申请日2013.01.29
公开(公告)日2015.01.07
IPC分类号C05F7/00
摘要
将含有有机废弃材料的脱水非均质污泥转化成碳和氨基酸的均质提取物，该均质提取物用于肥料生产，包括以下步骤：添加硫酸到所述非均质脱水污泥;泵送所述污泥与硫酸的混合物，通过静态混合器，使所述污泥与所述硫酸混合;向所述污泥与所述硫酸的混合物中添加调节化学剂;泵送含有所述污泥、硫酸和调节化学剂的混合物，通过剪切混合器使调节化学剂和所述污泥与硫酸的混合物混合;机械搅拌所述调节化学剂、所述污泥和硫酸的混合物产生均质提取物。优选的是，将所述均质提取物泵入管式反应器与酸和碱反应形成熔体，将该熔体滚压到肥料颗粒上以形成吸附颗粒。将该吸附颗粒进行干燥得到颗粒肥料。此外，还公开了含有碳和氨基酸以及吸附颗粒的有机增强颗粒氮-磷-硫肥料，其中所述碳和氨基酸的总重量百分比至少约0.5%，所述吸附颗粒尺寸大于或等于约1.7毫米。该肥料是不可燃的。
权利要求书
1.一种将脱水非均质污泥转化为碳和氨基酸的均质提取物的工艺，其中，所述脱水非均质污泥含有机废物材料，所述碳和氨基酸的均质提取物用于管式反应颗粒肥料生产过程，该转化工艺包括：
泵送含有约13%-45%固体的非均质脱水污泥;
将足量硫酸加入所述污泥中，以降低所得混合物中的pH值，使其低于约1;
泵送所述混合物，使所述混合物通过至少一个内嵌静态混合器，以使所述混合物与硫酸混合以便将该混合物的粘度降低至低于约5000厘泊;
在所述混合物中加入调节化学剂;
泵送所述添加了调节化学剂的混合物，使其通过至少一个内嵌静态剪切混合器，使所述调节化学剂与所述混合物混合，以基本上杀灭所述混合物中的病原体，并基本消除混合物中的块状物;
在老化时间内，将混合物机械搅拌让其老化以产生均质提取物。
2.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：所述提取物的氧化还原电位大于约250mV。
3.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：所述提取物基本没有气味。
4.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：所述提取物基本上不含碳硫化物、羟基硫化物、二甲基二硫化物、二甲基硫醚、乙硫醇、硫化氢、异丙基硫醇、甲基硫醇和二氧化硫。
5.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：该提取物基本上不含病原体。
6.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：将重量百分比约为5%-15%的硫酸加入所述污泥中，所述硫酸的浓度级别为至少93%。
7.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：还包括：
监测静态混合器下游的混合物温度，并且调整硫酸的量，以达到至少约130℃的温度。
8.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：调节化学剂选自硫酸、磷酸、乙酸、过乙酸、过氧化氢、氯化铁、硫酸亚铁、铁矿石、硫酸铝、硫酸锌、地面磷矿石、硼、钼、铜以及它们的组合。
9.如权利要求1所述的转化工艺，还包括：监测静态剪切混合器下游的混合物的温度、pH值、氧化还原电位和粘度，并调整加入的硫酸的比例以达到期望的温度、pH值、氧化还原电位和粘度。
10.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：所述硫酸的量足以使所得混合物的pH值低于或等于约1.0。
