en el hecho de que las unidades digestoras anaerobias no recuperan los nutrientes. Esto es importante debido a que las Operaciones de Alimentación de Animales Comerciales (CAFOs) lácteas experimentan sobrecargas de nitrógeno y fósforo de 36% y 55%, respectivamente (USA-APHIS, 2004) .

Los impactos de las sobrecargas potenciales de las granjas se expresan por sí mismos en muchas amenazas de la calidad del aire y del agua. Concentraciones elevadas de amoníaco pueden dar como resultado olores y también pueden interactuar con otros constituyentes del aire para producir materia en partículas (PM2.5) (US-EPA, 2004), que es perjudicial para la salud humana. La industria agrícola de los Estados Unidos de América depende de los fertilizantes a base de nitrógeno, que a su vez dependen del gas natural como la fuente principal de hidrógeno para producir amoníaco durante el proceso de Haber que fija nitrógeno. Claramente, las tecnologías o mecanismos capaces de recoger y concentrar formas existentes e infrautilizadas de nitrógeno, tales como aquellas presentes en corrientes de desecho de estiércol, podrían desempeñar un papel importante disminuyendo las preocupaciones que existen con la producción de fertilizantes inorgánicos .

Dentro de la calidad del agua, la lixiviación y las aplicaciones terrestres excesivas son capaces de transportar compuestos nitrogenados y fosforados al suelo y al agua superficial. El amoníaco iónico y sus derivados inorgánicos, nitrito y nitrato, son dañinos tanto para los seres humanos como para los animales acuáticos, siendo el amoníaco tóxico para peces, siendo el nitrito un carcinógeno conocido, y siendo el nitrato capaz de producir el síndrome del bebé azul y el aborto de las embarazadas (WS-DOH, 2005) .

El fósforo se ha implicado desde hace mucho como un contribuyente principal a la eutrofización de las masas de agua. Las preocupaciones con respecto a los niveles pico de fósforo exceden potencialmente en importancia a las preocupaciones asociadas con los costes energéticos con fertilizante de nitrógeno. Numerosos informes han demostrado que las reservas rocosas de fosfato se podrían agotar durante los próximos 50-100 años. Además, las fuentes estarán restringidas a unos pocos países particulares, disminuyendo la calidad del producto, y aumentando el coste de la extracción (Smil, 2000) . Con estiércoles de animales que contienen típicamente relaciones de fósforo : nitrógeno dos a tres veces la relación normal requerida para la fertilización de cosechas, es fácil ver por qué las CAFOs luchan con la carga de fósforo para los campos. Sin embargo, las fuentes concentradas de fósforo y nitrógeno, tales como las disponibles en CAFOs, podrían representar una fuente viable para el fósforo reciclado, si se pudiesen comercializar tecnologías económicamente viables, lo que podría retrasar potencialmente las preocupaciones con respecto a la disponibilidad y demanda.

Estas amenazas medioambientales se pueden disminuir, en parte, a través de la incorporación de tecnología de recuperación de nutrientes capaz de concentrar y exportar nutrientes desde la granja. La recuperación de nutrientes también permite una adopción más amplia de fertilizantes biológicos, sustituyendo, al menos en parte, la demanda de fertilizantes a base de combustibles fósiles y todas las preocupaciones climáticas/medioambientales asociadas con su producción .

Existen varias tecnologías tradicionales de aguas residuales para el control y recuperación de nutrientes a partir de agua residual humana e industrial; sin embargo, estas tecnologías no son eficaces desde el punto de vista del coste o no son fiables cuando se aplican a estiércoles en un entorno de granja. De este modo, todavía existe la necesidad de métodos y aparatos para recuperar nutrientes a partir de un material de desecho de digestor anaerobio.

BREVE SUMARIO Los métodos, sistemas y aparatos aquí proporcionan un procedimiento único y nuevo que logra tasas elevadas de recuperación de nutrientes con una facilidad de operación y costes reducidos de funcionamiento y de capital.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí proporcionan un procedimiento continuo, de flujo pistón, para recuperar nutrientes a partir de efluente de digestor anaerobio. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí se pueden usar para incrementar la cantidad de captura de biogás procedente del digestor anaerobio.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí se pueden usar para recuperar uno o más nutrientes de efluente de digestor anaerobio usando un intervalo de temperaturas, velocidades de aireación, tiempos de aireación, intervalos de pH, tiempos de sedimentación, y la cantidad, si la hay, de cal viva o compuesto cáustico, y tamaño y forma de burbujas en el efluente.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí tienen gran flexibilidad, y se pueden alterar para lograr el resultado deseado. Los métodos, sistemas y aparatos se pueden modificar para recuperar un nutriente específico, o más de un nutriente .

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aguí se pueden usar para producir productos biofertilizantes fibrosos y turba, así como efluente líguido, gue se considera un efluente de Clase A con respecto al control de patógenos, reduciendo de ese modo significativamente las preocupaciones de transferencia zoonótica entre el estiércol y los campos de cosechas.

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aguí se pueden diseñar para recuperar fósforo total usando aireación o aireación y temperatura sin centrarse en el control de patógenos o recuperación de sales de amonio.

En otra realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aguí se pueden diseñar para recuperar fósforo total, recuperar amoníaco y controlar patógenos.

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos aguí proporcionan la producción de biosólidos de Clase A y efluente de Clase A.

En una realización, se describe un método para recuperar un nutriente, gue comprende: calentar y airear efluente de digestor anaerobio en un reactor de aireación para convertir amonio soluble en amoníaco gaseoso; proporcionar amoníaco gaseoso desde el reactor de aireación a una torre de extracción, proporcionando dicha torre de extracción cantidades controladas de ácido que reacciona con amoníaco gaseoso; y recuperar una sal de amonio producida haciendo reaccionar el ácido con amoníaco gaseoso en la torre de extracción. En otra realización, la aireación del efluente de digestor anaerobio se logra usando microaireadores que airean el efluente a una velocidad de 5 galones/cfm a 25 galones/cfm. En todavía otra realización, el método comprende además bombear el efluente de digestor anaerobio desde el reactor de aireación hasta un sistema de sedimentación de sólidos antes de, después de o simultáneamente a proporcionar el NH3 gaseoso a la torre de extracción. En aún otra realización todavía, el método comprende recoger sólidos ricos en fósforo a partir del sistema de sedimentación de sólidos .

En otra realización, se describe un método para recuperar un nutriente, que comprende: calentar efluente de digestor anaerobio que contiene sólidos fibrosos y sólidos suspendidos hasta alrededor de 160 eF; separar los sólidos fibrosos de los sólidos suspendidos en el efluente; calentar y airear el efluente en un reactor de aireación para convertir amonio soluble en amoníaco gaseoso; proporcionar amoníaco gaseoso desde el reactor de aireación a una torre de extracción, proporcionando dicha torre de extracción cantidades controladas de ácido para reaccionar con amoníaco gaseoso; y recuperar una sal de amonio producida haciendo reaccionar el ácido con NH3 en la torre de extracción. En otra realización, la torre de extracción es un sistema de dos tanques .

En una realización, los métodos aquí comprenden airear efluente de digestor anaerobio para eliminar gases disueltos, incluyendo, pero sin limitarse a, dióxido de carbono (C02) , y metano (CH4) . Mediante la aireación, los gases disueltos, tales como C02 y metano, se sobresaturan cuando se exponen al aire, y se pueden liberar. C02 y metano se sobresaturan debido a la baja presión parcial de C02 y metano en el aire. Parte del bicarbonato (HC03-) también puede ser transferido a C02 y liberado después al aire mediante aireación. En otra realización, el método comprende calentar el efluente hasta una temperatura deseada y airear para liberar gases disueltos e incrementar el pH del efluente.

En una realización, los sistemas y aparatos aquí proporcionan aireación del efluente de digestor anaerobio para eliminar gases disueltos, incluyendo, pero sin limitarse a, dióxido de carbono (C02) y metano (CH4) . Mediante la aireación, los gases disueltos, tales como C02 y metano, se sobresaturan cuando se exponen al aire, y se pueden liberar. En otra realización, los sistemas y aparatos aguí proporcionan el calentamiento del efluente de digestor anaerobio hasta una temperatura deseada. En una realización, el escape del motor u otro calor de desecho procedente del digestor anaerobio se puede usar para incrementar la temperatura del efluente.

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí comprenden alterar la carga iónica alrededor de los coloides de fósforo suspendidos, y reducir la barrera de energía hasta la coagulación/sedimentación.

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí comprenden reducir el valor del pH de un efluente líquido que queda tras recuperar nutrientes hasta un valor del pH adecuado para uso o la aplicación a una granja o campo. En una realización, se puede usar depuración de gases para reducir el pH del efluente líquido. En otra realización, el biogás que comprende sulfuro de hidrógeno (H2S) se usa con la depuración de gases para reducir el valor del pH del efluente líquido y reducir la cantidad del H2S en el biogás de retorno bombeado al digestor. Sin estar atados por ninguna teoría particular, el H2S en el biogás reacciona con el efluente, disminuyendo de ese modo el pH del efluente y reduciendo la cantidad de H2S en el biogás .

En una realización, se proporciona un método para recuperar un nutriente, que comprende: calentar y airear efluente de digestor anaerobio en un reactor de aireación; proporcionar NH3 gaseoso a una torre de extracción, en la que cantidades controladas de ácido entran en contacto con el NH3 ; y recuperar una sal de amonio. En todavía otra realización, el método comprende bombear el efluente de digestor anaerobio desde el reactor de aireación hasta un vertedero de sedimentación. En todavía otra realización, el método comprende usar vertederos de desecación para recoger sólidos ricos en fósforo. En otra realización, el método comprende burbujear biogás a través del efluente desde el vertedero de sedimentación.

En una realización adicional, se proporciona un método para recuperar un nutriente, que comprende: calentar y airear efluente de digestor anaerobio, que libera gases disueltos desde el efluente e incrementa el pH del efluente. Con la aireación, los gases disueltos se sobresaturan. En una realización, el calentamiento del efluente de digestor anaerobio comprende usar un intercambiador de calor con el gas de escape procedente de un generador de motor de biogás ajustado como la corriente de aire calentada.

En todavía una realización adicional, se proporciona un método para recuperar nutrientes, que comprende: digerir material fibroso de desecho en un digestor anaerobio; separar el material fibroso digerido del efluente; airear el efluente de digestor anaerobio; calentar el efluente de digestor anaerobio hasta una temperatura de alrededor de 140 SF a alrededor de 170 aF; bombear el efluente de digestor anaerobio a un separador de sólidos/líquido; sedimentar el efluente líquido separado; incrementar el valor del pH del efluente líquido separado hasta un valor que oscila desde 9,0 hasta 11,5; sedimentar el efluente líquido una segunda vez; y recuperar uno o más de un sólido rico en nutrientes. En una realización, el valor del pH se incrementa aireando y calentando el efluente.

En una realización, se proporciona un método para recuperar un nutriente, que comprende: digerir material fibroso de desecho en un digestor anaerobio; separar material fibroso digerido del efluente; calentar el efluente en una fosa de efluente; airear y calentar el efluente de digestor anaerobio hasta una temperatura de alrededor de 140 SF a alrededor de 1702F; incrementar el valor del pH del efluente líquido hasta un valor que oscila desde 9,0 hasta 11,5; sedimentar el efluente líquido; y recuperar uno o más de un sólido rico en nutrientes.

En otra realización, el método comprende además capturar sal de amonio haciendo pasar NH3 a través de una torre de extracción que libera cantidades controladas de ácido. En aún otra realización, el método comprende además hacer pasar el efluente líquido, tras la recuperación del nutriente, a través de un intercambiador de calor. En todavía otra realización, el método comprende además calentar material de desecho en un digestor anaerobio con el calor procedente del intercambiador de calor. En aún otra realización todavía, el método comprende hacer pasar el efluente líquido desde el intercambiador de calor hasta un sistema de depuración de gas con biogás que comprende H2S. En una realización, la concentración de HS en el biogás se reduce hasta un valor que oscila desde 25 partes por millón (ppm) hasta 115 ppm, o desde 50 ppm hasta 100 ppm, o desde 60 ppm hasta 90 ppm.

En todavía otra realización, se proporciona un sistema de recuperación de nutrientes, que comprende: un reactor de aireación para airear y calentar efluente de digestor anaerobio; y una torre de ácido para mezclar ácido con NH3 procedente del reactor de aireación. En otra realización, el reactor de aireación comprende microaireadores en o cerca del suelo del reactor para la inyección de gas. En todavía otra realización, el sistema de recuperación de nutrientes comprende además un digestor anaerobio para digerir material fibroso de desecho. En todavía otra realización, el sistema de recuperación de nutrientes comprende una fosa de efluente para calentar efluente de digestor anaerobio. En todavía otra realización, el sistema de recuperación de nutrientes comprende además un sistema de sedimentación de sólidos para recoger el efluente desde el reactor de aireación. En otra realización, el sistema de recuperación de nutrientes comprende además un separador para separar sólidos fibrosos del efluente antes de calentar el efluente en la fosa de efluente.

En todavía otra realización, se describe un sistema de recuperación de nutrientes, que comprende: un reactor de aireación para calentar y airear efluente de digestor anaerobio, en el que el calentamiento y la aireación del efluente convierte amonio soluble en amoníaco gaseoso; una torre de extracción para mezclar cantidades controladas de ácido con amoníaco gaseoso procedente del reactor de aireación; y una vasija para recoger una sal de amonio producida haciendo reaccionar ácido con amoníaco gaseoso en la torre de extracción. En todavía otra realización, la torre de extracción es un sistema de dos tanques.

En todavía otra realización, se proporciona un sistema de recuperación de nutrientes que comprende: un digestor anaerobio; una fosa de efluente para calentar y airear efluente de digestor anaerobio; un separador de sólidos/líquidos; y una vasija hermética al aire. En una realización, el sistema proporciona un proceso de flujo pistón continuo. En otra realización, el sistema comprende además una o más torres de extracción de gas , y uno o más de un intercambiador de calor.

En una realización, la vasija hermética al aire comprende tres cámaras con un espacio de cabeza para la recogida de gas. En todavía otra realización, la vasija hermética al aire comprende dos cámaras con un espacio de cabeza para la recogida de gas.

En una realización, se proporciona un aparato para la recuperación de nutrientes. En una realización, el aparato comprende una vasija de tres cámaras con un espacio de cabeza para gas por encima del nivel del líquido y por debajo del techo de la vasija. En una realización, la vasija de tres cámaras será hermética al aire y funcionará a vacío.

En una realización, el aparato comprende una vasija de dos cámaras con un espacio de cabeza para gas por encima del nivel de líquido y por debajo del techo de la vasija. En una realización, la vasija de dos cámaras será hermética al aire y funcionará a vacío.

Una ventaja de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí es la recuperación de nutrientes a partir de efluente de digestor anaerobio.

Una ventaja de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí es la recuperación de nutrientes a la vez que se minimiza la adición de compuestos químicos y el uso de fuentes de energía.

Una ventaja de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí es la recuperación de niveles significativos de nitrógeno y fósforo a partir de efluente de digestor anaerobio .

Una ventaja de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí es que los sólidos separados y los sólidos ricos en fósforo serán orgánicos.

Una ventaja de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí es un sistema que se puede personalizar a la medida y optimizar para recuperar un nutriente o nutrientes específicos .

Una ventaja de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí es la optimización de parámetros de funcionamiento para dar cuenta de los diversos tipos de estiércol con gastos de producción y energía mínimos.

Una ventaja de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí es que los sólidos de desechos de animales no necesitan ser eliminados antes de la digestión anaerobia o antes de operaciones del sistema de recuperación de nutrientes .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIG. 1 es una vista general esquemática de una realización de un procedimiento de recuperación de nutrientes .

La FIG. 2 es un esquema de una realización de un sistema de recuperación de nutrientes que muestra una vasija de tres cámaras hermética al aire.

La FIG. 3A es un esquema de una realización de un sistema de recuperación de nutrientes que muestra una vasija de dos cámaras hermética al aire.

La FIG. 3B es un esquema de una realización de un sistema de recuperación de nutrientes que muestra una torre de extracción con un sistema de dos tanques.

La FIG. 3C es un esquema representativo de un reactor de aireación. El esquema representa una vista desde el alzado por el Este.

La FIG. 3D es un esquema representativo de un reactor de aireación. El esquema representa una vista desde el alzado por el Norte.

La FIG. 4 es un esquema de una realización de un sistema de recuperación de nutrientes que representa un trazado representativo.

La FIG. 5A es una fotografía que representa burbujas de gas en el efluente.

La FIG. 5B es una fotografía del efluente tras la aireación.

La FIG. 6 es una gráfica de línea que demuestra la relación entre el tiempo de aireación y el pH del efluente.

La FIG. 7 es una gráfica de línea que representa la capacidad de aireación y sedimentación subsiguiente para sedimentar de forma más eficaz sólidos, y por lo tanto fósforo, en comparación con la ausencia de aireación.

La FIG. 8 es una fotografía de sólidos de fósforo sedimentados eliminados de un sistema de sedimentación de sólidos.

La FIG. 9A es una gráfica de linea que da el efecto de la aireación y la temperatura sobre el pH.

La FIG. 9B es una gráfica de línea que da el efecto' de la aireación y la temperatura sobre la eliminación de NH3.

La FIG. 9C es una gráfica de línea que da el efecto de la aireación y temperatura sobre la eliminación de fosfato total .

La FIG. 10A es una gráfica de línea que da el intervalo de pH óptimo para la liberación de amoníaco libre a partir de efluente de digestor anaerobio.

La FIG. 10B es una gráfica de línea que representa una curva de dosificación de álcali para lograr el pH óptimo para la liberación de amoníaco a partir de efluente de digestor anaerobio .

La FIG. 11 es un esquema que representa un enfoque comercial, económicamente viable, para la recuperación de un nutriente a partir de un efluente digerido anaerobio.

La FIG. 12A es una gráfica de línea que representa la respuesta de pH reducido a través del contacto biogás/líquido .

La FIG. 12B es una gráfica de línea que representa la eliminación de H2S selectiva a través de la manipulación del tiempo de contacto.

La FIG. 13A es una gráfica de linea que representa las capacidades de comportamiento de la extracción de amoníaco en condiciones de aireación específicas y temperatura.

La FIG. 13B es una gráfica de línea que representa las capacidades de comportamiento de la recuperación de sulfato de amonio en condiciones de aireación específicas y temperatura .

La FIG. 14 es un esquema que representa el flujo de masa desde un digestor anaerobio lácteo y un sistema de recuperación de nutrientes (en base a /vaca/día) .

La FIG. 15 es un esquema de un digestor anaerobio y un sistema de recuperación de nutrientes en digestor de estiércol avícola.

La FIG. 16 es una gráfica de barras que demuestra la producción de metano como factor de la concentración de TAN y uso de efluente de digestor anaerobio como agua de reciclaje (es decir, 20:20:60 AE:W se refiere a 20% de semillas y 20% de efluente de digestor anaerobio mezclado con 60% de agua fresca como fuente de agua de regeneración durante la digestión) .

La FIG. 17 es un esquema de un digestor anaerobio comercial para una operación con ponedoras enjauladas.

La FIG. 18 es un esquema de un flujo de masa del digestor anaerobio de las ponedoras y sistema de recuperación de nutrientes (en base a 1.000 ponedoras /día) .

Antes de que se explique una realización con detalle, se entenderá que los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí no están limitados en aplicación a los detalles de construcción y las disposiciones de los componentes expuestas en la siguiente descripción o ilustradas en los dibujos. Los métodos y aparatos son capaces de otras realizaciones y de ser puestos en práctica o de ser llevados a cabo de diversas maneras. También, se entiende que la fraseología y terminología usadas aquí es con fines descriptivos y no se han de considerar como limitantes. El uso de "incluyendo" y "que comprende", y sus variaciones aquí, quiere decir que engloba los aspectos enunciados después y sus equivalentes, así como aspectos adicionales.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Definiciones Los intervalos numéricos en esta descripción son aproximados, y de este modo pueden incluir valores fuera del intervalo excepto que se indique de otro modo. Los intervalos numéricos incluyen todos los valores desde e incluyendo los valores superior e inferior, en incrementos de una unidad, con la condición de que haya una separación de al menos dos unidades entre cualquier valor inferior y cualquier valor superior. Como ejemplo, si una propiedad composicional , física u otra propiedad, tal como, por ejemplo, el peso molecular, la viscosidad, el índice de fluidez, etc., es de 100 a 1.000, se pretende que todos los valores individuales, tales como 100, 101, 102, etc., y los subintervalos, tales como 100 a 144, 155 a 170, 197 a 200, etc., se enumeren expresamente. Para intervalos que contienen valores que son menores que uno o que contienen números fraccionados mayores que uno (por ejemplo, 1,1, 1,5, etc.), una unidad se considera que es 0,0001, 0,001, 0,01 ó 0,1, según sea apropiado. Para intervalos que contienen números de un solo dígito menores de diez (por ejemplo, 1 a 5) , una unidad se considera típicamente que es 0,1. Estos son sólo ejemplos de lo que se pretende específicamente, y todas las posibles combinaciones de valores numéricos entre el valor más bajo y el valor más alto enumerado se han de considerar expresamente señaladas en esta descripción. Los intervalos numéricos se proporcionan en esta descripción, entre otras cosas, para cantidades relativas de componentes en una mezcla, y diversos intervalos de temperatura y otros parámetros citados en los métodos .

