BRPI0807734A2 - Processo para o tratamento de lama e fabricação de fertilizante inorgânico contendo nitrogênio altamente bioorganicamente enriquecido - Google Patents
Processo para o tratamento de lama e fabricação de fertilizante inorgânico contendo nitrogênio altamente bioorganicamente enriquecido Download PDFInfo
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Description
PROCESSO PARA TRATAR LAMA E FABRICAR FERTILIZANTE INORGÂNICO CONTENDO NITROGÊNIO ALTAMENTE ENRIQUECIDO BIO-
ORGANICAMENTE
Referência aos Pedidos Relacionados
Este pedido reivindica a prioridade ao Pedido Provisório dos Estados Unidos N°. 60/890.422, depositado em 16 de fevereiro de 2007, intitulado "Process for Treating Sludge and Manufacturing Bioorganically-Augmented High Nitrogen-Containing Inorganic Fertilizer" que é incorporado especificamente e inteiramente por referência.
Fundamentos
1. Campo da invenção
Esta invenção é direcionada aos sistemas, dispositivos, e métodos para o tratamento de lama, e preferivelmente, aos sistemas, dispositivos, e métodos para fabricar fertilizantes, mais preferivelmente um fertilizante de amônio inorgânico contendo nitrogênio altamente enriquecido bio-organicamente utilizando primariamente lamas orgânicas incluindo lamas ou biosólidos secos municipais, ácidos concentrados e amônia. A invenção é também direcionada aos produtos produzidos por processos da invenção.
2. Descrição do fundamento
A eliminação de lamas descarregadas das estações de tratamento municipais de esgoto é um problema sério e crescente. Em 1990, a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos indicou que uma família com quatro membros descarregou 300 a 400 galões de esgoto por dia, e em 2000 este número quase dobrou. Deste esgoto, os trabalhos de tratamento publicamente possuídos geram aproximadamente 7,7 milhões de toneladas métricas secas de lama (ou "biosólidos" como estas lamas municipais são chamadas agora) anualmente ou aproximadamente 2 9 kg seco de lama para cada indivíduo nos Estados Unidos.
As definições de "lama de esgoto" e "lama" e "biosólidos" sob o Título 4 0 do Código de Regulamentos Federais, parte 257,2, incorporado aqui por referência, é como segue:
"A lama de esgoto significa o resíduo sólido, semi- sólido, ou líquido gerado durante o tratamento de esgoto doméstico em trabalhos de tratamento. A lama de esgoto inclui, mas não é limitada a, dejeto doméstico; escória ou sólido removido em processos primários, secundários ou avançados de tratamento de esgoto; e um material derivado de lama de esgoto. A lama de esgoto não inclui cinza gerada durante a queima de lama de esgoto em um incinerador de lama de esgoto ou impurezas e farelos gerados durante o tratamento preliminar de esgoto doméstico em trabalhos de tratamento. A lama significa resíduo sólido, semi-sólido ou líquido gerado da estação de tratamento de esgoto municipal, comercial, ou industrial, estação de tratamento de fornecimento de água, ou instalação de controle de poluição de ar ou quaisquer outros tais resíduo tendo características e efeito similares."
Para finalidades do presente pedido, o termo lama também engloba biosólidos secos municipais, dejeto doméstico, biosólidos secos por calor, resíduos de fermentação farmacêutica, digestão microbiana de produtos orgânicos, tais como materiais de alimento, subprodutos de alimento, estrumes de animais, estrumes de animais digeridos, lamas orgânicas compreendidas primariamente de microrganismos, e qualquer combinação dos mesmos. Há diversos tipos de lamas que podem ser produzidas de tratamento de esgoto e/ou água de esgoto. Estes incluem a lama primária, lama ativada residual, lama pasteurizada, lama tratada por calor, e lama aerobiamente ou anaerobiamente digerida, e combinação das mesmas. Estas lamas podem ser de fontes municipais e/ou industriais. Assim, as lamas podem compreender macromoléculas incluindo proteínas. As lamas podem compreender compostos farmacêuticos pessoais, antibióticos, hormônios, moléculas tipo hormônio, outros compostos biologicamente ativos, e macromoléculas incluindo proteínas. Assim, uma necessidade urgente existe para um processo eficaz, eficiente, e econômico para tratar lamas.
Geralmente, mas inadequadamente, as lamas são meramente secas a melhor extensão possível por meios químicos e mecânicos. 0 teor de água de lamas de esgoto é ainda muito elevado, e nenhum dos compostos indesejáveis listados acima é neutralizado. As lamas típicas que saem de um clarificador de gravidade podem ter um teor de sólidos seco de 2% ou menos. Após a digestão anaeróbica, o teor de sólidos pode ser aproximadamente 10%. Os polímeros solúveis em água catiônicos foram descobertos úteis para causar uma separação adicional entre os sólidos e a água que é ligada quimicamente e fisicamente. A filtração ou centrifugação do polímero catiônico de lama tratada rende tipicamente um bolo tipo pasta de lama contendo uma variedade de sólidos, geralmente 18% a 30% de sólidos.
A secagem da lama de esgoto (maior que 90% de sólidos) foi praticada por muitos anos nos Estados Unidos e Europa. A secagem de lama nos Estados Unidos antes de aproximadamente 1965 foi feita para reduzir custos de transporte e na busca de várias opções de despejo. Em algumas estações, a lama foi seca na forma de pó e as partículas finas foram consumidas na câmara de combustão de um incinerador ou caldeira. Nos anos 196 0 as duas municipalidades, Houston e Milwaukee, começaram a comercializar uma lama seca peletizada ou granulada para uso como uma correção de solo e/ou fertilizante. Diversas mais fábricas para a fabricação de lama peletizada seca foram construídas nos anos 80 e 90 especialmente depois que o despejo no oceano de lama por cidades litorais foi eliminado. A secagem e conversão a um fertilizante de pélete de biosólidos seco por calor foram a melhor opção para estas áreas metropolitanas onde as operações de descarga e terra para a eliminação eram limitadas e mesmo em 2007 permanece uma tecnologia muito viável. Entretanto, o investimento exigido para uma instalação de secagem de lama é muito grande resultando em custos municipais maiores de $300 por tonelada seca de biosólidos, e em muitos casos maior do que $500 por tonelada seca de biosólidos.
0 tipo mais comum de lama seca e peletizada é esgoto municipal anaerobicamente digerido. A digestão anaeróbica, como o nome sugere, envolve o tratamento por bactérias facultativas sob condições anaeróbicas para decompor a matéria orgânica na lama. Depois de um tempo e temperatura prescritos, uma lama relativamente livre de matéria orgânica putrificável é obtida. Infelizmente, alguns patógenos permanecem em tais biosólidos, e o USEPA classificou tais biosólidos tratados como classe B implicando que são de um padrão mais baixo que os biosólidos tratados "Classe A" . Devido os biosólidos de classe B conterem indicadores de patógeno, e portanto patógenos potenciais, são restringidos na maneira pela qual podem ser aplicados às colheitas animais e humanas. Em contraste, os biosólidos Classe A, por exemplo, péletes de biosólidos secos por calor, bem como o produto da presente invenção, não são restritos sob padrões USEPA atuais como fertilizante para uso de colheita animal ou humana.
Se patógenos (por exemplo, bactérias de Salmonella sp., vírus entéricos, e óvulos de helmintos viáveis) estão abaixo dos níveis detectáveis, os biosólidos se encaixam na designação de classe A. A regra da Parte 503 (Título 40 do Código de Regulamentos Federais, Parte 503, incorporado aqui por referência) lista seis alternativas para tratar biosólidos, de modo que podem ser classificados na classe A relativo aos patógenos. A alternativa 1 requer os biosólidos serem submetidos a um de quatro regimes de tempo-temperatura. A alternativa 2 requer que os biosólidos respondam as exigências de pH, temperatura e secagem ao ar.
A alternativa 3 requer que quando os biosólidos são tratados em outros processos, deve ser demonstrado que o processo pode reduzir vírus entéricos e óvulos de helmintos viáveis, e condições de operação usadas na demonstração depois que a demonstração de redução de patógeno é terminada devem ser mantidas. A alternativa 4 requer que quando os biosólidos são tratados em processos desconhecidos, os biosólidos sejam testados para patógenos no momento que os biosólidos são usados ou dispostos ou, em determinadas situações, preparados para uso ou eliminação. A alternativa 5 requer que os biosólidos sejam tratados em um dos Processos para Reduzir Patógenos Adicionais. A alternativa 6 requer que os biosólidos sejam tratados em um processo equivalente a um dos Processos para Reduzir Patógenos Adicionais, como determinado pela autoridade de permissão.
Os biosólidos de patógeno Classe A devem também possuir uma densidade de coliforme fecal de menos de 1.000 números mais prováveis (MPN) por grama total de sólidos (base de peso seco) ou uma densidade de Bactérias Salmonella sp. de menos de 3 MPN por 4 gramas de sólidos totais (base de peso seco). Qualquer uma destas duas exigências deve ser cumprida em um dos seguintes tempos: quando os biosólidos forem usados ou rejeitados; quando os biosólidos forem preparados para a venda ou dado em um saco ou outro vaso para aplicação na terra; ou quando os biosólidos ou materiais derivados forem preparados para cumprir as exigências para biosólidos de Qualidade Excepcional.
Todos os biosólidos aplicados ã terra devem cumprir a concentração máxima para poluentes, compreendendo 10 poluentes de metal pesado: arsênico, cádmio, cromo, cobre, chumbo, mercúrio, molibdênio, níquel, selênio, e zinco. Se um limite para qualquer um destes é excedido, os biosólidos não podem ser aplicados à terra sem a incorporação de restrições significativas. A Qualidade Excepcional (EQ) é um termo usado pelo Guia USEPA para Parte 5 03 Regra 7 para caracterizar biosólidos que cumprem limites de redução de baixo poluente e patógeno Classe A (ausência virtual de patógenos) e que têm um nível reduzido de compostos degradáveis que atraem vetores. É a intenção desta invenção que todos os biosólidos cumpram ou excedem padrão de Qualidade Excepcional ("EQ") da USEPA para níveis de metal.
A redução de patógeno deve ocorrer antes ou ao mesmo 5 tempo que a redução de atração de vetor, exceto quando o ajuste de pH, atração de vetor de sólidos percentual, injeção, ou opções de incorporação são cumpridas. Finalmente, a redução de atração de vetor deve ser cumprida quando os biosólidos são aplicados à terra. Mais geralmente, 10 isto será conseguido secando o produto de biosólidos a um nível de sólidos maior que 90%.
A lama que é meramente seca, como com péletes secos por calor, mesmo se seca a mais de 90% de sólidos, tem diversas desvantagens para uso agrícola. Tem baixo valor de 15 fertilização, tipicamente tendo teor de nitrogênio de somente aproximadamente 2-5%. Os custos de frete e aplicação por unidade de nitrogênio são elevados. Os biosólidos secos por calor têm frequentemente um odor desagradável, particularmente quando úmidos. Também, os
2 0 péletes secos têm baixa densidade e dureza e quando
misturados com outros materiais fertilizantes comerciais, os péletes podem segregar, e desintegrar e podem não espalhar no campo uniformemente com outros ingredientes mais densos. Alguma ação bacteriana pode continuar quando o 25 material se torna úmido, e sob as condições de armazenamento, a temperatura do material pode aumentar ao ponto de autoignição. Portanto, exceto para mercados especiais que avaliam seu teor orgânico para a correção de solo ou enchimento no fertilizante misturado, há
3 0 relativamente baixa demanda para o produto de biosólidos seco por calor. Na maioria dos casos as municipalidades devem pagar taxas de frete, ou podem oferecer outros incentivos para que os produtores comerciais usem o material. Entretanto, isto é ainda frequentemente mais econômico do que esquemas de despejo alternativos.
0 valor de mercado para fertilizantes agrícolas é baseado principalmente em seu teor de nitrogênio. Uma necessidade existe para um método prático, seguro e econômico para aumentar o teor de nitrogênio de biosólidos a um nível aproximando ao dos fertilizantes minerais comerciais, isto é, 10-20%. Se tal fertilizante de biosólidos pudesse ser fabricado então o valor total do produto de biosólidos e demanda para o produto aumentaria. Além disso, um fertilizante de biosólidos corretamente fabricado terá uma vantagem que muito de seu nitrogênio será do tipo de liberação lenta. Isto é muito desejável já que fornece o nitrogênio à planta toda através de seu ciclo de crescimento. Os fertilizantes de nitrogênio de liberação lenta fabricados inorgânicos tradicionais têm um preço muito maior que os fertilizantes minerais de nitrogênio ordinários. Sob o cenário de produção de fertilizante de contendo biosólidos com alto teor de nitrogênio de seus biosólidos, as municipalidades apreciariam o suporte público e regulatório para seu programa de disposição de biosólidos. Tal programa asseguraria a remoção regular de biosólidos secos ou retirados a água, por, por exemplo, reciclagem de biosólidos em um fertilizante de alto teor de nitrogênio que então pode ser vendido diretamente na indústria de distribuição de fertilizante nacional madura, desse modo eliminando um dos problemas graves associados tradicionalmente com programas de tratamento de biosólidos. As tentativas prévias foram feitas para alcançar alguns destes objetivos. As Patentes US N°s. 3.942.970, 3.655.395, 3.939.280, 4.304.588, e 4.519.831 descrevem processos para converter lama de esgoto em fertilizante. Em cada um destes processos um produto de condensação de formaldeído-ureia é formado in si tu com a lama. Assim, os processos requerem a manipulação de formaldeído, um lacrimogêneo altamente tóxico e agente suspeito de câncer.
Outros processos requerem o equipamento de processo caro e/ou condições especiais não prontamente incorporadas em instalaçãos de tratamento de esgoto existentes (veja: a Patente Japonesa N0. 58032638; Patente Francesa N°. 2.757.504) .
Um método simples para aumentar o nitrogênio na lama seria misturar materiais de fertilizante de nitrogênio comerciais à lama molhada antes da secagem e peletização. Há somente poucos materiais de fertilizante de alto teor de nitrogênio que são econômicos para uso na agricultura. Os exemplos são: amônia (82% de peso de N), ureia (46% de peso de N), nitrato de amônio (35% de peso de N). A amônia tem a volatilidade elevada e é submetida ao regulamento estrito de descargas à atmosfera. A ureia é um sólido que absorve umidade completamente prontamente e torna a lama mais difícil de secar. A ureia é também altamente suscetível à quebra em amônia pelos micróbios e enzimas nos biosólidos se não são preparados corretamente, resultando em perda de nitrogênio e um problema de odor. O nitrato de amônio é um forte oxidante e pode resultar em um problema de explosão potencial que tem tudo, mas eliminou este fertilizante do mercado comercial após 2000. Todos estes fertilizantes têm teor de nitrogênio elevado, mas são menos do que ideais para combinar com o processamento especial ausente de biosólidos.