11.如权利要求1所述的转化工艺，其特征在于：所述老化时间为约12小时-72小时。
12.一种污泥转化系统，其将含有有机废弃物的非均相污泥转化成碳和氨基酸的均质提取物，所述均质提取物用于管式反应器肥料粒化系统，该转换系统包括：
容积式泵，其泵送含13%-45%固体的脱水污泥;
至少一个内嵌静态混合器，该混合器接收来自泵的污泥并将其与硫酸混合以使混合物的pH值降低至小于约1、粘度降低至小于约5000厘泊;
至少一个内嵌静态剪切混合器，其接收来自所述内嵌静态混合器的混合物并将其与调节化学剂混合，以基本上杀灭混合物中的病原体，并基本消除混合物中的块状物;
一个老化箱，其接收所述内嵌静态剪切混合器的混合物，并搅拌混合物使其均质化，并将所述混合物老化成为提取物;
输送泵，其将所述提取物从老化箱输送至肥料生产系统。
13.如权利要求12所述的转换系统，其特征在于：所述容积式泵选自活塞泵、渐进式容积泵中的一种以及它们的组合。
14.如权利要求12所述的转换系统，其特征在于：进一步包括温度传感器，该传感器用来测量内线静态混合器下游的混合物的温度。
15.如权利要求12所述的转换系统，其特征在于：进一步包括过程传感器，其用来测量所述内嵌静态剪切混合器下游的混合物的温度、pH值、氧化还原电位和粘度。
16.一种将含有有机废物材料的均质脱水污泥转化成颗粒状肥料的工艺，该工艺包括：
泵送含有约13%至约45%固体的非均质脱水污泥;
在该污泥中加入足量的硫酸以使最终混合物的pH值低于约1;
泵送所述混合物，通过至少一个内嵌静态混合器，使该混合物与硫酸混合以便将混合物的粘度降至低于约5000厘泊;
向混合物中加入调节化学剂;
泵送所述添加有调节化学剂的混合物，通过至少一个内嵌静态剪切混合器，使所述调节化学剂与所述混合物中，从而基本上杀灭所述混合物中的病原体，并基本消除所述混合物中的块状物;
在一定的老化时间内对混合物进行机械搅拌，产生碳和氨基酸的均质提取物;
将该提取物泵送到管道交叉反应器中与酸和碱反应形成熔体;
将所述熔体中的水闪蒸变成蒸汽;
将所述熔体滚压到再利用细颗粒上以形成吸附颗粒;以及
干燥该吸附颗粒，形成颗粒肥料。
17.如权利要求16所述的工艺，其特征在于：所述酸是硫酸，所述碱是无水氨。
18.如权利要求16所述的工艺，其特征在于：所述调节化学剂选自硫酸、磷酸、乙酸、过乙酸、过氧化氢、氯化铁、硫酸亚铁、铁矿石、硫酸铝、硫酸锌、地面磷矿石、硼、钼中的一种，和它们的组合。
19.一种将含有有机废物材料的均质脱水污泥转化成颗粒状肥料的系统，该系统包括：
一个容积式泵，其泵送包括约13%至约45%固体的脱水污泥;
至少一个内嵌静态混合器，其接收从所述泵出来的污泥并使所述污泥与硫酸混合，以降低所得到的混合物的pH值，并使该pH值小于约1，并降低所得到的混合物的粘度，使粘度小于约5000厘泊;
至少一个内嵌静态剪切混合器，其用于接收来自所述内嵌静态混合器的混合物，并使其与调节化学剂混合，以基本上杀灭所述混合物中的病原体，并基本消除在所述混合物中的块状物;
老化箱，用来接收来自于内嵌静态剪切混合器的混合物，并将其搅拌以保持该混合物的均质性，同时将混合物老化成为提取物;
一个输送泵，其用于将老化箱中的提取物泵送出去;
一个管式反应器，其用于接收来自输送泵的提取物并将该提取物与酸和碱混合形成熔体;
一个造粒机，其将所述熔体中的水闪蒸出去并将该熔体滚压到细小颗粒上形成吸附颗粒;及
一个干燥器，其将吸附颗粒干燥，形成颗粒肥料。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于：所述管式反应器是管式交叉反应器。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于：所述酸是硫酸，所述碱是无水氨。
22.如权利要求19所述的系统，其特征在于：所述调节化学剂选自硫酸、磷酸、乙酸、过乙酸、过氧化氢、氯化铁、硫酸亚铁、铁矿石、硫酸铝、硫酸锌、地面磷矿石、硼、钼、铜中的一种，和它们的组合。
23.一种有机增强粒状氮-磷-硫肥料，该肥料包含：
碳和氨基酸，其总的重量百分比为至少约0.5%;
吸附颗粒，其尺寸大于或等于约1.7mm;
其特征在于：根据美国材料与试验协会的标准测试方法E1226进行的尘云燃烧性试验中，该肥料是不可燃的。
24.如权利要求23所述的颗粒肥料，其特征在于：所述肥料基本不能自加热。
25.如权利要求23所述的颗粒肥料，其特征在于：所述肥料不含病原体，且基本不含硫化物、二硫化物和硫醇，且未使用内分泌干扰物、医药品和抗微生物剂的新兴化合物。
26.如权利要求25所述的颗粒肥料，其特征在于：所述肥料基本没有气味。
27.如权利要求23所述的颗粒肥料，其特征在于：所述肥料的临界相对湿度是至少80%。
28.如权利要求23所述的颗粒肥料，其特征在于：所述肥料具有约小于1厘米的水分渗透性和约小于150毫克/平方厘米的吸湿性。
29.如权利要求23所述的颗粒肥料，其特征在于：所述肥料具有至少250mV的氧化还原电位。
30.如权利要求23所述的颗粒肥料，其特征在于：在干旱土壤和淹水土壤中使用所述颗粒肥料时，所述肥料中的氮从土壤到水的析出损失和由土壤到空气的挥发性损失低。
说明书
用于生产多营养单吸附颗粒高效肥的有机污泥的转化和处理的系统及方法
技术领域
本发明涉及有机污泥(即非均质的有机废弃材料)的生产工艺和转化系统，其将污泥 从有机废弃物转化为包括碳和氨基酸提取物的先驱体，例如，城市污水处理废污泥和猪粪用 于生产多营养单吸附颗粒肥料，多营养单吸附颗粒提高肥料效率，最大限度地减少土壤中的 氮向空气、水的损失，从而满足新的美国环境保护署和美国农业部的管理法规的要求。
背景技术
由伊利诺伊大学土壤农业科学家的研究表明“氮肥消耗土壤有机碳，而导致玉米生长 和产量的下降。”莱斯大学和密歇根州立大学的研究人员证明“为玉米过度施用氮肥会降低 乙醇的产量”。苏黎世大学的研究表明“土壤对碳的储存期是植物和空气的三倍”。在全球的 碳循环中，土壤中的有机物质起到关键作用，因土壤能储存大量的碳并减缓全球变暖，且京 都议定书允许签约国计算土壤所谓的碳积累(carbon sinks)。水与环境管理学会发布了相关 言论“废水处理厂的磷需要回收”。全球的农业学家声明“主要的缺硫农场土壤和下层土壤中 含碳越多，就越有可能发生硫不足”。营养学家和农学家判定为“全球大多数土壤中有重大的 锌缺乏从而导致作物产量降低和儿童的严重锌不足。”锌的施用量都比较小，因此它几乎不可 能应用、分布在每寸土地。在具体的标准中，从污泥和动物粪便中增加有机原料的含量，则 要求比商业肥料相似或更好的物理和化学特性的产品。然而，大多数或全部污泥和动物粪便 生产的产品都难以运输，只能通过建立标准的肥料分销基础设施储存或使用。广大农民和粮 食安全顾问、测试协会和实验室要求，污水污泥和/或动物粪在应用于食物链作物前进行消毒。 国际肥料发展中心(International Fertilizer Development Centre，简称IFDC)，独立肥 料试点厂生产和作物研究的领导机构，做了一项关于尿素的析出和挥发以及多营养单吸附颗 粒通过本发明所述的工艺提高肥料生产效率的研究。结果表明，多营养单吸附颗粒肥料的析 出和挥发的影响明显低于尿素，因此，多营养单吸附颗粒肥料能为植物的根部区域提供更多 的营养，同时降低肥料成本。
国内(如在直辖市、市、县、局)二级或三级废水处理厂处理家畜(如猪、牛、鸡的 粪便处理)，商业和工业(如药品加工、食品加工等等)的废水而产生的液体和土壤废弃材料 很普遍。这些废水处理厂产生的有机固体废物材料中有未转化的污泥，转化污泥、部分转化 的污泥、液态污泥、脱水污泥等的形式。
