PL220702B1

PL220702B1 - Sposób obróbki zawiesiny gnojowicy świńskiej

Info

Publication number: PL220702B1
Application number: PL400741A
Authority: PL
Inventors: Zygmunt Kowalski; Agnieszka Makara; Józef Hoffmann; Krystyna Hoffmann
Original assignee: Politechnika Krakowska
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2015-12-31
Also published as: PL400741A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki zawiesiny gnojowicy świńskiej poprzez rozdział na fazę stałą i ciekłą, przy zastosowaniu filtracji wysokociśnieniowej, przydatny w szczególności do eliminacji odorów z osadu pofiltracyjnego i filtratu po filtracji gnojowicy świńskiej oraz fosforu, wapnia i magnezu z tego filtratu.

Intensywny chów zwierząt gospodarskich, a zwłaszcza bezściółkowy system hodowli trzody chlewnej, powoduje powstawanie dużych ilości ciekłych odpadów, gnojowicy świńskiej. Ciekłe odpady z produkcji zwierzęcej mogą powodować wymywanie składników pokarmowych do wód gruntowych, eutrofizację wód powierzchniowych, degradację gleb (np. przesycenie fosforanami, zakwaszenie amoniakiem) oraz skażenie ich metalami ciężkimi i patogenami. Istotnym problemem jest także emisja do atmosfery gazów cieplarnianych (metan, dwutlenek węgla, tlenki azotu, siarkowodór) oraz amoniaku i innych związków odorotwórczych, będących źródłem uciążliwości zapachowej.

Gnojowica świńska klasyfikowana jest jako płynny lub półpłynny nawóz naturalny pochodzenia zwierzęcego. Stanowi ona mieszaninę kału, moczu, resztek karmy oraz wody stosowanej do usuwania odchodów i utrzymania higieny pomieszczeń inwentarskich.

Skład gnojowicy waha się w dość szerokich granicach i zależy od wielu czynników, przede wszystkim od rodzaju i wieku zwierząt, systemu ich żywienia i utrzymania oraz ilości wody zużywanej do celów higieniczno-porządkowych, jak również od sposobu przechowywania gnojowicy. Gnojowica zawiera od 2-12% suchej masy oraz inne składniki nawozowe, które mogą zostać wykorzystane w produkcji rolnej. Średnia zawartość głównych składników pokarmowych w gnojowicy wynosi: azot 0,6%, fosfor 0,2%, potas 0,2%, magnez 0,05%, wapń 0,05%. Typowa gnojowica trzody chlewnej charakteryzuje się odczynem lekko zasadowym, wysoką zawartością zawieszonych cząstek stałych i materii organicznej, wysokim biochemicznym (BZT) i chemicznym zapotrzebowaniem tlenu (ChZT) oraz wysokim poziomem populacji drobnoustrojów. Główna frakcja materii organicznej gnojowicy trzody chlewnej ma postać drobnej zawiesiny, głównie w postaci koloidalnej. Rozdział tej zawiesiny przy stosowaniu metod filtracyjnych jest bardzo trudny.

W zgłoszeniu patentowym polskim P. 400044 zastosowano nową metodę mineralizacji i rozdziału zawiesiny gnojowicy na frakcję stałą i ciekłą przy uzyskaniu wysokiej wydajności procesu filtracji ciśnieniowej. Stało się to możliwe dzięki dobraniu odpowiednich parametrów procesu mineralizacji i rozdziału faz gnojowicy świńskiej. Mineralizację prowadzono dodając kwasy mineralne, które przekształcały makro- i mikroskładniki nawozowe w postać biodostępną dla roślin, powodując hydrolizę i mineralizację materii organicznej. Wprowadzenie kwasów zwiększa ponadto bezpieczeństwo sanitarno-epidemiologiczne poprzez zniszczenie bakterii chorobotwórczych i jaj pasożytów (higienizacja). Opracowana metoda pozwoliła na eliminację z filtratu około 90% zawartego w gnojowicy ChZT, nie wpłynęła jednak na zmniejszenie emisji odorów z osadu pofiltracyjnego i filtratu oraz nie spowodowała usunięcia fosforu z filtratu.

W patencie US 6692642 zaproponowano biologiczne usuwanie fosforu z gnojowicy w bioreaktorze z mikrofiltracją membranową. Natomiast w zgłoszeniu patentowym US 2008/0031844 zaproponowano eliminację emisji odorów z gnojowicy świńskiej przez dodatek do niej takich środków jak związki bizmutu, kompleksy miedzi z chlorofilem, czy węgiel aktywny.

Metoda SELCO-Ecopurin [Martinez-Almela J., Barrera J.M., SELCO-Ecopurin pig slurry treatment system, Bioresource Technology 96, 2005, 223-228], która została wdrożona na fermach trzody chlewnej w Europie i Stanach Zjednoczonych, jest techniką skutecznego rozdzielania gnojowicy na frakcje stałą i ciekłą z wykorzystaniem w etapie pierwszym dodatku polimerowego flokulanta - poliakrylamidu. Średnia wydajność procesu separacji w odniesieniu do stopnia redukcji fosforu ogólnego dla wybranych ferm trzody chlewnej wynosiła od 70 do 89%. Dodatkowo zastosowano proces odwróconej osmozy przy wysokim ciśnieniu (57 barów), co pozwoliło na obniżenie zawartości P z 2800 mg/l w gnojowicy do 188 mg/l w permeacie z odwróconej osmozy.

Nieoczekiwanie okazało się, że jest możliwe opracowanie nowego sposobu obróbki gnojowicy świńskiej, dzięki któremu można wyeliminować odory z osadu pofiltracyjnego i filtratu po filtracji gnojowicy świńskiej oraz fosfor, wapń i magnez z tego filtratu.

Sposób obróbki zawiesiny gnojowicy świńskiej poprzez rozdział na fazę stałą i ciekłą, przy zastosowaniu filtracji według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiesinę gnojowicy świńskiej zmineralizowaną kwasami mineralnymi neutralizuje się zawiesiną wodorotlenku wapnia do pH co najmniej 10,5, po czym do zneutralizowanej zmineralizowanej zawiesiny gnojowicy dodaje się fosforan jednowapniowy,

PL 220 702 B1 korzystnie w proporcji wagowej od 0,8/l do 1,2/l w stosunku do zawartej w gnojowicy wyjściowej suchej masy, a następnie dodaje się do przetworzonej zawiesiny gnojowicy zawiesinę wodorotlenku wapnia lub wodorotlenek wapnia w takiej ilości, aby otrzymać pH zawiesiny co najmniej 10,5, po czym filtruje się w znany sposób na filtrze ciśnieniowym, stosując odpowiednie ciśnienie, w podwyższonej temperaturze.

Korzystnie cały proces neutralizacji gnojowicy świńskiej prowadzi się w temperaturze co najmniej 50°C.

Korzystnie temperatura podczas procesu dodawania zawiesiny wodorotlenku wapnia lub wodorotlenku wapnia, w etapie po dodaniu fosforanu jednowapniowego, wynosi nie więcej niż 70°C.

Korzystnie zawiesinę filtruje się pod ciśnieniem 3-4 barów.

Korzystnie filtrację prowadzi się w temperaturze pomiędzy 60 a 85°C.

Korzystnie do przygotowania zawiesiny wodorotlenku wapnia stosuje się recyrkulowany filtrat.

Korzystnie stężenie wodorotlenku wapnia w jego zawiesinie wynosi 10-14%.

Niespodziewanie okazało się, że na skutek prowadzonych operacji powstają w zawiesinie przetworzonej gnojowicy znaczne ilości nierozpuszczalnych w wodzie, krystalicznych fosforanów wapnia, których obecność przyczyni się do poprawy struktury filtrowanego osadu i tym samym zwiększenia wydajności filtracji przetworzonej zawiesiny gnojowicy. Istotą rozwiązania jest stworzenie takich warunków strącania i krystalizacji fosforanów wapnia, żeby wprowadzona do organicznej fazy gnojowicy świńskiej w ilości około 50% faza krystaliczna była prawie w całości fosforanem wapnia hydroksyapatytem Ca5(PO4)3(OH)2, nierozpuszczalnym w wodzie. Umożliwia to praktycznie ilościowy odzysk fosforu, wapnia i magnezu z fazy ciekłej gnojowicy tworzących hydroksyapatyt, w którym niewielka część jonów wapnia zastąpiona jest też jonami magnezu. W efekcie otrzymuje się filtraty, w których zawartość P wynosi od 10-40 mg/l, zawartość Ca 4-30 mg/l; zawartość Mg 4-20 mg/l, niewykazujące żadnego nieprzyjemnego zapachu. Równocześnie następuje obniżenie o 93-98% ładunku ChZT w filtracie w stosunku do jego zawartości w wyjściowej gnojowicy. Filtrat taki może być stosowany zamiast wody do deszczowania pól czy trawników, może być także oczyszczany w biologicznych oczyszczalniach ścieków.

Obecność prawie 50% fazy krystalicznej w fazie stałej filtrowanej zawiesiny umożliwia uzyska₂ nie wysokiej wydajności filtracji na filtrach ciśnieniowych, powyżej 700/m²/h i dobrej klarowności filtratu. Otrzymany osad pofiltracyjny nie wykazuje również żadnego nieprzyjemnego zapachu. Osad ten przewidywany jest do stosowania, po odpowiednim przetworzeniu, jako surowiec do produkcji nawozów mineralno-organicznych.

Przedmiot wynalazku ilustrują następujące przykłady:

P r z y k ł a d 1

Do 230 g zawiesiny gnojowicy świńskiej zawierającej 52,1 g/l ChZT; 1,2 g/l P; 1,9 g/l Ca; 2,0 g/l Mg i 41,2 g/l suchej masy dodawano przy ciągłym mieszaniu 5,7 g 75% kwasu fosforowego do uzyskania pH 5,5 i następnie 2,2 g 95% kwasu siarkowego do uzyskania pH 3,0. Po dodatku kwasów do zawiesiny dodano 49,1 g zawiesiny wodnej zawierającej 13% wodorotlenku wapnia, do uzyskania pH 10,5, a następnie 9,2 g fosforanu jednowapniowego i z kolei dodawano w temperaturze 55+/-1°C,

14,5 g zawiesiny wodnej zawierającej 13% wodorotlenku wapnia do uzyskania pH 10,54. Tak otrzymaną zawiesinę gnojowicy utrzymywano w czasie 35 minut w temperaturze wrzenia, po czym w temp.

ok. 70°C filtrowano na laboratoryjnym filtrze ciśnieniowym pod ciśnieniem 4 barów, z wydajnością ₂

1891/h/m² powierzchni filtracyjnej. W wyniku filtracji otrzymywano 173 g filtratu koloru słomkowego, w którym zawartość [mg/l] wyniosła odpowiednio: P - 21, Ca - 19, Mg - 18, przy obniżonym odpowiednio o 95,4% ładunkiem ChZT w stosunku do jego zawartości w wyjściowej gnojowicy, oraz 88,2 g osadu o wilgotności 58% zawierającego 51% fazy krystalicznej (w suchej masie osadu) składającej się głównie z hydroksyapatytu Ca5(PO4)3(OH), co wykazały badania rentgenograficzne. Zarówno próbki osadu pofiltracyjnego, jak i filtratu nie odznaczały się nieprzyjemnym zapachem.

P r z y k ł a d 2

Do 195 g zawiesiny gnojowicy świńskiej zawierającej 52,1 g/l ChZT; 1,2 g/l P; 1,9 g/l Ca; 2,0 g/l Mg i 41,2 g/l suchej masy dodawano przy ciągłym mieszaniu 4,3 g 75% kwasu fosforowego do uzyskania pH 5,5 i następnie 2,0 g 95% kwasu siarkowego do uzyskania pH 3,0. Po dodatku kwasów do zawiesiny dodano 39,1 g zawiesiny wodnej zawierającej 12% wodorotlenku wapnia do uzyskania pH 10,5, a następnie 7,8 g fosforanu jednowapniowego, po czym dodawano w temperaturze 59+/-1°C 2,1 g wodorotlenku wapnia do uzyskania pH 10,51. Tak otrzymaną zawiesinę gnojowicy utrzymywano w czasie 35 minut w temperaturze wrzenia, po czym w temp ok. 75°C filtrowano na laboratoryjnym

PL 220 702 B1 ₂ filtrze ciśnieniowym, pod ciśnieniem 3 barów z wydajnością 1678/h/m² powierzchni filtracyjnej. W wyniku filtracji otrzymywano 141,8 g filtratu koloru słomkowego, w którym zawartość [mg/l] wyniosła odpowiednio: P - 20, Ca - 11, Mg - 12, przy obniżonym odpowiednio o 96,6% ładunku ChZT w stosunku do jego zawartości w wyjściowej gnojowicy, oraz 70,3 g osadu o wilgotności 61% zawierającego 48% fazy krystalicznej (w suchej masie osadu) składającej się głównie z hydroksyapatytu Ca5(PO4)3(OH), co wykazały badania rentgenograficzne. Zarówno próbki osadu pofiltracyjnego, jak i filtratu nie wydzielały nieprzyjemnych zapachów.

