СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ УДОБРЕНИЯ ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА, ПТИЦЕВОДСТВА И РАСТЕНИЕВОДСТВА
METHOD OF PREPARING FERTILISER USING ORGANIC WASTES FROM LIVESTOCK FARMING, POULTRY FARMING AND PLANT GROWING

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к способам обеззараживания и детоксикации навоза и птичьего помета при приготовлении органических удобрений из отходов животноводства, птицеводства и растениеводства.
Известен способ обеззараживания свежего навоза животноводческих и птицеводческих предприятий (см. патент RU №2031086, кл. С02F 11/18, 1995 г.). Способ основан на обеззараживании свежего навоза перепадом давления, создаваемым в герметичном объеме. При резком перепаде давления происходит гипертоническое омертвение живых микроорганизмов. Биогазовые продукты переработки навоза выбрасываются в атмосферу.
Известен способ обеззараживания отходов животноводства и птицеводства (см. патент RU №2249580, кл. С05F 3/00, 2005 г.) термической обработкой отходов путем смешивания их с горячими мелкопористыми наполнителями с дальнейшим компостированием биомассы. В качестве сыпучего углеродсодержащего наполнителя используют компостный материал - продукт биотермической переработки твердых бытовых отходов с температурой 75°С.
Известен способ обеззараживания жидких органических отходов животноводства и оборотной воды с помощью электроакустического обеззараживателя (см. патент RU №2098933, кл. А01С 3/00, С05F 3/06, 1997 г.). Бактерицидный эффект электроакустического обеззараживателя обеспечивается созданием в среде электроактивационного эффекта и ультразвуковых колебаний.
Известные способы обеззараживания отходов животноводства и птицеводства имеют существенный недостаток - загазованность рабочих помещений токсичными продуктами разложения перерабатываемых отходов: фосфинами, сероводородом, меркаптанами, аммиаком, а также патогенной микрофлорой.
Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ получения удобрения из органических отходов животноводства, птицеводства и растениеводства (см. патент RU №2235706, кл. С05F 3/00, 2004 г.).
Способ включает: смешение в однородную биомассу навоза, птичьего помета и измельченных растительных отходов; разделение биомассы на жидкую и твердую фракции самовытеком жидкости из биомассы и сбором ее в накопителе; раздельное обеззараживание жидкой и твердой фракций биотермической ферментацией. Жидкую фракцию обеззараживают анаэробной ферментацией в сборнике при температуре 35-40°С в течение 2-3 суток. Твердую фракцию обеззараживают аэробной ферментацией в открытых буртах при температуре 65-70°С.
Недостатки способа:
- повышенная загазованность рабочей зоны токсичными газообразными продуктами ферментации, в частности фосфинами, сероводородом, меркаптанами, аммиаком;
- зараженность рабочей зоны термоустойчивыми патогенными микроорганизмами. Известно, что термоустойчивые микроорганизмы не погибают даже при температуре выше 100°С.
Целью данного изобретения является разработка эффективной технологии обеззараживания и детоксикации навоза и птичьего помета для обеспечения санитарно-гигиенических условий труда в производственных помещениях и сокращение вредных выбросов в окружающую среду при приготовлении органических удобрений из отходов животноводства, птицеводства и растениеводства.
Поставленная задача решается тем, что в способе приготовления удобрения из органических отходов животноводства, птицеводства и растениеводства, включающем смешивание навоза и птичьего помета с измельченными растительными отходами в однородную биомассу, разделение биомассы на жидкую и твердую фракции, раздельное обеззараживание фракций биотермической ферментацией, согласно изобретению, перед биотермической ферментацией биомассу сепарацией разделяют на жидкую и твердую фракции, при этом жидкую фракцию обеззараживают и детоксицируют обработкой в электролизере с нерастворимыми электродами, затем ее засевают штаммами микроорганизмов аэробной и/или анаэробной ферментацией и загружают в обезвреженную озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым излучением твердую фракцию, после этого увлажненную твердую фракцию загружают в биобарабан, перемешивают и активируют ферментативный процесс путем подогрева теплым воздухом, затем выгружают в бурты.
Заявляемый способ приготовления удобрения из органических отходов, при котором осуществляется смешивание навоза, птичьего помета с измельченными растительными отходами в однородную биомассу, разделение биомассы на жидкую и твердую фракции, раздельное обеззараживание фракций, имеет следующие отличительные от известного способа, принятого за прототип, признаки:
- первый - разделение биомассы на фракции осуществляется сепарированием, что значительно ускоряет процесс разделения биомассы на твердую и жидкую фракции и тем самым уменьшает загазованность рабочей зоны токсичными выделениями продуктов анаэробной ферментации исходной биомассы;
- второй - обеззараживание с одновременной детоксикацией жидкой фракции осуществляется в электролизере с нерастворимыми электродами.
Под действием межэлектродного разряда и промежуточных продуктов электролиза: радикалов водорода, кислорода, гидроксильных групп, идет разрушение защитной оболочки микроорганизмов, необратимая деструкция ферментных, белковых систем и ДНК. Эффективность подавления патогенной микрофлоры в рабочей зоне электролизера до 99,9%.
