BRPI0721923A2 - Método para a produção de húmus e solos ou substratos de solo ricos em nutrientes e que armazenam água para sistemas de uso e desenvolvimento sustentável da terra - Google Patents

Description

Relatório Descrito da Patente de Invenção para "MÉTODO PA- RA A PRODUÇÃO DE HÚMUS E SOLOS OU SUBSTRATOS DE SOLO RICOS EM NUTRIENTES E QUE ARMAZENAM ÁGUA PARA SISTEMAS DE USO E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL DE TERRA".

A presente invenção refere-se a um método para a produção de

húmus e solos ou substratos de solo ricos em nutriente e que armazenam água tendo propriedades de tipos de solo antropogênicos (Terra Preta) para sistemas de desenvolvimento e uso sustentável da terra. No método, carbo- no pirogênico e biomassa orgânica são submetidos a um processo de fer- mentação.

Área Técnica

A presente invenção está no campo de produção de solo e apri- moramento de solo para sistemas de desenvolvimento e uso sustentável de terra.

Técnica Anterior

Várias pessoas primitivas e civilizações indígenas avançadas eram capazes, milênios atrás, de transformar solos inférteis e pobres em nutrientes em solos férteis, extraordinariamente produtivos, tal como a terra preta indígena (também referida como Terra Preta de índio).

Atualmente, de forma a cultivar culturas de planta sobre solo in-

fértil, algumas pessoas primitivas realizam limpeza da terra, na qual as cin- zas das árvores queimadas atuam como fertilizante. Dessa forma, é possível cultivar os campos durante muitos anos pelo menos.

O segredo da Terra Preta indígena (Terra Preta) está em sua composição e produção. Estudos históricos e análises científicas mostraram que as primeiras pessoas primitivas convertiam madeira em carvão em um método complexo, o qual não está mais disponível. Em contraste às cinzas, contudo, o carvão não fertiliza, mas antes, se liga à água e nutrientes no so-

lo. Portanto, solos fertilizados com cinzas já não são mais férteis após um curto período, enquanto que solos tendo Terra Preta têm a capacidade de manter a água e nutrientes no solo durante um período de tempo mais longo e distribuem os mesmos lentamente às plantas. O maior teor de carvão da terra preta impede a chuva de lavar os nutrientes do solo. Enquanto isso, dezenas de milhares de áreas com Terra Preta natural foram descobertas distribuídas em vários locais no Planeta Terra. Elas compartilham todas a características de que as plantas crescem significativamente mais rápido e produzem rendimentos significativamente maiores sobre essa terra preta.

A Terra Preta pode ser designada como um equilíbrio de fluxo solar influenciado de coloides de mineral-orgânico no solo em simbioses de organismos unicelulares e pluricelulares no solo, plantas superiores, animais de criação e seres humanos.

Até esse ponto, não se obteve sucesso na geração artificial da

forma de solo antropogênico Terra Preta, o qual é similar à terra preta. Um método para produção dessas formas de solo antropogênico seria desejável por várias razões, por exemplo, de forma a desenvolver sistemas de uso sustentável da terra no mundo todo, o qual assegura permanentemente o 15 suprimento de alimentos de seres humanos, regulam o suprimento de água local, purificam a água residual e o ar e contribuem para a prevenção de en- chentes e proteção do clima. Além disso, o "descarte" de resíduos munici- pais orgânicos, o qual atualmente causa problemas ambientais significativos, seria resolvido no sentido de uma economia circular ecológica e econômica. 20 O objetivo da presente invenção compreende fornecimento de

um método para produção de uma forma de solo, a qual corresponde ou é pelo menos muito similar à terra preta antropogênica, tendo as propriedades de armazenamento de água e nutrientes de longa duração descritas e des- crever os possíveis usos e aplicações dessas formas de solo artificialmente 25 geradas, os quais podem resultar em sistemas de desenvolvimento e uso sustentável da terra.

Este objetivo é alcançado por um método para a produção de húmus e substratos de solo armazenadores de água e ricos em nutrientes tendo propriedades de tipos de solo antropogênicos de acordo com a reivin- dicação 1, solos ou substratos de solos produzidos pelo método e usos dos mesmos.

Sumário da Invenção A presente invenção refere-se a um método para a produção de húmus e substratos de solo ricos em nutrientes e que armazenam água ten- do propriedades dos tipos de solo antropogênico, os quais têm uma alta ferti- lidade sustentável do solo. A nova forma de solo produzida de acordo com a 5 invenção é baseada em um método no qual carbono pirogênico e biomassa orgânica facilmente passível de decomposição são misturados como materi- ais de partida, seja em recipientes, uma instalação, uma superfície do solo ou uma combinação dessas alternativas e subsequentemente aplicados a um processo de fermentação com o auxílio de micro-organismos.

Em uma modalidade, minerais naturais, por exemplo, na forma

de fertilizantes, pedra calcária, solos minerais ou outros substratos de solo mineral podem ser introduzidos antes ou após o processo de fermentação. Em uma outra modalidade, o substrato de solo assim obtido é convertido com o auxílio de organismos do solo, tais como vermes, ácaros, etc. durante 15 um período de tempo suficiente para obter um solo e/ou substrato de solo baseado em complexos de argila-húmus recentemente formados.

Um substrato de solo permanentemente fértil é proporcionado pelo método de produção de acordo com a invenção, o qual é baseado na produção objetivada de complexos de argila-húmus ricos em nutrientes e que armazenam água e húmus estável.

A presente invenção também refere-se a um solo ou um substra- to solo produzido através do método de acordo com a invenção tendo pro- priedades de formas de solo antropogênico (Terra Preta).

Além disso, a invenção refere-se a um dispositivo para a produ- ção de solos ou substratos de solo os quais têm as propriedades de formas de solo antropogênico (Terra Preta).

