(57)【要約】  有機廃棄物を含有する不均質な脱水汚泥を、肥料製造のために炭素及びアミノ酸の均質な抽出物に、硫酸を該汚泥に添加し；該混合物を混練ミキサーにより汲み上げて該汚泥と硫酸とを混合し；該混合物に状態調整用化学物質を添加し；該混合物を剪断ミキサーにより汲み上げて該状態調整用化学物質を該混合物に混合させ、そして該混合物を機械的に攪拌して均質な抽出物を生じさせることによって変換させる。随意に、該抽出物を酸及び塩基との反応のために管型反応器に注入して溶融物を形成させ、これを肥料粒子上に転がして融合顆粒を形成させる。該融合顆粒を乾燥させて顆粒状肥料を形成させる。また、少なくとも０．５重量％の全炭素及びアミノ酸と、約１．７ｍｍ以下の融合顆粒サイズとを有する有機的に強化された顆粒状窒素−リン−硫黄肥料も記載する。肥料は非燃焼性である。
2015510485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機廃棄物を含有する不均質な脱水汚泥を、管型反応器造粒機肥料製造方法で使用される炭素及びアミノ酸の均質な抽出物に変換するための方法であって、次の工程：
約１３％〜約４５％の固形分を含む不均質な脱水汚泥を汲み上げ；
該汚泥に、得られた混合物のｐＨが約１未満となるのに十分な量の硫酸を添加し；
該混合物を少なくとも１個のインライン静的混練ミキサーにより汲み上げて該汚泥と硫酸とを混合して該混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満にまで減少させ；
該混合物に状態調整用化学物質を添加し；
該混合物を少なくとも１個のインライン静的剪断ミキサーにより汲み上げて該状態調整用化学物質を該混合物に混合させ、病原体の混合物を実質的に滅菌させ、そして該混合物中の塊を実質的に除去し、そして
該混合物を熟成時間にわたって機械的に攪拌して均質な抽出物を生じさせること
を含む方法。
【請求項２】
前記抽出物が約２５０ｍＶを超える酸化還元電位を有する、請求項１に記載の変換方法。
【請求項３】
前記抽出物が実質的に無臭である、請求項１に記載の変換方法。
【請求項４】
前記抽出物が、硫化炭素、硫化カルボニル、ジメチルジスルフィド、ジメチルスルフィド、エチルメルカプタン、硫化水素、イソプロピルメルカプタン、メチルメルカプタン、及び二酸化硫黄を実質的に含まない、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記抽出物が病原体を実質的に含まない、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記硫酸を前記汚泥に約５重量％〜約１５重量％で添加し、該硫酸が少なくとも９３％等級である、請求項１に記載の変換方法。
【請求項７】
次の工程：
前記静的混練ミキサーの下流において前記混合物の温度を監視し、そして硫酸量を調節して少なくとも約１３０℃の温度を達成すること
をさらに含む、請求項１に記載の変換方法。
【請求項８】
前記状態調整化学物質が硫酸、リン酸、酢酸、過酢酸、過酸化水素、硫酸第二鉄、硫酸第一鉄、鉄鉱石、硫酸アルミニウム、硫酸亜鉛、粉砕リン鉱石、ホウ素、モリブデン、銅及びそれらの組み合わせよりなる群から選択される、請求項１に記載の変換方法。
【請求項９】
次の工程：
前記静的剪断ミキサーの下流で前記混合物の温度、ｐＨ、ＯＲＰ及び粘度を監視し、そして硫酸の添加速度を調節して所望の温度、ｐＨ、ＯＲＰ及び粘度の値を達成すること
をさらに含む、請求項１に記載の変換方法。
【請求項１０】
前記硫酸の量が、得られた混合物のｐＨを約１．０以下とするのに十分なものである、請求項１に記載の変換方法。
【請求項１１】
前記熟成時間が約１２時間〜約７２時間である、請求項１に記載の変換方法。
【請求項１２】
有機廃棄物を含む不均質汚泥を、管型反応器造粒機肥料製造システムで使用される炭素及びアミノ酸の均質な抽出物に変換するための汚泥変換システムであって、
約１３％〜約４５％の固形分を含む脱水汚泥を圧送するように構成された容積式ポンプと、
該ポンプから該汚泥を受け取り、そして該汚泥と硫酸とを混合して得られた混合物のｐＨを約１未満に低下させ、かつ、得られた混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満に低下させるように構成された少なくとも１個のインライン静的混練ミキサーと、
該静的混練ミキサーから該混合物を受け取り、そして該混合物と状態調整用化学物質とを混合させ、病原体の混合物を実質的に滅菌させ、そして該混合物中の塊を実質的に除去するように構成された少なくとも１個のインライン静的剪断ミキサーと、
該インライン静的剪断ミキサーから該混合物を受け取り、そして該混合物を撹拌して該混合物の均質性を維持すると共に該混合物を抽出物になるように熟成させるように構成された熟成タンクと、
該熟成タンクからの抽出物を肥料製造システムに供給するように構成された移送ポンプと
を備える変換システム。
【請求項１３】
前記容積式ポンプが、ピストンポンプ、プログレッシブキャビティポンプ及びそれらの組み合わせから選択される、請求項１２に記載の変換システム。
【請求項１４】
前記インライン静的混練ミキサーの下流で前記混合物の温度を測定するように構成された温度センサーをさらに備える、請求項１２に記載の変換システム。
【請求項１５】
前記インライン静的剪断ミキサーの下流で前記混合物の温度、ｐＨ、ＯＲＰ及び粘度の一つ以上を測定するように構成されたプロセスセンサーをさらに備える、請求項１２に記載の変換システム。
【請求項１６】
有機廃棄物を含有する均質な脱水汚泥を顆粒状肥料に変換するための方法であって、次の工程：
約１３％〜約４５％の固形分を含む不均質な脱水汚泥を汲み出し；
該汚泥に、得られた混合物のｐＨを約１未満とするのに十分な量の硫酸を添加し；
該混合物を少なくとも１個のインライン静的混練ミキサーにより汲み出して該汚泥と硫酸とを混合して該混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満にし；
該混合物に状態調整用化学物質を添加し；
該混合物を少なくとも１個のインライン静的剪断ミキサーにより汲み出して該状態調整用化学物質を該混合物に混合させ、病原体の混合物を実質的に滅菌させ、そして該混合物中の塊を実質的に除去し；
該混合物を熟成時間にわたって機械的に攪拌して炭素及びアミノ酸の均質な抽出物を生じさせ；
該抽出物を酸及び塩基との反応のために管交差型反応器に注入して溶融物を形成させ；
溶融物から水を蒸気としてフラッシュし；
リサイクル微粒子上に該溶融物を転ばせて融合顆粒を形成させ；そして
融合顆粒を乾燥させて顆粒状肥料を形成させること
を含む方法。
【請求項１７】
前記酸が硫酸であり、前記塩基が無水アンモニアである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記状態調整用化学物質が、硫酸、リン酸、酢酸、過酢酸、過酸化水素、硫酸第二鉄、硫酸第一鉄、鉄鉱石、硫酸アルミニウム、硫酸亜鉛、粉砕リン鉱石、ホウ素、モリブデン及びそれらの組み合わせよりなる群から選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
有機廃棄物を含有する均質な脱水汚泥を顆粒肥料に変換するためのシステムであって、
約１３％〜約４５％固形分を含む脱水汚泥を汲み出すように構成された容積式ポンプと、
該ポンプから該汚泥を受け取り、そして該汚泥と硫酸とを混合して得られた混合物のｐＨを約１未満に低下させ、かつ、得られた混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満に低下させるように構成された少なくとも１個のインライン静的混練ミキサーと、
該静的混練ミキサーから混合物を受け取り、そして該混合物と状態調整用化学物質とを混合させ、病原体の混合物を実質的に滅菌させ、そして該混合物中の塊を実質的に除去するように構成された少なくとも１個のインライン静的剪断ミキサーと、
該インライン静的剪断ミキサーから該混合物を受け取り、そして該混合物を撹拌して該混合物の均質性を維持すると共に該混合物を抽出物になるように熟成させるように構成された熟成タンクと、
該熟成タンクから該抽出物を汲み出すように構成された移送ポンプと、
該移送ポンプから該抽出物を受け取り、そして該抽出物と酸及び塩基とを混合させて溶融物を形成させるように構成された管型反応器と、
該溶融物から水をフラッシュし、そして該溶融物を微粒子上に転がせて融合顆粒を形成するように構成された造粒機と、
該融合顆粒を乾燥させて粒状肥料を形成させるための乾燥機と
を備えるシステム。
【請求項２０】
前記管型反応器が管交差型反応器である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記酸が硫酸であり、前記塩基が無水アンモニアである、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記状態調整用化学物質が、硫酸、リン酸、酢酸、過酢酸、過酸化水素、硫酸第二鉄、硫酸第一鉄、鉄鉱石、硫酸アルミニウム、硫酸亜鉛、粉砕リン鉱石、ホウ素、モリブデン、銅及びそれらの組み合わせよりなる群から選択される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
有機的に強化された顆粒状窒素−リン−硫黄肥料であって、
少なくとも約０．５重量％の全炭素及びアミノ酸、及び
約１．７ｍｍ以上の融合顆粒サイズ
を有し、
該肥料は、ＡＳＴＭ標準試験法Ｅ１２２６に従って実施されるダスト雲燃焼性試験において不燃性である、顆粒状窒素−リン−硫黄肥料。
【請求項２４】
前記肥料が本質的に非自己加熱性である、請求項２３に記載の顆粒状肥料。
【請求項２５】
前記肥料が、硫化物、二硫化物及びメルカプタンを含有する硫黄生成化合物を実質的に含まず、かつ、病原体、内分泌かく乱物質、医薬品及び抗菌剤を含む問題の新興化合物を不活性化させたことを示すことができる、請求項２３に記載の顆粒状肥料。
【請求項２６】
前記肥料には実質的に臭気がない、請求項２５に記載の顆粒状肥料。
【請求項２７】
前記肥料が少なくとも約８０％の臨界相対湿度を有する、請求項２３に記載の顆粒状肥料。
【請求項２８】
前記肥料が約１ｃｍ未満の水分浸透及び約１５０ｍｇ／ｃｍ2未満の吸湿を有する、請求項２３に記載の粒状肥料。
【請求項２９】
前記肥料が少なくとも約２５０ｍＶのＯＲＰを有する、請求項２３に記載の顆粒状肥料。
【請求項３０】
前記肥料が、適用された場合に、代表的な高地土壌及び氾濫土壌における侵出及び揮発のため、土地から水及び土地から大気への窒素の損失が低いことを示す、請求項２３に記載の顆粒状肥料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機汚泥（すなわち不均質な有機廃棄物）を多栄養素単一融合顆粒効率向上肥料、つまり、土地から大気及び土地から水への窒素損失を最小限にとどめ、かつ、米国環境保護庁及び米国農務省が要求するような栄養管理に関する新基準を満たす多栄養素単一融合顆粒効率向上肥料の製造のために都市廃水処理廃棄物汚泥及び豚糞尿といった有機廃棄物から抽出された炭素及びアミノ酸を含む前駆体に変換及び処理するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
イリノイ大学の土壌学者による農業研究から、「窒素肥料が土壌有機炭素を消耗すると共にトウモロコシの生育及び収量の減少をもたらす」ことが示されている。ライス大学及びミシガン州立大学の研究者は、「窒素肥料によるトウモロコシの過剰施肥によりエタノール生産が減少する」ことを示した。チューリッヒ大学の研究者は、「土壌は、植物及び大気が貯蔵する炭素の３倍の炭素を貯蔵する」ことを決定した。土壌有機物は、大量の炭素を貯蔵し、それによって地球温暖化に対抗するため、地球規模炭素循環に重要な役割を果たし、また、京都議定書は、その締約国がいわゆる炭素吸収源として土壌を重視することを可能にする。公認水環境管理協会（Ｔｈｅ  Ｃｈａｒｔｅｒｅｄ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）は、「廃水処理プラントからリンをリサイクルする必要性」に関するポジションステートメントを発行した。農学者らは、世界中で「農場の土壌中において大きな硫黄欠乏が存在し、土壌炭素が少なければ少ないほど硫黄欠乏が発生する可能性が高い」ことを究明した。栄養士及び農学者らは、「作物の収量の減少及び子供に深刻な亜鉛欠乏をもたらす大きな世界的亜鉛欠乏が存在する」ことを究明した。亜鉛について施肥量は比較的少ないため、各農場エーカーにわたって均質に散布するのはほぼ不可能である。下水汚泥及び動物の糞尿からの有機材料を追加するためには、特定の基準が存在する市販の肥料と同等以上の物理的及び化学的特性を有する製品が必要である。しかし、下水汚泥及び動物の糞尿から製造された製品のほとんど又は全ては、確立された基準流通肥料基盤を介しては輸送、保存又は適用できない。農家及び食料安全保障アドバイザー、試験団体及び研究所の大部分は、下水汚泥及び／又は動物糞尿を食物連鎖作物について使用する前に滅菌することを要求している。独立した肥料パイロットプラント製造及び作物研究のリーダーであるＩＦＤＣは、尿素及び本方法を経て製造された多栄養素単一融合顆粒効率化向上肥料の浸出及び揮発特性を決定するための主要な研究を行った。それらの結果から有意差が得られたが、これらの結果は、多栄養素単一融合顆粒効率化肥料が尿素よりも著しく低く浸出及び揮発し、それによって減少した肥料コストで作物の根域においてより多くの栄養素を与えることを示した。
【０００３】
一次、二次及び/又は三次排水処理施設が、液体流及び固形廃棄物を生じさせる家庭（例えば、自治体、市、郡、官庁を扱う）、家畜（例えば、ブタ、ウシ、鶏の廃棄物を処理する）及び産業（例えば、医薬品処理加工、食品処理加工などを扱う）廃水のために存在している。これらの排水処理施設は、未消化汚泥、消化汚泥、部分消化汚泥、液状汚泥、脱水汚泥等の形態の有機固体廃棄物を生成する。
【０００４】
排水処理施設は、典型的には、液体廃棄物の流れを処理し、その後有機廃棄物から分離する。最初に、有機廃棄物は、典型的には約０．５％〜約１０重量％の固形分を有し、液体汚泥と呼ばれる。液体汚泥を、真空フィルター、スクリュープレス、プレート及びフレームプレス、ベルトフィルタープレス及び遠心分離機（これらに限定されない）を含めて様々な種類の装置を使用して脱水して約１３重量％〜約４５重量％の典型的な固形分含量を有する脱水汚泥を形成することができる。
【０００５】
脱水の間に有機廃棄物からの水の放出を最大化するために化学的脱水用重合体が使用される。化学脱水用重合体は、固形物の電荷に作用して有機性汚泥の固形廃棄物からの水の放出を向上させ、かつ、脱水物質において固形物濃度の増加をもたらす凝固結合を増加させる合成有機凝集剤である。化学的脱水用重合体は、非流体でかつ汲み出すのが困難な材料で生じる高粘度特性を有し、低い酸化還元電位（ＯＲＰ）を持ち続けかつ臭気のあるものである場合がある脱水材料を創り出す。
【０００６】
１種以上の材料を反応させ、該反応材料を他の肥料液体又は固体と共に又はそれなしで造粒させ、そしてこの造粒物又は混合若しくはブレンド材料を乾燥させることを含むことができる工程によって肥料（例えば、リン酸モノアンモニウム（ＭＡＰ）、リン酸ジアンモニウム（ＤＡＰ）、硫酸アンモニウム（ＡＳ）、アンモニウムホスフェートスルフェート、ＮＰＫブレンド）を生成及び／又は混合し、そしてブレンドするための伝統的な肥料の製造方法が存在する。
【０００７】
世界中の先進工業国及び発展途上国には、全て、作物生産を増大させ、作物の収穫量を品質と共に増加させ、肥料の窒素溶脱及び揮発を低減させると共にヒト及び動物によって生成されたリン及び有機廃棄物をリサイクルすることにかなりの要望がある。有機廃棄物は、主として、生活排水処理施設、家畜ふん尿処理施設、産業排水処理施設から受け取った汚泥から主に生成される。このような施設によって生成される脱水汚泥は、一般に、粘性（５００，０００センチポアズを超え、かつ、２，０００，０００センチポアズまでの典型的な粘度）であるところ、これは、脱水汚泥から流体で無臭の燃焼しない一貫性のある製品を直接製造することを困難なものにする。脱水汚泥から直接生産された製品は、一般的に低品質のものであり、かつ、一般に、Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ第２版（国際肥料開発センター（ＩＦＤＣ）１９９３年２月）の理的性質を決定するためのマニュアル及び米国植物食糧管理官協会（ＡＡＰＦＣＯ）の基準で定義された市販肥料基準を満たしていない。なお、脱水汚泥は、それぞれが潜在的に異なる廃棄物流れ及び処理プロセスを有する様々な異なる施設から生成されるため、脱水汚泥は、一般に性質が不均質である。
【０００８】
次のものは、有機廃棄物の効率的かつ収益性の高いリサイクルを妨げる既存の排水処理施設の主な化学的、生物学的、物理的、経済的、物流的及び運用上の問題のいくつかである：複数の多様な供給源からの廃棄物を処理することができない；処理物中の病原体及び臭気を除去することができない；流動性のある処理物を生じさせることができない；及び／又は均質な無塵、無臭、非燃焼処理材料を生成することができない；市販の肥料の仕様、さらにはＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒ第２版の物性を決定するためのマニュアルにおける仕様及び米国植物食糧管理官協会（ＡＡＰＦＣＯ）の基準を満たす肥料を生産することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
当技術分野において、これらの課題及び問題の全てを軽減する効率的な方法に対する要望がある。本発明の方法及び管型反応器造粒システムは、これらの課題及び問題を解決する多栄養素単一融合顆粒効率向上肥料を製造する。本発明の方法及び管型反応器造粒システムにより製造された多栄養素単一融合顆粒効率向上肥料は、有機廃棄物からの炭素及びアミノ酸を抽出し、そしてこれらを前駆体として使用して新世代「効率向上肥料」を生成する。管型反応器造粒装置を使用する本発明の方法は、多栄養素単一融合顆粒効率化向上肥料の製造のために化学的変換及び滅菌を完了するのに不可欠かつ必須である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
概要
一実施形態では、有機廃棄物を含有する不均質脱水汚泥を、管型反応器造粒機肥料製造方法で使用される炭素及びアミノ酸の均質な抽出物に変換するための方法を説明する。この変換方法は、次の工程：
約１３％〜約４５％の固形分を含む不均質な脱水汚泥を汲み上げ；得られた混合物のｐＨが約１未満となるのに十分な量の硫酸を汚泥に添加し；該混合物を少なくとも１個のインライン静的混練ミキサーにより汲み上げて該汚泥と硫酸とを混合して該混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満にまで減少させ；該混合物に状態調整用化学物質を添加し；該混合物を少なくとも１個のインライン静的剪断ミキサーにより汲み出して該状態調整用化学物質を該混合物に混合し、病原体の混合物を実質的に滅菌し、そして該混合物中の塊を実質的に除去し；そして該混合物を熟成時間にわたって機械的に攪拌して均質な抽出物を生じさせることを含む。
【００１１】
別の実施形態では、有機廃棄物を含む不均質汚泥を、管型反応器造粒機肥料製造システムで使用される炭素及びアミノ酸の均質な抽出物に変換するための汚泥変換システムを説明する。この変換システムは、約１３％〜約４５％の固形分を含む脱水汚泥を圧送するように構成された容積式ポンプと、ポンプから汚泥を受け取り、かつ、該汚泥と硫酸とを混合させて、得られた混合物のｐＨを約１未満に低下させ、かつ、得られた混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満に低下させるように構成された少なくとも１個のインライン静的混練ミキサーと、静的混合ミキサーから混合物を受け取り、かつ、該混合物と状態調整用化学物質とを混合させて、病原体の混合物を実質的に滅菌し、そして該混合物中の塊を実質的に除去するように構成された少なくとも１つのインライン静的剪断ミキサーと、インライン静的剪断ミキサーからの混合物を受け取り、かつ、該混合物を攪拌して該混合物の均質性を維持すると共に、該混合物を熟成させて抽出物にするように構成された熟成タンクと、該熟成タンクからの抽出物を肥料製造システムに供給するように構成された移送ポンプとを備える。
【００１２】
さらに別の実施形態では、有機性廃棄物材料を含有する均質な脱水汚泥を粒状肥料に変換するための方法を説明する。この方法は、約１３％〜約４５％の固形分を含む不均質な脱水汚泥を汲み出し；該汚泥に、得られた混合物のｐＨを約１未満とするのに十分な量の硫酸を添加し；該混合物を少なくとも１個のインライン静的混練ミキサーにより汲み出して該汚泥と硫酸とを混合して該混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満にし、該混合物に状態調整用化学物質を添加し；該混合物を少なくとも１個のインライン静的剪断ミキサーにより汲み出して該状態調整用化学物質を該混合物に混合させ、病原体の混合物を実質的に滅菌させ、そして該混合物中の塊を実質的に除去し；該混合物を熟成時間にわたって機械的に攪拌して炭素及びアミノ酸の均質な抽出物を生じさせ；該抽出物を酸及び塩基との反応のための管交差型反応器に注入して溶融物を形成させ；溶融物から水を蒸気としてフラッシュし；リサイクル微粒子上に溶融物を転ばせて融合顆粒を形成させ；そして融合顆粒を乾燥させて粒状肥料を形成させる
ことを含む。
【００１３】
さらに別の実施形態では、有機性廃棄物材料を含有する均質な脱水汚泥を顆粒肥料に変換するためのシステムを説明する。このシステムは、約１３％〜約４５％固形分を含む脱水汚泥を汲み出すように構成された容積式ポンプ；該ポンプから該汚泥を受け取り、そして該汚泥と硫酸とを混合して得られた混合物のｐＨを約１未満に低下させ、かつ、得られた混合物の粘度を約５，０００センチポアズ未満に低下させるように構成された少なくとも１個のインライン静的混練ミキサー；該静的混練ミキサーから混合物を受け取り、そして該混合物と状態調整用化学物質とを混合させ、病原体の混合物を実質的に滅菌させ、そして該混合物中の塊を実質的に除去するように構成された少なくとも１個のインライン静的剪断ミキサー；該インライン静的剪断ミキサーから該混合物を受け取り、そして該混合物を撹拌して該混合物の均質性を維持すると共に該混合物を抽出物になるように熟成させるように構成された熟成タンク；該熟成タンクから該抽出物を汲み出すように構成された移送ポンプ；該移送ポンプから該抽出物を受け取り、そして該抽出物と酸及び塩基とを混合させて溶融物を形成させるように構成された管型反応器；該溶融物から水をフラッシュし、そして該溶融物を微粒子上に転がせて融合顆粒を形成するように構成された造粒機；及び融合顆粒を乾燥させて粒状肥料を形成させるための乾燥機を備える。
【００１４】
さらなる実施形態では、有機的に強化された顆粒状窒素−リン−硫黄肥料について説明する。肥料は、全炭素及びアミノ酸を少なくとも約０．５重量％含み；かつ、約１．７ｍｍ以上の融合顆粒サイズ有する。肥料は、ＡＳＴＭ標準試験法Ｅ１２２６に従って実施される粉じん雲燃焼性試験において不燃性である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
例示の目的のために、現在のところ好ましい実施形態を図面で示す。しかしながら、本発明は、特に示された正確な配置及び構成に限定されるものではないと解される。
【図１】図１は、顆粒状肥料の製造システム及びプロセスに供給される汚泥を変換するためのシステム及びプロセスの実施形態のプロセスフロー図である。
【図２】図２は、図１に示すシステム及びプロセスから生成された変換汚泥を使用して有機的に強化された窒素−リン−硫黄顆粒状肥料を製造するための顆粒状肥料を製造するシステム及びプロセスの実施形態のプロセスフロー図である。
【図３Ａ】図３Ａは、代替肥料と比較した、本明細書に記載される有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品のインキュベーションについてのデータのグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、代替肥料と比較した、本明細書に記載される有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品のインキュベーションについてのデータのグラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、さまざまなタイプの土壌における、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品の揮発損失についてのデータのグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、さまざまなタイプの土壌における、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品の揮発損失についてのデータのグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、さまざまなタイプの土壌における、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品の揮発損失についてのデータのグラフである。
