PL232858B1 - Sposób obróbki zawiesiny ciekłego odpadu pofermentacyjnego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób obróbki zawiesiny ciekłego odpadu pofermentacyjnego, otrzymanego w wyniku fermentacji mieszaniny gnojowicy świńskiej z biomasą roślinną. Sposób ten polega na tym, że zawiesinę mineralizuje się kwasami mineralnymi, alkalizuje się do pH co najmniej 10,5, po czym do zmineralizowanej i zalkalizowanej zawiesiny pofermentacyjnej dodaje się superfosfat pojedynczy, a następnie dodaje się do przetworzonej zawiesiny środek alkalizujący w takiej ilości, aby otrzymać pH zawiesiny co najmniej 10,5, po czym dodaje się ziemię bielącą i perlit, a następnie w ostatnim etapie zawiesinę podgrzewa się do temperatury nie wyższej niż 100°C, po czym filtruje się w znany sposób.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki zawiesiny ciekłego odpadu pofermentacyjnego otrzymanego w wyniku fermentacji mieszaniny gnojowicy świńskiej z biomasą roślinną.

Gnojowica świńska klasyfikowana jest jako płynny lub półpłynny nawóz naturalny pochodzenia zwierzęcego. Stanowi ona mieszaninę kału, moczu, resztek karmy oraz wody stosowanej do usuwania odchodów i utrzymania higieny pomieszczeń inwentarskich. Skład gnojowicy waha się w dość szerokich granicach i zależy od wielu czynników, przede wszystkim od rodzaju i wieku zwierząt, systemu ich żywienia i utrzymania oraz ilości wody zużywanej do celów higieniczno-porządkowych, jak również od sposobu przechowywania gnojowicy. Gnojowica zawiera od 2-12% suchej masy oraz inne składniki nawozowe, które mogą zostać wykorzystane w produkcji rolnej. Średnia zawartość głównych składników pokarmowych w gnojowicy wynosi: azot 0,6%, fosfor 0,2%, potas 0,2%, magnez 0,05%, wapń 0,05%. Typowa gnojowica trzody chlewnej charakteryzuje się odczynem lekko zasadowym, wysoką zawartością zawieszonych cząstek stałych i materii organicznej, wysokim biochemicznym (BZT) i chemicznym zapotrzebowaniem tlenu (ChZT) oraz wysokim poziomem populacji drobnoustrojów.

Jedną z metod stosowanych do przetwarzania gnojowicy świńskiej jest fermentacja anaerobowa, wykorzystująca procesy mikrobiologiczne do rozkładu odpadów, takich jak gnojowica świńska, poprzez przekształcenie cząstek stałych w biogaz i związki rozpuszczalne. Celem fermentacji anaerobowej jest wytwarzanie biogazu zawierającego metan i usuwanie patogenów, oraz zmniejszenie zawartości części lotnych i koloidalnych w przetwarzanej gnojowicy. Aby zwiększyć efektywność produkcji biogazu dodatkowo wykorzystuje się rośliny o wysokim potencjale produkcyjnym biomasy. Każdy rodzaj biomasy roślinnej, poza roślinami zdrewniałymi, może być wykorzystany jako kosubstrat do procesu fermentacji. Najczęściej wykorzystywanym kosubstratem jest kiszonka kukurydzy. Taki kosubstrat dodaje się w ilości odpowiadającej 25-30% używanej gnojowicy. Fermentacja anaerobowa eliminuje też w znacznym stopniu emisję odorów i gazów cieplarnianych. Wadą procesu fermentacji jest jednak zwiększona ilość rozpuszczonych makroskładników odżywczych, w postaci związków fosforu, azotu, magnezu i wapnia, z których wszystkie wymagają właściwego przerobu lub wykorzystania. Stężenie rozpuszczonych składników odżywczych uzyskanych z procesu fermentacji beztlenowej mogą się znacznie różnić w zależności od parametrów procesu i użytych surowców. Przefermentowana gnojowica świńska ma zwykle wysokie stężenie związków azotu i fosforanów, przy czym jony magnezu, sodu, potasu, wapnia, wodorowęglany i siarczki mogą być obecne w dużych ilościach w zależności od specyficznych parametrów procesu fermentacji gnojowicy.

W porównaniu ze stosowaniem gnojowicy do celów nawozowych fermentacja anaerobowa pozwala na uzyskanie szeregu dodatkowych korzyści: produkcji energii odnawialnej, poprawę wartości nawozowej odpadów, redukcję zawartości patogenów i zmniejszenie emisji odorów. Jednak fermentacja anaerobowa nie zmniejsza całkowitego stężenia składników odżywczych w gnojowicy. Dodatkowo, ponieważ gnojowica świńska jest generalnie fermentowana w mieszaninie zawierającej także inne surowce, zawartość N i P w odpadzie pofermentacyjnym może być nawet większa niż ich stężenie w surowej gnojowicy. Stąd też problem zagospodarowania gnojowicy nie zostaje właściwie rozwiązany w procesie fermentacji anaerobowej, a tylko zastąpiony problemem zagospodarowania odpadu pofermentacyjnego.

Zazwyczaj, ciekłe odpady pofermentacyjne zawierają 3-6% suchej masy. Ponadto, są one bogate w składniki odżywcze, takie jak N (> 6% suchej masy), NH4-N (> 2% suchej masy), K (> 4% suchej masy), Ca i Mg. Ze względu na wysoką zawartość N w ciekłym odpadzie pofermentacyjnych, stosunek w nim C/N jest bardzo niski (<6), co sprawia, że nadają się one do bezpośredniego stosowania do nawożenia gleby.

W patencie europejskim EP2653456 zaproponowano sposób otrzymywania nawozów mineralnych organicznych z odpadów pofermentacyjnych, który charakteryzuje się tym, że odpady po fermentacji anaerobowej, stanowiące 20-70% zawartości wsadu zawierającego 42-50% substancji stałych, o zawartości 35-60% węgla organicznego, są traktowane stężonym kwasem siarkowym w ilości 10-30% wagowych w stosunku do masy wsadu, a następnie zobojętniane tlenkiem magnezu w ilości 10-35% wagowych w stosunku do mas y wsadu, po czym sterylizuje się wsad w powstającym w tych warunkach we wsadzie czystym węglanie magnezu, w zakresie temperatur 108150°C w ciągu 30 minut.

PL 232 858 B1

W zgłoszeniu patentowym WO2014060687 ujawniono sposób obróbki ciekłego odpadu po fermentacji anaerobowej, który obejmuje: etap mieszania ciekłej frakcji pofermentacyjnej z materiałem nieorganicznym, który zawiera znaczne ilości glinki, zeolity lub ziemi okrzemkowej, przez okres wystarczająco długi, aby umożliwić związanie przez wspomniany materiał co najmniej części jonów amonowych zawartych w odpadzie pofermentacyjnym oraz etap oddzielania frakcji stałej od wspomnianej mieszaniny.

Oba te procesy są stosunkowo skomplikowane i mogą być trudne do realizacji w skali przemysłowej.

Główna frakcja materii organicznej ciekłego odpadu pofermentacyjnego ma postać drobnej zawiesiny, i właśnie rozdział tej zawiesiny na frakcje stałą i ciekłą przy stosowaniu metod filtracyjnych jest bardzo trudny.

Z polskiego opisu patentowego PL 220702 znany jest sposób obróbki zawiesiny gnojowicy świńskiej przez rozdział na fazę stałą i ciekłą, przy zastosowaniu filtracji, który charakteryzuje się tym, że zawiesinę gnojowicy świńskiej zmineralizowanej kwasami mineralnymi neutralizuje się zawiesiną wodorotlenku wapnia do pH co najmniej 10,5, po czym do zneutralizowanej zmineralizowanej zawiesiny gnojowicy dodaje się fosforan jednowapniowy, korzystnie w proporcji wagowej od 0,8/1 do 1,2/1 w stosunku do zawartej w gnojowicy wyjściowej suchej masy, a następnie dodaje się do przetworzonej zawiesiny gnojowicy zawiesinę wodorotlenku wapnia lub wodorotlenek wapnia w takiej ilości, aby otrzymać pH zawiesiny co najmniej 10,5, po czym filtruje się w znany sposób na filtrze ciśnieniowym, w podwyższonej temperaturze; korzystnie filtrację prowadzi się w temperaturze pomiędzy 60 a 85°C.

Nieoczekiwanie okazało się, że jest możliwe opracowanie nowego sposobu obróbki ciekłego odpadu po fermentacji gnojowicy, dzięki któremu można efektywnie rozdzielić go metodą separacji mechanicznej oraz wyeliminować substancje organiczne (ChZT) oraz fosfor, wapń i magnez z tego filtratu.

Sposób obróbki zawiesiny ciekłego odpadu pofermentacyjnego otrzymanego w wyniku fermentacji mieszaniny gnojowicy świńskiej z biomasą roślinną według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiesinę mineralizuje się kwasami mineralnymi, alkalizuje się do pH co najmniej 10,5, po czym do zmineralizowanej i zalkalizowanej zawiesiny pofermentacyjnej dodaje się superfosfat pojedynczy w proporcji wagowej od 0,7/1 do 1,3/1 w stosunku do zawartej w wyjściowym odpadzie pofermentacyjnym suchej masy, a następnie dodaje się do przetworzonej zawiesiny zawiesinę mleka wapiennego o stężeniu wapnia w mleku wapiennym od 3- do 5% w takiej ilości, aby otrzymać pH zawiesiny co najmniej 10,5, po czym dodaje się ziemię bielącą w ilości 0,3/1 do 0,5/1 w stosunku do zawartej w wyjściowym odpadzie pofermentacyjnym suchej masy i perlit w ilości 0,1/1 do 0,2/1 w stosunku do zawartej w wyjściowym odpadzie pofermentacyjnym suchej masy, a następnie w ostatnim etapie zawiesinę podgrzewa się do temperatury nie wyższej niż 100°C, po czym filtruje się w znany sposób.

