CN104245631A - 高价值有机增强的无机肥料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产补充有有机物质的具有商品化水平的氮的肥料，例如16-0.5-2-17-3-14(N-P-K-S-Fe-有机质，按干重计)。该方法使用加热肥料混合物的浓酸处理有机物，引起可能存在的各种有机聚合物水解。随后在受控制的条件下，随后用氮碱连续注入生物固体混合物。然后将所得无菌和液化的有机物在循环材料上分配，以在制粒机中产生颗粒，之后干燥至大于98%的固体。由于所述方法允许受控加入酸和氨，因此可获得所需的组分水平。例如，具有高氮含量的肥料可含有可变量的磷酸盐或铁。另外，所述方法既是可规模扩大的，又是气味受控制的和安全的，因此允许将生物固体处理设施定位于几乎任何所期望的位置而不影响环境或给当地社会造成公害。此外，本发明的肥料当施用于作物时，提供双重氮释放特征。在施于土壤后，与传统硫酸铵类似，本发明的肥料快速释放出一部分氮，其接着通常在单一生长季节持续缓释出氮。

Description

高价值有机增强的无机肥料

相关申请的引用

本申请要求2011年3月28日提交的美国临时申请号61/468,157、2011年12月9日提交的美国临时申请号61/569,007和2012年3月24日提交的美国临时申请号61/615,258的优先权，相同标题的全部及所述临时申请的全部通过引用具体且完整地予以结合。

背景

1. 发明领域

本发明涉及用于生产肥料的方法、系统和过程及通过这些方法生产的肥料产品。本发明还特别涉及具有预定浓度或缺乏氮、磷酸盐和/或钾的肥料的生产。

2. 背景描述

现今在美国，污泥估计以每年超过800万干公吨的速度产生，或对于每个个体大致产生约64干磅的生物固体。术语污泥已被替换为术语生物固体，其包括所有形式的城市废物，例如生活化粪池垃圾(domestic septage)、经收集或以别的方式实现废水处理的农场和工厂有机废物、下水道排水、制药废物(包括发酵和加工废物)、微生物消化物、食物废物和食物副产品、动物粪肥、消化的动物粪肥、有机污泥、生物体和微生物及其全部组合。几乎所有的工业废物进入城市污泥，或以别的方式在垃圾填埋场中被处置，或如在特殊行业中可能是普遍的一样。正如可预想的，所有形式的废弃材料均可并且通常的确以城市污泥结束，包括生物活性分子例如药物及其代谢产物、纸、塑料、金属和几乎所有形式的垃圾。

通常由市政当局通过现有基础设施例如下水道和其它类型的住宅和工业管道系统收集生物固体。所收集的材料被送往一个或多个称为废水处理厂的集中设施。在这些工厂中，水与固体分离，并通过纯化程序被运送以回收。固体或被燃烧，或用卡车运输以填埋，或通过驳船运输以倾倒入海洋。燃烧或焚化已变得更普遍，部分因为意识到未处理的生物固体的危险。总之，生物固体被设想为不仅仅是有害的化学品，而且也是生物活性化合物和病原体。存在为劳工和公众两者的安全起见而严格控制生物固体处理的联邦、州和地方条例。但是不论是燃烧还是填埋，这样的流程是极无效率和极其昂贵的。

燃烧破坏存在于生物固体中的大部分有害物质，但对环境损害的成本始终极大。已专门建造了焚化炉来处理城市废物。这些焚化炉产生巨大量的污染烟尘，破坏该设施周围数百平方英里以内的空气。放出的烟尘含有生物固体中存在的所有污染物，例如金属和其它不可燃组分。这些污染物沉积在田间和水体，在工厂周围和有时对工厂顺风向的遥远距离造成生态梦魇。虽然燃烧可产生能量，但是能量产生是十分低效的，需要巨大量的生物固体才变成有成本效益的。与所焚化的材料的量相比，所产生的能量无例外地少。甚至在燃烧后，留下必须清除和处置的巨量烟灰。与原始的生物固体相比，烟灰无论如何对环境都缺乏任何正面的影响，并且被简单和随意地填埋或倾倒入海洋中。总的来说，燃烧负面地增加生物固体处置对环境的影响，并持续未来许多年。

按照由美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency)确立的联邦标准，将已被处理至某种处理程度的生物固体归类为A类或B类。“A类”生物固体被视为不含可检出的病原体且作为用于动物或人类作物使用的肥料足够安全。病原体例如沙门氏菌属(Salmonella sp)细菌、粪大肠菌指示细菌、肠道病毒和有活力的寄生虫卵低于可检测水平。当在生物固体中检出病原体时，USEPA将这类经处理的生物固体归类为“B类”，这意味着与“A类”处理的生物固体相比，它们具有更低的标准。因为B类生物固体含有病原体指示剂—并因此有潜在的病原体，所以它们在以其可被应用于动物和人类作物的方式上受到限制。

第503部分的条例(联邦规章典集(Code of Federal Regulations)第40篇第503部分，通过引用结合到本文)列出了用于处理生物固体的6种备选方案，因此关于病原体可将它们归类为A类。备选方案1要求生物固体经历4种时间-温度方案之一。备选方案2要求生物固体加工满足pH、温度和风干要求。备选方案3要求当生物固体用其它方法处理时，必须证明该方法可减少肠道病毒和有活力的寄生虫卵，并且在病原体减少验证完成后，必须保持用于验证的操作条件。备选方案4要求在用未知方法处理时，在使用或处置生物固体时(或者在某些情况下，在准备使用或处置生物固体时)，检测生物固体的病原体。备选方案5要求用进一步减少病原体的方法之一处理生物固体。备选方案6要求用与进一步减少病原体的方法之一相当的方法(如经准许当局确定)处理生物固体。

A类病原体生物固体还必须具有少于1,000最大可能数(MPN)/克总固体(干重基准)的粪大肠菌密度或少于3 MPN/4克总固体(干重基准)的沙门氏菌属细菌密度。在以下时间之一必须满足这两个要求中的任何一个：当使用或处置生物固体时；当准备将袋或其它容器中的生物固体出售或赠送用于土地施用时；或者当制备生物固体或衍生的材料以满足对特殊品质(Exceptional Quality)生物固体的要求时。

施用于土地的所有生物固体必须满足污染物的上限浓度，所述污染物包括10种重金属污染物：砷、镉、铬、铜、铅、汞、钼、镍、硒和锌。如果超过这些重金属中任何一种的限度，则在未包括有效限制的情况下，不能将生物固体施用于土地。特殊品质(EQ)是USEPA指南第503部分第7条所使用以表征生物固体的术语，所述生物固体满足低污染物和A类病原体减少(实质上不存在病原体)限制并且具有降低水平的吸引带菌媒介的可降解化合物。

对于农业应用，仅经干燥的生物固体具有若干缺点。生物固体具有低的施肥价值，通常氮含量仅为约2-5%。体积大，并且每单位氮的成本高。加热干燥的生物固体常常有难闻的气味，特别是当潮湿时。而且，干燥的丸粒具有低的密度和硬度，当与其它的商品化肥料材料掺和时，丸粒可分离和破碎，并且不能与其它更致密的成分一起均匀地撒在田间。与使用生物固体有关的难闻气味，除非被充分处理，否则在进一步加工富含氮的肥料产品期间将继续存在，并可继续存在于最终产品中。这使合适的肥料加工厂的选址变得复杂化，其位于不靠近居住区的位置。另外，生物固体必须运输的较长距离增加处理该废品的成本和物流。现行生物固体增强的肥料的另一个缺点是，当材料变得潮湿时细菌作用可继续，并且在储存条件下，材料温度可上升至自燃点。因此，除了特殊市场(其重视在掺和肥料中用于土壤改良或填充剂的有机质含量)之外，相对不太需要加热干燥的生物固体产品。在许多情况下，市政当局必须支付运费，或者可为使用该材料的商业栽培者提供其它激励。然而，这通常仍然比备选处理方案更经济。

农业肥料的市场价值主要基于其氮含量。需要实际、安全和经济的方法，用于将生物固体的氮含量提高至接近商品化矿质肥料的水平，例如8-22%。如果可生产这样的生物固体肥料，那么生物固体产品的总价值和产品需求将可能会增加。另外，适当制造的生物固体肥料将具有优势：其许多氮将具有缓释类型。缓释或控释肥料是这样的肥料，其中养分(例如呈铵离子的氮、磷酸盐和/或硫酸盐)可以比来自传统肥料(例如尿素、硫酸铵和磷酸氢二铵)的速效养分慢的速率在土柱中被利用。土柱中养分的这种更慢的作用和/或长期有效性是极合乎需要的，并且在整个植物生长周期为植物提供养分，这意味着需要更少的氮施用于土壤或作物，从而减少环境污染的可能性和降低肥料使用的成本。传统无机生产的缓释氮肥的价格为普通矿质氮肥的许多倍。在自其生物固体生产含有高氮生物固体的肥料的情况下，市政当局对于其生物固体处理计划将享有公共和监管支持。这样的计划将确保定期清除其脱水或干燥的生物固体，例如通过将生物固体再循环成为高氮肥料，然后可将其直接销售至成熟的国内肥料分销行业，从而消除传统上与生物固体处理计划有关的主要问题之一。

之前曾尝试达到这些目的中的一些。美国专利第3,942,970、3,655,395、3,939,280、4,304,588和4,519,831号描述了用于将污水生物固体转化为肥料的方法。在这些方法中的每一种中，用生物固体原位形成尿素/甲醛缩合产物。因此，这些方法需要处理甲醛这种高毒性催泪剂和疑似致癌剂。

其它方法需要不容易并入现有污水处理设施的昂贵的加工设备和/或特殊条件(参见日本专利第58032638号、法国专利第2,757,504号)。

用于增加生物固体中的氮的简单方法可为在干燥和丸粒化前，向湿的生物固体中掺和商品化的氮肥原料。仅有不多的高氮肥原料，其经济的用于农业。实例包括：氨(82 wt.% N)、尿素(46 wt.% N)和硝酸铵(33.54 wt.% N)。氨具有高挥发性，对于将其排放到大气中受到严格监管。尿素为固体，很容易吸附水分并且使污泥更难以干燥。如果尿素未被正确制备，则尿素还非常易于被生物固体中的微生物和酶分解为氨，导致氮损失和气味问题。硝酸铵为强氧化剂，可导致潜在爆炸问题，这几乎使该肥料自2000年之后从商业市场退出。所有这些肥料都具有高的氮含量，但是其对于与无特殊处理的生物固体组合绝不是理想的。

其它参考文献例如欧洲专利第0143392号、日本专利第9110570 A2号和“Granulation of Compost From Sewage Sludge. V. Reduction of Ammonia Emission From Drying Process”，Hokkaidoritsu Kogyo Shikenjo Hokoku，287，85-89 (1988)未公开酸与硫酸铵添加的使用，并且没有论述在酸条件下钢工艺设备的腐蚀问题。

