Способ обеззараживания отходов животноводства или птицеводства и получение органоминерального комплексного удобрения
METHOD FOR DECONTAMINATING LIVESTOCK OR POULTRY WASTE AND OBTAINING ORGANIC AND MINERAL COMPLEX FERTILIZER

Изобретение относится к области обеззараживания отходов (помёта) животноводства или птицеводства и создания комплексных удобрений из них для почв с различной кислотностью.
На данный момент в России насчитывается порядка пятисот птицефабрик и столько же животноводческих комплексов, и ферм. Например, одна средняя птицефабрика в среднем вырабатывает в сутки порядка ста тонн отходов (помёта), которое далее необходимо каким-то образом утилизировать. По птичьему помёту в год со всех птицефабрик получается порядка восемнадцати миллионов тонн помёта, ещё есть и свинокомплексы, фермы и иные объекты животноводства, что является серьёзной проблемой по обеззараживанию отходов для дальнейшего использования. При этом нужно сразу отметить, что птичий помёт является отличным органическим удобрением, содержащим в своём составе большой процент органических веществ и азота, а также в нём присутствует самые необходимые элементы для растений: калий и фосфор. Однако, сразу использовать помёт как удобрение не представляется возможным из-за наличия в нём патогенной микрофлоры, а также из-за высокой влажности, которая мешает хранить и эффективно вносить удобрение в почву. Кроме того, известно, что помимо минералов в почву в обязательном порядке нужно вносить органику, которая извлекается из неё вместе с растениями. Таким образом, задача по эффективному обезвреживанию помёта, его высушиванию и представлению в удобном виде для внесения в почву является кране актуальной.
8
Известен способ микробиологической переработки птичьего помета по патенту RU № 2522523, в котором используются микробиологические культуры (штамм дрожжей Candida krusei-96 и пищевые дрожжи Saccharomyces cerevisiae) разведённые в воде и вносимые в птичий помёт. Штамм дрожжей Candida krusei-96 и пищевые дрожжи Saccharomyces cerevisiae берут в соотношении 1:1 с титром 10 KOE/мл. Микробные культуры вносят в количестве 2 мл на тонну помёта однократно с последующей послойной укладкой птичьего помёта с добавлением до 20% влагопоглощающего материала. Через 20 суток значительно снижалось количество микрофлоры, но не полностью (обнаружено менее 10 клеток/г Бактерии группы кишечной палочки и Энтерококки). В конечном счёте микроорганизмы разлагают птичий помёт и превращают его в органическое удобрение, внесение в почву которого составляет порядка 3-9 т/Га.
Недостатками способа является недостаточное обеззараживание, так как согласно ГОСТ 33379-2015 на органические удобрения наличие микроорганизмов не допускается, а использование дрожжей, требует дополнительно особых условий хранения и продолжительного времени переработки помёта (более 20 суток), кроме того, требуется очень высокая норма внесения удобрения – 3-9 т/Га.
2
Известен способ получения органоминеральных удобрений и технологическая линия для его осуществления, патент RU № 2420500C1, который включает смешение каустобиолитов угольного ряда с минеральными удобрениями, щелочами, лигноцеллюлозной составляющей и высокотоксичными отходами сельскохозяйственного производства, обеззараживание, обезвоживание и передачу на гранулирование. Обеззараживание по способу происходит следующим образом. Бактериальная флора, находящаяся в обрабатываемой смеси или суспензии, служит центрами образования кавитационных пузырьков. При попадании смеси или суспензии в зону пониженного давления она вскипает, а у бактерий, яиц и гельминтов, оказавшихся в центре или рядом с образовавшимся кавитационным пузырьком, под воздействием разности давлений внутри них и окружающем пространстве происходит полное или частичное разрушение оболочки. Обезвоживание удобрения производят с использованием распыления в вакуумную камеру с остаточным давлением 0,1-0,2 кг/см.
