專利名稱：畜牧系統(tǒng)中的廢水純化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種畜牧系統(tǒng)中的廢水純化系統(tǒng)，更具體地說涉及肥料加工，其中由肥料產(chǎn)生的產(chǎn)物盡可能在產(chǎn)生排泄物的地方使用，這主要是能源和水。
馴養(yǎng)的動物如豬、牛、馬、兔和皮毛動物產(chǎn)生尿和糞便；而雞與之相反，只產(chǎn)生固體肥料。
在目前生產(chǎn)技術(shù)中產(chǎn)肉/蛋對環(huán)境造成較大影響，其中涉及從牧場排放出排泄物?？諝狻⑼寥篮偷叵滤惺芊柿系倪^度施用，以至于破壞了自然平衡。按目前的觀點(diǎn)，這些排泄物被認(rèn)為是廢料，但是在本發(fā)明中，這些廢料則被認(rèn)為是用于再循環(huán)加工的原材料。出發(fā)點(diǎn)在于加工/處理該廢料以產(chǎn)生產(chǎn)品，該產(chǎn)品或是在牧場中直接、或是間接為廢料生產(chǎn)者產(chǎn)生附加值。在本發(fā)明中，肥料被認(rèn)為是“原材料”，它在加工后為畜牧場產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)上的附加值。
在集約型畜牧業(yè)中，動物如牛、豬、綿羊、山羊、雞、皮毛動物之類都是圈養(yǎng)的，這些動物產(chǎn)生的肥料落到柵格，并在下面的坑中收集。收集的肥料基本上由尿和固體肥料混合組成，這種混合物導(dǎo)致在圈欄中和在外面儲存時散發(fā)出氨氣，這可能會導(dǎo)致酸化。同時對于人和動物，不希望在圈欄/工作場所存在濃度太高的氨氣。這可能導(dǎo)致肺和肝部的疾病，并使生長減慢。
為了避免這個問題，嘗試從圈欄中盡可能快地移出肥料混合物。例如，通過提供沖刷排水溝/排放溝來進(jìn)行，從而將產(chǎn)生的任何肥料盡可能快地排出圈欄。
將尿液和糞便在傳送帶上保持分離，由此發(fā)現(xiàn)了另一個解決此問題的方法。傳送帶排列在斜坡上，球狀或半球狀的傳送帶使肥料直接運(yùn)送到排放溝的最低點(diǎn)，或是運(yùn)送到平行排放溝(排水溝)或沿排水溝整體形成在帶上。令人驚訝的是，隨之而來的效果是酶不產(chǎn)生作用，并且由于肥料和尿液之間不會直接接觸，沒有發(fā)生氨氣的形成。
這種方法已經(jīng)解決了許多問題，但是明顯遺留的問題是必須要進(jìn)一步加工排泄物料流，諸如固體肥料組分和液體肥料組分，而且還有圈欄中的污染空氣。此外，目前還有一個需要，就是更進(jìn)一步集成各種加工系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明涉及一種集成系統(tǒng)以純化集約型畜牧業(yè)的各種排泄物料流，這些均在廢水純化的范疇之內(nèi)。
因此，在第一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種利用微生物純化廢水的方法，優(yōu)選源自集成畜牧系統(tǒng)，該方法包括，向生物廢水純化車間的不通風(fēng)區(qū)域供應(yīng)廢水，將所述不通風(fēng)區(qū)域的料流供應(yīng)到通風(fēng)區(qū)域，將至少較大部分的微生物和通風(fēng)區(qū)域的至少一部分料流再循環(huán)到通風(fēng)和/或不通風(fēng)區(qū)域，然后采用膜過濾分離至少一部分料流。
與該廢水純化方法合并，已經(jīng)開發(fā)了牧場集成系統(tǒng)，它基于可能達(dá)到廣泛的整合和集成這樣一個驚奇的觀點(diǎn)。
因此，如果在畜牧場中排列各種設(shè)施，以提供立即分離尿液和固體肥料，重新利用畜牧場中的各種產(chǎn)物(廢料)料流就成為可能，而不需要過度的空間和復(fù)雜的操作(純化)。
