ES2714579T3 - Sistemas y métodos para convertir y procesar lodos orgánicos para la producción de fertilizantes multinutrientes de mayor eficiencia, de gránulo acumulado único - Google Patents

Abstract

Un proceso para convertir un lodo heterogéneo deshidratado que contiene materiales de desecho orgánicos en un extracto homogéneo de carbono y aminoácidos para ser utilizado en un proceso de producción de reactor de tubo de fertilizante granulado, el proceso de conversión comprende: bombear un lodo deshidratado heterogéneo que incluye de 13% a 45% de sólidos; agregar ácido sulfúrico al lodo en una cantidad suficiente para causar que el pH de la mezcla resultante sea menor de 1; bombear la mezcla a través de al menos un mezclador de mezcla estática en línea para mezclar el lodo con el ácido sulfúrico para reducir la viscosidad de la mezcla a menos de aproximadamente 5.000 centipoises; agregar productos químicos acondicionadores a la mezcla para causar que el extracto creado tenga un potencial de reducción de oxidación mayor de 250 mV; bombear la mezcla a través de al menos un mezclador de cizallamiento estático en línea para mezclar los productos químicos de acondicionamiento en la mezcla, esterilizar sustancialmente la mezcla de patógenos y eliminar sustancialmente grumos en la mezcla; y agitar mecánicamente la mezcla durante un tiempo de envejecimiento para crear el extracto homogéneo.

Description

DESCRIPCION

Sistemas y metodos para convertir y procesar lodos organicos para la produccion de fertilizantes multinutrientes de mayor eficiencia, de granulo acumulado unico

Campo tecnico

La divulgacion se refiere a sistemas y metodos para procesar y convertir lodos organicos (es decir, material de desecho organico heterogeneo) en precursores que incluyen carbono y aminoacidos e x ^ d o s de desechos organicos, tales como lodo de desechos de tratamiento de aguas residuales municipales y estiercol porcino para la produccion de fertilizantes multinutrientes de mayor eficiencia, de granulo acumulado unico, y de fertilizantes multinutrientes de mayor eficiencia, de granulo acumulado unico que minimicen las perdidas de nitrogeno de la tierra a la atmosfera y de la tierra al agua y cumplan con las nuevas regulaciones para el manejo de nutrientes como lo exige la United States Enviromental Protection Agency y el United State Department of Agriculture.

Antecedentes de la invencion

Los estudios agncolas realizados por cientificos de la Universidad de Illinois en suelos han demostrado que “los fertilizantes nitrogenados agotan el carbono organico del suelo al tiempo que causan una disminucion en el crecimiento y rendimiento del mafz”. Investigadores de la Universidad de Rice y la Universidad Estatal de Michigan han demostrado que “ la fertilizacion excesiva del mafz con fertilizante nitrogenado reduce la produccion de etanol”. Investigaciones de la Universidad de Zurich determinaron que “los suelos almacenan tres veces mas carbono que las plantas y la atmosfera. La materia organica del suelo desempena un papel clave en el ciclo global del carbono, ya que almacena cantidades significativas de carbono y, por lo tanto, contrarresta el calentamiento global y el Protocolo de Kyoto permite a los pafses signatarios contar los suelos como los llamados sumideros de carbono". The Chartered Institute of Water and Environmental Management emitio una declaracion de posicion sobre "la necesidad de reciclar el fosforo de las plantas de tratamiento de aguas residuales". Los agronomos de todo el mundo han determinado que "existe una importante deficiencia de azufre en los suelos de las granjas y cuanto menor es la cantidad de carbono en el suelo, mas probable es que se produzcan deficiencias de azufre". Los nutricionistas y los agronomos determinaron que " existe una importante deficiencia global de zinc en la mayona de los suelos, lo que provoca una disminucion en el rendimiento de los cultivos y una grave deficiencia de zinc en los ninos". Las tasas de aplicacion de zinc son relativamente pequenas, por lo que es casi imposible aplicar una distribucion uniforme sobre cada acre agncola. Para agregar material organico a partir de lodos de alcantarillado y estiercol animal se requiere un producto que tenga caractensticas ffsicas y qmmicas similares o mejores a las de los fertilizantes comerciales para los cuales existen estandares espedficos. Sin embargo, la mayona o la totalidad de los productos producidos a partir de lodos de depuracion y estiercol animal no pueden ser transportados, almacenados o aplicados a traves de la infraestructura de fertilizantes de distribucion estandar establecida. La mayona de los agricultores y asesores de seguridad alimentaria, asociaciones de pruebas y laboratorios de pruebas requieren que los lodos de depuracion y/o los abonos animales sean esterilizados antes de su uso en cultivos de cadenas alimenticias. IFDC, el lfder en produccion de plantas piloto de fertilizantes independientes e investigacion de cultivos, llevo a cabo un importante estudio para determinar las caractensticas de lixiviacion y volatilizacion de la urea y el fertilizante multinutriente de mayor eficiencia de granulo acumulado unico producido a traves del presente proceso. Los resultados proporcionaron diferencias significativas y demostraron que los fertilizantes fertilizantes multinutrientes de mayor eficiencia de granulo acumulado unico lixiviaron y volatilizaron significativamente menos que la urea, por lo que proporcionaron mas nutrientes en las zonas de raroes del cultivo a costos reducidos de fertilizante.

Existen instalaciones de tratamiento de aguas residuales primarias, secundarias y/o terciarias para aguas residuales domesticas (es decir, que sirven a los municipios, ciudades, condados, autoridades), aguas residuales de ganado (por ejemplo, de tratamiento de cerdos, ganado vacuno, desperdicios de pollo), aguas residuales comerciales e industriales (por ejemplo, tratamiento de procesamiento farmaceutico, de procesamiento de alimentos, y similares), que producen un flujo de lfquido y material de desecho solido. Estas instalaciones de tratamiento de aguas residuales producen material de desecho organico solido en forma de lodos no digeridos, lodos digeridos, lodos parcialmente digeridos, lodos lfquidos, lodos deshidratados y similares.

Las instalaciones de tratamiento de aguas residuales generalmente tratan y luego separan las corrientes de desechos lfquidos del material de desechos organicos. Inicialmente, el material de desecho organico tiene tfpicamente un contenido de solidos de aproximadamente 0,5% a aproximadamente 10% en peso, y se denomina lodo lfquido. El lodo lfquido se puede deshidratar utilizando diversos tipos de equipos de deshidratacion, que incluyen pero no se limitan a filtros de vado, prensas de tornillo, prensas de placa y marco, prensas de filtro de banda y centrifugadoras para formar un lodo deshidratado con un contenido tfpico de solidos de aproximadamente 13% a aproximadamente 45 % en peso.

Los documentos de patente de los Estados Unidos US 2005/175516A1, internacional WO 01/68562A2, de los Estados Unidos US 2011/154873A1 e internacional WO 2006/091645A2 describen un numero de varios aparatos, metodos y procesos para tratar los lodos de desechos organicos

Los polfmeros de deshidratacion qmmica se utilizan para maximizar la liberacion de agua del material de desecho organico durante la deshidratacion. Los polfmeros de deshidratacion qmmica son floculantes organicos sinteticos que actuan sobre las cargas electricas de los solidos para aumentar los enlaces de coagulacion que mejoran la liberacion de agua del material de desecho solido organico de lodo y dan como resultado una mayor concentracion de solidos en el material deshidratado. Los polfmeros de deshidratacion qmmica crean un material deshidratado con caractensticas de alta viscosidad que da como resultado un material que no es fluido y, por lo tanto, dificil de bombear, y que sigue teniendo un bajo potencial de reduccion de la oxidacion (ORP) y puede ser oloroso.

Existen procesos tradicionales de fabricacion de fertilizantes para generar y/o mezclar y combinar uno o mas fertilizantes (por ejemplo, fosfato monoamonico (MAP), fosfato diamonico (DAP), sulfato amonico (AS), sulfato de fosfato de amonio, mezclas de NPK) a traves de pasos que pueden incluir hacer reaccionar un material o materiales, granular el material reaccionado con o sin otros fertilizantes lfquidos o solidos, y secar el material granulado o los materiales mezclados o combinados.

Los pafses industrializados y en desarrollo en todo el mundo tienen una necesidad importante de aumentar la produccion de cultivos, aumentar los rendimientos de los cultivos junto con la calidad de los cultivos y reducir la lixiviacion y volatilizacion del nitrogeno de los fertilizantes al mismo tiempo que reciclar el fosforo y los desechos organicos generados por seres humanos y animales. El material de desecho organico se genera principalmente a partir de lodos recibidos de instalaciones de tratamiento de aguas residuales domesticas, instalaciones de tratamiento de estiercol de ganado e instalaciones de tratamiento de aguas residuales industriales. El lodo deshidratado producido por tales instalaciones es generalmente viscoso (viscosidad tfpica superior a 500.000 centipoises y hasta 2.000.000 centipoises), lo que dificulta la produccion de un producto consistente, fluido, sin olor y sin combustion, directamente a partir de lodo deshidratado. Los productos que se producen directamente a partir de lodos deshidratados son generalmente de baja calidad y, en general, no cumplen con los estandares de fertilizantes comerciales segun se definen en el Manual for Determining Phyisical Properties of Fertiliser, 2a edicion (International Fertilizer Development Center (IFDC), febrero de 1993) y los estandares de la Association of America Plant Food Control Official (AAPFCO). Ademas, debido a que los lodos deshidratados se generan a partir de una variedad de instalaciones diferentes, cada una con flujos de desechos y procesos de tratamiento potencialmente diferentes, los lodos deshidratados generalmente son de naturaleza heterogenea.

