Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения органоминеральных удобрений на основе молочной сыворотки и глауконитсодержащего сорбента

Настоящее изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам производства комплексных органоминеральных удобрений на основе молочной сыворотки, путем утилизации отходов молокоперерабатывающих предприятий, конкретно к утилизации молочной сыворотки за счет сорбции ее компонентов глауконитсодержащим сорбентом с последующим использованием отработанного сорбента в качестве органоминерального удобрения. Способ также обеспечивает снижение общего количества отходов и концентрацию загрязняющих веществ в сточных водах молокоперерабатывающих предприятий.

Молочная сыворотка является основным отходом, образующимся при переработке цельного молока в такие продукты, как сыр, творог, казеин. Только небольшая часть этого отхода находит практическое применение, основная доля сыворотки сливается в канализацию, откуда поступает в очистные сооружения. Молочная сыворотка содержит до 7% сухих веществ (преимущественно углеводы, беки, жиры и др.) и широкий спектр микроэлементов, что делает ее хорошей питательной средой для развития микроорганизмов. Из-за высокой биохимической и химической потребности в кислороде (40000-60000 мг/дм³) сбрасываемый в канализацию отход приводит к ухудшению седиментационных свойств активного ила и нарушению нормальной работы сооружений биологической очистки.

В настоящее время имеются технологии, позволяющие использовать молочную сыворотку для производства продуктов питания, кормов для животных, этанола, органических кислот, биоразлагаемых полимеров, а также выделять из нее лактозу, белок, биологически активные вещества. Большинство технологий переработки молочной сыворотки не получило широкого внедрения, поскольку низкое содержание сухого вещества существенно повышает энергозатраты на переработку этого отхода. Использование молочной сыворотки в качестве вторичного сырья для дальнейшей переработки ограничивает и низкая стабильность отхода при хранении. Согласно ГОСТ Р 53438-2009, срок годности охлажденной до 6°С молочной сыворотки с момента получения до дальнейшей переработки не должен превышать 24-х часов. Ограниченный срок хранения обусловлен быстрой микробиологической порчей отхода.

По имеющимся оценкам, в нашей стране перерабатывается не более 20% молочной сыворотки, в развитых западных странах - до 50-60%. Технологии переработки молочной сыворотки обычно внедряются на крупных предприятиях, на предприятиях малой мощности переработка молочной сыворотки оказывается экономически нецелесообразной.

Отсутствие простых и дешевых технологий утилизации молочной сыворотки, пригодных для внедрения на небольших молокоперерабатывающих предприятиях, приводит не только к потере ценного натурального продукта, но и к серьезному загрязнению окружающей среды.

Из существующего уровня техники известен реагентный способ очистки промышленных сточных вод, образующихся в молочной промышленности и содержащих кроме неорганических соединений высокие концентрации органических соединений. Для осуществления способа сточные воды нейтрализуют известковым молоком до рН 6,0-8,5 и вводят анионный флокулянт на основе полиакриламида с молекулярной массой не менее 15⋅10⁶ в количестве не менее 0,01 мг/л. Образующийся осадок отделяют. Способ обеспечивает повышение степени очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации жира и белка, до 99% (патент RU 2414435 C1, опубл. 20.03. 2011). К недостаткам данного способа относится нерешенность проблемы практического использования осадка, образующегося в процессе коагуляции сточных вод и высокие затраты на внедрение и функционирование системы очистки сточных вод.

Известен способ очистки низкоконцентрированных (до 300 мг/л) сточных вод, который может быть использован при очистке сточных вод предприятий пищевой и рыбной промышленности с возможностью утилизации выделенного продукта. Выделение из сточных вод веществ белок-липидной природы осуществляют путем введения растворов коагулянта и флокулянта поэтапно: сначала в сточные воды вводят 1%-ный раствор альгината натрия в качестве флокулянта, перемешивают, затем вводят 1%-ный раствор хитозана в качестве коагулянта и выделяют осадок, причем дозы вводимых флокулянта и коагулянта составляют 25-30 мг/л. Способ обеспечивает повышение степени очистки сточных вод и улучшение качества выделенного продукта с целью его дальнейшего использования в качестве добавки в корм для животных (патент RU 2234466, опубл. 20.08.2004). Основным недостатком данного способа является высокая стоимость реагентов и высокие затраты на стабилизацию выделенного осадка.

Известен способ очистки сточных вод молокоперерабатывающих заводов, содержащих, кроме неорганических соединений, высокие концентрации органических загрязнений. Способ очистки включает обработку сточных вод коагулянтом - оксихлоридом алюминия с последующим разделением фаз флотацией (патента РФ №2326821, опубл. 20.06.2008). Недостатком данного способа является нерешенность проблемы вторичного использования образовавшегося в процессе коагуляции осадка.

Известен способ производства биологического органического удобрения, включающий ферментацию композиции из сыворотки и богатого целлюлозой материала-носителя при различных значениях рН (патент ЕР 1694614 В1, опубл. 14.03.2012. Bulletin 2012/11). Недостатками данного технического решения являются длительность осуществления процесса ферментации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ приготовления органоминерального удобрения, включающий смешивание кварц-глауконитового песка и источника органических веществ - смеси навоза и илового осадка (пат. РФ №2316523, МПК C05F 3/00, опуб. 10.12.2008). Недостатком соответствующего технического решения является ограниченный перечень отходов, пригодных для утилизации по предлагаемой в патенте схеме. Молочная сыворотка содержит слишком мало сухих веществ, поэтому переработка этого отхода по предлагаемой схеме не целесообразна.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является способ утилизации молочной сыворотки за счет пропускания этого отхода через фильтрационную установку, содержащую композицию из кварцевоглауконитовых песков с добавлением известняка. Кварцевоглауконитовые пески выполняют функцию сорбента, поглощая содержащиеся в молочной сыворотке органические и минеральные вещества, а известняк нейтрализует избыточную кислотность отхода. Отработанный сорбент высушивается и используется в качестве органоминерального удобрения. Содержание глауконита в кварцево-глауконитовых песках, используемых в качестве сорбента органических и минеральных веществ, входящих в состав молочной сыворотки, составляет не менее 50%.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является получение ценного органоминерального удобрения.

Заявленный способ включает следующие технологические операции:

1. Пропускание молочной сыворотки через фильтрационную установку, заполненную сорбентом, состоящим из кварцево-глауконитового песка и известняка (2÷5% от массы кварцевоглауконитового песка);

2. Высушивание отработанного сорбента до остаточной влажности 30÷15%.

3. Гранулирование подсушенного сорбента.

4. Стабилизация гранулированного продукта методом высушивания при температурах от 90 до 180°С.

Удобрение стабильно при хранении и пригодно для использования на всех видах почвы. Достоинством удобрения является высокая эффективность при использовании в низких дозировках.

Для подтверждения эффективности предлагаемого способа утилизации молочной сыворотки были соответствующие исследования.

Для выполнения исследований использовалась творожная сыворотка, полученная на одном из молочных комбинатов Кировской области (содержание сухого вещества - 6,8%, кислотность - 72 °T) и глауконитовый концентрат (отход, образующийся при добыче и переработке фосфоритной руды Вятско-Камского месторождения). Основными компонентами глауконитового концентра были глауконит (46±5%) и кварцевый песок. Концентрат имел однородную зернистую структуру, что делало материал удобным для использования в качестве сорбента.

Выбор глауконитового концентрата для проведения эксперимента был обусловлен следующими причинами:

- способность сорбировать широкий спектр органических и неорганических веществ;

- низкая стоимость и доступность;

- благоприятные агрохимические свойства;

- простота в использовании.

Для сорбции компонентов молочной сыворотки использовались сорбционные колонки, заполненные глауконитовым концентратом. Последовательное пропускание молочной сыворотки через систему сорбционных колонок позволяло удалить из сыворотки до 95% (и более) растворенных веществ. Стабилизация отработанного сорбента (ОС) осуществлялась методом высушивался в термостате при температуре 105°С до остаточной влажности 11÷12%.

Для предварительной оценки возможности и целесообразности применения ОС в качестве удобрения применялся метод биотестирования. Исследования проводились в лабораторных условиях.

Грунт (агрозем) для выполнения исследований отбирался с глубины 5÷15 см на поле вблизи г. Кирова, высушивался до воздушно-сухого состояния и просеивался через металлическое сито с размером ячеек 4×4 мм. Данные о свойствах агрозема представлены в табл. 1.

В высушенный грунт вносились добавки ОС и перемешивались с грунтом с помощью лабораторного смесителя. Подготовленный для выполнения эксперимента агрозем помещался в пластиковые контейнеры и увлажнялся дистиллированной водой до влажности 60%. В качестве тест-культуры использовался овес посевной (Avena sativa), высеваемый на глубину 0,5 см.

Во время эксперимента контейнеры с грунтом закрывались микроперфорированной полипропиленовой пленкой и выдерживались при температуре 20±1°С.

Варианты состава грунта, используемого для проведения эксперимента:

1. Контроль (грунт без добавок);

2. Грунт + ОС (1% от массы грунта);

3. Грунт + ОС (5% от массы грунта);

4. Грунт + ОС (10% от массы фунта);

Биотестирование проводилось по таким показателям, как энергия прорастания (за 3 суток), дружность прорастания (доля семян проросших за первые сутки прорастания), скорость прорастания (сумма средних чисел семян, прорастающих ежедневно), интенсивность начального роста проростков.

Экспериментальные исследования выполнялись в трех повторностях. Полученные результаты подвергались статистической обработке в программе «Microsoft Excel» по общепринятым методикам.

Результаты эксперимента

Полученные в ходе эксперимента результаты представлены в таблице 2.

Анализ полученных результатов показывает, что ОС может быть использован в качестве удобрения под зерновые культуры. В условиях лабораторного эксперимента лучшие результаты получены при добавке в грунт 5% ОС. В этой дозировке дружность прорастания семян овса увеличивается в 2 раза, скорость прорастания - на 40%; энергия прорастания - на 20%, длина зеленых проростков - в 2 раза, средняя масса проростков - на 30%. Вероятной причиной положительного воздействия отработанного сорбента на прорастание семян и рост проростков может быть наличие в этом материале свободных аминокислот, янтарной кислоты, витаминов и других биологически-активных веществ. Стимулирующее влияние янтарной кислоты и аминокислот на прорастание семян и ростовые показатели растений установлены в исследованиях многих ученых.

Следует отметить, что в присутствии отработанного сорбента наблюдается некоторое уменьшение длины корней проростков, причем, чем выше содержание отработанного сорбента в грунте, тем отчетливее проявляется эта тенденция. Данный факт может быть связан с фунгицидным действием молочной сыворотки. Уменьшение длины корней под влиянием фунгицидов является известным фактом. Данные научных исследований свидетельствуют о том, что микроорганизмы могут генерировать широкий спектр биологически активных веществ, таких как ауксины и цитокинины, способствующие эффективной колонизации корня и трансформации строения корневой системы.