現(xiàn)在本發(fā)明提供了一種畜牧集成系統(tǒng)，其中從圈欄產(chǎn)生的物料流、氣體、固體、液體可以有用的方式重新加以利用。
在最廣泛的實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種利用微生物純化廢水的方法，優(yōu)選源自集成畜牧系統(tǒng)，該方法包括，向生物廢水純化車間的不通風(fēng)區(qū)域供應(yīng)廢水，將所述不通風(fēng)區(qū)域的料流供應(yīng)到通風(fēng)區(qū)域，將至少較大部分的微生物和通風(fēng)區(qū)域的至少一部分料流再循環(huán)到通風(fēng)和/或不通風(fēng)區(qū)域，然后采用膜過濾分離至少一部分微生物，此廢水處理方法中的微生物含量優(yōu)選大于10g/l。
圈欄中產(chǎn)生的液體肥料流可以在充分的加工之后轉(zhuǎn)化為適用于在系統(tǒng)中重新利用的產(chǎn)物。此外，要考慮到這種連接是在高載量生物純化車間中以生物方式純化液體部分(生物氧化、硝化+去硝化)。該車間優(yōu)選配有將液體與生物質(zhì)分離的設(shè)施，例如采用膜、旋轉(zhuǎn)分離器、鋸屑過濾器之類。在任何情況下，該車間配有膜過濾器，以及任選的前面的預(yù)純化方法，以減輕膜。用作膜的是傳統(tǒng)系統(tǒng)，例如基于圓管或在平面膜上。在圓管的情況下，管內(nèi)的壓力降采用2-10巴，流速為5-15m3/h，而平面膜則優(yōu)選在減壓操作，清潔水側(cè)的壓力優(yōu)選在0.25-0.75巴之間。
在生物膜反應(yīng)器中，可以加工液體肥料組分，料流由后續(xù)的去硝化和硝化純化。這發(fā)生在反應(yīng)器中，其中通過采用膜或其它技術(shù)將微生物含量保持較高(＞10kg/m3到60kg/m3或更高)。通過肥料流的最初分離，這種生物純化液體料流的效率得到提高，這在車間的集成及其操作方面提供了很大的優(yōu)點(diǎn)。
純化后，如果需要，在藻類或浮萍培養(yǎng)反應(yīng)器中或在蘆葦塘中處理之后，液體任選地通過反向滲透進(jìn)行后純化。
在圈欄中，優(yōu)選存在基本上防止因固體肥料和尿液接觸而形成氨氣的設(shè)施，以至于通過利用在部分工藝中圈欄產(chǎn)生的熱量，還可以供應(yīng)至少一部分所需熱量。另一個優(yōu)點(diǎn)是很少需要通風(fēng)，以至于在寒冷的時候也很少損失熱量。
由此得到的物料可以加工成混合或非混合的固體肥料、生物質(zhì)、藻類或浮萍，這可以所需比例混有任何添加劑以供應(yīng)用于生產(chǎn)飼料的中間產(chǎn)物。
按照一個優(yōu)選的實(shí)施方案，帶式分離器置于圈欄之下，例如將固體和液體相相互分離的傳送帶。例如該分離器可以由安裝在斜坡上的帶組成，在低的一側(cè)有液體排放溝，或者帶的中軸高于側(cè)面，排放溝位于兩側(cè)。
如果不可能放置帶式分離器，可能也足以分離肥料，只要它存在于溝中，這些溝(罐)可以位于圈欄內(nèi)部和外部。收集的肥料盡可能快地分離成稀和稠的肥料部分，可以通過使用聚電解質(zhì)來進(jìn)行分離，或者不使用，并且隨后將這些混合物置于分離設(shè)備中。這種設(shè)備可以是離心機(jī)、旋轉(zhuǎn)分離器、螺旋頂壓機(jī)、篩板彎管、旋風(fēng)分離器、或任何其它已知的分離固體和液體料流的技術(shù)。
