СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО УДОБРЕНИЯ ИЗ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ КОМПОСТИРОВАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК C05F7/00 

Изобретение относится к областям экологии и сельскому хозяйству и предусматривает биоконверсию органосодержащих отходов с помощью компостирования. Изобретение позволяет получить с помощью компостирования из муниципальных осадков сточных вод (ОСВ) органо-минеральное удобрение (компост) и может быть использовано при утилизации и рециклинге ОСВ, образующихся на городских станциях аэрации.

Одной из экологических проблем является утилизация ОСВ городских очистных сооружений. Сточные воды в нашей стране все еще остаются смешанными.

В результате работы коммунального хозяйства города Рязань и различных предприятий, в том числе кожевенного завода (ОАО «Сафьян», ЗАО «Русская кожа»), Рязанской нефтеперерабатывающей компании (ЗАО «РНПК»), предприятий цветной металлургии и других, они подвергаются механической, биологической очистке в аэротенках, обезвоживанию на установке биологической очистки ЗАО «РНПК». При этом обезвоженные осадки, образующиеся после очистки стоков, характеризуются повышенным содержанием валовых и подвижных форм хрома, никеля, цинка и меди, а также 3,4-бенз(а)пирена, нитрат-ионов и нефтепродуктов (табл.1).

Высокое содержание питательных веществ (азота, фосфора, калия) и соответствие ОСВ по санитарно-бактериологическим и паразитологическим нормативам указывают на их высокую удобрительную ценность и возможность использования в качестве органо-минерального удобрения при выращивании технических культур, озеленении, ремедиации нарушенных земель и биологической рекультивации (табл.2 и 3).

Однако использование обезвоженных ОСВ, получаемых на установке биологической очистки ЗАО «РНПК», в качестве органического удобрения в том состоянии, в котором они депонируются на накопительных площадках, не представляется возможным из-за повышенного содержания в них тяжелых металлов, нефтепродуктов и фитотоксичности.

При выборе способа переработки ОСВ в настоящее время предпочтение отдается биотехнологическим процессам, в частности компостированию.

К настоящему времени накоплен значительный опыт по использованию в качестве органических удобрений (ОСВ) [1-3].

К наиболее известному способу детоксикации ОСВ, послужившему прототипом изобретения, относится добавление к ОСВ извести [4]. Однако известкование как прием снижения фитотоксичности ТМ не универсален из-за того, что некоторые микроэлементы (хром, молибден и др.) в нейтральных почвах более подвижны, чем в кислых. Кроме того, известкование вызывает подщелачивание почвенного раствора, что может негативно отразиться на росте и развитии растений, предпочитающих слабокислую реакцию почвенного раствора.

Сущность изобретения заключается в том, что в предложенном способе в качестве наполнителей, разрыхлителей и детоксиканта использовали сосновые опилки и низинный торф (табл.4), которые добавлялись в обезвоженный осадок ОСВ, перемешивались и подвергались компостированию. Это позволяет, с одной стороны, улучшить физико-химическую структуру ОСВ, ускорить процессы компостирования и гумификации, а с другой стороны, снизить негативное действие тяжелых металлов и других поллютантов и пролонгировать действие питательных веществ, содержащихся в ОСВ.

Цель изобретения - утилизация, рециклинг и биоконверсия органосодержащих материалов муниципальных ОСВ установки биологической очистки Рязанской нефтеперерабатывающей компании (ЗАО «РНПК») в хозяйственно-полезный конечный продукт - безопасное и эффективное органо-минеральное удобрение (компост) для выращивания технических культур.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения органо-минерального удобрения смешивали ОСВ с сосновыми опилками с размером фракции до 2 мм или низинным торфом (фракция размером до 2 мм). Компостирование проводилось в полевых условиях летом 2008 года при температуре воздуха от 25-35°C. Для этого использовался обезвоженный ОСВ со сроком хранения 3 месяца, отобранные с временных иловых площадок и имеющие размер фракции до 5 мм.

Осадок смешивался в зависимости от варианта опыта с разными наполнителями:

1-й вариант: ОСВ + сосновые опилки;

2-й вариант: ОСВ + низинный торф.

Соотношение ОСВ: наполнитель определялось расчетным путем, исходя из условия соотношения углерода к азоту в конечном продукте компосте 20:1 и составляло по объему в смеси - ОСВ: опилки - 1:2 или по массе 1:0,5, а ОСВ: торф по массе - 1:1. Соотношение углерода к азоту в исходном осадке составило 10:1, в смеси с стилками до начала компостирования - 24:1, а в смеси с торфом - 14:1.

