Улучшенное удобрение
Изобретения относятся к сельскому хозяйству. Твердое удобрение в форме дискретных частиц, где каждая частица твердого удобрения содержит неорганический материал, содержащий по меньшей мере один из питательных элементов N, Р, K или S, где неорганический материал выбран из одного или нескольких жидких и твердых неорганических удобрений, включающих сульфат аммония, АРР (полифосфат аммония), NPK (азот, фосфор, калий), NO3PK, SOA (сульфат аммония), MAP (моноаммонийфосфат), DAP (диаммонийфосфат), мочевину, CAN (нитрат кальция аммония), МОР (хлористый калий), SOP (сульфат калия), и нагреваемый органический материал или торрефицированный органический материал, при этом неорганический материал и нагреваемый органический материал равномерно распределены по каждой из частиц или неорганический материал и органический материал сформированы в виде однородной смеси, и при этом углерод в удобрении представляет собой преимущественно лабильный углерод, удобрение по существу не содержит углерод биоугля. Способ получения твердого удобрения в форме дискретных частиц. Способ удобрения поля за один проход в вегетационный период. Изобретения позволяют получить улучшенный состав удобрения. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил., 6 табл., 5 пр.
Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с заявками AU2020900981 и AU2019902376, полные содержания которых тем самым включены посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к улучшенному удобрению.
Предшествующий уровень техники изобретения
Органические удобрения содержат в основном материалы растительного и/или животного происхождения. Материалы могут представлять собой, например, навоз, туши, пищевые отходы, органические промышленные отходы и зеленую подстилку. Органические удобрения и/или удобрения на основе углерода, как правило, полезны для почвы, а также улучшают структуру почвы, стимулируют микробную активность и/или постепенно высвобождают все необходимые питательные вещества в почву.
Неорганические удобрения содержат минералы, а иногда и синтетические химические вещества, такие как полученные из природных и/или синтетических углеводородов и атмосферного азота. Неорганические удобрения могут включать основные питательные вещества, необходимые растениям для роста и выживания, такие как азот N, калий K и фосфор P. Питательные вещества из неорганических удобрений могут вымываться из почвы и могут влиять на колонии микробов в зоне внесения. По этой и другим причинам неорганические удобрения лучше всего использовать вместе с органическими удобрениями, по меньшей мере для поддержания здоровья почвы.
Органические удобрения имеют тенденцию быть объемными, при этом по консистенции напоминают мульчу. Неорганические удобрения бывают в различных формах, таких как сухие порошки или пеллеты (гранулы, приллы, таблетки) или жидкости, включая растворимые растворы. Питательные вещества в органических удобрениях имеют тенденцию медленно высвобождаться с течением времени, что может означать, что количество и число раз требуемого внесения в почву могут варьировать на протяжении определенного периода времени. Неорганические питательные вещества, как правило, сразу же доступны для растения. Избыточное внесение неорганических удобрений, неправильная техника размещения или внесения могут увеличить риск того, что концентрация питательных веществ повредит растению, особенно прорастающим или развивающимся растениям.
Как правило, с органическими удобрениями, по меньшей мере с теми, которые содержат туши/отходы, следует обращаться осторожно, учитывая, что в некоторых случаях органические удобрения могут быть заселены патогенными микробами, которые могут быть вредными для людей и пастбищных животных.
Из-за существенных различий в консистенции, в требованиях безопасности и активности в почве органические и неорганические удобрения, как правило, вносят в почвы двумя отдельными процессами. Иногда для внесения каждого из типов органических и неорганических удобрений требуется разное оборудование. Сроки внесения удобрений также могут быть разными для каждого из типов удобрений.
Существует потребность в улучшенном составе удобрения, который преодолевает или по меньшей мере облегчает некоторые из недостатков удобрений предшествующего уровня техники.
Следует учитывать, что, если в настоящем документе приводится ссылка на какой-либо предшествующий уровень техники, то такая ссылка не является признанием того, что публикация является частью общеизвестного уровня техники в Австралии или любой другой стране.
Краткое раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту представлено сухое и твердое удобрение в форме дискретных частиц, при этом частицы сухого и твердого удобрения содержат однородную смесь органических и неорганических материалов, при этом неорганический материал содержит по меньшей мере одно из питательных веществ NPKS (от англ. - nitrogen, phosphorus, potassium, sulfur - азот, фосфор, калий, сера), а органический материал содержит по существу стерильный продукт с лабильным углеродом из органических отходов.
Согласно второму аспекту представлен способ получения сухого и твердого удобрения в форме дискретных частиц, при этом способ содержит стадии
стерилизации материала органических отходов для обеспечения по существу стерильного продукта с лабильным углеродом;
смешивания неорганического материала, содержащего по меньшей мере одно из NPKS, с по существу стерильным продуктом для получения смешанного продукта;
связывания смешанного продукта для обеспечения однородной смеси органических и неорганических материалов и
формирования однородной смеси органических и неорганических материалов в отдельные частицы.
Согласно некоторым вариантам осуществления стадии связывания и смешивания осуществляют одновременно.
Под «однородной смесью органических и неорганических материалов» в удобрении подразумевается, что удобрение содержит два материала, смешанных и по существу связанных вместе. Материалы не обязательно должны быть химически связаны вместе, но они связаны вместе, по меньшей мере физически. Под удобрением не подразумеваются удобрения, в которых органическое удобрение вносится на одной стадии, а неорганическое удобрение на второй стадии. Это была бы гетерогенная смесь двух компонентов и обеспечивала бы меньше преимуществ, чем настоящее изобретение. Преимуществом сухого и твердого удобрения является то, что органические и неорганические удобрения могут быть внесены вместе за одну стадию с использованием существующего оборудования для внесения. Это представляет собой значительную экономию средств и времени.
Органические отходы можно отнести к твердым веществам биологического происхождения. Органические отходы предпочтительно представляют собой отходы животного происхождения. Отходы животного происхождения могут быть любыми, полученными от животных, которые обычно выбрасываются или считаются малоценными для дальнейшей обработки. Отходы могут включать навоз от животных, туши или другие материалы, используемые животным (например, подстилочный материал), сбрасываемые с животного (например, волосы, кожа, части тела). Отходы могут включать подстилку. Подстилка может представлять собой смесь птичьего помета, рассыпанного корма, частей тела, например, перьев, и материала, используемого в качестве подстилочного в сельскохозяйственных операциях. Подстилка также может включать неиспользованные подстилочные материалы. Согласно некоторым вариантам осуществления органические отходы представляют собой зеленые отходы. Зеленые отходы могут включать сельскохозяйственные отходы, такие как сено (возможно, поврежденное отработанное сено) или другие сельскохозяйственные твердые вещества биологического происхождения. Органические отходы, подвергаемые способу в соответствии с настоящим изобретением, или предназначенные для удобрения в соответствии с настоящим изобретением, могут представлять собой смеси различных типов твердых веществ биологического происхождения. Согласно некоторым вариантам осуществления отходы животного происхождения содержат по меньшей мере приблизительно 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 мас. % органического компонента композиции удобрения.
Согласно одному варианту осуществления отходы животного происхождения представляют собой отходы куриного происхождения. Отходы могут содержать куриные туши, и/или куриный помет, и/или куриную подстилку. В некоторых странах отходы куриного происхождения или подстилка домашней птицы представляют собой значительный поток отходов. Согласно одному варианту осуществления отходы животного происхождения представляют собой отходы свиноводства. Отходы могут содержать туши свиней, и/или навоз свиней, и/или подстилку свиней. Согласно одному варианту осуществления отходы животного происхождения представляют собой отходы крупного рогатого скота. Отходы могут содержать туши крупного рогатого скота, и/или навоз крупного рогатого скота, и/или подстилку крупного рогатого скота. Животное может представлять собой любое другое животное, производящее отходы. Согласно вариантам осуществления настоящее изобретение может обеспечивать способ утилизации этого потока отходов в повторно используемый и коммерчески ценный продукт. Процентные содержания различных отходов животного происхождения могут варьировать, как раскрывается в настоящем документе. Предпочтительно, чтобы отходы не были слишком влажными, поэтому может быть полезным применение большего количества подстилки и меньшего количества навоза в потоке сырья.