W sposobie według wynalazku może być wykorzystany każdy rodzaj biomasy roślinnej, poza roślinami zdrewniałymi. Przede wszystkim może być to kiszonka zbóż, w szczególności kiszonka kukurydzy. Korzystnie kiszonkę dodaje się w ilości odpowiadającej 25-30% używanej gnojowicy. Kiszonka kukurydzy przeciętnie zawiera 20-35% (korzystnie około 33%) suchej masy i 85-95% (korzystnie 95%) substancji organicznej w suchej masie.

Do przygotowania mleka wapiennego stosuje się zawracany do procesu filtrat.

W ostatnim etapie zawiesinę podgrzewa się przez 30-50 min. do temperatury 70-90°C.

Proces mineralizacji i alkalizacji ciekłego odpadu pofermentacyjnego prowadzi się w temperaturze 30-40°C.

Filtrację prowadzi się na filtrze ciśnieniowym.

Zawiesinę filtruje się pod ciśnieniem 3-200 barów.

Filtrację prowadzi się w temperaturze pomiędzy 50 a 85°C.

Do mineralizacji zawiesiny stosuje się kwas fosforowy i siarkowy.

Kwas fosforowy dodaje się do osiągnięcia pH 5,0-6,0, a następnie kwas siarkowy do osiągnięcia pH 2,5-3,5.

Niespodziewanie okazało się, że na skutek prowadzonych operacji powstają w zawiesinie przetworzonej zawiesiny pofermentacyjnej znaczne ilości nierozpuszczalnych w wodzie, krystalicznych fosforanów wapnia i siarczanu wapnia, których obecność przyczyni się do poprawy struktury filtrowanego osadu i tym samym zwiększenia wydajności filtracji przetworzonej zawiesiny gnojowicy. Istotą rozwiązania jest stworzenie takich warunków strącania i krystalizacji fosforanów wapnia, żeby wprowadzona do organicznej fazy gnojowicy świńskiej w ilości około 50%, faza krystaliczna, była prawie w całości fosforanem wapnia hydroksyapatytem Ca5(PO4)3(OH)2, nierozpuszczalnym w wodzie. Umożliwia to

PL 232 858 B1 praktycznie ilościowy odzysk fosforu, wapnia i magnezu z fazy ciekłej gnojowicy tworzących hydroksyapatyt, w którym niewielka część jonów wapnia zastąpiona jest też jonami magnezu. W efekcie otrzymuje się filtraty, w których zawartość P wynosi 1-40 mg/l, zawartość Ca 4-30 mg/l; zawartość Mg 4-20 mg/l. Równocześnie następuje obniżenie odpowiednio o około 95% i 99% ładunku ChZT i P w filtracie w stosunku do jego zawartości w wyjściowej gnojowicy. Filtrat taki może być stosowany zamiast wody do deszczowania pól czy trawników. Może być także oczyszczany w biologicznych oczyszczalniach ścieków.

Obecność prawie 50% fazy krystalicznej w fazie stałej filtrowanej zawiesiny umożliwia uzyskanie wysokiej wydajności filtracji na filtrach ciśnieniowych, powyżej 1000 l/m ²/h i dobrej klarowności filtratu. Otrzymany osad pofiltracyjny zawierających znaczne ilości makroskładników nawozowych takich jak P, Ca, Mg, przewidywany jest do stosowania, po odpowiednim przetworzeniu, jako surowiec do produkcji nawozów mineralno-organicznych.

Należy wskazać, że w sposobie według wynalazku występują istotne różnice w stosunku do sposobu znanego ze stanu techniki z opisu PL220702, tj.

- do neutralizacji stosuje się mleko wapienne zawierające 3-5% Ca, a nie zawiesinę wodorotlenku wapnia lub wodorotlenek wapnia;

- do zneutralizowanej zmineralizowanej zawiesiny gnojowicy dodaje się ściach superfosfat pojedynczy, a nie fosforan jednowapniowy;

- do zneutralizowanej zmineralizowanej zawiesiny gnojowicy dodaje się ściach perlit;

- do zneutralizowanej zmineralizowanej zawiesiny gnojowicy dodaje się ściach ziemię bielącą;

- filtrację można prowadzić już w 50°C.

Wynalazek umożliwia obniżenie temperatury filtracji, a jednocześnie pozwala na otrzymanie filtratu o parametrach pozwalających na wykorzystanie go, po przetworzeniu, jako nawozu. Szczególnie istotna jest wysoka zawartość makroskładników nawozowych takich jak P, Ca, Mg.

Wynalazek ilustruje poniższy przykład:

P r z y k ł a d

Do 200g ciekłej zawiesiny pofermentacyjnej zawierającej 38,9 g/l ChZT; 0,29 g/l P; 0,66 g/l Ca; 0,24 g/l Mg; 0,16 g/l S i 40,3 g/l suchej masy dodawano przy ciągłym mieszaniu 2,3 75% kwasu fosforowego do uzyskania pH 5,5 i następnie 0,57 g 95% kwasu siarkowego do uzyskania pH 3,0. Po dodatku kwasów do zawiesiny dodano 45,1 g mleka wapiennego zawierającego 5% tlenku wapnia, do uzyskania pH 10,5, a następnie 8 g superfosfatu pojedynczego i z kolei dodawano w temperaturze powyżej 40°C, 26,2 g mleka wapiennego zawierającego 5% tlenku wapnia do uzyskania pH 10,5 i następnie 4 g ziemi bielącej i 1 g perlitu. Tak otrzymaną zawiesinę gnojowicy utrzymywano w czasie 50 minut w temperaturze około 90°C, po czym w temp. około 70°C filtrowano na laboratoryjnym filtrze ciśnieniowym pod ciśnieniem około 4 barów, z wydajnością 1770 1/h/m² powierzchni filtracyjnej. W wyniku filtracji otrzymywano 123 g klarownego filtratu koloru słomkowego, w którym zawartość [mg/l] wyniosła odpowiednio: ChZT - 1919, P - 2,4 Ca - 384, Mg - 108, przy obniżonym odpowiednio ładunku ChZT i P o 95,1 i 99,2% w stosunku do ich zawartości w wyjściowym odpadzie pofermentacyjnym, oraz 71 g osadu o wilgotności 73,5%, zawierającego 61% fazy krystalicznej (w suchej masie osadu) składającej się głównie z hydroksyapatytu Cas(PO4)3(OH) i CaSO4, co wykazały badania rentgenograficzne, zawierającego w suchej masie osadu 4,0% P, 15,6% Ca, 2,89% Mg, 2,86% S.

określonych określonych określonych iloiloilo-

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki zawiesiny ciekłego odpadu pofermentacyjnego otrzymanego w wyniku fermentacji mieszaniny gnojowicy świńskiej z biomasą roślinną, znamienny tym, że zawiesinę mineralizuje się kwasami mineralnymi, alkalizuje się do pH co najmniej 10,5, po czym do zmineralizowanej i zalkalizowanej zawiesiny pofermentacyjnej dodaje się superfosfat pojedynczy w proporcji wagowej od 0,7/1 do 1,3/1 w stosunku do zawartej w wyjściowym odpadzie pofermentacyjnym suchej masy, a następnie dodaje się do przetworzonej zawiesiny zawiesinę mleka wapiennego o stężeniu wapnia w mleku wapiennym od 3 do 5%w takiej ilości, aby otrzymać pH zawiesiny co najmniej 10,5, po czym dodaje się ziemię bielącą w ilości 0,3/1 do 0,5/1 w stosunku do zawartej w wyjściowym odpadzie pofermentacyjnym suchej masy i perlit

   PL 232 858 B1 w ilości 0,1/1 do 0,2/1 w stosunku do zawartej w wyjściowym odpadzie pofermentacyjnym suchej masy, a następnie w ostatnim etapie zawiesinę podgrzewa się do temperatury nie wyższej niż 100°C, po czym filtruje się w znany sposób.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do przygotowania mleka wapiennego stosuje się zawracany do procesu filtrat.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w ostatnim etapie zawiesinę podgrzewa się przez 30-50 min. do temperatury 70-90°C.
4. 4. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że proces mineralizacji i alkalizacji ciekłego odpadu pofermentacyjnego prowadzi się w temperaturze 30-40°C.
5. 5. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że filtrację prowadzi się na filtrze ciśnieniowym.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że zawiesinę filtruje się pod ciśnieniem 3-200 barów.
7. 7. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że filtrację prowadzi się w temperaturze pomiędzy 50 a 85°C.
8. 8. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że do mineralizacji zawiesiny stosuje się kwas fosforowy i siarkowy.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że kwas fosforowy dodaje się do osiągnięcia pH 5,0-6,0, a następnie kwas siarkowy do osiągnięcia pH 2,5-3,5.