Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГУМУСА, ВКЛЮЧАЮЩИЙ СТАДИЮ ОБРАБОТКИ ГРИБАМИ И СТАДИЮ ВЕРМИПЕРЕРАБОТКИ

Группа изобретений относится к области биотехнологии, точнее к способу утилизации целлюлозосодержащих отходов.

Известны способы усиления интенсивности утилизации отходов в системе микроорганизмы - дождевые черви по сравнению с интенсивностью утилизации отходов этими организмами по отдельности / Терещенко Н.Н. Эколого-микробиологические аспекты вермикультивирования / Н.Н. Терещенко. - Новосибирск: Наука, 2003. - 113 с.2. Stom D.I. Transformation of Oil in Soil by a Microbial Preparation and Earthworms / D.I. Stom, D.S. Potapov, A.E. Balayan, O.N. Matveeva // Eurasian Soil Science. - 2003. - Vol.36, No.3. - Р.329-331/.

Известен способ получения биоудобрения / Патент РФ 2125549 C05F 11/08, C05F 11/00, 1999 г./. Способ заключается в том, что субстрат на основе органических отходов сельского хозяйства и промышленности вермикомпостируют при помощи новой промышленной линии дождевых червей "Оболенский гибрид", полученных путем скрещивания "Красного калифорнийского гибрида" с российской популяцией дождевых червей Eisenia fetida при 16-24°C в течение 4-6 месяцев. От полученного биогумуса отделяют червей. Целесообразно после отделения червей биогумус выдержать в естественных условиях для дозревания. В биогумус после отделения червей или после дозревания вводят микроорганизмы, обладающие фунгицидной активностью. В качестве микроорганизмов вводят штамм Bacillus subtilis ИПМ-215 в концентрациях 1-109-1-1012 спор на 1 кг или культуру микофильного гриба Trichoderma viride Per sex S.F. Cray N 16 в концентрациях 1·104-1·108 колониеобразующих единиц на 1 кг. Биоудобрение, полученное предлагаемым способом, улучшает агрохимические показатели почвы, обладает фунгицидными и ростостимулирующими свойствами для растений.

Известен способ переработки органических отходов / Заявка РФ 2011107180 C05F 11/08, 2011 г. / с помощью вермикультуры с дождевыми червями Eisenia fetida, в исходный субстрат одновременно с червями вносят штамм Trichoderma asperellum МГ-97 (ВКПМ F-765) в виде спор и мицелия или препарат триходермин М в количестве 105-106 КОЕ/кг исходного субстрата.

Также известен способ утилизации целлюлозосодержащих отходов, с помощью вермикультуры с дождевыми червями Eisenia fetida и культуры грибов Trichoderma viride. При этом предварительно производят пероральную инокуляцию дождевых червей Eisenia fetida инсулиновым шприцем со спиленным острием иглы суспензией мицелия и спор целлюлозоразрушающего штамма недельной культуры грибов Trichoderma viride с содержанием в ней колониеобразующих единиц (КОЕ) в количестве 10 КОЕ/мл в количестве 0,05 мл, или суточное выдерживание червей в субстрате, пропитанном такой суспензией.

Недостатками известных способов являются техническая сложность осуществления указанных в них приемов биотехнологической переработки твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа получения биогумуса из твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности, а также интенсификация утилизации указанных отходов.

Поставленная задача достигается тем, что заявленный способ биотехнологической переработки твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности для получения биогумуса включает: а) стадию обработки грибами, заключающуюся в том, что в твердые отходы целлюлозно-бумажной промышленности вносят грибной инокулят базидиальных грибов белой гнили из расчета 0,8-1,1 л на 10 кг отходов и проводят твердофазное культивирование в течение 45-65 дней при температуре 18-28°C; или в твердые отходы целлюлозно-бумажной промышленности вносят зерновой мицелий грибов белой гнили из расчета 300-350 г на 6-8 кг отходов и проводят твердофазное культивирование в течение 15 дней при температуре 10-15°C, а в следующие 40-45 дней - при температуре 18-28°C; б) стадию вермипереработки, заключающуюся в том, что субстрат, полученный на стадии а) увлажняют до 65-80%, затем на 10 кг указанного субстрата вносят 1300-2500 особей Eisenia andrei, после чего в течение 42-47 дней поддерживают указанную влажность, при этом субстрат содержат при температуре 12-34°C, предпочтительно при температуре 22-27°C; в) стадию подготовки биогумуса, заключающуюся в том, что осуществляют отделение червей от увлажненного биогумуса, полученного на стадии б), затем биогумус просушивают до влажности 50-65%, предпочтительно до влажности 55-60%. После отделения червей от увлажненного биогумуса дополнительно можно просеять биогумус. При этом базидиальные грибы белой гнили представляют собой: Trametes sp., Lenzites sp., Pleurotus sp.

По данным государственной статистики за 2011 год объем отходов производства бумаги составляет 6,1 млн тонн. К тому же до сих пор для отбелки древесных волокон большинство отечественных целлюлозно-бумажных предприятий использует хлор и его соединения. Известно, что сточные воды, образующиеся при таком виде отбелки, характеризуются высокой концентрацией химических веществ, таких как гидроксид натрия, карбонат натрия, сульфид натрия, элементарный хлор или диоксид хлора, оксид кальция, соляная кислота, и т.д. Избыточный активный ил является неизбежным и нежелательным отходом систем биологической очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, общее количество которых в отрасли по России достигает 20-50 млн. куб.м в год. Поэтому его утилизация, также как и утилизация других твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП), на сегодняшний день остается одной из актуальных эколого-экономических проблем. Решение этой задачи обеспечит возможность ввода в эксплуатацию больших земельных площадей, занимаемых в настоящее время иловыми картами, шламонакопителями и короотвалами, позволит рекультивировать нарушенные почвы, приведет к сокращению затрат на оборудование «могильников» для захоронения отходов. Для этого предлагается двухстадийная переработка отходов, предусматривающая: 1 - переработку базидиомицетами и 2 - вермипереработку. Необходимость в такой последовательной обработке объясняется следующим. Уникальной особенностью базидиомицетов является их способность продуцировать комплекс внеклеточных оксидаз, позволяющих им проводить деградацию отходов ЦБП. Кроме того, базидиальные грибы выполняют функцию по детоксикации -разложению хлорорганических соединений - диоксинов. К тому же грибы способствуют возрастанию доли соединений органического азота (аммонийного азота). В результате роста и размножения червей происходит переработка отходов ЦБП в биогумус. Черви повышают плодородие субстрата, способствуя его структурности, возрастанию воздухопроницаемости, увеличению содержания доступных для растений соединений азота (прежде всего в нитратной форме), а также калия, кальция, магния и других элементов питания.

Отделение червей осуществляют на механических виброситах, причем остающиеся на сите черви используются для последующего получения биогумуса из следующей партии субстрата. При этом оптимальным является размер пор сита 0,75 см, что позволяет получать чистый биогумус, свободный от частиц непереработанного субстрата и остатков мусора. Если величина пор сита будет менее 0,5 см, то скорость просеивания будет низка, что увеличит время технологической операции. Если величина пор сита будет более 1,0 см, то вместе с частицами биогумуса в емкость с готовым продуктом будут попадать и частицы непереработанного субстрата, что будет негативно сказываться на качестве готового продукта.

Полученный биогумус подсушивают в потоке горячего воздуха до влажности 50-65% и складируют в крафт-мешки. Если влажность готового биогумуса будет менее 50%, то будет происходит перерасход теплоносителя при сушке продукта. Для комфортного развития в биогумусе антифунгицидных, азотфиксирующих бактерий и микроорганизмов, обеспечивающих перевод трудноусвояемых форм фосфора в легкодоступные для растений, оптимальная влажность составляет 55%. Если влажность готового биогумуса будет более 65%, то качество готового продукта ухудшится, так как получаемое удобрение потеряет сыпучесть, а кроме того, аэрация субстрата будет низкая, что приведет к замедленному развитию микроорганизмов.

Пример 1. Этот пример демонстрирует снижение содержания хлорорганических соединений - диоксинов и повышения плодородия субстрата, полученного на основе отходов целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) - скопа, методом их поэтапной переработки грибами и червями.

Для проведения эксперимента были использованы отходы Пермского ЦБК, применяющего хлорную отбелку целлюлозы. Обезвоженный волокнистый осадок системы очистки сточных вод предприятия - скоп, был обработан грибами рода Trametes sp. следующим образом. В отход вносили грибной инокулянт базидиальных грибов белой гнили из расчета 0,8 л на 10 кг отходов и проводили твердофазное культивирование в течение 45 дней. Полученный после обработки субстрат увлажняли до 70% и на 10 кг обработанных грибами отходов запускали от 1300 до 1800 особей половозрелых красных калифорнийских червей Eisenia foctida. Уход за вермикультурой заключался в поверхностном смачивании субстрата 1 раз в 3 дня водопроводной водой для поддержания влажности 65-80%. Субстрат содержали при температуре 18-30°C. Переработка длилась в течение 45 дней.

Были отобраны пробы до переработки отходов, после обработки грибами и после двухстадийной переработки.

Для определения содержания хлорорганических соединений - диоксинов в скопе (контрольный образец) и полученных на его основе субстратах проводили хромато-масс-спектрометрический анализ отобранных проб. В исследовании была использована методика выполнения измерений суммарного содержания полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в пересчете на 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин в пробах почв, грунтов, донных отложений методом хромато-масс-спектрометрии (ПНД Ф 16.1:2:2.2.56-08). Анализ выполнен на хромато-масс-спектрометре высокого разрешения Thermo Finnigan MAT 95ХР. Результаты приведены в таблице 1.

Проведены исследования содержания углерода, азота, соотношения между ними, минеральных форм азота в скопе и субстрате на его основе. Содержание углерода определяли методом Тюрина, азота - методом Къельдаля. Нитраты и аммоний исследовали колориметрически.

Для оценки перспективности использования полученных на основе скопа Пермского ЦБК субстратов как биогумуса и биоудобрений для сравнения были отобраны образцы органических горизонтов естественных лесных почв.

Результаты химического анализа представлены в таблице 2.

Полученные результаты демонстрируют снижение содержания диоксинов до предельно допустимого уровня и ниже под влиянием биологических агентов - грибов и червей. Из таблицы 2 видно, что исходные образцы отходов характеризуются низким содержанием азота по сравнению с органогенным горизонтом лесной почвы. Под действием грибов и червей азот активно переходит из аммиачной формы в доступную для растений нитратную форму. Показатель C/N уменьшается, что свидетельствует об активном процессе минерализации органического вещества отходов. В целом содержание доступных минеральных форм азота в полученном субстрате из скопа ЦБК достигает уровня содержания в органическом горизонте лесной почвы.

Пример 2. Пример демонстрирует повышение уровня плодородия субстрата, полученного на основе отходов короотвалов - твердых отходов ЦБП, под действием поэтапной переработки грибами и червями.

Объектом эксперимента выбраны отходы Пермского ЦБК, использующего хлорную отбелку целлюлозы. В короотвале Пермского ЦБК складируются смесь коры и древесных остатков со скопом. Образцы короотвала были обработаны грибами рода Trametes sp. следующим образом. В указанный отход вносили грибной инокулянт из расчета 1,1 л на 10 кг и проводили твердофазное культивирование в течение 65 дней. Полученный после обработки субстрат увлажняли до 70%, и на 10 кг обработанных грибами отходов запускали от 1800 до 2500 особей половозрелых красных калифорнийских червей Eisenia foctida. Уход за вермикультурой заключался в поверхностном смачивании субстрата 1 раз в 3 дня водопроводной водой для поддержания влажности 65-80%. Субстрат содержали при температуре 18-30°C. Переработка длилась в течение 45 дней.

Были отобраны пробы до переработки отходов, после обработки грибами и после двухстадийной переработки.

Эксперимент проводили при комнатной температуре.

Содержание углерода определяли методом Тюрина, азота - методом Къельдаля. Нитраты и аммоний исследовали колориметрически. Результаты химического анализа представлены в таблице 3. В таблице для оценки перспективности использования субстратов в качестве биогумуса и биоудобрений приведены результаты аналогичного анализа органического горизонта лесной почвы.

Из таблицы 3 видно, что исходный образец отхода характеризуются показателями, сходными с контрольными показателями общего углерода и азота, но при этом значительно уступает ему по содержанию доступных форм азота. Под действием грибов происходит увеличение азота, особенно его аммиачной формы. На втором этапе переработки под действием червей азот активно переходит из аммиачной формы в доступную для растений нитратную форму, превышая контрольные значения более чем в десяток раз.

Исходя из полученных результатов, можно сделать заключение о перспективности поэтапной переработки отходов короотвала Пермского ЦБК с целью получения биогумуса и биоудобрений для использования в лесном и сельском хозяйстве.

Пример 3. Пример демонстрирует повышение уровня плодородия субстрата, полученного из твердых отходов ЦБП под действием поэтапной переработки грибами и червями. Исследование проводили на отходах Сяськского ЦБК, использующего хлорную отбелку целлюлозы. Скоп - смесь волокнистого осадка, глины, различных органических и неорганических примесей, активного избыточного ила.

Предварительно однократно стерилизованные образцы отходов фасовали в полиэтиленовые пакеты в объеме 5-7 литров каждый (6-8 кг). В различные части каждого пакета закладывали зерновой мицелий вешенки обыкновенной (Pleurotus sp.) в количестве 300-350 г. Опытные образцы поливали из рассеивателя каждые 3 дня 400-600 мл отстоявшейся водопроводной водой. После 2 недель микопереработки в пакете делали 5-6 отверстий диаметром в среднем 3 см для прорастания плодовых тел гриба. Грибную переработку проводили в течение 60 дней. В течение первых 15 дней - при температуре 10-15°C, а в следующие 45 дней - при температуре 18-28°C.

Далее образцы перекладывали в пластиковые контейнеры, где заселяли красными калифорнийскими червями. Для постепенной адаптации червей к новому для них субстрату 200 особей половозрелых червей с небольшим количеством навоза прикладывали к краю субстрата. Путем естественной миграции черви по мере адаптации переползали в новый субстрат. Навоз спустя неделю полностью убирали, выбирая оставшихся червей и запуская их непосредственно в субстрат на основе скопа. Полив осуществлялся водопроводной водой каждые 3-5 суток по 300-350 мл на каждый образец. Переработка червями длилась 60 суток при комнатной температуре.

На каждой стадии были отобраны пробы для проведения химического анализа на содержание элементов плодородия.

Актуальную кислотность (pH) измеряли потенциометрически в водной вытяжке, используя соотношение субстрат: раствор - 1:25. Потенциально доступными для растений формами элементов являются водорастворимые, обменные, часть органических соединений. Для определения концентрации доступных соединений элементов питания образцы субстрата обрабатывали 1М CH₃COONH₄ (pH=4,65). Использовали те же соотношения субстрата и вытеснителя, что и при определении рН. Содержание углерода определяли методом Тюрина, азота - методом Къельдаля, фосфора - колориметрически, металлы - методом AAS. Нитраты и аммоний исследовали колориметрически.

Результаты анализа представлены в таблице 4. В таблице для сравнения приведены результаты аналогичного анализа органического горизонта лесной почвы.

Из таблицы видно, что содержание доступных форм питательных элементов увеличивается на каждой стадии переработки. Показатель зрелости компоста C/N уменьшается, что свидетельствует об активном процессе минерализации органического вещества отходов. Происходит накопление азота. После двухстадийной переработки отходов содержание Na, K превосходит показатели органического горизонта лесной почвы. Содержание P приближается к значению органического горизонта почвы. Ca, Mg, S по своим значениям тоже превосходят контрольный образец. Происходит увеличение содержания Mn, Zn на каждой стадии биообработки.

Таким образом, предложенная биотехнология позволяет получить субстрат из твердых отходов ЦБП с высоким содержанием доступных для растений соединений элементов питания, который возможно использовать как биогумус и биоудобрение для лесовыращивания и сельского хозяйства.