Outras referências, tais como a Patente Européia N°. 0143392 BI, Patente Japonesa N°. 9110570 A2, e "Granulation of Compost From Sewage Sludge V. Reduction of Ammonia Emission From Drying Process", Hokkaidoritsu Kogyo Shikenjo Hokoku, 287, 85-89 (1988)) não divulgam o uso de ácidos com adições de sulfato de amônio e não discute o problema de corrosão de equipamento de processo de aço sob condições ácidas.
Nos últimos trinta anos a estabilização alcalina de biosólidos tem sido um método padrão e bem sucedido de fazer biosólidos em materiais beneficamente úteis que podem ser usados principalmente como materiais de condicionamento de solo. Pois estes produtos de biosólidos estabilizados alcalinos têm equivalências de carbonato de cálcio elevadas, foram produzidos e comercializados como materiais AG-cal, geralmente como uma substituição para o carbonato de cálcio em estratégias de gerência de solo de fazenda. Por causa deste uso, o valor destes materiais foi restringido a somente alguns dólares por tonelada de produto; portanto, por causa de custos de transporte especialmente desde que contêm geralmente concentrações de água significativas, frequentemente até 50%, são economicamente e geograficamente restritos às áreas perto da fonte de seu tratamento.
Assim, há uma necessidade de longa data para meios práticos de aumentar o valor econômico de lama de esgoto através do aumento de seu teor de nitrogênio, e aumento de sua capacidade de ser espalhada, bem como uma necessidade para tratar estes materiais tal que são convertidos em fertilizantes de mercadoria com propriedades de nutrientes 5 e químicas e físicas, tal que podem comandar o valor significativo no mercado de fertilizante de mercadoria nacional e internacional. Uma série de Patentes US N0 s. 5.984.992; 6.159.263; 6.758.879 e 7.128.880 descreveram um método de produção de fertilizantes de sulfato de amônio 10 organicamente melhorados com alto teor de nitrogênio feitos com biosólidos utilizando um reator de tubulação cruzada como originado por Tennessee Valley Authority. 0 reator de tubulação, T e tubulação cruzada são definidos pelo IFDC no Manual de Fertilizante (1998), p 440 como:
"o reator de tubulação consiste basicamente em um
comprimento de tubulação resistente à corrosão (aproximadamente 5-15 m de comprimento) na qual o ácido fosfórico, amônia e frequentemente água são simultaneamente adicionados a uma extremidade através de uma configuração 20 de tubos que se assemelha a um T, assim o nome "reator T"... 0 reator T foi modificado por TVA para também aceitar um fluxo adicional de ácido sulfúrico através de outra entrada de tubulação localizada oposta à entrada de ácido fosfórico, dando à unidade uma configuração "cruzada" e assim o nome 25 "reator de tubulação cruzada".
Ambos o Manual de Fertilizante da IFDC (1998) e o Livro de Dados Técnicos de Fertilizante (2000) referem-se aos reatores de tubulação cruzada. Pensou-se que os reatores de tubulação cruzada liberaram uma mistura mais 3 0 concentrada ao dispositivo de formato granulador e evaporaram mais eficientemente a água indesejada da mistura de fertilizante que outros dispositivos, mas estas referências demonstram uma necessidade de longa data para melhoria, indicando que um dos defeitos do reator de 5 tubulação cruzada é a formação de incrustação dentro da tubulação que pode resultar em obstrução.
As metodologias ensinadas por este grupo de patentes (Patente US N°s. 5.984.992; 6.159.263; 6.758.879 e # 7.128.880) são incomodadas por problemas relacionados ao 10 bloqueio desta estreiteza relativa as suas configurações de reator "tipo tubulação" de reação de comprimento durante operação e relativas à dificuldade de controle da temperatura de reação e pressão e tempo de retenção da mistura dentro de tais reatores de tubulação cruzada. Estes 15 reatores de tubulação cruzada são estreitos em contraste a seu comprimento, por exemplo, até 15,24 a 20,32 cm em diâmetro e nos frequentemente 4,57 m em comprimento ou maior. A fábrica praticando a fabricação de fertilizantes de sulfato de amônio organicamente melhorados
2 0 frequentemente teve que parar e desmontar o reator de
tubulação cruzada devido ao bloqueio de acúmulo de biosólidos ou de superaquecimento destrutivo em tais reatores tal que o geralmente usado revestimento de "Teflon" no lado de reação interior do reator foi derretido 25 e arruinado. Além disso, o uso do reator de tubulação cruzada tem a desvantagem distinta de ter tempos de retenção de reator muito curtos (geralmente menos de 20 segundos) que é uma vantagem na fabricação de fertilizantes tradicionais como o sulfato de amônio, mas é uma
3 0 desvantagem quando acoplado ao processo simultâneo de biosólidos. Tal tempo de processamento curto aumenta a probabilidade de mistura não tratada ou não homogênea enquanto as três entradas materiais passam através deste reator. Também limitada é a falta de controle sobre a 5 pressão atmosférica dentro de tais reatores de tubulação cruzada já que estes reatores têm descargas de extremidade aberta geralmente diretamente em um granulador.
A Patente US 4.743.287 emitida em 1988 por Robinson descreveu um método para usar dois vasos de reação em 10 seqüência para incorporar lamas orgânicas em fertilizantes de nitrogênio de concentração de nitrogênio baixa ou média (uma faixa de 4% de peso de N a um máximo de uma concentração de nitrogênio de 10% de peso) . Robinson usa seu primeiro vaso de reação para conseguir valores de pH 15 muito baixos da mistura (pH 0,2 a 1,5) para conseguir a hidrólise de algumas moléculas presentes e para preparar a mistura para a reação em um segundo vaso de reação. Robinson ensina que um único reator pode ser usado, mas somente em uma configuração de batelada e não em um método
2 0 de fabricação de fluxo contínuo. Em todos os casos, Robinson ensina que o ácido e a amônia podem ser injetados em uma ou outra ordem, mas devem ser injetados em seqüência Esta patente importantemente descreve os vasos de reação capazes de alcançar as altas pressões (13 8 kPa) com tempos
2 5 de retenção relativamente longos em comparação aos reatores
de tubulação cruzada. Entretanto, Robinson não realiza a necessidade para um novo e prático método de fluxo contínuo de fabricar alto teor de nitrogênio (maior que 8% de peso de N) e produtos de fertilizante contendo biosólidos sob as
3 0 vantagens de temperaturas, pressões e tempos de retenção de reação definidos.
Sumário da invenção
As modalidades da presente invenção superam os problemas e desvantagens associadas com outros sistemas e 5 métodos para tratar biosólidos ou lamas e para fabricação de fertilizantes das lamas e materiais residuaais relacionados. Note que o termo "biosólidos" é agora comumente usado para descrever lamas como produzidas em estações de tratamento de esgoto municipais. Outras 10 modalidades da presente invenção superam os problemas e desvantagens inerentes nos fertilizantes preparados por outros sistemas e métodos.
As modalidades da invenção podem converter a lama potencialmente perigosa em fertilizantes inorgânicos bio- 15 organicamente enriquecidos sem a necessidade de instalações de fabricação de fertilizante massivas tradicionais que são geralmente de múltiplos andares altas. Em contraste com a técnica praticada pelas Patentes US N°. 5.984.992; 6.159.263; 6.758.879 e 7.128.880, as modalidades da
2 0 presente invenção podem ser ajustadas para combinar a
produção de biosólidos secos de estações de tratamento de esgoto municipais específicas ou individuais (102) ou estações de tratamento de esgoto coletivas de uma única municipalidade. Por causa disto, o processo de produção de 25 fertilizante da presente invenção pode estar situado diretamente adjacente ou perto de instalações de estação de tratamento de esgoto municipais que eliminam desse modo a necessidade para transporte dos biosólidos às instalações de fabricação de fertilizante distantes. Esta posição de
3 0 uma instalação de fabricação adjacente ou perto da estação de tratamento de esgoto reduz drasticamente a logística e responsabilidade, por exemplo, custos e perigos envolvidos em transportar a lama para a instalação de fabricação de fertilizante.
5 Uma modalidade da invenção é direcionada para tratar
uma lama, especialmente como lama seca variando entre 14% e 40% de sólidos, primeiramente condicionando a lama. A etapa de condicionamento da lama pode incluir, mas não é limitada
a, fazer a lama bombeável aproveitando-se da propriedade 10 tixotrópica da lama misturando a lama com uma força suficiente para fazê-la bombeável, desse modo criando uma mistura tipo pasta mais homogênea ou adicionando um líquido, tal como descarga de água ácida de um sistema purificador. Esta mistura é ainda condicionada com a adição de um ou 15 mais oxidantes, preferivelmente ferrato de cálcio, para reagir com os odorizantes presentes na lama, tal como compostos de enxofre reduzidos. Em uma modalidade ótima, esta mistura é ainda condicionada com a adição especificamente de ácido fosfórico para continuar o 20 tratamento de odorizantes bem como melhorar a granulação dos grânulos assim como o valor de nutriente do fertilizante terminado. A lama condicionada é então adicionada a um vaso de pressão. Um ou mais ácidos e uma ou mais fontes de nitrogênio são combinados em uma zona de 25 reação situada dentro da lama condicionada. Como definido em maior detalhe mais tarde, a zona de reação é uma área de aplicação ótima de qualquer ácido, qualquer base, qualquer fonte de nitrogênio, e qualquer combinação dos mesmos, para que a lama seja tratada em modalidades desta invenção. Pelo
3 0 menos uma das fontes de nitrogênio compreende uma base, e então uma reação exotérmica pode ocorrer entre o ácido e a base. Subsequentemente, esta mistura é mantida em uma condição de estresse por um período de retenção.
Os resultados semelhantes são obtidos por outra 5 modalidade da invenção que é direcionada ao tratamento de uma lama primeiramente condicionando a lama. A etapa de condicionamento da lama pode incluir, mas não é limitada a, fazer a lama bombeável misturando a lama com uma força suficiente para fazê-la bombeável ou adicionando um líquido, 10 tal como descarga de água ácida de um sistema purificador. A lama condicionada pode ser ainda condicionada pela adição de um oxidante e ácido fosfórico. A lama condicionada é então adicionada a um vaso de pressão. Nesta modalidade, um ou mais ácidos, uma ou mais fontes de nitrogênio, e uma ou 15 mais bases são combinados em uma zona de reação situada dentro da lama condicionada. Uma reação exotérmica pode ocorrer entre o ácido e a base. Subsequentemente, esta mistura é mantida em uma condição de estresse por um período de retenção.
2 0 Os resultados similares são obtidos por outra
modalidade da invenção que é direcionada para tratar uma lama primeiramente condicionando a lama. A etapa de condicionamento da lama pode incluir, mas não é limitada a, fazer a lama bombeável misturando a lama com uma força 25 suficiente para fazê-la bombeável ou adicionando um líquido, tal como descarga de água ácida de um sistema purificador. A lama condicionada pode ainda ser condicionada pela adição de um ou mais oxidantes, preferivelmente ferrato de cálcio e subsequentemente por ácido fosfórico. A lama condicionada
3 0 é então misturada em seqüência com um ácido concentrado, preferivelmente ácido sulfúrico antes de ser adicionada a um vaso de pressão. Nesta modalidade, uma ou mais fontes de nitrogênio, e uma ou mais bases são combinadas em uma zona de reação situada dentro da lama condicionada acidificada.
5 Uma reação exotérmica pode ocorrer entre o ácido e a base. Subsequentemente, esta mistura é mantida em uma condição de estresse por um período de retenção.
Resultados similares são também obtidos por outra modalidade da invenção, que é direcionada ao tratamento de uma lama primeiramente condicionando a lama. A etapa de condicionamento da lama pode incluir, mas não é limitada a, fazer a lama bombeável misturando a lama com uma força suficiente para fazê-la bombeável ou adicionando um líquido, tal como descarga de água ácida de um sistema purificador. Além disso, a lama pode ser condicionada pela reação com um ou mais oxidantes e pela adição de ácido fosfórico. A lama condicionada é então adicionada a um vaso de pressão. Nesta modalidade, uma mistura reativa é adicionada à lama condicionada. A mistura reativa é tipicamente uma fusão a quente e/ou sal de sulfato de amônio e/ou fosfato de amônio. Subsequentemente, esta mistura é mantida em uma condição de estresse por um período de retenção.
Em todas estas modalidades, a condição de estresse pode opcionalmente resultar na hidrólise parcial e/ou
2 5 desnaturação de quaisquer macromoléculas incluindo proteínas contidas no componente de lama da mistura. A condição de estresse pode também opcionalmente resultar na hidrólise parcial e/ou desnaturação de quaisquer compostos farmacêuticos pessoais, antibióticos, hormônios, moléculas 30 tipo hormônio, ou outros compostos biologicamente ativos. Outras modalidades da presente invenção continuam o tratamento de lama até fertilizantes estéreis, seguros serem produzidos. Estes fertilizantes podem realmente exceder as exigências de um produto contendo biosólidos 5 Classe A de USEPA. Os produtos de fertilizante produzidos são de qualidade química, secagem e dureza apropriadas para produzir um produto de fertilizante comercial com alto teor de nitrogênio, valioso que é capaz de competir em um mercado internacional contra outros fertilizantes
inorgânicos. Além disso, os produtos de fertilizante contêm tipicamente nitrogênio de amônio ligado aos compostos, especialmente compostos orgânicos, na mistura tal que o nitrogênio se dissolve lentamente e migra lentamente através do topo de 20,32 cm de solo que é a zona crítica
para a captação de nutriente pelas colheitas plantadas no referido solo. Esta dissolução e migração são muito mais lentas que a observada se os íons de amônio não estão unidos aos compostos orgânicos, tal como ocorre quando os fertilizantes inorgânicos tradicionais, por exemplo, sal,
2 0 sulfato de amônio, são diretamente aplicados ao solo.
Outras modalidades e vantagens da invenção são determinadas em parte na descrição, que segue, e em parte, podem ser óbvias desta descrição, ou podem ser aprendidas da prática da invenção.
Descrição das Figuras
Figura 1. Vista geral sumária do relacionamento da presente invenção com uma comunidade.
Figura 2. Vista geral esquemática do processo de Mistura de Amônio ("AM") de produção de fertilizante usando
3 0 biosólidos tixotrópicos e ácidos inorgânicos e amônia para produzir um fertilizante de amônio inorgânico organicamente enriquecido contendo alto teor de nitrogênio.
Figura 3. Esquema detalhado do processo de produção de fertilizante da presente invenção.
5 Figura 4. Esquema detalhado do processo de fabricação
de fertilizante da presente invenção utilizando um único vaso de pressão, recebendo separadamente, mas simultaneamente biosólidos condicionados, ácido concentrado e uma fonte de amônia, que controla a temperatura interna, 10 pressão atmosférica, e tempo de retenção da mistura tratada. Adicionalmente esta figura mostra que a mistura criada no vaso de pressão é descarregada em um misturador tipo pugmill para a conclusão da amonização usando amônia vaporizada, adição de agentes de endurecimento e adição de 15 reciclagem. Este misturador tipo pugmill começa o processo de moldagem para a mistura antes de entrar no granulador.
Figura 5. Esquema detalhado do processo de fabricação de fertilizante da presente invenção utilizando dois moinhos de cru no processo de condicionamento. O primeiro
2 0 misturador tipo pugmill é usado para preparar os biosólidos
por mistura agressiva, adicionando um oxidante ou oxidantes. Neste exemplo o ácido fosfórico é adicionado ao vaso de pressão. O segundo misturador tipo pugmill é usado para adicionar, neste exemplo, toda a amônia aquosa usada como base na reação exotérmica que ocorrerá no vaso de pressão.
O vaso de pressão recebe separadamente, mas simultaneamente os biosólidos condicionados altamente amonizados e uma fonte de ácido concentrado. A reação no vaso de pressão é usada para controlar a temperatura interna, pressão
3 0 atmosférica, e tempo de retenção da mistura tratada. Figura 6. Vista esquemática de uma modalidade do vaso de pressão usado na Mistura de Amônio ou "AM" e Preparação de Pélete; processos "PB". O vaso de hidrólise ou pressão é usado para criar uma mistura de lama orgânica com sulfato de amônio e fosfato de amônio usando ácido concentrado e uma fonte de amônia, preferivelmente amônia anidra injetada separadamente, mas simultaneamente com o ácido e a lama. Este vaso recebe a mistura condicionada em uma abertura no fundo do vaso. Apenas acima e injetadas simultaneamente estão as entradas de admissões múltiplas e ácido concentrado, geralmente quatro, para uma fonte de amônia, preferivelmente amônia anidra. A mistura de fertilizante criada aumenta através do vaso sob ambientes de temperatura e pressão atmosférica controladas que facilita a esterilização, hidrólise e/ou desnaturação de
macromoléculas na mistura e secagem de fertilizante devido à liberação de vapor e vapor de água no topo do vaso. 0 vaso preferido é agitado para manter condições constantes e para facilitar a remoção da mistura de fertilizante. 0 vaso 20 também tem um espaço de topo significativo no topo do vaso para facilitar a retirada de vapor e para permitir a entrada de ar pressurizado para uso quando o vaso de pressão deva ser esvaziado para manutenção ou processo de desligamento. 0 vaso de pressão nesta figura também contém 25 preferivelmente um revestimento protetor no interior do vaso, por exemplo, revestimentos Havey ou Kynar, para proteger a parede de vaso de pressão dos efeitos agressivos do ácido concentrado e da reação ácido-base. 0 vaso de pressão pode conter, alternativamente, uma camada de tijolo
3 0 ácido e tijolo de carbono para proteger a cobertura inferior do vaso destas condições duras.
Figura 7. Vista esquemática do sistema de circuito de retorno para permitir a manutenção ou desligamento do primeiro misturador tipo pugmill e do vaso de pressão nos 5 processos AM e PB. Este esquema mostra o posicionamento de válvulas e linhas de retorno permitindo o esvaziamento de cada vaso.
Figura 8. Vista esquemática de um método de fabricação de um fertilizante na maneira das modalidades como na
Figura 4, mas com a substituição de três vasos de pressão a fim de operar os processos em uma maneira de "batelada contínua" . 0 uso de três vasos é tal que uma vaso está sendo enchido, um está reagindo e o terceiro está esvaziando.
Figura 9. Vista esquemática da modalidade de processo
de Preparação de Pélete ("PB") da presente invenção mostrando o uso de péletes ou grânulos de biosólidos secos por calor na fabricação de fertilizante inorgânico organicamente enriquecido com alto teor de nitrogênio
2 0 granular.
Figura 10. Uma respresentação de diagrama de fluxo do Exemplo 1 ilustrando uma modalidade preferida, mostrando as quantidades de sólidos e água através das várias etapas do processo AM em uma modalidade da presente invenção como
praticada para 3 toneladas por hora de entrada de lama (neste exemplo a porcentagem de sólidos da lama de entrada ou biosólidos foi 22% de peso de sólidos) . Este exemplo também mostra os detalhes do esquema de tratamento de ar e fluxo de ar praticado na presente invenção.
3 0 Descrição Detalhada da Invenção As modalidades da presente invenção são direcionadas aos métodos de fabricação de um fertilizante, especialmente um fertilizante a base de amônio inorgânico organicamente enriquecido contendo alto teor de nitrogênio. Outras 5 modalidades são direcionadas aos fertilizantes fabricados por estes métodos. As modalidades da presente invenção aproveitam-se da propriedade tixotrópica de muitos tipos de biosólidos secos ou lamas orgânicas para se tornarem pastas ou fluidos bombeáveis tipo pasta quando vigorosamente 10 misturados, remisturados e dobrados ou cisalhados.
Como mostrado na figura 1, a estação de fabricação de fertilizante (105) é ajustada para servir às necessidades da comunidade (101) em que está situada. Este projeto de ajuste resulta em um processamento de biosólidos 15 pequenos/estação de fabricação de fertilizante sendo construída, por exemplo, processando menos de 10 toneladas por hora de lama seca e preferivelmente processando entre 3 e 6 toneladas por hora de lama seca, que também reduz custos, e torna mais fácil padronizar com equipamento
2 0 permutável feito sob padrão e, porque a estação de
fabricação é pequena, melhora a logística de operação e responsabilidade. Pois as estações de fabricação de fertilizante de diversas modalidades da presente invenção geralmente se associaram e as instalações de armazenamento 25 adjacentes que podem servir como instalações de armazém de fertilizante locais ou regionais (105), o acesso ao produto de fertilizante da presente invenção é facilitado. Tendo um lugar de armazém local também melhora a logística associada com a indústria de fertilizante nas diversas modalidades da
3 0 invenção produzindo um fertilizante de alto teor de nitrogênio que pode ser enviado em distâncias mais curtas aos distribuidores de fertilizante (106), usuários finais ou produtores (107), reduzindo desse modo custos de transporte para o produto, bem como para os biosólidos de 5 entrada ou lama orgânica. Um sistema de controle de odor (104) pode ser incorporado no projeto de estação de fabricação para assegurar a aceitação da comunidade da estação de fabricação de fertilizante e para facilitar o cumprimenti dos padrões da USEPA, bem como tornar o 10 processo mais eficiente através da captação e incorporação de nitrogênio valioso ou outros nutrientes de planta fugitivos potenciais do ar de processo da estação.
As modalidades da presente invenção são únicas comparadas às práticas de fabricação de fertilizante tradicionais em que uma grande instalação de fabricação está localizada longe das comunidades quanto possível, desse modo exigindo que os materiais de entrada sejam enviados por longas distâncias para operar a estação. Um bom exemplo disso foi a estação de conversão de biosólidos à fertilizante situada em Helena, Arkansas que praticou os processos de fabricação ensinados nas Patentes US N0 s. 5.984.992; 6.159.263; 6.758.879; e 7.128.880. Para esta estação de fabricação de fertilizante, os biosólidos foram enviados de New York City e Westchester County, NY em um custo significativo ao processo de fabricação. As modalidades da presente invenção eliminam este tipo de problema arranjando o equipamento físico necessário para realizar o processo reivindicado adjacente ou perto da fonte de biosólidos secos ou outras lamas orgânicas. Tais fontes de biosólidos secos ou outras lamas orgânicas são tipicamente estações de tratamento municipais de esgoto.
Além disso, as modalidades da presente invenção têm a vantagem que podem ser conectadas com a produção de fertilizante de sal de amônio de subproduto a quente que 5 está associada com negócios comerciais não relacionados, tais como a produção de náilon ou aço. Nestas duas indústrias, como é mostrado também na Figura 1, o sulfato de amônio quente é um subproduto (10 8) que pode diretamente ser adicionado a um vaso de pressão em uma modalidade da 10 presente invenção.
As modalidades da presente invenção podem tratar qualquer lama orgânica, preferivelmente compreendida de microrganismos, tais como lamas selecionadas do grupo compreendido de biosólidos secos municipais (102), dejeto 15 doméstico, resíduos de fermentação farmacêutica e digestão microbiana de outros produtos orgânicos, tais como materiais de alimento e/ou estrumes animais ou estrumes de animais digeridos. Estas lamas podem ter entre 12% e 40% de sólidos e preferivelmente entre 18% e 30% de sólidos. Este 2 0 processo de tratamento pode preferivelmente resultar na produção de um produto de fertilizante Classe A de USEPA peletizado ou granulado de qualidade química, secagem, dureza apropriadas para produzir um produto de fertilizante comercial, alto teor de nitrogênio, valioso que é capaz de
2 5 competir no mercado nacional e internacional contra fertilizantes inorgânicos tradicionais. Um fertilizante de alto teor de nitrogênio, comercial tem preferivelmente mais de (8) porcento de nitrogênio por peso seco do fertilizante terminado e mais preferivelmente pelo menos quinze (15) 30 porcento de nitrogênio por peso seco de fertilizante terminado. A característica Classe A refere-se à qualidade microbiológica do produto de fertilizante terminado, que cumpre os padrões microbiológicos Classe A da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos para um produto 5 contendo biosólidos municipais como definidos na 4 0 CFR Parte 503. As modalidades da presente invenção cumprem ou excedem este padrão com base na condição de estresse e o tempo de retenção utilizado, e na base que o fertilizante terminado tem mais de 80%, e mais preferivelmente mais de 10 90% de sólidos secos com o nível ótimo sendo mais de 98% de sólidos secos em composição, garantindo que os Padrões de Atração de Vetor USEPA associados sejam cumpridos (isto é, 90% ou mais) e que o grânulo de fertilizante terminado é otimizado para teor de água mínimo, característica de 15 dureza crescente e eliminação de água com relação ao transporte do fertilizante terminado. A dureza é fornecida adicionando à mistura de fertilizante, antes de modelar, um ou mais agentes de endurecimento selecionados do grupo consistindo de óxidos férricos, alume, argila de atapulgita, 20 melaços industriais, lignono, sulfonato de ligna, polimerização de formaldeído de ureia e combinação dos mesmos.
As modalidades da presente invenção produzem uma mistura ou fertilizante seguro, estéril preferivelmente 25 excedendo as exigências mínimas de um produto contendo biosólidos Classe A de USEPA. As modalidades da presente invenção utilizam uma condição de estresse e um período de retenção que cria um efeito de autoclave sobre uma temperatura prolongada e esposições de pressão. Este efeito 30 de autoclave pode destruir por esterilização quaisquer raicrorganismos presentes na lama, incluindo bactérias, vírus, fungos, parasitas, e ovos de parasita. Além disso, as modalidades da presente invenção são preferivelmente projetadas para hidrolisar muitas macromoléculas que podem 5 também estar na lama. As condições podem incluir, mas não são limitadas a, pH da mistura, pressão elevada, e temperatura elevada, combinadas com um período de retenção controlado resultando em uma mistura e/ou um fertilizante que é mais seguro comparado aos produtos processados 10 utilizando tecnologias de reator de tubulação cruzada. Por exemplo, as modalidades da presente invenção podem utilizar um período de retenção dentro do vaso de pressão maior que
1 minuto e preferivelmente maior que 5 minutos e mais preferivelmente maior que 20 minutos. A capacidade de 15 controle do período de retenção é valiosa, pois quando a lama é submetida à condição de estresse por um tempo mais longo, resulta em um tratamento melhor da lama. Ajustando o período de retenção e as condições de estresse é possível variar o nível de tratamento e controlar desse modo as
2 0 propriedades e qualidade da mistura ou fertilizante
resultante.
Uma série de misturadores é frequentemente empregada nas modalidades da presente invenção. Estes misturadores podem opcionalmente ser aquecidos, por exemplo, 25 misturadores tipo misturador tipo pugmill de eixo duplo ou eixo único, preferivelmente um misturador tipo pugmill de mistura e trituração utilizando uma configuração de lâmina de formato largo ajustável.
As modalidades da presente invenção produzem o
3 0 fertilizante com quantidades de arsênico, cádmio, cobre, chumbo, mercúrio, molibdênio, níquel, selênio e/ou zinco bem abaixo dos níveis de dano e menos do que o padrão de Qualidade Excepcional ("EQ") para metais como publicados por USEPA para produtos contendo biosólidos municipais.
5 Devido a exceder este regulamento e condições de
hidrolização do vaso de pressão ou hidrolizador para macromoléculas (por exemplo, produtos farmacêuticos pessoais, tais como antibióticos ou hormônios ou substâncias tipo hormônio) , o fertilizante resultante é 10 mais seguro para uso no cultivo, plantas, e animais. Além disso, é seguro manipular e perto de humanos.
A Figura 2 fornece um diagrama esquemático de uma modalidade da presente invenção, em que o processo desta modalidade utiliza biosólidos municipais secos combinados 15 com fertilizantes de sal de amônio. Nesta modalidade, a lama a ser tratada é um biosólido seco, referido frequentemente como um "bolo de biosólidos". Este biosólido é liberado à instalação de fabricação e condicionado. 0 condicionamento ocorre em um misturador inicial ou
2 0 misturador tipo pugmill por uma mistura vigorosa que
converte a lama tixotrópica ou biosólidos em uma mistura bombeável ou pasta ou mistura tipo pasta. Enquanto no misturador ou misturador tipo pugmill, um agente de oxidação, e uma quantidade de ácido concentrado, 25 preferivelmente ácido fosfórico, são adicionados. 0 agente de oxidação reage com os compostos de enxofre reduzidos e outros odorizantes presentes nos biosólidos. 0 ácido concentrado ligeiramente acidifica os biosólidos e, se for ácido fosfórico, auxilia na modificação de odorizantes
3 0 presentes na lama. Opcionalmente, os biosólidos podem ser aquecidos durante este processo de condicionamento por exposição ao calor em misturadores com manta e ou misturadores com lâminas de mistura ocas que podem conter óleo aquecido para efetuar a transferência de calor. Após o 5 condicionamento, os biosólidos são transferidos a um vaso de pressão em que o ácido concentrado e uma fonte de nitrogênio são simultaneamente adicionados. Nesta modalidade da invenção, a fonte de nitrogênio compreende uma base, tal como amônia anidra ou aquosa. Uma mistura de 10 biosólidos e sulfato de amônio e fosfato de amônio é formada. Esta mistura é mantida em uma condição de estresse por um período de retenção. A condição de estresse inclui temperatura elevada, e pressão elevada. A temperatura elevada é frequentemente devido a uma reação exotérmica dos 15 componentes, que podem aumentar a temperatura da mistura a 212°F ou maior. Em tais temperaturas, vapor é gerado da mistura. Este vapor é permitido sair do vaso de pressão sob liberação controlada por válvula, realizando uma secagem parcial da mistura. A condição de estresse e o período de
2 0 retenção são controlados para resultar na produção de uma
mistura que é estéril e que contém macromoléculas hidrolizadas dos biosólidos. 0 controle da condição de estresse e o período de retenção também resultam na fusão dos íons de amônio formados com moléculas orgânicas 25 presentes criando uma propriedade de liberação lenta natural para o nitrogênio presente, e a desnaturização e/ou hidrólise de muitas macromoléculas presentes nos biosólidos, tais como proteínas. Quando tais moléculas são biologicamente ativas, esta desnaturização e/ou hidrólise
3 0 as torna menos ativas ou inativas desse modo criando uma mistura mais segura para uso ou exposição pública.