Los siguientes son algunos de los principales problemas qmmicos, biologicos, ffsicos, economicos, logfsticos y operacionales de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales existentes que impiden el reciclaje eficiente y rentable de material de desecho organico: incapacidad para procesar materiales de desecho de multiples y variadas fuentes; incapacidad para eliminar sustancialmente los patogenos y el olor en los materiales tratados; incapacidad para producir un material tratado que sea fluido; y/o incapacidad para producir un material tratado libre de combustion, libre de olor y polvo y que sea homogeneo; incapacidad para producir un fertilizante que cumpla con las especificaciones de un fertilizante comercial, y ademas los estandares del Manual for Determining Physical Properties of Fertiliser, 2a edicion y los estandares de la Association of American Plant Food Control Officials (AAPFCO).

Existe la necesidad en la tecnica de un proceso eficiente para aliviar todos estas cuestiones y problemas. El presente proceso y el sistema de granulacion de reactores de tubo producen fertilizantes multinutrientes de gran eficiencia de granulo acumulado unico que superan estas cuestiones y problemas. El fertilizante de multiples nutrientes de gran eficiencia y granulado acumulado unico producidos a traves del presente proceso y el sistema de granulacion del reactor de tubo extrae carbono y aminoacidos de los desechos organicos y los utiliza como precursores para producir la nueva generacion de "fertilizantes de eficiencia mejorada". El presente proceso utiliza el equipo de granulacion de reactores de tubo que es vital y necesario para completar la conversion qmmica y la esterilizacion para la produccion de fertilizantes de multiples nutrientes de gran eficiencia de granulo acumulado unico.

Compendio de la invencion

En una realizacion, se describe un proceso para convertir un lodo heterogeneo deshidratado que contiene materiales de desecho organicos en un extracto homogeneo de carbono y aminoacidos para usar en un proceso de produccion de fertilizantes de reactor de tubo granulador. El proceso de conversion comprende los pasos de bombear un lodo deshidratado heterogeneo que incluye de aproximadamente 13% a aproximadamente 45% de solidos; agregar acido sulfurico al lodo en una cantidad suficiente para causar que el pH de la mezcla resultante sea menor de aproximadamente 1; bombear la mezcla a traves de al menos un mezclador de mezcla estatica en lmea para mezclar el lodo con el acido sulfurico para reducir la viscosidad de la mezcla a menos de aproximadamente 5.000 centipoises; agregar productos qmmicos acondicionadores a la mezcla para causar que el extracto creado tenga un potencial de reduccion de la oxidacion mayor de aproximadamente 250 mV; bombear la mezcla a traves de al menos un mezclador de cizallamiento estatico en lmea para mezclar los productos qmmicos de acondicionamiento en la mezcla, para sustancialmente esterilizar la mezcla de patogenos y eliminar sustancialmente los grumos de la mezcla; y agitar mecanicamente la mezcla durante un tiempo de envejecimiento para crear el extracto homogeneo.

En otra realizacion, se describe un sistema de conversion de lodos para convertir un lodo heterogeneo que contiene materiales de desecho organicos en un extracto homogeneo de carbono y aminoacidos para usar en un sistema de produccion de fertilizante en un reactor de tubo granulador. El sistema de conversion comprende una bomba de desplazamiento positivo configurada para bombear un lodo deshidratado que incluye de aproximadamente 13% a aproximadamente 45% de solidos; al menos un mezclador de mezcla estatica en lmea configurado para recibir los lodos de la bomba y mezclar los lodos con acido sulfurico para reducir el pH de la mezcla resultante a menos de aproximadamente 1 y la viscosidad de la mezcla resultante a menos de aproximadamente 5.000 centipoises; al menos un mezclador de cizallamiento estatico en lmea configurado para recibir la mezcla del mezclador de mezcla estatica y para mezclar la mezcla con productos qmmicos acondicionadores, para causar un potencial de reduccion de la oxidacion mayor de 250 mV, para sustancialmente esterilizar sustancialmente la mezcla de patogenos y para eliminar sustancialmente grumos en la mezcla; un sensor del proceso configurado para medir el potencial de reduccion de la oxidacion corriente abajo del mezclador de cizalla estatico en lmea, un tanque de envejecimiento configurado para recibir la mezcla del mezclador de cizalla estatico en lmea y agitar la mezcla para mantener la homogeneidad de la mezcla mientras que la mezcla envejece para llegar a ser el extracto; y una bomba de trasferencia configurada para llevar el extracto del tanque de envejecimiento al sistema de produccion del fertilizante.

La presente invencion puede asistir en un proceso para convertir un lodo homogeneo deshidratado que contiene materiales de deshecho organicos en un fertilizante granulado. Siguiendo los pasos del proceso descritos anteriormente, pasos adicionales pueden ser bombear el extracto en un reactor de tubo cruzada para su reaccion con un acido y una base para formar un fundido; evaporar agua del fundido como vapor; enrollar el fundido en partmulas finas recicladas para formar granulos acumulados; y secar los granulos acumulados para formar un fertilizante granular.

La presente invencion puede asistir tambien en un sistema para convertir un lodo homogeneo deshidratado que contiene materiales de desecho organicos en un fertilizante granular. Siguiendo el sistema de conversion del lodo descrito anteriormente el sistema para el fertilizante granular puede ademas comprender una bomba de trasferencia configurada para bombear el extracto del tanque de envejecimiento; un reactor de tubo configurado para recibir el extracto desde la bomba de trasferencia y para mezclar el extracto con un acido y una base para formar un fundido; un granulador configurado para eliminar rapidamente el agua del fundido y enrollar el fundido en finas partmulas para formar granulos acumulados; y un secador para secar los granulos acumulados para formar el fertilizante granular.

La presente invencion puede proporcionar un fertilizante granular organicamente mejorado de nitrogeno, fosforo y azufre. El fertilizante comprende al menos aproximadamente el 0,5% en peso de carbono total y aminoacidos; y tiene un tamano de granulo acumulado mayor o igual a aproximadamente 1,7 mm. El fertilizante no es combustible en una prueba de combustion de nube de polvo realizad saegún el metodo de prueba estandar ASTM E1226.

Breve descripción de los dibujos

Para fines de ilustracion, se muestran en los dibujos realizaciones que se prefieren actualmente; entendiendose, sin embargo, que esta invencion no esta limitada a las disposiciones y construcciones precisas particularmente mostradas.

La FIG. 1 es un diagrama de flujo del proceso de una realización de un sistema y proceso para convertir los lodos que se suministran a un sistema y proceso de produccion de fertilizantes granulares.

La FIG. 2 es un diagrama de flujo del proceso de una realización de un sistema y proceso para hacer fertilizante granular utilizando lodos convertidos producidos a partir de un sistema y proceso como se ilustra en la FIG.1 para producir un fertilizante granular de nitrogeno, fosforo y azufre mejorado organicamente.

Las FIGs. 3A y 3B son graficos de datos para la incubacion de un producto fertilizante de nitrogeno-fosforo-azufre mejorado organicamente como se describe en este documento en comparacion con fertilizantes alternativos.

Las FIGs 4A, 4B, 4C y 4D son graficos de datos de perdidas por volatilizacion de un producto fertilizante de nitrogenofosforo-azufre mejorado organicamente como se describe en este documento en comparacion con fertilizantes alternativos en varios tipos de suelos.

Las FIGs 5A y 5B son graficos de datos para perdidas de lixiviacion de un producto fertilizante de nitrogeno-fosforoazufre mejorado organicamente como se describe en este documento en comparacion con fertilizantes alternativos en diferentes tipos de suelos.

Las FIGs 6A y 6B son graficos que ilustran datos para tasas de crecimiento de arroz trasplantado utilizando un producto fertilizante de nitrogeno-fosforo-azufre mejorado organicamente como se describe en este documento en comparacion con fertilizantes alternativos.

Las FIGs 7A, 7B y 7C son graficos que ilustran datos para el rendimiento de trigo usando un producto fertilizante de nitrogeno-fosforo-azufre mejorado organicamente como se describe en este documento en comparacion con fertilizantes alternativos.

