ES2894369T3 - Fertilizantes inorgánicos mejorados con orgánicos de alto valor - Google Patents

Abstract

Un método para la fabricación de un fertilizante que comprende: proporcionar un material orgánico que contiene biosólidos, en donde el método no requiere la eliminación de biosólidos antes del procesamiento, y el material orgánico tiene un contenido de sólidos de al menos un diez por ciento; procesar el material orgánico, incluida la disminución de la viscosidad del mismo mediante: (a) adición de un ácido a la mezcla en un recipiente de reacción o de presión bajo una primera presión y temperatura elevada durante un primer período de tiempo, en donde se forma una mezcla licuada con una viscosidad en el intervalo de 1,000 a 10,000 mPa-s (1,000 a 10,000 cP); (b) adición de amoniaco a la mezcla licuada bajo una segunda presión y temperatura elevada durante un segundo período de tiempo, en donde la mezcla licuada tiene una viscosidad en el intervalo de 500 a 4,000 mPa-s (500 a 4,000 cP); y luego procesar la mezcla licuada para formar el fertilizante.

Description

DESCRIPCIÓN

Fertilizantes inorgánicos mejorados con orgánicos de alto valor

Antecedentes

1. Campo de la invención

Esta invención está dirigida a métodos para la fabricación de fertilizante y el producto fertilizante fabricado por estos métodos. En particular, la invención también está dirigida a la fabricación de fertilizantes con concentraciones o ausencias predeterminadas de nitrógeno, fosfato y/o potasio.

2. Descripción de los antecedentes

Actualmente, se estima que los lodos se producen a una tasa de más de 8 millones de toneladas métricas secas al año o aproximadamente 29 kilogramos secos (aproximadamente 64 libras secas) de biosólidos por cada individuo en los Estados Unidos. El término lodo ha sido reemplazado por el término biosólido que incluye todas las formas de desechos municipales como, por ejemplo, desechos domésticos, desechos orgánicos de granjas y fábricas que se recolectan o que de alguna otra manera encuentran su camino para el tratamiento de aguas residuales, escorrentías de alcantarillado, productos farmacéuticos. desechos que incluyen desechos de fermentación y procesamiento, digestiones microbianas, desechos de alimentos y subproductos de alimentos, abonos de animales, abonos de animales digeridos, lodos orgánicos, organismos y microorganismos y todas sus combinaciones. La mayoría de los desechos industriales llegan a los lodos municipales o se eliminan en vertederos o como puede ser común en la industria en particular. Como se puede imaginar, todas las formas de material desechado pueden terminar y típicamente terminan en lodos municipales, incluidas moléculas biológicamente activas como productos farmacéuticos, así como sus productos metabolizados, papel, plásticos, metales y la mayoría de las formas de basura.

Los biosólidos son recolectados típicamente por los municipios a través de las infraestructuras existentes, como alcantarillas y otros tipos de sistemas de plomería residenciales e industriales. El material recolectado se envía a una o más instalaciones centrales denominadas plantas de tratamiento de aguas residuales. En estas plantas, el agua se separa de los sólidos y se envía a través de procedimientos de purificación para su recuperación. Los sólidos se queman o se transportan en camión para enterrarlos o en barcazas para verterlos en el océano. La quema o incineración se ha vuelto más común en parte debido a la conciencia de los peligros de los biosólidos no procesados. En todos los biosólidos se supone que hay no solo productos químicos nocivos, sino también compuestos bioactivos y patógenos. Existen regulaciones federales, estatales y locales que controlan estrictamente el manejo de biosólidos para la seguridad tanto de los trabajadores como del público. Pero ya sea quemado o enterrado, estos procedimientos son muy ineficientes y extremadamente costosos.

La quema destruye la mayoría de los materiales dañinos presentes en los biosólidos, pero el coste del daño al medio ambiente siempre es tremendo. Se han construido incineradores específicamente para hacer frente a los residuos municipales. Estos incineradores generan enormes cantidades de humo contaminado que echan a perder el aire en cientos de millas cuadradas alrededor de la instalación. El humo que se emite contiene todos los contaminantes que estaban presentes en los biosólidos, como metales y otros componentes no combustibles. Esos contaminantes se depositan en campos y cuerpos de agua creando pesadillas ecológicas alrededor de las plantas y, a veces, a grandes distancias a sotavento de las plantas. Aunque la quema puede producir energía, la producción de energía es muy ineficiente y requiere grandes cantidades de biosólidos para ser rentable. La cantidad de energía producida es siempre pequeña en comparación con la cantidad de material incinerado. Incluso después de la quema, quedan enormes cantidades de hollín que deben eliminarse y desecharse. En comparación con el biosólido original, el hollín carece de cualquier impacto positivo en el medio ambiente y es simplemente enterrado o arrojado al océano sin mayor ceremonia. En general, la quema aumenta negativamente el impacto de la eliminación de biosólidos en el medio ambiente y durante muchos años en el futuro.

Los biosólidos que han sido tratados hasta cierto grado de procesamiento se clasifican de acuerdo con los estándares federales establecidos por la United States Environmental Protection Agency como Clase A o Clase B. Los biosólidos "Clase A" se consideran libres de patógenos detectables y suficientemente seguros como fertilizantes para uso en cultivos para animales o humanos. Los patógenos tales como, por ejemplo, bacterias de Salmonella sp., bacterias indicadoras de coliformes fecales, virus entéricos y huevos de helmintos viables están por debajo de los niveles detectables. Cuando se pueden detectar patógenos en los biosólidos, la USEPA ha clasificado dichos biosólidos tratados como "Clase B", lo que implica que son de un estándar más bajo que los biosólidos tratados con "Clase A". Debido a que los biosólidos de Clase B contienen indicadores de patógenos y, por lo tanto, patógenos potenciales, están restringidos en la forma en que se pueden aplicar a cultivos animales y humanos.

El Título 40 del Code of Federal Regulations, Parte 503, enumera seis alternativas para el tratamiento de biosólidos para que puedan clasificarse en la Clase A con respecto a los patógenos. La Alternativa 1 requiere que los biosólidos se sometan a uno de los cuatro regímenes de tiempo-temperatura. La Alternativa 2 requiere que el procesamiento de biosólidos cumpla con los requisitos de pH, temperatura y secado al aire. La Alternativa 3 requiere que cuando se tratan biosólidos en otros procesos, se debe demostrar que el proceso puede reducir los virus entéricos y los huevos de helmintos viables, y se deben mantener las condiciones de operación utilizadas en la demostración después de que se complete la demostración de reducción de patógenos. La Alternativa 4 requiere que cuando se traten en procesos desconocidos, los biosólidos se analicen en busca de patógenos en el momento en que los biosólidos se usen o eliminen o, en ciertas situaciones, se preparen para su uso o eliminación. La alternativa 5 requiere que los biosólidos se traten en uno de los Procesos para Reducir Adicionalmente los Patógenos. La Alternativa 6 requiere que los biosólidos sean tratados en un proceso equivalente a uno de los Procesos para Reducir Adicionalmente los Patógenos, según lo determine la autoridad de permisos.

Los biosólidos patógenos de Clase A también deben poseer una densidad de coliformes fecales de menos de 1000 números más probables (MPN) por gramo de sólidos totales (base en peso seco) o una densidad de bacterias Salmonella sp. de menos de 3 MPN por 4 gramos de sólidos (base en peso seco). Cualquiera de estos dos requisitos debe cumplirse en uno de los siguientes momentos: cuando se utilizan o eliminan los biosólidos; cuando los biosólidos se preparan para la venta o para entregar en una bolsa u otro recipiente para su aplicación a la tierra; o cuando los biosólidos o materiales derivados se preparan para cumplir con los requisitos de biosólidos de Calidad Excepcional.

Todos los biosólidos aplicados a la tierra deben cumplir con la concentración máxima de contaminantes, que comprende diez contaminantes de metales pesados: arsénico, cadmio, cromo, cobre, plomo, mercurio, molibdeno, níquel, selenio y zinc. Si se excede un límite para cualquiera de estos, los biosólidos no se pueden aplicar a la tierra sin la incorporación de restricciones significativas. Calidad Excepcional (EQ) es un término utilizado por la Regla 7 de la Parte 503 de la USEPA Guide para caracterizar los biosólidos que cumplen con los límites de reducción de patógenos de Clase A y de contaminantes bajos (ausencia virtual de patógenos) y que tienen un nivel reducido de compuestos degradables que atraen vectores.

Los biosólidos que simplemente se secan tienen varias desventajas para uso agrícola. Los biosólidos tienen un valor de fertilización bajo, por lo general tienen un contenido de nitrógeno de solo alrededor del dos al cinco por ciento. El volumen es grande y los costes por unidad de nitrógeno son elevados. Los biosólidos secados con calor a menudo tienen un olor desagradable, particularmente cuando están húmedos. Además, los gránulos secos tienen baja densidad y dureza y cuando se mezclan con otros materiales fertilizantes comerciales, los gránulos pueden segregarse y desintegrarse y no pueden esparcirse en el campo de manera uniforme con otros ingredientes más densos. El olor desagradable asociado con el uso de biosólidos, a menos que se traten adecuadamente, seguirá estando presente durante el procesamiento posterior de un producto fertilizante rico en nitrógeno y puede seguir estando presente en el producto final. Esto complica la ubicación de plantas de procesamiento de fertilizantes adecuadas en lugares que no se encuentran en las proximidades de comunidades residenciales. Además, la distancia más larga que deben transportarse los biosólidos aumenta el coste y la logística de la eliminación de este producto de desecho. Otra desventaja de los fertilizantes mejorados con biosólidos actuales es que la acción bacteriana puede continuar cuando el material se humedece y, en condiciones de almacenamiento, la temperatura del material puede elevarse hasta el punto de autoignición. Por lo tanto, a excepción de los mercados especiales que valoran su contenido orgánico para enmendar el suelo o relleno en fertilizantes mezclados, existe una demanda relativamente baja del producto de biosólidos secado con calor. En muchos casos, los municipios deben pagar los fletes o pueden ofrecer otros incentivos para que los productores comerciales utilicen el material. Sin embargo, con frecuencia esto es aún más económico que los esquemas de eliminación alternativos.

El valor de mercado de los fertilizantes agrícolas se basa principalmente en su contenido de nitrógeno. Existe la necesidad de un método práctico, seguro y económico para aumentar el contenido de nitrógeno de los biosólidos a un nivel cercano al de los fertilizantes minerales comerciales, por ejemplo, del ocho al veintidós por ciento. Si se pudiera fabricar un fertilizante de biosólidos de este tipo, probablemente aumentaría el valor total del producto de biosólidos y la demanda del producto. Además, un fertilizante biosólido fabricado adecuadamente tendrá la ventaja de que gran parte de su nitrógeno será del tipo de liberación lenta. Un fertilizante de liberación lenta o de liberación controlada es aquel en donde el nutriente, por ejemplo, nitrógeno como en iones amonio, y/o fosfato y/o sulfato, se vuelve disponible en la columna del suelo a tasas más lentas que los nutrientes de rápida disponibilidad como los fertilizantes tradicionales como la urea, sulfato de amonio y fosfato de diamonio. Esta acción más lenta y/o disponibilidad prolongada del nutriente en la columna del suelo es muy deseable y proporciona nutrientes a la planta durante todo el ciclo de crecimiento de la planta con la implicación de que se necesita aplicar menos nitrógeno al suelo o cultivo, lo que reduce el potencial de contaminación ambiental. contaminación y reducción del coste del uso de fertilizantes. Los fertilizantes nitrogenados de liberación lenta fabricados con productos inorgánicos tradicionales tienen un precio muchas veces superior al de los fertilizantes nitrogenados minerales ordinarios. Bajo el escenario de producción de fertilizantes con alto contenido de biosólidos nitrogenados a partir de sus biosólidos, los municipios disfrutarían del apoyo público y regulatorio para su programa de disposición de biosólidos. Dicho programa garantizaría la eliminación regular de sus biosólidos deshidratados o secos, por ejemplo, mediante el reciclaje de biosólidos en un fertilizante con alto contenido de nitrógeno que luego se puede vender directamente a la industria nacional madura de distribución de fertilizantes, eliminando así uno de los principales problemas tradicionalmente asociados con programas de tratamiento de biosólidos.

Se han realizado intentos previos para alcanzar algunos de estos objetivos. Las Patentes Estadounidenses Números 3,942,970, 3,655,395, 3,939,280, 4.304.588 y 4,519,831 describen procesos para convertir biosólidos de aguas residuales en fertilizante. En cada uno de estos procesos se forma in situ un producto de condensación de urea/formaldehído con los biosólidos. Por lo tanto, los procesos requieren el manejo de formaldehído, un lacrimógeno altamente tóxico y sospechoso de ser un agente cancerígeno.

Otros procesos requieren equipos de proceso costosos y/o condiciones especiales que no se incorporan fácilmente en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales existentes (véase, Patente Japonesa No. 58032638; Patente Francesa No. 2,757,504).

Un método simple para aumentar el nitrógeno en los biosólidos sería mezclar materiales fertilizantes nitrogenados comerciales con los biosólidos húmedos antes de secarlos y convertirlos en pellas. Hay solo unos pocos materiales fertilizantes con alto contenido de nitrógeno que son económicos para su uso en la agricultura. Los ejemplos incluyen: amoníaco (82 por ciento en peso de N), urea (46 por ciento en peso de N) y nitrato de amonio (33.54 por ciento en peso de N). El amoníaco tiene una alta volatilidad y está sujeto a una estricta regulación de descargas a la atmósfera. La urea es un sólido que adsorbe la humedad con bastante facilidad y hace que el lodo sea más difícil de secar. La urea también es muy susceptible a la degradación del amoníaco por los microbios y las enzimas de los biosólidos si no se preparan adecuadamente, lo que provoca una pérdida de nitrógeno y un problema de olor. El nitrato de amonio es un oxidante fuerte y puede resultar en un problema potencial de explosión que prácticamente eliminó este fertilizante del mercado comercial después del 2000. Todos estos fertilizantes tienen un alto contenido de nitrógeno, pero no son ideales para combinar con biosólidos sin un procesamiento especial.

Otras referencias, como la Patente Europea No. 0143392, la Patente Japonesa No. 9110570 A2, y "Granulation of Compost From Sewage Sludge. V. Reduction of Ammonia Emission From Drying Process", Hokkaidoritsu Kogyo Shikenjo Hokoku, 287, 85-89 (1988) no divulgan el uso de ácidos con adiciones de sulfato de amonio y no discuten el tema de la corrosión de los equipos de procesamiento de acero en condiciones ácidas.

Durante los últimos treinta años, la estabilización alcalina de biosólidos ha sido un método estándar y exitoso para convertir biosólidos en materiales beneficiosamente útiles que pueden usarse principalmente como materiales acondicionadores de suelos. Debido a que estos productos de biosólidos estabilizados alcalinos tienen altas equivalencias de carbonato de calcio, se han producido y comercializado como materiales para encalado Agrícola o de cal Ag, generalmente como reemplazo del carbonato de calcio en las estrategias de manejo del suelo agrícola. Debido a este uso, el valor de estos materiales se ha limitado a unos pocos dólares por tonelada de producto. Sin embargo, los costes de transporte son altos en gran parte debido al importante contenido de agua del material. Cantidades de agua de hasta el cincuenta por ciento hacen que el transporte esté económica y geográficamente restringido a áreas cercanas a la fuente de su tratamiento.

Por lo tanto, existe una necesidad desde hace mucho tiempo de medios prácticos para aumentar el valor económico de los biosólidos de las aguas residuales mediante el aumento de su contenido de nitrógeno y el aumento de la capacidad de esparcimiento, así como la necesidad de tratar estos materiales de manera que se conviertan en fertilizantes básicos con propiedades físicas, químicas y de los nutrientes de modo que puedan tener un valor significativo en el mercado nacional e internacional de fertilizantes básicos. Una serie de Patentes de Estados Unidos, Patentes de Estados Unidos Números 5,984,992; 6,159,263; 6,758,879 y 7,128,880 describen métodos de producción de fertilizantes de sulfato de amonio mejorados orgánicamente con alto contenido de nitrógeno elaborados con biosólidos que utilizan un reactor de tubería cruzada originado por la Tennessee Valley Authority. El reactor de tubería, en T y de tubería cruzada está definido por el IFDC en el Fertilizer Manual (1998), p 440 como: "El reactor de tubería consiste básicamente en un tramo de tubería resistente a la corrosión (de unos 5-15 m de largo) a la que se le aplica ácido fosfórico, amoníaco y, a menudo, se agrega agua simultáneamente a un extremo a través de una configuración de tubería que se asemeja a una T, de ahí el nombre 'reactor en T'". El reactor en T fue modificado por la TVA para aceptar también un flujo adicional de ácido sulfúrico a través de otra entrada de tubería ubicada frente a la entrada de ácido fosfórico, dando a la unidad una configuración "cruzada" y por lo tanto el nombre de "reactor de tubería cruzada".

Tanto el IFDC Fertilizer Manual (1998) como el Fertilizer Technical Data Book (2000) se refieren a los reactores de tubería cruzada. Los reactores de tubería cruzada entregan una mezcla concentrada al dispositivo de formación del granulador y evaporan de manera más eficiente el agua no deseada de la mezcla de fertilizante que otros dispositivos, pero estas referencias demuestran una necesidad de mejora desde hace mucho tiempo, lo que indica que una de las deficiencias de la tubería cruzada reactor es la formación de incrustaciones dentro de la tubería que puede resultar en obstrucciones.

Las metodologías enseñadas por este grupo de patentes (Patentes de Estados Unidos Números 5,984,992; 6,159,263; 6,758,879 y 7,128,880) están plagadas de problemas relacionados con la conexión de estas configuraciones de reactores de "tubería cruzada" estrechas (en relación con su longitud), la duración muy corta del tiempo de reacción en tales reactores de "tubería cruzada" y la dificultad de controlar la temperatura y presión de reacción y el tiempo de retención de la mezcla dentro de tales reactores de tubería cruzada. Estos reactores de tubería cruzada son estrechos en contraste con su longitud, por ejemplo, hasta 15.2 cm a 20.3 cm (hasta seis a ocho pulgadas de diámetro y a menudo 4.6 m (quince pies) de longitud o más. Las plantas que practican la fabricación de los fertilizantes de sulfato de amonio mejorados orgánicamente a menudo tenían que apagar y desmontar el reactor de tubería cruzada debido al bloqueo de la acumulación de biosólidos o al sobrecalentamiento destructivo en tales reactores, de modo que el revestimiento de Teflon® comúnmente utilizado en el lado de reacción interior del reactor se fundía y estropeaba. Además, el uso del reactor de tubería cruzada tiene la clara desventaja de tener tiempos de retención del reactor muy cortos (generalmente menos de veinte segundos), lo cual es una ventaja en la fabricación de fertilizantes tradicionales como el sulfato de amonio, pero es una desventaja. cuando se acopla al procesamiento simultáneo de biosólidos. Un tiempo de procesamiento tan corto aumenta la probabilidad de una mezcla no tratada o no homogénea cuando las tres entradas de material pasan a través de este reactor. También es limitante la falta de control sobre la presión atmosférica dentro de tales reactores de tubería cruzada, ya que estos reactores tienen descargas abiertas por lo general directamente en un granulador. Relacionado con esto pero distinto de la falta de control de las presiones internas, los reactores de tubería cruzada también tienen poco o ningún control de temperatura sobre la mezcla que pasa a través del reactor.

La Patente de Estados Unidos No. 4,743,287 de Robinson describe un método para usar dos recipientes de reacción en secuencia para incorporar biosólidos orgánicos en fertilizantes nitrogenados de concentración baja o media de nitrógeno (un rango de cuatro por ciento en peso de nitrógeno hasta un máximo de concentración de nitrógeno de diez por ciento en peso). Robinson usa su primer recipiente de reacción para lograr valores de pH muy bajos de la mezcla (pH de 0.2 a 1.5) para lograr la hidrólisis de las moléculas presentes y preparar la mezcla para la reacción en un segundo recipiente de reacción. Robinson indica que se puede usar un solo reactor, pero solo en una configuración por lotes y no en un método de fabricación de flujo continuo. Robinson también indica que el ácido y el amoníaco no pueden inyectarse en ningún orden, sino que deben inyectarse en secuencia. Esta patente describe los recipientes de reacción capaces de alcanzar altas presiones de 206.8 kPa (30 psig) con tiempos de retención relativamente largos en comparación con los reactores de tubería cruzada. Sin embargo, Robinson no satisface la necesidad de un método de flujo continuo novedoso y práctico para fabricar productos fertilizantes con alto contenido de nitrógeno (más del 9 por ciento en peso de nitrógeno) y biosólidos bajo las ventajas de temperaturas, presiones y tiempos de retención de reacción definidos. Por tanto, existe una necesidad urgente de un proceso eficaz, eficiente y económico para tratar biosólidos.

El documento US2008/230484 A1 BURNHAM describe cómo un material de partida de torta de biosólidos se mezcla vigorosamente en un molino de amasado, convirtiendo los biosólidos en una mezcla bombeable o pasta o mezcla pastosa. Luego se agrega un agente de control de olores. A continuación se añade un ácido concentrado. Después se añade amoniaco anhidro o acuoso. Las temperaturas involucradas generan vapor y este se deja salir del recipiente de reacción para lograr el secado parcial de la mezcla de reacción. Se genera una mezcla seca.

El documento US4743287 A ROBINSON describe un tratamiento de materiales orgánicos con ácido y luego con amoníaco para producir un fertilizante completo. Este fertilizante completo no es un líquido, sino un material húmedo que se forma fácilmente en gránulos y se seca rápidamente.

El documento WO2010/0139346 BURNHAM describe cómo un material de partida de sólidos deshidratados se acidifica en un mezclador para producir una mezcla tixotrópica. Luego se agrega amoníaco y la mezcla de fertilizante caliente resultante se descarga en un mezclador de amasado. El segundo mezclador elimina además el vapor de agua y el vapor para producir una mezcla viscosa que puede extrudirse en tabletas o gránulos.

US2006/254331 BURNHAM tiene un paso de mezclar biosólidos acidificados en una mezcla tixotrópica. Se agrega una mezcla caliente de sal de amonio a la mezcla tixotrópica de biosólidos para producir una pasta. Las mezclas de pasta tixotrópica se transfieren de un laminador a otro.

Resumen de la Invención

La presente invención supera los problemas y desventajas asociados con las estrategias y diseños actuales y proporciona nuevos métodos para la fabricación de fertilizantes.

Por consiguiente, la presente invención proporciona un método de fabricación de un fertilizante como se establece en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12. La invención también proporciona un fertilizante como se establece en cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16.

La expresión material orgánico incluye todos los biosólidos, pero no se limita a biosólidos como biosólidos orgánicos, biosólidos que contienen microorganismos, biosólidos municipales o biosólidos secados por calor, y también incluye desechos de fermentación y procesamiento farmacéuticos y de laboratorio, desechos de granja y agrícolas, materiales orgánicos descompuestos y digeridos, plantas recolectadas, incluidos materiales de cultivo cultivados como forraje y ensilaje de plantas de maíz y soja, así como plantas de trigo, arroz y cebada, algas y cianobacterias que pueden recolectarse de estanques y otras masas de agua, bacterias, moho y hongos, desechos industriales y sus subproductos, digeridos microbianos, químicos y enzimáticos de productos orgánicos, alimentos a partir de vegetales y animales, materiales alimenticios y subproductos, fertilizantes reciclados y todas sus combinaciones. Un elemento de la invención es que el material orgánico que contiene plástico y pelo y material similar no necesita ser eliminado antes del procesamiento. Preferiblemente, el material orgánico se deshidrata o hidrata hasta un contenido de sólidos de entre el 15 y el 40 por ciento, más preferiblemente el material orgánico tiene un porcentaje de sequedad del 22 por ciento o menos. Además, una parte del material orgánico puede deshidratarse hasta una sequedad superior al 70 u 85 por ciento, y mezclarse con la parte restante del material orgánico para lograr un porcentaje de sequedad deseado. Preferiblemente, el material orgánico se hidrata con agua de proceso recuperada de una o más etapas del método.

Opcionalmente, se pueden añadir al material orgánico agentes de control de olores. Los agentes de control de olores preferidos incluyen, pero no se limitan a, uno o más de entre ferrato de calcio, ferrato de sodio, ferrato de potasio, sulfato ferroso heptahidratado, rozenita, melanterita, cloruro férrico, sulfato ferroso, sulfato ferroso monohidrato, peróxido de hidrógeno, ozono y sales, derivados y combinaciones de los mismos, así como diversas sales de los mismos. Preferiblemente, la mezcla del material orgánico con el agente de control de olores forma una mezcla tixotrópica y la mezcla se calienta antes de la adición de ácido. También preferiblemente, el calentamiento se realiza en un primer recipiente a presión y la primera presión se mantiene entre 138 kPa y 414 kPa (entre 20 y 60 psig), la primera temperatura está entre 66°C (150°F) y 127°C (260°F), y el primer período de tiempo es de entre 3 minutos y 30 minutos. Más preferiblemente, la primera temperatura puede estar entre 93°C (200°F) y 121°C (250°F) y el primer período de tiempo puede estar entre 5 minutos y 10 minutos. Preferiblemente, la viscosidad de la mezcla acidificada y calentada es aproximadamente 4,000 mPa-s (aproximadamente 4,000 cP) o menos. El ácido añadido a la mezcla es preferiblemente un ácido fosfórico, un ácido sulfúrico o una combinación de los mismos. Después de la acidificación, la mezcla licuada se transfiere a un segundo recipiente a presión y, preferiblemente, el amoníaco se calienta a presión para formar un gas antes de añadirlo a la mezcla licuada. La segunda temperatura preferida está entre 121°C (250°F) y 199°C (390°F), el segundo período de tiempo preferido es entre 1 minuto y 30 minutos, y la presión preferida dentro del segundo recipiente a presión se mantiene entre 345 kPa y 1379 kPa (entre 50 y 200 psig). La viscosidad de la mezcla amoniacal es preferiblemente de aproximadamente 1,000 mPa-s (aproximadamente 1,000 cP) o menos. El procesamiento de la mezcla licuada comprende formar el fertilizante utilizable. Preferiblemente, el procesamiento comprende secar la combinación hasta un contenido de sólidos superior al 92 por ciento, o más preferiblemente hasta un contenido de sólidos de al menos el 98 por ciento. Se pueden añadir uno o más agentes endurecedores durante el procesamiento tales como, por ejemplo, lignosulfonato, melaza, alumbre o una combinación de los mismos. Preferiblemente, el procesamiento se realiza en un granulador para formar gránulos y los gránulos se dimensionan y se seleccionan gránulos de entre 0.5 y 4 mm. Preferiblemente, los gránulos de más de 4 mm se trituran adicionalmente y se combinan con gránulos de menos de 0.5 mm y ambos se añaden durante el procesamiento. Cada paso del método puede realizarse en un proceso continuo sin interrupción, aunque también es posible el procesamiento por lotes. Los procesos de la invención también comprenden preferiblemente un sistema de control de polvo que recoge y recicla el material en polvo creado a partir del procesamiento.

Otra realización de la invención está dirigida a fertilizantes fabricados mediante los métodos de la invención. El fertilizante normalmente contendrá polímeros hidrolizados de uno o más plásticos, compuestos farmacéuticos, antibióticos, hormonas, moléculas similares a hormonas, compuestos biológicamente activos, macromoléculas, carbohidratos, ácidos nucleicos, grasas, lípidos, proteínas y microorganismos que están presentes en los biosólidos. Preferiblemente, los polímeros hidrolizados son aminoácidos, la mayoría de los cuales no se destruyen durante el método de procesamiento, que complementan y aumentan sustancialmente el valor del fertilizante. Preferiblemente, el fertilizante de la invención tiene un contenido de nitrógeno de entre el 6 y el 20 por ciento, un contenido de fosfato de entre el 0 y el 10 por ciento, un contenido de potasio de entre el 0 y el 5 por ciento, un contenido de azufre de entre el 10 y el 30 por ciento, un contenido de hierro de entre 0 y 10 por ciento, y un contenido orgánico de entre 5 y 30 por ciento. También preferiblemente, el fertilizante no tiene ninguno o casi ningún olor desagradable.

En el presente documento se describen procesos para la fabricación de un fertilizante con un contenido predeterminado de uno o más de nitrógeno, fosfato y potasio que comprenden: proporcionar un material orgánico que contiene biosólidos en donde el material orgánico tiene un contenido de sólidos de al menos diez por ciento; añadir opcionalmente un agente de control de olores al material orgánico para crear una mezcla; calentar la mezcla bajo una primera presión a una primera temperatura durante un primer período de tiempo; añadir una cantidad de un ácido predeterminado a la mezcla calentada, creando así una reacción exotérmica y formando una mezcla licuada; añadir una cantidad predeterminada de amoniaco a la mezcla licuada bajo una segunda presión y calentar la mezcla a una segunda temperatura durante un segundo período de tiempo, en donde la cantidad de amoniaco añadida se determina a partir de la composición del material orgánico; y procesar la mezcla licuada para formar el fertilizante con un contenido predeterminado de uno o más de nitrógeno, fosfato y potasio. El proceso de la invención puede comprender además opcionalmente añadir uno o más nutrientes vegetales durante el proceso. Dichos nutrientes vegetales que se pueden añadir incluyen, pero no se limitan a, uno o más de urea, nitrato de amonio, sulfato de amonio, fosfato de monoamonio, fosfato de diamonio, nitrato de urea y amonio, urea líquida, potasa, óxido de hierro, hierro soluble, hierro quelatado y combinaciones de los mismos. Preferiblemente, el proceso comprende además la adición de uno o más agentes endurecedores durante el procesamiento tales como, por ejemplo, óxidos férricos, arcilla de atapulgita de alumbre, melazas industriales, lignina, lignosulfonato, polimerizador de urea formaldehído y combinaciones de los mismos.

