处理动物的废物的方法和体系.pdf

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摘要
申请专利号:

CN00818844.0

申请日:

2000.12.04

公开号:

CN1433388A

公开日:

2003.07.30

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

C05F3/00; C05D9/00; A01C3/00

主分类号:

C05F3/00; C05D9/00; A01C3/00

申请人:

IMS有限责任公司

发明人:

D·英格曼; V·奥亘科

地址:

美国加利福尼亚州

优先权:

1999.12.07 IL 133364; 2000.08.07 IL 137735

专利代理机构:

中国专利代理(香港)有限公司

代理人:

卢新华;王其灏

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内容摘要

本发明涉及一种处理液态或半固态的动物的废物,包括人类的废物和控制与废物有关的臭气的方法。将动物的废物收集到贮槽中,形成废物池。在废物池上表面形成界面层的颗粒物料以可浮状态引入动物的废物池中。界面层基于其化学组成和物理结构具有多种功能,使池的较上层的性质和组成和/或它与位于其上的大气的相互作用发生变化。界面层在废物池中经培育足够的时间,产生功能效果,同时如果需要定期地用这种新颗粒置换或补充界面层。

权利要求书

1: 一种处理包括人类的废物的液态或半固态动物的废物和控制与 该废物相关的臭气的方法,包括: (a)将该动物的废物收集入贮槽,形成废物池; (b)将可浮的颗粒物料送入该动物的废物池,颗粒物料在该废物 池的上表面上形成界面层;该界面层基于其化合组成和物理结构具有 多种功能,并使上池层的性质和组成和/或与位于其上的大气的相互作 用发生变化,按预期功能,界面层可至少包含一种选自下列的组分: (I)可浮的基本上疏水的纳米级颗粒,其直径小于100nm,优选 2-40nm(称为“组分A”) (II)可浮的,具有疏水和亲水两种基团的多孔颗粒(称为“组分 B”)。该颗粒的直径>1μm的粒子,它还可与(1)基本上疏水的纳米 级颗粒结合;与或不与(2)基本上亲水的纳米级颗粒(称为“组分C”) 结合,该颗粒直径小于100nm,优选2-40nm;和/或与(3)能降解有 机物和臭气的光催化剂结合;和/或与(4)能降解有机废物材料的需 氧细菌结合; (III)与组分A和/或组分B结合的活性炭颗粒; (c)在该废物池中将该界面层培育足够的时间,以便产生所述功 能的效果,同时如果需要定期地用这种新的颗粒转换或补充界面层。
2: 权利要求1的方法,其中该组分B是孔隙率为50-95%的多孔 颗粒。
3: 权利要求1的方法,其中该可浮的组分A颗粒本来就疏水的, 或者是原为亲水的,经预处理变为基本上疏水的。
4: 权利要求3的方法,其中该颗粒选自称为“氧化物”的无孔化 合物和/或含氧化物基团的物质。
5: 权利要求3的方法,其中该颗粒是烷基硅石。
6: 权利要求1的方法,其中该可浮的组分B颗粒含疏水的和亲水 的两种基团,或者本身是疏水的,或者是亲水的颗粒,经预处理赋予 其部分亲水性或部分疏水性。
7: 权利要求6的方法,其中该颗粒选自称为“氧化物”的多孔化 合物和/或含氧化物基团的物质。
8: 权利要求1-7中之一的方法,其中组分A和/或组分B和/或组 分C的颗粒选自矿物衍生颗粒。
9: 权利要求8的方法,其中该矿物颗粒选自硅石矿物、氧化铝矿 物和粘土矿物。
10: 权利要求9的方法,其中该硅石矿物是珍珠岩、该粘土矿物 是膨润土或高岭石。
11: 权利要求10的方法,其中组分B选自珍珠岩、膨润土和高岭 石。
12: 权利要求7的方法,其中组分B含无定形氧化物的植物材料 残留物。
13: 权利要求12的方法,其中该植物残留物选自草杆、泥炭、干 茎和锯屑。
14: 权利要求6的方法,其中组分B颗粒的预处理包括多孔颗粒 材料的烧结,以在其中形成充满空气的腔,该腔赋予颗粒可浮性。
15: 权利要求3-6的方法,其中该预处理包括用化学方式将疏水 基团至少结合到该颗粒表面上。
16: 权利要求15的方法,其中该预处理是存在于该颗粒表面上的 官能团的烷基化。
17: 权利要求1的方法,其中该界面层包含催化组分,以便使从 该动物的废物中逸出的挥发性物质催化降解;该催化组分是在该颗粒 物料放入该池之前或之后引入颗粒物料上的,或者是吸附到该颗粒物 料上的。
18: 权利要求17的方法,其中该催化组分是光催化组分,是重金 属的络合物或氧化物。
19: 权利要求18的方法,其中该重金属络合物包括选自Fe、Cu、 Co或Ni的无毒重金属。
20: 权利要求18的方法,其中该金属氧化物是TiO 2 或Al 2 O 3 。
21: 权利要求1的方法,其中该组分C颗粒是SiO 2 、Al 2 O 3 或TiO 2 。
22: 权利要求1的方法,其中该界面层由组分A和C的颗粒组成, 其吸附在组分B颗粒的表面上。
23: 权利要求1的方法,其中该界面层包括活性炭颗粒或碳的衍 生物质,它们是在引入该颗粒物料之有或之后引入该废物池的或者是 吸附到该颗粒物料上的。
24: 权利要求1的方法,其中组分A和C颗粒的直径为2-50nm。
