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

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。

说明书

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。

附图说明

为了清楚地阐述，用图示出本发明的优选实施例；应当理解，本发明并不限于图中所 示的具体设置和结构。

图1是转化污泥以供应给颗粒肥料的生产系统和过程的一优选实施例的流程图。

图2是生产颗粒肥料的系统和工艺流程的一优选实施例的流程图，其使用图1中所示 的系统转化得到的污泥来生产有机增强的碳磷硫颗粒肥料。

图3A和图3B是本发明所述有机增强氮-磷-硫肥料与替代肥料相比的培育数据曲线图。

图4A，4B，4C和4D是本发明所述一种有机增强氮-磷-硫肥料在不同类型的土壤下与 替代肥料相比，挥发损失数据的曲线图。

图5A和5B是本发明所述一种有机增强氮-磷-硫肥料在不同类型的土壤下与替代肥料 相比，析出损失数据曲线图。

图6A和6B是曲线图，示出了使用如本发明所述的有机增强的氮-磷-硫肥料与另一种 肥料相比，移植稻生长速率的数据。

图7A，7B和7C是示出了使用如本发明所述的有机增强的氮-磷-硫肥料，与替代肥料 相比，小麦生长速度的数据曲线图。

具体实施方式

图1展示了一种污泥转化系统及其转化工艺流程的一个实施例，图2展示了一种肥料 粒化系统及其工艺流程的一个实施例，该系统采用由所述污泥转化系统转化后的污泥生产。 这两个过程是连续的过程，虽然所述污泥转化系统的下游末端包括一个老化箱，但是转化后 的污泥在被送入肥料粒化系统前仍然可以储存一段时间。

本发明所述转化过程和现在的方法相反，现在的方法仅通过干燥和减小体积来处理有 机废弃物材料。这种处理方式不能消除病原体或阻止干燥后的污泥燃烧。相反的是，在本发 明的所述转化过程中，有机废弃物被转化成碳和氨基酸的提取物。所述碳和氨基酸的提取物 可以被用作生产无臭、没有可检测到的病菌和不可燃烧的肥料过程中的添加剂。

所述污泥转化系统接收脱水的污泥，例如，多个市政污水处理厂将污泥转化成碳和氨 基酸的均质提取物。然后，所述均质提取物用作原料成分和有机增强的无机商业肥料生产过 程中的冷却/造粒的助剂。该均质提取物还能用作生产硫酸铵、磷酸二铵、磷酸二氢铵、氮磷 钾等生产设施所用的原料，从而生产一系列的肥料产品。优选的是，将该均质提取物供应给 肥料粒化系统的标准肥料专用管交叉反应器(pipe-cross reactor简称PCR)，从而生产肥 料颗粒。

所述污泥转化系统的生产成果是一种提取物，该提取物与没经过处理的脱水污泥相比 粘度降低，并且无气味、基本不含有可燃组份，并且不含美国全国卫生基金会(National  Sanitation Foundation，NSF)国际认证的病原体。众所周知，污泥含有60％-80％的可燃物、 30％-45％的碳、10％-40％的蛋白质以及5％-20％的纤维素。现有的工艺流程仅限于通过去除污泥 中的水分干燥污泥。但是，干燥后的污泥仍然保留有可燃物，因此干燥后的污泥并不适合通 过已建立的全球标准化肥料分销基础设施进行分销。相反，当通过本发明的上述过程获得的 提取物用作造粒系统标准肥料专用管式交叉反应器(pipe-cross reactor简称PCR)的原料 时，生产的肥料是不可燃的，所以，可全世界范围内通过已建立的肥料分销基础设施进行分 销。

在一个实施例中，所述污泥转化系统能接收含有大约13％-45％的固体的脱水污泥。优 选的是，所述污泥转化系统是内嵌密封连续流动处理系统。所述污泥的转化通过利用串联的 混合内嵌搅拌机和剪切内嵌混合器确保了块状物的消除。所述混合器包括能够产生剧烈搅拌 和剪切运动的内部元件，从而使与污泥颗粒的化学接触最大化，这使得氧化剂，如硫酸，与 污泥能完全反应，因此，达到病原体完全灭菌。

所述污泥转化系统的控制原则是使所述提取物的监测参数符合特定的标准。首先，所 述提取物在造粒过程进行之前具有小于2的pH值。该pH值能够通过例如内置探头测量并通 过实验室取样进行验证。第二，所述提取物的氧化还原电位(oxidation reduction potential， 简称ORP)大于300mV。该氧化还原电位(ORP)能通过内嵌探头测量并通过实验室取样进行 验证。第三，所述提取物的粘度小于5000厘泊(centipoise简称cP)。该粘度可通过内嵌 检测设备测量并通过实验室取样验证。第四，在反应过程中硫酸放热反应的温度必须达到至 少54℃。该温度通过内置探头测量并通过实验室取样验证。

所述污泥转化系统的上述步骤和设备将在下文中进一步详细描述。简言之，该系统包 括依次以下步骤。第一，从运输系统得到脱水污泥，例如自动倾卸卡车、翻斗挂车或集装箱 联运车。将该污泥干燥成固体浓度范围为13％-45％(平均水平大约15％-17％)的固体。下一步， 将所述污泥转移进入一个活底料斗并由螺旋输送机输送进入容积式活塞泵的入口。该污泥与 第一化学氧化剂(硫酸)泵入至少一个内嵌(混合)静态混合器，通过至少一个内嵌(剪切) 静态混合器，如果必要的话，加入水及其他可能的调节化学剂(通常是额外的硫酸、磷酸、 醋酸、过氧乙酸、过氧化氢、液态硫酸铁、液态硫酸锌)，然后通过一个管道进入一个机械混 合储罐。所述污泥通过连续混合罐进行老化以便完成转换过程并产生碳和氨基酸提取物。当 需要用于肥料粒化系统，可以将储存的均质提取物泵入一个日常供应罐。

在图1所示的污泥转化系统100的实施例中，设备按下列顺序布置：一个用于接收脱 水污泥的活底料仓或料斗10，一个或多个将所述脱水污泥移动到料斗10的螺旋输送机14， 一个用于泵送所述脱水污泥的容积式泵20，一个将污泥和酸(通过阀22注入)混合的第一 静态混合器30，一个将调节化学剂和水(通过阀34注入)混入污泥的第二静态混合器40， 至少一个提取物老化箱60，一个将所述老化箱60中的提取物输送至一个日常供应罐80的输 送泵70，及一个将提取物从日常供应罐80泵送至肥料粒化系统的进料泵90。一个循环泵62， 该泵62将所述提取物在罐与罐之间转移，并在各个罐之间循环。

通过下面的说明，描述一系列典型的设备的范例，不难理解，所述污泥转化系统100 和转化过程可能被缩小或扩展至实际要求的更小或更大的系统。所述污泥转化系统100的尺 寸是基于一个肥料颗粒系统200(如下结合图2所述)所需输出的颗粒肥料设计，因此，所 述污泥转化系统100输出的提取物是输入肥料粒化系统200的主要成分(如图2所示)。例如， 如果一个肥料粒化系统200每天的产量是1100短吨/天(short tons per day，简称“stpd”) (1000公吨每天)颗粒肥料，每天要消耗大约1210短吨/天的提取物，该系统基于一个1:1 流程投料比(即一个肥料粒化系统200将每1.1湿吨的提取物生产出1干吨的颗粒肥料)。这 换算为大约1030短吨/天15％的固体(或620短吨/天25％的固体)的脱水污泥，这使得在调 节过程中允许加入化学添加剂。当然，如果设计比例发生变化(即如果肥料粒化过程对所述 提取物的利用变得更多或更少)，所述污泥转化系统100的尺寸必须相应地调节。

当脱水污泥通过自动倾卸卡车或翻斗容器送到时，脱水污泥被倒入一个活底料斗10。 可以通过选择所述料斗10的尺寸和数量来达到每天想要的运转工时和所述工艺流程的生产 能力。例如，处理两个同时到达的20-25吨的自动倾卸卡车并使其在十五分钟内恢复空载， 则需要使用四对料斗10，每个料斗10有50吨的容量且能在25分钟之内卸空20吨的载荷。 因此，多达四对料斗的系统每天能处理大约1030吨15％的脱水污泥。

此处，料斗10中的脱水污泥包含约13％-45％的固体，因此，所述脱水污泥是有气味的。 该污泥还包含大量的块状和纤维状材料，因此粘度非常高，典型的是500000厘泊或更高的量 级，也可能达到2000000厘泊。

在料斗10中，所述污泥通过料斗10底部内侧的多旋螺丝或螺丝钻12混合并移动至一 系列卸载无轴螺旋输送机14处。优选的是，所述料斗和螺旋输送机马达变化速度，以便其流 速与下游过程设备的速度匹配。例如，螺旋输送机可以在每对料斗10处配置两个输送机14， 并在25分钟内输送多达20吨的荷载。

所述螺旋输送机14将脱水污泥转移至泵20中，泵20将监控系统的剩余物供给下游的 老化箱60。为了处理粘性的脱水污泥，优选的是，泵20是具有开口型的容积式泵。在25分 钟内转移20吨的荷载的基础上，泵20应该设计成泵送至少200加仑/分钟的规格。如果必要， 可以并列设置多个泵。优选的是，泵20由液压变速驱动以便调节并变化成需要的进给速度。 优选的是，泵20是活塞泵。

优选的是，泵出的污泥通过管道搬运，该管道能承受与泵20同等的压力条件，即，酸 性较高的环境(例如pH值低于1)和较高的温度(例如超过50℃)。例如，管道由316不锈 钢制造。污泥的流速决定了管道的尺寸，例如，200加仑/分钟的污泥供给要求大约直径为14 英寸的管子。

接下来，将一种化学氧化剂注入脱水污泥流以便增加氧化还原电位(ORP)至大于300mV 来中和产生气味的组分，并降低粘度，消除可燃物，并使材料均匀化。所述化学氧化剂在进 入第一静态混合器30前加入污泥中。

优选的是，所述化学氧化剂是一种酸，该酸的投料率是大约1％-50％重量百分比的废料， 优选的是10％的重量百分比。例如，一种投料率为20加仑/分钟(gpm)的酸对应泵送污泥的 速率为200加仑/分钟(gpm)。优选的是，所述酸为93％或更高浓度的硫酸。更优选的是，所 述酸是浓度为98％的硫酸。最优选的是，硫酸和磷酸的混合物，其中硫酸和磷酸重量百分比 分别为10％和2％。所述酸用泵加入污泥中。优选的是，所述酸通过化学计量泵添加，该化学 计量泵适用于高达200磅/平方英寸(Pounds per square inch，简称psi)。所述污泥的初 始pH值，通常在大约5-6之间，加入酸后，pH值变为大约1-2。加入的酸辅助污泥废弃材 料中的有机物被氧化、水解、流体化，并达到杀菌效果。除了所述酸之外，还能将重量百分 比约为1％-50％的水加入到污泥中，优选的是将重量百分比约为7.5％的水加入，以便使污泥流 体化。

所述污泥的温度由温度传感器32监测，该温度传感器32位于所述第一静态混合器30 的下游末端或其附近。优选的是，所述污泥离开所述第一静态混合器30时的温度达到至少 54℃，以确保所述污泥中的多数生物活性成分被中和。任意市售静态混合器均可使用。

被泵送的污泥与所述化学氧化剂混合，并继续向下游移动进入所述第一静态混合器30。 所述第一静态混合器30设计成静态混合搅拌机从而分散污泥中的所述化学氧化剂。所述机械 混合和所述化学氧化剂与污泥中的有机废料的化学反应的联合作用使所述污泥中的粘度由高 达2,000000厘泊降低至低于5000厘泊。在一个实施例中，所述第一静态混合器30的配置成 能够以两种方式混合的模式，即，分散与重组混合和径向混合。

当混合后且粘度较低的污泥离开所述第一静态混合器后，所述污泥流入所述第二静态 混合器40。任何商业应用的静态混合器均可使用。如果需要，在所述第二静态混合器40的 上游可以注入水和调节化学剂。该加入的调节化学剂可以包括，但不限于硫酸、磷酸、醋酸、 过氧乙酸、过氧化氢、硫酸铁、硫酸亚铁、铁矿石、硫酸铝、硫酸锌、磷矿粉、硼、钼及其 组合。硫酸铁为肥料提供微量营养素铁，并增加了肥料产生的颗粒的硬度。如果加入磷酸， 则优选的是在浓度约为30％-70％的范围内少量加入(即，约重量百分比的0.1％-20％)，更优选 的是浓度约40％-60％，更加优选的是54％。磷酸增加酸化废料的硬度，提高了所得到的造粒熔 体提取物的造粒能力。

加水时，加入的总量优选为重量百分比约1％至约25％。在所加水的量依赖于所使用 的初始脱水污泥材料中的固体浓度。提取物中水的总量，包括初始脱水污泥中的水分、硫酸 铁/水混合物中的水分、硫酸和磷酸中的水分，以及任何其他来源的水分。

所述第二静态混合器40将所述调节化学剂混入所述污泥中，并进一步搅拌均匀。第 二静态混合器40是一个内嵌剪切静态混合器，其能极好地混合并粉碎污泥中存在的块状材 料。所述第二静态混合器可以有稍微凹的剪切带，所述剪切带嵌套在一起形成一个部件。在 第二静态混合器40的出口处，所述污泥本质上是一种经过调节的碳和氨基酸的均质提取物， 所述提取物可用于下游粒化过程的原料。在第二静态混合器40的下游末端，设置各个传感器 以测量提取物的工艺条件。特别地，温度传感器42、pH传感器44、氧化还原电位(ORP)传 感器46和粘度计48设置在第二静态混合器40的管道下游。还设置一个流量计50用于测量 污泥的流动速率。此过程中，这里优选的温度范围是约20℃-约70℃。在该系统中优选的压 力范围是从大约30磅/平方英尺至约300磅/平方英尺(Pound per square inch，gauge， 简称psig)，更优选为约90磅/平方英尺到约110磅/平方英尺。必要的话，在上游工艺步骤 中加入的酸和其它调节化学剂的浓度和量可作调整，以达到所需的温度、压力、pH值、氧化 还原电位、病原体数量、粘度等等。

第二静态混合器40之后，将污泥(现在是碳和氨基酸的提取物)流入一个或多个存 储和混合罐60中。该混合罐60的数量和尺寸由调节系统100的生产能力和期望在混合罐60 中的停留时间来确定。在所述存储或混合罐60中的停留时间约12小时至96小时。优选地， 停留时间约为2天至4天。例如，对于1100短吨/天(short tons per day，简称“stpd”) 的调节系统100，采用三个混合罐60，每个混合罐罐60提供440000加仑的存储容量。

优选的是，每个罐60涂覆有允许该罐能够承受高酸性条件(例如，pH值0.5-2.0) 和较高的温度(如50℃以上)的材料。每个罐60配备有机械立式搅拌器64，其搅动提取物 以维持均一性，并使提取物完成化学反应过程并“老化”。例如，可以在每个罐60中都配备 市售的低速搅拌器，以便维持提取物的一致性。优选的是，每个搅拌器64装有两个叶轮，两 个叶轮的尺寸大小相同，在每一个轴的底部配备一挠性叶轮。在滞留时间结束后，该提取物 通常处在胶体状态。

也可以设置再循环泵62，以进一步搅拌一个或多个混合罐60中的物质以使其均匀。

将提取物从储存罐60转移出来，通常先进入一个日常供应罐80，然后进入肥料粒化 系统200。优选地，所述提取物是使用输送泵70转移。所述泵70的尺寸根据来自于罐60的 流体确定。优选的是每个储存罐60包括自己的专用泵。例如，为了在约8小时内清空440000 加仑的罐体，可使用200加仑的泵。合适的泵包括容积式转子泵70。

一般地，该提取物被泵送至日常供应箱80存放在有限的体积中，以便下游肥料造粒 系统200立即使用。优选的是，所述日常供应箱80提供额外的混合，优选的是，其混合速率 比所述储存罐60更高。日常供应箱80使得所述提取物在化为肥料之前有一个最终的规范化。 一个或多个日常供应箱80可并联或串联使用。优选的是，日常供应箱80的尺寸大小最小为 每日所需提取物的25％。例如，日常供应箱80的容量是从80000至150000加仑。

日常供应箱80中的所述提取物通过进料泵90泵送到肥料粒化系统200中。优选地， 进料泵90是容积式转子泵。进料泵的速度的大小与肥料粒化系统20的容量和期望流速匹配， 并且具体地，与在肥料粒化系统中的专用管交叉反应器中提取物的消耗速率相适应。例如， 对于1100短吨/天(STPD)的肥料系统中，可使用的容量为150到200加仑的泵。

除了上面所讨论的内嵌测量，若干参数可以在一个或多个存储罐60和/或在一天罐 80的一个或多个其他位置联机测定。测量结果可以包括粘度、温度、氧化还原电位和pH值。 其它参数的测量，如粒度分析，也可以考虑。所述测量可以手动进行测量，或者自动测量。

这样的测量可以用于调整处理过程以便优化提取物。该优化可以手动完成，也可以自 动进行。优化可以包括添加或移除系统中的热量、调节一种或更多化学添加剂的量、改变所 述放热反应、调节一个或多个搅拌器的混合速度和调节流量以绕过或穿过一个或多个内嵌设 备。

总的来说，图1所示的过程可接收含有各种形式污泥的有机废弃物，包括脱水污泥， 并将该污泥转化成提取物，该提取物不含病原体和异味，该提取物具有足够低的粘度以便能 够稳定泵送，且所述提取物适合用作肥料粒化系统的管道的反应器的原料。优选的是，所述 提取物优选具有大于300毫伏的氧化还原电位(ORP)、约1.0-2.0的pH值、小于5000厘泊 的粘度(优选小于3000厘泊，更优选小于1000厘泊)，并且基本上不含病原体和硫化物。

上述由图1所示的过程生产的所述提取物具有多种有益特性。

首先，所述提取物基本上是均匀的，并且通过流体粘度测定是可流动的。现有技术的 处理过程，特别是那些利用化学脱水的聚合物，生产出的材料的粘度超过1000000厘泊，即 使可能，在大容量的储存罐中混合或储存这些材料也是十分困难的(如储存罐的容量超过 200000加仑)。与此相反，在本发明所述的工序中产生的提取物的粘度明显低于约5000厘泊， 通常低于3000厘泊，甚至通常低至1000厘泊。该提取物还具有约0.5至2.0的pH值，并且 更通常为约1.5至约2.0，所以，在肥料粒化过程中仅需要加入的酸更少。

另外，该提取物具有约大于250氧化还原电位(ORP)，并且通常约大于300，并且更 通常大于约350。氧化还原电位(ORP)的测量结果可为判断测试材料的潜在消毒能力提供依 据。低氧化还原电位值表明材料对微生物杀灭能力或消毒能力低，如那些在现有技术的处理 过程中产生的材料具有低氧化还原电位值，例如，小于1的氧化还原电位值。相反，更高的 氧化还原电位表明该材料具有高的消毒能力，例如在本发明所述的提取物。增大氧化还原电 位能减弱最终产品中可燃材料产生的气味、降低在最终产品中由可燃材料引起火灾的可能性。

所述提取物基本上是无味的，因为产生气体的诸如碳硫化物、羰基硫化物、二甲基硫 醚、二甲基硫醚、乙硫醇、硫化氢、异丙基硫醇、甲硫醇、二氧化硫的气味和其他产生硫化 物被消除。无臭或基本无臭的工艺和产品为寻找污泥处理设施的厂址提供显著优势。

进一步地，该提取物基本上不含病原体。病原体包括致病细菌、寄生虫、寄生虫卵和 病毒。通常，上述的处理过程中低pH值和高温产生的压力基本消除了病原体，从而使污泥被 消毒。其结果是，不仅是在提取物中，而且在由其产生的任何产品(例如肥料)中，病原体 的再生长被抑制。

通过本发明所述系统和方法制备的所述提取物可以在下游通过使用任何已知的肥料 处理方法加工成肥料。例如，该材料可以根据美国专利号为7128880、7169204、6159263、 5984992、6758879、6841515和8057569的美国专利所公开的方法处理。

如图2示出肥料粒化系统200和所述提取物作为原料的生产工艺概况。用于将所述均 质提取物加工成颗粒肥料的系统200包括至少一个管式反应器210、一个造粒机220和一个 干燥器230。所述系统200还包括旋流器和文丘里湿式除尘器232以捕捉尘埃以便改善肥料 生长颗粒的尺寸，该尘埃是从干燥器230和筛240排出来的。细小的吸附颗粒可以返回到造 粒机220，过大的吸附颗粒在破碎机242中粉碎，之后同样返回到造粒机220。在干燥器230 下游设置冷却器250以便冷却肥料吸附颗粒，为了控制污染，洗涤器260是必要的。反应器 210可以是一个管式反应器。优选地，采用管道交叉反应器。造粒机220可以是转鼓造粒机。 所述干燥器230可以是任意工业上使用的干燥器。

简言之，在图2所示的肥料粒化系统的实施例中，所述提取物被泵送到一个管道交叉 反应器(PCR)210中，该管道交叉反应器吸收由注入所述管道交叉反应器(PCR)210的浓硫 酸和无水氨反应产生的热量。所述管道交叉反应器(PCR)210内的温度高达100℃，pH值为 2或更低。在这样的条件下，将酸和无水氨混合，反应生成无机盐，从而阻断微生物的繁衍， 残留在废水中的有机大分子(蛋白质)发生水解，蛋白质被转化成氨基酸并与无机盐结合， 所述无机盐是用来形成配合物，该配合物阻止肥料产品的挥发和析出。

所述提取物会产生反应熔体，该熔体被输送至造粒机220中，这个过程通过酸碱反应 放热反应释放的能量去除50％-65％水分。具体地，超过50％的水以蒸汽形式从熔体中闪蒸去 除，然后所述熔体在造粒机220中滚压到循环的细颗粒上，从而形成吸附颗粒。因此，干燥 机230中需要的额外燃烧能量只有约50％，就能完成干燥过程。这个过程导致产生水分含量 小于2％的硬质肥料吸附颗粒。

当使用传统的肥料制造工艺或任何其他类似的工艺将所述提取物加工成肥料时，例如 图2所示的方法，得到的肥料通常有符合或超过行业标准的物理特性。所得的肥料是高氮、 高硫、高微量营养素和含有必需的植物生长的氨基酸的缓释颗粒肥料。该肥料也包括磷，其 中磷通常以磷酸盐的形式存在。优选的是，氮-磷-硫的配方为17-1-0-19。也可以考虑使用 更多或更少的氮，更多的磷，更多的钾，和/或更多或更少的硫的其它配方。

由本发明所描述的方法生产的肥料吸附颗粒的典型组分如表1所示。

表1

组分 重量百分比 有机物(包括碳化合物和氨基酸) 0.5-4.0 氮(所有形式) 13-20 磷(P₂O₅) 1-13 钾(K₂O) 0 硫 14-24 铁 0.5-3 锌 0.5-2

由本发明所述的方法生产的肥料吸附颗粒的物理性质与其他肥料相比得到显著改善， 如表2所示。特别地，本发明所生产的肥料吸附颗粒具有显著高于其他肥料的临界相对湿度、 吸湿性以及渗透性，渗透性通常都是较低的，且没有沉积物。因此，本发明所述的肥料吸附 颗粒即使在相对潮湿的环境中也可以存储一段时间，且不会降解或结块。此外，本发明所述 的肥料吸附颗粒具有较高的氧化还原电位(ORP)，这意味着该吸附颗粒是基本上无味的、且 不存在潜在燃烧风险，即，他们不会自加热，当所述吸附颗粒肥料像灰尘一样飞扬或在管道 中储存时，所述吸附肥料颗粒也不会燃烧，这使得本发明所述的肥料吸附颗粒的储存和运输 十分安全。

表2

本发明所述的系统和方法生产的肥料吸附颗粒在组分上通常是基本均匀的，也就是 说，肥料的每个吸附颗粒基本上具有相同数量和质量的氮、磷及与作为吸附颗粒的其它材料。 此外，由特定来源生产的颗粒和与其来源和处理过程相同的其他吸附颗粒具有同样的组成， 如果组成不相同，也具有相近的组成。

基本均匀的组分允许肥料的标准化施用量。目前，商业肥料是氮、磷、钾和大量微量 营养素各种成分的混合物。这些混合物的营养成分存在偏析，通常组分不均匀。因此，为了 获得整体中各种成分的需要量，必须增加额外的肥料，或必须以非常规的方式施用肥料。有 所述提取物制备的肥料的组分基本均匀，从而克服了上述问题。

所得的颗粒肥料不含病原体，且已经证明所述颗粒肥料未使用关注的新兴化合物，如 内分泌干扰物、医药品和抗微生物剂。所得的颗粒肥料基本上不含会产生硫化合物、二硫化 物和硫醇的硫。

用于测试的肥料产品样品。

为了测试肥料的性能，制备了肥料样品。脱水污水污泥取自国内(美国)活性污泥污 水处理厂的。污水处理厂的污水处理过程包括用一个带式压滤机脱水。污泥含有重量百分比 为15-16％的固体，且其粘度大于1000000厘泊，氧化还原电位小于1，pH值为5。

脱水后的污泥放入容器中，然后使用螺杆泵以每分钟5加仑的速率抽出。所述污泥被 泵送并通过一个直径为4英寸的内嵌静态混合器。加入重量百分比为10％的93％的硫酸和重 量百分比为7.5％的水，以形成酸化的污泥。然后酸化的污泥通过内嵌静态混合器。从第二 混合器出来，酸化的污泥进入第一储罐中。所述酸化的污泥在第一混合罐中用垂直搅拌器混 合，以产生基本均匀的均质流体状污泥混合物。所述均质污泥随后被送入第二储存罐。所述 污泥在所述第二储存罐中由第二垂直搅拌器搅拌。两个罐中的搅拌产生了氧化还原电位大于 300、pH值为1.5、粘度小于2000厘泊的提取物。

所述提取物以280千克/小时的速率泵入一个管道交叉反应器。在管道交叉反应器中， 93％的硫酸以140千克/小时的速率、无水氨以49千克/小时的速率添加到所述提取物中，形 成一个肥料熔体。该肥料熔体在3.8秒内以98℃的温度通过管道交叉反应器的第一部分。该 肥料熔体在4.2秒内以128℃的温度通过管道交叉反应器的第二部分。通过管道交叉反应器 后，反应后的物质进入造粒机形成吸附颗粒。以27千克/小时的速率将氨水加入造粒机中的 肥料熔体中。以6.5千克/小时的速率将液态铝加入到造粒机中的肥料熔体内。将浓度为 27％-30％的硫酸铁加入到造粒机中的肥料熔体内。然后，将吸附颗粒在干燥器中干燥，干燥器 每分钟运行7转。该材料通过一个倾斜的双层机械振动系统，该振动系统具有2.36毫米的筛 孔。2.36毫米和4毫米之间的材料被存储。而所有小于或大于这两个界限值的材料返回到造 粒机，并与所述肥料熔体再次混合。然后对尺寸位于2.36毫米和4毫米之间的干燥吸附颗粒 的物理和化学特性进行分析。

产品的稳定性和气味。

有机肥料的气味通常由有机材料的腐烂产生的臭气物质导致，如硫醇、硫化氢和叔烷 基胺。当氧化还原电位(ORP)降至低于-200mV时，腐烂过程中的产生气味的硫酸盐还原细 菌产生气味。试验已经证明，使用如本发明所述的提取物生产的肥料均匀、水解的和无菌的， 并具有350mV的氧化还原电位。该氧化还原电位值与颗粒肥料的腐烂无关。有没有产生臭气 的化合物，并且所述肥料是热稳定的，这意味着肥料不会被加热或产生异味。该肥料具有为 98％的固体成分，这超过了美国环境保护局(EPA)503规定的被归类为稳定的90％的最小固 体成分含量。

燃烧。

由本发明所述的方法所生产的颗粒肥料的尘埃云的燃烧，由一个燃烧实验室测定(凯 德-Fenwal燃烧中心，阿什兰，马萨诸塞州)。可燃或不可燃粉尘的分类取决于分散的尘埃云 计算是否能够维持爆燃，并足以引起压力上升1bar(14.5psi)。测试是在Kuhner20-L球形 检测器中进行。在初始浓度500克/立方米的条件下不可燃的灰尘在1000克/立方米和2000 克/立方米条件下重新测试。校正点火器的作用后，如果爆炸压力大于1.0bar(14.5psi)， 则材料归类为可燃。在所有尘埃的测试浓度中，爆炸压力的上升小于1bar的被归类为不可燃。

由本发明所述方法制备的颗粒肥料的造粒肥料灰尘在浓度为500、1000和2000克/立 方米都被分类为不可燃。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中，所述肥料基本上是 不可燃的。相反，，三个粒化干燥污泥的样品在500克/立方米的粉尘浓度下被归类为可燃。 此外，将肥料样品置于140℃的测试显示，肥料不会自燃或“自发热”(即，所述肥料在烘箱 的温度下不会在24小时内升高60℃)。

重金属。

本发明所描述的方法中控制所得到的颗粒肥料中的金属含量，因为存在于初始脱水污 泥中的任何重金属通过加入酸、碱和调节化学剂稀释(例如，140干吨的干燥脱水污泥固体 与大约800干吨的硫酸铵混合，从而生产出1000干吨的颗粒肥料)。因此，颗粒肥料中的金 属浓度与原来生活废水中观察到的残留金属相比减少了7倍。如表3所示，该颗粒肥料的金 属含量低于美国联邦土壤筛选试验(SST)的住宅(未污染)土壤的标准，美国联邦土壤筛选 试验(SST)的住宅(未污染)土壤的标准比美国环境保护局的503准则更加严格。此外，该 颗粒肥料通过了美国植物食品管理机构协会(AAPFCO)用于食品的标准，并能满足废水的残 留干固体成分和硫酸铵成分的混合物的调整，所得到的颗粒肥料，甚至可以达到欧洲和世界 各地最严格的标准。

表3

培育。

培育实验是在格林维尔的土壤中进行的，结果如图3A和3B所示。如图3A所示，本 发明所述的生产工艺生产的肥料(“生物肥料”和“生物肥料+铁”)显示了氨转换为作为基本 肥料的硝酸盐和硫酸铵的速率与尿素非常近似，仅比尿素的转换稍慢。

挥发。

目前一些肥料使用尿素作为氮源。这些尿素类肥料有明显的问题：析出和挥发。尿素 中的氮30％通过根系层被析出，且高达30％的氮通过根系层被挥发掉。其结果是，不能被植物 根部利用的氮必须通过添加更多的肥料作为补偿，这是成本增加，并污染环境。本发明所述 的由均质提取物生产的肥料通过依赖于回收利用有机废弃材料，且无需补充含有尿素的肥料， 从而克服前面描述的这些问题。

现场挥发测试在格思里和萨姆特的土体中进行，测试干旱土壤和淹水土壤两种条件， 测试结果由图4A至4D示出。图4A表明，由本发明所述的工艺生产的肥料(“生物肥料”和 “生物肥料+铁”)在格思里旱地土壤中氨的累积挥发损失接近硫酸铵中的挥发损失，并明显 小于尿素的挥发损失。具体来说，尿素中氨的挥发损失高达33％，而本发明所述的肥料中氨 的挥发损失仅为2％。这使得采用本发明所述的肥料时，该结果提供了显著的碳封存效益，并 能增加碳的利用机率。