Descripcion detallada de la invencion

Una realización de un sistema y proceso de conversion de lodos se muestra esquematicamente en la FIG. 1, y un ejemplo de un sistema y proceso de granulacion de fertilizante que usa lodos convertidos por el sistema de conversion de lodos, se muestra esquematicamente en la FIG.2. Ambos procesos son procesos continuos, aunque el sistema de conversion de lodos incluye un tanque de envejecimiento en su extremo de corriente abajo, de manera que los lodos convertidos pueden mantenerse durante un penodo de tiempo antes de ser alimentados al sistema de granulacion del fertilizante.

El proceso descrito en este documento va en contra del paradigma actual que trata solamente los materiales de desechos organicos por secado y reduciendo su volumen. Dicho tratamiento no elimina los patogenos ni evita la combustion de los lodos secos resultantes. En cambio, en el proceso descrito en este documento, los desechos organicos se convierten en un extracto de carbono y aminoacidos que se puede usar como un aditivo de un proceso para producir un producto fertilizante que es inodoro, no tiene patogenos detectables y es incombustible.

El sistema de conversion de lodos recibe lodos deshidratados, por ejemplo, de multiples plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, y convierte los lodos en un extracto homogeneo de carbono y aminoacidos. El extracto se utiliza luego como ingrediente de la materia prima y como ayuda de enfriamiento/granulacion en la produccion de fertilizantes comerciales inorganicos mejorados organicamente. El extracto se puede utilizar como materia prima para las instalaciones de produccion existentes de sulfato amonico, fosfato diamonico, fosfato de monoamonio y nitrogenofosforo-potasio para producir una gama de productos fertilizantes. Preferiblemente, el extracto se suministra a un sistema de granulacion de fertilizante de reactor cruzado de tubo (PCR) estandar para producir un fertilizante granular.

El resultado neto del sistema de conversion de lodos es un extracto que tiene una viscosidad reducida en comparacion con los lodos deshidratados sin procesar, no tiene olor esencialmente, no tiene componentes de combustibilidad sustancialmente y esta libre de patogenos con una certificacion internacional NSF. Se sabe que el lodo contiene de 60%-80% de combustibles, 30%-45% de carbono, 10%-40% de protemas y 5%-20% de celulosa. Los procesos anteriores hacen poco mas que lodos secos al eliminar el agua. Sin embargo, el lodo seco sigue siendo combustible y, por lo tanto, no es apto para su distribucion a traves de la infraestructura estandar de distribucion de fertilizantes global establecida. Por el contrario, el extracto obtenido mediante los procesos descritos en este documento, cuando se usa como materia prima para un sistema de granulacion de fertilizante de reactor de tubo cruzado (PCR) estandar, produce un fertilizante que no es combustible y, por lo tanto, se puede distribuir en todo el mundo utilizando la infraestructura de distribucion de fertilizantes establecida.

El sistema de conversion de lodos puede recibir lodos deshidratados que tienen entre aproximadamente el 13% y aproximadamente el 45% de solidos. El sistema es preferiblemente un sistema de procesamiento de flujo continuo sellado en lmea. La conversion del lodo asegura la eliminacion de grumos al utilizando tanto mezcladores de mezcla como mezcladores de cizalla en serie en la lmea. Los mezcladores incluyen elementos internos que crean una mezcla y cizallamiento intensos para maximizar el contacto qrnmico con todas las partmulas de lodo, lo que permite la reaccion completa de un oxidante como el acido sulfurico con el lodo y la esterilizacion de patogenos sustancialmente completa.

El sistema de conversion de lodos se controla para que el extracto cumpla con ciertos criterios, cuyos parametros se monitorizan. Primero, el extracto tiene un pH de menos de 2 antes de transferir al proceso de granulacion. El pH puede medirse, por ejemplo, con una sonda en lmea y confirmarse con muestras de laboratorio. En segundo lugar, el potencial de reduccion de la oxidacion (ORP) del extracto es superior a 300 mV. El ORP puede medirse con una sonda en lmea y confirmarse con muestras de laboratorio. En tercer lugar, la viscosidad del extracto es inferior a 5.000 centipoises (cP). La viscosidad puede medirse con dispositivos de medicion en lmea y confirmarse con muestras de laboratorio. En cuarto lugar, la temperatura de la reaccion exotermica del acido sulfurico durante el procesamiento debe alcanzar al menos 54° C. La temperatura se puede medir con una sonda en lmea y se puede confirmar con muestras de laboratorio.

Los pasos operativos y el equipo del sistema de conversion de lodos se describiran con mas detalle a continuacion. En resumen, el sistema incluye los siguientes pasos, en secuencia. En primer lugar, los lodos deshidratados se reciben de un sistema de transporte, como camiones de volteo, remolques de descarga o contenedores intermodales. El lodo se ha deshidratado a una concentracion de solidos que vana de aproximadamente 13% a aproximadamente 45% de solidos (con un promedio de aproximadamente 15% a aproximadamente 17%). A continuacion, el lodo se transfiere a una tolva de fondo vivo y se transporta mediante un transportador de tomillo hacia la garganta de una bomba de piston de desplazamiento positivo. El lodo se bombea a traves de al menos un mezclador estatico en lmea (mezclando) junto con un primer oxidante qmmico (acido sulfurico), y luego a traves de al menos un mezclador estatico en lmea (cizalla) mientras se agrega agua mas otros posibles productos qmmicos acondicionadores (tfpicamente acido sulfurico adicional), acido fosforico, acido acetico, acido peracetico, peróxido de hidrógeno, sulfato ferrico lfquido, sulfato de zinc Kquido), si es necesario, y luego se bombea a traves de un tubo en un tanque de almacenamiento con mezcla mecanica. Despues, el lodo se envejece en un tanque de almacenamiento de mezcla continua para completar el proceso de conversion y producir el extracto de carbono y aminoacidos. El extracto homogeneo almacenado se puede bombear a un tanque de dfa cuando sea necesario para suministrarlo a un sistema de granulacion de fertilizante.

En la realización de un sistema de conversion de lodo 100 mostrado en la FIG. 1, el siguiente equipo esta dispuesto en secuencia: un deposito o tolva de fondo vivo 10 para recibir lodos deshidratados, uno o mas transportadores de tornillo 14 para mover los lodos deshidratados de la tolva 10, una bomba de desplazamiento positivo 20 para bombear el lodo deshidratado, un primer mezclador estatico 30 para mezclar el acido (inyectado a traves de la valvula 22) con el lodo, un segundo mezclador estatico 40 para mezclar productos qmmicos acondicionadores y agua (inyectado a traves de la valvula 34) en el lodo, al menos un tanque de envejecimiento del extracto 60, una bomba de transferencia 70 para transferir el extracto del tanque de envejecimiento 60 a un tanque de dfa 80, y una bomba de alimentacion 90 para bombear extracto del tanque de dfa 80 a un sistema de granulacion de fertilizante. Una bomba de recirculacion 62, permite que el extracto se transfiera de un tanque a otro y se recircule dentro de cada tanque.

A traves de la siguiente descripción, se describe un conjunto de equipos de ejemplo, aunque se entiende que el sistema de conversion de lodos 100 y el proceso pueden escalarse a un sistema mas grande o mas pequeno segun se requiera. El sistema de conversion de lodo 100 se dimensiona en funcion de la salida del fertilizante granulado deseado de un sistema de granulacion de fertilizante 200 (como se describe a continuacion con referencia a la FIG.

2), ya que el extracto a la salida del sistema de conversion de lodo 100, es una entrada de ingrediente principal en el sistema de granulacion del fertilizante 200 (que se muestra en la FIG. 2). Por ejemplo, un sistema de granulacion del fertilizante 200 que produce al menos 1.100 toneladas cortas por dfa ("stpd") (1000 toneladas metricas por dfa) de fertilizante granulado consumina aproximadamente 1.210 stpd de extracto por dfa, basado en una relacion de alimentacion del proceso 1:1 (es decir, un sistema de granulacion de fertilizante 200 que produce 1 tonelada seca de fertilizante granulado por cada 1,1 toneladas humedas de extracto suministrado). Esto se traduce en aproximadamente 1.030 stpd de lodos deshidratados suministrados con un 15% de solidos (o 620 stpd con un 25% de solidos), teniendo en cuenta las adiciones qmmicas durante el proceso de acondicionamiento. Por supuesto, si la relacion de diseno cambia (es decir, si el proceso de granulacion del fertilizante hace un uso mas o menos eficiente del extracto), el tamano del sistema de conversion de lodo 100 debe ajustarse en consecuencia.

Cuando el lodo deshidratado llega en un camion de descarga o contenedor de descarga, se descarga en una tolva receptora de fondo vivo 10. El tamano y la cantidad de tolvas 10 se pueden seleccionar para lograr la cantidad deseada de horas por dfa de operacion y capacidad de procesamiento del proceso. Por ejemplo, para poder manejar dos volquetes de 20 a 25 toneladas que llegan simultaneamente y vacfan sus cargas en 15 minutos, se pueden usar hasta cuatro pares de tolvas 10, cada tolva 10 tiene una capacidad de 50 toneladas y es capaz de vaciar una carga de 20 toneladas en 25 minutos. Un sistema de hasta cuatro pares de tolvas podna manejar aproximadamente 1.030 toneladas por dfa de un 15% de lodos deshidratados.

