УДОБРЕНИЕ ИЗ МОРСКИХ ПЛАНКТОНОВ, СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
HOLOPLANKTON FERTILISER, METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING SAID FERTILISER

Изобретение относится к области органических удобрений из сырья морского происхождения, а именно к удобрениям из морских планктонов, включающих фитопланктоны и зоопланктоны, преимущественно из фитопланктонов и зоопланктонов морских прибоев, в частности штормовых выбросов.
2
Считается, что на 1 км океана приходится 1600 т растительности, при этом насчитывается около 28 тысяч видов водорослей. Например, вдоль берегов Приморья простирается богатый водорослевый пояс, насчитывающий около 250 видов морских водорослей и трав, из них: зеленых - 32 вида, бурых - 79 видов, красных - 139 видов, причем к числу массовых форм относится около 140 видов. Морские водоросли и травы - это наиболее урожайные растения на Земле, они создают до 100-150 т зеленой массы с гектара. Водоросли - макрофиты содержат до 20-25% белка, витамины: С - на уровне цитрусовых, а так же А, D, B, B12, E, рибофлавин, ниацин, пантотеновая и фолиевые кислоты; все необходимые для человека микроэлементы. В связи с этим, предприятия по всему миру производят из водорослей продукцию для фармацевтической, косметической, медицинской, пищевой и других видов промышленности, включая удобрения для нужд сельского хозяйства.
Известно использование морских водорослей в качестве ускорителей роста растений, например использование для этих целей композиций, содержащих ламинарию в жидкой или твердой фазе [патент US5750472, опубл. 12.05.1998].
Известно ферментированное удобрение из морских зеленых водорослей [заявка JP7187869, опубл. 25.07.1995], которое получают ферментацией в присутствии бактерий Trichodermarygnorm, культивируемых с использованием отрубей пшеницы, опилок. Первичную ферментацию в присутствии бактерий осуществляют примерно четыре дня, затем в смесь добавляют лимонную кислоту, регулируя величину pH 4-5, после чего осуществляют ферментацию около недели. Полученное удобрение высушивают и формируют в гранулы.
Известно удобрение, содержащее морские растения, в частности штормовых выбросов Японского моря, и способ его производства [патент RU2161599, опубл. 10.01.2001]. Основа удобрения, составляющая 20-90% по весу, может включать водоросли Laminaria и Ahnfeltia, морскую траву Zostera. Добавка к такому удобрению, составляющая не более 80% по весу, может содержать водоросли Costaria, Chondrus, Cistozeira, морскую траву Phyllospadix. При производстве удобрения морские растения ферментируют при 15-40°С в течение 24-240 ч, предварительно измельчая их до размера частиц 0,1-100 мм. После ферментации удобрение используют в сухом или жидком виде, в последнем случае удобрение настаивают в воде при весовом соотношении твердой фазы к воде от 1:50 до 1:3.
Известно удобрение, содержащее морские растения, в частности водоросли Laminaria в количестве 5-40 мас.%, а также 12-55 мас.% рыбной и/или костной муки [заявка RU2001118503, опубл. 20.06.2003]. Удобрение может дополнительно содержать водоросли Ahnfeltia, Costaria, Chondrus, Cistozeira, морские травы Zostera, Phyllospadix. При производстве удобрения морские растения, предварительно измельченные до размера не более 10 мм, с содержанием влаги более 26 мас.% ферментируют в анаэробных условиях при температуре 21-48°С не менее 200 ч, в частности вместе с морской водой до 30 мас.%.
Известен способ производства удобрения из морских водорослей [патент RU2272799, опубл. 27.03.2006], включающий помещение исходного сырья в емкость-хранилище и выдержку в течение 8-10 суток. В качестве исходного сырья используют бурые водоросли Cystoseira, которые перед помещением в емкость-хранилище промывают в морской воде, затем в пресной, измельчают, обрабатывают 1-2% раствором соляной кислоты и перемешивают. Полученную массу смешивают с опилками лиственных пород деревьев и песком до влажности конечного продукта 10-15%, при этом выдерживают соотношение измельченной массы водорослей с соляной кислотой 10:1-2, извлеченной из емкости-хранилища массы с опилками лиственных пород деревьев и песком 1:1-2, а песка с опилками 1:1-1,5 соответственно.
В известных удобрениях используются только морские планктоны в виде фитопланктонов, в частности в виде морских водорослей и трав. Между тем, морские планктоны включают и зоопланктоны, уникальный химический состав которых не используется. В частности, штормовые выбросы морей, используемые в ряде технических решений в качестве сырья для получения удобрения из морских водорослей и трав, включает в себя не только фитопланктоны, но и зоопланктоны, которые не утилизируются и выбрасываются в процессе производства удобрений.
Также, следует отметить, в существующих технологиях, как только заканчивается выборка из штормовых выбросов пригодных для технологических целей морских гидробионтов, наступает период бесхозного отношения к оставшейся органической материи фитопланктонов и зоопланктонов, что не решает проблему очистки побережий морей от штормовых выбросов, является актуальной задачей. В обычной жизни все чаще приходится сталкиваться с симптомами ухудшения здоровья людей, проживающих в прибрежных территориях, в результате длительного смешанного влияния малых доз многих агентов техногенной среды, меньше и меньше становится зон и чистых побережий морей, пригодных для купания людей и особенно детей. Происхождение и распространение многих заболеваний связаны с биотическими компонентами окружающей среды - вирусами, бактериями, простейшими, всевозможными паразитами и их переносчиками и промежуточными хозяевами. Валы органической материи морских прибоев вовлекают в потребление и обиход множество живых организмов, которые, питаясь антропогенной органикой, способствуют включению последней в биотический круговорот, но одновременно являются и источниками инфекций (постоянные обитатели кроме грибков, вирусов и микробов, мухи, мыши, крысы, воробьи, вороны, эндопаразиты, гельминты). Избавиться от неиспользуемой, оставшейся органической материи штормовых выбросов можно несколькими известными способами: закопать, но тогда потребуются новые территории, большие транспортные расходы, расходы на земляные и последующие рекультивационные расходы; затопить, т.е. резко увеличить нагрузку на водную экосистему; или сжечь, т.е. собрать, высушить и сжечь - тогда загрязняется и атмосфера и гидросфера.
Известно, что подлинные экологические бедствия антропогенной природы часто развиваются до того, как люди начинают ощущать их на себе. За сбор разлагающейся органической материи морских прибоев и ее рациональное использование, не допуская ее попадание обратно в море и океанические побережья, говорит тот факт, что, например, уровень загрязненности морских вод Черного моря от Сочи до Анапы соответствует третьему и четвертому классу (умеренно загрязненные и загрязненные соответственно), а воды восточной части Финского залива Балтийского моря относятся к грязным шестого класса. В Арктических и Тихоокеанских морях отмечаются локальные загрязнения, включая загрязнения разлагающимися штормовыми выбросами, вблизи крупных портов, в местах с интенсивным судоходством, рыболовства с использованием тралового флота, а также в устьях рек.
Т.о. утилизация штормовых выбросов, в частности за счет производства из них удобрений, является актуальной технической задачей.
Настоящее изобретение предлагается для решения вышеуказанных проблем и решает, в частности, следующую техническую задачу - повышение биологической ценности удобрений, получаемых из морских планктонов, в частности из штормовых выбросов, с разработкой эффективной технологии производства таких удобрений.
Еще одна важная решаемая техническая задача - очистка побережий морей от биологической материи штормовых выбросов с их полной утилизацией и восстановление нарушенных экосистем побережий.
Предлагается удобрение из морских планктонов, включающее ферментированные морские фитопланктоны. Новым является то, что удобрение дополнительно содержит ферментированные морские зоопланктоны.
В качестве фитопланктонов и зоопланктонов могут использоваться штормовые выбросы.
Могут использоваться фитопланктоны в виде макрофитов штормовых выбросов с разной степенью обтрепанности или в обрывках различной степени ферментации. При этом, фитопланктоны могут быть в виде макрофитов, выбираемых из группы: анфельция табучинская, ламинария японская, зостера азиатская, зостера морская, и/или костария ребристая. В последнем случае удобрение может содержать, по отношению к общей массе фитопланктонов:
- анфельция - до 60% мас.; ламинария, зоостера и/или костария - не менее 30% мас.;
- ламинария - до 50% мас.; анфельция, зоостера или костария - не менее 40% мас.
- зостера и/или костария - до 50% мас.; ламинария - не менее 40% мас.
Также, удобрение может дополнительно содержать фитопланктоны из макрофитов, выбираемых из группы: дихлория зеленая, цистозира толстоногая, одонталия щитконосая и/или филлоспадикс иватенский. При этом, удобрение может содержать дихлорию зеленую, цистозиру толстоногую и/или одонталию щитконосую не менее 1-3% мас. по отношению к общей массе фитопланктонов и/или филлоспадикс иватенский не менее 1-5% мас. по отношению к общей массе фитопланктонов.
Удобрение может содержать зоопланктоны в виде пеларгических и бентосных форм морских животных организмов, попавших и погибших в результате штормовых выбросов в несвойственную им среду обитания на суше, например, выбираемых из группы, не менее 1-10% мас. по отношению к общей массе фитопланктонов: дальневосточная нептунея, ребристая нептунея, волнисто-штрихованный валютопсиус, Букцинум Веркрюзена, перонидия жилковатая, краб стригун, серый еж, халоцинтия пурпурная, гребенчатая креветка, северная креветка, травяной чилим и/или мидия тихоокеанская, и/или выбираемых из группы, не менее 0,5-3,0% мас. по отношению к общей массе фитопланктонов: луковичная нептунея, артритическая нептунея, гребешок японский, гребешок приморский, бело-розовый гребешок, китайская мактра, петушок, анадара, гигантская устрица, каллиста короткосифонная, модиолус длиннощетинистый, японский рак-богомол, черный еж и/или аурелия ушастая.
Удобрение может быть измельчено до размера частиц менее 5 мм.
Лучше, когда содержание влаги в удобрении составляет до 25-40% мас., содержание органических веществ - 60-70% мас., кислотность - pH 6,6-7,0, при этом массовая доля основных неорганических веществ составляет, % мас., не менее: азот - 3,1; фосфор - 0,2; калий - 1,8; кальций - 3,2%.
Также предлагается способ получения предлагаемого удобрения ферментацией сырья из морских планктонов, согласно которому в качестве сырья используют морские фитопланктоны и зоопланктоны, которые ферментируют совместно друг с другом.
В качестве сырья можно использовать морские фитопланктоны и зоопланктоны штормовых выбросов, в частности, штормовые выбросы, содержащие макрофиты с разной степенью обтрепанности или в обрывках различной степени ферментации.
В качестве сырья можно использовать штормовые выбросы, содержащие фитоплактоны и зоопланктоны, перечисленные выше для состава удобрения. При этом, для фитопланктонов:
- при содержании в сырье анфельции менее 60% мас. к общей массе фитопланктонов, в сырье лучше добавить ламинарию, зоостеру и/или костарию до содержания не менее 30% мас.к общей массе фитопланктонов;
- при содержании в сырье ламинарии менее 50% мас. к общей массе фитопланктонов, в сырье лучше добавить анфельцию, зоостеру или костарию до содержания не менее 40% мас. к общей массе фитопланктонов;
- при содержании в сырье зостеры и/или костарии до 50% мас. к общей массе фитопланктонов, в сырье добавляют ламинарию до содержания не менее 40% мас. к общей массе фитопланктонов.