Составляющие компоненты в соответствии с вариантами опыта (1-й вариант - ОСВ + опилки, а 2-й вариант - ОСВ + торф) укладывались рыхло в бурты послойно, начиная с наполнителя. Высота каждого слоя составила 10-15 см, а средняя высота бурта достигала до 1 метра.

Влажность компостируемой смеси поддерживались на уровне 70-80% путем полива дождеванием. Для поддержания аэробных процессов проводилось перемешивание компостируемой смеси каждые 2 недели. Период компостирования составил 98 дней. Затем полученный компостированный субстрат подвергался дальнейшему процессу созревания и гумифицированию естественным путем в лабораторных условиях в ящиках. высотой 25 см, шириной 26 см и длиной 35 см при комнатной температуре в течение 4-х месяцев. При этом поддерживалась влажность на уровне 55-60% путем полива водопроводной отстоявшейся водой.

Заявляемое изобретение иллюстрируется примерами.

Пример 1. Результаты были получены в лабораторном эксперименте в ящиках высотой 25 см, шириной 26 см, длиной 35 см при комнатной температуре в течение 4-х месяцев. Для компостирования использовался обезвоженный осадок установки биологической очистки ЗАО «РНПК» с длительностью хранения 3-4 месяца (фракция размером до 5 мм), смешанный с опилками (фракция размером до 2 мм) в массовом соотношении 1:0,5. Компостирование проводили на открытой бетонированной площадке в период с июля (t=25-30°C) по октябрь, затем в помещении с температурой воздуха 18-20°C. Общая продолжительность компостирования составляла около 6 месяцев. Полив и перемешивание компостируемой смеси осуществляли каждые 2 недели. Соотношение углерода к азоту C/N в стартовой смеси до компостирования было 24:1, а после компостирования - 20:1.

Пример 2. Результаты были получены в лабораторном эксперименте в ящиках высотой 25 см, шириной 26 см, длиной 35 см при комнатной температуре в течение 4-х месяцев. Для компостирования использовался обезвоженный осадок (фракция размером до 5 мм) с длительностью хранения 3-4 месяца, смешанный с низинным торфом (фракция размером до 2 мм) в соотношении 1:1. Компостирование проводили на открытой бетонированной площадке в период с июля (t=25-30°C) по октябрь, затем в помещении с температурой воздуха 18-20°C. Общая продолжительность компостирования составляла около 6 месяцев. Полив и перемешивание компостируемой смеси осуществляли каждые 2 недели. Соотношение углерода к азоту C/N в стартовой смеси до компостирования было 14:1, а после компостирования - 20:1.

Как показали исследования, разбавление ОСВ сосновыми опилками и последующая ферментация этой смеси приводили к изменению ее химического состава. В таблице 5 представлены результаты химического состава ОСВ компостной смеси до и после компостирования.

В результате компостирования ОСВ с сосновыми опилками в компостной смеси произошли следующие изменения. После компостирования в конечном продукте содержание питательных элементов NPK существенно увеличилось, а валовое содержание тяжелых металлов снижалось. Кроме того, содержание подвижных форм хрома снизилось почти на 70%. Бенз(а)пирен и нефтепродукты в исходной смеси до компостирования и в конечных продуктах после компостирования не обнаруживались.

Полученный конечный продукт компостирования ОСВ с сосновыми опилками по всем показателям соответствовал нормативным значениям, предъявляемым к ОСВ, используемым в качестве удобрения (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001), и к так называемой «чистой почве» (МУ 2.1.7.730-99).

Использование низинного торфа в качестве наполнителя и детоксиканта при компостировании ОСВ также приводило к изменению агрохимических показателей конечного продукта. После компостирования в конечном продукте содержание питательных элементов NPK также существенно увеличилось. Однако компостирование в смеси с низинным торфом не оказало влияния на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в конечном продукте.

Одним из качественных показателей возможного экологически безопасного использования компостов является отсутствие у них фитотоксичности. Результаты тестирования на фитотоксичность компоста, полученного на основе обезвоженного ОСВ ЗАО «РНПК», показали, что в результате компостирования произошла его детоксикация. Так в отличие от исходных ОСВ (табл.6) после компостирования конечный продукт терял фитотоксичность. Длина зародышевого корешка овса на 7 сутки эксперимента в опытном варианте с компостом превышала контрольные значения на 22,7% в отличие от таковых, полученных при проращивании семян на 100% ОСВ, где отмеченное уменьшение длины корней в результате угнетения ростовых процессов составляло 56%.