Como se usa aquí, las formas singulares "un", "una", y "el/la" se refieren a uno o más de uno, excepto que el contexto dicte claramente otra cosa.

Como se usa aquí, la expresión "reactor de aireación" se refiere a una cámara, vasija, aparato o cerramiento que permite la introducción de gas, aire, líquido, o una combinación de los mismos, en un efluente. El efluente puede contener componentes sólidos.

La expresión "biosólido (s) de Clase A" y "efluente de Clase A" y "líquido de Clase A", como se usa aquí, se refiere a un material que ha satisfecho los requisitos de 40 C.F.R. §503.32. En general, los requisitos de patógenos de Clase A de la EPA se satisfacen en biosólidos cuando las densidades de coliformes fecales son menores de 1.000 Número Más Probable (MPN) por gramo de sólidos totales (densidad de peso seco) ; o cuando las densidades de Salmonella son menores de 3 MPN por cuatro gramos de sólidos totales en el momento en el que se usa o desecha el lodo de aguas residuales; en el momento en el que el lodo de aguas residuales se prepara para la venta o se entrega en una bolsa u otro recipiente para aplicación a la tierra; o en el momento en el que el lodo de aguas residuales o material derivado de lodo de aguas residuales se prepara para satisfacer los requisitos de las diversas alternativas bajo §503.32. La densidad de virus entérico debe ser menor que una unidad formadora de placas (pfu) por cuatro gramos de sólidos totales (en base a peso seco) , y los huevos de helmintos es menor que un huevo de helminto viable por cuatro gramos de sólidos totales . Adicionalmente, la EPA proporciona requisitos de tiempo y temperatura bajo 40 CFR §503.32(a). 40 C.F.R. §503.32 se incorpora aquí como referencia como el estándar para biosólidos de Clase A.

Como se usa aquí, el término "incluye" significa "comprende". Por ejemplo, un dispositivo que incluye o comprende A y B contiene A y B pero opcionalmente puede contener C u otros componentes distintos de A y B. Un dispositivo que incluye o comprende A o B puede contener A o B o A y B, y opcionalmente uno o más componentes adicionales tales como C.

Como se usa aquí, "sobresaturación de gas" se produce cuando la presión parcial de uno o más gases se hace mayor que la de la atmósfera.

Como se usa aquí, el término "estiércol" se refiere a desechos de animales, incluyendo deposiciones de animales, restos de pienso y pelo.

Como se usa aquí, la expresión "cal viva" es óxido de calcio (CaO) . La cal viva es un sólido cristalino alcalino y cáustico, blanco a temperatura ambiente. Como producto comercial, la cal contiene a menudo también óxido de magnesio, óxido de silicio y cantidades más pequeñas de óxido de aluminio y óxido de hierro.

Como se usa aquí, el término "estruvita" (fosfato amónico y magnésico) es un mineral de fosfato de fórmula: ( (NH4)MgP04- 6H20) . La estruvita cristaliza en el sistema ortorrómbico como cristales piramidales blancos a amarillentos o blanco parduzcos, o en formas de láminas o de tipo mica. Es un mineral blando con dureza de Mohs (la escala de Mohs de dureza mineral) de 1,5 a 2, y tiene una baja densidad relativa de 1,7. Apenas es soluble en condiciones neutras y alcalinas, pero fácilmente soluble en ácido.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí se pueden usar para recuperar nutrientes de efluente de digestor anaerobio. En una realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí están dirigidos a la recuperación de fósforo, la recuperación de nitrógeno, o la recuperación de fósforo y nitrógeno.

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí proporcionan la liberación de gas disuelto a partir de efluente de digestor anaerobio. En otra realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí proporcionan la liberación de gas disuelto a partir de efluente de digestor anaerobio a la vez que mantienen el nivel de sólidos existentes, tales como calcio o magnesio unido a fosfatos. A través de la aireación, los gases disueltos, tales como C02 y metano, se sobresaturan cuando se exponen al aire, y se pueden liberar.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí proporcionan un efluente de digestor anaerobio esterilizado. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí proporcionan un efluente de digestor anaerobio y biosólidos que cumplen los requisitos para ser clasificados como un líquido de Clase A o sólido de Clase A.

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos aquí proporcionan integración, en la que los subproductos procedentes de una unidad de operación se usan para el tratamiento en una unidad subsiguiente de operación. Los gastos químicos y energéticos principales al sistema son calor residual, cargas eléctricas parasitarias, aire, ácido sulfúrico, y biogás bruto procedente del digestor anaerobio. En el intercambio, los productos nutrientes vendibles múltiples son sólidos fibrosos desarrollados, suspensión de sulfato de amonio (que oscila desde 30% de contenido másico hasta 55%), y sólidos orgánicos ricos en fósforo. Cada producto se puede vender y usar separadamente, o dos o más productos se pueden mezclar juntos para uso o venta.

En una realización, un sistema se diseña para trabajar conjuntamente con un digestor anaerobio para el tratamiento y recuperación de biofertilizantes concentrados vendibles procedentes del efluente de la digestión anaerobia. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí pueden trabajar en cualquier tipo de granja, incluyendo una granja lechera de limpieza con agua y una granja lechera de limpieza por raspado .

En algunas realizaciones, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí comprenden tecnología de aireación para airear el efluente procedente del material fibroso de desecho digerido para eliminar gases disueltos tales como C02, e incrementar el pH del efluente. El pH del efluente se puede incrementar hasta un valor que oscila desde 8,6 hasta 10,5. El incremento del pH ayudará a la sedimentación de los sólidos. En otra realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí comprenden la adición de un agente con un valor elevado del pH, incluyendo, pero sin limitarse a, un compuesto cáustico o cal viva para incrementar el pH hasta un valor que oscila desde 8,6 hasta 12,0.

En una realización, los sistemas descritos aquí tienen múltiples niveles de posibilidades de tratamiento. Un sistema se puede personalizar a la medida para recuperar un nutriente o nutrientes específicos. Por ejemplo, para algunas granjas, el control del fósforo es el interés principal, y el sistema se puede particularizar para satisfacer restricciones de presupuesto y medioambientales. Por ejemplo, la aireación a caudales y temperaturas reducidos pero durante períodos de tiempo más prolongados permitirá una eliminación de fósforo total pero no de biosólidos de Clase A o la recuperación de amoníaco. Por otro lado, la aireación durante un menor tiempo con temperatura elevada logrará un pH que permite la eliminación de fósforo total y biosólidos de Clase A, pero sin mucha liberación de amoníaco. Además, la fibra se puede recuperar opcionalmente dependiendo de las necesidades de los usuarios finales.

En una realización, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí proporcionan flexibilidad para recuperar un nutriente o nutriente de elección. Se podría lograr la eliminación de fósforo total con una aireación más prolongada, y baja temperatura. Como alternativa, se podría lograr la eliminación de fósforo total con fibra de Clase A con una aireación más corta con temperatura elevada. Por otro lado, se podría lograr eliminación de fósforo total, eliminación de amoníaco y Clase A con aireación relativamente más prolongada, temperaturas elevadas, aireación incrementada, y caudal incrementado. Existen numerosas posibilidades alterando y ajustando diversos parámetros del sistema.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí evitan el gasto y uso de aditivos químicos caros. Los métodos y aparatos se pueden usar para recuperar uno o más de un elemento, incluyendo, pero sin limitarse a, la recuperación de fósforo total, principalmente en forma de sólidos previamente suspendidos, sales de amonio, que estaban previamente en forma de amoníaco iónico con el estiércol, nitrógeno total a través de la recuperación del amoníaco mencionado así como formas orgánicas de nitrógeno en los sólidos atrapados, y sólidos fibrosos. El calcio y el magnesio también se reducen al recoger los sólidos de P.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí se pueden usar para reducir el fósforo total en el efluente líquido, incluyendo, pero sin limitarse a, una reducción de 10-20%, 20-30%, 30-40%, 40-50%, 50-60%, 60-70%, 70-80%, 80-90%, 90-95%, y 95-99%.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí pueden reducir el nitrógeno total en el efluente líquido de 15% a 85%, o de 20% a 70%, o de 30% a 50%.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí pueden reducir los bicarbonatos en el efluente líquido de 5% a 15%, o de 15% a 85%, o de 20% a 70%, o de 30% a 50%.

Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí pueden recuperar nutrientes del efluente, incluyendo, pero sin limitarse a, una recuperación de 5-10%, 10-20%, 20-30%, 30-40%, 40-50%, 50-60%, 60-70%, 70-80%, 80-90%, 90-95%, y 95-99% del nutriente total. En una realización, los nutrientes recuperados incluyen, pero no se limitan a, fósforo, nitrógeno total, y N de amoníaco.

Métodos para la Recuperación de Nutrientes En una realización, se describen métodos para recuperar nutrientes a partir de efluente digerido anaerobio. El uso del método no necesita estar confinado a propósitos agrícolas o al tratamiento de desecho de animales. Por ejemplo, los métodos también se pueden adaptar y utilizar por zoológicos, parques de animales, u otras organizaciones que cuidan de múltiples animales, o por municipios para procesar desecho de seres humanos, etc.

En una realización, los métodos comprenden airear efluente líquido para lograr un valor del pH deseado. En otra realización, los métodos comprenden calentar efluente digerido anaerobio hasta una temperatura deseada y airear el efluente para lograr un valor del pH deseado. En una realización, el valor del pH deseado es un valor que permite que los gases sobresaturados sean liberados.

En todavía otra realización, los métodos comprenden calentar efluente digerido anaerobio hasta una temperatura deseada, airear el efluente para lograr un valor del pH deseado, y permitir que los sólidos en el efluente aireado sedimenten. En una realización, se añade un agente con un valor del pH elevado durante la aireación, casi al final de la aireación, tras la aireación o antes de la sedimentación del efluente líquido. En una realización, el agente incluye, pero no está limitado a, un compuesto cáustico o cal viva, lejía o cal.

En aún otra realización todavía, el método comprende además mezclar un agente con un valor del pH elevado al efluente tras la sedimentación. En otra realización, el método comprende además hacer pasar la mezcla de cal /efluente a un segundo tanque de sedimentación. En todavía otra realización, el método comprende además recoger sólidos ricos en nutrientes .

En otra realización, los métodos para recuperar nutrientes a partir de efluente digerido anaerobio comprenden digerir anaeróbicamente material fibroso de desecho, separar el lodo activado del efluente líquido; calentar el efluente del digestor anaerobio hasta una temperatura deseada, airear el efluente líquido hasta un valor del pH deseado; hacer pasar el efluente a través de un separador; transportar el efluente líquido hasta un sistema de sedimentación de sólidos, y recuperar sólidos ricos en nutrientes. En todavía otra realización, el método comprende mezclar cal con el efluente tras la sedimentación. En todavía otra realización, el método comprende sedimentar la mezcla de cal/efluente antes de recuperar sólidos ricos en nutrientes.

En otra realización, se describe un método para recuperar nutrientes, que comprende airear el efluente hasta un valor del pH de 7,5 a 10,5, o de 8,2 a 9,5, o de 8,6 a 9,0. El método comprende además hacer pasar el efluente aireado a través de un separador de sólidos/líquidos ; sedimentar el efluente aireado durante un período de tiempo de 30 min. a 72 horas; añadir un agente con un valor del pH elevado para lograr un valor del pH que oscila de 8,6 a 12,0, sedimentar la mezcla de efluente/agente durante un período de tiempo de 30 min. a 72 horas. En otra realización, el método comprende recoger los sólidos ricos en nutrientes. En una realización, los sólidos son ricos en fósforo.

En otra realización, se describe un método para recuperar nutrientes, que comprende calentar efluente de digestor anaerobio hasta una temperatura deseada; airear el efluente hasta un valor del pH deseado; hacer pasar en modo de flujo pistón el efluente a través de un sistema de separación; transportar el efluente hasta un tanque de sedimentación durante un período de tiempo; mezclar un agente con un valor del pH elevado con el efluente; sedimentar la mezcla de agente/efluente durante un período de tiempo, y separar los sólidos del líquido. En otra realización, el método comprende además recoger sólidos ricos en nutrientes.

El efluente se puede calentar hasta cualquier temperatura deseada, incluyendo, pero sin limitarse a, 1002F a 110eF, 1109F a 120 F, 1202F a 130aF, 1302F a 140SF, 140aF a 1502F, 1509F a 160SF, 160aF a 165aF, 1652F a 1752F, o 1759F a 1952F.

En una realización, la velocidad de aireación puede ser cualquier velocidad que ayude en la liberación de gases sobresaturados , incluyendo, pero sin limitarse a, de 2 galones/cfm a 160 galones/cfm, o de 5 galones/cfm a 150 galones/cfm, o de 10 galones/cfm a 100 galones/cfm, o de 25 galones/cfm a 80 galones/cfm, o de 40 galones/cfm a 50 galones/cfm. En una realización, se pueden usar tubos de microaireación .

En una realización, el tiempo de aireación puede ser cualquier cantidad de tiempo que ayude a la liberación de gases sobresaturados , incluyendo, pero sin limitarse a, de 15 min. a 3 días, o de 2 horas a 2 días, o de 4 horas a 24 horas, o de 8 horas a 18 horas, o de 12 horas a 16 horas.

En una realización, la aireación puede incrementar el valor del pH del efluente hasta un valor deseado, incluyendo, pero sin limitarse a, 7,4, 7,5, 7,6, 7,7, 7,8, 7,9, 8,0, 8,1, 8,2, 8,3, 8,4, 8,5, 8,6, 8,7, 8,8, 8,9, 9,0, 9,1, 9,2, 9,3, 9,4, 9,5, 9,6, 9,7, 9,8, 9,9, 10,0, 10,1, 10,2, 10,3, 10,4, 10,5, 10,6, 10,7, 10,8, 10,9, 11,0, 11,1, 11,2, 11,3, 11,4, 11,5, 11,6, 11,7, 11,8, 11,9, 12,0, y mayor que 12 , 0.

En una realización, el efluente aireado se deja sedimentar durante un período de tiempo que incluye, pero no se limita a, 30 min. a 60 min., 1 hora a 2 horas, 2 horas a 4 horas, 4 horas a 8 horas, 8 horas a 12 horas, 12 horas a 16 horas, 16 horas a 20 horas, 20 horas a 24 horas, 24 horas a 36 horas, 36 horas a 48 horas, 48 horas a 60 horas, 60 horas a 72 horas, 3 días a 4 días, 4 días a 5 días, 5 días a 6 días, 6 días a 7 días, 7 días a 8 días. 8 días a 9 días, 9 días a 10 días, y más de 10 días.

En una realización, el efluente se deja sedimentar durante un período de tiempo que incluye, pero no se limita a, 30 min. a 60 min. , 1 hora a 2 horas, 2 horas a 4 horas, 4 horas a 8 horas, 8 horas a 12 horas. 12 horas a 16 horas, 16 horas a 20 horas, 20 horas a 24 horas, 24 horas a 36 horas, 36 horas a 48 horas, 48 horas a 60 horas, 60 horas a 72 horas, 3 días a 4 días, 4 días a 5 días, 5 días a 6 días, 6 días a 7 días, 7 días a 8 días, 8 días a 9 días, 9 días a 10 días, y más de 10 días.

En una realización, los sólidos ricos en nutrientes incluyen, pero no se limitan a, sólidos ricos en fósforo, partículas semejantes a estruvita, partículas de fósforo unidas a Ca/Mg orgánicas, y biosólidos de Clase A.

La FIG. 1 proporciona una realización de un método para la recuperación de nutrientes . El método comprende digerir material fibroso de desecho en un digestor anaerobio 10 . Después de un período de digestión adecuado, se separa el efluente 20 de la fibra 30 usando un tamiz 40 de separación. Se airea el efluente 20 en un tanque 50 de aireación, en el que se inyecta aire al efluente líquido. El tanque de aireación puede comprender boquillas o chorros de gas en la parte inferior del tanque 50 , para dispersar el aire. La aireación puede ser en forma de microaireación.

Una etapa opcional implica mezclar cal viva 60 con el efluente 20 en un tanque 70 de mezclamiento . El método comprende además transportar la mezcla de cal/efluente hasta un sistema 80 de sedimentación de sólidos, y recoger sólidos 90 ricos en nutrientes, incluyendo, pero sin limitarse a, sólidos ricos en fósforo.

La aireación controlada se puede usar para eliminar C02 sobresaturado, incrementar el valor del pH del efluente, y potenciar la sedimentación de los sólidos suspendidos. La aireación es de naturaleza puramente química. En una realización, se usa una cantidad pequeña y limitada de aireación, sólo suficiente para controlar los equilibrios químicos. La aireación usada aquí no constituye un procesamiento aeróbico. La aireación no dará como resultado el crecimiento y proliferación de bacterias aerobias como se observa a menudo en el tratamiento biológico de agua residual. El tratamiento de agua residual usa una tasa enormemente mayor de aireación y con el único propósito de hacer crecer las bacterias aerobias.

Sin estar atados por ninguna teoría particular, se cree que el efluente de digestor anaerobio es muy rico en bicarbonatos y gases de C02 disueltos, debido al hecho, de que durante el ciclo del digestor anaerobio, una porción significativa de carbono orgánico se ha convertido en metano y C02, parte del cual se disuelve a su vez y/o se sobresatura en disolución. El C02 disuelto y parte del bicarbonato (HC03-) que se transfiere a C02 impiden la sedimentación de los sólidos suspendidos, interfiriendo con los procesos naturales de sedimentación por gravedad y/o floculación inducida por cargas. Las fórmulas de ionización de carbonato a ácido carbónico, bicarbonato y carbonato se muestran a continuación en las Ecuación 1-3.

C032" + H20 <-> HCO3" + OH" (1) HCO3" + H20 <? H2C03(1) + OH" (2) H2C03 <? C02(g) + H20 (3) Sin estar atados por ninguna teoría particular, se cree que la eliminación de C02 disuelto y parte de los bicarbonatos, que se transfiere a C02, desde el efluente de digestor anaerobio eliminará al menos una porción de la interferencia para la sedimentación, y permitirá potencialmente que los sólidos suspendidos significativos sedimenten sin la necesidad de g químicos artificiales. La aireación limitada, controlada, del efluente de digestor anaerobio puede inducir la eliminación del C02 disuelto y parte de los bicarbonatos .

Mientras se airea el efluente, el C02 se extrae del sistema por aire. El equilibrio de la reacción n9 3 se desplaza hacia la derecha, y como resultado el equilibrio de la reacción ns 2 y ns 1 se mueve hacia la derecha. Entonces se genera más OH", y aumenta el valor del pH de la disolución. Además, algunas bacterias anaerobias cruciales serán exterminadas por 02 a través de la aireación, que ralentiza la generación de C02 biológica continuada.

Durante el proceso de aireación del efluente, el C02 es eliminado y los equilibrios químicos naturales se desplazan para eliminar también parte de los bicarbonatos. Puesto que el C02 disuelto es un compuesto ácido, el pH de la disolución aumenta, dando así una indicación del grado al que se ha eliminado el C02. El pH del efluente también se puede usar para determinar si se ha alcanzado el nivel apropiado de aireación, y se puede usar como un indicador o marcador de la cantidad de sedimentación a esperar.

A medida que aumenta el pH, la porción de H2CÜ3 en el líquido disminuye según la reacción ns 2. Por lo tanto, disminuye la eficiencia de la extracción de C02. Esta disminución en la eficiencia podría dar como resultado que no se supere completamente la barrera de energía, y no se produzca la sedimentación deseada. En tal caso, la adición de cal (Ca(OH)2 o CaO) puede hacerse más eficiente para incrementar el pH que la aireación y lograr finalmente el pH requerido para superar la barrera de energía para la sedimentación. La fórmula de ionización de la cal y la reacción entre la cal y bicarbonato se representa en las Ecuaciones 4-6.