Недостатком способа является недостаточно эффективное обеззараживание, т.к. происходит полное или частичное разрушение оболочки (получается неоднозначный и негарантированный результат), не приведены в описании конечные данные по обеззараживанию получаемого удобрения, и не представлены иные характеристики получаемого удобрения. К недостаткам способа так же можно отнести сложность технологического процесса и применяемого оборудования (всего 41 устройство, включая кавитационный диспергатор, установку для вакуумного обезвоживания органоминеральной суспензии, конденсатор, сборник конденсата, вакуумный насос), многостадийность и энергозатратность.
Известен способ получения органоминеральной основы для получения комплексных органоминеральных удобрений, патент № RU 2690446, взятый в качестве ближайшего аналога, в котором, используется порошок крупностью менее 60 мкм преимущественно содержащий одно-двух водный сульфат магния или вещество преимущественно содержащее одно-двух водный сульфат магния и отходы животноводства и/или птицеводства. Компоненты смешиваются в пропорции 2:1-1:2 в зависимости от влажности в смесителе из стали в течении 5-15 минут. Полученную смесь гранулируют и упаковывают в герметичную тару. При необходимости к полученной смеси добавляют иную минеральную компоненту, которую тщательно перемешивают перед гранулированием. Для нейтрализации смеси добавляют также не менее 10% от общей массы мелкодисперсный мел или известь.
Недостаток известного способа заключается в недостаточно эффективном обеззараживании, так как в процессе смешивания сульфата магния с куриным помётом происходит только частичное обезвоживание, уменьшение влаги, кроме того, в описании не представлены сведения по обеззараживанию получаемого удобрения, не приведены сведения по биологической безопасности способа.
Задача предлагаемого технического решения заключается в повышении качества обеззараживания отходов животноводства или птицеводства, при снижении класса опасности получаемой основы до 4 уровня, и получение комплексного органоминерального удобрения.
Технический результат обеспечивается путём химического связывания молекул воды отходов, попаданием вещества (реагента), содержащим сульфат магния и железа вовнутрь через поры с последующим химическим связыванием воды и образованием кристалликов соли, которые разрушают плазматические мембраны микроорганизмов как изнутри, так и снаружи, а за счёт термохимического нагрева происходит пастеризация комплексного органоминерального удобрения. Кроме того, благодаря высокой кислотности применяемого вещества, происходит подкислении среды до рН порядка 4, что приводит к практическому прекращению развития большинства бактерий. Перечисленные факторы являются губительными для патогенной микрофлоры.
4
4
2
4
4
2
Поставленная задача достигается тем, что способ обеззараживания отходов животноводства или птицеводства включает смешивание компонентов: органических отходов животноводства и/или птицеводства с реагентом, с дисперсностью от 50 до 200 мкм, с последующим вылёживанием до завершения процесса обеззараживания. В качестве реагента используют минеральное вещество, включающее в себя безводный и/или одноводный сульфат магния (MgSO/ MgSO*HO) и безводный и/или одноводный сульфат железа (FeSO/ FeSO*HO). Минеральное вещество предпочтительно использовать с кислотностью pH 3-4,5, а процесс смешивания осуществлять в течение времени не менее 10 минут. Предпочтительно полученную основу гранулировать до размеров 1-5 мм для повышения транспортабельности, хранения и удобства внесения в почву. Предпочтительно соотношение компонентов выбирать исходя из первичной влажности органических отходов для последующего обезвоживания и/или обеззараживания получаемого продукта до рассыпчатого состояния.
Поставленная задача по получению обеззараженного и высококачественного органоминерального комплексного удобрения, включает все стадии обеззараживания при дополнительном опудривании гранул минеральным веществом. Предпочтительно опудривание гранул осуществлять тонкомолотым минеральным веществом, содержащим магний (например, серпентинит) и/или калий (например, сильвин/хлористый калий) и/или кальций (например, монокальцийфосфат или мел/карбонат кальция) и/или фосфор (например, монокальцийфосфат) и/или азот (например, карбамид). Предпочтительно тонкомолотое минеральное вещество выбирать с размерами частиц не более 55 мкм.
Важными и существенными отличиями предлагаемого способа является следующее:
1. Использование реагента – тонкодисперсного минерального вещества, действующей компонентой в котором являются безводный и/или одноводный сульфат магния и безводный и/или одноводный сульфат железа.
2. В качестве реагента используется тонкодисперсный минерал, размер частиц которого составляет 50 – 200 мкм.
3. В качестве реагента используется минеральное вещество с кислотностью pH 3-4,5.
4. Соотношение реагент: отход (помёт) подбирается эмпирическим путём, исходя из первичной влажности отхода (помёта) так, чтобы после смешивания происходило полное обезвоживание отхода (помёта).
5. Рабочее Время смешивания реагента с отходами (помётом) составляет 15-20 мин.
6. Во время смешивания и на протяжении последующего времени, в течение не менее 12 часов после смешивания реагента с отходами (помётом), происходит реакция до полного обеззараживания отходов животноводства/птицеводства:
А) за счёт обезвоживания (химического связывания молекул воды) отходов (помёта). Непосредственные причины гибели бактерий и вирусов обусловлены попаданием сульфата магния и железа вовнутрь через поры с последующим химическим связыванием воды и образованием кристалликов соли, которые разрушают плазматические мембраны микроорганизмов как изнутри, так и снаружи;
Б) за счёт термохимического нагрева отходов (помёта). Известно, что, при температуре 63   – 65°C в течение 30 – 40 минут происходит пастеризация (уничтожение вегетативных форм микроорганизмов),
В) за счёт высокой кислотности pH 3-4,5 реагента. Известно, что при подкислении среды до рН 4, развитие большинства бактерий практически прекращается.
7. Полученную смесь гранулируют в гранулы размером 1-5 мм,
8. Для варьирования кислотности полученные гранулы опыляют тонкомолотым минеральным веществом с кислотностью pH 8,5-12,
9. Для получения комплексного удобрения осуществляют насыщение органоминеральной основы при помощи опыления минерами, содержащими иные химические элементы, чем гранулы, т.е. включающими важные дополнительные элементы, например, фосфор, или такие же элементы как в получившихся по способу гранулах, но с целью повысить их концентрацию – азот, калий, кальций, магний.
Описание процесса осуществления способа.
4
4
2
4
4
2
В качестве реагента (компонент 1) берётся дисперсное минеральное вещество с размером частиц 50 – 200 мкм и кислотностью 3-4,5, действующей компонентой в котором являются безводный и/или одноводный сульфат магния (MgSO/ MgSO*HO) и безводный и/или одноводный сульфат железа (FeSO/ FeSO*HO). В качестве отхода (компонент 2) берётся отход животноводства/птицеводства в виде помёта. Оба компонента помещаются в механический смеситель и интенсивно перемешиваются в течении 16-20 мин. Соотношение компонентов подбирается эмпирическим путём, исходя из первичной влажности компонента 2 так, чтобы после смешивания происходило обезвоживание компонента 2, визуально он превращался бы в рассыпчатую сухую массу.
4
2
4
2
4
2
4
2
7
7
Во время смешивания компонентов, за счёт экзотермической реакции, происходит разогрев смеси до 50-70 ºС (разница температур между до и после смешивания составляет 30-50 ºС), возникающий при химическом связывании безводным и/или одноводным сульфатом магния и железа воды в отходе (помёте). Высокая температура может продержаться более 1 часа в зависимости от условий окружающей среды. В результате химической реакции связывания молекул воды безводный и/или одноводный сульфат магния и железа переходят в 7-и водный MgSO·HO и FeSO·HO и/или в 11-и водный MgSO·11HO и FeSO·11HO. Результатом процесса также является обеззараживание (уничтожение патогенной микрофлоры) за счёт обезвоживания отходов (помёта), за счёт термохимического нагрева отходов (помёта), за счёт высокой кислотности реагента (pH 3-4,5). Известно, что при подкислении среды до рН 4 развитие большинства бактерий практически прекращается. Непосредственные причины гибели бактерий и вирусов обусловлены попаданием сульфата магния и железа вовнутрь через поры с последующим химическим связыванием воды и образованием кристалликов соли, которые разрушают плазматические мембраны микроорганизмов как изнутри, так и снаружи. Перечисленные факторы являются губительными для патогенной микрофлоры. Окончательный процесс обезвоживания и обеззараживания заканчивается через сутки (24 часа) после смешивания компонент, когда большинство всех биохимических процессов практически прекращается.
