Способ непрерывного ускоренного компостирования органических отходов
METHOD FOR CONTINUOUS ACCELERATED COMPOSTING OF ORGANIC WASTES

Изобретение относится к области сельского хозяйства, биотехнологии и экологии и может быть использовано для получения органоминерального удобрения из любых органических отходов.
В настоящее время в соответствии с законодательством отходы производств вывозят на комплексы переработки отходов (КПО), где осуществляют их сортировку. Органические отходы подвергают компостированию в закрытых вентилируемых помещениях в течение не менее 14 дней. Образующийся газ вместе с воздухом поступает в системы фильтрации, где протекает его очистка от вредных образующихся в результате компостирования примесей. В результате компостирования получают технический грунт. Органические отходы сельского хозяйства запахивают в почву или оставляют компостироваться естественным путем. Компостирование органических отходов естественным путем ухудшает экологическую ситуацию, требует для размещения значительных земельных площадей. Запахивание органических отходов загрязняет посевные площади микотоксинами, сорными растениями, вредными насекомыми, гельминтами и патогенной микрофлорой, что снижает урожайность сельскохозяйственных культур.
Известен способ приготовления компоста многоцелевого назначения (SU 1813085 A3, 1993) из навоза и влагопоглощающего материала, который включает послойную укладку и перемешивание компонентов с одновременным перемещением смеси в ферментер, добавление готового компоста в качестве инокулянта и последующую аэрацию компостируемой смеси при влажности 50-60%. Вентилирование осуществляют в течение 5-7 суток.
Известен способ приготовления компоста в биоферментере (RU 2112764 C1, опубл. 10.04.2005), включающий последовательную укладку навоза и влагопоглощающего материала с добавлением готового удобрения в количестве 10%, перемешивание при перемещении в ферментер и последующую аэрацию ферментируемой смеси при влажности 50-60% в течение 3-4 суток при этом концентрацию кислорода поддерживают в интервале от 5% до 12%, за ходом процесса следят с помощью ИК-датчиков.
Известен способ приготовления компоста (RU 2249581 C1, опубл. 31.12.2003) с использованием пивной дробины в качестве инокулянта в количестве 10-20%, аэрацию ведут в течение 7 суток при влажности массы 50-60%.
Известен способ микробиологической переработки птичьего помета в компост (RU 2525251 С1, опубл. 10.08.2014) в биоферментере с использованием культур «азотобактер» и «псевдомонад», процесс занимает до 15 суток и приводит к получению компоста высокого качества.
Известен способ приготовления компоста в биоферментере (RU 2724686 С1 опубл. 25.06.2020), в котором все приготовление компоста разделяют на три стадии – низкотемпературную, среднетемпературную и высокотемпературную, количество подаваемого воздуха регулируют дозировкой в реактор через пол со щелевыми каналами в зависимости от объема компостируемой массы. В результате получают качественное созревшее удобрение, при этом указывают, что требуемое время для созревания компоста составляет 7 суток.
о
Известен способ приготовления биокомпоста (патент RU 2392258 С2, опубл. 20.06.2010) в ферментере из различных органических отходов, включающий перемешивание органических отходов с влагопоглощающим материалом и инокулянтом, которые представляют собой биокомпост, полученный из предыдущего процесса подсушенный до влажности 30-50%, и горячий биокомпост для придания стартовой температуры 18-21С для ускорения процесса. Таким способом удается сократить время, требуемое для прогрева, почти на двое суток, по сравнению с известными методами.
Недостатками известных способов являются необходимость использования инокулирующей добавки постоянно, что уменьшает полезный объем реактора, общая длительность процесса, включающего загрузку смеси в реактор, ее подогрев до начала процесса компостирования, компостирование смеси и выгрузку готового продукта, что составляет в сумме не менее 7 суток, сложность в регулировании качества образующегося компоста, необходимость поддержания определенной концентрации кислорода в реакторе, что требует проведения определенных анализов.
Наиболее близким к предложенному является способ приготовления компоста (RU 2598041 С1 опубл. 20.09.2016), включающий перемешивание измельченных органического отхода и торфа, обогащенного стимулирующей добавкой, загрузку смеси в ферментер и последующее аэробное компостирование при влажности 50-60%, температуре до 70ºС (график 2) и периодическом вентилировании в продольном и поперечном направлениях кислородсодержащим газом в течение 5 суток, концентрацию кислорода в смеси поддерживают в пределах 5-12%. Контроль кислорода осуществляют с помощью кислородомеров. Процесс начинается при 20ºС и его окончание фиксируют при 28ºС. В графике при указанной температуре окончания процесса фиксируют время аэрации 7 суток. Степень гумификации определяют по количеству гумусовых кислот, которое в сумме составляет 5,55% (таблица 2). В качестве органических отходов используют навоз и куриный помет. Соотношение компонентов навоз, куриный помет, торф составляет 15:35:50. В качестве стимулирующей добавки используют комплекс цинка фосфорнокислого однозамещенного в количестве 0,005-0,075% к смеси и меди фосфорнокислой 3-водной в количестве 0,0025-0,005% к смеси. Изобретение обеспечивает ускоренную переработку отходов.