Ca(OH)2 <? Ca2+ + 20H" (4) HC03" + OH" ? C032" + H20 (5) H2C03 + OH" ? HCO3" + H20 (6) El proceso de aireación del efluente digerido anaerobio permitirá una sedimentación potenciada de los sólidos suspendidos sin la necesidad de gastos de compuestos químicos. De forma importante, una mayoría del fósforo está en forma de sólidos suspendidos insolubles pequeños. Durante el proceso de digestión anaerobia, gran parte del fósforo orgánico se convierte en una forma inorgánica, que no está disponible como fosfato o verdaderamente disuelta. En su lugar, concentraciones elevadas de iones calcio y magnesio en el estiércol han conducido a la producción de sólidos insolubles, coloidales, no cristalinos que están suspendidos en disolución como formas de fosfato de calcio o de magnesio. De este modo, potenciando la sedimentación de los sólidos suspendidos se da como resultado directamente la eliminación de cantidades significativas de fósforo.

Se anticipa que algunos usuarios finales de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí sólo desearán recuperar fósforo. En este caso, el control cuidadoso de la aireación y del pH puede permitir la recuperación de fósforo solo. Para eliminar fósforo total pero no amoníaco, el efluente puede tener un valor del pH que oscile desde 8,6 hasta 9,0. Igualmente, la temperatura del efluente se controla cuidadosamente. Por ejemplo, 20 horas de aireación baja (40 galones/cfm) usando efluente a 20-352C puede lograr un pH de 9,0, que proporcionará una buena sedimentación. Como alternativa, 6 horas de aireación (40 galones/cfm) usando efluente a 352C pueden lograr un valor del pH de 8,6, que igualmente también sedimentará.

Sin embargo, otros usuarios finales de los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí pueden desear recuperar más que fósforo. El incremento del pH del efluente de digestor anaerobio puede ayudar a desplazar el equilibrio químico desde amoníaco disuelto hasta amoníaco gaseoso e introducir un medio mediante el cual se pueden eliminar amoníaco y nitrógeno y recuperar a partir del efluente de digestor anaerobio. En una realización, el efluente digerido anaerobio con un valor del pH de 9,5 o mayor y una temperatura de 140 aF o mayor puede proporcionar la recuperación de amoníaco, probablemente en forma de sulfato de amonio líquido.

En otra realización, la velocidad de aireación/tiempo controlados (10-40 galones/cfm durante 1-7 horas) y la temperatura (55SC a 70eC) puede lograr intervalos de pH entre 9,5 y 10,0 que permiten una volatilización, extracción y recuperación significativas de amoníaco como sal de amonio, preferiblemente sulfato de amonio.

En una realización, el efluente líquido se deja sedimentar durante un período de tiempo adecuado para permitir que los sólidos salgan de la disolución, incluyendo, pero sin limitarse a, períodos en el intervalo de 15 min. a 7 días, o de 12 horas a 6 días, o de 24 horas a 5 días, o de 36 horas a 4 días, o de 2 días a 3 días.

En una realización, se proporciona un método para incrementar la cantidad de captura de biogás a partir del digestor anaerobio, que comprende agitar el efluente de digestor anaerobio a medida que sale de la vasija del digestor anaerobio. En otra realización, el método comprende además colocar el efluente en un flujo de película delgada para la separación rápida de líquido/biogás . En todavía otra realización, el método comprende además colocar el proceso de descarga del digestor anaerobio a vacío.

En una realización, la descripción se refiere a un método para la recuperación de nutrientes a partir de un efluente de digestor anaerobio, que comprende calentar el efluente de digestor anaerobio (a alrededor de 100SF) a partir de una unidad digestora anaerobia comercial existente hasta 1602F usando un sistema de recuperación de calor de gas de escape de motor extendido. El efluente y sus sólidos fibrosos se calientan a fin de satisfacer los estándar de patógenos de Clase A. Los sólidos fibrosos de Clase A se pueden eliminar a través de separación mecánica con tamiz usando un tamiz inclinado con prensa de tornillo, El método comprende además airear el líquido que queda con sólidos suspendidos en una zona de aireación a temperaturas de funcionamiento de aproximadamente 140aF. La aireación se puede producir en un tanque de flujo pistón dedicado. El tanque de flujo pistón puede tener cualquier tiempo de retención adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, 1-5, 5-10, 10-20, 20-25, 25-30,30-50, 50-100, 100-200 o más de 200 horas de tiempo de retención. La aireación se puede lograr a través del uso de microaireadores colocados en la parte inferior del tanque para suministrar diversos grados de flujo de aireación por galón de efluente tratado. El aire se calentó hasta la temperatura usando calor de gas de escape de motor enviado a través de un intercambiador de calor aire a aire.

Como se describe anteriormente, la aireación permitió la extracción de C02 gaseoso sobresaturado . La temperatura elevada potenció la cinética, permitiendo una liberación más rápida del C02 y dos resultados importantes. En primer lugar, el pH se incrementó, y en segundo lugar, se pueden eliminar los gases que interfieren con la floculación y sedimentación naturales. El incremento en el pH (>9,5) permitió que una porción del amoniaco disuelto desplazase su equilibrio hacia amoníaco libre, gaseoso.

El método comprende además transportar amoníaco libre, gaseoso, a una torre de ácido de dos etapas dedicada, en la que cantidades controladas de ácido entran en contacto con el amoníaco gaseoso en el aire y producen una sal de amonio. El enfoque de dos torres se diseñó de manera que se pudiese lograr un producto de pH neutro con una concentración máxima consistente (-40% en peso) .

El método también comprende sedimentar sólidos ricos en fósforo y recoger los sólidos usando vertederos de desecación.

El método comprende además burbujear biogás bruto desde el digestor a través del efluente relativamente caliente con pH elevado, y devolver el pH del efluente a neutro mientras que también simultáneamente se depura en parte el biogás de impurezas de H2S ácidas. Se puede usar un intercambiador de calor final para recuperar calor residual.

Sistema de Recuperación de Nutrientes En una realización, en la FIG. 2 se ilustra un sistema 100 de recuperación de nutrientes. El sistema 100 se puede usar para procesar entradas de digestor anaerobio y recuperar un nutriente a partir del efluente resultante. En una realización, la entrada de digestor anaerobio es material fibroso de desecho. El material fibroso de desecho se puede recoger usando cualquier medio adecuado en la técnica. El material fibroso de desecho incluye, pero no se limita a, madera, hierba, residuo agrícola, estiércol, papel residual reciclado, sólidos municipales de fracción orgánica, y materiales de desecho agrícolas. Los ejemplos de fuentes de materiales fibrosos de desecho incluyen, pero no se limitan a, instalaciones de producción de ganado, tales como ganado vacuno, cerdos, cabras, ovejas, vacas lecheras, caballos, y similares, ranchos de pollos, granjas de pavos, granjas de patos, granjas de gansos, desechos humanos, y similares. El material fibroso de desecho también puede incluir muchas formas de instalaciones de procesamiento de productos agrícolas, que pueden incluir productos agrícolas no relacionados con la alimentación. El material fibroso de desecho también puede incluir ciertas formas de desechos mezclados, en las que una porción del desecho también puede incluir materiales alimentarios desechados. El material fibroso de desecho también puede incluir fibras mezcladas con alimentos descompuestos.

En otra realización, el material fibroso de desecho también puede incluir heno, paja, y otro material usado habitualmente en establos de animales u otro entorno agrícola. En todavía otra realización, el material fibroso de desecho también puede contener orina más agua usada en la limpieza de los establos. En aún otra realización todavía, el material fibroso de desecho también puede contener material adicional, tal como hilo bramante, cuerda, u otro material que puede ser o no biodegradable . En todavía otra realización, el material fibroso de desecho procede de una granja lechera.

En otra realización, el material fibroso de desecho también puede incluir fibras de productos agrícolas no alimentarios tales como bambú, palma de aceite, fibra de coco, etc.

En otra realización, la entrada de digestor anaerobio puede comprender una mezcla de estiércol animal y sólidos municipales de fracción orgánica tales como materiales alimentarios desechados y desecho del procesamiento de alimentos que se co-mezclan y digieren.

La FIG. 2 muestra un esquema del sistema 100 usado para recuperar nutrientes procedentes del procesamiento de desecho de granjas con contenidos elevados de sólidos. El sistema 100 comprende, entre otros, un digestor anaerobio 10, una fosa 101 de lodo, una fosa 110 de efluente, un dispositivo de separación, 130, y una vasija 145 hermética al aire.

Digestor Anaerobio Se puede usar cualquier tipo de digestor anaerobio. Un sistema de digestor anaerobio convencional incluye generalmente los siguientes componentes: fosa de transferencia y mezclamiento de estiércol, un digestor hecho de acero, fibra de vidrio, hormigón, tierra u otro material adecuado (incluyendo equipo de calentamiento y de mezclamiento si es necesario) , equipo de manipulación y transmisión de biogás, y equipo de uso final de gas (combustión) , tal como un equipo de generación de electricidad.

Los digestores convencionales anaerobios también pueden requerir supervisión operacional, dependiendo del modo operacional y la temperatura. Los sistemas digestores anaerobios convencionales también requieren un diseño y dimensionamiento apropiados para mantener las poblaciones bacterianas críticas responsables del tratamiento y estabilización de los desechos para el comportamiento predecible a largo plazo sostenible. Los requisitos de dimensionamiento se basan en el tiempo de retención hidráulico (HRT) , y velocidad de carga, en el que la temperatura de funcionamiento afecta a estos parámetros de dimensionamiento. Estos factores (tamaño, materiales, requisitos operacionales ) afectan a los costes del digestor, que pueden ser bastante costosos en inversión, y en algunas economías y escalas de granjas pueden no ser costeables o pueden ser inoperables si no existen técnicos experimentados.

En una realización, se pueden usar digestores anaerobios que tienen cualquier tipo de configuración de procedimiento, incluyendo, pero sin limitarse a, discontinua, continua, temperatura mesofílica, temperatura termofílica, contenido elevado de sólidos, contenido bajo de sólidos, complejidad de una sola etapa y complejidad de múltiples etapas .

En otra realización, se puede usar un sistema discontinuo de digestión anaerobia. La biomasa se añade al reactor al comienzo del proceso en un lote y se cierra herméticamente durante el resto del proceso. Los reactores discontinuos sufren de problemas de olor, que pueden ser un grave problema cuando se vacían. Típicamente, la producción de biogás se formará con un patrón de distribución normal a lo largo del tiempo. El operario puede usar este hecho para determinar cuándo cree que el proceso de digestión de la materia orgánica ha terminado.

En todavía otra realización, se puede usar un sistema continuo de digestión anaerobia. En los procesos de digestión continuos, la materia orgánica se añade típicamente al reactor en etapas. Los productos finales se eliminan constante o periódicamente, dando como resultado una producción constante de biogás. Los ejemplos de esta forma de digestión anaerobia incluyen reactores de tanque agitado continuos (CSTRs) , manto de lodo de flujo ascendente (UASB) , lecho de lodo granular expandido (EGSB) y reactores de circulación interna (IC) .

En todavía otra realización, se pueden usar niveles de temperatura operacional mesofílica o termofílica para digestores anaerobios. Los niveles de temperatura mesofílica tienen lugar óptimamente a alrededor de 37a-41aC, o a temperaturas ambientes entre 20a-452C; a estas temperaturas, los mesófilos son los microorganismos primarios presentes. Los niveles de temperatura termofílica tienen lugar óptimamente a alrededor de 50S-529C y a temperaturas elevadas de hasta 70aC; a estas temperaturas, los termofilos son los microorganismos principales presentes.

Hay un mayor número de especies de mesófilos que termofilos. Los mesófilos son también más tolerantes a cambios en las condiciones medioambientales que los termofilos. Los sistemas mesófilos se consideran por lo tanto más estables que los sistemas de digestión termofilos.

En otra realización, los digestores anaerobios se pueden diseñar para operar en un contenido elevado de sólidos, con una concentración de sólidos suspendidos totales (TSS) mayor que 20%, o una concentración baja de sólidos con una concentración de TSS menor que 15%. Los digestores con contenidos elevados de sólidos procesan una suspensión espesa que requiere más gasto de energía para mover y procesar la materia prima. El espesor del material también puede conducir a problemas asociados con la abrasión. Los digestores con contenidos elevados de sólidos tendrán típicamente un menor requisito de tierra debido a los menores volúmenes asociados con la humedad.

Los digestores con bajos contenidos de sólidos pueden transportar material a través del sistema usando bombas estándar que requieren un gasto de energía significativamente menor. Los digestores con bajos contenidos de sólidos requieren una mayor cantidad de tierra que los de contenidos elevados de sólidos, debido a los mayores volúmenes asociados con la relación incrementada de líquido ¡materia prima de los digestores. Hay beneficios asociados con el funcionamiento en un entorno líquido, ya que permite una circulación más concienzuda de materiales y el contacto entre las bacterias y el alimento. Esto permite que las bacterias tengan un acceso más fácil a las sustancias de las que se alimentan, e incrementa la velocidad de las producciones de gas .

En todavía otra realización, los sistemas de digestión se pueden configurar con diferentes niveles de complejidad: una etapa o etapa única, y dos etapas o múltiples etapas. Un sistema de digestión de una única etapa es aquel en el que todas las reacciones biológicas se producen en un único reactor cerrado herméticamente o tanque de contención. La utilización de un reactor de una única etapa reduce el coste de construcción; sin embargo, hay menos control de las reacciones que se producen en el sistema. Por ejemplo, las bacterias acidogénicas , mediante la producción de ácidos, reducen el pH del tanque, mientras que las bacterias metanogénicas funcionan en un intervalo de pH estrictamente definido. Por lo tanto, las reacciones biológicas de las diferentes especies en un reactor de una única etapa pueden estar en competición directa entre sí. Otro sistema de reacción de una etapa es una laguna anaerobia. Estas lagunas son cubetas enterradas similares a estanques usadas para el tratamiento y almacenamiento a largo plazo de estiércoles. En este caso, las reacciones anaerobias están contenidas dentro del lodo anaerobio natural contenido en la piscina.

En un sistema de digestión de dos etapas o de múltiples etapas, vasijas de digestión diferentes se optimizan para llevar a cabo el control máximo sobre las comunidades bacterianas que viven en los digestores. Las bacterias acidogénicas producen ácidos orgánicos, y crecen y se reproducen más rápido que las bacterias metanogénicas . Las bacterias metanogénicas requieren pH y temperatura estables a fin de optimizar su comportamiento.

El tiempo de residencia en un digestor varía con la cantidad y tipo de material fibroso de desecho, la configuración del sistema de digestión y si es de una etapa o de dos etapas. En el caso de digestión termofílica de una única etapa, los tiempos de residencia pueden estar en la región de 14 días, lo que, en comparación con la digestión mesofílica, es relativamente rápido. La naturaleza de flujo pistón de algunos de estos sistemas significará que puede no haberse realizado en esta escala de tiempo la degradación total del material. En este caso, el digestado que sale del sistema será más oscuro en color, y tendrá típicamente más olor .

En la digestión mesofílica de dos etapas, el tiempo de residencia puede variar entre 15 y 40 días. En el caso de digestión de UASB mesofílica, los tiempos de residencia hidráulicos pueden ser (1 hora-1 día) , y los tiempos de retención de sólidos pueden ser de hasta 90 días. De esta manera, el sistema de UASB es capaz de separar tiempos de retención de sólidos e hidráulicos con la utilización de un manto de lodo.

Los digestores continuos tienen dispositivos mecánicos o hidráulicos, dependiendo del nivel de sólidos en el material, para mezclar los contenidos que permiten que las bacterias y el alimento estén en contacto. También permiten que el material en exceso sea extraído continuamente para mantener un volumen razonablemente constante dentro de los tanques de digestión.

En una realización, el material fibroso de desecho se puede procesar a través de un digestor anaerobio disponible de GHD, Inc. (Chilton, WI) . En una realización, el material fibroso de desecho se puede procesar a través de un digestor anaerobio como se describe en cualquiera de las patentes U.S. nos 6.451.589; 6.613.562; 7.078.229; y 7.179.642; cada una de las cuales se incorpora como referencia en su totalidad. Cada una de las patentes citadas anteriormente se asigna a GHD, Inc., y nombra a Mr. Steve Dvorak como el único inventor. En todavía otra realización, el digestor anaerobio puede ser un sistema de digestor de flujo pistón mixto de dos etapas.

En otro aspecto, la invención puede proporcionar un método para la digestión anaerobia de desecho con contenidos elevados de sólidos, que comprende mover el desecho sólido de una manera similar a un sacacorchos a través del digestor. El digestor es un tanque generalmente con forma de U con dimensiones horizontales globales de aproximadamente 100 pies de largo y 72 pies de ancho. Una pared central de aproximadamente 90 pies de longitud divide el digestor en dos piernas de la forma de U. De este modo, cada pierna del digestor tiene aproximadamente 100 pies de longitud y 36 pies de anchura.

El flujo pistón modificado o flujo en suspensión se puede usar para mover el lodo. Las tuberías de calentamiento del digestor calientan localmente el lodo usando agua caliente a aproximadamente 1602F procedente del refrigerador del motor, provocando que el lodo mezclado calentado se eleve bajo fuerzas convectivas. La convección desarrolla una corriente en el digestor que no es característica de otros digestores con contenidos elevados de sólidos. El lodo se calienta por las tuberías de calentamiento del digestor cerca de la pared central del digestor, de manera que las fuerzas convectivas provocan que el lodo calentado se eleve cerca de la pared central. Al mismo tiempo, el lodo cerca de la pared exterior relativamente más fría cae bajo fuerzas convectivas. Como resultado, las fuerzas convectivas hacen que el lodo siga una trayectoria de flujo circular en dirección hacia arriba a lo largo de la pared central y hacia abajo a lo largo de la pared exterior. Al mismo tiempo, el lodo fluye a lo largo de las piernas primera y segunda del digestor, dando como resultado una trayectoria combinada de flujo similar a un sacacorchos para el lodo.

En otra realización (no mostrada) , chorros de inyección de gas caliente que usan gases calentados procedentes de la salida del motor sustituyen a las tuberías de calentamiento del digestor de agua caliente como fuente de calor y generadora de corriente. La inyección de gases calientes hace circular el lodo mediante convección tanto natural como forzada. Se desarrolla en el digestor una trayectoria similar de flujo similar a un sacacorchos.

Para incrementar adicionalmente el flujo ascendente del lodo calentado cerca de la pared central, se puede eliminar biogás desde el área de almacenamiento de biogás en el digestor, se puede presurizar con un soplador centrífugo o de lóbulo giratorio de gas, y se puede inyectar en el lodo calentado a través de boquillas situadas sobre el conducto. Esta inyección de biogás reciclado cerca del suelo del digestor sirve para incrementar la rapidez de la trayectoria de flujo similar a sacacorchos para el lodo calentado.

La forma de U del digestor da como resultado una trayectoria del flujo del lodo larga, y de este modo un tiempo de residencia prolongado de aproximadamente veinte días. A medida que el lodo fluye a través del digestor, la digestión anaerobia procesa el lodo en lodo activado. Desde el digestor, el lodo activado fluye al aclarador opcional y a una fosa 30 de lodo. El aclarador usa la gravedad para separar el lodo activado en porciones de líquido y de sólido.

Fosa de Efluente El sistema de recuperación de nutrientes comprende una fosa (20) de efluente. La fosa de efluente está separada del digestor anaerobio (20) por una pared (111) . La fosa de efluente y el digestor anaerobio pueden compartir una o más paredes exteriores comunes (112 y 113). La fosa de efluente también puede comprender un espacio de cabeza para la recogida de gas .

En una realización, el efluente 20 de digestor anaerobio puede fluir por gravedad, o puede ser bombeado, a una fosa 110 de efluente aislada. En una realización, el efluente de digestor anaerobio se descarga del digestor, mientras mantiene la integridad del gas . La descarga del efluente de digestor anaerobio se diseña para maximizar la turbulencia, flujo de película fina, y el contacto con el aire exterior. Este proceso de descarga da como resultado la desgasificación del gas metano sobresaturado para una mayor producción de gas y control medioambiental/climático .

En una realización, la mezcla de metano/aire resultante se puede volver a inyectar en el digestor anaerobio para potenciar el mezclamiento, e incrementar la producción de biogás. Además, la mezcla de metano/aire reinyectada puede ayudar a reducir el contenido de sulfuro de hidrógeno en el digestor.

La temperatura del efluente 20 de digestor anaerobio se puede elevar a medida que fluye a través de la primera vasija en un proceso de flujo pistón hasta una temperatura adecuada que incluye, pero no se limita a, 1002F a 110SF, 110aF a 1202F, 120fiF a 130aF, 130SF a 1402F, 140aF a 150aF, 150aF a 1602F, 1602F a 1652F, 1652F a 175aF, y 1752F a 1952F.

