Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОСТА

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при переработке органических отходов животноводческих и птицеводческих хозяйств с использованием стимуляторов компостирования на основе фосфатов, обеспечивающих ускоренную их переработку в экологически чистые органические удобрения высокого качества.

Производство продуктов птицеводства и животноводства в Российской Федерации происходит в основном на крупных специализированных предприятиях - птицеводческих и животноводческих комплексах. Большие объемы неутилизированных отходов этих предприятий являются причиной того, что многие птицефабрики и животноводческие комплексы в различных регионах страны становятся источниками загрязнения окружающей природной среды, нанося серьезный экономический, экологический и социальный ущерб не только сельскому хозяйству, но и близрасположенным населенным пунктам.

Одним из направлений решения данной проблемы является переработка отходов птицеводческих и животноводческих комплексов в экологически чистые органические биоудобрения в результате осуществления процесса ферментации, заключающегося в активизации жизнедеятельности микроорганизмов, изначально присутствующих в отходах (навоз, помет в смеси с торфом, опилками, соломой и другими влагопоглощающими материалами).

Разработка новых технологий переработки органического сырья сводится к поиску экономически выгодных и экологически приемлемых технологий получения продуктов с заранее заданными свойствами. Решение проблемы рационального использования многотоннажных отходов сельского хозяйства ведет к сбережению природных ресурсов, расширению кормовой базы животноводства, значительному уменьшению загрязнения окружающей среды.

Известен способ приготовления компоста (патент СССР №1813085, кл. 5 С05F 3/00, 15/00, 1993), включающий послойную укладку навоза и влагопоглощающего органического материала, перемешивание компонентов при одновременном перемещении смеси в ферментер с укрытием ее слоем готового компоста и последующее аэробное компостирование смеси.

Недостатками этого способа являются длительность процесса компостирования, особенно в зимних условиях, из-за повышенной влажности смеси, и низкая удобрительная ценность получаемого компоста.

На сокращение продолжительности процесса приготовления компоста при внесении инокулирующей добавки в исходную смесь и улучшение качества готового компоста направлено техническое решение, защищенное патентом РФ №2141464. В способе приготовления компоста (патент РФ №2141464, кл. C05F 3/00, 1997), включающем послойную укладку навоза и влагопоглощающего органического материала, перемешивание компонентов при одновременном перемещении смеси в ферментер, инокуляцию смеси мегатерином в количестве 0,2% от массы компостируемой смеси и последующее ее аэробное компостирование.

Известно применение биошрота для оптимизации процесса ферментации органических отходов в способе получения кормовой добавки биоконверсией органических отходов (патент РФ №2153262, кл. А23К 1/00, 1999), включающем предварительное измельчение органических отходов с последующим их смешением и проведением процесса ферментации при повышенной температуре. В смесь органических отходов вводят торф и биошрот от производства амилоризина в количестве 0,06-0,2 мас.% органических отходов и торфа.

Известно использование фосфатов в качестве стимулирующих агентов процесса ферментации органических отходов (патент РФ №2264460, кл. С12Р 1/00, C05F 3/00, C05F 11/00, 2003). Способ получения биологически активного средства для роста и развития растений включает предварительное измельчение органических отходов и торфа при соотношении компонентов 50:50 с последующим их перемешиванием, введение в смесь фосфорнокислого калия в качестве стимулирующей добавки в количестве 0,01-0,5 мас.% исходной смеси, дополнительное перемешивание компонентов и проведение процесса ферментации в две стадии.

Известны способы получения биокомпоста (патенты РФ №2057103, №2055823, №2197453) с использованием стимуляторов компостирования на основе микроорганизмов.

Общим недостатком добавления в исходную смесь органических отходов и влагопоглощающего материала вышеуказанных препаратов является односторонность или узкая избирательность их деятельности. Полезность применения той или иной добавки проявляется лишь при подходящих биохимических условиях исходной смеси органических отходов.

На оптимизацию и синхронизацию физиологических процессов в целом в микроорганизмах направлены технические решения, в которых в качестве стимулирующих добавок применяют комплекс микроэлементов (патент РФ №2151133, кл. C05F 3/00, А23К 1/00, 1998; патент РФ №2158720, кл. C05F 11/08, 1999).

Недостатком известных технических решений является большое количество микроэлементов в составе солей, входящих в стимулирующую процесс ферментации микроэлементную добавку, следствием чего является удорожание конечного продукта и нецелесообразность практической реализации процесса ферментации.

Наиболее близким к заявленной технологии приготовления компоста является способ приготовления компоста многоцелевого направления (патент РФ №2112764, Кл. C05F 3/00, 1997, прототип), включающий послойную укладку навоза и влагопоглощающего органического материала, перемешивание компонентов при одновременном перемещении смеси в ферментер, при этом загружаемую в ферментер смесь перемешивают с готовым компостом в массовом соотношении 9:1 и осуществляют последующее аэробное компостирование смеси при влажности ее 50-60% и периодическом вентилировании в течение 3-4 суток при поддержании концентрации кислорода в смеси в пределах 5-12%.

Недостатком известного способа приготовления компоста является сравнительно низкая степень конверсии компостируемого сырья, что обусловлено рядом причин: из-за стремления сократить время приготовления компоста, часто страдает качество конечного продукта, 3-4-дневный срок компостирования не позволяет в полной мере задействовать ферментный потенциал микрофлоры, а значит получаемый продукт содержит в себе большое количество не трансформированных микроорганизмами органических соединений, что определяет его относительно низкие удобрительные свойства; необходимость использования готового компоста в качестве стимулирующей процесс ферментации добавки приводит к увеличению себестоимости получаемого продукта. Кроме того, для приготовления компоста необходимо большое количество готового компоста, что ограничивает объем исходной смеси в ферментере. Внесение оригинальной биодобавки в ферментируемую смесь позволило бы углубить процесс ферментации, резко изменяя (улучшая) качество полученной продукции.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении технологичности способа приготовления компоста путем повышения степени конверсии отходов и улучшении качества конечного продукта путем внесения оригинальной стимулирующей добавки в ферментируемую смесь.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в улучшении характеристик компоста, используемого в качестве удобрения, выражающееся в высокой питательной ценности, а также в ускоренной переработке отходов птицеводческих и животноводческих комплексов в экологически чистые высококачественные органические удобрения, что значительно снизит загрязнение окружающей среды и обеспечит сельское хозяйство экологически чистыми органическими удобрениями высокого качества и невысокой себестоимостью.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе приготовления компоста, включающем перемешивание измельченных органических отходов и торфа, введение в смесь стимулирующей добавки, загрузку смеси в ферментер и последующее аэробное компостирование ее при влажности 50-60% и периодическом вентилировании кислородсодержащим газом в продольном и поперечном направлениях, концентрацию кислорода в смеси поддерживают в пределах 5-12%, в качестве органических отходов используют навоз и куриный помет, причем навоз, куриный помет и торф берут в соотношении 15:35:50, а в качестве стимулирующей добавки - комплекс из двух фосфорнокислых солей, включающий следующие компоненты, мас.%:

при этом перед перемешиванием измельченных органических отходов и торфа в торф вводят стимулирующую добавку с его последующим перемешиванием. Кроме того, процесс ферментации осуществляют в течение 5-и суток. После окончания процесса ферментации проводят охлаждение смеси до температуры 18-28°С.

Процесс ферментации - один из современных способов переработки органических отходов. Он основан на создании условий, благоприятных для развития определенных видов микроорганизмов, которые первоначально содержатся в исходной смеси. В процессе развития микрофлора продуцирует определенные продукты метаболизма (ферменты, аминокислоты, витамины, углеводы и др.), содержание которых в многокомпонентной смеси позволяет активизировать определенный биохимический процесс.

Аэробные условия компостирования, осуществляемые посредством периодического вентилирования смеси воздухом, активируют деятельность микроорганизмов, участвующих как в реакциях распада, так и в реакциях синтеза, благодаря чему формируются продукты, обладающие высокой удобрительной ценностью, а именно повышенным содержанием подвижных форм питательных элементов (Р₂О₅, K₂О), N_общ., благоприятным уровнем pH и достаточным для улучшения поддержания почвенного плодородия количеством агрономически ценной микрофлоры.

В ходе разработки нового способа получения компоста были проведены исследования по выбору состава органических отходов и стимулирующего агента процесса их ферментации. Технологические параметры прототипа и заявленного способа приготовления компоста одинаковые.

В заявленном способе приготовления компоста в качестве исходного сырья используют многокомпонентную смесь: органические отходы - навоз, куриный помет и торф. При этом навоз, куриный помет и торф берут в соотношении 15:35:50 соответственно.

Использование торфа при приготовлении исходной смеси обусловлено тем, что он является влагопоглощающим материалом и одновременно сам выступает в качестве сырья в процессе ферментации. Кроме того, Нечерноземная зона РФ богата торфяниками, позиционируя торф как достаточно доступное и дешевое сырье.

Птичий помет - ценное быстродействующее полное удобрение. В нем содержатся все основные питательные вещества, необходимые для растений, и в значительно большем количестве, чем в навозе (азота в нем больше в 4 раза, а фосфора в 6 раз), калия немного меньше. Кроме этого куриный помет содержит протеин, клетчатку, безазотистые вещества, жир, золу. По действию на урожайность культур питательные вещества птичьего помета почти не уступают равному количеству питательных веществ минеральных удобрений. Так как питательные вещества в курином помете находятся в органической форме, они меньше вымываются из почвы, поступают в почву постепенно, на протяжении длительного периода, не создавая высокой концентрации солей, что повышает не только урожай, но и его качество (содержание витаминов, сахаров, белков, крахмала увеличивается, а нитраты в продуктах не накапливаются). В структуре отходов различных производств наблюдается большой вал куриного помета, что делает его достаточно доступным и дешевым сырьем.

Для оптимизации процесса ферментации органических отходов в заявленном способе приготовления компоста в качестве стимулирующего агента процесса ферментации используют комплекс из двух фосфорнокислых солей, включающий цинк фосфорнокислый, однозамещенный и медь фосфорнокислую 3-водную.

Известно, что химические реакции с участием фосфора составляют основу энергетики живой клетки. Фосфат-ион в целом способствует улучшению общих обменных процессов, оптимизации энергетических потоков и поддержанию буферности клеточной жидкости. Именно поэтому соли фосфорной кислоты входят в состав многих питательных сред для роста и развития микроорганизмов.

Комплекс из двух фосфорнокислых солей - цинка фосфорнокислого, однозамещенного и меди фосфорнокислой 3-водной, способен осуществлять целенаправленное воздействие на обменные процессы, благодаря чему проявляет себя как стимулятор процесса ферментации. Ион цинка обеспечивает обмен нуклеиновых кислот, белков, углеводов, формируя определенную конфигурацию РНК, косвенно влияя на биосинтез белков и передачу генетической информации. Ион меди обеспечивает рост и развитие организма на клеточном уровне, а в составе ферментов играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах. Кроме того, цинк фосфорнокислый, однозамещенный и медь фосфорнокислая 3-водная являются химически чистыми продуктами и достаточно дешевы, что способствует решению проблемы поиска экономически выгодных и экологически приемлемых технологий получения продуктов ферментации с заранее заданными свойствами.

Внесение заявленной стимулирующей добавки в ферментируемую смесь углубляет процесс ферментации благодаря распаду высокомолекулярных соединений до составляющих (например, целлюлоза глюкоза), некоторой пролонгации процесса, протекающего в активной фазе при 65-70°С до 5 суток, позволяя разрушить высокомолекулярные нативные соединения до мономеров, которых становится все больше и которые впоследствии за счет комплекса и функционально активных ферментов, выделяемых микрофлорой, с микроэлементами-катализаторами активно преобразуются (трансформируются) в высокомолекулярные соединения с другим, измененным, энергосодержанием. Благодаря этому приему - внесению стимулирующей добавки в ферментируемую смесь, за счет синтеза новых соединений резко изменяется (улучшается) качество полученной продукции - компоста. Это позволило сделать вывод о возможности использования заявленной стимулирующей добавки в качестве ценного агента в процессе компостирования.

В процессе приготовления ферментируемой смеси стимулирующую добавку в виде водного раствора вводят в торф путем орошения, после чего торф тщательно перемешивают. Исходные компоненты (навоз, куриный помет и торф, обогащенный стимулирующей добавкой, снова тщательно перемешивают. Равномерным перемешиванием компонентов компостируемой смеси достигаются в равной степени оптимальные условия жизнедеятельности аэробных термофильных микроорганизмов по всему объему смеси в ферментере, что способствует более быстрому началу и протеканию процесса приготовления компоста, повышению интенсивности биотермического процесса и технологичности его протекания и, как следствие, повышению качества готовой продукции.

Результаты исследований показали, что стимулирующая добавка по-разному влияет на биотермические процессы. Экспериментально установлены нормы внесения каждой соли, входящей в состав стимулирующей добавки, в компостируемую смесь. Входящие в состав стимулирующей добавки соли способствуют активизации микроорганизмов, изначально присутствующих в исходном сырье: аминокислотосинтезирующих микроорганизмов, микроорганизмов, потребляющих сахара, использующих различные формы азота и др. Во всех вариантах наблюдалась согласованность численности микроорганизмов с динамикой активности ряда ферментов: целлюлазы, инвертазы, каталазы, дегидрогеназы и др. Наибольшей биотермической активностью микрофлоры характеризуются варианты компостирования при использовании цинка фосфорнокислого, однозамещенного и меди фосфорнокислой 3-водной в исходной смеси в объемах: 0,005-0,075 (мас.%) и 0,0025-0,005 (мас.%) соответственно.

Экспериментально подтверждено, что интенсивность биотермического процесса наиболее высока при влажности смеси не ниже 50% и не выше 60%. Недостаточная или избыточная влажность смеси препятствуют созданию оптимальных условий жизнедеятельности аэробных термофильных микроорганизмов и, как следствие, снижает интенсивность биотермического процесса. Кроме того, для создания оптимальных условий биотермического процесса в смеси на основе органических отходов (навоза и куриного помета в соотношении компонентов 15:35) при влажности 50-60% уровень кислорода в смеси должен поддерживаться, как и в прототипе, в пределах 5-12%.

Сравнительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что новый способ приготовления компоста не требует для его реализации использования готового компоста в достаточно большом количестве, что сокращает число технологических операций и снижает его себестоимость. Введение в исходную смесь заявленной стимулирующей добавки позволяет существенно увеличить степень конверсии компостируемой массы и в результате этого получить компост более высокого качества. Обеспечение интенсификации процесса ферментации и улучшение на этой основе качества конечного продукта (фиг. 2, табл. 1, табл. 2) внесет вклад в решение проблемы ускоренной переработки отходов птицеводческих и животноводческих комплексов в экологически чистые органические удобрения высокого качества и значительно снизит загрязнение окружающей среды.

Заявленный способ приготовления компоста иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлен ферментер для осуществления заявленного способа; на фиг. 2 - временные зависимости температуры исходной смеси со стимулирующей добавкой и готовым компостом (по прототипу) при наличии стартовой температуры Т_о=20°С; в таблице 1 приведены сравнительные с прототипом данные влияния стимулирующей добавки на содержание в конечном продукте ферментации основных элементов питания растений; в таблице 2 - сравнительные с прототипом данные влияния заявленной стимулирующей добавки на содержание в конечном продукте ферментации доминантных микроорганизмов и гумусоподобных кислот.

Заявленный способ приготовления компоста включает следующие операции:

- измельчение компонентов исходной смеси: навоза, куриного помета и торфа, взятых в соотношении: 15:35:50 соответственно;

- введение в торф стимулирующей добавки, представляющей собой комплекс из двух фосфорнокислых солей, включающий следующие компоненты (мас.%):

путем равномерного его орошения водным раствором стимулирующей добавки, приготовленной путем последовательного растворения в заданном объеме воды отвешенных навесок реактивов;

- тщательное перемешивание торфа, обогащенного стимулирующей добавкой;

- укладку компонентов смеси в штабель слоями расчетной толщины до средней влажности 50-60%;

- перемешивание компонентов смеси для ферментации: навоза, куриного помета и торфа, обогащенного стимулирующей добавкой;

- загрузку смеси в ферментер;

- аэробное компостирование смеси при влажности 50-60% и периодическом вентилировании кислородсодержащим газом в продольном и поперечном направлениях в течение 5-и суток, при этом концентрацию кислорода в смеси поддерживают в пределах 5-12%;

- после окончания процесса ферментации компост охлаждают в ферментере до температуры 18-28°С, благодаря чему происходит его созревание.

Компостирование осуществляют в кирпичном или железобетонном ферментере 1 размерами 5×10×4,5 м с воротами 2, куда закладывают смесь 3. Ферментер оборудован напорным 4 и вытяжным 5 вентиляторами, системой напорных воздуховодов 6, пультом управления 7 с таймером продувки 8 и отверстиями 9 для замера температуры и содержания кислорода в смеси.

Заявленный способ приготовления компоста в вышеописанном ферментере реализуют следующим образом.

Пример.

На бетонированную площадку перед ферментером завозят предварительно измельченное сырье: навоз, куриный помет и торф, обогащенный стимулирующей добавкой, в соотношении компонентов 15:35:50, которое укладывают в штабель слоями расчетной толщины до средней влажности 50-60%. Затем массу из штабеля с помощью погрузчика (например, ПФ-0,75) подают в навозоразбрасыватель (например, ПРТ-7 или РОУ-6), где компоненты исходной смеси тщательно перемешиваются. Далее смесь загружают в ферментер до заполнения его на высоту не более 2 м. После загрузки ферментера включают напорный вентилятор и по системе напорных воздуховодов подают воздух в необходимых количествах и в определенных интервалах с помощью таймера продувки пульта управления, поддерживая содержание кислорода в смеси в пределах 5-12%. Периодически контролируют температуру и содержание кислорода в смеси с помощью электронных термометра и кислородомера. Технологические параметры прототипа и заявленного способа приготовления компоста одинаковые.

В начале процесса ферментации наблюдается развитие всех форм микроорганизмов, изначально присутствующих в смеси и осуществляющих ее активное разложение, причем активность микроорганизмов возрастает за счет внесения в нее стимулирующей добавки, которая проявляет себя как биокатализатор процесса ферментации, способствует более быстрому началу и протеканию процесса приготовления компоста. Ближе к концу процесса фермент целлюлоза достигает максимальной активности, что приводит к деградации целлюлозосодержащих компонентов смеси, а энергия экзотермических реакций целлюлозоразложения необходима для пастеризации компонентов смеси и уничтожения патогенной микрофлоры. В этот момент происходит стабилизация ферментируемой смеси по свойствам.

Благодаря введению в ферментируемую смесь стимулирующей добавки происходит более глубокая ферментация органического сырья: распад до составляющих высокомолекулярных соединений (целлюлоза глюкоза). Пролонгация процесса в температурном режиме 65-70°С до 5 суток позволяет разрушить высокомолекулярные нативные соединения до мономеров, которые с помощью микрофлоры, выделяющей функционально активные ферменты, и присутствующих в смеси микроэлементов-катализаторов активно преобразуются в высокомолекулярные соединения с другим, измененным, энергосодержанием. Благодаря этому происходит синтез новых соединений, способствующих повышению качества готового продукта.

Смесь, разогреваясь до 70°С, обеспечивает обеззараживание массы от болезнетворных микроорганизмов и уничтожение всхожести семян сорняков. Сигналом готовности продукта является падение температуры до 30°С в смеси, зарегистрированное с помощью электронного термометра. После окончания процесса ферментации проводят охлаждение смеси до температуры 18-28°С. Выгрузку готового продукта из ферментера осуществляют типовым фронтальным погрузчиком.

В таблицах 1 и 2 приведены сравнительные данные влияния стимулирующей добавки, представляющей комплекс из двух фосфорнокислых солей: цинка фосфорнокислого, однозамещенного и меди фосфорнокислой 3-водной, и добавки по прототипу, на содержание в конечном продукте ферментации основных элементов питания растений, доминантных микроорганизмов и гумусоподобных кислот соответственно после 5-и суток ферментации, анализируя которые можно сделать вывод о том, что полученный по заявленной технологии компост характеризуется высоким содержанием азота, повышенным содержанием подвижных форм фосфора и калия, высоким содержанием агрономически ценной микрофлоры и, в целом, обладает высокой удобрительной ценностью, направленной на повышение почвенного плодородия и улучшение жизнедеятельности растений.

Полученный продукт - компост, - представляет собой однородную сыпучую массу, удобную для транспортировки, фасовки и внесения в почву, и может использоваться в земледелии как высококачественное экологически чистое органическое удобрение, способное практически заменить минеральные туки, существенно повысить плодородие почв, снизить объемы применения пестицидов.

Заявленный способ приготовления компоста позволяет по сравнению с существующим повысить технологичность протекания процесса ферментации за счет увеличения степени конверсии перерабатываемого сырья и, как следствие, повысить качество готового продукта. Его можно рекомендовать для широкого применения в области переработки органических отходов, образующихся на больших животноводческих комплексах и птицефермах, для получения биоудобрений из отходов птицеводческих, животноводческих комплексов, а также для утилизации отходов промышленных предприятий.