СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ
SYSTEMS AND METHODS OF EXTRACTING NUTRITIVE SUBSTANCES

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).
2,5
[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 (РМ) (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.
3
[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 NH в дегазационную колонну. В еще одном варианте осуществления способ включает в себя сбор богатого фосфором твердого остатка из отстойной системы твердого остатка.
3
[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 NH в дегазационной колонне. В еще одном варианте осуществления дегазационная колонна является двухкамерной системой.
2
4
2
2
2
2
[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 (СО) и метан (CH). Благодаря аэрации, растворенные газы, такие как СО и метан, становятся пересыщенными при контакте с воздухом и могут быть высвобождены. СО и метан становятся пересыщенными из-за низкого парциального давления СО и метана в воздухе. Часть бикарбоната (НСО3-) также может быть передана СО 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.
2
4
2
[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 (CO) и метан (CH). Благодаря аэрации растворенные газы, такие как CO 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.
2
2
2
2
[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 (HS), используют с мокрой очисткой газа с целью снижения значение рН стоков и уменьшения количества HS в рециркулирующем биогазе, подведенном в ферментер. Без связи с какой-либо теорией, HS в биогазе реагирует со стоками, тем самым, снижая рН сточных вод и уменьшая количество НS в биогазе.
3
3
[0024] В одном из вариантов осуществления предлагаемый способ извлечения питательных веществ включает: нагрев и аэрирование стоков анаэробного ферментера в аэрационном реакторе; направление газообразного NH в дегазационную колонну, где регулируемые количества кислоты контактируют с NH, 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.
3
2
2
[0028] В еще одном варианте осуществления способ дополнительно включает захват соли аммония с помощью протекающего через дегазационную колонну NH, 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 HS. В одном из вариантов осуществления концентрация HS 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.
3
[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 NH 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.
3
[0055] Фиг.9В представляет собой линейный график, описывающий влияние аэрации и температуры на удаление NH.
[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.
2
[0061] Фиг.12В представляет собой график, иллюстрирующий селективное удаление HS 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.
4
4
2
[0079] Согласно применению в данном документе, термин «струвита» (фосфат аммония, магния) является фосфорным минералом с формулой: ((NH)MgPO⋅6НО). 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.
2
[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 СО 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.
2
[00110] Управляемая аэрация может быть использована для удаления пересыщенного СО, 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.
2
2
2
2
[00111] Без связи с какой-либо конкретной теорией, считается, что сточные воды анаэробного ферментера имеют очень высокое содержание бикарбонатов и растворенных CO газов, в связи с тем, что во время цикла анаэробного ферментера значительная часть органического углерода была преобразована в метан и СО, некоторые из которых, в свою очередь растворяются и/или пересыщаются в растворе. Растворенный CO и часть бикарбоната (НСО3-), которая направляется к СО, 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]
[00113]
[00114]
2
2
2
[00115] Без связи с какой-либо конкретной теорией, полагают, что удаление растворенного CO и некоторых из бикарбонатов, которое направляются к СО 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 CO и некоторых из бикарбонатов.
2
2
2
-
[00116] В ходе аэрирования стоков СО 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 О посредством аэрации, которая замедляет текущую биологическую выработку CO.
2
2
2
[00117] В процессе аэрации стоков CO удаляют и природное химическое равновесие сдвигают с целью удаления также и некоторых из бикарбонатов. Поскольку растворенный CO является кислотным соединением, рН раствора повышается, тем самым, являясь индикатором, в какой степени СО 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.
2
3
2
2
[00118] По мере увеличения рН часть HCO в жидкости уменьшается, исходя из №2. Таким образом, эффективность удаления CO 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) 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]
[00120]
[00121]
[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.
2
2
[00130] Как описано выше, аэрация создала возможности для очистки супернасыщенного CO. Высокая температура усиливает динамику, создавая возможности для более быстрого высвобождения СО 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.
2
[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 HS. Конечный теплообменник может быть использован с целью утилизации теплового сброса.
[00134] Система извлечения питательных веществ
[00135] В одном из вариантов осуществления система извлечения питательных веществ 100 представлена на фиг.2. Система 100 может быть использована для обработки загрузок анаэробного ферментера и извлечения питательных веществ из полученных стоков. В одном из вариантов осуществления загрузка анаэробного ферментера представляет собой отработанный волокнистый материал. Отработанный волокнистый материал может быть собран с использованием любых подходящих средств известного уровня техники. Отработанный волокнистый материал включает, но без ограничений, дерево, траву, сельскохозяйственные отходы, навоз, отходы макулатуры, органическую фракцию твердых муниципальных и сельскохозяйственных отходов. Примеры источников отработанных волокнистых материалов включают, но без ограничений, животноводческие сооружения, как, например, для крупного рогатого скота, свиней, коз, овец, молочных коров, лошадей и т.п., птицеводческие хозяйства, индюшиные фермы, утиные, гусиные фермы, отходы жизнедеятельности человека и тому подобное. Отработанный волокнистый материал может также включать многие виды сельскохозяйственной продукции перерабатывающих мощностей, которые могут включать непродовольственную сопутствующую сельскохозяйственную продукцию. Отработанный волокнистый материал может также включать некоторые виды смешанных отходов, где часть отходов может также включать пищевые отходы. Отработанный волокнистый материал также может включать волокна, смешанные с испорченными пищевыми продуктами.
[00136] В еще одном варианте осуществления отработанный волокнистый материал также может включать сено, солому и другие материалы, обычно используемые в животноводческих хлевах или в других сельскохозяйственных условиях. В еще одном варианте осуществления отработанный волокнистый материал также может содержать мочу с водой, используемой при уборке хлевов. В еще одном варианте осуществления отработанный волокнистый материал может также содержать дополнительные материалы, такие как шпагат, веревки и другие материалы, которые могут обладать либо могут не обладать способностью к биоразложению. В еще одном варианте осуществления отработанный волокнистый материал получают на молочной ферме.
[00137] В еще одном варианте осуществления отработанный волокнистый материал также может включать в себя волокна из непищевых сельскохозяйственных продуктов, таких как бамбук, масличная пальма, кокосовое волокно, и т.д.
[00138] В еще одном варианте осуществления загрузка анаэробного ферментера может содержать смесь навоза и органических фракций муниципального твердого остатка, как, например, пищевые отходы и отходы пищевой промышленности, смешанные воедино и переработанные.
[00139] На фиг.2 показана схема системы 100, используемой для извлечения питательных веществ из перерабатываемых сельскохозяйственных отходов с высоким содержанием твердого остатка. Система 100 включает в себя, inter alia, анаэробный ферментер 10, илонакопитель 101, сборник стоков 110, разделительное устройство 130 и воздухонепроницаемый сосуд 145.
[00140] Анаэробный ферментер
[00141] Любой тип анаэробного ферментера может быть использован. Стандартная система анаэробного ферментера обычно включает следующие компоненты: емкость для подачи и смешивания навоза, реактор из стали, стекловолокна, бетона, земли или другого подходящего материала (включая нагревательное и смесительное оборудование, если это необходимо), обработку и перенос биогаза, а также оборудование, работающее на газе (продуктах горения), как, например, генератор электроэнергии.
[00142] Стандартные анаэробные ферментеры также могут требовать значительного операционного контроля в зависимости от режима работы и температуры. Стандартные системы анаэробного ферментера также требуют правильной конструкции и размеров для сохранения крайне необходимых бактериальных популяций, ответственных за переработку отходов и стабилизацию для устойчивой долгосрочной прогнозируемой производительности. Требования к параметрам базируется на времени гидравлического удержания (HRT), а также скорости загрузки, где рабочая температура влияет на эти требования к параметрам. Эти факторы (величина, материалы, эксплуатационные требования) влияют на издержки ферментера, которые могут быть достаточно капиталоемкими, а в некоторых хозяйских и фермерских масштабах не могут быть доступными по цене или могут быть бездействующими, в случае отсутствия опытных специалистов.
[00143] В одном из вариантов осуществления могут быть использованы анаэробные ферментеры, имеющие любой тип технологической конфигурации, включая, но без ограничений, периодическую загрузку, непрерывную, мезофильную температуру, термофильную температуру, высокое содержание твердого остатка, низкое содержание твердого остатка, одноступенчатую и многоступенчатую сложность.
[00144] В еще одном варианте осуществления система периодической загрузки анаэробной переработки может быть использована. Биомассу добавляют в реактор в начале процесса в виде одноразовой загрузки и герметически закрывают в период длительности процесса. Реакторы периодического действия страдают специфическими запахами, которые могут быть серьезной проблемой во время их опорожнения. Обычно производство биогаза будет формироваться по примеру случайного распределения в течение некоторого времени. Оператор может использовать этот факт для определения, когда считать процесс переработки органического вещества завершенным.
[00145] В еще одном варианте осуществления может быть использована непрерывная система анаэробной переработки. В непрерывных процессах переработки органические вещества, как правило, добавляют в реактор в несколько этапов. Конечные продукты постоянно или периодически удаляют, что приводит к постоянной выработке биогаза. Примеры этой формы анаэробной переработки включают реакторы непрерывного действия с механическим перемешиванием (CSTR), анаэробно обработанный взвешенный шлам с восходящим потоком (UASB), расширенный слой гранулированного шлама (EGSB) и реакторы с внутренней циркуляцией (IC).
[00146] В еще одном варианте осуществления мезофильные или термофильные уровни рабочей температуры для анаэробных ферментеров могут быть использованы. Мезофильные уровни температуры находятся оптимально около отметок 37°-41°С или при температуре окружающей среды от 20°-45°С, при этих температурах мезофилы являются основными представленными микроорганизмами. Термофильные уровни температуры находятся оптимально около отметок 50°-52°С и при повышенных до 70°С температурах, при этих температурах термофилы являются основными присутствующими микроорганизмами.
[00147] Существует большее число видов мезофилов, чем термофилов. Мезофилы также более терпимы к изменениям условий окружающей среды, чем термофилы. Мезофильные системы поэтому считаются более стабильными, чем термофильные системы переработки.
[00148] В еще одном варианте осуществления анаэробные ферментеры могут быть либо предназначены для работы с высоким содержанием твердой фазы, с общей концентрацией взвешенного твердого остатка (TSS) более 20%, либо низкой концентрации твердых частиц с концентрацией взвешенного твердого остатка менее 15%. Ферментеры с высоким содержанием твердого остатка обрабатывают сгущенной пульпой, которая требует больших затрат энергии для перемещения и обработки сырья. Толщина материала может также привести к проблемам, связанным с истиранием. Ферментеры с высоким содержанием твердого остатка, как правило, имеют более низкие требования к поверхности грунта из-за более малых объемов, связанных с влагой.
[00149] Ферментеры с низким содержанием твердого остатка могут транспортировать материал через систему, используя стандартные насосы, которые требуют значительно меньше затрат энергии. Ферментеры с низким содержанием твердого остатка требуют большего количество земли, чем ферментеры с высоким содержанием твердых частиц в связи с увеличением объемов, связанных с увеличением жидкости: соотношение исходного сырья ферментеров. Есть преимущества, связанные с работой в жидкой среде, поскольку она обеспечивает возможность более тщательной циркуляции веществ и контакт между бактериями и пищей. Это позволяет бактериям легче получить доступ к субстанциям, которыми они питаются, и увеличивает скорость выхода газов.
[00150] В еще одном варианте осуществления системы дигерирования могут быть сконструированы с разными уровнями сложности: одноступенчатыми и двухступенчатыми или многоступенчатыми. Одноступенчатая система переработки - такая система, при которой все биологические реакции протекают в отдельном герметизированном реакторе или сборном резервуаре. Использование одноступенчатого реактора снижает стоимость сооружения, однако, там снижен контроль реакций, происходящих внутри системы. Например, кислотопродуцирующая бактерия, за счет производства кислот, снижает рН резервуара, в то время как метаногенные бактерии действуют в строго определенном диапазоне рН. Таким образом, биологические реакции различных видов в одноступенчатом реакторе могут находиться в прямой конкуренции друг с другом. Еще одной одноступенчатой реакционной системой является анаэробный пруд. Эти пруды похожи на пруд земляными резервуарами, используемыми для переработки и длительного хранения навоза. В этом случае анаэробные реакции, изолируют в природном анаэробном шламе, содержащемся в бассейне.
[00151] В двух- или многоступенчатой системе дигерирования, различные сосуды для расщепления оптимизированы в целях введения максимального контроля над сообществами бактерий, живущих внутри реакторов. Кислотопродуцирующие бактерии производит органические кислоты и растут и размножаются быстрее, чем метаногенные бактерии. Метаногенные бактерии требуют стабильного рН и температуры для оптимизации их деятельности.
[00152] Время пребывания в ферментере изменяется в зависимости от количества и типа отработанного волокнистого материала, конфигурации системы дигерирования и от того, является ли она одноступенчатой или двухступенчатой. В случае одноступенчатого термофильного расщепления продолжительность обработки может быть в районе 14 дней, что, сравнительно с мезофильным расщеплением, довольно быстро. Поршневой характер потока некоторых из этих систем будет означать, что полное разложение материала, возможно, не было реализовано в эти сроки. В этом случае выход сброженного органического остатка системы будет более темного цвета и, как правило, имеет более выраженный запах.
[00153] В случае двухступенчатого мезофильного расщепления время пребывания может варьироваться от 15 до 40 дней. В случае мезофильного расщепления UASB анаэробно обработанного взвешенного шлама, гидравлическая продолжительность обработки может быть (1 час, 1 день) и продолжительность обработки твердого вещества может быть до 90 дней. Таким образом, система анаэробно обработанного взвешенного шлама в состоянии отделить твердый остаток и время гидравлического удержания с использованием взвешенного слоя шлама.
[00154] Ферментеры непрерывного действия имеют механические или гидравлические устройства, в зависимости от уровня твердого остатка в материале, с целью перемешивания содержимого, позволяя бактериям и пище быть в контакте. Они также позволяют лишнему материалу быть постоянно извлеченным с целью поддерживания более или менее постоянного объема в камерах анаэробного сбраживания.
[00155] В одном из вариантов осуществления отработанный волокнистый материал может быть обработан с помощью анаэробного ферментера, доступного у GHD, Inc (Чилтон, WI). В одном из вариантов осуществления отработанный волокнистый материал может быть обработан с помощью анаэробного ферментера, описанного в любом из патентов США №№6451589, 6613562,7078229 и 7179642; каждый из которых включен в качестве ссылки в полном объеме. Каждый из патентов, перечисленных выше, числится за GHD, Inc, а также за именем г-на Стива Дворжака как единственного изобретателя. В еще одном варианте осуществления анаэробный ферментер может быть двухступенчатой смешанной системой реактора с поршневым режимом потока.
