利用动物粪便的方法和装置 发明的领域和背景
本发明涉及一种利用动物粪便的方法和装置，更具体地说，涉及一种制造以动物粪便为基础的产品的方法，一种实现这种方法的装置，以及依照这种方法生产出的以动物粪便为基础地产品、所述产品可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品。
众所周知，在农业(尤其是在有名的“以供应市场为目的的果菜园艺”的小型农业中)和园艺中必须进行土壤改良，例如，减轻粘质土壤，提高沙质土壤的黏稠度，特别是提高多种土壤的持水能力。
泥炭是一种含碳物质——或许是褐煤和煤形成过程的中间体——是生长在泥沼和沼泽中的特定的植物部分分解所形成的，除了作为燃料的众所周知的使用价值以外，泥炭因其开孔结构和高吸水能力而被广泛地用作土壤结构改良剂。另外，泥炭还被用来作为家畜，如牛和马(包括赛马)的铺垫物。
然而，由于存在生态保护方面的问题，一些国家已经禁止开采泥炭；此外，对于那些本地不开采泥炭的国家来说，从原产国运输的费用将会使这种产品的价格非常昂贵。因此，在市场上，尤其是在泥炭价格昂贵的国家中，需要和天然泥炭有相似性质的泥炭替代品。
虽然长期以来一直利用动物来满足人类的需求，然而，只有在近代，随着人口密度的大幅度增加，以及人们在与生态、健康和卫生有关的问题方面的意识的不断增强，人们才意识到动物粪便(特别包括那些通常饲养在农场里的以及以不同方式大规模利用的食草动物，但并不仅限于此)能够导致诸如生物污染之类的环境问题，如污染空气、土地和水。
由于这个原因，应避免直接使用未加工的动物粪便作为肥料。因此，动物粪便的去除和经济利用是非常可取的。虽然人工堆肥已经部分地满足了这种需求，但是，为了实现这种人工堆肥，需要使用昂贵的设备进行大规模的好氧和厌氧操作，而且人工堆肥也不适用于规模相对较小的操作。
另一方面，自然堆肥需要大量的空间、劳动密集而且无法避免环境危害。因此，经济利用动物粪便的需求依然存在。本发明的发明者们惊奇地发现，泥炭替代品的需求以及经济有效地处置畜养动物粪便的需求都可以通过本发明的方法和装置得到满足。
因此，如下的需求已经得到广泛的认可，而且这种需求一旦得到满足，将是非常有益的：(i)一种制造以动物粪便为基础的产品的方法，(ii)一种实现这种方法的装置，以及(iii)依照这种方法生产出的以动物粪便为基础的产品，其中所述产品可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品。
发明概述
本发明提供了一种制造以动物粪便为基础的产品的方法，该产品可用作人工土壤、土壤结构改良剂和泥炭替代品一种实现这种方法的装置，以及依照这种方法生产出的以动物粪便为基础的、可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品的产品。
根据如下所述的本发明的优选实施方案中的进一步的特征，本发明包含以下顺序的步骤：(a)提供一种包含动物粪便的基本上为固态的原料；(b)将这种原料和水混和形成含水混合物；(c)将这种含水混合物用频率范围为5Hz-200kHz的交流电处理一段时间；(d)在步骤(c)的交流电处理后分离出产物中过量的液体，回收固态产物。经过以上处理及步骤(d)回收得到的所述固态产物，无嗅、无菌、多孔而且能够吸收几倍于其自重的水分。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，以上步骤至少还具有以下参数中一种或一种以上的特性：(i)步骤(a)中的动物为草食动物；(ii)步骤(b)中，所述基本固态的原料和水的体积比在约1∶1到约1∶4的范围之内；(iii)步骤(c)中交流电的电压约为约10到约1000伏；(iv)步骤(c)中所述的时间段约为5秒到10分钟；(v)回收得到的固态产物至少能够吸收六倍于其自重的水分。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，将所述含水混合物流过反应器进行所述处理，该反应器包含提供所述交流电的机构。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，所述基本上为固态的原料包括未处理的动物粪便。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，所述基本上为固态的原料包括动物粪便和造纸厂淤渣的混合物。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，动物粪便和造纸厂淤渣的体积比约为1∶10到约10∶1。