ES3025740T3 - Systems and methods for converting and processing organic sludges for multi-nutrient single accredited granule enhanced efficiency fertilizer production - Google Patents

Abstract

Conversión de lodos heterogéneos deshidratados que contienen residuos orgánicos en un extracto homogéneo de carbono y aminoácidos para la producción de fertilizantes mediante la adición de ácido sulfúrico al lodo; bombeo de la mezcla a través de una mezcladora para mezclar el lodo con el ácido sulfúrico; adición de productos químicos de acondicionamiento a la mezcla; bombeo de la mezcla a través de una mezcladora de cizallamiento para incorporar los productos químicos de acondicionamiento; y agitación mecánica para crear el extracto homogéneo. Opcionalmente, el extracto se bombea a un reactor tubular para su reacción con un ácido y una base para formar una masa fundida, que se aplica sobre partículas de fertilizante para formar gránulos acrecentados. Los gránulos acrecentados se secan para formar un fertilizante granular. También se describe un fertilizante granular de nitrógeno, fósforo y azufre mejorado orgánicamente con al menos un 0,5 % en peso de carbono total y aminoácidos, y un tamaño de gránulo acrecentado superior o igual a 1,7 mm. El fertilizante es incombustible. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas y procedimientos de conversión y tratamiento de lodos orgánicos para la producción de fertilizantes multinutrientes de gránulo aglutinado único de eficacia potenciada

Campo técnico

La divulgación se refiere a sistemas y procedimientos para procesar y convertir lodos orgánicos (es decir, material de desecho orgánico heterogéneo) en precursores que incluyen carbono y aminoácidos extraídos de desechos orgánicos, tales como, lodos de desecho de tratamiento de aguas residuales municipales y estiércol porcino para la producción de fertilizantes de eficacia potenciada de gránulos aglutinados únicos multinutrientes, y fertilizantes de eficacia potenciada de gránulos aglutinados únicos multinutrientes que minimizan las pérdidas de nitrógeno de la tierra a la atmósfera y de la tierra al agua y cumplen con las nuevas regulaciones para la gestión de nutrientes según lo requerido por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

Antecedentes

Estudios agrícolas realizados por científicos del suelo de la Universidad de Illinois han demostrado "que los fertilizantes nitrogenados agotan el carbono orgánico del suelo a la vez que provocan una disminución del crecimiento y rendimiento del maíz". Investigadores de la Universidad Rice y de la Universidad Estatal de Michigan han demostrado "que la fertilización excesiva del maíz con fertilizante nitrogenado reduce la producción de etanol". Investigadores de la Universidad de Zúrich determinaron que "los suelos almacenan tres veces más carbono que las plantas y la atmósfera. La materia orgánica del suelo desempeña un papel clave en el ciclo global del carbono, ya que almacena cantidades significativas de carbono y contrarresta de este modo el calentamiento global, y el Protocolo de Kioto permite a los países firmantes contabilizar los suelos como los llamados sumideros de carbono". The Chartered Institute of Water and Environmental Management publicó una declaración de posición sobre "la necesidad de reciclar el fósforo de las plantas de tratamiento de aguas residuales". Agrónomos de todo el mundo han determinado que "existe una importante deficiencia de azufre en los suelos agrícolas y cuanto menor es el carbono del suelo, más probable es que se produzcan deficiencias de azufre". Nutricionistas y agrónomos determinaron "que existe una importante carencia mundial de zinc en la mayoría de los suelos, lo que provoca disminuciones en el rendimiento de las cosechas y graves deficiencias de zinc en los niños". Las tasas de aplicación de zinc son relativamente pequeñas, por lo tanto es casi imposible aplicar una cantidad uniforme en cada acre de la explotación. Para agregar materia orgánica procedente de lodos de depuradora y estiércol animal se necesita un producto que tenga características físicas y químicas similares o mejores que los fertilizantes comerciales, para los que existen normas específicas. Sin embargo, la mayoría o la totalidad de los productos obtenidos a partir de lodos de depuradora y estiércol animal no pueden transportarse, almacenarse ni aplicarse a través de la infraestructura de distribución de fertilizantes estándar establecida. La mayoría de los agricultores y asesores de seguridad alimentaria, asociaciones de análisis y laboratorios exigen que los lodos de depuradora y/o los estiércoles animales se esterilicen antes de utilizarlos en cultivos de la cadena alimentaria. El IFDC, el líder en la producción independiente de plantas piloto de fertilizantes y en la investigación de cultivos, llevó a cabo un importante estudio para determinar las características de lixiviación y volatilización de la urea y del fertilizante de eficacia potenciada de gránulos aglutinados únicos multinutrientes producidos mediante el procedimiento actual. Los resultados proporcionaron diferencias significativas y mostraron que los fertilizantes multinutrientes de gránulo único de eficacia potenciada se lixiviaban y volatilizaban significativamente menos que la urea, por lo que aportaban más nutrientes a las zonas radiculares de los cultivos con costes de fertilización reducidos.

Existen instalaciones de tratamiento de aguas residuales primarias, secundarias y/o terciarias para aguas residuales domésticas (por ejemplo, al servicio de municipios, ciudades, condados, autoridades), ganaderas (por ejemplo, tratamiento de residuos porcinos, bovinos, pollos), comerciales e industriales (por ejemplo, tratamiento de procesamiento farmacéutico, procesamiento de alimentos y similares) que producen un flujo líquido y material de desecho sólido. Estas instalaciones de tratamiento de aguas residuales producen residuos sólidos orgánicos en forma de lodos no digeridos, lodos digeridos, lodos parcialmente digeridos, lodos líquidos, lodos deshidratados y similares.

Las instalaciones de tratamiento de aguas residuales por lo general tratan y después separan los flujos de residuos líquidos de la materia orgánica residual. Inicialmente, el material de desecho orgánico por lo general tiene un contenido de sólidos de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 10 % en peso, y se denomina lodo líquido. El lodo líquido puede deshidratarse usando diversos tipos de equipos de deshidratación, incluidos, pero no limitados a, filtros de vacío, prensas de tornillo, prensas de placas y marcos, filtros prensa de banda y centrifugadoras, para formar un lodo deshidratado con un contenido típico de sólidos de aproximadamente 13 % y a aproximadamente 45 % en peso.

Los documentos US 2005/175516A1, WO 01/68562A2, US 2011/154873A1 y WO 20006/091645A2 describen una serie de diversos aparatos, procedimientos y procedimientos para tratar lodos de residuos orgánicos.

Los polímeros químicos de deshidratación se usan para maximizar la liberación de agua del material de desecho orgánico durante la deshidratación. Los polímeros químicos de deshidratación son floculantes orgánicos sintéticos que actúan sobre las cargas eléctricas de los sólidos para aumentar los enlaces de coagulación que potencian la liberación de agua del material de residuos sólidos de lodos orgánicos y dan lugar a un aumento de la concentración de sólidos en el material deshidratado. Los polímeros químicos de deshidratación crean un material deshidratado con características de alta viscosidad, lo que resulta en un material que no es fluido, y de este modo difícil de bombear, y que sigue teniendo un bajo potencial de reducción de oxidación (ORP) y puede ser oloroso.

Existen procedimientos tradicionales de fabricación de fertilizantes para generar y/o mezclar y homogeneizar un(os) fertilizante(s) (por ejemplo, fosfato monoamónico (MAP), fosfato diamónico (DAP), sulfato de amonio (AS), sulfato de fosfato de amonio, mezclas NPK) mediante etapas que pueden incluir la reacción de un material o materiales, la granulación del material reaccionado con o sin otros líquidos o sólidos fertilizantes, y el secado del material granulado o de los materiales mezclados o mixtos.

Los países industrializados y en desarrollo de todo el mundo tienen todos una necesidad significativa de aumentar la producción de cultivos, aumentar el rendimiento de los cultivos junto con la calidad de los cultivos, y reducir la lixiviación y volatilización del nitrógeno de los fertilizantes mientras se recicla el fósforo y el material de desecho orgánico generado por los seres humanos y los animales. Los residuos orgánicos proceden principalmente de lodos de depuradoras de aguas residuales domésticas, instalaciones de tratamiento de estiércol de ganado e instalaciones de tratamiento de aguas residuales industriales. Los lodos deshidratados producidos por tales instalaciones suelen ser viscosos (viscosidad típica superior a 500 pascales-segundos (500.000 centipoises) y hasta 2.000 pascales-segundos (2.000.000 centipoises)), lo que dificulta la obtención de un producto fluido, sin olores y sin combustión consistente directamente a partir de los lodos deshidratados. Los productos que se producen directamente a partir de lodos deshidratados suelen ser de mala calidad y, por lo general, no cumplen las normas sobre fertilizantes comerciales definidas en the Manual for Determining Physical Properties of Fertilizer 2nd Edition (International Fertilizer Development Center (IFDC) February, 1993) y en Association of American Plant Food Control Officials (AAPFCO) standards. Además, debido a que los lodos deshidratados se generan a partir de una variedad de instalaciones diferentes, cada una con flujos de residuos y procedimientos de tratamiento potencialmente diferentes, los lodos deshidratados son generalmente de naturaleza heterogénea.