Недостатками данного способа являются узкий требуемый для компостирования интервал влажности исходной смеси, необходимость поддержания содержания кислорода в газовой смеси, необходимость нагрева исходной смеси до температуры начала процесса 20ºС, необходимость соблюдения фиксированного соотношение компонентов в смеси, длительное время компостирования не менее 5 суток, необходимость использования инокулянта в виде смеси навоз - куриный помет - торф с фиксированным соотношением компонентов, низкая степень гумификации.
Компост получается в результате микробиологических процессов. Каждый вид микроорганизмов имеет предпочтения по питанию и месту обитания. Все необходимые группы микроорганизмов имеются в почве, однако предпочтение в развитии имеют те микроорганизмы, где почва наиболее им подходит. Бобовые культуры увеличивают урожайность при добавлении в почву солей молибдена не сами по себе, а благодаря развитию азотфиксаторов. Анализ почв после выращивания гороха показывает увеличение количества азота в почве. Влияние солей марганца на окислительно-восстановительные процессы широко представлено в химической индустрии в виде промышленного получения органических кислот (Журнал органической химии, т.48, №3, 2012, стр.319-356). Соединения марганца являются стимуляторами роста растений, участвуя в окислительно-восстановительных процессах и являющиеся активатором целого ряда ферментов (Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/под ред. Б.А. Ягодина – М.: Колос, 2002, стр. 231-244, 287-322). Добавление солей марганца в почву повышает урожайность зерновых культур. По своему значению для живых организмов и количеству его потребления железо следует отнести не к микроэлементам, а к макроэлементам. Железо участвует в процессах дыхания и переноса кислорода. Железо в растворенной форме способно восстанавливать нитраты и нитриты до аммиака и солей аммония.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является осуществление непрерывного процесса компостирования, сокращение времени на переработку отходов, использование любых органических отходов при компостировании с целью получения органоминерального удобрения с заданными свойствами.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение интервала по влажности смесей отходов для ферментирования, снижение начальной рабочей температуры для запуска процесса ферментирования, что упрощает процесс и делает его более универсальным, а также создает возможность использования ферментера на открытой площадке, отказ от добавления в процессе ферментирования любых инокулянтов, в том числе навоза, благодаря чему возможна переработка в ферментере также только пищевых отходов, исключение необходимости анализа содержания кислорода в ферментере и равномерности его распределения с помощью разных приспособлений, создание дополнительной возможности регулирования температуры и влажности процесса путем изменения соотношения микроэлементов в активной добавке, ускорение процесса ферментирования до 3 суток, увеличение содержания гумусовых кислот в готовом продукте.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ компостирования органических отходов заключается в том, что готовят рабочую смесь, включающую измельченные влажные органические отходы, сухой носитель и комплекс микроэлементов в виде водного раствора их солей в качестве активатора, загружают в ферментер рабочую смесь, проводят ферментирование при подаче в смесь кислородсодержащего газа и выгружают готовое удобрение, при этом, согласно изобретению, в качестве комплекса микроэлементов используют водный раствор солей железа, марганца и молибдена, при приготовлении рабочей смеси в нее дополнительно вводят негашеную известь, используют горизонтальный ферментер с механизмом перемешивания и перемещения рабочей смеси вдоль ферментера, перед загрузкой в ферментер рабочей смеси загружают в него ранее приготовленное органическое удобрение, осуществляют загрузку рабочей смеси в ферментер порциями с одновременным перемешиванием и перемещением рабочей массы вдоль ферментера и выдержкой рабочей массы между операциями загрузки до повышения ее температуры и в течение 24 часов для осуществления ферментирования, выгрузку готового удобрения осуществляют порциями после заполнения ферментера рабочей массой по всей длине при загрузке каждой последующей порции рабочей смеси и перемещении рабочей массы вдоль ферментера, при этом выгрузку первой порции готового удобрения осуществляют на четвертый день.
Кроме того, комплекс микроэлементов в виде водного раствора солей железа, марганца и молибдена используют при соотношении ионов, мас.% Fe:Mn:Mo = (46,8-75,7):(9,4-27,5) : (12,2-33,7).