3
2
2
3
Детоксикация (обезвреживание) водорастворимых продуктов анаэробной ферментации (естественного гниения) навоза и птичьего помета: фосфина (РН), фосфинов (R-PH), сероводорода (HS), меркаптанов (R-SH), аммиака (NH), происходит в процессе окисления этих продуктов в прианодном пространстве электролизера и идет до образования фосфорной, серной, азотной кислот и их производных, соответственно по уравнениям:
где R - алкил, арил, гетерил.
Образующиеся в ходе окисления кислоты нейтрализуются основаниями жидкой фракции, в частности, с аммиаком с образованием нетоксичных средних, кислых, основных солей, которые входят в минеральную составляющую органических удобрений.
- третий - перед биотермическим ферментативным обеззараживанием твердую фракцию обрабатывают озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым излучением с целью ее обеззараживания и детоксикации.
Как и жидкая фракция, твердая фракция, содержащая навоз и птичий помет, - это концентрированный источник патогенных микроорганизмов и газообразных токсичных веществ. Применение озона для обеззараживания и детоксикации твердой фракции определяется следующей целесообразностью. С одной стороны, озон - самый сильный после фтора и экологически чистый окислитель. Бактерицидное и противовирусное действие озона распространяется на все виды патогенной микрофлоры. Эффективность антимикробных, фунгицидных, спороцидных свойств озона при прямом контакте и оптимальной концентрации составляет 99,99%.
Непосредственные причины гибели бактерий и вирусов при действии озона - локальные повреждения плазматической мембраны микроорганизмов и изменение их внутриклеточного содержимого: окисление белков, нарушение клеточных механизмов.
С другой стороны - озон, как энергичный окислитель химических соединений, окисляет токсичные продукты естественного гниения: фосфин, фосфины, сероводород, меркаптаны, аммиак до фосфорной, сернистой, серной, азотной кислот и их производных, соответственно по следующим уравнениям:
3
3
3
4
3РН+4O→3НРO;
2
3
2
4
3R-PH+4O→3R-HPO;
2
3
2
4
3HS+4O→3HSO;
2
3
2
3
HS+О→HSO;
3
3
R-SH+О→R-SOH;
3
4
3R-SH+4O→3R-HSO;
3
3
3
2
NH+О→HNO+HO.
В количественном отношении только аммиак окисляется незначительно из-за его высокого окислительно-восстановительного потенциала.
Образовавшиеся в ходе окисления кислоты дают с избытком аммиака нетоксичные соли аммония.
Поскольку обеззараживающая эффективность озона определяется непосредственным контактом озона с объектом, в частности с поверхностью частиц биомассы, то с целью повышения степени обеззараживания биомассы в изобретении предусматривается дополнительная обработка ее ультрафиолетовым излучением.
Наибольшим бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 205-310 нм. Более чувствительны к воздействию УФ излучения (УФИ) вирусы и бактерии в вегетативной форме (палочки, кокки). Менее чувствительны грибы и простейшие микроорганизмы. Наибольшей устойчивостью обладают споровые формы бактерий и грибов.
2
Гибель микроорганизмов на поверхностях, прямо расположенных в 2 м от импульсного источника УФИ, через 15 минут достигает 99,99% при дозе 50 мДж/см. При этом на поверхностях, повернутых к источнику на 45-90 градусов, гибель микробов варьируется уже в пределах 57,6-99,99%.
Обеззараживающий эффект ультрафиолетового излучения в основном обусловлен фотохимическими реакциями, в результате которых происходят необратимые повреждения ДНК, РНК и клеточных мембран, что вызывает гибель микроорганизмов. Ультрафиолетовые лучи распространяются по прямой и действуют преимущественно на нуклеиновые кислоты, оказывая на микроорганизмы как летальное, так и мутагенное воздействие. Бактерицидными свойствами обладают только те лучи, которые адсорбируются протоплазмой микроклетки.
Для обеспечения максимального эффекта обеззараживания поверхности частиц твердой фракции они непрерывно переворачиваются. Последнее достигается перемещением твердой фракции по технологической линии с помощью шнека - в случае обработки озоно-воздушной смесью - и вибростола - в случае ультрафиолетового облучения.
- четвертый - после обеззараживания и детоксикации, непосредственно перед укладкой в бурты, твердая фракция засевается необходимыми штаммами ферментов, увлажняется обезвреженной жидкой фракцией и подвергается ферментативной активации в биобарабане при 45-55°С.
Использование предлагаемого способа приготовления удобрения из органических отходов уменьшает выброс токсичных газообразных продуктов и патогенных микроорганизмов в окружающую среду, обеспечивает санитарно-гигиенические условия труда в производственных помещениях и создает условия для ускоренного получения экологически чистого органического удобрения из отходов животноводства, птицеводства и растительного материала.