接下來的目的是分離水以達(dá)到固體百分比為約1.5-2％，而干燥的肥料最少達(dá)到25重量％，明顯地，與此百分比有偏差是可能的。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案，畜牧場和肥料再加工系統(tǒng)由傳統(tǒng)的圈欄或模塊化圈欄組成，即收集提供和排放液體及固體肥料的圈欄。液體及固體肥料的混合物傳送出圈欄，然后在離心分離器中分離成固體組分和液體組分，后一組分仍含有少量固體，將其靜置分離，任選地在加入凝聚助劑之后。此后，液體在高載量硝化/去硝化作用下純化。該系統(tǒng)的生物質(zhì)和液體通過反應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)，盡管在硝化后一部分液體通過膜排出。剩余物再循環(huán)到反應(yīng)器中，例如通過還提供通風(fēng)的噴灑器。
本發(fā)明還涉及如上所述配有肥料分離設(shè)施的圈欄與生物膜反應(yīng)器的組合。利用帶有傳送螺旋、流經(jīng)反應(yīng)器的傳輸管道，反應(yīng)器中水的熱量被用來干燥(部分)固體肥料組分。由此水的熱量提供干燥。
反應(yīng)器之后，得到生物質(zhì)的濃料流，其大部分回到反應(yīng)器，以保持其中生物質(zhì)的高載量。此后，得到一種物料，其生物質(zhì)和其它雜質(zhì)的含量已經(jīng)下降到相當(dāng)程度。接下來，任選的反向滲透處理之后，得到純化的物料，它基本上不含鹽。
還可能利用鹽水飼養(yǎng)貝類、蠔和其它海產(chǎn)動物，因?yàn)檫@些鹽和其它礦物質(zhì)的含量使得水可用于此種用途。但是要考慮肥料組分的毒性。
還可能使用鹽水作為介質(zhì)用于從空氣中吸收濕氣，假設(shè)鹽組合物和含量足夠吸濕以用于此用途。還可能通過用鹽水處理來給圈欄中的空氣消毒。過量的鹽水可以任選地通過電解轉(zhuǎn)化為酸和堿，如果需要，還可以進(jìn)一步在系統(tǒng)中再次利用。
還有重要的是，按不使烴類和含氮化合物完全降解為二氧化碳和氮?dú)獾姆绞讲僮魅魏尾迦氲耐L(fēng)反應(yīng)器，在此連接時注意，偶爾還可能利用部分源自圈欄的熱量作為部分供熱源。
在所有這些實(shí)施方案中，對于最終的液體物流，可能希望在通風(fēng)反應(yīng)器、藻類培養(yǎng)反應(yīng)器、浮萍培養(yǎng)反應(yīng)器中和/或用其它固氮微生物處理后，進(jìn)一步純化以使其適于排放到下水道中，或者使其適于作為清洗用水、飲用水、培養(yǎng)用水、或灌溉用水。為達(dá)到此目的，可能希望安裝一個后連接水處理系統(tǒng)，由此仍然存在的無機(jī)和有機(jī)組分進(jìn)一步從水中除去，以達(dá)到可接受的程度。例如，適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)有反向滲透，而且與生物系統(tǒng)組合，如集成廢水純化車間或蘆葦塘(陽生植物過濾器)，并且反向滲透系統(tǒng)是可展開的。令人驚訝的結(jié)果是由于預(yù)連接的生物膜技術(shù)，純化結(jié)果是最理想的。以至于密集的后純化變得可能。
由源自圈欄或分離車間的肥料組分，可以回收各種有價值的物質(zhì)，例如可能通過發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，它可以提供組合的加熱和能源站。在該連接中，進(jìn)一步注意的是通過利用本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)，例如開始時分離尿液和固體肥料，而且當(dāng)從坑中分離后，提高了沼氣車間的效率，因?yàn)橥ㄟ^氨氣的生成會抑制沼氣生成。此外，反應(yīng)器中的固體量(大于10％-60％干物質(zhì)或更多)可以顯著提高，這還對操作及其空間有積極效果。
因此，本發(fā)明涉及由可將固體和液體肥料組分分離的圈欄組成的系統(tǒng)，同時還存在沼氣車間以對固體肥料組分進(jìn)行發(fā)酵。
所得物質(zhì)可以任選地合并以進(jìn)一步加工成例如飼料。還可能加工成堆肥，無論是在發(fā)酵后、發(fā)酵物的干燥和/或使固體肥料物流礦物化以及隨后將其燃燒，或者如果需要，在加入玻璃和/或沙子，肥料上釉之后。然后可以倒掉或以其它方式使用。另一種用途可以是用作蘑菇生長的基質(zhì)，如果需要，在適當(dāng)處理之后使該物質(zhì)可用于此目的，如混以濕度調(diào)節(jié)纖維(如椰棕)。
本發(fā)明的一個具體實(shí)施方案中，包括將固體肥料與玻璃粉末和添加劑混合，如水玻璃。由該混合物形成顆粒，它在干燥后加熱。肥料的有機(jī)組分由此燃燒，得到多孔礦物顆粒，它沒有細(xì)菌和疾病微生物。
對于還包含磷酸鹽和礦物質(zhì)的燃燒肥料和灰燼殘留物，也可能與玻璃和/或水玻璃以及任選的其它添加劑一起加熱到至少650℃的溫度，以形成多孔玻璃基質(zhì)，由此礦物質(zhì)隨時間緩慢釋放。
可以采用在燃燒中輪流釋放熱量，例如圈欄中的熱量。可以通過傳統(tǒng)技術(shù)輪流清潔管道氣體，例如旋轉(zhuǎn)顆粒分離器之類。
至于附圖，本發(fā)明將作如下說明。在

圖1中，給出目前圈欄情況的一個實(shí)施例。圖2表示圈欄的一種新概念，由此組合了大量模塊式盒狀房屋。圖3給出了集成各種產(chǎn)品物流的許多可能性的總體流程圖。
在圖1中，代表了進(jìn)行肥料生產(chǎn)的圈欄中目前的房屋情況，也就是說，圈欄是一個伸長的盒狀空間，其中在地板面上已經(jīng)制作有大量的柵格部分。動物站在這些柵格部分上。從上面引入熱和冷空氣，沿柵格縱向排出。
圈欄中的圈養(yǎng)動物產(chǎn)生肥料和尿，它們可以收集在柵格下的收集坑中。按照更先進(jìn)的系統(tǒng)，這些產(chǎn)物用沖刷液體迅速排放出圈欄，以減少氨氣散發(fā)。
在圖2中，表明圈欄的一種新流程，由此大量模塊式房屋沿縱向彼此組合，并且還是可堆砌的。在這些類似容器的房屋中，放置一個肥料除去系統(tǒng)，例如傳送系統(tǒng)。
在這些模塊中，柵格形地面沿整個寬度以及沿整個長度放置。這種柵格形地面可以作為一個整體單元從模塊中除去，包括柵格上圈養(yǎng)的動物。為此目的，第二個模塊置于該將要空置的模塊之前，并且它固定地定位于該靜止模塊之前。門打開后，柵格可以隨后從靜止模塊中移去，并且可以按照需要替換為另一個模塊。根據(jù)需要，隨后移出整個柵格或動物。
此概念還包括采用一個或多個模塊的可能性，其中基于系統(tǒng)中的殘留物質(zhì)進(jìn)行蘑菇生長。
在圖3中，它代表如何將肥料廢料流在牧場中重新利用。最終選擇的實(shí)施方案取決于技術(shù)的具體選擇。
在圖4中，用流程圖代表了本發(fā)明集成系統(tǒng)的各方面。
在本發(fā)明中，尿液從分離設(shè)備中流到通風(fēng)反應(yīng)器中(如果需要，在前面的化學(xué)物理處理之后)。該反應(yīng)器由兩個室組成，它們用一個隔板彼此分離，同時起流通容器的作用。水引入到不通風(fēng)區(qū)域，然后經(jīng)過向下的運(yùn)動流到通風(fēng)室。純化后的水隨后通過膜過濾器或旋轉(zhuǎn)分離器與生物質(zhì)分離，生物質(zhì)引回到反應(yīng)器中，然后分布在通風(fēng)和不通風(fēng)室。
廢水處理后，如果需要，可以收集生物質(zhì)或部分再循環(huán)到水料流中。選擇取決于是考慮制備飼料所需的生物質(zhì)體積還是后續(xù)連接的工藝部分的產(chǎn)率。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在水中，特別是烴化合物會產(chǎn)生鹽和硝酸鹽。對于藻類這些水明顯適合作為營養(yǎng)介質(zhì)，或用于純化燃燒步驟的煙氣。藻類與光合作用結(jié)合可以固定硝酸鹽以形成蛋白質(zhì)并轉(zhuǎn)化為碳水化合物。干燥的藻類是重要的食品。
在上述系統(tǒng)中，各種營養(yǎng)組分釋放出來。
分離器取出的固體肥料包含大量有機(jī)物，它們可以厭氧地轉(zhuǎn)化為甲烷氣體。因此由密集的發(fā)酵物可以生產(chǎn)出沼氣，這可以提供合并的加熱和能源站。產(chǎn)生的能量和熱量可以在牧場中使用?；旌匣虬l(fā)酵以及礦物化的固體肥料物流可以根據(jù)需要馬上與從通風(fēng)反應(yīng)器取出的生物質(zhì)合并，以及與從密集反應(yīng)器中取出的培養(yǎng)藻類、浮萍和/或其它固氮有機(jī)體合并。
取決于各種組分的所需組合物，可以加入一種添加劑，如糖漿、淀粉、酒糟或類似添加劑，以生產(chǎn)營養(yǎng)豐富的物質(zhì)，同時提供以干燥。結(jié)果是，以簡單的方式，通過較小的顆粒破碎，可以生產(chǎn)出料條，它隨后可以進(jìn)一步干燥。干燥可以通過風(fēng)干進(jìn)行，但是還有一種可能是利用傳送螺旋將物料流經(jīng)水純化后的管道，由此利用廢水的顯熱。
研究已經(jīng)表明圈欄中的廢物并不限于肥料流，而可能是圈欄中動物產(chǎn)生的相當(dāng)大量的二氧化碳。因此，一頭重100公斤的豬1小時將產(chǎn)生約52.8克二氧化碳以及一定量的熱。
所述的廢料是環(huán)境中溫室效應(yīng)的一個重要原因。
通過馬上將圈欄中的廢料流引入到反應(yīng)器中，熱量和二氧化碳量可以有用地消耗掉，而沒有該集成系統(tǒng)則會在兩方面導(dǎo)致溫室效應(yīng)。如果需要，熱量可以轉(zhuǎn)化為電力，這可以在該系統(tǒng)中采用。
固體肥料物質(zhì)，如前面已經(jīng)描述，可以通過另一種工藝重新利用，或者可以用作營養(yǎng)介質(zhì)和用作園林霉菌，堆肥混以椰棕或其它營養(yǎng)豐富的天然產(chǎn)品。椰棕有濕氣調(diào)節(jié)功能。如果需要，其它類型的纖維也可以使用。按照本發(fā)明在系統(tǒng)中還可能利用此處所述的上釉顆粒。
權(quán)利要求
1.一種采用微生物純化廢水的方法，優(yōu)選源自集成畜牧系統(tǒng)，該方法包括，向生物廢水純化車間的不通風(fēng)區(qū)域供應(yīng)廢水，將所述不通風(fēng)區(qū)域的料流供應(yīng)到通風(fēng)區(qū)域，將至少較大部分的微生物和通風(fēng)區(qū)域的至少一部分料流再循環(huán)到通風(fēng)和/或不通風(fēng)區(qū)域，然后采用膜過濾分離至少一部分微生物，此廢水處理方法中的微生物含量優(yōu)選大于10g/l。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中含有微生物的料流采用膜分離成富含微生物、即將大量再循環(huán)的料流和基本上不含微生物的料流。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中通風(fēng)區(qū)域內(nèi)含有微生物的料流分離成富含微生物、即將大量再循環(huán)的料流和通過預(yù)分離器和膜過濾器減少微生物含量的料流。
4.按照權(quán)利要求1-3的方法，其中使用至少一個平面膜，并在膜后采取減壓。
5.按照權(quán)利要求1-4的方法，其中使用至少一部分生物質(zhì)來洗滌污染的空氣，該空氣源自集約式牧場的圈欄。
6.按照權(quán)利要求1-5的方法，其中含鹽的純化后廢水，在分離生物質(zhì)和任選的分離其它雜質(zhì)和/或濃縮之后，被用于將源自集約式牧場的圈欄的污染空氣干燥和/或去雜。
7.按照權(quán)利要求1-5的方法，其中含鹽的純化后廢水，在分離生物質(zhì)和任選的分離其它雜質(zhì)和/或濃縮之后，被電解處理，由此將鹽離解為酸和堿。