在过去三十年内，生物固体的碱性稳定作用一直是将生物固体有益地制备为有用材料的标准和成功方法，所述有用材料主要可用作土壤调节材料。因为这些碱性稳定的生物固体产品具有高碳酸钙当量，它们被生产和销售为农用石灰或农用石灰材料，通常作为农场土壤管理策略中碳酸钙的替代物。由于该用途，这些材料的价格已限于仅几美元/吨产品。然而，运输成本高，这在很大程度上是由于材料的高含水量。高达50%的水量使得运输在经济上和地理上局限于接近其处理源的区域。

因此，存在通过增加其含氮量和提高散布能力来增加污水生物固体的经济价值的实用手段的长期需要以及处理这些材料使得将其转化为具有物理和化学性质及养分性质的商品肥料的需要，使得其可在国内和国际商品肥料市场拥有重要的价值。一系列美国专利，美国专利第5,984,992、6,159,263、6,758,879和7,128,880号描述了采用由田纳西流域管理局(Tennessee Valley Authority)发明的管道交叉式反应器(pipe-cross reactor)，用生物固体制备高氮有机增强的硫酸铵肥料的生产方法。管道、三通管和管道交叉式反应器由IFDC在Fertilizer Manual (1998)第440页中定义为：“管道反应器主要由一定长度的耐腐蚀管道(约5-15 m长)组成，通过类似三通管的管道结构向其一端同时加入磷酸、氨并通常加入水，因此名为‘三通反应器’”。三通反应器经TVA改进为还通过位于磷酸入口对面的另一个管道入口接收另外的硫酸流，使得该装置为“交叉”结构，并因此名为“管道交叉式反应器”。

IFDC Fertilizer Manual ­ (1998)和Fertilizer Technical Data Book (2000)两者提及管道交叉式反应器。管道交叉式反应器向制粒机成型装置传送浓缩的混合物，并且比其它装置更有效地自肥料混合物中蒸发不需要的水，但是这些参考文献显示对改进的需要盼望已久，表明管道交叉式反应器的缺点之一是在管道内部结垢，这可导致堵塞。

由这组专利(美国专利第5,984,992、6,159,263、6,758,879和7,128,880号)教导的方法因与以下相关的问题而受阻：这些狭窄的(相对于其长度)“管道交叉式”反应器结构的堵塞、在所述“管道交叉式”反应器中非常短的持续反应时间、和在所述管道交叉式反应器中混合物的反应温度和压力以及保留时间的难以控制。这些管道交叉式反应器相对于其长度为狭窄的，例如直径最多为6-8英寸，而长度通常为15英尺或者更长。由于在所述反应器中来自生物固体积累或来自加热期间的破坏造成的堵塞，使得在反应器的内部反应侧常用的Teflon®涂层熔化并毁坏，因此实施有机增强的硫酸铵肥料制造的工厂常常必须关闭和拆卸管道交叉式反应器。此外，管道交叉式反应器的使用具有明显的缺点，即具有非常短的反应器保留时间(通常少于20秒)，这在制造传统肥料像硫酸铵中是有利的，但当与生物固体的同时处理相偶联时是不利的。当3种材料输入通过该反应器时，这样短的处理时间增加未处理或非均匀混合的可能性。亦为限制性的是对所述管道交叉式反应器内的大气压力缺乏控制，因为这些反应器具有通常直接进入制粒机的开放式排放(open-ended discharge)。与缺乏内部压力的控制相关但不同，管道交叉式反应器还对通过反应器的混合物几乎没有温度控制甚至没有温度控制。

Robinson的美国专利第4,743,287号描述了依次使用两个反应容器以向低或中等氮浓度(4%重量-最大氮浓度为10%重量的氮的范围)的氮肥中加入有机生物固体的方法。Robinson使用其第一反应容器以达到非常低的混合物pH值(pH 0.2-1.5)，以实现存在的分子的水解，并且制备用于在第二反应容器中反应的混合物。Robinson的确指出可使用单一反应器，但是仅在批量配置而不是在连续流动的生产方法中。Robinson还指出，酸和氨可不以任何顺序注入，但是必须依次注入。该专利描述了与管道交叉式反应器相比较，所述容器能够达到高压(30 psig)并具有相对长的保留时间。然而，Robinson未能满足对新颖实用的连续流动方法的需要，所述方法在确定的温度、压力和反应保留时间的优势下生产高氮(大于8 wt.%氮)和含有生物固体的肥料产品。因此，迫切需要存在用于处理生物固体的有效、高效和经济的方法。

发明概述

本发明克服了与目前的策略和设计有关的问题和缺点，并提供用于生产肥料的新的工具和方法。

本发明的一个实施方案涉及用于生产肥料的方法，所述方法包括：提供优选含有生物固体的有机材料，其中有机材料具有至少10%的固体含量；任选将气味控制剂加入有机材料中以产生混合物；在第一压力和高温下将酸加入混合物中持续第一时段形成液化的混合物；在第二压力和高温下将氨加入液化的混合物中持续第二时段；和加工液化的混合物形成肥料。短语有机材料包括所有生物固体，但不限于例如有机生物固体、含微生物的生物固体、城市生物固体或加热干燥的生物固体等生物固体；并且还包括制药和实验室加工和发酵废物，农场和农业废物，腐败和消化的有机材料，收获的植物包括农作物材料例如玉米和大豆植物以及小麦、稻和大麦植物的粗饲料和青贮饲料，可自池塘和其它水体收获的藻类和蓝细菌，细菌、霉菌和真菌，工业废物及其副产物，有机产品的微生物、化学和酶的消化物，植物和动物性食品、粮食和副产品，再循环肥料及其全部组合。本发明的一个要素是含有塑料和毛发和类似材料的有机材料在加工前不必清除。优选有机材料经脱水或水化至介于15%与40%之间的固体含量，更优选有机材料具有22%或更低的百分比干燥度。此外，可使一部分有机材料脱水至干燥度大于70%或85%，并与有机材料的剩余部分掺和以达到所需的百分比干燥度。优选有机材料用自该方法的一个或多个步骤中回收的生产用水水化。

任选可将气味控制剂加入有机材料中。优选的气味控制剂包括但不限于以下的一种或多种：高铁酸钙、高铁酸钠、高铁酸钾、七水硫酸亚铁、四水白铁矾、水绿矾、氯化铁、硫酸亚铁、一水硫酸亚铁、过氧化氢、臭氧及其盐、衍生物和组合，及其各种盐。优选有机材料与气味控制剂的混合物形成触变混合物，并且在添加酸之前将混合物加热。还优选加热在第一压力容器中进行，且第一压力保持在20 psig与60 psig之间，第一温度介于66C (150F)与127C (260F)之间，第一时段介于3分钟与30分钟之间。更优选第一温度可介于93C (200F)与121C (250F)之间，第一时段可介于5分钟与10分钟之间。优选经酸化和加热的混合物的粘度为约4,000 cP或更小。向混合物中加入的酸优选为磷酸、硫酸或其组合。在酸化后，将液化的混合物转移至第二压力容器中，且优选将氨在压力下加热以在加入到液化的混合物之前形成气体。优选的第二温度介于121C (250F)与199C (390F)之间，优选的第二时段介于1分钟与30分钟之间，第二压力容器内的优选压力保持在50 psig和200 psig之间。氨化混合物的粘度优选为约1,000 cP或更小。液化混合物的加工包括形成可用的肥料。优选所述加工包括将组合物干燥至固体含量大于92%，或更优选至固体含量为至少98%。可在加工期间加入一种或多种硬化剂，例如木素磺酸盐、糖蜜、明矾或其组合。优选加工在制粒机中进行以形成颗粒，并且颗粒经筛分，选出介于0.5 mm与4 mm之间的颗粒。优选将大于4 mm的颗粒进一步粉碎，并与小于0.5 mm的颗粒合并，在加工期间将两者加入。本发明的一个要素是该方法的各个步骤可不间断地以连续过程进行，但是分批加工也是可行的。本发明的方法还优选包括收集自加工产生的粉尘材料并使之循环的粉尘控制系统。

本发明的另一个实施方案涉及通过本发明的方法生产的肥料。肥料通常含有存在于生物固体中的以下的一种或多种的水解聚合物：塑料、药物化合物、抗生素、激素、激素样分子、生物活性化合物、大分子、碳水化合物、核酸、脂肪、脂质、蛋白质和微生物。优选水解聚合物为其大部分在加工方法期间不被破坏的氨基酸，其补充并大幅提高肥料的价值。优选本发明肥料具有介于6%与20%之间的氮含量、介于0和10%之间的磷酸盐含量、介于0与5%之间的钾含量、介于10%与30%之间的硫含量、介于0与10%之间的铁含量、介于5%与30%之间的有机质含量。还优选肥料没有或几乎没有令人厌恶或难闻的气味。

本发明的另一个实施方案涉及用于生产具有预定含量的氮、磷酸盐和钾中的一种或多种的肥料的方法，所述方法包括：提供含有生物固体的有机材料，其中有机材料具有至少10%的固体含量；任选将气味控制剂加入有机材料中以产生混合物；将混合物在第一压力下加热至第一温度持续第一时段；将一定量的预定酸加入加热的混合物中，因此产生放热反应并形成液化的混合物；在第二压力下将预定量的氨加入液化的混合物中，并将混合物加热至第二温度持续第二时段，其中根据有机材料的组成确定所加入的氨的量；和加工液化的混合物形成具有预定含量的氮、磷酸盐和钾中的一种或多种的肥料。本发明的方法可任选进一步包括在加工期间加入一种或多种植物养分。可加入的这类植物养分包括但不限于以下的一种或多种：尿素、硝酸铵、硫酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、尿素硝酸铵、液体尿素、钾碱、氧化铁、可溶性铁、螯合铁及其组合。所述方法优选进一步包括在加工期间加入一种或多种硬化剂，例如氧化铁、明矾凹凸棒石粘土、工业糖蜜、木质素、木素磺酸盐、脲甲醛聚合剂及其组合。

本发明的另一个实施方案涉及用于生产肥料的系统，所述系统包括：混合器，其将生物固体与气味控制剂掺和；第一反应或压力容器，其中掺和的生物固体与酸混合，并加热至第一预定温度和加压至第一预定压力持续一段时间形成液体；第二反应或压力容器，其中液体与来自氨源的氨混合，并加热至第二预定温度和加压至第二预定压力持续第二时段；和制粒机，其中氨化液体与预制成的颗粒混合，并加热形成干燥的肥料颗粒。优选氨源在压力下是液化氨或气态氨，并且第一和第二反应或压力容器各包含搅拌器。系统还可包括筛选过程以选择产品大小的肥料颗粒，和一个或多个冷却和涂布装置以在储存前降低温度和控制粉尘。任选冷却器可包括臭氧发生器，其向冷却的肥料中提供臭氧以消除或至少大大减少难闻的气味。优选地，系统还包括用于将生物固体运送至混合器的输送机和用于将掺和的生物固体运送至第一反应或压力容器的另一输送机；加压管道系统，其将酸化生物固体自第一反应或压力容器运送至第二反应或压力容器，将氨运送至第二反应或压力容器，并将氨化液体分散到制粒机中。优选的系统还包括用于筛选预定尺寸的颗粒的一个或多个筛和用于使筛过的颗粒冷却和抛光的旋转式冷却器，以及粉尘控制装置和水回收系统两者，所述粉尘控制装置收集和循环来自制粒机的粉尘，而所述水回收系统籍以回收和循环在加工期间从生物固体中提取的水。在某些实施方案中，第一和/或第二反应或压力容器可以是管道交叉式反应器，或者两个反应或压力容器均是管道交叉式反应器。该方法可按连续或批量过程进行。

本发明的另一个实施方案涉及用于生产产品的方法，所述方法包括：提供有机材料，其中有机材料具有至少10%的固体含量；在第一压力和高温下将酸加入有机材料中持续第一时段形成液化的混合物；在第二压力和高温下将氨加入液化的混合物中持续第二时段；和加工液化的混合物形成肥料。优选地，所述有机材料是植物或细菌材料，并且还优选所述植物或细菌材料是藻类、细菌、真菌或其组合。优选具有存在于有机材料中的有毒材料，通过本发明的方法，所述有毒材料被水解或以其他方式使之无毒或灭活。优选第一压力介于20 psig与60 psig之间，高温介于66C (150F)与127C (260F)之间，第一时段介于3分钟与30分钟之间。还优选持续第二时段的第二压力和高温分别为介于50 psig与200 psig之间、介于121C (250F)与199C (390F)之间和介于1分钟与30分钟之间。优选地，所述产品为肥料。

本发明的另一个实施方案涉及通过本发明的方法生产的肥料。优选本发明的肥料具有快速和慢速两个氮释放的特征，使得在施肥时一定百分比的有效氮(优选10%-70%)被释放到土壤中，并且代表肥料的有效氮含量的约30%-90%的第二次较慢的释放在一周和数月时间内释放到土壤中。优选氮释放是时控的以与生长中的作物或植物的需要相匹配。

本发明的其它实施方案和优势部分地在接下来的描述中给出，并且部分地从该描述中可显而易见，或可从本发明的实践中获得教导。

附图描述

图1. 本发明的一个实施方案的生物固体肥料厂流程图。

图2. 本发明的另一个实施方案的生物固体肥料厂流程图。

图3. 改进的硫酸铵方法的示意图。

图4. 本发明的一个实施方案的有机改进的硫酸铵肥料的物理和化学特性。

图5. 施肥于植物的硫酸铵的氮释放曲线，显示针对周数的释放到土壤中的氮%。

图6. 氮释放曲线，显示对于硫酸铵(AS)、本发明的有机改进的硫酸铵(VITAG)和常规生物质(MILORGANITE)而言，针对天数的释放到土壤中的氮%。

图7. 用硫酸铵、本发明的有机改进的硫酸铵和生物固体施肥的植物的理论氮释放曲线，显示针对周数的释放到土壤中的氮%。

发明描述

世界上所有国家和人口区都产生有机材料形式的废物。短语有机材料包括但不限于生物固体，例如有机生物固体、含微生物的生物固体、城市生物固体和加热干燥的生物固体；并且还包括制药和实验室加工和发酵废物，农场和农业废物，腐败和消化的有机材料，收获的植物和植物样材料例如藻类包括蓝/绿藻、细菌包括蓝色/绿色细菌、蓝细菌(例如蓝色/绿色、锈色、黑色)、霉菌和真菌，工业废物及其副产品，有机产品的微生物、化学和酶消化物，植物和动物性食品、粮食和副产品，动物粪肥，消化和加工的动物粪肥，再循环肥料及其全部组合。有机废料的处理引起重大问题和全社会的费用。传统的处理方法包括填埋、埋入海中或焚化。这些选择的每一种因产生染污社会和地球的维持不住的污染量而使问题复杂化。已开发出新技术，其包括使微生物和其它潜在污染物灭活的热处理，这可产生可作为低价值肥料的产品。虽然这些技术在生态上是合理的，但不会变得流行，很大程度上是因为产品具有如此低的价值，以致于自传统填埋和燃烧方式的转变对社会几乎没有甚至没有商业刺激，而且没有资金允许建造安全的处理设施。

出乎意料地发现，可由有机材料高效地生产高价值肥料，所述有机材料包括但不限于未加工和半加工的生物固体、农业材料和工业废物。本发明的方法不仅破坏所有潜在有害的微生物，而且还水解许多聚合物，包括生物聚合物的形式(例如DNA、蛋白质、碳水化合物、毒素、抗生素、激素等)、复合材料的形式和甚至塑料的形式。所生成的肥料产品具有高价值，而且还含有对肥料是有益和合乎需要的水解单体(例如氨基酸、糖等)。本发明的方法还允许生产具有预选量的肥料各组分的肥料，所述预选量的肥料各组分包括但不限于氮、磷、钾、硫、铁和有机质的浓度。

本发明的一个实施方案涉及用于生产肥料的方法。图3描绘了本发明的通用方法的示意图。所述方法包括提供可能含有生物固体的有机材料，或任选向其中加入气味控制剂(气味控制剂本身在最终的肥料产品中可用作重要的植物养分)的有机材料，所述气味控制剂的减少或消除可存能在的来自起始原料中的有机材料或其它组分的气味。所得混合物，其可能含有自所述方法的其它步骤再循环的添加水，在开始在反应或水解容器中发生的关键性酸/碱反应之前，被充分混合并加热至预定温度持续一段时间。向该加热材料中加入酸，所述酸与有机材料起放热反应，并提高温度和压力两者。在此期间，优选2-10分钟，各组分大部分或完全液化。向加热的液化材料(任选可将其转移到第二压力容器中)中加入氨(其优选也被液化或汽化并同样在压力下)，且与混合物的酸组分的后续反应用来进一步提高温度和压力。将氨化并液化的生物固体在这些条件下保持一段短的时间，优选2-10分钟，然后优选加工成为肥料颗粒。

氨化反应可进行至完成，所有酸或几乎所有酸藉此起反应，使得几乎没有甚至没有残留的酸余留。几乎所有酸的组合产生盐或盐熔化物(一种部分氨化的混合物) (例如与硫酸所产生的盐是硫酸铵)。优选在氨化时，盐与熔化物比率为约20/80、约25/75、约30/70、约35/65、约40/60、约45/55、约50/50、约55/45、约60/40、约65/35、约70/30、约75/25和约80/20。可通过测量混合物的pH实时测定盐形成。优选的pH值介于pH 6.2与pH 7.0之间。或者，有时优选使反应器中的酸混合物部分氨化，并在第二捣泥机中或在制粒过程中完成氨化。

本发明的一个优势是，由于有机材料被液化，因此液体可优选利用与任何固体、半固体或触变材料相比较的压差，更容易地按需要通过管道运输。液化的有机材料还可被更均匀地施加到制粒机中的接纳体材料，从而允许更均匀成形的球形颗粒的形成。生物固体优选被完全液化，但是大部分液化通常便足够。优选所述液体显示易于流动的特性、几乎没有或没有分散的趋势以及相对高的不可压缩性。

起始有机材料的粘度通常超出100,000 cP并且在环境温度下通常150,000 cP，而且甚至在加工设施中典型的高温下不会显著改变。处于比较的目的，在约室温下，糖蜜的粘度为约5,000-10,000 cP，蜂蜜的粘度为约2,000-10,000 cP，巧克力糖浆的粘度为约900-1,150 cP，橄榄油的粘度为约81 cP。随着按照本发明加入酸和加热，有机材料的粘度降至约1,000-10,000 cP的范围，优选降至小于4,000 cP，更优选降至小于3,000 cP，更优选降至小于2,000 cP，更优选降至小于1,000 cP。随着加入氨和自所得放热反应额外的温度升高，粘度降低至500-4,000 cP的范围，优选降至2,000 cP或更低，更优选降至1,000 cP或更低，更优选降至750 cP或更低，更优选降至500 cP或更低。此外，通常与正常存在于有机材料例如生物固体中的固体碎屑有关的问题和与碎屑例如塑料和毛发有关的问题随着所有所述材料的水解也被清除掉。

对于运输和加工，与常规材料相比，本发明的低粘度材料具有显著降低的能量需要。无生物或有机固体材料保留，因此消除了通常与固体碎屑堵塞或以别地方式阻断从一个区域运送至另一个区域从而需要关闭系统以进行维护有关的问题和低效率。不存在可能另外增加设备损耗从而缩短设备寿命的固体或半固体。此外，众所周知的在常规加工中引起堵塞的有机固体材料(包括例如塑料和毛发)完全分解并水解成其单体组分。酸反应水解许多可能存在的聚合物，包括塑料、毛发和生物活性化合物(不论是天然存在的还是人工产生的)，并且分解和破坏许多和几乎所有和优选所有的可能存在的大分子和微生物。这就提高了操作工人的安全性，进一步简化并提高可能定期需要的任何系统清洁或维护的效率。与其它传统的含有有机物的肥料产品(例如在生物固体碱性稳定化过程中制备的那些肥料产品)相比，这种水解进一步提高在所生成的肥料产品的使用中的完全性。

本发明的另一个优势是，由于方法可容易地被采纳，因此对粉尘和气味控制装置的需要被减到最低。加工步骤是封闭的，并处在负压下，而且没有步骤在旷野或暴露于环境的区域或设施的周边环境中进行。气味控制剂优选最初加入，但可任选方便时在方法的任何步骤中加入。备选地或除其它气味控制处理以外，可在成形和/或冷却期间将颗粒暴露于臭氧。臭氧可显著减少或消除肥料的难闻气味。因此与常规肥料生产实践相比，本发明是一个重大的改进，在常规肥料生产实践中，大规模生产设施尽可能定位在远离居民区，从而需要长距离地运送输入材料以使工厂运转。该问题的一个好的实例是位于Helena，Arkansas的生物固体肥料转化厂，该厂按美国专利第5,984,992、6,159,263、6,758,879和7,128,880号的教导实行生产过程，并利用一直从New York City运输的生物固体。

本发明的另一个优势是，由于酸和氨以受控方式加入，因此可预先确定肥料的最终组分。最终产品中氮的确切量可根据起始原料(包括生物固体、酸、碱、水和任何其它组分)的量调节。同样地，硫、铁、磷酸盐、钾和甚至有机物的确切量也可调节，或者如有需要，可从最终产品排除，产生定制的肥料产品。需要施肥的许多作物生长在已知磷酸盐、硫、钾或其它元素高的区域。用常规肥料施肥，虽然需要，但是通常加重污染。由本发明的方法生产的肥料不仅将克服这样的问题，还可以设计成与特定类型的土壤或选择类型作物的特殊需要结合使用。另外，本发明的方法允许在加工期间用其它成分补充肥料。

本发明的另一个优势是由于连续加工和在自动化下而容易大规模地实现。不需要明显的保留时间，因此无延迟，使得加工无中断地自开始到结束持续进行，当材料需要保温数天时可能需要保留时间，因为对于常规生物固体加工的某些类型例如堆肥过程或碱性稳定化过程而言，保温数天是常见的。此外，所述方法不依赖于材料的具体量。本发明的方法可扩大到任何量的有机材料。这是十分优选的，至少因为大多数城区的规模不同，并且由此每天产生的有机物(例如生物固体)的量大大不同。另外，预期的量也随时间而变化。此外，所述方法的每个步骤可在完全自动化操作下进行，所述自动化操作包括解决每天和随时间的必要变化。

