CN1856455A

CN1856455A - 加入金属的有机物回收

Info

Publication number: CN1856455A
Application number: CNA2004800215987A
Authority: CN
Inventors: 杰弗里·C·伯纳姆; 加里·L·达姆斯
Original assignee: Unified Environmental Services Group LLC
Current assignee: Unified Environmental Services Group LLC
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2006-11-01

Abstract

本发明涉及由有机物质制造粒状氮肥的方法，该方法包括向所述的有机物质中加入金属盐以形成淤浆。优选地，有机物质包含脱水生物固体并且含有来自洗涤器的水。可以使用的金属盐包含铁盐、锌盐或其混合物。优选的铁盐包含硫酸铁或氧化铁，并且优选的锌盐包含硫酸锌或氧化锌。优选地，将金属盐与酸如硫酸混合以生成酸化金属盐。淤浆pH的范围为约2－2.5。将酸化金属盐，以足以降低淤浆的粘度使得得到的流体不妨碍操作过程中流体流动的量，加入至有机物质中。当金属盐包含酸化硫酸铁或硫酸亚铁时，可以存在足够的铁，以产生具有按干重量计0.1重量％至10重量％硫酸铁的肥料。本发明还涉及由本发明方法制造的肥料产品。优选的产品是颗粒，并且金属盐增加产品硬度。肥料颗粒优选含有金属，当用作肥料时，该金属对于植物是可生物利用的。提高了产品的金属在水中的溶解度，并且产品是低污染的。

Description

说明书加入金属的有机物回收

相关申请的引用

本申请要求名称为″Organic Recycling with Metal Addition″的美国临时申请60/473,197和名称为″Liquid Fertilizer Incorporating Biosolids andHigh Concentrations of Ammonia″的美国临时申请60/473,198的优先权，它们的全部内容都通过引用而结合在此。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及将有机物质转变成肥料的体系、装置和方法。更具体而言，本发明涉及在由有机物质制造肥料之前，向有机物质中加入硫酸铁或其它金属盐。

2.背景描述

污水污泥的处置是一个重大的世界范围内的问题。目前处置污水污泥的方法包括：焚烧、直接的土地或海洋利用、将污泥加热和干燥以灭菌然后将其施用至土地、将其沉积在填埋场中、或者用标准的旋转式造粒机将污泥粒化，其中由外部的热源(例如，通过燃烧购买的燃料)而提供加热和干燥。虽然这些方法中的一些得到了肥料，但是这种肥料对于它们的植物营养价值而言具有相对低的分解。

表示肥料的植物营养价值的方法包括：识别肥料的NPK值，其中N涉及氮的量，P涉及磷的量(表示为P₂O₅)和K涉及钾的量(表示为K₂O)。因此，如美国专利3,050,383所报道的，具有2.5/2.5/0值的污水污泥含有2.5％的氮、2.5％按P₂O₅计的磷和0％按K₂O计的钾。除非由使用进行不同的指示，这里的所有百分比值都是基于重量的百分比(即，w/w)。

幸而，存在提高相对低分解有机废料的营养价值的方法。例如，在上面所述的Wilson专利(其内容通过引用而完整地结合在此)中，公开了一种方法，该方法用于用受控量的酸如硫酸、磷酸(或等量的磷化合物，其强度表示为磷酸)或它们的混合物和含氨水溶液如氨水或含氨氮盐溶液处理干燥的动物粪肥和污水污泥，并且翻滚得到的反应物质以生成具有加浓的或提高的植物营养价值的肥料颗粒。

还描述了用酸、碱或它们的混合物提高相对低分解有机废料的其它方法(例如，美国专利4,743,287、美国防御公开T955,002，Norton等(1977年2月1日)、美国专利5,466,273、美国专利5,125,951、美国专利5,118,337、美国专利5,393,317和美国专利5,422,015。

在本领域中已知管式反应器用于制造铵盐(例如，美国专利6,117,406、美国专利2,902,342、美国专利2,755,176和美国专利2,568,901，这些专利的内容通过引用而结合在此)。通过碱与酸在反应器管中反应而在管式反应器中进行放热反应。欧洲专利公开770,586A1也公开了可以将管式反应器用于处理相对低分解有机废料。该欧洲专利公开一般性地描述了一种通过将所述的有机废料、氨和酸引入管式反应器、进行放热反应、从污泥中分开蒸汽、然后进一步处理污泥而处理这种有机废料的方法。

与管式反应器典型有关的组件是预中和器。典型地将预中和器与管式反应器联合使用，以在酸引入至反应器之前将其部分中和。但是，预中和器的使用具有各种缺点，包括难以得到流速的精确控制。此外，与使用预中和器相关的操作和设备费用通常表现为显著的费用。

类似于管式反应器的反应器是十字接头反应器。类似地，十字接头反应器允许放热反应发生，但典型地包括在方法中将用于与碱反应的一种或两种不同的酸溶液引入，以彻底混合试剂。这是十字接头反应器的一个重要特征，因为它消除了预中和器的需要。在十字接头反应器的第一级，将碱和/或洗涤器水和有机物质溶液预混合。在第二步骤，用最多两个酸进口形成十字接头反应器，所述的酸进口如此构置，使得将酸溶液垂直于十字接头反应器引入，作为基本上反向的流。垂直进入和反向流使酸在反应器中完全混合，从而消除了外部设备如预中和器的需要。

