用于处理污泥并生产生物有机增强的高氮含量的无机肥料的方法
相关申请的引用
本申请要求于2007年2月16日提交的名称为“用于处理污泥并生产生物有机增强的高含氮无机肥料的方法”的美国临时专利申请60/890,422的优先权，特别将该临时专利申请的整体引入作为参考。
技术领域
本发明涉及用于处理污泥的系统、装置和方法，特别涉及用于生产肥料(特别是利用包括市政脱水污泥或生物固体的初级有机污泥、浓酸和氨的生物有机增强的高氮含量的无机铵肥)的系统、装置和方法。本发明还涉及通过本发明的方法制备的产品。
背景技术
从市政污水处理厂排放的污泥的处置是一个严重且日渐增长的问题。1990年，美国环境保护局指出一个四口之家每天排放300-400加仑的废水，而2000年，这个数字已经是1990年的两倍。政府所有的处理厂每年从这些污水中产生约770万公吨(metric ton)的干污泥(或者“生物固体(biosolid)”，因为这些市政污泥现在被称为“生物固体”)，或者每个美国人每年产生约64磅的干污泥。
第40号联邦法规中的第257.2节给出了“污水污泥(sewage sludge)”、“污泥(sludge)”以及“生物固体”的定义，本文将其引入作为参考：
“污水污泥是指在生活污泥的处理过程中，由处理作业所产生的固体、半固体、或液体的残留物。污水污泥包括但不限于：生活腐败物(domesticseptage)；在首次、二次或深度废水处理过程中清除的浮渣或固体；以及衍生自污水污泥的物质。污水污泥不包括：在污水污泥焚化炉中燃烧污水污泥时所产生的灰分；或在对生活污水进行预处理的过程中，由处理作业所产生的砂石和筛屑。污泥指来自于市政、商业、或工业废水处理厂、自来水处理厂、或空气污染控制设备的固体、半固体或液体垃圾，或任何其它具有相似的特性和效果的这样的垃圾。”
对于本申请，术语污泥还包括市政脱水生物固体、生活污物(domesticseptage)、热力干燥的生物固体、药物发酵垃圾、有机产物的生物分解物(例如：食品原料、食品副产物、动物粪便、分解的动物肥料、主要含有微生物的有机污泥、以及它们的组合)。
从污水和/或废水处理中可以产生多种类型的污泥。这些污泥包括：初级污泥、垃圾活化的污泥、用巴氏法灭菌的污泥、热力处理的污泥、以及需氧菌或厌氧菌分解的污泥、以及它们的组合。这些污泥可以来自于市政来源和/或工业来源。因此，污泥可以含有包括蛋白质在内的大分子。污泥可以含有个人药物化合物、抗生素、激素、类激素分子、其它生物活性的化合物、以及包括蛋白质在内的大分子。因此，迫切需要用于处理污泥的有效、高效且经济的方法。
通常，仅通过化学或机械的方法对污泥进行最大程度的脱水，但仅脱水是不够的。污水污泥的水含量仍然很高，也没有对任何上述不需要的化合物进行中和。一般地，由重力澄清器(gravity clarifier)产生的污泥的干固体含量可以为2％或更低。厌氧菌分解之后，固体含量可以为约10％。已经发现阳离子水溶性聚合物适用于进一步分离通过化学和物理作用结合的固体与水。用阳离子聚合物处理的污泥经过滤或离心，一般得到浆料状的污泥饼，该污泥饼通常含有18-30％的固体。
对污水污泥进行干燥(干燥至固含量高于90％)已经在美国和欧洲实行了很多年。美国在1965年之前就已经对污泥进行干燥，从而降低了运输成本并追踪所选择的各种处置方式。在一些工厂中，将污泥干燥为粉末的形式，并在焚化炉或锅炉的燃烧室中耗尽该细粉。19世纪60年代，两个市政当局(休斯顿和密尔沃基)开始出售球团状或颗粒状的干燥的污泥，用作土壤改良物和/或肥料。19世纪80年代和19世纪90年代建造了几座用于生产干燥的球团状污泥的工厂，特别是在沿海城市取消了污泥的海洋倾倒以后。热力干燥的生物固体的球团状肥料的干燥和转化是这些大城市地区的最佳选择，在这些大城市地区中，垃圾掩埋地和用于处置垃圾的土地是有限的，甚至在2007年，这仍然是一种十分可行的技术。但是，污泥干燥设备所需要的投资很高，导致每吨干燥的生物固体的市政成本高于300美元，并且在许多情形下，每吨干燥的生物固体的市政成本高于500美元。
最普通的一类干燥的且为球团状的污泥为通过厌氧菌分解的市政污水得到的。如名称所表明的，厌氧菌分解涉及由兼性(facultative)细菌在厌氧的条件下进行处理，以分解污泥中的有机物质。在预定的时间-温度之后，得到没有易腐败的有机物质的污泥。不幸的是，一些病原体仍然残留在这些生物固体中，美国环境保护局(USEPA)已经将如此处理的生物固体列为B类，表明如此处理的生物固体的等级低于“A类”处理的生物固体。由于B类生物固体含有病原体指示剂——以及因此而潜在的病原体，所述B类生物固体限于可以将它们施用于动物和人类农作物。相反，在目前的USEPA标准下，A类生物固体(例如：热力干燥的生物固体球团、以及本发明的产物)并不限于用作动物或人类农作物用肥料。
如果病原体(例如：沙门氏菌属细菌(Salmonella sp.Bacteria)、肠道内病毒、以及能生存的寄生虫虫卵)低于可检测的水平，则该生物固体满足A类认证。第503节的条款(第40号联邦法规的第503节，本文将其引入作为参考)列举了用于处理生物固体的六种选项，使得从病原体的角度来说，可以将它们列为A类。选项1要求对生物固体进行四种时间-温度处理中的一种处理。选项2要求生物固体满足pH、温度和空气干燥的要求。选项3要求当采用其它方法对生物固体进行处理时，必须证明该方法可以减少肠道内病毒以及存活的寄生虫虫卵，并且病原体减少证明完成以后，必须保持用于证明所使用的操作条件。选项4要求如果采用未知方法对生物固体进行处理，则在使用该生物固体、对该生物固体进行处置或某些情形下准备使用或处置该生物固体时，应该对该生物固体的病原体进行检测。选项5要求采用进一步减少病原体的方法(Processes to Further Reduce Pathogens)中的一种方法，对生物固体进行处理。如权威认证所确定的，选项6要求采用等同于进一步减少病原体的方法中的一种的方法对生物固体进行处理。
而且，在所有的固体(基于干重)中，每克A类病原体生物固体所具有的粪便大肠杆菌的密度应当低于1000的最大概率数(most probable number，MPN)，或者在所有的固体(基于干重)中，每4克A类病原体生物固体所具有的沙门氏菌属细菌的密度低于3MPN。以下时刻中的一个时刻应当满足上述两个要求中的任意一个：当使用或处置该生物固体时；当准备采用口袋或其它容器来销售或分发该生物固体，从而施用于土地时；或者准备使该生物固体或衍生的材料满足卓越品质(Exceptionaal Quality)的生物固体的要求时。
施用于土地的所有生物固体应当满足用于污染物的最高限额浓度，所述污染物包括10种重金属污染物：砷、镉、铬、铜、铅、汞、钼、镍、硒、以及锌。如果超过上述重金属中的任意一个的限值，则无需引用特别限定，该生物固体就不能被施用于土地。卓越品质(EQ)是USEPA指南的第503节的第7条款所使用的一个术语，该术语用于表征满足低污染、A类病原体减少(不存在病原体病毒)限值，并且具有降低水平的可降解的化合物(所述化合物进攻载体)的生物固体。本发明的目的是所有的生物固体均满足或超过USEPA的卓越品质(“EQ”)中用于金属水平的标准。
除了在pH调节、固体百分数、载体进攻、注入、或结合选项都满足时，基因载体进攻减少之前或基因载体进攻减少时病原体的数量减少。最后，当将生物固体施用于土地时，应当满足载体进攻的减少。最普通地，通过将生物固体产品干燥至固体百分数高于90％的水平而实现。
作为热力干燥的球团的形式的仅经过干燥的污泥即使干燥至固体百分数高于90％，对于农业应用而言，也存在一些缺点。干燥的污泥的肥料价值低，氮含量通常仅为约2-5％。每单位的氮的货运和应用成本高。该热力干燥的生物固体通常具有不可接受的气味，特别是潮湿时。而且，干燥的球团的密度和硬度低，并且当与其它商业化的肥料物质共混时，所述球团可能分离并碎裂，还不能与其它更致密的成分一起均匀地分散在田野中。当该物质变得潮湿时，一些细菌作用将再次继续，并且在贮存条件下，该材料的温度可能升高至自燃点。因此，除了其有机成分对土壤改良或作为共混的肥料内的填料有价值的特定市场以外，对于热力干燥的生物固体产品的需求相对而言并不旺盛。在许多情形下，市政当局不得不支付货运费用，或者可能给商业化的种植者提供奖励，以使所述商业化的种植者使用该物质。但是，与可选择的处置方案相比，这仍然很经济。
农业肥料的市场价值主要基于它们的氮含量。需要实用、安全且经济的能够将生物固体的氮含量提高到接近商业化的矿物肥料的水平(即，10-20％)的方法。如果可以生产上述生物固体肥料，则生物固体的整体价值和对于产品的需求都将提高。而且，采用适当的方法制备的生物固体的优势在于：该生物固体中大部分的氮可以为缓释型的。这是非常理想的，因为在植物的整个生长周期中，该生物固体均可以将氮提供给所述植物。传统的由无机物生产的缓释氮肥的价格是普通的矿物氮肥的数倍。在由生物固体制备含有高氮的生物固体肥料产品的方案中，由于其生物固体处置规划，市政当局可以获得公众和监管的支持。通过例如将生物固体回收为高氮肥料，该规划可以确保有规律地清除脱水或干燥的生物固体，所述高氮肥料可以直接销售进入成熟的美国内肥料配送工业中，由此解决了通常需要与生物固体处理规划相关联的主要问题。
先前已经进行了尝试，以实现上述目标中的一些。美国专利Nos.3,942,970、3,655,395、3,939,280、4,304,588和4,519,831描述了用于将污水污泥转变成肥料的方法。上述方法中的每一种均通过使用所述污泥原位形成了脲醛缩合产物。因此，所述方法需要对醛(一种高度毒性的催泪毒气和致癌试剂(cancer suspect agent))进行处理。
其它方法需要昂贵的处理设备和/或特定的条件，不能便利地结合至现有的污水处理设备中(见：日本专利No.58032638和法国专利No.2,757,504)。
用于提高污泥内的氮的简便的方法为：在进行干燥和球团化之前，将商业化的氮肥物质与湿态的污泥共混。仅有几种高氮肥料物质在农业应用中具有经济性。例子为：氨(82重量％的N)、尿素(46重量％的N)、硝酸铵(35重量％的N)。氨具有高的挥发性并且受到大气的排放规定的严格限制。尿素是一种固体，极易吸收水分并使所述污泥更加难于干燥。而且，如果生物固体不是采用适当的方法制备的，在生物固体内的微生物和酶的作用下，尿素极易分解成为氨，导致氮损失并产生气味。硝酸铵是一种较强的氧化剂，并可能导致潜在的爆炸问题，2000年之后，几乎已经将该肥料从商业化市场中排除。上述所有的肥料都具有高的氮含量，但是没有进行特定的处理时，都不适合与生物固体结合。
其它文献(例如：欧洲专利No.0143392B 1、日本专利No.9110570A2和Hokkaidoritsu Kogyo Shikenjo Hokoku的“Granulation of Compost FromSewage Sludge.V.Reduction of Ammonia Emission From Drying Process(源自污水污泥的混合肥料的颗粒化V.来自干燥过程的氨排放物的降低)”都没有公开将酸与硫酸铵添加剂一起使用，也没有讨论在处于酸性条件下的钢制处理设备的腐蚀性问题。
在过去30年中，生物固体的碱性消毒已经是一个标准且成功的方法，该方法可以使生物固体成为可以获益的有用的物质，该生物固体可以主要用作土壤调理物质。由于该碱性消毒的生物固体产品具有高的碳酸钙等效性，因此已经作为农业石灰(AG-lime)物质而进行生产并市场化，通常在农田土壤管理策略中用作碳酸钙的的替代品。由于该用途，这种物质的价格已经被限制于每吨产品仅几美元；因此，由于运输成本，特别是由于它们通常含有相当高的水含量(经常达到50％)，因此，由于经济和地域的限制，它们被限制于应用在临近其处理源的地区。
因此，一直需要一种可以通过提高污水污泥的氮含量以及分散能力来提高污水污泥的经济价值的实用的方法，还需要对上述物质进行处理，从而将它们转变成为具有物理、化学和营养特性的肥料用品，使得它们能够在美国国内和国际肥料用品市场上取得显著的价值。美国专利Nos.5,984,992、6,159,263、6,758,879和7,128,880等一系列美国专利已经描述了高氮有机增强的硫酸铵肥料的生产方法，所述肥料是利用十字管反应器(pipe-crossreactor)由生物固体制得的，所述十字管反应器是由田纳西流域管理局(Tennessee Valley Authority)首创的。国际肥料开发中心(IFDC)的Fertilizermanual(肥料手册)的第440页将管式反应器、三通(tee)反应器和十字管反应器定义为：
“所述十字管反应器主要由一段耐腐蚀的管道构成(所述管道的长度约为5-15m)，将磷酸、氨和通常的水同时添加到该十字管反应器中，在一端，通过管道构建一个三通，由此命名为”三通反应器“。……田纳西流域管理局(TVA)对该三通反应器进行了改造，使其通过设置在所述磷酸入口的对面的另一个管道，也可以接收附加的硫酸物流，从而呈现出“十字”结构单元，并由此命名为“十字管反应器”。
IFDC的Fertilizer Manual(肥料手册)(1998)和Fertilizer Technical DataBook(肥料技术数据图书)(2000)都提到了十字管反应器。所述十字管反应器被认为可以将更多的浓缩的混合料输送至造粒机成形装置，并且与其它装置相比，可以更有效地将不需要的水从该肥料混合料中蒸发出来，但是这些文献表明该十字管反应器的缺点之一是在所述管道的内部能够形成水垢，将导致阻塞，这些文献都证明了人们对改进的需求是由来已久的。
这组专利(美国专利Nos.5,984,992、6,159,263、6,758,879和7,128,880)所教导的方法存在的问题涉及：运行过程中由狭窄而引起的阻塞，该狭窄与其长的反应“管状”反应器的构造有关；以及难于对该十字管反应器内的混合料的反应温度、压力和保留时间进行控制。与其长度相比，该十字管反应器是狭窄的，例如：直径达到6-8英寸，而长度通常为15英尺或更长。生产有机增强的硫酸铵肥料的工厂不得不经常停工，并由于阻塞而拆开该十字管反应器，所述阻塞来源于：生物固体的累积；或者在该反应器内进行加热而引起的破坏，所述加热使该反应器的内部反应侧上通常使用的“聚四氟乙烯”(Teflon)涂层熔化并崩溃。而且，使用所述四字管反应器的明显的不足在于反应器的保留时间很短(通常少于20秒)，对传统肥料(如硫酸铵)的生产而言，短的反应时间是有利的，但是当与同步的生物固体的处理相结合时，则是不利的。当三种输入的物质通过该反应器时，该短的处理时间提高了未处理或不均匀的混合的概率。而且，局限是在该十字管反应器内缺乏对气压的控制，因为所述反应器具有开放的终端排放物，该终端排放物通常直接进入造粒机。
1998年授予Robinson的美国专利No.4,743,287描述了一种通过依次使用两个反应釜将有机污泥掺入低含氮或中等含氮(氮含量为4-10重量％)的氮肥中的方法。Robinson使用第一反应釜来获得pH值极低的混合物(pH值为0.2-1.5)，从而实现将存在的一些分子水解，并制备用于第二反应釜的反应混合物。Robinson给出以下教导：仅批量配置(batch configuration)而非连续性的物流生产方法，可以使用单个的反应器。在任何情况下，Robinson指出：可以以任何顺序注入酸和氨但必须依次注入。该专利重点描述了该反应釜可以实现高压(30磅/平方英寸(PSI))，并且与十字管反应器相比，该反应釜具有相对长的保留时间。但是，Robinson并不能满足对生产高氮含量(大于8重量％的氮)并且含有生物固体的肥料产品的新的实用连续物流方法的需求，所述连续物流方法的优势为：具有确定的温度、压力和反应保留时间。
发明内容
本发明的实施方式克服了用于处理生物固体或污泥并从污泥和相关的废料中生产肥料的其它系统和方法存在问题和缺点。注意：术语“生物固体”现在通常用于描述市政废水处理厂产生的污泥。本发明的其它实施方式克服了通过其它系统和方法制备肥料的内在问题和缺点。
本发明的实施方式可以将具有潜在危害性的污泥转变成生物有机增强的无机肥料，无需传统的通常为多层楼高或更高的庞大的肥料生产设备。与美国专利Nos.5,984,992、6,159,263、6,758,879和7,128,880中使用的技术不同，本发明的实施方式可以改变规模，以与单个的或特定的市政废水处理厂(102)或单独一个市的公共废水处理厂相匹配。由此，本发明的肥料制备方法可以直接紧邻市政废水处理厂设备或坐落于市政废水处理厂的设备附近，从而免除了对将生物固体运输到远处的肥料生产设备的需求。紧邻废水处理厂或坐落于废水处理厂附近显著减少了物流和相应责任，例如：涉及将污泥运输到肥料生产设备的成本和危险性。
本发明的一种实施方式涉及通过第一调理(conditioning)来处理污泥(特别是固体百分数处于14-40％的范围内的脱水的污泥)。对所述污泥进行调理的步骤可以包括但不限于：利用所述污泥的触变性，通过用足以使所述污泥可以被泵送的力对所述污泥进行混合，从而产生更均匀的浆料状的混合料，或通过添加液体(例如：来自洗涤器系统的排污酸水)，而使得所述污泥可以被泵送。通过添加一种或多种氧化剂进一步对所述混合料进行调理，以与所述污泥内的恶臭物质(例如，还原的硫化合物)反应，所述氧化剂优选为高铁酸钙。在优化的实施方式中，所述混合料通过添加特定的磷酸而进一步进行调理，以持续处理恶臭物质，并促进成品肥料中的颗粒的颗粒化以及增加营养价值。随后，将经调理的污泥添加到压力容器中。将一种或多种酸和一种或多种氮源结合至位于所述经调理的污泥内的一个反应区中。如下文更详细的限定，在本发明的实施方式中，所述反应区是适合依次使用各种酸、各种碱、各种氮源、以及它们的组合，以处理污泥的区域。一个或多个氮源中的至少一个含有碱，这样，在所述酸和所述碱之间可以发生放热反应。接着，在保留时间内，使所述混合料保持应力状态。
采用本发明的另一实施方式可以获得相似的结果，该实施方式涉及通过对污泥进行第一调理来处理所述污泥。对所述污泥进行调理的步骤可以包括但不限于：通过对所述污泥施予足以使其可以被泵送的力对所述污泥进行混合或通过添加液体(例如：来自洗涤器系统的排污酸水)，而使所述污泥可以被泵送。通过添加氧化剂和磷酸可以对所述经调理的污泥进行进一步的调理。随后，将经调理的污泥添加到压力容器中。在该实施方式中，将一种或多种酸、一种或多种氮源、以及一种或多种碱结合至位于所述经调理的污泥内的反应区中。所述酸和所述碱之间可以发生放热反应。接着，在保留时间内，使所述混合料保持应力状态。
通过本发明的又一实施方式可以获得相似的结果，该实施方式涉及通过对污泥进行第一调理来处理污泥。对污泥进行调理的步骤可以包括但不限于：通过对所述污泥施予足以使其可以被泵送的力对所述污泥进行混合或通过添加液体(例如：来自洗涤器系统的排污酸水)，而使所述污泥可以被泵送。通过添加一种或多种氧化剂(所述氧化剂优选为高铁酸钙)、并接着添加磷酸可以对所述调理的污泥进行进一步的调理。随后，在添加到压力容器之前，将所述经调理的污泥依次与浓酸混合，所述浓酸优选硫酸。在该实施方式中，将一种或多种氮源、以及一种或多种碱结合至位于所述酸化的并经调理的污泥内的反应区中。所述酸和所述碱之间可以发生放热反应。接着，在保留时间内，使所述混合料保持应力状态。
通过本发明的再一实施方式可以获得相似的结果，该实施方式涉及通过对污泥进行第一调理来处理污泥。对污泥进行调理的步骤可以包括但不限于：通过对污泥施予足以使其可以被泵送的力对所述污泥进行混合或通过添加液体(例如：来自洗涤器系统的排污酸水)，而使所述污泥可以被泵送。通过与一种或多种氧化剂反应并添加磷酸，可以对所述污泥进行进一步的调理。随后，将经调理的污泥添加到压力容器中。在该实施方式中，将反应性混合物添加到该经调理的污泥中。所述反应性混合物通常为硫酸铵和/或磷酸铵的热熔体和/或盐。接着，在保留时间内，使所述混合料保持应力状态。
在上述所有的实施方式中，所述应力状态可以任选地导致所述混合料的污泥组分内的任何大分子(包括蛋白质)的部分水解和/或变性。所述应力状态也可以任选地导致任何个人药品化合物、抗生素、激素、类激素分子、或其它生物活性化合物的部分水解和/或变性。
本发明的其他实施方式继续对污泥进行处理，直至制得安全、无菌的肥料。上述肥料实际上超过了USEPA的A类含生物固体的产品的要求。制得的肥料产品具有适宜的干燥度、硬度和化学质量，可以制备有价值的、高氮的、商业化的肥料产品，该肥料产品可以在国际市场中与其它无机肥料竞争。此外，该肥料产品通常含有结合到所述混合料中的化合物(特别是有机化合物)上的铵态氮，这样，所述氮可以缓慢溶解并通过上面8英寸的土壤而缓慢迁移出，该上面的8英寸的土壤是种植在所述土壤上的农作物摄取养分的关键区域。与所述铵离子没有被附加到有机化合物上所观察到溶解和迁移相比(例如：将传统的无机肥料(例如：盐、硫酸铵)直接施用到土壤中时)，溶解和迁移则慢得多。
本发明的其它实施方式和优点，一部分将在随后的描述中提出，一部分在随后描述中是显而易见的，或可以从本发明的实践中获知。
附图说明
图1概括了本发明与社区的相互关系。
图2是使用触变性的生物固体和无机酸以及氨来制备高氮含量的有机增强的无机铵肥的肥料产品的氨混合(Ammonium Mix，“AM”)过程的示意图。
图3是本发明的肥料生产过程的详细的示意图。
图4是利用一个压力容器来生产肥料的本法明的过程的详细的示意图，该压力容器独立但同时接收经调理的生物固体、浓酸和氨源，并能够对内部温度、气压和处理的混合料的保留时间进行控制。图4还表明：将在该压力容器内生成的混合料排放到搅拌器(pugmill)中，以使用气化的氨来完成氨化、添加硬化剂并添加回收物。在混合料进入造粒机之前，该搅拌器就启动了所述混合料的成形过程。
图5是显示了在调理过程中使用两个搅拌器的本发明的肥料生产过程的详细的示意图。第一搅拌器通过强力混合、添加一种或多种氧化剂而制备生物固体。在该实例中，将磷酸添加到压力容器中。在该实例中，第二搅拌器用于添加所有的氨水溶液，在该压力容器内发生的放热反应中，所述氨水溶液用作碱。该压力容器独立但同时接收高度氨化的经调理的生物固体以及浓酸源。该压力容器内的反应用于控制经处理的混合料的内部温度、气压和混合料的保留时间。
图6是用于氨混合(或“AM”)和球团提选(Pellet Beneficiation)(或“PB”)过程的压力容器的实施方式的示意图。水解或压力容器利用浓酸和氨源来生成有机污泥与硫酸铵和磷酸铵的混合料，优选分别但同时将所述酸和所述污泥注入至氨水溶液。该容器通过其底部的一个开口来接收经调理的混合料。正好位于上方并用于同时注入的是浓酸的输入端以及用于氨源(该氨源优选为无水氨)的多个入口(通常为四个)。在受控的温度和气压环境条件下，产生的肥料混合物通过该容器而向上爬升，所述温度和气压环境促进了所述肥料混合物内的大分子的消毒、水解和/或变性，并且由于在所述容器的顶部释放蒸汽和水而促进了干燥。该容器优选为搅拌的，以保持恒定的条件并促进所述肥料混合物的脱除。所述容器在其顶部还具有重要的顶部空间，以有利于抽出蒸汽，并可以输入压缩空气，当不得不清空该压力容器以维修或关闭处理过程时，使用所述压缩空气。优选地，图6中的压力容器的内部还包括保护涂层，例如：Havey或Kynar涂层，用于防止压力容器的壁受到所述浓酸和酸碱反应的侵蚀。可选择地，所述压力容器可以含有酸性砖层(acid brick)和碳砖层(carbon brick)，以防止所述容器的下筒体(lowershell)受到这些苛刻条件的影响。
图7是在AM和PB过程中，用于维护或关闭第一搅拌器和压力容器的回料回路系统的示意图。该示意图表明了阀的位置和可以清空每个容器的回料管路。
图8是以图4所示的实施方式但是替换为三个压力容器以采用“连续批量(continuous batch)”方式来运行该过程的生产肥料的方法的示意图。所使用的三个容器中，一个是充满的，一个用于反应，而第三个则是排空的。
图9是本发明的球团提选(“PB”)过程的实施方式的示意图，该图表明了在生产颗粒状的高氮有机增强的无机肥料时，使用了热力干燥的生物固体球团或颗粒。
图10是实施例1所描述的优选实施方式的流程图，该图表明了：在本发明的实施方式中，当应用的污泥的输入量为3吨/小时时，通过所述AM过程的不同步骤的固体和水的含量(在该实施例中，输入的污泥或生物固体的固体百分数为22重量％)。该实施例还详细地表明了在本发明中应用的气流和空气处理方案。
具体实施方式
本发明的具体实施方式涉及生产肥料的方法，特别是生产高含氮有机增强的无机铵系肥料的方法。其它实施方式涉及由上述方法生产的肥料。本发明的实施方式利用多种类型的生物固体或有机污泥的触变性，从而在被剧烈混合、回混(back-mix)和调和(fold)或剪切时，变成浆料或浆料状的可以被泵送的流体。
如图1所示，将肥料生产厂105的规模设定为其提供的服务能够满足该肥料生产厂坐落的社区101的需求。该剪裁设计(tailoring design)的结果是构建一个小型的生物固体处理/肥料生产厂，例如：每小时处理的脱水污泥低于10吨，并优选每小时处理3-6吨脱水的污泥，这还降低了成本，该生产厂可以采用标准尺寸的可替换的设备，因而易于实现标准化，并且，由于该生产厂是小型的，因此改进了运行物流和相应责任。由于本发明的多个实施方式的肥料生产厂通常都具有相关联的临近储存设施，该储存设施可以用作当地或区域性的肥料仓储设施105，因此，到达本发明的肥料产品处的通道很便捷。由于本发明的多个实施方式生产的高氮肥料经较短的距离即可运输给肥料经销商106、最终用户或种植者107，因此由于具有当地仓储场所还进一步改进了与肥料工业相关的物流，从而降低了用于产品以及用于输出生物固体或有机污泥的运输成本。可以将气味控制系统104引入该生产厂，该气味控制系统104设计用于确保社区接受该肥料生产厂，并有利于满足USEPA标准，以及通过从该工厂的处理空气中捕获并结合有价值的氮或其它潜在逃逸的植物营养素，而使得所述处理过程更为有效。
与传统的肥料生产实践相比，本发明的实施方式是独特的，传统的肥料生产方法中，庞大的生产设备尽可能地远离社区，从而需要长距离运输输入物质来使工厂运转。这样的一个很好的实例是坐落于Arkansas(阿肯色州)的Helena(海伦娜)的将生物固体转变成肥料的工厂，该工厂采用美国专利Nos.5,984,992、6,159,263、6,758,879和7,128,880中教导的生产方法。对于这个肥料生产厂而言，将生物固体专门从纽约市和Westchester County(韦斯特切斯特县)运输到该生产厂的成本极高。本发明的实施方式通过在紧邻或接近脱水的生物固体源或其它有机污泥源处设置必要的实现要求保护的方法的物理设备以进行所要求的方法，从而消除了这类问题。所述脱水的生物固体源或其它有机污泥源通常为市政废水处理厂。
另外，本发明的实施方式的优势在于：可以将铵盐肥料产品与热的副产品相接合，该热的副产品与不相关的商业企业(例如：尼龙制品或钢制品)相关联。在这两种产业中，也如图1所示，在本发明的一种实施方式中，热的硫酸铵是副产品108，可以直接添加到压力容器中。
本发明的实施方式可以处理任何有机污泥，优选含有微生物的有机污泥，例如：选自由市政脱水的生物固体102、生活腐败物、药物发酵垃圾和其他有机产品的微生物分解物(例如：食品材料和/或动物粪便或分解的动物粪便)所组成的组的污泥。这些污泥的固体百分数可以为12-40％，并优选为18-30％。优选地，该处理过程可以得到颗粒状或球团状的USEPA的A类肥料产品，该肥料产品具有适宜的干燥度、硬度和化学质量，该处理过程可以制备有价值的、高氮的、商业化的肥料产品，该肥料产品在美国国内和国际市场上能够与传统的无机肥料相竞争。以成品肥料的干重(dry weight)计，商业化的、高氮肥料优选具有高于8％的氮，并且，以成品肥料的干重计，更优选具有至少15％的氮。如第40号联邦法规(CFR)的第503节所限定的，A类特征指成品肥料产品的微生物的质量，该微生物的质量满足美国环境保护局的用于含有市政生物固体的产品的A类微生物标准。基于所使用的应力状态和保留时间，本发明的实施方式满足或超过了该标准，并且基于成品肥料的干燥固体的百分数高于80％、并优选高于90％，最佳的等级为组合物中的干燥固体的百分数超过98％，确保可以满足相关的USEPA的带菌物吸引标准(Vector Attraction Standards)(即，90％或更高)，并对成品肥料颗粒进行优化，用于使水含量最小化，提高硬度特性并消除与成品肥料的运输有关的水。通过在成形之前，向肥料混合物中添加一种或多种硬化剂而提供硬度，所述硬化剂选自由氧化铁、明矾、绿坡缕石粘土(attapulgite clay)、工业糖蜜、木质素(lignon)、木质素磺酸盐(ligno sulfonate)、脲醛聚合剂、以及它们的组合所组成的组中。
本发明的实施方式制得了一种安全且无菌的混合料或肥料，该混合料或肥料优选超过USEPA的A类对含有生物固体的产品的最高要求。本发明的实施方式利用应力状态和保留时间来产生过度扩展温度和压力暴露的高压灭菌效应。该高压灭菌效应可以通过灭菌而破坏存在于所述污泥内的任何微生物，包括：细菌、病毒、真菌、寄生虫、以及寄生虫虫卵。另外，本发明的实施方式优选设计为能够水解多种可以存在于所述污泥内的大分子。应力状态可以包括但不限于：与受控的保留时间相结合的混合料的pH、高压和高温，所述应力状态能够得到比利用十字管反应器技术处理的产品更安全的混合料和/或肥料。例如，在所述压力容器内，本发明的实施方式所使用的保留时间可以为大于1分钟、并优选大于5分钟、且更优选大于20分钟。由于当污泥面临更长时间的应力状态时，可以更好地对所述污泥进行处理，因此控制保留时间的能力是有价值的。通过调节保留时间和应力条件，可以改变处理的等级，并由此对得到的混合料或肥料的性质和质量进行控制。
在本发明的实施方式中经常使用一系列的混合器。任选地，这些混合器可以为加热的，例如：单轴(single shafted)或双轴(double shafted)搅拌器型的混合器，优选利用可调节的宽型(broadshaped)叶片结构的(bladeconfiguration)的共混和混合搅拌器。
本发明的实施方式所制备的肥料的砷、镉、铜、铅、汞、钼、镍、硒、和/或锌的量完全低于用于针对金属的卓越品质(“EQ”)标准，该标准是由USEPA公布的用于市政生物固体的标准。
由于高于该法规的标准并且高于用于大分子(例如：个人药物制品，如抗生素、激素或类激素物质)的水解器(hydrolyser)或压力容器的水解条件，因此，得到的肥料可以更安全地在农场、植物和动物或它们的周边使用。而且，得到的肥料可以安全地被周围的人所使用。
图2提供了本发明的一种实施方式的示意图，其中，该实施方式的过程利用了与铵盐肥料结合的经脱水的市政生物固体。在该实施方式中，待处理的污泥是脱水的生物固体，通常被称为“生物固体蛋糕”。将该生物固体输送到生产设备并进行调理。在初级混合器或搅拌器内，通过剧烈混合进行调理，该调理将触变性污泥或生物固体转变成可以被泵送的混合料或浆料或浆料状的混合料。在所述混合器或搅拌器中，优选添加氧化剂和一定量的浓酸，所述浓酸优选为磷酸。所述氧化剂与存在于所述生物固体内的还原的硫化合物以及其它的恶臭物质反应。所述浓酸将所述生物固体轻微酸化，并且如果为磷酸，还有助于对存在于所述污泥内的恶臭物质进行改性。任选地，在该调理过程中，可以通过在热夹套式的(heat-jacketed)混合器中和/或具有空心搅拌叶片(hollow mixing blades)的混合器中，将所述生物固体暴露于热能下，而将所述生物固体加热，所述空心搅拌叶片可以含有加热的油，从而产生传热的效果。调理之后，将所述生物固体转移到压力容器中，其中，同时添加浓酸和氮源。在本发明的该实施方式中，所述氮源含有碱，例如：无水氨或氨水溶液。形成由生物固体、硫酸铵和磷酸铵构成的混合料。在保留时间内，将该混合料保持为应力状态。该应力状态包括高温和高压。所述高温通常是由于组分的放热反应，该放热反应可以将所述混合料的温度提高212华氏温度(°F)或更高。在这样的温度下，从所述混合料中产生蒸汽。允许该蒸汽在阀控(valve-controlled)释放的条件下离开所述压力容器，从而实现所述混合料的部分干燥。将所述应力状态和保留时间控制为能够使产生的混合料为无菌的状态，并且该混合料含有水解的来自于所述生物固体的大分子。对所述应力状态和保留时间进行控制，还可以导致形成的铵离子与存在的有机分子的熔合，从而产生存在的氮的天然的缓释特性，并使存在于所述生物固体内的多种大分子(例如：蛋白质)变性和/或水解。当这样的分子具有生物活性时，该变性和/或水解使得所述分子的活性降低或失去活性，由此产生更安全的混合料，用于公共用途或暴露使用。
可选择地，不是同时将所述浓酸和所述氮源添加到所述压力容器中，而可以用硫酸铵和/或磷酸铵的热熔体或盐代替来实现与如上所述的同时添加酸和氨相同的效果。作为一个选择，当采用该替换物时，该替换物可以作为物理热能而被应用于所述压力容器。
在一种实施方式中，随后将所述混合料从所述压力容器转移到第二混合器或搅拌器，其中，将该混合料与一种或多种硬化剂混合，必要时，也与添加的营养素混合。如果在压力容器中，熔体是由用过量的酸进行部分氨化而形成的，则也可以向所述混合料中喷洒追加量的含有碱的氮源，以完成氨化，从而形成铵盐，所述碱例如氨，优选气化的氨。
在本发明的实施方式中，优选地，进入喷雾器之前，在所述压力容器和造粒机之后的两个搅拌器中，将液态氨转变成气化的氨。向气化的氨的转变改善了工厂的运行并降低了能量需求。通过加热器，将液态的无水氨转变成过热的氨蒸气，以便在所述压力容器中完成氨化过程。所述加热装置可以为施用于氨输送管路的直接式加热器，或者可以为热交换器，设置所述热交换器以用于回收来自于本发明过程中的其它位置的过剩热能。例如，可以为位于布袋集尘器(baghouse)的下游且位于酸洗涤器上游的干燥器内的排放空气物流。将气化器的氨侧控制在90-120磅/平方英寸(表压)(psig)，且优选为100psig(饱和的氨处于64°F)。氨蒸气为过热的，温度控制为120-200°F，并优选控制为170-180°F。
在循环搅拌器/造粒机的氨喷雾器中，用气化的氨代替液态的氨具有多个好处：完成始于所述压力容器内的氨化过程；通过提高氨的表面积以与未反应的酸接触，从而提高反应效率；通过利用来自于该过程的余热来提高所述造粒机物流的温度，由此提高所述造粒机内的蒸发量并降低干燥器的能量需求，从而提高能量效率；通过给所述搅拌器/造粒机内的反应区提供均匀的氨分布而降低产生的粉尘，并提高颗粒的尺寸和硬度(当在未固化的颗粒内产生高pH的小的局部区域时，液态氨的雾滴可以产生粉尘，而气化氨则消除了该问题)；通过对所述干燥器排放的气体物流进行冷却并利用热能的急冷而降低了对水的需求；或者它们的组合。
接着，通过颗粒化或挤出成为颗粒或球团而对所述混合料进行进一步的处理。将所述颗粒或球团干燥，并使所述颗粒或球团通过一道或多道筛选，以从尺寸适当的材料中分离出尺寸过大的材料和尺寸过小的材料。所述尺寸过大的材料可以在破碎机或粉碎机中进行破碎。接着，可以将所述尺寸过小的材料以及经粉碎的尺寸过大的材料回收至第二混合器或搅拌器，从而促进所述肥料混合料的球团化或颗粒化，形成球团或颗粒。接着，将得到的尺寸适当的球团或颗粒干燥、确定尺寸、涂覆、冷却并贮存。
应该注意的是，当在成形过程中使用传统的造粒机时，在该容器中也可以进行由气化的氨产生的氨化以及添加回收物。
作为来自所述压力容器的蒸汽和来自随后的容器的蒸汽和/或水蒸汽，从所述混合料中脱除的水可以被冷凝，并优选返回所述废水处理厂(WWTP)，或者可以进行处理并排放到紧邻的水源中，或排放到大气中。
本发明的进一步的实施方式涉及通过对所述污泥施以足以使其可以被泵送的力对所述污泥进行混合来对所述污泥进行第一调理，从而处理污泥。可以通过添加一种或多种氧化剂和/或通过添加一种或多种酸来降低所述污泥的pH，而对所述污泥进行进一步的调理。所述调理通常发生在混合器或搅拌器内，任选地，所述混合器或搅拌器可以为加热的。随后，将经调理的污泥添加到压力容器中。一旦压力达到稳态，依次或同时将一种或多种酸以及一种或多种氮源结合到位于所述经调理的污泥内的反应区内。在本发明的实施方式中，所述反应区是依次将各种酸、各种碱、各种氮源、以及它们的任意组合施用于待处理的污泥的最佳区域。基于放置所述污泥的容器的大小，对所述反应区进行优化。所述反应区的大小依赖于酸、碱、和/或氮源的流入量，以及所述污泥的粘度。所述反应区基本位于处于所述压力容器内的所述污泥的底部，优选尽可能低，使得所述压力容器内的材料的重量落在所述反应区上，从而有助于保持由所述放热反应所产生的任何作用力。所述反应区是所述污泥的一部分，将酸、碱、和/或氮源注入该反应区。使用术语“反应区”并不是表明仅在所述反应区内发生反应。尽管反应性组分的初次结合和初级放热反应发生在所述反应区内，但是希望在整个容器内持续发生放热反应。一个或多个氮源中的至少一个含有碱，因此所述酸与所述碱之间可以发生放热反应。接着，在保留时间内，保持该混合料处于应力状态。所述应力状态可以导致包含于所述混合料的污泥组分内的任何大分子(包括蛋白质)部分地水解和/或变性。所述应力状态还可以导致任何个人药物化合物、抗生素、激素、类激素分子、或其它生物活性的化合物部分水解和/或变性。所述应力状态和保留时间可以产生过度扩展的温度和压力暴露的高压灭菌效果，该高压灭菌效果通过杀菌而破坏存在于所述污泥内的任何微生物，所述微生物包括细菌、病毒、真菌、寄生虫、和寄生虫虫卵。所述应力状态可以包括对所述混合料进行搅拌、由于所述混合料的组分的任何放热反应而提高温度和/压力。由所述应力状态而引起的所述混合料的任何温度提高优选超过85℃(185°F)，更优选超过100℃(212°F)，更优选超过121℃(250°F)，且最优选超过126℃(260°F)。由所述应力状态引起的所述混合料的任何压力提高优选超过20磅/平方英寸(psi)，更优选超过30psi，且最优选超过38psi。
本发明的另一实施方式涉及生产肥料的方法，该方法包括：通过对一定量的生物有机污泥(例如：市政脱水生物固体)进行搅拌、氧化和初步酸化而进行调理；在压力容器中，在经调理的生物固体的存在下，在受控的温度、气压、混合料保留时间以及以蒸汽和/或水蒸气的形式脱除水的作用下，同时将浓酸与氨混合，以产生铵熔体(部分氨化的混合料)；以及通过附加混合器对所述经水解的混合料进行进一步的处理，与任选的附加调理剂(conditioner)进行共混，所述附加调理剂例如：氧化铁和进入所述肥料混合物内以控制硬度的至少一种硬化剂；以及用附加的气化的氨或气态氨对所述附加混合器进行喷洒，以完成硫酸铵和/或磷酸铵的成盐作用，接着，在工厂中，通过传统的造粒工艺来生成颗粒状的有机增强的无机肥料。如在颗粒肥料生产中所实行的，所述气化的氨的喷洒也可以在造粒机中进行。当将高铁酸钙、高铁酸钾或高铁酸钠、或者将氧化铁添加到所述混合料中时，所述铁还可以用作成品肥料中的重要营养素，既可以增加产品的价值，又可以提高施加该肥料的目标农作物的性质。
本发明的又一实施方式涉及生产肥料的方法，该方法包括：通过对一定量的生物有机污泥(例如：市政脱水生物固体)进行搅拌和氧化而进行调理；在压力容器中，在经调理的生物固体的存在下，在受控的温度、气压、混合料保留时间以及以蒸汽和/或水蒸气的形式脱除水的作用下，同时将浓酸与氨混合；以及通过附加混合器对所述经水解的混合料进行进一步的处理，在附加混合器内，与任选的附加调理剂进行共混，所述附加调理剂例如：氧化铁、以及进入所述肥料混合物内以控制铵肥产品的硬度的至少一种硬化剂，并且接着，在工厂中，通过传统的造粒工艺来生成颗粒状的有机增强的无机肥料。
本发明的再一实施方式涉及生产肥料的方法，该方法包括：将触变性的污泥混合，以制备可以被泵送的浆料状的混合料；用一种或多种氧化剂对所述混合料进行处理，并在混合器内对触变性的浆料进行酸化，以制备第一调理混合物；用过量的酸来获取高温无机肥料的熔体，该熔体由部分氨化的混合料构成，含有硫酸铵和/或磷酸铵；在压力容器中，在受控的气压和混合料保留时间的作用下，将该热熔体与经调理混合物共混以制备第二混合物，并从所述混合料中脱除水(以蒸汽和水蒸气的形式)，所述压力容器的温度为超过85℃(185°F)，且优选超过100℃(212°F)；在附加混合器中对所述第二混合料进行进一步的处理，以与任选的附加调理剂共混，所述附加调理剂例如：氧化铁、以及至少一种进入肥料的内部以控制硬度的硬化剂，并用气化的氨对所述附加混合器进行喷洒，以完成硫酸铵和/或磷酸铵的成盐；继续从第三混合物中脱除水，以制备可以用传统的造粒工艺或挤出技术进行进一步处理的材料；以及由所述第三混合物生成最终的肥料产品。所述气化氨的喷洒也可以在造粒机中进行。
本发明的再一实施方式涉及生产肥料的方法，该方法包括：将触变性的有机污泥混合，以制备可以被泵送的浆料状的混合料；用氧化剂对所述混合料进行处理，并在混合器内，用磷酸对该浆料进行酸化，以制备第一混合物；获取高温无机肥料的盐，该无机肥料的盐含有硫酸铵和/或磷酸铵；在压力容器中，在受控的气压和混合料保留时间的作用下，将该热盐与所述第一混合物共混以制备第二混合物，并从所述混合料中脱除水(以蒸汽和水蒸气的形式)，该压力容器的温度为超过85℃(185°F)，且优选超过100℃(212°F)；与任选的附加调理剂共混，所述附加调理剂例如：氧化铁、以及进入肥料组合物的内部以控制硬度的至少一种硬化剂；继续从该第三混合物中脱除水，以制备可以用传统的造粒工艺或挤出技术进行进一步处理的材料；以及由所述第三混合物生成肥料成品。
本发明再一实施方式涉及生产肥料的方法，该方法包括：将触变性的有机污泥混合，以制备可以被泵送的浆料状的混合料；在第一搅拌器或混合器中(图5中的搅拌器A)，用一种或多种氧化剂对所述混合料进行调理，以制备第一碱性混合物，所述氧化剂优选为高铁酸钙；接着，将该经调理的混合料排放到第二搅拌器或混合器(图5中的搅拌器B)中，将氨源添加到该第二搅拌器或混合器中。在该实施方式中，氨水溶液用作碱。随后，该第二混合器将其中的碱性的氨化混合料排放到压力容器中。所述压力容器可以接收浓硫酸，以制备含有硫酸铵的高温无机肥料的熔体。在该实施方式中，也可以将磷酸添加到所述压力容器中，以制备磷酸铵。由于如果早期将磷酸添加到第一搅拌器中，随后在搅拌器B中将发生不需要的放热反应，因此将该磷酸添加到所述压力容器中，而不是如其它实施方式一样将磷酸添加到第一搅拌器中。在受控的气压、混合料的保留时间以及从所述混合料中脱除水的作用下，所述压力容器内的放热反应所获得的温度高于100℃(212°F)，并优选高于280°F；将该肥料混合料排放到附加搅拌器或混合器中，其中使用气化的氨以完成铵盐的形成，并与任选的附加调理剂共混，所述附加的调理剂例如：氧化铁、以及进入所述肥料混合物的内部以控制硬度的至少一种硬化剂；继续从所述第三混合物中脱除水，以制备可以用传统的造粒工艺或挤出技术进行进一步的处理的材料；以及由所述第三混合物生成肥料成品。
选择性地，本发明的该实施方式涉及生产肥料的方法，该方法包括：将触变性的有机污泥混合，以制备可以被泵送的浆料状的混合料；在第一搅拌器或混合器中(搅拌器A)，用一种或多种氧化剂对所述混合料进行调理，所述氧化剂优选为高铁酸钙，并用磷酸对该浆料进行酸化，以制备第一混合物；接着，将该经调理的混合料排放到第二搅拌器或混合器中(搅拌器B)，浓酸或氨水溶液(但不是二者)流入到所述第二搅拌器或混合器。然后，将第二混合器中的混合料排放到压力容器中。所述压力容器接收氨源，在受控的气压和混合料保留时间的作用下，由此而获得主要含有硫酸铵的高温无机肥料的熔体，该熔体具有少量的磷酸铵，温度高于100℃(212°F)，且优选高于280°F；从所述混合料中脱除水(以蒸汽和水蒸气的形式)；将该肥料混合料排放到附加搅拌器或混合器中，使用气化的氨在该搅拌器或混合器中完成铵盐的形成，并与任选的附加调理剂共混，所述附加的调理剂例如：氧化铁、以及进入该肥料混合物的内部以控制硬度的至少一种硬化剂；继续从该第三混合物中脱除水，以制备可以用传统的造粒工艺或挤出技术进行进一步的处理的材料；以及由所述第三混合物生成肥料成品。
本发明的再一实施方式涉及生产肥料的方法，该方法采用上述实施方式的方式，但是用热力干燥的生物固体或有机污泥代替如上所述的脱水的生物固体蛋糕，该方法如图9所示。所述干燥的生物固体的固体百分数的范围为30-99.9％。但优选的通常的固体百分数的范围为90-99％，从而根据由USEPA所管理的用于生物固体或含有生物固体的材料的带菌物吸引标准，可以将该干燥的生物固体列为A类。如果所获得的干燥的生物固体或有机污泥材料为球团或颗粒，则在加水以及随后在暴露于氧化剂并进行酸化之前，应当将该干燥的生物固体或有机污泥材料碾磨成粉末。接着，可以通过上面的实施方式所描述的过程的剩余部分对该调理的污泥进行处理。
本发明再一实施方式涉及生产肥料的方法，该方法采用上述的实施方式的方式，但替代使用三个压力容器，以采用如图8所示的“批量连续”的方式运行该过程。使用的三个容器中，一个容器是充满的，一个容器用于反应，而第三个容器是清空的。在该过程的反应阶段中，如此使用多个容器可以对温度、气压和保留时间进行控制。添加化学制品、混合、反应、氨化、脱除水以及造粒或挤出，可以按照上述实施方式中任意一种所描述的方式进行。
本发明的另外的实施方式接受脱水的或干燥的生物固体，但不采用上面的实施方式所描述的方式对它们进行调理。相反，仅将所述生物固体搅拌成可以被泵送的状态；任选地，如果有必要，甚至可以添加水。接着，按照与上述实施方式相同的方式对这些可以被泵送的生物固体进行处理。可以在第二混合器或搅拌器中，添加或清除所述氧化剂以及任选的用于控制pH的附加的磷酸、营养素添加剂和自氧化抑制剂，所述第二混合器或搅拌器位于所述压力容器之后。所述生物固体的处理过程的剩余部分可以按照如上所描述的实施方式中描述的方式进行。不应该将该方法与其它实施方式一样视作最优化的方法，而应视为用于制备高含氮量的生物有机增强的无机肥料的一种潜在的方法。
图3中的框图构建了最初在图2中描述的AM生产过程的其它细节，并在图4中详细描述了本发明的优选实施方式。图3中的过程表明：在用于脱水的生物固体的AM过程中，引入的生物固体或有机污泥的固体百分数可以在17-32％的范围内变化。[该过程的另一实施方式将在下文中进行详细地描述，已经被进一步干燥的生物固体也可以用图9中称为PB的过程进行加工，得到高含氮的肥料。在该PB实施方式中，所述生物固体的固体百分数处于33-100％的范围内。当本质上为干燥的固体时，将所述生物固体碾磨成粉末并接着进行进一步的处理。]
图3表明，输送到AM工厂的生物固体的固体百分数处于12-40％的范围内，更通常地处于18-30％的范围内。所述输送可以通过来自所述废水处理厂(“WWTP”)的输送机或管道进行，也可以通过使用卡车、火车或驳船的传统交通运输进行。一旦到达工厂，使脱水的污泥301通过块料破碎机(lump breaker)或筛选装置，以清除可能损害或破坏泵或该过程中的其它设备的大的外来物。将所述污泥置于缓冲罐(surge tank)、储存罐、筒仓(silo)或活底料仓(live bottom bin)中，用于积累和贮存，直至进行处理。优选地，可以将输送的固体置于储存罐或筒仓中，并接着转移到第一混合设备中，进行调理。
如果在进入缓冲罐之前没有对生物固体进行筛选，以清除污染物，则优选使所述生物固体通过块料破碎设备或筛选装置302，以清除各种金属、岩石或其它大的外来物，从而保护在后续过程中使用的泵送设备和共混设备。接着，通过螺旋输送机或泵将该固体转移到第一混合或调理设备303。该固体调理设备优选为双轴(dual-shafted)夹套式(用于任选的加热)的搅拌器，该搅拌器包括叶片，当所述搅拌器的内含物通过所述搅拌器的水平段长度时，该叶片所成的角度可以彻底地将所述内含物混合。混合过程308通过充分地混合和搅拌作用而对所述触变性的脱水生物固体进行初级调理，从而产生可以被泵送的浆料。接着，用氧化剂306和所述氧化剂的混合物对该材料进行进一步的调理，所述氧化剂306可以选自由高铁酸钙、高铁酸钠、高铁酸钾、臭氧、过氧化氢、次氯酸钙、次氯酸钠、次氯酸钾、二氧化氯(chlorinedioxide)以及氧气本身所组成的组中。在图3所描述的本发明的优选地实施方式中，将高铁酸钙注入到初级混合设备或搅拌器中，用于氧化存在于所述生物固体内的还原的硫化合物以及其中所包含的其它恶臭物质。在破坏存在于所述生物固体内的恶臭物质方面，以进入到1#搅拌器的湿态生物固体计，当高铁酸盐氧化剂的用量为1-10体积％，并优选为2-5体积％时，所述高铁酸盐氧化剂十分有效。而且，所述高铁酸钙(和/或其它高铁酸盐)可以启动水解过程，该水解过程用于使包含于所述生物固体内的大分子(例如：蛋白质)部分地降解或变性。此外，在初级搅拌器内进行的调理过程还包括：引入浓酸304、优选磷酸310、且更优选浓度至少为50％的浓磷酸，从而在该初级混合器内产生酸性的浆料。任选地，可以将来自于空气洗涤设备的处理水和排污水注入到所述初级混合器内，或者如果有必要，可以在所述块料破碎机之前，直接注入所述污泥。本发明旨在将添加到该生产程序中的水的量最小化，从而降低脱水所需要的能量需求。
与一种或多种氧化剂和浓酸(优选磷酸)的混合，启动了气味控制过程并将所述生物有机物质酸化至pH为4.0-6.9的水平、优选pH为4.5-6.0。采用磷酸的该处理还提供了一定水平的耐氧化加热(oxidative heating)的能力，所述氧化加热发生在对含有有机物的颗粒成品进行长期贮存时，例如：所述氧化加热通常发生于热力干燥的生物固体球团。在所述初级调理设备中进行的加热和混合311，产生可以被泵送的浆料308。在本发明的一种实施方式中，在压力容器中，优选将浆料加热以控制气味，并制备用于与浓酸以及氨混合的生物固体。优选利用加热的混合设备而将所述调理热能赋予所述生物固体，其中，通过加热的轴、加热的桨式叶片或所述混合设备机体周围的加热的夹套而使热量转移。可以将该混合料加热至80°F，优选95°F，且更优选111°F。另外，在调理过程中，可以从添加的氧化剂和浓酸中获取一些热量。
尽管离开初级混合器的浆料或混合料的温度可以为室温，但是优选离开初级混合器的浆料或混合料的温度为27℃(80°F)，优选35℃(95°F)，且更优选所述温度超过44℃(111°F)。在温度为44℃(111°F)时，开始破坏微生物。所有的高温都可以赋予所述混合料以流动性和塑性，有利于调理过程本身以及随后在所述压力容器中与酸和氨的相互作用。在所述生物有机材料中构建比室温更高的温度，以确保：有利地将包含于铵盐中的热量能用于杀灭或至少足以灭活包含于所述生物有机物质中的(特别是市政生物固体中的)所有有害的病原体(例如：细菌、病毒、真菌和寄生病原体)，特别是当使用氨水溶液来形成硫酸铵或磷酸铵时，因为施用氨水溶液时放热反应所释放的热量较少。
搅拌器或混合器303、314具有卧式的混合室，该混合室具有安装在动力驱动或高速旋转的一根或多根轴上的叶片型的共混元件，该共混元件一秒钟多次对被共混的材料进行分割、混合、回混以及二次分割，从而得到完全、均匀并具有可靠的一致性的共混物。在该处理程序中使用的共混器(blender)、搅拌器和/或混合器，可以通过加热的轴和/或加热的中空螺旋叶片机构来各自独立地进行加热，或利用该设备周围的夹套式套管来加热。加热是可调节的，以在与热的铵盐进行共混之前，提供加热的浆料。任选地，也可以将热量施用于第二混合设备314，特别是当使用氨水溶液时优选施用于搅拌器，其中，所述氨水溶液添加有硬化剂、在喷洒气化的氨或气态氨时所使用的任选的pH调节剂、以及干燥的回收物。
通过调理以确保混合料具有注入所述压力容器所需的适当的一致性。在本发明的优选地实施方式中，在压力容器313中，将无水氨(99％的氨)以及必要时(许可条件所要求)的氨水溶液305与浓硫酸309共混，与或不与浓磷酸共混。所述反应器是由预中和容器(preneutralizer vessel)改造成用于本发明的目的的，所述预中和容器是肥料工业中通常使用的，特别是在开发出十字管反应器之前，所述预中和容器与国际肥料发展组织(IFDC)在肥料手册(Fertilizer Manual)和Sephri-nix在肥料技术数据图书(Fertilizer TechnicalData Book)中所描述的相同。所述改造是Sephri-nix在肥料技术数据图书的第194页所描述的预中和容器的更替。具体地，本发明实施例1中的容器被设计为具有单一直径，从容器的底部接收经调理的生物固体，并且硫酸和氨都正好位于生物固体输入端的上方。使所述酸与所述氨反应，从而形成硫酸铵和磷酸铵，由此，通过经调理的混合料、硫酸铵和/或磷酸铵的相互作用而形成肥料混合料。在本发明的优选地实施方式中，通过使该容器内的所述酸部分氨化而形成熔体。与使注入的酸完全氨化所形成的盐相比，将所述酸部分氨化可以改善肥料混合料的流动性，并有利于将所述肥料混合料排放到生产工序314的第二搅拌器中。
硫酸铵/磷酸铵的熔体的温度优选为高于100℃(212°F)，且优选为高于121℃(250°F)，并更优选为高于126℃(260°F)。所述压力容器内的必要的接触时间可以为至少1分钟，优选范围为5-30分钟，更优选的范围为10-20分钟，正常操作的优选保留时间为约15分钟。
可以预见的是，如图6所示，所述压力容器可以包括使用旋转桨或叶片的搅拌能力。在所述压力容器内对所述混合料进行这样的搅拌将有助于确保所述浆料的均匀且受控制的反应。该搅拌还可以防止所述混合料的固结，并有利于将所述混合料排放到第二搅拌器内。
所述压力容器313的方向与通过控制阀释放的物流方向垂直，所述控制阀位于所述容器的上端，从而可以对所述容器内的气压进行控制。而且，该压力高于20磅/平方英寸(绝对值)(psia)，且优选高于30psia，并更优选高于38psia，将该压力与所述容器内所维持的温度和pH结合，使得大分子在该容器内发生化学变化。由将热量和压力结合所引起的化学变化包括：蛋白质分子的部分变性、一些蛋白质分子的水解、以及其它有机化合物的水解。由于生物活性的丧失通常与存在于所述生物固体中的所述化合物(例如：个人药物、抗生素、激素、以及其它生物活性的有机化合物)相关联，因此该变性和水解将导致更安全的最终产品的生成。
另外，应该认识到的是，产生于所述压力容器313内的高应力(即，本发明的压力和温度)对该生物有机材料进行消毒，从而得到更安全、低毒的肥料。通过检测是否缺失存活的微生物来评价消毒。
可以发生从所述混合料和压力容器中排出蒸汽和水蒸气的通风暴露时间的后续成效(following achievement)，从而通过将来自于酸和氨的化学反应的能量赋予所述混合料，以将所述混合料部分地干燥。
继续地在所述压力容器314之后的第二混合器或搅拌器中对混合物进行干燥，并可以延续到成型设备(例如：造粒机)中，直至在如旋转滚筒干燥器或流化床干燥器在内的干燥器323中完成干燥。通过注入气化的氨而在所述压力容器之后的所述第二混合器或搅拌器中完成氨化，或者任选地，通过将气化的氨或气态氨注入到所述造粒机中而完成所述氨化。
在一个优选的实施方式中，用酸对处理空气进行洗涤，以清除任何逸出的恶臭物质，特别是气化的氨或气态氨。将捕获的氨作为铵盐而混合入初级搅拌器或混合器中，由此提高整个系统的效率，并使成品肥料中的最终的氮含量最大化。混杂残留物包括粉尘335、不符合规格的(non-specification)或回收的产品336、以及干燥的肥料，该干燥的肥料为过小的物质或尺寸不够的物质327、或者尺寸过大的物质329，将尺寸过大的物质329在破碎或碾磨设备330中进行破碎，所述混杂残留物还可以包括其他添加剂，例如：客户优选添加到成品肥料组合物中的铁337，该铁337被添加到位于所述压力容器的下游的第二搅拌器或混合器314中。
在结束所述干燥过程之前，将一种或多种硬化剂316添加到所述第二搅拌器314中，所述硬化剂316有助于使所述混合料团聚并对干燥的球团或颗粒324的硬度有利。所述一种或多种硬化剂选自由绿坡缕石粘土、木质素、工业糖蜜、以及明矾225、其他硬化剂、或上述硬化剂的混合物。
任选地，根据客户的需求，优选将附加的植物营养素317添加到所述第二搅拌器中，所述附加的植物营养素例如：碳酸钾、或其它形式的钾，如氢氧化钾。可以添加的固体营养素包括：尿素、硝酸铵、磷酸二氢铵、磷酸二铵、和/或碳酸钾。也可以在该第二搅拌器中添加任何所需的附加的铁。铁可以具有不同的价态，但是在该过程中，优选被称作磁铁矿(Fe3O4)的铁化合物。铁为肥料混合料提供了重要的有价值的植物营养素。
此外，可以将附加的氨喷洒到第二搅拌器314和造粒机319中，以形成铵盐，以对所述混合料的pH进行控制，以及便于成品颗粒或球团的形成。用于调节所述pH的固体可以为主要选自由碳酸钙、氢氧化钠、氧化钙、水泥窑粉尘(cement kiln dust)、石灰矿渣、C级飞灰、F级飞灰、多级燃烧器灰分(multistage burner ash)、明矾、来自水处理的明矾污泥、以及草木灰所组成的组中的碱性试剂。通过螺旋输送机针对每种化合物采用特定的速度来添加上述用于调节pH的固体。液体添加剂也可以包括pH调节物质，例如：酸(如磷酸或硫酸)或碱性溶液(如氢氧化钠)。将上述液体添加剂以各自的速度泵送到注入环(injection ring)内，从而进入搅拌器#2。
另外，除在喷洒期间添加的所述气化的氨以外，可以将pH控制剂315添加到第二混合器314中，以提高所述混合料的pH，所述pH控制剂315的形式为一组或多组的碱性材料，例如：氧化钙、氢氧化钙、氢氧化钾、或者其它金属氧化物或金属氢氧化物、无水氨、水泥窑粉尘、石灰矿渣、流化床灰分、C级飞灰以及F级飞灰。本发明的肥料产品的pH优选为5.0-7.0，更优选为5.5-6.5(230)，且更优选为5.7-6.3。
用于球团或颗粒的制备320中的成型319的处理过程的剩余部分包括：专门用于高体积吞吐量工厂(high volume throughput plants)的标准肥料颗粒化技术。特别是在吞吐量较小的工厂(所述吞吐量较小的工厂被认为是那些产量低于25吨/天的工厂)中，球团或颗粒产品可以涉及多项革新技术，例如：在注入或挤出之后对该球团或颗粒进行碾磨或球化，或者涉及使来自造粒机中或造粒碾泥机的排放简化。当使用造粒机或造粒碾泥机时，优选将一些回收物228进料到第二搅拌器314以及造粒机中，从而将存在于所述混合料中的水分百分数(percent moisture)调节至可以在颗粒形成过程中发生团聚或成核的水平，所述回收物例如：处于干态的种子材料，即，干燥的细粉327、以及由破碎机或碾磨机330制备的细粉、或低规格或回收的肥料产品材料。
其它优选地实施方式包括：对本文所公开的过程进行调节，从而对pH、干燥度、产品中的营养素、形状、浓度等进行控制，以制备大量专门用于不同的植物的肥料以及诸如猫砂(cat litters)的产品，所述植物例如：玫瑰、杜鹃、以及其它任何花卉、蔬菜、香草。也可以根据产品所使用的地理区域来进行调整，从而改变例如营养素，所述营养素可以是内在的或者区域内缺乏的。这种改变的实例包括添加不同量的钙、钾或磷。缓释型肥料是本发明的优选地实施方式。
在其它优选地实施方式中，将部分干燥的物质直接注入到立式流动床干燥机中，从而在一步中制备干燥的颗粒。
使用卧式流动床干燥机或滚筒式干燥机来进行用于最终干燥323的常规干燥322。干燥的球团或颗粒324的固体百分数高于90％，且优选高于95％，并更优选高于98％，甚至更优选为高于99.5％，接着通过一道或多道筛选326来标定尺寸325。尺寸规格可以根据客户的需求而改变，但是，适于销售的产品的尺寸范围为0.7-3.2mm，用于常规尺寸的肥料的商品化尺寸范围为2-3mm。本发明还可以生产极小尺寸的产品，该产品适于在高尔夫球场中使用，其尺寸范围为0.7-1.3mm。将尺寸适当的材料分离出来，然后进行涂覆，接着在设备332中冷却331至低于140°F，优选低于130°F，且更优选低于120°F，所述设备332优选为滚筒。优选在与冷却相同的容器中对颗粒或球团进行涂覆，该涂覆通常是在使用环境空气或来自氨气化冷却器的冷却空气的滚筒设备中进行的。在进入所述冷却容器之前，涂覆可以在专门用于涂覆目的的涂覆容器中进行。涂覆采用除尘剂(deduster)或覆盖材料(glazing material)，所述除尘剂或覆盖材料将运输、贮存和施用过程中产生的粉尘最小化。接着，将成品颗粒或球团333输送到仓库334，作为成品的高氮含量的生物有机增强的无机铵肥，直到从生产地点装运。进行了适当涂覆和干燥的球团或颗粒的硬度可以耐高于5磅的挤压变形，从而可以抵抗在运输、装船和应用过程中进行的除尘和装卸。所述涂覆操作中可以预见的是，当使用除尘剂涂层或覆盖材料时，通常需要更高的温度(通常为180°F)，从而维持应用于该涂覆设备中的熔融的状态。
通常结合有用于容纳所述颗粒的箱柜或筒仓的颗粒贮存设备或仓库，必须进行干燥，以防止所述颗粒的团聚作用，从而导致等级的下降和破坏。最终的产品为无菌的肥料，基本上不具有可检测量的存活的微生物，例如：对动物或人类有害的大肠杆菌(E.coli)或链球菌(streptococci)。基本无存活的微生物表明该肥料是无毒的，并且不具有可检测量或可检测量正好低于安全处理的门槛和源自所述污泥或生物固体的微生物的使用门槛。尽管生产过程使得所述肥料是无菌的，但是可以预计的是，在贮存或使用期间，所述肥料可以被空气传播的微生物或者被动物遗留的微生物或其它污染物所污染。无论如何，由于该肥料产品是干燥的，并且占据主导地位的是无机铵盐，因此该肥料产品不会以将导致公共健康问题的速度为微生物的繁殖提供支持。
在上述实施方式中，有时也有必要在正常的运行过程中定时关闭工厂设备，以进行检查、维修或替换。根据特定的情况，上述操作的力度有所不同。在一些实施方式中，当采用由工厂控制处理器提供的自动命令程序时，可以自动关闭；在其它实施方式中，关闭是通过手动来实现的。
如果需要限定性的关闭设备的个别部分(例如：第一搅拌器)，可以终止进入所述搅拌器的生物固体物流，并将该单元清空，尽可能使该单元所包含的混合材料进入进料泵，并接着进入所述压力容器。如果需要对所述搅拌器进行进一步的清空，则将关闭分流阀(diverter valve)并用处理水来冲洗该单元和进料泵，从而使排出的流体进入回收肥料混合料管路(如图7所示)，并返回所述生物固体缓冲罐。在该情形中，防止处理水进入所述压力容器，所述压力容器仍处于运行状态并以其正常的排放方式排空。当肥料混合料下降到低于正常的排放点时，处于排放状态的分流阀关闭了密封着的所述压力容器的正常排放。然后，变换位于所述压力容器的底部的分流阀，使得压缩空气进入所述压力容器的顶部空间，而迫使残留的物质进入所述回收肥料混合料管路。如果需要进一步的清洗，随后将处理水注入所述压力容器而对该压力容器进行冲洗，接着用压缩空气来吹扫水。所述压力容器之后的第二搅拌器、造粒机、干燥器以及所有后续设备的清洗是通过使上述设备运转直至清空了这些容器而实现的。
本发明的肥料优选通过化学方法而调节至满足高氮肥料的要求，该高氮肥料要求含有显著量的磷、硫和铁，以提高氮(N)含量的指标，以重量百分数计，该氮含量的指标为8-18重量％，优选为15重量％，这使得本发明的肥料具有重要的商业价值。
图4进一步描述了图3所提出的方法，并如实践所预期的，为本发明的首要的实施方式，图4表明了经过生产过程中所使用的连续的设备的通道、需要处理的添加剂和成品肥料的生产、以及所使用的气味控制系统。
在一个改进的优选的实施方式中，在搅拌器#1中，可以添加两种其它的氧化性材料。添加浓度为25-50％的液体过氧化氢，通过对泵进行控制而使进入该搅拌器#117的液体过氧化氢的输送速率为生物固体的1-5％。此外，可以通过螺旋输送机将固体次氯酸钙输送到粉碎碾磨机(pulverizingmill)，接着输送到添加剂端口(additive port)，输送速率为进入该搅拌器#1的生物固体的体积的1-5％。在添加到搅拌器#2之前，附加的气味控制剂、固体氧化铁(Fe3O4，也被称为磁铁矿9)优选使用螺旋输送机21以速度26添加到碾磨机29中，以进行粉碎和粉末化。使用碾磨的重要性在于：可以将与存在于生物固体内的恶臭物质的分子接触的上述固体材料最优化。此处添加的铁不仅起到附加的气味控制剂的作用，而且可以作为重要的植物营养素，从而增强了成品肥料产品的有效性和价值。
在本发明的其它实施方式中，除了含有不过量的酸残留物的最终的铵盐是在压力或水解容器中形成的之外，该过程与先前实施方式所描述的基本相同。这消除了在所述第二混合器、搅拌器和/或造粒机中喷洒氨的必要性。
除了在独立的容器中生成含有硫酸铵的极热的部分氨化熔体以外，本发明的又一实施方式与先前描述的实施方式基本相同，所述极热的部分氨化熔体含有或不含有一定量的磷酸铵以及过量的酸，所述独立的容器例如：预中和器或十字管反应器，在该独立的容器之后，将所述熔体直接转移至压力容器，从而赋予热量和压力，从而将该经调理的混合料消毒。使用气化的氨来喷洒氨，并可以在第二混合器或者搅拌器和/或造粒机中进行，以使氨化完全、对pH进行控制并生成铵盐肥料。
在本发明的又一实施方式中，除了所述压力容器中生产的不是熔体而是硫酸氨的完全氨化的盐以外，该过程与先前的实施方式中描述的相同，该完全氨化的盐可以含或不含磷酸铵，且含有不过量的酸。在第二混合器或者搅拌器和/或造粒机中不必喷洒氨。
除了用更干燥的污泥、球团、干燥的有机球团或生物固体代替脱水的有机污泥或生物固体来进行处理以外，可以采用与上面的实施方式中的任意一个相同的方式来实施本发明的另一实施方式。可以向起始原料中添加水，也可以不添加水，所述起始原料可以具有12-40％的固体，或优选具有18-30％的固体。该实施方式的优选干燥度为固体百分数高于90重量％，通常接收在市政废水处理厂生产的热力干燥的生物固体球团。该干燥的球团或颗粒通常含有低于6重量％的氮，且更通常含有低于4重量％的氨，因此不是商业化的肥料销售系统所希望的。该实施方式给出将所述干燥的低氮球团或颗粒转变成高氮且有机增强的铵肥的教导。将接收的干燥的球团或颗粒碾磨成粉末，从而有利于通过使用氧化剂、酸以及必要时添加的水(所述水优选为来自于该过程的后续步骤的处理水或冷凝水)，来生产可泵送的浆料状的材料。
本发明的其它实施方式如本发明的图8所示，所述生物固体离开搅拌器#1并进入三个压力容器中的一个。将接收压力容器标记为PV-1。在受控的速率下，通过阀将所述生物固体混合料转移至PV-1。三个压力容器中的每一个都可以用热油进行加热，所述热油通过这三个压力容器中每一个的四周的夹套。在装填操作期间，通过旋转叶片对所述压力容器内的生物固体进行搅拌。同时，伴随生物固体的添加，以受控的速率，通过阀使液态的热的或熔融的铵盐混合物进入该PV-1。通过将浓硫酸和/或磷酸与无水氨(浓度为99.5％)或氨水溶液结合在一起，在反应器(R1)中产生该铵盐混合物，所述氨水溶液是通过泵进行添加的，以氨的浓度计，泵送的速率为18-28％。所述硫酸和磷酸是通过泵分别进行添加的，使得当与生物固体混合时，生成的硫酸铵和磷酸铵可以制备高氮肥料，例如：以最终的肥料产品的重量计，氮浓度为15重量％。进一步对硫酸和磷酸的结合进行控制，使得相对于氨的量，添加到该反应器中的酸是稍微过量的。这使得最终的铵盐混合物的出口处的pH约为pH4-6.5。该反应器的尺寸被设置为：停留时间足以使所述酸和添加的氨之间发生反应，并使得该反应结束时所排出未反应的氨的量最小。如果形成熔体，则所添加的氨的量不足以与添加的所有酸都反应，必须在后续的容器添加气化的氨。
浓酸或酸与氨之间的反应是剧烈的放热反应。该反应产生大量热，该热借助于以过热蒸汽的形式存在的任何水而将得到的铵盐维持为可溶的熔融状态。所述剧烈的放热反应也可以在所述压力容器内产生相当高的压力。根据反应中所使用的氨的性质，该铵盐混合料的温度特性高于100℃(212°F)，优选高于121℃(250°F)，并更优选高于126℃(260°F)。如果使用无水氨，与使用氨水溶液(特别是含有21％的N的氨水溶液)相比，温度将高得多。
氨熔体或盐的温度和流动度维持为，当该氨熔体或盐与生物固体混合料在接收压力容器内共混时，该共混物的温度可以超过100℃(212°F)，并优选超过126℃(260°F)。更高的温度有利于所述生物固体内的蛋白质和肽在酸性环境下的水解，从而给最终的肥料产品带来有利的性质，与不含所述有机物质的肥料(即，硫酸铵、磷酸铵或尿素肥料)相比，该有利的性质可以提高农作物的产量。
当接收压力容器的装填循环完成时，将该压力容器标记为PV-2或反应容器。该反应容器内的时间等于生物固体装填PV-1并在PV-1进行混合所耗费的时间。所述反应时间大于1分钟并小于20分钟。优选地，将该体系构建为在每个容器内的停留时间至少为5分钟。在PV-2中的停留时间期间，搅拌叶片对该压力容器的内含物进行连续地混合，这是因为所发生的放热反应是在相当高的压力下进行的。依赖于允许的放热反应的水平，所述压力的范围为20-45psia。当使用无水氨与浓酸进行反应时，所述压力的范围为25-45psia。当使用氮含量为21％的氨水溶液时，气压范围为16-25psia，因为该反应混合物中的水的百分数提高了。在该实施方式中，可以将外部的热量施用于所述压力容器，从而使得温度和压力达到或超过260°F和30psia。当在PV-2中的停留时间结束时，所述压力容器内的生物固体-氨共混物以及其内含物被标记为压力容器3或PV-3，用于清空循环。所述清空循环等于装填循环和反应循环所用的时间。在清空循环期间，将所述生物固体转移至搅拌器或混合器#2.
作为最后一种实施方式的总结，本发明的过程中的反应阶段利用三个压力容器，这三个压力容器中的每一个都能够完成所有相同的功能，但是每一个反应器都以相同的速率依次运行，使得一个是充满的，一个用于反应，而一个是清空的。可以将该生产系统视为批处理系统，发生在所述压力容器中的反应因此需要至少三个同时运行的压力容器。
下面的实施例说明了本发明的优选的实施方式的实践，但是，这些实施例不应当被视为限定本发明的范围。
实施例1
在该实施例中，如图4和图10中的图表所示，通过邻近废水处理厂的输送机，直接接收事先脱水到22％的厌氧菌分解的生物固体。在肥料生产厂的接收区域，接收的生物固体首先通过团块破碎装置(lumpbuster device)，从而筛选出大的杂质岩石或金属，然后进入一个大型缓冲罐(容量为24000加仑)。离开所述缓冲罐的生物固体到达一个容积式泵(positive displacementpump)，该容积式泵随后将污泥以6600磅/小时的速率泵送到第一搅拌器(双轴)，以进行调理和混合。
所建立的生产厂平均每小时可以生产3吨22％的湿态的生物固体，在1年内，该生产厂以90％的效率运行。为了确保该输出量，工厂在每小时输入3.3吨湿态的生物固体的基础上，每小时生成3.8吨干态的成品肥料产品(污泥对产品的比例为1.15)，成品肥料产品的肥料营养素比例为15-2-0-16-1-20(N-P-K-S-Fe-有机物，以成品肥料的重量计)。该肥料完全可以与美国国内和国际商业肥料市场上的肥料竞争，并可以带来相当可观的价值。
将所述第一搅拌器配制为双轴，并具有可调节的叶片角度，所设置的叶片角度用于将所述触变性的生物固体剧烈搅拌成可被泵送的浆料状的物质，所述第一搅拌器可以进行旋转和来回运动。在该实施方式中，通过热油而将热量施用于该搅拌器，所述热油的温度保持为350°F。所述热油流经所述搅拌器周围的钢夹套，由于从在所述初级搅拌器中添加的氧化剂和添加的酸中也可以产生一些热量，因此当所述生物固体从所述搅拌器中离开时，有助于将所述生物固体温暖至约80°F。接着，将高铁酸钙(以铁计含有4％的高铁酸盐的水溶液)从贮液器中进行泵送，由高铁酸盐处理技术提供的高铁酸盐发生器来充满所述贮液器，所述泵送的速率以所述生物固体的体积计为5％，即每6600磅湿态的生物固体泵送约150磅干态的高铁酸钙。
添加了氧化剂之后，将浓磷酸(纯度为54％的黑色农业级(blackagriculture grade))添加到搅拌器#1内的生物固体中。酸处理使所述生物固体酸化，并启动了气味处理，赋予成品颗粒以一定的耐氧化加热性，同时将磷酸盐营养素增加到最后的值。
搅拌器#1输出的是经调理的、温暖的、共混的混合料。由于氧化处理，在该过程中的该位置处，所述混合料的气味已经得到控制。所述经调理的生物固体以超过8100磅/小时的速率离开搅拌器#1，并进入排列有不锈钢砖的压力容器。在泵送无水氨(99.5％)的同时，将浓度为93％的硫酸泵送到该压力容器的下部的三分之一处。该实施例中所使用的压力容器的详图如图6所示。在该压力容器中发生剧烈的放热反应，伴随放热，在整个容器中产生的热量达到287°F。该热量使得所述混合料内的水转变成蒸汽，并且所述容器内的压力升高到约40psia。由于添加的氨的量不足以使添加的酸完全氨化(即，保留约10％的氨(以气化的氨的形式)用于稍后喷洒到第二搅拌器和造粒机中)，因此所述酸与氨之间的反应生成氨熔体。在该容器中生成熔体提高了所述混合料的流动度，并有利于该容器内的均匀混合，这是在两个巨大的桨机构的旋转搅拌的帮助下实现的。所述肥料混合料在该压力容器中停留15分钟。所述搅拌和伴随该腔室的顶部空间内的高压力的流动度促使所述肥料混合料离开该容器，并传递到第二混合器或搅拌器。
所述压力容器内的高温、高压和物理搅拌有利于处于酸性环境下的所述生物固体内的蛋白质和肽的部分水解，从而产生对最终的肥料产品有利的性质。这些性质包括：与不含所述有机物的肥料(即，传统的硫酸铵、磷酸铵或尿素肥料)相比，可以提高农作物的产量，并且也是安全的。由于所述应力可以破坏包含于所述生物固体内的生物活性化合物，因此得到的物质可以安全地使用。而且，所述热量和压力可以对所述肥料混合料进行消毒，从而使得该肥料混合料超过USEPA的A类病原体的规定，该规定适用于含有生物固体的材料。离开所述压力容器的肥料混合料的重量超过12800磅。超过600磅的水以蒸汽和水蒸气的形式从所述压力容器中闪蒸出来(flash off)。
在搅拌器#2中，将约40磅的Fe3O4形式的氧化铁从筒仓中添加到所述肥料混合料中，使得最终的产品中的铁(Fe)的总量到达1重量％。另外，将干重为约460磅的商业获得的木质素(硬化剂)的溶液，从贮液器直接泵送到注入环中，该注入环处于搅拌器#2的前端。搅拌器#2也接收氨(以气化的氨的形式)，该氨的量占所有的氨的约7重量％，用于使添加到所述压力容器中的酸完全氨化。
所述搅拌器#2足够长，并具有充分的保留时间以及利用优选的双轴共混桨的搅拌，从而在该造粒机中，可以将添加剂与肥料混合料混合，并确保所保持的热量足以获得有效的颗粒化。在优选的搅拌器设备中，所述搅拌器是隔热的，从而有助于保持包含于内的热量。通过向该第二搅拌器中添加干燥的回收物，而对该肥料混合料的固体百分数进行控制。在该实施例中，将超过54000磅的湿度为0.5％的回收物添加到处于所述第二混合器内的超过12800磅的肥料混合料中。由于以蒸汽和水蒸气的形式从搅拌器#2中清除出一些附加的水，因此，排放到旋转造粒机中的湿度为11％的肥料为约48000磅。造粒机在约4.5份干燥的回收物比1份肥料混合料的比例下运行。
所述造粒机包括干燥产品的连续床(continuous bed)，从而有利于将输入的肥料混合物团聚成具有优选形状的颗粒(所述优选形状为球形)。另外，在该实施例中，最后将约3％的氨喷洒到所述颗粒床中，以使添加的酸完全氨化。从所述造粒机的内部气氛中清除出少量蒸汽和水，在该实施例中，清除的水超过170磅。该气化的水与来自水解器容器和搅拌器#2的水汇合，由文丘里洗涤器(venture scrubber)内的酸洗涤进行处理。肥料混合料在所述造粒机中的保留时间为约4分钟。在该实施例中，恰好48000磅颗粒离开所述造粒机进入旋转干燥器。
从所述造粒机中输出的颗粒肥料混合料的固体百分数为89％，在进入旋转式滚筒干燥器以干燥成最终的固体百分数为99.5％之前，输出的混合料的温度为约190°F。在所述干燥器内的保留时间为约20分钟，从该混合料中正好清除出超过5600磅的水。该干燥器的旋转运动有利于圆形或球形的颗粒的形成，该圆形或球形的颗粒的形成始于所述造粒机。
使约47940磅干燥的颗粒肥料通过筛选系统，在该筛选系统中，检出产品尺寸的颗粒(即，直径为2.0-3.0mm)，用于冷却并用热的除尘油进行涂覆。在肥料混合料进入造粒机之前，将尺寸过小的干燥的材料直接输送回第二搅拌器，作为回收组分以增加搅拌器#2内的固体。将尺寸过大的材料输送到锤磨机中，在该锤磨机中，将所述尺寸过大的材料破碎，并接着返回所述第二搅拌器，作为通过覆盖式输送机(covered conveyor)而回收的回收物的一部分。在该实施例中，将7400磅干燥的且尺寸适宜的肥料产品排放到冷却器-涂覆装置中；16500磅肥料返回所述第二搅拌器，作为回收物的一部分；每小时仅有7100磅尺寸过大的材料被输送到锤磨机中，并被转变成细粉；以及每小时有超过16600磅的细粉作为回收物返回所述第二搅拌器。在本发明的优选的实施方式中，可以将所述筛选机构设置成分离出尺寸较小的颗粒，即直径约为1mm的颗粒。可以对这些较小的颗粒进行相似的处理，从而得到较大的产品。由于所述较大的产品在肥料市场上可以要求更高的价格，因此，将较小的颗粒转变成尺寸较大的产品是有利的。
对干燥的颗粒进行涂覆可以有利地预防粉尘的生成和颗粒等级的下降。在布袋集尘器(bag house)中，对来自所述干燥器、造粒机、搅拌器#2、冷却器、油涂覆设备以及尺寸过大的产品的碾磨机的处理空气进行过滤，所述处理空气仍然为热的(约116℃或240℃)，足以以蒸汽的形式输运清除的水。所述布袋集尘器的出口通过一个冷凝器，空气在该冷凝器中被水所冷却，从而将水蒸气转变成液态水。将该水排放到当地下水道中，以返回当地废水处理厂。
使从流化床干燥器、筛选系统和尺寸过大的产品的碾磨机中输出的热的饱和空气以及来自冷却/涂覆滚筒的废气通过布袋集尘器，从而清除作为该过程的控制系统释放物的一部分的颗粒。接着，使该处理空气通过固定床酸洗涤器(packed bed acid scrubber)，以进行补充清洗，该补充清洗包括清除氨以提高氮的捕获效率并预防向大气排放氨。接着，将该洗涤空气送入立式急冷塔，以使水从饱和的处理空气中冷凝出来，从而排放到下水道中，并回收到废水处理厂中。可选择地，可以对该水进行处理，并排放到自然接收的水中。
接着，使来自于急冷塔的空气通过生物滴滤塔(biotrickling filter)，以最终清除基本上所有的恶臭物质。使来自所述生物滴滤塔的空气通过生物滤池并接着直接排放到环境中。在该实施例中，以14000立方英尺/分钟(CFM)进行排放。所述生物滴滤塔和生物滤池系统是通过包含于其中的微生物而运行的，并可以通过上述微生物的分解代谢而从处理空气中有效并高效地捕获并清除恶臭物质和有机物。所评判的排放的空气中的气味量可以满足所处的工业地区或其它适用的社区环境的要求。
该干硬(5.5磅的硬度，即，破碎一个颗粒所需要的平均下压力)颗粒肥料所确定的比例为15-2-0-16-1-20，上述数字分别代表N-P-K-S-Fe-有机物的重量百分数。贮存的肥料颗粒在装运之前，即刻再次进行筛选，用于最后确定尺寸，并在即将被装载到卡车、火车、汽车、驳船上或装载到1吨的超大型口袋中用于销售之前，再次用除尘剂或覆盖化合物进行涂覆。
实施例2
在实施例2中，如本发明的优选的实施方式所述，在所述AM过程中，每小时处理同样3.3吨生物固体，但是，将所有的无水氨添加到所述压力容器中，以使氨化完全并在所述肥料混合料内形成硫酸铵盐。尽管当形成熔体时，该肥料混合料并不是如同流体一般，但是高的顶部压力和机械搅拌足以使得该热的肥料混合料如所要求的离开所述压力容器。在实施例2中，没有向所述搅拌器#2、或造粒机内喷洒任何附加的氨。该实施例的其余部分与生产少量肥料的实施例1中的描述相同
通过考虑本发明的说明书并实践本文所公开的本发明，本发明的其它实施方式和用途对于本领域技术人员而言是显而易见的。本文引用的所有参考文献包括公开出版物、美国和外国专利以及专利应用，将上述参考文献具体并整体地引入本文作为参考。在本申请中使用的术语“包括”包含多项限定性术语和短语“基本上由……组成”和“由……组成”。本说明书和实施例应当被认为仅仅是示例性的，本发明的真正的范围和精神由随附的权利要求书限定。