Одним из ограничений прямого внесения органических отходов в почву является наличие патогенных микроорганизмов. Например, отходы животного происхождения могут содержать микроскопические грибы, такие как из родов Fusarium, Apergillus и/или Penicillium. Большинство грибов Fusarium являются фитотрофами. Aspergillus и Penicillium образуют в почве токсины. Можно найти ряд патогенов в куриной подстилке или органических удобрениях на основе куриной подстилки, таких как Actinobacillus, Bordetalla, Campylobacter, Clostridium, Corynebacterium, Escherichia coli, Globicatella, Listeria, Mycobacterium, Salmonella, Staphylococcus и Streptococcus. Известно, что Listeria и Salmonella являются причиной смертельных исходов. Удобрение, раскрываемое в настоящем документе, представляет собой по существу стерильный продукт из органических отходов. Под «по существу стерильным» подразумевается, что патогены, как правило, не присутствуют в удобрении непосредственно перед применением. Поскольку удобрение является по существу стерильным, с ним безопаснее обращаться, чем с нестерильным удобрением. Инфекция Listeria может приводить к незапланированным абортам у беременных женщин или к смерти новорожденных. Salmonella, Campylobacter и энтерогеморрагическая Escherichia coli являются одними из наиболее распространенных патогенов пищевого происхождения, ежегодно поражающих миллионы людей, иногда с тяжелыми и летальными исходами. Следует учитывать, что патогены, в том числе бактерии, грибки, дрожжи и т. д., присутствуют в воздухе и будут неизбежно загрязнять любой материал, который не изолирован или не защищен иным образом. Соответственно, в продукте удобрения могут присутствовать некоторые патогены, но их количество не будет таким же, как если бы отсутствовал какой-либо процесс стерилизации.
Для стерилизации материала могут применяться химические, термические или физические способы. Органическое вещество удобрения в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно подвергают процессу термической стерилизации. Следует учитывать, что помимо термической стерилизации могут применяться и другие процессы стерилизации. Процесс стерилизации предпочтительно подвергает органические отходы воздействию температуры, достаточной для уменьшения или устранения патогенов в отходах. Процесс стерилизации направлен на уменьшение или устранение патогенов и может также уменьшать содержание влаги в органических отходах до такой степени, что дальнейший рост микроорганизмов подавляется. Такое снижение содержания влаги может быть важным для хранения и транспортировки органической части удобрения до момента применения при внесении в почву. Согласно вариантам осуществления процесс стерилизации может снижать содержание влаги до общего содержания воды по массе не более приблизительно 1, 2, 5, 10 или 15 мас. %.
Во время процесса термической стерилизации пар и другие летучие газы могут выпариваться, улавливаться и/или конденсироваться в системе газоочистки. Считается, что потери питательных веществ из сыпучего твердого вещества в конденсированные пары невелики. Неконденсируемые пары могут быть отправлены в атмосферу через процесс окончательной фильтрации. Конденсат можно хранить на месте и необязательно повторно использовать в процессе (в качестве смачивающего средства) или избавляться от него. Согласно одному варианту осуществления конденсат используют на стадии гранулирования в процессе, дополнительно раскрываемом ниже. В конденсат могут быть добавлены другие питательные вещества (например, APP (от англ. - ammonium polyphosphate - полифосфат аммония) и/или мочевина) для продажи в виде жидкого удобрения.
Согласно одному варианту осуществления для выполнения стерилизации органический материал подвергают пиролизу. Предпочтительно пиролиз представляет собой торрефикацию органического материала. Пиролиз представляет собой термическое разложение материалов при повышенных температурах в инертной (анаэробной) атмосфере. Пиролиз органических материалов требует контроля/устранения кислорода, чтобы избежать частичного или полного окисления (сжигания). Пиролиз органических материалов происходит в температурных диапазонах и, как правило, приводит к различным конечным продуктам. Для многих природных органических веществ пиролиз начинается при приблизительно 250°C, а обугливание - при температуре приблизительно 400°C. На самом низком уровне компостирование происходит при 40°C - 80°C. Торрефикация, как правило, происходит при 150°C - 350°C. Биоуголь, как правило, получают при выше ~ 750°C. Как правило, уголь становится более поверхностно-активным при температурах выше 600°C. Виды биоугля, полученные при очень высоких температурах, например, > 600-700°C, не могут быть применимыми, по меньшей мере для сельскохозяйственного применения. Некоторые виды биоугля, полученные при приблизительно 450-500°C, могут обеспечивать относительно хорошие результаты при сельскохозяйственном применении. В способе в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно применяют температуру, при которой происходит торрефикация, поэтому органические отходы превращаются в торрефицированный продукт.
Торрефикация считается подходящей технологией для получения удобрения в соответствии с настоящим изобретением, поскольку она может «активировать» органический материал при температуре, достаточно низкой, чтобы предотвратить выделение более сложных летучих материалов (например, смол). Активация представляет собой процесс изменения основной углеродной матрицы. После торрефикации (~ 350°C) углерод органических отходов имеет тенденцию становиться более хрупким, его относительно легче измельчать и уплотнять. Торрефицированный продукт имеет ячеистую структуру, которая похожа, но не такая же, как у биоугля. Предпочтительно, в процессе в соответствии с настоящим изобретением органические отходы не подвергаются воздействию температур, которые приводят к образованию биоугля.
После внесения сухого и твердого удобрения в почву бактерии, присутствующие в почве, могут начать метаболизм углерода органического материала. Органический материал богат углеродом. Углерод в удобрении лабильный. Под «лабильным» подразумевается, что углерод является биодоступным для микроорганизмов в почвенной матрице. Другим примером богатого углеродом материала является биоуголь; однако углерод биоугля, как правило, не является лабильным. Таким образом, биоуголь не пригоден в качестве удобрения в соответствии с настоящим изобретением, поскольку микроорганизмы менее способны к использованию углерода. Биоуголь может представлять собой, во-первых, секвестрирующую среду для предотвращения повторного попадания углерода в атмосферу и, во-вторых, композицию замедленного высвобождения для применения при посеве семян.
Торрефицированная структура, которая получается в результате способа в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно полезна для здоровья почвы, поскольку она может обеспечивать пористую среду с большой площадью поверхности для роста полезных микробов, сохранения воды и питательных веществ. Удобрение в соответствии с настоящим изобретением может обеспечивать одновременную подачу питательных веществ и компоста; при этом питательные вещества находятся в форме, которая характеризуется замедленным высвобождением и с меньшей вероятностью вызовет проблемы с прорастанием/повреждением проростков, но согласно вариантам осуществления все же более быстрее и предсказуемым образом высвобождаются, чем из традиционных навозов и компостов.
Питательные вещества в удобрении включают по меньшей мере одно из азота (N), фосфора (P), калия (K) и серы (S). Питательные вещества могут представлять собой NPKS (т. е. все 4). Питательные вещества могут представлять собой одно или несколько из NPKS. Дополнительные неорганические питательные вещества могут быть добавлены в органический материал после того, как он был подвергнут процессу стерилизации. Следует учитывать, что органический материал также содержит некоторые питательные вещества, но желаемое и постоянное, стабильное и точное содержание питательных веществ достигают путем добавления неорганического удобрения после стерилизации органического компонента.
Способ формирования удобрения может включать стадию смешивания неорганических материалов, содержащих по меньшей мере одно из NPKS с по существу стерильным органическим продуктом для получения смешанного продукта. Как правило, это выполняют после того, как органический компонент был подвергнут процессу стерилизации, однако в некоторых случаях это можно сделать и раньше. Нет необходимости термически обрабатывать ингредиенты неорганического удобрения, поскольку они будут иметь тенденцию к стерильности уже из-за высокого содержания в них солей и/или аммония, а также из-за тепла/давления, связанных с процессом их изготовления. Дополнительным аргументом в пользу добавления неорганического материала после этого является то, что определенные температуры могут химически изменять удобрения из неорганических материалов или плавить их в представленной форме.
Смешивание может быть выполнено после измельчения каждого из органических и неорганических материалов. В качестве альтернативы, смешивание может быть выполнено до того, как каждый из органического и неорганического материалов будет измельчен, чтобы они были измельчены вместе. Согласно некоторым вариантам осуществления совместное измельчение материалов обладает преимуществом, поскольку в мельнице может быть меньше засоров и меньше чрезмерного измельчения торрефицированной основы.
Для смешивания двух материалов смешивание может быть выполнено с помощью следующего процесса.
Органические ингредиенты термически обрабатывают (торрефицируют).
Органический ингредиент смешивают с неорганическим удобрением (и другими минералами, например, реакционно активной фосфатной рудой и связывающим средством). Затем органическую/неорганическую смесь измельчают.
Затем смешанная композиция органических и неорганических ингредиентов может быть подвергнута уплотнению для формирования дискретных частиц. Это может быть любая форма, в том числе гранулирование, экструзия или пеллетирование. Этот процесс не обязательно требует внешнего тепла, но тепло может выделяться из-за сдвига при смешивании. Согласно некоторым вариантам осуществления для облегчения гранулирования можно использовать пар или горячую воду. Именно на этом этапе можно использовать переработанный конденсат.
Гранулы можно подвергать полировке для достижения сферической формы (без неровных и острых краев) и постоянного размера. Для полировки, как правило, требуется нанесение жидкости в виде аэрозоля.
Полированные гранулы затем можно подвергать термической сушке, чтобы гарантировать высыхание дополнительной влаги, и при этом гранулы становятся биологически неактивными для целей хранения и обработки. Высушенные гранулы также будут более твердыми для устойчивости к обработке в оборудовании для внесения удобрений.
