СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЕ СЫРЬЕ
METHOD FOR PROCESSING ORGANIC WASTES IN ENVIRONMENTALLY FRIENDLY RAW MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к способам переработки органических отходов и может быть использовано для получения экологически чистого сырья, например, для удобрений, кормов или кормовых добавок, для утилизации органических отходов.
Известен способ переработки органических отходов животного происхождения в биогумус и кормовой белок по заявке на изобретение №97104014 (МПК C05F 3/00, опубл. 10.11.98). В данном способе питательную смесь готовят путем смешивания отходов животного происхождения в виде навоза и птичьего помета, а также компонентов, имеющих питательную и удобрительную функцию. Гранулируют и укладывают в емкость для компостирования, вносят в питательную смесь червей и/или их коконов, компостируют в условиях парникового эффекта, отделяют червей от полученного биогумуса. Полученный биогумус разделяют на коконы и три фракции.
К недостаткам данного способа следует отнести недостаточную производительность, обусловленную необходимостью длительного компостирования. Кроме того, процесс обеззараживания основан на деятельности червей, что требует наличия больших площадей, маточного поголовья червей, предварительного выдерживания червей в питательной смеси. Глубокая степень обеззараживания невозможна, поскольку нет возможности управлять деятельностью червей. Так же, продукты нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком оказывают токсическое воздействие на червей, вплоть до их гибели (токсическое действие избытка фосфатов аммония, так же самого аммония в виде водного раствора аммиака, как продукта гидролиза этих солей), что приводит к уменьшению степени обеззараживания.
Наиболее близким к предлагаемому способу, является способ обработки органических отходов по заявке на изобретение №2013145625 (МПК C05F 11/08, опубл. 10.05 2015). Органические отходы в данном способе предварительно доводят до содержания твердых веществ от 15 до 40%. Добавляют к органическому материалу дезодорирующий агент с образованием смеси. Добавляют к смеси кислоту при первом давлении и повышенной температуре и аммиак при втором давлении и повышенной температуре. Производят обработку сжиженной смеси с образованием удобрения.
4
2
К недостаткам данного способа следует отнести высокую себестоимость и энергоемкость, обусловленные необходимостью поддержания двух разных температурных режимов и избыточного давления. По сути это автоклавирование, в процессе которого происходит разрушение белковых соединений, составляющих основу пищевой цепи ризосферной микрофлоры почвы. Использование серной кислоты приведет к образованию балластного вещества в составе удобрения, гипса (CaSO⋅5HO), сера и кальций из которого не усваивается растениями, что существенно снизит эффективность полученного из такого сырья удобрения. В способе также предлагается не удалять из органического материала пластмассу и волокна. Поливинилхлоридные полимеры в составе конечного удобрения приведут к загрязнению почвы, например, хлорорганическими соединениями, обладающими широким спектром токсического воздействия.
Задача (технический результат) предлагаемого изобретения - расширение арсенала средств для переработки органических отходов.
Поставленная задача решается тем, что способ переработки органических отходов включает подготовку и обработку органического материала. Согласно предлагаемому изобретению подготовку осуществляют измельчением и перемешиванием органических отходов до получения однородной массы с размером твердых частиц 0,1-5,0 мм и условной влажности с коэффициентом Ж/Т (жидкостный модуль) более 0,1. Обработку осуществляют путем обеззараживания и нейтрализации полученной однородной массы органических отходов. Обеззараживание осуществляют добавлением в однородную массу органических отходов раствора перекиси водорода и минеральной кислоты или кислот, в суммарном количестве 0,1-50% от массы органических отходов, причем, суммарный водородный показатель раствора перекиси водорода и минеральной кислоты или кислот рН равен 0,5-6,0. Затем осуществляют перемешивание, измеряют окислительный потенциал смеси и продолжают перемешивание до изменения окислительного потенциала более 0,1 В от исходного. Нейтрализацию осуществляют добавлением в обеззараженную смесь органических отходов природных или синтетических карбонатов или минеральной щелочи и перемешиванием до получения в пресс-фильтрате или фильтрате пульпы смеси водородного показателя рН 6,0-7,0.
Использование для обеззараживания раствора перекиси водорода и минеральной кислоты обеспечивает высокую степень обеззараживания. Это объясняется свойствами перекиси водорода. В диапазоне рН 7,0-14,0 она проявляет себя как восстановитель. В диапазоне рН 0-7,0 она ведет себя как очень сильный окислитель, по механизму действия образующий гидроксил-радикалы, обладающие большой активностью и сильным окислительным эффектом, что обусловлено воздействием атомарного кислорода, входящего в гидроксил-радикал. Гидроксил-радикалами и обусловлены окислительные свойства перекиси водорода, обеспечивающие уничтожение патогенных микроорганизмов за счет окислительной деструкции их клеточных оболочек (мембран). Таким образом, патогенные микроорганизмы теряет возможность сообщения с питательной средой и тем самым теряет жизненную активность. Экспериментальные исследования показали, что чем выше в растворе (пульпе) концентрация ионов водорода и концентрация перекиси водорода, тем выше окислительный потенциал раствора и, тем самым, выше концентрация гидроксил-радикалов, концентрация которых в кислой среде увеличивается на порядки, что гарантирует очень глубокую степень протекания окислительных процессов. Предварительная обработка органических отходов до получения однородной массы с размером частиц от 0,1 до 5,0 мм и условной влажностью с коэффициентом Ж/Т не менее 0,1 обеспечивает увеличение поверхности контакта окислителя с обрабатываемым материалом, что также увеличивает глубину степени обеззараживания. Достаточность обеззараживания определяется по изменению окислительного потенциала смеси. Длительность процесса обеззараживания зависит от концентрации и количества раствора перекиси водорода и кислоты. При меньшей массовой доле раствора перекиси водорода и кислоты и малой их концентрации требуется большая длительность процесса. При большей массовой доле раствора перекиси водорода и кислоты и большей их концентрации требуется значительно меньшее время с гарантированным обеззараживанием.
2
2
Для получения экологически безопасного продукта после обработки органических отходов требуется нейтрализация используемых для обеззараживания кислот. С этой целью в предлагаемом способе в обеззараженную смесь добавляют природные или синтетические карбонаты или минеральную щелочь и перемешивают до получения водородного показателя рН 6,0-7,0. Добиваясь оптимизации показателя рН, мы тем самым усиливаем восстановительные свойства перекиси водорода, которая разлагаться от следовых количеств загрязнителей, таких, как оксиды и соли железа, марганца, меди и других оксидов и солей переходных металлов, выступающих в роли катализаторов разложения перекиси водорода (НО) на кислород и воду.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Измельчают и перемешивают органические отходы до получения однородной массы с размером твердых частиц 0,1-5,0 мм и условной влажности с коэффициентом Ж/Т более 0,1. В однородную массу органических отходов добавляют раствор минеральной кислоты с перекисью водорода с водородным показателем рН 0,5-6,0 в количестве 0,1-50,0% от массы органических отходов. Затем осуществляют перемешивание, измеряют окислительный потенциал смеси и продолжают перемешивание. в процессе протекания окислительных реакций происходит обеззараживание органических отходов. Перемешивание продолжают до изменения окислительного потенциала более 0,1 В от исходного. Окислительный потенциал более 0,1 В от исходного свидетельствует о достаточности степени обеззараживания, поэтому дальнейшее проведение процесса обеззараживания нецелесообразно. В обеззараженную смесь органических отходов добавляют природные или синтетические карбонаты или минеральную щелочь и перемешивают до получения в пресс-фильтрате или в фильтрате пульпы смеси водородного показателя рН 6,0-7,0.
В зависимости от назначения последующего использования полученное после переработки экологически чистое сырье можно подвергнуть дальнейшей обработке: сушке, формованию и т.д.
Предлагаемый способ может использоваться, например, для получения удобрений, кормов или кормовых добавок, для утилизации органических отходов. Простота использования, сохранение полезных веществ, экологичность, позволяют использовать предлагаемый способ наряду с уже существующими в различных отраслях.
Предлагаемое изобретение поясняется примерами конкретного выполнения.
Пример 1.
Для обработки приготовили модельную смесь из птичьего помета и свиного навоза в весовом соотношении 1:1. Используя лабораторную мешалку смесь гомогенизировали при оборотах мешалки 250 об/мин в течение 2 часов, определили массовую долю влаги в полученном продукте, которая составила величину 22%. Далее провели исследования на наличие патогенной микрофлоры исходного (необработанного) образца в соответствии с нормативными документами: «Инструкция по лабораторному контролю очистных сооружений на животноводческих комплексах», М., 1980, и «Инструкция по проведению ветеринарной дезинфекции объектов животноводства», М., 1989. Паразитологическое исследование образца проводим по ГОСТ 25383-82.
11
Уровень бактерий группы кишечной палочки (БГКП) в образце составил 7 lg. Уровень количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (МАФАнМ) составил 1,2×10 КОЕ/г. (колонии, образующие единицы, на грамм). В образце выявлено наличие бактерий рода Salmonella, Bacillus, Staphylococcus, Enterococcus а так же грибки рода Candida. Выявлено содержание 10500 ооцист Eimeria в 1 грамме.
Ход работы:
Для эффективной стерилизации модельной смеси, довели влажность образца дистиллированной водой до уровня 30%. Для чего к 100 г модельной смеси добавили 11,4 г дистиллированной воды и перемешали лабораторной мешалкой IKA Eurostar 100 Digital в течение 1 часа при оборотах мешалки 250 об/мин. Уровень влажности образца готовой смеси контролировали по ГОСТ 26713-85, который показал расчетную величину 30%.
2
2
3
Приготовили раствор для дезинфекции и дезинвазии модельной смеси. Приготовление рабочего раствора проводили при комнатной температуре (+24°С). Использовали 2,93 г 38% раствора НО, в который добавили 0,22 г 60% HNO и перемешали используя стеклянную палочку.
нач
кон
нач
кон
Сразу после перемешивания добавили полученный раствор в модельную смесь. Перемешивание смеси производили лабораторным гомогенизатором в течении 3 минут при температуре +24°С при оборотах мешалки 250 об/мин. Отобрали пробу материала, произвели отделение пресс-фильтрата и определили окислительный потенциал пресс-фильтрата. Окислительный потенциал пресс-фильтрата составил величину Е=+1,46 В. Перемешивание продолжали в течение 25 минут при оборотах мешалки 250 об/мин. Затем снова отобрали пробу материала, произвели отделение пресс-фильтрата и определили окислительный потенциал пресс-фильтрата. Окислительный потенциал пресс-фильтрата составил величину Е=+1,31 В. Определили изменение окислительного потенциала (Е- Е=+0,11 В), свидетельствующее о достаточности обеззараживания.
4
3
После чего в смесь внесли навеску 0,4 г бикарбоната аммония (NHHCO) для нейтрализации и продолжили перемешивание смеси в течение 10 минут при оборотах мешалки 250 об/мин. Отобрали пробу материала, произвели отделение пресс-фильтрата и определили водородный показатель рН пресс-фильтрата, который составил величину рН=7,0.
Отобрали образец полученного сырья для оценки качества обеззараживания. Исследование проводили согласно нормативной документации: «Инструкция по лабораторному контролю очистных сооружений на животноводческих комплексах», М., 1980. и «Инструкция по проведению ветеринарной дезинфекции объектов животноводства», М., 1989. Паразитологическое исследование образца проводим по ГОСТ 25383-82.
После проведенного обеззараживания образца модельной смеси получены следующие санитарные показатели:
1. уровень БГКП, энтерококков, стафилококков, Bacillus - отсутствие;
3
3
2. уровень мезофильные аэробные и факультативно анаэробные микроорганизмы (МАФАнМ) - 2,7×10 КОЕ/г (при нормативе 20,0×10 КОЕ/г);
3. яйца и личинки гельминтов - отсутствие;
4. цисты кишечных простейших - отсутствие.
Результаты исследования (в пересчете на абсолютно сухой продукт) представлены в Таблице.
Пробу переработанного образца модельной смеси высушили в сушильном шкафу при температуре 110°С, озолили в муфельной печи при температуре 550°С. Пробу полученной золы отправили на спектральный анализ в химическую лабораторию. По результатам спектрального анализа в пробе золы не выявлено наличие элементов, обладающих токсическим действием (соединения бериллия, кадмия, ртути, сурьмы, мышьяка, таллия и др.). Также не выявлено наличие тяжелых металлов.
Пробу переработанного образца модельной смеси подвергли дозиметрическому контролю, используя общевойсковой дозиметр ДП-5А. По данным дозиметрического контроля радиация в образце отсутствует.
Результаты исследования (в пересчете на абсолютно сухой продукт) представлены в Таблице.
Приведенные в Таблице данные по микробиологическим исследованиям и результаты спектрального и дозиметрического контроля показывают, что конечный продукт безвреден для окружающей среды, то есть является экологически чистым.
Пример 2.
нач
кон
нач
кон
В вакуумный смеситель объемом 0,5 м, снабженный лопастной мешалкой пропеллерного типа и рубашкой для нагрева, загрузили 323 кг птичьего помета с влажностью 36,0%. Включили мешалку и произвели гомогенизацию помета в течение 5 минут при оборотах мешалки 500 об/мин и в течение 5 минут при оборотах 1200 об/мин. При выключенной мешалке в смеситель добавили 15,0 кг 38% раствора перекиси водорода, 3,0 кг 50% водного раствора азотной кислоты и 3,0 кг 50% водного раствора ортофосфорной кислоты. Включили перемешивание смесителя и смесь перемешивали в течение 3 минут при оборотах мешалки смесителя 500 об/мин. Из смесителя отобрали пробу материала, поместили в хлориновую фильтр-ткань и на лабораторном винтовом прессе произвели отделение пресс-фильтрата. Пресс-фильтрат направили в лабораторию для определения окислительно-восстановительного потенциала по отношению к стандартному водородному электроду. Окислительный потенциал пресс-фильтрата составил величину Е=+1,46 В. Далее включили перемешивание смесителя и смесь дополнительно перемешивали в течение 20 минут при оборотах мешалки 500 об/мин. Из смесителя отобрали пробу материала и произвели отделение пресс-фильтрата. Пресс-фильтрат проанализировали в лаборатории на стандартном лабораторном рН метре для определения окислительного потенциала. Окислительный потенциал пресс-фильтрата составил величину Е=+1,32 В (Е- Е=+0,14 В). В смеситель добавили 2,9 кг измельченного мела пищевого с влажностью 14%. Включили перемешивание смесителя и смесь перемешивали в течение 5 минут при оборотах мешалки 500 об/мин. Из смесителя отобрали пробу материала, выделили пресс-фильтрат и проанализировали на стандартном рН метре на величину рН. Показатель рН пресс-фильтрата составила величину 6,48. В рубашку вакуумного смесителя подали теплоноситель (вода) с температурой 63°С, включили вакуумирование до остаточного давления 5,3 кРа (40 мм рт.ст.) и при оборотах мешалки 500 об/мин произвели подсушивание содержимого смесителя в течение 2 часов. После сушки и охлаждения продукта до комнатной температуры произвели взвешивание полученного продукта. Вес полученного продукта составил величину 268,4 кг с остаточной массовой долей влаги 21%. Полученный продукт представляет собой серую однородную пластичную массу без запаха. На роторном грануляторе произвели гранулирование полученного продукта (диаметр гранул 4,0-4,2 мм). После гранулирования вес продукта в виде гранул составил 235,4 кг, остаточная массовая доля влаги в гранулах 10,4%.
Полученный гранулированный продукт был применен в виде основного удобрения на площади 0,03 га (доза 7,85 т/га) по культуре картофеля сорта «Луговской». Урожайность опытной делянки в пересчете на гектар составила 25,6 т/га. По сравнению с контрольной делянкой, без внесения данного удобрения, с урожайностью 17,1 т/га, прибавка урожая составила величину 8,5 т/га, со значительно большей долей фракции крупных и средних клубней, по сравнению с урожаем с контрольной делянки.
* БГКП - уровень бактерий группы кишечной палочки
* * КОЕ/г - колонии, образующие единицы, на грамм
*** МАФАнМ - уровень количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов