Способ получения удобрения из птичьего помета

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к производству органоминерального удобрения, и может быть также использовано для переработки птичьего помета на птицефабриках.

Известен способ получения органоминерального удобрения путем сушки птичьего помета на противоточной сушильной установке УСПП-1. Сушка сырого помета производится при температуре 700-800°C.

Недостатком указанного способа является использование дефицитного топлива в количестве 130-150 кг на 1 т готового продукта. Кроме того, при высоких температурах (700-800°C) происходит разложение органической части помета и выделяются пары с резким неприятным трудно устранимым запахом, что приводит к ухудшению экологической обстановки. (Рекомендации по приготовлению, использованию сухого птичьего помета, Россельхозиздат, 1976 г.).

Известен также способ получения органоминерального удобрения путем компостирования с использованием бетонированных емкостей или с применением ускорителя биологического процесса (биореактора), где сырой птичий помет смешивается с торфом. Для активизации процесса компостирования и снижения потерь азота в смеситель подают фосфогипс (до 10%), фосфоритную муку, суперфосфат (до 5%). После смешения гомогенная масса подается в бетонированную емкость траншею или биореактор. Продолжительность компостирования в бетонированных емкостях 8-9 мес в биореакторах 15-20 сут.

Известно также удобрение, содержащее сырой птичий помет, торф, фосфогипс, фосфоритную муку и суперфосфат (В.М. Малофеев и др. Технология производства и агротехническая эффективность удобрений на основе птичьего помета. Сб. научных трудов. М.: 1989, сс. 109-111).

Недостатком указанных удобрения и способа является то, что удобрение готовится продолжительное время, а компостирование в бетонированных траншеях требует выделения большой территории. Компостирование в биореакторах также требует большого количества аппаратов и площадей. Кроме того, полученное удобрение не способствует раскислению почвы, поскольку его pH составляет 6,8.

Известен способ получения органоминерального удобрения с применением сорбента по пат. РФ 2086522, опубл. 10.08.1997.

По этому способу, с целью снижения вредных выбросов в атмосферу и улучшения качества готового продукта, при формировании бурта часть смеси, влажного куриного помета, торфа, при соотношении 1:1, и дополнительно к ним смесь соломы, опилок суперфосфата в количестве 15-20 вес.% от всей массы, укладывают в нижний слой на 2/3 его высоты, а оставшуюся часть такой смеси дополнительно смешивают с сорбентом в массовом соотношении 1:2-1:4 и укладывают в верхний слой бурта, при компостировании смеси на мезофильной, термофильной стадиях и охлаждения. При этом аэрацию воздухом осуществляют в режиме 9÷1 нм³/ч, а на стадии созревания 20 нм³/ч из расчета на 1 т компостируемой смеси.

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость за счет того, что требуется выполнение значительного объема работ, связанных с формированием буртов, а также требуются дополнительные трудовые и экономические затраты на обеспечение процесса аэрации полученной смеси.

Наиболее близкими к предлагаемому решению, выбранными в качестве прототипа, являются органоминеральное удобрение и способ его получения по пат. РФ 2052438, опубл. 20.01.1996 г. В указанном патенте органоминеральные удобрения получают путем подачи птичьего помета в смесь аммонизированного мела с торфом, с последующим перемешиванием образовавшейся смеси в течение одного часа, в результате чего получаются сыпучие легко затариваемые в мешки гранулы неправильной формы, не требующие выдержки и дополнительной сушки.

Перемешивание помета с мелом, в данном случае, обеспечивает активное насыщение этого помета кислородом воздуха: так как в данном случае птичий помет, распределяясь по поверхности мела, значительно увеличивает поверхность контакта с атмосферным кислородом. Общеизвестно, чем больше поверхность контакта вещества с газом, тем быстрее протекает насыщение этим газом этого вещества.

Кроме того, перемешивание мела в общей массе приводит к измельчению этого мела, который, в свою очередь, своими частицами связывает помет в подобие агломерированных частиц, которые обладают прочностью, достаточной для дальнейшей работы с этими частицами. Например, затаривание или транспортировка в любых, широко известных, специальных сельскохозяйственных устройствах и машинах. Таким образом, мел в составе удобрения, в этом случае в значительной мере играет роль минерального наполнителя, увеличивающего поверхность контакта помета с необходимыми химическими элементами и веществами.

При этом в образовавшейся смеси птичий помет содержится в пределах 40-50 вес.%, мел содержится в пределах 42-57 вес.%, торф в пределах 2-5 вес.%, остальное - аммиак.

Недостатком данного технического решения является низкая производительность процесса получения качественного удобрения. Так как измельчение мела протекает в соответствии с нормальным законом вероятного распределения размеров частиц, то при этом получаются гранулы, значительно различающиеся по своим размерам. Поэтому, в зависимости от размеров частиц удобрения, меняется содержание птичьего помета в этих гранулах, что приводит к снижению эффективности за счет ухудшения равномерности внесения этого удобрения в почву.

Кроме того, частицы мела, обволакивая крупные частицы птичьего помета, и затрудняют поступление к этим частицам помета атмосферного кислорода, что, в свою очередь, ведет к образованию неокисленных частиц, что снижает качество удобрения.

Кроме того, вследствие продолжительного процесса окисления помета, вызванного неравномерностью распределения помета, это удобрение имеет неприятный запах, который удаляют введением в состав удобрения дополнительного компонента - торфа. Введение торфа усложняет и удорожает способ получения удобрения, кроме того, увеличение количества компонентов в смеси снижает качество продукта за счет снижения точности соблюдения рецептуры.

Кроме того, реализация данного способа требует значительных энергозатрат, которые расходуются на измельчение мела, на перемешивание смеси птичьего помета и достаточно тяжелых частиц мела, плотность которого составляет 2,7 г/ см³.

Целью предлагаемого изобретения по изложенному техническому решению является повышение производительности способа получения удобрения на основе куриного помета и сорбента в количестве 24-58% (объема) с весовой плотностью этого сорбента не более 0,2 г/см³.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации способа получения удобрения из птичьего помета, являются:

- повышение производительности процесса изготовления удобрения за счет снижения времени перемешивания смеси, а также за счет исключения необходимости в длительной выдержке полученной смеси, при одновременном повышении качества получаемого удобрения за счет повышения стабильности и однородности по дисперсности получаемых гранул этого удобрения.

Указанные технические результаты при получении удобрения из птичьего помета достигаются тем, что в способе получения удобрения из птичьего помета путем перемешивания помета с минеральным наполнителем, в соответствии с предлагаемым решением, в качестве наполнителя используется минеральный сорбент с весовой плотностью не более 0,2 г/см³, а перемешивание смеси осуществляют при оборотах 1300-1500 об/мин в течение от 3 до 5 мин, при содержании минерального сорбента в количестве 24-58% объема от общего объема смеси.

В качестве сорбента могут быть применены вспученные перлит или вермикулит, а также любые другие минеральные сорбенты с указанной плотностью, например цеолиты, вспученный графит и другие, с весовой плотностью не более 0,2 г/см³.

Применение перемешивания смеси при оборотах 1300-1500 об/мин в течение от 3 мин до 5 минут при содержании минерального сорбента, с весовой плотностью не более 0,2 г/см³, в количестве 24-58% объема от общего объема смеси позволяет достичь следующих технических результатов:

- повышение производительности способа получения удобрения за счет снижения времени перемешивания смеси, а также за счет исключения необходимости в длительной выдержке, сушки и измельчения полученной смеси при одновременном сохранении качества получаемого удобрения.

Указанные обороты при перемешивании и время этого перемешивания обеспечивают, при изготовлении удобрения, образование динамически устойчивой смеси сорбента, птичьего помета и воздуха, в которой создаются физическо-химические условия для равномерного распределение частиц этого помета по поверхности твердых частиц сорбента, что, в свою очередь, приводит к высокой скорости массообменных процессов, в данном случае процессов окисления и удаление избытков влаги, за счет ее связывания сорбентом и испарения, и повышает производительность способа получения удобрения, а также снижает энергозатраты (В.В. Кафаров. Основы массопередачи, "Высшая школа", М., 1972, с. 384).

Оптимально, данный процесс протекает при оборотах перемешивающего устройства, 1300-1500 об/мин. При оборотах менее 1300 об/мин не образуется динамически устойчивой смеси сорбента, частиц помета и воздуха, что приводит к агломерации частиц удобрения и к укрупнению их размеров. При оборотах более 1500 об/мин наблюдается интенсивное измельчение частиц сорбента и помета, что приводит к потери части массы сорбента вследствие излишнего пыления в процессе смешения сорбента и помета.

Оптимально, данный процесс протекает при времени перемешивания в пределах от 3 до 5 мин. При времени перемешивания менее 3 мин в перемешивающем во внутреннем объеме устройства не успевает образоваться динамически устойчивая смесь птичьего помета, сорбента и атмосферного воздуха и при прекращении перемешивания, в данном случае, наблюдается частично агломерированная масса, с вязкопластичными неоднородными частицами полученной смеси. При времени перемешивания более 5 мин значительное изменение внешнего вида частиц смеси не наблюдается - дальнейшее перемешивание нецелесообразно.

Пример 1

Границы верхнего и нижнего предельного содержания сорбента в составе удобрения определялось опытным путем по визуально наблюдаемым моментам связывания свободной влаги, а также по моменту потери прочности гранул этого удобрения.

Наличие свободной влаги определялось путем контакта удобрения с бумажными салфетками. Прочность гранул удобрения оценивалась путем засыпки этих гранул в мерный стакан с высотой стенки не менее 300 мм, с последующим удалением этих гранул из стакана на горизонтальную поверхность. При этом, если нижний слой гранул при высыпании на горизонтальную поверхность оставался целым, то их прочность считалась достаточной.

Получение удобрения по заявленному способу и по прототипу осуществлялось в устройстве, представляющем цилиндрическую емкость из нержавеющей стали, с объемом 80 л, с загрузочной горловиной в верхней части, оснащенную перемешивающим устройством ножевого типа, расположенным у дна емкости и приводимым во вращение электродвигателем мощностью 7 кВт, при оборотах с частотой вращения, равной 1500 об/мин.

При получении удобрения по предлагаемому способу использовался птичий помет Еткульской фабрики и вспученный перлит марки 200 по ГОСТ 10832-91, в качестве сорбента.

С целью снижения интенсивности налипания птичьего помета на внутренние поверхности емкости устройства первоначально загружался перлит, сразу после включения установки загружался помет. Полученные результаты приведены в таблице 1 (см. Табл. 1).

По данным таблицы видно, что свободная влага в смеси не проявляется на бумажных салфетках при времени перемешивания более 3 мин, начиная с состава смеси содержащей 24 об.% перлита марки 200. В свою очередь, устойчивость гранул начитает проявляться со смесей, содержащих 24 об.% перлита, при перемешивании 3 мин. Причем устойчивость в этом случае проявляется за счет потери пластичности гранул образовавшейся смеси.

Однако при 58 вес.% перлита, и более, и при времени перемешивания более 8 мин, прочность гранул смеси перестает наблюдаться: гранулы становятся рассыпчатыми. Общеизвестно, что птичий помет и пометы других животных обладают свойством скреплять смеси твердых сыпучих материалов.

Например. В состав глинобитных кирпичей добавляется помет животных. Следовательно, неустойчивость гранул, или их рассыпчатость, наблюдается из-за недостатка количества помета, необходимого для связывания всех частиц вспученного перлита: при более продолжительном перемешивании смеси происходит еще большее уменьшение размеров частиц перлита. Следовательно, увеличение поверхности контакта перлита и помета проявляется как недостаток связующего материала.

Следовательно, при содержании в смеси перлита в количестве 24-58% объема, при перемешивании в течение 3-5 мин, при оборотах 1500 об/мин, гарантированно обеспечивается получение стабильных частиц удобрения. С целью снижения энергозатрат, при сохранении качества продукции целесообразно время перемешивания устанавливать не более 5 мин.

Пример 2.

Сравнение качеств удобрений, получаемых по заявленному способу и по способу, соответствующему прототипу, осуществлялось в лабораторных условиях по следующим физическим параметрам: по удельному расходу электроэнергии для получения одного килограмма удобрений, по однородности состава гранул удобрений, по весовой плотности.

Общеизвестна сельскохозяйственная эффективность удобрений, получаемых на основе птичьего помета не подвергающегося термообработке при их производстве (Малофеев В.М. и др. «Технология производства и агротехическая эффективность удобрений на основе птичьего помета». Сб. научных трудов. М., 1989). Поэтому, агротехническую эффективность удобрений, получаемых по предлагаемому способу, в сравнении с прототипом, целесообразно сравнивать по весовому процентному содержанию помета в единице массы этих удобрений.

Общеизвестно, что тонкое измельчение необходимо для получения качественных по однородности гранул … (http://www.lesintech.ru/tplitter.php).

В прототипе используется крошка мела. Так как в описании значение дисперсности и описание формы этого мела не приводится, то можно предположить, что в этом случае используется простая крошка этого мела. В предлагаемом способе в состав удобрения включен вспученный перлит, который марки 200 по ГОСТ 10832-91т имеет размер частиц не более 0,5 мм. Так как птичий помет достаточно пластичен, в сравнении с частицами перлита, и имеет определенное сродство к поверхности перлита, то можно утверждать: образование частиц удобрения по предлагаемому способу протекает путем обволакивания пометом частиц перлита в воздушной среде, при непрерывном перемешивании, с дальнейшей частичной агломерацией. Поэтому, в данном случае, однородность состава допускается оценивать по разбросу значений весовых плотностей образцов удобрений, взятых из одной загрузки.

Удобрения по прототипу изготавливалось также на установке, описанной ранее (см. Пример 1). С целью получения более точных данных загрузки компонентов в обоих случаях определялись из расчета получения по 30 кг каждого удобрения. Полученные результаты приведены в таблице 2 (см. Табл. 2).

На основании данных, приведенных в таблице видно, что:

1. При получении 30 кг удобрений по предлагаемому способу расходуется значительно меньшее количество электроэнергии. При получении одного килограмма удобрений по прототипу расходуется 0,23 кВт⋅ч/кг. При получении одного килограмма по предлагаемому способу расходуется 0,019 кВт⋅ч/кг. Следовательно, при получении удобрений по предлагаемому способу расходуется электроэнергии на 92% электроэнергии меньше в сравнении с прототипом.

При перемешивании помета с мелом большая часть энергии расходуется на измельчение этого мела. При перемешивании вспученного перлита с пометом на измельчение перлита расходуется незначительная часть энергии, так как перлит применяется уже в виде частиц с размером порядка 0,5÷1,0 мм. Кроме того, перлит марки 200 имеет весовую плотность порядка 0,2 г/см³. Поэтому, при перемешивании в воздушной среде, также требует приложение меньших мощностей, в сравнении с мелом, плотность которого 2,7 г/см³.

2. В одном килограмме удобрения по предлагаемому способу содержится помета больше на 52 вес.%, в сравнении с прототипом. Следовательно, агротехническая эффективность удобрений по предлагаемому способу на 52% выше в сравнении с прототипом. Что не противоречит сведениям, приведенным в литературных источниках (см. Малофеев В.М. и др. «Технология производства и агротехическая эффективность удобрений на основе птичьего помета». Сб. научных трудов. М., 1989).

3. Разброс плотностей удобрения по прототипу составил интервал 0,24 г/см³, при среднем значении 1,68 г/см³, что составляет 14%. Разброс значений плотностей образцов удобрения, по предлагаемому решению, равен нулю в пределах точности измерений. Поэтому можно утверждать, что предлагаемый способ получения удобрений позволяет получать эти удобрения с более стабильными свойствами по содержанию полезных веществ.

Пример 3.

По примеру 1 была проведена экспериментальная работа, направленная на определение верхнего и нижнего содержания вспученного вермикулита в составе удобрения. При получении удобрения по предлагаемому способу использовался «свежий» птичий помет Еткульской фабрики и вспученный вермикулит марки 200 по ГОСТ 12865-67, в качестве сорбента. С целью получения более наглядного результата, характеризующего влияние вермикулита на процесс получения удобрения, смесь помета с вермикулитом готовилась при тех же объемных концентрациях, что и с перлитом. Полученные результаты приведены в таблице 3 (см. Табл. 3).

По данным таблицы видно, что гранулы удобрения на основе вермикулита и птичьего помета соответствуют требованиям в диапазоне концентраций вермикулита 24-58 вес.%, при времени перемешивания 3-5 мин.

Отсутствие влаги и достаточная прочность гранул наблюдаются в более узком диапазоне объемных концентраций вермикулита, в сравнении с перлитом, так как частицы вермикулита имеют чешуйчатую форму и менее развитую внутреннюю структуру. Поэтому связывание свободной влаги, содержащейся в помете, в смеси с вермикулитом наблюдается при несколько больших объемных концентрациях вермикулита в составе удобрения, в сравнении с перлитом.

Пример 4

Оценка влияния частоты вращения перемешивающего устройства проводилась на установке по примеру 1 с применением, в цепи питания электродвигателя, частотного преобразователя, распространенного в России и применяемого в народном хозяйстве.

Влияние частоты вращения устройства на качество получаемых удобрения оценивалось визуально, по внешнему виду получаемой продукции.

Ранее было показано, что оптимальным условием снижения энергозатрат, при получении удобрений по заявленным техническим решениям, является время перемешивания смесей в установке соответствующее 3÷5 мин. Поэтому оценка влияния числа оборотов перемешивающего устройства проводилась при фиксированном времени перемешивания, равному 5 мин,, что соответствует наиболее неблагоприятным условиям. Полученные результаты приведены в таблице 4 (см. Табл. 4).

По результатам, приведенным в данной таблице 5, видно: требуемое качество частиц удобрения, при выбранном ранее диапазоне объемных концентраций сорбента, достигается в диапазоне частот вращения перемешивающего устройства от 1300 до 1500 об/мин.

Пример 5

Оценка влияния весовой плотности сорбента на эффективность предлагаемого способа проводилась в лабораторных условиях с помощью лабораторной установки, собранной из стандартного лабораторного оборудования для исследования в области органической химии. Лабораторная установка состояла из собственно стеклянной емкости объемом 200 мл, фиксированной с помощью лабораторных механических «лапок» к штативу с установленным над ней на этом же штативе перемешивающего устройства с электродвигателем, обеспечивающим частоту вращения перемешивающего устройства 1500 об/мин. В качестве сорбента использовался перлит по ГОСТ 10832-91, марок 100, 200, 400.

Благодаря проделанной ранее работе определено, чем больше содержание сорбента, тем легче перемешивается смесь. Поэтому, для получения наиболее точной оценки перлит в составе смеси во всех случаях имел равное значение объемной концентрации, равное 50% объема. Время перемешивания во всех случаях соответствовало 5 мин. Полученные результаты приведены в таблице 5 (см. Табл. 5).

По результатам приведенным в таблице 6 видно, что действительно применение сорбента с плотностью более 0,2 г/см³ требует увеличения числа оборотов перемешивающего устройства или увеличения времени перемешивания, что практически нецелесообразно.

Пример 6

Удобрения, полученные по образцу примера 4, были испытаны в летний сезон 2013 г. в опытном хозяйстве Государственного научного учреждения «Южно-Уральский научно-исследовательский институт плодоовощеводства и картофелеводства».

В результате был получен прирост урожая элитного картофеля порядка 14-31%.

Результаты проделанной практической работы показывают, что данный способ достаточно эффективен при оперативной утилизации помета на птице и зверофермах с последующей передачей полученной смеси на любую дальнейшую переработку. Это позволит значительно улучшить экологическое состояние окружающей среды вокруг местности расположения этих ферм.