废水处理厂通常处理、然后分离有机肥料中的液体废物。最初，有机废物材料大约包 含0.5%-10%重量百分比的固体，被称为液态污泥。液态污泥可以使用各种类型的脱水设备来 脱水，包括但不限于，真空过滤器、螺旋压力机、板框式压力机、带式压滤机和离心机，以 形成约含重量百分比13%-45%固体成分的脱水污泥。
脱水过程中，化学脱水聚合物用来从有机废物中最大限度地释放水分。化学脱水聚合 物是合成的有机絮凝剂，其可用固体电荷增大凝聚力，以提高有机污泥固体的凝固并加快释 放水分的速率，最终增加脱水材料中固体的浓度。化学脱水聚合物使具非流动状态的材料变 成高粘度的脱水材料，并难以泵送，同时，这些脱水材料还具有低氧化还原电位(ORP)，且 具有气味。
传统的肥料制造工艺，在于生产肥料和/或将肥料混合和搅拌(例如，磷酸一铵(MAP)、 磷酸二铵(DAP)、硫酸铵(AS)、磷铵硫酸、氮磷钾混合物)，可以包括一种或多种材料进行 反应，反应后的材料单独或与其它肥料液体或固体一起粒化，并对粒化后的材料进行干燥或 混合或搅拌。
在世界各地的工业化国家和发展中国家都需要增加作物产量、提高产量的同时提高质 量、减少肥料氮的析出和挥发，同时回收磷和人类及动物产生的有机废料。这些有机废料主 要来自国内污水处理厂收集的污泥、家禽粪便，以及工业废水处理厂。这些工厂生产的脱水 污泥一般是粘性的(粘度超过50万厘泊，最大高达2,000,000厘泊)，这使得它很难直接从 脱水污泥生产出无异味、燃烧无异质的流体产品。直接从脱水污泥生产的产品一般质量较差， 不符合测定肥料物理特性手册第二版(国际肥料发展中心(IFDC)二月，1993)规定的商业 肥料的标准，以及美国作物营养协会(AAPFCO)规定的标准。此外，因为脱水污泥由不同的工 厂生产，每个工厂的废弃物和处理工艺有潜在的差别，因此脱水污泥基本上天生就是性质不 同的。
以下是一些妨碍现有污水处理厂效率和利润回收有机废物材料的化学、生物、物理、 经济、后勤和运作上的问题：无法处理来自多个不同来源的废弃材料;在处理材料时不能充 分消除病原体和气味;产生处理后的材料是可流动的;和/或不能产生无粉尘、无异味、不可 燃、均匀的材料;无法进一步生产化肥，以满足商业肥料的规格和测定肥料物理特性手册第 二版以及美国作物营养协会(AAPFCO)规定的标准。
有必要在本领域中采取一种有效的方法，以减轻所有的这些问题和困难。本发明的方 法和管式反应器粒化系统生产的多营养单吸附颗粒高效肥料克服了这些问题和困难。本发明 的方法和管式反应器粒化系统生产多营养单吸附颗粒高效肥料，该系统和方法通过从有机废 料中提出碳和氨基酸的提取物，并利用所述提取物作为先驱体来生产新产品“高效肥料”。本 发明的方法使用管式反应器粒化设备是重要的和必要的，其能完成多营养单吸附颗粒的化学 转化、处理和消毒，提高肥料生产效率。
发明内容
在一个实施方案中，记载了一种将含有有机废料的脱水非均质污泥转化成碳和氨基酸 的均质提取物的工艺过程，该碳和氨基酸的均质提取物可用于管式反应器肥料粒化生产工艺。 转化方法包括如下步骤：泵送含有13%-45%固体的非均质脱水污泥;在所述污泥中加入足量 的硫酸使最终所得混合物的pH值低于约1;泵送所述硫酸和污泥的混合物并通过至少一个内 嵌静态混合器，使所述污泥与硫酸混合以便将该混合物的粘度降低至低于约5000厘泊;在所 述硫酸和污泥的混合物中加入调节化学剂(conditioning chemicals);泵送所述调节化学剂、 硫酸和污泥的混合物，并通过至少一个内嵌静态剪切混合器，使所述调节化学剂与所述硫酸 和污泥的混合物混合，以基本上杀灭所述硫酸和污泥的混合物中的病原体，并基本消除所述 硫酸和污泥的混合物中的块状物;再在一定的老化时间内，将所述调节化学剂、硫酸和污泥 的混合物机械进行搅拌，让其老化以产生均质提取物。
在另一个实施方案中，一种污泥转化系统，所述污泥转化系统将含有有机废弃物的非 均质污泥转化成碳和氨基酸的均质提取物，所述均质提取物用于管式反应器肥料粒化系统。 该转换系统包括容积式泵，其泵送含约13%-45%固体的脱水污泥;该系统还包括至少一个内 嵌静态混合器，该静态混合器接收来自泵的污泥并将其与硫酸混合以使混合物的pH值降低至 小于约1、混合物粘度降低至小于约5000厘泊;该系统还包括至少一个内嵌静态剪切混合器， 其接收来自所述内嵌静态混合器的所述硫酸和污泥的混合物并将其与调节化学剂混合，以基 本上杀灭所述硫酸和污泥的混合物中的病原体，并基本消除所述硫酸和污泥的混合物中的块 状物;
该系统还包括一个老化箱，其接收来自所述内嵌静态剪切混合器的所述调节化学剂、硫酸和 污泥的混合物，并搅拌所述调节化学剂、硫酸和污泥的混合物使其均质化，并将所述调节化 学剂、硫酸和污泥的混合物老化成为均质提取物;该系统还包括输送泵，其将所述均质提取 物从老化箱输送至肥料生产系统。
在又一实施例中，一种将含有有机废物材料的均质脱水污泥转化成颗粒状肥料的工 艺。该工艺包括：泵送含有约13%至约45%固体的非均质脱水污泥;在该污泥中加入足量的 硫酸以使最终混合物的pH值低于约1;泵送所述硫酸和污泥的混合物并通过至少一个内嵌静 态混合器使所述混合物与硫酸混合以便将混合物的粘度降至低于约5000厘泊;向混合物中加 入调节化学剂;泵送所述调节化学剂、硫酸和污泥的混合物通过至少一个内嵌静态剪切混合 器使所述调节化学剂与所述硫酸和污泥的混合物混合，从而基本上杀灭所述硫酸和污泥的混 合物中的病原体，并基本消除所述硫酸和污泥的混合物中的块状物;再在老化时间内，将所 述调节化学剂、硫酸和污泥的混合物进行机械搅拌使其老化并产生碳和氨基酸的均质提取物; 将该均质提取物泵送到管式交叉反应器中与酸和碱反应形成熔体;将所述熔体中的水闪蒸变 成蒸汽;将所述熔体滚压到再利用细颗粒上以形成吸附颗粒;以及干燥该吸附颗粒形成颗粒 肥料。
在另一个实施方案中，一种将含有有机废物材料的均质脱水污泥转化成颗粒状肥料系 统。该系统包括一个容积式泵，其泵送包括约13%至约45%固体的脱水污泥;至少一个内嵌 静态混合器，其将从所述泵接收的污泥与硫酸混合，以降低所得到的硫酸和污泥的混合物的 pH值，并使该pH值小于约1，并降低所得到的混合物的粘度，使其小于约5000厘泊;至少 一个内嵌静态剪切混合器，其用于接收来自所述内嵌静态混合器的硫酸和污泥的混合物，并 使其与调节化学剂混合，以基本杀灭病原体，并基本消除在混合物中的块状物;老化箱被配 置来接收来自于内嵌静态剪切混合器的调节化学剂、硫酸和污泥的混合物，并将其搅拌以保 持该混合物的均质性，同时将所述调节化学剂、硫酸和污泥的混合物老化成为均质提取物; 一个输送泵，其用于将老化箱中的均质提取物泵送出去;一个管式反应器，其用于接收来自 输送泵的均质提取物并将该提取物与酸和碱混合形成熔体;一个造粒机，其将熔体中的水闪 蒸变成蒸汽并将该熔体滚压到细颗粒上形成吸附颗粒;以及一个干燥器，其将所述吸附颗粒 干燥并形成颗粒肥料。
在进一步的实施方案中，公开了一种有机增强粒状氮-磷-硫肥料。该肥料包含碳和氨 基酸，其总的重量百分比至少约0.5%;还包括尺寸大于或等于约1.7mm的吸附颗粒。根据 美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,简称ASTM)的标准 测试方法E1226进行的尘埃云燃烧实验表明：该肥料是不可燃的。