25: 权利要求1的方法,其中组分B颗粒的直径在1μm-5cm范围 内。
26: 权利要求1的方法,其中该界面层包括组分A和组分B颗粒 子的组合。
27: 权利要求26的方法,其中该界面层含1-5重量%组分A和95-99 重量%组分B。
28: 权利要求1的方法,其中组分B颗粒含对该动物的废物中的 有机物、和/或其它可生物降解物质的降解呈活性的细菌。
29: 上述权利要求中之一的方法是一种批式方法。
30: 上述权利要求中之一的方法,包括将动物的废物连续地或定 期地添加到该贮槽中。
31: 一种可浮的颗粒物料,该物料含有至少一种选自下列的组分: (a)可浮的、基本上疏水的纳米级颗粒,其直径小于100nm,优 选2-40nm(称为“组分A”); (b)可浮的多孔颗粒,该颗粒具有疏水的和亲水的两种基团(称 为“组分B”),该颗粒的直径>1μm,它还可与(1)基本上疏水的纳 米级颗粒结合;与或不与(2)基本上亲水的纳米级颗粒(称为“组分 C”)结合,该颗粒直径小于100nm,优选2-40nm,和/或与(3)能降 解有机物和臭气的光催化剂结合;和/或与(4)能降解有机废材料的 需氧细菌结合; (c)与组分A和/或组分B结合的活性炭颗粒; 它们在引入含液态或半固态的动物的废物,包括人类的废物之 后,在该废物池的上表面上形成界面层;该界面层基于其化学组成和 物理结构,具有多种功能,并使池的上层的性质和组成和/或它与位于 其上的大气的相互作用发生变化。
32: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其具有50-95%的孔隙 度。
33: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其本身是疏水性的或者 经处理成为至少部分疏水性的。
34: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其中该颗粒选自称为“氧 化物”的化合物和/或含氧化物基团的物质。
35: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其包含硅石衍生颗粒。
36: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其包含矿物衍生颗粒。
37: 根据权利要求36的可浮的颗粒物料,其中该矿物选自硅石矿 物、氧化铝矿物和粘土矿物。
38: 根据权利要求37的可浮的颗粒物料,其中该硅石矿物是珍珠 岩,该粘土矿物是膨润土或高岭石。
39: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其包含植物材料残渣。
40: 根据权利要求39的可浮的颗粒物料,其中该植物材料残渣选 自草杆、泥炭、干茎和锯屑。
41: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其中该颗粒是经预处理 的。
42: 根据权利要求41的可浮的颗粒物料,其中组分B多孔颗粒是 经预处理的,预处理包括烧结至少部分孔,以在其中形成充满空气的 腔,该腔使该物料呈可浮的。
43: 根据权利要求41的可浮的颗粒物料,其中该处理包括至少在 该颗粒物料的表面以化学方式结合疏水基团。
44: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其包括直径为2-50nm 的纳米级颗粒。
45: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其包括直径在1μm-5cm 的颗粒。
46: 根据权利要求31、44和45的可浮的颗粒物料,其中在将该 颗粒引入动物废物池之前,使纳米级颗粒吸附在直径为1μm-5cm的颗 粒上。
47: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其中组分C是SiO 2 、Al 2 O 3 或TiO 2 。
48: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其中组分A和组分C的 纳米级颗粒是吸附在组分B颗粒的表面上。
49: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其中组分A和组分C的 纳米级颗粒是吸附在活性炭或碳衍生的颗粒的表面上。
50: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,载带吸附于颗粒表面上 的催化组分,以便对挥发物,包括臭气进行催化分解。
51: 根据权利要求50的可浮的颗粒物料,其中该催化组分是重金 属的络合物或其氧化物。
52: 根据权利要求51的可浮的颗粒物料,其中该重金属络合物包 括选自Fe、Cu、Co或Ni的无毒重金属。
53: 根据权利要求51的可浮的颗粒物料,其中该金属氧化物是TiO 2 或Al 2 O 3 。
54: 根据权利要求31的可浮的颗粒物料,其中组分B颗粒含有对 有机物和/或其它可生物降解的物质的降解呈活性的细菌。
55: 一种肥料组合物,它是按上述权利要求之一在处理液态或半 固态动物的废物,包括人类的废物和控制与该废物有关的臭气的过程 中、和/或过程之后、和/或作为过程的结果所得的。