En este punto, el lodo deshidratado en las tolvas 10 contiene aproximadamente de 13% a aproximadamente 45% de solidos, y por lo tanto es oloroso. El lodo tambien contiene cantidades significativas de grumos y material fibroso, por lo que la viscosidad es muy alta, generalmente del orden de 500.000 centipoises o mas, y podna ser tan alta como 2.000.000 centipoises.

En las tolvas 10, el lodo se mezcla y se mueve a una serie de transportadores de tornillo sin eje de descarga 14 mediante multiples tornillos en espiral o sinfines 12 internos a la parte inferior de la tolva 10. Los motores de la tolva y del transportador de tornillo son preferiblemente de velocidad variable para facilitar el ajuste de flujo con equipos de procesamiento corriente abajo. Por ejemplo, los transportadores de tornillo pueden configurarse con dos transportadores 14 que sirven a cada par de tolvas 10 y estan dimensionados para transportar una carga de hasta 20 toneladas en 25 minutos.

Los transportadores de tornillo 14 transfieren el lodo deshidratado a la bomba 20 que alimenta el resto del sistema de acondicionamiento corriente abajo al tanque de envejecimiento 60. Para poder manejar el lodo deshidratado viscoso, la bomba 20 es preferiblemente una bomba de desplazamiento positivo del tipo de garganta abierta. Sobre la base de una transferencia de carga de 20 toneladas en 25 minutos, la bomba 20 se dimensionana para bombear al menos unos 200 galones por minuto. Se pueden organizar multiples bombas en paralelo si es necesario. La bomba 20 es accionada preferiblemente por un accionamiento hidraulico de velocidad variable para acomodar las variaciones deseadas en la velocidad de alimentacion. Preferiblemente, la bomba 20 es una bomba de piston.

El lodo bombeado se transporta preferiblemente a traves del proceso de tratamiento en tubenas que pueden soportar las mismas condiciones de presion que la bomba 20, es decir, condiciones muy acidas (por ejemplo, pH inferior a 1) y altas temperatures (por ejemplo, por encima de 50° C). Por ejemplo, la tubena puede estar hecha de acero inoxidable tipo 316. El caudal de lodo determinara el tamano de la tubena. Por ejemplo, 760 litros (200 galones) por minuto de alimentacion de lodos requerinan aproximadamente una tubena de 35 cm (14 pulgadas) de diametro.

A continuacion, se inyecta un oxidante qmmico en la corriente de lodo deshidratado para iniciar el proceso que neutraliza los compuestos de olor al hacer que el ORP aumente por encima de los 300 mV, se reduce la viscosidad, se elimina la combustion y se homogeniza el material. El oxidante qmmico se agrega a los lodos justo antes del primer mezclador estatico 30.

Preferiblemente, el oxidante qmmico es un acido a una velocidad de alimentacion de aproximadamente 1% a aproximadamente 50% en peso de los materiales de desecho, preferiblemente 10% en peso. Por ejemplo, una velocidad de alimentacion de acido de 7,6 litros por minuto (20 gpm) puede corresponder a una velocidad de lodo bombeado de 760 litros por minuto (200 gpm). Preferiblemente, el acido es acido sulfurico en un grado de 93% o mas. Mas preferiblemente, el acido es acido sulfurico en un grado de aproximadamente 98%. Mas preferiblemente, se anade una combinacion de acido sulfurico y acido fosforico en cantidades de aproximadamente 10% en peso de acido sulfurico y aproximadamente 2% en peso de acido fosforico. El acido se puede anadir a los lodos mediante bombeo. Preferiblemente, el acido se agrega mediante bombas dosificadoras qmmicas que pueden aplicar presiones de hasta 1.400 kPa (200 psi). El pH inicial del lodo, tfpicamente en el intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 6, se reduce mediante la adicion de acido a un pH de aproximadamente 1 a aproximadamente 2. El acido ayuda a oxidar, hidrolizar, fluidificar y esterilizar el material de desecho organico en el lodo. En adicion al acido, se puede agregar agua al lodo a una concentracion de aproximadamente 1% a aproximadamente 50% en peso, preferiblemente aproximadamente 7,5% en peso, para ayudar a fluidificar el lodo.

La temperatura de los lodos se controla mediante un sensor de temperatura 32 ubicado en o cerca del extremo de corriente abajo del primer mezclador estatico 30. Preferiblemente, los lodos alcanzaran una temperatura de al menos aproximadamente 54° C en el momento en que salen del primer mezclador estatico 30, para garantizar que muchos de los componentes biologicamente activos de los lodos se neutralicen. Se puede usar cualquier mezclador estatico disponible comercialmente.

El lodo bombeado, mezclado con el oxidante qmmico, continua corriente abajo hasta el primer mezclador estatico 30. El primer mezclador estatico 30 es un mezclador de mezcla estatica disenado para dispersar el oxidante qmmico en el lodo. La combinacion de la mezcla mecanica y la reaccion qmmica del oxidante qmmico con el material de desecho organico en el lodo reduce la viscosidad desde tan alta como 2.000.000 centipoises a menos de aproximadamente 5.000 centipoises. En una realizacion, el primer mezclador estatico 30 esta configurado para lograr la mezcla de dos maneras, por desviacion de flujo y recombinacion y por mezcla radial.

Despues de que el lodo mezclado y de menor viscosidad salga del primer mezclador estatico, el lodo fluye hacia el segundo mezclador estatico 40. Se puede usar cualquier mezclador estatico disponible comercialmente. Justo corriente arriba del segundo mezclador estatico 40, se inyecta agua adicional y, si es necesario, se inyecta productos qmmicos acondicionadores adicionales. Los productos qmmicos acondicionadores adicionales pueden incluir, entre otros, acido sulfurico, acido fosforico, acido acetico, acido peracetico, peróxido de hidrógeno, sulfato ferrico, sulfato ferroso, mineral de hierro, sulfato de aluminio, sulfato de zinc, roca de fosfato molida, boro, molibdeno y combinaciones de los mismos. El sulfato ferrico proporciona hierro como micronutriente al fertilizante y aumenta la dureza de los granulos acumulados de fertilizante. El acido fosforico, si se agrega, se agrega preferiblemente en pequenas cantidades (es decir, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 20% en peso) en un grado de aproximadamente 30% a aproximadamente 70%, preferiblemente de aproximadamente 40% a aproximadamente 60%, y mas preferiblemente, de alrededor del 54%. El acido fosforico agrega dureza al material de desecho acidificado y mejora la capacidad de granulacion del extracto fundido del granulador resultante.

Cuando se agrega agua, la cantidad total agregada es preferiblemente de aproximadamente 1% en peso a aproximadamente 25% en peso. La cantidad de agua que se agrega depende de la concentracion de solidos de los materiales de lodo deshidratado de inicio que se utilicen. La cantidad total de agua en el extracto incluye finalmente cualquier agua incluida en el lodo deshidratado original, agua de la mezcla de sulfato ferrico/agua, agua de los acidos sulfurico y fosforico y agua de cualquier otra fuente.

El segundo mezclador estatico 40 incorpora los productos qmmicos de acondicionamiento en el lodo y ademas homogeneiza el lodo. El segundo mezclador estatico 40 es un mezclador estatico de cizalla en lmea destinado a crear una excelente mezcla y romper cualquier grupo restante de material en el lodo. El segundo mezclador estatico puede tener tiras de corte ligeramente ahuecadas que se aniden juntas para formar un elemento. A la salida del segundo mezclador estatico 40, el lodo es esencialmente un extracto condicionado y homogeneo de carbono y aminoacidos que se puede usar como materia prima para un proceso de granulacion corriente abajo. En el extremo corriente abajo del segundo mezclador estatico 40, se ubican varios sensores para medir las condiciones de proceso del extracto. En particular, se proporcionan un sensor de temperature 42, un sensor de pH 44, un sensor de potencial de reduccion de la oxidacion (ORP) 46, y un medidor de viscosidad 48 en la tubena corriente abajo del segundo mezclador estatico 40. Tambien se proporciona un medidor de flujo 50 para medir el caudal de lodos. Un intervalo de temperature preferido en este punto del proceso es de aproximadamente de 20° C a aproximadamente 70° C. Un intervalo de presion preferido en el sistema es de aproximadamente 207 kPa (30 psig) a aproximadamente 2.070 kPa (300 psig), y mas preferiblemente de aproximadamente 620 kPa (90 psi) a aproximadamente 760 kPa (110 psi). Si es necesario, la cantidad y la concentracion de acido y otros productos qmmicos acondicionadores agregados en las etapas del proceso corriente arriba pueden ajustarse para lograr la temperatura, presion, pH, ORP, recuento de patogenos, viscosidad, etc. deseados.

Despues del segundo mezclador estatico 40, el lodo (ahora un extracto de carbono y aminoacidos) fluye en uno o mas tanques de almacenamiento y mezcla 60. El numero y tamano de los tanques 60 esta determinado por el rendimiento del sistema de acondicionamiento 100 y el tiempo de residencia deseado en los tanques 60. El tiempo de residencia en el tanque de almacenamiento o tanques 60 puede ser de aproximadamente 12 horas a aproximadamente 96 horas. Preferiblemente, el tiempo de residencia es de aproximadamente 2 dfas a aproximadamente 4 dfas. Por ejemplo, para un sistema de acondicionamiento 100 de 1.100 stpd, se pueden usar tres tanques 60, cada tanque 60 proporciona una capacidad de almacenamiento de 1.670.000 litros (440.000 galones) cada uno.

Cada tanque 60 esta preferiblemente recubierto con un material que permite que el tanque resista condiciones muy acidas (por ejemplo, pH 0,5-2,0) y temperaturas elevadas (es decir, por encima de 50° C). Cada tanque 60 esta equipado con un mezclador mecanico vertical 64 que agita el extracto para mantener la homogeneidad y permite que el extracto "envejezca" a medida que se completa el proceso de reaccion qmmica. Por ejemplo, se puede proporcionar un agitador de baja velocidad disponible en el mercado en cada tanque 60 para mantener la consistencia del extracto. Cada agitador 64 esta equipado preferiblemente con dos impulsores, ambos del mismo tamano, y un impulsor de cosquilleo en la parte inferior de cada eje. Al finalizar el tiempo de residencia, el extracto esta tfpicamente en un estado similar a un coloide.

Tambien se puede proporcionar una bomba de recirculacion 62 para agitar y homogeneizar aun mas el contenido de uno o mas tanques 60.

El extracto se transfiere de los tanques de almacenamiento 60, primero tfpicamente a un tanque de dfa 80 y luego a un sistema de granulacion de fertilizante 200. Preferiblemente, el extracto se transfiere usando una bomba de transferencia 70. La bomba 70 se dimensiona el flujo deseado de se logsú tnanques 60. Preferiblemente, cada tanque de almacenamiento 60 tendra su propia bomba dedicada. Por ejemplo, para vaciar un tanque de 1.670.000 litros (440.000 galones) en aproximadamente 8 horas, se puede usar una bomba de 760 litros por minuto (200 gpm). Las bombas adecuadas incluyen bombas de lobulo giratorio de desplazamiento positivo 70.

Tfpicamente, el extracto se bombea a un tanque de dfa 80 que contiene un volumen limitado para ser utilizado de forma inminente en un sistema de granulacion de fertilizante corriente abajo 200. El tanque de dfa 80 proporciona una mezcla adicional preferiblemente a una velocidad de mezcla mas alta que en los tanques de almacenamiento 60. El tanque de dfa 80 permite la estandarizacion final del extracto antes de convertirlo en un fertilizante. Uno o mas tanques de dfa 80 pueden usarse en paralelo o en serie. El tanque de dfa o los tanques 80 estan dimensionados preferiblemente para un mmimo del 25% del requerimiento diario de extracto. Por ejemplo, el tanque de dfa 80 puede tener una capacidad de 300.000 a 570.000 litros (80.000 a 150.000 galones) de capacidad.

Desde el tanque de dfa 80, el extracto se bombea al sistema de granulacion de fertilizante 200 mediante una bomba de alimentacion 90. Preferiblemente, la bomba de alimentacion 90 es una bomba de lobulo rotativo de desplazamiento positivo. La velocidad de la bomba de alimentacion esta dimensionada para coincidir con la capacidad y el caudal deseado del sistema de granulacion de fertilizante 20, y espedficamente para coincidir con la tasa de consumo de extracto en un reactor de tubo cruzado en el sistema de granulador de fertilizante. Por ejemplo, para un sistema de fertilizante de 1.100 stpd, se puede usar una bomba que tenga una capacidad de 570 a 760 litros por minuto (150 a 200 gpm).

Ademas de las mediciones en lmea descritas anteriormente, se pueden medir varios parametros en lmea en una o mas ubicaciones diferentes, en uno o mas de los tanques de almacenamiento 60 y/o en el tanque de dfa 80. Las mediciones pueden incluir la viscosidad, temperatura, ORP, y pH. Tambien se contemplan otras medidas, tales como el analisis del tamano de partfcula. Las mediciones se pueden medir manualmente o se pueden automatizar.

Tales mediciones pueden usarse para ajustar el proceso de tratamiento para optimizar el extracto. La optimizacion se puede hacer manualmente o se puede automatizar. La optimizacion puede incluir agregar o eliminar calor al sistema, ajustar la cantidad de uno o mas de los aditivos qmmicos, modificar la reaccion exotermica, ajustar la velocidad de mezcla de uno o mas de los mezcladores, y ajustar el flujo para desviar o pasar a traves de uno o mas de los dispositivos en lmea.

En resumen el proceso mostrado en la FIG. 1, acepta material de desecho organico que contiene lodos en varias formas, incluyendo el lodo deshidratado, y convierte ese lodo en un extracto que esta esencialmente libre de patogenos y olores, de viscosidad suficientemente baja para ser facilmente bombeable, y adecuado como material de alimentacion para un sistema de granulacion de fertilizante de reactor de tubo. El extracto tiene preferiblemente un ORP de mas de 300 mV, un pH de aproximadamente 1,0 a aproximadamente 2,0, una viscosidad de menos de 5.000 cps (preferiblemente menos de 3.000 cps, y mas preferiblemente menos de 1.000 cps), y esta sustancialmente libre de patogenos y compuestos de azufre.

El extracto producido por los procesos ilustrados en la FIG. 1 y descrito anteriormente tiene numerosas caractensticas beneficiosas.

Primero, el extracto es esencialmente homogeneo y es fluido según lo medido por la viscosidad del fluido. Los procesos historicos de tratamiento, especialmente aquellos que utilizan polfmeros de deshidratacion qmmica, produdan un material que tema una viscosidad superior a 1.000.000 centipoises, lo que hada diffcil, si no imposible, mezclar el material y/o almacenar el material en grandes tanques de almacenamiento (por ejemplo, tanques de almacenamiento de mas de 200.000 galones). En contraste, el presente proceso produce un extracto que tiene una viscosidad significativamente menor que aproximadamente 5.000 centipoises, tipicamente por debajo de 3.000 centipoises, y mas tipicamente tan bajo como 1.000 centipoises. El extracto tambien tiene un pH de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2,0, y mas tipicamente de aproximadamente 1,5 a aproximadamente 2,0, por lo que es necesario agregar menos acido en el proceso de granulacion del fertilizante.

Ademas, el extracto tiene un potencial de reduccion de la oxidacion ("ORP") mayor de aproximadamente 250, y generalmente mayor de aproximadamente 300, y mas tipicamente mayor de aproximadamente 350. Se puede confiar en las mediciones de ORP para determinar el potencial de desinfeccion del material que se esta midiendo. Los valores bajos de ORP, tales como los que se encuentran en materiales generados en procesos de tratamiento historicos (por ejemplo, ORP de menos de 1) demuestran que la muerte microbiana o potencial de desinfeccion en esos materiales es bajo. En contraste, un ORP mas alto, como en el extracto, indica un alto potencial de desinfeccion del material. El aumento del ORP reduce los olores y reduce el potencial de incendios del material combustible en el producto final.

El extracto es sustancialmente inodoro como consecuencia de la eliminacion de compuestos causantes de olor a traves de la oxidacion de compuestos tales como el sulfuro de carbono, sulfuro de carbonilo, disulfuro de dimetilo, sulfuro de dimetilo, mercaptano de etilo, sulfuro de hidrógeno, mercaptano de isopropilo, mercaptano de metilo, dióxido de azufre y otros compuestos productores de azufre que causan los olores. Los procesos y productos inodoros o sustancialmente inodoros proporcionan una ventaja significativa en cuanto a encontrar un lugar para una instalacion de procesamiento de lodos.

Ademas, el extracto esta sustancialmente libre de patogenos. Los patogenos incluyen bacterias patogenas, parasitos, huevos de helmintos y virus. En general, los procesos de tratamiento descritos anteriormente eliminan sustancialmente los patogenos debido a las tensiones creadas por las condiciones de pH bajo y altas temperaturas, que esterilizan los lodos. Como resultado, se evita el recrecimiento de patogenos, no solo en el extracto sino en cualquier producto (por ejemplo, fertilizantes) producidos a partir del mismo.

El extracto producido por el sistema y el proceso descrito en este documento puede procesarse corriente abajo como un fertilizante utilizando cualquier metodo de procesamiento de fertilizante conocido. Por ejemplo, el material puede proces saergsúen los procesos de los documentos de patente de Estados Unidos numeros 7.128.880; 7.169.204; 6.159.263; 5.984.992; 6.758.879; 6.841.515; y 8.057.569.

