DE69224748T2

DE69224748T2 - Process for the treatment of sewage sludge by a delayed, alkaline, exothermic sterilization

Info

Publication number: DE69224748T2
Application number: DE69224748T
Authority: DE
Inventors: William Osgan Wurtz
Original assignee: Willow Technology Inc
Current assignee: Willow Technology Inc
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1992-12-08
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2012-12-09
Also published as: DE69224748D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Zusammenführen von Abfallmaterialien, um wertvolle Produkte zur landwirtschaftlichen, gartenbauwirtschaftlichen, waldwirtschaftlichen oder offentlichen Verwendung herzustellen.The present invention relates to an improved process for combining waste materials to produce valuable products for agricultural, horticultural, forestry or public use.

Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung das Umsetzen alkalischer Materialien, wie etwa Calciumoxid, Zementofenstaub, Kalkofenstaub oder ähnliche alkalische Materialien und Kombinationen davon, mit Abwasserschlamm oder Tierexkrementen sowie Kohlendioxidgas oder Kohlendioxid in fester Form in einem Reaktor umfaßt, um eine gut durchmischte Mischung zur Verfügung zu stellen, die nach Austrag aus dem Reaktor exotherm reagiert, was für Temperaturen sorgt, die den Siedepunkt von Wasser übersteigen, wobei besagte Mischung durch schnelle Verdampfung von Flüssigkeiten unmittelbar getrocknet wird, was das Aussehen des Produktes dramatisch verändert, so daß die Produkte die Anforderungen von Vorschriften zur sinnvollen Nutzung von Abfallmaterialien erfüllen oder übersteigen, während die Umweltqualität und der Schutz der menschlichen Gesundheit verbessert wird.More particularly, the present invention relates to reacting alkaline materials such as calcium oxide, cement kiln dust, lime kiln dust or similar alkaline materials and combinations thereof with sewage sludge or animal excrement and carbon dioxide gas or carbon dioxide in solid form in a reactor to provide a well-mixed mixture which upon discharge from the reactor reacts exothermically to provide temperatures exceeding the boiling point of water, said mixture being immediately dried by rapid evaporation of liquids which dramatically changes the appearance of the product so that the products meet or exceed the requirements of regulations for the wise use of waste materials while improving environmental quality and protecting human health.

Die Fachleute in den Praktiken der Abfallwirtschaft sind sich darüber bewußt, daß Verfahren zur alkalischen Stabilisierung oder Dekontamination von Abwasserschlamm gegenwärtig in Benutzung sind.Those skilled in waste management practices are aware that processes for alkaline stabilization or decontamination of wastewater sludge are currently in use.

In seinem Buch mit dem Titel "Treatment and Disdosal of Wastewater Sludges", Ann Arbor Science Inc., Herausgeber, Ausgabe 1979, gibt P. Aarne Veseilind einen Überblick über die Praxis des Vermischens von Kalk und Schlamm in einem herkömmlichen Betonmischer, um ein Produkt zu liefern, das als ein Bodenkonditionierer vermarktbar ist. Der Schlamm wird als ein Ergebnis einer exothermen Reaktion, die an 100ºC heranreicht (aber nicht übersteigt), getrocknet und desinfiziert.In his book entitled "Treatment and Disdosal of Wastewater Sludges", Ann Arbor Science Inc., Publishers, 1979 edition, P. Aarne Veseilind gives an overview of the practice of mixing lime and sludge in a conventional concrete mixer to provide a product marketable as a soil conditioner. The sludge is dried and disinfected as a result of an exothermic reaction approaching (but not exceeding) 100ºC.

Das U.S. Patent No. 4,226,712 (Kamei) offenbart ein Verfahren zur Behandlung von wasserhaltigen Abfällen, bei dem der Abfall zunächst mit einem Erdalkalimetalloxid, wie etwa Calciumoxid, als einem Vortrocknungsschritt bei einer Temperatur von 80ºC bis 90ºC vermischt wird. Darauffolgt ein zweiter Schritt, bei dem zusätzliches Wasser mit Trocknungsmitteln bei Temperaturen von 800ºC bis 1.450ºC entfernt wird.U.S. Patent No. 4,226,712 (Kamei) discloses a process for treating water-containing wastes in which the waste is first mixed with an alkaline earth metal oxide, such as calcium oxide, as a predrying step at a temperature of 80ºC to 90ºC. This is followed by a second step in which additional water is removed with drying agents at temperatures of 800ºC to 1,450ºC.

Das U.S. Patent No. 4270279 (Roediger) lehrt ein Verfahren zur alkalischen Stabilisierung von entwässertem Schlammkuchen, das zur Bildung sterilierter Pellets führt. Dort gibt es das Einstauben dieser Pellets mit Branntkalk (Calciumoxid) und das Erreichen von Temperaturen "der hauptsächlichen Materialien bis etwa 70ºC bis 80ºC". Der Branntkalk reagiert mit den Oberflächen besagter ballähnlicher Teilchen exotherm, was zu einem Produkt führt, das als ein landwirtschaftliches Produkt verwendet werden kann.U.S. Patent No. 4270279 (Roediger) teaches a process for alkaline stabilization of dewatered sludge cake resulting in the formation of sterilized pellets. Therein, there is dusting these pellets with quicklime (calcium oxide) and bringing the temperatures of "the principal materials to about 70ºC to 80ºC." The quicklime reacts exothermically with the surfaces of said ball-like particles resulting in a product that can be used as an agricultural product.

Die RDP company, Plyrnouth Meeting, Pennsylvania, bewirbt ein sogenanntes "Envessel Pasteurization" (Marke)-Verfahren. Die Beschreibung des Verfahrens ist diejenige eines Mischers vom Typ eines Schraubenförderers oder einer Knetmaschine, der die exotherme Reaktion von entwässertem Schlammkuchen und Branntkalk ermöglicht, mit einem Austrag in ein ummanteltes Speichersib, wobei "dem Gefäß ergänzende Wärme zugeführt wird, um sicherzustellen, daß die Mischung für einen Zeitraum von 30 Minuten bei einer Temperatur von 158ºF/70ºC bleibt".The RDP company, Plyrnouth Meeting, Pennsylvania, advertises a so-called "Envessel Pasteurization" (trade mark) process. The description of the process is that of a screw conveyor or kneader type mixer which allows the exothermic reaction of dewatered mud cake and quicklime, with discharge into a jacketed storage sifter, "supplementary heat being supplied to the vessel to insure that the mixture remains for a period of 30 minutes at a temperature of 158ºF/70ºC."

Das U.S. Patent No. 4554002 (Nicholson) offenbart ein Verfahren zum Aufbereiten von Schlamm aus der Abwasserbehandlung durch Vermischen von Ofenstaub, der einen Prozentanteil an Calciumoxid enthält, um ein verfestigtes, desintegrierbares, brüchiges Produkt zu bilden.U.S. Patent No. 4,554,002 (Nicholson) discloses a process for refining wastewater treatment sludge by mixing furnace dust containing a percentage of calcium oxide to form a solidified, disintegratable, friable product.

Die U.S. Patents Nos. 4781842 und 4902431 (Nicholson) offenbaren ein Verfahren zum Dekontaminieren von Abwasserschlamm bis zu einem Niveau, das die Verfahrensstandards der U.S. Environmental Protection Agency zur weiteren Verringerung von Pathogenen erfüllt oder überschreitet. Das Verfahren vermischt Schlamm mit alkalischen Materialien in ausreichendem Maße, um den pH der Mischung auf 12 und darüber für wenigstens einen Tag anzuheben, und anschließend wird die Mischung getrocknet, um ein körniges Material herzustellen. Eine sogenannte "Dekontamination" ist das Verfahren der exothermen Reaktion von alkalischen Materialien mit Schlamm, um die Temperatur auf etwa 50ºC anzuheben, aber nicht auf Temperaturen, die ausreichend sind, um Sterilisation zu bewirken, wodurch pathogene Mikroorganismen verringert und/oder eliminiert werden, aber nützliche nicht-pathogene Mikroorganismen erhalten werden, und Koppeln dieses Schrittes mit Trocknung, wie etwa durch Schwadenformung um ein PRFP("Process to Further Reduce Pathogens")-Produkt herzustellen.U.S. Patent Nos. 4,781,842 and 4,902,431 (Nicholson) disclose a method for decontaminating sewage sludge to a level that meets or exceeds U.S. Environmental Protection Agency standards of practice for further reducing pathogens. The method mixes sludge with alkaline materials sufficient to raise the pH of the mixture to 12 and above for at least one day, and then the mixture is dried to produce a granular material. So-called "decontamination" is the process of exothermically reacting alkaline materials with sludge to raise the temperature to about 50ºC, but not to temperatures sufficient to effect sterilization, thereby reducing and/or eliminating pathogenic microorganisms but retaining beneficial non-pathogenic microorganisms, and coupling this step with drying, such as by steaming, to produce a PRFP ("Process to Further Reduce Pathogens") product.

Das U.S. Patent No. 4,306,978 (Wurtz) betrifft ein Verfahren zur Kalkstabilisierung von Schlamm aus Abwasserbehandlungsanlagen. Das Verfahren schließt die Schritte der Entwässerung von Schlamm und des schnellen und innigen Mischens und Umsetzens von Schlammkuchen mit Branntkalk (Calciumoxid) ein, um stabilisierte Schlammpellets herzustellen.US Patent No. 4,306,978 (Wurtz) relates to a process for lime stabilization of sludge from wastewater treatment plants. The process includes the steps of dewatering sludge and rapidly and intimately mixing and reacting sludge cakes with quicklime (calcium oxide) to to produce stabilized sludge pellets.

U.S. Patent No. 4,997,572 offenbart ein Verfahren, das alkalische Materialien exotherm mit Abfallmaterialien umsetzt, besagte Materialien aufbereitet und Pellets bildet, die eine Haut aus Calciumcarbonat aufweisen. Die Carbonate werden als der letzte Schritt des Verfahrens durch Reaktion von Calciumhydroxid, das in dem Pellet enthalten ist, mit Kohlendioxidgas oder Kohlendioxid in fester Form (Trockeneis) gebildet.U.S. Patent No. 4,997,572 discloses a process that exothermically reacts alkaline materials with waste materials, processes said materials and forms pellets having a skin of calcium carbonate. The carbonates are formed as the last step of the process by reacting calcium hydroxide contained in the pellet with carbon dioxide gas or carbon dioxide in solid form (dry ice).

Die vorgenannten patentierten Verfahren der Anmelderin werden vorteilhafterweise und wirkungsvoll in einem Mischer- Trockner-Reaktor durchgeführt, wie beschrieben im U.S. Patent No. 3,941,357 (Wurtz). Das Verfahren von U.S. Patent No. 4,306,978 und die patentierte Vorrichtung der Anmelderin sind von der Umweltschutzindustrie mit vielen erfolgreichen Installationen in den Vereinigten Staaten in breitem Maße anerkannt worden.Applicants' aforementioned patented processes are advantageously and effectively carried out in a mixer-dryer-reactor as described in U.S. Patent No. 3,941,357 (Wurtz). The process of U.S. Patent No. 4,306,978 and applicants' patented apparatus have been widely accepted by the environmental protection industry with many successful installations throughout the United States.

Wenn man sie mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vergleicht, lehrt keines der Verfahren nach dem Stand der Technik das Verfahren des Erreichens von Temperaturen über 100ºC, wie etwa Temperaturen bis zu oder über 117ºC, wie etwa Temperaturen, die 203º erreichen, die von den exothermen Reaktionen herrühren. Ebensowenig verzögert oder retardiert eines der Verfahren die exotherme Reaktion, so daß die chemischen Reaktionen mit hoher Wirksamkeit stattfinden können, nachdem eine hochgenaue Mischung der Komponenten der Mischungen erreicht ist. Ein anderer Nachteil des Standes der Technik sind die relativ langen Trocknungszeiträume, die erforderlich sind. Dies ist zu vergleichen mit der anschließenden relativ sofortigen Trocknung, da die exotherme Reaktion bei hohen Temperaturen stattfindet, die 100ºC übersteigen und bis zu 203ºC gehen, für das neue Verfahren der vorliegenden Erfindung.When compared to the preferred embodiment of the present invention, none of the prior art processes teach the process of achieving temperatures above 100°C, such as temperatures up to or above 117°C, such as temperatures reaching 203°, resulting from the exothermic reactions. Nor do any of the processes delay or retard the exothermic reaction so that the chemical reactions can take place with high efficiency after a highly accurate mixture of the components of the mixtures is achieved. Another disadvantage of the prior art is the relatively long drying periods required. This is to be compared with the subsequent relatively instantaneous drying since the exothermic reaction at high temperatures exceeding 100ºC and up to 203ºC for the novel process of the present invention.

Die meisten Produkte, die durch Verfahren nach dem Stand der Technik geliefert werden, die gegenwärtig in Benutzung sind, besitzen einen Feuchtegehalt im Bereich von 10% bis 35%. Die Produkte mit der geringsten Feuchtigkeitsmenge erfordern Trocknungsperioden von wenigstens 30 Tagen. Dies ist ein weiterer Nachteil der Verfahren nach dem Stand der Technik, wohingegen das neue Verfahren selektiv einen Feuchtegehalt im Produkt bereitstellen kann, der von 50% bis zu weniger als 10% reicht, durch Variation der Verhältnisse der Komponenten der Mischung und Reaktion. Zusätzlich wird das neue Produkt so gut gemischt, umgesetzt und getrocknet, daß die gleichförmige Trocknung des neuen erfinderischen Produktes seine Verpackung und Versendung über lange Distanzen ohne Zersetzung ermöglicht.Most products provided by prior art processes currently in use have a moisture content in the range of 10% to 35%. The products with the lowest amount of moisture require drying periods of at least 30 days. This is another disadvantage of the prior art processes, whereas the new process can selectively provide a moisture content in the product ranging from 50% to less than 10% by varying the ratios of the components of the mixture and reaction. In addition, the new product is mixed, reacted and dried so well that the uniform drying of the new inventive product enables it to be packaged and shipped over long distances without degradation.

Die Farbe von Produkten, die mit gegenwärtig existierenden Verfahren hergestellt werden, reicht von schwarz bis hellgrau, wohingegen das neue Produkt ein schmutzigweißes Aussehen besitzt. Dieses schmutzigweiße Aussehen ist für den Verkehr annehmbarer, da es nicht einem Produkt ähnelt, das aus Abfallschlamm hergestellt ist.The colour of products manufactured using currently existing processes ranges from black to light grey, whereas the new product has an off-white appearance. This off-white appearance is more acceptable to the market as it does not resemble a product made from waste sludge.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges, verbessertes Verfahren für das Umsetzen von alkalischen Materialien, Kohlendioxid und Abfallmaterialien, wie etwa Abwasserschlamm, tierischen Exkrementen oder Verfahrensabfällen, in einem herkömmlichen Mischer-Reaktor, vorzugsweise einem Flügelmischertyp, bereitzustellen, um für eine verzöger te exotherme Reaktion nach Austrag aus dem Mischer-Reaktor zu sorgen, wobei die Reaktion zur nützlichen Verwendung von Abfallmaterialien führt, während die Umweltqualität verbessert und die menschliche Gesundheit geschützt wird.It is accordingly an object of the present invention to provide a novel, improved process for reacting alkaline materials, carbon dioxide and waste materials such as sewage sludge, animal excrement or process waste in a conventional mixer reactor, preferably a paddle mixer type, to provide for a delayed exothermic reaction after discharge from the mixer reactor, which reaction results in the beneficial use of waste materials while improving environmental quality and protecting human health.

Es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Behandlung von Schlamm bereitzustellen, wobei Temperaturen, die den Siedepunkt von Wasser übersteigen, erreicht werden, mit anschließender relativ sofortiger Trocknung durch schnelle Verdampfung von Flüssigkeiten aus Abfallmaterialien, während das Aussehen der Abfallprodukte dramatisch verändert wird.It is a further object of the invention to provide a process for treating sludge whereby temperatures exceeding the boiling point of water are achieved, followed by relatively instantaneous drying by rapid evaporation of liquids from waste materials while dramatically changing the appearance of the waste products.

Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sterile Produkte durch thermische Zersetzung von Mikroorganismen, hohen Trockensubstanzgehalt des Produktes oder eine Kombination von thermischer Zersetzung und hohem Trockensubstanzgehalt, der nicht lebensunterstützend ist, bereitzustellen.It is also an object of the present invention to provide sterile products by thermal decomposition of microorganisms, high dry matter content of the product or a combination of thermal decomposition and high dry matter content which is not life-supporting.

Demgemäß sorgt die Erfindung für die Verringerung von Pathogenen, die äquivalent ist zu derjenigen Verringerung anderer genehmigter Standards der United States Enviromental Protection Agency (USEPA) für den Process to Further Reduce Pathogens (PFRP), wie nach USEPA Appendix II for Code of Federal Regulations, Number 40, Part 357 (40 C.F.R. 357), oder diese übersteigt, wobei diese Standards in Teilen folgendes festhalten:Accordingly, the invention provides for pathogen reductions that are equivalent to or exceed those of other approved United States Environmental Protection Agency (USEPA) standards for the Process to Further Reduce Pathogens (PFRP) as set forth in USEPA Appendix II for Code of Federal Regulations, Number 40, Part 357 (40 C.F.R. 357), which standards state in part:

Wärmetrocknung: Entwässerter Schlammkuchen wird getrocknet durch direkten oder indirekten Kontakt mit heißen Gasen, und der Feuchtegehalt wird auf 10% oder weniger verringert. Schlammteuchen erreichen Temperaturen deutlich oberhalb 80ºC.Heat drying: Dewatered sludge cake is dried by direct or indirect contact with hot gases, and the moisture content is reduced to 10% or less. Sludge particles reach temperatures well above 80ºC.

In einem Memorandum von 1985 zu den Bestimmungen von 40 C.R.F. 257 umriß die USEPA ein weiteres qualifizierendes PFRP-Verfahren, nämlich die Verringerung von pathogenen Bakterien, tierischen Viren und Parasiten auf unter die Nachweisgrenze von einer plaquebildenden Einheit (PFU) pro 100 ml Schlamm für tierische Viren, drei koloniebildende Einheiten (CFU) pro 100 ml Schlamm für pathogene Bakterien und ein lebensfähiges Ei pro 100 ml Schlamm für Parasiten. Zusätzlich sollten überträger, wie etwa Fliegen oder Ratten, von dem Produkt nicht angezogenwerden. Obwohl die U.S. Patents Nos. 4781842 und 4902431 (Nicholson) den vorgenannten Standard durch Bereitstellung von Temperaturen von 50ºC und Trockne von 65% erfüllen, überschreitet das neue erfinderische Verfahren die Temperaturen von 50ºC mit Temperaturen, die 100ºC übersteigen und bis zü 203ºC reichen, mit einer Trockne, die 90% übersteigt.In a 1985 memorandum on the provisions of 40 C.R.F. 257, the USEPA outlined another qualifying PFRP process, namely, the reduction of pathogenic bacteria, animal viruses, and parasites to below the detection limit of one plaque forming unit (PFU) per 100 ml of sludge for animal viruses, three colony forming units (CFU) per 100 ml of sludge for pathogenic bacteria, and one viable egg per 100 ml of sludge for parasites. In addition, vectors, such as flies or rats, should not be attracted to the product. Although U.S. Patents Nos. 4781842 and 4902431 (Nicholson) meet the above standard by providing temperatures of 50ºC and dryness of 65%, the new inventive process exceeds the temperatures of 50ºC with temperatures exceeding 100ºC and reaching up to 203ºC with dryness exceeding 90%.

Das Verfahren der Erfindung stellt die verzögerte exotherme Sterilisierung, Aufbereitung und anschließende unmittelbare Trocknung von Abwasserschlamm, tierischen Exkrementen oder Verfahrensabfällen unter Verwendung eines effizienten Mischer- Reaktors bereit, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:The method of the invention provides the delayed exothermic sterilization, treatment and subsequent immediate drying of sewage sludge, animal excrement or process waste using an efficient mixer-reactor, the method comprising the steps of:

Absetzenlassen und/oder Entwässern des Abfallmaterials, um einen Schlamm zu liefern, der 4 bis 60 Gew.-% Trockensubstanz enthält;Settling and/or dewatering the waste material to provide a sludge containing 4 to 60% by weight of dry matter;

Effizientes Mischen und Umsetzen des Schlamms mit Erdalkalimetalloxiden, wie etwa Calciumoxid (Branntkalk), benefizierendem Material, wie etwa Ofenstäuben, und Kohlendioxid, um exotherme Reaktionen zu verzögern und die Temperatur bei oder nahe Raumtemperatur zu halten;Efficient mixing and agitation of the sludge with alkaline earth metal oxides such as calcium oxide (quicklime), beneficial material such as kiln dusts and carbon dioxide to retard exothermic reactions and maintain the temperature at or near room temperature;

Austragen der genau gemischten Materialien aus dem Mischer- Reaktor, vor der exothermen Reaktion, in einen Speicherbehälter, in dem die exotherme Reaktion beginnt, wobei besagter Speicherbehälter fakultativ bei atmosphärischem Druck oder unter Vakuum gehalten wird;discharging the precisely mixed materials from the mixer-reactor, prior to the exothermic reaction, into a storage vessel in which the exothermic reaction begins, said storage vessel optionally being maintained at atmospheric pressure or under vacuum;

Schnelles Verdampfen von Flüssigkeiten aus der gesamten Masse der gemischten Materialien, wenn die Temperatur, als Ergebnis der exothermen Reaktion, schnell ansteigt und den Siedepunkt besagter Flüssigkeiten übersteigt, die in der Masse der gemischten Materialien mitgerissen worden sind, wobei besagte Temperatur 100ºC übersteigen kann und von 117ºC bis zu 203ºC reicht, entweder bei atmosphärischem Druck oder unter Vakuum; Bewirken einer heftigen Bewegung des Materialgemisches, wenn Dampf von jedem Teilchen der genau gemischten Materialmasse freigesetzt wird und wenn jedes Teilchens den Siedepunkt der Flüssigkeit zwischen, auf oder innerhalb jeden Teilchens erreicht;Rapidly vaporizing liquids from the entire mass of the mixed materials when the temperature, as a result of the exothermic reaction, rapidly rises to exceed the boiling point of the said liquids entrained in the mass of the mixed materials, said temperature may exceed 100ºC and range from 117ºC to 203ºC, either at atmospheric pressure or under vacuum; causing violent agitation of the mixed materials when vapor is released from each particle of the accurately mixed mass of materials and when each particle reaches the boiling point of the liquid between, on or within each particle;

Sterilisieren des Produktes durch die exotherme Reaktion bei relativ hoher Temperatur, durch den hohen Trockensubstanzgehalt des resultierenden Produktes oder durch eine Kombination von Wärme und Trockne, um die USEPA-Standards für PFRP, Process to Further Reduce Pathogens, zu erfüllen oder zu übersteigen;Sterilizing the product by the exothermic reaction at relatively high temperature, by the high dry matter content of the resulting product, or by a combination of heat and dryness to meet or exceed USEPA standards for PFRP, Process to Further Reduce Pathogens;

Verringern oder Eliminieren des Geruchs des Produktes, so daß der Geruch für eine zufällig ausgesuchte Gruppe von Individuen unschädlich ist, während auch die Anziehung von überträgern verringert wird;Reducing or eliminating the odor of the product so that the odor is harmless to a randomly selected group of individuals while also reducing the attraction of vectors;

Verändern des Aussehens der Schlammischung von einer feuchten, dunkelgrauen Masse zu einem schmutzigweißen, freifließenden Pulver, wobei dieses Pulver nützliche Verwendung als ein Pulver finden kann; aufbereitet mit zusätzlichen Nährstoffen; granuliert oder pelletiert zur Erleichterung der Materialhandhabung oder Landausbringung; und annehmbar für die Industrie und für die allgemeine Öffentlichkeit zur Verwendung in der Landwirtschaft, Gartenbauwirtschaft, Waldwirtschaft oder öffentlichen Verwendung; undChanging the appearance of the mud mixture from a wet, dark grey mass to an off-white, free-flowing powder, which powder may find useful use as a powder; prepared with additional nutrients; granulated or pelletised to facilitate material handling or land application; and acceptable to industry and to the general public for use in agriculture, horticulture, forestry or public use; and

Bereitstellen eines Produktes mit ausreichender, gleichförmiger Trockne, ohne Taschen aus feuchtem Material, um seine Verpackung und Versendung über lange Distanzen, wie etwa in Drittweltländer, zu ermöglichen, um Bodenkonditionierer und Düngerergänzungsstoffe für arides oder nicht-produktives Land bereitzustellen.Providing a product with sufficient, uniform dryness, without bags of wet material, to enable its packaging and shipment over long distances, such as to third world countries, to provide soil conditioners and fertilizer supplements for arid or non-productive land.

Die Mittel zum Absetzenlassen und/oder Entwässern der Schlämme können jede herkömmliche Ausrüstung zum Absetzenlassen und/oder Entwässern sein. Die Mittel zum Mischen und Umsetzen von Calciumoxid, Ofenstaub und Kohlendioxid mit Schlamm schließen einen effizienten Mischer-Reaktor mit abgedichtetem Deckel ein. Der Mischer-Reaktor könnte ein Blattmischer mit Einzel- oder Doppelwelle, eine Knetmaschinen, ein Flügelmischer, ein Bandmischer oder eine Schlagstiftmühle sein. Wegen seiner belegten Mischungsgenauigkeit für viskose Materialien ist jedoch die bevorzugte Ausführungform ein Flügelmischer-Reaktor mit Doppelwelle, wie beschrieben in U.S. Patent No. 3,941,357, wobei dieser Apparat auch beschrieben ist in U.S. Patent No. 4,306,978 und für Abfallschlammbehandlung genehmigt ist für U.S. Patent Na. 4,997,572.The means for settling and/or dewatering the sludge can be any conventional settling and/or dewatering equipment. The means for mixing and reacting calcium oxide, kiln dust and carbon dioxide with sludge includes an efficient mixer-reactor with a sealed lid. The mixer-reactor could be a single or double shaft blade mixer, a kneader, a blade mixer, a ribbon mixer or a pin mill. However, because of its proven mixing accuracy for viscous materials, the preferred embodiment is a double shaft blade mixer-reactor as described in U.S. Patent No. 3,941,357, which apparatus is also described in U.S. Patent No. 4,306,978 and approved for waste sludge treatment under U.S. Patent No. 4,997,572.

Der Speicherbehälter ist ein herkömmlicher Bunker mit Einlaß- und Auslaßanschlüssen, der geeignet ist für Vakuumbetrieb, mit genügend Volumen, um eine Expansion des Produktes zu ermöglichen, wenn sich das Produkt bewegt und sich die Schüttdichte um 30% bis 80% der Dichte des ursprünglichen Gemisches von Materialien verringert. Eine Trockenluftspülung wird ebenfalls bereitgestellt, um den Speicherbehälter von irgendwelchem überschüssigen Kohlendioxid, Wasserdampf und flüchtigen, geruchserzeugenden Substanzen zu spülen. Für Vakuumbetrieb werden Druckschleusen bereitgestellt, um die Vakuumbedingungen aufrechtzuerhalten. Druckschleusen können eine herkömmliche Verdrängerschlammpumpe auf der Einlaßseite und herkömmliche Drehschleusen für freifließende Trockenmaterialien am Auslaß sein.The storage tank is a conventional bunker with inlet and outlet ports suitable for vacuum operation, with sufficient volume to allow expansion of the product as the product moves and the bulk density is reduced by 30% to 80% of the density of the original mixture of materials. A dry air purge is also provided to purge the storage vessel of any excess carbon dioxide, water vapor and volatile odor producing substances. For vacuum operation, pressure locks are provided to maintain vacuum conditions. Pressure locks may be a conventional positive displacement slurry pump on the inlet side and conventional rotary locks for free flowing dry materials on the outlet.

Die Erdalkalioxide, die mit dem Abfallschlamm vermischt werden, können kommerziell erhältlicher Branntkalk (Calciumoxid), Zementofenstaub, Kalkofenstaub oder Mischungen dieser alkalischen Materialien sein. Zementofenstaub ist ein Abfallnebenprodukt der zementverarbeitenden Industrie. Er ist als ein Ersatzstoff für Calciumoxid oder Löschkalk in Klärschlammverfahren bekannt. Die Zusammensetzung von Zementofenstaub schließt SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, Fe&sub2;O&sub3;, CaO, MgO, SO&sub3;, Na&sub2;O, K&sub2;O und freies CaO ein, wobei der höchste Prozentanteil der Komponenten CaO und SiO&sub2; ist. Das Kalium, Magnesium, Calcium und die Spurennährstoffe liefern, wenn sie mit Abfallmaterial vermischt werden, wie etwa Schlamm aus städtischen Abwasserbehandlungsanlagen, zusätzliche Nährstoffe, die mit dem Stickstoff und Phosphor im Schlamm kombiniert werden, um dadurch nützliche Verwendung als die vorgenannten Bodenkonditionierer und Düngerergänzungsstoffe zu finden. Kalkofenstaub ist ein Nebenprodukt der Verarbeitung von Kalkprodukten und hat dieselben Eigenschaften wie Branntkalk.The alkaline earth oxides mixed with the waste sludge can be commercially available quicklime (calcium oxide), cement kiln dust, lime kiln dust, or mixtures of these alkaline materials. Cement kiln dust is a waste by-product of the cement processing industry. It is known as a substitute for calcium oxide or slaked lime in sewage sludge processes. The composition of cement kiln dust includes SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, Na2O, K2O, and free CaO, with the highest percentage of the components being CaO and SiO2. The potassium, magnesium, calcium and micronutrients, when mixed with waste material, such as sludge from municipal wastewater treatment plants, provide additional nutrients that combine with the nitrogen and phosphorus in the sludge to find useful use as the aforementioned soil conditioners and fertilizer supplements. Lime kiln dust is a by-product of the processing of lime products and has the same properties as quicklime.

Das Kohlendioxid des Verfahrens ist kommerziell erhältlich und wird geliefert in unter Druck stehenden Zylindern oder Tanks. Es kann abgegeben werden entweder als ein Gas oder alternativ, bei der Verwendung eines speziellen Anschlusses, als Kohlendioxid-Körner oder -Flocken, üblicherweise bekannt als "Trockeneis".The carbon dioxide used in the process is commercially available and is supplied in pressurized cylinders or tanks. It can be delivered either as a gas or alternatively, using a special connector, as carbon dioxide granules or flakes, commonly known as "dry ice".

Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden, betrachtet im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart. Man sollte jedoch verstehen, daß die Zeichnung nur zu Veranschaulichungszwecken und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung gedacht ist.Other objects and features of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings which disclose embodiments of the present invention. It should be understood, however, that the drawings are for illustrative purposes only and are not intended as a definition of the limits of the invention.

In der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, ist:In the drawing, where like reference symbols refer to like elements,

Fig. 1 ein Flußdiagramm für die Produktion von sterilisiertem, aufbereitetem Produkt, das aus der verzögerten exothermen Reaktion von Abfallschlamm, Erdalkalioxiden und Kohlendioxid resultiert.Fig. 1 is a flow diagram for the production of sterilized, reprocessed product resulting from the delayed exothermic reaction of waste sludge, alkaline earth oxides and carbon dioxide.

Wenn man sich nun im Detail der Zeichnung zuwendet, zeigt Fig. 1 abgesetzten Schlamm oder entwässerten Schlamm, ein Erdalkalimetalloxid wie etwa Calciumoxid und Kohlendioxid, kontinuierlich zugeführt zu einem Mischer 1, um ein effizientes, genaues Mischen der eingebrachten Materialien zu bewirken. Obgleich das Verfahren in einem diskontinuierlichen Modus durchgeführt werden könnte, wird Mischer 1 vorzugsweise in einem kontinuierlichen Modus betrieben.Turning now to the drawing in detail, Fig. 1 shows settled sludge or dewatered sludge, an alkaline earth metal oxide such as calcium oxide and carbon dioxide, continuously fed to a mixer 1 to effect efficient, accurate mixing of the charged materials. Although the process could be carried out in a batch mode, mixer 1 is preferably operated in a continuous mode.

Der abgesetzte Schlamm oder entwässerte Schlamm enthält im allgemeinen 4% bis 60% Trockensubstanz. Die Erdalkalioxide müssen genügend freie Oxide enthalten, um mit dem freien Wasser des Schlamms exotherm zu reagieren. Von Branntkalk ist z.B. bekannt, daß er einen hohen Calciumoxidgehalt besitzt, bis zu 98%. Kalkofenstaub, ein Nebenprodukt der Kalkverarbeitung, hat ebenfalls dieselben Eigenschaften wie Branntkalk, mit hohem Calciumoxidgehalt. Zementofenstaub hat als seine Hauptkomponente Calciumoxid, mit freiem Calciumoxid im Bereich von im allgemeinen 0% bis 5% der Gesamtmenge. Das Kohlendioxid kann in den Mischer entweder als ein Gas oder als ein Feststoff eingebracht werden. Als ein Gas mischt es sich gut mit anderen Materialien, da das Gas schwerer als Luft ist. Als ein körniger oder schuppiger Trockeneisfeststoff, kann Durchmischen und Dispersion des Kohlendioxids stattfinden, so daß, wenn der Feststoff sublimiert, er in Kontakt steht mit Teilchen des gemischten Materials, wodurch eine gleichförmige Reaktion aller Materialien sichergestellt wird.The settled sludge or dewatered sludge generally contains 4% to 60% dry matter. The alkaline earth oxides must contain sufficient free oxides to react exothermically with the free water of the sludge. Quicklime, for example, is known to have a high calcium oxide content, up to 98%. Lime kiln dust, a by-product of lime processing, also has the same properties as quicklime, with a high calcium oxide content. Cement kiln dust has calcium oxide as its main component, with free calcium oxide generally ranging from 0% to 5% of the total. The carbon dioxide can be introduced into the mixer either as a gas or as a solid. As a gas, it mixes well with other materials because the gas is heavier than air. As a granular or flaky dry ice solid, mixing and dispersion of the carbon dioxide can occur so that when the solid sublimates, it is in contact with particles of the mixed material, ensuring a uniform reaction of all materials.

Es sollte angemerkt werden, daß dieser Schritt der Zugabe von Kohlendioxid als dem ersten Schritt im Gegensatz steht zum U.S. Patent No. 4,997,572 der Anmelderin, in dem Kohlendioxid als der letzte Schritt zugesetzt wird, um mit dem Calciumhydroxid auf der Oberfläche des gebildeten Pellets zu reagieren und eine harte Haut aus Calciumcarbonat auf dem Pellet zu erzeugen. Wenn es als der erste Schritt zugegeben wird, wie in der vorliegenden Erfindung, laufen komplexe Reaktionen ab, die die exotherme Reaktion verzögern, wobei diese Verzögerung vorteilhaft für das Verfahren ist. Luft, die Sauerstoff enthält, wird so von der Reaktion ausgeschlossen und führt zu unerwarteter Wärmefreisetzung, die beträchtlich höher ist als bei denjenigen Verfahren, die gegenwärtig praktiziert werden.It should be noted that this step of adding carbon dioxide as the first step is in contrast to applicant's U.S. Patent No. 4,997,572 in which carbon dioxide is added as the last step to react with the calcium hydroxide on the surface of the pellet being formed and to produce a hard skin of calcium carbonate on the pellet. When added as the first step, as in the present invention, complex reactions occur which retard the exothermic reaction, which retardation is beneficial to the process. Air containing oxygen is thus excluded from the reaction and results in unexpected heat release which is considerably higher than in those processes currently practiced.

Die Bestimmung der Verhältnisse und Durchflussraten einzelner Komponenten der Mischung wird durch Laboranalyse bestimmt. Da die Aufgabe der Erfindung ist, Abfallmaterialien zu nützlichen Produkten umzuwandeln, muß verstanden werden, daß die Abfallmaterialien in der Zusammensetzung in breitem Umfang variieren können. Abfallschlamm kann variierende Trockensubstanz- und Feuchtegehalte aufweisen. Ofenstäube können in breitem Umfang variierenden Oxidgehalt aufweisen, selbst wenn das Material aus derselben Quelle erhalten wird.Determination of the ratios and flow rates of individual components of the mixture is determined by laboratory analysis. Since the object of the invention is to convert waste materials into useful products, it must be understood that the waste materials can vary widely in composition. Waste sludge can have varying dry matter and moisture contents. Furnace dusts can have widely varying oxide contents, even when the material is obtained from the same source.

Zusätzlich können Materialkomponentenverhältnisse variiert werden, in Abhängigkeit von der erforderlichen Produkttrockne oder Endprodukttemperatur, die erforderlich sind, um die Standards der Genehmigungsbehörde zu erfüllen. Z.B. ist Pasteurisierung ein akzeptiertes "Zusatz"-Verfahren, um USEPA-Standards zu erfüllen, wobei besagtes Verfahren Temperaturen von 70ºC für 30 Minuten erfordert, wobei diese Spezifikationen ohne weiteres bei Verwendung des neuen Verfahrens eingehalten werden können.In addition, material component ratios can be varied depending on the required product dryness or final product temperature required to meet the approval agency's standards. For example, pasteurization is an accepted "add-on" process to meet USEPA standards, which process requires temperatures of 70ºC for 30 minutes, and these specifications can be easily met using the new process.

Wegen der vielen Variationen des Abfallmaterials und der gewünschten Variationen des Produktes für verschiedene nützliche Verwendungen wird anfängliches Testen im Labor erforderlich sein, um die richtigen Verhältnisse von Abfallschlamm, alkalischen Materialien und Kohlendioxid zu bestimmen.Because of the many variations in waste material and the desired variations in product for different useful uses, initial laboratory testing will be required to determine the correct ratios of waste sludge, alkaline materials and carbon dioxide.

Für die Wirtschaftlichkeit bei der Branntkalknutzung können Ofenstäube, die Calciumoxid enthalten, als eine Alternative zu Branntkalk oder als eine Zumischung zu Branntkalk verwendet werden, um den notwendigen Gesamtcalciumoxidgehalt bereitzustellen, um stöchiometrisch mit jeweils 0,32 pounds Wasser im Abfallschlammm zu reagieren. Wie zuvor erwähnt, dient der Zementofenstaub (CKD) auch dazu, den Trockensubstanzgehalt des Produktes durch die Reaktion anderer Oxide, wie etwa Magnesiumoxid, die im CKD enthalten sind, zu erhöhen, und liefert auch Nährstoffe für die nützliche Verwendung des Produktes.For economics in quicklime utilization, kiln dusts containing calcium oxide can be used as an alternative to quicklime or as an admixture to quicklime to provide the total calcium oxide content necessary to react stoichiometrically with each 0.32 pounds of water in the waste sludge. As previously mentioned, the Cement kiln dust (CKD) also serves to increase the dry matter content of the product through the reaction of other oxides, such as magnesium oxide, contained in the CKD and also provides nutrients for the beneficial use of the product.

Es sollte auch angemerkt werden, daß, da sich das Kohlendioxidgas im Mischer ausdehnt, es den Mischer mit dem Kohlendioxid abdeckt und dadurch den Zutritt von Luft zum System ausschließt oder minimiert. Wie in dem Fall der Oxide steht die zugesetzte Menge an Kohlendioxid im Verhältnis zum Molekulargewicht der resultierenden Produkte, wie nach den Formeln der chemischen Reaktionen, die im weiteren folgen.It should also be noted that as the carbon dioxide gas expands in the mixer, it covers the mixer with the carbon dioxide, thereby eliminating or minimizing the entry of air into the system. As in the case of the oxides, the amount of carbon dioxide added is proportional to the molecular weight of the resulting products, as shown by the chemical reaction formulas that follow.

Wenn sie aus dem Mischer 1 ausgetragen werden, befinden sich die vermischten Materialien bei ungefähr Raumtemperatur, aber einer Temperatur, die nicht höher ist als 5ºC (10ºF) oberhalb der Raumtemperatur, normalerweise zwischen 20ºC bis 30ºC. (Dieser leichte Anstieg könnte aus dem Mischen der viskosen Materialien resultieren, bei dem elektrische Energie des Antriebs 2 in Wärmeenergie im Produkt umgewandelt wird). Das Aussehen ist eine dunkelgraue, schlammähnliche Zwischenstufe, die kontinuierlich aus dem Mischer 1 nach einer Haltezeit, die im Bereich von 20 Sekunden bis fünf Minuten liegt, ausgetragen wird, wobei die bevorzugte Haltezeit eine Minute beträgt.When discharged from mixer 1, the mixed materials are at approximately room temperature, but a temperature no greater than 5ºC (10ºF) above room temperature, normally between 20ºC to 30ºC. (This slight increase could result from the mixing of the viscous materials, in which electrical energy from the drive 2 is converted to thermal energy in the product). The appearance is a dark gray, slurry-like intermediate, which is continuously discharged from mixer 1 after a holding time ranging from 20 seconds to five minutes, with the preferred holding time being one minute.

Genau gemischte Komponenten werden aus dem Mischer 1 in einen Speicherbehälter 3 ausgetragen, der im weiteren als exotherme Reaktionskammer bezeichnet wird. Die Kammer wird unter Verwendung von Entlüftung 4 entlüftet und steht unter atmosphärischen Druckbedingungen. Das Volumen der exothermen Reaktionskammer muß so ausreichend sein, daß es das ausgetragene Material über einen verzögerten Zeitraum enthält, bis die exotherme Reaktion gestartet und abgeschlossen wird. Zusätzlich sind 100% zusätzliches Volumen der Kammer erforderlich, um eine dramatische Veränderung der Schüttdichte des reagierenden Materials zu erlauben.Properly mixed components are discharged from the mixer 1 into a storage vessel 3, hereinafter referred to as the exothermic reaction chamber. The chamber is vented using vent 4 and is maintained at atmospheric pressure conditions. The volume of the exothermic reaction chamber must be sufficient to contain the discharged material for a delayed period of time until the exothermic reaction reaction is started and completed. In addition, 100% additional volume of the chamber is required to allow a dramatic change in the bulk density of the reacting material.

Luftkissen 5 werden auf den abfallenden Wänden des Austragsabschnitts 6 der exothermen Reaktionskammer bereitgestellt. Luftkissen sorgen für eine Spülung der Kammer mit trockener Luft, um Wasserdampf, überschüssiges Kohlendioxid und schädliche, flüchtige Geruchsstoffe auszuspülen.Air cushions 5 are provided on the sloping walls of the discharge section 6 of the exothermic reaction chamber. Air cushions provide a purge of the chamber with dry air to flush out water vapor, excess carbon dioxide and noxious volatile odorants.

Ein Drehschleusenfeeder 7 trägt das umgesetzte, freifließende Produkt aus der exothermen Reaktionskammer mit einer Materialdurchflußrate aus, die durch einen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit 8 eingestellt wird, proportional zur volumetrischen Druchflußrate von Materialien, die in das System eingebracht werden, und die Abnahme in der Schüttdichte des Produktes ermöglichen.A rotary lock feeder 7 discharges the reacted, free-flowing product from the exothermic reaction chamber at a material flow rate adjusted by a variable speed drive 8, proportional to the volumetric flow rate of materials introduced into the system and allowing the decrease in the bulk density of the product.

Die exotherme Reaktionskammer 3 ist alternativ für Vakuumbetrieb geeignet. Ein weiterer wichtiger Vorteil des neuen Verfahrens ist, daß die Abfallmaterialien unter atmosphärischen Bedingungen, ohne scheinbare Reaktion, genau gemischt und einem Vakuumsystem zugeführt werden können, in dem Verdampfung und Siedepunkt von Wasser, das im Zwischenproduktmaterial enthalten ist, bei niedrigerem Druck heftiger erreicht werden können, wenn die exotherme Reaktion gestartet wird. Z.B. ist es gut bekannt, daß der Siedepunkt von Wasser bei 101325 Pa absolut (14,7 psia) 100ºC (212ºF) beträgt. Bei 34475 Pa absolut (5 psia) beträgt der Siedepunkt 72,2ºC (162,3ºF). Daher muß, wenn die exotherme Reaktionskammer bei 34475 Pa absolut (5 psia) gehalten wird, die exotherme Reaktion, die tatsächlich zu Reaktionstemperaturen bis 203ºC (365,4ºF) in der Lage ist, nur über 72,2ºC (162,3ºF) erreichen, um die Entfernung von Wasser zu bewerkstelligen oder alternativ um die Standards für die Pasteurisierung zu erfüllen.The exothermic reaction chamber 3 is alternatively suitable for vacuum operation. Another important advantage of the new process is that the waste materials can be accurately mixed under atmospheric conditions, without apparent reaction, and fed to a vacuum system in which vaporization and boiling point of water contained in the intermediate material can be more vigorously achieved at lower pressure when the exothermic reaction is started. For example, it is well known that the boiling point of water at 101325 Pa absolute (14.7 psia) is 100ºC (212ºF). At 34475 Pa absolute (5 psia) the boiling point is 72.2ºC (162.3ºF). Therefore, if the exothermic reaction chamber is maintained at 34475 Pa absolute (5 psia), the exothermic reaction which actually takes place must capable of reaction temperatures up to 203ºC (365.4ºF), only reach above 72.2ºC (162.3ºF) to accomplish the removal of water or alternatively to meet the standards for pasteurization.