Морские фитопланктоны и зоопланктоны лучше измельчать до размера частиц менее 5 мм, при этом измельчение можно производить после ферментации.
В качестве метода ферментации лучше использовать твердую ферментацию сырья.
Твердую ферментацию можно осуществлять на открытых площадках в слое сырья с толщиной до 50 см, лучше 10-30 см, в частности, в течение 7-14 суток при периодическом переворачивании сырья. Возможно устройство для этих целей отдельных чередующихся гряд сырья с шириной одной гряды до 3 м, при этом гряды с преимущественным содержанием в их сырье морских зоопланктонов лучше чередовать с грядами с преимущественным содержанием в их сырье морских фитопланктонов, а между грядами оставлять расстояние. Например, ширину каждой из гряд можно выполнять не более 1 м и оставлять расстояние между грядами около 1 м.
Также можно использовать глубинную твердую ферментацию сырья в траншеях, ямах или подобных углублениях с послойным размещением в них сырья. При этом:
- слои могут быть размещены так, чтобы чередовать слои сырья с относительно высокой влажностью и относительно низкой влажностью;
- слои с преимущественным содержанием в их сырье морских зоопланктонов лучше размещать между слоями с преимущественным содержанием в их сырье морских фитопланктонов;
- толщина слоев может составлять 10-50 см;
- лучше использовать меньшую толщину слоя с преимущественным содержанием в его сырье морских зоопланктонов, чем толщина слоя с преимущественным содержанием в его сырье морских фитопланктонов.
Также предлагается установка для получения удобрения из морских планктонов, позволяющая обрабатывать, в частности измельчать, не только фитопланктоны и мягкие зоопланктоны, но и зоопланктоны с твердыми включениями типа хитинового панциря, раковин и т.п. Предлагаемая установка содержит: трубчатый корпус, имеющий входное окно для загрузки сырья морских планктонов внутрь трубчатого корпуса с одной стороны и выходное окно для выхода обработанного сырья морских планктонов с другой стороны; рабочий вал, установленный внутри трубчатого корпуса вдоль его оси; двигатель, кинематически соединенный с рабочим валом для приведения рабочего вала во вращение; два или более вращающихся ножа, установленных последовательно на рабочем валу с определенным шагом и направленных от рабочего вала к внутренней стенке трубчатого корпуса; два или более неподвижных ножа, установленных на трубчатом корпусе последовательно вдоль его оси с определенным шагом и направленных от внутренней стенки трубчатого корпуса к рабочему валу. При этом вращающиеся ножи и неподвижные ножи сгруппированы в ступени так, чтобы при вращении вращающегося ножа одной ступени вместе с рабочим валом, режущая кромка этого вращающегося ножа проходила вблизи режущей кромки неподвижного ножа той же ступени.
Вращающиеся ножи могут быть установлены по отношению друг к другу с угловым смещением в радиальном направлении.
Вращающиеся ножи могут иметь форму в виде лопастей вентилятора.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена кинематическая схема варианта осуществления установки для получения удобрения.
Далее изобретение поясняется более подробно с использованием примеров его осуществления.
Характеристики морских планктонов и примеры используемого сырья штормовых выбросов
В водной среде обитает около 150000 видов животных и 10000 видов растений, при этом основная масса организмов мирового океана сосредоточена у берегов в зоне морских побережий. В состав организмов входят: фитобентос, зообентос и бактериобентос (прикрепленные к грунту, лежащие на нем или живущие в толще осадков организмы), перифитон, т.е. животные и растения, прикрепленные или удерживающиеся за стебли и листья высших растений, плавающих по течению, планктон - пассивно плавающие растительные (фитопланктон) и животные (зоопланктон) организмы, которые не могут противостоять заметным течениям, и нейстон сообщества микроорганизмов, растений и животных мелких и средних размеров, обитающих на глубине до 5 см. В зарослях бурых и красных водорослей на глубине 15-20 м прячется и прикрепляется бесчисленное множество моллюсков, червей, мшанок, гидроидов, ракообразных. Веслоногим планктонным ракообразным принадлежит одно из первых мест в круговороте органического вещества в море. Из 6000 видов веслоногих, в состав морского планктона входят только 750 видов, но несмотря на это по массе они составляют около 70-80%. В основном, в состав планктона входят бактерии, простейшие, клопы водомерки, жучки ветрячки, водоросли, икра рыб, личинки некоторых организмов, а также плейстон, т.е. свободно плавающие гидробионты, часть тела которых находится в воде, а часть над ее поверхностью.
Фитопланктон подразумевает свободноплавающие и дрейфующие в морской воде растительные организмы (такие, как саргассова водоросль, бурые водоросли), наиболее обильные микроскопические организмы (диатомовые, динофлагелляты), некоторые сине-зеленые водоросли, многочисленные группы фотосинтезирующих флагеллят меньших размеров, кокколитофориды и фотосинтезирующие бактерии. Планктонные водоросли открытого океана дают 75% фотосинтезной продукции земного шара и делают это в фитопланктоне в основном микроскопические диатомовые водоросли, динофлагеллят и кокколитофорид. Обильное развитие фитопланктона происходит в районах подъема глубинных вод и характеризуется обилием зоопланктона и нектона. При цветении некоторых перидиней в воду выделяются токсичные вещества, которые могут вызвать массовую гибель планктонных и нектонных животных.
Зоопланктон можно условно разделить на следующие виды: голопланктон или постоянный зоопланктон - организмы, которые проводят всю жизнь дрейфуя по течению; меропланктон или временный зоопланктон - личиночные формы нектона и бентоса пассивно дрейфующие на ранних стадиях жизни. Голопланктон наиболее широко распространен и обычно имеет раковину и скелет (простейшие), к нему, в частности, также относятся радиолярии и тинтинниды, маленькие медузы размером менее 1 см, а также крупные, ярко окрашенные сцифоидные медузы. Многочисленные ракообразные являются наиболее распространенной составной частью голопланктона. Меропланктон в некоторые сезоны составляет значительную часть зоопланктона. Также к зоопланктону может быть отнесен плейстон. Зоопланктон является важной составной частью биохимического цикла: животные с известковыми раковинами извлекают кальций из окружающей среды, радиолярии накапливают силикаты, многие виды накапливают стронциевые сульфаты. Полостная жидкость многих ракообразных содержит медь в виде гемоцианина, например сцифомедуза Cyanea содержит 1,5 г меди на один кг сухого вещества. Некоторые элементы, такие как кадмий, хром, кобальт, олово, титан, германий и висмут растворены в морской воде в таких малых концентрациях, что их существование было обнаружено впервые именно в золе морских организмов.
Исследования последних лет показывают, что огромная масса отвегетировавших или вырванных штормами макрофитов скапливается, детрифицируется и утилизируется не только со стороны верхней границы фитали (т.е на берегу), но и с нижней стороны (в широком диапазоне глубин). По оценкам специалистов в Дальневосточном регионе РФ запасы только промысловых видов макрофитов составляют более 18 миллионов тонн. Естественно предположить, что огромная часть этой массы поступает в штормовые выбросы. А поскольку детрификация макрофитов - достаточно медленный процесс и длится в естественных условиях достаточно долго, то береговая полоса просто не в состоянии переработать штормовые выбросы от такого объема 18 миллионов тонн.
Очевидно, что состав штормовых выбросов, включающих фитопланктоны и зоопланктоны вместе с другими морскими организмами, достаточно неоднороден в зависимости от множества факторов, главным образом связанных с географическим пообложением береговой территории. Например, морские животные, распространенные вдоль всего побережья Приморья и попадающие в штормовые выбросы: Дальневосточная и ребристая нептунея, Волнисто-штрихованный валютопсиус, Букцинум Веркрюзена, Перонидия жилковатая, Мидия тихоокеанская, Мидия Грея, Креномидия Грайна, Гигантская Мидия, Тихоокеанский кальмар, Песчаный осьминог, Серый еж, Морской Еж, Краб Стригун и четырехугольный волосатый краб, Камчатский краб и колючий краб, гребенчатая креветка, Гребенчатый чилим, Северная креветка, равнолапая креветка, Равнолапый чилим, Травяной чилим, Халоцинтия пурпурная, Асцидия пурпурная, Медуза Аурелия Ушастая. Только на юге Приморья обитают: луковичная, многоребристая и артритическая нептунеи, гребешок Приморский, Рудитапес (петушок, манес, венерупес, рудитапес), японская корбикула (блестящая черная или коричневая раковина), мерцинария стимпсона (белая раковина), каллиста короткосифонная (коричневато-желтая), кукумария - японский морский огурец, японский рак-богомол. В зависимости от глубины произрастания вдоль побережья в Приморье изымаются орудиями лова для технологических целей и выбрасываются штормовыми выбросами следующие виды макрофитов: в незначительных объемах с глубины 0,5-20 м - ламинария цикоревидная, ульва продырявленная, тихокарпус косматый, хондрус шиповатый, пальмария узкоугольная, птилота папортниковидная и фацелокарповидная, неоптилота аспленевидная, родомелла елковидная, фукус исчезающий, пельвеция Райта; в несколько больших объемах с глубины 1-40 м - костария ребристая, дихлория зеленая, цистозера толстоногая; в больших и значительных объемах, исчисляющихся десятками и сотнями тысяч тонн, с глубины от 2-40 м - зоостера морская, зоостера азиатская, анфельция тобучинская и множество видов ламинариевых.
В связи с разнородностью состава штормовых выбросов, состав удобрения по настоящему изобретению также может существенно различаться. Отдельные рекомендации по составу могут быть даны только при изучении преимущественных штормовых выбросов конкретного региона. Например, рекомендуемый состав предлагаемого удобрения из органической материи фитопланктонов и зоопланктонов штормовых выбросов, присущих побережьям Приморья, представлен в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Макрофиты штормовых выбросов, в разной степени обтрепанные или в обрывках различной степени ферментации в составе удобрения
Органическая материя макрофитов
Когда в основном составе менее % мас.
Добавляют, % мас.
Анфельция табучинская (ahnfeltia tobuchiensis)
60
30 (ламинария, зоостера или костария)
Ламинария японская (laminaria japonica Aresch)
50
40 (анфельция, зоостера или костария)
Зостера азиатская (zostera asiatica Miki)
50
40 (ламинария)
Зостера морская (zostera marina L.)
50
40 (ламинария)
Костария ребристая (costaria costata (turn.) saund)
50
40 (ламинария)
Дихлория зеленая (dichloria viridis (mull.) grev)
1-3
оставляют и используют как добавку
Цистозира толстоногая (cystoseira crassipes (turn.) c. lg.)
1-3
оставляют и используют как добавку
Одонталия щитконосая (odonthalia corymbitera (gmel.) J.Ag.)
1-3
оставляют и используют как добавку
Филлоспадикс иватенский (phyllspadix iwatensis makino)
1-5
оставляют и используют как добавку
Таблица 2
Пеларгические и бентосные формы морских животных организмов, попавшие и погибшие в результате штормовых выбросов в не свойственную им среду обитания на суше и используемые для получения удобрения
Наименование животных
По отношению к макрофитам, % мас., не менее
Дальневосточная нептунея (neptunea conctricta)
1-10
Ребристая нептунея (neptunea lyrata)
1-10
Волнисто-штрихованный валютопсиус (lussivolutopsius emphaticus)
1-10
Букцинум Веркрюзена (Buccinum verkruzeni)
1-10
Перонидия жилковатая (peronidia venulosa)
1-10
Краб стригун (chionocetes opilio)
1-10
Серый еж (strongylocentrorus intermedius)
1-10
Халоцинтия пурпурная (halocynthia aurantium)
1-10
Гребенчатая креветка (pandalus hipsinotus)
1-10
Северная креветка (pandalus borealis)
1-10
Травяной чилим (pandalus latirostris)
1-10
Мидия тихоокеанская (mytilus trossullus)
1-10
Луковичная нептунея (neptunea bilbacea)
0,5-3,0
Артритическая нептунея (neptunea arthritica)
0,5-3,0
Гребешок японский (chlamys farreri)
0,5-3,0
Гребешок приморский (patinopecten yessoensis)
0,5-3,0
Бело-розовый гребешок (chlamys chosenica)
0,5-3,0
Китайская мактра (mactra chinensis)
0,5-3,0
Петушок (ruditapes philippinarum)
0,5-3,0
Анадара, скафарка (scapharca broughtoni)
0,5-3,0
Гигантская устрица (crassostrea gigas)
0,5-3,0
Каллиста короткосифонная (callista brevisiphonata)
0,5-3,0
Модиолус длиннощетинистый (modiolus kurilensis)
0,5-3,0
Японский рак-богомол (oratosquilla oratoria)
0,5-3,0
Черный еж (strongylocentrotus nudus)
0,5-3,0
Аурелия ушастая (aurelia aurita (Lamarck))
0,5-3,0
Далее, более подробно описывается технология производства удобрения.
Технология ферментации и ее примеры
Фосфор в морских планктонах находится преимущественно в виде ортофосфорной кислоты в сложных органических соединениях, таких как фосфопротеиды, нуклеопротеиды, фосфолипиды и другие. Восстановление неорганических фосфатов происходит путем химического распада простых продуктов выделения. Преобладающим восстановительным процессом является процесс разложения органических соединений бактериями. Скорость регенерации является функцией температуры воды и численности планктона. В лабораторных условиях было установлено, что 35-55% мас. фосфора планктона переходит в фосфаты за 17-35 дней.
Азот является конечным неорганическим продуктом окисления, органических веществ в море, содержащих азот (органический азот - аммоний - нитриты - нитраты). Все неорганические формы азота потребляются фитопланктоном, в результате чего концентрация азота в эвфотической зоне иногда приближается к нулю. В основном регенерация азота происходит за счет автолиза и деятельности бактерий. Для более простых веществ, таких как, мочевина, азот восстанавливается путем химического гидролиза, до аммония, хотя бактерии тоже могут освободить аммоний из мочевины. Аммоний и нитриты обычно появляются там, где планктон разлагается в большом количестве, аммония больше весной и иногда он становится основной формой содержания азота. Осенью и зимой, когда аммоний уменьшается, нитраты становятся основной неорганической нитрогенной компонентой. В лабораторных условиях было установлено, что 50-80% уменьшения органического азота планктона происходит за 17-20 дней.
Закономерности разложения (минерализации) органического вещества зоопланктонов и фитопланктонов (отмершего планктона) в водной среде выглядят следующим образом: убыль лобильной органики в разлагающихся остатках (70-80% исходного количества вещества) в условиях, близких к природным по концентрации и перемешиванию, органическая материя, богатая белками, углеводами и жирами, - 75% ее оказывается нестойкой и быстро разлагается. Распад осуществляется комплексом бактерий в анаэробных условиях за 20-30 суток, где более интенсивно разлагаются органический азот и безазотистые соединения - углеводы, в анаэробных условиях более интенсивно осуществляется распад жиров.
В настоящем изобретении используют метод твердой ферментации, при котором отмечаются как аэробные, так и анаэробные условия, которые примерно одинаковы для разложения как фитопланктонов, так и зоопланктонов. Используемые приемы основаны на дезорганизации обменных процессов клетки, где клетки органической массы планктонов в различной степени повреждены, при этом необходимо направить микробиологическую трансформацию на превращение следующих групп органических соединений планктонов: органические кислоты, углеводороды, антибиотические вещества, гетероциклические соединения, нуклеотиды, стероиды и т.д.
При использовании твердой ферментации, такие ее приемы, как перемешивание, температурный контроль, регулирование pH среды, желательно осуществлять с учетом того, что субстрат штормовых выбросов атакован (причем легко) посторонней, не свойственной морской воде микрофлорой, и метаболизм бактерий объединяет два процесса. Катаболизм (диссимиляция) включает расщепление различных субстратов для получения энергии, а анаболизм (ассимиляция) включает синтез высокомолекулярных соединений, используемых для образования клеточных структур. Аэробные и анаэробные процессы твердой ферментации должны учитывать следующее: наличие в сырье универсальных источников азота, углерода, витаминов, микроэлементов; стабилизацию сырья по приемлемой pH и температуре (лучше около 37°C); чередование сред сырья, в частности плотной, полужидкой, жидкой белковой, безбелковой, минеральной, или растительной и животной; присутствие сред обогащения для накопления определенной группы бактерий, например, анфельция-агароподобные.
С учетом вышеизложенного и особенностей сырья из морских фитопланктонов и зоопланктонов, твердую ферментацию, также называемую твердофазной ферментацией, можно осуществлять на открытых площадках в течение 7-14 суток при периодическом переворачивании влажного сырья в слое с толщиной не более 50 см (лучше 10-30 см), за счет чего предотвращается слипание субстрата. При перемешивании макрофитов, количество биологического тепла в ферментирующем слое пропорционально количеству ассимилированного кислорода, при таком способе твердой ферментации достигаются некоторые общие принципы: 1) активность ферментов нужных метаболических путей; 2) уменьшение синтеза побочных продуктов; 3) снижение неэкономических затрат энергии и субстрата в энергетическом метаболизме продуцентов.
Преимущественно, когда ферментацию на открытых площадках осуществляют устройством отдельных чередующихся гряд сырья с высотой около 30 см. При однообразном виде поступающего сырья штормовых выбросов, где из отдаленности (условий рельефа или отсутствия других видов сырья) на ферментативной площадке ширину гряд делают по два-три метра. В этом случае лучше достигается равномерность перемешивания состава, контролируется ход ферментации и дозирования (пеларгических и бентосных форм морских животных организмов), а также дозирование отдельных видов макрофитов и особенно их перераспределение по длине и ширине ферментирующих гряд. В летний период, при массовых штормовых выбросах и больших запасах на берегу в бухтах и заливах, с учетом длительного теплого периода, эффективна поделка и чередование гряд сырья. В ширину гряды делают не более одного метра (быстрее происходит сушка), расстояние между грядами оставляют около одного метра. Пример формирования гряд сырья из штормовых выбросов, присущих побережью Приморья, приведен в таблице 3.
Таблица 3
Формирование гряд сырья из штормовых выбросов Японского моря
Преимущественный компонент сырья гряды
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
анфельция табучинская (ahnfeltia tobuchiensis)
зостера азиатская (zostera asiatica Miki)
(зостера морская) (zostera marina L.)
пеларгические и бентосные формы морских животных организмов и прочие макрофиты типа дихлории зеленой (dichloria viridis (mull.) grev), одонталии щитконосной (odonthalia corymbitera (gmel.) J.Ag.) и т.п.
костария ребристая (costaria costata (turn.) saund) или ламинария японская (laminaria japonica Aresch)
пеларгические и бентосные формы морских животных организмов и прочие макрофиты типа дихлории зеленой (dichloria viridis (mull.) grev), одонталии щитконосной (odonthalia corymbitera (gmel.) J.Ag.) и т.п.
ламинария японская(laminaria japonica Aresch)
пеларгические и бентосные формы морских животных организмов и прочие макрофиты типа дихлории зеленой (dichloria viridis (mull.) grev), одонталии щитконосной (odonthalia corymbitera (gmel.) J.Ag.) и т.п.
ламинария японская (laminaria japonica Aresch) или костария ребристая (costaria costata (turn.) saund)
анфельция табучинская (ahnfeltia tobuchiensis)
анфельция табучинская (ahnfeltia tobuchiensis)
-
Всего 4 гряды с шириной 1 м каждая
Всего 4 гряды с шириной 1 м каждая
Всего 3 гряды с шириной 1 м каждая
Представленная в табл.3 последовательность гряд сырья позволяет уже на стадии формировании гряд вести предварительную подготовку к последующим смешиванию и дозированию, которые осуществляют уже при погрузке ферментированного сырья для его отправки на окончательную обработку в установку, в частности в реактор, описанный ниже.
Если штормовых выбросов достаточно много, особенно запасов прошлых лет, ранней весной и осенью, когда плюсовые температуры являются относительно низкими, целесообразно использовать для целей твердой ферментации сырья имеющиеся траншеи, ямы, овраги, где можно размещать сырье и осуществлять твердую ферментацию, возобновляя процессы, которые были прекращены в результате низких температур. При переходе на глубинный способ ферментации в траншеях, ямах и т.п., желательно использовать послойное размещение органической материи фитопланктонов и зоопланктонов в зависимости от преимущественного компонента слоя и/или от влажности слоя. Пример послойного размещения сырья из штормовых выбросов, присущих побережью Приморья, приведен в таблице 4.
Таблица 4
Послойное размещение в траншее сырья из штормовых выбросов Японского моря
№ слоя
Преимущественный компонент сырья слоя
Толщина слоя, см
1 (нижний на дне)
анфельция табучинская (ahnfeltia tobuchiensis)
50
2
ламинария японская (laminaria japonica Aresch)
30
3
пеларгические и бентосные формы морских животных организмов и прочие макрофиты типа дихлории зеленой (dichloria viridis (mull.) grev), одонталии щитконосной (odonthalia corymbitera (gmel.) J.Ag.) и т.п.
10
4
анфельции табучинской (ahnfeltia tobuchiensis)
30
5
ламинария японская (laminaria japonica Aresch) или зостера азиатская (zostera asiatica Miki)
30
6
зостера азиатская (zostera asiatica Miki)
30
7 (верхний)
костария ребристая costaria costata (turn.) saund) или зостера азиатская (zostera asiatica Miki)
20-30
Как видно из табл.4, общая толщина уложенного в траншею сырья составляет около двух метров, сверху сырье укрывают полимерной пленкой или другими подобным материалом по длине и ширине траншеи. В сырье делают отверстия в шахматном или прямолинейном порядке, количество которых зависит от объема закладываемой в траншею массы сырья. В эти отверстия, проходящие до глубины первого слоя, могут быть вставлены штанги с термометрами, а сами траншеи укрывают поверх пленки слоем земли толщиной примерно 20-30 см и более в зависимости от климатических условий, главным образом температуры. Траншеи могут быть двух-, трех- или многослойными, например, как показано выше в табл.4, или в другом примере, представленном ниже в таблице 5 для закладки сырья общей толщиной полтора метра несколько в ином порядке.