После смешения компонентов, при необходимости, осуществляют гранулирование в гранулы размером 1-5 мм. Кроме того, гранулы удобно и технологично хранить, перевозить и вносить в почву.
Полученная основа имеет низкую кислотность (рН 3,5-5,5). Для варьирования кислотности гранулы основы для удобрения при необходимости опыляют тонкомолотым минеральным веществом, а именно: монокальцийфосфат, серпентинит, либо мел с кислотностью pH 8,5-12, после чего кислотность гранул снижается до величины рН 6,0-7,5. При необходимости для насыщения органоминеральной основы иными элементами гранулы опыляют тонкомолотым минералом, содержащим данные элементы.
Для технической реализации заявляемого способа по существу необходим механический смеситель, массовый дозатор и при необходимости гранулятор.
В результате смешения исходных компонент получается одновременно обеззаразить отходы (помёт) животноводства/птицеводства и гранулировать органоминеральную основу для получения комплексного удобрения, содержащего различные макро и микроэлементы.
Рекомендуемая норма внесения, получаемого по данному способу комплексного удобрения, составляет не более 1 т/Га, однако, специалист может самостоятельно рассчитать норму внесения удобрения исходя из конкретной с/х культуры, почвы и региона.
Получаемое комплексное удобрение после прохождения стадии обеззараживания относится к малоопасным, практически неопасным веществам (4-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007), а с точки зрения комплексных удобрений соотносится с ГОСТ Р 50611-93 «Удобрение комплексное органоминеральное».
Для подтверждения предлагаемого способа приведены примеры с использованием отходов разных птицефабрик.
Пример 1.
В качестве компонента №1 (реагента) взяли минерал, содержащий сульфат магния и сульфат железа, массой 50 кг с кислотностью 3,68 и следующего химического состава согласно рентгено-флуоресцентному анализу (основные элементы):
3
SO – 56,086%,
2
SiO – 27,107%,
MgO – 10,005%,
2
3
FeO – 4,26%,
CaO – 0,885%,
2
KO – 0,672%.
В качестве компонента №2 (отхода) использовали птичий помёт с Рефтенской птицефабрики (Свердловская область) массой 63 кг влажностью 73% и кислотностью 7,3.
Смешение компонентов происходило в двухвальном смесителе типа СГУ из нержавеющей стали в течении 20 минут. Далее смесь подавалась в барабанный гранулятор с наклонной осью, и через 15 минут гранулированную смесь выгружали в приёмную ёмкость. В течение 24 часов основа для удобрения вылёживалась и после этого был произведён микробиологический анализ в аккредитованной лаборатории, который показал отсутствие патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, следовательно, оно было готово к применению.
Агрохимические показатели полученного удобрения представлены в таблице 1.
Пример 2.
В качестве компонента №1 (реагента) взяли минерал, содержащий сульфат магния и сульфат железа, массой 50 кг с кислотностью 3,68 и следующего химического состава согласно рентгено-флуоресцентному анализу (основные элементы):
3
SO – 56,086%,
2
SiO – 27,107%,
MgO – 10,005%,
2
3
FeO – 4,26%,
CaO – 0,885%,
2
KO – 0,672%.
В качестве компонента №2 (отхода) использовали птичий помёт с Кунашакской птицефабрики (Челябинская область) массой 51 кг, влажностью 66% и кислотностью 4,5.
Смешение компонентов происходило в двухвальном смесителе типа СГУ из нержавеющей стали в течении 18 минут. Далее смесь подавалась в барабанный гранулятор с наклонной осью, и через 15 минут гранулированную смесь выгружали в приёмную ёмкость. В течение 24 часов основа для удобрения вылёживалась и после этого был произведён микробиологический анализ в аккредитованной лаборатории, который показал отсутствие патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, следовательно, оно было готово к применению. Агрохимические показатели полученного удобрения отражены в таблице 1.
Пример 3.
В качестве компонента №1 (реагента) взяли минерал, содержащий сульфат магния и сульфат железа, массой 33 кг с кислотностью 3,68 и следующего химического состава согласно рентгено-флуоресцентному анализу (основные элементы):
3
SO – 56,086%,
2
SiO – 27,107%,
MgO – 10,005%,
2
3
FeO – 4,26%,
CaO – 0,885%,
2
KO – 0,672%.
В качестве компонента №2 (отхода) использовали птичий помёт с Голышмановской птицефабрики (Тюменская область) массой 49 кг, влажностью 37,6% и кислотностью 4,4.
Смешение компонентов происходило в двухвальном смесителе типа СГУ из нержавеющей стали в течении 16 минут. Далее смесь подавалась в барабанный гранулятор с наклонной осью, и через 15 минут гранулированную смесь выгружали в приёмную ёмкость В течение 24 часов основа для удобрения вылёживалась и после этого был произведён микробиологический анализ в аккредитованной лаборатории, который показал отсутствие патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, следовательно, оно было готово к применению. Агрохимические показатели полученного удобрения отражены в таблице 1.
Пример 4.
В качестве компонента №1 (реагента) взяли минерал, содержащий сульфат магния и сульфат железа, массой 50 кг с кислотностью 3,68 и следующего химического состава согласно рентгено-флуоресцентному анализу (основные элементы):
3
SO – 56,086%,
2
SiO – 27,107%,
MgO – 10,005%,
2
3
FeO – 4,26%,
CaO – 0,885%,
2
KO – 0,672%.
В качестве компонента №2 (отхода) использовали птичий помёт с Кунашакской птицефабрики (Челябинская область) массой 51 кг, влажностью 66% и кислотностью 4,5.
Смешение компонентов происходило в двухвальном смесителе типа СГУ из нержавеющей стали в течении 18 минут. Далее смесь подавалась в барабанный гранулятор с наклонной осью. С этого момента  начинается стадия опудривания,  через 10 минут в количестве 6 кг через дозатор в барабан подавался минерал (термоактивированный серпентинит) с кислотностью 9,9 и средним размером частиц 50 мкм. Через 5 минут гранулированную и смесь, опудренную термоактивированным серпентинитом выгружали в приёмную ёмкость. В течении 24 часов полученное комплексное удобрение вылёживалось и после этого был произведён микробиологический анализ в аккредитованной лаборатории, который показал отсутствие патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, следовательно, оно было готово к применению. Агрохимические показатели полученного удобрения отражены в таблице 1.
Пример 5.
В качестве компонента №1 (реагента) взяли минерал, содержащий сульфат магния и сульфат железа, массой 50 кг с кислотностью 3,68 и следующего химического состава согласно рентгено-флуоресцентному анализу (основные элементы):
3
SO – 56,086%,
2
SiO – 27,107%,
MgO – 10,005%,
2
3
FeO – 4,26%,
CaO – 0,885%,
2
KO – 0,672%.
В качестве компонента №2 (отхода) использовали птичий помёт с Кунашакской птицефабрики (Челябинская область) массой 51 кг, влажностью 66% и кислотностью 4,5.
Смешение компонентов происходило в двухвальном смесителе типа СГУ из нержавеющей стали в течении 18 минут. Далее смесь подавалась в барабанный гранулятор с наклонной осью. Далее проводился процесс опудривания, т.е.  через 10 минут в количестве 6 кг через дозатор в барабан подавалось минеральное удобрение монокальцийфосфат со средним размером частиц 55 мкм. Через 5 минут гранулированную и опудренную смесь выгружали в приёмную ёмкость. В течение 24 часов основа удобрения вылёживалась и после этого был произведён микробиологический анализ в аккредитованной лаборатории, который показал отсутствие патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, следовательно, оно было готово к применению.