说明书


处理动物的废物的方法和体系

    【发明领域】

    本发明涉及废物管理领域,具体涉及处理动物的废物的方法,包括控制该废物所带的臭气,本发明还涉及对这种处理有效的组合物,以及涉及该处理所得产品的应用。发明背景

    包括粪便、食物残渣和动物垫料的动物的废物食用动物饲养中典型的积累物。这类积累物需要进行合适的管理。动物粪肥,尤其是它的气味和过量的养分浓度是一个严重的和日益增长的问题,尤其是在食用动物的饲养业中。与动物饲养如在菜牛饲养业,奶品业,家禽业和养猪业中的有关的废物合理和气味控制装置地开发和改进是全球性的需要。

    粪肥可以液态、半固态或固态进行处理、垫料量和稀释水量影响粪肥的特性。这些特性影响适于废物处理的粪肥管理系统的类型。典型的固态粪肥是垫料和排泄物的组合、半固态粪肥是排泄物、尿和某些垫料的组合,并无外加液体,而液态粪肥则是加水以形成可漂浮的混合物。

    在对用于特定的动物饲养操作选择粪肥管理系统的类型时需要考虑多种因素。这些因素包括:家畜种类(牛、猪、家禽),动物的年龄和大小、所需的饲料、圈养系统、所需的或现有的垫料、圈区的修整方式、与水系的接近程度、与相邻居住区的接近程度和家畜饲养者的个人爱好。

    一种最普通的和最基本的粪肥处理装置是贮留池系统,无论对何种动物皆可应用。贮留池源于贮存和保留来自动物废物的肥料养分直至它直接施于土壤的方法。

    贮留池起熟化器的作用,其中两种主要类型的细菌将有机物质分解为液体和残渣:厌氧细菌通常存在于温血动物肠胃中,并在无氧条件下活化;和亲氧细菌只在有溶解氧存在下活化,溶解氧或者穿过贮留池水表面扩散而入,或者是藻类光合作用的结果。但是,贮留池系统使养分值损失。其次,由于臭气是大多数贮留池系统的普遍问题,因此要求经常除渣,特别是在运行小型贮留池的情况下,需要进行水位控制和机械供气系统,以便维持贮留池的运行,这种涂渣可能增加操作费用。

    粪肥逸出的臭气是一个主要的环境问题。牲畜管理中的气味是有机物质分解的直接结果,无论它是排泄物或饲料,和产生的高浓度的氨、硫化氢、二氧化碳、痕量气体、挥发性有机化合物、甲烷尘和某些病原体。

    气味可藉助通风处理,藉助自然通风或者利用风扇、抽风机、风道等进行机械通风。另外,逸出的气味可利用生物过滤器或生物质过滤器,或用高密聚乙烯材料或禾杆、谷茎等覆盖贮存结构(即贮留池)来减少,后者具有局限性,即它们被水浸泡后会沉陷,从而增加贮存池中的粪肥固体和气味问题。

    美国专利3,884,804涉及处理动物废物的方法,它减少动物废物中有机物质产生的气味。现在讨论下列系统:

    1.Contacegon颗粒,该颗粒包括固体催化剂颗粒,催化剂颗粒有用疏水性材料处理的防水表面部分,Contacegon颗粒浮在含动物废物的有水的物料表面上。Contacegon颗粒有助于由动物废物变质分解产生的有气味的化合物被空气氧化。Contacegon颗粒是固体催化剂颗粒,该颗粒已用疏水剂处理,疏水剂选自聚四氟乙烯、硅树脂和硅胶,它们经表面转化为硅氧烷而呈疏水性。催化剂颗粒可以是任何具有大比表面积的物质,该物质能催化由动物废物变质分解产生的有气味化合物被空气氧化。活性炭是这样的一种催化剂。

    2.浮在动物废物有水物料表面的固体催化剂颗粒选自碳的活性炭颗粒,其有形成间断膜的疏水材料的表面部分。疏水材料选自上面提及的。碳颗粒子的尺寸可在10微米(粉末)到相对大尺寸的颗粒(约1cm)之间变化。

    曾经意外发现,尺寸小于10微米的疏水颗粒在处理液体和半固态动物粪肥中是高效的。更具体而言,与具有疏水和亲水基团的可浮的多孔颗粒结合的直径小于1μm的可浮的疏水颗粒在动物废物高效管理中起重要的作用。

    更具体而言,按照本发明,在动物废物池上面形成一新的特殊的表面层(以下称为“界面层”)。该界面层具有多种功能,基于化学组成和物理结构,使池的上层的性质和组成发生变化。按照拟达到的预期功能,界面层可含不同的组分。该类组分选自:

    (a)可浮的基本上疏水的纳米级颗粒子,其直径小于100nm,优选2-40nm(以下称为“组分A”)。例如这类颗粒可以是改性硅石(例如烷基硅石)、改性矿物(例如烷基矿物材料),以及其它。

    (b)可浮的多孔颗粒(50%以上的材料由孔组成),该颗粒具有疏水的和亲水的两种基团(以下称为“组分B”)。例如这类材料可以是珍珠岩、Claydite、植物渣(木块、木浆、锯屑、谷杆等)。直径>1μm的该颗粒还可与(1)基本上疏水的纳米级颗粒子相结合;与或不与(2)基本上亲水的直径小于100nm,优选2-40nm的纳米级颗粒(以下称为“组分C”)相结合。例如这类颗粒可以是硅石、氧化铝、以及其它含氧材料;和/或与(3)能分解有机物质和臭气的光催化剂结合;和/或(4)能分解有机废物材料的需氧细菌结合。

    (c)与组分A和/或组分B结合的活性炭颗粒。

    更具体而言,组分A是纳米级的、无孔的、机械刚性的和高可分散性的颗粒,而组分B是多孔的、微米-厘米级的、机械脆性的颗粒。其次,组分A的颗粒单位体积或重量具有大的外凸表面,而组分B的颗粒由于细孔和洞的原因具有大的内凹表面。

    组分C的颗粒具有类似于组分A的物理和机械性质。

    尽管上面的组分A和B之间的区别,但这两种颗粒均可以是同样的或不同的材料,而且它们可经受同样的或不同的预处理,以便赋予疏水和/或亲水性质。发明简述

    本发明的一个目的在于提供一种处理液态或半固态动物废物的新系统和方法。动物废物包括排泄物,典型的还有尿,有时还包括动物垫料和饲料残留物。本发明的另一目的在于提供一种在适宜于收集这种废物的贮槽中处理同样的动物废物的方法。贮槽可以是直接接收动物废物的,优选位于动物饲养设施下面的贮槽。另外,贮槽可以是位于饲养设施外的接收槽,动物废物经过管道或通道传送至接受槽,可利用重力引起流动或利用各种抽送装置等等,含有动物废物的贮槽本文称为“动物废物池”。

    本发明的再一个目的在于防止减小或/和消除这类动物废物所带的典型臭气。尤其是,本发明提供一种与动物饲养有关的管理废物的方法和系统,其中从废物带来的有机物质和臭气被本发明的一咎特别的多孔颗粒材料所分解和/或吸附。因此,本发明的另一目的在于提供一种在按本发明处理动物废物之后所形成的肥料组合物。优选实施方案详述

    按照本发明,在动物废物池的上表面形成界面层。此界面层含有藉助界面层的功能性质来改变池上层性质和组成的颗粒物质。此类功能性质包括下列的一种或多种:(1)能吸附池内有机物质;(2)在分解挥发性臭气物质中能起催化作用;(3)形成屏障,防止臭气从池传送到环境大气;同时保持水蒸发的能力,或者,如果需要,(4)通过细菌能对有机废物进行生物降解,细菌是包含在界面层中的。因此,界面层可表现出下列的多种功能:1.由组分A组成的界面层:

    组分A形成一种半渗透的膜状屏障,防止臭气从废物池转移到外部大气。这种屏障容许较小的分子(诸如水)从池转移到环境大气。在稳定的界面层的情况下(例如由甲基-硅石颗粒组成),在表面层丧失其机械稳定性之前可有效控制气味一星期。在不稳定界面层形成的情况下(例如由正-丁基硅石组成),它可在较短的时间内保持有效。但是,后一种情况更适用于控制从连续缓慢移动的或流动的废物中的释放的气味。2.由组分A和组分B不同组合组成的界面层:

    控制与液态或半固态动物废物相关的臭气的方法可提供有用的肥料作为副产品,存在多种可能性,其中有:(a)提供有机基肥料:

    (I)一种含组分A(例如甲基硅石)和组分B(例如多孔珍珠岩),还可有组分C(例如硅石)的组合的界面形成界面层,其中一定数量的纳米颗粒(组分A和还可有组分C)被吸收在作为载体的多孔颗粒(组分B)的表面上。这种含有适当量的纳米颗粒的界面层起着半渗透膜的作用,它容许水蒸汽逸出,但阻止其它气体的释放,从而将臭气保留在池中并与环境大气隔绝。上层中的水分子蒸发(类似升华的过程)进入周围的大气,并连续地被从液相中来的其它水分子所取代。其次,向组分A和B的颗粒组合物中添加纳米级亲水性颗粒(组分C)提供一种改进的半渗透界面层,这是由于纳米级亲水颗粒被蒸发的水湿润形成一种“湿过滤器”。对废物池的这种处理将使有机物质部分或完全吸附到界面层上。因此,此界面层,或其残留物,含有的被吸附的有机物质,在它从池中取出之后,可用作长期释放的有机成分和/或各种作物施肥料的有效养分的载体。

    应该指出,由组分A和组分B组合组成的,还可含组分C的界面层同时保留疏水性(由组分A和B提供)和亲水性(由组分B,还可由组分C提供)。组分A和B,还可含组分C的组合,取决于并与物理力有关。例如,纳米级的基本疏水粒子可被吸附,附着,或通过静电力,比如范德华力附着在组分B的粒子上。如果含有组分C时,也可包括附加力,例如氢键。但是,应该强调,界面层的形成和功能取决于单位体积,或重量的巨大的颗粒表面积(比表面)。因此,1克纳米级颗粒的表面积可达200平方米并可达到这个数字的两倍。所以,多孔的B颗粒同纳米级颗粒(例如甲基硅石和珍珠岩)相组合包含着大的表面积对体积比,形成其功能类似于上述之一的相当的界面层。

    还应强调,希望以甘油的(或类似甘油的物质的)水溶液浸润由吸附纳米级颗粒的组分B的颗粒所组成的可浮颗粒物料,以防止颗粒物料散布在废物池的上面时粉末状纳米级粒子的脱落。这样一种湿润处理可包括在颗粒材料使用之前或在制造过程中利用液滴喷洒颗粒物料,然后进行密封包装。

    (II)含组分A的颗粒与组分B的颗粒的界面层,有光催化剂例如TiO2浸渍或吸附在组分A颗粒的表面上和/或组分B颗粒的表面上。这样一种还可含组分C的颗粒的界面层,可由吸附在组分B颗粒表面上的带催化剂的纳米级基本上疏水的颗粒(例如甲基硅石)和/或吸附在组分A的颗粒上的带催化剂的组分B的颗粒(例如多孔珍珠岩)和/或吸附在带催化剂的组分B的颗粒表面上的带催化剂的组分A的颗粒组成。光催化化合物维持放出的和/或达到池的表面的臭气的分解。废物池的这种处理会使有机物质部分或完全吸附到界面层上。因此,含有被吸附有机物质的界面层,或其残留物,在其从池中取出之后,可用作长期释放有机成分和/或各种作物施肥的有效养分的载体。(b)提供无机基肥料:

    层界面可由适当量的组分A、组分B(含需氧细菌),还可有组分C联合组成。这种界面(例如含吸收在多孔珍珠岩表面的甲基硅石,在孔内浸渍了需氧细菌,还可有组分C的颗粒)起半渗透膜的作用,它容许水蒸汽的逸出,同时将臭气保留在池中以与环境大气隔绝。对废物池的这种处理可使积累在界面层上的有机物质经细菌分解后的残留无机物质部分或完全吸附。因此,界面层,或其含有被吸附的无机物质的残留物,在其从池中取出后可用作长期释放无机成分和/或各种作物施肥的有效养分的载体。

    应该指出,与光催化剂结合的组分A和含需氧细菌的组分B的组合的界面层同样属于本发明的范畴。

    从原理上看,应该强调,向组分A的颗粒和组分B颗粒的组合中添加组分C的颗粒(纳米级亲水粒子)可使亲水的组分C的颗粒吸附在组分B颗粒的表面和孔内。这三种组分的组合具有一些补充优点,诸如,增大的界面层对外部机械干扰(风、波等)的稳定性。其次,在组分B颗粒的表面和孔内有亲水颗粒的存在使颗粒在此时间内变得较重,因为它从废物池中吸收了水,从而提高了抗气体逸出的压力,使释放到环境大气中的臭气减少。

    在界面层中加入活性碳作为组分(或者添加到组分A和/或组分B,有或无组分C)会带来某些优点,例如增加气体吸附(包括臭气)、增加离子物质吸附,去除过量的(它们可能是有毒的)N基和/或P基和/或K基无机化合物。其次,黑色颗粒可吸收太阳光,从而使池加热,促进生物降解过程。在界面上形成的颗粒状材料可以是按一定方式预处理过,使其在一定时间内浮在液体的表面上。这种处理可包括烧结(形成封闭的充满气体/空气的孔,它使颗粒状材料成为可浮的);颗粒材料的化学改性使其能载带合适份额的疏水和/或亲水基团;使催化化合物结合到颗粒材料上;不同尺寸的颗粒材料相互吸附;使颗粒物质与细菌,典型的是需氧细菌相结合(浸渍,吸附等),细菌然后在物质中克隆孔(这里的孔不仅被看作颗粒内的自由空间,而且亦被看作是颗粒间的空间)。应该指出,对形成界面层颗粒材料的重要要求在于,其整体比重小于水的比重,这样它可在废物池的上表面上保持浮动。对于用作界面层材料的某些颗粒物,这可以是组分B颗粒的孔隙度和通过其烧结封闭一些孔形成封闭空气腔的结果。本发明所用组分B颗粒的典型孔隙度大于50%,优选在70-99%的范围内。

    有时,如上所述,组成界面层的颗粒可以用化学结合或吸附到催化组分如光催化剂上进行处理。催化剂的例子是重金属的络合物或氧化物,例如钛的氧化物(TiO2)。如果催化剂存在于颗粒上,该催化剂起分解废物池逸出的挥发性有机物质的作用。这减少与动物废物相关的典型臭气。应该指出,硅石及某些本身具有催化性质的材料可与其它的催化组分结合,以便产生更明显的效果。

    这样,本发明提出了一种处理液态或半固态动物废物的方法,包括:

    (a)将动物废物收集到贮槽中,形成液体或半固体废物池;

    (b)将选自组分A、组分B、活性炭或其任一组合、有或无催化

       剂和/或微生物的可浮动颗粒材料引入废物池,它们在该池

       的上表面上形成界面层,该界面层对池的上层的成分或其与

       位于其上的大气的相互作用发生影响;和

    (c)将该颗粒材料在该池中培育足够的时间,以产生该效果,同

       时,如果需要,周期地用新的此种材料置换或补充界面层。

    根据一个实施方案,该效果可以是防止或减小臭气。为此目的,本发明的处理将至少持续一段时间,直至废物材料固化或按其他方式改变其性质,以便避免臭气。

    根据本发明的另一实施方案,该效果包括吸附或降解上层的有机物。多孔的疏水颗粒材料,部分或全部形成界面层,在其孔内吸附有机物,从而将它从废物池的上层清除。这将使池的上层中的有机物贫化、并使有机物从下层迁移到上层。如果需要,界面层可用新鲜的界面层形成材料置换或补充,从而保持从池的上层连续吸附有机物的能力。

    处理动物废物,最终得到用作有机肥料的颗粒状产品。这种界面层肥料组合物基本无毒,同样属于本发明的范畴。

    应该指出,用于形成界面层的颗粒材料优选是无养分和无用处的,而且只有它吸附了有机物时才能作施用用。

    本发明的体系同样可含括黑色颗粒作为加热动物废物以加速废物处理过程的措施。补充的加热措施可包括,例如,用类似温室的结构覆盖废物处理装置,以便得到温室加热效果。

    疏水的颗粒材料可按本技术领域内已知的各种方法得到。所用方法尤其取决于制造颗粒的材料。根据一个实施方案,至少部分形成界面的颗粒由一种或多种选自名为“氧化物”的化合物和/或含氧化物基团的化合物的材料,该化合物在其表面上含有典型的羟基。羟基的氢原子可以被诸如烷基,-Si-(低烷基)3和其它疏水基团取代。

    根据本发明方法的另一实施方案,疏水基团的共价键比较稳定(例如,当烷基为甲基基团的情况下),因此,将不会使疏水部分从组成界面层颗粒材料的其后的溶解,而且同一颗粒材料将继续浮动在废物池上表面,直到人工清除。羟基的甲基化是一种熟知的技术。一般说来,氧化物颗粒,例如硅石颗粒(SiO2)先被加热,以便去除其中的物理吸附水,然后该颗粒在高温下与适当的反应剂,例如正-丁醇、Cl-Si(CH3)3或聚甲基硅氧烷反应,其间疏水基团(-正-丁基或-Si-(CH3)3)取代颗粒表面羧基的氢原子。反应的反应时间长短、甲基化反应剂的浓度和所采用的温度将决定甲基化的程度,从而决定颗粒的浮性质。

    疏水基团的结合,如果需要,可能形成较不稳定的键,它在有水存在下可能受到水解,释放出相应的醇。为了形成较不稳定的键,可进行类似的处理,但在较低的温度下和采用不同反应剂,例如通式为R-OH的醇(R-代表低级烷基)以形成比较不稳定的-Si-O-R键,其中疏水基团进一步水解,释放出相应的醇。因此,水解的颗粒状材料可即时回复其亲水性质,结果使其沉入水相介质。此外,溶解的醇可以抑制在液体的缺氧区出现的任何细菌降解(具体而言,厌氧细菌),从而使废物中有机物转化为甲烷气体的反应最小化。这种抑制是希望的,它可防止有机物完全分解,而吸附在颗粒材料上,这样容许将这些载有有机物质的组合物用作例如肥料。

    应该指出,需要时还可藉助非共价键如氢键将疏水基团与氢氧基团结合。这种连接,或缔合亦同样属于本发明的范畴。

    技术人员应该理解,废物池上表面形成的界面层可包含这种颗粒材料,该材料已用上面所述的一种或几种预处理方法或相应方式处理,或者进行一种或几种使颗粒物料能够浮动的方法处理。这样,颗粒可以是经烧结的和其上载带化学结合的疏水基团的。其次,界面层可包含具有不同程度的疏水性的颗粒材料。

    本发明的颗粒材料可以是处理过的硅石颗粒,处理过的矿物粒子和/或植物材料残渣,已知所有这些的表面上都有大含量的氧原子和羟基。此外,颗粒可以是多孔的疏水聚合物,例如疏水聚酯或任一种其它的多孔可浮材料或是经处理成的可浮的材料。

    在本发明的范围内,矿物粒子包括但不限于硅石矿物,例如珍珠岩、粘土矿物,例如膨润土和高岭石或铝石矿物或任一其它的多孔和含大量氧的矿物。植物材料残渣包括但不限于草杆、泥炭、干基、锯屑等等。

    根据本发明的另一实施方案,从废物池中逸出的挥发性材料被存在于废物池上表面的界面层中的催化组分分解。这类催化组分是优选的光催化剂,它们是专业人员熟知的。它们包括但不限于重金属络合物如Fe、Cu、Co、或Ni的无毒络合物,或者金属氧化物如TiO2或Al2O3。催化组分或者散布在界面层中或者吸附在多孔颗粒材料上。在多孔颗粒材料上吸附催化组分的一个途径是静电作用。这可用热和干的空气(还可是电离的)喷洒颗粒材料和催化组分的混合物来完成,它使颗粒表面的积累静电荷。

    本发明的颗粒材料有直径小于1μm(组分A和C),优选的范围为2-50nm的纳米级颗粒。本发明颗粒物料的大小,有直径小于1μm的纳米级颗粒,和直径大于1μm的颗粒(组分B),包括直径在数毫米至数厘米的颗粒。由于尺寸小,纳米级颗粒子与组分B的颗粒子相比,具有较大的表面积,因为可以设想,它们会显示优选的浮能力。但是纳米级颗粒是无孔的,而且它们的尺寸很小,可能被空气的运动带出废物池。因此,根据本发明,宜将纳米级颗粒吸附到可浮的组分B颗粒的表面。纳米级颗粒在组分B颗粒表面的吸附可以例如按上面所述的催化组分吸附到颗粒材料上的方式,或者藉助其它可使两种类型的颗粒材料结合的合适方式达到。

    根据本发明的另一实施方案,界面层还可包含活性炭颗粒(例如,石墨、活性炭粒)。已知活性炭颗粒具有吸附气体的能力,因而能防止或者至少减少有毒气味从废物池逸出的量。其次,由于这种颗粒通常是黑色的,它们可起到吸收太阳光的作用并加热废物池,从而促进生物降解过程。有时,体系可包含其它的或附加的吸热颗粒,例如墨色橡胶颗粒(可由废轮胎制造)。用类似温室的覆盖结构的加热手段亦可用来使废物池升温。再次,界面层可包含细菌,优选需氧细菌,它们可载带在组分B颗粒的氧中,以便使动物废物中的有机物发生生物降解。典型的细菌包含在直径范围为1-50μm的孔中,而其直径为纳米级的较小的孔可对有机物起到陷阱的作用(有机物通过疏水作用被吸附以这些陷阱中)。这样,有机物和无机物被俘获于无细菌的孔中。

    需氧细菌在需要时可将有机物部分降解,在某些时间是希望这样的。细菌可来源于废物本身中就存在的细菌,或者在颗粒引入已装废物的池之前用细菌浸渍颗粒。任一种现有的适宜的细菌培养方法皆可用于在颗粒物料的孔中浸渍、吸附或生长(接着进行干冷冻脱水)细菌。

    本发明的方法可以是批式方法,其中废物在处理开始之前被送入贮槽内,或者是连续的方法,其中动物废物连续地或定期地加入池中,在任何情况下,形成界面层的材料可在废物处理的过程中多次用新的颗粒材料置换或补充。界面层及其颗粒材料宜收集,还可干燥,然后如上所述,进一步用作长期释放的施肥料组合物。这种肥料组合物的优点在于,存贮于颗粒物料孔中的有机物以缓慢释放的方式释放到土壤中。

    下列例子仅对本发明进行说明,并无以任何方式限制本发明范围的意图。实施例丁基化硅石纳米颗粒的制备

    硅石纳米级颗粒(直径2-50纳米)通过使该粒子与正丁醇反应改性以生成疏水的丁基化硅石颗粒,即硅石-[Si-O-正丁基]n(以下称为丁基硅石)。余量丁醇通过蒸发从反应体系中去除。然后颗粒在200-260℃下加热,接着冷却至室温,得到类似白色粉末的颗粒材料。用丁基硅石纳米级颗粒对尿的处理