Los siguientes son algunos de los principales problemas químicos, biológicos, físicos, económicos, logísticos y operativos de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales existentes que impiden el reciclaje eficiente y rentable del material de desecho orgánico: incapacidad para procesar materiales de desecho procedentes de fuentes múltiples y variadas; incapacidad para eliminar sustancialmente los agentes patógenos y el olor en los materiales tratados; incapacidad para producir un material tratado que sea fluido; y/o incapacidad para producir un material tratado sin polvo, sin olor, sin combustión y que sea homogéneo; incapacidad para producir fertilizantes que cumplan las especificaciones de los fertilizantes comerciales, y además en the Manual for Determining Physical Properties of Fertilizer, 2nd Edition y Association of American Plant Food Control Officials (AAPFCO) standards.

Existe una necesidad en la técnica de un procedimiento eficiente para aliviar todas estas cuestiones y problemas. El procedimiento actual y el sistema de granulación de reactor de tubo producen fertilizantes multinutrientes de gránulo aglutinado único de eficacia potenciada que superan estas cuestiones y problemas. El fertilizante de eficacia potenciada de gránulo aglutinado único multinutrientes producido mediante el presente procedimiento y el sistema de granulación de reactor de tubo extrae carbono y aminoácidos de los residuos orgánicos y los usa como precursores para producir la nueva generación de "fertilizantes de eficacia potenciada". El presente procedimiento que usa equipos de granulación de reactor de tubo es vital y necesario para completar la conversión química y la esterilización para la producción de fertilizantes de eficacia potenciada de gránulo aglutinado único multinutrientes.

Sumario

En un aspecto, se describe un procedimiento para convertir un lodo homogéneo deshidratado que contiene materiales de desecho orgánicos en un fertilizante granular, comprendiendo el procedimiento:

bombear un lodo deshidratado heterogéneo que incluye entre un 13 % y un 45 % de sólidos;

agregar ácido sulfúrico a los lodos en una cantidad suficiente para que el pH de la mezcla resultante sea inferior a 1;

bombear la mezcla a través de al menos un mezclador estático en línea para mezclar el lodo con el ácido sulfúrico y reducir la viscosidad de la mezcla a menos de 5 pascales-segundos (5.000 centipoises);

bombear la mezcla a través de al menos un mezclador de cizallamiento estático en línea mientras se agrega agua;

agitar mecánicamente la mezcla durante un tiempo de envejecimiento para crear un extracto homogéneo de carbono y aminoácidos;

bombear el extracto a un reactor de tubo transversal para que reaccione con un ácido y una base y forme una masa fundida;

desprender el agua del deshielo en forma de vapor;

hacer rodar la masa fundida sobre partículas finas recicladas para formar gránulos aglutinados; y

secar los gránulos aglutinados para formar un fertilizante granular.

En otro aspecto, se describe un sistema de conversión de lodos para convertir un lodo heterogéneo que contiene materiales orgánicos de desecho en un extracto homogéneo de carbono y aminoácidos para su uso en un sistema de producción de fertilizantes granulador de reactor de tubo. El sistema de conversión comprende una bomba de desplazamiento positivo configurada para bombear un lodo deshidratado con un contenido de sólidos comprendido entre el 13 % y el 45 %; al menos un mezclador estático en línea configurado para recibir el lodo de la bomba y mezclarlo con ácido sulfúrico a fin de reducir el pH de la mezcla resultante a menos de 1 y la viscosidad de la mezcla resultante a menos de 5 pascales-segundos (5.000 centipoises); al menos un mezclador de cizallamiento estático en línea configurado para recibir la mezcla del mezclador estático y mezclar la mezcla con productos químicos acondicionadores, para esterilizar sustancialmente la mezcla de patógenos y para eliminar sustancialmente los grumos de la mezcla; un depósito de envejecimiento configurado para recibir la mezcla desde el mezclador de cizallamiento estático en línea y agitar la mezcla para mantener la homogeneidad de la mezcla mientras que la mezcla se envejece para convertirse en el extracto; y una bomba de transferencia configurada para suministrar el extracto desde el depósito de envejecimiento a un sistema de producción de fertilizantes; un reactor de tubo configurado para recibir el extracto de la bomba de transferencia y mezclar el extracto con un ácido y una base para formar una masa fundida; un granulador configurado para eliminar el agua de la masa fundida y hacer rodar la masa fundida sobre partículas finas para formar gránulos aglutinados; y un secador para secar los gránulos aglutinados para formar un fertilizante granular.

En un aspecto adicional, se describe un fertilizante granular de nitrógeno-fósforo-azufre orgánicamente potenciado siempre que se prepare mediante un procedimiento descrito en la presente memoria. El fertilizante comprende al menos un 0,5 % en peso de carbono total y aminoácidos; y tiene un tamaño de gránulo aglutinado mayor o igual a 1,7 mm. El fertilizante es incombustible en un ensayo de capacidad de combustión de nube de polvo realizado de acuerdo con el método de ensayo estándar de la ASTM E1226.

Breve descripción de los dibujos

Con fines ilustrativos, se muestran en los dibujos realizaciones que actualmente se prefieren; entendiéndose, sin embargo, que esta invención no se limita a las disposiciones y construcciones precisas particularmente mostradas.

La figura 1 es un diagrama de flujo del procedimiento de una realización de un sistema y procedimiento para convertir lodos que se suministrarán a un sistema y procedimiento de producción de fertilizantes granulares.

La figura 2 es un diagrama de flujo del procedimiento de una realización de un sistema y procedimiento para fabricar fertilizante granular usando lodos convertidos producidos a partir de un sistema y procedimiento como el ilustrado en la figura 1 para producir un fertilizante granular de nitrógenofósforo-azufre potenciado orgánicamente.

Las figuras 3A y 3B son gráficos de datos para la incubación de un producto fertilizante de nitrógenofósforo-azufre orgánicamente potenciado como se describe en la presente memoria en comparación con fertilizantes alternativos.

Las figuras 4A, 4B, 4C, y 4D son gráficos de datos de pérdidas por volatilización de un producto fertilizante de nitrógeno-fósforo-azufre potenciado orgánicamente, como se describe en la presente memoria, en comparación con fertilizantes alternativos en diversos tipos de suelos.

Las figuras 5A y 5B son gráficos de datos de pérdidas por lixiviación de un producto fertilizante de nitrógeno-fósforo-azufre potenciado orgánicamente, como se describe en la presente memoria, en comparación con fertilizantes alternativos en diferentes tipos de sólidos.

Las figuras 6A y 6B son gráficos que ilustran los datos de las tasas de crecimiento del arroz trasplantado usando un producto fertilizante de nitrógeno-fósforo-azufre orgánicamente potenciado, como se describe en la presente memoria, en comparación con fertilizantes alternativos.

Las figuras 7A, 7B y 7C son gráficos que ilustran los datos de rendimiento de trigo usando un producto fertilizante de nitrógeno-fósforo-azufre orgánicamente potenciado, como se describe en la presente memoria, en comparación con fertilizantes alternativos.

Descripción detallada

En la figura 1 se muestra esquemáticamente una realización de un sistema y procedimiento de conversión de lodos, y en la figura 2 se muestra esquemáticamente una realización de un sistema y procedimiento de granulación de fertilizantes, que usa lodos convertidos por el sistema de conversión de lodos. Ambos procedimientos son procedimientos continuos, aunque el sistema de conversión de lodos incluye un depósito de envejecimiento en su extremo aguas abajo, por lo que los lodos convertidos pueden retenerse durante un periodo de tiempo antes de ser alimentados al sistema de granulación de fertilizantes.

El procedimiento descrito en la presente memoria va en contra del paradigma actual que trata los materiales orgánicos de desecho únicamente secándolos y reduciendo su volumen. Tal tratamiento no elimina los agentes patógenos ni impide combustión de los lodos secos resultantes. En cambio, en el procedimiento descrito en la presente memoria, los residuos orgánicos se convierten en un extracto de carbono y aminoácidos que puede usarse como aditivo de procedimiento para producir un producto fertilizante inodoro, sin patógenos detectables) e incombustible.

