СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНОЙ КОРЫ
METHOD FOR PROCESSING TREE BARK

Способ переработки древесной коры относится к области переработки древесных отходов целлюлозно-бумажного производства. Может быть реализован на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности, а также на животноводческих фермах и комплексах для получения органических удобрений из древесной коры, активного ила и навоза сельскохозяйственных животных.
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, образующуюся 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, образующующихся 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 процесс интенсификации 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; низкая производительность переработки древесной коры; все это не позволяет осуществлять переработку древесной коры в промышленных объемах, образующихся на лесоперерабатывающих предприятиях.
Достигаемый технический результат состоит в отсутствии дорогостоящих биологических и минеральных добавок, что позволяет снизить себестоимость переработки древесной коры, сокращении длительности аэробной ферментации древесной коры и повышении производительности процесса ее переработки в промышленных объемах.
Указанный технический результат достигается тем, что: в процессе смешивания измельченной древесной коры и навоза к ним добавляют активный ил, при этом соотношение компонентов смеси - измельченная древесная кора / навоз / активный ил – составляет, %: 40-45 / 45-50 / 5-10, причем смешивание измельченной древесной коры с навозом и активным илом осуществляют до достижения степени однородности смеси 90-95%, а измельчение древесной коры производят до среднего размера отдельных частиц 1-5 мм, кроме того, аэробную ферментацию смеси осуществляют при периодическом ее перемешивании, поддерживая степень ее однородности 90-95%.
Способ переработки древесной коры включает измельчение древесной коры, смешивание измельченной древесной коры с навозом сельскохозяйственных животных и активным илом, аэробную ферментацию полученной смеси при периодическом ее перемешивании.
Способ переработки древесной коры состоит из следующих операций. Древесную кору измельчают до среднего размера отдельных частиц 1-5 мм. Далее измельченную древесную кору смешивают с навозом сельскохозяйственных животных и активным илом до достижения степени однородности получаемой смеси 90-95%, при этом соотношение компонентов смеси - измельченная древесная кора / навоз / активный ил – составляет, %: 40-45 / 45-50 / 5-10, после чего производят аэробную ферментацию полученной смеси в ферментаторах при периодическом ее перемешивании, поддерживая степень ее однородности 90-95%.
Использование данной последовательности операций и технологических режимов этих операций позволяет получить новый технический результат, отличный от технического результата прототипа.
Измельчение древесной коры до среднего размера отдельных частиц 1-5 мм, смешивание измельченной древесной коры с навозом сельскохозяйственных животных и активным илом до достижения степени однородности получаемой смеси 90-95%, при соотношение компонентов смеси - измельченная древесная кора / навоз / активный ил – составляет, %: 40-45 / 45-50 / 5-10, и аэробная ферментация полученной смеси в ферментаторах при периодическом ее перемешивании, поддерживая степень ее однородности 90-95%, позволяет при наименьших материальных затратах, в кротчайшие сроки перерабатывать древесную кору с получением в качестве конечного продукта органического удобрения. При этом процесс аэробной ферментации практически не зависит от природно-климатических условий и времени года (по температуре окружающей среды). Данный процесс осуществляется в компактных автоматизированных установках - ферментаторах, в течение 3-6 суток. Все это создает условия для поточной переработки древесной коры 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).
Кроме того, одним из перспективных компонентов смеси является активный ил, образующийся при очистке сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. Активный ил представляет собой смесь биомассы аэробных микроорганизмов. В связи с чем введением в перерабатываемую смесь активного ила позволяет еще на начальном этапе аэробной ферментации создать достаточное для интенсивной переработки смеси количество аэробных микроорганизмов, что в свою очередь ведет к интенсификации процесса аэробной ферментации и сокращению длительности переработки смеси. При аэробной ферментации традиционной смеси (навоза сельскохозяйственных животных и отходов растительного и животного происхождения) ее интенсивная переработка начинается только через определенный промежуток времени, затрачиваемый на развитие и количественный рост аэробных микроорганизмов, в связи с тем, что в традиционной смеси количество аэробных микроорганизмов не достаточно для интенсивной переработки смеси.
На основании исследований, проведенных автором, с учетом результатов теоретических и экспериментальных данных, представленных в научной литературе [5, 6, 7, 8], установлено, что при соотношении компонентов смеси - измельченная древесная кора / навоз / активный ил - 40-45% / 45-50% / 5-10%, обеспечивается оптимальное соотношение азота (N) и углерода (C), а также оптимальное количество аэробных микроорганизмов, при котором процесс аэробной ферментации достигает наибольшей интенсивности, что в свою очередь ведет к сокращению длительности аэробной ферментации смеси и повышению производительности процесса переработки древесной коры. При других соотношениях компонентов достигается или излишнее содержание в смеси безазотистых органических веществ, или избыток азота, который приводит к большим потерям аммиачного азота, или чрезмерно низкое количество аэробных микроорганизмов, все это приводит к замедлению разложения смеси, что в свою очередь ведет к увеличению длительности ее переработки, а также снижению производительности процесса переработки древесной коры.
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.
Второй период - интенсивное развитие и количественный рост мезофильных, а затем и термофильных микроорганизмов, сопровождающийся выделением биологического тепла и повышением температуры перерабатываемой смеси до 30-80°С. 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 использует 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]. Интенсивность развития и количественного роста микроорганизмов, а также длительность данного периода зависят от степени однородности перерабатываемой смеси, т.к. однородность влияет на величину контакта между частицами перерабатываемой смеси и аэробными микроорганизмами [5].
На основании исследований, проведенных автором, с учетом результатов теоретических и экспериментальных данных, представленных в научной литературе [5, 6, 7, 8, 9], установлено, что смешивание древесной коры с навозом и активным илом, и периодическое перемешивание смеси древесной коры с навозом и активным илом в процессе аэробной ферментации необходимо осуществлять до достижения степени однородности смеси 90-95%, т.к. при данных значениях степени однородности достигается наибольшая интенсивность развития и количественного роста микроорганизмов, что в свою очередь ведет к сокращению длительности аэробной ферментации и повышению производительности процесса переработки древесной коры. Интенсивность развития и количественного роста микроорганизмов при степени однородности смеси менее 90% будет недостаточной для эффективной переработки древесной коры. При степени однородности более 95% начинается процесс, обратный смешиванию - сегрегация [9], т.е. частицы компонентов смеси начинают разделяться на группы по физико-механическим свойствам, в конечном счете все частицы объединятся в три группы - частицы древесной коры, навоза и активного ила, что ведет к торможению процесса аэробной ферментации. Все это в свою очередь увеличивает длительность аэробной ферментации смеси.
Третий период - окончание процесса аэробной ферментации, характеризующийся снижением температуры перерабатываемой смеси до уровня ниже 30°С.
Также необходимо отметить, что неотъемлемым условием осуществления процесса аэробной ферментации является активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов, напрямую зависящие от величины площади поверхности частиц перерабатываемой смеси, увеличение которой ведет к увеличению интенсивности переработки смеси. Достигнуть большой площади частиц перерабатываемой смеси возможно посредством измельчения [9].
На основании исследований, проведенных автором, с учетом результатов теоретических и экспериментальных данных, представленных в научной литературе [5, 6, 7, 8, 9], установлено, что средний размер отдельных частиц древесной коры при их аэробной переработке с навозом и активным илом должен соответствовать значениям из интервала 1-5 мм, т.к. достигается наиболее активный обмен веществ между частицами смеси и высокая скорость биохимических обменных процессов, что ведет к сокращению длительности аэробной ферментации и повышению производительности процесса переработки древесной коры. Обмен веществ и скорость биохимических обменных процессов частиц с размером более 5 мм будут недостаточными для эффективной переработки древесной коры. Измельчение частиц менее 1 мм экономически неэффективно, т.к. на это затрачивается очень большое количество энергии, при этом обмен веществ и скорость биохимических обменных процессов увеличиваются незначительно.
Пример технической реализации способа переработки древесной коры.
Навеску древесной коры сосны обыкновенной (взятую сразу после окорки) в количестве 12 кг измельчили в молотковой дробилке. Далее в смесители произвели смешивание навески измельченной коры с навеской навоза крупного рогатого скота в количестве 15 кг и активным илом в количестве 3 кг, при этом соотношение компонентов смеси - измельченная древесная кора / навоз / активный ил - составило 40% / 50% / 10%, до степени однородности смеси 92%. После чего полученную смесь загрузили в ферментатор, в котором осуществляли аэробную ферментацию смеси при периодическом ее перемешивании, поддерживающем степень однородности 92%. Длительность процесса переработки смеси составила чуть менее 4 суток (93 часа). 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. Загл. 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. Загл. 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.
9. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос, 1978. 560 с.