8.按照權(quán)利要求1-7的方法，其中源自廢水純化的熱量被用來干燥物料。
9.采用按照權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)的方法來純化廢水的設(shè)備，包含一個生物廢水純化車間，有不通風(fēng)區(qū)域和通風(fēng)區(qū)域，將至少較大部分的微生物和通風(fēng)區(qū)域的至少一部分料流再循環(huán)到通風(fēng)和/或不通風(fēng)區(qū)域的設(shè)施，以及在膜過濾器的協(xié)助下分離至少一部分料流的設(shè)施。
10.按照權(quán)利要求9的設(shè)備，包含至少一個圈欄以飼養(yǎng)牲畜，存在通過分離為固相和液相而用來基本上防止因固體肥料和尿液接觸而形成氨氣的設(shè)施，其中液相供應(yīng)到廢水純化車間的不通風(fēng)區(qū)域，該系統(tǒng)進(jìn)一步包含將固相和/或液相至少部分地再加工成有用產(chǎn)物的設(shè)施。
11.按照權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述基本上防止形成氨氣的設(shè)施由用來分離固體組分和液體組分的分離系統(tǒng)組成，其中該分離系統(tǒng)排列在動物隔間的下面或者是圈欄外面。
12.按照權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述分離系統(tǒng)由塑料傳送帶組成，它的中軸高于至少一個側(cè)面，以使液體沿側(cè)面流出，同時進(jìn)一步存在一個收集排放溝，以收集和排放液體。
13.按照權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中該設(shè)施由旋轉(zhuǎn)分離器、篩板彎管、或螺旋分離器組成。
14.按照權(quán)利要求9-13的系統(tǒng)，其中在廢水純化中排列一個或多個管，通過它們可以傳送將要干燥的物料，該物料通過與熱廢水進(jìn)行熱交換來干燥。
15.按照權(quán)利要求9-15的系統(tǒng)，其中通過發(fā)酵和/或燃燒和/或氣化進(jìn)一步加工固相，任選地合并有采用上釉/玻璃發(fā)泡使殘留產(chǎn)物惰性化。
16.按照權(quán)利要求9-15的系統(tǒng)，其中一種或多種產(chǎn)物料流，如藻類、浮萍、生物質(zhì)和/或固體堆肥，任選地合并有其它組分，被用作飼料。
17.按照權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中固體肥料組分，無論是否在預(yù)處理(發(fā)酵、混合、礦物化)之后，都與玻璃粉末和任選的其它添加劑混合，該混合物隨后轉(zhuǎn)化為多孔玻璃顆粒。
18.按照權(quán)利要求9-17的系統(tǒng)，其中圈欄作為一種傳統(tǒng)系統(tǒng)或盒狀模塊的模塊化系統(tǒng)實(shí)施，而且是可移動的模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成畜牧業(yè)系統(tǒng)，包含至少一個圈欄以飼養(yǎng)牲畜，其中存在通過分離為固相和液相而用來基本上防止因固體肥料和尿液接觸而形成氨氣的設(shè)施，該系統(tǒng)進(jìn)一步包含將固相和/或液相至少部分地再加工成有用產(chǎn)物的設(shè)施。
文檔編號C02F1/44GK1391436SQ00815938
公開日2003年1月15日 申請日期2000年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月20日
發(fā)明者艾德里安·約翰尼斯·休伯圖斯·范德溫加特 申請人:艾德里安·約翰尼斯·休伯圖斯·范德溫加特