    将纳米级正丁基硅石颗粒(2-25mm)分步(每2g,共8份)送入到含猪尿样品的烧杯(200ml)中,直到在液面的上表面得到雪状界面层。在每次加入颗粒之后,体系经搅拌2-3分钟。体系的初始pH为6.0,处理在18℃下进行,空气湿度为65%。

    尿所带的臭气在30分钟后基本消失,24小时后烧杯中的液体呈膏状结构,基本无气味(液体pH为7.0)。再经1周之后,膏状物的重量损失50%,这是由于水蒸发的结果,并变成无气味的块状粉末。再过两周之后,烧杯中的物料变干,并成为粉末结构(32g),它由载带有机物的颗粒组成,包含约16%(重量)的尿酸。

    这些结果表明,颗粒能从尿中提出有机物,防止液体中气味的形成和释放,并从体系中蒸出基本上是清洁的水。甲基化纳米级颗粒的制备

    硅石颗粒(直径2-250nm)通过与三甲基氯硅烷在气体条件下于250-300℃反应1小时,在此反应中体系放出氯化氢,经处理后的颗粒表面载带甲基基团。

    测定了上述丁基化或甲基化硅石颗粒的效力、这些颗粒的组合,或者它们与组分B颗粒的组合。结果

    测定了下列颗粒在防止臭气的形成和释放的效力:硅石-[Si-O-(CH3)3]n(以下称为CH3-硅石);CH3-硅石+正丁基硅石(50%∶50%);珍珠岩(直径2-3mm,孔隙度95%)+CH3-硅石(98%∶2%);高岭石(直径1.5-3mm,孔隙度50%)+CH3-硅石(98%∶2%);和活性炭颗(直径3-7mm)+CH3-硅石粒子(98%∶2%)。B颗粒在105-120℃下干燥。

    处理过的烷基硅石颗粒通过静电作用吸附到矿物衍生物或碳颗粒上。试验按上述方式进行。猪尿和/或猪粪的样品放入烧杯中,将颗粒物料放入该烧杯中。样品包括单独的尿或尿与水的混合物(v/v=1∶4);单独的猪粪或猪粪与尿的混合物(1∶1)。测定了界面层上不再觉出气味的时间。表1列出了各类颗粒和样品所得的结果:

                            表1

    在每个样品中,直到样品变干,界面层都是有效的。在过程结束时,各种情况的干物料包括吸附在界面层上的有机物,它生成一种壳状黄-浅褐色固体层。在整个过程中检测不出臭气。

    这些结果表明,有本发明颗粒物料存在下,与动物粪便有关的臭气的形成和释放在短时间内消除。

    CH3-硅石颗粒:全部样品本体系的上部生成了壳。这种壳层在1-2天即可发现,在样品干固后(10-20天),其最终呈脆外观。

    C4H9-硅石颗粒:24小时后,在样品上表面形成膏状层,之后得到含尿酸(16%)的粉末状物料。含尿和水的体系在12天后变干。含猪粪的样品变成块状物料,其中有机物是吸附在颗粒物料上的。在样品含粪便和尿的混合物时,块状物料被粉末状物质覆盖。

    CH3-硅石+丁基-硅石:一周后样品变干。在含粪便的样品中得到含在颗粒物料上吸附的有机物的块状物料,在样品还含尿的情况下,得到被粉末状物质覆盖的块状物料。

    珍珠岩+CH3-硅石:在利用尿或尿与水混合物时,得到粉末状物料。在室内条件下完全干固需要14天。在样品含粪便的情况下得到块状物料,在样品还含尿的情况下块状物料被粉末状物料覆盖。全部各个样品在2-3周内干固。界面层的颗粒物料、溶解的化合物、固体和有机物形成了固体壳。

    高岭石+CH3-硅石:培育3-4天后,在样品的上表面形成膏状层(粘度增大)。在处理过程中由于水的蒸发,粘度增大,同时剩余的液体形成一种稠的胶体触变膏,后者愈变愈稠,直到完全干固。

    活性炭+CH3-硅石颗粒:曾发现水相和有机相之间有清晰的分界,特别是在采用含尿和水的样品的情况下。在这种情况下,未发现介质粘度增大,并且吸附了有机物的活性炭沉入底部。结果使液体逐渐变清,黑色消失。

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本发明涉及一种处理液态或半固态的动物的废物,包括人类的废物和控制与废物有关的臭气的方法。将动物的废物收集到贮槽中,形成废物池。在废物池上表面形成界面层的颗粒物料以可浮状态引入动物的废物池中。界面层基于其化学组成和物理结构具有多种功能,使池的较上层的性质和组成和/或它与位于其上的大气的相互作用发生变化。界面层在废物池中经培育足够的时间,产生功能效果,同时如果需要定期地用这种新颗粒置换或补充界面层。。

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