También se describen sistemas para la fabricación de un fertilizante que comprenden: un mezclador que mezcla biosólidos con un agente de control de olores; un primer recipiente de reacción o presión en donde los biosólidos combinados se mezclan con un ácido y se calientan a una primera temperatura predeterminada y se presurizan a una primera presión predeterminada durante un período de tiempo formando un líquido; un segundo recipiente de reacción o presión en donde el líquido se mezcla con amoníaco de una fuente de amoníaco y se calienta a una segunda temperatura predeterminada y se presuriza a una segunda presión predeterminada durante un segundo período de tiempo; y un granulador en donde el líquido amoniacal se mezcla con gránulos preformados y se calienta para formar gránulos secos del fertilizante. Preferiblemente, la fuente de amoniaco es amoniaco licuado o gaseoso a presión y el primer y segundo recipientes de reacción o presión contienen cada uno un agitador. Los sistemas también pueden incluir un proceso de cribado para seleccionar gránulos de fertilizante del tamaño del producto, y uno o más aparatos de enfriamiento y recubrimiento para reducir la temperatura y controlar el polvo antes del almacenamiento. Opcionalmente, el enfriador puede incluir un generador de ozono que proporciona ozono al fertilizante de enfriamiento para eliminar o al menos reducir sustancialmente los olores desagradables. Preferiblemente, los sistemas también comprenden un transportador para transportar biosólidos al mezclador y otro transportador para transportar los biosólidos mezclados al primer recipiente de reacción o presión; un sistema de tuberías presurizadas que transporta biosólidos acidificados desde el primer recipiente de reacción o de presión al segundo recipiente de reacción o de presión, amoníaco al segundo recipiente de reacción o de presión; y dispersa el líquido amoniacal en el granulador. Los sistemas preferidos comprenden además una o más cribas para seleccionar gránulos de un tamaño predeterminado y un enfriador rotatorio para enfriar y pulir los gránulos dimensionados, y un aparato de control de polvo que recolecta y recicla el polvo del granulador y un sistema de recuperación de agua mediante el cual el agua extraída de los biosólidos durante el procesamiento se recupera y recicla. El primer y/o segundo recipiente de reacción o presión puede ser un reactor de tubería cruzada, o ambos recipientes de reacción o de presión son reactores de tubería cruzada. El proceso puede realizarse como un proceso continuo o por lotes.

Además, se describen métodos para la fabricación de un producto que comprenden: proporcionar un material orgánico en donde el material orgánico tiene un contenido de sólidos de al menos un diez por ciento; añadir un ácido al material orgánico bajo una primera presión y temperatura elevada durante un primer período de tiempo formando una mezcla licuada; añadir amoniaco a la mezcla licuada bajo una segunda presión y temperatura elevada durante un segundo período de tiempo; y procesar la mezcla licuada para formar el fertilizante. Preferiblemente, el material orgánico es material vegetal o bacteriano y, también preferiblemente, el material vegetal o bacteriano es algas, bacterias, hongos o una combinación de los mismos. Preferiblemente, hay materiales tóxicos presentes en los materiales orgánicos que se hidrolizan o de otro modo se vuelven no tóxicos o inactivados por el proceso de la invención. Preferiblemente, la primera presión está entre 138 kPa y 414 kPa (entre 20 y 60 psig), la temperatura elevada está entre 66°C (150°F) y 127°C (260°F) y el primer período de tiempo está entre 3 minutos y 30 minutos. También preferiblemente, la segunda presión y la temperatura elevada durante un segundo período de tiempo son, respectivamente, entre 345 kPa y 1379 kPa (entre 50 y 200 psig) y entre 121°C (250°F) y 199°C (390°F), entre 1 minuto y 30 minutos. Preferiblemente, el producto es un fertilizante.

Otra realización de la invención está dirigida a fertilizantes fabricados mediante los métodos de la invención. Preferiblemente, los fertilizantes de la invención tienen perfiles de liberación de nitrógeno tanto rápidos como lentos, de modo que un porcentaje del nitrógeno disponible se libera al suelo tras la aplicación del fertilizante, preferiblemente del 10% al 70%, y una segunda liberación más lenta que representa aproximadamente el 30%. hasta el 90% del contenido de nitrógeno disponible del fertilizante se libera en el suelo durante un período de semanas y meses. Preferiblemente, la liberación de nitrógeno se sincroniza con las necesidades de los cultivos o plantas en crecimiento.

Descripción de las Figuras

Figura 1. Diagrama de flujo de la planta de fertilizante biosólido de una realización de la invención.

Figura 2. Diagrama de flujo de la planta de fertilizante biosólido de otra realización de la invención.

Figura 3. Esquema de un proceso de sulfato de amonio modificado.

Figura 4. Características físicas y químicas del fertilizante de sulfato de amonio modificado orgánicamente de una realización de la invención.

Figura 5. Curva de liberación de nitrógeno de plantas fertilizadas con sulfato de amonio que muestra el porcentaje de nitrógeno liberado en el suelo durante varias semanas.

Figura 6. Curva de liberación de nitrógeno que muestra el porcentaje de nitrógeno liberado al suelo durante varios días para el sulfato de amonio (AS), el sulfato de amonio modificado orgánicamente de la invención (VITAG) y la biomasa convencional (MILORGANITE).

Figura 7. Curva académica de liberación de nitrógeno de plantas fertilizadas con sulfato de amonio, sulfato de amonio modificado orgánicamente de la invención y biosólidos que muestran el porcentaje de nitrógeno liberado al suelo durante varias semanas.

Descripción de la Invención

Todos los países y regiones de población del mundo generan desechos en forma de materiales orgánicos. La expresión material orgánico incluye, entre otros, biosólidos como biosólidos orgánicos, biosólidos que contienen microorganismos, biosólidos municipales y biosólidos secados por calor, y también incluye desechos de fermentación y procesamiento farmacéutico y de laboratorio, desechos de granja y agrícolas, materiales orgánicos descompuestos y digeridos, plantas recolectadas y materiales similares a plantas como algas, incluidas las algas azules/verdes, bacterias que incluyen bacterias azules/verdes, cianobacterias (por ejemplo, azul/verde, óxido, negro), moho y hongos, desechos industriales y sus subproductos, digeridos microbianos, químicos y enzimáticos de productos orgánicos, alimentos vegetales y animales, alimentos y subproductos, abonos animales, abonos animales digeridos y procesados, fertilizantes reciclados y todas sus combinaciones. La eliminación de materiales de desecho orgánicos representa un problema importante y también un gasto para todas las comunidades. Los métodos tradicionales de eliminación incluyen el enterramiento, el enterramiento en el mar o la incineración. Cada una de estas opciones agrava el problema al crear cantidades insostenibles de contaminación que contaminan tanto a la comunidad como al planeta. Se han desarrollado nuevas técnicas que involucran el tratamiento térmico para inactivar microorganismos y otros contaminantes potenciales que pueden resultar en un producto que puede ser un fertilizante de bajo valor. Aunque estas técnicas son ecológicamente sólidas, no se han popularizado porque, en gran parte, el producto tiene un valor tan bajo que hay poco o ningún incentivo comercial para que las comunidades cambien de la filosofía tradicional de enterrar y quemar, y no hay fondos que permitan para la creación de instalaciones de procesamiento seguras.

Se ha descubierto sorprendentemente que un fertilizante de alto valor se puede fabricar de manera eficiente a partir de materiales orgánicos, incluidos, entre otros, biosólidos crudos y semielaborados, materiales agrícolas y desechos industriales. El proceso de la invención no solo destruye todos los microorganismos potencialmente dañinos, sino que hidroliza muchos polímeros, incluidas formas de biopolímeros (por ejemplo, ADN, proteínas, carbohidratos, toxinas, antibióticos, hormonas, etc.), formas de materiales compuestos e incluso formas de plásticos. El producto fertilizante resultante es de alto valor y también contiene los monómeros hidrolizados (por ejemplo, aminoácidos, azúcares, etc.) que son beneficiosos y deseables para un fertilizante. El proceso de la invención también permite la producción de fertilizante con cantidades preseleccionadas de cada uno de los componentes del fertilizante que incluyen, pero no se limitan a, las concentraciones de nitrógeno, fósforo, potasio, azufre, hierro y orgánicos.

Una realización de la invención está dirigida a métodos para la fabricación de un fertilizante. En la Figura 3 se representa un esquema del proceso general de la invención. El método comprende proporcionar un material orgánico que puede contener biosólidos u otro material orgánico al que, opcionalmente, se añade un agente de control de olores, que en sí mismo se puede utilizar como un importante nutriente vegetal en el producto fertilizante final, para reducir o eliminar los olores que pueden estar presentes en el material orgánico u otros componentes de los materiales de partida. La mezcla resultante, que puede contener agua añadida reciclada de otras etapas del método, se mezcla completamente y se calienta a una temperatura predeterminada durante un período de tiempo antes de comenzar las reacciones ácido/base críticas que ocurren en un recipiente de reacción o hidrólisis. A este material calentado se añade un ácido que reacciona exotérmicamente con el material orgánico y aumenta tanto la temperatura como la presión. Durante este tiempo, preferiblemente de dos a diez minutos, los componentes se licúan mayoritaria o totalmente. Al material licuado calentado, que opcionalmente se puede transferir a un segundo recipiente a presión, se añade amoníaco, que preferiblemente también se licúa o vaporiza y también bajo presión, y la reacción posterior con el componente ácido de la mezcla sirve para aumentar aún más la temperatura y presión. Los biosólidos amoniacados y licuados se mantienen durante un corto período de tiempo en estas condiciones, preferiblemente de dos a diez minutos, y luego se procesan, preferiblemente en gránulos de fertilizante.

La reacción de amoniación se puede llevar a cabo hasta su finalización, por lo que todo o casi todo el ácido se hace reaccionar de manera que quede poco o ningún ácido residual. La combinación de casi todo el ácido produce una sal o una sal fundida (una mezcla parcialmente amoniacal) (por ejemplo, con ácido sulfúrico, la sal producida es sulfato de amonio). Preferiblemente, tras la sal de amoniaco, las relaciones de fusión son aproximadamente 20/80, aproximadamente 25/75, aproximadamente 30/70, aproximadamente 35/65, aproximadamente 40/60, aproximadamente 45/55, aproximadamente 50/50, aproximadamente 55/45, aproximadamente 60/40, aproximadamente 65/35, aproximadamente 70/30, aproximadamente 75/25 y aproximadamente 80/20. La formación de sal se puede determinar en tiempo real midiendo el pH de la mezcla. Los valores de pH preferidos están entre 6.2 y 7.0. Alternativamente, a veces es preferible amonizar parcialmente la mezcla de ácido en el reactor y completar la amoniación en un segundo amasado o en el proceso de granulación.

Una ventaja de esta invención es que, debido a que los materiales orgánicos están licuados, el líquido se puede transportar más fácilmente según sea necesario a través de tuberías, preferiblemente usando diferenciales de presión en comparación con cualquier material sólido, semisólido o tixotrópico. Los materiales orgánicos licuados también se pueden aplicar de manera más uniforme al material aceptor en el granulador, lo que permite la formación de un gránulo de forma esférica formado más uniformemente. Preferiblemente, los biosólidos se licúan por completo, aunque normalmente es suficiente licuarlos en su mayoría. Preferiblemente, el líquido exhibe una facilidad característica para fluir, poca o ninguna tendencia a dispersarse y una incompresibilidad relativamente alta.

La viscosidad del material orgánico de partida es típicamente superior a 100,000 kPa-s (100,000 cP) y típicamente 150.000 kPa-s (150,000 cP) a temperatura ambiente y no cambia significativamente incluso a temperaturas elevadas típicas en una instalación de procesamiento. Para fines comparativos, aproximadamente a temperatura ambiente, la melaza tiene una viscosidad de aproximadamente 5,000 a 10,000 kPa-s (aproximadamente 5,000 a 10,000 cP), la miel tiene una viscosidad de aproximadamente 2,000 a 10,000 kPa-s (aproximadamente 2,000 a 10,000 cP), el jarabe de chocolate tiene una viscosidad de aproximadamente 900 a 1150 kPa-s (aproximadamente 900 a 1150 cP) y el aceite de oliva tiene una viscosidad de aproximadamente 81 kPa-s (aproximadamente 81 cP). Con la adición de ácido y calor de acuerdo con la invención, la viscosidad del material orgánico disminuye a un rango de aproximadamente 1.000 a 10,000 kPa-s (aproximadamente 1,000 a 10,000 cP) y preferiblemente a menos de 4,000 kPa-s (4,000 cP), más preferiblemente a menos de 3,000 kPa-s (menos de 3,000 cP), más preferiblemente a menos de 2,000 kPa-s (menos de 2,000 cP) y más preferiblemente a menos de 1,000 kPa-s (menos de 1,000 cP). Con la adición de amoníaco y el aumento de temperatura agregado de la reacción exotérmica resultante, la viscosidad disminuye a un rango de 500 a 4,000 kPa-s (500 a 4,000 cP) y preferiblemente 2,000 kPa-s (2,000 cP) o menos, más preferiblemente a 1,000 kPa-s (1,000 cP) o menos, y más preferiblemente 750 kPa-s (750 cP) o menos, y más preferiblemente hasta 500 kPas (500 cP) o menos. Además, los problemas asociados típicamente con los desechos sólidos que normalmente están presentes en el material orgánico, como los biosólidos, y los desechos, como el plástico y el cabello, se eliminan ya que todo ese material también se hidroliza.

El material de baja viscosidad de la invención tiene un requerimiento de energía sustancialmente menor para el transporte y procesamiento en comparación con los materiales convencionales. No queda ningún material sólido biológico u orgánico, por lo que se eliminan los problemas e ineficiencias comúnmente asociados con la obstrucción de los desechos sólidos o que bloquean el transporte de un área a otra y, por lo tanto, se requiere apagar el sistema para el mantenimiento. No hay presentes sólidos o semisólidos que de otro modo aumentarían el desgaste del equipo y, por lo tanto, acortarían la vida útil del equipo. Además, los materiales sólidos orgánicos que incluyen, por ejemplo, plástico y cabello, que se sabe que provocan bloqueos en el procesamiento convencional, se descomponen completamente e hidrolizan a sus componentes monoméricos. La reacción ácida hidroliza muchos polímeros que pueden estar presentes, incluidos plásticos, cabello y compuestos biológicamente activos (presentes de forma natural o creados artificialmente), y descompone y destruye muchas y casi todas y preferiblemente todas las macromoléculas y microorganismos que pueden estar presentes. Esto aumenta la seguridad de los trabajadores del proceso y simplifica y aumenta aún más la eficiencia de cualquier limpieza o mantenimiento del sistema que pueda ser necesario periódicamente. Esta hidrólisis aumenta aún más la seguridad en el uso del producto fertilizante resultante en comparación con otros productos fertilizantes tradicionales que contienen productos orgánicos, como los elaborados en los procesos de estabilización alcalina de biosólidos.

Otra ventaja de la invención es que, debido a que el proceso se puede contener fácilmente, se minimiza la necesidad de un aparato de control de polvo y olores. Los pasos de procesamiento son cerrados y bajo presión negativa y no se realizan pasos en áreas abiertas o expuestas al medio ambiente o al entorno de la instalación. Los agentes de control de olores se añaden preferiblemente inicialmente, pero opcionalmente podrían añadirse con la misma facilidad en cualquier paso del proceso. Alternativamente o además de otros procesos de control de olores, los gránulos pueden exponerse al ozono durante la formación y/o enfriamiento. El ozono reducirá o eliminará sustancialmente los olores desagradables del fertilizante. Por tanto, la invención es una mejora importante en comparación con las prácticas de fabricación de fertilizantes convencionales en las que una gran instalación de fabricación está ubicada lo más lejos posible de las comunidades, lo que requiere que los materiales de entrada se envíen a largas distancias para operar la planta. Un buen ejemplo de este problema fue la planta de conversión de biosólidos en fertilizante ubicada en Helena, Arkansas, que practicaba los procesos de fabricación enseñados en las Patentes de Estados Unidos No.

5,984,992; 6,159,263; 6,758,879; y 7,128,880, y utilizaron biosólidos que fueron transportados desde la ciudad de Nueva York.

Otra ventaja de la invención es que, debido a que el ácido y el amoniaco se añaden de forma controlada, pueden predeterminarse los componentes finales del fertilizante. La cantidad exacta de nitrógeno en el producto final se puede regular en función de la cantidad de materiales de partida, incluidos los biosólidos, el ácido, la base, el agua y cualquier otro componente. Del mismo modo, la cantidad exacta de azufre, hierro, fosfato, potasio e incluso materia orgánica también se puede regular o, si se desea, eliminar del producto final produciendo un producto fertilizante hecho a medida. Muchos cultivos que requieren fertilización se cultivan en áreas que se sabe que tienen un alto contenido de fosfato, azufre, potasio u otros elementos. La fertilización con fertilizantes convencionales, aunque es necesaria, suele exacerbar la contaminación. Los fertilizantes producidos mediante los métodos de la presente invención no solo superarían tales problemas, sino que podrían adaptarse para su uso junto con un tipo específico de suelo o la necesidad específica de un tipo de cultivo seleccionado. Además, el proceso de la invención permite la suplementación del fertilizante durante el procesamiento con ingredientes adicionales.

Otra ventaja de la invención es que se realiza fácilmente a gran escala, con procesamiento continuo y bajo automatización. No se requieren tiempos de retención significativos, por lo tanto, no hay demoras, por lo que el procesamiento continúa de principio a fin sin interrupciones, como puede ser necesario cuando se requiere que el material se incube durante días, como es común para algunos tipos de procesamiento de biosólidos convencionales, como en los procesos de compostaje o estabilización alcalina. Además, el proceso no depende de una cantidad particular de material. El proceso de la invención es escalable a cualquier cantidad de material orgánico. Esto es muy preferido al menos porque la mayoría de las regiones municipales varían en tamaño y, por lo tanto, las cantidades de compuestos orgánicos tales como biosólidos producidos por día varían ampliamente. Además, se espera que las cantidades también varíen con el tiempo. Además, cada paso del proceso se puede realizar con una automatización completa, incluida la contabilización de la variación necesaria por día y con el tiempo.

Otra ventaja de la invención es que permite la ubicación conjunta de las instalaciones para procesar materiales orgánicos como biosólidos con las plantas de tratamiento. Los biosólidos se pueden llevar directamente de las plantas de tratamiento de aguas residuales al procesamiento, minimizando así el transporte y el derrame potencial de compuestos potencialmente dañinos. Otra realización preferida es ubicarse lo suficientemente cerca de la planta de tratamiento de aguas residuales para conectarse mediante un transportador de tornillo o cinta o un sistema de bombeo de biosólidos. Alternativamente, otra realización preferida es ubicarla adyacente a la planta de aguas residuales. El objetivo de la presente invención es colocar la planta de procesamiento lo más cerca posible de la planta de aguas residuales. Por tanto, la presente invención elimina el coste de transporte al ubicar el equipo físico necesario para realizar el proceso de fabricación junto o cerca de la fuente de los biosólidos, tales como plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. Las plantas de fabricación de la invención permiten preferiblemente instalaciones de almacenamiento adyacentes. Una vez más, al ser adyacentes, la logística de transporte se simplifica o elimina, lo que reduce los costes de transporte del producto, así como los costes de transporte de los insumos orgánicos como los biosólidos. Además, los procesos de la invención tienen la ventaja de que pueden interconectarse con otras instalaciones de producción. Esas instalaciones pueden estar asociadas con una empresa comercial no relacionada como, por ejemplo, la producción de nailon o acero. En estas dos industrias se crea sulfato de amonio caliente como subproducto de la fabricación del producto. Además, y con mayor frecuencia, la ubicación conjunta cerca de una empresa comercial que crea un exceso de calor, como en un horno u horno, permitiría ventajosamente el uso de este exceso de calor por la presente invención tal como en el reemplazo de la necesidad de combustibles fósiles como gas natural o por la cogeneración de electricidad mediante la utilización de dicho exceso de calor. Al ubicar una instalación de procesamiento de la invención en este tipo de sitios, los subproductos de otro modo no deseados, como el sulfato de amonio, no necesitan ser transportados, sino que pueden utilizarse directamente en la fabricación de fertilizantes de acuerdo con la presente invención.

Otra ventaja de la invención es que debido a que el proceso minimiza la cantidad de agua y energía (por ejemplo, eléctrica) necesaria, y la cantidad de subproductos de desecho formados, en comparación con el procesamiento convencional, la fabricación se puede dimensionar para satisfacer las necesidades del tamaño del comunidad en particular en la que se ubica la planta. Este diseño personalizado permite una planta de procesamiento de biosólidos/fabricación de fertilizantes que puede procesar cantidades más pequeñas de biosólidos (por ejemplo, menos de 2.72 toneladas; 3 toneladas por hora de biosólidos deshidratados) o ampliarse para plantas más grandes (por ejemplo, hasta 10.9 toneladas; 10 a 12 toneladas por hora o más). En una realización preferida, el tamaño óptimo está entre 5.4 y 7.3 toneladas; 6 y 8 toneladas por hora) cuando los biosólidos están estandarizados a un porcentaje de sólidos de 25. La cantidad de biosólidos procesados por hora depende del porcentaje de sólidos de los biosólidos. A medida que los biosólidos aumentan en humedad, la cantidad de biosólidos que pueden procesarse por hora aumenta proporcionalmente. Esta característica de dimensionamiento reduce los costes, permite la estandarización con equipos intercambiables y aumenta la eficiencia de la logística operativa, así como también disminuye la responsabilidad general.

Los materiales orgánicos que pueden procesarse de acuerdo con la invención incluyen, pero no se limitan a, biosólidos. Los tipos de biosólidos incluyen biosólidos municipales, residuos sépticos domésticos, desechos de granja y agrícolas, estiércol animal, estiércol animal digerido y procesado, fertilizantes biosólidos reciclados, biosólidos orgánicos, biosólidos que contienen microorganismos y biosólidos secados con calor. Otros materiales orgánicos que pueden procesarse de acuerdo con el método de la invención incluyen, entre otros, desechos de fermentación y procesamiento farmacéutico y de laboratorio, desechos industriales orgánicos, materiales microbianos, materiales orgánicos descompuestos y digeridos, desechos de granja y agrícolas, materiales vegetales cosechados tales como algas que incluyen algas azules/verdes, algas marinas y otras plantas acuáticas y detritos orgánicos transmitidos por el agua, bacterias que incluyen bacterias azul/verde y cianobacterias (por ejemplo, azul/verde, óxido, negro), limo, insectos y biomasa de insectos (por ejemplo, partes del cuerpo, estiércol), moho y hongos, desechos industriales y sus subproductos, digeridos microbianos, químicos y enzimáticos de productos orgánicos, alimentos y subproductos alimentarios, y combinaciones de los mismos. Además de los biosólidos convencionales, la mayoría de los materiales orgánicos se pueden procesar mediante los métodos de la invención, incluidos alimentos en mal estado o podridos de otro modo como, entre otros, carnes, pescado y productos agrícolas, así como plásticos, y basura doméstica que contiene carbono y materiales reciclables.

Otra ventaja de la invención es que los materiales orgánicos, e incluso ciertos materiales no orgánicos, que de otro modo serían difíciles de eliminar, pueden procesarse de acuerdo con la invención como un método para convertir en un producto útil lo que de otro modo sería material de desecho que ocupa un espacio en un vertedero o el océano. A modo de ejemplo no limitativo, las algas se extraen de la superficie o se recogen de otras formas de cuerpos de agua con fines estéticos, así como para la salud general de las plantas y animales que habitan el medio ambiente. A menudo, estas algas pueden estar contaminadas con toxinas naturales o compuestos tóxicos absorbidos o metabolizados y concentrados dentro de las algas del medio ambiente. Procesando las algas de acuerdo con los métodos de la invención, las algas se pueden convertir en fertilizante y, lo que es más importante, las toxinas pueden destruirse o inactivarse de otro modo. Además, las algas u otras plantas o bacterias pueden cultivarse intencionalmente en o sobre un área contaminada y recolectarse para ser procesadas de acuerdo con la invención. Además, como la contaminación tóxica es una cuestión de concentración, los materiales generados a partir de los procesos de la invención pueden añadirse a otros materiales procesados y diluirse suficientemente para no representar un peligro. Este proceso de recuperación de tierra o agua se puede realizar con una variedad de plantas, bacterias e insectos con los organismos recolectados, procesados de acuerdo con la invención y convertidos en no tóxicos o inofensivos. Por consiguiente, el proceso de la invención se puede aplicar a suelo tratado o no tratado, humus y casi cualquier biomasa, incluidos componentes celulares, materia orgánica sedimentaria y materiales bióticos.

El material orgánico se deshidrata o hidrata preferiblemente hasta un contenido de sólidos de entre el 10 y el 40 por ciento, más preferiblemente entre el 20 y el 30 por ciento, y más preferiblemente entre el 22 y el 25 por ciento. El contenido óptimo de sólidos de un material orgánico particular también se puede determinar empírica o experimentalmente. El material orgánico recibido para el procesamiento de acuerdo con la invención tendrá típicamente un contenido de sólidos más bajo que el nivel óptimo. Preferiblemente, el material orgánico con un contenido de sólidos insuficiente se puede ajustar a la concentración deseada combinando/mezclando con materiales orgánicos "secos" con una concentración de sólidos del 70 al 95 por ciento y preferiblemente del 85 al 92 por ciento.

Los materiales orgánicos "secos" pueden estar disponibles a través de fuentes de terceros o pueden producirse con el material orgánico disponible mediante secado por calor. Los procesos de secado por calor incluyen transportadores de tornillo calentado, secadores de disco, secadores rotativos, mezcladores/secadores de paletas, secadores de lecho fluido y otros procesos/equipos disponibles comercialmente. Los materiales orgánicos secos y el material orgánico de concentración insuficiente de sólidos se mezclarán en un recipiente de mezcla para alcanzar el contenido de sólidos ideal según se determine empírica o experimentalmente. El recipiente de mezcla puede ser un amasador, un transportador de tornillo mezclador, un mezclador de múltiples ejes, un mezclador de paletas de cinta, un mezclador de alto cizallamiento u otro mezclador de suspensión comercial de alta viscosidad. Menos preferiblemente, el material orgánico con un contenido de sólidos insuficiente se puede ajustar a la concentración deseada calentando el material para eliminar el agua según sea necesario para alcanzar la concentración deseada. Esto también se puede hacer en el mismo equipo de secado por calor mencionado anteriormente. Los materiales orgánicos recibidos para el procesamiento pueden necesitar hidratación y, cuando es necesario, se agrega preferiblemente agua adicional del agua recolectada durante otras etapas del procesamiento. Este uso de agua reciclada se suma además a la eficacia y la rentabilidad beneficiosa de la invención.

Si es necesario durante el proceso de admisión, el material orgánico puede acondicionarse mediante inyección de vapor, agua y/o calor (por ejemplo, tixotrópico) para permitir o mejorar el flujo o el movimiento. En estos pasos iniciales, el material orgánico se puede mezclar con aditivos químicos tales como agentes oxidantes, para el control inicial del olor y para preparar los biosólidos para la reacción en el recipiente a presión. Por ejemplo, los biosólidos se pueden infundir con ácido fosfórico negro o de grado agrícola para minimizar los olores. En este ejemplo, el ácido fosfórico agregado aquí alterará la concentración final de fosfato en el producto fertilizante. La cantidad de fosfato añadida al producto en este paso puede ser tan pequeña como 0.5 por ciento y hasta 6 por ciento. Además de minimizar los olores, el ácido fosfórico agrega un valioso componente nutritivo al fertilizante del producto.

Preferiblemente, el agente de control de olores se agrega al material orgánico inicial que se va a procesar, aunque se pueden agregar uno o más agentes de control de olores en cualquier momento durante el procesamiento, incluso durante la formación de gránulos y el enfriamiento. Los agentes de control de olores preferidos incluyen, pero no se limitan a, ferrato de calcio, ferrato de sodio, ferrato de potasio, sulfato ferroso heptahidratado, rozenita, melanterita, cloruro férrico, sulfato ferroso, sulfato ferroso monohidrato, peróxido de hidrógeno y/u ozono, así como varios otros. sales, derivados y combinaciones de los mismos. La cantidad y el tipo de agente de control de olores pueden ser determinados empíricamente por un experto en la técnica, pero las cantidades típicas oscilan entre el 0.01 por ciento en peso de la mezcla o de los gránulos, hasta el 6 por ciento de la mezcla o los gránulos, y es preferiblemente de aproximadamente 0.05%, 0.1%, 0.25%, 0.5%, 0.75%, 1.0%, 1.5% o 2.0%.

El material orgánico, el agente de control de olores y posiblemente el agua reciclada se entregan a un recipiente de mezcla donde se mezclan completamente y pueden formar una pasta tixotrópica que se bombea o transporta fácilmente. El recipiente de mezcla puede ser un amasador, un transportador de tornillo mezclador, un mezclador de múltiples ejes, un mezclador de paletas de cinta, un mezclador de alto cizallamiento u otro mezclador de suspensión de alta viscosidad comercial. Los amasadores, licuadoras y mezcladoras son cámaras de mezcla que tienen elementos de mezcla en forma de cuchilla montados en un eje o ejes de accionamiento potente que giran a una velocidad variable pero controlada que dividen, mezclan, retromezclan y redividen los materiales que se van a mezclar múltiples veces por segundo para producir una mezcla completa y uniforme con una consistencia confiable.

Alternativamente, el recipiente de mezclado para alcanzar la concentración de sólidos y el recipiente de mezclado para el acondicionamiento con agua reciclada, ácido fosfórico, agentes de control de olores u otros aditivos pueden combinarse en un solo mezclador de tamaño adecuado para dar la energía y el tiempo de mezclado deseados.

Esta mezcla se calienta preferiblemente mediante calor indirecto, como un transportador de tornillo calentado, mezclador de paletas o secador de disco, o calor directo, como inyección de vapor, a una temperatura requerida para una reacción adecuada en la siguiente fase de acidificación del proceso. La temperatura requerida está determinada por el tipo y concentración del ácido utilizado, así como por el tipo y concentración de la mezcla de materiales orgánicos. Calentar la mezcla implica preferiblemente una mezcla o agitación continua de la mezcla dentro del recipiente de mezcla y posiblemente el calentamiento del propio recipiente. Por consiguiente, para lograr una temperatura deseada de la mezcla, se puede requerir más o menos calor dependiendo en parte de la composición del material del recipiente. Preferiblemente, el calentamiento se realiza durante un período de retención de tiempo que es equivalente al tiempo requerido para alcanzar la temperatura deseada o la mezcla se puede mantener durante períodos de tiempo más largos. Los períodos de tiempo preferidos, que incluyen el tiempo de calentamiento, están entre 1 y 30 minutos, más preferiblemente entre 3 y 15 minutos, más preferiblemente entre 5 y 10 minutos (o cualquier combinación de estos intervalos). Además, los tiempos de calentamiento también pueden depender de la cantidad de mezcla que se calienta. Se prefiere un tiempo de calentamiento que sea aproximadamente equivalente al tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura deseada. Menos preferiblemente, el calentamiento también se puede lograr mediante la inyección directa de vapor o gases calentados en un recipiente de mezcla o sistema de tuberías.

A la mezcla calentada se añade ácido, en la realización preferida en la entrada del primer recipiente a presión, creando una reacción exotérmica, que de ese modo provoca un calentamiento adicional. El ácido se añade a la mezcla mediante inyección directa en un recipiente a presión o inyección en la entrada del recipiente. En el recipiente a presión, la mezcla se agita o se mezcla continuamente de otro modo. El ácido tiene un pH muy bajo y preferiblemente en el intervalo de pH negativo 4.0 a pH positivo 2.0. Como saben los expertos en la técnica, con ácidos acuosos muy fuertes hay muy pocas moléculas de agua para disociar el ácido por completo. Como consecuencia, el pH real es mucho más bajo que una medición real. Un pH negativo indica que el cálculo del pH sería un logaritmo negativo de la molaridad donde la molaridad de los iones de hidrógeno es mayor que 1. Los valores de pH preferidos para los ácidos utilizados son, por ejemplo, pH de 2.0 o menos, pH de 1.0 o menos, pH de 0.8 o menos, pH de 1.0 negativo o menos, pH de 2.0 negativo o menos. Los ácidos preferidos incluyen, pero no se limitan a, ácido clorhídrico, ácido bórico, ácido hipocloroso, ácido perclórico, ácido carbónico, ácido fosfórico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fluorhídrico, ácido carboxílico y derivados, mezclas y combinaciones de los mismos. La cantidad y el tipo de ácido añadido lo determina un experto en la técnica a partir de la cantidad de materiales orgánicos que se están tratando y/o el resultado deseado, que incluye, entre otros, uno o más de, lograr una temperatura o presión predeterminada. o licuar la mezcla. En parte porque los materiales orgánicos están licuados, hay poca o ninguna acumulación de silicato de calcio, compuestos de fosfato insolubles u otros compuestos insolubles en las tuberías, un problema típico con las instalaciones de procesamiento de biosólidos convencionales. La adición del ácido provoca una reacción exotérmica que calienta y aumenta la presión del recipiente. Esta presión, que al comienzo de la reacción se encuentra en la temperatura ambiente, puede de hecho mantenerse a temperatura ambiente o una presión deseada durante todo el proceso de acidificación mediante ventilación controlada o monitorizada. Alternativamente, se puede permitir que la presión aumente al aumentar la temperatura debido al calor exotérmico de la reacción de dilución. Dichas presiones pueden alcanzar un rango superior de 414 kPa (60 psig) controlando la ventilación o en ausencia de ventilación.

La temperatura de la mezcla aumenta, preferiblemente hasta o por encima de 66°C (150°F) como, por ejemplo, hasta o por encima de 82°C (180°F) o 93°C (200°F), y más preferiblemente hasta o por encima de 104°C (220°F), 110°C (230°F), 116°C (240°F), 121°C (250°F), 127°C (260°F), 132°C (270°F) 137°C (280°F), 143°C (290°F), 149°C (300°F), 163°C (325°F) o por encima de 177°C (350°F). Esta acidificación se puede llevar a cabo sin presión en el reactor permitiendo la liberación de aire del recipiente durante la acidificación, sin embargo, en la realización preferida para facilitar la transferencia de la mezcla acidificada al segundo recipiente, la presión en el primero o recipiente de acidificación se mantendrá por encima de la presión alcanzada el segundo recipiente. El proceso de acidificación se lleva a cabo por un tiempo de retención de entre 3 minutos y 30 minutos con un tiempo preferido de entre 4 minutos y 8 minutos. La adición posterior de la base de amoníaco, preferiblemente en un segundo recipiente a presión, afecta aún más la temperatura de la mezcla, preferiblemente elevando la temperatura a 132°C (270°F) o más, tal como 138°C (280°F) or 143°C (290°F), más preferiblemente a 149°C (300°C), o más, más preferiblemente a 154°C (310°C), 160°C (320°F), 166°C (330°F) o 171°C (340°F), y más preferiblemente a 154°C (310°F). o más. 160°C (320°F), 166°C (330°F) or 171°C (340°F), y más preferiblemente a 177°C (350°F) o más como, por ejemplo, a igual o superior 182°C (360°F), 188°C (370°F), 191°C (375°F), 193°C (380°F), 199°C (390°F), 240°C (400°F), 210°C (410°F), 216°C (420°F), 221°C (430°F), 227°C (440°F) o 232°C (450°F). Preferiblemente, el calentamiento se realiza durante un período de tiempo de retención que es equivalente al tiempo requerido para alcanzar la temperatura deseada y permitir la finalización de las reacciones. Los períodos preferidos de tiempo de reacción, que pueden incluir un tiempo de batido exotérmico, están entre 1 y 30 minutos, más preferiblemente entre 3 y 15 minutos, más preferiblemente entre 5 y 10 minutos, o cualquier combinación de estos intervalos. Además, los tiempos de reacción también pueden depender de los constituyentes y/o composición de la mezcla que se está haciendo reaccionar y/o de la cantidad y/o tipo de ácido añadido. Las reacciones tienen lugar en recipientes contenedores cerrados y la presión en el espacio superior del recipiente también aumenta. Las presiones pueden regularse nuevamente con válvulas de alivio de presión y preferiblemente mantenerse entre 34.4 kPa (5 psig) y 1724 kPa (250 psig), más preferiblemente entre 207 kPa (30 psig) y 1034 kPa (150 psig), y más preferiblemente entre 276 y 690 kPa (entre 40 y 100 psig). Las presiones preferidas incluyen, pero no se limitan a 34,4, 69, 138, 207, 276, 345, 414, 483, 517, 522, 621, 690, 758, 827, 862, 896, 965, 1034, 1103, 1172, 1207, 1241, 1310, 1379, 1448, 1517, 1551, 1586, 1655 y 1724 kPa (5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 90, 100, 110, 120, 125, 130, 140, 150, 160, 170, 175, 180, 190, 200, 210, 220, 225, 230, 240 y 250 psig).

Después de la reacción del ácido al tiempo, temperatura y presión deseados, la mezcla acidificada se descarga del recipiente de presión de ácido y se transfiere a un segundo recipiente de presión. En el segundo recipiente a presión, se inyecta amoníaco a la mezcla en la entrada del segundo recipiente a presión o directamente en el segundo recipiente a presión. La cantidad y forma de amoníaco agregada la determina un experto en la técnica a partir de la cantidad de mezcla acidificada o materiales orgánicos que se están tratando y el resultado deseado, que incluye, entre otros, uno o más de, lograr una temperatura predeterminada o presionar o licuar la mezcla. La adición de amoníaco aumenta la temperatura de la mezcla liberando vapor que aumenta la presión del espacio de cabeza dentro del segundo recipiente a presión. Las presiones se pueden volver a regular con válvulas de alivio de presión y se mantienen preferiblemente entre 345 kPa y 1379 kPa (entre 50 psig y 200 psig), y más preferiblemente entre 517 y 1034 kPa (entre 75 y 150 psig) y más preferiblemente entre 689 y 896 kPa (entre 100 psig y 130 psig) o cualquier combinación de estos rangos. Preferiblemente, la adición de amoníaco se realiza durante un período de tiempo de retención que es equivalente al tiempo requerido para inyectar el amoníaco y completar las reacciones de amoníaco. Los períodos de tiempo preferidos están entre 1 y 30 minutos, más preferiblemente entre 3 y 15 minutos, y más preferiblemente entre 5 y 10 minutos (o cualquier combinación de estos intervalos). Además, el tiempo para inyectar amoníaco y completar las reacciones de amoníaco puede depender de la cantidad de mezcla acidificada presente y/o la cantidad y/o forma de amoníaco añadida. El pH en este punto es preferiblemente de aproximadamente 1.5 a aproximadamente 7.5 y más preferiblemente de aproximadamente 6.0 a aproximadamente 7.0.

Los procesos de la presente invención con biosólidos y otras formas de materiales orgánicos producen un fertilizante que es preferiblemente seguro de manipular y trabajar y que preferiblemente cumple y/o supera los requisitos mínimos de un biosólido de Clase A de la USEPA. El producto fertilizante se esteriliza preferiblemente y los contaminantes biológicos y químicos se hidrolizan al menos parcial y preferiblemente por completo y los agentes u organismos biológicos se desnaturalizan hasta el punto de inactivación y/o destrucción. Los contaminantes biológicos o químicos típicos incluyen, pero no se limitan a, uno o más de compuestos farmacéuticos, antibióticos, hormonas, moléculas similares a hormonas, compuestos biológicamente activos, macromoléculas, carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y combinaciones de los mismos.

La presente invención incluye preferiblemente un acondicionamiento de tensión durante un período de retención predeterminado que crea condiciones de tensión que cumplen o superan las asociadas con el sometimiento a autoclave tradicional de materiales. Este efecto de autoclave destruye y/o inactiva o simplemente esteriliza la materia orgánica. Los microorganismos en el material orgánico, que incluyen, por ejemplo, bacterias, virus, hongos, parásitos, huevos de parásitos, esporas bacterianas y fúngicas y combinaciones de los mismos, se destruyen y/o inactivan. Además, los procesos de la invención se diseñan preferiblemente para hidrolizar macromoléculas tales como proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, grasas, carbohidratos y combinaciones de los mismos, y/u otras sustancias biológicamente activas que puedan estar presentes.

En cualquier momento durante las etapas del método, se pueden añadir a la mezcla uno o más agentes endurecedores. Los agentes endurecedores preferidos incluyen, pero no se limitan a óxidos férricos, arcilla de atapulgita de alumbre, melazas industriales, lignina, lignosulfonato, polimerizador de urea formaldehído y combinaciones de los mismos.

En el momento deseado, que puede determinarse empírica o experimentalmente, el líquido se procesa para convertirlo en fertilizante. Preferiblemente, el procesamiento implica la transferencia a un granulador para la eliminación de agua y la formación de gránulos de fertilizante seco. Se prefiere procesar en un granulador que contiene 60-88 por ciento en peso de gránulos viejos y secar los gránulos preferiblemente con calor hasta más del 90 por ciento de sólidos, y preferiblemente 98 o 99 por ciento de sólidos o más. Preferiblemente, el agua extraída de los gránulos se recoge con una parte reciclada en las etapas del proceso y el resto se trata para su descarga. Los gránulos suelen estar bastante calientes durante el proceso de secado y, opcionalmente, se pueden dejar enfriar transfiriéndolos a una sala de enfriamiento o un aparato de enfriamiento. Durante el enfriamiento, se puede inyectar ozono en el enfriador como medida de control de olores. Las cantidades preferidas de ozono para inyectar son de 0.01% a 5% del peso de los gránulos de enfriamiento, más preferiblemente de 0.1% a 2% y más preferiblemente de aproximadamente 0.5% a 1%. Preferiblemente, el ozono se introduce en el aparato de enfriamiento mediante burbujeo.

Una vez secos y formados y, opcionalmente, después de enfriar, los gránulos se dimensionan y se prefiere un tamaño de gránulo de 0.5 mm a 4 mm. Son más preferidos los gránulos de fertilizante estándar de aproximadamente 2.8 mm y los "mini"gránulos especiales de aproximadamente 1 mm.

Se pueden añadir al granulador uno o más agentes endurecedores disponibles comercialmente. Los agentes endurecedores preferidos incluyen, pero no se limitan a, lignosulfonato, lignina, melaza o una combinación de los mismos. Los gránulos de más de 4 mm y menos de 0.5 mm se reciclan en el granulador. Los gránulos del tamaño deseado se procesan adicionalmente revistiéndolos con uno o más agentes de control de polvo disponibles comercialmente. Preferiblemente, los gránulos de más de 4 mm se trituran y se mezclan con los gránulos de menos de 0.5 mm, y todo se recicla en el granulador.

La invención proporciona preferiblemente sistemas de control de polvo y olores para asegurar la aceptación de la comunidad de la planta de fabricación y facilitar el cumplimiento de los estándares de la USEPA, así como hacer que el proceso sea más eficiente a través de la captura e incorporación de nitrógeno valioso u otros nutrientes vegetales potenciales y/o fugitivos del aire procesado de la planta.

Otra realización de la invención es el fertilizante fabricado mediante los métodos de la invención. Las características físicas y químicas del fertilizante de sulfato de amonio modificado orgánicamente de una realización preferida de la invención se enumeran en la Figura 4. El fertilizante de materiales orgánicos tales como biosólidos puede estar en polvo o en bloques, o está preferiblemente en forma de gránulos que son de un tamaño tipo predeterminado y son resistentes al aplastamiento después del pulido en comparación con los gránulos sin pulir. Además, los gránulos preferidos tienen un exterior liso con pocas picaduras o grietas y de forma circular u ovalada. Preferiblemente, el fertilizante no contiene polímeros no hidrolizados detectables o son insignificantes y preferiblemente los polímeros dentro de la mezcla orgánica se han hidrolizado incluyendo, entre otros, plásticos, compuestos farmacéuticos, antibióticos, hormonas, moléculas similares a hormonas, compuestos biológicamente activos, macromoléculas, carbohidratos, ácidos nucleicos, grasas, lípidos, proteínas y microorganismos. Los polímeros hidrolizados forman monómeros del polímero que se acumulan en el producto y son preferiblemente aminoácidos.

El proceso de la invención preferiblemente da como resultado la producción de gránulos o pellas de un producto fertilizante USEPA Clase A de sequedad, dureza y calidad química adecuadas para producir un producto fertilizante comercial valioso, con alto contenido de nitrógeno y liberación controlada (por ejemplo, liberación lenta o liberación dual capaz de competir en el mercado nacional e internacional con los fertilizantes inorgánicos tradicionales. Un fertilizante comercial con alto contenido de nitrógeno tiene preferiblemente más del 8 por ciento de nitrógeno en peso seco del fertilizante terminado y más preferiblemente al menos 16 por ciento de nitrógeno en peso seco del fertilizante terminado. La característica de Clase A se refiere a la calidad microbiológica del producto fertilizante terminado, que cumple con los estándares microbiológicos de Clase A de la United States Environmental Protection Agency para un producto que contiene biosólidos municipales como se define en 40 C.F.R. § 503. Además, el fertilizante de la presente invención cumple o excede este estándar en base a la condición de estrés y el tiempo de retención utilizado, asegurando así que se cumplan los Estándares de Atracción de Vectores de la USEPA asociados (90 por ciento de sólidos o más en el producto terminado), que el gránulo de fertilizante terminado esté optimizado para un contenido mínimo de agua, lo que aumenta la característica de dureza y elimina el agua con respecto al transporte del fertilizante terminado. El porcentaje de sólidos del producto acabado es preferiblemente superior al 92 por ciento de sólidos, más preferiblemente superior al 97 por ciento de sólidos y más preferiblemente superior al 99 por ciento de sólidos.