Для образования гранул требуется некоторое количество влаги. Если влаги будет слишком мало, то продукт будет пыльным. Если содержание влаги слишком велико, может возникнуть повышенная тенденция к росту патогенов в продукте. Содержание влаги можно снизить, выбрав более сухую смесь органической смеси для торрефикации. Содержание влаги в конечных гранулах согласно предпочтительному варианту осуществления составляет менее 5 мас. %, но более 1 мас. %. Для достижения этого уровня влажности можно регулировать период сушки и/или температуру сушки на стадии термической сушки. В качестве альтернативы, гранулы могут быть подвергнуты более чем одному циклу сушки.
Содержание влаги в гранулах улучшенного удобрения влияет на прочность на раздавливание (твердость). Прочность на раздавливание уменьшается с увеличением содержания влаги. Согласно одному варианту осуществления прочность на раздавливание составляет по меньшей мере приблизительно 2,5, 3 или 3,5 кгс, что сопоставимо, например, с гранулами мочевины. Частицы улучшенного удобрения также имеют такой же размер, что и гранулы мочевины, и их средний диаметр находится в диапазоне от приблизительно 2 до приблизительно 5 мм. Чтобы уменьшить какую-любо тенденцию к абсорбции воды, которая может повлиять на полученную в результате прочность на раздавливание, на частицы можно нанести покрытие. Покрытие может представлять собой известное покрытие, которое снижает гигроскопичность частиц.
В удобрение в соответствии с настоящим изобретением неорганические питательные вещества добавляют в попытке контролировать количество питательных веществ, доступных в почве. Количество добавленных питательных веществ может быть определено на основании предполагаемого применения удобрения. Согласно некоторым вариантам осуществления специалист в данной области проведет эксперименты на почве, в которую будет вноситься удобрение. Результаты экспериментов покажут, какие питательные вещества лучше всего подходят для целевой почвы. В качестве альтернативы, потребности в питательных веществах могут быть определены с помощью анализов почвы и/или растительной ткани.
Питательные вещества предпочтительно медленно высвобождаются, при этом не более приблизительно 15, 25, 30, 45 или 50% N и P становятся доступными в приблизительно первые 1, 2 или 3 месяца, а оставшаяся часть становится доступной в течение следующих от 1-3 до 12-18 месяцев, согласно одному варианту осуществления от 1 до 12 месяцев. Согласно одному варианту осуществления 50% N и P доступно в течение первого месяца, а оставшаяся часть становится доступной в течение следующих 1-4 месяцев. Без ограничения теорией, полагают, что большая часть доступных питательных веществ изначально используется микробами в почве, и эти питательные вещества высвобождаются при смерти и разложении нативной микробной популяции. Микробы перестают расти, когда содержащий углерод материал удобрения используется в качестве источника пищи.
С использованием органической матрицы вместе с неорганическими питательными веществами можно добавить более высокую азотную нагрузку в сухое и твердое удобрение. Обычно большая концентрация азота из солей удобрения и/или из аммония в непосредственной близости к прорастающему семени или развивающемуся растению в почве будет губительной для растения. Однако, если в окружающей почвенной среде содержится достаточно органического вещества для связывания азота аммония и других солей, эту проблему можно устранить или по меньшей мере уменьшить. Затем азот становится доступным для растений позже, поскольку микробы используют углерод в качестве источника энергии, а аммоний - в качестве строительного блока белка. Количество азота аммония в удобрении может составлять по меньшей мере приблизительно 1, 2, 5, 10, 12 или 15% масс./масс.
Азот N, добавляемый в органический материал, может быть в форме одного или нескольких из (без ограничения)
сульфата аммония,
мочевины,
хлорида аммония,
нитрата аммония,
безводного аммония,
мочевины-нитрата аммония,
нитрата кальция аммония,
нитрата калия,
нитрата кальция.
Процентное содержание общего азота в удобрении может составлять по меньшей мере приблизительно 0, 10, 20 или 30% масс./масс. Согласно одному варианту осуществления при условии, что содержится минимум 30% органического материала, максимальное количество общего N будет ограничено до приблизительно 30% масс./масс.
Согласно некоторым вариантам осуществления комбинация неорганического материала и органического вещества может обеспечивать потенциально взрывоопасную комбинацию. Чтобы уменьшить вероятность того, что удобрение станет горючим, можно предпринять определенные меры. Меры могут включать добавление замедлителя взрыва. Замедлитель взрыва может представлять собой гидрофосфат аммония (DAP (от англ. - diammonium phosphate)).
Фосфор P, добавляемый к органическому материалу, может быть в форме одного или нескольких из (без ограничения)
суперфосфата,
костной муки,
фосфатной руды,
гидрофосфата аммония,
дигидрофосфата аммония,
тройного суперфосфата,
фосфорной кислоты.
Процентное содержание общего фосфора в удобрении может составлять по меньшей мере от приблизительно 0,5 до приблизительно 15% масс./масс.
Калий K добавляемый к органическому материалу, может быть в форме одного или нескольких из (без ограничения)
хлорида калия (хлористого калия),
сульфата калия,
калийного шенита,
нитрата калия,
полученного из мелассы калия.
Процентное содержание общего калия в удобрении может составлять по меньшей мере от приблизительно 0,5 до приблизительно 12% масс./масс.
Сера S, добавляемая к органическому материалу, может быть в форме одного или нескольких из (без ограничения):
порошка серы,
серы (гранулированной),
бентонитовой серы,
сульфата аммония.
Процентное содержание общей серы в удобрении может составлять по меньшей мере от приблизительно 1 до приблизительно 16% масс./масс.
Состав может содержать по меньшей мере одно из NPKS, что означает, что он может содержать N, и/или P, и/или K, и/или S. Состав может содержать все четыре из NPKS, или он может содержать менее, чем все четыре из питательных веществ NPKS. Не каждый состав будет содержать неорганические формы каждого из NPKS, например, некоторые могут содержать N только в неорганической форме. Также можно использовать комбинированные добавки, включая одну или несколько из без ограничения гидрофосфата аммония, сульфата-фосфата аммония, мочевины-фосфата аммония, гидрофосфата аммония, нитрата-фосфата аммония, фосфата аммония, NPK. Помимо перечисленных неорганических питательных веществ удобрение может содержать микроэлементы, в том числе цинк, медь, железо, марганец, бор, молибден и вторичные питательные вещества - кальций, магний и кремний. Процентное содержание вторичных питательных веществ, таких как кальций, в удобрении может составлять по меньшей мере от приблизительно 0,5 до приблизительно 18% масс./масс. Процентное содержание микроэлементов в удобрении может составлять по меньшей мере от приблизительно 0,01 до приблизительно 2% масс./масс.
В композиции могут быть другие добавки, которые не обязательно обеспечивают питательные свойства, но вместо этого вносят другие функциональные улучшения. Согласно вариантам осуществления существуют добавки для повышения механических свойств конечного продукта. Согласно вариантам осуществления состав включает один или несколько ингибиторов нитрификации. Азот удобрения неэффективно используется во многих сельскохозяйственных почвах, поскольку доступный для растения азот нитрата подвергается выщелачиванию и потерям при денитрификации. Одним из способов уменьшения таких потерь является стабилизация содержащих азот удобрений ингибиторами нитрификации. Это достигается путем обработки почвы (с помощью удобрения) соединениями, которые ингибируют активность нитрифицирующих бактерий, так что азот остается в более стабильной форме аммония в течение длительного периода. Примером ингибитора нитрификации является диметилпиразол (ДМП). Это обеспечивает капельную подачу азота нитрата, что компенсирует потери. Следует отметить, что эффективность ингибиторов нитрификации в австралийских почвах различна по ряду причин. Растения также могут извлекать азот аммония из почвы, хотя высокие концентрации аммония и связанного с ним аммиака могут быть токсичными для растений. Известно, что эта токсичность может быть уменьшена за счет наличия витамина B6, который присутствует в отходах животного происхождения и обнаруживается в следовых количествах в готовом продукте. Есть также некоторые свидетельства того, что оксид цинка может ингибировать нитрификацию, в то время как цинк также является важным микроэлементом, которого мало или недостаточно во многих почвах Австралии. Соответственно, согласно некоторым вариантам осуществления в состав добавляют цинк.
Кроме того, полевые культуры регулярно подвергаются другим абиотическим стрессам, включая засуху и засоление. Доступный для растений кремний признан элементом, который может помочь растениям справиться с абиотическими стрессами, кроме того, кремний также является структурным строительным элементом стенок растительных клеток. Некоторые культуры, такие как сахарный тростник и рис, очень требовательны к кремнию и часто выращиваются на почвах или в регионах, где доступный для растений кремний истощен. Считается, что эффективным способом снабжения растений азотом будет комбинирование неорганических и органических источников азота в сочетании с ингибиторами, регулирующими высвобождение азота, и с регуляторами абиотического стресса, которые помогают растениям компенсировать вредные факторы окружающей среды или химические факторы.