Полученные гранулы, опудренные тонкомолотым минеральным веществом, содержащим магний (например, серпентинит) и/или калий (например, сильвин/хлористый калий) и/или кальций (например, монокальцийфосфат или мел/карбонат кальция) и/или фосфор (например, монокальцийфосфат) и/или азот (например, карбамид), в результате указанного процесса представляют из себя комплексное удобрение, которое легко транспортируется и длительное время сохраняется.
Агрохимические показатели полученного удобрения отражены в таблице 1.
В таблице 1 представлены агрохимические показатели примеров по ГОСТ Р 50611-93 «Удобрение комплексное органоминеральное» и представлены соответствующие значения из этого ГОСТ, данный ГОСТ относится к комплексным органоминеральным удобрениям. На конечные параметры удобрения при прочих равных условиях влияют в первую очередь параметры исходного сырья, помёта (влажность, кислотность, содержание органики и микроэлементов), которые зависят в том числе от места происхождения отходов/помёта.
Из представленной таблицы видно, что получаемые значения соответствуют ГОСТ и самое важное, что использованный отход -помёт был обеззаражен во всех приведенных примерах. Наиболее интересные по показателям – это примеры 4 и 5, где используется дополнительная добавка в виде опудривания гранул. В примере 5 гранулы опудривались монокальцийфосфатом, что позволило существенно повысить концентрацию фосфора, необходимо отметить, что в примерах 1 и 3 органики достаточно высокое содержание, следовательно, их тоже возможно использовать и в качестве основы для удобрения и в качестве самого удобрения.
В смесь реагента и отхода помёта входит большое количество минеральной компоненты (реагента), поэтому содержание органики меньше в конечном удобрении. Такая же ситуация и с гуминовыми кислотами, которые привязаны к органике, т.к. это органические кислоты, поэтому логично, что с уменьшением органики уменьшается и содержание гуминовых кислот.
Таким образом, по представленному способу эффективно и технологично в короткий срок были обезврежены отходы (птичий помёт) с различных птицефабрик и получено комплексное органоминеральное удобрение. Рекомендуемая норма внесения, получаемого по данному способу комплексного органоминерального удобрения составляет не более 1 т/Га, но в конечном итоге агрономом подбирает его дозы на основании конкретной сельскохозяйственной культуры, почвы и региона, для которого требуется подкормка.
Таблица 1. Сводная сравнительная таблица примеров.
Пример
ГОСТ Р 50611-93 «Удобрение комплексное органоминеральное»
№1
№2
№3
№4
№5
Происхождение помёта
Рефтенская птицефабрика (Свердловская область)
Кунашакская птицефабрика (Челябинская область)
Голышмановская птицефабрика (Тюменская область)
Кунашакская птицефабрика (Челябинская область)
Кунашакская птицефабрика (Челябинская область)
Влажность помёта, %
73
66
67
66
66
-
Массовая доля органического вещества в помёте (в пересчете на сухое вещество), %
43
32,5
44
32,5
32,5
40-95
рН помёта
7,3
4,5
5
4,5
4,5
6,0-7,5
Показатель удобрения поГОСТ Р 50611-93
Массовая доля органического вещества (в пересчете на сухое вещество), %
16,5
20
18,5
26,5
21,2
40-95
Массовая доля гуминовых кислот (в пересчете на сухое вещество), %
<5
<5
<5
<5
<5
Не менее 10
Массовая доля общего азота (в пересчете на сухое вещество), %
1,2
1,1
1,6
1,6
1,2
Не менее 0,9
Массовая доля аммиачного азота (в пересчете на сухое вещество), %
0,7
0,6
0,4
0,94
0,5
Не менее 0,4
Массовая доля фосфорного ангидрида (Р<sub>2</sub>О<sub>5</sub>) (в пересчете на сухое вещество), %
0,5
0,5
0,3
0,8
2,9
Не менее 0,9
Массовая доля оксида калия (K<sub>2</sub>О) (в пересчете на сухое вещество), %
0,2
0,2
0,3
0,7
0,2
Не менее 0,1
рН
3,8
3,8
3,5
6,3
6,0
6,0-7,5
Патогенная микрофлора
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Яйца гельминтов
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие