RU2627874C2 - Системы и способы извлечения питательных веществ - Google Patents

Системы и способы извлечения питательных веществ Download PDF

Info

Publication number
RU2627874C2
RU2627874C2 RU2012156029A RU2012156029A RU2627874C2 RU 2627874 C2 RU2627874 C2 RU 2627874C2 RU 2012156029 A RU2012156029 A RU 2012156029A RU 2012156029 A RU2012156029 A RU 2012156029A RU 2627874 C2 RU2627874 C2 RU 2627874C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aeration
effluent
ammonia
anaerobic
fermenter
Prior art date
Application number
RU2012156029A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012156029A (ru
Inventor
Стивен У. ДВОРАК
Шулинь ЧЭНЬ
Крейг ФРИАР
Брайан Дж. ВАНЛУ
Цюаньбао ЧЖАО
Original Assignee
Дво, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to US35415610P priority Critical
Priority to US61/354,156 priority
Application filed by Дво, Инк. filed Critical Дво, Инк.
Priority to PCT/US2011/040061 priority patent/WO2011156767A2/en
Publication of RU2012156029A publication Critical patent/RU2012156029A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2627874C2 publication Critical patent/RU2627874C2/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01CAMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
    • C01C1/00Ammonia; Compounds thereof
    • C01C1/22Sulfites of ammonium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30Aerobic and anaerobic processes
    • C02F3/301Aerobic and anaerobic treatment in the same reactor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46Removing components of defined structure
    • B01D53/48Sulfur compounds
    • B01D53/52Hydrogen sulfide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053Details of the reactor
    • B01J19/0066Stirrers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/20Treatment of water, waste water, or sewage by degassing, i.e. liberation of dissolved gases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02Aerobic processes
    • C02F3/12Activated sludge processes
    • C02F3/14Activated sludge processes using surface aeration
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C05FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05FORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/40Treatment of liquids or slurries
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C05FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05FORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/50Treatments combining two or more different biological or biochemical treatments, e.g. anaerobic and aerobic treatment or vermicomposting and aerobic treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C05FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05FORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F5/00Fertilisers from distillery wastes, molasses, vinasses, sugar plant or similar wastes or residues, e.g. from waste originating from industrial processing of raw material of agricultural origin or derived products thereof
    • C05F5/006Waste from chemical processing of material, e.g. diestillation, roasting, cooking
    • C05F5/008Waste from biochemical processing of material, e.g. fermentation, breweries
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2258/00Sources of waste gases
    • B01D2258/05Biogas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00Nature of the contaminant
    • C02F2101/10Inorganic compounds
    • C02F2101/16Nitrogen compounds, e.g. ammonia
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/20Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from animal husbandry
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/10Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
    • Y02A40/20Fertilizers of biological origin, e.g. guano or fertilizers made from animal corpses
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141Feedstock
    • Y02P20/145Feedstock the feedstock being materials of biological origin
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/582Recycling of unreacted starting or intermediate materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/40Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse

Abstract

Группа изобретений может быть использована в сельском хозяйстве для переработки отходов животноводства. Способ извлечения питательных веществ из отходов животноводческих комплексов включает нагревание и аэрирование стоков анаэробного ферментера в аэрационном реакторе в течение 4-24 часов для перевода растворимого аммония в газообразный аммиак, подачу газообразного аммиака из аэрационного реактора в дегазационную колонну, в которой регулируемое количество кислоты реагирует с аммиаком, извлечение получаемой аммониевой соли. Во втором варианте стоки, содержащие волокнистый осадок и взвешенные твердые частицы, предварительно нагревают до 160°F (71,11°C), отделяют волокнистый осадок и используют две дегазационные колонны. Система для извлечения питательных веществ из отходов животноводческих комплексов включает аэрационный реактор для нагревания и аэрирования стоков анаэробного ферментера и две дегазационные колонны для смешения регулируемого количества кислоты с газообразным аммиаком из аэрационного реактора, а также резервуар для сбора аммониевой соли. Изобретения обеспечивают экономичность переработки животноводческих стоков и извлечение из них питательных веществ. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 18 ил., 8 табл., 14 пр.

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка заявляет приоритет предварительной патентной заявки США с серийным №61/354156, поданной 11 июня 2010 года, которая включена в настоящую заявку посредством ссылки в полном объеме.
ССЫЛКА НА ПРАВИТЕЛЬСТВЕННЫЙ ГРАНТ
Настоящее изобретение было осуществлено при поддержке правительства Соединенных Штатов по заказу Министерства сельского хозяйства США («USDA»), номер проекта 2008-5511218840; присвоенный № фазы-1 SBIR USDA 2009-33610-19713, а также № проектного договора USDA 69-3A75-10-152. Соединенные Штаты имеют определенные права на настоящее изобретение.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Способы, системы и устройства, раскрытые в данном документе, относятся к системам переработки отходов для обработки навоза и извлечения питательных веществ. Способы, системы и устройства, раскрытые в данном документе, относятся к инструментам для работы с углеродными материалами и питательными веществами.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Животноводческие комплексы для содержания скота производят большие количества отходов животного происхождения, что может создать серьезные экологические проблемы и опасности для здоровья человека. Например, компоненты отходов животноводства, такие как органический материал, азот, фосфор, патогены и металлы, могут ухудшить качество воды, качество воздуха и оказать негативное влияние на здоровье человека. Органический материал, например, содержит большое количество биологически разлагаемых органических веществ и, при сбрасывании в поверхностные воды будет конкурировать за ограниченное количество доступного растворенного кислорода и уменьшать его количество, приводя к гибели рыб и другим нежелательным последствиям. Точно так же, нагрузка по питательным веществам из азота и фосфора может приводить к эвтрофикации поверхностных вод.
[0003] Ежегодное накопление органических отходов в мире огромно. В Соединенных Штатах существует приблизительно 450000 производств по откармливанию животных («AFO»). Наиболее распространенные типы AFO включают молочные фермы, загоны для откорма скота и птицеводческие фермы. Одна молочная корова производит около 120 фунтов влажного навоза в сутки. Отходы, образуемые в день одной молочной коровой, равны отходам 20-40 человек. При правильном хранении и применении навоз от производств откармливания животных может быть ценным ресурсом.
[0004] Технология анаэробного ферментера является технологией использования навоза, способной к снижению экологических проблем посредством стабилизации отходов, снижения запаха, регулирования патогенов и захвата парниковых газов и смягчения отрицательных последствий парниковых газов, при этом давая возобновляемый источник тепловой и электрической энергии (US-EPA, 2005). Внедрение анаэробных ферментеров на молочных фермах США растет, но все еще медленно, с показателями, недостаточными для удовлетворения соглашения между США и молочной промышленностью США с целью уменьшения воздействий молочной промышленности на климат на 25% к 2020 (USDA, 2010). Важная проблема во внедрении технологии анаэробного ферментера заключается в том, что установки анаэробного ферментера не извлекают питательные вещества. Это важно, поскольку коммерческие производства по откармливанию животных (CAFO) имеют дело с перегрузками азотом и фосфором на 36% и 55%, соответственно (USDA-APHIS, 2004).