Согласно вариантам осуществления соотношение органического материала к неорганическому материалу составляет 90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50:50, 45:55, 40:60, 32,5:67,5 или 30:70. Согласно одному варианту осуществления базовый состав содержит 45% органического и 55% неорганического материала (называемый в настоящем документе основой A, иногда вместе с номером, который является внутренней ссылкой, например, A1), или 32,5% органического и 67,5% неорганического материала (может называться основой B, иногда вместе с номером, который является внутренней ссылкой, например, B1, B2, B3 и т. д.); или 30% органического и 70% неорганического материала (может называться основой Е, иногда вместе с номером, который является внутренней ссылкой, например, E1).
Согласно одному варианту осуществления органический материал торрефицируют со связующим. Предшественник связующего может быть добавлен к органическому материалу, а затем доставлен в торрефикатор. Согласно одному варианту осуществления органический материал торрефицируют, а затем добавляют связующее после торрефикации. Связующим может быть леонардит. Связующим может быть лигносульфат кальция (CaLigno). Леонардит можно использовать для кондиционирования почв либо путем внесения его непосредственно в землю, либо в качестве источника гуминовой кислоты или гумата калия для внесения. Потенциал леонардита в отношении геосеквестрации углерода, в частности, для быстрого ускорения микробной активности по блокированию и удержанию углерода в почвах, обеспечивает основу для обширного исследования бурого угля в аспекте органических удобрений.
Леонардит может присутствовать в количестве по меньшей мере приблизительно 1, 5 или 10% масс./масс. от композиции удобрения. Возможное смешивание леонардита с куриным пометом приведет к получению материала со свойствами, аналогичными лигносульфонату кальция, который широко используется в качестве связующего средства. Леонардит также признан ценным источником гуминовой кислоты, которая представляет собой почвенный кондиционер, широко используемый в ряде сельскохозяйственных систем, направленных на улучшение удержания питательных веществ в почве, а также на усвоение растениями определенных питательных веществ, таких как фосфат. Функциональные группы углерода, поставляемые леонардитом, смешанным с другими торрефицированными органическими отходами, могут улучшать усвоение фосфора растениями, потенциально обеспечивая более эффективное фосфорное удобрение.
Согласно одному варианту осуществления можно контролировать активность микробной популяции в почве. Большинство микробов продуцируют побочные продукты, такие как углеродсодержащие продукты или газы, которые можно использовать в качестве индикатора активности микробов в почве. Если микробы очень активны, то можно сделать вывод, что содержание питательных веществ в почве еще не достигло высоких пороговых значений, которые могли бы повредить прорастающие растения, и поэтому можно высаживать семена. Если микробы менее активны, это может указывать на то, что популяция сокращается, а неорганические питательные вещества вскоре будут высвобождаться в процессе минерализации. Когда это происходит, и нежелательно, чтобы микробные популяции все еще сокращались (например, растение может быть недостаточно зрелым, еще нужно будет посадить семена, или по какой-либо другой причине), может быть целесообразно увеличить микробную популяцию. Возможно увеличение микробной популяции за счет добавления в почву большего количества удобрений с лабильным углеродом. Соответственно, тестирование почвы также может быть использовано для определения оптимального дозирования удобрений в зависимости от времени и места.
Как обсуждалось, способ включает стадию формирования однородной смеси органических и неорганических материалов в виде дискретных частиц. Сухое и твердое удобрение может содержать мелкие частицы, гранулы, пеллеты или приллы. Дискретные частицы в любой форме могут характеризоваться средним диаметром по меньшей мере приблизительно 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 мм. Согласно вариантам осуществления по меньшей мере приблизительно 80, 90, 95 или 100% дискретных частиц попадают в 1 стандартное отклонение от среднего размера частиц (в идеале > 80, 85 или 90% попадают в диапазон от приблизительно 2 до приблизительно 5 мм). Гранулы, как и пеллеты, представляют собой небольшие агрегаты порошкообразного материала. Гранулы имеют тенденцию к распаду менее быстро, чем пеллеты, предрасположены создавать меньше пыли, и согласно некоторым вариантах осуществления позволяют связывать вместе несколько продуктов, которые затем равномерно распределяются по грануле. Под равномерным распределением подразумевается, что в любом месте частицы удобрения относительные количества неорганического и органического материала приблизительно такие же, как и в любом другом месте. Гранулы также являются более аэродинамическими при внесении посредством оборудования для разбросного внесения и поэтому могут обеспечивать более широкий охват. Согласно предпочтительному варианту осуществления для получения гранул используют пеллетирование.
Удобрение раскрывается как сухое твердое вещество. Под «сухим и твердым» подразумевается, что материал можно обрабатывать с получением формы пеллет (гранул). Например, материал можно загружать в грузовик и транспортировать, а затем вносить с использованием оборудования, предназначенного для контролируемого дозирования пеллетизированного материала. Один или несколько из компонентов, используемых для формирования удобрения, могут быть жидкими.
Способ также может включать стадию внесения удобрения. Удобрение можно вносить при нормах от по меньшей мере приблизительно 0,05 до приблизительно 5 тонн/гектар. Согласно некоторым вариантам осуществления удобрение может повышать урожайность сельскохозяйственных культур на 2, 20, 50 или 100%. Созревание сельскохозяйственной культуры можно ускорить по меньшей мере на 5, 8 или 10% от времени, достигаемого без удобрения. Согласно некоторым вариантам осуществления удобрение можно использовать при рекультивации земель, содержащих почву, которая в противном случае непригодна для сельскохозяйственных культур. Углеродно-лабильная природа удобрения может стимулировать микробные сообщества потреблять и размножаться, но затем погибать и разлагаться по мере того, как источник пищи истощается. Когда бактерии умирают, почва может быть восстановлена за счет высвобождения питательных веществ, которых в противном случае было бы недостаточно. Леонардит можно добавлять непосредственно в почвы, чтобы уменьшить поглощение металлов растениями в загрязненном грунте, особенно в сочетании с компостом).
Краткое раскрытие графических материалов
Далее варианты осуществления настоящего изобретения будут раскрыты со ссылкой на прилагаемые графические материалы, которые выполнены без соблюдения масштаба и которые приводятся исключительно в качестве иллюстративных.
На фигуре 1 представлена таблица, демонстрирующая предлагаемые составы удобрения и содержание в них органических и неорганических веществ в процентах.
На фигуре 2 представлен график, демонстрирующий % абсолютной интенсивности сигнала различных типов углерода в материале органических отходов, торрефицированном согласно процессу, раскрываемому в настоящем документе.
На фигуре 3 представлены спектры C13 ядерного магнитного резонанса ЯМР материала органических отходов, торрефицированного согласно процессу, раскрываемому в настоящем документе.
На фигуре 4 представлены спектры C13 ЯМР (a) лигнита и (b) компоста из зеленых отходов для сравнения.
На фигуре 5 представлена упрощенная блок-схема процесса согласно варианту осуществления.
На фигуре 6 представлена подробная схема последовательности операций процесса согласно варианту осуществления.
На фигуре 7 представлена таблица 1, демонстрирующая % разложения органического материала (после торрефикации) и включающая результаты тестирования патогенов.
На фигуре 8 представлена таблица 4, демонстрирующая состав и содержание питательных веществ различных торрефицированных органических основ.
На фигуре 9 представлен график прочности на раздавливание гранул после применения лигносульфоната кальция в качестве связывающего средства.
На фигуре 10 представлена таблица 5, демонстрирующая ожидаемое и измеренное содержание питательных веществ образца B1.
На фигуре 11 представлен график, демонстрирующий число бактерий кишечной группы, прочность на раздавливание и содержание влаги.
На фигуре 12 представлена таблица 6, демонстрирующая пример базового состава торрефицированной органической основы.
На фигуре 13 представлена таблица, демонстрирующая композицию удобрений согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное раскрытие вариантов осуществления изобретения
Следующее раскрытие фокусируется на варианте осуществления, в котором органические отходы представляют собой отходы куриного происхождения, а процесс стерилизации представляет собой торрефикацию. Следует учитывать, что они используются в качестве примеров, и данному могут подвергаться другие органические отходы. Более того, торрефикация является наиболее предпочтительной, но квалифицированный специалист должен понимать, что могут быть выполнены и другие методики стерилизации. Тем не менее торрефикация действительно обеспечивает значительное преимущество в способе в соответствии с настоящим изобретением за счет использования низкой температуры и, следовательно, сохранения большей лабильности углерода органических отходов. Продукт с лабильным углеродом оптимизирует здоровье почвы и работает синергетически с добавленными питательными веществами, обеспечивая особенно выгодное удобрение. Основной процесс, раскрываемый в настоящем документе, заключается в превращении материала основы (торрефицированных отходов куриного происхождения) в порошок, который затем может быть смешан с другими ингредиентами для получения «предусмотренного» выхода питательных веществ. Торрефицированный продукт оптимизирован для «кондиционирования почвы». Неорганические добавки повышают концентрацию питательных веществ и нацелены на повышение продуктивности растений.