[00156] В еще одном аспекте изобретение может обеспечить способ анаэробной переработки отходов с высоким содержанием твердого остатка, включающий перемещение твердых отходов штопорообразно через реактор. Реактор является обычно U-образным резервуаром с общими горизонтальными размерами примерно 100 футов в длину и 72 футов в ширину. Центральная стенка около 90 футов в длину делит реактор на две ноги U-образной формы. Таким образом, каждая нога реактора составляет около 100 футов в длину и 36 футов в ширину.
[00157] Измененный поршневой поток или поток суспензии может быть использован для перемещения шлама. Нагревательные трубы ферментера локально нагревают шлам с использованием горячей воды примерно 160°F от охладителя двигателя, заставляя нагретый смешанный шлам увеличиваться под действием конвекционных сил. Конвекция создает поток в реакторе, который является нехарактерным для других реакторов с высоким содержанием твердого остатка. Шлам нагревают нагревательными трубами ферментера вблизи центральной стенки реактора, так что конвекционные силы заставляют нагретый шлам увеличиваться у центральной стенки. В то же время шлам около относительно более холодного кулера внешней стены подпадает под конвекционные силы. В результате конвекционные силы заставляют шлам следовать по круговой траектории потока вверх вдоль центральной стенки и вниз вдоль наружной стенки. В тоже время, потоки шлама текут вдоль первой и второй ноги реактора, приводя в результате к смешанной штопорообразной траектории потока шлама.
[00158] В еще одном варианте осуществления (не показан) нагнетательные сопла горячего газа, использующие нагретые газы на выходе из двигателя, заменяют горячую воду нагревательных труб реактора в качестве источника нагрева и генерации потока. Нагнетание горячих газов создает циркуляцию шлама посредством как естественной, так и принудительной конвекции. Аналогичная штопорообразная. траектория потока разработана в ферментере.
[00159] Для дальнейшего увеличения восходящего потока нагретого шлама около центральной стенки биогаз может быть удален из области хранения биогаза в ферментере под давлением газовой центрифуги или нагнетателя с вращающимися лопастями и введен в нагретый шлам через сопла, расположенные на трубопроводе. Это введение переработанного биогаза вблизи дна ферментера служит для увеличения быстроты движения нагретого шлама по штопорообразной траектории.
[00160] U-форма ферментера приводит к длинному пути потока шлама и, таким образом, длительному времени обработки около двадцати дней. Так как шлам проходит через реактор, анаэробная переработка перерабатывает шлам в активный шлам. Из ферментера активированный шлам поступает в дополнительный отстойник и в шламонакопитель 30. Отстойник использует силу тяжести для разделения активного шлама на жидкую и твердую части.
[00161] Сборник стоков
[00162] Система извлечения питательных веществ содержит сборник стоков (20). Сборник стоков отделен от анаэробного ферментера (20) стенкой (111). Прямоток сточных вод и анаэробный ферментер могут делить одну или нескольких общих внешних стен (112 и 113). Прямоток сточных вод также может включать свободное пространство для сбора газа.
[00163] В одном из вариантов осуществления стоки анаэробного ферментера 20 могут течь самотеком, или они могут быть закачаны в изолированный прямоток сточных вод 110. В одном из вариантов осуществления стоки анаэробного ферментера выгружают из реактора, сохраняя при этом целостность газа. Выгрузку стоков анаэробного ферментера проектируют так, чтобы максимизировать турбулентность, тонкий пленочный поток и контакт с наружным воздухом. Этот процесс выгрузки приводит к дегазации пересыщенного газа метана для большего производства газа и окружающей среды/климат-контроля.
[00164] В одном из вариантов осуществления полученная в результате смесь метан/воздух могут быть повторно закачана в анаэробный ферментер для усиления смешивания и увеличения производства биогаза. Кроме того, повторно закачанная смесь метан/воздух может помочь в снижении содержания сероводорода в реакторе.
[00165] Температура стоков анаэробного ферментера 20 может быть повышена, так как она проходит через первый сосуд в процессе поршневого потока до приемлемой 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 и от 175°F до 195°F.
[00166] В варианте осуществления стоки анаэробного ферментера нагревают с помощью расширенной выхлопной системы рекуперации тепла для дальнейшей термообработки стоков и волокнистого твердого остатка до стандартов патогена класса А.
[00167] Время гидравлического удержания (HRT) стоков в сосуде может быть верифицировано в соответствии с ЕРА стандартами США. Время гидравлического удержания может варьироваться, в зависимости от критериев проектирования, от 30 минут до 48 часов или от 4 часов до 36 часов или от 8 часов до 24 часов и от 12 часов до 16 часов.
2
3
2
3
[00168] Сборник стоков 110 будет иметь свободное пространство для газа над уровнем жидкости и под верхним краем сосуда, будет герметично закрытым и работать под вакуумом. Стоки 20 в сборнике стоков будут нагреваться и перемешиваться посредством накачивания нагретого газа, в том числе, но без ограничений, воздуха, через инжектор (струйный насос) или сопла Беккера 120. Нагретый газ будет закачиваться в жидкость в нижней части сборника стоков, обусловливая винтообразный перемешивающий эффект. Нагретый воздух может быть доставлен с окружающим воздухом через кросс-теплообменник 122, с выхлопом из двигателя биогазовой генераторной установки, обеспечивая поток нагретого воздуха. Нагретые стоки, взболтанные воздухом, высвободят подавляющее количество СО и некоторое количество NH, захваченного жидкими отходами. Высвобождение СО из жидких отходов приведет к росту рН в жидких отходах, повышая эффективность удаления NH. Значение рН может быть использовано в качестве индикатора того, насколько пересыщенный газ был высвобожден. Значение рН также может быть использовано в качестве индикатора для определения, какие питательные вещества могут быть извлечены.
2
[00169] Без связи с какой-либо конкретной теорией, считается, что аэрация делает возможным продуцирование пересыщенных газов, в том числе, но без ограничений, CO, и что высокая температура усиливает кинетику, делая возможным более быстрое высвобождение пересыщенных газов. Посредством аэрирования стоков рН увеличивается и газы, которые могут столкнуться с естественной флокуляцией и оседанием, удаляются.
[00170] В варианте осуществления скорость аэрации может быть любой скоростью, способствующей высвобождению растворенных газов, которые становятся пересыщенными в результате аэрации, в том числе, 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 от 10 галлонов/куб фт/мин до 100 галлонов/куб фт/мин или от 25 галлонов/куб фт/мин до 80 галлонов/куб фт/мин или от 40 галлонов/куб фт/мин до 50 галлонов/куб фт/мин. В одном из вариантов осуществления могут быть использованы мешки для микроаэрации.
[00171] В одном из вариантов осуществления временем аэрации может быть любое количество времени, способствующее высвобождению растворенных газов, которые становятся пересыщенными в результате аэрации, в том числе, но без ограничений, от 15 минут 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.
[00172] В варианте осуществления выбранная скорость аэрации обеспечивает удаление растворенных газов, которые становятся пересыщенными в результате аэрации и поддержания уровня имеющегося в наличии твердого остатка, такого как кальций и магний, связанные с фосфатами. В одном из вариантов осуществления скорость аэрации не вызывает растворения твердого остатка, такого как кальций и магний, связанных с фосфатами или струвита-частиц, которые позволили бы высвободить больше свободных фосфатов.
[00173] В варианте 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, чем 12,0.
[00174] В еще одном варианте осуществления источник аэрации предназначен для получения пузырьков определенного размера, включая, но без ограничений, пузыри, полученные посредством микроаэрации.
[00175] Дегазационная колонна
[00176] Система извлечения питательных веществ также включает в себя дегазационную колонну (140). Дегазационная колонна используется для поглощения газообразного аммиака и стабилизации его до солевого раствора аммония, который может быть более концентрированным и который можно легко хранить. Коротко, очистка представляет собой методику перегонки, которая включает разделение  жидких компонентов посредством разницы в температуре кипения или давлении пара. Обычными средствами разделения являются средства разделения посредством колонны или башни, которые комплектуются одним или более различными вспомогательными материалами, т.е. кольцами Полла, кольцами Рашига, седла Берля и т.д., для увеличения поверхности контакта. Отделитель (например, горячий воздух или пар, или, в одном из вариантов осуществления, ненагретый воздух) вводят в нижнюю часть башни и аммиаксодержащий раствор вводят в верхнюю часть башни или вблизи верхней части. Так как аммиаксодержащая жидкость стекает вниз через насадку, она контактирует с восходящим горячим паром и более летучая фракция аммиака испаряется и может быть собрана и дополнительно обработана. Менее летучий жидкий компонент становится все чище по мере приближения к нижней части башни, где он может быть собран. Патент США №7909995, опубликованный 22 марта 2011 года, предоставляет дополнительную информацию о конструкции дегазационных колонн и систем извлечения питательных веществ, и специально включен в данном документе в виде ссылки в полном объеме.
[00177] Дегазационная колонна является устройством, которое может содержать едкие кислоты, включая, но без ограничений, серную кислоту, азотную кислоту, угольную кислоту, соляную кислоту, фосфорную кислоту. Дегазационные колонны могут также содержать вакуумные вентиляторы и насосы.
[00178] В одном из вариантов осуществления дегазационная колонна может быть использована для сбора соли аммония, включая, но без ограничений, карбонат аммония, сульфат аммония, хлорид аммония, нитрат аммония и фосфат аммония.
[00179] В отличие от традиционных способов, которые пропускают навоз через дегазационные колонны, может быть использован поршневой поток аэрации. Это позволяет избежать засорения, которое рассматривается как налет дегазационных колонн. Кроме того, типичные дегазационные колонны ориентированы на высокую эффективность за счет очень высокой скорости аэрации. Эти скорости аэрации часто связаны с перепадами давления и высокими потребностями в электричестве.
[00180] В одном из вариантов осуществления удаления аммиака осуществляется с использованием конструкции башни с замкнутым циклом, которая использует воздух в качестве отделителя и включает в себя систему поглощения кислоты для захвата аммиака в виде соли аммония. Воздух может быть использован для этого процесса, потому что, хотя он не имеет настолько высокой способности к поглощению аммиака, насколько другие возможные транспортирующие газы, воздух является недорогим и регулирование необходимого рН может поддерживаться на относительно низком уровне (например, рН 10), потому что процесс использует преимущества горячего (около 32-35°С) навоза стоков, поступающих от анаэробного ферментера с целью компенсации.
[00181] В одном из вариантов осуществления выходящий воздух под вакуумом в сборнике стоков 110 будет передан в заполненную дегазационную колонну 140, где промывочная жидкость серной кислоты, в этом примере, понизит рН воздушного потока и создаст раствор, содержащий сульфат аммония. Раствор может включать в себя суспензию аммониевой соли, содержащей от примерно 30% до примерно 60% сульфата аммония. Сульфат аммония может быть собран и использован в качестве удобрения.
[00182] В одном из вариантов может быть использована конструкция одиночной башни. Одиночная башня включает в себя загрузку стоков для удаления аммиака и загрузку кислоты для поглощения кислоты. Воздух направляется в нижнюю часть башни с помощью вентилятора или нагнетателя. Воздух циркулирует в замкнутой системе, что делает возможным повышение извлечения аммиака и снижение энергозатрат, так как воздух, без влияния извне, сохраняет свою температуру в течение длительного периода времени. В некоторых вариантах осуществления воздух нагревается, например, до температуры около 50°С или в диапазоне примерно от 40°С до 60°С.
[00183] Сепаратор жидкой/твердой фаз
[00184] Система извлечения питательных веществ также включает в себя сепаратор жидкой/твердой фаз (130), который может быть использован для отделения жидкостей от твердого остатка. Любой тип сепаратора жидкой/твердой фаз может быть использован. Одним из примеров сепаратора жидкой/твердой фаз является сепаратор для обезвоживания навоза и шлама Puxin, предоставленный Shenzhen Puxin Science and Technology.
[00185] Сепаратор Puxin состоит из пресса, шламового насоса, пульта управления и трубопроводов. Он в основном используется для отделения твердых и жидких фаз навоза, такого как коровий навоз, свиной навоз, птичий помет и т.д., с целью получения сухого навоза. Оборудование работает по способу непрерывного винтового прессования, и он может быть применен к навозу или шламу с размером твердой частицы ≥0,5-1,0 мм.
[00186] В конце специально определенного времени гидравлического удержания, все стерилизованные стоки анаэробного ферментера будет перекачиваться в сепаратор жидкой и твердой фаз 130; имея в результате отделенный поток твердого остатка 135, который будет соответствовать критериям биологического твердого остатка класса А и отделенного потока жидкости 137, который также будут стерилизованным и свободным от патогена. Отделенные твердые вещества и отделенная жидкость будут с пониженным содержанием аммиака. Полученный сульфат аммония будет высококачественным природным аммонием, найденным в органических отходах и будет иметь химическую форму, которую проще использовать и сбывать. Отделенный твердый остаток может быть использован в качестве подстилок для животных, в садоводстве или в качестве удобрения.
[00187] Воздухонепроницаемый сосуд, включающий аэрационный реактор и отстойную систему для удаления твердого остатка
[00188] Система извлечения питательных веществ также включает в себя одно- или многокамерный воздухонепроницаемый сосуд. Воздухонепроницаемый сосуд может содержать одну, две, три, четыре, пять или более пяти камер. Камеры могут совместно использовать общие стенки или могут быть полностью изолированными. Камеры могут иметь аналогичные размеры и конструкции или уникальные размеры и конструкции. Две или более двух камер могут иметь одинаковые размеры и конструкции. Камеры могут быть изготовлены из аналогичных материалов или из различных материалов.
[00189] Сепаратор потока жидкости с температурой, поддерживаемой на уровне от 130°F до 180°F или от 140°F до 160°F, может быть перемещен в однокамерный или многокамерный воздухонепроницаемый сосуд. Трехкамерный воздухонепроницаемый сосуд 145 показан на фиг.2. Первая камера 150 отделена от второй камеры 160 парапетной стеной. Вторая камера 160 отделена от третьей камеры 170 парапетной стеной.
[00190] В варианте осуществления парапетная стена может быть изготовлена из любого подходящего материала, который сохраняет особенности камер, включая, но без ограничений, пластик ПВХ, полиэтилен, полипропилен, метакриловую или акриловую пластмассы, армированный стеклопластик (FRP) или нержавеющую сталь.
[00191] В варианте осуществления первая и третья камеры могут иметь любую форму или величину, которые обеспечивают желаемый результат, включая, но без ограничений, прямоугольник, квадрат, треугольник, круг, пятиугольник и форму V-образного надреза. Один или несколько насосов могут быть расположены на дне или вблизи дна первой и/или третьей камеры.
