Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

Способ переработки отходов окорки лесоматериалов относится к области переработки древесных отходов лесопиления и целлюлозно-бумажного производства. Может быть реализован на предприятиях целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности, а также на животноводческих фермах и комплексах для получения органических удобрений из отходов окорки лесоматериалов и навоза сельскохозяйственных животных.

По ГОСТ Р 56070-2014 «Отходы древесные. Технические условия» к отходам окорки относятся частицы коры, луба, древесины, периферийной части ствола различной формы и размеров, образующиеся в результате окорки лесоматериалов.

Известен способ использования древесной коры в качестве топлива [1], включающий измельчение древесной коры, сушку до относительной влажности 50…60% и сжигание в топках.

Недостатком данного способа является его низкая эффективность вследствие того, что на операцию сушки древесной коры затрачивается значительная часть всей энергии, получаемой от ее переработки; кроме того, существенным недостатком данного способа является высокий уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах.

Известен способ получения органоминерального удобрения пролонгированного действия [2], включающий измельчение и перемешивание органического компонента, выполненного в виде древесной коры, и минерального компонента, включающего природный алюмосиликатный минерал, увлажнение и компостирование смеси компонентов удобрения в аэробных условиях.

Недостатками данного способа являются: высокие затраты на приобретение минерального компонента (природного алюмосиликатного минерала) компостируемой смеси; длительный срок переработки древесной коры от 2 до 6 месяцев; сильная зависимость эффективности операции компостирования от природно-климатических условий и времени года (по температуре окружающей среды) и потребность использования больших площадей; все это не позволяет осуществлять переработку древесной коры в промышленных объемах, образующейся на лесоперерабатывающих предприятиях.

Известен способ получения органических удобрений из древесной коры [3], включающий измельчение древесной коры, приготовление смеси с минеральными и/или органическими добавками, дальнейшее формирование из смеси бурта с воздушными каналами, аэрацию бурта и разложение смеси до гумуса. Образование в бурте воздушных каналов осуществляют укладкой на его основание стержней параллельно друг другу с дальнейшим периодическим извлечением их наружу на 70% длины стержней по мере засыпки последующей партией компостной смеси в направлении стержней.

Недостатками данного способа являются: длительный срок переработки древесной коры от 2 до 6 месяцев; сильная зависимость эффективности операции компостирования от природно-климатических условий и времени года (по температуре окружающей среды) и потребность использования больших площадей; все это не позволяет осуществлять переработку древесной коры в промышленных объемах, образующейся на лесоперерабатывающих предприятиях.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ биоконверсии органического сырья в удобрение [4], включающий измельчение древесной коры (или опилок, соломы, стеблей кукурузы, подсолнечника) до 10 мм на 90%, а остальные 10% могут иметь размер 10-20 мм, смешивание измельченной древесной коры (или опилок, соломы, стеблей кукурузы, подсолнечника) с навозом крупного рогатого скота (КРС) или птичьим пометом, а также с биологическими и минеральными добавками (такими, как биошроты, соли аскорбиновой кислоты, фосфоритная мука, калийные удобрения и др.) и последующую аэробную ферментацию получаемой смеси с периодической подачей кислорода воздуха в течение 5-8 суток. Основными компонентами смеси являются навоз КРС или птичий помет, остальные компоненты - древесная кора (или опилки, солома, стебли кукурузы, подсолнечника) и биологические и минеральные добавки служат в качестве вспомогательных добавок. Биологические и минеральные добавки являются катализаторами процесса аэробной ферментации, т.е. они оказывают стимулирующий эффект на интенсификацию процесса аэробной ферментации.

Недостатками данного способа являются: высокая себестоимость переработки древесной коры вследствие необходимости приобретения дорогостоящих биологических и минеральных добавок (таких, как биошроты, соли аскорбиновой кислоты, фосфоритная мука, калийные удобрения и др.), вводимых в перерабатываемую смесь; и низкая производительность процесса переработки древесной коры; все это не позволяет осуществлять переработку древесной коры в промышленных объемах, образующейся на лесоперерабатывающих предприятиях.

Достигаемый технический результат состоит в отсутствии дорогостоящих биологических и минеральных добавок, что позволяет снизить себестоимость переработки отходов окорки лесоматериалов, сокращении длительности аэробной ферментации отходов окорки лесоматериалов и повышении производительности процесса их переработки в промышленных объемах.

Указанный технический результат достигается тем, что: соотношение компонентов смеси - измельченные отходы окорки / навоз - составляет в %: 35-40/60-65, при этом после смешивания измельченных отходов окорки и навоза полученную смесь нагревают до температуры 60-80°С, а аэробную ферментацию смеси осуществляют при постоянной принудительной аэрации смеси потоком воздуха, нагретого до температуры 60-80°C, с регулированием интенсивности его подачи для поддержания в смеси массового содержания кислорода в пределах 10-15%.

Способ переработки отходов окорки лесоматериалов включает измельчение отходов окорки лесоматериалов, смешивание измельченных отходов окорки с навозом сельскохозяйственных животных, нагревание смеси измельченных отходов окорки и навоза сельскохозяйственных животных, аэробную ферментацию полученной смеси при постоянной принудительной аэрации смеси потоком воздуха с регулированием интенсивности его подачи.

Способ переработки отходов окорки лесоматериалов состоит из следующих операций. Отходы окорки лесоматериалов измельчают и смешивают с навозом сельскохозяйственных животных, при этом соотношение компонентов смеси - измельченные отходы окорки / навоз оставляет, %: 35-40/60-65, далее полученную смесь нагревают до температуры 60-80°С, после чего производят аэробную ферментацию полученной смеси в ферментаторах при постоянной принудительной аэрации смеси потоком воздуха, нагретого до температуры 60-80°C, с регулированием интенсивности его подачи для поддержания в смеси массового содержания кислорода в пределах 10-15%.

Использование данной последовательности операций и технологических режимов этих операций позволяет получить новый технический результат, отличный от технического результата прототипа.

Измельчение отходов окорки лесоматериалов и смешивание с навозом сельскохозяйственных животных при соотношении компонентов смеси - измельченные отходы окорки / навоз, %: 35-40/60-65, нагревание полученной смеси до температуры 60-80°С, аэробная ферментация полученной смеси в ферментаторах при постоянной аэрации потоком воздуха, нагретого до температуры 60-80°C, с регулированием интенсивности его подачи для поддержания в смеси массового содержания кислорода в пределах 10-15% позволяет при наименьших материальных затратах в кратчайшие сроки перерабатывать отходы окорки с получением в качестве конечного продукта органического удобрения. При этом процесс аэробной ферментации практически не зависит от природно-климатических условий и времени года (при температуре окружающей среды). Данный процесс осуществляется в компактных автоматизированных установках-ферментаторах в течение 3-6 суток. Все это создает условия для поточной переработки отходов окорки в промышленных объемах, образующихся на лесоперерабатывающих предприятиях.

Аэробная ферментация - это биотермический процесс минерализации и гумификации органических веществ, происходящий в аэробных условиях под воздействием аэробных, в основном термофильных, микроорганизмов [5]. Данный процесс протекает только в присутствии растворенного кислорода. Окисление органических веществ с использованием атмосферного кислорода как конечного акцептора электронов - это первичная реакция, обеспечивающая образование полезной химической энергии для аэробных микроорганизмов. Аэробная ферментация является одним из наиболее перспективных способов переработки органических отходов, отвечающих требованиям экономической эффективности и экологической безопасности.

Традиционно в качестве основных компонентов перерабатываемой посредством аэробной ферментации смеси используются навоз сельскохозяйственных животных и отходы растительного и животного происхождения, т.к. они содержат большое количество биогенных веществ, особенно азота (N) и углерода (С), которые необходимы для питания аэробных микроорганизмов. Углерод (С) является источником энергии, а азот (N) - материалом для построения клеток аэробных микроорганизмов [5]. Интенсивность процесса аэробной ферментации зависит от соотношения азота (N) и углерода (С).

На основании исследований, проведенных авторами, с учетом результатов теоретических и экспериментальных данных, представленных в научной литературе [5, 6, 7, 8], установлено, что при соотношении компонентов смеси - измельченные отходы окорки / навоз - 35-40% / 60-65% обеспечивается такое соотношение азота (N) и углерода (С), при котором процесс аэробной ферментации достигает наибольшей интенсивности, что в свою очередь ведет к сокращению длительности аэробной ферментации смеси и повышению производительности процесса переработки отходов окорки. При других соотношениях компонентов достигается или излишнее содержание в смеси безазотистых органических веществ, что замедляет ее разложение, или избыток азота, который приводит к большим потерям аммиачного азота, что также замедляет разложение смеси.

По окончании процесса аэробной ферментации перерабатываемой смеси получают органическое удобрение (высококачественное экологически чистое органическое удобрение, в состав которого входят гумусоподобные органические вещества, способствующие структурированию почвы и повышению ее плодородия), представляющее собой однородную сыпучую массу темно-коричневого цвета без неприятного запаха, семян сорных растений и патогенной микрофлоры.

Процесс аэробной ферментации состоит из трех периодов [5].

Первый период - климация микрофлоры. Этот период, а также весь цикл аэробной ферментации перерабатываемой смеси при соответствующих условиях может быть ускорен благодаря принудительному подогреву перерабатываемой смеси от искусственных источников тепла [5].

На основании исследований, проведенных авторами, с учетом результатов теоретических и экспериментальных данных, представленных в научной литературе [5, 6, 7, 8], установлено, что подогрев смеси измельченных отходов окорки и навоза в интервале температур 60-80°С позволяет существенно ускорить процесс аэробной ферментации, что в свою очередь ведет к сокращению длительности аэробной ферментации смеси и повышению производительности процесса переработки отходов окорки лесоматериалов. При температуре нагрева ниже 60°С не происходят гибель болезнетворных микроорганизмов и потеря жизнеспособности семян сорных растений, кроме того, процесс аэробной ферментации смеси замедляется и длительность увеличивается, а при температуре выше 80°С часть аэробных бактерий (мезофилов) перестает развиваться и процесс аэробной ферментации смеси также замедляется, а его длительность увеличивается.

Второй период - интенсивное развитие и количественный рост мезофильных, а затем и термофильных микроорганизмов, сопровождающийся выделением биологического тепла и повышением температуры перерабатываемой смеси. Температура перерабатываемой смеси возрастает за счет роста численности и развития аэробных микроорганизмов, а также процесса их жизнедеятельности. С поднятием температуры до 70-80°С гибнут патогенные микроорганизмы, яйца и личинки гельминтов, всхожие семена сорных растений. Развивающиеся в перерабатываемой смеси аэробные микроорганизмы используют для своей плазмы практически все формы и виды минеральных соединений, остатки пестицидов, ветбакпрепаратов, что исключает потери питательных веществ из компоста и экологизирует его массу [4]. Интенсивное размножение аэробных микроорганизмов возможно только при принудительной подаче в перерабатываемую смесь кислорода [7].

На основании исследований, проведенных авторами, с учетом результатов теоретических и экспериментальных данных, представленных в научной литературе [5, 6, 7, 8], установлено, что при постоянной принудительной аэрации смеси потоком воздуха с регулированием интенсивности его подачи для поддержания в смеси массового содержания кислорода в пределах 10-15% достигается наибольшая интенсивность процесса размножения аэробных микроорганизмов, что ведет к ускорению процесса аэробной ферментации, вследствие чего сокращается длительность аэробной ферментации смеси и повышается производительность процесса переработки отходов окорки лесоматериалов. При массовом содержании кислорода менее 10% интенсивность размножения аэробных микроорганизмов низкая, вследствие чего и длительность переработки отходов окорки возрастает, а при массовом содержании кислорода более 15% интенсивность размножения увеличивается незначительно, при этом затраты на процесс принудительной аэрации смеси потоком воздуха значительно возрастают.

Третий период - окончание процесса аэробной ферментации, характеризующийся снижением температуры перерабатываемой смеси до уровня ниже 30°С.

Пример технической реализации способа переработки отходов окорки лесоматериалов

Навеску отходов окорки лесоматериалов в виде коры сосны обыкновенной (взятую сразу после окорки) в количестве 14 кг измельчили в молотковой дробилке. Далее в смесителе произвели смешивание навески измельченной коры с навеской навоза крупного рогатого скота в количестве 26 кг, при этом соотношение компонентов смеси - измельченные отходы окорки / навоз составило 35%/65%, после чего полученную смесь нагрели до температуры 70°С и загрузили в ферментатор, в котором осуществляли аэробную ферментацию смеси при постоянной принудительной аэрации смеси потоком воздуха, нагретым до температуры 70°C, с регулированием интенсивности его подачи для поддержания в смеси массового содержания кислорода в пределах 10%. Нагретый поток воздуха подавали посредством системы каналов и электрокалорифера. Содержание кислорода замеряли газоанализатором. Длительность процесса переработки смеси составила 4 суток. По окончании процесса переработки смеси получено органическое удобрение в виде однородной сыпучей массы темно-коричневого цвета без неприятного запаха. Семян сорных растений и патогенной микрофлоры не выявлено.

Источники информации

1. Волынский В.Н. Переработка и использование древесной коры // ЛесПромИнформ, 2012. №2 (84). С. 168-170.

2. Описание изобретения к патенту RU 2496752 «Способ получения органоминерального удобрения пролонгированного действия (варианты)» (Червонобаб Н.Л. Опубл.: 27.10.2013).

3. Описание изобретения к патенту RU 2249583 «Способ получения органических удобрений из древесной коры» (Туев Н.А., Свирин Л.В., Бровцев А.А., Трошин Н.Н., Ульмасов Ф.С., Волков А.Н. Опубл.: 10.04.2005).

4. Ковалев Н.Г., Полозова В.Г., Барановский И.Н. Утилизация органического сырья биоконверсией в удобрения // Техника и оборудование для села, 2009. №9. С. 25-27.

5. Лысенко В.П. Перспективная технология переработки помета // Птицеводство, 2011. №1. С. 52-54.

6. Термофильные бактерии [Электронный ресурс] // Интернет-портал: Жизнь растений, Режим доступа: http://plant.geoman.ru, свободный. Загр. с экрана. Яз. рус.

7. Аэробная ферментация при переработке ТБО [Электронный ресурс] // Интернет-портал: Переработка мусора - инвестиции в будущее. Режим доступа: http://ztbo.ru, свободный. Загр. с экрана. Яз. рус.

8. Голубев И.Г., Шванская И.А., Коноваленко Л.Ю., Лопатников М.В. Рециклинг отходов в АПК: справочник. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. 296 с.