Сырьевые органические отходы (подстилка бройлеров, слой помета, падеж бройлеров) с близлежащих птицефабрик могут доставляться на объект насыпью. Эти отходы будут различаться по содержанию питательных веществ и углерода в зависимости от фермы-источника, имеющихся подстилочных материалов и сезонных изменений. Соотношение сырья может незначительно варьировать в зависимости от содержания питательных веществ и желаемого продукта. Со временем другие органические сырьевые материалы можно будет использовать в качестве сырья, хранить и обрабатывать на объекте.
Перед процессом торрефикации отходы животного происхождения могут храниться в стальных или бетонных бункерах. Предпочтительно отходы хранят таким образом, чтобы уменьшить любую возможную биологическую опасность. Отходы животного происхождения могут быть особенно опасными для людей, особенно если рассматриваемое животное также является человеком, поэтому перед стерилизацией следует принять строгие меры по охране здоровья и безопасности. Можно использовать ленточный смеситель периодического действия для смешивания отходов птицеводства, таких как навоз, подстилочный материал и тушки (отработанные цыплята). При необходимости сырьевой органический материал может быть кондиционирован в измельчителе и/или молотковой мельнице перед транспортировкой в торрефикатор для обработки.
Фронтальный загрузчик (FEL (от англ. - Front End Loader)) может загружать исходные материалы в бункеры с желаемым соотношением, откуда они могут проходить через весовые дозаторы для последующего смешивания в ленточном смесителе. Смешанный материал можно транспортировать в измельчитель для измельчения материала перед подачей в торрефикатор. Торрефикация нагревает материал до 250-350°C в отсутствие кислорода. В торрефикаторе это осуществляется путем нагревания материала, проходящего через винтовой конвейер, за счет излучения и теплопроводности от системы горелок под ним. Это приводит к двум результатам:
- удалению основной массы влаги из материала;
- денатурации любых патогенов, которые могут присутствовать в исходных отходах животного происхождения.
Процесс может достигать этих результатов, но сохраняет углерод в лабильной (пригодной для использования) форме, поскольку температура не достигает точки пиролиза.
Пар и другие летучие газы можно выпаривать, улавливать и конденсировать в системе очистки газа с незначительными потерями питательных веществ из насыпного твердого вещества в конденсированные пары.
Торрефикатором может быть любое устройство, подходящее для этой цели. Согласно одному варианту осуществления торрефикатор представляет собой небольшой винтовой конвейер, функционирующий в режиме «дросселирования», чтобы обеспечивать воздушное уплотнение. Специально разработанный шнековый торрефикатор с жестким допуском может быть обеспечен внешним газовым нагревом. Шнековый конвейер может быть установлен над торрефикатором для рекуперации отходящего тепла. В процессе эксплуатации может быть определена температура торрефикации. Температуру выбирают на основании предыдущего опыта работы с материалом, подлежащим торрефикации. Температура может находиться в диапазоне от приблизительно 100°C до приблизительно 350°C. С помощью контроллера устанавливают, какую мощность необходимо приложить к нагревательным элементам для поддержания температуры. Для поддержания температуры в заданном диапазоне можно использовать термостат. После того, как температура достигнет желаемого уровня, влажные биологические твердые вещества (органические отходы) можно непрерывно подавать через входное отверстие торрефикатора. Органические отходы собираются шнековым конвейером и транспортируются в камеру торрефикации. Скорость, с которой материал проходит через торрефикатор, будет зависеть от скорости вращения конвейера. Тепло подается за счет теплопроводности через внешние стенки и за счет теплового излучения твердых веществ во время транспортировки.
Согласно одному варианту осуществления торрефикатор может состоять из трех последовательно соединенных шнековых конвейеров различного назначения:
- шнек предварительного нагрева, посредством которого отходящее тепло от основной горелки нагревает материал до основного шнека;
- основной шнек, под которым расположена группа горелок;
- оснащенный водяной рубашкой охлаждающий шнек для снижения температуры, чтобы продукт торрефикации можно было хранить.
Двойные ножевые задвижки обеспечивают газовое уплотнение на входе и выходе из каждого шнека. Скорость подачи торрефикатора можно контролировать с помощью контуров обратной связи, которые выполнены с возможностью регулировки температуры на выходе основного шнека, что обеспечивает предполагаемое содержание влаги в продукте (~ 7-10%) в зависимости от загружаемого материала. Установку температуры на выходе можно регулировать на основании анализа влажности и можно ограничивать, чтобы минимизировать пиролиз загружаемого материала до приемлемой скорости.
Все входы торрефикатора и сами установки торрефикатора могут быть расположены в специально отведенном здании. Это может помочь в контролировании риска загрязнения конечных продуктов патогенами, которые могут присутствовать в сырьевом органическом материале, доставляемом на объект. Параллельно могут быть установлены три установки торрефикатора (одинарная система подачи, одинарная конденсатная система).
После торрефикации твердых веществ обработанный органический материал можно транспортировать из торрефикатора. Материал может падать под действием силы тяжести из камеры торрефикации в подходящий контейнер. Торрефицированный материал можно охлаждать до комнатной температуры или температуры, чуть превышающей таковую, чтобы облегчить дальнейшую обработку. Необязательно охлаждение представляет собой охлаждение после торрефикации с помощью оснащенного водяной рубашкой шнекового конвейера. Заполненный торрефицированным материалом контейнер может представлять собой мешок, поддерживаемый устройством для разгрузки мешков. Через заданные интервалы торрефицированный материал можно тестировать для гарантии того, что он соответствует требованиям стерилизации и содержания влаги. Если происходят какие-либо проблемы с тестированием, процесс можно останавливать и настраивать параметры в торрефикаторе.
Продукт из торрефикатора можно транспортировать в соседнее здание грануляции для хранения в промежуточных силосах. Эти силосы могут быть разработаны с возможностью модернизации системы подачи для обеспечения будущей подачи торрефицированного материала по принципу «веерной структуры» из установок торрефикации на ферме.
Затем полученный торрефицированный продукт можно партиями отправлять в ленточный смеситель и молотковую мельницу, где он измельчается. Материал можно измельчать до однородной консистенции. На этой стадии неорганические материалы, включая твердые и жидкие неорганические питательные вещества, могут быть добавлены к торрефицированному продукту в промышленном смесителе для достижения гомогенизированной смеси. Неорганические удобрения (например, смеси RPR/SOP, мочевина, смеси DAP/MOP) могут доставляться на объект насыпью и выгружаться через шнековый конвейер в силосы для хранения. Могут быть предусмотрены возможности для доставки других микроэлементов (например, содержащих Zn/Cu/Mo материалов) в мешках по 1 тонне (т) и хранения до применения по мере необходимости в будущем.
Леонардит может быть добавлен в количестве по меньшей мере приблизительно 2, 5, 10 или 15% от общего количества продукта. Леонардит может быть доставлен на объект в мешках по 1 тонне (т) и храниться для применения по мере необходимости. Леонардит может быть добавлен после торрефикации, поскольку он представляет собой не содержащий патогенов материал, и его добавляют из-за высокого содержания углерода и наличия гуминовых кислот, которые, как считается, способствуют грануляции и улучшению здоровья почвы.
Чтобы получить гранулы конечного продукта, которые содержат однородную смесь торрефицированных органических веществ, леонардита и неорганического удобрения, материалы смешивают и измельчают в молотковой мельнице для достижения желаемого уменьшения размера, а затем отправляют на процесс пеллетирования или гранулирования. Пеллетирование предусматривает транспортировку смеси в экструдер для пеллет и режущую машину. Гранулирование может предусматривать шаровые мельницы, необязательно три, расположенные последовательно. На всех соответствующих стадиях могут распыляться жидкости для уменьшения пыли. Процессы подачи, смешивания и измельчения могут быть непрерывными с подачей непрерывного потока измельченного сырья в смачивающий смеситель. Некоторые смеси больше подходят для пеллетирования, чем другие. Специалист в данной области может попытаться пеллетировать и гранулировать, чтобы увидеть, что подходит для используемой смеси.
Принцип пеллетирования заключается в смачивании всего сырья, подаваемого в пеллетизатор, до заданного уровня для достижения достаточного объединения материала под давлением с достаточной смазкой для прохождения через головку. Недостаточное или слишком большое количество воды может привести к забиванию/закупориванию валков и головки, а также к слабому продукту и избытку мелких частиц.
Для продуктов, изготовленных с использованием пеллетирования, сырьевой измельченный подаваемый материал может поступать в смачивающий смеситель с рециркулированным прошедшим через сито продуктом и водой (или конденсатом торрефикатора), добавляемой для смачивания смеси перед пеллетированием. Предполагают, что процесс пеллетирования/комкования даст приблизительно 70% продукта нужного размера, поэтому приблизительно 30% всего материала, подаваемого в пеллетизатор, возвращается обратно в качестве рециркулята (коэффициент рециркуляции 0,43:1).
Смоченный материал может подаваться в параллельные пеллетизаторы (режим 2 × 50%) для получения небольших цилиндров продукта, а затем в серию шаровых мельниц для округления острых краев гранул и изменения их формы на сферы. Шаровые мельницы состоят из вращающегося диска, который бросает продукт в вертикальную стенку вокруг диска, что обеспечивает качение сыпучего материала при вращении его по периферии мельницы. Для облегчения размягчения краев и пластификации пеллет с целью изменения их формы можно добавлять воду (или конденсат торрефикатора). Комкование также приведет к объединению некоторых мелких частиц в частицы большего размера. Скругленный материал затем можно подавать в расположенную далее сушилку и в процессы просеивания.
