用于加工和转化动物废弃物的现场模块化系统及其方法和用途与流程

本发明涉及一种用于加工和转化动物废弃物的系统。特别地，本发明涉及一种模块化生物技术平台，用于通过生产在经顺序物理加工的液体粪浆源性部分上培养的微藻及其衍生物来原位回收和转化动物废弃物，特别是粪浆。这项创新使得获得高附加值的副产品成为可能，诸如动物饲料的营养物和新型农业植物修复剂和天然土壤改良剂。此外，与现有系统相比，它还提供显著优点，包括粪浆的10至95%的氮、磷和钾生物固定，防止50至85%的养殖场温室气体排放，以及从养殖场塘中去除污染物的能力。简而言之，它为集约化生产养殖场产生的动物废弃物管理提供了高效和可持续的解决方案。

背景技术：

1、-作为环境问题的动物粪浆

2、粪浆是粪肥的一种类型，是由粪便、尿液、秸秆、清洗水、养殖场消毒化学品、降解的塑料残留物等的混合物组成的副产品。粪浆主要在畜牧场产生。它的营养物浓度很低，因为它大部分是水，并且它主要由水、有机物、氮、磷、钾、宏量营养素(钙、硫和镁)和微量营养素(硼、铁、锰、镍、铜和锌)组成。(1,2)它的组成与动物吃的食料直接相关，因为源自动物机体产生的贡献实际上可忽略不计。

3、猪场废水(粪浆)的稳步增加已成为一个严重的环境关注。粪浆中高水平的营养物和有毒污染物对生态系统和公共健康有重大影响。(3)监管机构建立了复杂且完整的行政机构，试图控制或将这些与工业活动相关的问题维持在可接受的水平。(4)

4、作为说明性实例，与养猪业相关的环境影响影响集约化养殖场和粗放型养殖场两者，尽管集约化养殖场中动物的密度更高意味着粪浆和粪肥的产生需要有针对产生的渗滤液和废弃物(氨、硝酸盐、温室气体、各种生物安全问题诸如细菌抗生素抗性等)特定的管理系统。(5)综合粪浆管理概念的基础使我们从源头(动物饲料)采取行动，并关于储存和最终处理做出决策。此外，我们还必须考虑养殖场的设计和管理，粪浆的自动和频繁去除，并制定农业用途规划。(6,7,8,9)

5、全面粪浆管理计划是作业方案，个体或集体的，导致这种残留物的持续产生在空间和时间上适应作物的需求(10)。它设想了三个不同领域的措施：

6、1.管理：从源头上减少食料、流速和限制其后续使用的组分的管理措施，诸如水、氮、磷或重金属的过高含量。

7、储存塘的计算，其容积必须允许粪浆的连续产生和作为优质副产品的不连续消耗之间的充分性，以及对关键点和控制的充分的战略规划和分析，是粪浆管理计划的支柱。饲喂的改变和食料的改正不仅有助于动物的健康和它们足够的生产性能，而且还必须用于控制废弃物中的氮含量。

8、2.施肥(利用)：施肥计划和粪浆的利用基于土壤、作物要求、剂量和季节性两者以及气候和水文特征的知识。

9、养殖场的水消耗优化，尤其是在更好且更高效的清洗上，允许较低的粪浆流量、较低的储存容积要求并降低运输成本。牲畜饲养者和农民之间的合作，对于粪肥的肥料价值的集体管理，必须使优化运输和应用物流成为可能。

10、3.处理(方法)：改变粪浆特征的方法的战略组合，使其适应作为优质产品的需求。

11、处理方法的适合性将取决于每个地理区域、管理计划强调的需求、获得的最终产品的期望品质以及相关的经济成本。(10)

12、畜牧业占硝酸盐排放的0.8%，温室气体的9.1%，并且在氨排放中系统性增加(1999-2019的时间段内每年1%)(2019年数据)。(9)根据欧盟委员会(europeancommission)，(a)氮排放在eu每年造成至少eur 700亿的损失；(b)81%的农业氮输入到水生系统是由畜牧生产引起的，和(c)87%的来自农业的氨排放到大气中是由畜牧生产引起的。(11)在我们的操作条件下，已经确定了粪浆的主要污染物的标称组成参数。(12,13)