Los biosólidos tratados de acuerdo con los procesos de la invención contienen típicamente niveles bajos de metales tales como arsénico, cadmio, cobre, plomo, mercurio, molibdeno, níquel, selenio y/o zinc. Los niveles bajos son niveles por debajo de lo que se considera dañino y por debajo del estándar de Calidad Excepcional ("EQ") para metales según lo publicado por la USEPA para productos que contienen biosólidos municipales. Por lo tanto, al exceder la regulación de la USEPA y las condiciones de hidrolización del hidrolizador o recipiente a presión para macromoléculas (por ejemplo, productos farmacéuticos personales como antibióticos u hormonas o sustancias similares a las hormonas), el fertilizante resultante es seguro para su uso en y en relación con la agricultura, las plantas y los animales y es excepcionalmente seguro para que los trabajadores lo manipulen durante el procesamiento, el manejo, la distribución y la venta.

Como el producto fertilizante producido contiene tanto biosólidos como un alto contenido de nitrógeno deseable, una realización preferida da como resultado una variedad de fertilizantes de fórmula de nutrientes específicos, de los cuales los siguientes son típicos: fertilizante granular de liberación lenta 16-0.5-0-18-3-15 o 16- 0.5-2-17-3-14 (Nitrógeno-Fósforo-Potasio-Azufre-Hierro-Orgánicos) que es al menos 99 por ciento seco y excede los requisitos de Clase A de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) y los Estándares de Calidad Excepcional (EQ). El componente de nitrógeno orgánico de liberación controlada del 16 por ciento ayuda a unir el nitrógeno en la zona de la raíz cuando y donde se necesita. Por ejemplo, el nitrógeno en el ion amonio, debido a que está unido a componentes de los biosólidos, migra lentamente a través de la zona de la raíz y permanece disponible para la planta en lugar de volatilizarse o perderse en el agua subterránea debajo de la zona de la raíz. Como resultado, la planta puede absorberlo lentamente con el tiempo.

El producto fertilizante puede adaptarse a un contenido deseable de componentes elementales. Preferiblemente, el fertilizante tiene un contenido de nitrógeno de entre 6 y 20 por ciento, más preferiblemente de 8 a 18 por ciento, un contenido de fosfato de entre 0 y 10 por ciento, más preferiblemente de nada a 5 por ciento, un contenido de potasio de entre 0 y 5 por ciento, más preferiblemente de uno a cuatro por ciento, un contenido de azufre de entre 10 y 30 por ciento, más preferiblemente de 15 a 20 por ciento, un contenido de hierro de entre 0 y 10 por ciento, más preferiblemente de uno a cuatro por ciento, y un contenido orgánico de entre 5 y 30 por ciento, más preferiblemente de 10 a 20 por ciento (o cualquier combinación de estos intervalos).

El producto fertilizante contiene nitrógeno en forma de iones de amonio unidos de forma no covalente a compuestos orgánicos y otros compuestos químicos del fertilizante. A diferencia de los fertilizantes de sulfato de amonio, los iones de amonio unidos no se liberan todos inmediatamente al suelo después de la aplicación. En cambio, hay una liberación inmediata de un bolo de nitrógeno al suelo que representa aproximadamente del 30 al 60% del nitrógeno disponible del fertilizante. Esta liberación rápida es típicamente durante un período de una a dos semanas, más lenta que un fertilizante de sulfato de amonio convencional que generalmente libera el 90% o más de su nitrógeno disponible al suelo en aproximadamente 5 a 10 días, pero un poco más rápido o igual que la liberación de nitrógeno de fertilizantes biosólidos puros convencionales. Durante los días y semanas siguientes, la mayor parte del nitrógeno restante de los fertilizantes de la invención se libera gradualmente en el suelo. El sol, el calor, el agua y/o los microbios del suelo actúan sobre el fertilizante y rompen lentamente los enlaces iónicos liberando el nitrógeno disponible a las raíces de la planta. Preferiblemente, la liberación de nitrógeno es aproximadamente de aproximadamente 1% a 5% por semana, y más preferiblemente de aproximadamente 2% a 4% por semana. Una pequeña cantidad de nitrógeno puede unirse covalentemente a los compuestos del fertilizante y, por lo tanto, permanecer inaccesible para la planta. Preferiblemente, esta cantidad de nitrógeno no disponible es 5% o menos, más preferiblemente 2% o menos, y más preferiblemente 1% o menos de todo el nitrógeno del producto fertilizante. Este doble perfil de liberación de nitrógeno no está disponible con fertilizantes convencionales.

Los fertilizantes de liberación dual de la invención permiten una sola aplicación de fertilizante que proporciona un bolo de nitrógeno a las plantas en crecimiento o emergentes, tales como cultivos comerciales (por ejemplo, frutas, verduras, granos, árboles), luego una cantidad continua preferiblemente durante toda o en parte de una temporada de crecimiento (por ejemplo, véase Figura 7). Esto minimiza el número de aplicaciones de fertilizantes necesarias por cultivo, lo que proporciona ahorros sustanciales en los gastos de aplicación.

También se describe en el presente documento un proceso para la fabricación de un fertilizante con un contenido predeterminado de uno o más de nitrógeno, fosfato y/o potasio. El procesamiento de materiales orgánicos procede como se describe en el presente documento en donde el ácido seleccionado es del tipo y la cantidad deseados en el producto fertilizante final. Por ejemplo, el uso de una cantidad determinada de ácido fosfórico dará como resultado una cantidad determinada de fosfato en el producto fertilizante final. Al usar una cantidad particular de ácido sulfúrico, se retendrá una cantidad particular de azufre en el fertilizante. Al seleccionar el tipo y la cantidad de ácido, se puede preseleccionar el contenido del producto fertilizante producido. Preferiblemente, el fertilizante se complementa con uno o más nutrientes vegetales añadidos durante una o más etapas del procesamiento. El uno o más nutrientes vegetales incluyen, pero no se limitan a, urea, nitrato de amonio, sulfato de amonio, fosfato monoamónico, fosfato diamónico, nitrato amónico de urea, urea líquida, potasa, óxido de hierro, hierro soluble, hierro quelatado, micronutrientes como magnesio, manganeso, cobre, zinc, molibdeno o boro y combinaciones de los mismos.

En el presente documento se describe además un sistema para la fabricación de un fertilizante. La invención comprende un mezclador que mezcla el componente orgánico que contiene biosólidos, opcionalmente con un agente de control de olores. A continuación, la mezcla se calienta en este mezclador o en un recipiente de calentamiento separado. Calentar la mezcla implica preferiblemente una mezcla o agitación continua durante la adición de calor, ya sea mediante calentamiento indirecto, por ejemplo, paredes de recipiente calentadas o mezcladores calentados, o calentamiento directo, por ejemplo, inyección de vapor o aire caliente. A continuación, la mezcla calentada se transfiere a un primer recipiente a presión. El recipiente a presión es preferiblemente de una construcción que permite un mezclado vigoroso con una reacción exotérmica continua con la pasta de biosólidos ácidos acondicionada. Se incorpora un agitador/mezclador en el primer recipiente a presión. Los elementos calefactores opcionales que pueden ser externos o internos dentro del recipiente también pueden incorporarse en el recipiente a presión. El ácido se puede mezclar directamente con los biosólidos calentados en el primer recipiente a presión o, preferiblemente, el ácido y los biosólidos calentados se combinan en una T de mezcla y se añaden juntos al recipiente a presión. Dentro del recipiente de presión se continúa la acumulación de calor y presión durante un período de tiempo para formar un líquido a partir de la mezcla de biosólidos en forma de pasta. La mezcla líquida puede tratarse adicionalmente en el mismo recipiente a presión, o preferiblemente transferirse a un segundo recipiente a presión a través de una tubería o conducto. La mezcla se transfiere preferiblemente en un flujo turbulento para evitar o minimizar la posibilidad de que quede material biosólido en el conducto. También preferiblemente, la mezcla líquida acidificada se combina en una T de mezcla con el amoníaco de una fuente de amoníaco, preferiblemente amoníaco líquido, y juntos se inyectan a la fuerza en el segundo recipiente a presión. Preferiblemente, la mezcla líquida se fuerza a través del conducto mediante gas presurizado que se añade al sistema detrás de la mezcla líquida para asegurar que toda la mezcla líquida se haya transferido al segundo recipiente. Preferiblemente, el gas, que puede ser aire u otro compuesto o mezcla gaseosa, se purga por medio de una válvula de alivio en el segundo recipiente. Dentro del segundo recipiente a presión, la mezcla líquida acidificada y reforzada con nitrógeno se calienta exotérmicamente y/o se calienta a una segunda temperatura predeterminada y se presuriza a una segunda presión predeterminada durante un segundo período de tiempo. Preferiblemente, la fuente de amoniaco es amoniaco licuado y/o vaporizado a presión. También se prefiere un sistema en donde el primer y segundo recipiente a presión contienen cada uno un agitador u otro mecanismo que mezcla continuamente la mezcla. Alternativamente, los recipientes a presión primero y segundo pueden ser iguales. Después del amoniaco, la mezcla se transfiere a un amasador o granulador en donde se liberan el vapor y el vapor de agua y el líquido amoniacal se mezcla con gránulos preformados (comúnmente denominados "reciclados" para formar o dar forma a los nuevos gránulos de fertilizante. Estos gránulos son luego calentados en un secador rotatorio o secador de lecho fluidizado para formar gránulos secos del fertilizante. Preferiblemente, todo el proceso de reacción se controla mediante un control informático de circuito cerrado que supervisa y ajusta continuamente la reacción exotérmica mediante la adición de ácido sulfúrico, amoníaco, nutrientes vegetales, ajustadores de pH y control de presión. El mecanismo de control preferido es mediante el ajuste de la presión del espacio superior por encima de los biosólidos en este recipiente a presión. El sistema también contiene preferiblemente un transportador (por ejemplo, bomba o transportador de tornillo, cinta transportadora) para transportar biosólidos al mezclador y otra bomba para transportar los biosólidos mezclados al primer recipiente a presión; un sistema de tuberías presurizadas que transporta biosólidos acidificados desde el primer recipiente a presión al segundo recipiente a presión, amoníaco al segundo recipiente a presión; y dispersa el líquido amoniacal en el granulador. Así, todo el proceso se lleva a cabo sin necesidad de detener el flujo continuo de biosólidos dentro y fuera de los recipientes a presión.

Desde el granulador, o incorporado con él, hay preferiblemente un secador rotatorio o alternativamente un secador de lecho fluidizado que seca adicionalmente el fertilizante de biosólidos a menos del 1 por ciento de contenido de agua. Al salir del secador, el fertilizante de biosólidos se tamiza adicionalmente para determinar su tamaño y se separa en grupos de gránulos de producto, tamaño inferior y tamaño superior. Las partículas de tamaño insuficiente se reciclan de nuevo a la entrada del segundo amasador. Las partículas de gran tamaño se envían a un molino de martillos donde se trituran y luego se reciclan. Después de dejar el proceso de cribado, los gránulos de fertilizante biosólido se procesan a través del enfriador rotatorio donde se enfría el fertilizante biosólido. Opcionalmente, el enfriador puede incluir un generador de ozono que proporciona ozono al fertilizante de enfriamiento. En presencia de ozono, el material que causa el olor se compleja con el oxígeno y posibles otras moléculas presentes en los biosólidos y reduce sustancialmente o elimina los olores desagradables. Los gránulos de fertilizante se vacían en las pantallas de pulido finales para eliminar los gránulos de tamaño insuficiente o el polvo creado en el proceso de enfriamiento. Después del procesamiento a través de las pantallas de pulido, el producto pasa a través de un tambor de recubrimiento donde se agrega un agente de recubrimiento que inhibe la formación de polvo. Luego, el fertilizante biosólido se almacena listo para su envío a granel o su posterior empaque. Alternativamente, los gránulos pueden someterse a un sistema de pulido por aire que recicla continuamente el aire caliente generado en el proceso de enfriamiento a la etapa de secado, lo que da como resultado una reducción en el uso de combustible y el aire residual para el procesamiento. El aire extraído de las pantallas y el equipo se limpia en un colector de polvo, se enfría a través de un intercambiador de calor y se reutiliza como aire de entrada al enfriador. El aire caliente que sale del enfriador se limpia nuevamente en un colector de polvo. El aire limpio y calentado se utiliza como aire de entrada para el secador rotatorio. El sistema también contiene preferiblemente uno o más tamices para seleccionar gránulos de un tamaño predeterminado y un enfriador rotatorio para enfriar y pulir los gránulos encolados. El sistema de la invención comprende preferiblemente un aparato de control de polvo como, por ejemplo, aspiradoras y filtros de mangas que recogen el polvo del granulador y también un sistema de recuperación de agua mediante el cual el agua extraída de los biosólidos durante el procesamiento se recupera y recicla haciendo que el sistema sea muy eficiente.

El aire de proceso se depura preferiblemente con ácido para eliminar cualquier olor fugitivo y especialmente amoniaco vaporizado o gaseoso. El amoníaco capturado, como una sal de amonio, se vuelve a mezclar con la mezcla de biosólidos antes de ingresar al recipiente de reacción o al mezclador, aumentando así la eficiencia de todo el sistema y maximizando la concentración final de nitrógeno en el fertilizante terminado. Residuos diversos que incluyen polvo, productos no especificados o recuperados y fertilizantes secos que son demasiado pequeños o de tamaño insuficiente o de gran tamaño que se trituran en un aparato de trituración o molienda o pueden incluir otros aditivos, por ejemplo, hierro que un cliente preferiría que se pudiera agregar a la composición del fertilizante terminado se agrega a un molino o mezclador opcional ubicado aguas abajo del recipiente a presión o directamente en el granulador. Durante el proceso de granulación, en el segundo molino o granulador se añaden un endurecedor o endurecedores que ayudan a aglomerar la mezcla y contribuyen a la dureza de la pella o gránulo seco. El endurecedor o endurecedores se seleccionan del grupo compuesto por arcilla de atapulgita, lignina, melaza industrial y alumbre entre otros o mezclas de estos endurecedores como es conocido por un experto en la técnica.

Opcionalmente, dependiendo de los requisitos del cliente, nutrientes vegetales adicionales, por ejemplo, potasa u otras formas de potasio, por ejemplo, hidróxido de potasio, se añaden preferiblemente en el amasador o granulador. Los nutrientes sólidos que pueden añadirse también comprenden urea, nitrato de amonio, fosfato monoamónico, fosfato diamónico, cloruro de zinc y/o potasa. También se agrega en este segundo amasado cualquier hierro adicional requerido. El hierro aporta un importante y valioso nutriente vegetal a la mezcla de fertilizantes.