Газовая горелка может быть использована для нагрева воздуха, который подается в сушильный барабан для сушки гранул. Выходящие газы сушилки могут улавливаться через рукавный фильтр, с помощью вытяжного вентилятора, отводящего очищенные газы в атмосферу. Сухой твердый продукт удобрения можно просеивать (с помощью 2-ярусного вибрационного сита). После отсева крупных фракций продукт можно пропускать через сито для удаления мелких фракций. Затем его пропускают через вращающийся охлаждающий барабан, а затем через сито тонкой очистки для удаления пыли. Мелкие фракции, прошедшие через сито для удаления мелких фракций и сито тонкой очистки, можно возвращать обратно в пеллетизатор. Сухой твердый продукт удобрения, необязательно в форме гранул, может характеризоваться содержанием влаги менее приблизительно 10, 8 или 5% (предпочтительно менее 5%) для стабильности при хранении и для предотвращения (или по меньшей мере уменьшения) повторного роста патогена в гранулах.
После охлаждения и обработки с помощью сита тонкой очистки продукт можно транспортировать в силос для хранения на объекте для отправки насыпью на грузовиках или можно подавать на линию упаковки на объекте для хранения в мешках по 1 тонне. Готовый продукт можно отправлять на просеивание конечного продукта. Если продукт соответствует всем необходимым стандартам, его можно продавать насыпью или в мешках и маркировать для продажи и применения.
Примеры
Далее варианты осуществления настоящего изобретения будут иллюстрироваться со ссылкой на следующие неограничивающие примеры.
Пример 1. Как определить ожидаемое содержание питательных веществ в удобрении
Для определения эффективности состава удобрения могут быть созданы различные составы в соответствии с настоящим раскрытием. Затем квалифицированный специалист может определить, какой состав лучше всего подходит для применения на каком типе почвы и для какого типа растений, предназначенных для выращивания в этой почве. В качестве примера предлагаются различные составы, и они могут быть помечены буквами от A до M для внутренней ссылки.
В качестве примера, состав A удобрения может быть получен с помощью торрефикации органического материала, содержащего куриный помет, подстилку, слой помета и падеж цыплят. Органический материал можно хранить, а затем транспортировать в торрефикатор. Можно применять температуру от 150°C до приблизительно 350°C в течение от приблизительно 5 до приблизительно 30 минут для торрефикации отходов. После торрефикации твердых веществ обработанный органический материал можно транспортировать из торрефикатора и охлаждать перед сбором в контейнер. Партии можно брать из контейнера и отправлять в ленточный смеситель, где торрефицированный материал будет смешиваться перед измельчением в мельнице (например, молотковой мельнице), например, в течение до 20 минут, хотя промежутки времени могут быть более короткими. Жидкие и твердые неорганические удобрения, такие как сульфат аммония и APP, могут быть добавлены к измельченному продукту и смешаны. Органический компонент может составлять приблизительно 20-80%; связующее - приблизительно 5-10%, а неорганический компонент - приблизительно 20-70% от общей массы измельченного материала. Смешанные органические и неорганические материалы можно отправлять на пеллетирование.
Ожидаемое разложение удобрения на углерод (C), азот (N), фосфор (P), калий (K), серу (S) и кальций (Ca) показано в таблице 1 на фигуре 1.
В таблице 1 на фигуре 1 также показан предлагаемый состав композиций B - M, которые могут быть получены способом, аналогичным раскрываемому выше.
В дополнение к другому составу время, проведенное в торрефикаторе, может варьировать от 30 минут до 15 минут, 1 часа, 2 часов, 3 часов. Кроме того, будет исследован эффект температуры от 150°C до 350°C. Также время, затрачиваемое на измельчение, может быть больше или меньше 20 минут.
Затем каждое из удобрений можно тестировать на почвах, чтобы определить их эффективность в стимулировании роста растений и общего состояния здоровья.
Пример 2. Анализ торрефицированного продукта
Стерильный характер торрефицированного органического компонента состава показан на фигуре 7.
Проводили анализ природы лабильного углерода торрефицированного материала. Результаты показаны на фигуре 2. Торрефицированный материал содержит ряд форм углерода. Представляющими интерес ключевыми формами являются следующие.
С карбоксила. Включает карбоновые кислоты, в том числе органические кислоты с короткой цепью; они способствуют почвенным процессам, влияющим на доступность питательных веществ. Они легко разлагаются почвенными микробами.
С арила. Включает ароматические соединения C, включающие структуру бензольного кольца, которая является функцией более «зрелых» органических материалов. Хотя эти соединения также способствуют доступности питательных веществ, они характеризуются более длительным временем пребывания в почве из-за того, что их кольцевая структура более устойчива к разложению микробами. Они могут способствовать секвестрации C.
С O-алкила. Этот класс включает все полисахариды (типа сахара) и углеводные соединения. Они будут стимулировать локальную микробную активность, поскольку являются легкодоступными микробными субстратами. Этот материал может также обладать «инициирующим» эффектом, благодаря чему он стимулирует минерализацию других, не столь доступных источников С в почве.
С алкила. Этот класс включает жирные кислоты, липиды и другие алифатические соединения с длинной цепью. Хотя они, вероятно, потребляются микробами в качестве источников энергии, они не способствуют высвобождению питательных веществ или секвестрации С.
Спектр 13С ЯМР показан на фигуре 3, при этом различные классы С измеряются как группы пиков при различных «химических сдвигах». Большой пик приблизительно 70 частей на миллион представляет собой пик полисахарида/углевода. Эта форма спектра аналогична той, что наблюдается у других органических улучшающих средств компостного типа. Таким образом, торрефикация сохраняет многие преимущества другой органической обработки, такой как компостирование, при этом концентрируется углерод и удаляются патогены. Другой пример ЯМР показан на фигуре 4 в сравнении с лигнитом и компостом.
Пример 3. Конкретный пример получения удобрения согласно варианту осуществления
Схемы последовательности операций на фигуре 5 и фигуре 6 представляют собой схематическое изображение процесса от сырьевых материалов до упаковки конечных гранул. Стадии описаны ниже и обозначены на фигуре 5.
1. Органические сырьевые материалы (куриная подстилка, куриный помет и куриные тушки поступали в отдельные отсеки).
2. Все органические сырьевые материалы подавали в ленточный смеситель в указанном соотношении (например, в таблице на фигуре 13) и хорошо перемешивали перед подачей в измельчитель.
3. Смесь измельчали до небольшого и однородного размера частиц перед введением в процесс торрефакции. Эта стадия обеспечивала равномерную торрефикацию (распределение тепла) из-за однородного размера.
4. Измельченную смесь вводили в блок торрефикатора, где смесь подвергали воздействию повышенной температуры 330°С в отсутствие кислорода. Процесс торрефакции значительно снижает влажность смеси (от содержания влаги 40% до содержания влаги менее 10%).
5. Затем торрефицированный органический материал вводили в смеситель с гранулами неорганического удобрения и связующим средством в соотношении, указанном, например, в таблице на фигуре 13 (в соответствии с рецептурами состава продукта).
6. Затем смесь органического и неорганического материала вводили в молотковую мельницу для измельчения частиц и дальнейшего перемешивания материала с целью обеспечения однородности. Пример однородности композиции конечных смешанных пеллет показан на фигуре 10.
7. Затем измельченную и гомогенизированную смесь вводили на станцию смачивания, где к смеси добавляли жидкость (воду, или жидкое удобрение, или конденсат из процесса) для подготовки к пеллетированию.
8. Затем влажную смесь вводили в пеллетизатор для гранулирования.
9. Гранулы из пеллетизатора вводили в устройство для полирования вместе с жидкостью (водой или конденсатом из процесса) с целью дополнительной полировки поверхности гранул и получения однородных сферических гранул.
10. Полированные гранулы вводили в сушилку для удаления избыточного содержания влаги. Влажность снижали до диапазона от по меньшей мере приблизительно 1% до не более приблизительно 9%.
11. Высушенные гранулы затем охлаждали до температуры хранения, возможно, охлаждением в окружающей среде или с помощью вентилятора.
12. Охлажденные гранулы дополнительно просеивали для отделения комков и частиц большого размера перед отправкой на хранение или упаковку.
Пример 4. Выбор торрефицированной основы
Отходы животного происхождения, используемые для получения продуктов, торрефицировали в различных пропорциях для получения «основ». Результаты анализа питательных веществ для четырех из этих основ показаны в таблице 4 на фигуре 8. Содержание влаги в основах действительно варьирует и увеличивается в зависимости от наличия навоза/туши (влажных) и уменьшается в зависимости от наличия подстилки (сухих материалов). Однако обнаружили, что, за исключением вариаций содержания влаги, общее содержание питательных веществ в органическом сырье не оказывает значительного влияния на количество лабильного углерода в готовом продукте. Это означает, что улучшенное удобрение может выдерживать варьирующие процентные содержания подстилки/навоза/туши в торрефицированной основе при условии, что содержание углерода в результате находится в диапазоне от приблизительно 30% до приблизительно 40% от общего количества.