[0005] Воздействия потенциальных перегрузок фермы выражаются в многочисленных угрозах качеству воздуха и воды. Высокие концентрации аммиака могут привести к специфическим запахам, а также могут взаимодействовать с другими составляющими воздуха с появлением твердых частиц (РМ2,5) (US-EPA, 2004), что отрицательно сказывается на здоровье человека. Сельскохозяйственная промышленность США зависит от азотных удобрений, которые, в свою очередь, зависят от природного газа как основного источника водорода для получения аммиака в азотфиксирующем процессе Габера. Очевидно, технологии или механизмы, способные к накапливанию и увеличению концентрации существующих недостаточно используемых форм азота, как, например, присутствующих в отходах в виде навоза, могли бы сыграть важную роль в уменьшении проблем, существующих в связи с производством неорганических удобрений.
[0006] В рамках качества воды, вымывание почв и чрезмерные захоронения отходов могут переносить азот и фосфорные соединения в грунтовые и поверхностные воды. Ионный аммиак и его неорганические производные, нитрит и нитрат, являются вредными как для человека, так и водных животных, при этом аммиак токсичен для рыб, нитрит является известным канцерогеном, а нитрат способен вызывать метгемоглобинемию и самопроизвольный аборт (WS-DOH, 2005).
[0007] Фосфор долго считали одной из основных причин эвтрофикации водоема. Проблемы, связанные с пиковыми уровнями фосфора, потенциально перевешивают проблемы, связанные с энергетическими затратами, связанными с азотным удобрением. Многочисленные отчеты показали, что запасы фосфоритной руды могут быть истощены в течение следующих 50-100 лет. Кроме того, источники будут привязаны только к нескольким конкретным странам с сокращающимся качеством продукта и возрастающей стоимостью добычи (Smil, 2000). В случае животного навоза, обычно имеющего соотношения фосфор:азот, в два-три раза превышающие нормальные соотношения, необходимые для удобрения сельскохозяйственной культуры, легко понять, почему CAFO борются с насыщением полей фосфором. Однако, концентрированные источники фосфора и азота, подобные доступным на CAFO, могли бы являться рентабельным источником утилизированного фосфора, если бы можно было коммерциализировать экономически эффективные технологии, которые потенциально могли бы воспрепятствовать проблемам, касающимся доступности и потребности.
[0008] Эти экологические угрозы могут быть, отчасти, уменьшены путем внедрения технологии извлечения питательных веществ, способной концентрировать и выводить питательные вещества с фермы. Извлечение питательных веществ также делает возможным более широкое внедрение биоудобрений, замещая хотя бы частично, потребность в удобрениях на основе ископаемых энергоносителей и решая все климатические/экологические проблемы, связанные с их производством.
[0009] Существует несколько традиционных технологий очистки сточных вод для контроля и извлечения питательных веществ из связанных с жизнедеятельностью человека и промышленных сточных вод, однако эти технологии не расцениваются как эффективные и надежные при применении к навозу в условиях фермы. Таким образом, все еще существует потребность в способах и устройствах для извлечения питательных веществ из отходов анаэробного ферментера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Способы, системы и устройства в данном документе обеспечивают уникальный и инновационный способ, обеспечивающий высокие уровни извлечения питательных веществ с простотой в эксплуатации и уменьшенными эксплуатационными и капитальными издержками.
[0011] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, обеспечивают непрерывную технологию поршневого потока для извлечения питательных веществ из стоков анаэробного ферментера. Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут быть использованы для увеличения количества биогаза, уловленного из анаэробного ферментера.
[0012] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут быть использованы для извлечения одного или нескольких питательных веществ из стоков анаэробного ферментера, применяя диапазон температур, скорости аэрации, продолжительность аэрации, диапазоны рН, продолжительность отстаивания, количество жженой извести или едкой щелочи, если таковая имеется, а также размер и форму пузырьков в стоках.
[0013] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, обладают большой гибкостью и могут быть изменены для достижения желаемого результата. Способы, системы и устройства могут быть изменены для извлечения одного конкретного питательного вещества или нескольких питательных веществ.
[0014] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут быть использованы для производства волокнистых продуктов, биоудобрений и торфа, а также жидких стоков, которые относятся к стокам класса А в отношении регулирования патогенов, тем самым значительно снижая проблемы зоонозной передачи от навоза посевам.
[0015] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут предназначаться для извлечения общего фосфора, применяя аэрацию или аэрацию и температуру, не концентрируясь на регулировании патогенов или извлечении солей аммония.
[0016] В еще одном варианте осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут быть предназначены для извлечения общего фосфора, аммиака и регулирования патогенов.
[0017] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, предусматривают получение твердого остатка биологического происхождения класса А и стоков класса А.
[0018] В одном из вариантов осуществления раскрытый способ извлечения питательных веществ включает: подогрев и аэрацию стоков анаэробного ферментера в аэрационный реактор для преобразования растворимого аммония в газообразный аммиак; доставку газообразного аммиака из аэрационного реактора к дегазационной колонне, снабжение указанной дегазационной колонны регулируемыми количествами кислоты, реагирующей с газообразным аммиаком; а также извлечения солей аммония, полученных в результате реакции кислоты с газообразным аммиаком, в дегазационной колонне. В еще одном варианте осуществления аэрирование стоков анаэробного ферментера осуществляется с помощью микроаэраторов, которые аэрируют стоки со скоростью от 5 галлонов/куб фт/мин до 25 галлонов/куб фт/мин. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает перекачивание стоков анаэробного ферментера из аэрационного реактора в отстойную систему твердого остатка до, после или одновременно доставляя газообразный NH3 в дегазационную колонну. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя сбор богатого фосфором твердого остатка из отстойной системы твердого остатка.
[0019] В еще одном варианте осуществления раскрытый способ извлечения питательных веществ включает: нагрев стоков анаэробного ферментера, содержащих волокнистый твердый остаток и взвешенный твердый остаток, до 160°F; отделение волокнистого твердого остатка от взвешенного твердого остатка в стоках; нагрев и аэрирование стоков в аэрационном реакторе с целью преобразования растворимого аммония в газообразный аммиак; доставка газообразного аммиака из аэрационного реактора к дегазационной колонне, снабжение указанной дегазационной колонны регулируемыми количествами кислоты; и извлечение солей аммония, полученных в результате реакции кислоты с NH3 в дегазационной колонне. В еще одном варианте осуществления дегазационная колонна является двухкамерной системой.