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，提供了一种无嗅、无菌、多孔的产品，该产品能够吸收几倍于其自重的水分，可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品。通过以上方法可以获得该产品。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，提供了一种可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品的产品，该产品包含电处理后的动物粪便，它无嗅、多孔、无菌而且能够吸收几倍于其自重的水分。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，所述装置包括含以下顺序的机构的处理线路：(a)用于将包含动物粪便的基本上为固态的原料提供给所述装置的第一机构；(b)用于将所述基本固态的原料和水混和形成含水混合物的第二机构；(c)用于将含水混合物用5Hz-200kHz的交流电进行处理的反应器机构；(d)用于分离反应器机构产生的产品中的过量液体，并回收该固态产品的第三机构。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，所述反应器机构包括：一个通常情况下伸长的管状反应器，该反应器用绝缘壁限定了反应器空间；用于含水混合物流过所述反应器空间的进口和出口；以及反应器空间中与5Hz-200kHz的交流电源相连的、协同放置的火线和零线，从而在所述含水混合物流经该反应器空间时提供了用于向该混合物施加电流的机构。
根据所述优选实施方案中更进一步的特性，提供了一种用于以上装置的反应器，它包括一个用绝缘壁来限定反应器空间的反应器，该反应器包括为含水混合物流经所述反应器空间而设置的进口和出口，以及反应器空间中与频率为5Hz-200kHz的交流电源相连的、并排设置的火线和零线，从而在所述含水混合物流经反应器空间时提供了向其施加交流电的机构。
因此，本发明的首要目标是提供一种可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品的产品，以及可以生产这种产品的方法和装置。
本发明进一步的目标是为动物粪便提供一种经济的、有效的、卫生的以及合乎生态的利用方法。
本发明的另一个目标是为造纸厂淤渣提供一种利用方法。
本发明的再一个目标是提供一种有可能被用作家畜用卫生铺垫物的产品。
本发明的其它目标将在下面的描述中陈述。
附图简述
此处仅通过实例描述了本发明，参考附图，其中：
图1说明了本发明的反应器的一种实施方案，它可用在本发明的方法中，而且可以构成本发明的装置的一部分；
图2说明了本发明的反应器的另一实施方案，它用在本发明的方法中，而且可以构成本发明的装置的一部分；
图3a-g描述了用于本发明的电极的示意布置方案；
图4说明了本发明的装置的一种实施方案。
优选实施方案简述
本发明是一种关于利用动物粪便的方法和装置的发明，该方法和装置可以用于生产以动物粪便为基础的、可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品的产品。更明确地说，利用本发明可以生产出一种无嗅、无菌、多孔而且能够吸收几倍于其自重的水分的产品，该产品可以用来作为人工土壤、土壤结构改良剂或泥炭替代品，并且该产品可用本发明的方法获得。
参照附图及随图描述，可以更好地理解本发明的方法和装置的原理和操作。
“基本为固态的原料”，即用于本发明的初始材料，包括基本上为固态的、可以是未加工状态的畜养的动物粪便。此外还发现，原料还可以包含动物粪便和造纸厂淤渣的混合物；本发明的该实施方案中，最终产品比单独使用动物粪便时质地更加粗糙，也更适用于特定的应用。
在下面的说明书和权利要求书部分所使用的术语“动物”指的是动物王国的任何成员，包括具有明确形状的、生长受控制的、可以自由移动的、主动获取食物并进行体内消化的、具有感知和神经系统从而可以快速对外界刺激作出反应的多细胞生物。这个术语特指在畜圈中生长的动物，可以是哺乳动物或者禽类，尤指为商业目的而喂养的动物如牛、羊、猪、鸡等，但并不仅限于此。
此处所用的术语“草食动物”包括生长在畜圈中的如牛、绵羊、山羊、马、驴、骆驼、象、禽类等，容易理解，这里列举的并不是一个封闭的清单，而且许多其它动物也包含在此类内。
在处理方法的步骤(b)中，将初始原料和水混和，这可以以任何方便的方式实现，如使用机械浸渍器或混合器和/或搅拌器，或其组合。通常，优选的初始固态原料和水的体积比约为1∶1到1∶4。
在处理方法的步骤(c)中，含水混合物用频率为5Hz-200kHz的交流电(AC)处理一段时间(仅作为例子，这里的处理时间可以在约5秒到约10分钟的范围内)。经过这样的处理后，再经过后续的步骤(d)的处理，回收得到的固态产品无嗅、无菌、多孔而且能够吸收几倍于其自重的水分。交流电的电压最好在大约10到1000伏特的范围内。