13、-考虑的相关事实：问题、技术和局限性(设计品质)

14、到目前为止，已经提出了各种控制这种动物废弃物的策略；它们中的所有都涉及将废弃物从a点移动到距离产生者(养殖场)距离为x的b点。(3,4,10,14,15,16,17,18)由加工厂的能源需求造成的，这些运输中的大部分是在高污染的专用卡车上通过道路进行的(14,18,19)；其他的是使用农用拖拉机在乡村道路上进行的，并且是由于畜牧生产地区的传统管理和组织的问题(1,20)；它们中的最少的一部分是由于监管问题而进行的，这些问题除了将废弃物进行官方运输以避免浓缩之外，没有找到其他解决方案，但迫使加工该废弃物的社区承担其利用和再加工的全部成本。(2,4,10)该成本取决于运输距离和体积而变化，并且其影响程度取决于所运输营养物的经济价值而显著改变。因此，最大允许运输距离取决于被运输东西的经济价值，并且必须逐案或分阶段进行评估。在妊娠和哺乳期，稀释的粪浆的运输成本对于约5-7 km的距离可以与其肥料价值等同，而对于育肥期粪浆，这个距离可以超过15 km。(13)如果使用集中或集体运输服务，这些距离会大幅增加，因为它允许优化物流、设备使用时间和折旧，始终符合必要的卫生限制。(10)

15、作为说明性实例，西班牙有26家粪浆处理厂，由ignis(6)、iberdrola(4)、naturgy(2)、cs energy(2)和其他公司(包括一些畜牧合作社)所拥有。这些设施致力于干燥粪浆，将其转化为肥料，以防止其对土壤和含水层的环境影响。在养殖场高度集中的地区，他们可以每年处理约2.5 mm/m3的废弃物——在一些区域，由于硝酸盐过量，水不可饮用——避免了700,000 tco2当量的排放。在这些工厂处理的所有粪浆都是用容量为12,000-25,000 l的罐式卡车运输的，因此将废弃物移动到处理设施是这些系统的主要运行(€)成本和环境(燃料消耗)成本，显著降低了其功效。尽管这些数据，但仍需要优化方法，使得它们在加工废弃物、回收副产品以及改善猪和人类群体福利上是可行、安全且有效的。

16、成本节约是动物集约化养殖场稳定性的支柱，其尽可能避免了外部波动(流行病、国家、地区或社区干预、投资基金、原材料价格波动等)。(21)到目前为止，育肥期猪粪浆的经济价值已被量化为5至7.3欧元/m3，其相当于npk矿物肥料的价格。(6,10,11)猪粪浆运输成本不同。2014年的一项研究将成本设置为每吨大约€5.40，加上每千米运输€1.98。液体粪肥运输工的收费约为每升€0.018，加上每千米每升€0.0031。2016年的一项调查示出，在一千米施用粪肥的平均价格为每升€0.011，其中每升每千米运输的额外成本约为€0.0031。2017年的一份报告估计，一个4800头的养猪场的年粪肥应用成本约为€33,750。(22,23,24,25)而在安装概念验证的实验养殖场(西班牙梅迪亚纳-德阿拉贡萨拉戈萨中部地区(central region of zaragoza, mediana de aragon, spain)的granja deexperimentación tecnológica s.l. -b02859924-, es50164.1)(poc养殖场)，这些相同粪浆的管理和运输成本的参考估计平均为2.92欧元/m3。对于一个500头母猪的综合养猪场来说，与通过拖拉机和真空罐车和通过卡车运输和摊开的原始猪粪肥相关的年成本范围为3.4 € m-31 km至11.8 € m-3100 km的位移。(26)在少耕条件下，矿物肥料的使用被猪粪浆所替换，在大麦中完全替换并且在玉米中部分替换，这在大陆性地中海气候的雨养区域也是经济盈利的。(2)