Заявляемый способ приготовления удобрений из органических отходов животноводства, птицеводства и растениеводства, включающий смешение навоза, птичьего помета с измельченными растительными отходами в однородную биомассу, разделение биомассы на твердую и жидкую фракции, раздельное обеззараживание жидкой и твердой фракций биотермической ферментацией, отличается от известного, принятого за прототип, тем, что перед биотермической ферментацией разделение биомассы на фракции осуществляют сепарацией; обеззараживание и детоксикацию жидкой фракции проводят обработкой в электролизере с нерастворимыми электродами, а твердой фракции - озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым облучением; жидкую фракцию после обеззараживания и детоксикации засевают штаммами микроорганизмов аэробной и анаэробной ферментации и возвращают в обработанную озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым излучением твердую фракцию; далее, перед выгрузкой в бурты, увлажненную твердую фракцию загружают в биобарабан, перемешивают, активируют ферментативный процесс подогревом теплым воздухом.
Сопоставимый анализ заявляемого решения с известным позволяет сделать вывод о том, что предложенное решение удовлетворяет критерию изобретения «новизна».
Из патентной и научной литературы не известен способ, в котором проводят обеззараживание от патогенной микрофлоры и детоксикацию токсичных продуктов анаэробной ферментации жидкой фракции электролизной обработкой в электролизере с нерастворимыми электродами, а твердой фракции - озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым облучением, позволяющим достичь описанный эффект.
Таким образом, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение может использоваться в сельском хозяйстве для ускоренного приготовления органических удобрений из отходов животноводства, птицеводства и растениеводства.
Таким образом, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ приготовления удобрения из органических отходов осуществляется с помощью устройства, схема которого изображена на чертеже.
Устройство содержит смеситель биомассы 1, сепаратор 2, емкость-накопитель жидкой фракции 3, электролизер 4, емкость для обезвреженной жидкой фракции 5, засевной бак 6, ленточный транспортер твердой фракции 7, измельчитель 8, шнековое устройство с кожухом 9, озонатор 10, вибростол 11, ультрафиолетовые лампы 12, шнековый конвейер 13, ороситель 14, биобарабан 15, воздуходувку 16, ленточный транспортер-укладчик 17, бурты 18.
Способ приготовления удобрения из органических отходов осуществляется следующим образом и поясняется примером.
2
2
3
Навоз, птичий помет (в виде пульпы) и измельченные растительные отходы подаются в смеситель 1. Органические отходы в виде пульпы перемешиваются до однородной биомассы и перекачиваются в сепаратор 2 для разделения биомассы на жидкую и твердую фракции. Жидкая фракция с соотношением фосфора, азота и калия -1,4:1,0:1,6 и содержанием коллоидных взвешенных веществ не менее 1%, подается в усреднительную емкость-накопитель 3, далее - в электролизер с нерастворимыми электродами. Электрохимическую обработку жидкой фракции ведут при плотности тока на электродах 2 А/дм, площади электродов 0,5 м на 1 м/час обрабатываемой жидкости, при расстоянии между электродами 30 мм, время обработки жидкости 5-10 мин. Обезвреженную жидкую и детоксицированную фракцию собирают в емкости 5 и далее перекачивают в засевной бак 6, где засевают штаммами микроорганизмов аэробной или анаэробной ферментации и возвращают в твердую фракцию (шнек 13) через оросительное устройство 14. Избыток обезвреженной жидкости используется для орошения сельскохозяйственных культур.
Отсепарированная твердая фракция: пористая, рассыпчатая биомасса с низкой адгезией из сепаратора 2 подается на ленточный транспортер 7 и в измельчитель 8 с выходными параметрами измельчения 5-25 мм.
2
Измельченная биомасса подается в шнековое устройство 9, где осуществляется обеззараживание и детоксикация твердой фракции путем прокачки озоно-воздушной смеси из озонатора 10 через шнековое устройство. Соотношение озона в озоно-воздушной смеси и сероводорода и меркаптанов в биогазовых выделениях твердой фазы составляет 2-4:1 соответственно. Степень обеззараживания и детоксикации твердой фракции регулируется концентрацией озона в озоно-воздушной смеси, скоростью ее прокачки через шнековое устройство и временем контакта. При выходе из шнекового устройства 9 твердая фракция попадает на наклонный вибростол 11 с закрепленными над ним ультрафиолетовыми лампами 12, где производится дополнительное обеззараживание биомассы от патогенной микрофлоры. Технические характеристики ультрафиолетовых излучателей: диапазон длин волн от 185 до 400 нм, длительность импульса излучения от 1 мкс до 10 мс, плотность импульсной мощности излучения до 120 кВт/м.
Дальнейшее обеззараживание твердой фракции осуществляется посредством биотермической ферментации. С этой целью твердую фракцию перемещают с вибростола 11 на шнековый конвейер 13. При движении в конвейере она обогащается через ороситель 14 штаммами ферментации из засевного бака 6 и увлажняется жидкой фракцией и выгружается в биобарабан 15. В биобарабане увлажненная твердая фракция перемещается и перемешивается, подогревается до температуры 45-55°С теплым воздухом из воздуходувки 16 до активации ферментативного процесса и, при выходе из биобарабана, укладывается в бурты 17 для дозревания на 45-60 суток.