Три партии материалов органических отходов после торрефикации также анализировали с помощью независимой лаборатории (SWEP) на предмет питательных веществ, углерода и патогенов. Результаты показаны в таблице 1 на фигуре 7. Как видно из таблицы 1, торрефицированный продукт является по существу стерильным из-за отсутствия E. coli, Salmonella и Listeria (общее число бактерий кишечной группы (< 3)). Отсутствие бактерий кишечной группы также можно увидеть на графике на фигуре 11. Удобрения, обозначенные как B1 и B4, не содержат бактерии кишечной группы, обладают желаемой твердостью и желаемым содержанием влаги.
Пример 5. Твердость/прочность на раздавливание
Прочность на раздавливание, которая является мерой твердости гранул, используется в качестве показателя качества гранул. Проводили эксперименты с использованием лигносульфоната в качестве связующего для гранулирования с целью дальнейшего улучшения прочности на раздавливание (твердости гранул). На фигуре 9 показаны результаты одного из таких экспериментов. Из данных на фигуре 9 видно, что при содержании влаги менее 10% твердость гранул с лигносульфанатом кальция значительно выше, чем без связующего.
Пример 5. Улучшенные составы удобрения
Получали ряд составов с использованием процесса торрефикации и гранулирования для изготовления пеллет удобрений, включающих органические и неорганические материалы.
Затем торрефицированный органический материал смешивали с неорганическими удобрениями в варьирующих смесях и соотношениях и смесь гранулировали. Композиции показаны в таблице на фигуре 13. Конечные гранулы отправляли в лабораторию для анализа содержания питательных веществ, влажности и композиции.
Эксперименты по инкубации почвы и в теплице проводили на песчаной и глинистой почвах, чтобы понять эффект продукта(ов) удобрения в отношении различных структур почвы и композиций питательных веществ.
Инкубация почвы
Разложение органического материала наблюдали в обоих типах почвы, однако оно было более четко заметно в песчаной почве из-за более низкой нагрузки питательных веществ, органического вещества и микробной активности по сравнению с глинистой.
Высвобождение катионов наблюдали на протяжении экспериментального периода, что отразилось на взаимосвязи между CEC (от англ. - cation exchange capacity - катионообменная способность), соотношением C:N и лабильным углеродом.
Наблюдали минерализацию калия и фосфора, при этом повышенная минерализация происходила с торрефицированными органическими продуктами по сравнению с их контролями.
Наблюдали, что торрефицированные органические материалы характеризуются аналогичным уровнем аммония и нитрата на протяжении экспериментального периода по сравнению с их контролями, которые показали, что не происходила значительная иммобилизация азота в обеих почвах.
Из-за высокого содержания органических веществ и микробной активности N аммония быстро превращался в N нитрата.
Наблюдали, что некоторые торрефицированные органические продукты характеризуются более медленным и более контролируемым высвобождением N по сравнению с их контролями.
Теплица
Характеристика продукта(ов) лучше, чем у почвы для кукурузы (глинистая) и латука (песчаная), что обеспечивает повышенную урожайность и более высокое поглощение питательных веществ.
Агрономические эффекты более очевидны в песчаной почве, чем в глинистой почве благодаря более высокому плодородию глинистой почвы.
Испытывали различные нормы внесения для продукта (B4) и идентифицировали оптимальный диапазон.
Испытывали две нормы внесения для всех других обработок. Наблюдали варьирующие ответы на продукт.
При полевых испытаниях осуществляли обработку дополнительным количеством компостированного куриного помета, в то время как при испытаниях в сосудах осуществляли обработку дополнительным количеством сырого куриного помета. Навоз/компост добавляли для сравнения с продуктами ABF (например, B1, B4, B5, B6, B7, D5 и т. д.) с отдельными внесениями навоза или компоста с последующим внесением традиционных удобрений NPK. Предполагали, что доступность питательных веществ будет одинаковой как для сырого навоза, так и для компостированного навоза, просто в компостированном материале будет меньше патогенов и в некоторых случаях немного меньше азота (который теряется во время компостирования).
% выхода сухого вещества представляет собой массу сухого вещества (в граммах на сосуд), разделенное на массу контроля (без внесения удобрений).
Гипотеза 1. Торрефицированный органический материал будет работать так же или лучше, чем навоз/компост.
Вывод: верно.
| Обработка | Повышение % выхода сухого вещества по сравнению с контролем | |||
| Латук в испытании в сосудах с песчаной почвой | Кукуруза в испытании в сосудах с глинистой почвой | Латук в полевом испытании | Брокколи в полевом испытании | |
| Только навоз или компост1 | 51 | 2 | 6 | 51 |
| C1 (торрефицированные органические материалы) | 65 | 0 | 9 | 52 |
Торрефицированные органические материалы C1 (еще) не содержат добавленных неорганических материалов. Данный эксперимент предназначен для демонстрации того, что лабильный углерод в торрефицированном органическом материале превосходит таковой в навозе или компосте, используемом отдельно. Как видно из результатов, % сухого вещества в полевых испытаниях, как правило, увеличивается за счет применения торрефицированного материала, что говорит в пользу его применения в улучшенной композиции удобрений.
Гипотеза 2. Совместно гранулированные торрефицированные органические материалы и неорганическое химическое удобрение будут работать так же, как навоз и компост + смесь химических удобрений NPK.
Вывод: верно.
| Обработка | Повышение % выхода сухого вещества по сравнению с контролем | |
| Латук в полевом испытании | Брокколи в полевом испытании | |
| Смесь NPK | 23 | 119 |
| Смесь NPK + компост и навоз | 24 | 107 |
| B4 (торрефицированные органические материалы, соединенные с NPK) | 13 | 104 |
| B5 (торрефицированные органические материалы, соединенные с NPK) | 18 | 120 |
| B6 (торрефицированные органические материалы, соединенные с NPK) | 35 | 115 |
Каждая из композиций B4, B5 и B6 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения содержит 32,5% торрефицированной органической основы и 67,5% неорганического материала. Суффиксы 4, 5 и 6 используют для обозначения того, что каждый из составов В имеет немного отличающийся состав неорганических веществ. Точный % питательных веществ в составах показано в таблице на фигуре 13.
При рассмотрении характеристики в целом следует иметь в виду, что составы смеси NPK + компост и навоз должны поставляться в две отдельные стадии, что является недостатком, как раскрывается выше в разделе Предшествующий уровень техники изобретения. Поэтому улучшения, наблюдаемые для латука при полевом испытании и для брокколи при полевом испытании, являются значительными улучшениями, поскольку удобрение согласно варианту осуществления настоящего изобретения B4, B5 и B6 добавляли в одну стадию.
Гипотеза 3. Совместно гранулированные торрефицированные органические материалы и химическое удобрение будут работать также или лучше, чем навоз и компост + химическое удобрение NPK.
Вывод: верно.
| Обработка | Повышение % выхода сухого вещества по сравнению с контролем | |||
| Латук в испытании в сосудах с песчаной почвой | Кукуруза в испытании в сосудах с глинистой почвой | Латук в полевом испытании | Брокколи в полевом испытании | |
| Нитрофоска | 87 | -1 | 27 | 111 |
| Нитрофоска + компост и навоз | 26 | 107 | ||
| B7 (торрефицированные органические материалы, соединенные с NO3PK) | 71 | -4 | 31 | 136 |
NO3PK иногда упоминается под товарным знаком Нитрофоска. Улучшенные результаты с B7 по сравнению с нитрофоской, используемой отдельно или в комбинации с компостом и навозом, должны быть очевидны из результатов, показанных в таблице. % выхода сухого вещества для латука повышался от 26% до 31% при использовании улучшенного удобрения B7 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. % выхода сухого вещества для кукурузы повышался от 107% до 136% при использовании улучшенного удобрения B7 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Гипотеза 4. Совместно гранулированные торрефицированные органические материалы, соединенные с SOA (от англ. - Sulphate of Ammonia - сульфат аммония), будут работать также или лучше, чем SOA.
Вывод: верно.
| Обработка | Повышение % выхода сухого вещества по сравнению с контролем | |||
| Латук в испытании в сосудах с песчаной почвой | Кукуруза в испытании в сосудах с глинистой почвой | Латук в полевом испытании | Брокколи в полевом испытании | |
| Сульфат аммония (SOA) | 66 | 36 | ||
| B2 (торрефицированные органические материалы, соединенные с SOA) | 138 | 66 |
Улучшенные результаты с B2 по сравнению с SOA, используемым отдельно, должны быть очевидны из результатов, показанных в приведенной выше таблице. % выхода сухого вещества для латука повышался от 66% до 138% при использовании улучшенного удобрения B2 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. % выхода сухого вещества для кукурузы повышался от 36% до 66% при использовании улучшенного удобрения B2 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Гипотеза 5. Совместно гранулированные торрефицированные органические материалы, соединенные с MAP-S-Zn, будут работать также или лучше, чем Granulock Z.