[00192] а. Первая камера
[00193] Первая камера 150, которая не может быть использован во всех конфигурациях, будет камерой «застойной зоны», куда будет разрешено переливать жидкость из сепаратора. Значительная доля мельчайшего твердого остатка, который прошел через сепаратор шлама с жидкими стоками, вероятно, будет оседать на дне первой камеры 150 и будет собран и вывезен для обезвоживания. Анаэробно расщепленные жидкости с пониженным содержанием сухих веществ, благодаря процессу разделения, а также при более высокой температуре жидкости, отделяются быстрее и более эффективно. Поток жидкости будет подаваться поршневым потоком через первую камеру 150, разработанную с временем гидравлического удержания от 30 минут до 24 часов или от 60 минут до 18 часов или от 2 часов до 16 часов от 4 часов до 12 часов и от 8 часов до 10 часов. Поток жидкости будет подаваться поршневым потоком во вторую камеру 160.
[00194] b. Вторая камера
[00195] Вторая камера 160 может иметь любую желаемую форму и величину, которая обеспечивает желаемый результат, включая, но без ограничений, прямоугольник, квадрат, круг, треугольник, пятиугольник и форму V-образного надреза.
2
[00196] Во второй камере 160 поток жидкости может быть насыщенным газом с воздухом, который нагревается в теплообменнике выхлопными газами двигателя с CO. Аэрация делает возможным высвобождение супернасыщенных газов, которые препятствуют оседанию. Сопла или форсунки для подачи воздуха во вторую камеру могут быть расположены на дне или вблизи дна второй камеры 160. В еще одном варианте осуществления поток жидкости может быть гидравлически взболтан рециркуляционным насосом или может быть механически взболтан системой пропеллерного взбалтывания. В варианте осуществления перемешивание может происходить в течение подходящего периода времени, в том числе, но без ограничений, от 30 минут до 1 часа, от 1 час до 2 часов, от 2 до 4 часов, от 4 до 6 часов, от 6 до 8 часов, от 8 до 10 часов, от 10 до 12 часов и больше 12 часов. В этом примере вторая камера служит аэрационным реактором.
[00197] В одном из вариантов осуществления поток жидкости будет обладать непрерывным взбалтыванием, которое будет способствовать удалению аммиака, если удаление необходимо.
[00198] Жидкости с высоким уровнем рН включая, но без ограничений, жженую известь или едкую щелочь, могут быть добавлены в поток отделенной жидкости при входе во вторую камеру с целью увеличения рН жидких стоков до подходящего значения, включая, но без ограничений, 9,0-9,1, 9,1-9,2, 9,2-9,3, 9,3-9,4, 9,4-9,5, 9,5-9,6, 9,6-9,7, 9,7-9,8, 9,8-9,9, 9,9-10,0, 10,0-11,0, 11,0-12,0, 12,0-12,5 и более 12,5.
[00199] Польза уменьшения содержания твердого остатка жидких отходов состоит в том, что меньше извести или едкой щелочи требуется для повышения рН данного объема жидкости, благодаря чему уменьшается стоимость химической обработки системы извлечения питательных веществ. Поток жидкости будет подаваться поршневым потоком через вторую камеру 160 воздухонепроницаемого сосуда 140, так как он взболтан с применением способа (винтообразного) взбалтывания смешанного поршневого потока, описанного выше в разделе под заглавием «анаэробные реакторы», и будет тем самым поддерживать постоянное время гидравлического удержания в сосуде.
4
3
2
4
[00200] Увеличение рН стоков анаэробного ферментера до уровня рН около 9,5 или выше, при температуре 140°F или выше, будет преобразовывать растворимый аммонийный азот (NH-N) в нерастворимый летучий аммонийный азот (NH-N). Аммонийный азот 162 будет испаряться быстрее с непрерывным взбалтыванием, предусмотренном в воздухонепроницаемом сосуде и будет собран в свободном пространстве, предусмотренном в сосуде. Вакуумная экстракция газов в свободном пространстве над продуктом будет использоваться для дальнейшего увеличения скорости испарения внутри воздухонепроницаемого сосуда. Впоследствии, за счет использования системы очистки воздуха газовый поток воздуха с жидким раствором HSO с низким рН или аналогичными кислотными химикатами, в дегазационной колонне 140 с поперечным потоком воздуха, аммиак будет удален из потока воздуха и захвачен в качестве жидкого сульфата аммония. Сульфат аммония является очень ценным, совершенно твердым удобрением, используемым фермерами и будет являться потоком поступления для системы удаления питательных веществ. Самое главное, удаления аммонийного азота из жидкого потока отходов решает одну из основных проблем утилизации стоков анаэробного ферментера.
[00201] Важно отметить, что в некоторых заявках конечный пользователь может не испытывать необходимости в извлечении азота или аммиака. Система может быть адаптирована для удовлетворения потребностей и желаний конечных пользователей. В одном из вариантов осуществления система может быть предназначена для извлечения одного или нескольких компонентов, включая, но без ограничений: (а) фосфор; (b) извлеченную аммониевую соль для удобрений с содержанием аммиачной соли; (с) твердые вещества биологического происхождения класса А; (а) фосфор и аммониевую соль; (е) аммониевую соль и твердый остаток биологического происхождения класса A; (f) фосфор и твердый остаток биологического происхождения класса A; (g) фосфор, аммониевая соль и твердый остаток биологического происхождения класса А. Контроль скорости аэрации, времени аэрации и температуры стоков в совокупности способствуют в определении извлечения питательных веществ и степени извлечения.
[00202] с. Третья камера
[00203] Поток жидкости будет подаваться поршневым потоком в третью камеру 170, «застойную зону», без взбалтывания, куда жидкость будет разрешено переливать. Оставшиеся твердые частицы оседают на дно третьей камеры, где они будут удалены с помощью нижнего спуска разделительной системы. Благодаря добавлению жженой извести, с ее высоким рН и компонентов магния, а также высокой температуре взбалтывания, которая предшествовала третьей камере, высокий уровень магний-аммоний-фосфата легко и быстро оседает. Осажденный твердый остаток будет удален из третьей камеры 160 и обезвожен. В этом примере третьей камерой служит отстойная система для удаления твердого остатка.
[00204] В одном из вариантов осуществления осаждение и обезвоживание твердого остатка, богатого питательными веществами стало проще благодаря использованию насоса. В еще одном варианте осуществления кислоты могут быть добавлены с целью конденсации слоя твердого остатка для декантации.
[00205] Магний-аммоний-фосфат также является весьма ценным, легко продаваемым удобрением, используемым фермерами, и он также будет являться потоком поступлений для системы удаления питательных веществ. Благодаря удалению фосфора и большего количества аммония из потока жидких отходов, две крупнейшие проблемы, касающиеся очистки стоков анаэробного ферментера, были устранены. Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, вносят свой вклад в решение многих экологических и нормативных вопросов, с которыми сталкиваются в США производители/лица, отвечающие за удаление жидких органических отходов.
[00206] Теплообменник
[00207] Декантированная жидкость с температурой от 140°F до 175°F будет перекачиваться в теплообменник 180, где температура от декантированной жидкости будет сохраняться нагревом холодных входящих неочищенных органических отходов в передней части системы анаэробного ферментера 10. Это позволит избежать затрат на нагрев в общей системе.
2
[00208] Декантированная жидкость будет течь из теплообменника 180 к системе с насадочной башней для очистки газа с поперечным потоком 190. В этой газоочистной башне 190 декантированная жидкость с высоким значением рН будет подвергаться воздействию биогаза 200 из системы анаэробного ферментера 10. Биогаз 200 анаэробного ферментера обычно имеет содержание сероводорода (HS) 500 мг/м3 или выше и считается очень коррозионноактивным для поршневых двигателей, используемых для преобразования биогаза в мощность для процесса генерации электроэнергии.
2
2
2
2
3
[00209] Реакция в дегазационной колонне 190 с высоким значением рН декантированной жидкости с кислым основанием HS, найденном в потоке биогаза, снижает уровень HS в биогазе до менее чем 50 мг/м. Эта более низкая концентрация HS в биогазе и значительно снижает расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание поршневых двигателей в системе ПВО. Кроме того, высокое значение рН декантированной жидкости теперь снижено до примерно 8,0 после нейтрализации кислых HS, что дает в результате более дружественную в использовании жидкость для фермера/владельца и более легкий вариант утилизации жидкости.
2
2
2
2
[00210] Так как биогаз с примесями пропускают через стоки, примеси, такие как CO и HS удаляют из биогаза путем абсорбции в стоках. Удаление примесей целесообразно, так как это очищает или промывает биогаз, что делает его более пригодным для использования. Абсорбция СО и HS в стоках целесообразна, потому что она снижает рН стоков до приемлемого уровня, например, до рН 8. Барботирование биогаза посредством отгонки аммиака из стоков является выгодным как для сточных вод, так и для биогаза.
[00211] На фиг.3А показан другой вариант системы извлечения питательных веществ 300. Система извлечения питательных веществ 300 подобна системе 100, с некоторыми вариациями в прямотоке сточных вод (110) и двухкамерном воздухонепроницаемом сосуде 310, в отличие от трехкамерного воздухонепроницаемого сосуда.
[00212] Система извлечения питательных веществ 300 содержит сборник стоков 110, который включает в себя теплообменник 315 для нагрева стоков анаэробного ферментера. Прямоток стоков также включает в себя насос для перемещения стоков анаэробного ферментера в первую камеру 320 из двухкамерного воздухонепроницаемого сосуда 310.
2
[00213] Двухкамерный воздухонепроницаемый сосуд 310 имеет первую камеру 320, которая позволяет потоку жидкости взбалтываться газом в смеси с окружающим воздухом и СО выхлопных газов двигателя, который нагревается в теплообменнике 322. В этом примере первая камера 320 служит в качестве аэрационного реактора.
[00214] Сопла или струи 324 для подачи воздуха в камеру 320 могут быть расположены вблизи дна камеры 320. В еще одном варианте осуществления поток жидкости может быть гидравлически взболтан с использованием рециркуляционного насоса или может быть механическим взболтан с помощью системы пропеллерного взбалтывания. В варианте осуществления взбалтывание может быть в течение подходящего периода времени, в том числе, но без ограничений, от 30 минут до 1 часа, от 1 до 2 часов, от 2 до 4 часов, от 4 до 6 часов, от 6 до 8 часов, от 8 до 10 часов, от 10 до 12 часов, 12-18 часов, 18-24 часов, 24-36 часов, 36-48 часов, 48-60 часов, 60-72 часов и больше, чем 72 часа.
[00215] В одном из вариантов осуществления сточные воды доводят до значения рН в пределах от 9,0 до 10,5. В варианте осуществления рН больше чем 9,5 может быть достигнут путем аэрации или аэрации и добавления агента с высоким значением рН, включая, но без ограничений, едкую щелочь или жженую известь. Кроме того, агент с высоким значением рН может быть использован для повышения рН до значения 9,5-10,0, 10,0-10,5, 10,5-11,0, 11,0-11,5, 11,5-12,0, 12,0-12,5 и больше 12,5. Кроме того, агент с высоким значением рН является необязательным и в нем нет потребности.
[00216] Стоки можно закачать в мультисепаратор 130, который отделяет твердый остаток 135 от жидкостей 137. Твердый остаток и жидкости отвечают требованиям твердого остатка биологического происхождения класса А. Жидкие стоки закачивают в камеру 340, которая представляет собой застойную зону. Остальные компоненты, процессы извлечения и регулирование рН жидких стоков соответствуют описанию системы 100.
[00217] На фиг.3В показан еще один вариант системы извлечения питательных веществ 305. Система извлечения питательных веществ 305 подобна системе 300, за исключением того, что используется система с двумя поглотительными башнями (360). Система 305 включает inter alia анаэробный ферментер, илонакопитель 101, прямоток сточных вод 110, разделительное устройство 130, двухкамерный воздухонепроницаемый сосуд 310 и систему с двумя поглотительными башнями (360).
[00218] Анаэробный ферментер
[00219] Любой тип анаэробного ферментера (10) может быть использован, как описано выше. В одном из вариантов осуществления используют смешанный поршневой поток через ферментер. В еще одном варианте осуществления ферментер имеет продолжительность отстаивания, выбранную из группы, включающей 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 и более 30 дней.
[00220] Сборник стоков
2
[00221] В одном из вариантов осуществления стоки анаэробного ферментера 20 могут течь самотеком или их могут закачивать в изолированный сборник стоков 110. По сути, сборник стоков является таким, как описано для системы 100. В одном из вариантов осуществления СО и аммиак из сборника стоков не перекачиваются в систему с двумя поглотительными башнями. Газ подается от свободного пространства сборника стоков к вакуумному компрессору и обратно в анаэробный ферментер. Рециркулирующий газ используется для циркуляции твердых веществ в анаэробном ферментере.
[00222] В еще одном варианте осуществления теплообменник из нержавеющей стали используют для нагрева стоков и снабжают резервуаром с горячей водой для ферментера. Сточные воды нагревают до 160°F в сборнике стоков.
[00223] Воздухонепроницаемый сосуд
[00224] Стоки перекачивают из прямотока сточных вод в однокамерный или многокамерный воздухонепроницаемый сосуд. Двухкамерный воздухонепроницаемый сосуд 310 показан на фиг.3В. Первая камера 320 отделена от второй камеры 340 парапетной стеной.
[00225] В одном из вариантов осуществления парапетная стена может быть изготовлена из любого подходящего материала, который сохраняет особенности камер включая, но без ограничений, пластик ПВХ, полиэтилен, полипропилен, метакриловую или акриловую пластмассы, армированный стеклопластик (FRP) или нержавеющую сталь.
[00226] В варианте осуществления первая и вторая камеры могут быть любой формы или размера, которые обеспечивают желаемый результат, включая, но без ограничений, прямоугольник, квадрат, треугольник, круг, пятиугольник и форму V-образного надреза. Один или несколько насосов могут быть расположены на дне или вблизи дна первой и/или третьей камеры.
[00227] Первая камера (320)
[00228] Первая камера 320 может иметь любую желаемую форму и величину, позволяющую достичь желаемого результата, включая, но без ограничений, прямоугольник, квадрат, круг, треугольник, пятиугольник и форму с V-образным надрезом. Первая камера 320 служит аэрационным реактором.
2
[00229] В первой камере 320 стоки анаэробного ферментера могут быть насыщены газом, получающимся из атмосферного воздуха, который нагревается в теплообменнике (322) с помощью двигателя выхлопных газов CO. Аэрация делает возможным высвобождение супернасыщенных газов, которые препятствуют оседанию. Сопла или струи (324) для подачи воздуха в первую камеру могут быть расположены на или вблизи дна первой камеры 320. В еще одном варианте осуществления поток жидкости может быть гидравлически перемешанным с использованием рециркуляционного насоса или может быть механически перемешанным пропеллерной системой перемешивания. В варианте осуществления перемешивание может быть в течение подходящего периода времени, включая, но не ограничиваясь, от 30 минут до 1 часа, от 1 до 2 часов, от 2 до 4 часов, от 4 до 6 часов от 6 до 8 часов, от 8 до 10 часов, 10 до 12 часов, 12-18 часов, 18-24 часов, 24-36 часов, 36-48 часов, 48-60 часов, 60-72 часов и более 72 часов.