十字接头反应器是众所周知的，并且在过去已经被用于由液体化学品制造粒状NPKS肥料(例如，Energy Efficient Fertilizer Production with thePipe-Cross Reactor(U.S.Dept.of Energy，1982)(a pipe-cross reactor fit intothe granulator drum of a conventional ammoniation-granulation system)；Achom等，″Optimizing Use of Energy in the Production of GranularAmmonium Phosphate Fertilizer″(1982 Technical Conference of ISMA，Pallini Beach，Greece)；British Sulfur Corp.Ltd.，″TVA modifies its pipereactor for increased versatility″，Phosphorus & Potassium，No.90，第25-30页(1977)；Achorn等，″Efficient Use of Energy in Production of Granular andFluid Ammonium Phosphate Fertilizers″(1982 Fertilization Association ofIndia Seminar，New Dehli，India)；Salladay等，″Commercialization of the TVAPipe-Cross Reactor in Regional NPKS and DAP Granulation Plants in theUnited States″(1980 Fertilization Association of India Seminar，New Dehli，India)；美国专利4,619,684；美国专利4,377,406；美国专利4,134,750；Norton等的美国防御公开T969,002(1978年4月4日)；和Salladay等，″Status of NPKS Ammoniation-Granulation Plants and TVA Pipe-CrossReactor″(1980 Fertilizer Industry Round Table，Atlanta，GA，US))。新近，已经将十字接头反应器成功地用来提高相对低分解有机废料的植物营养价值(例如，美国专利5,984,992和6,159,263，这两篇专利的全部内容都通过引用而结合在此)。

用反应器如十字接头反应器或管式反应器放热处理相对低分解有机废料的一个潜在的缺点在于，在处理过程中排放有害气味的可能。使用用于处理这种废物的十字接头反应器有助于减少典型地与其处理相关的气味。但是，对于提供这种潜在气味被消除或至少减少超过目前排放水平的更大保证存在需要。

此外，对于改善污泥处理，在资本支出以及操作费用两个方面，都存在持续的期望。

在本领域中，需要在基本上没有有害气味排放的条件下，将相对低分解有机废料处理成为提高植物营养价值组合物的相对简单和有效的方法。优选地，这种方法可以制造分级和成型的产品，以由商业经销商经销。

发明概述

本发明克服了与目前策略和设计相关的问题和缺点，并且提供由有机物质制造肥料的新方法，所述的有机物质如生物固体但不限于生物固体。本发明还提供由本发明的方法制造的肥料。

本发明的一个实施方案涉及由有机物质制造粒状氮肥的方法，该方法包括向所述的有机物质中加入金属盐以形成淤浆。优选地，有机物质包含脱水生物固体并且含有来自洗涤器的水。可以使用的金属盐包含铁盐、锌盐或它们的混合物。优选的铁盐包含硫酸铁或氧化铁，并且优选的锌盐包含硫酸锌或氧化锌。优选地，将金属盐与酸如硫酸混合，以生成酸化金属盐。淤浆pH范围为约2-2.5。将所述的酸化金属盐以足以降低所述淤浆粘度的量加入至所述的有机物质中，使得得到的流体不妨碍在操作过程中流体流动。当所述的金属盐包含酸化的硫酸铁或硫酸亚铁时，可以存在足够的铁以制备具有按干重量计0.1重量％至10重量％硫酸铁的肥料产品。当将硫酸加入至有机物质中时，优选将其在到达混合槽之前并且以约1.75％总进料速率的速率加入，得到3.0至3.5的pH范围。

优选地，将淤浆泵入至含有高剪切旋转搅拌机的剪切混合槽中，所述的搅拌机以足以产生高剪切力的速度转动。使淤浆通过所述的剪切混合槽至含有搅拌机的保持或平衡槽。所述搅拌机能够为淤浆提供约2小时或以上的贮存。可以操作保持或平衡槽，以保持pH为3.0至4.0，其中固体含量为15％至28％固体。金属盐可以与淤浆的一种或多种元素化学结合。当使用铁盐时，铁可以与存在于所述淤浆中的硫酸铵或磷酸铵结合。这可以提高粒化形成，并且减少在所述淤浆中的硫化合物、以及在操作过程中的气味和粉尘形成。

优选地，金属盐引发了在所述淤浆中的有机分子的化学水解。这可以将硫化合物驱出有机物质，从而减少在得到的肥料产品中的臭气源。

优选地，将金属盐加入至在十字接头反应器或管式反应器中的有机物质中。金属盐提高了所述十字接头反应器的反应动力学并且降低了淤浆的粘度，使得十字接头反应器的操作比没有金属盐的情况更加可控。

本发明的另一个实施方案涉及由本发明的方法制造的肥料产品。优选的产品是颗粒，并且金属盐提高了产品的硬度。产品的粉碎重量可以大于6磅，或优选大于7磅。优选肥料颗粒含有金属，所述的金属在用作肥料时是对于植物是可生物利用的。所述产品的金属在水中的溶解度得到提高，并且该产品是低污染的。

本发明的其它实施方案和优点部分地列于下面的描述中，并且部分可以由此描述是明显的，或可以由本发明的实践所教导。

附图说明

图1本发明一个实施方案的工艺流程图。

图2十字接头反应器的仿效图。

图3在旋转氨化器-造粒机中的十字接头反应器的部分切去、透视图。

图4造粒机中的材料的旋转床的仿效端视图。

图5十字接头反应器利用的孔板的侧视图。

图6预处理淤浆的一个实施方案的工艺图。

发明描述

如此处所具体化和广泛描述的，本发明涉及处理有机物质的体系和方法。更具体而言，本发明涉及处理污泥并且将污泥转变成肥料的体系和方法。

如图1所示，一种用于提高有机废料的植物营养价值的方法通常包括：将有机废料与水10混合。用于将有机废料与水混合的一种优选方法描述于图6中。优选地，该方法包括将有机废物和流体(如水但不限于水)与金属盐(优选铁盐)混合。在制备淤浆中使用的水可以理想地包括来自以下描述的洗涤器38的洗涤器水，其可以包括废酸。该淤浆在足够的浓度和稠度下混合，使得将优选尽可能快地处理有机废料，但不会在操作过程中阻塞或堵塞反应器。一种优选的反应器是十字接头反应器12，但是可以备选地使用管式反应器，甚至在一个体系中与十字接头反应器联合使用。特定的淤浆浓度和稠度可以在某种程度上取决于在特定的有机废料中含有的不溶性微粒物质的大小和数量以及反应器部件的大小和长度。但是，在传送至十字接头反应器时，淤浆的固体含量通常至少为约5％，并且可以高达约35％。优选地，淤浆的固体含量为约10％至30％，更优选为约14％至28％，且再更优选为约15％至22％。

如图1所示，将淤浆从搅拌槽10泵送至用于放热反应的十字接头反应器12中，所述的十字接头反应器12含有碱如氨和一种或多种酸如硫酸、磷酸和它们的混合物，有或没有额外的水，以形成融体。

由本领域的技术人员确定在放热过程中使用的酸和碱的量。但是，作为中和氨的指导，对于每两摩尔的氨，使用约1摩尔的硫酸、或两摩尔按磷酸计的磷化合物。至于磷酸的浓度，在十字接头反应器中的N∶P的典型摩尔比为0.4∶1至0.7∶1，优选为0.55至0.65∶1，至于硫酸的浓度，在十字接头反应器中的N∶S的典型摩尔比为0.5∶1至0.8∶1，优选为0.65∶1至0.72∶1。氮的摩尔量不仅应当考虑加入的氨量，还应当考虑在特定的有机废料中含有的氨氮的典型量。

本发明可以使用的其它酸包含硝酸、乙酸、柠檬酸及它们的混合物，所有这些都是本领域技术人员所周知的(例如，硝酸和氨化合物，它们可以在有机物质的存在下生成***的硝酸铵)。选择任何一种酸或多种酸，在方法中使用的酸之一的强度将优选等价于90％的硫酸(例如，93至100％的硫酸)。

如图2所示，优选十字接头反应器12配备有两根十字管26、28，以接受硫酸(在约17.2至25.8gpm的速率下)和磷酸(在约5.2至7.8gpm的速率下)。第3根管30将氨结合入或靠近反应器的中心。管30的长度理想地为至少20至30英寸，以确保充分的混合。第3根十字管32将淤浆和额外的水结合入混合室中。位于第三根十字管32和第一、第二根十字管26和28之间的是孔板33，其被用来将湍流引入至淤浆流中，从而确保更大的混合。

用于本发明的典型十字接头反应器的直径为约3至10英寸，约7至约15英尺长，并且优选用锈钢垫或TEFLON^TM衬里端接于例如2至8英寸的排放管(或相等截面积的狭槽)。排放管优选排放入标准的转鼓造粒机14中，并且优选由钢管(例如，HASTELLOY C-276或316L不锈钢(其中HASTELLOY C或B用于反应管))制成。在十字接头反应器中还可以使用TEFLON^TM、陶瓷或其它耐腐蚀衬里。优选保持温度低于204℃(400)。

如图5所示，孔板33包括由类似于十字接头反应器12的材料形成的板，并且包括孔35或小孔，其直径比十字接头反应器12的直径小。因此，例如(6)英寸直径的十字接头反应器将采用具有孔35的孔板33，所述的孔33显示出的直径小于数英寸，例如数英寸。在确定孔35的大小时，可以考虑各种参数，包括淤浆、酸和碱的流速以及淤浆的固体含量。因此，对于给定的十字接头反应器12，如果改变任何工艺参数，则可以改变孔35的大小。

尽管图5所示为圆形孔板的使用，但令人惊奇地发现，通常为了提高两个十字接头反应器上游湍流而加入突出物提供更大的热量回收。在另外的实施方案中，通过使用相对于流动流串联或平行的突出物如***块、多个***块，一根或多根线材，输入加压气体如空气，使用声振动器或在此位置的振动壁，而产生湍流。例如，可以使用2、3、4、5、6、7、8或更多个等间距的***块来产生湍流，各个***块由例如0.02、0.05、0.1、0.2或0.3倍于在该点的直径而突出进入朝向管腔中间的空间。在一个实施方案中，***块是环形加厚部分，其在管内形成收敛管道。还可以使用声振动器，例如由Advanced Sonics提供的声振动器。如图2和5所示，收敛管道不是必须为圆形的，而可以是另一种截面形状，如卵形、方形或不规则形。卵形部分是所期望的，特别是具有指向十字管的狭小端部的卵形部分，使得较长的卵形轴跨过连接两个十字管开口的线而延伸。在另一个实施方案中，卵形的短轴跨过连接两个十字管开口的线而延伸。具有长匹配轴的卵形形状提供的湍流与来自垂直十字反应器的输入流更密实匹配，并且在使用如图2所示的垂直十字管反应器时是特别期望的。

在许多实施方案中一个或多个突出物的最佳布置是十字反应器出口平均位置(即，十字反应器出口的平均，其可以向下错开流动流长度)上游的0.1至3流动流直径。更优选地，突出物位于十字管反应器前面的0.3至1.5直径之间。最佳布置将根据流速而变化。对于非常高的流速而言，一个或多个突出物将被设置得更远，或突出物进入流道的程度应当受到限制。该实施方案可以通过可调节的环形圈或可调节的***块来进行，所述可调节的环形圈或可调节的***块提供控制在外的距离和突出物的流道进入程度的能力。例如，可以调节环形圈以适合开口大小，并且环形圈可以安置在交替的位置。如果使用，可以将多个声振动器安置在不同的位置，并且单独地切换，以适应减慢的(更靠近十字管的振动)或更快的(更远位置)流速和/或降低的粘度。

对于给定粘度和流速，可以将十字管反应器本身的调节最佳化。在许多实施方案中，有利的是，十字反应器管正好彼此相对，如图2所示。当在可比较的流速下加入可比较粘度的流体时，该布置是理想的。使用多个(3或4或更多个)十字管也是理想的。例如，如果粘度足够低，可以使用控制两种物质的四条路径(四条垂直管)，每种物质通过两个反向的侧。可以将多个十字反应器管切换，以适应粘度和/或流速的改变。例如，通过使用一个或多个十字反应器进口，所述的开口远离(更下游)一个或多个突出物，并且可以打开和关闭，可以有利更低粘性的物质或更高流速的体系。通过改变流动，和/或污泥物质的种类和/或试剂，然后由测量下游一个或多个点处的温度而监测热量回收，可以在日常校正时使其它组合最佳化。通过提供可调节的一个或多个突出物，和/或十字管布置和/或流速，可以得到最佳的热量回收。

再另一个实施方案提供一种自动***，其在十字管反应器下游的某点不断地监测混合物质的温度，并且为了最佳的效果而调节突出物的布置、污泥的流速、碱的流速、加入水的流速、一种或多种酸的流速和十字管反应器出口的切换。在一个理想的实施方案中，向上或向下调节碱的流速，和/或稀释水的流速，和/或酸的流速，和/或第二种酸的流速，和/或污泥的流速，以获得更高的温度。在另一个实施方案中，在两个或多个十字管之间选择切换器，以获得更理想的温度。在再另一个实施方案中，以可控制的方式将释放的一些热量传递回输入流中，以为充分的混合获得更理想的粘度。根据回收的热量，或根据另一种监测变量如一个或多个污泥泵的反压或在十字接头反应器规处测量的反压，控制***可以向上或向下调节热量传递。

不希望本发明的此实施方案受任何理论的束缚，通过在孔板33下游并且通常在第一和第二个十字管26和28的附近产生湍流区域，突出物如孔板或其它机构或装置可以更大地混合淤浆。在许多情况下产生的增加湍流提高了热量的产生，如由更高的融体温度所测量的。该温度还可以在加入试剂的最后一根十字管处或下游，如最后一根十字管下游更远的1或2个管直径处进行测量。已经观察到孔板的使用具有提高热量回收的效果，比类似的没有孔板的十字接头反应器提高多达约30％。如果需要，孔板33可以被改变为具有不同直径的孔35的另一种孔板。

参考图2，将氨以约4.3gpm的速率引入至此处描述的代表性***中。将有机废料(例如，污水污泥)和水以约30至约40gpm的淤浆速率合并。此处所示的十字接头反应器典型地在15至60psig的表压下操作。

热融体从十字接头反应器12排放入造粒机14中，同时水在它从流入至造粒机14中时从反应器产物中闪蒸出来。由在十字接头反应器12中进行的放热反应而产生蒸汽。

一种优选的造粒机(例如，氨化器-造粒机)，描绘于图3和4中，是一种2至4米直径转鼓的造粒机，其长度为约5至约9米。如图3所示，将十字接头反应器12垂直定位，并且在进入造粒机14之前包括数量为90的过渡或弯头。十字接头反应器12的所示位置是优选的，因为它提供更大的混合容量。但是，由没有任何过渡或弯头、水平定位的十字接头反应器12可以达到满意的结果(例如，美国专利5,984,992和6,159,263)。

在所描述的方法中，造粒机14包括可操作地位于造粒机14中的氨分布器20，用于将氨加入至融体中，以完成成品的酸碱反应。将融体向在造粒机14中循环的微粒上滚动，以形成粒状粒子，从而使粒状粒子生长至所需要的大小。然后，如图1所示，将这些粒状粒子通入旋转式干燥器16中足够长的时间，以降低它们的湿含量，从而形成具有提高植物营养价值的肥料。还将淤浆与酸和碱的反应期间形成的蒸汽(例如，闪蒸出的蒸汽)进行收集并且输送至旋转式干燥器16中，用于提高蒸汽的露点，以在工厂设备中不冷凝。

与美国专利5,984,992和6,159,263的方法相比，将这样的蒸汽直接通入干燥器16中是一种备选的方法。与十字接头反应器相关的在先方法典型地在干燥粒状粒子之前将粒状粒子与蒸汽分开，用于独立的处理。目前描述的方法消除了额外微粒分离设备和处理空气的需要，最后导致更简单和更有效的方法。

一种用于本发明的优选干燥器是2至4米直径转鼓干燥器，其长度为约17至约33米，并且加热容量为30至70百万BTU/小时，在出料端有团块粉碎机。

该方法还包括将使干燥的粒状粒子通过颗粒分离装置，如筛18，并且将干燥的粒状物分离成为细粉、产品和过大的物质。将过大的物质尺寸减小，作为细粉合并回工艺中。将细粉返回造粒机14(与所需成品分析要求的钾碱或任何微量养分一起)，用于合并入工艺中。

在进行的过程中，将可以含有氨、微粒和高于其露点的水蒸汽的烟气从干燥器16中进行收集，并且通过微粒分离设备如旋风除尘器34。旋风除尘器34从空气中除去部分微粒，并且将这些微粒(例如，粉尘)与细粉和磨碎物质回收。得到的烟气离开旋风除尘器34，并且通过额外的微粒分离设备如袋滤器36进行处理。袋滤器用来除去额外量的微粒，特别是具有比通过旋风除尘器34除去的微粒尺寸更小的微粒。类似地，将从袋滤器36中除去的微粒与细粉和磨碎物质回收，用于造粒机14中。

离开袋滤器36的烟气接着通过洗涤器38进行处理，所述的洗涤器38如文丘里洗涤器或填料床洗涤器，其包括用于收集氨烟气和小粉尘粒子的水分离室。本发明在洗涤器38中使用低pH水，以收集从造粒机14中脱逸的未反应的氨蒸汽。在一个实施方案中，向洗涤器38中加入少量的硫酸或磷酸，以保持适宜于氨蒸汽洗涤的低pH(例如，2至3)。

该方法还包括将从洗涤器中出来的空气进行氧化，例如在再生热氧化器(RTO)40中进行氧化。将RTO 40用来破坏挥发性有机化合物(VOC)和其它气态烃污染物，否则它们将释放至大气中。RTO 40通过高温热氧化方法破坏VOC和烃类烟气，将VOC和烟气转变成二氧化碳和水蒸汽。空气的氧化还用来基本上消除任何有害气味，否则它们将排入至大气中。从氧化过程中释放的能量可以循环，以减少操作费用。

将空气从RTO 40抽出，并且通过烟囱42排入大气中。该方法可以有利地包括：在将碱(例如，氨)引入至十字接头反应器12和/或通过分布器20引入至造粒机14中之前，使用来自烟囱42排放物的热量来预热碱。

对于所述的过程，通风的另一方面包括从筛18中收集空气。该过程关注两个点，这两个点包括微粒的去除和微粒与空气的循环。第一选项包括通过旋风除尘器34对空气进行处理，并且将微粒与空气循环回到造粒机14中。第二选项包括利用旋风除尘器34，但还包括通过袋滤器36对空气进行处理，再收集微粒用于在造粒机中循环。离开袋滤器36的空气被送进干燥器16而不是造粒机14。

用于本发明的通风***的其它方面优选包括风扇，用于将空气从以上所述的不同处理阶段移入和移出。移动的空气体积由将除去的湿气的量(高于露点)和肥料产品的熔点或离解温度所确定。

NPK肥料优选包括微量养分铁和锌。在一个优选的实施方案，将来自热浸镀锌或钢酸浸法的废酸用于保持洗涤器水的低pH。这些废酸通常是含有3至8％铁的5至10％强度的硫酸。镀锌废酸含有与铁在一起的3至8％的锌。将铁和锌与来自洗涤的载有氨的水进料至污泥淤浆槽，并且达到十字接头反应器，用于作为铁和锌微量养分而结合在最后的NPK肥料中。在废硫酸的情况下，硫还在得到的肥料中作为养分，因为它在十字接头反应器中反应生成硫酸铵。

可以将其它微量养分或另外的成分通过用称量给料器将它们作为干燥固体加入至细粉循环流中而结合在得到的肥料中。微量养分或另外的成分优选包括石灰、白云石、方解石、水黑云母、石膏、磷酸盐(例如，磷酸岩或磷酸铵)、钾碱、尿素、土壤粘土、过氧化钙、硝酸铵、蛭石、腐植酸和痕量矿物，如铁、锰、镁、硼、铜和锌，以及它们的组合。

尽管对于城市污水污泥的处理特别描述了本发明，但是，还可以将本发明方法用来提高其它相对低分解有机废料的植物营养价值，所述的其它相对低分解有机废料如家禽粪肥、食品加工废物、来自造纸的废物、猪粪肥污泥、环境或工业生物材料，它们的混合物，等。在这样的情况下，将特定的相对低分解有机废料替代方法中的污水污泥，并且相应地调节工艺参数。

提供下面的实施例用于举例说明本发明的实施方案，但不应当认为实施例是对本发明范围的限制。

实施例

实施例1

在搅拌槽中，将6700千克/小时(7.4吨/小时)的污水污泥与37升/分钟(10加仑/分钟(gpm))的洗涤器水混合，形成淤浆。该淤浆具有这样的稠度(固体含量在10％和27％之间变化)，使得它可以用正排量泵或其它适宜的泵泵送至配备来接收氨、硫酸、磷酸、污水污泥和水的十字接头反应器中。十字接头反应器的直径为约4英寸，并且为40英尺长。十字接头反应器端接于转鼓造粒机。转鼓造粒机的直径为6英尺且长度为20英尺。

将淤浆加入至十字接头反应器中，并且与8.6gpm 99.5％的氨、8.6gpm的硫酸(93％)和2.6gpm的磷酸(54％P₂O₅)反应。将十字接头反应器的温度(由于酸与碱之间的放热反应)用在污泥中的湿气保持在约149℃(300)。该温度(高于最低杀菌温度)具有杀灭沙门氏菌属、大肠杆菌和在淤浆中可以发现的其它病原体的作用。该温度还具有将该材料进行某种程度脱臭的作用。

将得到的来自将十字接头反应器的融体与2000磅加入的氯化钾(60％K₂O)一起喷淋在细粉的循环床上，同时在融体中含有的水作为蒸汽闪蒸出来。在造粒机中提供氨分布器，以将少量的氨加入至造粒混合物中，用于完成反应和颗粒的最终硬化。

以这样一种方法操作的十字接头反应器，以10吨/小时的生产速率合并约14.8吨/小时的20％固体污水污泥。

粒状物质在约93℃(200)下并且在约5至15％湿含量下从造粒机中出来进入旋转式干燥器中。旋转式干燥器的直径为约2米，且长度为约20米。它的加热容量为30百万BTU/小时，并且在排放端联合有团块粉碎机或团块破碎机。将在物质中的湿气通过在干燥器中的热强迫通风而降低至低于3％。

使从旋转式干燥器出来的物质穿过团块粉碎机以将过大的物质的大小降低至小于1英寸。

将筛用来将物质分离成为(a)细粉、(b)产品和(c)过大的物质。将细粉返回至造粒机中。产品通过2米直径、20米长的冷却器，然后至贮存，同时使过大的物质通过磨碎机并且减小成为细粉，用于造粒机回收。在循环流中要求约2吨(1800kg)的细料/吨产品。

将来自造粒机含有蒸汽、氨和微粒的烟气通过用风扇将造粒机内部保持负压而收集，从而将烟气牵引至旋转式干燥器中，以降低其湿含量。在92℃(198)的温度和100％相对湿度下，将空气从造粒机中以20,000立方英尺/分钟(cfm)的速率抽出。这约等于输送34,200磅/小时(lbs/hr)的水和296磅/分钟(lbs/min)的干燥空气。

将来自旋转式干燥器的空气引向旋风除尘器、袋滤器，然后是洗涤器。在70,000cfm的速率、45％相对湿度下，将空气从干燥器中抽出。离开干燥器的空气的干球温度为约93℃(200)且湿球温度为约74℃(165)。这约等于输送56,100lbs/hr的水和2,711lbs/min的干燥空气。将进入洗涤器的空气用低pH水(通过加入来自热浸镀锌工艺的废酸而降低pH的水)进行洗涤。如果不能获得镀锌酸，可以用磷酸或硫酸控制pH。低pH水收集在烟气中存在的氨蒸汽以及粉尘粒子。

以67,100cfm的速率、在165的温度下并且在100％的相对湿度下，将来自洗涤器的空气引向再生热氧化器。然后，在93℃(200)的温度下，将氧化空气从再生热氧化器中抽出并且通过约一百(100)英尺高的烟囱排放。

通过风扇保持设备负压，将载有粉尘的空气从磨碎机和筛中进行收集。将该空气牵引通过旋风分离器***，除去约97％的粉尘。从旋风分离器中，该空气返回旋转造粒机并且将粉尘加入至回收的细粉中。

得到的肥料的NPK值为12-3-6(12％的氮、3％的磷酸盐和6％的钾碱)。它还是均匀的，并且具有对于标准施用设备的适宜大小。

实施例2

在管状反应器而不是十字接头反应器中重复实施例1的方法。在搅拌槽中，将6700千克/小时(7.4吨/小时)的污水污泥与37升/分钟(10加仑/分钟(gpm))的洗涤器水混合，形成淤浆。该淤浆具有这样的稠度，使得它可以用正排量泵或其它适宜的泵泵送至配备来接收氨、硫酸、磷酸、污水污泥和水的管状反应器中。管状反应器的直径优选为约1.5至30cm，并且长度为2至10米，优选5至8米。管状反应器端接于转鼓造粒机。转鼓造粒机的直径为6英尺且长度为20英尺。

将淤浆加入至反应器中，并且与8.6gpm 99.5％的氨、含8.6gpm的硫酸(93％)和2.6gpm的磷酸(54％P₂O₅)的酸溶液反应。将反应器的温度(由于酸溶液与碱之间的放热反应)用在污泥中的湿气保持在约149℃(300)。

将得到的来自将反应器的融体与2000磅加入的氯化钾(60％K₂O)一起喷淋在细粉的循环床上，同时在融体中含有的水作为蒸汽闪蒸出来。在造粒机中提供氨分布器，以将少量的氨加入至造粒混合物中，用于完成反应和颗粒的最终硬化。

粒状物质在约的湿含量条件下从造粒机中出来进入旋转式干燥器中。旋转式干燥器的直径为约2米，且长度为约20米。它的加热容量为30百万BTU/小时，并且在排放端联合有团块粉碎机或团块破碎机。将在物质中的湿气通过在干燥器中的热强迫通风而降低至低于3％。

将来自旋转式干燥器的空气引向旋风除尘器、袋滤器，然后是洗涤器。以70,000cfm的速率、在45％相对湿度下，将空气从干燥器中抽出。离开干燥器的空气的干球温度为93℃(200)且湿球温度为74℃(165)。这约等于输送56,100lbs/hr的水和2,711lbs/min的干燥空气。将进入洗涤器的空气用低pH水进行洗涤。低pH水收集烟气中存在的氨以及粉尘粒子。

以67,100cfm的速率、在(165)的温度下并且在100％的相对湿度下，将来自洗涤器的空气引向再生热氧化器。然后，在93℃(200)的温度下，将氧化空气从再生热氧化器中抽出并且通过约100英尺高的烟囱排放。

通过风扇保持设备负压，将载有粉尘的空气从磨碎机和筛中进行收集。将该空气牵引通过旋风分离器***，除去约97％的粉尘。从旋风分离器中，该空气返回旋转造粒机并且将粉尘加入至回收的细粉中。确定得到的肥料具有NPK值。

实施例3

图6所示为在生物固体转变成为肥料之前制备和处理的一种优选方法。

在图6中，将城市生物固体620配制入625立方码的箱中。优选将这些箱子放置在适宜设计的卸料车上，并且运输至污泥处理区。打开箱子，并且卸料至受料斗622中。受料斗622的最小保存容积为约47立方码。料斗622的最大容积由工厂可用的空间及总体实物安排来规定。料斗622优选由不锈钢构成以免于由于在该区中的湿环境而腐蚀。在料斗中优选安装大的敞开炉篦，以捕获可能存在于污泥箱中的任何大的混入物。优选地，该格栅的开口为约1′x1′。

污泥620经过格栅进入到料斗622的底部。在料斗622的底部，使用水平双螺旋螺杆624。双螺旋螺杆开始将污泥620从料斗622输送至输送泵626。螺杆的数量、大小和安排由料斗622的几何形状规定。在一个实施方案中，以交替的方式使用4个螺杆，以控制污泥620的进料速率。可以使用各种螺杆。优选由在足以为工艺提供所要求量的污泥620的速度下操作的直接传动齿轮电动机来驱动螺杆。可以通过螺杆的操作进行排序并且控制每个螺杆的操作-与不操作的时间来进一步控制污泥20的传递速率。

在料斗620的底部中的螺杆排放至在料斗一端的水平、垂直收集螺杆624中。将收集螺杆24用来收集来自输送螺杆的污泥620，并且将其传递至两个污泥泵626之一。螺杆624可以具有类似于输送螺杆的构造和电动机安排。收集螺杆624优选具有提供最大需要的污泥传递速度的大小。优选设计收集螺杆624，以在任何方向操作，从而提供污泥向不同的泵吸入位置的移动。在螺杆外壳的底部安装排出孔，以将污泥引向目前操作的污泥泵626。

从收集螺杆24外壳至污泥泵626的抽吸口，优选安装垂直管线(24″)。优选地，在此管线中安装旋转团块破碎机628。团块破碎机628是在适宜于促进半固体污泥620向泵626的流动的速度下操作的旋转叶片和格栅***。团块破碎机具有两种主要功能：1)将在污泥620中任何大团块破碎成为更小、更加可管理的小块，和2)在任何小的混入物可以到达泵626之前将它们捕获。团块破碎机628具有附加的益处：赋予污泥620剪切力，以开始在污泥饼中的聚合物粘合剂的破裂。

优选在团块破碎机之前将水630注入至污泥流620中。水630帮助污泥620的液化，并且受到控制，以提供所需要的最终污泥浓度。优选水630包括工艺文丘里洗涤器的循环水，其pH为约2.5至4.0。优选将水630以等于至少10％所需要的反应器流量，更优选至少15％且最优选至少20％反应器流量的速率加入。在一个实施方案中，该流速为约22.9％所需要的反应器流量。