[0020] В одном из вариантов осуществления способы данного изобретения включают аэрирование стоков анаэробного ферментера с целью удаления растворенных газов, включая, но без ограничений, диоксид углерода (СО2) и метан (CH4). Благодаря аэрации, растворенные газы, такие как СО2 и метан, становятся пересыщенными при контакте с воздухом и могут быть высвобождены. СО2 и метан становятся пересыщенными из-за низкого парциального давления СО2 и метана в воздухе. Часть бикарбоната (НСО3-) также может быть передана СО2 и затем высвобождена в воздух с помощью аэрации. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя нагрев стоков до требуемой температуры и аэрирование с целью высвобождения растворенных газов, а также увеличение рН сточных вод.
[0021] В одном из вариантов осуществления системы и устройства данного изобретения обеспечивают аэрирование стоков анаэробного ферментера с целью удаления растворенных газов, включая, но без ограничений, диоксид углерода (CO2) и метан (CH4). Благодаря аэрации растворенные газы, такие как CO2 и метан, становятся пересыщенными при контакте с воздухом и могут быть высвобождены. В еще одном варианте осуществления системы и устройства данного изобретения предусматривают нагрев стоков анаэробного ферментера до требуемой температуры. В одном из вариантов осуществления выхлопные газы двигателя или другое сбрасываемое тепло из анаэробного ферментера могут быть использованы для повышения температуры стоков.
[0022] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, включают изменение ионного заряда вокруг взвешенных фосфорсодержащих коллоидных частиц и снижение энергетического барьера для коагуляции/отстаивания.
[0023] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, включают снижение значения рН жидких стоков, которые остается после извлечения питательных веществ, до значения рН, подходящего для применения на ферме или в поле. В одном из вариантов осуществления очистка газа может быть использована для снижения рН жидких стоков. В еще одном варианте осуществления биогаз, содержащий сероводород (H2S), используют с мокрой очисткой газа с целью снижения значение рН стоков и уменьшения количества H2S в рециркулирующем биогазе, подведенном в ферментер. Без связи с какой-либо теорией, H2S в биогазе реагирует со стоками, тем самым, снижая рН сточных вод и уменьшая количество Н2S в биогазе.
[0024] В одном из вариантов осуществления предлагаемый способ извлечения питательных веществ включает: нагрев и аэрирование стоков анаэробного ферментера в аэрационном реакторе; направление газообразного NH3 в дегазационную колонну, где регулируемые количества кислоты контактируют с NH3, а также высвобождение солей аммония. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя перекачивание стоков анаэробного ферментера из аэрационного реактора к устройству для отстаивания. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя использование устройства для обезвоживания с целью сбора богатого фосфором твердого остатка. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя барботирование биогаза через стоки из устройства для отстаивания.
[0025] В еще одном варианте осуществления предлагаемый способ для извлечения питательных веществ включает: нагрев и аэрирование стоков анаэробного ферментера, который высвобождает растворенные газы из стоков и увеличивает рН стоков. После аэрации растворенные газы становятся пересыщенными. В одном из вариантов осуществления нагрев стоков анаэробного ферментера включает использование теплообменника с выхлопом из двигателя биогазовой генераторной установки в качестве нагретого потока воздуха.
[0026] В еще одном варианте осуществления предлагаемый способ для извлечения питательных веществ включает: обработку отходов волокнистого материала в анаэробных реакторах; отделение обработанного волокнистого материала из стоков; аэрирование стоков анаэробного ферментера; нагрев стоков анаэробного ферментера до температуры от 140°F до 170°F; перекачивание стоков анаэробного ферментера в сепаратор жидкой/твердой фаз; отстаивание отделенных жидких стоков; повышение рН отделенных жидких стоков до значения в пределах от 9,0 до 11,5; отстаивание жидких стоков повторно; а также извлечение одной или нескольких богатых питательными веществами твердых фаз. В одном из вариантов осуществления значение рН увеличивается посредством аэрирования и нагрева стоков.
[0027] В одном из вариантов осуществления предлагаемый способ для извлечения питательных веществ включает: расщепление волокнистых отходов в анаэробном реакторе; отделение обработанного волокнистого материала от стоков; нагрев стоков в сборнике стоков; аэрирование и нагрев стоков анаэробного ферментера до температуры примерно от 140°F до 170°F; увеличение рН жидких стоков до величины в пределах от 9,0 до 11,5; отстаивание жидких стоков и извлечение одной или нескольких богатых питательными веществами твердых фаз.
[0028] В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает захват соли аммония с помощью протекающего через дегазационную колонну NH3, что высвобождает регулируемые количества кислоты. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает прохождение жидких стоков после извлечения питательных веществ в теплообменнике. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает нагрев отходов в анаэробном ферментере теплом из теплообменника. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя прохождение жидких стоков от теплообменника к системе очистки газа с биогазом, содержащим H2S. В одном из вариантов осуществления концентрация H2S в биогазе снижается до значения в пределах от 25 до 115 частей на миллион или от 50 до 100 частей на миллион или от 60 до 90 частей на миллион.
[0029] В еще одном варианте осуществления предлагаемая система извлечения питательных веществ включает: аэрационный реактор для аэрирования и отопления стоков анаэробного ферментера; и поглотительную башню для смешивания кислоты с NH3 из аэрационного реактора. В еще одном варианте осуществления аэрационный реактор состоит из микроаэраторов на дне или вблизи дна реактора для закачки газа. В еще одном варианте осуществления система извлечения питательных веществ, кроме того, включает анаэробный ферментер для переработки отходов волокнистого материала. В еще одном варианте осуществления система извлечения питательных веществ включает сборник стоков для нагрева стоков анаэробного ферментера. В еще одном варианте осуществления система извлечения питательных веществ дополнительно содержит отстойную систему твердого остатка для сбора стоков из аэрационного реактора. В еще одном варианте осуществления система извлечения питательных веществ дополнительно содержит сепаратор для отделения волокнистого твердого остатка из стоков перед нагревом стоков в сборнике стоков.
[0030] В еще одном варианте осуществления раскрытая система извлечения питательных веществ включает: аэрационный реактор для нагревания и аэрирования стоков анаэробного ферментера, где нагрев и аэрирование сточных вод преобразуют растворимый аммоний в газообразный аммиак; дегазационную колонну для смешивания регулируемых количеств кислоты с газообразным аммиаком из аэрационного реактора; а также сосуд для сбора соли аммония, полученной в результате реакции кислоты с газообразным аммиаком, в дегазационной колонне. В еще одном варианте осуществления дегазационная колонна является двухкамерной системой.
[0031] В еще одном варианте осуществления предлагаемая система извлечения питательных веществ включает: анаэробный реактор; сборник стоков для нагрева и аэрирования стоков анаэробного ферментера; сепаратор жидкой/твердой фаз; а также герметичный сосуд. В одном из вариантов осуществления система предусматривает непрерывную технологию пробкового потока. В еще одном варианте осуществления система дополнительно содержит одну или несколько дегазационных колонн, а также один или несколько теплообменников.
[0032] В одном из вариантов осуществления герметичный сосуд состоит из трех камер со свободным пространством для сбора газа. В еще одном варианте осуществления герметичный сосуд состоит из двух камер со свободным пространством для сбора газа.
[0033] В одном из вариантов осуществления предлагается устройство для извлечения питательных веществ. В одном из вариантов осуществления устройство содержит трехкамерный сосуд со свободным пространством над уровнем жидкости и ниже верхнего уровня сосуда. В варианте осуществления трехкамерный сосуд будет воздухонепроницаемым и работающим под вакуумом.
[0034] В одном из вариантов осуществления устройство включает двухкамерный сосуд со свободным пространством над уровнем жидкости и ниже максимального уровня сосуда. В варианте осуществления двухкамерный сосуд будет воздухонепроницаемым и работающим под вакуумом.
[0035] Преимуществом способов, систем и устройств, описанных в данном документе, является извлечение питательных веществ из стоков анаэробного ферментера.
[0036] Преимуществом способов, систем и устройств, описанных в данном документе, является извлечение питательных веществ, при этом сведение до минимума добавок химикатов и использования энергетических ресурсов.
[0037] Преимуществом способов, систем и устройств, описанных в данном документе, является извлечение значительных уровней азота и фосфора из стоков анаэробного ферментера.
[0038] Преимущество способов, систем и устройств, описанных в данном документе, состоит в том, что отделенный твердый остаток и богатый фосфором твердый остаток будут органическими.
[0039] Преимуществом способов, систем и устройств, описанных в данном документе, является система, которая может быть адаптирована и оптимизирована с целью извлечения определенного питательного вещества или определенных питательных веществ.
[0040] Преимуществом способов, систем и устройств, описанных в данном документе, является оптимизация рабочих параметров для обработки различных типов навоза с минимальной энергией и исходными ресурсами.
[0041] Преимуществом способов, систем и устройств, описанных в данном документе, является то, что нет необходимости в удалении твердого остатка отходов животноводства до анаэробной переработки или до операций системы извлечения питательных веществ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0042] Фиг.1 представляет собой схему одного из вариантов осуществления способа извлечения питательных веществ.
[0043] Фиг.2 представляет собой схему одного из вариантов осуществления системы извлечения питательных веществ, демонстрируя трехкамерный воздухонепроницаемый сосуд.
[0044] Фиг.3А представляет собой схему одного из вариантов осуществления системы извлечения питательных веществ, демонстрируя двухкамерный воздухонепроницаемый сосуд.
[0045] Фиг.3В представляет собой схему одного из вариантов системы извлечения питательных веществ, демонстрируя дегазационную колонну с двухкамерной системой.
[0046] Фиг.3С представляет собой типичную схему аэрационного реактора. Схема отображает вид с восточной стороны.
[0047] Фиг.3D представляет собой типичную схему аэрационного реактора. Схема отображает вид с северной стороны.
[0048] Фиг.4 представляет собой схему одного из вариантов осуществления системы извлечения питательных веществ, являющуюся одной из типичных проектных схем.
[0049] Фиг.5А представляет собой фотографию, изображающую пузырьки газа в сточных водах.
[0050] Фиг.5В представляет собой фотографию стоков после аэрации.
[0051] Фиг.6 представляет собой график, демонстрирующий связь между временем аэрации и рН сточных вод.
[0052] Фиг.7 представляет собой линейный график, иллюстрирующий способность аэрации и последующего отстаивания к более эффективному отстаиванию твердого остатка и, следовательно, фосфора по сравнению с отстаиванием без аэрации.
[0053] Фиг.8 представляет собой фотографию осевшего фосфоросодержащего твердого остатка, удаленного из отстойной системы для удаления твердого остатка.
[0054] Фиг.9А представляет собой линейный график, описывающий влияние аэрации и температуры на рН.
[0055] Фиг.9В представляет собой линейный график, описывающий влияние аэрации и температуры на удаление NH3.
[0056] Фиг.9С представляет собой линейный график, описывающий влияние аэрации и температуры на полное удаление фосфатов.
[0057] Фиг.10А представляет собой линейный график, описывающий оптимальный диапазон рН для свободного высвобождения аммиака из стоков анаэробного ферментера.
[0058] Фиг.10В представляет собой линейный график, отображающий кривую дозирования щелочи для достижения рН, оптимального для высвобождения аммиака из стоков анаэробного ферментера.
[0059] Фиг.11 является схематическим изображением, демонстрирующим выгодный, экономически оправданный подход к извлечению питательных веществ из анаэробно переработанных стоков.
[0060] Фиг.12А представляет собой график, иллюстрирующий ответ понижением рН на контакт биогаза с жидкостью.
[0061] Фиг.12В представляет собой график, иллюстрирующий селективное удаление H2S с помощью варьирования времени контакта.
[0062] Фиг.13А представляет собой график, иллюстрирующий возможности удаления аммиака при определенных условиях аэрации и при определенной температуре.
[0063] Фиг.13В представляет собой график, иллюстрирующий возможности извлечения сульфата аммония при определенных условиях аэрации и при определенной температуре.
[0064] Фиг.14 является схемой, иллюстрирующей массовый поток от анаэробный ферментера молочной фермы и систему извлечения питательных веществ (на основе ското-дня).
[0065] Фиг.15 является схематическим изображением анаэробного ферментера и системы извлечения питательных веществ в ферментере для переработки птичьего помета.
[0066] Фиг.16 представляет собой гистограмму, демонстрирующую получение метана как фактора концентрации сульфата аммония и использование сточных вод анаэробного ферментера в качестве оборотной воды (т.е. 20:20:60 AE:W предполагает 20% затравки и 20% стоков анаэробного ферментера, смешанных с 60% пресной воды в качестве источника оборотной воды в ходе расщепления).
[0067] Фиг.17 является схематическим изображением коммерческого анаэробного ферментера для обслуживания клеток с несушками.
[0068] Фиг.18 является схематическим изображением слоя массового потока анаэробного ферментера и системы извлечения питательных веществ (1000 на основе несушко-дня).
[0069] Приступая к подробному объяснению одного из вариантов осуществления, следует понимать, что способы, системы и устройства, описанные в данном документе, не ограничены в применении деталями конструкции и расположением компонентов, изложенными в следующем описании или изображенными в чертежах.
Возможны еще варианты способов и устройств, которые практикуются или осуществляются по-разному. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, приведены в целях описания и не должны рассматриваться как ограничивающие. Использование определений «включающий» и «содержащий» и их вариаций в данном документе подразумевает охват пунктов, перечисленных в дальнейшем и их эквивалентов, а также дополнительных пунктов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0070] Определения
[0071] Области числовых значений в данном описании являются приблизительными, и, следовательно, могут включать в себя значения за пределами диапазона, если не указано иное. Области числовых значений включают все значения от нижних и верхних значений и включая их с шагом в одну единицу, при условии, что имеет место интервал, как минимум, в две единицы между любым значением ниже и любым значением выше. В качестве примера, если композиционное, физическое или иное свойство, такое, как, например, молекулярная масса, вязкость, индекс расплава, и т.д., составляет от 100 до 1000, предполагается, что все индивидуальные значения, такие как 100, 101, 102, и т.д., и нижние диапазоны, такие как 100 до 144, от 155 до 170, 197 до 200, и т.д., являются прямо пронумерованными. Для диапазонов, содержащих значения меньше единицы или содержащих дробные числа больше единицы (например, 1,1, 1,5 и т.д.), за одну единицу принимается 0,0001, 0,001,0,01 или 0,1, соответственно. Для диапазонов, содержащих однозначные числа меньше десяти (например, от 1 до 5), за одну единицу, как правило, принимается 0,1. Это лишь примеры того, что специально задано, и все возможные комбинации числовых значений между самым низким значением и самым высоким значением из перечисленных, подлежат уточнению с целью точного указания в данном описании. Области числовых значений, представленные в этом описании для, в том числе, относительных количеств компонентов в смеси, а также разных температур и других диапазонов параметров, изложенных в способах.
[0072] Согласно применению в данном документе, формы единственного числа относятся к одному или нескольким, если контекст явно не диктует иное.
[0073] Согласно применению в данном документе, термин «аэрационный реактор» относится к камере, сосуду, устройству или емкости, благодаря которым возможно введение газа, воздуха, жидкости или их комбинации в стоки. Очищенные стоки могут содержать твердые компоненты.
[0074] Термин «твердый(ые) остаток биологического происхождения класса А», «сток класса А» и «жидкость класса А», применяемый в данном документе, относится к материалу, который отвечает требованиям 40 C.F.R § 503,32. В целом, твердый остаток биологического происхождения отвечает требованиям ЕРА к патогену класса А в случае, если значения плотности фекальных колиформных бактерий меньше 1000 наиболее вероятного числа на грамм общего количества твердого остатка (плотность сухого веса) или если значения плотности сальмонеллы менее 3 наиболее вероятных чисел на четыре грамма общего количества твердых веществ, в тот период времени, когда осадок шлама используют или сбрасывают, в тот период времени, когда осадок шлама готовят к продаже или отдают безвозмездно в баллоне или в другом контейнере для внесения в землю или в тот период времени, когда осадок шлама или материал, полученный из осадка шлама, подготавливают в соответствии с требованиями различных заменителей в соответствии с § 503,32. Плотность кишечных вирусов должна быть менее одной бляшкообразующей единицы (БОЕ) на четыре грамма общего количества твердого остатка (по сухому весу) и яйца гельминтов должны составлять менее одного жизнеспособного яйца гельминта на четыре грамма общего количества твердого остатка. Кроме того, ЕРА предусматривает временные и температурные требования в 40 CFR § 503,32 (а) 40 C.F.R. § 503,32 включена в данный документ посредством ссылки в качестве стандарта для класса А твердых веществ биологического происхождения.
[0075] Согласно применению в данном документе, термин «включает» означает «содержит». Например, устройство, которое включает или содержит А и В содержит А и В, но в некоторых случаях может содержать С или другие компоненты, помимо А и В. Устройство, которое включает или содержит А или В может содержать А или В либо А и В, а также, возможно, один или несколько других компонентов, например С.
[0076] Согласно применению в данном документе, «перенасыщение газа» происходит, когда парциальное давление одного или нескольких газов становится больше атмосферного давления.
[0077] Согласно применению в данном документе, термин «навоз» относится к отходам животноводства, включая экскременты животных, остатки пищи и волосы.
[0078] Согласно применению в данном документе, термин «жженая известь» является оксидом кальция (СаО). Жженая известь представляет собой белую, едкую щелочь и щелочное кристаллическое вещество при комнатной температуре. В случае коммерческого продукта, известь часто также содержит оксид магния, оксид кремния и малые количества оксида алюминия и оксида железа.
[0079] Согласно применению в данном документе, термин «струвита» (фосфат аммония, магния) является фосфорным минералом с формулой: ((NH4)MgPO4⋅6Н2О). Струвит кристаллизуется в ромбическую кристаллическую систему в виде от белых до желтоватых или буровато-белых пирамидальных кристаллов или в пластинчатую слюдоподобную форму. Это мягкий минерал, со значениями по Моосу (по шкале твердости минералов Мооса) от 1,5 до 2, и имеет низкий удельный вес 1,7. Он является плохо растворимым в нейтральных и щелочных условиях, но легко растворяется в кислоте.
[0080] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут быть использованы для извлечения питательных веществ стоков анаэробного ферментера. В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, направлены на извлечение фосфора, извлечение азота или извлечение фосфора и азота.
[0081] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, предусматривают освобождение от растворенных газов стоков анаэробного ферментера. В еще одном варианте осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, предусматривают освобождение от растворенных газов стоков анаэробного ферментера при сохранении уровня существующего твердого остатка, такого как кальций или магний, связанные с фосфатами. Благодаря аэрации растворенные газы, такие как С02 и метан, становятся пересыщенными при контакте с воздухом и могут быть высвобождены.
[0082] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, предусматривают стерилизованные стоки анаэробного ферментера. Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, предусматривают стоки анаэробного ферментера и твердый остаток биологического происхождения, которые удовлетворяют требованиям классификации как класс А жидкой фазы или класс А твердой фазы.
[0083] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства данного изобретения обеспечивают интеграцию, где побочные продукты одной операционной единицы используют для обработки в ходе последующей операционной единицы. Основным химическим и энергетическим сырьем для системы является тепловой сброс, паразитная электрическая нагрузка, воздух, серная кислота, неочищенный биогаз из анаэробного реактора. Взамен вырабатывают многочисленные товарные питательные продукты - волокнистый твердый остаток, суспензия сульфата аммония (с массовой долей от 30% до 55%) и богатый фосфором органический твердый остаток. Каждый продукт может быть продан и использован по отдельности или два или более продукта могут быть соединены для использования или продажи.
[0084] В одном из вариантов осуществления система предназначена для работы совместно с анаэробный ферментером для обработки и извлечения товарных концентрированных биоудобрений из анаэробно переработанных стоков. Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут работать при любом типе хозяйства, включая кредитоспособную молочную ферму и нерентабельную молочную ферму.
[0085] В одном из вариантов осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, включают технологию аэрации для аэрации стоков из сброженных отходов волокнистого материала с целью удаления растворенных газов, таких как СО2 и увеличение рН сточных вод. рН сточных вод может быть увеличен до значения в диапазоне от 8,6 до 10,5. Увеличение рН поможет в отстаивании твердого остатка. В еще одном варианте осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, содержат добавку агента с высоким значением рН, включая, но без ограничений, едкую щелочь или жженую известь с целью увеличения рН до значения в диапазоне от 8,6 до 12,0.
[0086] В одном из вариантов осуществления системы, описанных в данном документе, обладают многоуровневой возможностью обработки. Система может быть адаптирована для извлечения определенного питательного вещества или определенных питательных веществ. Например, для некоторых ферм контроль уровня фосфора представляет основной интерес, и система может быть адаптирована для удовлетворения бюджетных и экологических ограничений. Например, аэрация при пониженных скоростях потока и температурах, но в течение более длительного времени сделает возможным полное удаление фосфора, но без удаления твердого остатка биологического происхождения класса А или без извлечения аммиака. С другой стороны, аэрация за меньшее время с высокой температурой достигнет рН, что делает возможным полное удаление фосфора и твердого остатка биологического происхождения класса А, но без значительного высвобождения аммиака. Кроме того, волокно может дополнительно быть извлечено в зависимости от потребностей конечных пользователей.
[0087] В варианте осуществления способы, системы и устройства, описанные в данном документе, обеспечивают гибкость для извлечения питательных веществ или избранного питательного вещества. Можно было бы добиться полного удаления фосфора посредством более продолжительной аэрации и низкой температуры. Альтернативно можно достичь полного удаления фосфора с волокном класса А с более короткой аэрацией с высокой температурой. С другой стороны, можно было бы добиться полного удаления фосфора, удаления аммиака и класса А с применением относительно более продолжительной аэрации, высокими температурами, повышенной аэрацией и увеличенной скоростью потока. Многочисленные возможности существуют благодаря изменению и регулированию различных параметров системы.
[0088] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, обходятся без ввода и использования дорогостоящих химических добавок. Способы и устройства могут быть использованы для извлечения одного или нескольких элементов, включая, но без ограничений, извлечение общего фосфора, прежде всего, в виде предварительно взвешенного твердого остатка, солей аммония, которые ранее были в форме ионов аммония в навозе, общего азота через извлечение вышеупомянутого аммиака, а также органических форм азота в уловленном твердом остатке, а также волокнистом твердом остатке. Кальций и магний также снижают накапливанием фосфоросодержащий твердый остаток.
[0089] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут быть использованы для снижения содержания общего фосфора в жидких сточных водах, включая, но без ограничений, снижение на 10-20%, 20-30%, 30-40%, 40-50%, 50-60%, 60-70%, 70-80%, 80-90%, 90-95% и 95-99%.
[0090] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут снизить содержание общего азота в жидких сточных водах с 15% до 85% или от 20% до 70% или от 30% до 50%.
[0091] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут снизить содержание бикарбонатов в жидких стоках от 5% до 15% или от 15% до 85% или от 20% до 70% или от 30% до 50%.
[0092] Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, могут извлечь питательные вещества из стоков, включая, но без ограничений, извлечение 5-10%, 10-20%, 20-30%, 30-40%, 40-50%, 50-60%, 60-70%, 70-80%, 80-90%, 90-95% и 95-99% от общего объема питательных веществ. В одном из вариантов осуществления извлеченные питательные вещества включают, но без ограничений, фосфор, общий азот и аммонийный азот.
[0093] Способы извлечения питательных веществ
[0094] В одном из вариантов осуществления раскрываются способы извлечения питательных веществ из анаэробно переработанных стоков. Применение способа можно не ограничивать сельскохозяйственной областью или обработкой животных отходов. Например, способы также могут быть адаптированы и использованы зоопарками, питомниками для животных или иными организациями, которые заботятся о разных животных или муниципалитетами для переработки отходов жизнедеятельности человека и т.д.
[0095] В одном из вариантов осуществления способы включают аэрирование жидких стоков для достижения желаемого значения рН. В еще одном варианте осуществления способы включают нагрев анаэробно переработанных стоков до требуемой температуры и аэрирование стоков для достижения требуемого значения рН. В одном из вариантов осуществления требуемое значение рН является значением, которое позволяет пересыщенным газам быть освобожденными.
[0096] В еще одном варианте осуществления способы включают нагрев анаэробно переработанных стоков до требуемой температуры, аэрирование стоков для достижения требуемого значения рН; а также предоставление возможности твердому остатку аэрированных стоков отстояться. В одном из вариантов осуществления во время аэрации добавляют агент с высоким значением рН, в конце аэрации, после аэрации или до оседания жидких стоков. В одном из вариантов осуществления агент включает, но без ограничений, едкую щелочь или жженую известь, щелочь или известь.
[0097] В еще одном из вариантов способ дополнительно включает смешивание агента с высоким значением рН со стоками после отстаивания. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает перемещение извести/сбросов смеси во второй отстойник. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает в себя сбор богатого питательными веществами твердого остатка.
[0098] В еще одном варианте осуществления способы для извлечения питательных веществ из анаэробно переработанных стоков содержат анаэробное расщепление волокнистых отходов, отделяя активный ил из жидких стоков; нагрев стоков анаэробного ферментера до требуемой температуры, аэрирование жидких стоков до требуемого значения рН; пропускание потока через сепаратор; транспортировка жидких стоков в отстойную систему для удаления твердого остатка, а также извлечение богатого питательными веществами твердого остатка. В еще одном варианте осуществления способ включает примешивание извести к стокам после отстаивания. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя отстаивание смеси извести со стоками до извлечения богатого питательными веществами твердого остатка.
[0099] В еще одном варианте осуществления раскрытый способ извлечения питательных веществ содержит аэрирование стоков до значения рН от 7,5 до 10,5 и с 8,2 до 9,5 или от 8,6 до 9,0. Способ дополнительно включает прохождение аэрированных стоков через твердый/жидкий сепаратор; отстаивание аэрированных стоков в течении от 30 мин до 72 часов; добавление агента с высоким значением рН до достижения значения рН в пределах от 8,6 до 12,0, отстаивание стоков/агента смеси в течении от 30 мин до 72 часов. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя сбор богатого питательными веществами твердого остатка. В одном из вариантов осуществления твердый остаток богат фосфором.
[00100] В еще одном варианте осуществления раскрытый способ извлечения питательных веществ содержит нагрев стоков анаэробного ферментера до требуемой температуры, аэрирование стоков до требуемого значения рН, перекрытие потока стоков через разделительную систему, перемещение стоков в отстойник за определенный период времени, смешивание со стоками агента с высоким значением рН, отстаивание смеси агента/сбросов в течение определенного периода времени, а также отделение твердых частиц от жидкости. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает сбор богатого питательными веществами твердого остатка.
[00101] Стоки можно нагреть до любой нужной температуры, включая, но без ограничений, от 100°F до 110°F, от 110°F до 120°F, от 120°F до 130°F, от 130°F до 140°F, от 140°F до 150°F, от 150°F до 160°F, от 160°F до 165°F, от 165°F до 175°F, или от 175°F до 195°F.
[00102] В одном из вариантов осуществления скорость аэрации может быть любой скоростью, которая способствует освобождению пересыщенных газов, включая, но без ограничений, от 2 галлонов/куб фт/мин до 160 галлонов/куб фт/мин, или от 5 галлонов/куб фт/мин до 150 галлонов/куб фт/мин, или 10 галлонов/куб фт/мин до 100 галлонов/куб фт/мин или 25 галлонов/куб фт/мин до 80 галлонов/куб фт/мин или 40 галлонов/куб фт/мин до 50 галлонов/куб фт/мин. В одном из вариантов осуществления микроаэрационные мешки могут быть использованы.
[00103] В одном из вариантов осуществления временем аэрации может быть любое количество времени, которое способствует освобождению пересыщенных газов, включая, но без ограничений, от 15 мин до 3 дней или от 2 часов до 2 дней или от 4 часов до 24 часов или от 8 часов до 18 часов или от 12 часов до 16 часов.
[00104] В одном из вариантов осуществления аэрация может увеличить значение рН стоков до требуемого значения, включая, но без ограничений, 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 и больше 12,0.
[00105] В одном из вариантов осуществления газированным стокам дают возможность отстояться на срок, включая, но без ограничений, 30-60 мин, 1-2 часа, 2-4 часа, 4-8 часов, 8-12 часов, 12-16 часов, 16-20 часов, 20-24 часов, 24-36 часов, 36-48 часов, 48-60 часов, 60-72 часов, 3-4 дня, 4-5 дней, 5-6 дней, 6-7 дней, 7-8 дней, 8-9 дней, 9-10 дней и более 10 дней.
[00106] В одном из вариантов осуществления стокам дают возможность отстояться на срок, включая, но без ограничений, 30-60 мин, 1-2 часа, 2-4 часа, 4-8 часов, 8-12 часов, 12-16 часов, 16-20 часов, 20-24 часов, 24-36 часов, 36-48 часов, 48-60 часов, 60-72 часов, 3-4 дня, 4-5 дней, 5-6 дней, 6-7 дней, 7-8 дней, 8-9 дней, 9-10 дней и более 10 дней.
[00107] В одном из вариантов осуществления богатый питательными веществами твердый остаток включает, но без ограничений, богатый фосфором твердый остаток, струвитаподобные частицы, органические Ca/Mg связанные фосфоросодержащие частицы и твердый остаток биологического происхождения класса А.
[00108] Фиг.1 предлагает один из вариантов способа извлечения питательных веществ. Способ включает переработку волокнистых отходов в анаэробном ферментере 10. После соответствующего периода переработки, отделения стоков 20 от волокна 30, используя сортировочное сито 40. Аэрирование стоков 20 в резервуаре для аэрации 50, где воздух подается в жидкие стоки. Резервуар для аэрации может содержать сопла Беккера или газовые горелки в нижней части резервуара 50 для разгона воздуха. Аэрация может быть в форме микроаэрации.
[00109] Дополнительный этап включает смешивание жженой извести 60 со стоками 20 в смесительном резервуаре 70. Способ дополнительно включает транспортировку смеси извести/стоков в отстойную систему для удаления твердых веществ 80 и сбор богатого питательными веществами твердого остатка 90, включая, но без ограничений, богатый фосфором твердый остаток.
[00110] Управляемая аэрация может быть использована для удаления пересыщенного СО2, увеличения значение рН сточных вод и повышения оседания взвешенного остатка. Аэрация является чисто химической по своей природе. В одном из вариантов осуществления используют малое и ограниченное количество аэрации, достаточное для управления химическим равновесием. Аэрация, применяемая в данном изобретении, не является аэробной обработкой. Аэрация не приведет к росту и распространению аэробных бактерий, как это часто наблюдается в биологической очистке сточных вод. Очистка сточных вод задействует значительно более высокий уровень аэрации и с единственной целью роста аэробных бактерий.
[00111] Без связи с какой-либо конкретной теорией, считается, что сточные воды анаэробного ферментера имеют очень высокое содержание бикарбонатов и растворенных CO2 газов, в связи с тем, что во время цикла анаэробного ферментера значительная часть органического углерода была преобразована в метан и СО2, некоторые из которых, в свою очередь растворяются и/или пересыщаются в растворе. Растворенный CO2 и часть бикарбоната (НСО3-), которая направляется к СО2, препятствуют оседанию взвешенного твердого остатка, вмешиваясь в естественные процессы гравитационного осаждения и/или заряд-индуцированной флокуляции. Ионизационные формулы карбоната угольной кислоты, бикарбоната и карбоната приведены ниже в уравнениях 1-3.
[00112]
Figure 00000001
[00113]
Figure 00000002
[00114]
Figure 00000003
[00115] Без связи с какой-либо конкретной теорией, полагают, что удаление растворенного CO2 и некоторых из бикарбонатов, которое направляются к СО2 из стоков анаэробного ферментера, устранят, как минимум, часть помехи к оседанию и потенциально сделают возможным оседание значительного количества взвешенного твердого остатка без необходимости в искусственных химических веществах. Ограниченно, управляемая аэрация стоков анаэробного ферментера может вызвать удаление растворенного CO2 и некоторых из бикарбонатов.
[00116] В ходе аэрирования стоков СО2 извлекают из системы с помощью воздуха. Равновесие реакции №3 сдвигается вправо, вследствие чего равновесие реакции №2 и №1 сдвигается вправо. Далее генерируется больше ОН- и значение рН раствора увеличивается. Кроме того, некоторые важные анаэробные бактерии будут уничтожены О2 посредством аэрации, которая замедляет текущую биологическую выработку CO2.
[00117] В процессе аэрации стоков CO2 удаляют и природное химическое равновесие сдвигают с целью удаления также и некоторых из бикарбонатов. Поскольку растворенный CO2 является кислотным соединением, рН раствора повышается, тем самым, являясь индикатором, в какой степени СО2 был удален. рН стоков также может быть использован для определения соответствующего уровня достигнутой аэрации и может быть использован в качестве индикатора или маркера количества ожидаемого осадка.