[00230] В варианте осуществления поток жидкости будет иметь непрерывное перемешивание, которое будет способствовать удалению аммиака, если удаление желательно.
[00231] Дополнительно может быть добавлен агент с высоким значением рН. Агент включает жженую известь или аналогичную едкую щелочь, но не ограничивается этим. рН жидких стоков может быть увеличен до приемлемого значения, включая, но не ограничиваясь, 9,0-9,1, 9,1-9,2, 9,2-9,3, 9,3-9,4, 9,4-9,5, 9,5-9,6, 9,6-9,7, 9,7-9,8, 9,8-9,9, 9,9-10,0, 10,0-11,0, 11,0-12,0, 12,0-12,5 и больше 12,5.
[00232] Поток жидкости будет идти поршневым потоком через первую камеру 320 воздухонепроницаемого сосуда 310, так как он взболтан с использованием способа (винтообразного) взбалтывания смешанного поршневого потока, описанного выше в разделе под заглавием «анаэробные реакторы», и будет тем самым поддерживать постоянный HRT в сосуде.
4
3
[00233] Увеличение рН стоков анаэробного ферментера до уровня рН около 9,5 или выше, при температуре 140°F или выше, будет преобразовывать растворимый аммиачный азот (NH-N) в нерастворимый летучий аммиачный азот (NH-N). Аммиачный азот 162 будет испаряться быстрее при непрерывном перемешивании, предусмотренном в герметичном сосуде, и будет собираться в газосборнике, предусмотренном конструкцией сосуда. Вакуумное извлечение газов из газосборника будет использоваться для дальнейшего увеличения скорости испарения внутри герметичного сосуда.
[00234] В еще одном варианте осуществления аэрационный реактор включает в себя теплообменник для нагрева воздуха. Воздуховоздушный теплообменник будет очищать горячий воздух, поступающий из выхлопа дегазационных колонн и нагревать свежий воздух, который имеет температуру окружающей среды. После прохождения через воздуховоздушный теплообменник горячий воздух будет проходить через хвостовой вентилятор (также повышая температуру воздуха) и будет перекачиваться в диффузоры в резервуаре для аэрации. Смесительный клапан устанавливают между вентилятором и воздуховоздушным теплообменником, который будет управлять отключением температурного датчика, который расположен на выходе из вентилятора. Этот смесительный клапан позволяет обходить воздуховоздушный теплообменник, если воздух для подачи к диффузорам слишком горячий.
[00235] В еще одном варианте осуществления конденсат в газообразном аммиаке, который выходит из резервуара для аэрации, контролируется посредством изоляции газопровода между резервуаром для аэрации и дегазационными колоннами. Кроме того, дегазационные колонны могут быть изолированы так же, как и газопровод из дегазационной колонны к воздуховоздушному теплообменнику. В еще одном варианте осуществления газопровод может быть сконструирован с наклоном к резервуару для аэрации прежде, чем идти прямо вниз в дегазационную колонну. Эта конструкция помогает гарантировать, что в случае наличия конденсата, он попадет обратно в резервуар для аэрации, а не в дегазационные колонны.
[00236] В еще одном варианте осуществления выходом из аэрационного реактора является вертикальная труба, которая доходит до 90 градусов в колене в нижней части резервуара и проходит через стену в помповый колодец. На б» выше верхней части этой вертикальной трубы имеется 4'×6'' отверстие, через которое пена может вытекать в случае, если она накапливается внутри резервуара (фиг.3С и фиг.3D). Имеется 15'' труба, которая несет стоки и/или пену к полосе отстаивания. Перфорированный отверстиями размера 4''×6'' экран может быть использован для разрушения пены. Кроме того, наружный борт помпового колодца также может быть использован, откуда пена может поступать непосредственно из отверстия в помповом колодце к полосе отстаивания. Это отверстие позволит отводить только пену, в то время как стоки проходят через 15'' трубы. Наконец, в случае необходимости, в помповый колодец может быть установлен насос для выкачивания стоков из нижней части помпового колодца, и разбрызгивания их наверху колодца для разрушения пены.
[00237] На фиг.3С показано отверстие для пены и выходное 36'' отверстие дымохода в помповом колодце. Отверстие для пены на 6'' выше верхней части дымохода и расположено там, чтобы позволить пене, образующейся в резервуаре для аэрации, течь к помповому насосу, где она может обрабатываться. Сточная труба к полосе отстаивания в северной стене с восточной стороны является выходным отверстием для пены и стоков из резервуара для аэрации. Она течет самотеком оттуда к линии отстаивания.
[00238] На фиг.3D изображены помповый колодец слева и резервуар для аэрации справа. Дымоход берет жидкость из верхней части резервуар для аэрации и позволяет ей течь в нижней части помпового колодца. Отверстие для пены на 6'' выше верхней части дымохода.
[00239] Сепаратор жидкой/твердой фаз
[00240] В конце проектного времени гидравлического удержания, стоки анаэробного ферментера будут перекачиваться из первой камеры (320) в сепаратор жидкой/твердой фаз 130; что в результате даст отделенный поток твердых веществ 135, соответствующих критериям биологических твердых веществ класса А и отделенный поток жидкости 137, стерилизованный и свободный от патогена. Отделенные твердые вещества и отделенная жидкость будут с пониженным содержанием аммонийного азота. Полученный сульфат аммония будет являться высококачественной утилизацией природного аммония, находящегося в органических отходах и находиться в химической форме, которую проще использовать и сбывать. Отделенные твердые вещества могут быть использованы в качестве подстилок для животных, в садоводстве или в качестве удобрения. Жидкость класса А закачивается обратно в свободное пространство герметичного сосуда (310).
[00241] Двухбашенная выделительная система
[00242] Система, которая используется для выделения аммиака, может быть любой подходящей конструкции. Например, может быть использована двухбашенная система. В двухбашенной системе первая башня используется для удаления аммиака. Сточные воды стоков вводят в верхнюю часть первой башни. Воздух направляется в нижнюю часть первой башни с помощью вентилятора или нагнетателя. Воздух накапливает испаренный аммиак и с давлением, созданным вентилятором или нагнетателем, направляется в нижнюю часть второй башни. Этот обогащенный аммиаком воздух выдувается вверх, в то время как кислота посылается из верхней части второй башни вниз через эту среду, поглощая аммиак из воздуха. Полученный в результате воздух, теперь без аммиака, возвращается в нижнюю часть первой башни для продолжения процесса. В этом примере кислота, введенная во вторую башню, является серной кислотой, но ею может быть любая кислота, которая может соединяться с аммиаком для образования аммиачной соли.
[00243] В одном из вариантов осуществления тепло подается от избыточного тепла от генератора процесса анаэробной ферментации. Тем не менее, в предпочтительном варианте осуществления изобретения воздух нагревается не напрямую, а косвенным путем посредством постоянного ввода навозных сточных вод из аэробного ферментера, имеющих температуру 30-35°С, и является рециркулирующим и повторно используемым непрерывно. Воздух поступает в нижнюю часть секции отгонки и течет вверх, поглощая газообразный аммиак при движении в направлении верхней части башенной секции отгонки аммиака. Действие потока в сочетании с использованием нагнетателя или вентилятора посылает насыщенный аммиаком воздух в кислотную секцию башни. В одном из вариантов осуществления кислотная секция содержит серную кислоту, и по мере того, как насыщенный аммиаком воздух проходит через кислоту, аммиак вступает в реакцию с кислотой с образованием раствора сульфата аммония, который удаляется. В результате обедненный аммиаком воздух затем направляется обратно к секции отгонки аккумулировать дополнительный аммиак и так далее. Результатом является непрерывная, замкнутая система, в которой тот же воздух может непрерывно быть использован для поглощения и высвобождения аммиака снова и снова, что приводит к значительной экономии средств в отношении электрической и тепловой энергии.
[00244] Стандартные системы для отгонки аммиака не предназначены для борьбы с обычным количеством твердых веществ в стоках анаэробного ферментера. В то время как кислотная поглотительная башня (двухбашенная система) или кислотный поглотительный сегмент башни в единой системе башни могут использовать обычный небольшой упаковочный материал для того, чтобы воспользоваться ее высокой эффективностью, стоки анаэробного ферментера могут иметь тенденцию засорять небольшим упаковочным материалом секцию отгонки аммиака. Дегазационные колонны, описанные в данном документе, могут, следовательно, быть специально разработанными для решения этой проблемы, причем дизайн башни может быть адаптирован под конкретный тип отходов животноводства, которые подлежат переработке.
2
3
[00245] В одном из вариантов осуществления используется традиционная башня, но упакованная грубым упаковочным материалом и используются относительно невысокие упаковки. Например, башня с внутренним диаметром 4'' с 1'' кольцом Палля и упаковкой высотой 5' может быть использована с подачей потока до не менее чем 10 г/л ТС. В целом, могут использоваться пластиковые упаковочные материалы с номинальным диаметром не менее 2» и удельной площадью 80-120 м/м. Хотя меньшего размера упаковочный материал и упаковочный материал с более высокой удельной площадью поверхности и будет лучшим для переноса массы, он будет легче забиваться. Высота нижней упаковки (3-5 м) по сравнению с обычными 6,1-7,6 м. является также предпочтительной для уменьшения засорения.
[00246] В еще одном варианте осуществления может быть использована тарельчатая колонна со специально разработанными антизасоряющимися тарелками. Тарелка может быть существенно плоской и содержать один или более газотоков, и, возможно, одно или несколько дополнительных отверстий, обеспечивающих течение воздуха и жидкости через различные тарелки. Газотоки оборудованы покрытием, которое находится от них на некотором расстоянии и защищает газотоки от закупоривания упаковочным материалом. Кроме того, покрытие открывается в ту же сторону, в которую движется поток газа и жидкости. Тарелка может быть любой подходящей формы, например, практически круглой, квадратной и т.д., лишь бы тарелки должным образом вместились и могли быть стабильно закреплены в тарельчатой колонне.
3
3
3
3
[00247] Возвращаясь теперь к фиг.3В, NH газ (162) в газоотделителе герметичного сосуда (310) будет подан к двухбашенной кислотной системе (360), где регулируемое количество серной кислоты входит в контакт с аммиаком в воздухе и производит биоудобрение на основе растворенного сульфата аммония. NH газ (162) подают по трубопроводу в резервуар два (370) двухбашенной системы (360). Серная кислота закачивается в резервуар 1 (380) из двухбашенной системы (360). Избыточный кислый раствор подают по трубопроводу в резервуар два (370), который смешивается с NH газом из верхнего пространства герметичного сосуда (310). Остаточный NH газ подают по трубопроводу в резервуар 1 (380), и кругооборот продолжается с избыточным кислым раствором, подаваемым обратно в резервуар 2 (370). В этом примере используется серная кислота, но, как уже оговаривалось выше, могут быть использованы многочисленные виды кислот. Серная кислота снизит рН воздушного потока и создаст раствор, содержащий сульфат аммония. Раствор может содержать суспензию аммнониевой соли, содержащей от 30% до примерно 60% сульфата аммония. Сульфат аммония может быть собран и использован в качестве удобрения. Полученная аммониевая соль будет зависеть от используемой кислоты. Для ясности, в этом примере используется серная кислота, но, как уже говорилось ранее, может быть использована любая подходящая кислота для получения соответствующей аммониевой соли.
2
4
[00248] В дальнейшем, за счет использования системы очистки воздуха газового воздушного потока с низким рН жидкого раствора HSO или аналогичного кислого химического реагента, в поперечном течении кислотной системы с двумя башнями 360, аммиак будет удален из воздушного потока и захвачен в качестве жидкого сульфата аммония. Сульфат аммония является очень ценным, слегка твердым удобрением, используемым фермерами и он составит поток доходов для системы удаления питательных веществ. Самое главное, что удаление аммонийного азота из жидкого потока отходов решает одну из основных проблем утилизации стоков анаэробного ферментера.
[00249] Вторая камера
[00250] Поток жидкости будет идти поршневым потоком во вторую камеру 340, «тихую зону» без взбалтывания, где жидкость сможет отстояться. Оставшиеся твердые частицы осядут на дно второй камеры, где они будут удалены через нижний спуск разделительной системы. Аэрация и высокая температура, которая предшествовала второй камере, производит высокий уровень твердых веществ, таких как кальциевые и магниевые фосфаты и магний-аммоний-фосфаты, которые оседают легко и быстро. Осажденные твердые вещества будут удалены из второй камеры 340 и обезвожены.
[00251] В варианте осуществления осаждение и обезвоживание твердых веществ богатых питательными веществами стало проще благодаря использованию основного насоса. В еще одном варианте осуществления может быть добавлена кислота с целью конденсации слоя твердых веществ для их осаждения.
[00252] Магний-аммоний-фосфат также является весьма ценным, легко продаваемым удобрением, используемым фермерами, и он также будет являться источником доходов для системы удаления питательных веществ. Благодаря удалению фосфора и большего количества аммония из потока жидких отходов, были устранены две крупнейшие проблемы, касающиеся очистки стоков анаэробного ферментера. Способы, системы и устройства, описанные в данном документе, вносят свой вклад в решение многих экологических и нормативных вопросов, с которыми в США сталкиваются производители /лица, отвечающие за удаление жидких органических отходов.
[00253] Остальные компоненты, включая теплообменник системы извлечения питательных веществ 305, являются такими же, как в описании для системы извлечения питательных веществ 100.
[00254] На фиг.4 показан вариант системы извлечения питательных веществ 400, изображающий один из возможных макетов системы. Как правило, для хранения отходов имеется яма с субстратом (405) и навозная яма (406). Система 400 включает в себя анаэробный ферментер (410). Отходы транспортируются из навозных ям (406) в анаэробный ферментер (410). Отходы транспортируются из реактора в прямоток сточных вод, где материал можно нагреть.
[00255] Система 400 также включает в себя камеру отделения волокна (420). Отходы транспортируются в камеру отделения волокна (420), где можно разделить твердые вещества и жидкости.
[00256] Система 400 также включает в себя аэрационный реактор (430). Сточные воды анаэробного ферментера транспортируются в аэрационный реактор, где стоки нагреваются до нужной температуры, включая, но без ограничений, 50-55, 55-60, 60-65, 65-70 и 70-80°С. Стоки также аэрируют в пределах параметров, обсуждаемых здесь.
4
3
3
[00257] Система 400 также включает в себя систему с поглотительной башней (440), состоящей из двух резервуаров кислоты. Система с поглотительной башней может состоять из 1, 2, 3, 4, 5 или более 5 резервуаров кислоты. Аэрация и повышение рН сдвигает равновесие растворимого аммонийного азота (NH-N) к нерастворимому летучему аммиачному азоту (NH-N). NH газ подают в систему поглотительной башни, где регулируемое количество серной кислоты входит в контакт с аммиаком в воздухе и производит био-удобрение на основе растворенного сульфата аммония (450).
[00258] Система также включает отстойную систему для удаления твердых веществ, и, как представлено на фиг.4, отстойная система может быть водосливом (470). Водослив (470) является тихой зоной, для оседания твердого осадка. Отстойник (460) перекачивает стоки из аэрационного реактора (430) в водослив (470). Фосфорсодержащий осадок собирают из водослива.
[00259] Богатые фосфатами твердые вещества могут быть удалены из стоков анаэробного ферментера с использованием любой из множества известных технологий отстаивания. В зависимости от типа и состояния перерабатываемых отходов, может быть выгодным также осуществлять начальные механические разделительные (например, ленточный пресс, наклонный экран и т.д.) этапы для удаления крупных твердых веществ и твердых примесей перед отстаиванием.
[00260] Осаждение твердых веществ может быть осуществлено любым из нескольких биологических или химических способов, которые известны специалистам в данной области. В одном из вариантов осуществления используется химическая процедура, примеры которой включают осаждение, флокуляцию, коагуляцию, электрокоагуляцию, кристаллизацию струвита и т.д., но не ограничиваются ими. Одним из способов является осаждение в сочетании с флокуляцией.
[00261] Флокуляции включает в себя удаление фосфатов и других взвешенных твердых частиц через физические процессы разделения твердой и жидкой фаз, таких как осаждение, процеживание (скрининг) и фильтрация. Эти процессы, без добавления коагулянта и/или хлопьевидных полимеров, как правило, имеют низкую эффективность, поскольку большинство твердых тел представлено в мелкодисперсной форме в навозных сточных водах. Броуновское движение и мелкодисперсная масса производят очень медленное осаждение коллоидных частиц. Коагулянты и флокулянты могут быть использованы для улучшения удаления твердого вещества и фосфатов путем объединения мелких частиц с целью обеспечения быстрого оседания и скрининга. Широко распространенные коагулянты, которые могут быть использованы в практике изобретения, включают неорганические соединения, такие как сульфат алюминия (квасцы), сульфат железа и известь (СаО), но не ограничиваются ими. Также могут быть использованы полиакриламиды (PAMs), которые являются водорастворимыми полимерами с высоким молекулярным весом и длинной цепью.
[00262] Добавление коагулянтов и/или флокулянтов дестабилизирует взвешенные заряженные частицы и строит «мосты» между взвешенными частицами, давая в результате более крупную частицу или хлопья, которые легче отделить из жидких стоков. Кроме того, большинство мелких взвешенных частиц в сточных водах заряжены отрицательно. Отрицательный поверхностный заряд удерживает частицы рассеянными в сточных водах благодаря электростатическому двигателю, приводящему в результате к стабильности мелкодисперсной суспензии. Стабильность должна быть разрушена до того, как частицы могут быть объединены, например, путем добавления полимерных катионных флокулянтов. Катионные полимеры имеют многочисленные аминогруппы с сильными положительными зарядами, которые нейтрализуют отрицательные заряды на поверхности частицы, и они могут таким образом быть использованы для нейтрализации поверхностных зарядов мелких частиц в сточных водах. Кроме того, полимеры могут выступать в качестве «моста» между взвешенными частицами, и частицы, соединенные мостиковой связью, взаимодействуют с другими частицами, приводя к увеличению размера хлопьев, повышая тем самым оседание частиц.
[00263] Несколько типов катионных флокулянтов являются подходящими для использования в навозных стоках. Они включают полиэтиленимины (Пейс), которые включают разветвленные полимеры с различными молекулярными массами и положительными зарядами, и сильные катионные полимеры, такие как доступные к, продаже у KlarAid PC, но не ограничиваются ими.
[00264] В одном из вариантов осуществления многие из твердых частиц удаляются посредством осаждения, а остальные богатые фосфором твердые частицы подлежат удалению посредством флокуляции с использованием сильных катионных полиаминовых полимеров. Два полиаминовых полимера могут быть добавлены в сточные воды. Первым из них является катионный полимер с низкой молекулярной массой (ММ) в диапазоне от около 3000 до около 15000. Главной целью добавления таких полимеров с низкой молекулярной массой является дестабилизация отрицательно заряженных частиц посредством нейтрализации заряда. Дозировка этого полимера зависит от содержания частиц и плотности заряда. В одном из вариантов осуществления частицы сохраняют слабый отрицательный заряд после добавления полимера с низкой молекулярной массой. Затем добавляют второй полимер, и он адсорбируется на поверхности частиц, образуя большие хлопья, которые образуют осадок в сточных водах, или же могут быть удалены иным способом. Предпочтительная молекулярная масса второго катионного полимера будет в диапазоне примерно от 0,7 млн до примерно 2,0 миллиона.
[00265] После того, как твердые вещества из стоков анаэробного ферментера дали осадок в достаточной степени, их отделяют от надосадочной жидкости. Это может быть достигнуто любым подходящим способом, например, путем откачки надосадочной жидкости в приемный резервуар и фильтрации осадка, или, наоборот, путем откачки осадка. Твердые вещества, которые присутствуют в виде шлама, богаты фосфором и могут быть извлечены и использованы в качестве удобрения или для обогащения удобрений, с дальнейшей обработкой, например, сушки, обезвоживания и т.д. или без нее. Обезвоживание твердого осадка (шлама) может быть необходимо для того, чтобы уменьшить объем шлама и увеличить объем жидкости для извлечения аммонийного азота. Для этого может быть использовано любое подходящее для обезвоживания средство, например, тиски или другой тип пресса. Как уже указывалось ранее для других твердых веществ, обезвоженный шлам могут быть экспортирован с фермы или проданы как богатое фосфором удобрение.
[00266] Система также включает отстойник (480), который качает стоки в отстойный бассейн. В одном из вариантов осуществления стоки в отстойном бассейне удовлетворяют требованиям, чтобы считаться жидкостью класса А.
[00267] Система 400 может также включать закрытое отделение электрооборудования (490) и отделение для хранения кислот (495).
[00268] Системы извлечения питательных веществ могут быть изменены и скорректированы с целью включения некоторых ранее описанных компонентов или эквивалентов этих компонентов.
[00269] Устройство для извлечения питательных веществ
[00270] Обращаясь снова к фиг.4, устройство для извлечения питательных веществ может включать сепаратор волокна (420), аэрационный реактор (430), систему поглотительной башни (440) и отстойную систему для удаления твердых веществ (470). Поглотительная башня может состоять из одного или более чем одного резервуара кислоты. Система также может включать анаэробный реактор.
[00271] В еще одном варианте осуществления устройство для извлечения питательных веществ может включать устройство хранения аммониевой соли (450). В еще одном варианте осуществления устройство для извлечения питательных веществ может включать место хранения кислот (495).
[00272] В варианте осуществления предоставляется устройство для извлечения питательных веществ. В одном из вариантов осуществления устройство для извлечения питательных веществ состоит из одно- или многокамерного сосуда, насосов, вакуумных нагнетателей, труб и аналогичных устройств для соединения компонентов, а также один или несколько устройств для изоляции кислоты.
[00273] В одном варианте осуществления устройство может содержать сосуд, разделенный на одну или более чем одну камеру, включая, но не ограничиваясь этим, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и более 10 камер. В еще одном варианте осуществления может быть использовано одновременно или последовательно более одного устройства извлечение питательных веществ.
[00274] В варианте осуществления камеры сосуда могут быть одинакового размера, величин и формы. В еще одном варианте осуществления более чем одна камера сосуда может быть того же размера, формы и величин. В еще одном варианте осуществления ни одна из камер не имеет одинаковый размер, форму и величины.
[00275] В варианте осуществления одна или более чем одна камера может иметь насос, расположенный в камере. Насосы могут быть расположены на дне или около дна камеры или расположены на боковых стенках камеры, или расположены под потолком камеры недалеко от уровня жидкости в камере. Насосы могут быть расположены в более чем одном месте.
[00276] В одном варианте осуществления устройство содержит трехкамерный сосуд со свободным пространством для газа над уровнем жидкости и под потолком сосуда. В варианте осуществления трехкамерный сосуд может быть герметичным и эксплуатируемым под вакуумом. В еще одном варианте осуществления все три камеры могут быть разных размеров, величин и формы. В еще одном варианте осуществления две из трех камер могут быть одинакового размера, величин и формы.
[00277] В одном из вариантов осуществления трехкамерный сосуд включает первую камеру в форме пятиугольника или в форме с V-образным надрезом. Первая камера может быть использована для обеспечения оседания твердых тел. Первая камера отделена от второй камеры парапетной стеной.
[00278] В варианте осуществления вторая камера имеет прямоугольную форму, причем включает в себя сопла Беккера или струи для распыления газа, включая, но не ограничиваясь, воздух. Сопла Беккера или струи могут быть расположены на дне или вблизи дна второй камеры. В еще одном варианте осуществления вторая камера используется для добавления агентов с высоким значением рН, включая, но не ограничиваясь, едкую щелочь или жженую известь. Вторая камера отделена от третьей камеры парапетной стеной.
[00279] В варианте осуществления третья камера имеет такую же величину, форму и размеры, что и первая камера. Третья камера может быть использована для обеспечения возможности оседания твердых частиц и для сбора богатых питательными веществами твердых тел.
[00280] В одном из вариантов устройство включает двухкамерный сосуд со свободным пространством для газа над уровнем жидкости и под потолком сосуда. В варианте осуществления двухкамерный сосуд может быть герметичным и эксплуатируемым под вакуумом.
[00281] В одном из вариантов осуществления двухкамерный сосуд включает первую камеру. Первая камера может быть прямоугольной формы. В варианте осуществления первая камера двухкамерного сосуда может иметь сопла Беккера или струи, расположенные на нижнем этаже части камеры или вблизи нее. Первая камера двухкамерного сосуда может быть отделена от второй камеры парапетной стеной.
[00282] В варианте осуществления вторая камера имеет форму пятиугольника или форму с V-образным надрезом. Вторая камера может быть использована для осаждения твердых тел и для сбора богатых питательными веществами твердых тел.
3
3
2
4
[00283] В одном из вариантов осуществления пространство над сосудом используется для сбора NH газа. NH газ может быть перекачан к газу дегазационной колонны с HSO или азотной кислотой. Газ дегазационной колонны может быть использован для производства суспензии сульфата аммония, содержащей от 20% до 70% и твердых веществ с сульфатом аммония.
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
[00284] В еще одном варианте осуществления жидкие стоки из последней камеры сосуда (камеры, откуда собирается богатый питательными веществами твердый осадок) можно закачать в теплообменник. Тепло от жидких стоков может быть использовано для нагрева неочищенных отходов в анаэробном реакторе. Жидкость, которая имеет высокое значение рН, включая, но без ограничений, 9,0 до 10,0, может быть передана через газ дегазационной колонны с биогазом, содержащим HS. Биогаз может составлять от 200 мг/м до 600 мг/м или от 300 мг/м до 500 мг/м HS. Газ дегазационной колонны будет производить жидкие стоки с более низким рН, включая, но без ограничений, 8,0-8,6, которые могут быть использованы в различных безопасных применениях. Кроме того, концентрация HS в биогазе будет снижена до приемлемого значения, включая, но без ограничений, 15-25 мг/м, 25-45 мг/м, 45-55 мг/м и 55-100 мг/м. В варианте осуществления биогаз содержит HS в концентрации менее 50 мг/м.
[00285] Изобретение описывается здесь со ссылкой на следующие примеры. Эти примеры приведены только в качестве иллюстрации, и изобретение никоим образом не должно рассматриваться как ограниченное этими примерами, а, скорее, должно быть истолковано как охватывающее любые изменения, которые становятся очевидными в результате обучения, предоставляемого настоящим документом. Все ссылки, в том числе, но, не ограничиваясь, на патенты США, выданные заявки на патент США, опубликованные или патентные заявки США, включены в эту спецификацию в качестве ссылки в полном объеме.
[00286] ПРИМЕР 1
2
4
2
2
2
2
[00287] Во время анаэробной переработки значительное количество СО и даже некоторое количество CH, создаваемое в ходе биологического процесса может оказаться растворенным и/или пересыщенным в стоках. СО в анаэробно переработанных стоках становится пересыщенным, потому что парциальное давление СО воздуха меньше, чем биогаза в анаэробном реакторе. Этим пузырькам СО трудно вырваться из навоза, потому что в нем содержится слишком много взвешенных твердых частиц. Пересыщенные газы вмешиваются в процесс естественной флокуляции и оседания. Кроме того, наличие пузырьков CO В навозе использует долю воды, образуя газо-водяной слоя, что приводит к увеличению силы электростатического отталкивания частиц в навозе и затрудняет оседание твердых веществ.
2
2
2
2
[00288] На фигуре 5А показано изображение микро-пузырьков в жидких стоках анаэробной переработки, иллюстрируя, что эти пузыри возникают в количестве, достаточном для нарушения силы притяжения с выталкивающими силами и микротурбулентностью, которые они вызывают. Пересыщенный CO высвобождается из жидкости в виде мелких пузырьков. После 40 мин аэрации с 50 мл/мин воздуха через 200 мл анаэробно переработанного навоза, мелкие пузырьки CO исчезли (рис.56). Аэрация может удалить пузырьки CO в навозе и увеличить рН навоза (фиг.6). Во время аэрации пересыщенный СО высвобождается из жидкой в газовую фазу.
2
[00289] Кроме того, анализ химического равновесия показывает, что аэрация высвобождает газообразный СО, реакции сдвигаются вправо, производя больше ОН- и повышая рН раствора, особенно при повышенной температуре раствора. Этот процесс приводится в уравнениях 7-12 ниже.
[00290]
[00291]
[00292]
[00293]
[00294]
[00295]
2
[00296] Последующее тестирование этого высокотемпературного процесса аэрации подтвердило, что удаление СО и соответствующее повышение рН также делает возможным усиленное удаления аммиака и фосфорное осаждение без химического привноса веществ. Как показано на фиг.7, аэрация с последующим периодом осаждения сделала возможным эффективное извлечение фосфора. Фиг.8 представляет собой фотографию осажденных фосфоросодержащих твердых веществ из отстойной системы твердых веществ, в данном случае водослива. Таким образом, аэрационная переработка не только приводит к желаемому оседанию фосфора, но и к удалению азота путем очистки и предполагает извлечению аммиака - образуя процесс интегрированного извлечения питательных веществ со значительно сниженным применением химических препаратов.
[00297] Удаление мешающих газов привело к значительному улучшению возможности осаждения и удаления твердых веществ/фосфора. Без аэрации только 28,4% фосфора выпало в осадок в течение 24-часового периода. Для сравнения, аэрация и последующие 24 часовой период отстаивания дали 52,3%. Стремясь к дальнейшему повышению производительности без слишком больших дополнительных затрат, дополнительный шаг состоял в завершающем добавлении извести. В таблице 1 приведены результаты различных последовательных шагов, в конечном счете приводящих к почти 80% удаление фосфора путем сочетания аэрации, добавления извести и 24 часового отстаивания. Этот сценарий выгодно отличается от операции с применением коагулянт/полимер/ленточный пресс (AL-2 технология), но со значительным сокращением применения химических препаратов и энергоносителей, в то же время, сохраняя волокнистый продукт для использования в качестве подстилки для животных и/или добавленной стоимости продаж.
[00298]
Таблица 1
Проценты удаления фосфора с аэрацией, обработкой известью и отстаиванием
Анаэробная ферментация стоки-волокно фосфор (мг/л)
Отстаивание 24 ч
Аэрация 40 мин и отстаивание 24 ч
Аэрация/известь (2 г/л), отстаивание 24 ч
фосфор (мг/л)
фосфор удаление (%)
фосфор (мг/л)
фосфор удаление (%)
фосфор (мг/л)
фосфор удаление (%)
1760
1260
28,4
840
52,3
380
78,4
[00299] ПРИМЕР 2
2
4
2
2
2
3
2
2
2
[00300] Считается, что во время анаэробной переработки значительное количество CO и даже некоторое количество СН, создаваемое в ходе биологического процесса может оказаться растворенным и/или пересыщенным в стоках. Это особенно верно в отношении CO, который хранится в жидких стоках в виде СО (aq), HCO, бикарбонатов и карбонатов. При высвобождении из реактора, изменения температуры, давления, рН, воздух и взбалтывание могут привести к высвобождению этих супернасыщенных газов. Поскольку парциальное давление CO в воздухе значительно ниже, чем внутри реактора, была высказана гипотеза, что аэрация удалила бы растворенный CO и увеличила удаление фосфора. Благодаря аэрации растворенный CO становится пересыщенным.
2
2
[00301] Анализ химического равновесия показывает, что, так как аэрация высвобождает газообразный CO, реакции сдвигаются вправо, производя больше ОН- и повышая рН раствора, особенно при повышенной температуре раствора (фиг.9а). Последующее тестирование этого высокотемпературного процесса аэрации подтвердило, что удаление СО и соответствующее повышение рН также делает возможным усиленное удаления аммиака и фосфорное осаждение без химического привноса веществ (фиг.9В и фиг.9С). Таким образом, аэрационная обработка не только приводит к желаемому оседанию фосфора, но и удалению азота посредством соответствующего удаления и предполагает извлечение части аммонийного азота в стоках, образуя процесс интегрированного извлечения питательных веществ. Примечательно, что этот процесс не требует никаких химических препаратов, а полагается исключительно на аэрацию и температуру, которые могут быть получены только за счет тепла выхлопных газов двигателя и паразитарной электроэнергии.
[00302] ПРИМЕР 3
[00303] Аэрации для контроля рН и отстаивания богатого фосфором твердого остатка была оценена в Big Sky Dairy в Goodnig, штат Айдахо на ферме с 4700 коровами. В таблице 2 приведены лабораторные и экспериментальные данные, полученные, используя Big Sky навоз с целью Р-удаления и извлечения без целей в отношении извлечения аммиака или расширенной температурной обработки. Эти скорости удаления ТР не включают ТР, выделенное из сточных вод вследствие удаления волокон, которое может добавить дополнительные 5-10% удаления.
[00304]
Таблица 2
Результаты аэрации лаборатории Big Sky и экспериментального масштаба
Скорость аэрации
Температура
Время аэрации
ТР удаление
галлоны/куб фт/мин
°С
Часы
%
Big Sky лаборатория
175
35
5
70
Big Sky эксперимент
100
20
7
53
* Каждый эксперимент осуществлен с 24 часовым отстаиванием до тестирования жидких сточных вод ТР
[00305] В лабораторных экспериментах конечный рН 9,1 был достигнут и удаление ТР 70%, в то время как экспериментальное исследование Big Sky достигло повышения рН 8,7 и удаления ТР 53%. Разница, вероятно, связана с более низкой скоростью аэрации и температурой навоза во время аэрации. Считается, основываясь на данных; которые не показаны, что увеличение времени отстаивания от 24 часов, что и было сделано в этих исследованиях, до более длительных периодов около 3 дней может увеличить ТР удаление, как минимум, на 5-10%. Система разработанная для аэрирования при более высоких температурах, а также системы для увеличения времени аэрации, скорее всего, увеличили бы удаление общего фосфора.
[00306] Аэрация может происходить в первую очередь в прямотоке стоков анаэробного ферментера, где температура навоза все еще очень близка к 35°С. Предполагается, что комбинация 7 часовой аэрации с подогревом с дополнительной расширенной аэрацией при более низких температурах будет делать возможным эквивалентное повышение рН, как было отмечено в лабораторных результатах Big Sky.
[00307] Данные показывают, что даже при более низких температурах и низких темпах аэрации, 50% удаления ТР всегда достижимы, при этом оптимизация до более высоких температур, высокой скорости аэрации, более высокой периодичности аэрации и большего времени отстаивания может достичь 85% удаления. Таким образом, для данной конкретной системы (чтобы наилучшим образом сочетаться с имеющейся инфраструктурой и стоимостью разработки), диапазон удаления ТР находится где-то между 50-85%. При изменении запланированного ограничения в скорости аэрации, времени, температуры и оседания, ТР удаления, скорее всего, между 60-70%. Если отсутствующий ТР из отделения волокна включен, полное удаление ТР планируется быть в диапазоне 65-75%.
[00308] ПРИМЕР 4
[00309] Эффект аэрирования стоков, который был при определенной температуре и продолжительности отстаивания, был оценен с целью определения влияния на общее содержание фосфора в стоках. Анализ проводился на Big Sky Dairy в Goodnig, штат Айдахо на ферме со 4700 коровами. В таблице 3 приведено краткое изложение результатов.
[00310] Оценивали общее содержание фосфора в стоках с различной периодичностью аэрации и временем отстаивания. Применяемая скорость аэрации составила 0,01 куб фт/мин/галлон. Вентилятор больших размеров может быть использован для увеличения куб фт/мин. Образец без аэрации и без отстаивания служил в качестве базового, без аэрации, дал в результате ТР 470 мг/л в стоках. Отстаивание в течение 24 часов, без аэрации дало в результате ТР 260 мг/л в стоках, демонстрируя, что фосфор осел и может быть собран. Образцы аэрировали от 1 часа до 24 часов, с 24 часовым отстаиванием, за исключением одного образца, который отстаивали в течение 41 часов. Образец, который аэрировали в течение 24 часов с 41 часовым отстаиванием дал ТР 200 мг/л в стоках и рН 9,1. Увеличение времени отстаивания и времени аэрации повысило значение рН, а также извлечение общего фосфора.
[00311]
Таблица 3
Влияние аэрации и отстаивания на общее содержание фосфора
Аэрация
Темп (°С)
Отстаивание
pH*
ТР (мг/л)
% Извлечения
0 ч
27
0 ч
8,1
470
N/A
0 ч
27
24 ч
8,4
260
44,6
1 ч
27
24 ч
8,4
230
51,1
2 ч
27
24 ч
8,4
220
53,2
3 ч
27
24 ч
8,5
200
57,4
4 ч
27
24 ч
8,6
210
55,3
5 ч
27
24 ч
8,6
210
55,3
6 ч
27
24 ч
8,6
230
51,1
7 ч
27
24 ч
8,7
220
53,2
24 ч
27
41 ч
9,1
200
57,4
* pH записали после охлаждения to 16°C для более точного измерения с помощью рН-чувствительных детекторов
[00312] ПРИМЕР 5
[00313] Одной из основных проблем на молочной ферме Big Sky в Goodnig, Айдахо является контроль фосфора. В настоящее время AL-2 технология, разработанная в Дании, достигла некоторой степени контролирование фосфора, получив около 80% полного удаления фосфора из сточных вод анаэробного ферментера. AL-2 использует сочетание флокулянтов и полимеров (дополнительной химической смесью служили 195 мл/м3 квасцов с 1250 мл/м3 полимера для удаления фосфора.)
[00314] К сожалению, процесс имеет два существенных недостатка. Во-первых, система должна поддерживать волокнистый твердый остаток в процессе, используя его в качестве наполнителя для уменьшения потребности в химических препаратах. Это приводит к тому, что волокно заключено в обшивку продукта полимера/коагулянта после разделения ленточным прессом, который может быть дополнительно обработан с помощью компостирования для возможной продажи в качестве продукта для почвы. К сожалению волокнистый твердый остаток больше не доступен к использованию в качестве подстилок для животных на ферме или в качестве потенциальной прибыльной замены торфа как предусмотрено оригинальными бизнес-планами Big Sky. Во-вторых, AL-2 процесс требует широкого использования химикатов и поэтому не особенно экологически чист и приносит ферме значительные капитальные и эксплуатационные затраты.
3
3
3
3
3
3
[00315] В таблице 4 приведены возможности и затраты в случае AL-2 системы, изученные в Big Sky. Примерно восемьдесят три процента (83,1%) сокращения фосфора (в том числе общего фосфора из волокна) было достигнуто, но за счет недоступности волокна, необходимости в химикатах и расходов на электроэнергию в размере $2,90/м и $0,07/м, соответственно, или $2,97/м всего (~1¢/обработанный галлон). Но этот продукт также является менее желательным для конечных пользователей из-за внесения промышленных химикатов и полимеров и потери доступных подстилок для животных. Таким образом, более реалистичная цена для этого процесса повышается до около $6,95/м или $0,02б/галлон из-за потери товарного волокна ($1,92/м) и дополнительной обработки компоста ($2.06/м).
[00316]
Таблица 4
Kemira/AL-2 прибыльность производства и анализ затрат (100 галлонов в минуту)
Сокращение твердого остатка (%)
Сокращение фосфора (%)
Сокращение азота (%)
Производительность
72,3±3,0
83,1±3,7
38,2±2,4
Затраты на химикаты
Затраты на электроэнергию
Капитальные затраты
Анализ затрат
$2,90/м<sup>3</sup>
$0,07/м3
$80-100/корова
[00317] Дальнейшие исследования проводились с использованием декантирующих центрифуг экспериментального масштаба без использования химических флокулянтов и/или полимеров и незначительный успех (60% удаление фосфора) был достигнут.Тем не менее, по-прежнему остались высокие капитальные, операционные и эксплуатационные расходы, связанные с системой. Кроме того, система была недостаточно эффективно из-за целевого 80% удаление фосфора, признанного необходимым для многих наших функционирующих производств по откармливанию животных.
3
[00318] Для сравнения, способы, системы и устройства, описанные в данном документе, достигают, как минимум, 65-75% удаления фосфора без препятствования производству волокна/подстилок для животных. Кроме того, нет никаких химикатов или связанных с ними затрат, а стоимость электроэнергии составляет всего лишь $0.13/м, который составляет всего 2% и 4% от больших и меньших рассчитанных AL-2 операционных расходов, соответственно. Кроме того, предполагается, что обработка аэрацией приведет к уменьшению запаха аммиака волоконных подстилок для животных, обеспечивая небольшое улучшение качества продукции.
[00319] ПРИМЕР 6
[00320] В таблице 5 приводится краткое изложение функциональных возможностей, основанных на лабораторных данных (1 л шкале), используя стоки анаэробного ферментера молочной фермы (Big Sky Dairy, ID). Параметры системы были следующими: скорость аэрации 20 галлонов/куб фт/мин, использовали микро-аэрацию, температура стоков составляла 70°С, аэрацию проводили в течение 2 часов, а отстаивание в течение 48 часов.
[00321] Таблица 5 описывает среднюю производительность извлечения питательных веществ всего процесса анаэробного ферментера/извлечения питательных веществ и его отдельных операций.
[00322]
Таблица 5
Потенциал извлечения питательных веществ всей системы анаэробного ферментера/извлечения питательных веществ и ее отдельных операций
Навоз
Стоки
Пост-волокно
Извлечение питательных веществ из стоков
% сокращения
Общее количество твердых веществ (%)
8,0
4,9
3,6
2,2
73
Общий азот (%)
0,35
0,35
0,33
0,13
63
NH4 азот (%)
0,17
0,22
0,22
0,04
77
Общий фосфор(%)
0,080
0,080
0,072
0,014
83
Кишечная палочка (КОЕ/г)
339031
3418
944
ND
99,9
Приведенные значения являются средними значениями п=24 испытаний; Сток относится к сточным водам после 35°С анаэробной переработки в течении 22 дней, пост-волокно относится к стокам после механического разделения волокнистого твердого остатка, извлечение питательных веществ относится к извлечению питательных веществ и ND неопределяемые продукты включают: (1) волокнистые подстилки для животных при 74%-ной влажности с 0,3% содержанием фосфора (DWB); (2) твердый остаток, богатый фосфором при 77% влажности с 2,5% фосфора и 4,0% азота (DWB) и (3) аммиак-солевого жидкого шлама на 30% аммиака сульфата и 6,4% азота (DWB)
[00323] Благодаря уникальному сочетанию анаэробной переработки, механического отделения волокнистого твердого остатка и последующей обработке с извлечением питательных веществ, навозные стоки, накапливаемые на фермах и применяемые к полям, со значительно сниженным содержанием твердого остатка, патогенных микроорганизмов, аммиачного азота, общего содержания азота и фосфора, с извлечением питательных веществ, представляющим большую часть этих улучшений. Общее сокращение питательных веществ работником молочной фермы в процентах приведено в последнем столбце. Важно отметить, что это не просто сокращение, но извлечение и в более пригодной для экспорта и товарной формах. [00324] Извлеченные питательные вещества покидают ферму в следующих формах:
[00325] Фосфорной - некоторые в виде волокон и большинство в виде богатых фосфором органических твердых остатках
[00326] Азотной - некоторые в виде волокон, но большинство в форме шлама сульфата аммония, а также
[00327] Твердого остатка - некоторые в виде конверсии углерода в биогаз, большинство либо в виде волокна либо в виде твердого остатка, богатого фосфором.
3
[00328] С точки зрения баланса массы, это количество сводится к извлечению и удалению из перегруженных ферм 97 кг азота/год от коровы, 57 кг NH/год от коровы, и 29 кг фосфора/год от коровы с еще большей массой извлечения на фермах, практикующих со-расщепление. Важно отметить, что некоторые питательные вещества остаются в стоках, предлагая фермерам-производителям возможность использовать их стоки в качестве удобрений на ферме, но со значительно сниженным риском ухудшения качества воздуха и сниженным риском избыточного применения на ограниченной возделываемой площади. Кроме того, существующие сельскохозяйственные питательные вещества, более рационально используемые, переходят из системы, при которой полученные из навоза питательные вещества активно отдают в воздух аммиак и рассматриваются как нежелательные побочные продукты системы, где питательные вещества стабилизируются и более эффективно транспортируются на отдаленные поля в случае нужды в удобрении.
[00329] Помимо концентрирования, извлечения и потенциального экспортирования значительной доли питательных веществ с ферм в более экономически выгодной форме, процесс также производит твердый остаток класса А и жидкости, значительно снижает содержания патогенов в твердом остатке и жидкостях, снижает запах аммиака в отделенном волокнистом твердом остатке, увеличивает выработку метана на целых 10%, а также способствует снижению содержания сероводорода в биогазе до около 50 частей на миллион или ниже. Сырье для достижения всего этого включают тепло отходов выхлопных газов двигателя и только небольшое количество кислоты для получения соли сульфата аммония значительно сниженная загрузка и эксплуатационные затраты по сравнению с другими системами извлечения питательных веществ, которые используют другие стандартные технологии обработки сточных вод (например, флокулянты и полимеры).
[00330] ПРИМЕР 7
3
3
[00331] Удаления аммиака из стоков анаэробного ферментера может быть усилено путем повышения рН. Как подчеркивается фиг.10А и 10В, повышение рН 35°С стоков анаэробного ферментера до уровня около 10,0 привел к значительному сдвигу в равновесии аммиака в пользу газообразного или свободного аммиака, требуемого для удаления. Высокая емкость буферизации стоков анаэробного ферментера требует значительного количества щелочного материала (щелочи или извести), чтобы поднять рН до желаемого уровня. Экспериментальные исследования показали необходимость ввода 10-11 кг извести/м стоков анаэробного ферментера по цене примерно $1/м.
[00332] ПРИМЕР 8
[00333] Одним из прибыльных механизмов, который потенциально может оказать содействие операторам производств по откармливанию животных в важных нормативных проблемах, связанных с воспроизводством питательных веществ и контролем загрязнения атмосферы и качества воды, является извлечение и экспорт азота и фосфора, в форме товарных биоудобрений. Операторы производств по откармливанию животных, которые устанавливают анаэробный ферментер при высоких капитальных затратах для их фермы, приносят потенциально значительные выгоды, но важно то, что процесс анаэробного ферментера делает самую малость, чтобы улучшить их проблемы с перегрузками питательными веществами, особенно, если они практикуют со-расщепление. Это потому, что анаэробная переработка является, по сути, инструментом управления углеродом в части преобразования органического вещества в неорганические соединения углерода (метан и углекислый газ), таким образом, переводя в газообразное состояние часть углерода и удаляя его с фермы. То же самое нельзя сказать для азота и фосфора. Хотя процесс анаэробной переработки частично преобразовывает азот и фосфор из органической в неорганическую форму, преобразование сохраняет эти макропитательные вещества в жидком или твердом состоянии и, в силу этого, анаэробно переработанные стоки после нанесения на поля по-прежнему представляют собой источник перегрузки питательными веществами на ограниченных фермерских площадях. С точки зрения производств по откармливанию животных внедрение технологии анаэробной переработки может быть гораздо более привлекательным, если и азот и фосфор могли быть экономически выгодно извлечены из стоков.
2
[00334] На фиг.11 представлена схема системы для извлечения питательных веществ из анаэробно переработанных стоках. Выбросы тепла двигателя (1103) от двигателя/генераторных установок анаэробного ферментера используются для нагрева стоков анаэробного ферментера (1101). Температуру повышают до 70°С и стоки аэрируют (1107). Аэрация может быть достигнута с использованием микроаэраторов, применяющих CO, биогаз, жидкость, газ или сочетание СОз и биогаза. Скорость аэрации может быть любой подходящей скоростью, включая, но без ограничений, 0,1-1, 1-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, 25-30, 30-35, 35-45, 45-55, 55-60 и более 60 галлонов/куб фт/мин.
2
[00335] Стоки нагревают в течение необходимого времени для соответствия стандартами ЕРА класса А твердого остатка, что позволит выпускать более ценные и в высокой степени контролируемые волокнами с пониженным содержанием патогенов для подстилок для животных или продажи за пределами фермы. Кроме того, аэрация и повышение температуры вызывает дегазацию супернасыщенного CO и высвобождение свободного аммиака. После аэрации очищенные сточные воды направляют в застойную зону, чтобы обеспечить урегулирование и удаление фосфоросодержащего твердого остатка в системе водослива (1109). Богатое фосфором органическое удобрение может быть собрано (1111).
2
3
2
2
[00336] После аэрации при повышенной температуре CO и NH входят в свободное пространство и при помощи низковакуумного насоса могут покинуть резервуар для аэрации (1107) и войти в двухбашенную кислотную контактную систему (1121), которая позволяет аммиаку реагировать с концентрированной серной кислотой при контролируемом рН с целью получения растворимого сульфата аммония (1123). Благодаря высокой способности аммиака вступать в реакцию с кислотой при низких значениях рН и соответствующей низкой реакционной способности СО, почти 100% накопленного аммиака вступает в реакцию с образованием соли с СО, выходящим через выхлопную систему. Двухбашенная кислотная система делает возможным регулирование рН во второй башне, так же как получение переполненного раствором резервуара при контролируемой максимальной концентрации (~40% в зависимости от температуры жидкости). Результатом использования нескольких встроенных фильтров, расположенными в дополнительном трубопроводе, является продукт с нейтральным рН с неизменно высокой 40% по массе концентрацией сульфата аммония, содержащей минимум твердых примесей.
2
2
[00337] Стоки, покинув зоны аэрации (1107) и отстаивания (1109) все еще имеют относительно высокий уровень рН (~9), поэтому перед хранением в отстойных бассейнах и применением на полях, считается важным сделать раствор снова нейтральным. В рамках интегрированной системы это может быть достигнуто путем разработки второй контактной башни (1113), что делает возможными управляемую реакцию между неочищенным биогазом из реактора (1112) и высоким значением рН стоков. Неочищенный биогаз содержит кислотные соединения, которые понижают и значения BTU (CO) и дружественность по отношению к двигателю (HS) топлива.
2
[00338] В частности поставщики анаэробного ферментера активно изучали способы получения лучшего контроля над HS выбросами и минимизирования их влияние на техническое обслуживание двигателей, помимо использования отраслевого стандарта работы экономного двигателя с интенсивной заменой масла. Внутри этой контактной башни (1113), кислотные соединения легко покидают газообразное состояние и растворяются в жидкости, снижая рН до близких к нейтральным и более приемлемым уровням.
2
2
2
2
2
2
[00339] Как показано на фиг.12А, понижение рН было результатом как высокой растворимости и кислотности газообразных примесей, так и высоким соотношением газа к жидкости (~25:1), найденным в типичных навозных ферментерах. Так как типичный поток биогаза состоит из целых 35-40% СО и только 1000-3000 HS частей на миллион HS, подавляющее большинство CO вошло в поток жидкости и снизило рН. Дальнейший анализ показывает, что селективное удаление HS вместо CO является возможным посредством варьирования времени контакта, скорости потока, высоты жидкости и размера пузырьков (фиг.126).
[00340] ПРИМЕР 9
[00341] Аэрация и подогрев стоков анаэробного ферментера являются ключевыми компонентами системы извлечения питательных веществ. Скорость аэрации потока была установлена на уровне 20 галлонов/куб фт/мин (микроаэраторы) и температура поддерживалась на уровне 55°С. Результаты описаны на фиг.13А и 13В, которые рекомендуют (предлагают, наводят на мысль о) применение отстаиваний более длительной продолжительности, скорее всего, из-за низких эксплуатационных температур (ограниченная доступность теплового сброса энергии и потери тепла за счет механического разделения волокнистых твердых веществ) и более низкого массообмена за счет смешанных ограничений (рабочих размеров) при более крупных масштабах (аэрации). Более высокие скорость аэрации и температура минимизируют энергозатраты и аэрацию, при этом удаление аммиака в разумной продолжительностью отстаиванием. При упомянутых выше оптимизированных параметрах почти 80% TAN удалили в течение 15 часов эксплуатации за счет устойчивой способности повышать рН до или около 10,0. Двухбашенная кислотная контактная система, как только равновесие при максимальной растворимости было достигнуто, произвело последовательно 40% по массе раствора сульфата аммония с нейтральным рН.
[00342] ПРИМЕР 10
2
[00343] В США работает более ста шестидесяти коммерческих анаэробных реакторов на производствах по откармливанию животных, производя 50 МВт мощности и смягчая последствия выброса парниковых газов в свыше 1 млн метрических тонн эквивалентов CO. Хотя последние годы показали рост масштабов применения, их продажи в США традиционно низки и проблемы с уже существующей инфраструктурой навоза и операциями по его переработке (не менее 20% систем имеют проблемы со свиньями и откормочными операциями) остаются главной причиной, ответственной за то, что анаэробная переработка намного ниже заявленного потенциала.
[00344] Фигура 14 является схематическим изображением массового потока для типичного анаэробного ферментера и системы извлечения питательных веществ на молочных фермах, базирующихся на основе корова/день. Массовый поток входных и выходных данных составлен на основе данных, полученных в ходе извлечения питательных веществ, экспериментального тестирования, а также данных разработанных Frear et al. (2010) в ходе длительной оценки коммерческой фермы с анаэробной переработкой.
[00345] Потоки продукции и доходов, полученные из комбинации анаэробного реактора/системы извлечения питательных веществ, включают электричество, волокно, суспензию сульфата аммония и богатого фосфором твердого остатка. Когда стоимость вкладов и дохода рассчитывают в балансе массы, общий расчет рентабельности проекта и финансирования может быть разработан, как описано в таблице 6.
[00346]
АЛ - анаэробная переработка
ИПВ - извлечение питательных веществ
СПС - сотрудник на полную ставку
Таблица 6
Затраты на производство (электроэнергия, химикаты, эксплуатация и техобслуживание, рабочая сила) и доходы от продукта (на основе корова/день)
Затраты
Продукты
Наименование
Количество
$/корова/день
Наименование
Количество
$/корова/день
Энергозатраты на АП (5¢/кВтч)
0,69 кВтч
$0,035
Power (8¢/кВтч)
6,9 кВтч
$0,55
Энергозатраты на ИПВ (5¢/кВтч)
2,1кВтч
$0,11
NR Power (8¢/кВтч)
H2SO4 ($175/тонна)
1,4 фунтов
$0,12
Волокно ($10/мокрых тонн)
17 lbs
$0,085
АП эксплуатации и обслуживания (5% АС)
$0,21
Фосфоро-твердые вещества ($175/сухих тонн)
3,5 lbs
$0,31
ИПВэксплуатации и обслуживания (2% АС)
$0,03
Азотная соль ($338/kгаллон)
0,56
$0,19
ИПВ рабочей силы (0.5 СПС)
$0,06
Другое (консультации, кредиты)
-
-
Общий АП
$0,25
Общий АП
$0,55
Общий ИПВ
$0,32
Общий ИПВ
$0,59
Общий АП+
$0,57
Итог
$1,14
ИПВ
Средняя полученная цена на электроэнергию в Тихоокеанском Северо-Западе (США EIA, 2007); АП спроса на паразитарную (пассивную) электроэнергию составляет 10% (Andgar, 2010), в то время как ИПВ спроса на паразитарную (пассивную) электроэнергию напрямую рассчитывают из пилотных испытаний. Средняя полученная цена серной кислоты (ICIS Chemical Market Reporter, 2010) АП эксплуатации и техобслуживания составляет У/о от АП капитальных затрат ($1500/корова), в то время как ИПВ эксплуатации и техобслуживания составляет 2% ИПВ капитальных затрат ($500/корова) (Andgar, 2010) ИПВ рабочей силы, по оценкам, требует ½ СПС средней квалификации персонала ($40,000/год). Волокнистый продукт рассматривается в качестве подстилки для замены существующих альтернатив (Andgar, 2010) Оценка (подсчет) цены продажи сертифицированных органических фосфоро-твердых веществ, предполагая 4:02:01 сухого веса сорта удобрения (Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010) Оценка (подсчет) цены продажи суспензии аммиака сульфата (40% по массе) (Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010)
[00347] Из таблицы 6 видно, что системы анаэробной переработки имеют относительно низкое соотношение дохода к эксплуатационным затратам (~2:1), а также низкие доходы фермы, которые в первую очередь зависят от продаж низкого значения электрического товара, которые объясняет некоторые из рассмотренных выше проблем в отношении рентабельности реактора и внедрения. При структуре капитальных затрат $1,500/корову и годовом доходе около $200/корову в год, ведет к окупаемости капитальных затрат за 7-8 лет, что является несколько долгим для некоторых финансовых партнеров. Именно поэтому большинство реакторов на фермах, молочных фермах активно практикуют совместное расщепление, так что они могут получить дополнительный доход от полученных тарифов на утилизацию отходов, а также дополнительное производство электроэнергии из более высокого потока энергии отходов, вырабатывающих больше биогаза.
[00348] Со-расщепление при относительно низких объемных загрузках может привести к существенному приросту доходов и проекту финансирования. В своем конкретном ситуационном исследовании, общий доход проекта вырос почти в три раза со всего лишь 20% замещения нефермерскими субстратами, значительно улучшая годовую прибыль и капитал окупаемости. Как уже отмечалось, со-расщепление приносит дополнительные питательные вещества к воротам фермы и, следовательно, превращает питательные перегрузки на полях в еще более серьезную проблему, таким образом, необходимость в механизме извлечения питательных веществ, чтобы сопровождать систему дигерирования. Важно отметить, что таблица 6 также показывает, что, когда извлечение питательных веществ включено как часть целого AD/NR проекта, соотношение дохода к эксплуатационным затратам остается примерно таким же, таким образом, не улучшая общую рентабельность, но главное не делая ситуацию еще хуже, улучшая важные фермы и заботу об окружающей среде.