Таблица 5
Послойное размещение в траншее сырья из штормовых выбросов Японского моря
№ слоя
Преимущественный компонент сырья слоя
Толщина слоя, см
1 (нижний на дне)
зостера азиатская (zostera asiatica Miki) анфельция табучинская (ahnfeltia tobuchiensis)
50
2
ламинария японская (laminaria japonica Aresch)
30
3
пеларгические и бентосные формы морских животных организмов и прочие макрофиты типа дихлории зеленой (dichloria viridis (mull.) grev), одонталии щитконосной (odonthalia corymbitera (gmel.) J.Ag.) и т.п.
10
4
зостера азиатская (zostera asiatica Miki)
30
5 (верхний)
ламинария японская (laminaria japonica Aresch)
30
При твердой ферментации в траншеях, распад органической материи осуществляется комплексом бактерий более эффективно за счет послойного размещения влажного и менее влажного сырья, за счет чего достигается выравненность ферментированного сырья по влажности, отсутствие слипания сырья, равномерность температурного режима ферментации. Теплоотвод в процессе ферментации осуществляют преимущественно естественным путем за счет открытия и закрытия отверстий в верхнем укрытии.
За счет чередующегося послойного размещения органической материи и различной толщины каждого слоя отпадает необходимость в перемешивании, так как слои с относительно высоким содержанием влаги (например, из ламинарии) и менее высоким содержанием влаги (например, из зостеры) под действием силы тяжести позволяют выровнять текучесть - здесь можно использовать такую терминологию для этих слоев, как ожиженные и полуожиженные слои. Следует понимать, что влажность сырья штормовых выбросов может быть различной, обычно влажность штормовых составляет 40-98% в зависимости от времени их нахождения на берегу, состава, погодных условий и т.п. В результате, автоматически и без дополнительных затрат, выравнивается температура, скорость и процессы массопередачи при ферментации, а впоследствии выравнивается и степень кислотности. Кроме того, послойным размещением регулируется удельная скорость роста бактериальной популяции и удельная скорость отмирания микрорганизмов при высокой концентрации субстратов, а также осуществляется конкуренция за питательный субстрат, происходит непрерывное культивирование микроорганизмов.
Важным при твердой ферментации является метод непрерывного подекадного потребления готового сырья и подекадного поступления сырья на ферментацию. Строгий ежедневный учет температурного режима ферментации, контроль своевременного открытия и закрытия отверстий (колодцев), строгий учет поступления и расхода по метражу траншей, ям позволяет обеспечить жесткий и беспрерывно идущий процесс твердой ферментации круглый год независимо от погодных условий. В целом, при твердой ферментации достигается экономия энергии и материальных затрат при производстве удобрения.
Укрытие траншей и ям позволяет продлить процессы ферментации, избежать потерь при длительном хранении, вести работы по принципу непрерывного процесса ферментирования, когда свежие морские выбросы смешивают со слоями наиболее интенсивно покрытыми живыми организмами. Достигается максимальное сокращение потерь от чисто природных явлений: осадки, высокие и низкие температуры, смывы, размывы и так далее.
Желательно, чтобы влажность ферментированного сырья составляла не более 40% мас., а кислотность - pH 6,6-7,0. Как кислотность, так и влажность могут регулироваться смешиванием ферментированного сырья, имеющего различную влажность и/или кислотность.
После окончания процесса ферментации ферментированное сырье уже может использоваться в качестве самостоятельного удобрения или добавки к другому удобрению. Однако, лучше направить ферментированное сырье на окончательную обработку с целью его измельчения, окончательного выравнивания кислотности, состава и т.п., уменьшения влажности и т.п. Для такой окончательной обработки может эффективно использоваться предлагаемая установка для получения удобрения из ферментированного сырья в виде реактора-измельчителя.
Реактор-измельчитель по настоящему изобретению включает: трубчатый корпус 1 с круглым поперечным сечением и горизонтальной осью, имеющий входное окно 2 сверху с одной стороны и выходное окно 3 с другой стороны; рабочий вал 4, установленный внутри трубчатого корпуса 1 вдоль его оси в подшипниках 5; электродвигатель 6, соединенный с рабочим валом 4 с помощью муфты 7; несколько вращающихся ножей 8 с режущими кромками 9, закрепленных на рабочем валу 4 с равным шагом по его оси; несколько неподвижных ножей 10 с режущими кромками 11, установленных попарно напротив друг друга сверху и снизу в диаметральном направлении в пазах трубчатого корпуса 1 вдоль его оси с равным шагом, равным шагу установки вращающихся ножей 8. Вращающиеся ножи 8 и неподвижные ножи 10 сгруппированы в ступени так, что в одну ступень входит один вращающийся нож 8 и пара неподвижных ножей 10 сверху и снизу трубчатого корпуса 1, а число ступеней соответствует числу вращающихся ножей 8.
В опытном реакторе-измельчителе использовалось четыре-пять или семь-девять ступеней; длина трубчатого корпуса 1 составляла 90 см, а его внутренний диаметр - 40 см; использовался электродвигатель 6, имеющий мощность 5 кВт и частоту вращения 800-1500 об/мин. Трубчатый корпус 1, рабочий вал 4, ножи 8 и 10 были изготовлены из подходящей стали. Неподвижные ножи 10 выполнялись съемными. Вращающиеся ножи 8 имели форму удлиненных лопастей вентилятора для того, чтобы способствовать подаче сырья от одной ступени к другой в направлении от входного окна 2 к выходному окну 3 при вращении вращающихся ножей 8 вместе с рабочим валом 4. Зазор между режущими кромками 9 и 11 одной ступени составлял от 1 мм до 40 мм, имелась возможность регулировки такого зазора с помощью втулок, надеваемых на рабочий вал 1 между ступицами (не показаны) соседних вращающихся ножей 8. Преимущественно, чтобы зазор между режущими кромками 9 и 11 уменьшался от ступени к ступени по направлению к выходному окну 3. Ось трубчатого корпуса 1 может быть не только горизонтальной, но и быть наклоненной под острым углом к горизонтали с уклоном вниз в сторону выходного окна 3, чтобы сила тяжести способствовала перемещению обрабатываемого сырья внутри трубчатого корпуса 1. На чертеже представлен вариант закрепления вращающихся ножей 8 на рабочем валу 4, направленных радиально в одной плоскости, проходящей через ось вала, однако возможно и угловое смещение вращающихся ножей 8 по отношению друг к другу, например под углами 45°, 90°, 180° и др.
При работе реактора-измельчителя, т.е. при работающем электродвигателе 6 сырье, полученное вышеописанными процессами ферментации, загружают с помощью транспортера во входное окно 2 сверху. Сырье движется от ступени к ступени и измельчается между режущими кромками 9 и 11 ножей 8 и 10 соответственно в каждой ступени, когда режущая кромка 9 вращающегося ножа 8 проходит с высокой скоростью вблизи режущих кромок 11 неподвижных ножей той же ступени, а готовое удобрение выгружается из выходного окна 3.
Было отмечено, что при частоте вращения рабочего вала 1 менее 500 об/мин, объемы пропускаемой массы сырья были незначительны, а при увеличении дозирования поступления массы сырья происходила остановка (захлебывание) реактора-измельчителя.
При более высокой частоте вращения рабочего вала 1 свыше 1500 об/мин, резко возрастала температура сырья на выходе из реактора и практически происходило сжигание органических соединений сырья, что является недопустимым.
При использовании оптимальной частоты вращения рабочего вала 1 обороты 800-1500 об/мин, готовая продукция выходила выровненная по составу, влажности, кислотности и консистенции. При пропускании ее через сетчатый стол с диаметром отверстий 5 мм, на столе практически ничего не оставалось (т.е. отходы для повторного пропуска через реактор-измельчитель отсутствовали). Температура и влажность готового продукта являлись оптимальными, а поток сырья и готового удобрения был бесперебойным. Т.о. предлагаемая установка не только измельчает сырье до требуемого размера, но и выравнивает состав, влажность, кислотность и консистенцию сырья за счет динамических процессов внутри нее, поэтому установка была названа именно как «реактор-измельчитель».
Было также отмечено, что твердые включения зоопланктонов (например, раковины нептуней и морских гребешков, имеющие диаметр 100-180 мм) на выходе из реактора-измельчителя не обнаруживаются по причине их полного раздробления и превращения в мелкие частицы, которые равномерно перемешаны в смеси готового удобрения.
При вышеотмеченной оптимальной частоте вращения достигалась оптимальная производительность реактора-измельчителя до 1,0-1,5 т/час. При организации работы в 2-3 смены, суточная производительность реактора может быть доведена до 30-50 т.
Зависимость от влажности сырья. При ферментации на открытых площадках так же как и в траншеях, влажность сырья может быть различной, что требует регулировки работы реактора-измельчителя за счет сокращения или добавления числа ножей 8 и/или 10, изменения величины зазора между режущими кромками 9 и 11 одной ступени или нескольких ступеней, изменения шага между ножами 8 и 10, изменением частоты вращения рабочего вала 1 в пределах 800-1500 об/мин, в частности, за счет увеличения частоты вращения для переувлажненного сырья. При переработке переувлажненного сырья (свыше 40-60%) отмечалось прилипание сырья к ножам 10 и залипание готового удобрения вблизи выходного окна 3. Требовались остановка, разборка и прочистка, добавление сухого сырья, повторное пропускание сырья, остающегося на сетчатом столе. Практически, опытный оператор может не допустить этого своевременным регулированием сырья по влажности до поступления его в реактор-измельчитель.
В целом, реактор позволяет, с учетом процесса твердой ферментации, обеспечить выход 300-350 кг готового удобрения из одной тонны сырья штормовых выбросов. Полученное экологически чистое удобрение имеет содержание влаги от 25-40%, содержание органического вещества 60-70% мас., имеет кислотность pH 6,6-7,0. Массовая доля основных неорганических веществ в удобрении составляет, % мас., не менее: азот - 3,1; фосфор - 0,2; калий - 1,8; кальций - 3,2%. Кроме того, в удобрении содержатся многие важнейшие элементы, такие как железо, марганец, медь, цинк и другие.
Постоянный количественный химический анализ на содержание ПДК на тяжелые металлы и пестициды, радиологическое исследование многократно подтвердили безопасность и соответствие получаемого удобрения допускаемым нормам, в частности гигиеническим нормативам (1.1.546-96) «Гигиенические нормативы содержания пестицидов в объектах окружающей среды».
Приведенные примеры использованы только для целей иллюстрации возможности осуществления изобретения. Они не предназначены для ограничения объема правовой охраны, представленного в формуле изобретения, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен воплотить и другие пути осуществления настоящего изобретения.