Вывод: верно.
| Обработка | Повышение % выхода сухого вещества по сравнению с контролем | |||
| Латук в испытании в сосудах с песчаной почвой | Кукуруза в испытании в сосудах с глинистой почвой | Латук в полевом испытании | Брокколи в полевом испытании | |
| Granulock Z | 100 | 32 | ||
| B3 (торрефицированные органические материалы, соединенные с MAP-S-Zn) | 138 | 56 |
MAP-S-Zn упоминается под товарным знаком Granulock Z, что является зарегистрированным товарным знаком компании Incitec Pivot. Улучшенные результаты с B3 по сравнению с MAP-S-Zn, используемым отдельно, должны быть очевидны из результатов, показанных в приведенной выше таблице. % выхода сухого вещества для латука повышался от 100% до 138% при использовании улучшенного удобрения B3 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. % выхода сухого вещества для кукурузы повышался от 32% до 56% при использовании улучшенного удобрения B3 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Гипотеза. Совместно гранулированные торрефицированные органические материалы, соединенные с мочевиной, будут работать также или лучше, чем с добавлением ингибитора Si и ДМП
Вывод: верно.
| Обработка | Повышение % выхода сухого вещества по сравнению с контролем | |||
| Латук в испытании в сосудах с песчаной почвой | Кукуруза в испытании в сосудах с глинистой почвой | Латук в полевом испытании | Брокколи в полевом испытании | |
| D1 (торрефицированные органические материалы, соединенные с мочевиной) | 38 | 77 | ||
| D5 (торрефицированные органические материалы, соединенные с мочевиной + кремний + Zn + ДМП) | 77 | 86 |
Можно видеть улучшенные результаты с D5 с дополнением кремнием, цинком и ДМП по сравнению с составом D1. % выхода сухого вещества для латука повышался от 38% до 77% при использовании D5 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. % выхода сухого вещества для кукурузы повышался от 77% до 86% при использовании улучшенного удобрения D5 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Любые прогнозы, сделанные в настоящем раскрытии, следует понимать как относящиеся к некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, а не как прогнозы, сделанные в отношении настоящего изобретения. Если имеются прогнозы, которые считаются применимыми ко всем вариантам осуществления настоящего изобретения, сохраняется право впоследствии исключить эти прогнозы из настоящего раскрытия, поскольку нет намерения полагаться на эти прогнозы при принятии на рассмотрение или последующем предоставлении патента, если из контекста явно не следует иное.
В формуле изобретения, которая следует ниже, и в предшествующем раскрытии настоящего изобретения, за исключением случаев, когда контекст требует иного из-за выраженных формулировок или необходимого значения, слово «содержать» или вариации, такие как «содержит» или «содержащий», используют в инклюзивном смысле, т. е. для указания наличия указанных признаков, но не для исключения наличия или добавления дополнительных признаков согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
1. Твердое удобрение в форме дискретных частиц, где каждая частица твердого удобрения содержит:
неорганический материал, содержащий по меньшей мере один из питательных элементов N, Р, K или S, где неорганический материал выбран из одного или нескольких жидких и твердых неорганических удобрений, включающих сульфат аммония, АРР (полифосфат аммония), NPK (азот, фосфор, калий), NO3PK, SOA (сульфат аммония), MAP (моноаммонийфосфат), DAP (диаммонийфосфат), мочевину, CAN (нитрат кальция аммония), МОР (хлористый калий), SOP (сульфат калия); и
нагреваемый органический материал;
при этом неорганический материал и нагреваемый органический материал равномерно распределены по каждой из частиц и при этом углерод в удобрении представляет собой преимущественно лабильный углерод.
2. Удобрение по п. 1, где нагреваемый органический материал включает органический материал, подвергнутый воздействию тепла при температуре от 150°С до менее чем 400°С в течение менее чем 30 минут.
3. Удобрение по п. 1, где удобрение является по существу стерильным.
4. Удобрение по п. 1, где дискретные частицы включают приллы, гранулы или пеллеты.
5. Удобрение по п. 1, где органический материал является нагреваемым в отсутствие кислорода.
6. Удобрение по п. 1, где неорганический материал и нагреваемый органический материал смешаны и измельчены вместе в процессе образования каждой из частиц.
7. Удобрение по п. 1, дополнительно содержащее от 1% масс./масс. до 10% масс./масс. леонардита.
8. Удобрение по п. 1, дополнительно содержащее ингибитор нитрификации, регулятор абиотического стресса или и то и другое.
9. Удобрение по п. 1, где дискретные частицы характеризуются средней твердостью, составляющей по меньшей мере 2,5 кгс, где дискретные частицы характеризуются средним диаметром от 2 до 5 мм или и тем и другим.
10. Твердое удобрение в форме дискретных частиц, где каждая частица твердого удобрения содержит:
неорганический материал, содержащий по меньшей мере один из питательных элементов N, Р, K или S, где неорганический материал выбран из одного или нескольких жидких и твердых неорганических удобрений, включающих сульфат аммония, АРР (полифосфат аммония), NPK (азот, фосфор, калий), NO3PK, SOA (сульфат аммония), MAP (моноаммонийфосфат), DAP (диаммонийфосфат), мочевину, CAN (нитрат кальция аммония), МОР (хлористый калий), SOP (сульфат калия);
торрефицированный органический материал; и
при этом неорганический материал и органический материал сформированы в виде однородной смеси, при этом углерод в удобрении включает преимущественно лабильный углерод и удобрение по существу не содержит углерод биоугля.
11. Удобрение по п. 10, где общий азот в удобрении, если присутствует, составляет 30% масс./масс. или менее.
12. Удобрение по п. 10, где торрефицированный органический материал торрефицируют путем нагревания при температуре от 250°С до менее чем 400°С в отсутствие кислорода.
13. Удобрение по п. 12, где торрефицированный органический материал торрефицируют в течение менее чем 30 минут.
14. Удобрение по п. 10, где торрефицированный органический материал характеризуется содержанием влаги менее 10%.
15. Удобрение по п. 10, где торрефицированный органический материал содержит отходы животного происхождения.
16. Удобрение по п. 10, где торрефицированный органический материал составляет по меньшей мере 30% масс./масс. удобрения.
17. Способ получения твердого удобрения в форме дискретных частиц, включающий стадии, на которых:
проводят стерилизацию органического материала путем нагревания при температуре от 150°С до менее чем 400°С для обеспечения по существу стерильного продукта с преимущественно лабильным углеродом,
смешивают неорганический материал, содержащий по меньшей мере один из N, Р, K или S, с органическим материалом для получения однородной смеси, где неорганический материал выбран из одного или нескольких жидких и твердых неорганических удобрений, включающих сульфат аммония, АРР (полифосфат аммония), NPK (азот, фосфор, калий), NO3PK, SOA (сульфат аммония), MAP (моноаммонийфосфат), DAP (диаммонийфосфат), мочевину, CAN (нитрат кальция аммония), МОР (хлористый калий), SOP (сульфат калия),
и
формируют дискретные частицы из однородной смеси органических и неорганических материалов, где углерод в удобрении является преимущественно лабильным углеродом.
18. Способ по п. 17, где твердое удобрение содержит связующее, включающее леонардит, лигносульфат кальция или и то и другое.
19. Способ по п. 17, где стерилизация органического материала включает торрефикацию органического материала в торрефикаторе для получения торрефицироваиного по существу стерильного продукта с преимущественно лабильным углеродом и торрефикаторного газа, при этом на стадии стерилизации тепло подается за счет теплопроводности через внешние стенки торрефикатора, и способ дополнительно включает конденсацию торрефикаторного газа в поток жидкости и объединение потока жидкости с однородной смесью органических и неорганических материалов в процессе образования дискретных частиц.
20. Способ по п. 17, где стерилизация органического материала путем нагревания при температуре от 150°С до менее чем 400°С включает стерилизацию органического материала в течение менее чем 30 минут.
21. Способ удобрения поля за один проход в вегетационный период, включающий стадии, на которых:
загружают или обеспечивают загрузку оборудования для разбросного внесения одним типом удобрения, где оборудование для разбросного внесения выполнено с возможностью контролируемого дозирования пеллетированного материала, при этом удобрение содержит твердые пеллеты, и каждая пеллета содержит однородную смесь неорганического материала, содержащего питательные элементы N и Р, и торрефицированных органических отходов, содержащих лабильный углерод; и
вносят или обеспечивают внесение удобрения на поле за один проход с использованием оборудования для разбросного внесения, при этом удобрение составлено с возможностью высвобождения 50% N и Р в почву поля в течение первого месяца, а остального N и Р - в течение следующих одного-четырех месяцев.
22. Способ по п. 21, где на протяжении одного и того же вегетационного периода в поле не вносят другое удобрение.