En una realización, el efluente de digestor anaerobio se calienta usando un sistema de recuperación de calor de gases de escape extendido, para tratar térmicamente además el efluente y sus sólidos fibrosos hasta estándares de patógenos de Clase A.

El tiempo de retención hidráulico (HRT) del efluente en la vasija se puede verificar según los estándar de EPA de los Estados Unidos de América. HRT puede variar, dependiendo de los criterios de diseño, desde 30 minutos hasta 48 horas, o desde 4 horas hasta 36 horas, o desde 8 horas hasta 24 horas, o desde 12 horas hasta 16 horas.

La fosa 110 de efluente tendrá un espacio de cabeza de gas por encima del nivel de líquido y por debajo del techo de la vasija, será hermética al aire, y se hará funcionar a vacío. El efluente 20 en la fosa de efluente se calentará y agitará mediante la inyección de gas calentado, incluyendo, pero sin limitarse a, aire, a través de inyectores o boquillas 120 de gas. El gas calentado se inyectará en el líquido cerca de la parte inferior de la fosa de efluente, provocando un efecto de mezclamiento de sacacorchos . El aire calentado se puede suministrar tomando aire ambiente a través de un intercambiador 122 de calor de flujo transversal, con el gas de escape procedente del conjunto de motor generador de biogás, proporcionando la corriente de aire calentada. El fluente calentado, agitado con aire, liberará la mayoría del C02 y parte del NH3 arrastrado en el desecho líquido. La liberación del C02 a partir del desecho líquido provocará una elevación en el pH en el desecho líquido, incrementando la eficiencia de la eliminación de NH3. El valor del pH se puede usar como un marcador para saber cuánto gas sobresaturado se ha liberado. El valor del pH también se puede usar como un marcador para determinar qué nutrientes se pueden recuperar.

Sin estar atados por ninguna teoría particular, se cree que la aireación permite la generación de gases sobresaturados , incluyendo, pero sin limitarse a, C02, y que la temperatura elevada potencia la cinética, permitiendo una liberación más rápida de los gases sobresaturados. Aireando el efluente, se incrementa el valor del pH y se eliminan gases, que pueden interferir con la floculación y sedimentación naturales .

En una realización, la velocidad de aireación puede ser cualquier velocidad que ayude en la liberación de gases disueltos, que se sobresaturan con la aireación, incluyendo, pero sin limitarse a, de 2 galones/cfm a 160 galones/cfm, o de 5 galones/cfm a 150 galones/cfm, o de 10 galones/cfm a 100 galones/cfm, o de 25 galones/cfm a 80 galones/cfm, o de 40 galones/cfm a 50 galones/cfm. En una realización, se pueden usar tubos de microaireación .

En una realización, el tiempo de aireación puede ser cualquier cantidad de tiempo que ayude a la liberación de gases disueltos, que se sobresaturan con la aireación, incluyendo, pero sin limitarse a, de 15 min. a 3 días, o de 2 horas a 2 días, o de 4 horas a 24 horas, o de 8 horas a 18 horas, o de 12 horas a 16 horas.

En una realización, la velocidad de aireación se selecciona para permitir la extracción de los gases disueltos, que se sobresaturan con la aireación, y mantener el nivel de sólidos existentes tales como fosfatos unidos a calcio y magnesio. En una realización, la velocidad de aireación no provoca la disolución de los sólidos tales como fosfatos unidos a calcio y magnesio o partículas semejantes a estruvita, que liberarían más fosfatos libres.

En una realización, la aireación puede incrementar el valor del pH del efluente hasta un valor deseado, incluyendo, pero sin limitarse a, 7,4, 7,5, 7,6, 7,7, 7,8, 7,9, 8,0, 8,1, 8,2, 8,3, 8,4, 8,5, 8,6, 8,7, 8,8, 8,9, 9,0, 9,1, 9,2, 9,3, 9,4, 9,5, 9,6, 9,7, 9,8, 9,9, 10,0, 10,1, 10,2, 10,3, 10,4, 10,5, 10,6, 10,7, 10,8, 10,9, 11,0, 11,1, 11,2, 11,3, 11,4, 11,5, 11,6, 11,7, 11,8, 11,9, 12,0, y mayor que 12,0.

En una realización, La fuente de aireación se diseña para producir burbujas de un tamaño particular, incluyendo, pero sin limitarse a, burbujas producidas mediante microaireación .

Torre de Extracción El sistema de recuperación de nutrientes también comprende una torre (140) de extracción. La torre de extracción se usa para absorber amoníaco gaseoso y estabilizarlo a una disolución de sal de amonio, que puede concentrarse más y ser fácilmente almacenada. De forma breve, la extracción es un proceso de destilación que consiste en separar componentes fluidos por diferencias en el punto de ebullición o en la presión de vapor. El medio habitual de separación es a través de una columna o torre que está empaquetada con uno o más materiales soporte diversos , es decir, Pall Rings, Raschig Rings, Berl Saddles, etc., para incrementar la superficie de contacto. Un medio de extracción (por ejemplo aire caliente o vapor de agua, o, en una realización, aire sin calentar) se inyecta en la parte inferior de la torre, y una disolución que contiene amoníaco se inyecta en o cerca de la parte superior. A medida que el líquido que contiene amoníaco gotea a través del empaquetamiento, entra en contacto con el vapor caliente que asciende, y la fracción de amoníaco más volátil se vaporiza y se puede recoger y tratar posteriormente. El componente líquido menos volátil se hace cada vez más puro a medida que se acerca a la parte inferior de la torre, donde se puede recoger. La patente U.S. ns 7.909.995, que se expidió el 22 de marzo de 2011, proporciona información adicional sobre diseños de torres de extracción y sistemas de recuperación de nutrientes, y se incorpora expresamente aquí como referencia en su totalidad.

La torre de extracción es un aparato que puede contener ácidos cáusticos, incluyendo, pero sin limitarse a, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido carbónico, ácido clorhídrico, y fosfato ácido. Las torres de extracción también pueden comprender sopladores de vacío y bombas .

En una realización, la torre de extracción se puede usar para recoger cualquier sal de amonio, incluyendo, pero sin limitarse a, carbonato de amonio, sulfato de amonio, cloruro de amonio, nitrato de amonio, y fosfato de amonio.

En oposición a los métodos convencionales que hacen fluir el estiércol a través de torres de extracción, se puede emplear la aireación de flujo pistón. Esto evita problemas de obturación de torres de extracción de placas . Además las torres de extracción convencionales se centran en una eficiencia elevada mediante velocidades de aireación muy elevadas. Estas velocidades de aireación a menudo están asociadas con caídas de presión y demandas elevadas de electricidad.

En una realización, la extracción del amoníaco se lleva a cabo usando un diseño de torre de bucle cerrado que usa aire como el medio de extracción e incluye un sistema de absorción de ácido para capturar amoníaco como sal de amonio. El aire se puede usar para este proceso debido a que, aunque no tiene una capacidad de absorbancia de amoníaco tan elevada como otros gases portadores potenciales, el aire es barato y el ajuste del pH necesario se puede mantener a un nivel relativamente bajo (por ejemplo pH 10) debido a que el proceso aprovecha el agua residual de estiércol caliente (alrededor de 32-35 SC) que proviene del digestor anaerobio para compensar.

En una realización, el aire del efluente, a vacío en la fosa 110 de efluente, se transferirá a una torre 140 de extracción empaquetada, en la que un lavado líquido de ácido sulfúrico, en este ejemplo, hará caer el pH de la corriente de aire y creará una disolución que comprende sulfato de amonio. La disolución puede comprender una suspensión de sal de amonio que comprende de alrededor de 30% a alrededor de 60% de sulfato de amonio. El sulfato de amonio se puede recoger y usar como fertilizante.

En una realización, se puede usar un diseño de una única torre. Una única torre incluye una entrada de agua residual para la extracción de amoníaco, y una entrada de ácido para la absorción con ácido. El aire se dirige en la parte inferior de la torre usando un ventilador o soplador. El aire circula en un sistema cerrado, permitiendo así la recuperación mejorada de amoníaco y una reducción en los gastos de energía ya que el aire sin influencia exterior mantiene su temperatura durante un período de tiempo más prolongado. En algunas realizaciones, el aire se calienta, por ejemplo, hasta una temperatura de alrededor de 502C, o en el intervalo de alrededor de 40SC a alrededor de 609C.

Separador de Sólidos/Líquido El sistema de recuperación de nutrientes también comprende un separador (130) de sólidos/líquido, que se puede usar para separar líquidos de sólidos. Se puede usar cualquier tipo de separador de sólidos / líquido . Un ejemplo de un separador de sólidos/líquido es un separador de líquidos de lodos de estiércol de Puxin, disponible de Shenzhen Puxin Science and Technology.

El separador de Puxin está compuesto de una máquina de prensa, una bomba de lodo, una cabina de control y las tuberías. Se usa principalmente para separar el sólido y líquido para estiércol de ganado, tal como estiércol de vaca, estiércol de cerdo y estiércol de pollo, etc., para obtener estiércol seco. El equipo funciona mediante extrusión de tornillo continuo, y se puede aplicar al estiércol o lodo con el tamaño de partícula sólida =0, 5-1,0 mm.

Al final del HRT diseñado, todo el efluente de digestor anaerobio esterilizado se bombeará a un separador 130 de sólidos/líquidos, dando como resultado una corriente 135 de sólidos separada que satisfará los criterios de biosólidos de Clase A, y una corriente 137 líquida de separador, que también estará esterilizada y libre de patógenos. Los sólidos separados y el líquido separado tendrán un contenido reducido de N amoniacal. El sulfato de amonio creado tendrá una utilización de mayor valor del amonio natural encontrado en desechos orgánicos, y estará en una forma química que es más fácil de utilizar y comercializar. Los sólidos separados se pueden utilizar para camas de animales, uso hortícola, o fertilizante .

Vasija Hermética al Aire que Comprende un Reactor de Aireación y Sistema de Sedimentación de Sólidos El sistema de recuperación de nutrientes también comprende una vasija hermética al aire de una única cámara o de múltiples cámaras. La vasija hermética al aire puede comprender una, dos, tres, cuatro, cinco o más de cinco cámaras. Las cámaras pueden compartir paredes comunes, o pueden estar aisladas completamente. Las cámaras pueden tener dimensiones y diseños similares, o dimensiones o diseños únicos. Dos o más de dos cámaras pueden tener dimensiones y diseños idénticos. Las cámaras pueden estar hechas de material similar o de material diferente.

La corriente de líquido del separador, con una temperatura mantenida de 130aF a 180SF, o de 140SF a 1602F, se puede transferir a una vasija hermética al aire de una única cámara o de múltiples cámaras. En la FIG. 2 se muestra una vasija 145 hermética al aire de tres cámaras. La primera cámara 150 está separada de la segunda cámara 160 por una pared barrera. La segunda cámara 160 está separada de la tercera cámara 170 por una pared barrera.

En una realización, la pared barrera puede estar hecha de cualquier material adecuado que mantenga las cámaras distinguibles, incluyendo, pero sin limitarse a, PVC plástico, polietileno, polipropileno, plástico metacrílico o acrílico, plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP) , o acero inoxidable.

En una realización, las cámaras primera y tercera pueden tener cualquier forma o dimensión que permita el resultado deseado, incluyendo, pero sin limitarse a, un rectángulo, un cuadrado, un triángulo, un círculo, un pentágono, y una forma de ranura en V. Una o más bombas pueden estar situadas en o cerca del suelo de las cámaras primera y/o tercera. a. La Primera Cámara La primera cámara 150, que puede no utilizarse en todas las configuraciones, será una cámara de "zona de reposo", en la que se dejará decantar el líquido del separador. El gran porcentaje de los sólidos menudos que pasan a través del separador de sólidos con el efluente líquido probablemente sedimentará en la parte inferior de la primera cámara 150 y se recogerá y eliminará para su deshidratación . Los líquidos digeridos anaerobios con contenido reducido de sólidos, debido a un proceso de separación, y a una mayor temperatura del líquido, se separan más rápidamente y de forma más eficiente. La corriente de líquido circulará en modo flujo pistón a través de la primera cámara 150, diseñada con un HRT de 30 minutos a 24 horas, o de 60 minutos a 18 horas, o de 2 horas a 16 horas, o de 4 horas a 12 horas, o de 8 horas a 10 horas. La corriente de líquido circulará en modo flujo pistón en la segunda cámara 160. b. La Segunda Cámara La segunda cámara 160 puede tener cualquier forma o dimensiones deseadas que logre el resultado deseado, incluyendo, pero sin limitarse a, un rectángulo, un cuadrado, un círculo, un triángulo, un pentágono, o una forma de ranura en V.

En la segunda cámara 160, la corriente de líquido se puede agitar mediante gas con aire que se calienta en un intercambiador de calor con el gas de escape del motor de C02. La aireación permite la liberación de los gases sobresaturados , que impiden la sedimentación. Boquillas o chorros para la inyección de aire en la segunda cámara pueden estar situadas en o cerca del suelo de la segunda cámara 160. En otra realización, la corriente de líquido se puede agitar de forma hidráulica con una bomba de recirculación, o se puede agitar mecánicamente con un sistema de agitación propulsado. En una realización, la agitación puede ser durante un período de tiempo - adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, 30 minutos a 1 hora, 1 hora a 2 horas, 2 horas a 4 horas, 4 horas a 6 horas, 6 horas a 8 horas, 8 horas a 10 horas, 10 horas a 12 horas, y mayor de 12 horas. En este ejemplo, la segunda cámara sirve como un reactor de aireación.

En una realización, la corriente de líquido tendrá agitación continua, que ayudará a la eliminación de amoníaco si se desea la eliminación.

Se puede añadir un líquido de pH elevado, incluyendo, pero sin limitarse a, cal viva o un compuesto cáustico, a la corriente de líquido separada, al entrar en la segunda cámara, para incrementar el pH del efluente líquido hasta un valor adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, 9,0-9,1, 9,1-9,2, 9,2-9,3, 9,3-9,4 9,4-9,5, 9,5-9,6, 9,6-9,7, 9,7-9,8, 9,8-9,9, 9,9-10,0, 10,0-11,0, 11,0-12,0, 12,0-12,5, y mayor de 12,5.

Un beneficio a la hora de disminuir el contenido de sólidos del liquido residual es que se necesita menos tiempo o compuesto cáustico para elevar el pH de un volumen dado de liquido, disminuyendo de ese modo el coste del tratamiento químico del sistema de recuperación de nutrientes. La corriente de líquido circulará en modo flujo pistón a través de la segunda cámara 160 de la vasija 140 hermética al aire a medida que es agitada utilizando el método de agitación de flujo pistón (sacacorchos) mixto descrito anteriormente en la sección titulada Digestores Anaerobios, y de ese modo mantendrá un HRT consistente en la vasija.

El incremento del pH de un efluente de digestor anaerobio hasta un pH de alrededor de 9,5 o mayor, a una temperatura de 140 SF o mayor, convertirá el nitrógeno de amonio soluble (NH4-N) en nitrógeno de amoníaco volátil no soluble (NH3-N) . El nitrógeno de amoníaco 162 se volatilizará rápidamente con la agitación continua proporcionada en la vasija hermética al aire, y se recogerá en el espacio de cabeza proporcionado en la vasija. La extracción a vacío de los gases del espacio de cabeza se utilizará para incrementar adicionalmente la velocidad de volatilización dentro de la vasija hermética al aire. Subsiguientemente, utilizando un sistema de aire que depura la corriente de aire gaseosa con una disolución líquida de pH bajo de H2SO4 o compuesto químico ácido similar, en una torre 140 de extracción de aire de flujo transversal, el amoníaco se eliminará de la corriente de aire y será capturado como sulfato de amonio líquido. El sulfato de amonio es un fertilizante fácilmente sólido, muy valioso, utilizado por granjeros, y será una corriente de ingresos para el sistema de eliminación de nutrientes. Lo más importante, la eliminación del nitrógeno de amonio a partir de la corriente de desecho líquida resuelve uno de los aspectos de eliminación principales del efluente de digestor anaerobio .

De forma importante, en algunas aplicaciones, el usuario final puede desear no recuperar nitrógeno o amoníaco. El sistema se puede personalizar a la medida para satisfacer las necesidades y deseos del usuario final. En una realización, se puede diseñar un sistema para recuperar uno o más de un componente, incluyendo, pero sin limitarse a: (a) fósforo, (b) recuperar sal de amonio a partir de fertilizante de sal de amoníaco; (c) biosólidos de Clase A; (d) fósforo y sal de amonio; (e) sal de amonio y biosólidos de Clase A; (f) fósforo y biosólidos de Clase A; (g) fósforo, sal de amonio y biosólidos de Clase A. El control de la velocidad de aireación, tiempo de aireación y temperatura del efluente ayudará a determinar los nutrientes recuperados y el grado de la recuperación. c . Tercera Cámara La corriente de líquido circulará en modo flujo pistón en una tercera cámara 170, una "zona de reposo" sin agitación, en la que se dejará decantar el líquido. Los sólidos que quedan sedimentarán hacia la parte inferior de la tercera cámara, donde se eliminarán mediante un sistema de separación de descarga de la parte inferior. Mediante la adición de cal viva, con su pH elevado y componente de magnesio, y la agitación a temperatura elevada que precede a la tercera cámara, sedimenta fácil y rápidamente un nivel elevado de fosfato de magnesio y amonio. Los sólidos sedimentados se eliminarán de la tercera cámara 160 y se deshidratarán. En este ejemplo, la tercera cámara sirve como un sistema de sedimentación de sólidos.

En una realización, la sedimentación y deshidratación de los sólidos ricos en nutrientes se realiza de forma más fácil a través del uso de una bomba primaria. En otra realización, se puede añadir ácido para condensar la capa de sólidos para la decantación.

El fosfato de magnesio y amonio es un fertilizante muy valioso, fácilmente vendible, utilizado por granjeros, y también será una corriente de ingresos para el sistema de eliminación de nutrientes. Eliminando el fósforo y más amonio de la corriente de desecho líquida, se han eliminado los dos aspectos de eliminación más grandes del efluente de digestor anaerobio. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí contribuyen a resolver muchos de los aspectos medioambientales y reguladores que los generadores/eliminadores de desechos orgánicos líquidos encuentran en los Estados Unidos de América.

Intercambiador de Calor El líquido decantado, con una temperatura de 140 aF a 175 flF, se bombeará hasta un intercambiador 180 de calor en el que la temperatura del líquido decantado se conservará calentando los desechos orgánicos brutos entrantes fríos en el frente del sistema digestor anaerobio 10. Esto conservará los costes de calentamiento en el sistema total.

El líquido decantado continuará desde el intercambiador 180 de calor hasta un sistema 190 de depuración de gas de torre empaquetada, de flujo transversal. En esta torre 190 de depuración de gases, el líquido decantado de pH elevado se expondrá al biogás 200 procedente del sistema digestor anaerobio 10. El biogás 200 del digestor anaerobio tiene típicamente un contenido de sulfato de hidrógeno (H2S) de 500 ppm o mayor, y se considera muy corrosivo para los motores alternativos utilizados para convertir el biogás en energía para el proceso de generación eléctrica.

La reacción en la torre 190 de extracción de los líquidos decantados de pH elevado con el H2S ácido encontrado en la corriente de biogás reduce el nivel de H2S en el biogás hasta menos de 50 ppm. Esta menor concentración de H2S en el biogás reduce significativamente los costes de operación y mantenimiento de los motores alternativos en el sistema de AD. Adicionalmente, el pH elevado del líquido decantado se reduce ahora hasta aproximadamente 8,0 después de neutralizar el H2S ácido, dando como resultado un líquido más amigable de usar para el granjero/propietario, y opciones de eliminación del líquido más fáciles.

A medida que el biogás impuro se burbujea a través del efluente, las impurezas tales como C02 y H2S son eliminadas del biogás mediante absorción en el efluente. La eliminación de las impurezas es beneficiosa puesto que esto purifica o depura el biogás, haciéndolo más adecuado para uso. La absorción de C02 y H2S por el efluente es beneficiosa debido a que reduce el pH del efluente hasta niveles aceptables, por ejemplo hasta alrededor de pH 8. El burbujeo del biogás a través del efluente de extracción de amoníaco es beneficioso tanto para el efluente como para el biogás.

La FIG. 3A muestra otra realización de un sistema 300 de recuperación de nutrientes. El sistema 300 de recuperación de nutrientes es similar al sistema 100, con algunas variaciones en la fosa (110) de efluente, y una vasija 310 hermética al aire de dos cámaras, en oposición a una vasija hermética al aire de tres cámaras.

El sistema 300 de recuperación de nutrientes comprende una fosa 110 de efluente que comprende un intercambiador 315 de calor para calentar el efluente de digestor anaerobio. La fosa de efluente también comprende una bomba para transportar el efluente de digestor anaerobio a la primera cámara 320 de la vasija 310 hermética al aire de dos cámaras.

La vasija 310 hermética al aire de dos cámaras tiene una primera cámara 320 que permite que la corriente de líquido sea agitada mediante gas con aire ambiente y gas de escape de motor de CO2 que se calienta en un intercambiador 322 de calor. En este ejemplo, la primera cámara 320 sirve como un reactor de aireación.

Las boquillas o chorros 324 para la inyección de aire en la cámara 320 pueden estar situadas en o próximas al suelo de la cámara 320. En otra realización, la corriente de líquido se puede agitar de forma hidráulica con una bomba de recirculación, o se puede agitar mecánicamente con un sistema de agitación propulsado. En una realización, la agitación puede ser durante un período de tiempo adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, 30 minutos a 1 hora, 1 a 2 horas, 2 a 4 horas. 4 a 6 horas, 6 a 8 horas, 8 a 10 horas, 10 a 12 horas, 12-18 horas, 18-24 horas, 24-36 horas, 36-48 horas, 48-60 horas, 60-72 horas y más de 72 horas.

En una realización, el efluente se ajusta hasta un valor del pH que oscila de 9,0 a 10,5. En una realización, un valor del pH mayor de 9,5 se puede lograr mediante aireación, o aireación y la adición de un agente con un valor del pH elevado, incluyendo, pero sin limitarse a, un compuesto cáustico o cal viva. La adición de un agente con un valor del pH elevado se puede usar para incrementar el pH hasta un valor de 9,5-10,0, 10,0-10,5, 10,5-11,0, 11,0-11,5, 11,5-12,0, 12,0-12,5, y más de 12,5. La adición de un agente con un valor del pH elevado es opcional y no se requiere.

El efluente se puede bombear a un separador 130 múltiple que separa sólidos 135 de líquidos 137. Los sólidos y líquidos satisfacen los requisitos para ser considerados biosólidos de Clase A. El efluente líquido es bombeado en la cámara 340, que es una zona de reposo. Los componentes que quedan, los procesos de recuperación, y los ajustes de pH del efluente líquido son esencialmente como se describe para el sistema 100.

La FIG. 3B muestra otra realización de un sistema 305 de recuperación de nutrientes. El sistema 305 de recuperación de nutrientes es similar al sistema 300, con la excepción de que se usa un sistema (360) de dos torres de ácido. El sistema 305 comprende entre otros un digestor anaerobio 10, una fosa 101 de lodo, una fosa 110 de efluente, un dispositivo de separación, 130, y una vasija 310 hermética al aire de dos cámaras, y un sistema (360) de dos torres de ácido .

Digestor Anaerobio Como se describe anteriormente, se puede usar cualquier tipo de digestor anaerobio (10) . En una realización, se usa un digestor de flujo pistón mixto. En otra realización, el digestor tiene un tiempo de retención seleccionado del grupo que consiste en 18, 19, 20, 21, 22. 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, y más de 30 días.

Fosa de Efluente En una realización, el efluente 20 de digestor anaerobio puede fluir por gravedad, o puede ser bombeado, en una fosa 110 'de efluente aislada. En esencia, la fosa de efluente es como se describe para el sistema 100. En una realización, el C02 y el amoníaco procedente de la fosa de efluente no se bombea al sistema de dos torres de ácido. El gas se bombea desde el espacio de cabeza de la fosa de efluente hasta un soplador de vacío y nuevamente al digestor anaerobio. El gas recirculado se usa para hacer circular sólidos en el digestor anaerobio.

En otra realización, se usa un intercambiador de calor de acero inoxidable para calentar al efluente y es suministrado por un tanque de agua caliente para el digestor. El efluente se calienta hasta 160 SF en la fosa de efluente.

Vasija Hermética al Aire El efluente se bombea desde la fosa de efluente hasta una vasija hermética al aire de una única cámara o de múltiples cámaras. En la FIG. 3B se muestra una vasija 310 hermética al aire de dos cámaras. La primera cámara 320 está separada de la segunda cámara 340 por una pared barrera.

En una realización, las cámaras primera y segunda pueden tener cualquier forma o dimensión que permita el resultado deseado, incluyendo, pero sin limitarse a, un rectángulo, un cuadrado, un triángulo, un circulo, un pentágono, y una forma de ranura en V. Una o más bombas pueden estar localizadas en o próximas al suelo de las cámaras primera y/o tercera.

La Primera Cámara (320) La primera cámara 320 puede tener cualquier forma o dimensiones deseadas que logren el resultado deseado, incluyendo, pero sin limitarse a, un rectángulo, un cuadrado, un círculo, un triángulo, un pentágono, y una forma de ranura en V. La primera cámara 320 sirve como un reactor de aireación.

En la primera cámara 320, el efluente de digestor anaerobio puede ser agitado mediante gas con aire ambiente que se calienta en un intercambiador (322) de calor con el gas de escape de motor de C02. La aireación permite la liberación de los gases sobresaturados , que impiden la sedimentación. Las boquillas o chorros (324) para la inyección de aire en la primera cámara puede estar situada en o cerca del suelo de la primera cámara 320. En otra realización, la corriente de líquido se puede agitar de forma hidráulica con una bomba de recirculación, o se puede agitar mecánicamente con un sistema de agitación propulsado. En una realización, la agitación puede ser durante un período de tiempo adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a 30 minutos a 1 hora, 1 a 2 horas, 2 a 4 horas, 4 a 6 horas, 6 a 8 horas, 8 a 10 horas, 10 a 12 horas, 12-18 horas, 18-24 horas, 24-36 horas, 36-48 horas, 48-60 horas, 60-72 horas o más de 72 horas .

Opcionalmente se puede añadir un agente con un valor del pH elevado. El agente incluye, pero no se limita a, cal viva o un compuesto cáustico similar. El pH del efluente líquido se puede incrementar hasta un valor adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, 9,0-9,1, 9,1-9,2, 9,2-9,3, 9,3-9,4, 9,4-9,5, 9,5-9,6, 9,6-9,7, 9,7-9,8, 9,8-9,9, 9,9-10,0, 10,0-11,0, 11,0-12,0, 12,0-12,5, y más de 12,5.

La corriente de líquido circulará en modo flujo pistón a través de la primera cámara 320 de la vasija 310 hermética al aire a medida que se agita utilizando el método de agitación de flujo pistón mixto (sacacorchos) descrito anteriormente en la sección titulada Digestores Anaerobios, y de ese modo mantendrá un HRT consistente en la vasija.

El incremento del pH de un efluente de digestor anaerobio hasta un pH de alrededor de 9,5 o superior, a una temperatura de 140SF o mayor, convertirá el nitrógeno de amonio soluble (NH4-N) en nitrógeno de amoníaco no soluble, volátil (NH3-N) . El nitrógeno 162 de amoníaco se volatilizará rápidamente con la agitación continua proporcionada en la vasija hermética al aire, y se recogerá en el espacio de cabeza proporcionado en la vasija. La extracción a vacío de los gases del espacio de cabeza se utilizará para incrementar adicionalmente la velocidad de volatilización dentro de la vasija hermética al aire.

En otra realización, el reactor de aireación comprende un intercambiador de calor para calentar el aire. Un intercambiador de calor aire a aire depurará el aire caliente que proviene del lado de gases de escape de las torres de extracción, y calentará aire fresco que estará a temperatura ambiente. Después de pasar a través del intercambiador de calor aire a aire, el aire caliente pasará a través de un soplador de estilo raíces (que también incrementa la temperatura del aire) y será bombeado a los difusores en el tanque de aireación. Una válvula de mezclamiento se instala entre el soplador y el intercambiador de calor aire a aire, que operará por medio de una sonda de temperatura que está aguas abajo del soplador. Esta válvula de mezclamiento permitirá que se circunvale el intercambiador aire a aire cuando el aire está demasiado caliente para ser suministrado a los difusores.

En una realización, la condensación en el gas de amoníaco que sale del tanque de aireación se controla aislando la tubería de gas entre el tanque de aireación y las torres de extracción. Además, las torres de extracción se pueden aislar así como la tubería de gas de la torre de extracción al intercambiador de calor aire a aire. En otra realización, la tubería de gas se puede diseñar para que tenga una inclinación con respecto al tanque de aireación antes de continuar hacia la torre de extracción. Este diseño ayudará a asegurar que si hay cualquier condensación, termina nuevamente en el tanque de aireación y no en las torres de extracción .

En todavía otra realización, la salida de un reactor de aireación es una tubería vertical que baja hasta un codo de 90 grados en la parte inferior del tanque y pasa a través de la pared en un pozo de bomba. Seis pulgadas (6") por encima de la parte superior de esa tubería vertical hay una abertura de 4' x 6" por la cual la espuma puede salir si se acumula en el interior del tanque (FIG. 3C y FIG. 3D) . Hay una tubería de 15" que porta el efluente y/o la espuma a la línea de sedimentación. Se puede usar un tamiz perforado en la abertura de 4' x 6" para romper la espuma. Además, se puede proporcionar una rampa en la parte exterior del pozo de bomba, donde la espuma puede fluir directamente desde una abertura en el pozo de bomba a la línea de sedimentación. Esta abertura permitirá que sólo escape la espuma mientras que el efluente fluye a través de la tubería de 15". Finalmente, si es necesario, se puede instalar una bomba en el pozo de bomba que succiona efluente desde la parte inferior del pozo de bomba y rocía la parte superior, rompiendo la espuma.

La FIG. 3C muestra la abertura de la espuma y la salida de una tubería de chimenea de 36" en un pozo de bomba. La abertura de la espuma es 6" más alta que la parte superior de la tubería de la chimenea, y está ahí para permitir que la espuma que se forma en el tanque de aireación fluya hasta el pozo de bomba donde se puede manipular. La tubería de efluente a la línea de sedimentación en la pared Norte del alzado visto desde el Este es la salida para la espuma y efluente desde el tanque de aireación. Fluye por gravedad desde allí hasta la línea de sedimentación.

La FIG. 3D presenta el pozo de bomba a la izquierda, y el tanque de aireación a la derecha. La tubería de chimenea toma líquido desde la parte superior del tanque de aireación y le permite fluir hasta la parte inferior del pozo de bomba. La abertura de la espuma está 6" por encima de la parte superior de nuestra tubería de chimenea.

Separador de Sólidos/Líquido Al final del HRT diseñado, el efluente de digestor anaerobio se bombeará desde la primera cámara (320) hasta un separador 130 de sólidos/líquido, dando como resultado una corriente 135 de sólidos separados que satisfará los criterios de biosólidos de Clase A, y una corriente 137 de líquido de separador, que también estará esterilizada y libre de patógenos. Los sólidos separados y el líquido separado tendrán un contenido reducido de N de amoníaco. El sulfato de amonio creado tendrá una utilización de mayor valor del amonio natural encontrado en desechos orgánicos, y estará en una forma química que es más fácil de utilizar y comercializar. Los sólidos separados se pueden utilizar para camas para animales, uso hortícola, o fertilizante. El líquido de Clase A se bombea nuevamente al espacio de cabeza de la vasija (310) hermética al aire.

Sistema de Extracción de Dos Torres El sistema que se usa para la extracción de amoníaco puede ser de cualquier diseño adecuado. Por ejemplo, se puede usar un sistema de dos torres. En el sistema de dos torres, una primera torre se usa para extraer el amoníaco. El efluente de agua residual se inyecta cerca de la parte superior de la primera torre. Se dirige aire en la parte inferior de la primera torre usando un ventilador o soplador. El aire acumula amoníaco volatilizado y, con las presiones desarrolladas por el ventilador o soplador, es enviado a la parte inferior de la segunda torre. Este aire enriquecido en amoníaco es soplado ascendentemente a medida que se envía ácido desde la parte superior de la segunda torre hacia abajo a través del medio, absorbiendo el amoníaco del aire. El aire resultante, ahora libre de amoníaco, se devuelve a la parte inferior de la primera torre para continuar el proceso. En este ejemplo, el ácido inyectado en la segunda torre es ácido sulfúrico, pero puede ser cualquier ácido que se puede combinar con amoníaco para formar una sal de amonio.

En una realización, se suministra calor mediante calor de generador en exceso del proceso de AD. Sin embargo, en una realización preferida de la invención, el aire no se calienta directamente, sino que en su lugar se calienta indirectamente a través de la entrada continua de agua residual de estiércol a 30-35aC que procede del proceso del digestor anaerobio, y se recircula y se reusa continuamente. El aire entra en la parte inferior de la sección de extracción y fluye hacia arriba, absorbiendo amoníaco gaseoso mientras se mueve hacia la parte superior de la sección de extracción de amoníaco de la torre. La acción del flujo acoplada con el uso de un soplador o ventilador envía el aire saturado de amoníaco a una sección de ácido de la torre. En una realización, la sección de ácido contiene ácido sulfúrico y, a medida que el aire saturado con amoníaco fluye a través del ácido, el amoníaco reacciona con el ácido para formar una disolución de sulfato de amonio, la cual es eliminada. El aire resultante sin amoníaco se vuelve a circular entonces a la sección de extracción para acumular amoníaco adicional, y así sucesivamente. El resultado es un sistema continuo cerrado mediante el cual el mismo aire se puede usar continuamente para absorber y liberar amoníaco una y otra vez, dando como resultado ahorros significativos de coste con respecto a la electricidad y calentamiento.

Los sistemas de extracción de amoníaco convencionales no están diseñados para manejar la cantidad habitual de materia sólida en un efluente de digestor anaerobio. Mientras que la torre de absorción de ácido (sistema de dos torres) o la porción de absorción de ácido de la torre en un sistema de una única torre puede emplear material de empaquetamiento pequeño convencional a fin de aprovechar su elevada eficiencia, el efluente de digestor anaerobio puede tender a obturar el material de empaquetamiento pequeño en la sección de extracción de amoniaco. Por lo tanto, las torres de extracción descritas aquí se pueden diseñar especialmente para resolver este problema, y el diseño de las torres se puede personalizar a la medida para adecuarlo al tipo particular de desecho de animal que se esté tratando.

En una realización, se usa una torre tradicional pero empaquetada con material de empaquetamiento grueso, y se usa una altura de empaquetamiento relativamente corta. Por ejemplo, se puede utilizar una torre con un diámetro interno de 4" con un anillo Pall de 1" y una altura de empaquetamiento de 5', con un caudal de alimentación de hasta al menos alrededor de 10 g/1 de TS . En general, se puede usar material de empaquetamiento plástico con un diámetro nominal no menor que 2" y un área específica de 80-120 m2/m3. Aunque el material de empaquetamiento más pequeño o el material de empaquetamiento con mayor área de superficie específica será mejor para la transferencia másica, se obturará más fácilmente. A fin de reducir la obturación, también se prefiere una menor altura de empaquetamiento (3-5 m) en comparación con los 6,1-7,6 m convencionales.

En otra realización, se puede emplear una torre de bandejas, con bandejas especialmente diseñadas contra la obturación. La bandeja puede ser sustancialmente plana y contener uno o más orificios que guían el gas, y, opcionalmente, uno o más orificios adicionales, que permiten el flujo de aire y líquido a través de diversas bandejas. Los orificios que guían el gas incluyen una cubierta separada que protege frente al hecho de que el material de empaquetamiento en la torre selle los orificios que guían el gas. Además, la cubierta está abierta en una dirección deseada para el movimiento de gas y líquido. La bandeja puede tener cualquier forma adecuada, por ejemplo sustancialmente redonda, cuadrada, etc., en tanto que las bandejas se ajusten apropiadamente y se puedan unir de forma estable dentro de la torre de bandejas.

Volviendo ahora a la FIG. 3B, el NH3 gaseoso (162) en el espacio de cabeza de la vasija (310) hermética al aire se enviará a un sistema (360) de ácido de dos torres, en el que cantidades controladas de ácido sulfúrico entran en contacto con el amoníaco en el aire y producen biofertilizante de sulfato de amonio disuelto. El NH3 gaseoso (162) se envía al tanque dos (370) del sistema (360) de dos torres. El ácido sulfúrico se bombea en el tanque 1 (380) del sistema (360) de dos torres. La disolución de ácido rebosante se envía al tanque dos (370) , que se mezcla con NH3 gaseoso procedente del espacio de cabeza de la vasija (310) hermética al aire. El NH3 gaseoso residual se envía al tanque 1 (380) , y el circuito continúa con la disolución de ácido rebosante enviada nuevamente al tanque 2 (370) . En este ejemplo, se usa ácido sulfúrico pero, como se explica anteriormente, se pueden usar numerosos tipos de ácidos. El ácido sulfúrico hará caer el pH de la corriente de aire y creará una disolución que comprende sulfato de amonio. La disolución puede comprender una suspensión de sal de amonio que comprende de alrededor de 30% a alrededor de 60% de sulfato de amonio. El sulfato de amonio se puede recoger y usar como fertilizante. La sal de amonio generada dependerá del ácido usado. Por claridad, en este ejemplo se usa ácido sulfúrico, pero como se señala previamente, se puede usar cualquier ácido adecuado, que producirá una sal de amonio apropiada.

Subsiguientemente, utilizando un sistema de aire que depura la corriente de aire gaseosa con una disolución líquida de H2SO4 de pH bajo o compuesto químico ácido similar, en un sistema 360 de ácido de dos torres de flujo transversal, se eliminará el amoníaco de la corriente de aire y se capturará como sulfato de amonio líquido. El sulfato de amonio es un fertilizante muy valioso, fácilmente sólido, utilizado por granjeros, y será una corriente de ingresos para el sistema de eliminación de nutrientes. Lo más importante, la eliminación de nitrógeno de amonio a partir de la corriente de desecho líquida resuelve uno de los aspectos de eliminación principales del efluente de digestor anaerobio .

La Segunda Cámara La corriente de líquido circulará en modo flujo pistón a una segunda cámara 340, una "zona de reposo" sin agitación en la que se dejará decantar el líquido. Los sólidos que quedan sedimentarán a la parte inferior de la segunda cámara, donde serán eliminados mediante un sistema de separación de descarga de la parte inferior. La aireación y la temperatura elevada que preceden a la segunda cámara producen un nivel elevado de sólidos, tales como fosfatos unidos a calcio y magnesio, y fosfato de magnesio y amonio, que sedimentan fácil y rápidamente. Los sólidos sedimentados se eliminarán de la segunda cámara 340 y se deshidratarán.

En una realización, la sedimentación y la deshidratación de los sólidos ricos en nutrientes se hace más fácil mediante el uso de una bomba primaria. En otra realización, se puede añadir ácido para condensar la capa de sólidos para la decantación.

El fosfato de magnesio y amonio es también un fertilizante muy valioso, fácilmente vendible, utilizado por granjeros, y también será una corriente de ingresos para el sistema de eliminación de nutrientes. Eliminando el fósforo y más amonio de la corriente de desecho líquida, se eliminan los dos aspectos de eliminación más grandes del efluente de digestor anaerobio. Los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí contribuyen a resolver muchos de los aspectos medioambientales y reguladores que encuentran los generadores /eliminadores de desechos orgánicos líquidos en los Estados Unidos de América.

Los componentes que quedan, incluyendo el intercambiador de calor, del sistema 305 de recuperación de nutrientes son como se describen para el sistema 100 de recuperación de nutrientes.

La FIG. 4 muestra una realización de un sistema 400 de recuperación de nutrientes que representa un posible esquema del sistema. Típicamente, una fosa (405) de sustrato y una fosa (406) de estiércol estarían presentes para retener material de desecho. El sistema 400 comprende un digestor anaerobio (410) . El material de desecho se transporta desde la fosa (406) de estiércol a un digestor anaerobio (410) . El desecho es transportado desde el digestor a la fosa de efluente, donde el material se puede calentar.

El sistema 400 también comprende una cámara (420) de separación de fibras . El material de desecho es transportado hasta una cámara (420) de separación de fibras, donde se pueden separar los sólidos y los líquidos.

El sistema 400 también comprende un reactor (430) de aireación. El efluente de digestor anaerobio es transportado a un reactor de aireación en el que el efluente es calentado hasta una temperatura adecuada, incluyendo, pero sin limitarse a 50-55, 55-60, 60-65, 65-70, y 70-809C. El efluente también es aireado dentro de los parámetros explicados aquí.

El sistema 400 también comprende un sistema ( 440 ) de torre de ácido, que comprende dos tanques de ácido. El sistema de torre de ácido puede comprender 1 , 2 , 3 , 4 , 5 o más de 5 tanques de ácido. La aireación y el incremento del pH desplazan el equilibrio de nitrógeno de amonio soluble (NH-N) a nitrógeno amoniacal no soluble, volátil (NH3-N) . El NH3 gaseoso se envía al sistema de torre de ácido, donde cantidades controladas de ácido sulfúrico entran en contacto con amoníaco en el aire y producen biofertilizante de sulfato de amonio disuelto ( 450 ) .

El sistema también comprende un sistema de sedimentación de sólidos, y, como se representa en la FIG. 4 , el sistema de sedimentación puede ser un vertedero ( 470 ) de sedimentación. El vertedero ( 470 ) de sedimentación es una zona de reposo que permite que los sólidos sedimenten. Un sumidero ( 460 ) bombea el efluente desde el reactor ( 43 0 ) de aireación al vertedero ( 470 ) de sedimentación. Los sólidos con fósforo se recogen a partir del vertedero de sedimentación.

Los sólidos ricos en fosfato se pueden eliminar del efluente de AD usando cualquiera de una variedad de técnicas de sedimentación conocidas . Dependiendo del tipo y condición de desecho que se trate, puede ser ventajoso también llevar a cabo una etapa de separación mecánica inicial (por ejemplo, prensa de cinta, tamiz con inclinación, etc.) para eliminar sólidos grandes y materia en partículas antes de la sedimentación de los sólidos.

La sedimentación de los sólidos se puede llevar a cabo mediante cualquiera de los varios métodos biológicos o químicos que son conocidos por los expertos en la técnica. En una realización, se usa un procedimiento químico, cuyos ejemplos incluyen, pero no se limitan a, sedimentación, floculación, precipi ación, electrocoagulación, cristalización de estruvita, etc. Un método es la sedimentación en combinación con floculación.

La floculación implica la eliminación de fosfato y otros sólidos suspendidos a través de procedimientos de separación sólido-líquido físicos, tales como sedimentación, tamizado, y filtración. Estos procedimientos, sin la ayuda de polímeros coagulantes y/o floculantes, tienen generalmente una baja eficiencia debido a que la mayoría de los sólidos están en forma de partículas finas en el agua residual de estiércol. El movimiento browniano y la masa de partículas finas producen una sedimentación muy lenta de las partículas coloidales . Se pueden usar coagulantes y floculantes para potenciar la eliminación de los sólidos y fosfatos agregando partículas finas para facilitar la sedimentación y tamizado rápidos. Los coagulantes habituales que se pueden usar en la práctica de la invención incluyen, pero no se limitan a, compuestos inorgánicos, tales como sulfato de aluminio (alumbre) , sulfato férrico, y cal (CaO) . También se pueden utilizar poliacrilamidas (PAMs), que son polímeros solubles en agua de cadena larga de peso molecular elevado.

La adición de coagulantes y/o floculantes desestabiliza las partículas cargadas suspendidas, y construye "puentes" entre las partículas suspendidas, dando como resultado la formación de partículas o flóculos más grandes que se separan más fácilmente del efluente líquido. Además, la mayoría de las partículas suspendidas finas en el agua residual están cargadas negativamente. La carga superficial negativa mantiene a las partículas dispersas en el agua residual debido a la propulsión electrostática, dando como resultado la estabilidad de la suspensión de partículas. La estabilidad se debe de romper antes de que las partículas se puedan agregar, por ejemplo mediante la adición de floculantes catiónicos poliméricos. Los polímeros catiónicos tienen numerosos grupos amina con fuertes cargas positivas, que neutralizan las cargas negativas sobre la superficie de las partículas, y de este modo se pueden usar para neutralizar las cargas superficiales de las partículas finas en el agua residual. Además, los polímeros pueden actuar como "puentes" entre las partículas suspendidas, y las partículas con puentes interaccionan con otras partículas dando como resultado un incremento en el tamaño del floculo, potenciando así la sedimentación de las partículas.

Varios tipos de floculantes catiónicos son adecuados para uso en el efluente de estiércol. Estos incluyen, pero no se limitan a, polietileniminas (PEIs) , que comprenden polímeros ramificados con diferentes pesos moleculares y cargas positivas, y fuertes polímeros catiónicos tales como el KlarAid PC comercialmente disponible.

En una realización, muchos de los sólidos se eliminan a través de sedimentación, eliminándose el resto de los sólidos ricos en P mediante floculación usando polímeros de poliaminas fuertemente catiónicos. Se pueden añadir al efluente dos polímeros de poliamina. El primero es un polímero catiónico de bajo peso molecular (MW) , en el intervalo de alrededor de 3.000 a alrededor de 15.000. El objetivo principal de añadir tal polímero de bajo MW es desestabilizar las partículas negativas mediante neutralización de las cargas. La dosificación de este polímero depende del contenido de partículas y densidad de carga. En una realización, las partículas todavía retienen una débil carga negativa después de la adición del polímero de bajo MW. Entonces se añade el segundo polímero y se adsorbe sobre las superficies de las partículas, formando de ese modo un gran floculo que sedimentará del efluente, o se puede eliminar de otro modo. El MW preferido del segundo polímero catiónico estará en el intervalo de alrededor de 0,7 millones a alrededor de 2 , 0 millones.

Después de que los sólidos han sedimentado suficientemente a partir del efluente de digestor anaerobio, se separan del sobrenadante. Esto se puede lograr por cualquier medio adecuado, por ejemplo bombeando el sobrenadante en un tanque de recepción y dejando atrás los sólidos, o viceversa, bombeando los sólidos sedimentados. Los sólidos, que están en forma de un lodo, son ricos en fósforo, y se pueden recuperar y usar como fertilizante o en la preparación de fertilizante, con o sin tratamiento posterior, por ejemplo secado, deshidratado, etc. La deshidratación del precipitado sólido (lodo) puede ser necesaria a fin de reducir el volumen del lodo e incrementar el volumen de líquido para la recuperación de nitrógeno de amonio. Se puede emplear cualquier medio adecuado para llevar a cabo esta etapa, por ejemplo se puede usar un tornillo u otro tipo de prensa para la deshidratación. Como se describe anteriormente para otros sólidos, el lodo deshidratado se puede exportar fuera de la granja, o vender como fertilizante rico en fósforo .

El sistema también comprende un sumidero (480) que bombea el efluente a la laguna. En una realización, el efluente en la laguna cumple los requisitos para ser considerado un líquido de Clase A.

El sistema 400 también puede comprender un edificio eléctrico ( 490 ) y un edificio de almacenamiento de ácido ( 495 ) .

Los sistemas de recuperación de nutrientes se pueden modificar y ajustar para contener algunos de los componentes anteriores o equivalentes de los componentes.

Aparato de Recuperación de Nutrientes Refiriéndonos nuevamente a la FIG. 4 , un aparato de recuperación de nutrientes puede comprender un separador ( 420 ) de fibras, un reactor ( 43 0 ) de aireación, un sistema ( 440 ) de torre de ácido, y un sistema ( 470 ) de sedimentación de sólidos. La torre de ácido puede comprender uno o más de un tanque de ácido. El sistema también puede comprender un digestor anaerobio.

En una realización, el aparato de recuperación de nutrientes puede comprender un aparato ( 450 ) de almacenamiento de sal de amonio. En otra realización, el aparato de recuperación de nutrientes puede comprender un almacenamiento ( 495 ) de ácido.

En una realización, se proporciona un aparato para la recuperación de nutrientes. En una realización, el aparato para la recuperación de nutrientes comprende una vasija de una única cámara o de múltiples cámaras, bombas, sopladores de vacio, tuberías y dispositivos similares para conectar los componentes, y uno o más aparatos para la contención del ácido .

En una realización, el aparato puede contener una vasija dividida en una o más de una cámara, incluyendo, pero sin limitarse a, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y más de 10 cámaras. En todavía otra realización, se puede usar simultánea o secuencialmente más de un aparato de recuperación de nutrientes.

En una realización, las cámaras de la vasija pueden ser del mismo tamaño, dimensiones y forma. En otra realización, más de una cámara de la vasija puede ser del mismo tamaño, forma y dimensiones. En todavía otra realización, ninguna de las cámaras son del mismo tamaño, forma y dimensiones.

En una realización, una o más de una cámara puede tener bombas situadas en la cámara. Las bombas pueden estar situadas en o próximas al suelo de la cámara, o situadas en las paredes laterales de la cámara, o situadas cerca del techo de la cámara, o situadas cerca del nivel de líquido de la cámara. Las bombas se pueden situar en más de una localización.

En una realización, el aparato comprende una vasija de tres cámaras con un espacio de cabeza de gas por encima del nivel de líquido y por debajo del techo de la vasija. En una realización, la vasija de tres cámaras puede ser hermética al aire y se puede hacer funcionar a vacío. En una realización, las tres cámaras pueden ser de diferente tamaño, dimensiones y forma. En todavía otra realización, dos de las tres cámaras pueden ser del mismo tamaño, dimensiones y forma.

En una realización, la vasija de tres cámaras comprende una primera cámara con una forma de pentágono o de ranura en V. La primera cámara se puede usar para permitir que los sólidos sedimenten. La primera cámara se separa de la segunda cámara mediante una pared barrera.

En una realización, la segunda cámara tiene forma rectangular, y comprende boquillas o chorros de gas para la dispersión de gas, incluyendo, pero sin limitarse a, aire. Las boquillas o chorros de gas pueden estar situados en o cerca de la parte inferior de la segunda cámara. En otra realización, la segunda cámara se usa para añadir un agente con un valor del pH elevado, incluyendo, pero sin limitarse a, un compuesto cáustico o cal viva. La segunda cámara está separada de la tercera cámara por una pared barrera.

En una realización, la tercera cámara tiene un tamaño, forma y dimensiones similares a la primera cámara. La tercera cámara se puede usar para permitir que los sólidos sedimenten y para la recogida de sólidos ricos en nutrientes.

En una realización, el aparato comprende una vasija de dos cámaras con un espacio de cabeza de gas por encima del nivel de líquido y por debajo del techo de la vasija. En una realización, la vasija de dos cámaras puede ser hermética al aire y se puede hacer funcionar a vacío.

En una realización, la vasija de dos cámaras comprende una primera cámara. La primera cámara puede tener forma rectangular. En una realización, la primera cámara de la vasija de dos cámaras puede tener boquillas o chorros de gas situados en o cerca de la parte inferior del suelo de la cámara. La primera cámara de la vasija de dos cámaras puede estar separada de la segunda cámara por una pared barrera.

En una realización, la segunda cámara tiene una forma de pentágono o una forma de ranura en V. La segunda cámara se puede usar para sedimentar sólidos y para la recogida de sólidos ricos en nutrientes.

En una realización, el espacio de cabeza encima de la vasija se usa para la recogida de NH3 gaseoso. El NH3 gaseoso se puede bombear a una torre de extracción de gas con H2S04 o ácido nítrico. La torre de extracción de gas se puede usar para producir una suspensión de sulfato de amonio que comprende de 20% a 70% de sólidos de sulfato de amonio.

En otra realización, el efluente líquido procedente de la última cámara de la vasija (la cámara en la que se recogen sólidos ricos en nutrientes) se puede bombear a un intercambiador de calor. El calor procedente del efluente líquido se puede usar para calentar materiales de desecho brutos en el digestor anaerobio. El líquido, que tiene un valor del H elevado, incluyendo, pero sin limitarse a, 9,0 a 10,0, se puede hacer pasar a través de una torre de extracción de gas con biogás que comprende H2S. El biogás puede comprender de 200 ppm a 600 ppm, o de 300 ppm a 500 ppm de H2S. La torre de extracción de gas producirá un efluente líquido con un valor del pH menor, incluyendo, pero sin limitarse a, 8,0 a 8,6, que se puede usar en múltiples aplicaciones seguras. Además, la concentración del H2S en el biogás se reducirá hasta un valor adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, 15-25 ppm, 25-45 ppm, 45-55 ppm, y 55-100 ppm. En una realización, el biogás comprende H2S a una concentración menor de 50 ppm.

La invención se describe ahora con referencia a los Ejemplos siguientes. Estos Ejemplos se proporcionan con fines solamente ilustrativos, y la invención no se debería de interpretar de ningún modo como limitada a estos Ejemplos, sino más bien se debería interpretar para englobar cualquiera y todas las variaciones que sean evidentes como resultado de la enseñanza proporcionada aquí. Todas las referencias, incluyendo, pero sin limitarse a, las patentes U.S., solicitudes de patentes U.S. permitidas, o solicitudes de patentes U.S. publicadas, se incorporan en esta memoria descriptiva como referencia en su totalidad.

EJEMPLO 1 Durante la digestión anaerobia, cantidades significativas de C02 e incluso parte del CH4 producido durante el proceso biológico se pueden disolver y/o sobresaturar en el efluente. El C02 en el efluente digerido anaerobio se sobresatura debido a que la presión parcial del C02 de aire es menor que la del biogás en el digestor anaerobio. Es difícil que estas burbujas de C02 escapen del estiércol, debido a que hay muchos sólidos suspendidos. Los gases sobresaturados interfieren con el proceso natural de floculación y sedimentación. Además, la existencia de burbujas de C02 en el estiércol utiliza una fracción de agua para formar capa de gas-agua, que incrementará la fuerza repulsiva electrostática de las partículas en el estiércol, y hará incluso más difícil que los sólidos sedimenten.

La Figura 5A representa una imagen de microburbu as en un efluente de AD líquido, que muestra que estas burbujas aparecen en números suficientemente elevados para interrumpir las fuerzas atractivas con las fuerzas flotantes y la microturbulencia que inducen. El C02 sobresaturado se libera del líquido en forma de burbujas finas. Después de una aireación durante 40 min. con 50 ml/min. de aire a través de 200 mi de estiércol digerido anaerobio, las burbujas de C02 finas desaparecen (FIG. 5B) . La aireación puede eliminar las burbujas de C02 en el estiércol e incrementar el pH del estiércol (FIG. 6) . Durante la aireación, el C02 sobresaturado se libera desde el líquido hacia la fase gaseosa.

Además, el análisis de los equilibrios químicos muestra que la aireación libera el C02 gaseoso, las reacciones se mueven hacia la derecha, generando más OH" y elevando el pH de la disolución, especialmente con temperatura de disolución elevada. Este proceso se resume en las Ecuaciones 7-12 a continuación.

C02 (aq) ? C02 (g) aumenta (7) H2C03 ? ¾0 + C02 (ac) (8) HC03. + H20 ? H2C03 + OH- (9) C032" + H20 ? HC03. + OH- (10) [OH-] aumenta debido a que el pH aumenta (11) NH÷ + OH" ? NH3 aumenta + H20 (12) El ensayo subsiguiente de este procedimiento de aireación a temperatura elevada verificó que la extracción del C02 y la elevación correspondiente del pH también permitieron la extracción mejorada de amoníaco y la sedimentación de P sin adición de compuestos químicos. Como se muestra en la FIG. 7, la aireación, seguido de un período de sedimentación, permitió la recuperación eficiente de fósforo. La FIG. 8 es una fotografía de sólidos con fósforo sedimentados procedentes de un sistema de sedimentación de sólidos, en este caso un vertedero de sedimentación. De este modo, el tratamiento de aireación no sólo conduce a la sedimentación del fósforo deseada, sino también a la eliminación de nitrógeno a través de la extracción y recuperación supuesta del amoníaco - produciendo un procedimiento de recuperación de nutrientes integrado con gastos de compuestos químicos muy reducidos.

La eliminación de gases interferentes condujo a una mejora significativa en la capacidad de sedimentación y en la eliminación de sólidos/fósforo. Sin aireación, sólo 28,4% de PT sedimentó durante un período de 24 horas. Por el contrario, la aireación y un período de sedimentación subsiguiente de 24 horas lograron una eliminación de TP de 52,3%. En un esfuerzo por mejorar adicionalmente el comportamiento sin un coste demasiado adicional, se completó una etapa adicional que comprende adición de cal . La Tabla 1 resume los resultados de las diferentes etapas secuenciales , conduciendo finalmente a una eliminación de TP de 80% a través de una combinación de aireación, adición de cal y sedimentación durante 24 horas. Este comportamiento se compara favorablemente con la operación con coagulante/polímero/prensa de cinta (tecnología AL-2) pero con reducciones significativas en los gastos de compuestos químicos y de energía, mientras que también conservan producto fibroso para uso como cama y/o ventas de valor añadido .

Tabla 1: Porcentajes de eliminación de TP con aireación, tratamiento con cal y sedimentación Efluente Sedimentación Aireación durante Aireación/cal (2 de AD - durante 24 h 40 min. y g/1), Fibra sedimentación sedimentación durante 24 h durante 24 h TP TP Eliminación TP Eliminación TP Eliminación de TP de TP de TP (mg/1) (mg/1) (%) (mg/1) (%) (mg/1) (%) 1760 1260 28,4 840 52,3 380 78,4 EJEMPLO 2 Se cree que durante la digestión anaerobia cantidades significativas de C02 e incluso algo del CH4 producido durante el proceso biológico se pueden disolver y/o sobresaturar en el efluente. Esto es particularmente cierto para C02 que se almacena en el efluente líquido como C02 (aq) , H2CO3, bicarbonatos y carbonatos . Con la liberación a partir del digestor, los cambios en la temperatura, presión, pH, aire y agitación pueden conducir a una liberación de estos gases sobresaturados . A medida que la presión parcial del C02 en el aire es mucho menor que aquella dentro de un digestor, se propuso una hipótesis de que la aireación eliminaría el CO2 disuelto y potenciaría la eliminación de P. Mediante la aireación, el C02 disuelto se sobresatura.

El análisis de los equilibrios químicos muestra que, a medida que la aireación libera el C02 gaseoso, las reacciones se mueven a la derecha, generando más OH" y elevando el pH de la disolución, especialmente con temperatura de la disolución elevada (FIG. 9A) . El ensayo subsiguiente de este procedimiento de aireación de temperatura elevada verificó que la extracción del C02 y la elevación correspondiente del pH también permitieron la extracción mejorada del amoníaco y la sedimentación de P sin adición química (FIG. 9B y FIG. 9C) . De este modo, el tratamiento de aireación no sólo conduce a la sedimentación de P deseada sino también a la eliminación de N a través de la extracción asociada y la recuperación supuesta de la fracción de amoníaco del N en el efluente - produciendo un procedimiento de recuperación de nutrientes integrado. De forma notable, el procedimiento no requiere ningún gasto de compuesto químico, basándose solamente en su lugar en la aireación y temperatura, las cuales se pueden suministrar usando solamente calor de gases de escape de motor y electricidad parasitaria.

EJEMPLO 3 La aireación para el control del pH y la sedimentación de sólidos ricos en fósforo se evaluó en la Lechería Big Sky en Goodnig, Idaho en una granja de 4.700 vacas. La Tabla 2 resume los datos de laboratorio y piloto obtenidos usando estiércol de Big Sky con el fin de eliminar P y recuperar sin ambiciones en el sentido de la recuperación de amoníaco o el tratamiento de temperatura mejorado. Estas tasas de eliminación de TP no incorporan el TP eliminado del agua residual debido a la eliminación de fibra, que puede añadir una eliminación adicional de 5-10%.

Tabla 2: Resultados de la aireación de laboratorio y a escala piloto de Big Sky *Cada experimento se realizó con 24 horas de sedimentación antes del ensayo de TP líquido del agua residual En los experimentos de laboratorio, se logró un pH final de 9,1 y una eliminación de TP de 70%, mientras que el estudio piloto de Big Sky logró una elevación del pH de 8,7 y una eliminación de TP de 53%. La diferencia es debida probablemente a la menor velocidad de aireación y la temperatura del estiércol durante la aireación. Se cree, basándose en datos no mostrados, que un incremento en el tiempo de sedimentación de 24 horas, que se realizó en estos estudios, hasta periodos más prolongados de alrededor de 3 días puede incrementar la eliminación de TP en al menos 5-10%. Un sistema ideado para airear a temperaturas más elevadas, así como sistemas para incrementar el tiempo de aireación, probablemente incrementarían la eliminación de fósforo total.

La aireación puede tener lugar principalmente en la fosa del efluente de digestor anaerobio, en la que la temperatura del estiércol es todavía muy próxima a 352C. Se anticipa que una . combinación de 7 horas de aireación calentada con aireación prolongada adicional a menores temperaturas permitirá una elevación equivalente del pH como se observó en los resultados de laboratorio de Big Sky.

Los datos muestran que incluso a menores temperaturas y bajas velocidades de aireación, son siempre obtenibles eliminaciones de TP de 50%, mientras que la optimización a mayores temperaturas, velocidades de aireación elevadas, mayores tiempos de aireación, y mayores tiempos de sedimentación puede lograr una eliminación del 85%. De este modo, para este sistema particular (para que se adapte mejor a la infraestructura y coste de diseño disponible) , el intervalo de eliminación de TP está en cierto modo entre 50-85% . Con modificación de los límites planeados en la velocidad de aireación, tiempo, temperatura y sedimentación, es más probable que la eliminación de TP esté entre 60-70% . Si se incluye el TP que se pierde de la separación de fibra, se piensa que la eliminación de TP total está en el intervalo de 65 -75% .

EJEMPLO 4 El efecto de airear el efluente, que fue a una temperatura específica, y la duración de la sedimentación se evaluaron para determinar el efecto sobre el fósforo total en el efluente. El análisis se llevó a cabo en la Lechería de Big Sky en Goodnig, Idaho en una granja de 4 . 700 vacas. La Tabla 3 proporciona un resumen de los resultados.

El fósforo total en el efluente se evaluó con diferentes tiempos de aireación y tiempos de sedimentación. La velocidad de aireación usada fue 0 , 01 cfm/galón. Para incrementar el valor de cfm, se pudo usar un soplador más grande. Una muestra sin aireación y sin sedimentación sirvió como valor de referencia, y dio como resultado un TP de 470 mg/ 1 en el efluente. La sedimentación durante 24 horas, sin aireación, dio como resultado un TP de 260 mg/ 1 en el efluente, demostrando que el fósforo había sedimentado, y se pudo recoger. Las muestras se airearon desde 1 hora hasta 24 horas, con 24 horas de sedimentación, con la excepción de una muestra que sedimentó durante 41 horas. La muestra que se aireó durante 24 horas con 41 horas de sedimentación produjo un TP de 200 mg/1 en el efluente, y un pH de 9,1. El incremento del tiempo de sedimentación y el tiempo de aireación incrementó el valor del pH y también la recuperación del fósforo total.

Tabla 3 : Efectos de la aireación y sedimentación sobre el fósforo total Aireación Tiempo Sedimentación pH* TP (mg/1) % de (fiC) recuperación 0 hora 27 0 hora 8,1 470 N/A 0 hora 27 24 horas 8,4 260 44, 6 1 hora 27 24 horas 8,4 230 51, 1 2 horas 27 24 horas 8,4 220 53,2 3 horas 27 24 horas 8,5 200 57, 4 4 horas 27 24 horas 8,6 210 55, 3 5 horas 27 24 horas 8,6 210 55, 3 6 horas 27 24 horas 8,6 230 51,1 7 horas 27 24 horas 8,7 220 53,2 24 horas 27 41 horas 9,1 200 57, 4 * El pH se registró después de enfriar hasta 16 aC para una Aireación Tiempo Sedimentación pH* TP (mg/1) % de (fiC) recuperación medida más exacta con la sonda de pH EJEMPLO 5 Una preocupación importante en la Lechería de Big Sky en Goodnig, Idaho es el control de fósforo. Actualmente, la tecnología AL-2 desarrollada fuera de Dinamarca está logrando cierto grado de control de fósforo, logrando casi una eliminación del 80% del fósforo total a partir del agua residual de AD. La tecnología AL-2 usa una combinación de floculantes y polímeros (la mezcla química opcional fue 195 ml/m3 de alumbre con 1.250 ml/m3 de polímero para eliminación de fósforo.

Desafortunadamente, el procedimiento tiene dos inconvenientes significativos: en primer lugar, el sistema debe retener los sólidos fibrosos en el proceso, usándolos como un agente para dar volumen para reducir las necesidades de gasto de compuestos químicos. Esto da como resultado que la fibra se encajone en un producto de polímero/coagulante tras la separación en la prensa de cinta, que se puede tratar posteriormente vía formación de compost para la venta potencial como un producto para el suelo. Desafortunadamente, los sólidos fibrosos ya no están disponibles para uso como cama de granja o como un sustituto de turba de valor añadido potencial como previeron los planes de negocio originales de Big Sky. En segundo lugar, el proceso de AL-2 requiere un uso intenso de compuestos químicos, y como tal no es particularmente amigable desde el punto de vista medioambiental, e incurre en costes de capital y de funcionamiento significativos para la granja.

La Tabla 4 a continuación resume las capacidades y costes del sistema de AL-2 según lo estudiado en Big Sky. Se logró una reducción de TP de alrededor de ochenta y tres por ciento (83,1%) (incluyendo TP de fibra), pero al coste de hacer a la fibra no disponible y necesitando gastos de compuestos químicos y costes eléctricos de $2,90/m3 y $0,07/m3, respectivamente, o $2,97/m3 total (~lí/galón tratado) . Pero este producto es también menos deseable para los usuarios finales debido a la inclusión de compuestos químicos y polímeros industriales, y la pérdida de la cama disponible. Por lo tanto, un precio más realista para este procedimiento asciende hasta alrededor de $6,95/m3 o $0 , 026/galón, debido a la pérdida de fibra comercializable ($l,92/m3) y el tratamiento de compost adicional ($2,06/m3).

Tabla 4: Análisis de comportamiento y coste comercial de Kemira/AL-2 (100 galones por minuto) Reducción de TS Reducción de Reducción de TN (%) TP (%) (%) Comportamiento 72,3 ± 3,0 83,1 + 3,7 38,2 ± 2,4 Coste químico Coste Coste de eléctrico capital Análisis de $2,90/m3 $0, 07/m3 $80-100/vaca costes Se llevaron a cabo estudios adicionales usando centrifugadoras decantadoras a escala piloto que no usan gastos de floculantes químicos y/o polímeros, y se logró un éxito marginal (60% de eliminación de TP) . Sin embargo, todavía había costes elevados de capital, de funcionamiento y de mantenimiento asociados con el sistema. Además, el sistema tenía un comportamiento subóptimo con respecto a la eliminación buscada de TP del 80%, considerada necesaria para muchas de nuestras lecherías de funcionamiento de CAFO.

En comparación, los métodos, sistemas y aparatos descritos aquí logran una eliminación de TP de al menos 65-75% sin interferir con la producción de fibra/cama. Además, no hay compuestos químicos o costes de compuestos químicos asociados, y sólo un coste eléctrico de $0,13/m3, que es solamente 2% y 4% de los costes de funcionamiento de AL-2 calculados más grandes y más pequeños, respectivamente. También, se anticipa que el tratamiento de aireación reducirá el olor de amoníaco de la cama de fibras, proporcionando una pequeña mejora a la calidad del producto.

EJEMPLO 6 La Tabla 5 proporciona un resumen de las capacidades basado en datos de laboratorio (escala de 1 1) usando efluente de lechería de digestor anaerobio (Big Sky Dairy, ID) . Los parámetros del sistema fueron los siguientes: una velocidad de aireación de 20 galones/cfm, se usó microaireación, el efluente estaba a una temperatura de 70C, la aireación se llevó a cabo durante 2 horas, y la sedimentación fue durante 48 horas.

La Tabla 5 esquematiza el comportamiento medio de recuperación de nutrientes de toda la operación de recuperación de nutrientes /digestor anaerobio, y sus operaciones unitarias individuales.

Tabla 5: Potencial de recuperación de nutrientes de todo el sistema de AD/NR y sus operaciones unitarias Estiércol Efluente Post Efluente de % de Fibra NR reducción Sólidos 8,0 4,9 3,6 2,2 73 Totales (%) Nitrógeno 0,35 0,35 0,33 0,13 63 Total (%) Nitrógeno de 0,17 0,22 0,22 0,04 77 NH4 (%) Fósforo Total 0,080 0,080 0,072 0,014 83 (%) Coliforme 339,031 3,418 944 ND 99,9 (cfu/g) Los valores dados son las medias de n = 24 ensayos; Efluente se refiere a agua residual después de AD a 35SC de 22 días; Post Fibra se refiere a efluente después de la separación mecánica de sólidos fibrosos; NR se refiere a recuperación de nutrientes; y ND es no detectable Los productos incluyen: (1) cama fibrosa a 74% de humedad con 0,3% de TP (DWB = en base a peso seco); (2) sólidos ricos en P a 77% de humedad con 2,5% de TP y 4,0% de TN (DWB) ; y (3) suspensión de sal de amonio a 30% de sulfato de amonio y 6,4% de TN (DWB) A través de una combinación única de digestión anaerobia, separación mecánica de sólidos fibrosos y tratamiento subsiguiente de recuperación de nutrientes, el efluente de estiércol almacenado en granjas y aplicado en los campos tiene un contenido de sólidos, patógenos, nitrógeno amoniacal, nitrógeno total y fósforo total significativamente reducidos, representando la recuperación de nutrientes el grueso de estas mejoras. La reducción total de nutrientes del lechero como porcentaje se da en la última columna. Es importante señalar que esto no es sólo reducción sino recuperación, y en formas más exportables y comercializables .

Los nutrientes recuperados abandonan la granja en las siguientes formas: Fósforo - parte en la fibra y la mayoría en sólidos orgánicos ricos en fósforo Nitrógeno - parte en la fibra pero la mayoría en la forma de suspensión o sales de sulfato de amonio; y Sólidos - parte en conversión de carbono a biogás, y la mayoría en fibra o en sólidos ricos en P. Desde una perspectiva del balance de masas, esto tiene importancia para la recuperación y eliminación de granjas sobrecargadas de 97 kg de N/vaca año, 57 kg de NH3/vaca año, y 29 kg de P/vaca año con una recuperación de masa incluso mayor en granjas que practican la co-digestión. De forma importante, algunos nutrientes todavía permanecen en el efluente, ofreciendo a los productores de leche la oportunidad de usar su efluente como un fertilizante en la granja pero con un riesgo enormemente reducido de contaminación del aire y de la calidad del agua, y un riesgo reducido de sobreaplicación sobre una extensión de cosecha limitada. Además, los nutrientes existentes basados en la agricultura se manejan de forma más sostenible, moviéndose desde un sistema en el que los nutrientes a base de estiércol se pierden activamente al aire en amoníaco y son tratados como subproductos molestos hacia un sistema en el que los nutrientes se estabilizan y se transportan de forma más eficaz a campos distantes en necesidad de valor de fertilizante .

Más allá de concentrar, recuperar y exportar potencialmente un porcentaje significativo de nutrientes lejos de la granja en una forma más económicamente comercializable, el procedimiento también produce sólidos y líquidos de Clase A, reduce significativamente los recuentos de patógenos en los sólidos y líquidos, reduce el olor a amoníaco de los sólidos fibrosos separados, incrementa la producción de metano tanto como 10%, y ayuda a reducir el contenido de sulfuro de hidrógeno en el biogás hasta casi o por debajo de 50 partes por millón. Los soportes para lograr todo esto incluyen calor de gas de escape de motor de desecho y sólo pequeñas cantidades de ácido para producir la sal de sulfato de amonio - reduciendo enormemente los costes de gasto de producción y funcionamiento en comparación con otros sistemas de recuperación de nutrientes que utilizan otras tecnologías de procesamiento de aguas residuales estándar (es decir, floculantes y polímeros).

EJEMPLO 7 La eliminación de amoníaco a partir del efluente de digestor anaerobio se puede potenciar elevando el pH. Como destacan las FIGS . 10A y 10B, la elevación del pH del efluente de digestor anaerobio a 35SC hasta casi 10,0 permitió un desplazamiento significativo en el equilibrio del amoníaco a favor de amoníaco gaseoso o libre, requerido para la extracción. La elevada capacidad tamponante del efluente de digestor anaerobio requirió una cantidad significativa de material alcalino (lejía o cal) para elevar el pH hasta el nivel deseado. Los estudios pilotos demostraron la necesidad de un gasto de 10-11 kg de cal/m3 de efluente de digestor anaerobio a un coste de aproximadamente $l/m3.

EJEMPLO 8 Un mecanismo de ingresos, que tiene potencial para ayudar a los operarios de CAFO en problemas reguladores importantes relacionados con el manejo de nutrientes y el control de emisiones de la calidad del agua y del aire, es la recuperación y exportación de nitrógeno y fósforo en forma de biofertilizantes vendibles. Los operarios de CAFO que instalan una unidad de digestor anaerobio a coste de capital elevado en su granja producen ganancias potencialmente significativas pero, de forma importante, el procedimiento de digestor anaerobio hace poco por mejorar sus problemas con sobrecargas de nutrientes, particularmente si están practicando la co-digestión. Esto es debido a que la digestión anaerobia es en esencia una herramienta de manejo del carbono, convirtiendo en parte el material orgánico en compuestos de carbono inorgánicos (metano y dióxido de carbono) , gasificando así una porción del carbono y eliminándola de la granja. Lo mismo no se puede decir del nitrógeno y el fósforo. Aunque el procedimiento de digestión anaerobia convierte en parte el nitrógeno y fósforo desde una forma orgánica hasta una forma inorgánica, la conversión mantiene estos macronutrientes en el estado líquido o sólido, y como tal el efluente de AD, tras la aplicación a los campos, todavía representa una fuente de nutrientes sobrecargantes a extensiones limitadas de granjas. Desde una perspectiva de CAFO, la adopción entonces de la tecnología de AD sería mucho más atractiva si tanto el nitrógeno como el fósforo se pudiesen extraer económicamente del efluente.

La FIG. 11 proporciona un esquema de un sistema para la recuperación de nutrientes a partir de un efluente de digestión anaerobia. El calor del motor de desecho (1103) procedente de los montajes de motor/generador de AD se usa para calentar el efluente de digestor anaerobio (1101) . La temperatura se eleva hasta 702C, y se airea el efluente (1107) . La aireación se puede lograr usando microaireadores que usan C02, biogás, un líquido, un gas, o una combinación de C02 y biogás. La velocidad de aireación puede ser cualquier velocidad adecuada, incluyendo, pero sin limitarse a, 0,1-1, 1-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, 25-30, 30-35, 35-45, 45-55, 55-60 y más de 60 galones/cfm.

El efluente se calienta durante el tiempo necesario para satisfacer los estándar de sólidos de Clase A de la EPA, produciendo de ese modo una fibra reducida en patógenos más valiosa y muy controlada para ventas de camas y no relacionadas con la granja. Además, la aireación y la temperatura incrementada inducen la desgasificación de C02 sobresaturado y la liberación de amoníaco libre. Tras la aireación, el efluente tratado se envía a una zona de reposo para permitir la sedimentación y eliminación de sólidos ricos en P en un sistema de vertedero (1109) . El fertilizante orgánico rico en fósforo se puede recoger (1111) .

Tras la aireación a la temperatura elevada, C02 y NH3 entran en el espacio de cabeza y, con la ayuda de una bomba de vacío parcial, pueden salir del tanque de aireación (1107) y entran en un sistema de contacto con ácido de dos torres (1121) , que permite que el amoníaco reaccione con ácido sulfúrico concentrado a pH controlado para producir sulfato de amonio soluble (1123) . Debido a la elevada reactividad del amoníaco con el ácido a pH bajo, y la baja reactividad correspondiente del C02, casi el 100% del amoníaco acumulado se hace reaccionar hasta una forma de sal, saliendo el C02 a través de los gases de escape del sistema. Un sistema de ácido de dos torres permite el ajuste del pH en la segunda torre así como el desarrollo de un tanque de disolución de rebose a un máximo controlado de concentración (-40% dependiendo de la temperatura del líquido) . Con algunos filtros en línea colocados en la tubería de rebose, el resultado es un producto de pH neutro con una concentración consistentemente elevada de 40% en masa de sulfato de amonio, que contiene un mínimo de impurezas sólidas.

El efluente que abandona las zonas de aireación (1107) y de sedimentación (1109) todavía está a un pH relativamente elevado (~9) , así que antes del almacenamiento en las lagunas y la aplicación a los campos, se considera importante devolver la disolución a pH neutro. Dentro del sistema integrado, esto se puede lograr diseñando una segunda torre de contacto (1113) que permite la reacción controlada entre biogás bruto procedente del digestor (1112) y el efluente de pH elevado. El biogás bruto contiene compuestos ácidos, que reducen ambos el valor de BTU (CO2) y la adecuabilidad para el motor (H2S) del combustible.

En particular, los proveedores de digestores anaerobios han buscado activamente métodos para ganar un mejor control sobre las emisiones de H2S y minimizar su efecto sobre el mantenimiento de los- motores, más allá de usar el estándar de la industria de hacer funcionar el motor con mezcla pobre con sustitución intensa de aceite. Dentro de esta torre de contacto (1113), los compuestos ácidos abandonan fácilmente el estado gaseoso y se disuelven en el líquido, reduciendo el pH hasta niveles casi neutros y más aceptables.

Como se muestra en la FIG. 12A, la reducción del pH fue el resultado tanto de la elevada solubilidad y acidez de las impurezas gaseosas como de las relaciones elevadas de gas a líquido (-25:1) encontradas en digestores de estiércol típicos. Puesto que las corrientes de biogás típicas están compuestas de tanto como 35-40% de C02 y sólo 1.000-3.000 ppm de H2S, una mayoría del C02 entra en la corriente de líquido, y reduce el pH. El análisis posterior mostró que la eliminación selectiva de H2S en lugar de C02 es posible a través de la manipulación del tiempo de contacto, caudal, altura del líquido, y tamaño de burbujas (FIG. 12B) .

EJEMPLO 9 La aireación y el calentamiento del efluente de digestor anaerobio son componentes claves del sistema de recuperación de nutrientes. El caudal de aireación se ajustó a 20 galones/cfm (microaireadores ) , y la temperatura se mantuvo a 552C. Los resultados se describen en la FIG. 13A y 13B, que sugiere el uso de tiempos de retención más prolongados, muy probablemente debido a menores temperaturas de funcionamiento (disponibilidad limitada de energía de calor de desecho y pérdidas de calor debido a separación mecánica de sólidos fibrosos) y menor transferencia de masa debido a limitaciones de mezclamiento a mayor escala (espumación) . La velocidad de aireación anterior y la temperatura minimizan los gastos de energía y la espumación controlada a la vez que todavía se extrae amoníaco en un tiempo de retención razonable. A los parámetros optimizados mencionados anteriormente, casi el 80% de TAN se extrajo durante una operación de 15 horas debido a una capacidad consistente para elevar el pH a o cerca de 10,0. El sistema de contacto de ácido de dos torres, una vez se logró el equilibrio a solubilidad máxima, produjo una disolución consistente de sulfato de amonio de 40% en masa con pH neutro .

EJEMPLO 10 Los Estados Unidos de América tienen funcionando alrededor de ciento sesenta digestores anaerobios comerciales en CAFOs , que producen 50 MW de potencia y mitigan alrededor de 1 millón de toneladas métricas de equivalentes de C02 en emisiones de gases de efecto invernadero. Aunque años recientes han demostrado una aceleración en las velocidades de adopción, las facturas de venta eléctrica recibidas tradicionalmente bajas para los Estados Unidos de América, y los problemas con la infraestructura de estiércol existente y operaciones de manipulación de estiércol (¿por qué menos de 20% de los sistemas existen en operaciones de cerdos en instalaciones para engorde?) , siguen siendo principalmente responsables de mantener AD bastante por debajo de su potencial señalado.

La Figura 14 es un esquema que representa un flujo de masas para un digestor anaerobio y sistema de recuperación de nutrientes típico en una lechería, basado en una base de vaca/día. Las entradas y salidas del flujo de masas se basan en datos obtenidos durante el ensayo piloto de recuperación de nutrientes así como datos desarrollados por Frear et al (2010) durante la evaluación a largo plazo de un AD de lechería comercial .

Los productos y corrientes de ingresos producidos a partir de una combinación de digestor anaerobio/sistema de recuperación de nutrientes incluyen electricidad, fibra, suspensión de sulfato de amonio y sólidos ricos en P. Cuando, los gastos de coste y corrientes de ingreso se calculan en el balance de masas, se puede desarrollar una contabilidad global de economía y financiación del proyecto como se describe en la Tabla 6.

Tabla 6: Costes de gastos de producción (eléctrico, químico, O y M, mano de obra) e ingresos de producto (en base a /vaca/día) Gastos de producción Productos Artículo Cantidad $/vaca/día Artículo Cantidad $/vaca/día Precios promedio de energía eléctrica recibida en Pacific Northwest (US-EIA, 2007); la demanda de energía parasitaria de AD es 10% (Andgar, 2010) mientras que la demanda de energía parasitaria de NR se calcula directamente de los ensayos piloto.

Precio promedio de ácido sulfúrico recibido (ICIS Chemical Market Repórter, 2010) La O y M de AD es 5% del coste de capital de AD ( $1.500/vaca) , mientras que la O y M de NR está a 2% del coste de capital de NR ($500/vaca) (Andgar, 2010) Se estima que la mano de obra de NR requiere personal semicualificado ½ FTE ( $40.000/año) .