Alternativamente, em vez de simultaneamente adicionar o ácido concentrado e a fonte de nitrogênio ao vaso de pressão, uma fusão à quente ou sal de sulfato de amônio 5 e/ou fosfato de amônio podem ser substituídos para realizar os mesmos efeitos da adição acima de ácido e amônia simultaneamente. Como uma opção, quando esta alternativa é utilizada, é para o calor físico ser aplicado ao vaso de pressão.
Em uma modalidade, a mistura é subsequentemente
transferida do vaso de pressão a um segundo misturador ou misturador tipo pugmill, onde é misturada com um agente ou agentes de endurecimento, bem como com nutrientes adicionais, se requerido. Se uma fusão foi formada no vaso
de pressão da amonização parcial com excesso de ácido, a mistura é também pulverizada com uma quantidade adicional de uma fonte de nitrogênio compreendendo uma base, tal como amônia, preferivelmente amônia vaporizada a fim de completar a amonização desse modo formando o sal de amônio.
2 0 Nas modalidades da presente invenção, é preferível
converter a amônia líquida em amônia vaporizada antes de entrar nos pulverizadores no misturador tipo pugmill que segue o vaso de pressão e no granulador. Esta conversão à amônia vaporizada melhora a operação da estação, bem como
reduzir exigências de energia. A amônia anidra líquida é convertida em vapor de amônia superaquecido por meio de um aquecedor a fim de completar o processo de amonização começado no vaso de pressão. Este meio de aquecimento pode ser um aquecedor direto aplicado à linha de liberação de
3 0 amônia ou pode ser um trocador de calor instalado para recuperar excesso de calor de outro lugar no processo desta invenção. Isto pode ser, por exemplo, na corrente de ar descarregada do secador rio a jusante das câmaras de ar e antes dos purificadores ácidos. O lado da amônia do 5 vaporizador é controlado em 722 a 929 kPa, e preferivelmente em 791 kPa (amônia saturada em 18°C). 0 vapor de amônia é superaquecido com a temperatura controlada em 49-93°C e preferivelmente em 77-82°C.
Substituindo a amônia líquida com amônia vaporizada 10 nos pulverizadores de amônia de misturador tipo pugmill reciclado/granulador fornece diversos benefícios: termina o processo de amonização começado no vaso de pressão; melhora a eficiência de reação aumentando a área de superfície de amônia para contactar o ácido não reagido; aumenta a 15 eficiência de energia usando o calor residual do processo para aumentar a temperatura da corrente de granulador, desse modo aumentando a evaporação no granulador e reduzindo a energia do secador exigida; reduz a criação de poeira e aumenta o tamanho e dureza do grânulo fornecendo a 2 0 distribuição uniforme de amônia à zona de reação no misturador tipo pugmill/granulador (gotas de amônia líquida podem criar poeira quando as áreas localizadas pequenas de pH elevado são criadas nos grânulos não curados, e amônia em vapor elimina este problema); reduz a água gelada
2 5 exigida para resfriar a corrente de gás descarregada do
secador e utilizando o calor; ou combinações dos mesmos.
Em seguida, a mistura é ainda tratada por granulação ou extrusão em grânulos ou péletes. Os grânulos ou péletes são secos e passados através de uma ou mais telas para
3 0 separar materiais superdimensionados e materiais subdimensionados dos materiais de tamanho apropriado. Os materiais superdimensionados podem ser esmagados em um triturador ou moinho. Subsequentemente, os materiais subdimensionados e materiais superdimensionados esmagados podem ser reciclados ao segundo misturador ou misturador tipo pugmill para facilitar a peletização ou granulação da mistura de fertilizante em péletes ou grânulos. Os péletes ou grânulos de tamanho apropriado resultantes são então secos, dimensionados, revestidos, resfriados e armazenados.
Nota-se que, quando um granulador tradicional é usado no processo de moldagem, a amonização por amônia vaporizada e adição de reciclagem pode também ocorrer nesse vaso.
A água removida da mistura como vapor do vaso de pressão e dos vasos subsequentes como vapor e/ou vapor de água pode ser condensada e preferivelmente retornada à estação de tratamento de esgoto (WWTP), ou pode ser tratada e descarregado em recursos hídricos adjacentes, ou na atmosfera.
Uma modalidade adicional da invenção é direcionada a tratar uma lama primeiramente condicionando a lama misturando com uma força suficiente para fazê-la bombeável. A lama pode ainda ser condicionada adicionando um ou mais agentes oxidantes e/ou adicionando um ou mais ácidos para reduzir o pH da lama. O condicionamento tipicamente ocorre em um misturador ou um misturador tipo pugmill, que pode opcionalmente ser aquecido. A lama condicionada é então adicionada a um vaso de pressão. Subsequentemente ou simultaneamente uma vez que o processo alcança de estado estacionário, um ou mais ácidos e uma ou mais fontes de nitrogênio são combinados dentro de uma zona de reação situada dentro da lama condicionada. A zona de reação é uma área de aplicação ótima de qualquer ácido, qualquer base, qualquer fonte de nitrogênio, e qualquer combinação dos mesmos, para que a lama seja tratada nas modalidades desta invenção. A zona de reação é otimizada baseada no tamanho do vaso em que a lama é colocada. 0 tamanho de zona de reação varia dependendo do influxo de ácido, base, e/ou fonte de nitrogênio, bem como da viscosidade da lama. A zona de reação está essencialmente situada na porção inferior da lama no vaso de pressão, preferivelmente o mais baixo possível, de modo que o peso dos materiais no vaso comprima-o, desse modo ajudando a conter qualquer força gerada pela reação exotérmica. A zona de reação é a porção da lama em que ácidos, bases, e/ou fontes de nitrogênio são injetados. 0 uso do termo "zona de reação" não é pretendido implicar que a reação ocorra somente dentro da zona de reação. Enquanto a combinação inicial dos componentes reativos e a reação exotérmica inicial ocorrerem na zona de reação, é esperado que a reação exotérmica continue a ocorrer através do vaso. Pelo menos uma das fontes de nitrogênio compreende uma base, e portanto uma reação exotérmica pode ocorrer entre o ácido e a base. Subsequentemente, esta mistura é mantida em uma condição de estresse por um período de retenção. A condição de estresse pode resultar na hidrólise parcial e/ou desnaturação de quaisquer macromoléculas incluindo proteínas contidas no componente de lama da mistura. A condição de estresse pode também resultar na hidrólise parcial e/ou desnaturação de quaisquer compostos farmacêuticos pessoais, antibióticos, hormônios, moléculas tipo hormônio, ou outros compostos biologicamente ativos. A condição de estresse e o período de retenção podem um efeito de autoclave sobre exposições de temperatura e pressão prolongadas que destrói por esterilização quaisquer microrganismos presentes na lama, incluindo bactérias, vírus, fungos, parasitas, e ovos de parasita. A condição de estresse pode incluir a agitação da mistura, um aumento na temperatura e/ou pressão devido a qualquer reação exotérmica dos componentes da mistura. Qualquer aumento de temperatura da mistura devido à condição de estresse preferivelmente excede 85°C, mais preferivelmente excede IOO0C, mais preferivelmente excede 121°C, e mais preferivelmente excede 126°C. Qualquer aumento de pressão da mistura devido à condição de estresse preferivelmente excede 13 8 kPa, mais preferivelmente excede 207 kPa, e mais preferivelmente excede 262 kPa.
Outra modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricação de um fertilizante compreendendo o condicionamento através de agitação e oxidação e acidificação inicial de uma quantidade de lama bio-orgânica, tal como biosólidos secos municipais; misturar ácido concentrado com amônia simultaneamente na presença dos biosólidos condicionados para criar uma fusão de amônio (uma mistura parcialmente amonizada) em uma vaso de pressão sob temperatura, pressão atmosférica, tempo de retenção de mistura e remoção de água como vapor e/ou vapor de água controlados; e ainda processamento do referida mistura hidrolizada através de um misturador adicional, misturando condicionadores adicionais opcionais, tais como um óxido de ferro, e pelo menos um endurecedor na mistura de fertilizante para controlar a dureza; e pulverizar o referido misturador adicional com amônia vaporizada ou gasosa adicional para completar a formação de sal de sulfato de amônio e/ou fosfato de amônio e em seguida, através do processamento de granulação tradicional, criar um fertilizante inorgânico organicamente enriquecido granular na estação. 0 referido pulverizar de amônia vaporizada pode também ser realizado no granulador como é praticado na fabricação de fertilizantes granulares. Quando o ferrato de cálcio ou ferrato de potássio ou ferrato de sódio ou quando óxido de ferro é adicionado à mistura, o ferro também serve como um nutriente importante no fertilizante terminado que melhora o valor do produto e seu desempenho em fertilizar colheitas alvo.
Outra modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricação de um fertilizante compreendendo o condicionamento através de agitação e oxidação de uma quantidade de lama bio-orgânica, tal como biosólidos secos municipais; misturar ácido concentrado com amônia simultaneamente na presença dos biosólidos condicionados para criar um sal de amônio em um vaso de pressão sob temperatura controlada, pressão atmosférica, tempo de retenção de mistura e remoção de água como vapor e/ou vapor de água; e ainda processamento da referida mistura hidrolizada através de um misturador adicional, em um misturador adicional misturando em condicionadores adicionais opcionais, tais como um óxido de ferro, e pelo menos um endurecedor na mistura de fertilizante para controlar a técnica de dureza de fertilizante de amônio e após isso pelo processamento de granulação tradicional para criar um fertilizante inorgânico organicamente enriquecido granular na estação. Outra modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricação de um fertilizante compreendendo misturar uma lama orgânica tixotrópica para produzir uma mistura tipo pasta bombeável; tratar a mistura com um ou mais oxidantes e acidificar a pasta tixotrópica em um misturador para produzir uma primeira mistura condicionada; obter uma temperatura elevada de fusão de fertilizante inorgânico compreendido de mistura parcialmente amonizada contendo sulfato de amônio e/ou fosfato de amônio com excesso de ácido; misturar a fusão à quente com a mistura condicionada para produzir uma segunda mistura em um vaso de pressão com uma temperatura acima de 85°C e preferivelmente acima de IOO0C sob pressão atmosférica controlada e tempo e de retenção de mistura e remoção de água (como vapor e vapor de água) da referida mistura; processamento adicional da referida segunda mistura em um misturador adicional para misturar condicionadores adicionais opcionais, tais como um óxido de ferro, e pelo menos um endurecedor na mistura de fertilizante para controlar a dureza e pulverizar o referido misturador adicional com amônia vaporizada para completar a formação de sal de sulfato de amônio e/ou fosfato de amônio; continuar a remover a água da terceira mistura para produzir um material que pode ainda ser processado com tecnologias de extrusão ou processamento de granulação tradicionais; e criar um fertilizante de produto final da terceira mistura. 0 referido pulverizar de amônia vaporizada pode também ser realizado no granulador.
Outra modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricação de um fertilizante compreendendo misturar uma lama orgânica tixotrópica para produzir uma mistura tipo pasta bombeável; tratar a mistura com um oxidante e acidificar a pasta em um misturador com ácido fosfórico para produzir uma primeira mistura; obtendo um sal de fertilizante inorgânico de alta temperatura compreendido de sulfato de amônio e/ou fosfato de amônio; misturar o sal quente com a primeira mistura para produzir uma segunda mistura em um vaso de pressão com uma temperatura acima de 85°C e preferivelmente acima de IOO0C sob pressão atmosférica controlada e tempo de retenção de mistura e remoção de água (como vapor e vapor de água) da referida mistura; misturar em condicionadores adicionais opcionais, tais como um óxido de ferro, e pelo menos um endurecedor na mistura de fertilizante para controlar a dureza; continuar a remover água da terceira mistura para produzir um material que ainda possa ser processado com processamento de granulação tradicional ou tecnologias de extrusão; e criar um fertilizante de produto final da terceira mistura.
Outra modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricação de um fertilizante compreendendo misturar uma lama orgânica tixotrópica para produzir uma mistura tipo pasta bombeável; condicionar a mistura com um ou mais oxidantes, preferivelmente ferrato de cálcio, em um primeiro misturador tipo pugmill ou misturador (misturador tipo pugmill A na figura 5) para produzir uma primeira mistura alcalina; então descarregar esta mistura condicionada em um segundo misturador tipo pugmill ou misturador (misturador tipo pugmill B na Figura 5) em que uma fonte de amônia é adicionada. Nesta modalidade, a amônia aquosa é usada como a base. Este segundo misturador descarrega então sua mistura amonizada alcalina no vaso de pressão. 0 vaso de pressão receberá um ácido sulfúrico concentrado para produzir uma fusão de fertilizante inorgânico de alta temperatura compreendida de sulfato de amônio. Nesta modalidade o ácido fosfórico é também adicionado ao vaso de pressão, que produz o fosfato de amônio. 0 ácido fosfórico é adicionado ao vaso de pressão ao invés do primeiro misturador tipo pugmill como com outras modalidades, pois ao adicionar mais cedo no primeiro misturador tipo pugmill produziria então uma reação exotérmica indesejável no misturador tipo pugmill B. A reação exotérmica no vaso de pressão alcança uma temperatura acima de IOO0C e preferivelmente acima de 138°C, sob pressão atmosférica e tempo de retenção controlados e água de remoção (como vapor e vapor de água) da referida mistura; descarregar a mistura de fertilizante a um misturador tipo pugmill ou misturador adicional usando a amônia vaporizada para completar a formação de sais de amônio e misturar condicionadores adicionais opcionais, tais como um óxido de ferro, e pelo menos um endurecedor na mistura de fertilizante para controlar a dureza; continuar a remover água da terceira mistura para produzir um material que pode ainda ser processado com de processamento de granulação tradicional ou tecnologias de extrusão; e criar um fertilizante de produto final da terceira mistura.
Alternativamente, esta modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricação de um fertilizante compreendendo misturar uma lama orgânica tixotrópica para produzir uma mistura tipo pasta bombeável; condicionar a mistura com um ou mais oxidantes, preferivelmente ferrato de cálcio e acidificar a pasta em um primeiro misturador tipo pugmill ou misturador (misturador tipo pugmill A) com ácido fosfórico para produzir uma primeira mistura; então descarregar esta mistura condicionada em um segundo misturador tipo pugmill ou misturador (misturador tipo pugmill B) em que flui ácido concentrado ou amônia aquosa, mas não ambos. Este segundo misturador então descarrega sua mistura no vaso de pressão. 0 vaso de pressão recebe uma fonte de amônia obtendo desse modo uma fusão de fertilizante inorgânico de alta temperatura compreendida primeiramente de sulfato de amônio com uma quantidade menor de fosfato de amônio com uma temperatura acima de IOO0C e preferivelmente acima de 138°C, sob pressão atmosférica e tempo de retenção de mistura controlados; remover a água (como vapor e vapor de água) da referida mistura; descarregar a mistura de fertilizante a um misturador tipo pugmill ou um misturador adicionais terminando a formação de sais de amônio usando a amônia vaporizada e misturando condicionadores adicionais opcionais, tais como um óxido de ferro, e pelo menos um endurecedor na mistura de fertilizante para controlar a dureza; continuar a remover água da terceira mistura para produzir um material que pode ser ainda processado com processamento de granulação tradicional ou tecnologias de extrusão; e criar um fertilizante de produto final da terceira mistura.
Outra modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricar um fertilizante na maneira das modalidades acima, mas com a substituição de biosólidos secos por calor ou lamas orgânicas por bolo de biosólidos secos descrito acima e como ilustrado na Figura 9. Este material de biosólidos secos pode variar em sólidos de 30% a 99,9%, mas preferivelmente e mais geralmente na faixa de 90% a 99% a fim de ser classificado como Classe A pela USEPA como governado por suas regras de Atração de Vetor para biosólidos ou material de contendo biosólidos. Os biosólidos secos ou material de lama orgânica, se recebido como péletes ou grânulos, devem ser moídos a um pó antes da adição de alguma água e subsequentemente expostos a um agente oxidante e uma acidificação durante o condicionamento. A lama condicionada pode então ser processada através do restante do processo como descrito nas modalidades acima.
Outra modalidade da invenção é direcionada aos métodos de fabricação de um fertilizante na maneira das modalidades acima, mas com a substituição de três vasos de pressão a fim de operar os processos em uma maneira de "batelada contínua" como na Figura 8. 0 uso de três vasos é tal que um vaso está sendo enchido, um está reagindo e o terceiro está esvaziando. Tal emprego de vasos múltiplos permite o controle de temperatura e pressão atmosférica e tempo de retenção durante a fase de reação do processo. A adição de químicos, mistura, reações, amonização, remoção de água e granulação ou extrusão ocorreria como descrito para quaisquer das modalidades acima.
Uma modalidade adicional da presente invenção aceita biosólidos secos ou sem água, mas não os condiciona na maneira descrita nas modalidades acima. Ao contrário, os biosólidos são simplesmente agitados a um estado bombeável; opcionalmente a água pode ser adicionada, se necessário. Estes biosólidos bombeáveis são então processados como nas modalidades acima. Os agentes de oxidação e opcionalmente, ácido fosfórico adicional para o controle de pH, adição de nutriente e supressão de auto-oxidação podem ser adicionados no segundo misturador ou misturador tipo pugmill que segue para o vaso de pressão ou podem ser eliminados completamente. O restante do processamento deste biosólido será como descrito para as modalidades descritas acima. Tal método não é considerado como ótimo como as outras modalidades, mas é um método potencial para produzir um fertilizante inorgânico bio-orgânico aumentado contendo alto teor de nitrogênio.
0 diagrama na Figura 3 contribui com detalhes adicionais ao processo de fabricação AM inicialmente descrito na Figura 2 e descreve em detalhe a modalidade preferida da presente invenção como na Figura 4. 0 processo na Figura 3 mostra que os biosólidos entrantes ou lama orgânica podem ter sólidos percentuais variando de 17% a 32% de sólidos no processo AM para biosólidos secos. [Em outra modalidade deste processo descrita em detalhe mais tarde, e na Figura 9, e referida acima como processo PB, os biosólidos que foram adicionalmente secos podem também ser processados em fertilizantes contendo alto teor de nitrogênio. Nesta modalidade de PB, os biosólidos podem variar de 33% de sólidos a 100% de sólidos. Quando são de uma natureza de sólidos secos, são moídos a um pó e então posteriormente processados] .
A Figura 3 mostra os biosólidos sendo liberados na estação de AM na faixa de 12% a 40% de sólidos com biosólidos entre 18% e 30% mais comuns. Esta liberação pode ser através de transportadores ou tubulações da estação de tratamento de esgoto ("WWTP") ou por transporte tradicional usando caminhão, trem ou barca. Quando chega na estação, a lama seca (301) é passada através de um quebrador de grumos ou dispositivo de seleção para remover objetos estranhos grandes que pudem danificar ou destruir as bombas ou outro equipamento no processo. A lama colocada em uma fenda ou tanque de permanência ou silo ou caixa de fundo vivo para acumulação e armazenamento até que seja processado. Preferivelmente, os sólidos liberados podem ser colocados em um tanque ou silo e então transferido ao primeiro aparelho de mistura para condicionamento.
Se os biosólidos não foram selecionados para a remoção de contaminante antes do armazenamento de fenda, então são em seguida preferivelmente passados através de um aparelho de quebra de grumo ou dispositivo de tela (302) para remover qualquer metal ou pedra ou outros objetos estranhos grandes para proteger os aparelhos de bombeamento e mistura usados mais tarde no processo. Os sólidos são então transferidos por transportador de parafuso ou bomba ao primeiro aparelho de mistura ou condicionamento (303). Este aparelho de condicionamento de sólidos é preferivelmente um misturador tipo pugmill com manta de eixo duplo (para aquecimento opcional) contendo as lâminas dobradas de tal forma para misturar os conteúdos do misturador tipo pugmill completamente enquanto os conteúdos passam através do comprimento horizontal do misturador tipo pugmill. 0 processo de mistura (308) inicialmente condiciona os biosólidos secos tixotrópicos tratando-os com energia de mistura e agitação suficientes para que uma pasta bombeável seja criada. Este material é então adicionalmente condicionado com um agente oxidante (306) que pode ser selecionado do grupo, ferrato de cálcio, ferrato de sódio, ferrato de potássio, ozônio, peróxido de hidrogênio, hipocloreto de cálcio, hipocloreto de sódio, hipocloreto de potássio, dióxido de cloro e o próprio oxigênio, bem como com misturas dos referidos oxidantes. Na modalidade preferida da presente invenção descrita na Figura 3 o ferrato de cálcio é injetado no aparelho de mistura inicial ou misturador tipo pugmill a fim de oxidar os compostos de enxofre reduzidos presentes nos biosólidos, bem como outros odorizantes contidos no mesmo. Este agente oxidativo de ferrato é muito eficaz em destruir os odorizantes presentes nos biosólidos quando usados em 1 a 10 porcento e preferivelmente em 2 a 5 porcento do volume de biosólidos molhados entrando no misturador tipo pugmill #1. Além disso, o ferrato de cálcio (e/ou outros ferratos) pode começar o processo de hidrolização para a degradação parcial ou desnaturização de macromoléculas contidas nos biosólidos, tais como proteínas. Além disso, o processo de condicionamento conduzido dentro do misturador tipo pugmill inicial também inclui a introdução de um ácido concentrado (304), preferivelmente ácido fosfórico (310) e mais preferivelmente com ácido fosfórico concentrado de pelo menos 50% de força criando uma pasta ácida dentro do misturador inicial. Opcionalmente, a água de processo e água de descarga do aparelho de purificação de ar podem ser infundidas no misturador inicial, ou podem ser infundidas na lama imediatamente antes do quebrador de grumo, se necessário. É a intenção da presente invenção para minimizar a quantidade de água adicionada na seqüência de fabricação a fim de reduzir as exigências de energia necessárias para secagem.
A mistura com agente(s) oxidante(s) e ácido concentrado, preferivelmente ácido fosfórico, começa o processo de controle de odor e acidifica o material bio- orgânico a um nivel de pH entre 4,0 e 6,9, preferivelmente entre 4,5 e 6,0. Este tratamento com ácido fosfórico também fornece um nível de resistência ao aquecimento oxidativo que ocorre sob armazenamento a longo prazo de grânulos contendo orgânicos terminado, tal como geralmente ocorre com péletes de biosólidos secos por calor. 0 aquecimento e mistura (311) neste aparelho de condicionamento inicial criará uma pasta bombeável (308). Em uma modalidade da presente invenção, esta pasta é preferivelmente aquecida para controlar odores e preparar os biosólidos para mistura com ácido concentrado e amônia em um vaso de pressão. O referido calor de condicionamento é preferivelmente fornecido aos biosólidos por meio de um aparelho de mistura aquecido em que o calor é transferido por um eixo aquecido, lâminas de pá aquecidas ou por uma manta aquecida envolvendo o corpo do aparelho de mistura. A mistura pode ser aquecida a 27°C, preferivelmente a 35°C e mais preferivelmente a 44°C. Adicionalmente, algum calor é fornecido durante o condicionamento da adição do agente oxidante e do ácido concentrado.
Embora a pasta ou mistura saindo deste misturador inicial possa estar na temperatura ambiente, prefere-se que a pasta ou mistura saindo deste misturador inicial alcance a temperatura de 27°C, preferivelmente 35°C e mais preferivelmente exceda 440C. Em uma temperatura de 44°C a destruição de microrganismos é começada. Todas as temperaturas elevadas irão melhorar a fluidez e plasticidade da mistura, facilitando o próprio processo de condicionamento, bem como a interação subsequente com ácido e amônia no vaso de pressão. 0 estabelecimento de temperaturas mais altas que a ambiente no material bio- orgânico assegura que a energia calorífica contida nos sais de amônio seja vantajosamente usada para matar ou suficientemente inativar pelo menos todos os patógenos prejudiciais (por exemplo, patógenos bacteriano, viral, fúngico e parasítico) que estavam contidos no material bio- orgânico, especialmente biosólidos municipais,
especialmente quando a amônia aquosa é usada para formar o sulfato de amônio ou fosfato de amônio enquanto menos energia exotérmica é liberada quando a amônia aquosa é aplicada.
Os moinhos de cru ou misturadores (303, 314) são câmaras de mistura horizontal tendo elementos de mistura em formato de lâmina montados em um eixo ou eixos poderosamente acionados que giram em uma alta velocidade que dividem, misturam, remisturam e re-dividem os materiais a serem misturados múltiplas vezes por segundo para render uma mistura completa, uniforme com consistência confiável. Os trituradores, moinhos de cru e/ou misturadores usados na seqüência de processamento podem ser cada um independentemente aquecidos através de um eixo aquecido e/ou mecanismo de lâmina de parafuso oco aquecido ou aquecidos por meio de uma manta em torno do aparelho. 0 aquecimento é ajustável para fornecer uma pasta aquecida antes de misturar com sal de amônio quente. O aquecimento pode também opcionalmente ser aplicado ao segundo aparelho de mistura (314), preferivelmente um misturador tipo pugmill especialmente quando a amônia aquosa é usada, em que os endurecedores, agentes de ajuste de pH opcionais como na pulverização de amônia vaporizada ou gasosa, e reciclagem seca são adicionados.
0 condicionamento garante uma mistura com a consistência apropriada para injeção no vaso de pressão. Na modalidade preferida da presente invenção, amônia anidra (99%) e se necessário como pode ser exigido por considerações de licença, amônia aquosa (305) é misturada com ácido sulfúrico concentrado (309) com ou sem ácido fosfórico concentrado, em uma vaso de pressão (313) . Este reator foi modificado para finalidades desta invenção do vaso pré-neutralizado comumente usado pela indústria de fertilizante, especialmente antes do desenvolvimento dos reatores de tubulação cruzada e como descrito pela IFDC no Manual de Fertilizante e por Sephri-nix no Livro de Dados Técnicos de Fertilizante. A modificação é uma alteração do vaso pré-neutralizado descrito por Sephri-nix na página 194 do Livro de Dados Técnicos de Fertilizante. Especificamente, a vaso no Exemplo 1 da presente invenção é projetado para ter um único diâmetro e para receber os biosólidos condicionados na base do vaso e ambos ácido sulfúrico e amônia diretamente acima da entrada de biosólidos. O ácido e a amônia reagirão formando o sulfato de amônio e fosfato de amônio desse modo formando uma mistura de fertilizante com a interação de mistura condicionada, do sulfato de amônio e/ou do fosfato de amônio. Na modalidade preferida da presente invenção um fusão à quente será formada parcialmente amonizando o ácido neste vaso. Isto melhorará a fluidez da mistura de fertilizante em comparação ao formar um sal com amonização completa do ácido injetado e facilita a descarga da mistura de fertilizante ao segundo misturador tipo pugmill na seqüência de fabricação (314).
A fusão de sulfato/fosfato de amônio é preferivelmente em uma temperatura maior do que IOO0C e preferivelmente em uma temperatura maior do que 121°C e mais preferivelmente em uma temperatura de maior do que 126 °C. No vaso de pressão o tempo de contato necessário será no mínimo de um (1) minuto com a faixa preferida de 5 a 30 minutos ou mais com uma faixa mais preferida de 10 a 2 0 minutos com um tempo de retenção preferido para a operação normal sendo aproximadamente 15 minutos.
É antecipado que o vaso de pressão conterá uma capacidade de agitação como mostrada na Figura 6 usando pás ou lâminas rotatórias. Tal agitação da mistura dentro do vaso de pressão ajudará a assegurar uniformidade e reação controlada da mistura. A agitação também impedirá a consolidação da mistura e facilitará a descarga da mistura no segundo misturador tipo pugmill.
A orientação do vaso de pressão (313) é vertical com vapor sendo liberado pela válvula controlada na extremidade superior do vaso permitindo desse modo a pressão atmosférica dentro do vaso ser controlada. Além disso, esta pressão, maior do que 138 kPa, e preferivelmente maior do que 207 kPa, e mais preferivelmente maior do que 262 kPa, combina a temperatura e pH mantidos dentro do vaso tal que as alterações químicas de macromoléculas ocorrem dentro do vaso. Tais alterações químicas devido ao calor e pressão combinados incluem desnaturização parcial de moléculas de proteina e a hidrólise de algumas moléculas de proteína e a hidrólise de outros compostos orgânicos. Tal desnaturização ou hidrólise de orgânicos resulta na criação de um produto final mais seguro por causa da perda de atividade biológica frequentemente associada com tais compostos, tais como fármacos pessoais, antibióticos, hormônios e outros compostos orgânicos biologicamente ativos que estavam presentes nos biosólidos.