本发明的另一个优势是，允许用于加工有机材料(例如生物固体)的设施与处理厂共定位。生物固体于是可直接取自废水处理厂以进行加工，从而使运输和潜在有害化合物的可能泄漏减到最小。另一个优选的实施方案是与废水处理厂足够接近的定位，通过螺旋输送机或带式输送机或生物固体泵送系统与废水处理厂连接。或者，另一个优选的实施方案定位于毗连废水厂。本发明的目的是将加工厂尽可能安排在废水厂附近。因此，本发明通过将进行生产过程所必需的物理设备定位在生物固体源(例如城市废水处理厂)附近或与之毗连，从而消除了运输成本。本发明的生产厂优选允许毗连的储存设备。此外，通过相毗连，简化或消除运输物流，从而降低产品的运输成本以及输入有机物(例如生物固体)的运输成本。此外，本发明的方法具有可与其它生产设施连接的优势。这些设施可与无关的商业企业(例如尼龙或钢铁生产)有关。在这两个行业中，产生热的硫酸铵作为产品生产的副产品。此外更普遍的是，接近产生余热的商业企业(如在熔炉或窑中)的共定位将有利地允许通过本发明利用这种余热作为对化石燃料(例如天然气)需要的替代或通过利用所述余热同时发电。通过使本发明的加工设施共定位于这类地点，另外不需要的副产品(例如硫酸铵)就不必运走，而可直接用于本发明肥料的生产中。

本发明的另一个优势是，由于与常规加工相比，所述方法使所需要的水和能量(例如电)的量和所形成的废物副产品的量减至最低，可按规模安排生产以为工厂坐落在其中的特定居住区规模的需要提供服务。这种定制设计允许可加工较少量的生物固体(例如小于3吨/小时的脱水生物固体)或加工用于较大厂的放大量的生物固体(例如多达10-12吨/小时或更多)的生物固体加工/肥料生产厂。在一个优选的实施方案中，当使生物固体标准化至25%固体时，最佳规模介于6吨/小时与8吨/小时之间。每小时加工的生物固体的量的确取决于生物固体的固体百分比。随生物固体的水分增加，每小时可被加工的生物固体的量按比例增加。这种按规模调整的特征降低成本，允许可交换的设备的标准化，并提高运作物流的效率以及降低总体债务。

可按照本发明处理的有机材料包括但不限于生物固体。生物固体的类型包括城市生物固体、生活化粪池垃圾、农场和农业废物、动物粪肥、消化和加工的动物粪肥、循环的生物固体肥料、有机生物固体、含微生物的生物固体和加热干燥的生物固体。可按照本发明的方法加工的其它有机材料包括但不限于制药和实验室加工和发酵废物、有机工业废物、微生物材料、腐败和消化的有机材料、农场和农业废物、收获的植物材料例如藻类包括蓝/绿藻、海藻和其它水生植物和水载的有机残渣、细菌包括蓝色/绿色细菌和蓝细菌(例如蓝色/绿色、锈色、黑色)、污泥、昆虫和昆虫生物质(例如肢体部分、粪便)、霉菌和真菌、工业废物及其副产品、有机产品的微生物、化学和酶消化物、食物、粮食和食物副产品，及其组合。除常规生物固体以外，几乎所有的有机材料都可通过本发明的方法加工，包括变质的或以别的方式腐败的食品，例如但不限于肉、鱼和农产品以及塑料和含碳的家用垃圾和可回收物。

本发明的另一个优势是可将以其他方式难以处理的有机材料和甚至某些非有机材料按照本发明进行加工，作为将否则可能会是占据垃圾填埋场或海洋空间的废物材料转变成有用产品的方法。作为非限制性实例，出于美化目的以及出于栖息在该环境中的植物和动物的总体健康，将藻类从表面撇去或以别的方式从水体中收集。这种藻类通常可被来自环境中的吸附或代谢并在藻内浓缩的天然毒素或有毒化合物污染。通过按照本发明的方法加工藻类，可将藻类转化成肥料，而且重要的是，毒素被破坏或以别的方式灭活。另外，可有意地使藻类或其它植物或细菌在受污染的区域内和区域上生长，并收获以按照本发明进行加工。另外，由于有毒污染是浓度的问题，因此可将从本发明的方法中产生的材料加入其它已加工的材料中，并充分稀释，使得不再造成危害。这种土地或水回收的方法可与具有按本发明收集、加工并使其无毒或以其他方式使其无害的生物体的各种植物、细菌和昆虫一起进行。因此，可将本发明的方法应用于处理或未处理的土壤、腐殖质和几乎任何生物质，所述生物质包括细胞组分、沉积的有机物和生物材料。

有机材料优选脱水或水化至固体含量介于10%与40%之间，更优选介于20%与30%之间，更优选介于22%与25%之间。还可凭经验或根据实验确定具体有机材料的最佳固体含量。按照本发明所接受用于加工的有机材料通常具有低于最佳水平的固体含量。优选可通过与具有70-95%(优选85-92%)固体浓度的“干的”有机材料掺和/混合，来调节固体含量不足的有机材料至所需浓度。“干的”有机材料可通过第三方来源获得，或可通过加热干燥用可获得的有机材料产生。加热干燥过程包括加热的螺旋输送机、圆盘干燥器、旋转干燥器、浆式混合器/干燥器、流化床干燥器和其它市售可得的工艺/设备。将干燥的有机材料和固体浓度不足的有机材料在混合容器中混合以达到凭经验或根据实验确定的理想的固体含量。混合容器可以是捣泥机、混合螺旋输送机、多轴混合器、带桨式掺和机、高剪切混合器或其它市售的高粘度拌浆器。较不优选的是，可通过加热材料以除去实现所需浓度所必需的水，来调节固体含量不足的有机材料至所需浓度。这也可在上文所列的相同的加热干燥设备中进行。所接受用于加工的有机材料可能需要水化作用，且当需要时，优选添加额外的水，其来自在加工的其它步骤中收集的水。循环水的这种利用还提高本发明的效率和有利的经济效果。

在输入加工期间如有需要，可通过注入使其能够或提高流动或移动的蒸汽、水和/或热(例如使之触变)来调节有机材料。在这些最初的步骤中，可将有机材料与化学添加剂(例如氧化剂)掺和用于最初的气味控制，并制备用于在压力容器中反应的生物固体。例如，可用黑色或农业级磷酸注入生物固体中以把气味减到最小。在该实例中，此处所加的磷酸将改变肥料产品中磷酸盐的最终浓度。在该步骤中加入产品中的磷酸盐的量可少至0.5%，并可多至6%。除气味最小化以外，磷酸把有价值的营养组分加到产品肥料中。

优选将气味控制剂加入待加工的初始有机材料中，尽管可在加工期间的任何时间(包括在颗粒形成和冷却期间)加入一种或多种气味控制剂。优选的气味控制剂包括但不限于高铁酸钙、高铁酸钠、高铁酸钾、七水硫酸亚铁、四水白铁矾、水绿矾、氯化铁、硫酸亚铁、一水硫酸亚铁、过氧化氢和/或臭氧以及其各种其它的盐、衍生物及组合。本领域普通技术人员可凭经验确定气味控制剂的量和类型，但是典型量的范围为按混合物或颗粒的重量计0.01%至最多混合物或颗粒的6%，优选为约0.05%、0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%或2.0%。

将有机材料、气味控制剂和可能的循环水递送至混合容器中，在混合容器中它们充分混合，并可形成被泵送或容易运送的触变糊状物。混合容器可以是捣泥机、混合螺旋输送机、多轴混合器、带桨式掺和机、高剪切混合器或其它市售的高粘度拌浆器。捣泥机、掺和机和混合器是具有安装在一个或多个大功率驱动轴上的叶片状掺和元件的混合室，所述驱动轴以可变但可控的速率旋转，其每秒多次分割、混合、返混和重新分割待掺和的材料，以得到具有可靠稠度的完全均匀的掺和物。

或者，为达到固体浓度的混合容器和用于用循环水、磷酸、气味控制剂或其它添加剂调节的混合容器可在适当大小的单一混合器中组合，以得到所需的混合能量和时间。

优选通过间接加热(例如加热的螺旋输送机、浆式混合器或圆盘干燥器)或直接加热(例如蒸汽注入)，将该混合物加热至所述方法的下一个酸化阶段中适当反应所需的温度。根据所用酸的类型和浓度以及有机材料混合物的类型和浓度确定所需的温度。加热混合物优选包括在混合容器内混合物的连续混合或搅动和容器本身的可能加热。因此，为了达到混合的所需温度，可能需要或多或少的热量，这部分取决于容器的材料组成。优选加热进行一段保留时间，该时间相当于达到所需温度所需要的时间或可保持混合物较长的时段。优选的时段(其包括加热时间)介于1与30分钟之间、更优选介于3与15分钟之间、更优选介于5与10分钟之间(或这些范围的任何组合)。此外，加热时间还可取决于正被加热的混合物的量。优选为大致相当于达到所需温度所花费的时间的加热时间。较不优选的是，加热还可通过在混合容器或管道系统中直接注入蒸汽或加热的气体来实现。

在优选的实施方案中，在第一压力容器的入口处，向加热的混合物中加入酸，产生放热反应，因而这引起额外的加热。通过直接注入压力容器中或在容器入口处注入，将酸加入混合物中。在压力容器中，混合物被搅拌或以其他方式连续地混合。酸具有极低的pH，优选为pH -4.0至pH +2.0的范围。如本领域技术人员所知，在极强的含水酸的情况下，几乎没有水分子使酸完全解离。因此，真实的pH比实际测量低得多。负pH表示pH计算为摩尔浓度的负对数，其中氢离子的摩尔浓度大于1。所用酸的优选pH值为例如pH 2.0或更低、pH 1.0或更低、pH 0.8或更低、pH -1.0或更低、pH -2.0或更低。优选的酸包括但不限于盐酸、硼酸、次氯酸、高氯酸、碳酸、磷酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、羧酸及其衍生物、混合物和组合。由本领域普通技术人员根据正被处理的有机材料的量和/或所需的结果确定所加酸的量和类型，所述结果包括但不限于以下的一个或多个：达到预定的温度或压力，或使混合物液化。部分由于有机材料被液化，因此管道中几乎没有甚至没有硅酸钙、不溶性磷酸盐化合物或其它不溶性化合物的堆积(所述堆积是一种伴随常规生物固体加工设施的典型问题)。酸的加入引起加热和提高容器压力的放热反应。开始反应时在环境下的这种压力实际上可通过受监测或受控的排气，在酸化过程中保持在环境或所需压力下。或者可允许压力随因稀释反应放出的热所致的温度升高而升高。所述压力可通过控制排气或在缺乏排气时，达到60 psig的上限。

混合物的温度优选升高至或超过66C (150F)，例如升至或超过82C (180F)或93C (200F)、更优选升至或超过104C (220F)、110C (230F)、116C (240F)、121C (250F)、127C (260F)、132C (270F)、137C (280F)、143C (290F)、149C (300F)、163C (325F)或升至或超过177C (350F)。可通过允许在酸化期间释放容器空气，在反应器中无压力的情况下进行这种酸化，然而在促进酸化混合物转移至第二容器的优选实施方案中，第一或酸化容器中的压力将保持在高于第二容器所达到的压力。酸化过程进行介于3分钟与30分钟之间的保留时间，其优选的时间介于4分钟与8分钟之间。

优选在第二压力容器中随后加入氨碱，进一步影响混合物的温度，优选将温度升至或超过132C (270F)，例如138C (280F)或143C (290F)，更优选升到或超过149C (300F)，更优选升到或超过154C (310F)、160C (320F)、166C (330F)或171C (340F)，更优选升到或超过177C (350F)，例如升到或超过182C (360F)、188C (370F)、191C (375F)、193C (380F)、199C (390F)、204C (400F) 、210C (410F)、216C (420F)、221 (430F)、227C (440F)或232C (450F)。优选加热进行相当于达到所需温度并允许完成反应所需要的时间的一段保留时间。反应时间(其可包括放热加热时间)的优选时段介于1与30分钟之间、更优选介于3与15分钟之间、更优选介于5与10分钟之间或这些范围的任何组合。此外，反应时间还可取决于正处理的混合物的组分和/或构成和/或所加酸的量和/或类型。反应在密封的容器中发生，且容器顶部空间的压力也增加。压力另外可用减压阀调节，并优选保持介于5 psig与250 psig之间、更优选介于30 psig与150 psig之间、更优选介于40 psig与100 psig之间。优选的压力包括但不限于5、10、20、30、40、50、60、70、75、80、90、100、110、120、125、130、140、150、160、170、175、180、190、200、210、220、225、230、240和250 psig。

在所需要的时间、温度和压力下酸反应之后，将酸化混合物从酸压力容器中排出，并转移到第二压力容器中。在第二压力容器，将氨在第二压力容器入口处注入混合物中或直接注入第二压力容器中。所加氨的量和形式由本领域普通技术人员根据正处理的酸化混合物或有机材料的量和所需的结果确定，所需的结果包括但不限于以下的一个或多个：达到预定温度或压力，或使混合物液化。氨的加入提高混合物的温度，释放出增加第二压力容器内的顶部空间压力的蒸汽。压力另外可用减压阀调节，并优选保持在介于50 psig与200 psig之间、更优选介于75 psig与150 psig之间、更优选介于100 psig与130 psig 之间(或这些范围的任何组合)。优选氨的加入进行一段保留时间，其相当于注入氨并完成氨化反应所需的时间。优选的时段介于1分钟与30分钟之间、更优选介于3分钟与15分钟之间、更优选介于5分钟与10分钟之间(或这些范围的任何组合)。此外，注入氨和完成氨化反应的时间可取决于存在的酸化混合物的量和/或所加的氨的量和/或形式。在该点pH优选为约1.5-约7.5，更优选约6.0-约7.0。

本发明的方法用生物固体和其它形式的有机材料生产肥料，所述肥料优选对于处理和操作是安全的，并且优选符合和/或超过USEPA A类生物固体的最低要求。肥料产品优选经灭菌，生物和化学污染物至少部分水解并优选完全水解，生物作用剂或生物体被变性至灭活和/或破坏的程度。典型的生物或化学污染物包括但不限于以下的一种或多种：药物化合物、抗生素、激素、激素样分子、生物活性化合物、大分子、碳水化合物、脂质、蛋白质、核酸及其组合。

本发明优选包括在产生应力状态的预定保留期间的应力调节，所述应力状态满足或超过与材料的传统高压灭菌有关的应力状态。这种高压灭菌作用破坏和/或灭活有机材料，或使有机材料仅仅灭菌。有机材料中的微生物被破坏和/或灭活，所述微生物包括例如细菌、病毒、真菌、寄生物、寄生虫卵、细菌和真菌孢子及其组合。另外，本发明的方法优选设计成水解大分子，例如蛋白质、核酸、脂质、脂肪、碳水化合物及其组合和/或可能存在的其它生物活性物质。

在所述方法各步骤中的任何时间，可将一种或多种硬化剂加入混合物中。优选的硬化剂包括但不限于氧化铁、明矾凹凸棒石粘土、工业糖蜜、木质素、木素磺酸盐、脲甲醛聚合剂及其组合。

在可凭经验或根据实验确定的所需时间，将液体加工成为肥料。优选加工包括转移至制粒机以除去水并形成干燥的肥料颗粒。优选的是在含有按重量计60-88%的以前的颗粒的制粒机中加工，优选用热将颗粒干燥至大于90%固体、优选98%或99%固体或更大。优选收集从颗粒中提取的水，其中一部分在所述方法的步骤中循环，剩余部分经处理用于排放。颗粒在干燥过程中通常相当热，任选可通过转移至冷却室或冷却装置使之冷却。在冷却期间，可将臭氧注入冷却器中作为气味控制措施。优选待注入的臭氧量为冷却的颗粒重量的0.01%-5%、更优选为0.1%-2%、更优选为约0.5%-1%。优选通过喷雾将臭氧引入冷却装置。

一旦干燥和成形并任选在冷却后，颗粒经筛分，优选为0.5mm-4 mm的粒度。更优选为约2.8 mm的标准肥料颗粒和约1 mm的特殊“微型”颗粒。

可将一种或多种市售可得的硬化剂加入制粒机中。优选的硬化剂包括但不限于木素磺酸盐、木质素、糖蜜或其组合。将大于4 mm和小于0.5 mm的颗粒在制粒机中循环。通过用一种或多种市售可得的防尘剂涂布对所需大小的颗粒进一步加工。优选将大于4 mm的颗粒粉碎，并与小于0.5 mm的颗粒混合，并将全部在制粒机中循环。

本发明优选提供粉尘和气味两者的控制系统以确保公众接受生产厂，并促进符合USEPA标准以及通过自工厂经处理的空气中捕获并掺入有价值的氮或其它潜在的和/或难以捕捉(fugitive)的植物养分，使得所述方法更有效。

本发明的另一个实施方案是通过本发明的方法生产的肥料。图4列出了本发明的一个优选实施方案的有机改进的硫酸铵肥料的物理和化学特性。可使来自有机材料(例如生物固体)的肥料成为粉末或成块状，或优选呈颗粒的形式，所述颗粒具有预定尺寸，并且与未抛光的颗粒相比，其抛光后耐粉碎。此外，优选的颗粒具有光滑的外表，很少凹点或裂缝，形状为圆形或椭圆形。优选肥料不含或含有可忽略的可检测的不能水解的聚合物，优选有机混合物内的聚合物已被水解，所述聚合物包括但不限于塑料、药物化合物、抗生素、激素、激素样分子、生物活性化合物、大分子、碳水化合物、核酸、脂肪、脂质、蛋白质和微生物。水解的聚合物形成聚合物的单体，其在产品中蓄积，并优选为氨基酸。

本发明的方法优选导致产生具有适当干燥度、硬度和化学质量的USEPA A类肥料产品的颗粒或丸粒，以生产能够在国内和国际市场上与传统的无机肥料竞争的有价值的高氮控释(例如缓释或双重释放)的商品化肥料产品。商品化的高氮肥料优选具有按成品肥料的干重计大于8%的氮，更优选具有按成品肥料的干重计至少16%的氮。A类特性是指成品肥料成品的微生物质量，其符合美国环境保护局对于含有如在40 C.F.R. § 503中定义的城市生物固体的产品的A类微生物标准。此外，根据所用应力状态和保留时间，本发明的肥料符合或超出这个标准，因此确保了符合相关的USEPA带菌媒介吸引标准(USEPA Vector Attraction Standards) (成品中90%固体或更多)，并且就成品肥料的运输而言，成品肥料颗粒经优化为最小水含量，提高了硬度特性并排除了水。成品的固体百分比优选大于92%固体、更优选大于97%固体、更优选大于99%固体。

按照本发明的方法处理的生物固体通常含有低水平的金属，例如砷、镉、铜、铅、汞、钼、镍、硒和/或锌。低水平是低于被视为有害的水平，并且低于如由USEPA针对含有城市生物固体的产品所公布的对于金属的特殊品质(“EQ”)标准。因此，通过超过对于大分子(例如个人医药产品，例如抗生素或激素或激素样物质)的USEPA规定和水解器或压力容器的水解条件，所得到的肥料在农业、植物和动物中及其周围使用是安全的，而且在加工、处理、分配和销售期间，由工人处理是格外安全的。

由于所产生的肥料产品含有生物固体和高含量的合乎需要的氮两者，因此优选的实施方案导致各种特殊养分配方的肥料，以下特殊养分配方的肥料是典型的：16-0.5-0-18-3-15或16-0.5-2-17-3-14 (氮-磷-钾-硫-铁-有机物)缓释颗粒肥料，其为至少99%无水的，并超过美国环境保护局(USEPA) A类要求和特殊品质(EQ)标准。16%控释的有机氮组分有助于在需要时和需要之处在根区结合氮。例如，由于呈铵离子的氮与生物固体的组分结合，因此它通过根区慢慢迁移，并保留可为植物所用，而非挥发或丢失到根区以下的地下水中。因此随时间推移其可慢慢地被植物吸收。

可将肥料产品设计成所需含量的元素成分。优选肥料的含氮量介于6%与20%之间、更优选为8-18%，磷酸盐含量介于0和10%之间、更优选0-5%，含钾量介于0与5%之间、更优选为1-4%，含硫量介于10%与30%之间，更优选为15-20%，含铁量介于0与10%之间、更优选1-4%，有机质含量介于5%与30%之间、更优选10-20% (或这些范围的任何组合)。

肥料产品含有铵离子形式的氮，所述铵离子与肥料的有机物和其它化合物非共价结合。与硫酸铵肥料不同，结合的铵离子在施用时不完全立即释放到土壤中。取而代之的是，代表肥料的有效氮的约30-60%的一部分氮立即释放到土壤中。这种快速释放通常在1-2周的时间内发生，慢于常规的硫酸铵肥料(其通常在约5-10天的时间内将其有效氮的90%或更多释放到土壤中)，但略快于或等于常规的纯生物固体肥料的氮释放。在随后的数天和数周内，本发明肥料的剩余氮的绝大部分逐步释放到土壤中。阳光、热量、水和/或土壤中的微生物作用于肥料，并慢慢分解离子键，将有效氮释放到植物根部。优选氮释放大致为约1%-5%/周，更优选约2%-4%/周。少量的氮可与肥料的化合物共价结合，因此使植物无法获得。优选无效氮的这种量为肥料产品全部氮的5%或更低，更优选2%或更低，更优选1%或更低。这种双重氮释放特征是用常规肥料无法获得的。

本发明的双重释放肥料允许单次施用肥料，其向生长或出苗的植物例如经济作物(例如水果、蔬菜、谷类、树)提供一部分氮，然后优选在整个或部分的生长季节内提供连续的量(例如参见图7)。这使每株作物需要的施肥次数减至最低，这大大节约了施用费用。

本发明的另一个实施方案涉及用于生产具有预定含量的氮、磷酸盐和/或钾中的一种或多种的肥料的方法。有机材料的加工按本文所述进行，其中所选的酸具有在最终的肥料产品中所需的类型和量。例如，使用设定量的磷酸在最终的肥料产品中将得到设定量的磷酸盐。通过使用特定量的硫酸，特定量的硫将保留在肥料中。通过选择酸的类型和量，可以预先选择所生产的肥料产品的含量。优选肥料补充有一种或多种植物养分，其在加工的一个或多个步骤期间加入。所述一种或多种植物养分包括但不限于尿素、硝酸铵、硫酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、尿素硝酸铵、液体尿素、钾碱、氧化铁、可溶性铁、螯合铁、微量营养物如镁、锰、铜、锌、钼或硼，及其组合。

