[发明专利]用于动物废物稳定化和生物气回收的厌氧消化系统

说明书

技术领域

本发明涉及污染控制，更具体而言，涉及用于动物废物处理，同时生 产和回收生物气的改进的厌氧消化器系统。

背景技术

家畜圈养设施产生大量可对环境和人类健康造成严重危害的动物废 物。例如，动物废物组分(比如有机物、氮、磷、病原体和金属)可降低水质、 空气质量、并不利地影响人类健康。例如，有机物含有高含量的生物可降 解有机物，当排放到地表水中时，将争夺并耗尽现有的有限量的溶解氧， 导致鱼类死亡和其他不良影响。类似的来自氮和磷的养分载荷可导致地表 水的富营养化。因此，在美国通过清洁水法案和在其他发达国家，动物废 物可能不排放，而是作为商品肥料的补充最终施用于土地上。在许多其他 拥有大量家畜的国家没有这些要求，动物废物会不利地影响环境质量。例 如，有越来越多地证据表明在多个全球流域中存在着由家畜废物排入地表 水引起水污染，并且现在还有证据表明这些排放影响比如在南中国海、泰 国湾和墨西哥湾的沿海水域质量。

动物废物还影响空气质量，这包括臭气和温室气体的散放。所述废物 还含有当传播给人类时，可不利地影响人类健康的病毒、细菌、原生动物 和寄生虫，在很多情况下，其中一些是危及生命的。

已经使用了多种技术方法不同程度地减少这些危害。最基本地，将所 述废物储存起来并以农艺速率(agronomic rate)施用到土地上，以降低养分载 荷和可能的径流(run-off potential)。然而，粪肥储存不能稳定所述废物，因 此不能减少臭气、病原体或需氧物质。较复杂的方法可采用预处理、初级、 二级、和三级处理过程的组合，以使管理与环境和人类健康相关的问题的 水平相对较高。当二级和三级处理被认为是降低需氧量、减少病原体、将 氮和磷转换成植物可吸收形式(特定的氨氮和磷酸盐)的初级处理时，初级处 理是必需的第一步。植物可吸收形式的营养确保了当相对于农作物类型以 农艺速率进行施用时，可预期高水平的吸收。

家畜和其他高强度有机物的初级处理中使用典型的厌氧工艺，因为与 好氧方法相比，它们在经济上是理想的。厌氧工艺将粪肥转换成多种最终 产物，包括消化液和生物气。根据家畜类型、气候和用水，在商业上已经 使用了不同的厌氧系统。

用于稀释粪肥处理的最常用的厌氧系统之一是厌氧处理塘。在所述塘 或任何其他不混合的系统中，物质分层为固体和液体组分。泥渣(生物降解 固体)积聚在所述塘的底部，由沉降的不能生物降解的和固定的粪肥组分， 以及活性和死亡的微生物细胞组成。泥渣是黑色、中等粘度的，一般为约 10固体％和90液体％，并且营养素、细菌和有机物的含量高。泥渣是生物 厌氧降解的副产品或有机物质的生物降解组分。泥渣可用人工移出或用为 较高含量固体应用(即10—15固体％)设计的泵清除。

泥渣上面的层是液层。此液体，即消化液的固体含量低(通常0.3—0.6 固体％)，营养素量中等，并易于用灌溉泵抽吸。如果所述液体和泥渣混杂， 取决于工艺用水、降雨量和系统中泥渣的比例，固体含量介于<1％—8％。 消化液和泥渣将含有初始粪肥中的所有剩余的(没有挥发到空气的)氮、磷、 钾、微量营养素和金属。这些可进一步处理或施用到土地上。

不利想的是，厌氧处理塘虽在稳定有机物方面有效，但作为开放系统 可散发臭气、挥发性有机化合物(VOC)和许多其他有害组分到空气中。这 些气体由甲烷(变暖潜能是二氧化碳23倍的温室气体)；氨气和在细颗粒物 质(烟雾)形成中是必要气体的VOC，以及臭气化合物硫化氢(高浓度条件下 也可致死)组成。然而，当由约70％甲烷组成的该生物气在各种类型的厌氧 消化器中收集并利用其能量时，通过降低能源消耗它可以提供经济益处， 同时减少各种消毁甲烷和硫化氢的燃烧过程对空气的影响。

在各种用途当中，该生物气可用于燃烧来提供热量或用于发电机的燃 料。所述热和电可用在农场上或售给他人。这里所用的“连续式生物气系 统”指将生物气连续供给生物气燃烧装置(比如火炬和发动机)以供其运转。 “储存式生物气系统”指储存生物气供间歇燃烧和使用。