Суть предлагаемого способа компостирования заключается в том, что процесс проводят непрерывно при влажности рабочей массы от 50% до 75%, загружая ферментер в три порции (в течение трех дней) и, сдвигая массу ленточным шнеком с лопатками, что позволяет одновременно перемешивать, измельчать и перемещать ферментируемую массу.  Инокулянт загружают только один раз в первой порции в виде ранее приготовленного в данном процессе органического удобрения с влажностью около 30% в количестве 25%, в дальнейшем его загрузка не требуется, так как инокулянт всегда будет присутствовать в ферментере ввиду того, что выгружается готовое удобрение из 1/3 части реактора, а 2/3 части реактора остаются заполненными созревающим продуктом. В каждую загружаемую смесь в обязательном порядке добавляют вливанием раствор активатора – смеси солей железа, марганца и молибдена из расчета – 200-250 г раствора активатора на 500 кг загружаемой массы.  Комплекс данных микроэлементов выбран не случайно. Железо и марганец ускоряют окислительно-восстановительные процессы путем активации соответствующих ферментов у разных типов микроорганизмов, позволяют снизить токсический эффект перекиси водорода, выделяемой некоторыми видами микроорганизмов в процессе своей жизнедеятельности за счет ее расщепления до воды и органических кислот. Подкисление ферментируемой массы образующимися органическими кислотами дополнительно активирует данные микроэлементы. Органические кислоты, вступая в реакции с лигноподобными соединениями, дополнительно позволяют увеличить количество гумусовых кислот в готовом продукте, активируют процессы образования гумуса. Соединения молибдена способствуют развитию азотфиксаторов, что способно значительно уменьшить выброс аммиака в окружающую среду при повышении температуры процесса до 85ºС за счет его связывания в реакционной массе. На четвертый день, при одновременной загрузке новой порции смеси, производится выгрузка первой порции в виде готового усредненного измельченного органического удобрения. Поступление воздуха в ферментер осуществляют непрерывно двумя вентиляторами высокого давления через патрубки, соединенные с реактором в нижней части. Первый вентилятор подает воздух в первую 1/3 часть ферментера, а второй вентилятор подает воздух в две следующие его части. Воздух подается через трубки, расположенные по длине ферментера (с левой и правой части) в его нижней части. О необходимом количестве подаваемого воздуха судят по изменению температуры выходящего из аппарата воздуха в трех точках (начало ферментера, середина ферментера и конец аппарата). Равномерность распределения воздуха в смеси, его использование и максимальная температура ферментирования дополнительно регулируются соотношением микроэлементов в растворе-активаторе, состоящем из солей железа, марганца и молибдена, с соотношением ионов Fe:Mn:Mo в мас. % относительно суммарной массы ионов, равным (46,8-75,7%):(9,4-27,5):(12,2-33,7%). Если максимальную температуру ферментирования требуется поддерживать не выше 55ºС, то в растворе-активаторе используют максимальную загрузку соли молибдена и минимальную загрузку соли железа, если температура ферментирования желательна около 80ºС, то в растворе-активаторе используют максимальную загрузку соли железа и минимальную загрузку соли молибдена. В первом случае получается более тяжелое (глинистое) органическое удобрение, которое может быть использовано под капусту и аналогичные сельскохозяйственные культуры, во втором случае получают легкое органическое удобрение аналогичное чернозему. Соли железа, марганца и молибдена для приготовления раствора-активатора могут быть любыми (сульфаты, хлориды, нитраты или перманганаты, молибдаты), только желательно, чтобы при смешивании их растворов не происходило выпадения осадков. Соли марганца необходимы для связывания и распределения кислорода воздуха в массе.
Негашеная известь используется как источник кальция и подщелачивающий агент, необходимый для интенсивного размножения термофильных микроорганизмов и снижения кислотности ферментируемой массы, что способствует ускорению процессов ферментации.
Способ непрерывного ускоренного компостирования органических отходов осуществляют следующим образом.
Отходы сельского хозяйства, такие как крупногабаритные (овощи и их обрезки, фрукты и прочее) и/или пищевые отходы (мясные, рыбные, хлебобулочные и прочее), предварительно измельчают, пропуская через мясорубку с фильерами 12 мм. Лузгу, жмыхи измельчают на дробилке с сеткой 3 мм. Влажные отходы измельчают отдельно от сухих, животные отходы измельчают отдельно от растительных.
3
3
3
о
о
о
Для ферментера объемом 12 м готовят 1500 кг рабочей смеси по схеме: в три емкости загружают поровну половину необходимого расчетного количества носителя или сухого компонента (лузга, жмыхи, торф, шелуха и другие аналогичные), затем загружают полностью поровну влажный компонент (мясной и рыбный фарш, молотые хлебобулочные изделия, фруктово-овощные смеси), в каждую емкость рассыпают по 5 кг негашеной извести и прикрывают оставшимся количеством носителя. Количества компонентов рассчитывают таким образом, чтобы получилась смесь влажностью от 56% до 65% (после выхода процесса ферментирования на режим допускается влажность рабочей массы от 50% до 75%, ее можно изменять от загрузки к загрузке), с плотностью от 0,7 г/см до 0,9 г/см. При недостаточной влажности массы допускается добавление в массу воды или водных эмульсий (суспензий), являющимися отходом пищевой промышленности. В каждую емкость на рабочую массу разливают по 250 мл раствора активатора, содержащего 2,5 г сернокислого 2-водного железа (11), 0,5 г сернокислого 2-х водного марганца и 0,45 г молибдата аммония. Перед каждым внесением раствор размешивают. Раствор активатора готовят заранее в расчете на несколько загрузок. Раствор сохраняет работоспособность при хранении до 1 месяца в условиях от -5С до +35С. Данное соотношение компонентов в растворе предназначено для получения температуры в зоне максимального разогрева до 85С. Выше поднимать температуру нежелательно ввиду возможного самовозгорания массы.
3
Заранее готовят инокулянт – органическое удобрение, которое может быть предварительно получено в ферментере любой конструкции объемом 1000 л (1 м), например, аналогично способу, описанному в патенте RU 2598041, с добавлением активирующего раствора в расчете на массу загружаемой смеси и модифицирующих микробных препаратов – «Байкал-М», «Сияние», «Азотовит», «Фосфатовит», «Фитоспорин» в количествах, указанных на упаковках данных препаратов в описании в расчете на массу загружаемой смеси. С полученным удобрением, используя его в качестве инокулянта, производят в опытном ферментере еще 3-4 компостирования для получения необходимого количества готового удобрения, смешивая его с рабочей массой из пищевых отходов с добавлением микроэлементного активатора и определяя максимальную температуру процесса, При получении значений максимальной температуры процесса не ниже 70ºС считают подготовку инокулянта законченной.
3
В горизонтальный ферментер специальной конструкции с ленточным шнеком для перемещения ферментируемой массы объемом 12 м загружают 500 кг ранее приготовленного органического удобрения с влажностью 30-35%, при использовании удобрения с меньшей влажностью прибавляют расчетное количество воды.
3
о
о
о
о
Ленточным шнеком с лопатками перемешивают и смещают массу так, чтобы освободить место для загрузки следующих 500 кг рабочей смеси. Таким путем последовательно загружают в ферментер 1500 кг – три порции приготовленной рабочей смеси. В результате загруженность аппарата должна составить одну третью часть его длины, а высота загрузки не более 80% рабочей высоты реактора. Дутьевым вентилятором высокого давления с производительностью не менее 1800 м в час подаваемого воздуха осуществляют периодическую подачу воздуха в ферментируемую массу – 30 секунд вентилятор работает и 30 секунд находится в отключенном состоянии. При данных условиях скорость саморазогрева компостируемой массы должна составлять не менее 2С в час. Через 24 часа выдержки температура массы в реакторе должна быть не менее 55С. Производят загрузку в аппарат 2000 кг рабочей смеси в четыре порции по 500 кг. Рабочую смесь готовят аналогично вышеприведенной схеме. Одновременно с загрузкой перемещают ленточным шнеком первую порцию рабочей массы вдоль ферментера. После операции загрузки загруженность аппарата должна составлять около 2/3 части его длины. Дутьевой вентилятор включают на постоянную подачу воздуха в компостируемую массу. Дополнительно включают второй вентилятор такой же производительности с такими же характеристиками, как и первый вентилятор. Через 8–10 часов температура процесса достигает величины 70С и выше, протекает активное компостирование, которое сопровождается интенсивным выделением воды. Через 24 часа выдержки температура процесса начинает снижаться до 60–68С. Производят загрузку в реактор третьей порции рабочей смеси массой 2000 кг аналогично вышеописанной схеме. Одновременно с загрузкой перемешивают и перемещают ленточным шнеком первые две порции рабочей массы вдоль ферментёра. После операции загрузки ферментер должен быть загружен по всей длине. Аппарат выведен на рабочий режим. Через 24 часа загрузку в аппарат 2000 кг рабочей смеси производят одновременно с выгрузкой готового удобрения с влажностью 50–55%. Если следующую загрузку аппарата произвести через 48 часов, то выгружаемое готовое удобрение будет иметь влажность 30–35%.