本发明的另一个实施方案涉及用于生产肥料的系统。本发明包括混合器，其将含有生物固体的有机组分任选与气味控制剂掺合。然后将混合物在该混合器或在单独的加热容器中加热。加热混合物优选包括在加热期间通过间接加热(例如加热的容器壁或加热的混合器)或直接加热(例如注入蒸汽或热风)连续混合或搅拌。然后将加热的混合物转移到第一压力容器。压力容器优选具有这样的构造，其允许在与经调节的酸性生物固体糊状物进行连续放热反应的同时剧烈混合。将搅拌器/混合器整合至第一压力容器。还可将任选的加热元件(可在容器的内表面或内部)整合至压力容器。可将酸与加热的生物固体在第一压力容器中直接掺和，或者优选将酸和加热的生物固体在混合三通管中混合并一起加入压力容器中。在压力容器内，热和压力积累持续一段时间，以自糊状生物固体混合物形成液体。可将液体混合物在同一压力容器中进一步处理，或优选通过管道或导管转移到第二压力容器中。优选将混合物以湍流转移，以防止生物固体材料保留在导管中或使其可能性降到最低。此外还优选使酸化液体混合物在混合三通管中与来自氨源的氨(优选液体氨)混合，并一起强力地注入第二压力容器中。优选通过在液体混合物之后加入到系统的压缩气体迫使液体混合物通过导管，以确保所有的液体混合物均被转移到第二容器中。优选将气体经由第二容器中的安全阀清除，所述气体可为空气或另一种气态化合物或混合物。在第二压力容器内，酸化和氮强化的液体混合物经放热加热至和/或被加热至第二预定温度，并被加压至第二预定压力持续第二时段。优选氨源在压力下是液化氨和/或汽化氨。还优选为这样的系统，籍此第一和第二压力容器各包括搅拌器或连续混合混合物的其它机械装置。或者，第一和第二压力容器可以相同。在氨化后，将混合物转移至捣泥机或制粒机，其中蒸汽和水汽被释放，氨化的液体与预制成的颗粒(通常称为“循环”以形成或成形为新的肥料颗粒)混合。这些颗粒然后在旋转干燥器或流化床干燥器中加热形成干的肥料颗粒。在一个优选的实施方案中，整个反应过程受闭环计算机控制所控制，闭环计算机控制通过加入硫酸、氨、植物养分、pH调节器和压力控制持续监测和调节放热反应。优选的控制机制是通过该压力容器中生物固体上方的顶部空间压力的调节。该系统还优选包含用于将生物固体输送至混合器的输送机(例如泵或螺旋输送机、输送带)和用于将掺和的生物固体输送到第一压力容器的另一个泵；加压管道系统，其将酸化的生物固体自第一压力容器输送至第二压力容器，将氨输送至第二压力容器并使氨化的液体分散至制粒机。因此，在不需要停止生物固体连续流动进出压力容器的情况下进行整个过程。

自制粒机之后(或与之整合)优选为旋转干燥器或备选流化床干燥器，其将生物固体肥料进一步干燥至小于1%水含量。在离开干燥器时，生物固体肥料进一步按尺寸筛选和分成产品、筛下和筛上颗粒群。筛下粒循环回到第二捣泥机的入口。筛上粒被送至锤磨机，在其中被粉碎并再循环。在离开筛选过程之后，使生物固体肥料颗粒通过旋转式冷却器处理，其中生物固体肥料被冷却。任选冷却器可包括臭氧发生器，其向冷却的肥料中提供臭氧。在臭氧存在下，引发气味的材料与氧和存在于生物固体中可能的其它分子络合，随后减少或消除难闻的气味。肥料颗粒腾空进入最后的抛光筛以除去在冷却过程中产生的筛下颗粒或粉尘。在通过抛光筛处理之后，产品通过涂布鼓，其中加入抑制粉化的涂布剂。然后将生物固体肥料储入仓库准备散装运送或随后包装。或者，可将颗粒经过空气抛光系统，其将在冷却过程产生的热空气连续循环至干燥阶段，导致用于加工的燃料使用和废气减少。将从筛和设备吸取的空气在集尘器中净化，通过热交换器冷却并作为进气重新用于冷却器。自冷却器排出的热空气再次于集尘器中净化。经净化、加热的空气用作旋转干燥器的进气。系统此外还优选包括用于筛选预定尺寸的颗粒的一个或多个筛和用于使筛过的颗粒冷却和抛光的旋转式冷却器。本发明的系统优选包括粉尘控制装置(例如真空装置和袋滤室)，其收集来自制粒机的粉尘，并且还包括水回收系统(籍此在加工期间从生物固体中提取的水被回收并循环，这使系统极为高效)。

在一个优选的实施方案中，生产用空气经酸洗涤以除去任何难以捕捉的有气味的物质，尤其是汽化氨或气态氨。所捕获的氨在其进入反应容器或混合器之前作为铵盐混合回到生物固体混合物，从而提高整个系统的效率，并使成品肥料中的最终氮浓度达到最大。其它残余物被加到位于压力容器下游的任选的捣泥机或混合器中或直接注入制粒机中，所述残余物包括粉尘、非规格化或回收的产品和太小或筛下的干燥肥料或筛上材料(其在粉碎或碾磨装置中粉碎)，或可包括可被加入成品肥料组成中的客户可能更喜欢的其它添加剂(例如铁)。在制粒过程中，在第二捣泥机或制粒机中加入一种或多种硬化剂，其有助于使混合物结块并促成干燥丸粒或颗粒的硬度。除别的以外，所述一种或多种硬化剂还选自凹凸棒石粘土、木质素、工业糖蜜和明矾，或本领域技术人员已知的这些硬化剂的混合物。

任选依顾客的要求而定，在捣泥机或制粒机中优选加入另外的植物养分，例如钾碱或其它形式的钾，例如氢氧化钾。可加入的固体养分还包括尿素、硝酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、氯化锌和/或钾碱。还在该第二捣泥机中加入任何另外需要的铁。铁向肥料混合物提供重要和有价值的植物养分。

此外，可将额外的氨直接喷射到捣泥机和制粒机中以完成铵盐的形成、控制混合物的pH并促进成品颗粒的形成。用于调节pH的固体还可主要为选自以下的碱性剂：碳酸钙、氢氧化钠、氧化钙、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、C级粉煤灰、F级粉煤灰、多级燃烧器灰分、明矾、来自水处理的明矾生物固体和木灰。这些物质经螺旋输送机以对于每一种化合物特定的速率加入。液体添加物还包括pH调节材料例如酸(例如磷酸或硫酸)或者苛性碱溶液(例如氢氧化钠)。这些物质以各自速率泵送至注入环以进入捣泥机。

本发明的肥料产品优选具有介于5.0与7.0之间的pH，更优选介于pH 5.8与pH 7.0之间，并且更优选介于pH 6.2与pH 6.9之间。如在丸粒或颗粒生产中用于成型加工的其余部分包括标准肥料制粒技术(尤其对于高容积通量的工厂)。丸粒或颗粒产品，尤其是在较小通量的工厂(被视为少于每天生产25吨产品的工厂)，可包括更多的创新技术例如注入或挤出，随后将丸粒或颗粒碾磨或球化，或者包括自制粒机或制粒捣泥机中简单排出。当使用制粒机或制粒捣泥机时，优选将例如干种子材料中的一些循环物(即经粉碎机或碾磨机产生的干燥细屑和细屑或者肥料产品的规格以下或回收材料)进料至捣泥机和制粒机，以调节混合物中存在的水分百分比，使得可发生结块或成核以导致颗粒形成。

其它优选的实施方案包括对本文公开的方法进行调整。实施方案并入造粒机(pelletizer)替换生产流程中的制粒机(granulator)。造粒机可包括干燥步骤以达到优选的干燥度，或者然后可将所形成丸粒转移至干燥器(优选流化床干燥器)以达到优选的干燥度。这些其它的实施方案还可并入调整以控制pH、干燥度、产品中的养分、形状、浓度等，以产生大量的对不同植物(例如玫瑰、杜鹃和任何其它花卉、蔬菜、草本植物)有特效的肥料以及产品例如猫砂(cat litter)。还可根据产品所施用的地理区域进行调整，以改变例如在该区域内自然缺少或以其他方式缺少的养分。所述变化的实例包括加入不同量的钙、钾或磷。

用于最终干燥的正常干燥使用卧式流化床干燥器或转鼓式干燥器进行。然后通过一个或更多个筛对大于92%固体、优选大于95%固体、更优选大于98%、甚至更优选大于99%固体的干燥的丸粒或颗粒进行筛分。规格尺寸可依客户要求而变化，然而，用于销售的合适产品的范围介于0.5 mm与4 mm之间，其中对于正常尺寸肥料的商品化范围介于2 mm与3 mm之间。本发明还可生产适用于高尔夫球场应用的最小尺寸产品，其范围为0.5 mm-1.3 mm。适当大小的材料被分离，然后被冷却，然后被涂布，然后在装置中(优选在转鼓中)冷却至小于60C (140F)、优选小于49C (120F)、更优选小于43C (110F)。使颗粒或丸粒冷却最适于发生在转鼓装置中，其使用环境空气或来自氨蒸发冷却器的冷却空气。涂布可发生于专门用于该目的涂布容器(通常为转鼓或混合器)中。或者，冷却和涂布可在使材料冷却并且使涂布剂与颗粒混合的单一容器中完成。涂布用除尘器或抛光材料(其使在运输、储存和施用期间的粉尘产生减至最小)进行。成品的涂布颗粒或丸粒然后作为成品的高含氮生物有机增强的无机铵肥料输送以储存直到从生产地装运。适当涂布和干燥的丸粒或颗粒具有大于5磅抗破碎性的硬度，以在运输、装运和施用期间耐尘化和处理。除尘器涂布或抛光的材料通常需要较高的温度，通常为71-105C (160-220F)，以保持熔融状态用于在涂布装置中的施用。

颗粒储存设施或仓库(通常并有料箱或筒仓以装有颗粒)必须是干燥的以防止导致降解和破坏的颗粒结块。成品在制造时为无菌肥料，基本上没有可检测量的对动物或人有害的活的微生物例如大肠杆菌或链球菌。基本上没有活的微生物意指肥料是微生物安全的并且没有可检测的量的微生物或者具有可检测量远低于用于安全处理和使用的阈值的微生物，所述微生物源自生物固体。尽管在制造期间肥料为无菌的，但可预期在储存或使用期间来自空中传播的微生物或由动物或其它污染物沉积的微生物导致的污染。在任何情况下，因为肥料产品是干燥的并且在大多数情况下无机铵盐不以将会导致公共卫生问题的速率支持微生物繁殖。