La FIG. 2 muestra una descripción general de un sistema de granulacion de fertilizante 200 y el proceso que comienza con el extracto como materia prima. El sistema 200 para procesar el extracto homogeneo como un fertilizante granular incluye al menos un reactor de tubo 210, un granulador 220 y un secador 230. El sistema 200 tambien puede incluir los depuradores 232 de ciclon y Venturi para capturar el polvo agotado del secador 230 y pantallas 240 para refinar el tamano de los granulos acumulados de fertilizante. Los granulos de tamano insuficiente pueden devolverse al granulador 220 como finos, y los granulos de gran tamano acumulados pueden triturarse en una trituradora 242 y devolverse de manera similar al granulador 220 como finos. Tambien se puede incluir un enfriador 250 para enfriar los granulos acumulados de fertilizante corriente abajo del secador 230, y los depuradores 260 pueden ser necesarios para el control de la contaminacion. El reactor 210 puede ser un reactor de tubo. Preferiblemente, se utiliza un reactor de tubo cruzado. El granulador 220 puede ser un granulador de tambor rotativo. El secador 230 puede ser cualquier secador usado en la industria.

En resumen, en la realización de un sistema de granulacion de fertilizante representado en la FIG. 2, el extracto se bombea a un reactor de tubo cruzado (PCR) 210 donde absorbe el calor generado por la reaccion entre el acido sulfurico concentrado y el amornaco anhidro que se inyecta en el PCR 210. En el PCR 210 se generan temperatures de hasta 100° C y un pH de 2 o mas bajo. En estas condiciones operativas, se forman sales inorganicas a partir de la reaccion de mezcla de acido con amornaco anhidro, se logra la esterilidad microbiana, ocurre la hidrolisis de las macromoleculas organicas (protemas) que estan presentes en las aguas residuales, las protemas se convierten en aminoacidos y se unen con las sales inorganicas creadas para formar complejos que resisten la volatilizacion y lixiviacion del producto fertilizante.

De este modo se produce una masa fundida de reaccion a partir del extracto, y la masa fundida se transfiere al granulador 220, que elimina aproximadamente de 50% a 65% del agua como resultado de la energfa exotermica generada por la reaccion acido-base. Espedficamente, mas del 50% del agua se evapora de la masa fundida en forma de vapor, y la masa fundida se enrolla sobre partmulas finas recicladas en un granulador 220 para formar granulos acumulados. Por lo tanto, solo se requiere aproximadamente un 50% de energfa de combustion adicional en el secador 230 para completar el proceso de secado. Este proceso da como resultado un granulado acumulado de fertilizante duro que contiene menos de 2% de humedad.

Cuando el extracto se transforma en un fertilizante utilizando los procesos tradicionales de fabricacion de fertilizantes o cualquier otro proceso similar, como el proceso que se muestra en la FIG. 2, el fertilizante resultante generalmente tiene caractensticas ffsicas que cumplen o exceden los estandares de la industria. El fertilizante resultante es un fertilizante granulado de liberacion lenta alto en nitrogeno, azufre y micronutrientes y que contiene aminoacidos esenciales para el crecimiento de las plantas. El fertilizante tambien puede incluir fosforo, ffpicamente en forma de fosfatos. Una formulacion preferida de nitrogeno-fosforo-azufre es 17-1-0-19. Tambien se contemplan otras formulaciones con cantidades mayores o menores de nitrogeno, mayores cantidades de fosforo, mayores cantidades de potasio y/o mayores o menores cantidades de azufre.

En la Tabla 1 se enumera una composicion ffpica de granulos acumulados de fertilizante producida por los procesos descritos en este documento.

Tabla 1

Las propiedades ffsicas de los granulos acumulados de fertilizante producidos por los procesos descritos en este documento mejoran significativamente con respecto a otros tipos de fertilizantes, como se muestra en la Tabla 2. En particular, debe tenerse en cuenta que los granulos acumulados de fertilizantes presentes tienen una humedad relativa cntica significativamente mayor que la de otros fertilizantes, y una absorcion y penetracion de la humedad que generalmente son mas bajas, asf como que no tienen tendencia a apelmazarse. Como resultado, los granulos acumulados de fertilizante presentes pueden almacenarse incluso en un ambiente relativamente humedo durante un penodo de tiempo sin degradacion o apelmazamiento juntos. Ademas, el alto ORP de los granulos acumulados del fertilizante presente significa que los granulos acumulados estan esencialmente libres de olor, y el potencial de combustion inexistente de los granulos acumulados significa que no se calientan solos y no se quemaran cuando se los lleva el aire como polvo o cuando se almacenan en una pila, lo que hace que los granulos acumulados del fertilizante presente sean excepcionalmente seguros en cuanto al almacenamiento y transporte.

Tabla 2

Los granulos acumulados de fertilizante producidos por el sistema y los procesos descritos en este documento son tipicamente de composicion sustancialmente uniforme, lo que significa que cada granulo de fertilizante acumulado tiene esencialmente la misma cantidad y calidad de nitrogeno, fosforo y otros materiales que todos los demas granulos acumulados. Ademas, un granulo producido a partir de una fuente particular tendra una composicion casi identica, si no identica, a la de todos los demas granulos acumulados producidos a partir de la misma fuente y procesados de la misma manera que el primer granulo acumulado.

Una composicion sustancialmente uniforme permite tasas de aplicacion normalizadas del fertilizante. Actualmente, los fertilizantes comerciales son una mezcla de varios ingredientes N, P, K y numerosos micronutrientes. Estas mezclas tienen una segregacion de nutrientes y generalmente no tienen una composicion uniforme. En consecuencia, para obtener la cantidad deseada de cada ingrediente en un campo completo, se debe aplicar un fertilizante adicional, o el fertilizante se debe aplicar en patrones irregulares. La composicion sustancialmente uniforme de los fertilizantes producidos a partir del extracto supera estos problemas.

El fertilizante granular resultante esta libre de agentes patogenos y se ha mostrado que se han desactivado los compuestos emergentes de interes, tales como los disruptores endocrinos, los productos farmaceuticos y los antimicrobianos. El fertilizante granular resultante esta sustancialmente libre de compuestos productores de azufre lo que comprende los sulfuros, disulfuros y mercaptanos.

Produccion de muestras de fertilizante para las pruebas.

Se han producido muestras de fertilizantes con el proposito de probar las propiedades del fertilizante. Se obtuvieron lodos deshidratados de aguas residuales de una planta de tratamiento de aguas residuales domesticas (de Estados Unidos). El proceso de la planta de tratamiento de aguas residuales inclrna la deshidratacion de lodos residuales con una prensa de filtro de banda. El lodo contema de 15-16% de solidos en peso, tema una viscosidad superior a 1.000.000 cps, un ORP de menos de 1 y un pH de 5.

El lodo deshidratado se coloco en un recipiente y luego se extrajo del recipiente con una bomba de cavidad progresiva a una velocidad de 19 litros por minuto (5 galones por minuto). El lodo se bombeo a traves de un mezclador estatico en lmea con un diametro de 10 cm (4 pulgadas). Se anadieron en lmea un 10% en peso de acido sulfurico al 93% y un 7,5% en peso de agua para formar un lodo acidificado. El lodo acidificado se paso luego a traves de un mezclador (por ejemplo, un mezclador estatico en lmea). Desde el segundo mezclador, los lodos acidificados se pasaron a un primer tanque de almacenamiento. El lodo acidificado se mezclo en el primer tanque de mezcla con un mezclador vertical para crear una mezcla de lodo fluido sustancialmente homogenea. El lodo sustancialmente homogeneo se paso luego a un segundo tanque de almacenamiento. El lodo se agito en el segundo tanque con un segundo mezclador vertical. La agitacion en los dos tanques creo un extracto con un ORP de mas de 300, un pH de 1,5, y una viscosidad de menos de 2.000 centipoises.

El extracto se bombeo a un reactor de tubo cruzado a una velocidad de 280 kg/hora. En el reactor de tubo cruzado, se agregaron acido sulfurico al 93% y amomaco anhidro al extracto a velocidades de 140 kg/hora de acido sulfurico al 93% y 49 kg/hora de amomaco anhidro, para formar una masa fundida de fertilizante. La masa fundida del fertilizante se paso a traves de una primera parte del reactor de tubo cruzado en 3,8 segundos a 98° C. La masa fundida de fertilizante se paso a traves de una segunda parte del reactor de tubo cruzado en 4,2 segundos a 128° C. Despues del reactor de tubo cruzado, el material reaccionado se paso a un granulador para formar granulos acumulados. Se anadio amoniaco a una velocidad de 27 kg/hora a la masa fundida de fertilizante en el granulador. Se anadio a la masa fundida de fertilizante alumbre lfquido a una velocidad de 6,5 kg/hora en el granulador. Se anadio entre el 27% y el 30% de sulfato de hierro a la masa fundida del fertilizante en el granulador. Los granulos acumulados se secaron luego en un secador, que funciono a 7 revoluciones por minuto. El material se paso a un sistema inclinado mecanicamente vibrado de doble plataforma con una pantalla de tamano inferior que tema una abertura de 2,36 mm. El material entre 2,36 mm y 4 mm fue almacenado. Todo el material de menor tamano y de mayor tamano se devolvio al granulador donde se mezclo nuevamente con el material fundido. Despues se realizo un analisis ffsico y qmmico de los granulos acumulados secos entre 2,36 mm y 4 mm.