В ходе исследований отмечено положительное влияние компостов на рост и развитие крупноцветковой гортензии, как при выращивании культуры на чистом 100% компосте, так и в составе почвосмеси (2%). У всех опытных растений в зависимости от состава компоста с разной степенью интенсивности увеличивалось количество листьев, их площадь. Разница по сравнению с контролем (традиционная торфосмесь) составляла от 40 и более 100%. Лучший эффект наблюдался в вариантах с компостами, полученными на основе ОСВ и сосновых опилок, ОСВ и низинного торфа (таблицы 7-9).

При выращивании ярового рапса на агроземе торфяно-минеральном с использованием компоста на основе ОСВ и низинного торфа (табл.10) увеличивалась сырая и сухая масса растений, диаметр стебля, количество стручков и их масса на 80 и более 100% по сравнению с контролем (почва - агрозем торфяно-минеральный).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный способ отличается новой совокупностью признаков, состоящих в том, что для улучшения процесса компостирования и детоксикации муниципальных ОСВ добавляются сосновые опилки или низинный торф в определенных пропорциях и это является принципиально новым. Вышеуказанные обстоятельства свидетельствуют о соответствии заявленного технического решения критерию "Новизна".

Сравнение заявленного способа с известными способами показывает, что оно для специалиста не следует явным образом из уровня техники. Это свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию "Изобретательский уровень".

Таким образом, использование предлагаемого способа приготовления компоста из муниципальных ОСВ позволяет по сравнению с существующими способами упростить, удешевить технологию получения органо-минеральных удобрений и повысить удобрительную ценность конечного целевого продукта.

Источники информации

1. Покровская С.Ф., Касатиков В.А. Использование осадка городских сточных вод в сельском хозяйстве. - М.: ВНИИТЭИагропром, 1987. - 61 с.

2. Жукова Л.А. Осадки сточных вод в качестве удобрения // Химизация сельского хозяйства. - 1988. - 10. - С.35-39.

3. Иванов И.А., Иванова И.О., Кравчук В.И. и др. О возможности использования осадка городских сточных вод в качестве органического удобрения // Агрохимия. - 1996. - 3. - С.85-92.

4. Касатиков В.А. Агрогеохимические свойства осадков городских сточных вод и торфоиловых компостов // Агрохимия. - 1996. - 8-9. - С.87-96.

Таблица 1 Содержание вредных веществ в обезвоженном ОСВ вод цеха биологической очистки ЗАО РНПК. Показатель ПДК в почве, мг/кг (МУ 2.1.7.730-99) Содержание в ОСВ, мг/кг валовая подвижная подвижная форма валовая форма 1 2 3 4 5 Свинец (Pb) 32-130 6 <5 <50 Кадмий (Cd) 0.5-2 0.5 <0.5 - Хром (Cr _обш. ) 90 - 6.7 3031.5 - Cr⁺³ - 6 - - - Cr⁺⁶ - 0.05 - - Никель (Ni) 20-80 4 4,9 161 Цинк (Zn) 55-220 23 - 799 Медь (Cu) 33-132 3 - 239 Ртуть (Hg) 2.1 1.0 - 0,44 Мышьяк (As) 2-10 - - 3,5

Таблица 1. Продолжение 1 2 3 4 5 3,4-Бенз(а)пирен 0.02 - - 0,046 Нитрат-ион (NO ₃ -) 130 - - 1750 Нефте-
продукты (сумма) 1000 - - 4700 ⁹⁰Sr - - - 2.75 ¹³⁷Cs - - - 3.93 ²³²Th - - - 7.5 ²²⁶Ra - - - 10.89 ⁴⁰K - - - 100.1 * Временно допустимый уровень удельной активности ТРН≤1 0,18 * Расчет временного предельно-допустимого уровня удельной активности ТРН: A_Cs/45+A_Sr/30=3,93/45+2.75/30=0.087+0.092=0.18