[00349] ПРИМЕР 11
[00350] Проблема, стоящая перед индустрией клеточной несушки США и ее 400+больших размеров фермерских производств по откармливанию животных, составляющих 75% от общего перечня США (USDA NASS, 2009), состоит в том, как обработать ежегодно 4 миллиона тонн влажного навоза (Mukhtar, 2007) способом, который реагирует на возникающие потребности в возобновляемых источниках энергии, отвечая новым стандартам качества воздуха/воды, а также создавая новые источники дохода для повышения устойчивого развития фермы. Статус-кво области применения обработки навоза с компостом или без, быстро становится устаревшей технологией в 21-го веке, которая сфокусирована на переработке отходов и в то же время и на производстве возобновляемых источников энергии. Однако, опции технологии следующего поколения, делающие возможным производство возобновляемых источников энергии, как, например, газификация и анаэробная переработка имеют технические проблемы применительно к навозу клеточной несушки.
[00351] Газификация, хоть и хорошо подходит для обработки сухого помета бройлеров (80% общее количество твердых веществ (твердый остаток)), недостаточно подходят для намного более влажного навоза клеточной несушки (25% твердого остатка), а анаэробная переработка поначалу не была признана подходящей технологией для куриного навоза/помета из-за ее неспособности справиться с высоким содержанием твердого остатка и биологически-ингибирующих уровней аммиака (Abouelenien и др., 2010). Возможность заключается в демонстрации того, что существующими коммерческими установками анаэробной переработки можно эффективно и экономично управлять, используя навоз клеточной несушки, если стоки ферментера обрабатываются с использованием системы извлечения питательных веществ, как описано в данном документе.
[00352] Содержащийся в клетке птичий помет с 25% твердого остатка требует разбавления водой для того, чтобы поставлять материал сточных вод, пригодный для работы в коммерчески доступных технологиях анаэробного ферментера. На ферме основанный на переработке навоза анаэробный ферментер в США традиционно использует технологию полной смеси (различные европейские или американские образцы) или смешанного вытеснения (GHD Inc, Чилтон, WI), с обеими технологиями идеально поддерживаемыми стоками с содержанием твердого остатка порядка 4-12% (US-EPA, 2006). Однако, смешанный поршневой поток, представляющий 70% доли рынка США, предлагает более надежную технологическую опцию для более высокого диапазона твердых потоков. С птичьим навозом, поступающим с ленточного пресса с коэффициентом 25% ясно, что эффективная производительность автоклава требует более чем 1:1 разбавления водой, и в масштабах 600000 слоев для средней операции, что составляет более чем 180000 галлонов воды для разбавления в день - сумма, которая просто не может быть разумной или экономически обоснованной, в частности в засушливых регионах США. Вывод такой, что для эффективной анаэробной переработки птичьего навоза, требуется альтернатива чистой воде для разбавления, и этим источником являются стоки самого анаэробного ферментера, которые после переработки могут быть использованы как оборотная вода.
[00353] Стоки анаэробного ферментера как источник оборотной воды имеет право на жизнь, но только после предварительной переработки и подготовки. Поскольку типичный анаэробный ферментер навозных систем расходует порядка 30-40%, то в системе с 11%-ным входящим потоком отработанная жидкость будет порядка 7% Повторное использование 7%-ного стока для переработки с инженерной точки зрения имеет мало смысла, поскольку каждый процент твердой фазы, подающийся на вход в ферментер требует еще большее количество отработанной жидкости для достижения желаемого рабочего процентного содержания в потоке. С биологической точки зрения операция тоже не оптимальна, поскольку не переработанный твердый остаток по большей части является инертным либо трудноразлагаемым в природе, что приведет к дальнейшей деградации во время переработки, заполняя часть объема ферментера нереактивным, не вырабатывающим биогаз материалом.
[00354] Исследование и промышленная демонстрация уже показали, что про промышленное отделение значительной части твердой фазы может быть использовано при помощи декантирующей центрифуги (Wenning Poultry, Fort Recovery, Ohio). В то время как использование этих промышленных сепараторов требует дополнительных затрат и обслуживания, не говоря уже о паразитном использовании вырабатываемой электроэнергии, это позволяет достичь двух очень важных целей. Первая - в стоке, используемом как оборотная вода, может быть достигнуто более желаемое процентное содержание вещества (порядка 2%). Важно, что оставшийся твердый остаток это взвешенные твердые частицы, поставляющие как питание, так и биоразложимый материал для ферментера, а также уменьшающие объемное воздействие на ферментер. Не менее важным являются результаты исследования, показывающие, что во время переработки значительная часть органического фосфора превращается в неорганическую форму, который при наличии в навозе высокого содержания магния и кальция, химически превращается в соединения фосфата как аморфные микротвердые соли. Таким образом, для стоковых вод декантирующая центрифуга служит механизмом извлечения и концентратором твердых частиц в виде товарных органических твердых веществ.
2
[00355] Как показано на схеме в фигуре 15, аэрация при 70°С (1515), которая позволяет перенасыщенному СО освободиться от жидкости в газовую фазу, следует за центрифугированием (1517). Центрифугирование позволяет снизить содержание общего количество твердых веществ в отработанной жидкости. Вдобавок, в полученном твердом осадке высоко содержание питательных веществ и осадок, как правило, является биоразлагаемым.
[00356] В то время как удаление твердого остатка позволяет улучшить использование отработанной жидкости, это не решает проблему растворимого аммиака в остатке и торможения, который он вносит в процесс анаэробной переработки. Аммиачное торможение широко изучалось для анаэробной переработки куриного навоза. Результаты исследования показали, что уровень аммиачных азот в курином навозе временами, значительно выше уровня порогового торможения, определенного как 2 г/л (общее кислотное число) и выше (Koster and Lettinga, 1984). Исследования вашингтонского государственного университета (Washington State University (WSU)) показали, что: (1) уровень общего кислотного числа у куриного навоза значительно выше порогового значения; (2) использование в аэробной переработке оборотной воды увеличивает уровень до опасных значений, и (3) производительность биогаза постоянно снижается с увеличением аммиака и использованием оборотной воды, в особенности когда уровень общего кислотного числа превышает 4 г/л (фигура 16).
[00357] Таким образом, для эффективного использования оборотной воды, важно вначале удалить растворимый аммиак. Одним из стандартных промышленных способов удаления растворимого аммиака из стоков является отгонка аммиака с последующей химической стабилизацией полученного аммиака как аммиачной соли, т.е. сульфат аммония при использовании кислотного контактного резервуара. Способы и системы, описанные здесь, могут достичь этой цели.
[00358] ПРИМЕР 12
[00359] Пример промышленной системы (1700) по анаэробной переработке птичьего навоза показан на фигуре 17. Двухкамерный приемный бункер (1701) вначале получает исходное сырье для переработки. Большая из двух камер (1702) является смешивающим бункером для куриного навоза, любых внешних, сопутствующих переработке субстратов, и отработанной воды. Вся отработанная жидкость от постперерабатывающей декантирующей центрифуги (1707) идет от центрифуги, через меньшую из двух камер (1703) в приемный бункер (1701) и эта камера переполняется малым количеством жидкости, сохраненной в отстойном бассейне. Этот дизайн гарантирует, что малая камера (1703) всегда заполнена и имеет достаточное количество сохраненной, переработанной и центрифугальной жидкости для смеси с куриным навозом необходимым в объеме для уменьшения твердого остатка перед закачкой из большой камеры (1702) в ферментер (1705).
[00360] Представленный дизайн смесительной камеры и декантирующей центрифуги позволяет бесперебойную поставку стоков с 10-12% твердого навозного остатка в ферментер и следовательно подходит для входного потока для операции внутри смесительного ферментера с поршневым ходом. Эта система решает проблему несвежей воды для растворения и необходимость отделения взвешенных твердых частиц, содержащихся в растворе.
[00361] ПРИМЕР 13
[00362] Фигура 18 схематически изображает баланс масс и потока для птицефермы из расчета 1000 несушек в день. Баланс масс может помочь в создании таблицы, сравнивающей затраты на производство (электрические, химические, эксплуатацию и техническое обслуживание, рабочая сила) с прогнозами доходов, тем самым развивая концепцию потенциального дохода от проекта и периодов окупания капитальных затрат на производство (таблица 7).
[00363]
АП - анаэробная переработка
ИПВ - извлечение питательных веществ
ЭО - эксплуатация и обслуживание
СС - средняя себестоимость
СПС - сотрудник на полную ставку
Таблица 7
Затраты на производство и прибыль от продукта (из расчета 1000 несушек в день)
Входные данные
Продукты
Наименование
Количество
$/1000/день
Наименование
Количество
$/1000/день
Энергия на АП (50/кВ/ч)
1,90кВ/ч
$0,095
Энергия на АП (8¢/кВ/ч)
19,0 кВтч
$1,52
Энергия на ИПВ (50/кВ/ч)
2,64 кВ/ч
$0,13
Энергия на ИПВ (8¢/кВ/ч)
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> ($175/тонн)
2,58 кг
$0,50
Волокно ($10/мокрых тонн)
-
АП (ЭО) (5% от СС)
$0,90
Сухой остаток ($300/сухих тонн)
2,4 кг
$0,80
ИПВ (ЭО) (2% от СС)
$0,06
Аммиачные соли ($167,5/м<sup>4</sup>)
8,7 литра
$1,46
ИПВ (рабочая сила (0,5 СПС)
$0,06
Другое (консультирование, кредиты)
Общий АП только
$1,00
Общий АП только
$1,52
Общий ИПВ только
$0,75
Общий ИПВ только
$2,26
Общий АП+ ИПВ
$1,75
Итог
$3,78
Средняя полученная цена на электроэнергию в Тихоокеанском Северо-Западе (США EIA, 2007); АП спроса напаразитарную (пассивную) электроэнергию составляет 10% (Andgar, 2010), в то время как ИПВ спроса напаразитарную (пассивную) электроэнергию напрямую рассчитывают из пилотных испытаний.Средняя полученная цена серной кислоты (ICIS Chemical Market Reporter, 2010)АП эксплуатации и техобслуживания составляет 5% от АП капитальных затрат ($1500/корова), в то время как ИПВ эксплуатации и техобслуживания составляет 2% ИПВ капитальных затрат ($500/корова) (Andgar, 2010)ИПВ рабочей силы, по оценкам, требует ½ СПС средней квалификации персонала ($40000/год).Волокнистый продукт рассматривается в качестве подстилки для замены существующих альтернатив (Andgar, 2010)Оценка (подсчет) цены продажи сертифицированных органических фосфоро-твердых веществ, предполагая 4:02:01 сухого веса сорта удобрения (Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010)Оценка (подсчет) цены продажи суспензии аммиака сульфата (40% по массе) (Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010)
[00364] С молочных предприятий соотношение дохода к входным данным меньше, ниже 2:1 и ближе скорее к 1,5:1. При капиталовложениях в АП только $6600/1000 голов, ежегодный доход ведет к окупаемости за 12 лет, явно непредпочтительно долгосрочный проект. Именно поэтому большинство реакторов на фермах, молочных фермах активно практикуют совместное расшепление, так что они могут получить дополнительный доход от полученных тарифов на утилизацию отходов, а также дополнительное производство электроэнергии из более высокого потока энергии отходов, вырабатывающих больше биогаза. Однако когда извлечение питательных веществ идет совместно с анаэробной переработкой, соотношение дохода к входным данным повышается до 2,2:1, значительно увеличивая доход и снижая ожидаемый период окупаемости до 5-6 лет. Таким образом, извлечение питательных веществ навоза для анаэробной переработки не только технически возможно, но это и значительно увеличивает рентабельность проекта.
[00365] ПРИМЕР 14
[00366] Способы и системы, описываемые здесь, имеют уникальную способность служить двум разным заявкам: (1) снизить стоимость на извлечение питательных веществ и (2) увеличить стоимость на освобождение азота и фосфора; технология открыта для широкого спектра фермерских хозяйств разных размеров и типов. Аэрация способствует оседанию твердого фосфорного остатка, однако низкая температура, короткая длина и/или низкая скорость аэрации может произвести изменение в кислотно-щелочном балансе, стимулирующем оседание твердого фосфорного остатка без связанного высвобождения аммиака. В таком случае, нет необходимости собирать аммиак и использовать серную кислоту, чтобы связывать его в соль. Небольшой ферма, не задействованная в производстве азотно-питательных веществ, у которой нет необходимости в покупке системы целиком, может тем не менее выполнить высвобождение фосфора-при низкой стоимости и низких эксплуатационных расходах. Таблица 8 ниже обобщает данные, собранные по материалам опытных испытаний с использованием укороченной версии системы.
[00367]
Таблица 8
Извлечение исключительно фосфора
Эксперимент по аэрации прямотока стоков
Сульфат %
Соли сульфатов %
Содержание азота (г/л)
Содержание сульфата аммония (г/л)
Содержание фосфора (мг/л)
Сток навоза «Big Sky» с волокном
5,15
3,28
4,03
2,61
564,53
6 часов аэрации при 35°С и 1,13 м<sup>3</sup>/мин
4,32
2,65
4,23
2,58
613,48
Последующее отделение волокна (18 меш)
4,33
2,45
3,78
2,63
593,9
1 день отстоя
2,51
1,38
3,18
2,46
231,69
2 дня отстоя
2,43
1,32
3,18
2,42
199,06
3 дня отстоя
2,41
1,29
3.18
2,38
199,06
Уменьшение к концу эксперимента (%)
53,2
60,67
21,09
8,81
64,74
Прямоток стоков + дополнительная аэрация
Сульфат %
Соли сульфатов %
Содержание азота (г/л)
Содержание сульфата аммония (г/л)
Содержание фосфора (мг/л)
Сток навоза «Big Sky» с волокном
5,15
3,28
4,03
2,61
564,53
6 часов аэрации при 1,13 м<sup>3</sup>/мин
5,37
3,41
4,09
2,65
587,38
Последующее отделение волокна (18 меш)
4,47
2,49
3,87
2,64
600,43
Дополнительные 18 часов аэрации при 2035°С и 1,13 м<sup>3</sup>/мин
4,37
2,48
3,71
2,48
580,85
1 день отстоя
2,27
1,21
3,01
2,23
133,79
2 дня отстоя
2,24
1,17
2,94
2,23
124,00
3 дня отстоя
2,19
1,14
2,92
2,22
114,21,,
Уменьшение к концу эксперимента (%)
57,48
65,24
27,54
14,94
79,77 <sup>ь</sup>
[00368] Хотя здесь проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления, специалисты в данной области по достоинству оценят, что представленные варианты могут быть использованы в любой схеме, которая рассчитывается для достижения той же цели. Эта заявка предназначена покрыть любые вариации или адаптации, которые действуют в соответствии с описанными принципами изобретения. Следовательно, предполагается, что это изобретение будет ограничено только формулой изобретения и ее эквивалентами. Раскрытие патентов, ссылок и публикаций, цитируемых в заявке, включены посредством ссылки в данном документе во всей полноте.