Além disso, a invenção refere-se a possíveis usos e aplicações os quais, similarmente, primeiro resultam em sistemas de aplicação e/ou uso sustentável da terra. O solo produzido ou tratado de acordo com a invenção 30 resulta em uma alta fertilidade sustentável do solo, de modo que fertilização mineral não é mais necessária, para uso da área da terra em um custo efi- caz. Além disso, o solo ou substrato de solo é adequado como um substituto do solo, como um suplemento para o solo, para o assentamento de povoa- dos, para inibição de erosão, para aprimoramento dos suprimentos de água regional, para prevenção de enchentes, para redução do teor de dióxido de carbono na atmosfera (proteção do clima), para purificação e condiciona- 5 mento de água contaminada, para purificação do ar de exaustão e ar ambi- ente, para proporcionar ciclos de fluxo de material de resíduos biogênicos e/ou águas residuais a fim de desenvolver e utilizar sistemas de desenvolvi- mento e uso de terra.

Descrição da Invenção Materiais de partida para a produção da forma de solo de acordo

com a invenção são carbono pirogênico e biomassa orgânica facilmente passível de decomposição.

O termo "carbono pirogênico" deve ser entendido como signifi- cando as estruturas de carbono as quais surgem através de forte aqueci- mento de material orgânico e, de preferência, lignáceo. Carbono pirogênico é encontrado, por exemplo, na forma de carvão, resíduos de carvão em pe- neira, terra preta e cinzas de madeira.

A invenção também compreende a seleção adequada da base e materiais de partida para a produção do solo de acordo com a invenção ten- 20 do as propriedades desejadas. Esses incluem, por exemplo, resíduos muni- cipais orgânicos, resíduos orgânicos da indústria, comércio, agricultura, flo- resta e jardinagem e os materiais lignáceos os quais, com relação ao méto- do de acordo com a invenção, resultam em um sistema econômico circular completo. Além disso, ela também compreende o desenvolvimento, concei- 25 to, planejamento e implementação de novos sistemas de desenvolvimento e uso sustentável da terra, os quais se tornam possível apenas através da tecnologia de acordo com a invenção.

De forma a designar os vários produtos e produtos intermediá- rios das formas de solo de acordo com a invenção, as seguintes designa- ções são introduzidas. O produto intermediário o qual é produzido em uma primeira fase de produção e já é utilizável como um substrato de solo é de- signado como "Terra Preta humana inicial". A Terra Preta humana inicial é obtida pelo fato de que os materiais de partida de carbono pirogênico e bio- massa orgânica são misturados e subsequentemente fermentados. Nessa etapa, minerais naturais, tais como nitrogênio, fósforo, potássio, etc. podem, opcionalmente, ser adicionados, por exemplo, na forma de solos minerais. A 5 Terra Preta humana inicial já pode ser usada como um substrato de solo para substituição de solo, para aprimoramento do solo ou para suplementa- ção do solo.

Um outro tratamento da Terra Preta humana inicial obtida dessa forma resulta em uma outra forma de solo a qual é designada como "Terra 10 Preta humana ativa". A Terra Preta humana inicial mencionada acima é tra- tada ainda com organismos do solo, tais como vermes e ácaros, para essa finalidade. Isso pode ser realizado em instalações separadas, recipientes ou diretamente sobre a área aberta a ser tratada para aprimoramento do solo. No último caso, o tratamento também pode ocorrer através da imigração de 15 organismos naturais do solo (por exemplo, minhocas). Após um determinado período de tempo sob o efeito dos organismos do solo, o produto final "Terra Preta humana" resulta da Terra Preta humana ativa.

O centro da invenção é o fornecimento de carbono pirogênico a um processo de fermentação predominantemente anaeróbico, no qual uma 20 fermentação de uma mistura de biomassa orgânica usando micro- organismos (por exemplo, bactérias, fungos, esporos fúngicos, algas, etc.) e uma intercalação de nutrientes e minerais liberados nas estruturas de carbo- no pirogênico ocorre.

O termo "fermentação" ou "fermentar" deve ser entendido, no 25 sentido de antígeno, como a conversão de materiais biológicos, em particu- lar orgânicos, com o auxílio de micro-organismos (bactérias, fungos ou cultu- ras de célula). Fermentação também pode ser realizada através da adição de enzimas metabolicamente ativas ou outras moléculas biologicamente ati- vas (por exemplo, substratos nutrientes dos micro-organismos). A fermenta- 30 ção pode incluir procedimentos aeróbicos (por exemplo, fermentação de áci- do acético) e também procedimentos anaeróbicos (por exemplo, fermenta- ção de ácido láctico). O processo de fermentação pode ocorrer em recipientes e insta- lações ou diretamente sobre a área aberta. O processo de fermentação pode correr espontaneamente usando os micro-organismos naturalmente presen- tes na biomassa. Alternativamente, micro-organismos iniciais ou misturas de 5 vários micro-organismos (por exemplo, bactérias, fungos, culturas de célula) podem ser adicionados como culturas iniciais para o controle monitorado do processo e a produção de Terra Preta humana inicial.

Realizando o processo de fermentação sob exclusão de ar, hú- mus e complexos de argila-húmus ricos em nutrientes e que armazenam 10 água surgem, os quais têm propriedades comparáveis àquelas da Terra Pre- ta natural. Os complexos de argila-húmus ricos em nutrientes e que armaze- nam água assim produzidos são química e biologicamente estáveis e são usados como um acumulador de carbono permanente tendo capacidade de ligação duradoura a nutrientes e água.

O carbono pirogênico pode ser introduzido, por exemplo, na for-

ma de carvão e/ou seus resíduos de peneira, cinzas de madeira, etc. e/ou ser obtido através de um processo de pirólise em uma instalação de pirólise móvel ou estacionária a partir de materiais orgânicos predominantemente ricos em lignina, tais como madeira, caules de planta, caroços de fruta, cas- 20 cas de nozes, etc. ou ossos. Ossos têm a vantagem de que eles têm um teor particularmente alto de fósforo.

O processo de pirólise é, de preferência, operado sob exclusão de oxigênio a aproximadamente 100 a 1000 °C. Contudo, aqueles versados na técnica entenderão como adaptar as condições de pirólise corresponden- 25 tes à condições particulares, tais como o tipo de instalação de pirólise, a pressão ambiente, a quantidade, tipo e composição do material de pirólise, etc.

Em uma modalidade preferida, o material de pirólise pode ser previamente picado ou pulverizado e comprimido em um pélete para a pro- dução do carbono pirogênico. Isso tem a vantagem de que o processo de pirólise pode ser melhor monitorado e um produto de pirólise homogêneo resulta, o qual encoraja a subsequente fermentação. De outro modo, para obter carbono pirogênico, o material de pirólise (por exemplo, cascas, gra- míneas, madeira, ossos, etc.) é primeiramente separado de acordo com a composição antes de ser fornecido ao processo de pirólise em particular.

Além do carbono pirogênico, produtos utilizáveis surgem durante 5 o processo de pirólise, tais como óleo, alcatrão vegetal ou gás, os quais po- dem ser usados para produção de energia, calor e/ou frio, por exemplo. Es- ses subprodutos são, assim, passíveis de exploração para um uso razoável (por exemplo, para obter energia) e são utilizáveis, no sentido da invenção, para sistemas de desenvolvimento e uso sustentável de terra.

O ar quente ou o gás que se origina da pirólise é usado para o-

timização do processo de fermentação em uma modalidade preferida da in- venção. O calor residual quente originário da pirólise deve ser esfriado para a temperatura (30 a 40 °C) requerida para o processo de fermentação, se necessário.

Além disso, os gases de exaustão da pirólise contêm amônia,

dióxido de carbono e água, os quais são convertidos em bicarbonato de a- mônio sólido (amônia em solução de água) quando de condução através do carbono pirogênico ainda quente nos poros do mesmo. Esse subproduto pode, por sua vez, ser usado como um fertilizante a longo prazo no sentido 20 da invenção. Um outro aspecto positivo para condução desses gases atra- vés do carbono pirogênico ainda quente pode ser observado pelo fato de que os gases de exaustão da pirólise são purificados. Quaisquer materiais prejudiciais que ocorrem podem, assim, ser eliminados naturalmente pelo processo de pirólise em si.

Em um método de pirólise preferido para produção de carbono

pirogênico, madeira finamente pulverizada (também tendo massa de folha) é colocada em uma pilha, compactada, desidratada e selada extensivamente hermética ao ar, por exemplo, usando terra. Alternativamente, o método po- de também ser realizado usando paiois ou em recipientes especiais. Após 30 algum tempo, um efeito de decomposição térmica começa, quando tempera- turas de até 80 cC surgem no interior. Carbono pirogênico surgem como o principal produto, o qual pode ser fornecido ao processo de fermentação da invenção. Além disso, água quente tendo uma temperatura de aproximada- mente 60 0C pode ser obtida via permutadores de calor simples durante o processo de pirólise. Além disso, gás leve surge, o qual pode ser usado para obter energia.

5 Além de pirólise, outros métodos são também conhecidos por

aqueles versados na técnica para a produção de carbono pirogênico. O mé- todo de carbonização hidrotérmica é citado como um exemplo.

O carbono pirogênico, o qual é produzido através de diversos métodos, tem estruturas de carbono intramoleculares as quais podem ser 10 influenciadas pelas condições de pirólise, por exemplo. As propriedades do carbono pirogênico usado para o método de acordo com a invenção podem, assim, ser adaptadas para uma alta capacidade de armazenamento de água e nutriente.

Outras modificações requeridas para a invenção são parte das 15 modalidades preferidas. Por exemplo, em uma modalidade preferida, o car- bono pirogênico pode ser pulverizado e/ou peneirado e homogeneizado com a biomassa orgânica antes do uso de acordo com a invenção. O carbono pirogênico pode, adicionalmente, ser misturado com urina e/ou solução de ureia e/ou outras soluções contendo ureia, de forma a fornecer nitrogênio e 20 fósforo, de modo que as propriedades positivas sejam reforçadas.

A biomassa orgânica facilmente passível de decomposição a ser usada para a produção compreende, de preferência, plantas verdes e seus resíduos, resíduos municipais orgânicos, resíduos orgânicos da indústria, comércio, agricultura e floresta e jardinagem, tais como resíduos biodegra- 25 dáveis, resíduos de cozinha, restos de jardim, fezes humanas ou de animais, estrume líquido ou resíduos de fermentação de instalações de biogás ou outros materiais orgânicos.

A introdução de metais pesados e substâncias tóxicas deve ser evitada levando-se em conta o uso sustentável da terra. Biomassa orgânica espessa pode ser pulverizada e/ou peneirada e/ou homogeneizada com o carbono pirogênico antes do processo de produção de Terra Preta humana.

Os minerais naturais requeridos para a produção podem já ser fornecidos na forma de solos minerais ou substratos de solo mineral na fase da produção da Terra Preta humana inicial, por exemplo ou apenas na fase da aplicação à superfície de Terra Preta humana ativa ao solo.

O solo mineral é misturado em recipientes ou uma instalação ou 5 após a fermentação com a biomassa orgânica e o carbono pirogênico ou é aplicado diretamente à superfície a ser tratada ou já contido no solo a ser tratado. Os sólidos minerais naturais são, de preferência, obtidos da vizi- nhança do local de produção e/ou usados no local de aplicação para evitar custos com transporte e/ou as conseqüências ambientalmente relevantes de 10 transporte.

Os minerais naturais (por exemplo, nitrogênio, fósforo, potássio) podem ser fornecidos como fertilizantes, pedra calcária ou na forma de solos minerais ou outros substratos de solo mineral (por exemplo, substratos de argila).

Se os minerais naturais já são fornecidos na fase da produção

de Terra Preta humana inicial, pulverização e/ou peneiramento dos solos minerais pode ser requerido previamente. Mistura com outros solos minerais também é possível.

Conforme previamente notado, o produto intermediário Terra 20 Preta humana inicial, o qual já é utilizável como um substrato de solo, é obti- do na primeira fase de produção de Terra Preta humana. Isso ocorre, de pre- ferência, via a mistura dos materiais de partida carbono pirogênico e bio- massa orgânica facilmente passível de decomposição e opcionalmente mi- nerais naturais ou solos minerais ou substratos de solo mineral em uma pro- 25 porção de mistura adequada e o subsequente início de um processo de fer- mentação. A quantidade de solo mineral não é crítica. Contudo, os nutrientes não devem exceder à concentrações específicas, de modo a não causar quaisquer efeitos prejudiciais.

A proporção de mistura dos materiais de partida é calculada de acordo com os teores de carbono, água, nutrientes e de acordo com o valor de pH, como uma função da composição dos materiais de partida localmente disponíveis. O material de partida carbono pirogênico é, de preferência, usa- do em uma quantidade de pelo menos 5% e a biomassa orgânica é, de pre- ferência, usada em uma quantidade de pelo menos 50%. A proporção prefe- rida está na faixa de 10 a 20% de carbono pirogênico e 80 a 90% de bio- 5 massa orgânica. A quantidade de minerais é misturada dependendo da de- manda e forma de aplicação do solo e substrato de solo de acordo com a invenção.

Os valores da Terra Preta humana, de preferência, se movem na faixa dos seguintes parâmetros:

densidade: 1,3 -1,4 g/cm3

teor de água: aproximadamente 25% teor de ar no solo: aproximadamente 20%

partículas as quais podem formar uma pasta (menores do que 0,2 mm): pelo menos 500 g/kg

carbono orgânico: aproximadamente 40 g/kg, pelo menos 15 g/kg do mesmo carbono pirogênico

valor de pH (H2O): aproximadamente 5,5 a 6,5 nitrogênio: pelo menos 2 g/kg fósforo: pelo menos 2 g/kg proporção de C:N: aproximadamente 15

capacidade de troca de cátions: 150 mmolc/kg

Os minerais já são misturados com os materiais de partida nes- se exemplo. O solo mineral natural ou os minerais naturais também podem ser misturados apenas depois e/ou ser fornecidos no curso do processo de formação do solo (isto é, durante a formação de Terra Preta humana a partir de Terra Preta humana ativa) em uma outra forma de produção.

O processo de fermentação pode ser realizado, de acordo com a invenção, em recipientes, silos, caixas, pilhas, trincheiras no solo, etc., os quais podem compreender vários materiais, tais como concreto, aço, aço inoxidável, plástico, argila, greda, cerâmica, etc.

Outra modalidade de acordo com a invenção compreende fer- mentação de superfície, os materiais de partida sendo selados tão hermeti- camente ao ar quanto possível usando placas de plásticos, filme e/ou uma vedação mineral. Quase todas as condições anaeróbica são causadas pela implementação confiável do processo de fermentação.

Fermentação de ácido láctico é, de preferência, de interesse pa- 5 ra a invenção, na qual o açúcar da biomassa é convertido, com o auxílio de micro-organismos, em ácido láctico. Bactérias homofermentativas, bactérias heterofermentativas, bifidobactérias ou combinações de várias cepas fer- mentativas são, de preferência, usadas para a fermentação de ácido láctico. O pH é diminuído para um valor tão baixo quanto 4 através da fermentação. 10 O pH pode ser neutralizado no substrato de solo novamente através da adi- ção de solo mineral ou calcário após o processo de fermentação. O solo mi- neral ou pedra calcária, assim, tem uma função dupla: por um lado, ele é usado como um fornecedor de mineral, por outro lado, ele é usado como um sistema tampão para o valor de pH.

Para a implementação confiável do processo de fermentação

desejado de acordo com a invenção, uma cultura inicial biológica, de prefe- rência feita de micro-organismos abundantes e/ou Terra Preta humana já produzida e/ou biomassa a qual já foi submetida a um processo de fermen- tação de ácido láctico, podem ser misturados como uma função dos materi- ais de partida.

A mistura das culturas iniciais biológicas pode já ser realizada manualmente e/ou automaticamente durante a mistura dos materiais de par- tida e/ou apenas quando de introdução na instalação de fermentação e/ou apenas na instalação de fermentação.

A fermentação é, de preferência, realizada em uma temperatura

entre 30 e 40 °C. Calor em excesso localmente existente pode ser usado como uma fonte de calor no sentido de uma cadeia de valor sustentável con- forme ocorre, por exemplo, durante o processo de pirólise, durante proces- sos de fermentação em instalações de biogás, durante a compostagem e/ou 30 durante operação de usinas de energia de aquecimento em bloco. Os mate- riais de partida orgânicos facilmente passíveis de conversão são preserva- dos e estabilizados com relação à degradação microbiana através de uma fermentação controlada, na qual a fermentação de ácido láctico e/ou outras exposições bacterianas e/ou fúngicas exercem um papel significativo.

O tempo de fermentação o qual é preferido de acordo com a in- venção é de duas a seis semanas.

5 O valor de pH é diminuído na faixa ácida, isto é, para abaixo de

um pH = 4 através dos processos de fermentação (por exemplo, fermenta- ção de ácido láctico). Essa redução de pH, vantajosamente, faz com que micro-organismos patogênicos sejam mortos, pelo que um substrato de solo isento de patógeno é obtido. A elevação do valor de pH é realizada após o 10 processo de fermentação através da adição de solo mineral ou pedra calcá- ria, pelo que uma neutralização para um valor de pH ótimo de 5 a 6,5 é obti- da.

A Terra Preta humana inicial assim produzida pode ser armaze- nada em temperaturas frias durante um longo período de tempo, sem alterar substancialmente sua estrutura.

Em uma segunda fase de produção preferida subsequente para produção de Terra Preta humana, a Terra Preta humana ativa é obtida a par- tir da Terra Preta humana inicial previamente descrita. Isso é, de preferência, realizado através da introdução e/ou imigração de organismos do solo, tais 20 como minhocas, vermes de decomposição, besouros e ácaros. Esse pro- cesso pode ocorrer nos recipientes ou instalações de fermentação, nos quais a Terra Preta humana inicial foi previamente produzida ou em recipien- tes ou instalações especiais e sobre áreas de solo abertas.

Complexos de argila-húmus estáveis surgem através da ativida- 25 de desses organismos superiores no solo e da simbiose de micro- organismos e macroorganismos. Fixação orgânica extensiva de nutrientes de planta e o desenvolvimento de sistemas tampão físicos e químicos com- plexos, assim, ocorre. Perdas de nutrientes gasosos e líquidos são, assim, evitadas e o carbono é acumulado em uma grande quantidade. Um substra- 30 to inicial tendo ótimas condições de vida para plantas superiores resulta.

O processo é, de preferência, criado de modo que os organis- mos superiores no solo podem se desenvolver de modo ótimo, por exemplo, através de regulação da umidade e temperatura.

Mistura de pedra calcária, por exemplo, calcário de algas, é também aconselhável de acordo com a invenção de forma a otimizar os pro- cessos de formação do solo.

Dependendo das condições de processo, a produção de Terra

Preta humana ativa dura entre três meses e um ano.

Se os processos de formação do solo da Terra Preta humana ativa progrediram extensivamente durante esse tempo, pode-se presumir que Terra Preta humana agora resultou. Uma propriedade particular da Ter- 10 ra Preta humana é que ela se desenvolve ainda quando da introdução de biomassa orgânica, isto é, os compostos de carbono e minerais da biomassa são incorporados estável e permanentemente na estrutura do solo.

Para realizar o método de acordo com a invenção, a invenção também refere-se a um dispositivo estacionário ou móvel, uso do qual é pos- sível produzir o solo de acordo com a invenção, se desejado, em um local.

O dispositivo de acordo com a invenção compreende uma insta- lação de fermentação, na qual a fermentação da biomassa ocorre com o au- xílio de micro-organismos. A instalação de fermentação pode ser operada como estacionária e também móvel. Uma estrutura modular da instalação de fermentação para as várias fases de produção é também possível.

As instalações de fermentação de acordo com a invenção têm, de preferência, aparelhos tais como unidades de drenagem, drenos de solo, aberturas, etc., de modo que a saída controlada de líquido e gás possa ser assegurada. Além disso, as instalações de fermentação de acordo com a 25 invenção podem ter aparelhos os quais asseguram temperaturas constantes configuráveis durante o processo. Um controle de processo automático do processo de fermentação pode ocorrer via sensores de medição os quais detectam a temperatura, o valor de pH, o teor de dióxido de carbono, o teor de metano e/ou o teor de sulfeto de hidrogênio, por exemplo.

Além disso, em uma modalidade preferida, o dispositivo com-

preende uma instalação de pirólise para a produção de carbono pirogênico, na qual a clivagem térmica dos compostos químicos do material orgânico rico em Iignina ocorre sob exclusão de oxigênio, isto é, sob condições quase anaeróbicas.

Uma instalação de pulverização e compressão pode ser conec- tada a montante da instalação de pirólise, de forma a obter um pélete de vá- rios materiais ricos em lignina. Além disso, a instalação pode conter um apa- relho de peneiramento, tal como uma peneira vibratória.

Além disso, a instalação de fermentação de acordo com a inven- ção compreende aparelhos os quais permitem que o calor residual gerado durante a pirólise seja fornecido à instalação de fermentação a fim de otimi- zar o processo de fermentação.

A Terra Preta humana produzida de acordo com a invenção re- sulta em um aumento na fertilidade do solo durante um longo período de tempo, o qual não pode ser obtido até agora através de mistura realizada, nesse ponto, de cinzas, carvão, composto, estrume líquido, estrume, resí- 15 duos de fermentação, húmus e/ou fertilizantes artificiais ao solo, por exem- plo.

Em virtude da intercalação de substâncias orgânicas nas estru- turas do carbono pirogênico, a Terra Preta humana de acordo com a inven- ção, tendo sua grande área de superfície e baixa degradabilidade, atua co- 20 mo um sistema tampão e acumulador a longo prazo no solo. Além disso, rápida mineralização da substância orgânica intercalada e dos nutrientes é evitada.

A Terra Preta humana de acordo com a invenção se distingue por um microssistema biológico estável, no qual processos biológicos, físicos 25 e químicos estão em equilíbrio a longo prazo. Assim, ela é adequada para sistemas de uso de terras áridas e úmidas. Usando um forno de pirólise mó- vel e o subsequente processo de fermentação, a produção dos complexos de argila-húmus de acordo com a invenção é possível em quase qualquer local do Planeta Terra. Biomassa a qual foi até agora apenas queimada ou 30 descartada como resíduo (por exemplo, restos de jardim, estrume líquido, fezes, resíduos biodegradáveis das cidades) pode ser usada eficientemente.

Além disso, os complexos de argila-húmus artificialmente gera- dos de acordo com a invenção podem ter um papel significativo para prote- ção do clima quando de aplicação em uma grande área. Plantas requerem que o dióxido de carbono seja dissolvido na atmosfera para seu crescimento, o qual elas tiram do ar. Se biomassa rica em Iignina é carbonizada e incorpo-

ra o carbono pirogênico assim obtido no solo após a fermentação terminar, o dióxido de carbono é permanentemente retirado da atmosfera. Isso é tam- bém realizado pela preservação de biomassa através do processo de fer- mentação e a subsequente intercalação na forma de húmus estável.

A emissão dos gases de efeito estufa metano e óxido nitroso

relevantes para o clima a partir de terra agrícola pode, adicionalmente, ser reduzida pela produtividade significativamente maior da área dos complexos de argila-húmus de acordo com a invenção. Perspectivas completamente novas são abertas ao cultivo ecológico e fechamento de Ioops de nutrientes em áreas globais altamente povoadas.

Formas de uso e aplicação preferidas da invenção

Numerosas possibilidades e variantes estão disponíveis como as formas de uso e aplicação preferidas, de acordo com a invenção, de Terra Preta humana e dos produtos intermediários Terra Preta humana inicial e Terra Preta humana ativa.

Em uma variante preferida, os produtos de acordo com a inven-

ção podem ser aplicados diretamente ao solo ou à área de futura aplicação e/ou incorporados na mesma e/ou empilhados em represas. Se a produção de Terra Preta humana inicial e/ou Terra Preta humana ativa já ocorreu nas áreas e/ou no solo, a aplicação ou incorporação pode ser dispensada.

Uma forma de uso de acordo com a invenção para essa aplica-

ção compreende o aprimoramento sustentável da fertilidade do solo, por e- xemplo, para aumentar a produção de jardins e/ou agrícola e/ou de floresta, ao mesmo tempo em que se dispensa a fertilização artificial do solo. Por e- xemplo, um aumento significativo na produção de alimentos, assim, seria 30 possível a nível global o que, por sua vez, contribuiria para a luta mundial contra a fome. Além disso, novas possibilidades de energia renovável, por exemplo, através de produção de usinas de energia ou armazenamento de energia por plantas verdes, resultariam através do aumento de produtividade da área de solo agrícola e de floresta.

Uma forma preferida de aplicação de acordo com a invenção é a introdução de Terra Preta humana, Terra Preta humana inicial e/ou Terra 5 Preta humana ativa em canteiros, vasos de planta, recipientes, átrios, jardins de inverno, estufas, etc., por exemplo, em assentamentos internos, assen- tamentos municipais e estruturais, cultivo de plantas de safra e decorativas, etc. Dessa forma, por exemplo, possibilidades completamente novas para o design e um modelo econômico circular serão proporcionadas para planeja- 10 mento arquitetônico e/ou de cidades, por exemplo. Resíduos municipais, tais como resíduos biodegradáveis, águas servidas, fezes, etc., poderiam ser incorporados em pequenos Ioops usando a tecnologia de acordo com a in- venção e contribuir para o design de áreas verdes, produção de alimentos, etc.

Uma outra forma de uso de acordo com a invenção é enriqueci-

mento de húmus e estabilização do solo, por exemplo, em regiões áridas ou úmidas, a fim de inibir a erosão e/ou armazenar água.

Uma outra forma de uso de acordo com a invenção compreende o aprimoramento do solo em regiões de estepe e/ou desérticas para a con- tenção e/ou regressão de regiões de estepe e desérticas. Através de um recultivo objetivado de tais campos com plantas locais apropriadas, a produ- ção de alimento e/ou usinas de energia pode, por sua vez, ser aumentada.

Uma outra forma de uso de acordo com a invenção compreende o aprimoramento da capacidade de absorção de água do solo e, assim, o 25 aprimoramento dos suprimentos de água regional e prevenção de enchen- tes. Uma parte significativa das áreas cultiváveis mundiais não é capaz de tamponar e/ou armazenar grandes quantidades de água da chuva em virtu- de de uma falta de teor de húmus, de maneira que essa água drena de mo- do relativamente rápido em correntes, rios e lagos e pode resultar em en- 30 chentes sob determinadas circunstâncias aqui. Essa água está, simultanea- mente, faltando no suprimento de água regional. A Terra Preta humana e/ou Terra Preta humana inicial e/ou Terra Preta humana ativa de acordo com a invenção é/são capaz(es) de absorver e/ou armazenar até 200 L/m2 de líqui- do. Por exemplo, áreas de campo cultivadas usando Terra Preta humana podem absorver grandes quantidades de precipitação e armazená-la tempo- rariamente. A água armazenada é, então, lentamente descarregada às plan- 5 tas e/ou águas subterrâneas, a qual se nivela com o suprimento de água regional e, simultaneamente, resulta em prevenção de enchente.

Uma outra forma de uso de acordo com a invenção é objetivada à contribuições para a proteção do clima. Isso já é realizado unicamente por uma aplicação de cobertura na superfície da invenção porque os compostos de carbono da biomassa são intercalados estavelmente no solo em uma grande quantidade e, assim, não atingem a atmosfera como dióxido de car- bono, conforme é o caso em processos de degradação aeróbicos, por e- xemplo. Em particular, em agricultura, emissões significativas de metano e óxido nitroso, os quais são prejudiciais ao clima, surgem através da descar- ga de estrume líquido do gado pastando e/ou de resíduos de fermentação de instalações de biogás. Através de uma aplicação objetivada da invenção, por exemplo, durante a utilização dessa biomassa agrícola na produção dos produtos de acordo com a invenção e/ou através de aplicação dessa bio- massa à superfícies no campo cultivadas usando Terra Preta humana, as emissões de metano e óxido nitroso, os quais são prejudiciais para o clima, podem ser significativamente reduzidas.

Uma outra forma de uso de acordo com a invenção é a aplica- ção no campo de purificação e preparo de água contaminada. Em uma apli- cação preferida, superfícies cultivadas usando Terra Preta humana podem 25 ter água contaminada de origem doméstica, comunidades, industrial e/ou agrícola aplicada às mesmas. A capacidade de acúmulo das superfícies, a qual é aumentada pela aplicação de acordo com a invenção, resulta em uma intercalação estável de compostos de carbono e nutrientes e armazenamen- to de água. Essas áreas são, assim, excepcionalmente adequadas, por um 30 lado, para o cultivo de plantas úteis que consomem água, por exemplo, co- mo uma plantação em usinas de energia tendo relvas e/ou gramíneas e, por outro lado, frações valiosas de carbono e nutrientes da água contaminada são razoavelmente usadas de uma maneira a qual é de valor, enquanto que elas são destruídas com uso de energia durante tratamento convencional.

Uma outra forma de uso de acordo com a invenção é a aplica- ção no campo de purificação de ar de escapamento e condicionamento de ar ambiente. Em uma aplicação preferida, superfícies cultivadas usando Terra Preta humana e/ou recipientes cheios, canteiros, instalações, etc. podem ser usadas para purificação de ar de escapamento e/ou condicionamento de ar ambiente. Em uma modalidade preferida, o ar a ser purificado e/ou condicio- nado é conduzido, via aparelhos distribuidores, através do substrato do solo e absorvido por micro-organismos, fungos, etc. no metabolismo e decompos- to em estruturas moleculares individuais. Essas, por sua vez, são estavel- mente intercaladas no substrato de solo e estão disponíveis às plantas para fornecimento de húmus e nutrientes. Uma nova forma de aplicação de acor- do com a invenção é o uso objetivado de canteiros, recipientes de planta, instalações, etc., os quais estão cheios de Terra Preta humana, dentro e/ou fora de edificações, para condicionamento de ar ambiente e amadurecimen- to simultâneo. O ar ambiente é transportado via dispositivos, tais como venti- ladores, para os aparelhos distribuidores de canteiros, recipientes de planta, instalações, etc., os quais são enchidos com Terra Preta humana, purificado e condicionado nos mesmos e subsequentemente retornados para a edifica- ção via as superfícies e/ou aberturas.

Uma outra forma de uso de acordo com a invenção é a aplica- ção no campo do fornecimento de ciclos de fluxo de material de resíduos biogênicos e/ou águas servidas de várias unidades de uso, tais como lares 25 domésticos, edificações, povoados, vilas, cidades, florestas e agricultura, jardinagem, comércio e indústria. Usando a tecnologia de acordo com a in- venção, numerosos resíduos biogênicos e/ou águas servidas das unidades de uso particulares podem ser tratados, condicionados e usados para apri- moramento do solo, fornecimento de alimentos, produção de energia e plan- 30 tas de safra, purificação de água e ar, etc. nas mesmas, por exemplo.

A invenção compreende a produção de Terra Preta humana, Terra Preta humana inicial e/ou Terra Preta humana ativa tendo os campos de aplicação descritos acima e também o descarte e exploração simultânea de resíduos municipais, águas residuais, etc., o que frequentemente pode resultar em restrições ambientais significativas.

Consequentemente, a invenção também compreende a seleção 5 dos materiais básicos para a produção de Terra Preta humana, Terra Preta humana inicial e/ou Terra Preta humana ativa, tais como resíduos orgânicos, águas servidas, resíduos de fermentação, estrume líquido, restos de jardim, materiais lignáceos, cinzas, etc., os quais resultam em um sistema econômi- co circular completo com relação ao método de acordo da invenção.

O desenvolvimento, conceito, planejamento e implementação de

novos sistemas de uso e desenvolvimento sustentável de terra, os quais se tornam possíveis apenas através da tecnologia da invenção, estão associa- dos a uma outra forma de aplicação de acordo com a invenção Exemplo

Os exemplos a seguir ilustram uma modalidade das variantes de

várias modalidades descritas aqui. A invenção não está, de forma alguma, restrita a esses exemplos. As várias modalidades e possíveis usos da inven- ção resultam das reivindicações.

Exemplo 1:

Carvão pulverizado e peneirado foi introduzido, na proporção de

1:4, com biomassa orgânica previamente pulverizada e homogeneizada de resíduos de cozinha, restos de jardim e fezes humanas ou de animais, em um recipiente. A mistura foi subsequentemente inoculada com uma mistura de micro-organismos fermentação-ativos como uma cultura inicial. O recipi-

ente foi coberto e deixado descansar durante aproximadamente quatro se- manas, de forma a permitir o processo de fermentação. Um dreno foi preso ao recipiente para drenagem do solo, de forma a evitar diques. Após o tem- po de fermentação, solo mineral foi adicionado à mistura e uma outra incu- bação durante 4 semanas foi realizada. O substrato de solo assim obtido foi

acondicionado e armazenado. Para fertilização, o substrato de solo foi apli- cado a uma superfície do solo. A área assim tratada provou ser extraordina- riamente rica em nutrientes e produtiva, similarmente aos solos antropogêni- cos, tal como Terra Preta.

Exemplo 2:

Da mesma forma que o Exemplo 1, a Terra Preta humana obtida na primeira fase de produção foi aplicada diretamente a uma superfície de 5 solo a ser tratada e misturada com solo mineral. A Terra Preta humana inici- al foi convertida em Terra Preta humana ativa através da presença de orga- nismos no solo, tais como minhocas e ácaros. Após um outro tempo de con- versão de umas poucas semanas, Terra Preta humana foi finalmente obtida como um produto final.

Exemplo 3:

Da mesma forma que o exemplo 2, mas a adição externa de or- ganismos de solo ao solo foi realizada.

Exemplo 4:

Da mesma forma que o exemplo 3, mas os organismos do solo foram adicionados à Terra Preta humana inicial no recipiente e incubada no mesmo com o substrato de solo. A Terra Preta humana assim obtida foi apli- cada como um suplemento para o solo à área do solo a ser tratada.

Exemplo 5:

Carvão pulverizado e peneirado foi aplicado como o carbono pirogênico em uma proporção de 1:4 com biomassa orgânica previamente pulverizada de resíduos de cozinha, restos de jardim, fezes humanas ou de animais e solo mineral previamente peneirado e uma mistura de micro- organismos de fermentação sobre a superfície do solo pobre em minerais a ser tratada. Uma fermentação de superfície foi subsequentemente realizada durante seis semanas, pelo que a superfície foi coberta com um filme de si- lagem, de modo que estados quase anaeróbicos prevalecessem. Após o tempo de fermentação, o filme de silagem foi removido e calcário de alga foi aplicado e superficialmente incorporado. A área do solo foi coberta com terra e deixada descansar durante duas semanas, de forma a causar uma neutra- lização do valor de pH do solo e uma imigração de organismos naturais do solo, o que também contribui para mistura suficiente, de modo que nenhuma mistura adicional foi necessária. Após aproximadamente quatro semanas, o solo estava pronto para plantio.

Exemplo 6:

Da mesma forma que o exemplo 5, exceto que o carbono piro- gênico foi aplicado diretamente ao solo mineral com a biomassa orgânica previamente pulverizada para fermentação da superfície. Mistura em orga- nismos de solo externamente adicionados não foi requerido.