在另一个实施方案中，优选地，还将氧化亚铁632和硫酸634加入在工艺贮槽636中的水流630中。这种加入使需要加入至污泥中而使产生的淤浆不堵塞或阻塞十字接头或管状反应器的水量最小化。在一个实施方案中，工艺贮槽636是不锈钢衬里的混凝土槽，其尺寸为约11′x11′x11′。在工艺贮槽636中，硫酸634与氧化亚铁632反应生成硫酸亚铁，使得混合物在加入至生物固体中之前得到的pH为约2.0至2.5。备选地，使用氧化铁并且与硫酸反应，生成硫酸铁，使得混合物在加入至生物固体中之前得到的pH为约2.0至2.5。在贮槽中的混合物用垂直搅拌机638搅拌。

剪切的污泥从团块破碎机628排放至污泥传递泵42的抽吸口。污泥泵40排放入8″不锈钢集管，其流入高速混合槽42中。在到达混合槽644之前，将硫酸646注入至流动流中，以控制最终污泥混合物的pH在3.0至3.5的范围内。硫酸的加入速率为约1.75％总反应器进料速率。

污泥/酸混合物流入至剪切混合槽642的底部。在一个实施方案中，剪切混合槽642是890加仑的立式圆筒形槽，其具有高速、高剪切旋转搅拌机648，足以产生酸化生物固体混合物足够的剪切。

在一个实施方案中，淤浆保持槽是容积为14,800加仑的槽，并且具有不锈钢构造。它含有具有两套叶片的垂直搅拌机650。设计保持槽650，以在最大的进料速率下为淤浆进料提供约2小时的贮存。将其进行操作，以保持3.0至4.0的pH，其中固体含量为15％至28％固体，优选20％至23％。

将反应器进料连续地从保持槽50底部抽出进入淤浆进料泵652的抽吸口。通过调节淤浆进料泵652的电动机速度来控制向反应器的污泥进料速率。

图6所示为在如图1所述的污泥与酸和氨反应制造肥料之前向污泥中加入铁硫酸盐(硫酸铁)的一种方法。除了以铁氧化物(三氧化二铁)的形式向污泥中加入铁之外，还可以以其它形式向污泥中加入铁，包括例如，硫酸铁、金属铁、碳酸铁和磷酸铁。将所述的铁在与酸和氨反应制造肥料之前转变为硫酸铁。

在一个实施方案中，向含有水和硫酸的混合槽中加入粉末形式的铁氧化物(三氧化二铁)。水和硫酸可以包括来自含有水、硫酸和硫酸铵的排气洗涤***的废水。在此混合槽中加入硫酸将氧化铁转变成为铁硫酸盐(硫酸铁)。然后，将在水中的硫酸铁和硫酸铵的混合物加入至生物固体淤浆中，以促进改善产品硬度和气味。

除了铁之外，还可以将反应之前向淤浆加入其它金属盐，例如氧化锌，以达到此处所述的类似益处。

令人惊奇地发现，通过向污泥中加入金属盐如硫酸铁或硫酸锌或硫酸镁，可以产生对污泥至肥料过程的显著改善。优选地，向污泥中加入足够的金属盐，如亚铁盐或铁盐，以制造含有0.1重量％至10重量％的金属盐如硫酸铁的肥料。更优选地，最终的肥料产品含有0.5重量％至5重量％的金属盐如硫酸铁。铁的加入使得更容易地控制该方法并且对该方法提供各种其它的改善。这些改善包括：

a)在产品中化学结合金属如铁。金属如铁可以与混合物中的有机物成分以及混合物中存在的硫酸铵盐络合。

b)结合金属如铁或锌以还原硫化合物。该结合的结果在于，这些还原的硫化合物更不能挥发至大气或环境中，因此显著减少了产品感觉的气味。

c)增加产品颗粒的硬度。产品的粉碎重量从约4至5磅显著地增加至超过6磅，更优选超过7磅。还测量出本发明产生在8至9磅硬度范围的颗粒。

d)减少与产品相关的粉尘，使得改善了产品的贮存和输送。

e)降低产品的气味，这将提高产品在商品和特殊肥料商业中的产品销售性。

f)减小氮的挥发度，使得当将整体肥料产品用于硬土地上的田中时，显著地减少了损失到大气中的氮量，特别是与尿素在用于商业肥料实践中时高达40％挥发度相比。

g)在与生物固体淤浆混合之前，将氧化铁酸转化成硫酸铁。

h)金属的可利用性，如铁或锌，作为增加的微量养分。这是由于向混合物中加入金属盐，而且还由于金属与混合物的有机组分的结合，使得金属如铁在水中的溶解度得到提高。

i)与常规的产品相比，得到更低污染的产品。金属盐如氧化亚铁或氧化铁，或硫酸亚铁或硫酸铁在其加入至生物固体淤浆之前进行预处理。这种预处理将铁转变成为黑色化合物，并且避免了红色污染特性，所述的红色污染特性是与预先加入的氧化铁形式的铁相关的。