17、在西班牙，2021年屠宰了58,703,600头猪，肉产量为5,220,773 t，仅次于中国和美国，位居世界第三。阿拉贡(aragon)最重要的农业子产业是养猪业。它占最终牲畜生产的66%和最终农业生产的39%，这些值远高于国家平均值(分别为42.5%和15.9%)。针对这一事实，我们必须补充以下：阿拉贡生产的大部分谷物都被用于猪饲料。(27)

18、地中海气候，因为它没有恒定的降雨，随着它远离海岸移动，变化很大，因为空气具有较低程度的湿度，因此它获得了大陆性气候的要素，每天和每年都有明显的热幅度(大陆性地中海亚型)。(28)它们的范围可以从温和的冬天和非常炎热的夏天到寒冷的冬天和温和的夏天，在后者情况下，霜冻和降水呈雪的形式。这是测试提出的解决方案的研究区域梅迪亚纳-德阿拉贡(mediana de aragón)的气候。在这些气候条件下，培养微藻需要恒定和有保证的能量，以维持至关重要系统的操作装置(operator)和支撑结构以及副产品的加工。(28)

19、-培养生物技术系统：按比例放大标准

20、藻类循环已经在养猪场(3,14,16,20)和混合猪渗滤液(15,16)的粪浆回收的生产示范中进行了深入研究，但存在重要的缺口和研究趋势，需要在中大型规模和真实的研究条件下进行评估，以便完成实用知识，使我们能够在它们的大规模适用性(15,17,29)和与动物健康相关的当地循环经济中发展。(30)定义在改进的、部分改进的环境条件下的培养参数是我们在整个发明过程中一直在研究的研究目标之一。

21、按比例放大标准取决于特定发酵过程中的经验。按比例放大好氧培养过程没有单一的严格和安全的标准。出于此原因，放大过程的验证设计是对r&d阶段获得的数据适用性的验证，生成或多或少固定的实验方案，这些方案同时研究最多两个变量。(31,32,33)当处理对数种因素非常敏感的微藻时，使用多于一个放大标准。因素诸如ph、温度或培养时间通常是根据由r&d转让的技术设置的，并且通常，它是作为起始假设建立的，在从中试到工业化两个规模上以相同的方式变化。(34,35,36)相似性原则与小规模和大规模之间在几何、运动学和动力学参数方面的相似性概念有关。本质上，应用于生物反应的技术之间的相似性越大，该过程将接近100%可放大的可能性就越大。几何相似性对应于两个系统中长度之间的比率必须相等。(29,32,37)作为具有微藻的生物过程的放大的一般规则，我们已经在发明过程中建立了几何相似性标准和相似性标准的放大部分。(31,32)

22、-猪粪浆的固体和液体部分的分离简述

23、粪浆的固体/液体分离系统使得改善其后续管理成为可能，诸如其运输或随后分别处理粪浆的每个相(图1)。固体/液体分离设备允许将粪浆分离成固体和液体部分两个相。设置这种分离的目标是改善管理、促进固体部分的运输、实现每个相的单独处理过程或减少来自最大体积的液相的排放。这种液体部分可以实现精确灌溉系统，因为它包含较低浓度的有机物。(6,8,38)

24、分离器的效率由两个主要值量化：1)流分离效率(ηq)；和2)负荷(charge)的分离效率，诸如氮(ηn)或磷(ηp)。这些效率中的每一个被定义为从入口转移到固体部分的质量流的部分；剩余部分进入液体部分，因为必须遵守质量守恒原理。如flotats ripoll(2019)中综述，这些效率和未知数据可以从给定粪浆加工系统中的实际测量计算(命名指示于图2中)。(13)

25、

q2

= q1

- q3

= 18.4 t/d

ηq

= 2.6/21 = 0.124 → 12.4%

26、

q1

cn1

= q2

cn2

+ q3

cn3

cn3

= (q1

cn1

- q2

cn2

)/q3

= 7.75 kg n/t

27、

ηn

=q3

cn3

/q1

cn1

= 0.274 → 27.4%

28、在flotats ripoll(2019)开发的实例中，(13)通过分离固体部分，从粪浆中输出27.4%的氮，其中浓缩倍数为2.2；请注意，输出具有的氮浓度为原始浓度的2.2倍。获得高浓度(例如将若干分离器串联组合)意味着降低整体分离效率，即输出较少百分比的氮，但浓度更高，取决于固体部分的随后使用，这可能是感兴趣的。