虽然不认为本发明受任何理论限制，但已经注意到，和原始混合物未经交流电处理的另一种相似的产品(参见下文)比较，所述产品中的化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)都降低了，由此，存在这样的可能性：因为本发明的产品比初始原料的氧化程度更高，在本发明的方法中大气中的氧起了作用。
此外，通过显微镜观察发现，产品中包含植物细胞，其细胞膜在处理的过程中已经破裂。经步骤(d)后回收得到的固态产品，即经过如压榨螺杆分离器或离心机分离所含过量液体后得到的固态产品，通常含有50％的水分，能够吸收至少三倍，更优选是至少六倍(如5-10倍)于其自重的水分。
在发明的具体实施方案中，初始原料包含动物粪便和造纸厂淤渣的混合物，其体积比约为1∶10到10∶1。
生产固态产品的本发明装置与此处定义的方法一致，包括四种机构的协同组合。
装置的第一机构提供包含动物粪便的基本上为固态的原料，在本领域，第一机构例如可能为一个以上的集料斗。
装置的第二机构将上述基本固态的原料和水混和形成含水混合物，如上所述，第二机构例如可能是机械浸渍器或混合器和/或搅拌器，或其组合。
依照本发明，装置的第三机构分离反应器机构产生的产品中的过量液体，并回收想要的固态产品，其中反应器将在下面更详细介绍。第三机构可能例如是压榨螺杆分离器或离心机。
反应器机构，其自身同样构成本发明的一部分，参照附图的图1和图2(未按比例绘制)，它包括：一个通常情况下伸长的管状反应器2，它通过绝缘壁6限定了反应空间4，供含水混合物按箭头方向流经反应空间4的进口8和出口10，以及协同放置在反应器空间4中的火线16和零线18，它们与频率为5Hz-200kHz的交流电源(如通过图1中的电源14)相连，在含水混合物流经反应器空间4时为其提供交流电。
反应器2周围的区域12和反应器空间4之间是密封的，用以容纳电载体、电缆以及电反馈等。仅作为非限制性示例，反应器可以用聚氯乙烯生产，其空间直径可达2米，电极可以是不锈钢的。
附图中的图3a-g显示了反应器空间中火线16和零线18(没有必要按比例绘制)的许多排列方法，该排列方法说明性的，并且其大多数则是不言自喻的。火线和零线相互平行排列，通常情况下，它们横向穿过流经反应器的被处理的原料流。通常，火线之间的距离大于火线和零线之间的距离，而这些距离都和所用电压成正比。
电参数可以通过已知方式的电反馈和控制来维持恒定，而流动的待处理原料因其浓度、类型以及温度的不同，其电导率会随之发生变化。然而，反应物流通常足以冷却电极产生的热量，因而通常无需额外冷却。
不使本发明的参数的一般性受到损害，图4中描述的装置代表了本发明装置的目前的优选实施方案，它能以连续的方式实现本发明的方法。初始原料包括例如未加工的牛粪，或其与造纸厂淤渣的混合物，通过进料斗20和22(在原料为成份的所述混合物的情况下，应分别通过)送入混合容器24。水同时通过导管26送入混合容器24。粪便(或它和造纸厂淤渣的混合物)与水的体积比例如约为1∶2。通过搅拌器28可以将含水组分完全混和，搅拌器通过电动机34驱动，旋转方向如轴32旁边的箭头所示。为了保证待处理的组合物混和效率更高，通过泵38和导管40按箭头42方向将部分组合物循环回混合容器24。同时，部分组合物经过阀门44由泵向上打入管状反应器46，管状反应器的电源和电反馈机构如48处所示，通过电缆50提供380伏特、100Hz的交流电。所述混合物在反应器46中停留时间的变化如上所述，但典型的时间是：15秒钟左右、30秒钟左右或大约1分钟。处理后的混合物通过导管58传送到带有折流板56的中间容器54中，为了保证反应产物有效流动，在52处加水，使反应产物沿长箭头的方向流出导管60，进入料斗62，在料斗62中有螺杆分离器64，由电动机66驱动。希望的反应产物从分离器64处出来后，如68处所示，它最终通过重力到达70处进行收集，并可被移走，运移机构在图中未予显示。
分离后流出的液体被收集到容器72中，并通过阀门74移走。如果想要的话，可以将这些液体通过未示出的机构部分地循环到混合容器24中，其前提是至少要使用部分新鲜水。流出物中植物营养元素含量丰富，可以用来灌溉或作为肥料制剂。产物的典型数据(由以色列农业部确认，而且也得到了一个私营实验室的确认)如下，其中未加工的粪便按照所述方式进行处理： 未处理 处理后TSS*CODBOD 3640 12560 10800 3420 9770 8780
*总悬浮固体，mg/l
上表中的数据表明本发明的方法对生态有利，而且它可能是一个氧化过程。
尽管通过有限几个实施方案描述了本发明，但本发明尚有许多变型、改进型以及其它应用。