【図４Ｄ】図４Ｄは、さまざまなタイプの土壌における、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品の揮発損失についてのデータのグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、様々な種類の固体の代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品の浸出損失についてのデータのグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、様々な種類の固体の代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品の浸出損失についてのデータのグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品を使用して移植された稲の成長率についてのデータを示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品を使用して移植された稲の成長率についてのデータを示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品を使用するコムギ収量についてのデータを示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品を使用するコムギ収量についてのデータを示すグラフである。
【図７Ｃ】図７Ｃは、代替肥料と比較した本明細書に記載の有機的に強化された窒素−リン−硫黄肥料製品を使用するコムギ収量についてのデータを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
詳細な説明
汚泥変換システム及び方法の実施形態を図１に概略的に示し、また、汚泥変換方法によって変換された汚泥を用いた肥料造粒システム及び方法の実施形態を図２に概略的に示している。両方の方法は連続プロセスであるが、汚泥変換システムはその下流端に熟成タンクを備えるため、変換された汚泥は、肥料顆粒化システムに供給されるまでの時間にわたって保持できる。
【００１７】
本明細書に記載の方法は、有機廃棄物を、それらを乾燥させ、そしてそれらの体積を減少させることにより処理するという現在のパラダイムに反する。このような処理では、病原体が排除されず、或いは得られた乾燥汚泥の燃焼が防止されない。その代わりに、本明細書に記載の方法では、有機廃棄物は、無臭で、検出可能な病原体がなく、しかも不燃性である肥料生成物を製造するためのプロセス添加剤として使用できる炭素及びアミノ酸抽出物に変換される。
【００１８】
汚泥変換システムは、例えば、複数の都市廃水処理プラントから脱水汚泥を受け取り、そして該汚泥を炭素及びアミノ酸の均質な抽出物に変換する。その後、この抽出物を有機的に強化された無機商業用肥料の製造における原料成分及び冷却／造粒助剤として使用する。この抽出物を既存の硫酸アンモニウム、リン酸ジアンモニウム、リン酸モノアンモニウム、及び窒素−リン−カリウム生産設備のための供給原料として使用して、広範な肥料製品を製造することができる。好ましくは、抽出物を標準肥料管交差型反応器（ＰＣＲ）造粒システムに供給して粒状肥料を製造する。
【００１９】
汚泥変換システムの正味の結果は、未処理の脱水汚泥と比較して減少した粘度を有し、本質的に臭気がなく、実質的に燃焼性成分を有しておらず、しかもＮＳＦ国際認証による病原体を含まない抽出物である。汚泥は、６０％〜８０％の可燃物、３０％〜４５％の炭素、１０％〜４０％のタンパク質及び５％〜２０％のセルロースを含有することが知られている。従来の方法は、水を除去することにより汚泥を乾燥させるだけである。しかし、乾燥した汚泥は、可燃性のままであるため、確立された標準的なグローバル肥料流通基盤を経た流通には適合していない。これに対し、ここで開示する方法によって得られた抽出物は、標準的な肥料管交差型反応器（ＰＣＲ）造粒システムへの供給原料として使用される場合に、非可燃性であるため、確立された肥料流通基盤を使用して世界的に流通できる肥料を生じさせる。
【００２０】
一実施形態では、汚泥変換システムは、約１３％〜約４５％の固形分を有する脱水汚泥を受け取ることができる。このシステムは、好ましくはインライン密閉連続流処理システムである。汚泥の変換は、インラインミキサーでの混練及び剪断の両方を連続して使用することによって塊の除去を確保する。これらのミキサーは、全ての汚泥粒子との化学的接触を最大化するために強力な混合及び剪断を生じさ、それによって硫酸などの酸化剤と汚泥との完全な反応を可能にし、そして病原体の実質的に完全な滅菌を可能にする内部構成部材を備える。
【００２１】
汚泥変換システムは、抽出物が所定の基準を満たすように制御され、そのパラメータを監視する。第一に、抽出物は、造粒工程に移行する前に、２未満のｐＨを有する。このｐＨは、例えばインラインプローブで測定でき、そして実験用グラブサンプルで確認できる。第２に、抽出物の酸化還元電位（ＯＲＰ）は３００ｍＶより大きい。このＯＲＰは、インラインプローブで測定でき、そして実験用グラブサンプルで確認することができる。第三に、抽出物の粘度は、５０００センチポアズ（ｃＰ）よりも低い。粘度は、インライン測定装置で測定でき、そして実験用グラブサンプルにより確認できる。第四に、処理中の硫酸発熱反応温度は少なくとも５４℃に到達しなければならない。温度は、インラインプローブによって測定でき、そして実験用グラブサンプルで確認できる。
【００２２】
汚泥変換システムの操作工程及び装置を以下にさらに詳しく説明する。簡単にいうと、システムは次の工程を順番に含む。まず、脱水汚泥を、ダンプトラック、ダンプトレーラー又はインターモーダルコンテナといった輸送システムから受け取る。この汚泥は、約１３％〜約４５％の固形分（平均して約１７％〜約１５％）の範囲の固体濃度まで脱水されている。次に、汚泥をライブボトムホッパーに移し、そしてスクリューコンベアにより容積式ピストンポンプのスロートに搬送する。汚泥を、適宜、水＋見込まれる他の状態調整用化学物質（典型的には追加の硫酸、リン酸、酢酸、過酢酸、過酸化水素、液体硫酸第２鉄、液体硫酸亜鉛）を添加しつつ、少なくとも１個のインライン（ブレンド）静的ミキサーを通して、その後少なくとも１個のインライン（せん断）静的ミキサーを通して、その後機械的に混合された貯蔵タンクにパイプラインを通して第１化学酸化剤（硫酸）と共に汲み出す。汚泥を連続混合貯蔵タンク内で熟成させて変換処理を完了させ、そして炭素及びアミノ酸抽出物を製造する。その後、保存された均質抽出物を、肥料顆粒化システムに供給することが必要なときに、デイタンクに圧送することができる。
【００２３】
図１に示す汚泥変換システム１００の実施形態では、次の装置が順に配置されている：脱水汚泥を受け取るためのライブボトムビン又はホッパー１０、該ホッパー１０から該脱水汚泥を移動させるための１個以上のスクリューコンベア１４、脱水汚泥を汲み出すための容積式ポンプ２０、該汚泥に酸を混合（弁２２を介して注入）するための第１静的ミキサー３０、該汚泥に状態調整用化学物質及び水を混合（弁３４を介して注入）するための第２静的ミキサー４０、少なくとも１個の抽出物熟成タンク６０、該抽出物を該熟成タンク６０からデイタンク８０に移送するための移送ポンプ７０、及び該抽出物を該デイタンク８０から肥料造粒システムに圧送するための供給ポンプ９０。再循環ポンプ６２により、抽出物をタンクからタンクに移し、そして各タンク内で再循環させることが可能になる。
【００２４】
装置の例示的なセットを説明するが、汚泥変換システム１００及びプロセスは、適宜、より大きいシステム又はより小さいシステムに調節できると解される。汚泥変換システム１００は、肥料顆粒化システム２００（図２を参照して以下で説明する）の所望の粒状化肥料産出量に基づいて寸法決めされる。というのは、抽出物、すなわち、汚泥変換装置１００のアウトプットは、肥料顆粒化システム２００（図２に示す）への主成分インプットだからである。例えば、粒状の肥料の一日あたり１１００米トン（「ｓｔｐｄ」）（１日あたり１０００メートルトン）を製造する肥料造粒システム２００は、１：１のプロセス供給比に基づき、一日あたりの抽出物の約１，２１０ｓｔｐｄを消費する（すなわち、与えられた抽出物の１．１湿トン毎につき造粒肥料１乾燥トンを製造する肥料造粒システム２００）。これは、固形分１５％で供給され脱水された汚泥の約１０３０ｓｔｐｄ（又は２５％固形分で６２０ｓｔｐｄ）に変換され、状態調整プロセス中に化学的付加を可能にする。もちろん、設計比が変化した場合（すなわち、肥料造粒プロセスが抽出物の幾分効率的な使用をする場合）には、それに応じて汚泥変換システム１００のサイズ設定を調整しなければならない。