29、表1示出了对于s/l分离系统被分类为三种主要类型所给出的效率范围。(13)通过使用凝聚剂(铁或铝盐)或絮凝剂(有机聚合物)，可以改善一台设备的效率，尽管这种效果不具备普适性，并且取决于粪浆的组成。当粪浆非常稀时，通过添加空气气泡通过浮选来改善絮凝剂分离。凝聚剂可以通过电凝聚系统替换，其中电流使通常由铁制成的电极溶解，以实现相同的颗粒聚集效果。

30、一般来说，就效率而言：离心>>压力分离>>尺寸分离。然而，已经发现了宽效率范围(表1)。因此，效率取决于粪浆的组成，并且最重要的是，取决于其在分离时的存放时间；粪浆越新鲜，效率越高，当粪浆在排泄的几个小时内分离时，效率越高。这是因为参与分解过程的腐生性粪浆漏斗状物(saprophytic slurry infundibulum)从它们形成开始就溶解了许多固体化合物，并且一旦溶解，它们就无法再通过机械方法分离。比起分离器的品质，效率更多地取决于粪浆的先前处理。(9,13,39)查阅的文献估计，磷(固体部分)的分离性能通常高于氮(液体部分)的分离性能。(7,9,39,40)正如cárdenas calvachi和sánchez-ortíz (2013)所报道的那样，含氮碳的生物降解比碳化合物的降解更慢，因为只有一部分有机氮可以矿化或转化为无机氮，并且其余部分用于生产细菌蛋白质。(41)这意味着，在液体部分中，由于无机、有机和蛋白质源性氮的浓度的增加，n/p比将高于新鲜粪浆中存在的n/p比。这个比率将更适合许多作物的需求。(6,8,38)

31、表1. 对于不同类型的固体/液体分离器，以质量流速(q)、氮(n)和磷(p)的转移至固体部分的指示参数的百分比表示的效率范围。改编自3tres3, flotats ripoll, 2019.(13)

32、

33、为了改善分离效率，cooperl cooperative(法国)开发了trac© (

traitement

par raclage cooperl)系统，该系统由每隔几个小时在板条下的凹坑内进行分离组成。(42)刮扫器(scrubbers)系统在具有轻微坡度的凹坑底板上向上运行；将固体部分向上挤压，同时液体向下排出，使得在房屋的一侧获得固体部分，并且在另一侧获得液体部分。用该系统测量的氮分离效率约为55%，这是常规分离系统无法实现的效率，由于避免了分解过程和房屋本身的气体排放，因此具有更少的呼吸问题、更低的死亡率和更高的生产率的额外优点。这个法国合作社工作的最有趣的结论之一是证明了在“旧”粪浆(低化学需氧量(cod)/氮(n)比率)的情况下通过生物过程处理这种液相的可行性。在该液体部分中观察到的盐度(由离子的混合物和多种浓度有机物组成)连同“一价阳离子”/“二价阳离子”的高比率，已被确定为影响厌氧氨氧化细菌活性的主要参数。在他们的试验中，不可能具体和定量地确定进一步的参数。(42)

34、-超声均质化系统

35、超声处理中产生的空化现象为化学反应创造了不寻常的环境。气泡内气体和蒸气的快速压缩产生巨大的温度和压力，分别最高达5000℃和1000 atm。由于气泡与周围液体的体积相比非常小，因此产生的热量很快“耗散”(>1010 ℃ × s1)，使得环境条件基本保持不变。高温、高压和快速冷却的这种组合创造了可影响蛋白质稳定性的条件。(43,44)

36、此外，快速坍塌还产生能引起机械效应的冲击波。在两相系统之间的界面处，坍塌以不对称的方式发生，液体射流以数百m s1的速度穿过空腔。由于撞击，小的固体或液体颗粒被释放出来。在液-液体系中，形成乳液，其通常比常规形成的乳液稳定得多。固体经历破碎和侵蚀，这增加了活化区域。空化还加速传质并减少由反应产物引起的再钝化。总的结果是不混溶或难溶的试剂之间更容易接触。由于产生的高能条件，许多化学反应可以通过超声处理来活化。这些机械现象能够导致环境中蛋白质的机械变性。(43,44)

