Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОМПОСТИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к области биотехнологии и экологии и может быть использовано для получения органоминерального удобрения из пищевых отходов.

В СССР пищевые отходы собирали и использовали в качестве кормовой добавки на свиноводческих комплексах после соответствующей термической обработки. В настоящее время большинство пищевых отходов вывозят на полигоны для размещения твердых бытовых отходов, где они в естественных условиях трансформируются под действием различных видов микроорганизмов (иногда патогенных) и ухудшают экологическую ситуацию вокруг этих полигонов. Кроме того, пищевые отходы на полигонах являются пищей для многих насекомых, грызунов и птиц, которые могут быть разносчиками различных заболеваний.

Известен способ получения органо-минерального удобрения (патент РФ №2192403, C05F 11/08, опубл. 10.11.2002). В качестве минеральных добавок для питания микроорганизмов и повышения эффективности удобряющего действия компоста в гидролизный лигнин вносят фосфор-, калий-, азотсодержащие добавки и известь или углекислый кальций в соотношении гидролизный лигнин: минеральные добавки 19:0,8-1,2. В полученную смесь после нейтрализации вносят микробиологическую закваску в виде ассоциации непатогенных микроорганизмов: Daedaleopsis confragosa, Phanerochaete chrysosporium, Penicillium citreo-virede, Trichosporon cutaneum D-46, Trichosporon cutaneum 5, Streptomyces asterosporus в массовом соотношении гидролизный лигнин : закваска 19 : 0,1.

Известен способ переработки птичьего помета и свиного навоза в органическое удобрение (патент РФ №2409537, C05F 3/00, опубл. 20.01.2011), предусматривающий смешивание птичьего помета от клеточного содержания птицы, птичий помет с подстилкой от напольного содержания птицы, добавки для улучшения качества органического удобрения и последующее естественное компостирование. Дополнительно используют свиной навоз, микробиологический препарат «Байкал-ЭМ1». Полученную смесь подвергают естественному компостированию в теплое время года в течение не менее 30 суток и в течение не менее 60 суток - в холодное время года.

Известен способ получения компоста (патент РФ №2266883, C05F 11/08, опубл. 27.12.2005), предполагающий использование для осуществления процесса компостирования ассоциацию микроорганизмов термотолерантных и обладающих амило- и целлюлолитической активностью: Bacillus subtilis ВКПМ-В 1948, гриб Trichosporon cutaneum ВСБ-775, дрожжи S. Cerevisiae diasnanicus ВКПМ у.1218, гриб Trichoderma viridae и гриб Fusarium sambucinum MK7 2001-3.

Известен способ получения компоста (патент РФ №2197453, C05F 11/08, опубл. 27.01.2003) на основе отходов птицеводческих и животноводческих хозяйств. Отходы птицеводческих и животноводческих хозяйств смешивают с влагопоглощающими материалами и проводят твердофазную ферментацию смеси с использованием стимулятора на основе микроорганизмов. В качестве стимулятора компостирования используют консорциум на основе штаммов бактерий Bacillus subtilis П-1, Clostridium butyricum П-2, Micrococcus urea П-3 и штамма гриба Sporotrichum pruinosum П-4 в виде водной суспензии клеток или в виде сухого порошка в концентрации 0,05-0,1% по биомассе от массы компостируемой смеси. Смесь компостируют при температуре 20-70°С и влажности 50-60% в течение 5-7 суток.

Известен способ получения компостов из органических отходов (патент РФ №2290390, C05F 11/08, опубл. 27.12.2006), включающий смешивание отходов лесотехнической и пищевой промышленности с каныгой в качестве источника микроорганизмов. В смесь добавляют экстракты и автолизы пекарских или пивных дрожжей или сами дрожжи. Увлажняют смесь до влажности 30-50% и осуществляют ее аэробное компостирование, при этом соотношение углерода к азоту в готовом компосте составляет от 10 до 50. Изобретение обеспечивает компостирование органических отходов с получением продукта, улучшающего состав и плодородие почвы, в течение 4-8 недель.

Недостатками известных способов являются необходимость использования чистых культур микроорганизмов и продолжительное время процесса компостирования.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу (прототипом) является биотехнологический способ комплексной переработки отходов производства пальмового масла (патент РФ №2161415, А23K 1/00, опубл. 10.01.2001), в котором твердые отходы подвергают кислотному гидролизу. Гидролизованные твердые отходы смешивают с жидкими отходами. Засев осуществляют биомассой штамма бактерий Acinetobacter baumanni M-1. Проводят жидкофазную ферментацию при рН 6,5-7,5 и температуре 35-45°С. Полученную микробную суспензию сепарируют. Осуществляют доочистку жидкостного потока. Сгущенную биомассу подвергают термообработке при 90°С в течение 1 ч. Затем высушивают и получают кормовой белок. Твердые отходы и твердую фракцию, образующуюся после жидкофазной ферментации, подвергают твердофазной ферментации при рН 6,5-7,5 и температуре 35-45°С. Получают готовый продукт - компост. Способ обеспечивает экологическую чистоту производства пальмового масла и позволяет получить товарные продукты в виде кормового белка и компоста. Недостатком указанного способа является использование чистых культур микроорганизмов, что приводит к необходимости использования в процессе переработки отделения чистой культуры для выращивания биомассы штамма бактерий либо необходимости применения засевной культуры в виде порошкообразной закваски, что усложняет процесс переработки. Кроме того, использование активного ила аэрируемых прудов и прудов-отстойников мало эффективно, поскольку ассоциации культур, входящие в состав активного ила, формируются для очистки воды и плохо пригодны для переработки твердых отходов.

Пищевые отходы имеют, в отличие от отходов животноводства, птицеводства и растениеводства, очень низкую степень обсемененности различными микроорганизмами, поскольку большинство продуктов питания готовят при температуре 100°С и выше. Процесс микробиологической деструкции отходов происходит только под действием микроорганизмов, в связи с этим внесение определенного количества микроорганизмов для этого необходимо.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение органоминерального удобрения с высокими агротехническими свойствами из органической части пищевых отходов.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение процесса компостирования органической части пищевых отходов за счет исключения из упомянутого процесса использования чистых культур микроорганизмов, а также повышение эффективности процесса за счет использования суспензии биоценоза активного ила, предварительно выращенного на жидкой фазе упомянутых пищевых отходов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе компостирования органической части пищевых отходов, включающем жидкофазную и твердофазную ферментацию с использованием культуры микроорганизмов, в качестве культуры микроорганизмов используют активный ил, который предварительно выращивают на жидкой фазе упомянутых пищевых отходов. При этом пищевые отходы предварительно измельчают до фракции 1÷3 мм, часть измельченных пищевых отходов центрифугируют и полученную жидкую фазу направляют на ферментацию для выращивания активного ила. Жидкофазную ферментацию осуществляют в течение 7÷10 суток, температуру в первые 5 суток обеспечивают от 28°С до 32°С, а температуру в последующие сутки - от 42°С до 44°С. Затем полученную при центрифугировании измельченных пищевых отходов твердую фазу смешивают с оставшимися измельченными пищевыми отходами для образования компостируемой смеси, после чего полученный при жидкофазной ферментации активный ил добавляют к компостируемой смеси в количестве не менее 3% от массы компостируемой смеси.

Способ осуществляют следующим образом.

Пищевые отходы измельчают в экструдере, оснащенном фильерами диаметром 3 мм. Часть измельченных отходов центрифугируют в центрифуге, например, SL-40 Thermo производства США, при скорости 2000-3000 об/мин в течение 10 мин. Полученную при этом жидкую фазу помещают в ферментер, оснащенный системой аэрации, системой термостатирования и системой рН-статирования. В ферментер добавляют водопроводную воду в объеме, равном объему жидкой фазы отходов, и минеральные соли азота, фосфора и калия. Минеральные соли добавляют в количествах, обеспечивающих концентрацию азота, фосфора, калия, мг/л: 500, 300, 300 соответственно. Далее осуществляют непрерывную аэрацию полученной смеси воздухом. Воздух подают в объеме 10 л на 1 л полученной смеси в час. В автоматическом режиме в ферментере поддерживают постоянное заданное (начальное) значение рН среды. Температуру в первые 5 суток (мезофильный процесс) поддерживают в диапазоне 28÷32°С, в последующие 5 суток (термофильный процесс) - 42÷44°С. В процессе жидкофазной ферментации формируют биоценоз активного ила. Питанием для него служат органические вещества, содержащиеся в пищевых отходах. Моментом прекращения процесса наращивания биоценоза активного ила (исчерпанием питательных веществ в жидкой фазе) служит прекращение подтитровки титрующим агентом до заданного значения рН среды (обычно это происходит на 7-10 сутки). После этого прекращают подачу воздуха на 1-1,5 ч, за это время активный ил оседает на дно ферментера и частично уплотняется. Надосадочную жидкость сливают в канализацию, а активный ил используют в качестве биомассы культур микроорганизмов для процесса компостирования. Процесс компостирования проводят в емкости (твердофазный биореактор), оснащенной системой подачи воздуха. Предварительно измельченные пищевые отходы, предназначенные для компостирования, смешивают с твердой фазой, образовавшейся после центрифугирования части пищевых отходов. В полученную смесь при непрерывном перемешивании добавляют активный ил в количестве не менее 3% от массы компостируемой смеси. Процесс компостирования проводят при непрерывной подаче воздуха в нижнюю часть твердофазного биореактора в объеме 20-30 м³ на 1 м³ компостируемой смеси. При влажности менее 70-80% от полной влагоемкости компостируемой смеси осуществляют увлажнение. Процесс компостирования представляет собой биотехнологический процесс утилизации органических веществ микроорганизмами в условиях повышенной влажности и аэрации. Этот процесс протекает сначала в мезофильном, а затем термофильном режимах. Повышение температуры компостирования происходит за счет экзотермических биохимических процессов разложения органических соединений. Одновременно с переходом процесса компостирования в термофильный режим начинается стадия пастеризации компостируемой смеси.

Примеры осуществления способа.

Пример 1

Пищевые отходы, взятые из столовой ООО «Газпром ВНИИГАЗ», в количестве 10 кг измельчили в экструдере шнекового типа с фильерами диаметром 3 мм. Далее отходы центрифугировали на центрифуге SL-40 Thermo при 2500 об/мин в течение 10 мин. Жидкую фазу в количестве 3 л переместили в ферментер, имеющий объем 10 л, который оснащен системой аэрации и системой рН- и термостатирования. В ферментер добавили водопроводную воду в количестве 3,0 л и минеральные соли в виде удобрений - сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ - 14,2 г, простой суперфосфат Са(H₂PO₄)₂·H₂O+2CaSO₄ - 9,4 г, калия магнезии (K₂SO₄·MgSO₄·6H₂O) - 6 г. Подачу воздуха в ферментер осуществляли непрерывно со скоростью 60 л/ч. В качестве титрующего раствора использовали 6%-ный раствор аммиачной воды или 6%-ный раствор КОН, рН среды поддерживали в диапазоне 7,0-7,2. Температуру первые 5 суток поддерживали 32°С, последующие 5 суток - 44°С. Через три дня с начала процесса ферментации появились первые агломераты ила. В последующие сутки наращивание активного ила происходило в геометрической прогрессии. На девятые сутки процесс титрования в ферментере замедлился, а на десятые - прекратился, что свидетельствовало о завершении процесса и исчерпании питательных веществ для наращивания активного ила. После этого прекратили подачу воздуха в ферментер и отстаивали суспензию в течение 1,5 ч. Затем произвели слив осевшего ила. Количество активного ила составило 1000 мл. Далее в заранее измельченные в экструдере до размера частиц 1-3 мм пищевые отходы, взятые в количестве 20 кг, добавили 7 кг твердой фазы, образовавшейся после центрифугирования. Полученную смесь перемешали и добавили в нее 540 мл активного ила (2% от массы компостируемой смеси). Компостируемую смесь поместили в твердофазный биореактор объемом 50 литров, оснащенный системой аэрации, расположенной в нижней части биореактора. Подачу воздуха осуществляли со скоростью 700 л/ч непрерывно. Два раза в сутки проводили измерение температуры компостируемой смеси. Максимальная температура была достигнута на 8-е сутки проведения процесса и составила 48°С, а на 12-е сутки проведения процесса температура снизилась до 31°С, что свидетельствовало о прекращении процесса компостирования. Полученный компост по органолептическим свойствам не соответствовал требованиям к готовому компосту. Кроме того, в процессе компостирования температура не достигла значения 60÷65°С, при котором происходит пастеризация готового продукта.

Пример 2

То же, что и в примере 1, но активного ила в компостируемую смесь внесли 820 мл (3% от массы компостируемой смеси). Максимальная температура была достигнута на 6-е сутки проведения процесса и составила 63°С. Температура снизилась до 37°С на 10-е сутки проведения процесса, что свидетельствовало о прекращении процесса компостирования. Полученный компост по органолептическим свойствам соответствовал требованиям к готовому компосту. Кроме того, в процессе компостирования была достигнута температура, при которой происходит пастеризация готового продукта. При этом обеспечивается уничтожение патогенной микрофлоры, возможных яиц гельминтов и мух. Следовательно, полученный компост может применяться в качестве органоминерального удобрения, не оказывая вредного воздействия на человека и окружающую среду.

Предлагаемый способ компостирования органической части пищевых отходов позволяет отказаться от использования чистых культур микроорганизмов для процесса компостирования, а также сократить время компостирования за счет исключения времени адаптации культур микроорганизмов к процессу твердофазной ферментации, поскольку культуры микроорганизмов выращивают на том же субстрате, на котором осуществляют процесс компостирования, что позволяет повысить эффективность процесса компостирования.