在正常运转期间，定期关闭工厂设备对于检查、维修或更换将是必要的。这根据具体情况以不同程度进行。在一个实施方案中，停工为自动化的，例如以工厂控制处理器提供的自动化指令顺序；在另一个实施方案中，手动实施停工。

如果过程的有限关闭对单件设备是必要的，则生物固体向反应器容器的流动将停止。第一压力容器之前的管线上的材料被排空到有机混合物混合器。使用备用阀和管道系统和气压，将压力容器和相关管道中的材料排空至制粒机中颗粒的‘循环’床，或如果无，则排空至为这类事件提供的紧急储存箱系统。在压力容器中，在肥料混合物降至低于正常排放点之后，与排放有关的分流阀关闭，封锁压力容器的正常排放。然后切换压力容器底部的分流阀，允许压缩空气进入压力容器的顶部空间以迫使剩余的材料进入返回肥料混合物管线。如果需要进一步清洁，则向压力容器注入生产用水，随后通过压缩空气以清除水。通过运行制粒机、干燥器和所有随后的设备来对其进行清洗，直到这些容器被腾空。

优选对本发明的肥料进行化学调节以符合含有大量的磷酸盐、硫和铁的高氮肥料要求的需要，以提高目标氮(N)含量介于按重量计8%与18%之间，优选为16%重量，这使其具有重要的商业价值。

图1和图2提供本发明实施方案的示意图，其中这些实施方案的方法利用混合有其它植物养分、铵盐肥料和粘合剂的脱水城市生物固体。在该实例中，待处理的生物固体是脱水生物固体，常称为“生物固体饼”。将该生物固体递送至生产设施，在其中将其存储于贮料仓中直到生物固体即将被调节。调节最初通过与用于气味控制的铁或其它作用剂、连同任选的氧化剂一起剧烈混合或掺和而在第一捣泥机中发生，其将触变的生物固体转化为可泵送的混合物、糊状物或糊状混合物。铁和/或氧化剂与生物固体中存在的还原态硫化合物和其它有气味的物质反应。如果将磷酸加入该第一捣泥机中，则有助于改变生物固体中存在的有气味的物质，并且提供最终产品中存在的大多数磷养分。随着生物固体通过装置系列进行加工，其它植物养分可被注入到混合物中。在该实施方案中，生物固体在被泵送至第一反应容器之前，在其通过捣泥机期间被加热。在此处所示的优选的实施方案中，两个硫酸流(以68%直到105%硫的浓度范围)被注入容器中，在其中混合物被酸化，并开始液化。一旦混合物离开第一压力容器，便在压力下输送至第二压力容器，在其中发生最初的氮注入反应。在该图中，喷雾器注入作为气体或液体的氨(或其它氮源)。小心控制两个容器中的该反应以优化温度、压力、保留时间、pH和氮，其全部可根据输入的生物固体材料和经处理并干燥的生物固体的所需输出含量凭经验确定。压力容器包括用作使系统自动化的多个阀和控制器。可使用添加剂以控制温度、压力、pH和养分水平。泵送至压力容器的氮源包括碱，例如无水氨或氨水。形成生物固体与硫酸铵和磷酸铵的混合物，其变成分子结合的，因为铵离子变得与来自生物固体的两性有机分子电性结合，从而在最终肥料颗粒中产生缓释或控释氮。类似地，该电性键合可发生于混合物中存在的硫酸根和磷酸根及铁分子之间，从而使这些养分分子同样处于缓释或控释状态。当混合物穿过压力容器时，将该混合物保持在应力状态下持续一段保留期，所述保留期通过混合物的保留时间确定(其继而基于如本文描述的顶部压力和体积)。应力状态优选包括高温和/或高压。部分或全部通过可提高混合物的温度的组分放热反应产生高温。在这些温度下，从混合物中产生蒸汽。在阀控制的释放下允许该蒸汽离开压力容器，实现了混合物的部分干燥。生物固体在压力容器中经受的应力状态和保留期受到控制，使得导致无菌的并含有来自生物固体的水解大分子的混合物的产生。应力状态和保留期的控制还导致所形成的铵离子与存在的有机分子融合，对所存在的氮产生天然缓释的性质，并导致生物固体中存在的许多大分子(例如蛋白质、塑料和其它聚合物)变性和/或水解。当这类分子具有生物活性时，这种变性和/或水解使得其具有较少活性或无活性，从而产生更加安全的用于公共使用或暴露的混合物。引起必要的肥料性质和生物失活的保留时间通过将生物固体连续泵送和流入压力容器来控制。与老厂的传统分批处理相比较，本发明的这种连续流处理有助于本发明的高通量。连续流还使与过程的堵塞有关的问题(需要停机时间以清除堵塞)减至最小。

新的液体生物固体混合物从压力容器中流出，随意任选与一种或多种硬化剂和可能的其它养分混合以微调肥料。该混合物通过制粒或挤出成为颗粒(例如丸粒或其它较小的结构)来进一步处理。颗粒在旋转干燥器中进行干燥，并通过一个或多个筛以便从合适尺寸的材料中分离筛上材料和筛下材料。筛上材料可在粉碎机或碾磨机粉碎。随后，筛下材料和粉碎的筛上材料可循环以促进肥料混合物的制粒。然后将所得到的合适尺寸的颗粒在旋转式冷却器中干燥、筛分、涂布、冷却和存储。当传统的制粒机用于成型过程时，可发生通过汽化氨和循环添加的氨化作用。自来自压力容器和来自随后容器的混合物中排除的水作为蒸汽和/或水汽可被冷凝并优选返回至废水处理厂(WWTP)，或者可经处理并排放至邻近的水源中，或者排放至大气。在排气过程中自氨的捕获中保留的水被返回到生产用水保存容器。对于方法的最优气味控制和自本发明所得肥料的气味的最优化，该生产用水可用25%-50%液体过氧化氢处理以消除与该生产用水有关的大部分有气味的化学物质后，随后直接加入到第一捣泥机之前或第一捣泥机中的生物固体混合物。或者，有气味的生产用水可用通过扩散器起泡穿过生产用水的气态臭氧处理，从而同时消除了与这种水有关的有气味的物质。

在另一个实施方案中，可使用一系列反应容器完成本文所描述的酸/碱反应。在本发明的一个优选的实施方案中，可使用两个反应容器的先后顺序。在一个任选的实施方案中，用于酸反应的一个反应器容器的组合的后面是在管道交叉式反应器中进行的氨化。或者在另一个实施方案中，反应可按以下先后顺序进行：用于生物固体混合物酸化的第一管道交叉式反应器，接着在压力容器进行氨化。还描述了这样的实施方案，其中酸化反应在第一管道交叉式反应器进行，接着氨化反应在第二管道交叉式反应器中进行。

本发明的另一个实施方案可使生物固体混合物的酸化部分或完全发生在第一捣泥机中。部分或完全酸化的生物固体混合物然后可通过在第一反应容器中的氨化进行处理。如果混合物被部分酸化，则酸/碱反应可在该第一容器中完成，或不完全的混合物被转移到第二反应器容器(或管道交叉式反应器)中以完成反应。

本发明的另一个实施方案涉及用于自按照本文描述的本发明方法处理的有机材料生产产品的系统。压力、热和氨处理的组合破坏或以别的方式灭活存在于另受污染的有机材料中的毒素和其它危险化合物。所得产品可用作肥料或用于植物和/或动物的其它养分或支持物，或用于其它行业例如建筑或生活环境创造。

下面的实施例举例说明了本发明的实施方案，但不应视为限制本发明的范围。

实施例

实施例 1

向900克固体含量为16%的未处理生物固体中加入15克生产用水、38.6克硫酸铁和21.8克磷酸。把混合物充分混合(10 rpm)至约1,250 cP的粘度，然后在搅拌的压力容器中加热至约54C (130F)，并排气以保持0 psig的大气压(环境)。将411.4克93%的硫酸加入加热的混合物中，使之达到最高温度5分钟。混合物的温度升至约104C (220F)，并且使容器排气以保持大气压在0 psig。760cP-3630cP范围的粘度取决于所产生的剪切速率。

实施例 2

向730克固体含量为23.5%的未处理生物固体中加入56克生产用水、45.9克硫酸铁和25.9克磷酸。将混合物在搅拌的压力容器中加热至54C (130F)，并排气以保持0 psig的大气压。将490.1克93%的硫酸加入加热的混合物中，使之达到温度和最大压力5分钟。混合物的温度升至约116C (241F)，压力升至最大40 psig。在最大压力时，加入165克氨，使氨化混合物达到温度和最大压力5分钟，之后温度升至183C (362F)，压力升至111 psig。粘度为约518-968cP，这取决于所产生的的剪切速率。

实施例 3

向720克pH为6.7和固体含量为24.5%的生物固体中加入50克生产用水和47.2克硫酸铁。将混合物充分混合，然后在搅拌的压力容器中加热直到达到约54C (130F)和26 psig的最大压力。将503.9克93%的硫酸加入加热和加压的混合物中。混合物的温度升至114C (238F)，并且压力升至58 psig的最大值。在5分钟后并且在最大压力时，加入170克氨，使氨化混合物达到温度和最大压力5分钟，之后混合物的温度升至182C (360F)，压力升至109 psig。然后液化的混合物被喷雾至制粒机中，并且整个混合物被干燥。在制粒机中得到的混合物含有按重量计约80%的再循环肥料颗粒。将颗粒筛分至大小约2-4 mm，并测定内容物。发现颗粒含有16(N)-2(P)-0(K)-175(S)-1(Fe)-15(Org)。

实施例 4

向720克pH为6.45和固体含量为23%的生物固体中加入100克生产用水和146克硫酸铁。将混合物充分混合，然后在搅拌的压力容器中加热直到达到约54C (130F)和23 psig的最大压力。将406克93%的硫酸加入到加热和加压的混合物中。混合物的温度升至111C (232F)，压力升至34 psig的最大值。在5分钟后，在最大压力时，加入166克氨，使氨化混合物达到温度和最大压力5分钟，之后混合物的温度升至176C (348F)，压力升至106 psig。然后液化的混合物被喷雾至制粒机中，并且整个混合物被干燥。在制粒机中得到的混合物含有按重量计约80%的再循环肥料颗粒。将颗粒筛分至大小约2-4 mm，并测定内容物。发现颗粒含有16(N)-0(P)-0(K)-175(S)-3(Fe)-15(Org)。

实施例 5

向600克pH为6.54和固体含量为23%的生物固体中加入130克生产用水和158.9克硫酸铁。将混合物充分混合，然后在搅拌的压力容器中加热直到达到约54C (130F)和21 psig的最大压力。将511.7克93%的硫酸加入加热和加压的混合物中。混合物的温度升至118C (244F)，压力升至46 psig的最大值。在5分钟后和在最大压力时，加入183克氨，使氨化混合物达到温度和最大压力5分钟，之后混合物的温度升至175C (3347F)，压力升至107 psig。液化的混合物被喷雾至制粒机中，并且整个混合物被干燥。在制粒机中得到的混合物含有按重量计约80%的再循环肥料颗粒。将颗粒筛分至大小约2-4 mm，并测定内容物。对颗粒进行分析，发现含有16(N)-0(P)-2(K)-185(S)-3(Fe)-13(Org)。

实施例 6

与作为对照的传统的纯硫酸铵肥料和纯生物固体相比，测定本发明的有机改进的硫酸铵的氮释放特征。首先，将硫酸铵施用在实验室环境(环境温度，无阳光、水或土壤生物)中的无菌沙上，使之在一段时间内渗入沙中。如图5中可见，纯硫酸铵肥料约90%的氮在短于一周内穿过沙。其次，比较纯硫酸铵(AS)、纯生物固体(MILORGANITE)和本发明的有机改进的硫酸铵(VITAG)间的氮渗透。如图6中可见，AS约90%的氮在施用约一周内穿过沙被释放。相比之下，传统生物固体约35%的氮被释放，其在两周内增加到约70%，并在此保持。本发明的有机增强的硫酸铵在第一周内释放其氮的约60%，其在两周内增加至约70%。

此外，在正常土壤中针对这些相同的3种肥料原料测定了理论氮释放特征。假设土壤含有分解含氮分子从而将额外的氮释放到土壤中的微生物。如图7中所见，硫酸铵在第一周内再次释放其含氮量。纯生物固体在头两周内只释放其氮的约30%，其在26周的一段时间内逐步增加至约90%。然而，按照本发明的方法制备的有机改进的硫酸铵在两周内只释放其氮的60%以下，在接下来的26周内逐步增加至约90%。因此，按照本发明方法制备的有机改进的硫酸铵肥料最初只释放其过半数的氮，并在数周到数月的时间内慢慢释放剩余的一半。这种二阶段氮释放的特征(例如双重释放、两步释放、组合的快速/缓慢释放)是本发明肥料的特性。

从本文所公开的本发明的说明书和实践的考虑，本发明的其它实施方案和用途对本领域技术人员是显而易见的。本文引用的所有参考文献，包括所有出版物、美国和外国专利及专利申请，均通过引用具体而完整地予以结合。在任何位置使用的术语“包括”，意指包括术语“由……组成”和“基本上由……组成”。本说明书和实施例意旨被视为仅是示例性的，本发明的真实范围和精神由随附权利要求书规定。

Claims (53)

1. 一种用于肥料生产的方法，包括：

提供含有生物固体的有机材料，其中所述有机材料具有至少10%的固体含量；

将气味控制剂加入有机材料中以产生混合物；

在第一压力和高温下将酸加入混合物中持续第一时段形成液化的混合物；

在第二压力和高温下将氨加入液化的混合物中持续第二时段；和

加工液化的混合物以形成肥料。

2. 权利要求1的方法，其中所述生物固体包括以下的一种或多种：城市生物固体、加热干燥的生物固体、制药发酵废物、有机产品的微生物消化物、粮食、食物副产品、动物粪肥、消化的动物粪肥、有机生物固体、含微生物的生物固体及其组合。

3. 权利要求1或2的方法，其中所述有机材料还含有塑料和毛发，且所述方法在加工前不需要除去塑料和毛发中的任何一个。

4. 权利要求1-3中任一项的方法，其中所述有机材料经脱水或水化至固体含量介于15%与40%之间。

5. 权利要求4的方法，其中所述有机材料具有小于22%的百分比干燥度。

6. 权利要求4的方法，其中所述有机材料的一部分经脱水至大于70%或85%的干燥度，并且该部分与所述有机材料的其余部分掺和以达到所需的百分比干燥度。

7. 权利要求4-6中任一项的方法，其中所述有机材料用自所述方法的一个或多个步骤回收的生产用水水化。

8. 权利要求1-7中任一项的方法，其中所述气味控制剂选自高铁酸钙、高铁酸钠、高铁酸钾、七水硫酸亚铁、四水白铁矾、水绿矾、氯化铁、硫酸亚铁、一水硫酸亚铁、过氧化氢、臭氧及其盐、衍生物和组合。

9. 权利要求1-8中任一项的方法，其中所述有机材料与气味控制剂的混合物是触变混合物。

10. 权利要求1-9中任一项的方法，其中在加入酸之前将所述混合物加热。

11. 权利要求1-10中任一项的方法，其中在第一压力容器中进行加热，且第一压力保持在20 psig与60 psig之间。

12. 权利要求1-11中任一项的方法，其中所述第一温度介于66C (150F)与127C (260F)之间，且所述第一时段介于3分钟与30分钟之间。

13. 权利要求1-12中任一项的方法，其中所述第一温度介于93C (200F)与121C (250F)之间，且所述第一时段介于5分钟与10分钟之间。

14. 权利要求1-13中任一项的方法，其中所述酸为磷酸、硫酸或其组合。

15. 权利要求1-14中任一项的方法，其中所述液化的混合物处于4,000 cP或更小的粘度下，并被转移到第二压力容器中。

16. 权利要求1-15中任一项的方法，其中将所述氨在被加入到所述液化的混合物之前在压力下加热以形成气体。

17. 权利要求1-16中任一项的方法，其中所述第二温度介于121C (250F)与199C (390F)之间，所述第二时段介于1分钟与30分钟之间，且在压力容器内的所述压力保持在50 psig与200 psig之间。

18. 权利要求1-17中任一项的方法，其中在加入氨后所述液化的混合物处于1,000 cP或更小的粘度下。

19. 权利要求1-18中任一项的方法，其中所述加工包括将组合物干燥至固体含量大于92%。

20. 权利要求19的方法，其中所述固体含量为至少98%。

21. 权利要求1-20中任一项的方法，还包括在加工期间加入硬化剂。

22. 权利要求21的方法，其中所述硬化剂为木素磺酸盐、糖蜜、明矾或其组合。

23. 权利要求1-22中任一项的方法，其中加工在制粒机中进行以形成颗粒。

24. 权利要求23的方法，其中将所述颗粒筛分，并选出介于0.5 mm与4 mm之间的颗粒。

25. 权利要求23或24的方法，其中将大于4 mm的颗粒粉碎并与小于0.5 mm的颗粒合并，使两者在加工期间循环。

26. 权利要求1-25中任一项的方法，其中所述方法的各个步骤在连续过程中进行。

27. 权利要求1-26中任一项的方法，还包括收集由加工产生的粉尘的粉尘控制系统。

28. 一种通过权利要求1-27中任一项的方法生产的肥料。

29. 权利要求28的肥料，其含有以下中的一种或多种的水解聚合物：塑料、药物化合物、抗生素、激素、激素样分子、生物活性化合物、大分子、碳水化合物、核酸、脂肪、脂质、蛋白质和微生物。

30. 权利要求29的肥料，其中所述水解聚合物为氨基酸。

31. 权利要求28-30中任一项的肥料，其具有介于6%与20%之间的氮含量、介于0和10%之间的磷酸盐含量、介于0与5%之间的钾含量、介于10%与30%之间的硫含量、介于0与10%之间的铁含量和介于5%与30%之间的有机质含量。

32. 一种用于生产肥料的方法，所述肥料具有预定含量的氮、磷酸盐和钾中的一种或多种，所述方法包括：

提供含有生物固体的有机材料，其中所述有机材料具有至少10%的固体含量；

将气味控制剂加入有机材料中以产生混合物；

将混合物在第一压力下加热至第一温度持续第一时段；

将一定量的预定酸加入加热的混合物中，由此产生放热反应并形成液化的混合物；

在第二压力下将预定量的氨加入液化的混合物中，并将混合物加热至第二温度持续第二时段，其中根据有机材料的组成确定所加入的氨的量；和

加工液化的混合物以形成肥料，所述肥料具有预定含量的氮、磷酸盐和钾中的一种或多种。

33. 权利要求32的方法，还包括在加工期间加入一种或多种植物养分。

34. 权利要求33的方法，其中所述一种或多种植物养分选自尿素、硝酸铵、硫酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、尿素硝酸铵、液体尿素、钾碱、氧化铁、可溶性铁、螯合铁及其组合。

35. 权利要求32-34中任一项的方法，还包括在加工期间加入一种或多种硬化剂。

36. 权利要求35的方法，其中所述一种或多种硬化剂选自氧化铁、明矾凹凸棒石粘土、工业糖蜜、木质素、木素磺酸盐、脲甲醛聚合剂及其组合。

37. 一种用于生产肥料的系统，包括：

混合器，其将生物固体与气味控制剂掺和；

第一反应或压力容器，其中将掺和的生物固体与酸混合，并加热至第一预定温度和加压至第一预定压力持续一段时间形成液体；

第二反应或压力容器，其中将所述液体与来自氨源的氨混合，并加热至第二预定温度和加压至第二预定压力持续第二时段；和

制粒机，其中将氨化液体与预制成的颗粒混合，并加热形成干燥的肥料颗粒。

38. 权利要求37的系统，其中所述氨源在压力下是液化氨或气态氨。

39. 权利要求37或38的系统，其中所述第一和第二反应或压力容器各自包含搅拌器。

40. 权利要求37-39中任一项的系统，还包括筛分肥料颗粒的筛选过程，和在储存前降低温度和控制粉尘的一个或多个冷却和涂布装置。

41. 权利要求37-40中任一项的系统，还包括：

用于将生物固体运送至混合器的输送机和用于将掺和的生物固体运送至第一反应或压力容器的另一个输送机；

加压管道系统，其将酸化生物固体自第一反应或压力容器运送至第二反应或压力容器，将氨运送至第二反应或压力容器，并将氨化液体分散到制粒机中。

42. 权利要求37-41中任一项的系统，还包括用于筛选预定尺寸的颗粒的一个或多个筛和用于使筛过的颗粒冷却和抛光的旋转式冷却器。

43. 权利要求37-42中任一项的系统，还包括收集来自制粒机的粉尘并使之循环的粉尘控制装置。

44. 权利要求37-43中任一项的系统，还包括水回收系统，籍此回收在加工期间从生物固体中提取的水并使之循环。

45. 权利要求37-44中任一项的系统，其中所述第一反应或压力容器是管道交叉式反应器，所述第二反应或压力容器是管道交叉式反应器，或所述第一和第二反应或压力容器两者各为管道交叉式反应器。

46. 一种用于生产产品的方法，包括：

提供有机材料，其中所述有机材料具有至少10%的固体含量；

在第一压力和高温下将酸加入有机材料中持续第一时段形成液化的混合物；

在第二压力和高温下将氨加入液化的混合物中持续第二时段；和

加工液化的混合物以形成产品。

47. 权利要求46的方法，其中所述有机材料是植物或细菌材料。

48. 权利要求47的方法，其中所述植物或细菌材料为藻类、细菌、真菌或其组合。

49. 权利要求48的方法，其中存在于有机材料中的有毒材料被水解或以别的方式使之无毒性或灭活。

50. 权利要求49的方法，其中所述第一压力介于20 psig与60 psig之间，所述高温介于66C (150F)与127C (260F)之间，且所述第一时段介于3分钟与30分钟之间。

51. 权利要求49的方法，其中持续第二时段的第二压力和高温分别为介于50 psig与200 psig之间、介于121C (250F)与199C (390F)之间和介于1分钟与30分钟之间。

52. 权利要求46-51中任一项的方法，其中所述产品为肥料。

53. 权利要求46-52中任一项的方法，其中所述肥料在施用约2周内将约40-60%的氮释放到土壤中，并且在约3-6个月的时间内释放剩余氮的大部分。