37、超声处理是分散固体或乳化液体的非常有效的方法。(45)随着固体颗粒或液体液滴的测量值减小，总接触表面积增加，并且因此反应速率增加。超声处理的另一个效果是传质。在非均相体系中，反应产物积聚在接触表面上，阻止新的反应物分子与该表面相互作用。由空化射线引起的机械剪切力产生湍流以及材料往返于固体颗粒或液滴表面的传输，使得一种试剂对另一种试剂的暴露最大化。另一方面，空化气泡内爆期间发生的高速液体射流、高的压力和温度以及非常高的加热和冷却速率的组合使得超声空化成为将能量传递到化学反应的独特手段。(45)

38、任何超声装置的关键件是换能器，这是一种机电部件，负责通过将发生器产生的电振荡转换为机械振动来产生超声。(46)通常，换能器由压电陶瓷构成。在该材料的相对面上施加电势差，取决于所施加电荷的极性，材料产生膨胀或收缩。材料尺寸的这些波动是产生超声振动的原因。将超声应用于化学反应的主要目的是改善其速度和性能和/或引起特定的化学反应性。(46)

39、声波本质上是纯机械的，不能被分子吸收，并且必须通过称为空化的间接且复杂过程转化为化学上有用的形式。(47)像所有的声音一样，超声通过一系列穿过介质行进的压缩波和膨胀波传播。压缩周期将介质中的分子聚拢在一起，而膨胀周期将它们分离。在液体介质中，超声膨胀周期可以产生足够的负压来打破液体分子的内聚力，使它们局部分离，产生真正的微腔或气泡。通常，这发生在溶液的先前污染的区域中，由于先前的空化过程，其中存在小颗粒、溶解气体或微气泡。这些气泡在几个周期内生长，从不到一微米到几十微米，从介质中捕获蒸气或气体。空腔在每次膨胀期间的生长略大于压缩期间的收缩。因此，在许多声周期中，空腔生长直到它最终达到临界尺寸，用该临界尺寸，它可以有效地吸收来自超声辐照的能量。此时，空腔可以在声周期期间快速生长，获得不稳定的尺寸，它不再能够有效地吸收能量。没有这种能量，空腔就无法维持，并且它周围的流体猛烈地进入空腔，导致空腔内爆。

40、-钝顶节旋藻(

a. platensis)生产的培养条件

41、这种微生物是一种革兰氏阴性微藻或蓝细菌，每天繁殖约25%。(48)就其形态而言，它的特征在于具有一排宽度在2.5至16 μm之间的圆柱形藻丝，这些藻丝进而被光学显微镜可见的隔膜隔开，通常开放式螺旋，圈之间的距离为0至80 μm，并且相对大的直径为15至60 μm。(49)它优先在ph范围为8.5至10的碱性培养基中生长，最佳生长的ph为约9，这同时抑制其他浮游微生物的生长。其生长温度范围为24℃至35℃，最佳温度为33℃。

42、关于光，由于它们的光合性质，它们需要受到一些暴露，然而，文献中描述了长时间暴露光抑制微生物的生长。(49)

43、-用于固体/液体培养物部分分离的过滤系统

44、分离粪浆方法是用于处理和回收粪肥和粪浆的众所周知的技术。(10,50)使用的一些最佳技术包括过滤或高压系统：

45、·分批过滤：分批过滤涉及从包含一定量相关液体的粪浆中分离悬浮固体。使用各种方法，诸如泵送、气体压力、重力压头或离心力，将粪浆导向过滤器。固体被过滤介质保留，这允许滤液通过。滤液的流动是由系统上产生的压差产生的。(10)

46、·高压浆料磨蚀：高压浆料磨蚀(hpsa)是获得专利的颗粒磨损技术，用于粉碎和选择性解离矿物。两个浆料流在高压下通过相对的喷嘴泵送，并且悬浮在浆料流中的固体颗粒之间的碰撞导致进料材料破碎。(51)

47、·组合机械粪浆调理和过滤：这种方法依靠粪浆分析和测试来开发称为组合机械粪浆调理和过滤的方法解决方案。该方法涉及在连续的基础上使用烛型过滤器进行初级过滤，其保留小至0.5微米的颗粒并将固体作为浓缩污泥/粪浆排出。然后将浓缩的粪浆在二次板框压滤机上过滤以回收剩余的溶剂并排出干固体。(52)

48、根据具体应用和粪浆特征，这些方法提供了不同的优点和缺点。分批过滤适用于各种粒度和浓度，而hpsa专注于选择性解离矿物。组合机械粪浆调理和过滤提供了可靠的方法，具有高质量的滤液并且最小的公用工程消耗。

49、-所提出的设计解决方案的理论方法和基础

50、粪浆污染的经济、社会和环境成本是养猪业的主要问题，从任何意义上说，养猪业都是薄利行业。(53)出于此原因，该解决方案的目标是通过开发原始管理的微藻生产系统，研究一种新的廉价的可放大的全面技术处理、转化和副产品生产用于原位粪浆再利用，这将允许获得高附加值的副产品：(a)饲喂动物的新成分，以及(b)农业和天然土壤改良剂的植物修复剂，无需运输或离开养殖场再加工。平台将通过显著减少粪浆的露天发酵天数来允许避免温室气体排放(gge)，包括但不限于氨(nh3)、一氧化二氮(n2o)、甲烷(ch4)、二氧化碳(co2)和硫化氢(h2s)。

51、保质期(shelf life)短、生长速率高和co2利用效率高的微藻是使用废水中的营养物生产生物质的可行的可再生资源技术之一。(54,55)将粪浆营养物转化为生物质用于工业用途(食品、生物肥料、生物脂质、生物能)的潜力引起了越来越多的关注，在养殖场的循环经济中产生了广泛的工业用途。(14,56,57)特别地，猪场废水被认为是微藻培养的水和营养物的宝贵来源，已经通过厌氧消化、各种a/o方法、微生物燃料电池和各种微藻的培养进行了处理。(3,14,16)在此背景下，关键的是改善微藻生产系统以节省动物粪浆规划中的经济(运输、管理)、环境(gge、农田微生物污染)或社会(耗时作业)成本。

52、任何适用于粪浆管理的解决方案都必须涉及最小化处理这种源自集约化动物生产的天然废弃物的障碍，即：

53、1.在将粪浆(粗原材料)运输到废弃处置地(农田)、加工(粪浆消化池)和干燥中心(能量转化设施)的中，高的石油燃料、时间和能量的消耗。

54、2.需要承租和管理多块可耕地，以根据施肥计划适当处理废弃物，该施肥计划往往交由第三方负责，并且超出了农民的控制范围。

55、3.未加工的粪浆中高浓度的硝酸盐/亚硝酸盐/毒素和/或潜在的人畜共患病微生物群体可污染农田。

56、文献us 2021/0207969 a1涉及一种藻类生长和培养系统，其产生藻类生物质作为基于藻类的产品的原料。因此，该现有技术文献的主要目标是通过用预处理的粪浆培养等，通过筛选并行的工业步骤、额外的营养物和耦合串联不同的生物系统，使藻类生物质生长最大化。相比之下，本发明具有的主要目标是通过简单的独特藻类培养来回收和转化粪浆，而不需要附加的营养物或开发和维持几个并联的生物系统。本发明不需要使藻类生长最大化，单仅仅是对其进行优化，以达到目标(回收粪浆)。

技术实现思路

1、根据第一方面，本发明涉及一种用于加工和转化动物废弃物的现场模块化系统。

2、根据第二方面，本发明涉及一种使用根据本发明的第一方面的现场模块化系统用于原位转化动物废弃物的方法。

3、根据第三方面，本发明涉及用根据本发明的第二方面的方法获得的加工的富含营养物的生物可吸收的富氮富磷富钾液体微藻培养物部分的用途。