P r z y k ł a d 3

Do 257 g zawiesiny gnojowicy świńskiej zawierającej 92,25 g/l ChZT; 1,36 g/l P; 1,8 g/l Ca; 2,2 g/l Mg i 53,0 g/l suchej masy dodawano przy ciągłym mieszaniu 7,0 g 75% kwasu fosforowego do uzyskania pH 5,5 i następnie 1,45 g 95% kwasu siarkowego do uzyskania pH 3,0. Po dodatku kwasów do zawiesiny dodano 41,8 g zawiesiny zawierającej 13% wodorotlenku wapnia i 90% zawróconego filtratu gnojowicy, do uzyskania pH 10,5, a następnie, 10,2 g fosforanu jednowapniowego, po czym dodawano w temperaturze 63+/-1°C 21,9 g zawiesiny zawierającej 13% wodorotlenku wapnia i 90% zawróconego filtratu gnojowicy do uzyskania pH 10,51. Tak otrzymaną zawiesinę gnojowicy utrzymywano w czasie 35 minut w temperaturze wrzenia, po czym w temp. ok. 65°C filtrowano na laboratoryj₂ nym filtrze ciśnieniowym, pod ciśnieniem 3 barów z wydajnością 8911/h/m² powierzchni filtracyjnej. W wyniku filtracji otrzymywano 194,7 g filtratu koloru słomkowego, w którym zawartość [mg/l] wyniosła odpowiednio: P - 41, Ca - 8, Mg - 4, przy obniżonym odpowiednio o 97,7% ładunku ChZT w stosunku do jego zawartości w wyjściowej gnojowicy, oraz 93,5 g osadu o wilgotności 70,2% zawierającego 45% fazy krystalicznej (w suchej masie osadu) składającej się głównie z hydroksyapatytu Ca5(PO4)3(OH), co wykazały badania rentgenograficzne. Zarówno próbki osadu pofiltracyjnego, jak i filtratu nie wydzielały nieprzyjemnych zapachów.

Claims

1. Sposób obróbki zawiesiny gnojowicy świńskiej poprzez rozdział na fazę stałą i ciekłą, przy zastosowaniu filtracji, znamienny tym, że zawiesinę gnojowicy świńskiej zmineralizowanej kwasami mineralnymi neutralizuje się zawiesiną wodorotlenku wapnia do pH co najmniej 10,5, po czym do zneutralizowanej zmineralizowanej zawiesiny gnojowicy dodaje się fosforan jednowapniowy, korzystnie w proporcji wagowej od 0,8/1 do 1,2/1 w stosunku do zawartej w gnojowicy wyjściowej suchej masy, a następnie dodaje się do przetworzonej zawiesiny gnojowicy zawiesinę wodorotlenku wapnia lub wodorotlenek wapnia w takiej ilości, aby otrzymać pH zawiesiny co najmniej 10,5, po czym filtruje się w znany sposób na filtrze ciśnieniowym, stosując odpowiednie ciśnienie, w podwyższonej temperaturze.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że cały proces neutralizacji gnojowicy świńskiej prowadzi się w temperaturze co najmniej 50°C.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że temperatura podczas procesu dodawania zawiesiny wodorotlenku wapnia lub wodorotlenku wapnia, w etapie po dodaniu fosforanu jednowapniowego, wynosi nie więcej niż 70°C.

4. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że zawiesinę filtruje się pod ciśnieniem 3-4 barów.

5. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że filtrację prowadzi się w temperaturze pomiędzy 60 a 85°C.

6. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że do przygotowania zawiesiny wodorotlenku wapnia stosuje się recyrkulowany filtrat.

7. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że stężenie wodorotlenku wapnia w jego zawiesinie wynosi 10-14%.