El producto de fibra visto como sustituto de cama a alternativas existentes (Andgar, 2010) Estimado de precio de venta de sólidos con P certificados orgánicos suponiendo grado de fertilizante en peso seco 4:2:1 (Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010) Estimado de precio de venta de suspensión de sulfato de amonio (40% en masa) (Wilson Industrial, 2010) A partir de la Tabla 6, se puede ver que los sistemas de digestión anaerobios tienen un ingreso relativamente bajo a una relación de coste de operación (-2:1) así como bajas facturas, que dependen principalmente de las ventas de un bien eléctrico de bajo valor, lo que explica algunas de las preocupaciones previamente explicadas con respecto a la economía y adopción del digestor. A una estructura de coste de capital de $1.500/vaca y un ingreso anualizado de aproximadamente $200/vaca por año, el período de recuperación del coste de capital se convierte en 7-8 años, que es en cierto modo largo para algunos socios financieros. Esta es la razón por la que en la mayoría de las granjas los digestores lecheros están poniendo en práctica de forma activa la co-digestión, de forma que pueden obtener un ingreso extra a partir de honorarios de préstamos recibidos así como la producción eléctrica extra procedente de la corriente de desecho de energía más elevada que produce más biogás .

La co-digestión a cargas volumétricas relativamente bajas puede conducir a ganancias importantes en ingresos y financiación del proyecto. En su estudio de caso particular, los ingresos del proyecto total se triplicaron casi con sólo una sustitución de 20% con sustratos fuera de la granja, mejorando significativamente los beneficios anuales y la devolución de capital. Como se señala, la co-digestión trae nutrientes extra a la puerta de la granja, y por lo tanto hace a las preocupaciones sobre la sobrecarga de nutrientes a los campos incluso más que un problema, y de este modo la necesidad de un mecanismo de recuperación de nutrientes junto con el sistema de digestión. De forma importante, la Tabla 6 también muestra que cuando se incluye la recuperación de nutrientes como parte de un proyecto completo de AD/NR, la relación de ingresos a coste de funcionamiento permanece aproximadamente la misma, no mejorando de ese modo con la economía global, pero de forma importante no empeorando la situación a la vez que mejorando en una preocupación importante de la granja y medioambiental.

EJEMPLO 11 El problema al que se enfrenta la industria de ponedoras enjauladas de los Estados Unidos de América y sus más de 400 granjas de mayor tamaño de CAFO, que representan 75% del inventario total de los Estados Unidos de América (USDA NASS, 2009) , es cómo tratar anualmente 4 millones de toneladas de estiércol húmedo (Mukhtar, 2007) de una manera que responda a las necesidades emergentes en energía renovable, satisfaciendo nuevos estándares de calidad del aire/agua, y estableciendo nuevas corrientes de ingresos para la sostenibilidad mejorada de las granjas. El estatu quo de la aplicación en el campo de estiércol con o sin tratamiento de compost es una tecnología que se está desactualizando rápidamente en el Siglo 21, que se centra en el tratamiento de desechos mientras también produce energía renovable. Sin embargo, las opciones de la tecnología de nueva generación que permiten la producción de energía renovable, tal como la gasificación y digestión anaerobia, tienen problemas técnicos, según se aplica a estiércol de ponedoras enjauladas .

La gasificación, aunque muy adecuada para operaciones de desperdicios secos de pollos (80% de sólidos totales (TS) ) , está mal posicionada para estiércol de ponedoras enjauladas mucho más húmedo (25% de TS) , mientras que AD no se ha identificado históricamente como una tecnología adecuada para estiércol/desperdicio de aves de corral debido a su incapacidad para manejar el contenido elevado de sólidos y niveles biológicamente inhibidores de amoníaco (abouelenien et al., 2010). La oportunidad se basa en demostrar que las unidades de digestión anaerobia comerciales existentes se pueden hacer funcionar efectiva y económicamente usando estiércol de ponedoras enjauladas si el efluente de digestor se trata con un sistema de recuperación de nutrientes como se describe en la descripción aquí.

El estiércol de aves de corral enjauladas, con 25% de TS, requiere un gasto de agua de dilución a fin de suministrar un material de agua residual adecuado para la operación dentro de las tecnologías de digestores anaerobios comercialmente disponibles. En la granja, las unidades de digestores anaerobios basadas en estiércol en los Estados Unidos de América han usado tradicionalmente tecnología de mezcla completa (diversos diseños europeos o de los Estados Unidos de América) o de flujo pistón mixto (GHD Inc., Chilton, WI) , soportando idealmente ambas tecnologías influentes con contenido de TS del orden de 4-12% (US-EPA, 2006) . Sin embargo, el flujo pistón mixto, que representa el 70% de la cuota de mercado de los Estados Unidos de América, ofrece una opción tecnológica más fiable para el mayor intervalo de flujos sólidos. Con estiércol de ponedoras enjauladas que llega desde la prensa de cinta con TS de 25%, está claro que el comportamiento eficaz de los digestores requiere más de una dilución 1:1 con agua, y a la escala de 600.000 ponedoras para una operación media, eso suma más de 180.000 galones de agua de dilución por día - una suma que simplemente no es sostenible o económica, particularmente en regiones de los Estados Unidos amenazadas con falta de agua. La conclusión entonces es que, a fin de que se produzca la digestión anaerobia eficaz del estiércol de ponedoras enjauladas, se requiere una alternativa a agua fresca para la dilución, y esa fuente es el propio efluente de digestor anaerobio, que con tratamiento se puede usar como agua de reciclaje .

El efluente de digestor anaerobio como fuente de agua de reciclaje es viable, pero sólo con el tratamiento y preparación. Puesto que los sistemas típicos de estiércol de digestor anaerobio dan como resultado la destrucción del orden de 30-40% de TS, un sistema con influente de 11% de TS conduce a efluente con un 7% de TS. La reutilización del efluente de 7% de TS como agua de dilución tiene poco sentido a nivel de ingeniería puesto que cada punto de porcentaje de sólidos que se reintroduce en el frente del digestor da como resultado la necesidad de más agua de reciclaje para lograr el caudal de TS de trabajo deseado. Desde un sentido biológico, igualmente la operación no es óptima, ya que los sólidos no digeridos son para la mayoría de naturaleza inerte o recalcitrante, lo que conduciría a poca degradación adicional con la digestión prolongada, llenando de ese modo una fracción del volumen de digestor con material no reactivo, que no produce biogás.

La investigación y demostración comercial ha demostrado ya que la separación industrial de una porción significativa de los sólidos se puede lograr usando centrifugadoras de decantación (Wenning Poultry, Fort Recovery, Ohio) . Aunque la utilización de estos separadores industriales requiere gasto adicional de capital y de funcionamiento, sin mencionar el uso parasitario de electricidad producida, sirve para lograr dos metas muy importantes. En primer lugar, el líquido del efluente a usar como agua de reciclaje se puede llevar hasta un contenido de TS más deseable del orden de 2% de TS . De forma importante, los sólidos que quedan son sólidos suspendidos, que suministran tanto nutrientes como material biodegradable al digestor, a la vez que minimizan el impacto volumétrico al digestor. De igual importancia es la investigación que muestra, durante el proceso de digestión, que una porción significativa del fósforo orgánico se convierte en forma inorgánica y, cuando está en presencia de estiércoles con contenido elevado de magnesio y calcio, se convierte químicamente en fosfatos unidos como sales microsólidas amorfas. De este modo, la centrifugadora de decantación de los sólidos dentro del efluente sirve como un mecanismo de recuperación y concentrador para P en forma de sólidos orgánicos vendibles.

Como se representa en el esquema de la FIG. 15, la aireación a 70 SC (1515) , que permite que se libere C02 sobresaturado a partir de la fase líquido a gas, es seguida de una centrifugación (1517). La centrifugación permite que se reduzca el contenido de sólidos totales en el efluente. Además, los sólidos que quedan son altos en contenido de nutrientes y típicamente son biodegradables .

Mientras que la eliminación de los sólidos permite la utilización mejorada del efluente de AD como agua de reciclaje, no resuelve una preocupación importante con respecto a la retención de amoníaco soluble y la inhibición que contribuye al proceso del digestor anaerobio. La inhibición del amoníaco se ha estudiado ampliamente durante la digestión anaerobia de estiércol de aves de corral, mostrando los resultados que el estiércol de aves de corral tiene niveles de nitrógeno de amoníaco total (TAN), a veces, muy por encima de los niveles de inhibición umbral identificada como a o por encima de 2 g/1 de TAN (Koster y Lettinga, 1984) . La investigación de la Universidad del Estado de Washington (WSU) ha mostrado que: (1) los niveles de TAN de estiércol de ponedoras son significativamente mayores que el umbral, (2) los niveles se hacen cada vez más elevados peligrosamente a medida que el efluente de AD se usa como agua de reciclaje, y (3) el comportamiento del biogás disminuye uniformemente con el aumento de amoníaco y el uso de agua de reciclaje, especialmente cuando los niveles de TAN superan 4 g/1 (FIG. 16).

De este modo, a fin de utilizar de forma eficaz el efluente de AD para agua de reciclaje, será importante eliminar primero el amoníaco soluble. Un método estándar en la industria para la eliminación de amoníaco soluble de aguas residuales es la extracción de amoníaco seguido de la estabilización química del amoníaco recuperado como sales de amonio, es decir sulfato de amonio, mediante el uso de una cámara de contacto de ácido. Los métodos y sistemas descritos aquí pueden lograr este objetivo.

EJEMPLO 12 En la FIG. 17 se muestra un ejemplo de un sistema comercial (1700) de digestión anaerobia en la operación de ponedoras enjauladas. Una fosa de recepción de dos cámaras (1701) recibe en primer lugar las materias primas al digestor. La más grande de las dos cámaras (1702) es la fosa de mezclamiento para el estiércol de ave de corral, cualesquiera sustratos de co-digestión exterior, y el agua de recirculación que se usa según sea necesario. Todo el efluente líquido procedente de la centrifugadora (1707) de decantación post-digestión va desde la centrifugadora, a través de la más pequeña de las dos cámaras (1703) de la fosa de recepción (1701) , y esta cámara rebosa a una laguna de almacenamiento de liquido pequeña. Este diseño asegura que la pequeña cámara (1703) está siempre llena y tiene un volumen suficiente de liquido almacenado, digerido y centrifugado para mezclar con el estiércol de aves de corral según sea necesario en volumen para la reducción de TS antes del bombeo desde la cámara más grande (1702) al digestor (1705) .

El presente diseño de tanque de mezclamiento y centrifugadora de decantación ha permitido un suministro consistente de agua residual de estiércol de 10-12% de TS al digestor, y de ese modo permitió un influente adecuado para la operación dentro del digestor de flujo pistón mixto. Este sistema resuelve la preocupación por el agua de dilución no fresca y la necesidad de separar por giro sólidos suspendidos contenidos en la dilución.

EJEMPLO 13 La FIG. 18 es un esquema que representa el balance de masas y flujo para una instalación de aves de corral ponedoras enjauladas, en una base a 1.000 por día. El balance de masas puede ayudar a generar una tabla que compara costes de gastos de producción (eléctrico, químico, O y M, mano de obra) con proyecciones de ingresos, desarrollando de ese modo un concepto de períodos de devolución de gasto de capital e ingreso de proyecto potencial (Tabla 7) .

Tabla 7: Costes de gastos de producción e ingresos de productos (en base a /l.OOO ponedoras/día) Gastos de producción Productos Artículo Cantidad $/1000/día Artículo Cantidad $/1000/día (0,5 FTE) créditos) AD Total $1, 00 AD Total $1,52 solamente solamente NR Total $0,75 NR Total $2,26 solamente solamente AD+NR Total $1,75 Total $3,78 Precios promedio de energía eléctrica recibida en Pacific Northwest (US-EIA, 2007); la demanda de energía parasitaria de AD es 10% (Andgar, 2010) mientras que la demanda de energía parasitaria de NR se calcula directamente de los ensayos piloto.

Precio promedio de ácido sulfúrico recibido (ICIS Chemical Market Repórter, 2010) La O y M de AD es 5% del coste de capital de AD ($6.600/1000 ponedoras) , mientras que la O y M de NR es 2% del coste de capital ($1.000/1000 ponedoras) (GHD, 2010) Se estima que la mano de obra de NR requiere personal semicualificado ½ FTE ( $40.000/año) .

Estimado de precio de venta de sólidos con P certificados orgánicos suponiendo grado de fertilizante en peso seco 4:2:1 (Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010) Estimado de precio de venta de suspensión de sulfato de amonio (40% en masa) (Wilson Industrial, 2010) En cuanto a AD de lechería, la relación de ingreso a gasto es más bien pequeña, pero en este caso por debajo de 2:1 y más cerca de 1,5:1. Con un gasto de capital de AD sólo de $6.600/1.000 ponedoras, los ingresos anuales conducen a un período de devolución estimado de 12 años, claramente una duración de proyecto prolongada y no preferida. Como resultado, AD sola de estiércol de ponedoras requeriría la co-digestión y/u otros mecanismos de financiación (créditos de impuestos, créditos al carbono, etc.) para ser económicamente viable, y ya se ha demostrado que la co-digestión o incluso la no co-digestión no son opciones viables ya que de cualquier modo la carga de amoníaco y de N sería tanto inhibidora como problemática para el digestor y la granja, respectivamente. Sin embargo, cuando la recuperación de nutrientes se une a la digestión anaerobia, la relación de ingresos a gastos asciende hasta 2,2:1, incrementando significativamente los ingresos y reduciendo el período de devolución estimado hasta 5-6 años. De este modo, no sólo la recuperación de nutrientes de estiércol de ponedoras permite que la digestión anaerobia sea técnicamente factible, sino que también mejora significativamente la economía del proyecto.

.EJEMPLO 14 Los métodos y sistemas descritos aquí tienen la capacidad única de servir a dos aplicaciones diferentes: (1) recuperación solamente de P a bajo coste, y (2) recuperación de nitrógeno y fósforo a mayor coste; abriendo la tecnología a una amplia clasificación de tamaños de granjas y aplicaciones de nutrientes de granjas. La aireación permite la sedimentación de sólidos con fósforo; sin embargo, la baja temperatura, la duración más corta y/o la menor velocidad de aireación pueden inducir un cambio de pH que estimule la sedimentación de sólidos con fósforo sin una liberación asociada de amoníaco. En tal caso, no hay necesidad de recoger el amoníaco y utilizar ácido sulfúrico para secuestrarlo como una sal. Eliminando esta necesidad, una granja que no está bajo el manejo de nutrientes de N y que es demasiado pequeña para aceptar los costes añadidos de capital y de funcionamiento de un sistema completo puede todavía lograr la eliminación de fósforo - a un coste bajo de capital y operación. La Tabla 8 a continuación resume datos recogidos de un trabajo a escala piloto usando el sistema de gastos reducidos de producción.

Tabla 8: Recuperación de fósforo solamente Experimento sólo de aireación TS (%) VS TN TAN TP de la fosa de efluente (%) (g/1) (g/1) (mg/1) Efluente de estiércol con 5,15 3,28 4,03 2,61 564,53 Fibra de Big Sky Seis horas de aireación a 35C 4,32 2,65 4,23 2,58 613,48 y 40 gal/cfm Separación post fibra (malla 4,33 2,45 3,8S 2,63 593,90 18) Sedimentación durante 1 día 2,51 1,38 3,12 2,46 231,69 Sedimentación durante 2 días 2,43 1,32 3,18 2,42 199,06 Sedimentación durante 3 días 2,41 1,29 3,18 2,38 199,06 Reducción desde el comienzo 53,20 60,67 21,09 8,81 64,74 hasta el final (%) Experimento de aireación extraTS (%) VS TN TAN TP + fosa de efluente (%) (g/1) (g/1) (mg/1) Efluente de estiércol con 5,15 3,28 4,03 2,61 564,53 Fibra de Big Sky Seis horas de aireación a 40 5,37 3,41 4,09 2,65 587,38 gal/cfm Separación post fibra (malla 4,47 2,49 3,87 2,64 600,43 18) Añádanse 18 h de aireación a 4,37 2,48 3,71 2,48 580,85 20C y 40 gal/cfm Sedimentación durante 1 día 2,27 1,21 3,01 2,23 133,79 Sedimentación durante 2 días 2,24 1,17 2,94 2,23 124,00 Sedimentación durante 3 días 2,19 1,14 2,92 2,22 114,21 Reducción desde el comienzo 57,48 65,24 27,54 14,94 79,77 hasta el final (%) Aunque se han ilustrado y descrito aquí realizaciones específicas, se apreciará por los expertos normales en la técnica que cualquier montaje que se calcule para lograr el mismo fin se puede sustituir por las realizaciones específicas mostradas. Esta solicitud está destinada a cubrir cualesquiera adaptaciones o variaciones que funcionen según los principios de la invención como se describe. Por lo tanto, se pretende que esta invención esté limitada solamente por las reivindicaciones y sus equivalentes . Las descripciones de patentes, referencias y publicaciones citadas en la solicitud se incorporan como referencia aquí en su totalidad.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICAMOS

1. Un método para recuperar un nutriente, que comprende : (a) calentar y airear efluente de digestor anaerobio en un reactor de aireación para convertir amonio soluble en amoniaco gaseoso; (b) proporcionar amoniaco gaseoso desde el reactor de aireación a una torre de extracción, proporcionando dicha torre de extracción cantidades controladas de ácido que reacciona con amoníaco gaseoso; y (c) recuperar una sal de amonio producida haciendo reaccionar el ácido con amoníaco gaseoso en la torre de extracción .

2. El método de la reivindicación 1, en el que el calentamiento del efluente de digestor anaerobio comprende usar un intercambiador de calor con el gas de escape procedente de un montaje de generador de motor de biogás como la corriente de aire calentada.

3. El método de la reivindicación 1, en el que el calentamiento del efluente de digestor anaerobio comprende calentar el efluente hasta una temperatura desde alrededor de 1402F hasta alrededor de 1708F.

4. El método de la reivindicación 1, en el que la aireación del efluente de digestor anaerobio se logra usando microaireadores que airean el efluente a una velocidad de 5 galones/cfm a 25 galones/cfm.

5. El método de la reivindicación 1, que comprende además bombear el efluente de digestor anaerobio desde el reactor de aireación hasta un sistema de sedimentación de sólidos después de proporcionar el amoníaco gaseoso a la torre de extracción.

6. El método de la reivindicación 5 , que comprende además recoger sólidos ricos en fósforo a partir del sistema de sedimentación de sólidos.

7. El método de la reivindicación 5, que comprende además digerir material fibroso de desecho en un digestor anaerobio antes de la etapa (a) .

8. El método de la reivindicación 7, que comprende además bombear el efluente desde el sistema de sedimentación de sólidos hasta una vasija, y hacer reaccionar biogás procedente del digestor con el efluente para devolver el pH del efluente a neutro y reducir la cantidad de sulfuro de hidrógeno en el biogás .

9. El método de la reivindicación 1, en el que la torre de extracción comprende un sistema de dos torres.

10. Un método para recuperar un nutriente, que comprende : (a) calentar efluente de digestor anaerobio que contiene sólidos fibrosos y . sólidos suspendidos hasta alrededor de 160 aF; (b) separar sólidos fibrosos de los sólidos suspendidos en el efluente; (c) calentar y airear el efluente en un reactor de aireación para convertir amonio soluble en amoníaco gaseoso; (d) proporcionar amoníaco gaseoso desde el reactor de aireación a una torre de extracción, proporcionando dicha torre de extracción cantidades controladas de ácido para reaccionar con amoníaco gaseoso; y (e) recuperar una sal de amonio producida haciendo reaccionar el ácido con amoníaco gaseoso en la torre de extracción.

11. Un sistema de recuperación de nutrientes, que comprende : un reactor de aireación para calentar y airear efluente de digestor anaerobio, en el que el calentamiento y aireación del efluente convierten amonio soluble en amoníaco gaseoso; una torre de extracción para mezclar cantidades controladas de ácido con amoníaco gaseoso del reactor de aireación; y una vasija para recoger una sal de amonio producida haciendo reaccionar ácido con amoníaco gaseoso en la torre de extracción.

12. El sistema de recuperación de nutrientes de la reivindicación 11, en el que el reactor de aireación comprende microaireadores para airear el efluente.

13. El sistema de recuperación de nutrientes de la reivindicación 11, que comprende además un digestor anaerobio para digerir material fibroso de desecho, en el que se proporciona efluente procedente del material de desecho digerido al reactor de aireación.

14. El sistema de recuperación de nutrientes de la reivindicación 11, que comprende además un sistema de sedimentación de sólidos para la recogida del efluente desde el reactor de aireación.

15. El sistema de recuperación de nutrientes de la reivindicación 11, en el que la torre de extracción comprende un sistema de dos torres.