El sistema de conversión de lodos recibe lodos deshidratados, por ejemplo, de múltiples plantas municipales de tratamiento de aguas residuales, y convierte los lodos en un extracto homogéneo de carbono y aminoácidos. A continuación, el extracto se usa como ingrediente de materias primas y como ayuda para la refrigeración/granulación en la producción de fertilizantes comerciales inorgánicos potenciados orgánicamente. El extracto puede usarse como materia prima para las instalaciones existentes de producción de sulfato de amonio, fosfato diamónico, fosfato monoamónico y nitrógeno-fósforo-potasio para producir una serie de productos fertilizantes. Preferentemente, el extracto se suministra a un sistema estándar de granulación por reactor de tubo transversal (PCR) para producir fertilizante granular.

El resultado neto del sistema de conversión de lodos es un extracto que tiene una viscosidad reducida en comparación con los lodos deshidratados no procesados, no tiene esencialmente olor, no tiene sustancialmente componentes de capacidad de combustión y está libre de patógenos con una certificación NSF internacional. Se sabe que los lodos contienen 60 % - 80 % de combustibles, 30 % - 45 % de carbono, 10 % - 40 % de proteínas y 5 % - 20 % de celulosa. Los procedimientos anteriores no hacen más que secar los lodos eliminando el agua. Sin embargo, los lodos secos siguen siendo combustibles y, por lo tanto, no son aptos para su distribución a través de la infraestructura estándar de distribución mundial de fertilizantes establecida. Por el contrario, el extracto obtenido mediante los procedimientos divulgados en la presente memoria, cuando se usa como materia prima en un sistema estándar de granulación de fertilizantes por reactor de tubo transversal (PCR), produce un fertilizante que no es combustible, por lo que puede distribuirse por todo el mundo usando la infraestructura establecida de distribución de fertilizantes.

El sistema de conversión de lodos puede recibir lodos deshidratados que tengan entre 13 % y 45 % de sólidos. El sistema es preferentemente un sistema de procesamiento de flujo continuo sellado en línea. La conversión de los lodos garantiza la eliminación de grumos usando mezcladores en línea de mezcla y cizallamiento en serie. Los mezcladores incluyen elementos internos que crean una mezcla y un cizallamiento intensos para maximizar el contacto químico con todas las partículas de lodo, lo que permite de este modo una reacción completa de un oxidante como el ácido sulfúrico con el lodo, y una esterilización sustancialmente completa de los patógenos.

El sistema de conversión de lodos se controla para que el extracto cumpla determinados criterios, cuyos parámetros se controlan. En primer lugar, el extracto tiene un pH inferior a 2 antes de ser transferido al procedimiento de granulación. El pH puede medirse, por ejemplo, con una sonda en línea y confirmarse con muestras tomadas en el laboratorio. En segundo lugar, el potencial de reducción de oxidación (ORP) del extracto es superior a 300 mV. El ORP puede medirse con una sonda en línea y confirmarse con muestras tomadas en el laboratorio. En tercer lugar, la viscosidad del extracto es inferior a 5 pascal-segundos (5.000 centipoises (cP)). La viscosidad puede medirse con dispositivos de medición en línea y confirmarse mediante muestras tomadas en el laboratorio. En cuarto lugar, la temperatura de reacción exotérmica del ácido sulfúrico durante el procesado debe alcanzar al menos 54 °C. La temperatura puede medirse con una sonda en línea y confirmarse con muestras tomadas en el laboratorio.

Las etapas operativas y el equipo del sistema de conversión de lodos se describirán con más detalle a continuación. En resumen, el sistema incluye las siguientes etapas, en secuencia. En primer lugar, los lodos deshidratados se reciben de un sistema de transporte, tal como camiones volquete, remolques volquete o contenedores intermodales. Los lodos se han deshidratado hasta alcanzar una concentración de sólidos que oscila entre aproximadamente 13 % y aproximadamente 45 % (con un promedio entre aproximadamente 15 % y aproximadamente 17 %). A continuación, los lodos se transfieren a una tolva de fondo vivo y se transportan mediante un transportador de tornillo a la garganta de una bomba de pistón de desplazamiento positivo. Los lodos se bombean a través de al menos un mezclador estático en línea (de mezcla) junto con un primer oxidante químico (ácido sulfúrico), y después a través de al menos un mezclador estático en línea (de cizallamiento) mientras se agrega agua más otros posibles productos químicos acondicionadores (por lo general ácido sulfúrico adicional, ácido fosfórico, ácido acético, ácido peracético, peróxido de hidrógeno, sulfato férrico líquido, sulfato de zinc líquido) si es necesario, y después a través de una tubería a un depósito de almacenamiento mezclado mecánicamente. A continuación, los lodos se envejecen en un depósito de almacenamiento de mezcla continua para completar el procedimiento de conversión y producir el extracto de carbono y aminoácidos. El extracto homogéneo almacenado puede bombearse luego a un depósito de día cuando sea necesario para suministrarlo a un sistema de granulación de fertilizantes.

En la realización de un sistema 100 de conversión de lodos mostrado en la figura 1, el siguiente equipo está dispuesto en secuencia: un contenedor de fondo vivo o tolva 10 para recibir lodos deshidratados, uno o más transportadores 14 de tornillo para mover los lodos deshidratados desde la tolva 10, una bomba 20 de desplazamiento positivo para bombear los lodos deshidratados, un primer mezclador 30 estático para mezclar ácido (inyectado a través de la válvula 22) en los lodos, un segundo mezclador 40 estático para mezclar productos químicos acondicionadores y agua (inyectados a través de la válvula 34) en los lodos, al menos un depósito 60 de envejecimiento de extracto, una bomba 70 de transferencia para transferir extracto desde el depósito 60 de envejecimiento a un depósito 80 de día, y una bomba 90 de alimentación para bombear extracto desde el depósito 80 de día a un sistema de granulación de fertilizantes. Una bomba 62 de recirculación, permite transferir el extracto de un depósito a otro y recircularlo dentro de cada depósito.

A través de la siguiente descripción, se describe un conjunto ejemplar de equipos, aunque se entiende que el sistema 100 de conversión de lodos y el procedimiento pueden escalarse a un sistema mayor o menor según se requiera. El sistema 100 de conversión de lodos se dimensiona en base a la salida de fertilizante granulado deseada de un sistema 200 de granulación de fertilizante (como se describe más adelante con referencia a la figura 2), ya que el extracto, la salida del sistema 100 de conversión de lodos, es un ingrediente primario de entrada en el sistema 200 de granulación de fertilizante (mostrado en la figura 2). Por ejemplo, un sistema 200 de granulación de fertilizante que produce 1.100 toneladas cortas por día ("stpd") (1.000 toneladas métricas por día) de fertilizante granular consumiría aproximadamente 1.210 stpd de extracto por día, basándose en una proporción de alimentación de procedimiento 1:1 (es decir, un sistema 200 de granulación de fertilizante que produce 1 tonelada seca de fertilizante granulado por cada 1,1 toneladas húmedas de extracto suministrado). Esto se traduce en aproximadamente 1.030 t/día de lodo deshidratado suministrado con un 15 % de sólidos (o 620 t/día con un 25 % de sólidos), teniendo en cuenta las adiciones químicas durante el procedimiento de acondicionamiento. Por supuesto, si la proporción de diseño cambia (es decir, si el procedimiento de granulación del fertilizante hace un uso más o menos eficiente del extracto), el tamaño del sistema 100 de conversión de lodos debe ajustarse de acuerdo con lo anterior.

Cuando los lodos deshidratados llegan mediante camión volquete o contenedor volquete, se vierten en una tolva 10 receptora de fondo vivo. El tamaño y el número de tolvas 10 pueden seleccionarse para conseguir el número deseado de horas diarias de funcionamiento y la capacidad de rendimiento del procedimiento. Por ejemplo, para poder manejar dos volquetes de 20 - 25 ton que lleguen simultáneamente y vacíen sus cargas en 15 minutos, se pueden usar hasta cuatro pares de tolvas 10, teniendo cada tolva 10 una capacidad de 50 ton y siendo capaz de vaciar una carga de 20 ton en 25 minutos. De este modo, un sistema de hasta cuatro pares de tolvas podría manipular aproximadamente 1030 toneladas diarias de lodos deshidratados al 15 %.

En este punto, el lodo deshidratado en las tolvas 10 contiene entre un 13 % y un 45 % de sólidos, por lo que es oloroso. El lodo también contiene cantidades significativas de grumos y material fibroso, por lo que la viscosidad es muy alta, por lo general del orden de 500 pascales-segundos (500.000 centipoises) o superior, y podría llegar a 2000 pascales-segundos (2.000.000 centipoises).

En las tolvas 10, los lodos se mezclan y se trasladan a una serie de transportadores 14 de tornillo sin eje de descarga por medio de múltiples tornillos espirales o sinfines 12 internos al fondo de la tolva 10. Los motores de la tolva y del transportador de tornillo son preferentemente de velocidad variable para facilitar la adaptación del flujo al equipo de procesamiento aguas abajo. Por ejemplo, los transportadores de tornillo pueden configurarse con dos transportadores 14 que sirvan a cada par de tolvas 10 y que estén dimensionados para transportar hasta una carga de 20 toneladas en 25 minutos.

Los transportadores 14 de tornillo transfieren el lodo deshidratado a la bomba 20 que alimenta el resto del sistema de acondicionamiento aguas abajo hasta el depósito 60 de envejecimiento. Para poder manejar los lodos viscosos deshidratados, la bomba 20 es preferentemente una bomba de desplazamiento positivo de garganta abierta. Basándose en una transferencia de carga de 20 toneladas en 25 minutos, la bomba 20 estaría dimensionada para bombear al menos aproximadamente 200 galones por minuto (760 litros). En caso necesario, pueden colocarse varias bombas en paralelo. La bomba 20 se acciona preferentemente mediante un variador de velocidad hidráulico para adaptarse a las variaciones deseadas en la tasa de alimentación. Preferentemente, la bomba 20 es una bomba de pistón.

Los lodos bombeados se transportan preferentemente a través del procedimiento de tratamiento en tuberías que pueden soportar las mismas condiciones de presión que la bomba 20, a saber, condiciones altamente ácidas (por ejemplo, pH inferior a 1) y altas temperaturas (por ejemplo, superiores a 50 °C). Por ejemplo, las tuberías pueden ser de acero inoxidable tipo 316. El caudal de lodos determinará el tamaño de las tuberías. Por ejemplo, 760 litros (200 galones) por minuto de alimentación de lodos requerirían aproximadamente una tubería de 35 cm (14 pulgadas) de diámetro.

A continuación, se inyecta un oxidante químico en la corriente de lodo deshidratado para iniciar el procedimiento que neutraliza los compuestos olorosos haciendo que el ORP aumente por encima de 300 mV, reduce la viscosidad, elimina la combustión y homogeneiza el material. El oxidante químico se agrega a los lodos justo antes del primer mezclador 30 estático.

Preferentemente, el oxidante químico es un ácido a una tasa de alimentación de aproximadamente 1 % a aproximadamente 50 % en peso de los materiales de desecho, preferentemente 10 % en peso. Por ejemplo, una tasa de alimentación de ácido de 7,6 litros por minuto (20 gpm) puede corresponder a una tasa de bombeo de lodos de 7,6 litros por minuto (200 gpm). Preferentemente, el ácido es ácido sulfúrico en un grado del 93 % o superior. Más preferentemente, el ácido es ácido sulfúrico en un grado de aproximadamente 98 %. Más preferentemente, se agrega una combinación de ácido sulfúrico y ácido fosfórico en cantidades de aproximadamente un 10 % en peso de ácido sulfúrico y aproximadamente un 2 % en peso de ácido fosfórico. El ácido puede agregarse a los lodos mediante bombeo. Preferentemente, el ácido se agrega mediante bombas dosificadoras de productos químicos que pueden aplicar presiones de hasta 1400 kPa (200 psi). El pH inicial de los lodos, por lo general en el intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 6, se reduce mediante la adición de ácido a un pH de aproximadamente 1 a aproximadamente 2. El ácido ayuda a oxidar, hidrolizar, fluidificar y esterilizar la materia orgánica residual de los lodos. Además del ácido, puede agregarse agua a los lodos en concentraciones de aproximadamente 1 % a aproximadamente 50 % en peso, preferentemente de aproximadamente 7,5 % en peso, para ayudar a fluidificar los lodos.

La temperatura del lodo se controla mediante un sensor 32 de temperatura situado en o cerca del extremo aguas abajo del primer mezclador 30 estático. Preferentemente, los lodos alcanzarán una temperatura de al menos aproximadamente 54 °C en el momento en que salgan del primer mezclador 30 estático, con el fin de garantizar la neutralización de muchos de los componentes biológicamente activos de los lodos. Puede usarse cualquier mezclador estático disponible en el mercado.

El lodo bombeado, mezclado con el oxidante químico, continúa aguas abajo hacia el primer mezclador 30 estático. El primer mezclador 30 estático es un mezclador estático diseñado para dispersar el oxidante químico en el lodo. La combinación de la mezcla mecánica y la reacción química del oxidante químico con el material de desecho orgánico en el lodo reduce la viscosidad de tan alto como 2000 pascal-segundos (2.000.000 centipoises) a menos de aproximadamente 5 pascal-segundos (5.000 centipoises). En una realización, el primer mezclador 30 estático está configurado para lograr la mezcla de dos maneras, por desviación y recombinación del flujo y por mezcla radial.

Después de que el lodo mezclado y de menor viscosidad sale del primer mezclador estático, el lodo fluye hacia el segundo mezclador 40 estático. Puede usarse cualquier mezclador estático disponible en el mercado. Justo aguas arriba del segundo mezclador 40 estático, se inyecta agua adicional y, si es necesario, productos químicos acondicionadores adicionales. Los productos químicos acondicionadores adicionales pueden incluir, pero no se limitan a, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido acético, ácido peracético, peróxido de hidrógeno, sulfato férrico, sulfato ferroso, mineral de hierro, sulfato de aluminio, sulfato de zinc, roca fosfórica molida, boro, molibdeno y combinaciones de los mismos. El sulfato férrico aporta hierro como micronutriente al fertilizante y aumenta la dureza de los gránulos aglutinados del fertilizante. El ácido fosfórico, si se agrega, se agrega preferentemente en pequeñas cantidades (es decir, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 20 % en peso) en un grado de aproximadamente 30 % a aproximadamente 70 %, preferentemente de aproximadamente 40 % a aproximadamente 60 %, y más preferentemente, en aproximadamente 54 %. El ácido fosfórico agrega dureza al material de desecho acidificado y mejora la capacidad de granulación del extracto fundido resultante de la granuladora.

Cuando se agrega agua, la cantidad total agregada es preferentemente desde aproximadamente 1 % en peso a aproximadamente 25 % en peso. La cantidad de agua que se agrega depende de la concentración de sólidos de los materiales de lodos deshidratados de partida que se usen. La cantidad total de agua en el extracto incluye en última instancia cualquier agua incluida en el lodo deshidratado original, agua de la mezcla de sulfato férrico/agua, agua de los ácidos sulfúrico y fosfórico, y agua de cualquier otra fuente.

El segundo mezclador 40 estático incorpora los productos químicos acondicionadores al lodo y homogeneiza aún más el lodo. El segundo mezclador 40 estático es un mezclador estático de cizallamiento en línea destinado a crear una mezcla excelente y romper cualquier grumo de material restante en el lodo. El segundo mezclador estático puede tener tiras de cizallamiento ligeramente ahuecadas que se anidan juntas para formar un elemento. A la salida del segundo mezclador 40 estático, el lodo es esencialmente un extracto acondicionado y homogéneo de carbono y aminoácidos que puede usarse como materia prima para un procedimiento de granulación aguas abajo. En el extremo aguas abajo del segundo mezclador 40 estático, se sitúan diversos sensores para medir las condiciones de procedimiento del extracto. En particular, un sensor 42 de temperatura, un sensor 44 de pH, un sensor 46 de potencial de reducción de oxidación (ORP), y un medidor 48 de viscosidad se proporcionan en la tubería aguas abajo del segundo mezclador 40 estático. También se proporciona un caudalímetro 50 para medir el caudal de lodos. Un intervalo preferido de temperaturas en este punto del procedimiento es desde aproximadamente 20 °C a aproximadamente 70°C. Un intervalo de presión preferido en el sistema es desde aproximadamente 207 - 2070 kPa (30 psig a aproximadamente 300 psig), y más preferentemente desde aproximadamente 620 - 760 kPa (90 psi a aproximadamente 110 psi). Si es necesario, la cantidad y concentración de ácido y otros productos químicos acondicionadores agregados en las etapas previas del procedimiento pueden ajustarse para alcanzar una temperatura, presión, pH, ORP, recuento de patógenos, viscosidad, etc. deseados.

Después del segundo mezclador 40 estático, el lodo (ahora un extracto de carbono y aminoácidos) fluye a uno o más depósitos 60 de almacenamiento y mezcla. El número y tamaño de los depósitos 60 viene determinado por el rendimiento del sistema 100 de acondicionamiento y el tiempo de permanencia deseado en los depósitos 60. El tiempo de permanencia en el depósito o depósitos 60 de almacenamiento puede ser desde aproximadamente 12 horas a aproximadamente 96 horas. Preferentemente, el tiempo de residencia es desde aproximadamente 2 días a aproximadamente 4 días. Por ejemplo, para un sistema 100 de acondicionamiento de 1.100 stpd, se pueden usar tres depósitos 60, cada depósito 60 proporcionando una capacidad de almacenamiento de 1,67 millones de litros (440.000 galones) cada uno.

Cada depósito 60 está preferentemente recubierto con un material que permite que el depósito resista condiciones altamente ácidas (por ejemplo, pH 0,5 - 2,0) y temperaturas elevadas (por ejemplo, por encima de 50 °C). Cada depósito 60 está equipado con un mezclador 64 vertical mecánico que agita el extracto para mantener la homogeneidad y permite que el extracto "envejezca" a medida que se completa el procedimiento de reacción química. Por ejemplo, en cada depósito 60 puede haber un agitador comercial de baja velocidad para mantener la consistencia del extracto. Cada agitador 64 está preferentemente equipado con dos impulsores, ambos del mismo tamaño, y un impulsor agitador en la parte inferior de cada eje. Una vez transcurrido el tiempo de permanencia, el extracto se encuentra por lo general en un estado coloidal.

También puede proporcionarse una bomba 62 de recirculación para agitar y homogeneizar aún más el contenido del uno o más depósitos 60.

El extracto se transfiere desde los depósitos 60 de almacenamiento, primero por lo general a un depósito 80 de día y después a un sistema 200 de granulación de fertilizante. Preferentemente, el extracto se transfiere mediante una bomba 70 de transferencia. La bomba 70 se dimensiona en función del caudal deseado de los depósitos 60. Preferentemente, cada depósito 60 de almacenamiento tendrá su propia bomba dedicada. Por ejemplo, para vaciar un depósito de 1,67 millones de litros (440.000 galones) en aproximadamente 8 horas, puede usarse una bomba de 760 litros por minuto (200 gpm). Las bombas adecuadas incluyen bombas 70 lobulares rotativas de desplazamiento positivo.

Por lo general, el extracto se bombea a un depósito 80 de día que contiene un volumen limitado que se utilizará inminentemente en un sistema 200 de granulación de fertilizante aguas abajo. El depósito 80 de día proporciona una mezcla adicional preferentemente a una tasa de mezcla mayor que en los depósitos 60 de almacenamiento. El depósito 80 de día permite la estandarización final del extracto antes de ser convertido en fertilizante. Pueden usarse uno o más depósitos 80 de día en paralelo o en serie. El depósito o depósitos 80 de día se dimensionarán preferentemente para un mínimo del 25 % de las necesidades diarias de extracción. Por ejemplo, el depósito 80 diurno puede tener una capacidad desde 300.000 a 570.000 litros (80.000 a 150.000 galones).

Desde el depósito 80 de día, el extracto se bombea al sistema 200 de granulación de fertilizante mediante una bomba 90 de alimentación. Preferentemente, la bomba 90 de alimentación es una bomba lobular rotativa de desplazamiento positivo. La tasa de la bomba de alimentación está dimensionada para ajustarse a la capacidad y al caudal deseado del sistema 20 de granulación de fertilizantes, y específicamente para ajustarse a la tasa de consumo de extracto en un reactor de tubo cruzada en el sistema granulador de fertilizantes. Por ejemplo, para sistema de fertilización de 1.100 stpd, puede usarse una bomba con una capacidad de 570 a 760 litros por minuto (150 a 200 gpm).

Además de las mediciones en línea discutidas anteriormente, un número de parámetros pueden ser medidos en línea en uno o más otros lugares, en uno o más de los depósitos 60 de almacenamiento, y/o en el depósito 80 de día. Las mediciones pueden incluir viscosidad, temperatura, ORP y pH. También se contemplan otras mediciones, tales como el análisis del tamaño de las partículas. Las mediciones pueden realizarse manualmente o de forma automatizada.

Tales mediciones pueden usarse para ajustar el procedimiento de tratamiento con el fin de optimizar el extracto. La optimización puede hacerse manualmente o automatizarse. La optimización puede incluir la adición o eliminación de calor al sistema, el ajuste de la cantidad de uno o más de los aditivos químicos, la modificación de la reacción exotérmica, el ajuste de la velocidad de mezcla de uno o más de los mezcladores, y el ajuste del flujo para desviar o pasar a través de uno o más de los dispositivos en línea.

En resumen, el procedimiento mostrado en la figura 1, acepta lodos que contienen material de desecho orgánico en diversas formas, incluyendo lodos deshidratados, y convierte esos lodos en un extracto que está esencialmente libre de patógenos y olores, de viscosidad suficientemente baja para ser fácilmente bombeable, y adecuado como materia prima para un sistema de granulación de fertilizante de reactor de tubo. El extracto tiene preferentemente un ORP mayor que 300 mV, un pH de aproximadamente1,0 a aproximadamente 2,0, una viscosidad inferior a 5 pascales-segundos (5000 cps) [preferentemente inferior a 3 pascales-segundos (3000 cps), y más preferentemente inferior a 1 pascales-segundos (1000 cps)], y está sustancialmente libre de patógenos y compuestos de azufre.

El extracto producido por los procedimientos ilustrados en la figura 1 y descritos anteriormente tiene numerosas características beneficiosas.

En primer lugar, el extracto es esencialmente homogéneo, y es fluido medido por la viscosidad del fluido. Los procedimientos de tratamiento históricos, especialmente los que utilizaban polímeros químicos de deshidratación, producían un material que tenía una viscosidad superior a 1.000.000 centipoises, lo que hacía difícil, si no imposible, mezclar el material y/o almacenar el material en grandes depósitos de almacenamiento (por ejemplo, depósitos de almacenamiento de más de 760.000 litros (200.000 galones)). Por el contrario, el presente procedimiento produce extracto con una viscosidad significativamente inferior a aproximadamente 5000 centipoises, por lo general inferior a aproximadamente 3000 centipoises, y más por lo general tan baja como 1000 centipoises. El extracto también tiene un pH de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2,0, y más por lo general desde aproximadamente 1,5 a aproximadamente 2,0, por lo que es necesario agregar menos ácido en el procedimiento de granulación del fertilizante.

Además, el extracto tiene un potencial de reducción de oxidación ("ORP") mayor que aproximadamente 250, y por lo general mayor que aproximadamente 300, y más por lo general mayor que aproximadamente 350. Se puede confiar en las mediciones de ORP para determinar el potencial de desinfección del material que se está midiendo. Los valores bajos de ORP, tales como los que se encuentran en materiales generados en procedimientos de tratamiento históricos (por ejemplo,<o>R<p>menor que 1 demuestran que el potencial de eliminación microbiana o desinfección en esos materiales es bajo. Por el contrario, un ORP más alto, tal como en el extracto, indica un alto potencial de desinfección del material. Aumentar el ORP reduce los olores y reduce el potencial de incendios por material combustible en el producto final.

El extracto es sustancialmente inodoro como consecuencia de la eliminación de compuestos causantes de olor a través de la oxidación de compuestos tales como sulfuro de carbono, sulfuro de carbonilo, dimetil disulfuro, dimetil sulfuro, etil mercaptano, sulfuro de hidrógeno, isopropil mercaptano, metil mercaptano, dióxido de azufre y otros compuestos productores de azufre causantes de olor. Los procedimientos y productos inodoros o prácticamente inodoros suponen una ventaja significativa a la hora de encontrar un emplazamiento para una instalación de tratamiento de lodos.

Además, el extracto está sustancialmente libre de patógenos. Los patógenos incluyen bacterias patógenas, parásitos, huevos de helmintos y virus. En general, los procedimientos de tratamiento descritos anteriormente eliminan sustancialmente los patógenos debido a las tensiones creadas por las condiciones de pH bajo y las altas temperaturas, que esterilizan los lodos. Como resultado, se previene el rebrote de patógenos, no sólo en el extracto sino en cualquier producto (por ejemplo, fertilizantes) producido a partir de este.

El extracto producido por el sistema y el procedimiento descritos en la presente memoria puede procesarse aguas abajo en un fertilizante usando cualquier método conocido de procesamiento de fertilizantes. Por ejemplo, el material puede procesarse según los procedimientos en las patentes U.S. Patent Nos.

7,128,880; 7,169,204; 6,159,263; 5,984,992; 6,758,879; 6,841,515; y 8,057,569.

La figura 2 muestra una visión general de un sistema 200 de granulación de fertilizante y un procedimiento que comienza con el extracto como materia prima. El sistema 200 para procesar el extracto homogéneo en un fertilizante granular incluye al menos un reactor 210 de tubo, un granulador 220 y un secador 230. El sistema 200 también puede incluir un ciclón y depuradores 232 Venturi para capturar el polvo que sale del secador 230 y cribas 240 para refinar el tamaño de los gránulos aglutinados del fertilizante. Los gránulos aglutinados de menor tamaño pueden devolverse al granulador 220 como finos, y los gránulos de mayor tamaño pueden triturarse en una trituradora 242 y devolverse igualmente al granulador 220 como finos. También puede incluirse un enfriador 250 para enfriar los gránulos aglutinados de fertilizante aguas abajo del secador 230, y pueden ser necesarios depuradores 260 para el control de la contaminación. El reactor 210 puede ser un reactor de tubo. Preferentemente, se usa un reactor de tubo transversal. El granulador 220 puede ser un granulador de tambor giratorio. El secador 230 puede ser cualquier secador utilizado en la industria.

En resumen, en la realización de un sistema de granulación de fertilizante representado en la figura 2, el extracto se bombea a un reactor de tubo cruzada (PCR) 210 donde absorbe calor generado por la reacción entre ácido sulfúrico concentrado y amoníaco anhidro que se inyectan en el PCR 210. En el PCR 210 se generan temperaturas de hasta 100 °C y un pH de 2 o inferior. En estas condiciones de funcionamiento se forman sales inorgánicas a partir de la reacción del ácido de mezcla con el amoniaco anhidro, se consigue la esterilidad microbiana, se produce la hidrólisis de las macromoléculas orgánicas (proteínas) presentes en los residuos de aguas residuales, las proteínas se convierten en aminoácidos y se unen a las sales inorgánicas creadas para formar complejos que resisten la volatilización y la lixiviación del producto fertilizante,

Se produce de este modo una masa fundida de reacción a partir del extracto, y la masa fundida se transfiere al granulador 220, que elimina aproximadamente del 50 % al 65 % del agua como resultado de la energía exotérmica generada por la reacción ácido-base. Específicamente, más del 50 % del agua se desprende de la masa fundida en forma de vapor, y la masa fundida se hace rodar sobre partículas finas recicladas en un granulador 220 para formar gránulos aglutinados. Por lo tanto, en el secador 230 sólo se necesita aproximadamente un 50 % de energía de combustión adicional para completar el procedimiento de secado. Este procedimiento da como resultado un gránulo de fertilizante duro que contiene menos de un 2 % de humedad.

Cuando el extracto se procesa en un fertilizante usando un procedimiento tradicional de fabricación de fertilizantes o cualquier otro procedimiento similar, tal como el procedimiento mostrado en la figura 2, el fertilizante resultante generalmente tiene características físicas que cumplen o superan los estándares de la industria. El fertilizante resultante es un fertilizante granulado de liberación lenta con alto contenido en nitrógeno, azufre y micronutrientes y que contiene aminoácidos esenciales para el crecimiento de las plantas. El fertilizante también puede incluir fósforo, por lo general en forma de fosfatos. Una formulación preferida de nitrógeno-fósforo-azufre es 17-1-0-19. También se contemplan otras formulaciones con mayor o menor cantidad de nitrógeno, mayor cantidad de fósforo, mayor cantidad de potasio y/o mayor o menor cantidad de azufre.

En la tabla 1 se enumera una composición típica de gránulos aglutinados de fertilizante producidos por los procedimientos descritos en la presente memoria.

Tabla 1

Las propiedades físicas de los gránulos aglutinados de fertilizante producidos por los procedimientos descritos en la presente memoria mejoran significativamente con respecto a otros tipos de fertilizantes, como se muestra en la tabla 2. En particular, obsérvese que los gránulos aglutinados del presente fertilizante tienen una humedad relativa crítica significativamente superior a la de otros fertilizantes, y una absorción y penetración de la humedad generalmente inferiores, así como ninguna tendencia a apelmazarse. Como resultado, los presentes gránulos aglutinados de fertilizante pueden almacenarse incluso en un entorno relativamente húmedo durante un periodo de tiempo sin degradarse ni apelmazarse. Además, el alto ORP de los presentes gránulos aglutinados de fertilizante significa que los gránulos aglutinados están esencialmente libres de olor, y el potencial de combustión inexistente de los gránulos aglutinados significa que no se autocalientan y no arderán cuando se transporten por el aire como polvo o cuando se almacenen en una pila, lo que hace que los presentes gránulos aglutinados de fertilizante sean excepcionalmente seguros de almacenar y transportar.

Tabla 2

Los gránulos aglutinados de fertilizante producidos por los sistemas y procedimientos divulgados en la presente memoria son por lo general sustancialmente uniformes en composición, lo que significa que cada gránulo aglutinado de fertilizante tiene esencialmente la misma cantidad y calidad de nitrógeno, fósforo y otros materiales que todos los demás gránulos aglutinados. Además, un gránulo producido a partir de una fuente concreta tendrá composiciones casi idénticas, si no idénticas, a las de todos los demás gránulos aglutinados producidos a partir de la misma fuente y procesados de la misma manera que el primer gránulo aglutinado.

Una composición sustancialmente uniforme permite tasas de aplicación normalizadas del fertilizante. Actualmente, los fertilizantes comerciales son una mezcla de diversos ingredientes N, P, K y numerosos micronutrientes. Estas mezclas presentan una segregación de nutrientes y su composición no suele ser uniforme. Por consiguiente, para obtener la cantidad deseada de cada ingrediente en todo un campo, hay que aplicar fertilizante adicional o aplicarlo en patrones irregulares. La composición sustancialmente uniforme de los fertilizantes producidos a partir del extracto supera estos problemas.

El fertilizante granular resultante está libre de patógenos, y se ha demostrado que ha desactivado compuestos emergentes preocupantes tales como disruptores endocrinos, productos farmacéuticos y antimicrobianos. El fertilizante granular resultante está sustancialmente libre de compuestos productores de azufre que comprenden sulfuros, disulfuros y mercaptanos.

Producción de muestras de fertilizantes para pruebas.

Se han producido muestras de fertilizante con el fin de probar las propiedades del fertilizante. Se obtuvieron lodos residuales deshidratados procedentes de una planta de tratamiento de aguas residuales doméstica (EE.UU.) de lodos activados. El procedimiento de la planta de tratamiento de aguas residuales incluía la deshidratación de los lodos residuales con un filtro prensa de banda. El lodo contenía entre 15-16 % de sólidos en peso, tenía una viscosidad superior a 1.000.000 cps, un ORP inferior a 1 y un pH de 5.

El lodo deshidratado se colocó en un contenedor y luego se bombeó fuera del contenedor usando una bomba de cavidad progresiva a una velocidad de 19 litros por minuto (5 galones por minuto). Los lodos se bombearon a través de un mezclador estático en línea de 10 cm (4 pulgadas) de diámetro. Se agregaron en línea un 10 % en peso de ácido sulfúrico al 93 % y un 7,5 % en peso de agua para formar un lodo acidificado. A continuación, el lodo acidificado se hizo pasar por un mezclador (es decir, un mezclador estático en línea). Del segundo mezclador, los lodos acidificados pasaban a un primer depósito de almacenamiento. El lodo acidificado se mezcló en el primer depósito de mezcla con un mezclador vertical para crear una mezcla de lodo fluido sustancialmente homogénea. A continuación, los lodos sustancialmente homogéneos pasaron a un segundo depósito de almacenamiento. Los lodos se agitaron en el segundo depósito con un segundo mezclador vertical. La agitación en los dos depósitos creó un extracto con un ORP superior a 300, un pH de 1,5 y una viscosidad menor que 2000 centipoises.

El extracto se bombeó a un reactor de tubo transversal a una tasa de 280 kg/h. En el reactor de tubo transversal, se agregaron al extracto ácido sulfúrico al 93 % y amoníaco anhidro a una tasa de 140 kg/h de ácido sulfúrico al 93 % y 49 kg/h de amoníaco anhidro, para formar una masa fundida fertilizante. La masa fundida de fertilizante pasó por una primera parte del reactor de tubo transversal en 3,8 segundos a 98 °C. La masa fundida del fertilizante pasó por una segunda parte del reactor de tubo transversal en 4,2 segundos a 128 °C. Después del reactor de tubo transversal, el material reaccionado pasó a un granulador para formar gránulos aglutinados. Se agregó amoníaco a una tasa de 27 kg/h a la masa fundida del fertilizante en el granulador. Se agregó alumbre líquido a una tasa de 6,5 kg/h a la masa fundida de fertilizante en el granulador. Se agregó entre un 27 % y un 30 % de sulfato de hierro al fertilizante fundido en el granulador. A continuación, los gránulos aglutinados se secaron en un secador que funcionaba a 7 revoluciones por minuto. El material pasó a un sistema inclinado de vibración mecánica de dos pisos con una criba de tamaño inferior con una abertura de 2,36 mm. Todo lo que estaba entre 2,36 mm y 4 mm iba al almacén. Todo el material sobrante y sobredimensionado se devolvía al granulador, donde se volvía a mezclar con la masa fundida. A continuación, se realizó un análisis físico y químico de los gránulos aglutinados secos de entre 2,36 mm y 4 mm.

Estabilidad y olor del producto.

Los problemas de olor con fertilizantes orgánicos se crean comúnmente por putrefacción de material orgánico que resulta en la generación de sustancias olorosas tales como mercaptanos, sulfuro de hidrógeno y alquil aminas terciarias. Las bacterias reductoras de sulfato del procedimiento de putrefacción generan olores cuando su potencial de reducción de oxidación (ORP) cae por debajo de -200 mV. Las pruebas han demostrado que los fertilizantes producidos usando el extracto descrito en la presente memoria se homogeneizan, hidrolizan y esterilizan, y tienen un ORP de 350 mV. Con este valor de ORP no hay preocupación por la putrefacción del fertilizante granular resultante. No hay compuestos que produzcan olores y el fertilizante es termoestable, lo que significa que no se calentará ni producirá olores. El fertilizante tiene un contenido de sólidos del 98 %, lo que supera la norma de US EPA 503 que exige un contenido mínimo de sólidos del 90 % para ser clasificado como estable.

Capacidad de combustión.

La capacidad de combustión en nube de polvo del fertilizante granular como producido por los procedimientos descritos en la presente memoria fue determinada por un laboratorio de investigación de combustión (Kidde-Fenwal Combustion Center, Ashland, Mass.). La clasificación de un polvo como combustible o no combustible depende de si la nube de polvo dispersa es capaz de soportar una deflagración suficiente para provocar un aumento de presión de 1 bar (14,5 psi). Los ensayos se realizan en un recipiente de ensayo esférico Kuhner de 20 l. Los polvos que no son combustibles a una concentración inicial de 500 g/m3 se vuelven a probar a 1.000 g/m3 y 2.000 g/m3. El material se clasifica como combustible si la presión de explosión, corregida para tener en cuenta los efectos del encendedor, es superior a 1,0 bar (14,5 psi). Cuando el aumento de presión de explosión observado es inferior a 1 bar en todas las concentraciones de ensayo, el polvo se clasifica como no combustible.

El polvo de fertilizante granulado procedente del fertilizante granular producido por los procedimientos descritos en la presente memoria se clasificó como incombustible a concentraciones de 500, 1.000 y 2000 g/m3. El fertilizante es esencialmente incombustible en un ensayo de capacidad de combustión de nubes de polvo realizado de acuerdo con el método de ensayo estándar E1226 de la ASTM. Por el contrario, tres muestras de lodos secos peletizados se clasificaron como combustibles a concentraciones de polvo de 500 g/m3. Además, los ensayos a los que se sometieron las muestras de fertilizante a temperaturas de 140 °C demostraron que el fertilizante no se inflama espontáneamente ni se "autocalienta" (es decir, no aumenta 60 °C por encima de la temperatura del horno en 24 horas).

Metales pesados.

El procedimiento descrito en la presente memoria controla el contenido de metales en el fertilizante granular resultante porque cualquier metal pesado presente en el lodo deshidratado inicial se diluye mediante la adición de ácido, base y productos químicos acondicionadores (por ejemplo, 140 toneladas métricas secas de sólidos de lodo de aguas residuales secas se mezclan con aproximadamente 800 toneladas secas de sulfato de amonio para producir 1.000 ton métricas secas de fertilizante granular). De este modo, la concentración de metales en el fertilizante granular se reduce siete veces en comparación con los metales observados en los residuos originales de aguas residuales domésticas. Como puede verse en la tabla 3, el contenido de metales del fertilizante granular está por debajo de los criterios del ensayo federal de cribado de suelos (SST) de los Estados Unidos para suelos residenciales (no contaminados), que son un orden de magnitud más estrictos que las directrices de la EPA 503. Además, el fertilizante granular supera los criterios de la asociación de funcionarios americanos de control de plantas (AAPFCO) para alimentos, y puede cumplir incluso con el ajuste de la mezcla de contenido de sólidos secos de residuos de aguas residuales al contenido de sulfato de amonio, el fertilizante granular resultante puede incluso cumplir los criterios más estrictos en Europa y en todo el mundo.

Tabla 3

Incubación.

Se realizaron pruebas de incubación de campo en suelo de Greenville, y los resultados se muestran en las figuras 3A y 3B. Como se muestra en la figura 3A, los fertilizantes producidos por los procedimientos descritos en la presente memoria ("biofertilizante" y "biofertilizante Fe") muestran una tasa de conversión de amoníaco a nitrato muy similar a la de un fertilizante de referencia y a la de sulfato de amonio, y sólo una conversión ligeramente más lenta que la de la urea.

Volatilización.

Algunos fertilizantes actuales usan urea como fuente de nitrógeno. Estos fertilizantes a base de urea presentan importantes problemas de lixiviación y volatilización. La urea lixivia hasta el 30 % de su nitrógeno a través de la zona radicular y volatiliza hasta el 30 % de su nitrógeno a través de la zona radicular. Como resultado, el nitrógeno no está disponible para las raíces de las plantas debe ser compensado mediante la adición de más fertilizantes, que puede ser costoso, y contamina el medio ambiente. Los fertilizantes producidos a partir del extracto homogéneo descrito en la presente memoria superan estos problemas al basarse en materiales orgánicos residuales reciclados sin necesidad de complementar el fertilizante con urea.

Se realizaron pruebas de volatilización de campo en sólidos de Guthrie y Sumter, tanto en condiciones de tierras altas como inundadas, y los resultados se muestran en las figuras 4A a 4D. La figura 4A muestra que las pérdidas acumuladas por volatilización de amoníaco en el suelo de las tierras altas de Guthrie para los fertilizantes producidos por los procedimientos descritos en este documento ("biofertilizante" y "biofertilizante Fe") fueron casi idénticas a las del sulfato de amonio, y significativamente menores que las de la urea. Concretamente, las pérdidas por volatilización de amoníaco de la urea eran de hasta el 33 %, mientras que las pérdidas por volatilización de los fertilizantes actuales eran sólo de aproximadamente el 2 %. Este resultado puede proporcionar un beneficio significativo de secuestro de carbono al usar los fertilizantes actuales, e incluso puede ofrecer la oportunidad de obtener créditos de carbono.

La figura 4C muestra, cualitativamente, un resultado casi idéntico para el suelo inundado de Guthrie. La figura 4B muestra un resultado similar para el suelo de las tierras altas de Sumter, en el que los fertilizantes actuales superan incluso al sulfato de amonio. La figura 4D muestra que en los sólidos inundados de Sumter, el presente fertilizante funcionó casi tan bien como la urea, y algo mejor que el sulfato de amonio.

Lixiviación.

Se realizaron pruebas de lixiviación de campo en suelo Greenville y arena Lakeland, y los resultados se muestran en las figuras 5A y 5B. En el suelo de Greenville, como se muestra en la figura 5A, los fertilizantes actuales mostraron bajas pérdidas por lixiviación, comparables a las del sulfato de amonio y muy inferiores a las de la urea. En la arena de Lakeland, los resultados fueron aún más espectaculares, ya que los fertilizantes actuales apenas presentaron pérdidas por lixiviación (comparables a las del sulfato de amonio), mucho menos que las observadas con la urea.

En resumen, entre la lixiviación y la volatilización, la diferencia en la pérdida de nitrógeno entre el fertilizante granular descrito en la presente memoria y la urea es dramática. Por ejemplo, en los suelos de las tierras altas de Guthrie/Greenville, la urea perdió el 33 % de su nitrógeno por volatilización y el 41 % por lixiviación, lo que supone una pérdida total del 74 %. En comparación, los fertilizantes granulados actuales sólo perdieron un 2 % de su nitrógeno por volatilización y un 13 % por lixiviación, lo que supone una pérdida total del 15 %. De este modo, el presente fertilizante granular proporciona 3,5 veces más nitrógeno que la urea, por lo que se puede usar 3,5 veces menos fertilizante para conseguir el mismo aporte de nitrógeno a los cultivos.

De forma similar, en suelos inundados de Guthrie/Greenville, la urea perdió el 57 % de su nitrógeno por volatilización y el 19 % por lixiviación, para una pérdida total del 76 %. En comparación, los fertilizantes granulados actuales sólo perdieron el 21 % de su nitrógeno por volatilización y el 15 % por lixiviación, lo que supone una pérdida total del 36 %. De este modo, el presente fertilizante granular proporciona 2,7 veces más nitrógeno que la urea.

Para la arena Lakeland de tierras altas, la urea perdió el 86 % de su nitrógeno, esencialmente todo a la lixiviación, mientras que el presente fertilizante granular perdió sólo el 4 % de su nitrógeno. De este modo, el fertilizante granular actual proporciona casi 7 veces más nitrógeno que la urea.

Productividad de los cultivos.

El fertilizante puede aplicarse en tierra para cereales, cultivos forrajeros, césped, hortalizas, cítricos, árboles frutales, silvicultura, cultivos en hileras, frutos secos, horticultura, plantas ornamentales, cultivos de invernadero, aceite (por ejemplo, soja, canola) y así sucesivamente sin requisitos de seguimiento continuo y presentación de informes a agencias federales o estatales. El fertilizante puede aplicarse directamente a la tierra o mezclarse con otros fertilizantes.

Cuando se aplica a campos de cultivo, la calidad de la cosecha aumenta en comparación con los fertilizantes históricos. Por ejemplo, se obtienen mayores cantidades de azúcar en los cultivos de cítricos, mayores cantidades de proteínas en los productos forrajeros y mayores cantidades de almidón en el maíz cuando se usa el fertilizante obtenido mediante los procedimientos descritos en la presente memoria en lugar de otros fertilizantes. Además de una mayor calidad, los campos de cultivo a los que se aplican fertilizantes elaborados según uno de los procedimientos descritos anteriormente producen una mayor cantidad de cultivos por unidad de superficie. La mejora de la calidad y la cantidad de los cultivos puede atribuirse al menos a la naturaleza sustancialmente uniforme del fertilizante que permite una aplicación uniforme, una lixiviación limitada del nitrógeno y/o una volatilización limitada del nitrógeno, un mayor contenido orgánico.

Las figuras 6A y 6B muestran que el aumento del peso del grano y de la recuperación del grano de arroz trasplantado fue mayor usando el presente fertilizante granular que con urea y otros dos productos competidores.

Las figuras 7A, 7B y 7C muestran de forma similar aumentos en el rendimiento del grano de trigo con el presente fertilizante granular que igualan o superan los obtenidos con urea y otros productos de la competencia.

El fertilizante granular también se ha utilizado en cultivos de cítricos (naranjas) tanto en California como en Texas con resultados positivos. Usando múltiples repeticiones, se trataron naranjos en una granja del sur de California con el fertilizante granular o con urea a una tasa de aplicación de 1,5 libras (0,68 Kg) de fertilizante (tal cual) por árbol. Es decir, el presente fertilizante granular se aplicó a una tasa de 0,255 libras (0,12 Kg) de N por árbol, mientras que la urea se aplicó a una tasa de 0,69 libras (0,31 Kg) por árbol. El presente fertilizante granular se lixivió y volatilizó menos que la urea. Los resultados se registraron 126 días después del tratamiento fertilizante y, como se muestra en la tabla 4, el presente fertilizante granular dio lugar a una maduración más rápida de la fruta y a un aumento del 27 % del zumo, del 17 % de la pulpa y del 4,5 % del azúcar (BRIX).

Tabla 4

El fertilizante granular se ha probado en césped Bermuda (pradera de heno) frente a NPK Triple 17, y los resultados se muestran en la tabla 5. Los fertilizantes se aplicaron (tal cual) a una tasa de 200 libras/acre (224,17 Kg/ha). El presente fertilizante granular produjo un 6 % más de materia seca total que el control NPK, y el porcentaje de proteína bruta pasó de una media del 15,2 % para el control NPK a una media del 19,6 % para el presente fertilizante granular, lo que supone una mejora del 28,9 %. Los nutrientes digestibles totales (TDN) pasaron de 64,8 a 79,7, lo que supone un aumento del 23 % de TDN con el fertilizante granular actual.

Tabla 5

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para convertir un lodo homogéneo deshidratado que contiene materiales de desecho orgánicos en un fertilizante granular, comprendiendo el procedimiento:

bombear un lodo deshidratado heterogéneo que incluye entre un 13 % y un 45 % de sólidos; agregar ácido sulfúrico a los lodos en una cantidad suficiente para que el pH de la mezcla resultante sea inferior a 1;

bombear la mezcla a través de al menos un mezclador estático en línea para mezclar el lodo con el ácido sulfúrico y reducir la viscosidad de la mezcla a menos de 5 pascales-segundos; bombear la mezcla a través de al menos un mezclador de cizallamiento estático en línea mientras se agrega agua;

agitar mecánicamente la mezcla durante un tiempo de envejecimiento para crear un extracto homogéneo de carbono y aminoácidos;

bombear el extracto a un reactor de tubo transversal para que reaccione con un ácido y una base y forme una masa fundida;

desprender el agua del deshielo en forma de vapor;

hacer rodar la masa fundida sobre partículas finas recicladas para formar gránulos aglutinados; y secar los gránulos aglutinados para formar un fertilizante granular.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el ácido es ácido sulfúrico y la base es amoníaco anhidro.

3. El procedimiento de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, que comprende la adición de productos químicos acondicionadores a la mezcla, en el que los productos químicos acondicionadores se seleccionan del grupo que consiste en ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido acético, ácido peracético, peróxido de hidrógeno, sulfato férrico, sulfato ferroso, mineral de hierro, sulfato de aluminio, sulfato de zinc, roca fosfórica molida, boro, molibdeno y combinaciones de los mismos.

4. Un fertilizante granular de nitrógeno-fósforo-azufre potenciado orgánicamente siempre que se prepare mediante un procedimiento según la reivindicación 3, que comprende:

al menos un 0,5 % en peso de carbono total y aminoácidos; y

un tamaño de gránulo acumulado igual o superior a 1,7 mm;

en el que el fertilizante es incombustible en un ensayo de capacidad de combustión de nubes de polvo realizado de acuerdo con el método de ensayo estándar E1226 de la ASTM.

5. El fertilizante granular de la reivindicación 4, en el que el fertilizante está libre de patógenos, sustancialmente libre de compuestos productores de azufre que comprenden sulfuros, disulfuros y mercaptanos.

6. El fertilizante granular de la reivindicación 4 o de la reivindicación 5, en el que el fertilizante tiene una humedad relativa crítica de al menos 80 %.

7. El fertilizante granular de una cualquiera de las reivindicaciones 4-6, en el que el fertilizante tiene una penetración de humedad inferior a 1 cm y una absorción de humedad inferior a 150 mg/cm2.

8. El fertilizante granular de una cualquiera de las reivindicaciones 4-7, en el que el fertilizante tiene un ORP de al menos 250 mV.

9. Un sistema (100) para convertir un lodo homogéneo deshidratado que contiene materiales orgánicos residuales en un fertilizante granular, el sistema (100) que comprende:

una bomba (20) de desplazamiento positivo configurada para bombear un lodo deshidratado que incluye desde 13 % a 45 % de sólidos;

al menos un mezclador estático en línea configurado para recibir los lodos de la bomba (20) y mezclar los lodos con ácido sulfúrico para reducir el pH de la mezcla resultante a menos de 1 y la viscosidad de la mezcla resultante a menos de 5 pascales-segundos (5.000 centipoises);

al menos un mezclador de cizallamiento estático en línea configurado para recibir la mezcla del mezclador estático y mezclar la mezcla con agua y opcionalmente

productos químicos acondicionadores, para esterilizar sustancialmente la mezcla de patógenos y para eliminar sustancialmente los grumos de la mezcla;

un depósito (60) de envejecimiento configurado para recibir la mezcla del mezclador de cizallamiento estático en línea y agitar la mezcla para mantener la homogeneidad de la mezcla mientras que la mezcla se envejece para convertirse en el extracto;

una bomba (70) de transferencia configurada para bombear el extracto desde el depósito (60) de envejecimiento;

un reactor (210) de tubo configurado para recibir el extracto de la bomba (70) de transferencia y mezclar el extracto con un ácido y una base para formar una masa fundida;

un granulador (220) configurado para expulsar el agua de la masa fundida y hacer rodar la masa fundida sobre partículas finas para formar gránulos aglutinados; y

un secador (230) para secar los gránulos aglutinados y formar un fertilizante granular.

10. El sistema de la reivindicación 9, en el que el reactor (210) de tubo es un reactor de tubo transversal.

11. El sistema de la reivindicación 9 o de la reivindicación 10, en el que el ácido es ácido sulfúrico y la base es amoníaco anhidro.

12. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 9-11, en el que los productos químicos acondicionadores se seleccionan del grupo que consiste en ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido acético, ácido peracético, peróxido de hidrógeno, sulfato férrico, sulfato ferroso, mineral de hierro, sulfato de aluminio, sulfato de zinc, roca fosfórica molida, boro, molibdeno, cobre y combinaciones de los mismos.