Además, se puede rociar amoniaco adicional en el amasador y en el granulador directamente para completar la formación de la sal de amonio y para controlar el pH de la mezcla y para facilitar la formación del gránulo terminado. Los sólidos utilizados para ajustar el pH también pueden ser principalmente agentes alcalinos seleccionados del grupo compuesto por carbonato de calcio, hidróxido de sodio, óxido de calcio, polvo de horno de cemento, polvo de horno de cal, cenizas volantes de Clase C, cenizas volantes de Clase F, cenizas de quemador multietapa, alumbre, biosólidos de alumbre procedentes del tratamiento del agua y cenizas de madera. Estos se agregan a través de transportadores de tornillo a tasas específicas para cada compuesto. Las adiciones líquidas también incluyen materiales de ajuste del pH tales como ácidos, por ejemplo, ácido fosfórico o ácido sulfúrico, o soluciones cáusticas, por ejemplo, hidróxido de sodio. Estos se bombean a tasas respectivas al anillo de inyección para ingresar al amasador.

El producto fertilizante de la presente invención tiene preferiblemente un pH entre 5.0 y 7.0, más preferiblemente entre pH 5.8 y pH 7.0, y más preferiblemente entre pH 6.2 y pH 6.9. El resto del procesamiento para dar forma como en la producción de pellas o gránulos incluye tecnología de granulación de fertilizantes estándar, especialmente para plantas de alto rendimiento. El producto de pellas o gránulos, especialmente en plantas de producción más pequeñas consideradas como aquellas de producción de producto de menos de 22.7 toneladas (menos de 25 toneladas) por día, puede involucrar tecnologías más innovadoras como inyección o extrusión seguida de molienda o esferulización del pellet o gránulo o involucra una simple descarga de un granulador o amasador de granulación. Cuando se utiliza un granulador o un amasador de granulación, es preferible alimentar con algo de material reciclado, como en el material de semilla seco, es decir, finos secos y finos producidos por la trituradora o molino o subespecificación o material de recuperación del producto fertilizante, en el amasador y el granulador para ajustar el porcentaje de humedad presente en la mezcla de modo que pueda ocurrir aglomeración o nucleación dando como resultado la formación de gránulos.

Se puede recomendar a los procesos descritos en el presente documento, por ejemplo, la incorporación de un peletizador en lugar del granulador en el tren de procesos. El granulador puede incluir la etapa de secado hasta la sequedad preferida o los gránulos formados pueden luego transferirse a un secador, preferiblemente a un secador de lecho fluidizado para alcanzar la sequedad preferida. Se pueden hacer ajustes para controlar el pH, la sequedad, los nutrientes en el producto, la forma, las concentraciones, etc. para producir una plétora de fertilizantes específicos para diferentes plantas como rosas, rododendros y cualquier otra flor, verduras, hierba, así como productos como arena higiénica para gatos. También se pueden hacer ajustes de acuerdo con el área geográfica en la que se aplicará el producto, para variar, por ejemplo, los nutrientes que pueden faltar inherentemente o de otro modo en la ubicación. Ejemplos de tales variaciones incluyen la adición de calcio, potasio o fósforo en diferentes cantidades.

El secado normal para el secado final se realiza utilizando un secador de lecho fluidizado horizontal o un secador de tambor rotatorio. Las pellas o gránulos secos que tienen más del 92 por ciento de sólidos y preferiblemente son más del 95 por ciento de sólidos y más preferiblemente son más del 98 por ciento e incluso más preferiblemente tienen más del 99 por ciento de sólidos, se clasifican luego a través de uno o más tamices. El tamaño de la especificación puede variar dependiendo de los requisitos del cliente, sin embargo, el rango de producto adecuado para la venta está entre 0.5 mm y 4 mm, mientras que el rango comercial para fertilizantes de tamaño normal está entre 2 mm y 3 mm.

La presente invención también puede fabricar un producto de tamaño mínimo adecuado para su uso en aplicaciones de campos de golf que varía de 0.5 mm a 1.3 mm. El material del tamaño adecuado se separa y luego se enfría y luego se recubre y luego se enfría en un aparato, preferiblemente un tambor giratorio, a menos de 60°C (140°F), preferiblemente a menos de 49°C (120°F) y más preferiblemente a menos de 43°C (110°F). El enfriamiento del gránulo o pella ocurre óptimamente en un aparato de tambor rotatorio usando aire ambiente o aire enfriado tal como desde un enfriador de evaporación de amoníaco. El recubrimiento puede ocurrir en un recipiente de recubrimiento específicamente para ese propósito, típicamente un tambor rotatorio o un mezclador. Alternativamente, el enfriamiento y el revestimiento se pueden realizar en un solo recipiente que enfría el material y mezcla el agente de revestimiento con los gránulos. El revestimiento se realiza con un desempolvador o material de acristalamiento que minimiza la generación de polvo durante el transporte, almacenamiento y aplicación. El gránulo o pella revestido terminado se transporta luego al almacenamiento como fertilizante de amonio inorgánico mejorado bioorgánico con alto contenido de nitrógeno terminado hasta su envío desde el sitio de fabricación. Las pellas o los gránulos debidamente recubiertos y secos tienen una dureza de más de 2.27 kg (más de 5 libras) de resistencia al aplastamiento para resistir el polvo y la manipulación durante el transporte, envío y aplicación. El revestimiento desempolvador o el material de vidriado a menudo requieren una temperatura más alta, a menudo 71-105°C (160 a 220°F), para mantener una condición fundida para su aplicación en el aparato de revestimiento.

La instalación o almacén de almacenamiento de gránulos, que generalmente incorpora contenedores o silos para contener los gránulos, debe estar seca para evitar la aglomeración de los gránulos que conduce a la degradación y destrucción. El producto terminado es una vez fabricado un fertilizante estéril que no tiene sustancialmente una cantidad detectable de microorganismos viables, tales como E. coli o estreptococos, dañinos para los animales o los seres humanos. La ausencia sustancial de microorganismos viables significa que el fertilizante es seguro frente a microbios y no tiene una cantidad detectable o tiene una cantidad detectable muy por debajo de un umbral para la manipulación y el uso seguros de microorganismos que se originan a partir de los biosólidos. Aunque el fertilizante se esteriliza durante la fabricación, se puede esperar contaminación por microorganismos transportados por el aire o por microorganismos depositados por animales u otra contaminación durante el almacenamiento o uso. En cualquier caso, debido a que el producto fertilizante es seco y las sales de amonio predominantemente inorgánicas no favorecerán la multiplicación de microorganismos a un ritmo que conduciría a un problema de salud pública.

Durante las operaciones normales, será necesario apagar periódicamente el equipo de la planta para su inspección, reparación o reemplazo. Esto se hace en diferentes grados dependiendo de situaciones específicas. Las paradas pueden ser automáticas como en una secuencia de comando automatizada proporcionada por el procesador de control de la planta; o las paradas se realizan manualmente.

Si una parada limitada del proceso es necesaria para una sola pieza de equipo, el flujo de biosólidos hacia el recipiente del reactor detendría el material en las líneas antes de que el primer recipiente a presión se evacúe al mezclador de mezcla orgánica. El material en los recipientes a presión y las tuberías asociadas se evacúan utilizando sistemas de tuberías y válvulas alternativos y presión de aire al lecho de 'reciclaje' de gránulos en el granulador o, si no está disponible, a un sistema de tanque de almacenamiento de emergencia provisto para tales eventos. En el recipiente a presión, después de que la mezcla de fertilizante desciende por debajo del punto de descarga normal, una válvula de desvío en la descarga se cierra sellando la descarga normal del recipiente a presión. La válvula de desvío en la parte inferior del recipiente a presión se desplaza, permitiendo que el aire comprimido ingrese al espacio superior del recipiente a presión para forzar el material restante hacia la línea de mezcla de fertilizante de retorno. Si se necesita más limpieza, se inyecta agua de proceso en el recipiente a presión seguida de aire comprimido para purgar el agua. La limpieza del granulador, el secador y todo el equipo posterior se realiza haciéndolos funcionar hasta que los recipientes estén vacíos.

El fertilizante de la presente invención preferiblemente se ajusta químicamente para satisfacer las necesidades de fertilizantes con alto contenido de nitrógeno que contienen cantidades significativas de fosfato, azufre y hierro para mejorar el contenido de nitrógeno (N) objetivo de entre 8 y 18 por ciento en peso, y preferiblemente un 16 por ciento en peso permitiendo una valoración comercial significativa.

Las Figuras 1 y 2 proporcionan diagramas esquemáticos de realizaciones de la presente invención, en los que el proceso de estas realizaciones utiliza biosólidos municipales deshidratados combinados con nutrientes vegetales adicionales, fertilizantes de sal de amonio y agentes aglutinantes. En este ejemplo, los biosólidos por tratar son biosólidos deshidratados, a menudo denominados "torta de biosólidos". Estos biosólidos se envían a las instalaciones de fabricación donde se almacenan en un contenedor de almacenamiento hasta que los biosólidos estén listos para ser acondicionados. El acondicionamiento se lleva a cabo inicialmente en un primer amasador mediante una mezcla vigorosa o mezcla con hierro u otro agente para el control de olores, junto con agentes oxidantes opcionales, que convierte los biosólidos tixotrópicos en una mezcla, pasta o mezcla pastosa bombeable. El hierro y/o el agente oxidante reacciona con compuestos de azufre reducido y otros olores presentes en los biosólidos. Si se agrega ácido fosfórico a este primera amasado, ayuda a modificar los olores presentes en los biosólidos y aporta la mayor parte del nutriente de fósforo que se encuentra en el producto final. A medida que los biosólidos avanzan a través del tren de equipos, se pueden infundir nutrientes adicionales para las plantas en la mezcla. En esta realización, los biosólidos se calientan durante su paso a través del molino amasador antes de ser bombeados al primer recipiente de reacción. En la realización preferida mostrada aquí, se inyectan dos corrientes de ácido sulfúrico (en un intervalo de concentración de 68 por ciento hasta 105 por ciento de sulfúrico) en el recipiente donde se acidifica la mezcla y comienza la licuefacción.

Una vez que la mezcla sale del primer recipiente a presión, se transfiere bajo presión aun segundo recipiente a presión donde se produce la reacción de infusión de nitrógeno primario. En esta figura, un rociador inyecta amoníaco (u otra fuente de nitrógeno) como gas o líquido. Esta reacción en ambos recipientes se controla cuidadosamente para optimizar la temperatura, la presión, el tiempo de retención, el pH y el nitrógeno, todo lo cual se puede determinar empíricamente en función de los materiales biosólidos de entrada y el contenido de salida deseado de biosólidos tratados y secos. Los recipientes a presión incluyen una pluralidad de válvulas y controles que sirven para automatizar el sistema. Los aditivos se pueden utilizar para controlar la temperatura, la presión y el pH y los niveles de nutrientes. La fuente de nitrógeno que se bombea al recipiente a presión comprende una base, como amoniaco anhidro o acuoso. Se forma una mezcla de biosólidos y sulfato de amonio y fosfato de amonio que se integra molecularmente en el sentido de que los iones de amonio se unen eléctricamente a las moléculas orgánicas anfóteras de los biosólidos, creando así un nitrógeno de liberación lenta o liberación controlada en el gránulo de fertilizante final. De manera similar, esta unión eléctrica puede ocurrir entre el sulfato y las moléculas de fosfato y hierro presentes en la mezcla, haciendo que estas moléculas de nutrientes tengan un estado similar de liberación lenta o liberación controlada. Esta mezcla se mantiene en una condición de estrés durante un período de retención determinado por su tiempo de retención (que a su vez se basa en la presión de cabeza y el volumen como se describe aquí) a medida que la mezcla se mueve a través del recipiente a presión. La condición de estrés incluye preferiblemente temperatura elevada y/o presión elevada. La temperatura elevada se produce parcial o totalmente por la reacción exotérmica de los componentes, lo que puede incrementar la temperatura de la mezcla. A estas temperaturas se genera vapor a partir de la mezcla. Se permite que este vapor salga del recipiente a presión bajo una válvula de liberación controlada, logrando un secado parcial de la mezcla. La condición de estrés que sufren los biosólidos en el recipiente a presión y el período de retención se controlan para dar como resultado la producción de una mezcla que es estéril y que contiene macromoléculas hidrolizadas de los biosólidos. El control de la condición de estrés y el período de retención también da como resultado la fusión de los iones de amonio formados con las moléculas orgánicas presentes creando una propiedad natural de liberación lenta para el nitrógeno presente, y la desnaturalización o hidrólisis de muchas macromoléculas presentes en los biosólidos. como proteínas, plásticos y otros polímeros. Cuando tales moléculas son biológicamente activas, esta desnaturalización y/o hidrólisis las vuelve menos activas o inactivas, creando así una mezcla más segura para uso o exposición públicos. El tiempo de retención para inducir las propiedades fertilizantes necesarias y la inactivación biológica se controlan mediante el bombeo continuo y el flujo de los biosólidos en el recipiente a presión. Este procesamiento de flujo continuo de la invención frente al procesamiento por lotes tradicional de plantas más antiguas ayuda al alto rendimiento de esta invención. El flujo continuo también minimiza los problemas asociados con la obstrucción del proceso, lo que requiere un tiempo de inactividad para eliminar la obstrucción.

La nueva mezcla de biosólidos líquidos fluye desde el recipiente a presión y, opcionalmente, se mezcla con un agente o agentes endurecedores y posiblemente nutrientes adicionales para afinar el fertilizante según se desee. Esa mezcla se trata adicionalmente mediante granulación o extrusión en gránulos tales como pellas u otras estructuras más pequeñas. Los gránulos se secan en un secador rotatorio y se pasan a través de una o más pantallas para separar los materiales de gran tamaño y los materiales de tamaño insuficiente de los materiales de tamaño adecuado. Los materiales de gran tamaño se pueden triturar en una trituradora o molino. Posteriormente, los materiales de tamaño insuficiente y los materiales de gran tamaño triturados se pueden reciclar para facilitar la granulación de la mezcla de fertilizante. Los gránulos de tamaño adecuado resultantes se secan luego en un enfriador rotatorio, se clasifican, se recubren, se enfrían y se almacenan. Cuando se usa un granulador tradicional en el proceso de conformación, puede ocurrir amoniación por amoníaco vaporizado y adición de reciclado. El agua extraída de la mezcla como vapor del recipiente a presión y de los recipientes posteriores como vapor y/o vapor de agua puede condensarse y preferiblemente devolverse a la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR), o puede tratarse y descargarse en los recursos hídricos adyacentes, o en la atmósfera. El agua que se retiene de la captura de amoníaco en el aire de emisión del proceso se devuelve a un recipiente de contención de agua del proceso. Para un control óptimo del olor del proceso y la optimización del olor del fertilizante resultante de la presente invención, esta agua de proceso puede tratarse con peróxido de hidrógeno líquido del 25 al 50 por ciento para eliminar la mayoría de los olores químicos asociados con esta agua de proceso antes de que se agregue posteriormente a la mezcla de biosólidos inmediatamente antes o en el primer molino de amasado. Alternativamente, el agua de proceso olorosa puede tratarse con ozono gaseoso que se burbujea mediante un difusor a través del agua de proceso, eliminando así también la mayor parte del olor asociado con esta agua.