【００２５】
脱水汚泥がダンプトラック又はダンプコンテナによって到着する場合には、このものをライブボトム受けホッパー１０内に投棄する。ホッパー１０のサイズ及び数は、操作の一日あたりの所望時間及びプロセスのスループット容量を達成するように選択できる。例えば、２台の２０〜２５トンダンプトラックが同時に到着し、かつ、それらの積載量を１５分以内で空にするよう処理することができるために、４対ほどのホッパー１０を使用することができ、その際、各ホッパー１０は、５０トンの容量を有し、かつ、２５分以内に２０トンの積載量を空にすることができる。したがって、最大４対のホッパーのシステムは、１５％脱水汚泥の一日当たり約１０３０トンを処理することができる。
【００２６】
この時点で、ホッパー１０内の脱水汚泥は、約１３％〜約４５％の固形分を含有するため、臭気がある。また、汚泥は、粘度が非常に高くなるように、典型的には約５０００００センチポアズ以上で、かつ、２，０００，０００センチポアズに達することができるように、かなりの量の塊及び繊維質物質も含有する。
【００２７】
ホッパー１０中において、汚泥を混合し、そしてホッパーの底部に対して内部にある複数の螺旋スクリュー又はオーガ１２により一連の外部装填シャフトレススクリューコンベア１４に移動させる。ホッパー１０及びスクリューコンベアモーターは、好ましくは、下流の処理装置の流れの調和を容易にするために可変速度である。例えば、スクリューコンベアは、２個のコンベア１４がホッパー１０の各対を与え、かつ、２５分以内に２０トンの積載量まで輸送するように寸法調整されるように構成できる。
【００２８】
スクリューコンベア１４は、脱水汚泥をポンプ２０に移送し、このポンプは熟成タンク６０に対して下流にある状態調節系の残部を供給する。粘性脱水汚泥を処理できるようにするために、ポンプ２０は、好ましくは、オープンスロート型容積式ポンプである。２５分以内に２０トンの負荷移動に基づき、ポンプ２０は、毎分少なくとも約２００ガロンを圧送するように寸法決めされるであろう。必要に応じて複数のポンプを並列に配置することができる。ポンプ２０は、好ましくは、供給速度における所望の変化に適応させるために、油圧変速駆動によって駆動される。好ましくは、ポンプ２０はピストンポンプである。
【００２９】
圧送された汚泥は、好ましくは、ポンプ２０と同じ圧力条件、すなわち高酸性条件（例えば１未満のｐＨ）及び高温（例えば５０℃以上）に耐えることができる配管内での処理プロセスを通して運ばれる。例えば、配管は、３１６系ステンレス鋼から作製できる。汚泥の流量は、配管のサイズを決める。例えば、１分あたり２００ガロンの汚泥供給物は約１４インチ径の管を必要とする。
【００３０】
次に、化学的酸化剤を脱水汚泥流に注入して、ＯＲＰを３００ｍＶよりも高く増大させることによって臭気化合物を中和し、粘度を低下させ、燃焼を無くし、そして材料を均質化するプロセスを開始する。化学酸化剤は、第１静的ミキサー３０の直前に汚泥に添加される。
【００３１】
好ましくは、化学的酸化剤は、廃棄物の約１重量％〜約５０重量％、好ましくは１０重量％の供給速度での酸である。例えば、２０ｇｐｍの酸供給速度は、２００ｇｐｍの汚泥圧送速度に相当することができる。好ましくは、酸は、９３％以上の等級の硫酸である。より好ましくは、酸は、約９８％の等級の硫酸である。最も好ましくは、硫酸とリン酸との組み合わせを、約１０重量％硫酸及び約２重量％リン酸の量で添加される。酸は、ポンプ圧送を使用して汚泥に添加できる。好ましくは、酸は、２００ｐｓｉまでの圧力を加えることのできる化学定量ポンプで添加される。典型的には約５〜約６の範囲内の汚泥の初期ｐＨを、酸の添加により約１〜の約２のｐＨまで低下させる。この酸は、汚泥中における有機廃棄物を酸化、加水分解、流動化及び滅菌するに役立つ。酸の他に、水を約１重量％〜約５０重量％、好ましくは約７．５重量％の濃度で汚泥に添加して、汚泥を流動化させるのに役立てることができる。
【００３２】
汚泥の温度を、第１静的ミキサー３０の下流端に又はその付近に配置された温度センサ３２によって監視する。好ましくは、汚泥は、汚泥の生物学的に活性な成分の多くを中和させるのを確保するために、該汚泥が第１静的ミキサー３０を出る時までに少なくとも約５４℃の温度に到達させる。
【００３３】
化学酸化剤と混合される圧送汚泥は、第１静的ミキサー３０へと下流に続く。第１静的ミキサー３０は、化学酸化剤を汚泥中に分散させるように設計された静的ブレンドミキサーである。汚泥中における化学的酸化剤と有機廃棄物との機械的混練及び化学反応の組み合わせは、粘度を２，０００，０００センチポアズから約５，０００センチポアズ未満にまで低下させる。一実施形態では、第１静的ミキサー３０は、二つの方法、すなわち、分流及び組換えと、半径方向混合とにより混合を達成するように構成される。
【００３４】
ブレンドされた低粘度の汚泥が第１静的ミキサーを出た後に、この汚泥は第２静的ミキサー４０に流入する。任意の市販の静的ミキサーを使用することができる。第２静的ミキサー４０の上流に、追加の水及び適宜追加の状態調整用化学物質が注入される。追加の状態調整用化学物質としては、硫酸、リン酸、酢酸、過酢酸、過酸化水素、硫酸第２鉄、硫酸第一鉄、鉄鉱石、硫酸アルミニウム、硫酸亜鉛、粉砕リン鉱石、ホウ素、モリブデン及びそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。硫酸第２鉄は、肥料への微量栄養素としての鉄を与え、かつ、肥料融合顆粒の硬度を向上させる。リン酸は、添加される場合には、好ましくは、少量（すなわち、約０．１重量％〜約２０重量％）で、約３０％〜約７０％、より好ましくは約４０％〜約６０％、さらに好ましくは約５４％の等級で添加される。リン酸は、酸性化廃棄物に硬度を付与し、かつ、得られた造粒機溶融抽出物の造粒能力を改善させる。
【００３５】
水を添加する場合には、総添加量は、約１重量％〜約２５重量％であることが好ましい。添加される水の量は、使用される出発脱水汚泥材料の固形分濃度に依存する。抽出物中における水の総量は、最終的には、元の脱水汚泥に含まれる任意の水、硫酸第２鉄／水混合物からの水、硫酸及びリン酸からの水及び任意の他の供給源からの水を含む。
【００３６】
第２静的ミキサー４０は、汚泥に状態調整用化学物質を取り入れ、そしてさらに汚泥を均質化させる。第２静的ミキサー４０は、優れた混合状態を創り出し、かつ、汚泥中における材料の任意の残留塊を破砕することを目的としたインラインせん断静的ミキサーである。第２静的ミキサーは、所定の部材を形成するように一緒にネストされるわずかにカップ状のせん断ストリップを有することができる。第２静的ミキサー４０の出口で、汚泥は、本質的には、下流の造粒工程用の供給原料として使用できる炭素及びアミノ酸の状態調整均質抽出物である。第２静的ミキサー４０の下流側端部に様々なセンサーを設置して抽出物のプロセス条件を測定する。特に、温度センサー４２、ｐＨセンサー４４、酸化還元電位（ＯＲＰ）センサー４６及び粘度計４８が第２静的ミキサー４０の下流側の配管に設けられる。また、汚泥の流量を測定するために、流量計５０も設けられる。プロセスにおけるこの時点での好ましい温度範囲は約２０℃〜約７０℃である。システム内の好ましい圧力範囲は、約３０ｐｓｉｇ〜約３００ｐｓｉｇであり、より好ましくは約９０ｐｓｉ〜約１１０ｐｓｉである。適宜、上流のプロセス工程で添加された酸及び他の状態調整用化学物質の量及び濃度を調節して、所望の温度、圧力、ｐＨ、ＯＲＰ、病原体数、粘度などを達成することができる。
【００３７】
第２静的ミキサー４０の後、汚泥（ここでは炭素及びアミノ酸の抽出物）は、１個以上の貯蔵及び混合タンク６０に流入する。タンク６０の数及びサイズは、状態調整システム１００のスループット及びタンク６０内での滞留時間によって決定される。貯蔵タンク又はタンク６０内で所望の滞留時間は、約１２時間〜約９６時間であることができる。好ましくは、滞留時間は約２日〜約４日である。例えば、１１００ｓｔｐｄの状態調整用システム１００については、３個のタンク６０を使用することができ、各タンク６０はそれぞれ４４００００ガロンの貯蔵容量を与える。
【００３８】
