TWI656109B - 用於禽畜廢棄物厭氧消化的系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明為公開了一種處理養豬業的廢棄物的新方法，避免使用廢水池。糞尿半連續経過除砂和厭氧消化，並且用生物質消化以產生生物有機肥料和沼氣。

Description

用於禽畜廢棄物厭氧消化的系統及方法 【版權聲明】
本專利的公開內容的一部分包含受版權保護的材料。版權所有者不反對任何人複製與出現在專利和商標局的專利文件或記錄中一樣的專利文獻或專利公開，但在其它方面，無論如何都保留所有版權權利。
本發明涉及禽畜廢棄物，尤其來自豬舍的廢棄物的厭氧處理，而不使用廢水池或堆肥。
飼養禽畜用於食物生產的天然產物之一是禽畜廢棄物(即，糞肥)的累積。非常大的生產設施可以產生難以置信的數量的廢棄物。具體來說，大型豬場產生大量廢棄物，已難擺脫處理廢棄物的麻煩。
典型的豬舍大約160英尺長，40英尺寬，大約容納1,100頭豬，其大約6個月成熟用於市場屠宰。目前通過使用來自豬舍的水沖洗清除廢棄物。儘管已經提出了幾種用於豬舍糞便的處理方法，但是目前最常用的處理方式是將水和廢棄物沖洗到廢水池中進行處理。可替代地，通過耗氧堆肥法來處理高濃度糞肥。
廢水池面臨幾個問題。來自廢水池的流體通常噴灑在作物上。允許固體材料在廢水池中腐爛和/或散佈在作物田地上。這引起對來自田地和周圍地區的不可接受的氣味的投訴。另一個問題是可能發生風暴或 其它洪水情形，導致廢棄物及其相關病原體到達地表和地下水。這導致地方市政當局或依靠該地下水位用於飲用水的其他人的問題。
北卡羅來納州是美國第二大豬肉生產州，並且一直受大量的養豬泄湖及其相關問題困擾。大型養豬場每天可以產生數噸廢棄物，使整個縣彌漫有臭味並且承受這種廢物處理方法的問題。由於這些問題，北卡羅來納州立法機構已經減少了新豬場的建設，等待養豬場廢棄物處理的解決方案。因此，仍然需要找到一種可接受的方法替代廢水湖，迄今為止還沒有一個可行的解決方案。當然，問題不單獨在北卡羅來納州。在世界各地，大型養豬場和其他物種的禽畜養殖場，諸如家禽和乳牛，也面臨類似問題。
本發明是一種用於修復豬舍糞肥的備選的解決方案，其中，廢棄物經由生物質除砂、消化和共消化，以產生沼氣能和有機肥料，而沒有可怕的氣味和現有技術的其它問題。在一個實施例中，除砂器、厭氧消化器和次級消化器是模組化設計，以便容易地配裝在一起形成用於日常或半連續處理的整體結構。為了使系統緊湊和有效，它必須隔熱並且在嗜熱溫度(即，50℃至60℃)下操作。
因此，在一個實施例中，本發明涉及一種用於半連續處理來自禽畜舍的禽畜廢棄物的方法，包括：a)定期從禽畜舍中清除未稀釋的禽畜廢棄物；b)將所清除的廢棄物放置在具有足夠熱水或蒸汽的水解除砂室中以獲得至少約50℃至約60℃的混合物並且進行除砂； c)將經除砂的混合物轉移到保持在約50℃至約60℃的溫度的厭氧消化器室中並消化；和d)將至少一部分經消化的混合物轉移到裝載有幹生物質的次級固相消化器室，並且在至少約50℃的溫度下發酵混合物，並且從固相消化器中清除生物有機肥料。