Далее процесс загрузки рабочей смеси и выгрузки удобрения может повторяться необходимое число раз.
Объемы и число емкостей для приготовления рабочей смеси и масса загружаемых порций зависят от конкретных объемов технологических емкостей и от размеров ферментёра.
Остающееся в горизонтальном ферментере несозревшее удобрение выступает в роли источника микроорганизмов, получающихся в результате ферментирования на различных видах органических отходов посредством изменения микроэлементного соотношения в составе этих отходов, что позволяет значительно ускорить процесс компостирования, сократив его до 3 суток, осуществить связывание и распределение кислорода воздуха в компостируемой массе, отказавшись от сложных систем подачи воздуха, позволяет осуществлять регулировку температуры процесса и качества получаемого продукта.
Примеры осуществления способа.
Пример 1
3
Мясные отходы количеством 400 кг пропускают через мясорубку с фильерами диаметром 12 мм, смешивают с 200 л технической воды или водной эмульсии с содержанием сухого вещества не более 2%. В результате получают мясной спрей с влажностью 73% количеством 600 кг. Готовят 1 л раствора микроэлементов, растворяя в 1 л водопроводной воды 10 г 2-х водного сульфата железа (II), 2 г 2-х водного сульфата марганца и 1,8 г молибдата аммония. Возможно образование незначительной суспензии. В четыре емкости на 500 л загружают по 200 кг жмыха кофе с влажностью 65%, раскладывают по 150 кг мясного спрея, в каждую емкость рассыпают по 5 кг негашеной извести на поверхность спрея и закрывают по 200 кг жмыха кофе. Влажность полученной смеси составляет (6) 66,8%, плотность (насыпной вес) – 0,74 г/см. Раствор активатора взбалтывают и разливают по 250 мл в каждую емкость на поверхность жмыха. Описанным выше способом загружают последовательно в ферментёр готовое удобрение и три порции рабочей смеси и выгружают готовое удобрение. В ферментёр, выведенный на рабочий режим, загружают 500 кг подготовленной смеси, одновременно выгружая около 250 кг готового удобрения. Данную операцию повторяют три раза до полной загрузки подготовленной смеси и выгрузки 980 кг готового удобрения с влажностью 54%. Полученное удобрение содержало 1,4% азота и 13,6% гумусовых кислот.
Пример 2
3
3
Шелуху арахиса количеством 600 кг пропускают через мясорубку с фильерами диаметром 12 мм. Влажность размолотой шелухи составляет 7%, насыпной вес – 0,3 г/см. Мясные отходы с влажностью 55% количеством 500 кг пропускают через мясорубку с фильерами диаметром 12 мм, отдельно измельчают 900 кг смеси картофеля и овощей, получая овощную пульпу с влажностью 90%. В четыре емкости на 500 л раскладывают по 100 кг дробленой шелухи арахиса, по 125 кг мясных отходов и по 225 кг овощной смеси. В каждую емкость присыпают по 5 кг негашеной извести и закрывают по 50 кг дробленой шелухой арахиса. Влажность полученной смеси составляет 57%, насыпной вес – 0,64 г/см. Заранее приготовленный водный раствор активатора количеством 1 л, содержащий 10 г 2-х водного сульфата железа (II), 2г 2-водного сульфата марганца и 1,8 г молибдата аммония, прибавляют по 250 мл в каждую емкость. Описанным выше способом загружают последовательно в ферментёр готовое удобрение и три порции рабочей смеси и выгружают готовое удобрение. В ферментёр, выведенный на рабочий режим, загружают 500 кг подготовленной смеси, одновременно выгружая около 200 кг готового удобрения. Данную операцию повторяют три раза до полной загрузки подготовленной смеси и выгрузки 820 кг готового удобрения с влажностью 50%. При работе с шелухой арахиса из-за пониженной плотности массы происходит интенсивное выделение воды, в связи с чем во время протекания процесса компостирования в рабочую массу на каждую загрузку в 2000 кг приходится доливать 50 л воды. В результате получают органическое удобрение с содержанием азота 1,2% и 17-18% гумусовых кислот.
Изобретение позволяет получать компост с заданными свойствами по влажности, содержанию азота и гумусовых кислот, упростить процесс компостирования органических отходов сельского хозяйства и пищевых производств, повысить эффективность процесса и скорость переработки органической массы, сократив общее время, требуемое для загрузки массы, выгрузки готового продукта и проведения процесса до 3 суток. Изобретение позволяет превращать различные органические смеси компонентов в обезвреженный от микотоксинов, пестицидов, семян сорных растений и патогенной микрофлоры продукт.