それぞれのタンク６０は、好ましくは、タンクを高酸性条件（例えばｐＨ０．５〜２．０）及び高温（例えば５０℃を超える）に耐えることを可能にする材料で被覆されている。それぞれのタンク６０は、均質性を維持するために抽出物を攪拌し、かつ、化学反応プロセスが完了したときに抽出物を「熟成」させるのを可能にする機械的縦型ミキサー６４を備える。例えば、市販の低速攪拌機を各タンク６０に設けて抽出物の一貫性を維持することができる。各攪拌機６４は、各シャフトの底部に、好ましくは２個のインペラー（両方とも同じサイズ）とティクラーインペラーとを備える。滞留時間の終了時に、抽出物は、典型的にはコロイド状の状態にある。
【００３９】
１個以上のタンク６０の内容物をさらに攪拌しかつ均質化するために再循環ポンプ６２を設けることもできる。
【００４０】
抽出物は、貯蔵タンク６０からまず典型的にはデイタンク８０に移され、その後肥料造粒システム２００に移される。好ましくは、抽出物はポンプ７０を使用して移される。ポンプ７０は、タンク６０からの所望の流量に応じてサイズ調整される。好ましくは、各貯蔵タンク６０は、その専用のポンプを有する。例えば、約８時間で４４００００ガロンのタンクを空にするために、２００ｇｐｍのポンプを使用することができる。好適なポンプとしては、容積式回転ローブポンプ７０が挙げられる。
【００４１】
典型的には、抽出物をすぐ下流の肥料造粒システム２００で使用されるべき制限された容量を保持するデイタンク８０に圧送する。デイタンク８０は、好ましくは、貯蔵タンク６０よりも高い混合率で追加の混合を提供する。デイタンク８０は、抽出物を最終的に標準化してから肥料に変換することを可能にする。１個以上のデイタンク８０を並列的に又は直列的に使用することができる。１個以上のデイタンク８０は、好ましくは、抽出物の１日所要量の最低２５％のためにサイズ調整される。例えば、デイタンク８０は、容量が８０，０００〜１５０，０００ガロンであることができる。
【００４２】
デイタンク８０から、抽出物をフィードポンプ９０によって肥料顆粒化システム２００に圧送する。好ましくは、供給ポンプ９０は、容積式回転ローブポンプである。フィードポンプ速度は、肥料顆粒化システム２０の容量と所望の流量とを合致させ、特に肥料造粒機システムにおける管交差型反応器内における抽出物消費速度を合致させるようにサイズ調整されている。例えば、１１００ｓｔｐｄ肥料システムでは、１５０〜２００ｇｐｍの容量を有するポンプを使用することができる。
【００４３】
上記のインライン測定に加えて、パラメータの数を、貯蔵タンク６０の１箇所以上及び／又はデイタンク８０における１カ所以上の他の位置でインラインで測定することができる。測定値は、粘度、温度、ＯＲＰ及びｐＨを含むことができる。また、粒度分析などの他の測定も意図される。測定は、手作業で測定でき、又は自動化できる。
【００４４】
このような測定を使用して、抽出物を最適化するための処理プロセスを調整することができる。最適化は手作業で行うことができ、又は自動化できる。最適化は、システムに熱を追加又は除去すること、化学添加剤の１種以上の量を調節すること、発熱反応を改変すること、ミキサーの一個以上の混合速度を調節すること及び流れをインライン装置の１個以上をバイパスする又は通過するように調節することを含むことができる。
【００４５】
要約すると、図１に示すプロセスは、脱水汚泥を含めて様々な状態の有機廃棄物含有汚泥を受け入れ、そしてこの汚泥を、容易にポンプ輸送できる程度に十分に低い粘度の本質的に病原体及び臭気がなくかつ管型反応器肥料造粒システムへの原料として好適な抽出物に変換する。抽出物は、好ましくは、３００ｍＶを超えるＯＲＰ、約２．０〜約１．０のｐＨ、５０００ｃｐｓ未満の粘度（好ましくは３０００ｃｐｓ未満、より好ましくは１０００ｃｐｓ未満）を有しており、病原体及び硫黄化合物を実質的に含まない。
【００４６】
図１に示しかつ上記した方法によって製造された抽出物は、多数の有益な特性を有する。
【００４７】
まず、抽出物は、本質的に均質であり、かつ、流体粘度によって測定されるように流動可能である。従来の処理方法、特に化学的脱水用重合体を使用するものは、１，０００，０００センチポアズを超える粘度を有する材料を製造したが、これは、該材料を混合し及び／又は該材料を大型貯蔵タンク（例えば、２００，０００ガロンを超える貯蔵タンク）内に保管するのを不可能ではないにしても困難にする。これに対し、本発明の方法は、約５０００センチポイズよりも有意に低い、典型的には３０００センチポアズ未満であり、より典型的には１０００センチポアズ程度に低い粘度を有する抽出物を製造する。また、抽出物は、約０．５〜約２．０、より典型的には約１．５〜約２．０のｐＨを有するため、酸を肥料造粒工程でさほど添加する必要がない。
【００４８】
さらに、この抽出物は、約２５０を超える、典型的には約３００を超える、より典型的には約３５０を超える酸化還元電位（「ＯＲＰ」）を有する。ＯＲＰの測定は、測定される材料の消毒能力を決定することに依存し得る。従来の処理工程で製造された材料に見られるような低いＯＲＰ値（例えば、１未満のＯＲＰ）は、これらの材料における微生物の死滅又は消毒能力が低いことを示す。対照的に、抽出物のように高いＯＲＰは、材料の高い殺菌能力を示す。ＯＲＰが大きくなると臭気が低減し、最終製品における可燃性物質からの火災の可能性が低減する。
【００４９】
抽出物は、硫化炭素、硫化カルボニル、ジメチルジスルフィド、ジメチルスルフィド、エチルメルカプタン、硫化水素、イソプロピルメルカプタン、メチルメルカプタン、二酸化硫黄及び臭気の原因となる他の硫黄生成化合物といった化合物の酸化によって臭気原因化合物を除去する結果として、実質的に無臭である。無臭又は実質的に無臭の方法及び製品は、汚泥処理施設のための用地を探し出す際の重要な利点を与える。
【００５０】
さらに、抽出物は、病原体を実質的に含まない。病原体としては、病原性細菌、寄生虫、蠕虫卵、ウイルスが挙げられる。一般的には、上記処理方法は、低ｐＨ条件及び高温によって生じた応力のため病原体を実質的に排除し、これにより汚泥が滅菌される。その結果、抽出物のみならずそれから製造される任意の製品（肥料など）中における病原体の再増殖が阻止される。
【００５１】
ここで説明したシステム及び方法によって製造された抽出物は、下流において、任意の既知の肥料処理方法を用いて肥料に処理することができる。例えば、材料は、米国特許第７，１２８，８８０号；同７，１６９，２０４号；同６，１５９，２６３；同５，９８４，９９２号；同６，７５８，８７９号；同６，８４１，５１５号；及び同８，０５７，５６９号における方法に従って処理することができる。
【００５２】
図２は、供給原料としての抽出物から開始する肥料造粒システム２００及びプロセスの概要を示す。均質な抽出物を顆粒状肥料に処理するためのシステム２００は、少なくとも管型反応器２１０、造粒機２２０及び乾燥機２３０を備える。また、システム２００は、乾燥機２３０から排出される塵埃を捕捉するためのサイクロン及びベンチュリ集塵機２３２と、肥料融合顆粒のサイズを調整するためのスクリーン２４０とを備えることもできる。通常より小さな融合顆粒を微粒子として造粒機２２０に戻すことができ、そして通常より大きな融合顆粒を粉砕機２４２で粉砕し、同様に微粒子として造粒機２２０に戻すことができる。また、乾燥機２３０の下流に肥料融合顆粒を冷却するための冷却器２５０を備えることができ、また、汚染防止のためにスクラバー２６０が必要な場合もある。反応器２１０は、管型反応器とすることができる。好ましくは、管交差型反応器が使用される。造粒機２２０は、回転ドラム造粒機であることができる。乾燥機２３０は、産業界で使用されている任意の乾燥機とすることができる。
【００５３】
簡単に述べると、図２に示された肥料造粒システムの実施形態では、抽出物を管交差型反応器（ＰＣＲ）２１０に圧送し、そこで、ＰＣＲ２１０に注入される濃硫酸と無水アンモニアとの反応により発生した熱を吸収する。１００℃までの温度及び２以下のｐＨがＰＣＲ  ２１０内で発生する。これらの操作条件で、無機塩が酸と無水アンモニアとを混合させる反応から形成され、微生物の滅菌が達成され、排水残留物に存在する有機マクロ分子（タンパク質）の加水分解が起こり、タンパク質がアミノ酸に変換されかつ生成した無機塩と結合して、肥料製品の揮発及び浸出に抵抗する複合体を形成する。
【００５４】
このようにして反応溶融物が抽出物から製造され、そしてこの溶融物は造粒機２２０に送られ、この造粒機は、酸塩基反応によって生成された発熱エネルギーの結果として、約５０％〜６５％の水を除去する。特に、５０％を超える水を蒸気として溶融物からフラッシュし、次いで、この溶融物を造粒機２２０内にあるリサイクル微粒子上に転がして融合顆粒を形成する。したがって、乾燥工程を完了するためには約５０％の追加の燃焼エネルギーしか乾燥機２３０には必要とされない。この方法により、２％未満の水分を含む硬質肥料融合顆粒が得られる。
【００５５】
抽出物を、図２に示した処理のような従来の肥料製造方法又は他の同様の方法を用いて肥料に処理加工した場合には、得られた肥料は、一般に、業界標準を満たす又はそれを上回る物理的特性を有する。得られた肥料は、窒素、硫黄及び微量栄養素を豊富に含み、かつ、植物成長必須アミノ酸を含有する徐放性顆粒状肥料である。肥料は、典型的にはホスフェートの状態のリンを含むこともできる。好ましい窒素・リン・硫黄製剤は１７−１−０−１９である。また、多量又は少量の窒素、多量のリン、多量のカリウム及び／又は多量又は少量の硫黄を有する他の製剤も意図される。
【００５６】
ここで説明した方法により製造された肥料融合顆粒の典型的な組成を表１に挙げる。
【００５７】
【表１】
2015510485.tif 000003
【００５８】
本明細書に記載の方法によって製造された融合肥料顆粒の物理的特性は、表２に示すように、他のタイプの肥料よりも有意に改善されている。特に、本発明の肥料融合顆粒は、他の肥料よりも有意に高い臨界相対湿度及び一般的に低い吸湿性と浸透性とを有するだけでなく、ケーク化する傾向がないことに留意されたい。その結果として、本発明の肥料融合顆粒は、分解することなく又は一緒に固結することなく、所定期間にわたって比較的湿潤な環境内であっても保存できる。さらに、本発明の肥料融合顆粒の高いＯＲＰは、この融合顆粒には本質的に臭気がないことを意味し、また、この融合顆粒の燃焼の可能性が存在しないことは、それらが自己発熱せず、かつ、埃として浮遊している場合やパイルに保存されている場合に燃焼しないことを意味し、これにより、本発明の肥料融合顆粒は、保存及び輸送するのに例外的に安全になる。
【００５９】
【表２】
2015510485.tif 000004
【００６０】
本明細書に開示されるシステム及び方法により製造された肥料融合顆粒は、典型的には実質的に組成が均質であるが、これは、肥料のそれぞれ融合顆粒が他の全ての融合顆粒と本質的に同じ量及び質の窒素、リン及び他の材料を有することを意味する。さらに、特定の供給源から製造された顆粒は、同じ供給源から生成され、かつ、第１融合顆粒と同じ方法で処理された全ての他の融合顆粒と同一ではないにしてもほぼ同一の組成を有する。
【００６１】
実質的に均質な組成は、肥料の標準化された施肥量を可能にする。現在のところ、商業用肥料は、様々な成分Ｎ、Ｐ、Ｋ及び多数の微量栄養素の混合ブレンドである。これらの混合物は、栄養素の分離物を有し、かつ、一般に組成が均質ではない。そのため、全フィールドにわたって各成分の所望量を得るためには、余剰の肥料を適用しなければならず、或いは肥料を不規則なパターンで適用しならない。抽出物から製造された肥料の実質的に均質な組成により、これらの問題が解決される。
【００６２】
得られた粒状肥料は、病原体がなく、かつ、内分泌かく乱物質、医薬品及び抗菌剤といった懸念される新興化合物を不活性化させたことが示されている。得られた粒状肥料は、スルフィド、ジスルフィド及びメルカプタンを含む硫黄生成化合物を実質的に含まない。
【実施例】
【００６３】
試験用の肥料試料の製造
肥料試料を、肥料の特性を試験する目的で製造した。国内（米国）活性汚泥下水処理場から脱水下水汚泥を得た。下水処理場プロセスは、ベルトフィルタープレスで脱水する余剰汚泥を含んでいた。汚泥は、１５〜１６重量％の固形分を含有し、１，０００，０００センチポイズよりも大きな粘度、１未満のＯＲＰ及び５のｐＨを有していた。
【００６４】
脱水汚泥をビンに入れ、その後毎分５ガロンの速度でプログレッシブキャビティポンプを使用してビンから汲み出した。汚泥を、直径４インチのインライン静的ミキサーを通してポンプ輸送した。１０重量％の９３％硫酸及び７．５重量％の水をインラインで添加して酸性化汚泥を形成させた。その後、この酸性化汚泥を（すなわち、インライン静的ミキサー）に通した。この酸性化汚泥を第２ミキサーから第１貯蔵タンクに移した。この酸性化汚泥を縦型ミキサーを有する第１混合タンク内で混合して実質的に均質な流体汚泥の混合物を形成させた。続いて、この実質的に均質な汚泥を第２貯蔵タンクに渡す。汚泥を、第２縦型ミキサーを有する第２タンク内で攪拌した。２個のタンク内での攪拌により、３００を超えるＯＲＰ、１．５のｐＨ及び２０００センチポアズ未満の粘度を有する抽出物が創り出される。
【００６５】
抽出物を２８０ｋｇ／時間の速度で管交差型反応器に注入した。管交差型反応器内で、９３％硫酸及び無水アンモニアを、９３％硫酸１４０ｋｇ／時間の速度及び無水アンモニアを４９ｋｇ／時間の速度で抽出物に添加して肥料溶融物を形成させた。肥料溶融物は９８℃で３．８秒以内に管交差型反応器の第１部分を通過した。肥料溶融物は１２８℃で４．２秒以内に管交差型反応器の第２部分を通過した。管交差型反応器の後に、反応した物質を造粒機に通して融合顆粒を形成させる。アンモニアを２７ｋｇ／時間の速度で造粒機内の肥料溶融物に添加した。液体ミョウバンを６．５ｋｇ／時の速度で造粒機内の肥料溶融物に添加した。２７％〜３０％の硫酸鉄を造粒機内の肥料溶融物に添加した。その後、融合顆粒を毎分７回転で動作する乾燥機内で乾燥させた。材料を、２．３６ｍｍの開口を有する篩下スクリーンを有する傾斜したダブルデッキ機械的振動システムに渡す。２．３６ｍｍ〜４ｍｍのものが貯蔵部に行く。通常より小さい及び大きい材料の全てを造粒機に戻し、そこで再び溶融物と混合した。次に、２．３６ｍｍ〜４ｍｍの乾燥融合顆粒の物理的及び化学的分析を実施した。
【００６６】
製品の安定性及び臭気
有機肥料に関する臭気の問題は、一般に、メルカプタン、硫化水素及び第三級アルキルアミンなどの臭気物質の生成をもたらす有機物の腐敗によって生じる。腐敗プロセスの臭気発生スルフェート還元性細菌は、それらの酸化還元電位（ＯＲＰ）が−２００ｍＶを下回って低下するときに臭気を発生させる。試験から、ここで説明した抽出物を用いて製造された肥料が均質化され、加水分解され、そして滅菌され、かつ、３５０ｍＶのＯＲＰを有することが実証された。このＯＲＰ値では、得られた顆粒状肥料の腐敗に関する懸念はない。臭気発生化合物は存在せず、また肥料は熱的に安定であるが、これは、このものが発熱事象を受けず又は臭いを生じないことを意味する。肥料は９８％の固形分を有するところ、これは、安定であると分類される９０％の最小固形分を必要とする米国ＥＰＡ５０３規則を超過する。
【００６７】
燃焼性
ここに記載した方法によって製造された粒状肥料の防塵クラウド燃焼を燃焼研究室（米国マサチューセッツ州アッシュランドのキッデ・フェンウォル燃焼センター）で決定した。可燃性又は非可燃性としてのダストの分類は、分散したダスト雲が１バール（１４．５ｐｓｉ）の圧力で上昇を引き起こすのに十分な爆燃を維持することができるかどうかに依存する。試験をキューナー２０Ｌ球状試験容器中で行う。５００ｇ／ｍ3の初期濃度では可燃性でないダストを１０００ｇ／ｍ3及び２０００ｇ／ｍ3で再試験した。点火装置の影響について補正された爆発圧力が１．０バール（１４．５ｐｓｉ）より大きければ材料を可燃性として分類する。観察された爆発圧力上昇が全ての試験濃度で１バール未満である場合、ダストを可燃性ではないと分類する。
【００６８】
ここに記載される方法により製造された粒状肥料からの顆粒状肥料ダストは、５００、１，０００、２０００ｇ／ｍ3の濃度で不燃性と分類された。肥料は、ＡＳＴＭ標準試験法Ｅ１２２６に従って実施されるダスト雲燃焼性試験では本質的に不燃性である。これとは対照的に、ペレット化乾燥汚泥の３つの試料は、５００ｇ／ｍ3のダスト濃度では可燃性と分類された。さらに、肥料試料を１４０℃の温度に供する試験から、肥料が自然発火しない又は「自己加熱」しないことが示された（すなわち、２４時間以内にオーブン温度を超える６０℃には上昇しない）。
【００６９】
重金属
ここで説明する方法は、得られる粒状肥料中の金属含有量を制御する。というのは、初期脱水汚泥中に存在する任意の重金属は、酸、塩基及び状態調整用化学物質の添加によって希釈されるからである（例えば、乾燥下水汚泥固形物の１４０乾燥メートルトンを硫酸アンモニウムの約８００乾燥メートルトンと混合して粒状肥料１，０００乾燥メートルトンを生成する）。したがって、元の生活排水残留物で観察された金属と比較して、顆粒状肥料中の金属の濃度は７倍減少する。表３から分かるように、顆粒状肥料の金属含有量は、ＥＰＡ５０３ガイドラインより厳しい規模である、残留（非汚染）土壌のための米国連邦土壌スクリーニング試験（ＳＳＴ）についての基準を下回る。さらに、顆粒状肥料は、食品基準についての米国工場検査官協会（ＡＡＰＦＣＯ）に合格し、さらに硫酸アンモニウム成分に対する排水残留物乾燥固形内容物のブレンドの基準を満たすことができ、得られた粒状肥料は、ヨーロッパ及び世界中での最も厳しい基準でさえ満たすことができる。
【００７０】
【表３】
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【００７１】
インキュベーション
フィールドインキュベーション試験をグリーンビル土壌で行った。結果を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａに示すように、ここで説明した方法により製造された肥料（「バイオ肥料」及び「バイオ肥料＋Ｆｅ」）は、アンモニアから硝酸塩への転化率がベンチマーク肥料及び硫酸アンモニウムと非常に類似し、また尿素のみよりもわずかに転化が遅いことを示す。
【００７２】
揮発
本発明の肥料のいくつかは窒素源として尿素を使用する。これらの尿素系肥料には、浸出及び揮発に関する重大な問題がある。尿素は、根域を通してその窒素の３０％まで浸出し、そして根域を通してその窒素の３０％までを揮発させる。その結果、窒素は、植物の根には利用できず、より多くの肥料を加えることで窒素を補完しなければならず、これはコストがかかり、環境を汚染する可能性がある。ここで説明する均質な抽出物から製造された肥料は、肥料に尿素を追加する必要なしに、リサイクル有機廃棄物に依拠してこれらの問題を解決する。
【００７３】
フィールド揮発性テストを、ガスリー及びサムター土壌で両方とも高地及び氾濫条件で実施した。その結果を図４Ａ〜４Ｄに示す。図４Ａは、ガスリー高地における累積アンモニアの揮発損失がここで説明する方法によって製造された肥料（「バイオ肥料」及び「バイオ肥料＋Ｆｅ」）について硫酸アンモニウムのそれとほぼ同一であり、尿素よりも有意に少なかったことを示す。特に、本発明の肥料からのアンモニアの揮発損失は３３％までであったのに対し、尿素からの揮発損失は約２％にすぎなかった。この結果は、本発明の肥料の使用して有意な炭素封鎖の利点を与え、かつ、さらに炭素クレジットの機会を利用可能にすることができる。
【００７４】
図４Ｃは、ガスリー氾濫土壌について定性的にほぼ同一の結果を示す。図４Ｂは、サムター土壌について、本発明の肥料が硫酸アンモニウムを上回るという同様の結果を示す。図４Ｄは、サムター氾濫土壌において、本発明の肥料は尿素と同様に機能し、硫酸アンモニウムよりも幾分良好であることを示している。
【００７５】
浸出
フィールド浸出試験をグリーンビル土壌及びレークランド砂で行った。結果を図５Ａ及び５Ｂに示す。図５Ａに示すように、グリーンビル土壌では、本発明の肥料は、硫酸アンモニウムに匹敵し、尿素よりもはるかに低い、低い浸出損失を示した。レークランド砂では、結果はさらに劇的であった。というのは、本発明の肥料は、ほとんど浸出損失を示さず（硫酸アンモニウムに匹敵する）、尿素で観察されたよりもはるかに少なかったからである。
【００７６】
要するに、浸出と揮発との間に、ここで説明した本発明の肥料と尿素とにおける窒素の損失の差は劇的である。例えば、ガスリー／グリーンビル高地の土壌では、尿素は、７４％の総損失について、揮発に対してその窒素の３３％を失い、浸出に対して４１％を失った。比較すると、本発明の顆粒状肥料は、１５％の総損失について、揮発に対してそれらの窒素の２％、浸出に対して１３％を失うに過ぎなかった。したがって、尿素と比較して３．５倍以上の窒素が本発明の粒状肥料から利用可能であり、そのため、３．５倍少ない肥料を使用して、作物に対して同じ窒素供給を達成することができる。
【００７７】
同様に、氾濫ガスリー／グリーンビル土壌では、尿素は、７６％の総損失について、揮発に対してその窒素の５７％、浸出に対して１９％を失った。比較すると、本発明の顆粒状肥料は、３６％の合計損失について、揮発に対してそれらの窒素の２１％、浸出に対して１５％を失うに過ぎなかった。したがって、尿素と比較して２．７倍以上の窒素が本発明の顆粒状肥料から利用できる。
【００７８】
レークランド高地の砂について、尿素は、本質的に全て浸出に対して窒素の８６％を失ったのに対し、本発明の顆粒状肥料は、それらの窒素の４％を失ったに過ぎなかった。したがって、尿素と比較してほぼ７倍以上の窒素を本発明の顆粒状肥料から利用できる。
【００７９】
作物生産
肥料は、連続的な監視及び連邦政府や州政府機関への報告義務なしに、穀物、飼料作物、芝草、野菜、柑橘類、果物の木、樹林栽培、列収穫作物、ナッツ、園芸、観賞植物、温室作物、油（例えば、大豆油、カノーラ）などのために土壌適用できる。肥料は、土地に直接適用でき、又は他の肥料とブレンドできる。
【００８０】
農地に適用した場合、作物の品質は、従来の肥料と比較して増大する。例えば、ここで説明した方法から作られた肥料を他の肥料の代わりに使用した場合には、より多い量の糖が柑橘類作物に存在し、より多い量のタンパク質が飼料製品中に存在し、そしてトウモロコシ中により多い量のデンプンが存在する。品質の向上の他に、上記方法の一つに従って製造された肥料を適用した農地は、単位面積あたり大量の作物を産する。作物の品質及び量の向上は、適用したとしても、窒素浸出の制限及び／又は窒素揮発の制限、有機含有量の増加を可能にする肥料の実質的に均質な性質に少なくとも起因し得る。
【００８１】
図６Ａ及び６Ｂは、移植された稲の粒重及び粒の回収の増加が尿素及び他の２つの競合製品よりも本発明の顆粒状肥料を使用した方が大きかったことを示している。
【００８２】
図７Ａ、７Ｂ、及び７Ｃは、同様に、本発明の顆粒状肥料を使用すると、尿素及び他の競合製品を使用したのと同等又はそれを超える小麦粒収量の向上があることを示している。
【００８３】
顆粒状肥料は、カリフォルニア州とテキサス州の両方において柑橘類作物（オレンジ）でも肯定的な結果を伴って使用された。複数の再現実験を用いて、オレンジの木を、南カリフォルニアの農場において１本の木当たりの肥料（そのまま）の１．５ポンドの施用量で顆粒状肥料又は尿素で処理した。すなわち、本発明の顆粒状肥料を１本の木当たり０．２５５ポンドのＮの割合で適用したのに対し、尿素を１本の木当たり０．６９ポンドの割合で適用した。本発明の顆粒状肥料は、尿素よりも浸出及び揮発が少なかった。結果を肥料処理後１２６日間記録した。そして、表４に示すように、本発明の顆粒状肥料は、果実の成熟がより早く、果汁が２７％増加し、パルプが１７％増加し、糖（ＢＲＩＸ）が４．５％増加した。
【００８４】
【表４】
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【００８５】
顆粒状肥料をバミューダグラスでＮＰＫトリプル１７に対して試験した。その結果を表５に示す。顆粒状肥料を（そのまま）２００ポンド／エーカーの割合で適用した。本発明の顆粒状肥料は、ＮＰＫコントロールよりも６％多い総乾物をもたらし、また、粗タンパク質のパーセントは、２８．９％の改善に関して、ＮＰＫコントロールについての平均１５．２％から本発明の肥料融合顆粒についての１９．６％の平均値まで増加した。総可消化養分（ＴＤＮ）は、６４．８〜７９．７であり、本発明の顆粒状肥料で２３％のＴＤＮの増加であった。
【００８６】
【表５】
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本発明を所定の好ましい実施形態を参照して開示してきたが、添付した請求の範囲に定義された本発明及びその均等の分野及び範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に対する多数の改変、修正及び変更への変更が可能である。したがって、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の用語によって定義された全範囲を具備するものとする。
【符号の説明】
【００８７】
１０  ホッパー
１４  外部装填シャフトレススクリューコンベア
２０  ポンプ
３０  第１静的ミキサー
４０  第２静的ミキサー
６０  貯蔵及び混合タンク
７０  容積式回転ローブポンプ
８０  デイタンク
９０  フィードポンプ
１００  汚泥変換システム
２００  肥料顆粒化システム
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年9月11日(2013.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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【国際調査報告】
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