根据本发明制造的产品结合多种化学转化物，所述的化学转化物是最终肥料的重要组分。在使混合物通过十字接头反应器之前，在混合物的“预处理”中铁结合硫酸的加入导致在混合物中的多种条件，所述的条件对十字接头反应器的操作以及成品的化学组成影响如下：

a)它提高了十字接头反应器的反应动力学。

b)它引起增强的造粒。

c)开始污泥淤浆中的有机分子的化学水解，例如蛋白质向肽和氨基酸的转化，和/或脂类向组分分子如脂肪酸的转化。长链有机分子如蛋白质、碳水化合物、脂类和核酸的化学水解产生了更容易能与铁结合的分子；其可以更容易被围绕在目标农作物的根部区域的土壤微生物所吸收，并且可以更容易地被目标农作物的根和根须所直接吸收，使得农作物受益，具有增加的生命力、生长和生产率。此外，通过与十字接头反应器的操作相关的水解方法，有机分子的水解使得成品比在没有这种水解情况下合并生物固体有机物的成品更加安全。这方面的一个实例将是内分泌妨碍剂化合物的水解，所述的化合物在环境已经显示为模仿的内分泌激素类，并且影响动物如鳄鱼和青蛙的性别。这些化合物的破坏将增加公众和科学信心，即生物固体产品的使用对于公众健康是安全的。

d)将还原的硫化合物从生物固体淤浆中驱出出来，使得这些气味源不再是成品的组分，或者是减少的组分。

e)降低了生物固体淤浆的粘度，使得十字接头反应器的操作更可控。

f)改善在十字接头反应器中发生的混合。

对于本领域的技术人员而言，考虑到此处所公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施方案和用途将是清楚的。此处引用的所有参考文献，包括所有的美国和外国专利和专利申请，包括美国临时申请60/473,198及与此同时提交的相应非临时申请，美国专利申请08/852,663、09/735,768和09/416,370，通过引用而具体和全部地结合在此。意图是认为说明书和

实施例仅是示例性。

Claims

1.一种由有机物质制造粒状氮肥的方法，该方法包括向所述的有机物质中加入金属盐以形成淤浆。

2.权利要求1的方法，其中所述的有机物质包含生物固体。

3.权利要求1的方法，其中所述的淤浆包含脱水的生物固体。

4.权利要求3的方法，其中生物固体的脱水淤浆含有洗涤器水。

5.权利要求1的方法，其中所述的金属盐包含铁盐、锌盐或它们的混合物。

6.权利要求5的方法，其中所述的铁盐包含硫酸铁或氧化铁。

7.权利要求5的方法，其中所述的锌盐包含硫酸锌或氧化锌。

8.权利要求1的方法，其中将所述的金属盐与酸混合生成酸化金属盐。

9.权利要求8的方法，其中以足以降低所述淤浆粘度的量加入所述的酸化金属盐。

10.权利要求1的方法，其中在足够的浓度和稠度下混合所述的淤浆以形成流体，所述的流体不妨碍在操作过程中淤浆的流动。

11.权利要求1的方法，该方法还包括加入硫酸。

12.权利要求11的方法，其中在加入至所述有机物质中之前，将所述的硫酸与所述的金属盐混合。

13.权利要求11的方法，其中将所述的硫酸与氧化亚铁混合，以生成硫酸亚铁，使得所述的淤浆的最终pH为约2.0至2.5。

14.权利要求11的方法，其中将所述的硫酸与氧化铁混合，以生成硫酸铁，使得所述的淤浆的最终pH为约2.0至2.5。

15.权利要求11的方法，其中所述的金属盐包括酸化的硫酸铁或硫酸亚铁，其与所述的有机物质混合，使得存在足够的铁，以产生具有按干重量计0.1重量％至10重量％铁硫酸盐的肥料产品。

16.权利要求15的方法，其中所述的肥料产品具有按干重量计0.5重量％至5重量％的铁硫酸盐。

17.权利要求15的方法，其中所述的肥料产品具有按干重量计1重量％至3重量％的铁硫酸盐。

18.权利要求11的方法，其中将所述的硫酸在其到达混合槽之前并且以约1.75％总进料速率的速率加入至所述的有机物质中，以得到3.0至3.5的pH范围。

19.权利要求1的方法，其中将淤浆泵入至含有高剪切旋转搅拌机的剪切混合槽中，所述的搅拌机以足以产生高剪切力的速度转动。

20.权利要求19的方法，该方法还包括将所述的淤浆从所述的剪切混合槽传给含有搅拌机的保持或平衡槽。

21.权利要求20的方法，其中所述含有搅拌机的保持或平衡槽能够为淤浆提供约2小时的贮存。

22.权利要求20的方法，其中操作所述的保持或平衡槽，以在固体含量为15％至28％固体的情况下保持pH为3.0至4.0。

23.权利要求22的方法，其中所述固体含量为20％至23％。

24.权利要求1的方法，其中所述的金属盐与淤浆的一种或多种元素化学结合。

25.权利要求24的方法，其中所述的金属盐是铁盐，其与所述淤浆中存在的硫酸铵或磷酸铵结合。

26.权利要求1的方法，其中所述的金属盐包含酸化的亚铁盐或铁盐，以还原在所述淤浆中的硫化合物。

27.权利要求26的方法，其中所述酸化的亚铁盐或铁盐减少操作过程中粉尘的形成。

28.权利要求26的方法，其中所述酸化的亚铁盐或铁盐减少操作过程中的气味。

29.权利要求1的方法，其中加入所述金属盐提高了所述淤浆的粒化形成。

30.权利要求1的方法，其中所述的金属盐引发了所述淤浆中的有机分子的化学水解。

31.权利要求1的方法，其中所述的金属盐将还原的硫化合物驱出有机物质，从而减少在肥料产品中的恶臭物质源。

32.权利要求1的方法，其中将所述的金属盐加入至在十字接头反应器中的所述有机物质中。

33.权利要求32的方法，其中所述的金属盐提高了所述十字接头反应器的动力学。

34.权利要求32的方法，其中所述的金属盐降低了所述淤浆的粘度，使得所述十字接头反应器的操作比没有金属盐的情况更加可控。

35.权利要求1的方法，其中将所述的金属盐加入至管式反应器中。

36.一种由权利要求1的方法制造的肥料产品。

37.权利要求36的产品，其中所述的金属盐是酸化的亚铁盐或铁盐。

38.权利要求37的产品，其中所述酸化的亚铁盐或铁盐提高产品硬度。

39.权利要求36的产品，其粉碎重量大于6磅。

40.权利要求39的产品，其粉碎重量大于7磅。

41.权利要求36的产品，其中所述金属盐的金属对于植物是可以利用的。

42.权利要求41的产品，其中所述金属在水中的溶解度得到提高。

43.权利要求36的产品，其是低污染产品。