In einem Beispiel werden, wenn die Bedingungen richtig eingestellt sind, ausreichende Mengen Kohlendioxid in den Schlamm, der gemischt wird, eingebracht, um mit vorhandenem Wasser zu reagieren, um Kohlensäure zu bilden. Anschließend treten, wenn Kohlendioxid eingebracht wird, gleichzeitig Mehrfachreaktionen mit dem Calciumoxid auf, das mit der Kohlensäure reagiert, um hohe Wärmeniveaus freizusetzen, was es ermöglicht, daß die exotherme Reaktion tatsächlich eine Temperatur von 203ºC erreicht. Diese Reaktion ist wie folgt:In one example, when conditions are properly set, sufficient amounts of carbon dioxide are introduced into the slurry being mixed to react with existing water to form carbonic acid. Subsequently, when carbon dioxide is introduced, multiple reactions occur simultaneously with the calcium oxide reacting with the carbonic acid to release high levels of heat, allowing the exothermic reaction to actually reach a temperature of 203ºC. This reaction is as follows:

H&sub2;CO&sub3; + 2CaO = CaCO&sub3; + Ca(OH)&sub2; + hohe WärmeH₂CO₃ + 2CaO = CaCO₃ + Ca(OH)₂ + high heat

Unter Vakuumbetrieb wird die Entlüftung 4 umgewandelt in einen Vakuumanschluß an ein herkömmliches Vakuumpumpsystem. Zusätzlich muß das Verbindungsstück 9, zwischen dem Mischer und der exothermen Reaktionskammer, eine Druckschleuse 10 einschließen, um Vakuumbedingungen aufrechtzuerhalten. Druckschleuse 10 kann eine herkömmliche, motorangetriebene Drehschleuse sein, wenn das durchmischte Zwischenproduktmaterial körnig oder pelletiert ist, oder kann alternativ für pastöses Material eine progressive Hohlraumpumpe sein, wie die kommerziell verfügbare Moyno Pump.Under vacuum operation, the vent 4 is converted to a vacuum connection to a conventional vacuum pumping system. In addition, the connector 9, between the mixer and the exothermic reaction chamber, must include a pressure lock 10 to maintain vacuum conditions. Pressure lock 10 may be a conventional motor-driven rotary lock if the intermediate material being mixed is granular or pelletized, or alternatively, for pasty material, may be a progressive cavity pump such as the commercially available Moyno Pump.

Das resultierende Produkt 11 wird kontinuierlich aus der exothermen Reaktionskammer als ein freifließendes, schmutzigweißes Pulver oder Granulat, im Bereich von 830 µm bis 150 µm (20 mesh bis 100 mesh), ausgetragen, das nach der Reaktion hauptsächlich zusammengesetzt ist aus organischen Bestandteilen und Calciumcarbonat-Bestandteilen, wobei das Calciumcarbonat bevorzugt ist für die Landausbringung, verglichen mit Löschkalk, da es sich langsamer zersetzt, um dem Boden über längere Zeiträume Alkalität zuzuführen.The resulting product 11 is continuously discharged from the exothermic reaction chamber as a free-flowing, off-white powder or granules, in the range of 830 µm to 150 µm (20 mesh to 100 mesh), which after reaction mainly is composed of organic components and calcium carbonate components, with calcium carbonate being preferred for land application compared to slaked lime as it decomposes more slowly to provide alkalinity to the soil over longer periods of time.

Für ein besseres Verständnis der Reaktionen, die ablaufen, und eine Erklärung der heftigen Reaktion, die Temperaturen erzeugt, die den Siedepunkt von Wasser übersteigen, folgt ein Überblick über verschiedene andere chemische Reaktionen, die gleichzeitig ablaufen, wobei einige reversibel sind:For a better understanding of the reactions that occur, and an explanation of the violent reaction that produces temperatures that exceed the boiling point of water, here is an overview of several other chemical reactions that occur simultaneously, some of which are reversible:

1. Calciumoxid (Branntkalk), der zugesetzt wird zu abgesetztem oder entwässertem Schlamm, reagiert mit dem freien Wasser im Schlamm, um Calciumhydroxid plus Wärme zu bilden. CaO + H&sub2;O = Ca(OH)&sub2; + Wärme1. Calcium oxide (quicklime) added to settled or dewatered sludge reacts with the free water in the sludge to form calcium hydroxide plus heat. CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + heat

2. Kohlendioxid reagiert mit freiem Wasser im Schlamm, um Kohlensäure zu bilden. Kohlensäure erreicht jedoch schnell Sättigung und setzt Kohlendioxid frei. CO&sub2; + H&sub2;O = (H&sub2;CO&sub3;)2. Carbon dioxide reacts with free water in the mud to form carbonic acid. However, carbonic acid quickly reaches saturation and releases carbon dioxide. CO₂ + H₂O = (H₂CO₃)

3. Calciumhydroxid, das in Reaktion 1 gebildet wird, reagiert mit Kohlendioxid, um Calciumcarbonat und Wasser zu bilden.3. Calcium hydroxide formed in reaction 1 reacts with carbon dioxide to form calcium carbonate and water.

Ca(OH)&sub2; + CO&sub2; = CaCO&sub3; + H&sub2;OCa(OH)2 + CO2 = CaCO&sub3; + H2O

4. Calciumoxid, oder andere Oxide, die in den Ofenstäuben enthalten sind, reagieren mit Kohlendioxid, um Carbonate zu bilden, wie etwa Calciumcarbonat. Hohe exotherme Wärme wird aus dieser Reaktion erzeugt. CaO + CO&sub2; =CaCO&sub3; + hohe Wärme4. Calcium oxide, or other oxides contained in the furnace dusts, react with carbon dioxide to form carbonates, such as calcium carbonate. High exothermic heat is generated from this reaction. CaO + CO₂ =CaCO₃ + high heat

Es sollte auch angemerkt werden, daß Zwischenstufen, wie etwa Bicarbonate, gebildet werden können, aber diese Reaktionen werden in die Richtung getrieben, daß sie letztendlich zu Carbonaten reagieren.It should also be noted that intermediates such as bicarbonates can be formed, but these reactions are driven in the direction of ultimately reacting to carbonates.

Um das Verfahren weiter durchzugehen, werden im allgemeinen 5 bis 45 Gew.-% Calciumoxid, entweder 100% Calciumoxid oder eine Mischung von Branntkalk und Ofenstaub, die so gemischt ist, daß sie einen reaktiven oxidgehalt von 5 bis 45 Gew.-% aufweist, mit dem Abfallschlamm vereinigt. Die Menge Kohlendioxid wird durch Labortests bestimmt, wobei das Ziel des Labortests ist, die exotherme Reaktion für wenigstens fünf Minuten zu verzögern, wobei die verzögerte exotherme Reaktion die gewünschten Temperaturen erreicht. Im allgemeinen kann diese Menge Kohlendioxid im Bereich von 2 bis 30 Gew.-% von Schlamm plus Calciumoxid liegen, nicht einschließlich der Masse irgendwelcher inaktiver Füllstoffmaterialien, wie etwa inaktiver Nährstoffe, die zu landwirtschaftlichen Zwecken zugesetzt werden.To further the process, generally 5 to 45 weight percent calcium oxide, either 100% calcium oxide or a mixture of quicklime and kiln dust mixed to have a reactive oxide content of 5 to 45 weight percent, is combined with the waste sludge. The amount of carbon dioxide is determined by laboratory testing, the objective of the laboratory testing being to retard the exothermic reaction for at least five minutes, with the retarded exothermic reaction reaching the desired temperatures. Generally, this amount of carbon dioxide can range from 2 to 30 weight percent of sludge plus calcium oxide, not including the mass of any inactive filler materials such as inactive nutrients added for agricultural purposes.