En otra realización, se puede usar una serie de recipientes de reacción para realizar las reacciones ácido/base descritas en este documento. En una realización preferida de la presente invención, se puede utilizar la secuencia de dos recipientes del reactor. En una realización opcional, una combinación de una vasija de reactor para reacción ácida puede ir seguida de una amoniación realizada en un reactor de tubería cruzada. Alternativamente, en otra realización, las reacciones podrían llevarse a cabo en la secuencia de un primer reactor de tubería cruzada para la acidificación de la mezcla de biosólidos seguida de la amoniación realizada en un recipiente a presión. También se describe una realización en la que la reacción de acidificación se lleva a cabo en un primer reactor de tubería cruzada seguida de la reacción de amoníaco en un segundo reactor de tubería cruzada.

Otra realización de la presente invención puede tener la acidificación de la mezcla de biosólidos para que ocurra parcial o totalmente en el primer amasado. A continuación, la mezcla de biosólidos acidificada parcial o totalmente podría tratarse mediante amoniación en un primer recipiente de reacción. Si la mezcla se acidificara parcialmente, la reacción ácido/base podría completarse en este primer recipiente o la mezcla incompleta podría transferirse a un segundo recipiente del reactor (o reactor de tubería cruzada) para su finalización.

Otra realización de la invención está dirigida a un sistema para la fabricación de un producto a partir de materiales orgánicos tratados de acuerdo con el método de la invención como se describe en este documento. La combinación de tratamiento a presión, calor y amoníaco destruye o inactiva de otro modo las toxinas y otros compuestos peligrosos que están presentes en un material orgánico contaminado. El producto resultante puede usarse como fertilizante u otro nutriente o soporte para plantas y/o animales, o en otra industria como, por ejemplo, la construcción o la creación de hábitat.

Los siguientes ejemplos ilustran realizaciones de la invención, pero no deben considerarse como limitantes del alcance de la invención.

Ejemplos

Ejemplo 1

A 900 gramos de biosólidos crudos con un contenido de sólidos del 16 por ciento se agregaron 15 gramos de agua de proceso, 38.6 gramos de sulfato de hierro y 21.8 gramos de ácido fosfórico. La mezcla se mezcló minuciosamente (10 rpm) hasta una viscosidad de aproximadamente 1,250 cP, y luego se calentó en un recipiente a presión agitado a aproximadamente 54°C (130°F) y se ventiló para mantener la presión atmosférica de 0 psig (ambiente). Se añadieron 411.4 gramos de ácido sulfúrico al 93 por ciento a la mezcla calentada y se dejó que alcanzara la temperatura máxima durante 5 minutos. La temperatura de la mezcla se elevó a aproximadamente 104° C (220°F) y el recipiente se ventiló para mantener la presión atmosférica a 0 psig. La viscosidad osciló entre 760cP y 3630cP dependiendo de las velocidades de cizallamiento inducidas.

Ejemplo 2

A 730 gramos de biosólidos crudos con un contenido de sólidos del 23.5 por ciento se añadieron 56 gramos de agua de proceso, 45.9 gramos de sulfato de hierro y 25.9 gramos de ácido fosfórico. La mezcla se calentó en un recipiente a presión agitado a 54°C (130°F) y se ventiló para mantener la presión atmosférica de 0 psig. Se añadieron 490.1 gramos de ácido sulfúrico al 93 por ciento a la mezcla calentada y se dejó que alcanzara la temperatura y la presión máxima durante 5 minutos. La temperatura de la mezcla se elevó a aproximadamente 116°C (241°F) y la presión a un máximo de 40 psig. A la presión máxima, se añadieron 165 gramos de amoniaco y se dejó que la mezcla amoniacada alcanzara la temperatura y la presión máxima durante 5 minutos, después de lo cual la temperatura subió a 183°C (362°F) y la presión subió a 111 psig. La viscosidad fue de aproximadamente 518 a 968 cP dependiendo de las velocidades de cizallamiento inducidas.

Ejemplo 3

A 720 gramos de biosólidos con un pH de 6.7 y un contenido de sólidos del 24.5 por ciento se añadieron 50 gramos de agua de proceso y 47.2 gramos de sulfato de hierro. La mezcla se mezcló a fondo y luego se calentó en un recipiente a presión agitado hasta alcanzar aproximadamente 54°C (130°F) y una presión máxima de 26 psig. Se añadieron 503.9 gramos de ácido sulfúrico al 93 por ciento a la mezcla calentada y presurizada. La temperatura de la mezcla se elevó a 114°C (238°F) y la presión a un máximo de 58 psig. Después de 5 minutos y a la presión máxima, se agregaron 170 gramos de amoníaco y se dejó que la mezcla amoniacada alcanzara la temperatura y la presión máxima durante 5 minutos, después de lo cual la temperatura de la mezcla se elevó a 182°C (360°F) y la presión a 109 psig. A continuación, la mezcla licuada se pulverizó en un granulador y se secó toda la mezcla. La mezcla resultante en el granulador contenía aproximadamente un 80 por ciento en peso de gránulos de fertilizante reciclados. Los gránulos se dimensionaron hasta aproximadamente 2 a 4 mm de tamaño y se ensayaron para determinar su contenido. Se encontró que los gránulos contenían 16(N)-2(P)-0(K)-175(S)-1(Fe)-15(Org).

Ejemplo 4

A 720 gramos de biosólidos con un pH de 6.45 y un contenido de sólidos del 23 por ciento se añadieron 100 gramos de agua de proceso y 146 gramos de sulfato de hierro. La mezcla se mezcló completamente y luego se calentó en un recipiente a presión agitado hasta alcanzar aproximadamente 54°C (130°F) y una presión máxima de 23 psig. Se añadieron 406 gramos de ácido sulfúrico al 93 por ciento a la mezcla calentada y presurizada. La temperatura de la mezcla se elevó a 111°C (232°F) y la presión aun máximo de 34 psig. Después de 5 minutos a la presión máxima, se agregaron 166 gramos de amoníaco y se dejó que la mezcla amoniacada alcanzara la temperatura y la presión máxima durante 5 minutos, después de lo cual la temperatura de la mezcla se elevó a 176°C (348°F) y la presión a 106 psig. A continuación, la mezcla licuada se pulverizó en un granulador y se secó toda la mezcla. La mezcla resultante en el granulador contenía aproximadamente un 80 por ciento en peso de gránulos de fertilizante reciclados. Los gránulos se dimensionaron hasta aproximadamente 2 a 4 mm de tamaño y se ensayaron para determinar su contenido. Se encontró que los gránulos contenían 16 (N) -0 (P) -0 (K) -175 (S) -3 (Fe) -15 (Org).

Ejemplo 5

A 600 gramos de biosólidos con un pH de 6.54 y un contenido de sólidos del 23 por ciento se añadieron 130 gramos de agua de proceso y 158.9 gramos de sulfato de hierro. La mezcla se mezcló completamente y luego se calentó en un recipiente a presión agitado hasta alcanzar aproximadamente 54°C (130°F) y una presión máxima de 21 psig. Se añadieron 511.7 gramos de ácido sulfúrico al 93 por ciento a la mezcla calentada y presurizada. La temperatura de la mezcla se elevó a 118°C (244°F) y la presión a un máximo de 46 psig. Después de 5 minutos y a la presión máxima, se agregaron 183 gramos de amoníaco y se dejó que la mezcla amoniacada alcanzara la temperatura y la presión máxima durante 5 minutos, después de lo cual la temperatura de la mezcla se elevó a 175°C (3347°F) y la presión a 107 psig. La mezcla licuada se pulverizó en un granulador y se secó toda la mezcla. La mezcla resultante en el granulador contenía aproximadamente un 80 por ciento en peso de gránulos de fertilizante reciclados. Los gránulos se dimensionaron hasta aproximadamente 2 a 4 mm de tamaño y se ensayaron para determinar su contenido. Se analizaron los gránulos que contenían 16(N)-0(P)-2(K)-185(S)-3(Fe)-13(Org).

Ejemplo 6

Los perfiles de liberación de nitrógeno del sulfato de amonio modificado orgánicamente de la invención se determinan en comparación con el fertilizante de sulfato de amonio puro tradicional y los biosólidos puros como controles. Primero, se aplica sulfato de amonio sobre arena esterilizada en un ambiente de laboratorio (temperatura ambiente sin sol, agua u organismos del suelo) y se deja que penetre en la arena durante un período de tiempo. Como se puede ver en la Figura 5, aproximadamente el 90% del nitrógeno del fertilizante de sulfato de amonio puro se desplaza a través de la arena en menos de una semana. A continuación, se compara la penetración de nitrógeno entre sulfato de amonio puro (AS), biosólidos puros (MILORGANITE) y sulfato de amonio modificado orgánicamente de la invención (VITAG). Como puede verse en la Figura 6, aproximadamente el 90% del nitrógeno de AS se libera a través de la arena dentro de aproximadamente una semana de aplicación. En comparación, se libera aproximadamente el 35% del nitrógeno de los biosólidos tradicionales, aumentando a aproximadamente el 70% durante dos semanas donde permaneció. El sulfato de amonio orgánico aumentado de la invención liberó aproximadamente el 60% de su nitrógeno dentro de la primera semana aumentando a aproximadamente el 70% durante dos semanas.

Además, se determina un perfil teórico de liberación de nitrógeno para estos mismos tres materiales fertilizantes en suelo normal. Se presume que el suelo contiene microorganismos que descomponen las moléculas que contienen nitrógeno, liberando así nitrógeno adicional al suelo. Como se puede ver en la Figura 7, el sulfato de amonio vuelve a liberar su contenido de nitrógeno dentro de la primera semana. Los biosólidos puros liberan solo alrededor del 30% de su nitrógeno en las dos primeras semanas, aumentando gradualmente hasta alrededor del 90% durante un período de 26 semanas. Sin embargo, el sulfato de amonio modificado orgánicamente preparado de acuerdo con los procesos de la invención libera poco menos del 60% de su nitrógeno durante dos semanas, aumentando gradualmente hasta aproximadamente el 90% durante las siguientes 26 semanas. Así, el fertilizante de sulfato de amonio modificado orgánicamente preparado de acuerdo con los procesos de la invención libera inicialmente poco más de la mitad de su nitrógeno y libera lentamente la mitad restante durante un período de semanas a meses. Este perfil de liberación de nitrógeno en dos etapas (por ejemplo, liberación dual, liberación en dos etapas, liberación combinada rápida/lenta) es característico de los fertilizantes de la invención.

El término “que comprende”, siempre que se use, pretende incluir los términos “que consiste” y “que consiste esencialmente en”.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un método para la fabricación de un fertilizante que comprende:

proporcionar un material orgánico que contiene biosólidos, en donde el método no requiere la eliminación de biosólidos antes del procesamiento, y el material orgánico tiene un contenido de sólidos de al menos un diez por ciento; procesar el material orgánico, incluida la disminución de la viscosidad del mismo mediante:

(a) adición de un ácido a la mezcla en un recipiente de reacción o de presión bajo una primera presión y temperatura elevada durante un primer período de tiempo, en donde se forma una mezcla licuada con una viscosidad en el intervalo de 1,000 a 10,000 mPa-s (1,000 a 10,000 cP);

(b) adición de amoniaco a la mezcla licuada bajo una segunda presión y temperatura elevada durante un segundo período de tiempo, en donde la mezcla licuada tiene una viscosidad en el intervalo de 500 a 4,000 mPa-s (500 a 4,000 cP);

y luego procesar la mezcla licuada para formar el fertilizante.

2. Un método como se reivindica en la reivindicación 1, en donde el material orgánico contiene plástico y cabello.

3. Un método como se reivindica en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende además la adición de un agente de control de olores de hierro y/o oxidante al material orgánico para crear una mezcla.

4. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde

(a) los biosólidos comprenden uno o más de los biosólidos municipales, biosólidos secados por calor, desechos de fermentación farmacéutica, digeridos microbianos de productos orgánicos, alimentos, subproductos alimentarios, estiércol animal, estiércol animal digerido, biosólidos orgánicos, biosólidos que contienen microorganismos, algas, bacterias, hongos y combinaciones de los mismos; y/o

(b) el material orgánico se deshidrata o hidrata hasta un contenido de sólidos de entre el 10 y el 40 por ciento; preferiblemente en donde la hidratación del material orgánico es con agua de proceso recuperada de una o más etapas del método.

5. Un método como se reivindica en la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en donde el agente de control de olores se selecciona del grupo que consiste en ferrato de calcio, ferrato de sodio, ferrato de potasio, sulfato ferroso heptahidratado, rozenita, melanterita, cloruro férrico, sulfato ferroso, sulfato ferroso monohidrato, peróxido de hidrógeno, ozono y sales, derivados y combinaciones de los mismos.

6. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera presión está entre 138 y 414 kPa (20 y 60 psig); la primera temperatura está entre 66°C (150°F) y 127°C (260°F) y el primer período de tiempo está entre 3 minutos y 30 minutos.

7. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el ácido es ácido fosfórico, ácido sulfúrico o una combinación de los mismos.

8. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el amoniaco se licúa o se calienta a presión para formar un gas antes de añadirlo a la mezcla licuada.

9. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la segunda temperatura está entre 121° C (250°F) y 199°C (390°F), el segundo período de tiempo está entre 1 minuto y 30 minutos, y la segunda presión está entre 34.5 y 1724 kPa (5 y 250 psig).

10. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se usa el mismo recipiente a presión del primer período de tiempo en la adición de amoníaco a la mezcla licuada en el segundo período de tiempo; o se utiliza un segundo recipiente a presión.

11. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde cada paso del método se realiza en un proceso continuo; opcionalmente, en donde el primer recipiente de reacción o presión es un reactor de tubería cruzada, y/o el segundo recipiente de reacción o de presión es un reactor de tubería cruzada.

12. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los materiales tóxicos presentes en los materiales orgánicos se hidrolizan o de otro modo se vuelven no tóxicos o inactivados.

13. Un fertilizante fabricado por el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Un fertilizante como se reivindica en la reivindicación 13, que contiene polímeros hidrolizados de uno o más de plásticos, compuestos farmacéuticos, antibióticos, hormonas, moléculas similares a hormonas, compuestos biológicamente activos, macromoléculas, carbohidratos, ácidos nucleicos, aminoácidos, grasas, lípidos, proteínas, y microorganismos.

15. Un fertilizante como se reivindica en la reivindicación 13 o la reivindicación 14, que contiene un contenido predeterminado de uno o más de nitrógeno, fosfato y potasio y uno o más nutrientes para plantas, preferiblemente en donde el uno o más nutrientes para plantas se seleccionan del grupo que consiste en urea, nitrato de amonio, sulfato de amonio, fosfato de monoamonio, fosfato de diamonio, nitrato de urea de amonio, urea líquida, potasa, óxido de hierro, hierro soluble, hierro quelatado y combinaciones de los mismos.

16. Un fertilizante como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, que libera aproximadamente 40-60% de nitrógeno en el suelo dentro de aproximadamente 2 semanas de aplicación y la mayor parte del nitrógeno restante durante un período de semanas a meses; preferiblemente aproximadamente de 2-6 meses.