Além disso, deve-se reconhecer que os altos estresses criados no vaso de pressão (313), isto é, a pressão e temperatura da invenção esterilizam os materiais bio- orgânicos para um fertilizante mais seguro, menos prejudicial. A esterilidade é medida pela falta de detecção de microrganismos viáveis.
Seguindo a realização dos referidos tempos de exposição a ventilação do vapor e vapor de água emitidos da mistura e do vaso de pressão pode ocorrer desse modo parcialmente secando a mistura a partir da energia fornecida na mistura da reação química de ácido e amônia.
A secagem da mistura continua no segundo misturador ou misturador tipo pugmill que segue o vaso de pressão (314) e pode continuar no aparelho de moldagem, tal como granulador, a ser terminado em um secador (323), como em um secador de tambor rotatório ou secador de leito fluidizado. A amonização é terminada no segundo misturador ou misturador tipo pugmill que segue o vaso de pressão por injeção de amônia vaporizada ou pode opcionalmente ser terminado por injeção de amônia vaporizada ou gasosa no granulador.
Em uma modalidade preferida, o ar de processo é ácido purificado para remover quaisquer odorizantes fugitivos e especialmente amônia vaporizada ou gasosa. A amônia capturada, como um sal de amônio é misturada no misturador tipo pugmill ou misturador inicial desse modo aumentando a eficiência do sistema inteiro e maximizando a concentração de nitrogênio final no fertilizante terminado. Os resíduos variados incluindo poeira (335), sem especificação ou produto recuperado (336) e fertilizante seco que é muito pequeno ou de material subdimensionado (327) ou superdimensionado (329) que é esmagado em um aparelho de esmagamento ou moinho (330) ou pode incluir outros aditivos, por exemplo, ferro (337) que um cliente preferiria que fosse adicionado ã composição do fertilizante terminado são adicionados ao segundo misturador tipo pugmill ou misturador (314) posicionado a jusante do vaso de pressão.
Antes da conclusão do processo de secagem, um endurecedor ou endurecedores (316) ajudam a aglomerar a mistura e contribuir para a dureza do pélete ou grânulo seco (324) são adicionados no segundo misturador tipo pugmill (314). 0 endurecedor ou endurecedores são selecionados do grupo compreendido de argila atapulgita, lignono, melaço industrial, e alume (225) entre outros ou misturas destes endurecedores.
Opcionalmente, dependendo das exigências do cliente, nutrientes de planta adicionais, (317) por exemplo, potassa ou outras formas de potássio, por exemplo, hidróxido de potássio, são preferivelmente adicionados no segundo misturador tipo pugmill. Os nutrientes sólidos que podem ser adicionados também compreendem ureia, nitrato de amônio, fosfato de mono-amônio, fosfato de diamônio, e/ou potassa. Também é adicionado neste segundo misturador tipo pugmill qualquer ferro adicional exigido. Este ferro pode ser de diferentes valências, mas o composto de ferro, conhecido como magnetita (Fe3O4), é preferível neste processo. O ferro contribui como um nutriente de planta importante e valioso à mistura de fertilizante.
Também, a amônia adicional pode ser pulverizada neste segundo misturador tipo pugmill (314) e no granulador (319) para completar a formação do sal de amônio e para controlar o pH da mistura e para facilitar a formação do grânulo ou pélete terminado. Os sólidos usados para ajustar o pH podem também ser principalmente agentes alcalinos selecionados do grupo compreendido de carbonato de cálcio, hidróxido de sódio, óxido de cálcio, poeira de forno de cimento, poeira de forno de cal, cinza de mosca Classe C, cinza de mosca Classe F, cinza de queimador multiestágio, alume, lama de alume do tratamento de água e cinza de madeira. Estes são adicionados através dos transportes de parafuso em taxas específicas para cada composto. As adições líquidas também incluem materiais de ajuste de pH, tais como ácidos, por exemplo, ácido fosfórico ou ácido sulfúrico, ou soluções cáusticas, por exemplo, hidróxido de sódio. Estes são bombeados em taxas respectivas ao anel de injeção para entrar no misturador tipo pugmill #2.
Além disso, os agentes de controle de pH (315) além da amônia vaporizada adicionada durante pulverização, podem ser adicionados a este segundo misturador (314) na forma de um ou mais grupos de materiais alcalinos, tais como óxido de cálcio, hidróxido de cálcio, hidróxido de potássio, ou outros óxidos de metal ou hidróxidos de metal, amônia anidra, poeira de forno de cimento, poeira de forno de cal, cinza de leito fluidizado, cinza de mosca Classe C e cinza de mosca Classe F adicionados para aumentar o pH da mistura 0 produto de fertilizante da presente invenção tem preferivelmente um pH entre 5,0 e 7,0, mais preferivelmente entre 5,5 e 6,5 (23 0), e mais preferivelmente entre 5,7 e
6,3.
0 restante do processamento para moldagem (319) como na produção de pélete ou grânulo (320) inclui a tecnologia de granulação de fertilizante padrão especialmente para estações de produção de alto volume. O produto de pélete ou grânulo, especialmente em estações de produção menores consideradas por serem aquelas de menos de 25 toneladas de produção de produto por dia, pode envolver tecnologias mais inovativas, tais como injeção ou extrusão seguida por moagem ou esferoidização do pélete ou grânulo ou envolve a descarga simples de um granulador ou misturador tipo pugmill granulante. Quando o granulador ou misturador tipo pugmill granulante é usado, é preferível alimentar alguma reciclagem (228), como em material de semente seco, isto é, migalhas secas (327) e migalhas produzidas pelo triturador ou moinho (330) ou subespecificação ou material recuperado do produto de fertilizante, no segundo misturador tipo pugmill (314) e no granulador para ajustar a umidade percentual presente na mistura de modo que a aglomeração ou nucleação possa ocorrer resultando na formação de grânulo.
Outras modalidades preferidas compreendem ajustes aos processos divulgados aqui para controlar o pH, secagem, nutrientes no produto, formato, concentrações etc. para produzir uma pletora de fertilizantes específicos para plantas diferentes, tais como rosas, rhododendrons, e quaisquer outras flores, vegetais, ervas, bem como produtos, tais como caixas de areia. Os ajustes podem também ser feitos de acordo com a área geográfica em que o produto deve ser aplicado, para variar, por exemplo, nutrientes que podem para faltar inerentemente ou de outra maneira na posição. Os exemplos de tais variações incluem a adição de cálcio, potássio ou fósforo em quantidades diferentes. Os fertilizantes de liberação lenta são a modalidade preferida desta invenção.
Em outra modalidade preferida, o material parcialmente seco é injetado diretamente em um secador de leito fluidizado vertical para produzir grânulo secos em uma única etapa.
A secagem normal (322) para a secagem final (323) é conduzida usando um secador de leito fluidizado horizontal, ou um secador de tambor rotatório. Os péletes ou grânulos secos (324) que tem mais de 90% de sólidos e preferivelmente mais de 95% de sólidos e mais preferivelmente mais de 98% de sólidos e mais preferivelmente mais de 99χ/2% de sólidos são então dimensionados (325) através de uma ou mais telas (326) . 0 tamanho de especificação pode ser variado dependendo das exigências do cliente, entretanto, a faixa de produto apropriado para venda está entre 0,7mm e 3,2 mm com a faixa comercial para fertilizante dimensionado normal está entre 2mm e 3mm. A presente invenção também pode fabricar um produto dimensionado mínimo apropriado para uso em aplicações de campo de golfe que varia de 0,7 mm a 1,3 mm.
0 material dimensionado apropriado é separado e então revestido e então resfriado (331) em um aparelho (332) , preferivelmente em um tambor rotatório, a menos de 60°C, preferivelmente a menos de 540C e mais preferivelmente a menos de 49°C. 0 revestimento do grânulo ou pélete ocorre otimamente no mesma vaso que o resfriamento, geralmente um aparelho de tambor rotatório usando ar ambiente ou ar resfriado como de um resfriador de evaporação de amônia. 0 revestimento pode ocorrer em um vaso de revestimento especificamente para essa finalidade antes de entrar no vaso de resfriamento. 0 revestimento é feito com um material de despoeirador ou vitrificação que minimiza a geração de poeira durante o transporte, armazenamento e aplicação. 0 grânulo ou pélete terminado (333) é então transportado para armazenamento (334) como fertilizante de amônio inorgânico bio-organicamente enriquecido contendo alto teor de nitrogênio terminado até o envio do local de fabricação. Os péletes ou grânulos corretamente revestidos e secos têm uma dureza maior que 2,3 kg de resistência ao esmagamento a fim de resistir limpeza e manipulação durante o transporte, envio e aplicação. Esta prática de revestimento também antecipa que quando o revestimento de despoeirador ou material de vitrificação é usado frequentemente requer uma temperatura mais alta, frequentemente 1270C, para manter uma condição fundida para aplicação no aparelho de revestimento.
A instalação de armazenamento de grânulo ou armazém, geralmente incorporando caixas ou silos para conter os grânulo, deve estar seca prevenir a aglomeração dos grânulos conduzindo à degradação e destruição. O produto final é um fertilizante estéril não tendo substancialmente nenhuma quantidade detectável de microrganismos viáveis, tais como E. coli ou streptococci, prejudicial aos animais ou humanos. Substancialmente nenhum microrganismo viável significa que o fertilizante é não tóxico e não tem nenhuma quantidade detectável ou uma quantidade detectável bem abaixo de um limite para manipulação e uso seguros de microrganismos originando da lama ou biosólidos. Embora o fertilizante seja tornado estéril durante a fabricação pode-se esperar ser contaminado com microrganismos transportados por ar ou pelos microrganismos depositados por animal ou outra contaminação durante o armazenamento ou uso. Em qualquer caso, devido o produto de fertilizante ser seco e predominantemente sais inorgânicos de amônio, não suportará a multiplicação de microrganismo em uma taxa que conduza a um problema de saúde pública.
Às vezes nas modalidades acima pode ser necessário durante operações normais periodicamente desligar o equipamento de estação para inspeção, reparo, ou substituição. Isto é feito em diferentes graus dependendo das situações específicas. Em uma modalidade, os desligamentos são automáticos como em uma seqüência de comando automatizada fornecida pelo processador de controle de estação; em outra modalidade, as paradas programadas são realizadas manualmente.
Se um desligamento limitado do processo é necessário a uma única peça de equipamento, tal como o primeiro misturador tipo pugmill, o fluxo de biosólidos no misturador tipo pugmill pararia e a unidade esvaziaria tanto quanto o material de mistura contido se possível na bomba de alimentação e então ao vaso de pressão. Se o misturador tipo pugmill precisa ser esvaziado posteriormente, uma válvula inversora fecha e a água de processo é usada para nivelar a unidade bem como a bomba de alimentação, com a descarga fluindo na linha de mistura de fertilizante de retorno, como mostrado na Figura 7, e de volta ao tanque de fenda de biosólidos. Nesta situação a água de processo é bloqueada de entrar no vaso de pressão que continua a funcionar e esvaziar com sua descarga normal Depois que a mistura de fertilizante cai abaixo do ponto de descarga normal, uma válvula inversora na descarga fecha a selando a descarga normal de vaso de pressão. A válvula inversora no fundo do vaso de pressão então desloca-se, permitindo o ar comprimido entrar no espaço de topo do vaso de pressão para forçar o material restante na linha de de mistura de fertilizante de retorno. Se uma limpeza adicional é necessária, a água de processo é então injetada no vaso de pressão para lavagem seguida pelo ar comprimido para remover a água. A limpeza do segundo misturador tipo pugmill que segue o vaso de pressão, o granulador, o secador e todo equipamento subsequente é realizada usando- os até que os vasos estejam vazios.
0 fertilizante da presente invenção é preferivelmente quimicamente ajustado para resolver as necessidades de exigências de fertilizante de alto teor de nitrogênio contendo quantidades significativas de fosfato, enxofre e ferro para melhorar o teor nitrogênio (N) alvo entre 8% de peso e 18% de peso, e preferivelmente 15% de peso, permitindo avaliação comercial significativa.
A Figura 4 ainda descreve o processo esboçado na Figura 3 e como antecipado a ser praticado como a modalidade primária da presente invenção mostrando a passagem de material através do equipamento seqüencial do processo de fabricação usado, aditivos necessários para tratar e fabricar o fertilizante terminado e o sistema de controle de odor empregado.
Em uma modificação da modalidade preferida, outros dois materiais oxidativos podem ser adicionados ao misturador tipo pugmill #1. 0 peróxido de hidrogênio líquido na concentração de 25 a 50% é adicionado pelo controle de uma bomba entre 1% e 5% da taxa de liberação de biosólidos no misturador tipo pugmill #1 (17) . Também, hipocloreto de cálcio, um sólido, pode ser liberado pelo transportador de parafuso a um moinho de pulverização e então a uma porta de aditivo em uma taxa igual entre 1% e 5% do volume de biosólidos entrando no misturador tipo pugmill #1. Um agente de controle de odor adicional, óxido de ferro, Fe3O4, também conhecido como magnetita (9) , um sólido, é preferivelmente adicionado usando um transportador de parafuso (21) em uma taxa (26) a um moinho (29) para pulverizar estes aditivos antes da adição ao misturador tipo pugmill #2. 0 uso do moinho é importante para otimizar estes materiais sólidos para o contato com as moléculas odorizantes presentes nos biosólidos. 0 ferro adicionado aqui não somente serve como um agente de controle de odor adicional, mas também serve como um nutriente de planta importante melhorando a utilidade e valor do produto de fertilizante terminado.
Em outra modalidade da presente invenção, o processo é basicamente como descrito para as modalidades precedentes exceto que um sal de amônio completo sem excesso de ácido remanescente é formado no vaso de pressão ou hidrólise. Isto então remove a necessidade para pulverização de amônia no segundo misturador ou misturador tipo pugmill e/ou granulador.
Outra modalidade da presente invenção é basicamente como descrita para modalidades precedentes exceto que uma fusão parcialmente amonizada muito quente contendo sulfato de amônio com ou sem uma quantidade de fosfato de amônio e excesso de ácido é criada em um vaso separado, tal como um pré-neutralizador ou um reator de tubulação cruzada após o qual essa fusão é diretamente transferida no vaso de pressão para dar calor e pressão, tal que a mistura condicionada seja esterilizada. A pulverização de amônia usando amônia vaporizada pode ser realizada no segundo misturador ou misturador tipo pugmill e/ou no granulador para completar a amonização, controle de pH e criação do fertilizante de sal de amônia.