Estabilidad del producto y olor.

Los problemas de olor con los fertilizantes organicos se crean comunmente por la putrefaccion del material organico lo que resulta en la generacion de sustancias olorosas tales como mercaptanos, sulfuro de hidrógeno y alquilaminas terciarias. Las bacterias reductoras de sulfato que producen el olor del proceso de putrefaccion generan olores cuando su potencial de reduccion de la oxidacion (ORP) cae por debajo de -200 mV. Las pruebas han demostrado que los fertilizantes producidos utilizando un extracto como se describe en este documento son homogeneizados, hidrolizados y esterilizados, y tienen un ORP de 350 mV. Con este valor de ORP, no hay preocupacion con respecto a la putrefaccion del fertilizante granular resultante. No hay compuestos que produzcan olores, y el fertilizante es termicamente estable, lo que significa que no sufrira un evento de calentamiento ni producira olores. El fertilizante tiene un contenido de solidos del 98% que excede la norma US EPA 503 que requiere un contenido mmimo de solidos del 90% para ser clasificado como estable.

Combustibilidad.

La capacidad de combustion de la nube de polvo del fertilizante granular producido por los procesos descritos en este documento fue determinada por un laboratorio de investigacion de combustion (Kidde-Fenwal Combustion Center, Ashland, MA). La clasificacion de un polvo como combustible o no combustible depende de si la nube de polvo dispersada es capaz de sostener una deflagracion suficiente para causar un aumento en la presion de 1 bar (14,5 psi). Las pruebas se llevan a cabo en un vaso de ensayo esferico Kuhner de 20 l. Los polvos que no son combustibles a una concentracion inicial de 500 g/m3 se vuelven a probar a 1.000 g/m3 y 2.000 g/m3. El material se clasifica como combustible si la presion de explosion, corregida por los efectos del encendedor, es mayor de 1,0 bar (14,5 psi). Cuando el aumento de presion de explosion observado es menor a 1 bar en todas las concentraciones de prueba, el polvo se clasifica como no combustible.

El polvo de fertilizante granulado del fertilizante granular producido por los procesos descritos en este documento se clasifico como no combustible en concentraciones de 500, 1.000 y 2.000 g/m3. El fertilizante es esencialmente no combustible en una prueba de combustibilidad de la nube de polvo realizad saegún el Metodo de prueba estandar ASTM E1226. En contraste, tres muestras de lodo seco peletizado se clasificaron como combustibles a concentraciones de polvo de 500 g/m3. Ademas, las pruebas que sometieron las muestras de fertilizante a temperaturas de 140° C mostraron que el fertilizante no se enciende espontaneamente o se "autocalienta" (es decir, no se eleva 60° C por encima de la temperatura del horno en 24 horas).

Metales pesados.

El proceso descrito en este documento controla el contenido de metales en el fertilizante granular resultante debido a que cualquier metal pesado presente en el lodo deshidratado inicial se diluye mediante la adicion de acido, base y productos qrnmicos de acondicionamiento (por ejemplo, se mezclan 140 toneladas metricas de solidos de lodos de aguas residuales secos con aproximadamente 800 toneladas secas de sulfato de amonio para producir 1,000 toneladas metricas secas de fertilizante granular). Por lo tanto, hay una reduccion de siete veces la concentracion de metales en el fertilizante granular en comparacion con los metales observados en los residuos de aguas residuales domesticas originales. Como puede verse en la Tabla 3, el contenido de metales del fertilizante granular esta por debajo del criterio de la prueba United States Federal Soils Screening Test (SST) de los Estados Unidos para suelos residenciales (no contaminados), que es un orden de magnitud mas estricto que las directrices de EPA 503. Ademas, el fertilizante granular pasa los criterios alimentarios de la Association of American Plant Control Officials (AAPFCO), y puede cumplir incluso con el ajuste de la mezcla del contenido de solidos secos de aguas en cuanto al contenido de sulfato de amonio, el fertilizante granular resultante incluso puede cumplir los criterios mas estrictos de Europa y de alrededor del mundo.

Tabla 3

Incubacion.

Las pruebas de campo de incubacion se realizaron en el suelo de Greenville y los resultados se muestran en las FIGs.3A y 3B. Como se muestra en la FIG. 3A, los fertilizantes producidos por los procesos descritos en este documento ("biofertilizante" y "biofertilizante Fe") muestran una tasa muy similar de conversion de amomaco a nitrato a la de un fertilizante de referencia y sulfato de amonio, y solo una conversion ligeramente mas lenta que la urea. Volatilizacion.

Algunos fertilizantes actuales utilizan la urea como fuente de nitrogeno. Estos fertilizantes a base de urea tienen problemas significativos con la lixiviacion y la volatilizacion. La urea lixivia hasta el 30% de su nitrogeno a traves de la zona radicular y volatiliza hasta el 30% de su nitrogeno a traves de la zona radicular. Como resultado, el nitrogeno que no esta disponible para las rafces de las plantas debe compensarse agregando mas fertilizante, lo que puede ser costoso y contaminar el medio ambiente. Los fertilizantes producidos a partir del extracto homogeneo descrito en este documento superan estos problemas al depender de materiales de desecho organicos reciclados sin la necesidad de complementar el fertilizante con urea.

Las pruebas de campo de volatilizacion se realizaron en suelos de Guthrie y Sumter, tanto en condiciones de tierras altas como de inundadas, y los resultados se muestran en las FIGs. 4A a 4D. La FIG. 4A muestra que la perdida de volatilizacion de amomaco cumulativa en el suelo de las tierras altas de Guthrie para los fertilizantes producidos por los procesos descritos en este documento ("biofertilizante" y "biofertilizante Fe") fue casi identica a la del sulfato de amonio y significativamente menor que la de la urea. Espedficamente, las perdidas de volatilizacion de amomaco a partir de la urea fueron de hasta el 33%, mientras que las perdidas por volatilizacion de los fertilizantes presentes fueron solamente de alrededor del 2%. Este resultado puede proporcionar un beneficio significativo de secuestro de carbono cuando se usan los fertilizantes actuales, e incluso puede ofrecer una oportunidad de credito de carbono. La FIG. 4C muestra, cualitativamente, un resultado casi identico para las tierras inundadas de Guthrie. La FIG. 4B muestra un resultado similar para las tierras altas de Sumter con los fertilizantes presentes incluso superando al sulfato de amonio. La FIG. 4D muestra que en las tierras inundadas de Sumter, el fertilizante presente funciono casi tan bien como la urea, y algo mejor que el sulfato de amonio.

Lixiviacion.

Las pruebas de campo de lixiviacion se realizaron en el suelo de Greenville y en la arena de Lakeland, y los resultados se muestran en las FIGs. 5A y 5B. En el suelo de Greenville, como se muestra en la FIG. 5A, los fertilizantes presentes mostraron bajas perdidas de lixiviacion, comparables a las del sulfato de amonio y mucho mas bajas que las de la urea. En la arena de Lakeland, los resultados fueron aun mas dramaticos, ya que los fertilizantes presentes no mostraron casi perdidas de lixiviacion (comparables al sulfato de amonio), mucho menos que lo observado con la urea. En resumen, entre la lixiviacion y la volatilizacion, la diferencia en la perdida de nitrogeno entre el fertilizante granular descrito en este documento y la urea es dramatica. Por ejemplo, en los suelos de tierras altas de Guthrie/Greenville, la urea perdio el 33% de su nitrogeno debido a la volatilizacion y el 41% a la lixiviacion, lo que representa una perdida total del 74%. En comparacion, el fertilizante granular actual perdio solo el 2% de su nitrogeno a la volatilizacion y el 13% a la lixiviacion, con una perdida total del 15%. Por lo tanto, se dispone de 3,5 veces mas nitrogeno a partir del fertilizante granular presente en comparacion con la urea, de modo que se pueden usar 3,5 veces menos fertilizante para lograr el mismo suministro de nitrogeno a los cultivos.