图4C显示了格思里淹水土壤条件下几近一致的结果。图4B显示了萨姆特旱地条件下 使用本发明所述肥料的类似结果，甚至超越硫酸铵。图4D示出了在萨姆特淹水土壤下，本发 明所述的肥料性质参数接近尿素，并稍大于硫酸铵。

析出。

现场析出试验是在格林维尔土壤和莱克兰沙地中进行，结果示于图5A和5B。如图5A 所示的格林维尔土壤中，本发明所述肥料表现出较低的析出损失，其可与硫酸铵媲美，并比 尿素低得多。在莱克兰沙地中，结果更为显著，本发明所述的肥料几乎不会析出(和硫酸铵 相当)，远低于尿素。

总之，析出和挥发之间，本发明所述的颗粒肥料和尿素之间氮损失的差异是显著的。 例如，在格思里/格林维尔的干旱土壤中，尿素中氮的挥发为33％、析出率为41％，达到总共 74％的损耗。通过比较，本发明所述的颗粒肥料的氮的挥发只有2％，析出率为13％，总损 耗为15％。因此，与尿素相比，本发明所述的颗粒肥料的含氮量是其3.5倍，所以为作物输 送同样含量的的氮元素，只需要使用少于3.5倍的肥料即可。

同样，在格思里/格林维尔的淹水土壤中，尿素中氮的挥发率为57％，析出率为19％， 总损失为76％。通过比较，本发明所述的颗粒肥料的氮的挥发率为21％，析出率为15％， 总损耗为36％。因此，与尿素相比本发明所述的颗粒肥料中可用氮的含量在2.7倍以上。

对于莱克兰沙地，尿素中氮的损失率为86％，基本上全都析出了，而本发明所述的 颗粒肥料中氮的损失只有4％。因此，与尿素相比本发明所述的颗粒肥料有近7倍以上的氮 气可被利用。

作物产量

所述肥料可应用于谷物、饲料作物、草皮、蔬菜、柑桔、果树、森林里的树木的培养、 中耕作物、坚果、园艺植物、观赏植物、温室作物和油(例如大豆，油菜)等，而不需要连 续的监测和将需要量报告给联邦或州政府机构。该肥料可直接应用，或配合其它肥料。

当施加到农田时，相比之前的其他肥料，本发明所述的肥料使作物品质有所提高。举 例来说，代替其他肥料应用的本发明所述肥料，使土地中柑桔作物中的糖含量更多，饲料中 蛋白质的含量提高，玉米中的淀粉含量提高。除了提高质量，本发明所述的肥料应用在土壤 中还使土地的单位面积的作物数量也有所增加，作物质量和数量的提高至少归功于保证均匀 使用的肥料的基本均匀性、有限的氮析出和/或有限的氮挥发、增加有机物含量。

图6A和图6B示出了使用本发明所述的颗粒肥料的移植稻的籽粒重量和采收率与使用 其他两种同类产品相比有所增加。

图7A，7B，7C同样示出，本发明所述的颗粒肥料用于小麦时，产量与使用尿素和其 他同等产品相比有所提高。

在加利福尼亚州和得克萨斯州，所述颗粒肥料也被用在柑橘作物(橙子)上，并取得 了积极效果。在南加利福尼亚州的一个农场使用颗粒肥料或尿素以每棵树1.5磅的(作为) 肥料应用率来对桔子树施肥，并在多棵树上重复这种应用。即，所述颗粒肥料以0.255磅的 氮的比例施加在每棵树上，同时尿素以每棵树0.69磅的比例施加。所述颗粒肥料的析出和挥 发均小于尿素。在施肥后的126天后记录实验结果，如表4所示，所述颗粒肥料使水果成熟 更快，并增加27％的果汁含量，增加17％的果肉含量，增加4.5％的糖含量(糖度)。

表4

所述颗粒肥料在百慕大草地(干草草地)针对氮磷钾三种元素17的含量进行测量， 结果如表5所示。(通常)所述肥料以200磅/英亩的比率施加。本发明所述的颗粒肥料产生 的总干物质比氮磷钾对照多6％，且粗蛋白的平均百分数从氮磷钾对照的15.2％提高到本发明 所述肥料吸附颗粒的19.6％，有28.9％的提高。总可消化养分(Total Digestible Nutrients  TDN)从64.8提高到79.7，本发明所述的颗粒肥料的总可消化养分(Total Digestible  Nutrients TDN)增加了23％。

表5

本发明公开了相关的实施例，对于所述实施例的任何修改、变更和替换均不可能脱离 本发明权利要求的范围。相应地，本发明不限于所述实施例的描述，但是，下述权利要求是 本发明的全部保护范围。