Claims (20)

1. Método para produção de substratos de solo-argila que arma- zenam água e ricos em nutrientes e estável ao húmus tendo propriedades das formas de solo antropogênico (Terra Preta) compreendendo as seguin- tes etapas: (a) mistura de carbono pirogênico pulverização e/ou peneirado com biomassa orgânica facilmente passível de decomposição previamente pulverizada e homogeneizada, (b) inoculação da mistura através de mistura de uma cultura ini- ciai feita de micro-organismos para realizar uma fermentação anaeróbica na forma de uma fermentação de ácido láctico e/ou substratos de solo já produ- zidos e/ou uma biomassa submetida à fermentação de ácido láctico, (c) incubação da mistura sob exclusão de ar para realizar uma fermentação de ácido láctico em uma temperatura de preferência entre 30°C e 40 0C e um valor de pH na faixa ácida, drenagem de solo controlada e desgasseificação sendo proporcionadas durante o processo de fermentação.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o carbono pirogênico é usado em uma quantidade de pelo me- nos 5% e a biomassa orgânica é usada em uma quantidade de pelo menos 50%.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a proporção de carbono pirogênico para biomassa orgânica é de 1:4.

4. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o solo/substrato de solo obtido após a etapa (c) do método é acondicionada e armazenada ou introduzida ou aplicada a uma superfície do solo a ser tratada.

5. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes caracterizado pelo fato de que o método também compreende a etapa (d), na qual organismos do solo, tais como minhocas, vermes de compostagem, besouros, ácaros, etc. são introduzidos na mistura após a fermentação em uma instalação de fermentação, em recipientes e instalações especiais ou diretamente no solo a ser tratado, de modo que organismos do solo natural- mente presentes no solo podem causar a conversão e processamento adi- cional do substrato de solo.

6. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que minerais naturais, tais como nitrogênio, fósfo- ro, potássio, solos minerais, tais como fertilizantes ou calcário ou outros substratos de sal mineral, tais como substratos de argila, são misturados, introduzidos ou aplicados à mistura, ao solo/substrato de solo ou à superfície a ser tratada.

7. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o carbono pirogênico é introduzido na forma de carvão, resíduos de peneira de carvão, terra preta, cinzas de madeira ou outras estruturas de carbono pirogênico ou misturas dos mesmos.

8. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o carbono pirogênico é obtido através de piró- Iise ou um processo de carbonização hidrotérmica.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o calor de exaustão do processo de pirólise é conduzido ao pro- cesso de fermentação.

10. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o carbono pirogênico é misturado com urina e/ou solução de ureia e/ou outras soluções contendo ureia antes ou na etapa (a).

11. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que resíduos de plantas verdes, resíduos munici- pais orgânicos, resíduos orgânicos da indústria, comércio, agricultura e flo- resta e jardinagem, em particular resíduos biodegradáveis, resíduos de cozi- nha, restos de jardim, fezes humanas ou de animais, estrume líquido ou re- síduos de fermentação de instalações de biogás ou outra biomassa orgânica são usados como a biomassa orgânica facilmente passível de decomposi- ção.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a . 11, caracterizado pelo fato de que o processo de fermentação é realizado em recipientes, silos, caixas, pilhas, trincheiras no solo ou em uma instala- ção de fermentação.

13. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, ca- racterizado pelo fato de que a fermentação é realizada como fermentação de superfície, na qual os materiais de partida, tais como carbono pirogênico e biomassa orgânica e opcionalmente o solo mineral misturado, são selados tão hermeticamente ao ar quanto possível de forma a causar condições qua- se anaeróbicas.

14. Método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o processo de fermentação de ácido láctico é realizado durante um período de aproximadamente duas a seis semanas.

15. Solo ou substrato de solo tendo propriedades de formas de solo antropogênico (Terra Preta) obtenível através de um método como defi- nido nas reivindicações 1 a 14.

16. Método para o aprimoramento sustentável de fertilidade do solo compreendendo a aplicação e/ou incorporação e/ou aterramento de solos ou substratos de solo tendo propriedades de formas de solo antropo- gênico (Terra Preta) como definido na reivindicação 15 na superfície ou solo a ser tratado.

17. Uso de solos ou substratos de solo tendo propriedades de formas de solo antropogênico (Terra Preta) como definido na reivindicação 15 como um substituto para o solo, como um suplemento para o solo, para aprimoramento de fertilidade do solo, para assentamento de povoados, para inibição de erosão, para aprimoramento dos suprimentos de água regional, para prevenção de enchentes, para proteção do clima, para redução do teor de dióxido de carbono da atmosfera, para purificação e preparo de água contaminada, para purificação de ar de exaustão e ar ambiente, para pro- porcionar ciclos de fluxo de material de resíduos biogênicos e/ou águas ser- vidas para desenvolvimento e utilização de sistemas de desenvolvimento e uso de terra.

18. Dispositivo para a produção de solos ou substratos de solo a partir de complexos de argila-húmus ricos em nutrientes e que armazenam água e estável ao húmus tendo propriedades de formas de solo antropogê- nico (Terra Preta) compreendendo: - uma instalação de fermentação para a fermentação de uma mistura feita de carbono pirogênico, biomassa orgânica e/ou minerais natu- rais na presença de micro-organismos e/ou organismos do solo, a instalação de fermentação tendo aparelhos para a saída controlada de líquido e gás e/ou para manutenção de uma temperatura constante.

19. Dispositivo de acordo com a reivindicação 18, também com- preendendo uma instalação de pirólise para obtenção de carbono pirogênico a partir de materiais ricos em lignina, tais como resíduos de planta, relvas, cascas, gramíneas, plantas verdes, madeira, caules de planta, caroços de fruta, cascas de nozes, etc.

20. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações preceden- tes, caracterizado pelo fato de que a instalação de pirólise tem aparelhos, os quais geram calor residual gerado na pirólise que é fornecido à instalação de fermentação para otimizar o processo de fermentação.