De manera similar, en los suelos inundados de Guthrie/Greenville, la urea perdio el 57% de su nitrogeno debido a la volatilizacion y el 19% a la lixiviacion, con una perdida total del 76%. En comparacion, el fertilizante granular presente perdio solo el 21% de su nitrogeno debido a la volatilizacion y el 15% a la lixiviacion, con una perdida total del 36%. Por lo tanto, 2,7 veces mas nitrogeno esta disponible en el fertilizante granular presente en comparacion con la urea. Para la arena de las tierras altas de Lakeland, la urea perdio el 86% de su nitrogeno, esencialmente todo por lixiviacion, mientras que el fertilizante granular actual perdio solo el 4% de su nitrogeno. Por lo tanto, casi 7 veces mas nitrogeno esta disponible en el fertilizante granular actual en comparacion con la urea.

Productividad de los cultivos.

El fertilizante puede ser aplicado al suelo para los granos, cultivos forrajeros, cesped, hortalizas, cftricos, arboles frutales, cultivos boscosos, cultivos en hilera, nueces, horticultura, plantas ornamentales, cultivos de invernadero, aceites (por ejemplo, de soja, canola) y asf sucesivamente sin monitorizacion continua ni de informacion a las agencias federales o estatales. El fertilizante puede aplicarse directamente a la tierra o mezclarse con otros fertilizantes.

Cuando se aplica a los campos de cultivo, la calidad del cultivo aumenta en comparacion con los fertilizantes historicos. Por ejemplo, cuando el fertilizante hecho a partir de los procesos descritos en este documento se usa en lugar de otros fertilizantes, mayores cantidades de azucar estan presentes en los cultivos de cftricos, mayores cantidades de protemas estan presentes en los productos de forraje y mayores cantidades de almidon en el mafz. Ademas del aumento de la calidad, los campos de cultivo que tienen fertilizantes fabricados segun uno de los procesos descritos anteriormente aplicados a ellos, producen una mayor cantidad de cultivos por unidad de area. La calidad y cantidad mejoradas de los cultivos pueden atribuirse a al menos la naturaleza sustancialmente uniforme del fertilizante que permite una aplicacion uniforme, una lixiviacion limitada de nitrogeno y/o una volatilizacion limitada de nitrogeno, y un mayor contenido organico.

Las FIGs. 6A y 6B muestran que el aumento en el peso del grano y la recuperació dnel grano para el arroz trasplantado fue mayor utilizando el fertilizante granular presente que usando la urea y otros dos productos de la competencia.

Las FIGs. 7A, 7B y 7C muestran ganancias similares en el rendimiento del grano de trigo con el fertilizante granular presente que iguala o supera a los que usan urea y otros productos de la competencia.

El fertilizante granular tambien se ha utilizado en cultivos de cftricos (naranjas) en California y Tejas con resultados positivos. Usando multiples replicas, se trataron naranjos en una granja en el sur de California con el fertilizante granular o urea a una tasa de aplicacion de 1,5 libras de fertilizante (como se recibio) por arbol. Es decir, el fertilizante granular presente se aplico a una tasa de 0,255 libras de N por arbol, mientras que la urea se aplico a una tasa de 0,69 libras por arbol. El fertilizante granular presentes se lixivio y volatilizo menos que la urea. Los resultados se registraron 126 dfas despues del tratamiento con fertilizante y, como se muestra en la Tabla 4, el fertilizante granular presente produjo una maduracion mas rapida de la fruta y un aumento del 27% en el jugo, un aumento del 17% en la pulpa y un aumento del 4,5% en el azucar (BRIX).

Tabla 4

El fertilizante granular se probo en cesped de Bermuda (haymeadow) frente a NPK Triple 17, y los resultados se muestran en la Tabla 5. Los fertilizantes se aplicaron (tal como se recibieron) a una tasa de 200 libras/acre. El fertilizante granular presente produjo un 6% mas de materia seca total que el control de NPK, y el porcentaje de protema bruta aumento de un promedio de 15,2% para el control de NPK a un promedio de 19,6% para los granulos acumulados del fertilizante presente, para una mejora del 28,9%. Los nutrientes digeribles totales (Total Digestible Nutrients, TDN) aumentaron de 64,8 a 79,7, un aumento de TDN del 23% con el fertilizante granular presente.

Tabla 5

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para convertir un lodo heterogeneo deshidratado que contiene materiales de desecho organicos en un extracto homogeneo de carbono y aminoacidos para ser utilizado en un proceso de produccion de reactor de tubo de fertilizante granulado, el proceso de conversion comprende:

bombear un lodo deshidratado heterogeneo que incluye de 13% a 45% de solidos;

agregar acido sulfurico al lodo en una cantidad suficiente para causar que el pH de la mezcla resultante sea menor de 1;

bombear la mezcla a traves de al menos un mezclador de mezcla estatica en lmea para mezclar el lodo con el acido sulfurico para reducir la viscosidad de la mezcla a menos de aproximadamente 5.000 centipoises;

agregar productos qmmicos acondicionadores a la mezcla para causar que el extracto creado tenga un potencial de reduccion de oxidacion mayor de 250 mV;

bombear la mezcla a traves de al menos un mezclador de cizallamiento estatico en lmea para mezclar los productos qmmicos de acondicionamiento en la mezcla, esterilizar sustancialmente la mezcla de patogenos y eliminar sustancialmente grumos en la mezcla; y

agitar mecanicamente la mezcla durante un tiempo de envejecimiento para crear el extracto homogeneo.

2. El proceso de conversion de la reivindicación 1, en donde el extracto tiene un potencial de reduccion de oxidacion superior a 300 mV.

3. El proceso de conversion de la reivindicació 1n, en donde el acido sulfurico se agrega al lodo a de 5% a 15% en peso, y en donde el acido sulfurico tiene un grado de al menos 93%.

4. El proceso de conversion de la reivindicació 1n, que comprende ademas:

monitorizar la temperatura de la mezcla corriente abajo del mezclador de mezcla estatica y ajustar la cantidad de acido sulfurico para lograr una temperatura de al menos 130° C.

5. El proceso de conversion de la reivindicación 1, en donde los productos qmmicos de acondicionamiento se seleccionan del grupo que consiste en acido sulfurico, acido fosforico, acido acetico, acido peracetico, peróxido de hidrógeno, sulfato ferrico, sulfato ferroso, mineral de hierro, sulfato de aluminio, sulfato de zinc, roca de fosfato molida, boro, molibdeno, cobre, y combinaciones de los mismos.

6. El proceso de conversion de la reivindicació 1n, que ademas comprende:

monitorizar la temperatura, pH, ORP y viscosidad de la mezcla corriente abajo del mezclador de cizallamiento estatico y ajustar la velocidad de adicion de acido sulfurico para lograr los valores deseados de temperatura, pH, ORP, y viscosidad.

7. El proceso de conversion de la reivindicación 1, en donde la cantidad de acido sulfurico es suficiente para hacer que el pH de la mezcla resultante sea menor o igual a 1,0.

8. El proceso de conversion de la reivindicación 1, en donde el tiempo de envejecimiento es de 12 horas a 72 horas.

9. Un sistema de conversion de lodos para convertir un lodo heterogeneo que contiene materiales de desecho organicos en un extracto homogeneo de carbono y aminoacidos para ser utilizado en un sistema de produccion de fertilizante granulado de reactor de tubo, el sistema de conversion comprende:

una bomba de desplazamiento positivo configurada para bombear lodos deshidratados que incluyen de 13% a 45% de solidos;

al menos un mezclador de mezcla estatica en lmea configurado para recibir los lodos de la bomba y mezclar los lodos con acido sulfurico para reducir el pH de la mezcla resultante a menos de 1 y la viscosidad de la mezcla resultante a menos de 5,000 centipoises;

al menos un mezclador de cizallamiento estatico en lmea configurado para recibir la mezcla del mezclador estatico y mezclar la mezcla con productos qmmicos acondicionadores, para causar un potencial de reduccion de oxidacion mayor de 250 mV, para sustancialmente esterilizar la mezcla de patogenos, y para eliminar sustancialmente grumos en la mezcla;

un sensor de proceso configurado para medir el potencial de reduccion de oxidacion corriente abajo del mezclador de cizallamiento estatico en lmea;

un tanque de envejecimiento configurado para recibir la mezcla del mezclador de cizallamiento estatico en lmea y agitar la mezcla para mantener la homogeneidad de la mezcla mientras la mezcla se envejece para convertirse en el extracto; y

una bomba de transferencia configurada para entregar el extracto del tanque de envejecimiento a un sistema de produccion de fertilizante.

10. El sistema de conversion de la 9, en d reonivdiend laic baomcibóan de desplazamiento positivo se selecciona del grupo que consiste en una bomba de piston, una bomba de cavidad progresiva y combinaciones de las mismas.

11. El sistema de conversion de la 9 r,ei qvuiend cicomacpiróennde ademas un sensor de temperatura configurado para medir la temperatura de la mezcla corriente abajo del mezclador de mezcla estatica en lmea.

12. El sistema de conversion de la 9, que re civoimnpdriecnadceió andemas un sensor de proceso configurado para medir una o mas de la temperatura, pH, y viscosidad de la mezcla corriente abajo del mezclador de cizallamiento estatico en lmea.