Em outra modalidade da presente invenção, o processo é como descrito nas modalidades precedentes exceto que em vez de uma fusão, um sal de amônio completo de sulfato de amônio com ou sem fosfato de amônio sem excesso de ácido é fabricado no vaso de pressão. Nenhuma pulverização de amônia será necessária no segundo misturador ou misturador tipo pugmill e/ou granulador.
Outra modalidade da presente invenção é praticada como quaisquer das modalidades acima exceto que em vez de uma lama orgânica ou biosólidos secos, uma lama mais seca, péletes, péletes orgânicas ou biosólidos secos são recebidos para serem processados. A água pode ou não ser adicionada aos materiais de partida, que podem ter entre 12-40% de sólidos, ou preferivelmente 18-30% de sólidos. A secagem preferida desta modalidade é maior do que 90% de peso de sólidos, geralmente recebidos como um pélete de biosólidos secos por calor fabricado em uma estação de tratamento de esgoto municipal. Este pélete ou grânulo seco contém geralmente menos de 6% de peso de nitrogênio e mais geralmente, menos de 4% de peso de nitrogênio, e portanto não é desejável no sistema de distribuição de fertilizante comercial. Esta modalidade ensina a conversão de tais péletes ou grânulos de baixo teor de secos em um fertilizante de amônio inorgânico organicamente enriquecido nitrogênio com alto teor de nitrogênio. Os péletes ou grânulos secos recebidos são moídos em um pó para facilitar a produção de um material tipo pasta bombeável usando uma combinação de um agente oxidante, um ácido e se necessário, adição de água, preferivelmente água de processo ou condensada de etapas posteriores no processo.
Em outra modalidade da presente invenção como ilustrado na Figura 8 da presente invenção, a mistura de biosólidos sai do misturador tipo pugmill #1 e entra em um dos três vasos de pressão. O vaso de pressão de recepção é designado PV-1. A mistura de biosólidos se move em PVl em uma taxa controlada por válvulas. Cada um dos três vasos de pressão pode ser aquecido com óleo quente passando através de uma manta em torno de cada um dos três vasos de pressão. Durante a operação de enchimento, a mistura de biosólidos é agitada girando as lâminas dentro do vaso de pressão. Simultaneamente com a adição de biosólidos uma mistura de sal de amônio fundida ou liquida quente entra no PV-I em uma taxa controlada por válvulas. A mistura de sal de amônio é fabricada em um reator (Rl) pela combinação de ácido sulfúrico concentrado e/ou ácido fosfórico com a amônia anidra (concentração de 99,5%) ou aquosa através de uma bomba em uma taxa variando entre 18% e 28% em concentração de amônia. 0 ácido sulfúrico é adicionado com ácido fosfórico através das bombas, respectivamente, tal que a quantidade de sulfato de amônio e fosfato de amônio criada quando misturados com a mistura de biosólidos produzirá um fertilizante de alto teor de nitrogênio, por exemplo, uma concentração de nitrogênio de 15% por peso no produto de fertilizante final. Posteriormente esta combinação de ácido sulfúrico e ácido fosfórico é controlada tal que uma pequena quantidade de ácido está em excesso da quantidade de amônia também adicionada ao reator Isto permitirá a mistura de sal de amônio terminada ter um pH de saída de aproximadamente 4 a 6,5. 0 tamanho do reator é ajustado tal que tempo de residência suficiente ocorre para a reação entre os ácidos e a amônia adicionada para concluir com descarga mínima de amônia não reagida. Se uma fusão deve ser formada, então a quantidade de amônia adicionada é insuficiente para reagir com todo o ácido adicionado, e a amônia vaporizada deve ser adicionada em um vaso posterior.
A reação entre o ácido ou ácidos concentrados e a amônia é violentamente exotérmica. A reação cria calor elevado que mantém o sal de amônio resultante no estado fundido solúvel com qualquer água presente sob a forma de vapor superaquecido. Esta reação exotérmica violenta também criará pressão significativa dentro do vaso de pressão. Esta mistura de sal de amônio tem uma temperatura característica que é maior que IOO0C e preferivelmente uma temperatura maior que 1210C e mais preferivelmente uma temperatura maior que 1260C dependendo da natureza da amônia sendo usada na reação. Se a amônia anidra é usada, a temperatura será significativamente mais elevada que quando amônia aquosa é usada, especialmente em 21% de N.
A temperatura e fluidez da fusão de amônio ou sal são mantidas tal que quando é misturada com a mistura de biosólidos no vaso de pressão de recepção, a temperatura da mistura excederá IOO0C e preferivelmente excederá 126°C. As temperaturas mais altas facilitam a hidrólise de proteínas e peptídeos nos biosólidos em um ambiente ácido criando propriedades vantajosas ao produto de fertilizante final que resulta na produção de colheita aumentada comparados aos fertilizantes que não contêm tal material orgânico, isto é, fertilizantes de sulfato de amônio ou fosfato de amônio ou ureia.
Quando o ciclo de preenchimento do vaso de pressão de recepção está completo o vaso de pressão é designado PV-2 ou vaso de reação. O tempo no vaso de reação iguala o tempo que os biosólidos levaram para enchimento e mistura no PV-1, 0 tempo de retenção é maior do que 1 minuto e menor que 2 0 minutos. Preferivelmente o sistema é ajustado tal que o tempo de residência em cada vaso é pelo menos 5 minutos. Durante o tempo de residência em PV-2 as lâminas de agitação estão continuamente misturando os conteúdos do vaso de pressão que por causa da ocorrência de reação exotérmica estão sob pressão significativa. Esta pressão está na faixa de 138 a 310 kPa dependendo do nível de reação exotérmica permitido. Quando a amônia anidra é usada com ácidos concentrados a pressão varia de 172 kPa a 310 kPA. Quando a amônia aquosa em 21% de N é usada a pressão atmosférica varia de 110 kPa a 172 kPa por causa da água aumentada presente na mistura de reação. Nesta modalidade o calor externo pode ser aplicado ao vaso de pressão tal que as temperaturas e pressões alcançam ou excedem 1270C e 207 kPa. Quando o tempo de residência em PV-2 é completado a biosólidos-amônio no vaso de pressão e seus conteúdos são designados vaso de pressão 3 ou PV-3 para o ciclo de esvaziamento. O ciclo de esvaziamento é igual em tempo ao ciclo de enchimento e ao ciclo de reação. Durante o ciclo de esvaziamento, os biosólidos movem-se para o misturador tipo pugmill ou misturador #2.
Em resumo para esta última modalidade, a fase de reação do processo da presente invenção utiliza três vasos de pressão, cada qual é capaz de realizar todas as mesmas funções, mas cada um opera em seqüência, tal que um está enchendo, uma está reagindo e uma está esvaziando, todos na mesma taxa. Este sistema de fabricação é considerado um sistema de batelada em relação às reações que ocorrem nos vasos de pressão, portanto a necessidade de pelo menos três operando ao mesmo tempo.
Os seguintes exemplos ilustram a prática de modalidades preferidas da presente invenção, mas não devem ser vistos como limitantes ao escopo da invenção.
Exemplo 1
Neste exemplo os biosólidos anaerobicamente digeridos municipais que foram previamente secos a 22% foram recebidos diretamente pelo transportador para uma estação de tratamento de esgoto adjacente como ilustrado na Figura 4 e diagramad na Figura 10. Os biosólidos recebidos são passados inicialmente através de um dispositivo de triturador de grumos para selecionar rochas ou metal contaminantes grandes e então em um grande tanque de fenda (uma capacidade de 24.000 galões) na área de recepção da estação de fabricação de fertilizante. Os biosólidos saem do tanque de fenda para uma bomba de deslocamento positivo que então bombeia a lama em uma taxa de 2 994 kg por hora ao primeiro misturador tipo pugmill (eixo duplo) para condicionar e misturar.
Esta estação de fabricação é ajustada de modo que na média 3 toneladas por hora de biosólidos úmidos em 22% sejam produzidas por um ano com operação de estação de fabricação em 90% de eficiência. A fim de assegurar esta salda a estação é operada em uma base de tempo em hora de 3,3 toneladas úmidas de entrada de biosólidos por hora criando 3,8 toneladas secas de produto de fertilizante terminado (razão de lama para produto de 1,15) em uma classificação de nutriente de fertilizante de 15-2-0-16-1- (N-P-K-S-Fe-Orgânico em % por peso do fertilizante terminado). Este fertilizante compete bem no mercado de fertilizante de mercadoria nacional e internacional e carrega um valor significativo.
Este primeiro misturador tipo pugmill é configurado com eixos duplos com ângulos de lâmina ajustáveis ajustados para mistura agressiva dos biosólidos tixotrópicos em um material tipo pasta bombeável com uma ação rotatória e para frente e para trás. 0 calor é aplicado ao misturador tipo pugmill neste exemplo através de óleo quente que é mantido em 177°C. O óleo quente correu através de uma manta de aço envolvendo o misturador tipo pugmill e ajuda aquecer os biosólidos a aproximadamente 27°C, no momento que os biosólidos sairam do misturador tipo pugmill como algum aquecimento também ocorre da adição do agente de oxidante e da adição de ácido neste misturador tipo pugmill inicial. Em seguida, o ferrato de cálcio (uma solução aquosa contendo 4% de íon ferrato) foi bombeado de um reservatório enchido de um gerador de ferrato fornecido por Ferrate Treatment Technologies na taxa de 5% por volume de biosólidos, isto é, em aproximadamente 68 kg de ferrato de cálcio seco por 2994 kg de biosólidos úmidos.
Seguindo a adição do agente oxidante um ácido fosfórico concentrado (grau agrícola preto em 54% de P) foi adicionado aos biosólidos no misturador tipo pugmill #1. Este tratamento de ácido acidificou os biosólidos e começou o tratamento de odor, dando alguma resistência ao aquecimento oxidativo no grânulo terminado e adicionando nutriente de fosfato para um valor posterior.
A saída de misturador tipo pugmill #1 é uma mistura condicionada, morna, misturada. Seu odor foi reduzido neste momento no processo devido ao tratamento de oxidação. A mistura de biosólidos condicionada saiu do misturador tipo pugmill #1 em 3674 kg por hora e entrou no vaso de pressão revestido de tijolo de aço inoxidável. 0 ácido sulfúrico concentrado a 93% é bombeado no um terço inferior do vaso de pressão simultaneamente com amônia anidra (99,5%). Um desenho detalhado do vaso de pressão usado neste exemplo é mostrado na Figura 6. Uma reação exotérmica violenta ocorre no vaso de pressão com a geração exotérmica de 1420C de calor através do vaso. Este calor faz com que a água na mistura converta ao vapor e a pressão no vaso aumente para aproximadamente 276 kPa. A reação entre o ácido e a amônia cria uma fusão de amônio, pois a quantidade de amônia adicionada foi insuficiente para completamente amonizar o ácido adicionado, isto é, aproximadamente 10% da amônia foi retida para pulverização (como amônia vaporizada) no segundo misturador tipo pugmill e no granulador mais tarde. A criação de uma fusão neste vaso aumenta a fluidez da mistura e facilita a mistura homogênea dentro do vaso que é ajudada pela agitação rotatória de dois mecanismos de pá grandes. A mistura de fertilizante é mantida no vaso de pressão por 15 minutos. A agitação e a fluidez junto com o kPa elevado no espaço de topo da câmara fazem com que a mistura de fertilizante saia do vaso e passe para o segundo misturador ou misturador tipo pugmill.
As altas temperaturas, pressões e agitação física dentro do vaso de pressão facilitam a hidrólise parcial de proteínas e peptídeos nos biosólidos em um ambiente ácido criando propriedades vantajosas ao produto de fertilizante final. Estas propriedades incluem a produção de colheita aumentada comparada aos fertilizantes que não contêm tal material orgânico, isto é, fosfato de amônio ou sulfato de amônio tradicional ou fertilizantes de ureia e também segurança. Devido estes estresses poderem interromper os compostos biologicamente ativos contidos nos biosólidos, o material resultante é mais seguro para uso. Além disso, o calor e pressão esterilizam a mistura de fertilizante fazendo com que exceda os regulamentos de patógeno Classe A de USEPA para um material contendo biosólidos. A mistura de fertilizante saindo do vaso de pressão pesou pouco mais de 58 06 kg. Mais de 72 7 kg de água foram passados como vapor e vapor de água do vaso de pressão.
No misturador tipo pugmill #2 aproximadamente 18 kg de óxido de ferro seco na forma de Fe3O4 foi adicionado de seu silo à mistura de fertilizante para trazer o total de ferro (Fe) a 1% por peso no produto final. Adicionalmente, aproximadamente 209 kg de peso seco de uma solução de lignono comercialmente obtido, agente de endurecimento, foram bombeadas do seu reservatório diretamente no anel de injeção na extremidade anterior do misturador tipo pugmill #2. O misturador tipo pugmill #2 também recebeu uma quantidade de amônia (como amônia vaporizada) igual a aproximadamente 7% por peso da amônia total exigida para a amonização completa do ácido adicionado ao vaso de pressão.
0 misturador tipo pugmill #2 não foi mais suficiente e tinha tempo de retenção e agitação suficientes através das pás de mistura de eixo duplo preferidas para misturar os aditivos com a mistura de fertilizante e garantir a retenção de calor suficiente para conseguir a granulação eficaz no granulador. No aparelho de misturador tipo pugmill preferido, o misturador tipo pugmill é isolado para ajudar a reter o calor na mistura contida. Os sólidos percentuais da mistura de fertilizante foram controlados adicionando reciclagem seca a este segundo misturador tipo pugmill. Neste exemplo mais de 24494 kg de reciclagem em
0,5% de umidade foi adicionado a mais de 5806 kg de mistura de fertilizante neste segundo misturador. Devido alguma água adicional ter sido removida do misturador tipo pugmill #2 através de vapor e vapor de água, aproximadamente 21772 kg de mistura de fertilizante em 11% de umidade foram descarregados ao granulador rotatório. 0 granulador foi operado em uma razão de aproximadamente 4,5 de reciclagem seca para 1 parte de mistura de fertilizante.
0 granulador contém um leito continuo de produto seco para facilitar a aglomeração da mistura de fertilizante de entrada em grânulos com o formato preferido sendo esférico. Além disso, neste exemplo aproximadamente 3% da amônia foi finalmente pulverizada no leito do granulador para completar a amonização do ácido adicionado. Uma quantidade menor de vapor e vapor de água foi removida da atmosfera no interior do granulador, neste exemplo pouco mais de 7 7 kg de água. Esta água evaporada juntou-se a do vaso hidrolisador e misturador tipo pugmill #2 para ser tratada por purificação ácida em um purificador de tipo venture. 0 tempo de retenção da mistura de fertilizante no granulador foi aproximadamente 4 minutos. Neste exemplo pouco menos 21772 kg de grânulo sairam do granulador no secador rotatório.