Wenn die vermischten Bestandteile der exothermen Reaktionskammer zugeführt werden, wurde ein überraschendes und unerwartetes pHänomen entdeckt. Nach einer Verzögerung, die im Bereich von fünf bis 20 Minuten liegen konnte, setzt eine heftige exotherme Reaktion ein. Da alle Bestandteile der vermischten Materialien in innigem Kontakt stehen, läuft die Reaktion durch die Masse des gesamten Materials hindurch ab, was eine heftige Bewegung des Materials erzeugt, wenn Gase aus dem umgesetzten Produkt abgehen. Gase sind Wasserdampf, überschüssiges Kohlendioxid, falls überhaupt, und flüchtiges, schädliches, geruchserzeugendes Gas. Die Temperatur, die aus der exothermen Reaktion resultiert, kann Temperaturen erreichen, die 100ºC übersteigen, den Siedepunkt von Wasser. Z.B. wurde eine Temperatur von über 100ºC, bis zu 117ºC, bei atmosphärischen Druckbedingungen erhalten. Eine Temperatur im Bereich von 117ºC bis zu 203ºC kann jedoch ebenfalls erreicht werden. Die Gase werden durch Entlüftung 4 zu herkömmlicher Gaswaschausrüstung abgeführt.When the mixed components are introduced into the exothermic reaction chamber, a surprising and unexpected phenomenon was discovered. After a delay that could range from five to 20 minutes, a violent exothermic reaction begins. Since all components of the mixed materials are in intimate contact, the reaction proceeds through the mass of the entire material, creating violent movement of the material as gases are given off from the reacted product. Gases are water vapor, excess carbon dioxide, if any, and volatile, noxious, odor-producing gas. The temperature resulting from the exothermic reaction can reach temperatures exceeding 100ºC, the boiling point of water. For example, a temperature of over 100ºC, up to 117ºC, has been obtained at atmospheric pressure conditions. However, a temperature in the range of 117ºC up to 203ºC can also be achieved. The gases are discharged through vent 4 to conventional gas scrubbing equipment.

Das resultierende Produkt wandelt sich von einem schlammähnlich aussehenden Material zu einem freifließenden, schmutzigweißen Pulver im Bereich von 830 µm bis 150 µm (20 mesh bis 100 mesh) um. Das Produkt enthält die organischen Bestandteile, Carbonate und Nährstoffe für nützliche Verwendungen. Das Produkt wird durch die Umwandlung von Komponenten im Abfall, die schädliche Stoffe erzeugen, wie etwa Schwefel, zu unlöslichen Sulfatsalzen durch die Reaktion des Sulfat-lons mit Calciumoxid in ein unschädliches Produkt umgewandelt. Auch werden flüchtige, schädliche Geruchsstoffe durch die hohe Temperatur abgetrieben.The resulting product transforms from a mud-like looking material to a free-flowing, off-white powder in the range of 830 µm to 150 µm (20 mesh to 100 mesh). The product contains the organic components, carbonates and nutrients for useful uses. The product is converted to a harmless product by converting components in the waste that produce harmful substances, such as sulfur, to insoluble sulfate salts by the reaction of the sulfate ion with calcium oxide. Also, volatile, harmful odorous substances are driven off by the high temperature.

Das resultierende Produkt kann, falls erforderlich, weiter verarbeitet werden, um eine Vielzahl von Anwendungen zu befriedigen. Das Material mit 830 µm bis 150 µm (20 mesh bis 100 mesh) kann mit anderen Nährstoffen vermischt werden, um seinen Wert als einen Dünger zu verbessern. Auch kann das Produkt, unter Verwendung herkömmlicher Agglomerationsausrüstung, zu Mikropellets, Körnern oder Pellets geformt werden, um einer spezifischen Anwendung gerecht zu werden.The resulting product can be further processed, if necessary, to satisfy a variety of applications. The 830 µm to 150 µm (20 mesh to 100 mesh) material can be blended with other nutrients to enhance its value as a fertilizer. Also, the product can be formed into micropellets, granules or pellets using conventional agglomeration equipment to suit a specific application.

Am wichtigsten ist es, daß das Abfallmaterial mit dem neuen Verfahren gleichmäßig sterilisiert wird. Sterilisierung tritt durch die Hochtemperaturzersetzung von Pathogenen, den hohen Trockensubstanzgehalt, der 90% Trockensubstanz übersteigt (weniger als 10% Feuchte und im allgemeinen weniger als 5% Feuchte) und eine Kombination von Temperatur und Trockne ein, so daß nachweisbar ist, daß das Verfahren ein nützliches Produkt aus Abfalimaterialien erzeugt, wobei das Produkt USEPA-Standards für PFRP, Process to Further Reduce Pathogens, erfüllt oder übersteigt. Ohne Taschen mit hoher Feuchtigkeit kann das Produkt abgepackt und über lange Distanzen, ohne die Angst der Zersetzung, in Drittweltländer versandt werden, um nützliche Verwendung für arides und nicht produktives Land bereitzustellen.Most importantly, the waste material is uniformly sterilized with the new process. Sterilization occurs through the high temperature decomposition of pathogens, the high dry matter content, which exceeds 90% dry matter (less than 10% moisture and generally less than 5% moisture) and a combination of temperature and dryness such that the process can be demonstrated to produce a useful product from waste materials, with the product meeting or exceeding USEPA standards for PFRP, Process to Further Reduce Pathogens. Without high moisture bags, the product can be packaged and shipped long distances to third world countries without fear of decomposition to provide useful uses for arid and non-productive land.

Claims

1. A process for sterilizing, conditioning and drying waste materials which, after alkaline sterilization, could have value as a fertilizer supplement or soil conditioner, such as sludge from sewage treatment plants, animal excrement, processed waste, the process comprising the steps of:

Allowing the waste material to settle and/or dewater to a moisture content of between 4 and 60% by weight of dry matter;

Mixing and reacting the waste material with alkaline earth metal oxides or mixtures thereof and with carbon dioxide to substantially exclude oxygen from the mixed components, wherein said reactant carbon dioxide also retards the exothermic reaction between the components;

removing excess carbon dioxide following the mixing and reacting step and allowing the ingredients to undergo an exothermic reaction between the water, the alkaline earth oxides and carbon dioxide, the temperature resulting from the exothermic reactions rising from room temperature and exceeding the boiling point of the liquids entrained in the mixed ingredients;

Allowing the components to move and releasing water vapor from the particles of the components to allow that the components undergo sterilization due to the relatively high temperature caused by the exothermic reaction; and

Discharge of the converted product.

2. The process of claim 1, wherein said step of mixing and reacting is carried out in a mixing vessel (1), wherein said mixed ingredients are allowed to flow from the mixing vessel (1) into a reaction chamber (3) at atmospheric pressure in the presence of oxygen, thereby causing said exothermic reaction to be initiated after a total holding time in the system comprising the mixing vessel and the reaction chamber in the range of 5 to 20 minutes.

3. The process of claim 2, wherein said alkaline earth metal oxides added to the mixer-reactor system are selected from the group comprising calcium oxide (quicklime), kiln dusts such as cement kiln dust or lime kiln dust, or mixtures of the foregoing materials.

4. The process of claim 2, wherein said step of mixing takes place at room temperature, normally between 20ºC to 30ºC.

5. The method of claim 2, wherein in said mixing step, said carbon dioxide is in the form of a gas or alternatively in the form of a solid (dry ice), which solid sublimates to carbon dioxide gas, said CO₂ being in the range of 2 to 30% by weight of the mixed ingredients in the mixer (1).

6. The method of claim 2, which comprises purging with dry air and venting the vapors and gases from the fully sealed reaction chamber (3) and allowing said vented gases to be scrubbed in a conventional gas scrubber to thereby render the vapors and gases harmless.

7. The method of claim 6, wherein the vapors and gases are extracted by a vacuum system (4), thereby enabling conventional washing to be fully completed without releasing harmful odors into the atmosphere.

8. The method of claim 7, wherein the pressure of said reaction chamber (3) is a vacuum, thereby enabling the evaporation of liquid at lower temperatures.

9. The method of claim 2, wherein the ratios of the ingredients introduced into the mixer (1) can be varied to result in ingredients having a moisture content of between 50% moisture to less than 10% moisture.

10. The method according to claim 2, wherein the temperature range of the reacted components in the reaction chamber (3) is between 100°C to 203°C during the exothermic reaction.

11. The process according to claim 2, wherein the temperature range of the reacted components in the reaction chamber (3) is between 100°C to 117°C during the exothermic reaction.

12. The process according to claim 2, wherein the temperature range of the reacted components in the reaction chamber (3) is between 117ºC to 203ºC during the exothermic reaction.

13. A process according to claim 1, carried out under conditions such that said reacted product has a moisture content of 10% or less and is free from pathogens and microorganisms.