在另一實施例中，本發明涉及一種用於半連續處理來自禽畜舍的禽畜廢棄物的系統；a)包含禽畜廢棄物的一座或多座禽畜舍；b)與厭氧消化器室流體連通的水解除砂器，其又與次級固相消化器室流體連通，全部在隔熱的整體結構中，其中，通過流動壓力實現流通；c)熱水或蒸汽，與來自一座或多座舍的禽畜廢棄物結合，足以將組合溫度升高至約50℃至約60℃；和d)其中，來自禽畜舍的禽畜廢棄物然後與水解除砂器流體連通。
1‧‧‧豬舍
10‧‧‧肥料
10a‧‧‧中央存儲裝置
2‧‧‧糞肥
30‧‧‧通過壁
31‧‧‧糞肥刮下物
32‧‧‧熱水或蒸汽
33‧‧‧除砂器室
34‧‧‧清除板
35‧‧‧砂礫
36‧‧‧砂礫閥
37‧‧‧除砂器漿料
38‧‧‧厭氧消化器室
4‧‧‧熱水或蒸汽發生系統
40‧‧‧沼氣膜
43‧‧‧液體
43a‧‧‧溢出壁
44‧‧‧模組化次級固相消化器
45‧‧‧生物質
46‧‧‧肥料出口
48‧‧‧噴嘴
5‧‧‧砂礫
50‧‧‧結構
55‧‧‧屋頂
5a‧‧‧水解除砂器
6‧‧‧厭氧消化器
7‧‧‧消化器
8‧‧‧生物質
9‧‧‧乾燥
10‧‧‧肥料
10a‧‧‧中央存儲裝置
11~18‧‧‧步驟
圖1是本發明的系統的描繪。
圖2是本發明的方法的實施例的流程圖。
圖3是本發明的模組化系統整體結構的剖面側視圖。
儘管本發明容許許多不同形式的實施例，但是在附圖中示出並且將在本文中詳細描述具體實施例，應當理解這樣的實施例的本公開被 認為是示例並且不旨在將本發明限制於所示出和描述的具體實施例。在下面的描述中，在附圖的幾個視圖中，相同的附圖標記用於描述相同、相似或對應的部件。該具體實施方式定義了本文中所使用的術語的含義，並且具體描述了實施例，以便本領域技術人員實踐本發明。
術語“約”和“基本上”意指±10%。
如本文中所使用的術語“一”或“一個”被定義為一個或多於一個。如本文中所使用的術語“多個”被定義為兩個或多於兩個。如本文中所使用的術語“另一個”被定義為至少第二個或更多個。如本文中所使用的術語“包括”和/或“具有”被定義為包括(即，開放式語言)。本文中所使用的術語“聯接”被定義為連接，儘管不一定是直接連接，並且不一定是機械連接。
術語“包括”不旨在將本發明限制為僅用這種包括語言來要求保護本發明。使用術語包括的任何發明可以使用“由...組成(consisting)”或“由...組成(consisting of)”權利要求語言分成一個或多個權利要求，並且是如此打算。
在整個文檔中對“一個實施例”、“某些實施例”和“實施例”或類似術語的引用意味著結合該實施例描述的特定特徵、結構或特點包括在本發明的至少一個實施例中。因此，在整個說明書中的各種地方的這些短語的出現不一定所有是指相同的實施例。更進一步地，特定特徵、結構或特點可以以任何合適的方式組合在一個或多個實施例中，而不受限制。
如本文中所使用的術語“或”將被解釋為包括性或意指任 何一個或任何組合。因此，“A、B或C”是指以下任何一種：“A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。該定義的例外僅當元件、功能、步驟或動作的組合以某種方式固有地相互排斥時才會發生。
附圖中特徵的繪製是為了說明本發明的某些方便的實施例的目的，而不應被認為是對其的限制。在操作的現在分詞之前的術語“器件”指示所期望的功能，對於該功能存在一個或多個實施例，即，用於實現期望功能的一個或多個方法、設備或裝置，並且本領域技術人員可以根據本文的公開內容從這些或它們的等同物中進行選擇，並且術語“器件”的使用不旨在是限制性的。
如本文中所使用的，術語“砂礫”是指存在於禽畜廢棄物內的不溶性砂質，諸如豬、家禽和奶牛糞肥廢棄物。術語“禽畜廢棄物”是指任何廢棄物類型的禽畜糞肥，諸如豬、家禽和奶牛糞肥，其將用於厭氧消化系統並且含有砂礫。例如，在一個實施例中，禽畜廢棄物被週期性地每天從禽畜舍轉移到除砂器室。不過，本領域技術人員可以選擇適當的時間，例如每12小時、24小時、36小時和48小時等。
如本文中所使用的，術語“除砂器室”是指被設計成用於在升高的溫度下用熱水或蒸汽保持和水解有機廢物的空間。室可以由任何材料製成，諸如不銹鋼、玻璃纖維或混凝土室，並且在一個實施例中，罐必須隔熱以便一旦添加熱水就在整個過程中更好地保持升高的溫度，而不需要附加的加熱裝置。升高的溫度(約50℃至約60℃)促進水解並且分離砂礫，添加足夠的熱水，或者注入蒸汽以將混合物升至該溫度。水解和除砂的漿料被轉移，並且在一個實施例中，在流動壓力下通過週期性進入的糞肥和 熱水(參見附圖)被迫進入厭氧消化器室(例如，參見圖3)。在操作一段選定的時間後，砂礫通過沉降在水解室的底部累積。它可以通過泵或用重力底部排水管(諸如錐形區域)清除，以通過排出砂礫來清除砂礫。這可以週期性地進行，例如，每日等等。
在每個室或系統中的操作是半連續的，從而週期性地(例如，每天等等)供給糞肥和排出有機肥料。在一個實施例中，作為活塞式流動系統，即，流體重力轉移，液化材料從其在其中停留一天的除砂器室流到其在其中被保留至少約10天(在一個實施例中，約10天至15天)的水準厭氧消化器罐(在一個實施例中為流體重力)，然後將消化器混合物(消化物)加入次級固相消化器中1天至5天，最後作為有機肥料排出。整個系統的操作是半連續過程，以保持豬舍清潔。然後，活塞流依賴於新添加的廢棄物以及添加到除砂器中將經除砂的材料推送經過系統的水。因此，在一個其中廢棄物每天被添加到除砂器中的實施例中，室足夠大到容納一天的混合物(水和糞料)。添加第二天的混合物將第一天混合物推到第二室，並且取決於第二室的長度(大小)將確定混合物在該室中停留的長度等等。在一個實施例中，厭氧室是除砂器室大小的10倍，即，當在除砂器中一天時停留10天(保留時間)。
本發明的方法包括：將諸如豬糞肥之類的有機廢物添加到除砂器室中。這可以通過刮擦等進行，而不稀釋糞肥，直到它到達除砂器室為止。將熱水加入到室中或將蒸汽注入室中以獲得漿料混合物，其中，最終混合物為約50℃至約60℃，並且通過隔熱保溫將混合物保持在罐中的該溫度下，而非進一步加熱罐內容物。通常，本領域技術人員可以基於通過簡 單測試過程添加的糞肥的重量，獲得最佳的固體百分比，從而獲得適當的水量及其溫度。在一個實施例中，將1：1比例的熱水添加到除砂器室中的糞肥中，以得到基於重量/重量的5%至10%的總固體百分比。可替代地，可以將蒸汽注入除砂器中以升高溫度並且達到5%至10%的總固體濃度。在一個實施例中，水解除砂器過程需要一天。第二天，將來自豬舍的新鮮糞肥刮入除砂器中，並且加入熱水以迫使至少一部分的經除砂的混合物流入大型消化器罐中。可以如上文所描述的清除砂礫。
一旦混合物被除砂，就將其轉移，並且在一個實施例中，其在懸掛壁下流動到厭氧消化器的連接的水準室，用於厭氧消化和用於生產沼氣。如本文中所使用的，“厭氧消化”是其中微生物在不存在氧的情況下分解可生物降解材料以產生較低固體的液體流出物的過程。消化過程從輸入物質的細菌水解開始，以分解不溶性有機聚合物，諸如碳水化合物、蛋白質和脂質，並且使它們可用於其它細菌。產酸細菌然後將糖和氨基酸轉化為二氧化碳、氫、氨和有機酸。最後，產甲烷菌將這些產物轉化為可以被收集和利用的被稱為沼氣的甲烷和二氧化碳的氣體混合物。產甲烷古細菌群體在厭氧處理中發揮不可或缺的作用。沼氣可以被收集到在消化器罐頂部上的柔性和可膨脹的塑膠膜覆蓋物，其中，沼氣又可以被泵送到大的中央氣體儲存站用於進一步的處理和利用。在該消化階段，被稱為“消化物”的混合物流動至下一階段需要至少10天(10倍消化器體積/每日進料體積)的時間。該階段中的消解在隔熱室中保持在約50℃至約60℃。整個系統可以用屋頂封裝以降低熱損失。
其用作該過程的一部分用於處理可生物降解廢棄物。作為產 生、捕獲和利用沼氣的綜合廢棄物管理系統的一部分，此項技術減少了溫室氣體排放到大氣中。厭氧消化器還可以利用諸如玉米桿、稻草之類農棄物，或特定的能源作物，供給用於共消化。
本發明的方法產生由甲烷、二氧化碳和痕量的其它“污染”氣體組成的沼氣。該沼氣可以直接用作氣體燃料用於熱量並且被脫硫後用於發電，或升級為用於運輸燃料的天然氣質量生物甲烷。使用沼氣作為燃料有助於替代化石燃料。還有，所產生的富營養消化物可以濃縮成液體肥料，或進一步加工成生物有機肥料。來自該階段的液體流出物或消化物被傳送到第三級罐。在一個實施例中，在另一個實施例中預載入生物質，將排出的消化物噴灑在生物質上(參見圖3)。
將從厭氧消化器室排出的消化物轉移至預先裝載有幹生物質的次級固相消化器，用於在約50℃至60℃下進一步發酵混合物。在一個實施例中，次級消化器是保溫的，不含加熱器。
如本文中所使用的，術語“生物質”是指植物材料，包括芒草、柳枝稷、藜草、大麻、玉米、楊樹、柳樹、高粱、甘蔗、多種樹種和作物或蔬菜廢棄物。典型地，這些植物材料富含多糖，並且是可收集的和可乾燥的。
在一個實施例中，在添加消化物之前，將生物質固體裝載在次級消化器的室中。每天在生物質頂部添加(例如，通過噴灑)消化液(在一個實施例中以1：1的重量比)，並且保存在保溫室中用於發酵。流出物的溫度保持在約50℃至約60℃，混合物不進一步加熱，並且將室隔熱以保持溫度而無需進一步加熱。將混合物發酵約1天或更長的時間。
所得產物的固體含量高，為約30%至約50%。通過浸出、壓制或乾燥分離液體。然後，大於50%的高固體物質可以用作生物有機肥料或根據需要。更多的沼氣也可以從該步驟由頂部收集到可充氣膜覆蓋物中。
如本文所使用的，術語“半連續”是指本發明的週期性過程，其以規則的週期性間隔(諸如每天、每隔一天等)從禽畜舍清除材料，並且將材料與熱水或蒸汽一起在禽畜生長季節期間添加到除砂器室中。半連續糞肥進料的工藝將通過重力流動並且在消化器中混合來推動內部混合物。消化物將每天排放到次級固相消化器中以取決於所添加的量和頻率產生生物有機肥料和更多的沼氣。
如本文中所使用的，術語“禽畜舍”是指農場禽畜生長的建築物，諸如豬一般一次生長6個月左右的建築物，也就是豬舍。
如本文中所使用的，術語“禽畜生長季節”是指禽畜在搬運用於屠宰之前停留在禽畜舍中的時間，例如，肉豬的生長時間。
如本文中所使用的，術語“模組化”是指整體建築物流系統中的部件，即，除砂器、厭氧消化器和次級消化器，其可以被換新並且可互換地模組化並且被設計成配裝在一起作為單個單元或整體結構，而非僅通過管道等連接的分離部件。示例如圖3所示。模組可以根據需要定制或預製。