A mistura de fertilizante granular saiu do granulador em uma faixa de sólidos percentual de 8 9% e a temperatura da mistura de saída foi aproximadamente 88 0C antes de entrar no secador de tambor rotatório para a secagem final a 99,5% de peso de sólidos. 0 tempo de retenção no secador foi aproximadamente 20 minutos com pouco mais de 2540 kg de água sendo removida da mistura. A ação rotatória do secador continua a facilitar a formação de grânulos arredondados ou esféricos começados no granulador.
Aproximadamente 26615 kg de fertilizante granular seco foram passados ao sistema de tela onde os grânulo de tamanho de produto, isto é, 2,0 a 3,0 mm de diâmetro foram removidos para resfriar e revestir com o óleo de despoeirador quente. 0 material seco subdimensionados foi diretamente transportado de volta ao segundo misturador tipo pugmill como um componente da reciclagem para aumentar os sólidos no misturador tipo pugmill #2 antes da mistura de fertilizante entrar no granulador. 0 material superdimensionado foi transportado a um moinho de martelo onde foi pulverizado e então retornado ao segundo misturador tipo pugmill como parte da reciclagem através do transportador coberto. Neste exemplo, 3356 kg de produto de fertilizante de tamanho apropriado seco foram descarregados ao aparelho de resfriador-revestimento; 7484 kg foram retornadas ao segundo misturador tipo pugmill como parte da reciclagem; pouco mais de 3220 kg por hora de material superdimensionado foi transportado ao moinho de martelo e convertido em migalhas; e, pouco mais de 7 52 9 kg por hora de migalhas foram retornados ao segundo misturador tipo pugmill como reciclagem. Na modalidade preferida da presente invenção, o mecanismo de tela pode ser ajustado para separar um tamanho menor de grânulo, aproximadamente 1 mm em diâmetro. Estes grânulos menores podem ser processados similares ao produto maior. Estes são vantajosos, pois podem exijir um preço mais elevado do mercado de fertilizante.
Revestir grânulos secos é vantajoso para prevenir a geração de poeira e degradação de grânulo. 0 ar de processo do secador, do granulador, do misturador tipo pugmill #2, do resfriador, do aparelho de revestimento de óleo e do moinho superdimensionado de produto foi filtrado na câmara de ar ainda quente (aproximadamente 116°C) bastante para carregar a água removida como vapor. A saída da câmara de ar foi passada a um condensador onde o ar é resfriado com água de modo que o vapor de água é convertido em água líquida. Esta água foi descarregada ao esgoto local para retornar à estação de tratamento de esgoto local.
As saídas de ar saturadas quentes do secador de leito fluidizado, do sistema de tela, do moinho superdimensionado de produto e da exaustão do tambor de resfriamento/ revestimento foram passadas através de uma câmara de ar para remover particulados como parte do sistema de controle de emissões do processo. 0 ar de processo foi então passado através de um purificador ácido de leito embalado para limpeza adicional, incluindo remoção de amônia para melhorar a eficiência de captação de nitrogênio e para prevenir a descarga de amônia atmosférica. 0 ar purificado foi então enviado a uma torre de resfriamento vertical para condensar a água do ar de processo saturado para descarga ao esgoto a ser retornado à estação de tratamento de esgoto Alternativamente, esta água pode ser tratada e descarregada em águas de recepção naturais.
0 ar da torre de resfriamento foi então passado a um filtro biológico para remoção final de quase todos odorizantes. 0 ar do filtro biológico foi passado através de um biofiltro e então descarregado diretamente ao ambiente. Neste exemplo aproximadamente 14.000 CFM foram descarregados. 0 filtro biológico e o sistema de biofiltro operam contendo microrganismos eficazmente e eficientemente capturam e removem por seu catabolismo os odorizantes e orgânicos do ar de processo purificado. A qualidade do odor do ar descarregado seria julgada muito satisfatória para ser situada em uma área industrial ou outro estabelecimento de comunidade apropriado.
0 fertilizante granular duro seco (2,5 kg de dureza, isto é, a pressão descendente média exigida para esmagar um único grânulo) foi determinado para ser classificado em 15- 2-0-16-1-20, com cada um destes números representando a % por peso dos produtos orgânicos N-P-K-S-Fe. Imediatamente antes do envio, os grânulos de fertilizante armazenados reselecionados para dimensionamento e revestimento finais com despoeirador ou um composto de vitrificação antes de serem carregado diretamente em caminhões, trens, barcas ou carregados em super sacos de 1 tonelada para distribuição.
Exemplo 2
Neste segundo exemplo, as mesmas 3,3 toneladas por hora de biosólidos úmidos foram processadas no processo AM como descrito para a modalidade preferida da presente invenção, entretanto, toda a amônia anidra foi adicionada no vaso de pressão para amonização completa e formação de sal de sulfato de amônia na mistura de fertilizante. Embora esta mistura de fertilizante não fosse tão fluida quanto quando uma fusão é formada, a pressão principal elevada e a agitação mecânica foram suficientes para fazer a mistura de fertilizante a quente sair do vaso de pressão como necessário. Nenhuma amônia adicional foi pulverizada no misturador tipo pugmill #2 ou granulador neste Exemplo 2. 0 restante do exemplo é como foi descrito para o Exemplo 1 com um fertilizante de qualidade similar sendo produzido.
Outras modalidades e usos da invenção serão aparentes aos hábeis na técnica em consideração do relatório descritivo e prática da invenção divulgados aqui. Todas as referências mencionadas aqui, incluindo todas publicações, Patentes e Pedidos de Patente US e estrangeiros, são incorporadas especificamente e inteiramente por referência. 0 termo compreendendo como usado através deste pedido 5 inclui os termos mais limitantes e frases "consistindo essencialmente de" e "consistindo". Pretende-se que o relatório descritivo e os exemplos sejam considerados exemplares somente com o escopo e conceito inventivo verdadeiros da invenção indicados pelas seguintes 10 reivindicações.
Claims (46)
1. Método para tratar lama caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) condicionar a lama, (b) adicionar a lama condicionada a um vaso de pressão, (c) adicionar uma mistura reativa, (d) manter a mistura em uma condição de estresse por um período de retenção, em que a etapa (a) compreende tornar a lama bombeável.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura reativa compreende um sal quente de uma substância selecionada do grupo consistindo de essencialmente sulfato de amônio, fosfato de amônio e combinações dos mesmos.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura reativa compreende uma fusão à quente de uma substância selecionada do grupo consistindo essencialmente de sulfato de amônio, fosfato de amônio e combinações dos mesmos.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura reativa compreende adições separadas de ácido concentrado e uma base.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura reativa compreende adições separadas de uma lama previamente tratada com um ácido concentrado e uma base.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura reativa compreende adições separadas de uma lama condicionada previamente amonizada e um ácido concentrado.
7. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o ácido concentrado é ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ou uma combinação dos mesmos.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a condição de estresse compreende a agitação da mistura e resultados de hidrólise parciais ou completos, desnaturação, esterilização, ou combinações dos mesmos de componentes de lama.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os componentes da lama são selecionados de grupo consistindo de compostos farmacêuticos pessoais, antibióticos, hormônios, moléculas tipo hormônio, outros compostos biologicamente ativos, macromoléculas incluindo proteínas, e combinação dos mesmos
10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lama é selecionada do grupo consistindo de biosólidos secos municipais, biosólidos secos por calor, resíduos de fermentação farmacêutica, digestão microbiana de produtos orgânicos, materiais de alimento, subprodutos de alimento, estrumes de animais, estrumes de animais digeridos, lamas orgânicas compreendidas primeiramente de microrganismos, e combinações dos mesmos.
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lama é uma lama seca ou retirada de água contendo entre 12% e 4 0% de sólidos, entre 18% e 30% de sólidos, entre 33% e 99% de sólidos, ou entre 90% e 99% de sólidos.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de condicionamento compreende a adição de um ou mais agentes oxidantes, um ou mais ácidos, ou uma combinação dos mesmos ã lama.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que um ou mais agentes oxidantes são selecionados de um grupo consistindo essencialmente de ferrato de cálcio, ferrato de sódio, ferrato de potássio, peróxido de hidrogênio, hipocloreto de cálcio, hipocloreto de sódio, hipocloreto de potássio, dióxido de cloro, ozônio, oxigênio, e combinações dos mesmos, e em que um ou mais ácidos compreendem ácido fosfórico, ácido sulfúrico, ou uma combinação dos mesmos.
14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de ajustar o pH da mistura.
15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o pH da mistura é ajustado a um valor de 4,5 a 6,0 pela adição de um agente de controle de pH.
16. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o agente de controle de pH é selecionado do grupo consistindo de óxido de cálcio, hidróxido de cálcio, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, amônia anidra, poeira de forno de cimento, poeira de forno de cal, cinza de leito fluidizado, cinza de mosca Classe C e cinza de mosca Classe F, cinza de mosca de queimador multiestágio, alume, lama de tratamento de água, cinza de madeira, e combinações dos mesmos.
17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vapor é produzido dentro do vaso de pressão e a temperatura da mistura aumenta devido a uma reação exotérmica dos componentes da mistura, e em que o vapor é subsequentemente removido para criar um efeito de secagem na mistura.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o aumento de temperatura da mistura excede 100°C, 121°C, 126°C ou 137°C e, em que o aumento de pressão da mistura excede 138, 207 ou 262 kPa.
19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o período de retenção é um mínimo de um minuto, de 5 a 3 0 minutos, ou de 10 a 2 0 minutos.
20. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lama é feita bombeável misturando a lama com uma força suficiente para fazê-la bombeável ou adicionando um líquido.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o líquido é água ácida de descarga de um sistema purificador.
22. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa (a) compreende o aquecimento da lama em um misturador tipo pugmill.
23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a lama é aquecida por um eixo aquecido, lâminas de pá aquecidas, uma manta aquecida envolvendo o misturador tipo pugmill, ou uma combinação dos mesmos.
24. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a lama é aquecida a 210Q.,35°C ou 44 0C.
25. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de adicionar um ou mais nutrientes de planta e um ou mais agentes de endurecimento à mistura no misturador ou no misturador tipo pugmill, em que um ou mais nutrientes de planta são selecionados do grupo consistindo de ureia, nitrato de amônio, sulfato de amônio, fosfato de monoamônio, fosfato de diamônio, nitrato de amônio ureia, ureia líquida, potassa, óxido de ferro, ferro solúvel, ferro quelado e combinações dos mesmos; e em que um ou mais agentes de endurecimento são selecionados do grupo consistindo de óxidos férricos, alume, argila de atapulgita, melaço industrial, lignono, sulfonato de ligno, polimerizador de formaldeído ureia e combinações dos mesmos.
26. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a amônia vaporizada é adicionada ao vaso de pressão.
27. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreendendo a etapa de formar a mistura em grânulos ou péletes por granulação ou extrusão, e subsequentemente secar os péletes.
28. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que os grânulos ou péletes são secos para mais de 90% de peso de sólidos, mais de 98% de peso de sólidos, ou mais de 99% de peso de sólidos.
29. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de passar os grânulos ou péletes secos através de uma ou mais telas para separar materiais superdimensionados e materiais subdimensionados do produto de dimensão apropriada.
30. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende as etapas de: passar a mistura através de um segundo misturador ou misturador tipo pugmill, formar a mistura em grânulos ou péletes por granulação ou extrusão, secar os grânulos ou péletes, passar os grânulos ou péletes secos através de uma ou mais telas para separar materiais superdimensionados e materiais subdimensionados do produto de dimensão apropriada, e reintroduzir os materiais superdimensionados esmagados à mistura no segundo misturador ou misturador tipo pugmill.
31. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de esmagar os materiais superdimensionados em um triturador ou moinho.
32. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que os materiais subdimensionados compreendem poeira.
33. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de resfriamento dos grânulos ou péletes secos em um aparelho de resfriamento, em que os grânulos ou péletes secos são resfriados a 60°C ou menos, 54°C ou menos, ou 49°C ou menos.
34. Método, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato de que o aparelho de resfriamento é um leito fluidizado, um tambor rotatório.
35. Método, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de revestir os grânulos ou péletes secos com um material de retirada de poeiras ou de vitrificação para reduzir a geração de abrasão e poeira, em que o material de retirada de poeira é aplicado aos grânulos ou péletes dentro do aparelho de resfriamento.
36. Fertilizante caracterizado pelo fato de que é fabricado pelo método da reivindicação 1.
37. Fertilizante, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que contém pelo menos 10% de peso de nitrogênio, pelo menos 12% de peso de nitrogênio, ou pelo menos 14% de peso de nitrogênio.
38. Fertilizante, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que tem zero ou uma quantidade indetectável de microrganismos prejudiciais, viáveis e que é não tóxico e seguro para manipulações e seguro para aplicações de colheita apropriadas.
39. Fertilizante, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que contém nitrogênio de amônio ligado aos compostos na mistura, tal que o nitrogênio se dissolve lentamente e migra lentamente através de 20,32 cm de solo.
40. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vaso de pressão é substituído por três vasos de pressão, cada um sucessivamente enchido, para permitir um processamento de batelada contínua da mistura de fertilizante sob condições de temperatura e pressão atmosférica e tempo de retenção definidos.
41. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de passar a mistura através de um misturador ou misturador tipo pugmill que segue o vaso de pressão na seqüência de processamento.
42. Método, de acordo com a reivindicação 41, caracterizado pelo fato de que a mistura formada no vaso de pressão é uma fusão de amônia contendo a amonização incompleta com excesso de ácido.
43. Método, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de que a mistura é tratada com a amônia para completar o processo de amonização formando um sal de amônio em um pulverizador no misturador ou misturador tipo pugmill.
44. Método, de acordo com a reivindicação 43, caracterizado pelo fato de que a amônia é convertida de líquido para vapor de amônia superaquecido antes da introdução no pulverizador.
45. Método, de acordo com a reivindicação 44, caracterizado pelo fato de que a conversão para vapor de amônia superaquecido é realizada aplicando um aquecedor direto a uma linha de liberação de amônia ou aplicando excesso de calor recuperado por um trocador de calor em outra parte dentro do processo para amônia líquida.
46. Método, de acordo com a reivindicação 45, caracterizado pelo fato de que o vapor de amônia é superaquecido com a temperatura controlada em 49-93°C, ou em 77-82°C, e uma pressão controlada em 722 a 929 kPa.
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