[00118] По мере увеличения рН часть H2CO3 в жидкости уменьшается, исходя из №2. Таким образом, эффективность удаления CO2 снижается. Это снижение эффективности может привести к тому, что энергетический барьер не будет полностью преодолен и требуемого оседания не происходит. В таком случае, добавление извести (Са(ОН)2 или СаО) может стать более эффективным для увеличения рН, чем аэрация, и, в конечном счете, достижения рН, необходимого для преодоления энергетического барьера к оседанию. Ионизационная формула извести и реакция между известью и бикарбонатом отображена в уравнениях 4-6.
[00119]
Figure 00000004
[00120]
Figure 00000005
[00121]
Figure 00000006
[00122] Процесс аэрации анаэробно переработанных стоков сделает возможным усиленное оседание взвешенного твердого осадка без необходимости использования химикатов. Важно отметить, что большая часть фосфора представлена в виде нерастворимого мельчайшего взвешенного твердого остатка. В процессе анаэробного расщепления большая часть органического фосфора преобразуется в неорганическую форму, которая не доступна в виде фосфата или совершенно растворена. Вместо этого, высокие концентрации ионов кальция и магния в навозе привели к получению нерастворимого коллоидного некристаллического твердого остатка, взвешенного в растворе в форме кальция или фосфата магния. Таким образом, усиленное оседание взвешенных твердых частиц сразу приведет к удалению значительного количества фосфора.
[00123] Предполагается, что некоторые конечные пользователи способов, систем и устройств, описанных в данном документе, будут желать извлечь только фосфор. В этом случае тщательный контроль аэрации и рН может сделать возможным извлечение одного лишь фосфора. Для удаления всего фосфора, но без удаления аммиака, стоки могут иметь значение рН в пределах от 8,6 до 9,0. Температуру стоков также тщательно контролируют. Например, с применением 20-часовой низкой аэрации (40 галлонов/куб фт/мин), используя стоки 20-35°С, можно достичь рН 9,0, который обеспечит хорошее отстаивание. Кроме того, с применением 6-часовой аэрации (40 галлонов/куб фт/мин) с использованием стоков 35°С можно достичь значения рН 8,6, который также обеспечит хорошее отстаиваться.
[00124] Тем не менее, другие конечные пользователи способов, систем и устройств, описанных в данном документе, возможно, хотят восстановить не только фосфор. Увеличение рН стоков анаэробного ферментера может способствовать смещению химического равновесия от растворенного аммиака к газообразному аммиаку и внедрить средства, с помощью которых аммиак и азот могут быть удалены и извлечены из стоков анаэробного ферментера. В одном из вариантов осуществления анаэробно переработанные стоки с рН 9,5 или больше и при температуре 140°F или выше могут обеспечить извлечение аммиака, вероятно, в виде жидкого сульфата аммония.
[00125] В еще одном варианте осуществления скорость/время (10-40 галлонов/куб фт/мин в течение 1-7 часов) и температура (55°С до 70°С) управляемой аэрации могут достичь диапазона рН между 9,5 и 10,0, делая возможным значительное удаление летучих соединений аммиака, очистку и извлечение соли аммиака, предпочтительно сульфата аммония.
[00126] В одном из вариантов осуществления жидким стокам дают осесть в течение подходящего периода времени, чтобы позволить твердому остатку выпасть из раствора, включая, но без ограничений, периоды времени в диапазоне от 15 минут до 7 дней или от 12 часов до 6 дней или от 24 часов до 5 дней или от 36 часов до 4 дней или от 2 до 3 дней.
[00127] В одном из вариантов осуществления способ увеличения количества биогаза, захваченного из анаэробного ферментера, обеспечивает взбалтывание стоков анаэробного ферментера в то время как они покидают сосуд анаэробного ферментера. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает размещение стоков в тонкий пленочный поток для быстрого разделения жидкости/биогаза. В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает размещение процесса выгрузки анаэробного ферментера под вакуумом.
[00128] В одном из вариантов осуществления изобретение относится к способу извлечения питательных веществ из стоков анаэробного ферментера, включающему нагрев стоков анаэробного ферментера (около 100°F) от блока анаэробного ферментера промышленного типа до 160°F, используя теплообменник с увеличенным выхлопом двигателя. Стоки и твердый волокнистый остаток нагревают для достижения стандартов патогена класса А. Волокнистый твердый остаток класса А может быть удален посредством механического экранного разделения с помощью наклонного экрана с винтовым прессом.
[00129] Способ дополнительно включает аэрирование оставшейся жидкости со взвешенным твердым остатком в зоне аэрации при рабочих температурах около 140°F. Аэрация может происходить в специальном резервуаре с поршневым режимом работы. Резервуар с поршневым режимом работы может иметь любое подходящее время удержания, включая, но без ограничений, 1-5, 5-10, 10-20,20-25,25-30, 30-50, 50-100, 100-200 или больше 200 часов времени удержания. Аэрация может быть достигнута за счет использования микроаэраторов, размещенных в нижней части резервуара с целью обеспечения различной степени аэрационного потока на галлон очищенных стоков. Воздух нагрели до температуры, использующей тепло выхлопных газов двигателя, переданное по воздуху в воздух теплообменника.
[00130] Как описано выше, аэрация создала возможности для очистки супернасыщенного CO2. Высокая температура усиливает динамику, создавая возможности для более быстрого высвобождения СО2 и двух важных результатов. Во-первых, рН увеличивается и, во-вторых, газы, которые препятствуют естественной флокуляции и оседанию, могут быть удалены. Увеличение рН (>9,5) позволило части растворенного аммиака сместить свое равновесие в сторону свободного, газообразного аммиака.
[00131] Способ дополнительно включает транспортировку свободного, газообразного аммиака в специальную двухступенчатую поглотительную башню, где регулируемые количества кислоты контактируют с газообразным аммиаком в воздухе и создают соли аммония. Двухбашенный принцип конструкции был разработан таким образом, что может быть достигнут нейтральный рН продукта с насыщенной максимальной концентрацией (~40% по массе).
[00132] Способ включает также оседание богатых фосфором твердых веществ и сбор твердых веществ, используя устройства для обезвоживания.
[00133] Способ дополнительно включает барботирование неочищенного биогаза из ферментера через относительно горячие стоки с повышенным рН и возвращение рН стоков к нейтральному, а также одновременно частичную очистку биогаза от кислотных примесей H2S. Конечный теплообменник может быть использован с целью утилизации теплового сброса.
[00134] Система извлечения питательных веществ
[00135] В одном из вариантов осуществления система извлечения питательных в