圖1是本發明的系統，其描繪了整體建築物中的流動系統。在該方法中，存在兩座豬舍1，其在約6個月的時間段內養有豬，每天收集糞肥2，例如，通過刮板集糞，沒有水稀釋並且與將混合物升高至約50℃至約60℃的熱水或蒸汽發生系統4一起轉移到水解除砂器5a。處理砂礫5並且經 除砂後的混合物在至少約10天(停留時間：在一個實施例中為10天)內在向除砂器添加更多混合物的壁下流到厭氧消化器6，然後流灑到裝載有一定量的生物質8的次級消化器7中。在清除或乾燥9之前，將次級消化器7中的混合物放置至少二十四小時，以產生幹有機肥料10，其可以容易地裝袋並且出售。沼氣首先從主消化器和次級消化器的柔性頂部收集，然後泵送到中央存儲裝置10a。整個系統可以由屋頂55覆蓋。
圖2描繪了具有豬舍實施例的本發明的方法。豬舍11在一年生長季節期間的大約六個月內養滿豬。將糞肥從豬舍11中刮下並且收集12，並且與足以將混合物升溫至約50℃至約60℃的熱水或蒸汽一起置於水解除砂器室中約二十四小時(在一個實施例中)13。根據需要週期性地清除砂礫14。經除砂的漿料混合物流到厭氧消化器，並且在將更多的糞肥和水添加到除砂器時，繼續流入次級消化器，其中，發酵約10天，其中停留時間等於10天15。
消化物溢出(流過壁)到裝載有生物質的次級消化器中並且發酵一天或更長時間16，隨後在任選乾燥的情況下作為有機肥料排出17。如所指示的，從兩個消化器的頂部收集的沼氣可以被泵送到中央存儲裝置18。流動壓力使得所有的混合物被推動通過系統。
圖3描繪了本發明的模組化系統的側剖視圖，其中，模組化部件配裝在一起以形成具有流通架構的整體結構。在該視圖中，來自舍的糞肥刮下物31和熱水或蒸汽32被組合並且通過清除板34並且將糞肥31和熱水32放置在所連接的除砂器室33內部而被放置到所連接的除砂器室33中。經由除砂器室33的底部處的砂礫閥36清除砂礫35。
來自除砂器室33的除砂器漿料37通過來自進一步添加的糞肥和水的壓力進入厭氧消化器室38，其允許通過壁30上方和下方的漿料37的初級消化，同時通過沼氣膜40收集所排放的沼氣，並且被運輸到中央儲氣庫。厭氧消化器室約為除砂器的體積的十倍，從而當混合物流過系統時，允許在系統中有十天的停留時間。
經消化的液體43在約10天的停留時間後，經由噴嘴48溢出壁43a到模組化次級固相消化器44(其裝載有生物質45)，並且在經由肥料出口46清除之前的至少24小時或更長時間內發酵，該肥料可以任選地是進一步乾燥的肥料。應當指出，該結構50是隔熱的，以使除了加熱添加到糞肥中的水之外，不需要加熱器。將收集更多的沼氣40並且泵送到中央儲氣庫。
在一個實例中，添加來自兩個豬舍的糞肥刮料，每天約11噸，其中注入11噸熱水或蒸汽以提供約50℃至約60℃的溫度，在24小時內添加到來自圖3的類型的水解除砂器中，而無需進一步加熱。該漿料減去砂礫每天流動在厭氧消化器中10天的時間，而無需進一步加熱。消化器中的一部分(例如，10%)的量半連續地溢流到裝載有22噸幹生物質的次級消化器，培養二十四小時或更長時間，並且將排出物半乾燥。因此，每個週期大約二十四小時，並且每天加入糞肥以產生肥料和沼氣。
本發明所屬領域的技術人員可以進行修改，從而產生採用本發明的原理的其它實施例，而不背離其精神或特點，特別是在考慮上述教導時。因此，所描述的實施例在所有方面都被認為僅是說明性的而不是限制性的，因此本發明的範圍由所附權利要求而不是由前述描述或附圖指示。因此，儘管已經參照特定實施例描述了本發明，但是對於本領域技術 人員顯而易見的結構、順序、材料等的修改仍然落入本申請人要求保護的本發明的範圍內。

Claims (17)

  1. 一種用於半連續處理來自禽畜舍的禽畜廢棄物的方法，包括：a)定期從禽畜舍中清除未稀釋的禽畜廢棄物，b)將所清除的廢棄物放置在具有足夠熱水或蒸汽的水解除砂室中以獲得至少約50℃至約60℃的混合物並且進行除砂；c)將至少一部分經除砂的混合物轉移到保持在約50℃至約60℃的溫度的厭氧消化器室中並且消化；和d)將至少一部分經消化的混合物轉移到裝載有乾燥生物質的次級固相消化器室，並且在至少約50℃的溫度下發酵混合物，以及從所述固相消化器中清除生物有機肥料，其中該等室櫃作為具有流通架構的整體結構連接，並且所述整體結構室內部沒有加熱器，且其中室之間的轉移是通過流動壓力實現。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，所述禽畜廢棄物來自豬，並且所述舍是豬舍。
  3. 如請求項2所述的方法，其中，所述禽畜廢棄物和熱水在清除之前留在除砂器中約24小時。
  4. 如請求項3所述的方法，其中，經除砂的禽畜廢棄物在清除一部分之前停留在厭氧消化器室中至少10天。
  5. 如請求項4所述的方法，其中，消化物通過流體重力轉移到裝載有幹生物質的所述次級固相消化器室中消化。
  6. 如請求項1所述的方法，其中，在使用前，將從次級消化器室中清除的材料進一步乾燥。
  7. 如請求項6所述的方法，其中，所述清除的材料用作肥料。
  8. 如請求項1所述的方法，其中，在步驟(c)或(d)中的任一步驟收集沼氣。
  9. 如請求項1所述的方法，其中，多座豬舍連接到本方法的單個除砂室。
  10. 如請求項1所述的方法，其中，所述整體結構是包覆隔熱材料以保持約50℃至約60℃的溫度而沒有使用加熱器。
  11. 如請求項1所述的方法，其中，每天定期清除未稀釋的禽畜廢棄物。
  12. 如請求項1所述的方法，其中，通過沉降來完成除砂。
  13. 如請求項5所述的方法，其中，培養約1至5天。
  14. 一種用於半連續處理來自一個或多個禽畜舍的禽畜廢棄物的系統；a)一個或多個包含禽畜廢棄物的禽畜舍；b)與厭氧消化器室流體連通的水解除砂器室，其又與次級固相消化器室直接流體連通，全部在隔熱的具有流通架構的整體結構中，其中，通過流動壓力實現直接流通；c)熱水或蒸汽，與來自一個或多個舍的禽畜廢棄物結合，足以將組合溫度升高至約50℃至約60℃而沒有加熱器在室中；和d)其中，來自所述禽畜舍的禽畜廢棄物然後與所述水解除砂器室流體連通。
  15. 如請求項14所述的系統，其中，所述禽畜舍是豬舍。
  16. 如請求項15所述的系統，其中，存在與所述水解除砂器流體連通的多座豬舍。
  17. 如請求項14所述的系統，其中，所述整體結構是隔熱保溫以保持約50℃至約60℃的溫度而沒有使用室內部之加熱器。
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