Таблица 2 Агрохимический состав ОСВ цеха биологической очистки ЗАО РНПК Вид пробы Агрохимические показатели, % на сухое вещество Зольность Органические вещества pH_сол. Общий азот Общий фосфор Общий калий ОСВ 24 76 8,17 1,5 1,6 0,42 ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 - >20 5,5-8,5 >0,6 >1,5 - Метод определения, ГОСТ 26714-85 - 27979-88 26715-85 26717-85 26718-5

Таблица 3 Санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические показатели ОСВ цеха биологической очистки ЗАО РНПК П/п Показатели Результат исследования Величина допустимого уровня, не более Ед. изм. НТД на методы исследования Микробиологические исследования 1 БГКП 10 10 Кл/г МУ 2293-81 2 Индекс энтерококков 0 0 Кл/г МУ 2293-81 3 П/г бактерии, в.т.ч. сальмонеллы отс. 0 Кл/г МУ 2293-81 Паразитологические исследования 4 Яйца гельминтов 0 0 Экз./кг МУК 4.2.796-99 5 Цисты лямблий 0 0 Экз./100 г. МУК 4.2.796-99 Энтомологические исследования 6 Личинки и куколки мух 0 0 Экз./кг МУ 2.1.7.730.-99

Таблица 5 Влияние компостирования обезвоженного осадка сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК» на химический состав получаемых компостов Показатели ПДК, мг/кг (МУ 2.1.7.730-99) *ГОСТ 17.4.3.07-2001 Исход-
ные ОСВ Компостируемая смесь 1 (ОСВ + опилки) Компостируемая смесь 2 (ОСВ + торф) Перед началом компостирования После компостирования Перед началом компостирования После компостирования Общий азот, % >0,6* 3,55 1,68±0,2 2,06±0,2 2,36±0,2 2,0±0,2 Нитратный азот, мг/100 г 130 - 56,5±15 126,3±20 69,7±15 136,8±20 Аммиачный азот, % - - 0,46±0,06 0,013±0,001 0,038±0,06 0,07±0,003 Общий фосфор в пересчете на P₂O₅, % >1,5* 2,30 2,0±0,2 2,58±0,1 2,26±0,2 2,45±0,2 - общего калия в пересчете на K₂O, % - 0,23 0,21±0,03 0,27±0,03 0,18±0,03 0,23±0,03 Органическое вещество в пересчете на углерод, % >20*   40,4±1,0 35,9±0,8 31,9±0,8 29,3±0,8 Зольность, % - 29,0 19,2±0,4 28,2±0,8 36,2±0,8 41,3±0,8 Значение рН 5,5-8,5* 7,8 7,8±0,1 6,9±0,1 6,7±±0,1 6,5±0.1 Медь, мг/кг 33-132 110,12 138,4±20,7 47,3±7,1 121,9±18,3 159,2±23,9 Цинк, мг/кг 55-220 307,50 153,3±30,6 95,3±19,0 136,5±27.3 154,2±30,8 Никель, мг/кг 20-80 - 36,2±5,4 19,9±2,9 26,3±3,9 34,0±5,1 Кадмий, мг/кг 0,5-2 1,55 1,82±0,18 0,8±0,08 0,48±0,05 0,51±0,05 Свинец, мг/кг 32-130 <50 59,5±5,9 10,6±1,0 34,5±3,4 67,0±6,7 Хром, мг/кг 90 3031,5 1257±188,5 669,3±100,4 1149±172,3 1239±±185,8   1000*           Бенз(а)пирен, мг/кг 0,02   н/о н/о 0,029±0,01 0,023±0,008 Нефтепродукты, мг/кг 1000   н/о н/о н/о н/о Хром, мг/кг (подвижная форма) 6 Не опр. 0,72±0,07 0,22±0,02 0,18±±0,02 0,16±0,02

Таблица 6 Влияние компостирования на фитотоксичность обезвоженных осадков сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК» Варианты Среднее значение +/-, % Лабораторная всхожесть, % Контроль 92,60 - Компост ОСВ + торф 92,60 - Компост ОСВ + опилки 97,20 +4,60 ОСВ 22,60 -70,00 НСР₀₅ 17,00 - Длина семисуточного зародышевого корешка, см Контроль 4,18 - Компост ОСВ + торф 4,72   Компост ОСВ + опилки 5,13 +22,72 ОСВ 1,84 -55,98 НСР₀₅ 2,50 - Длина семисуточного ростка, см Контроль 1,84 100 Компост ОСВ + торф 2,78 +51,09 Компост ОСВ + опилки 4,25 +130,98 ОСВ 2,17 +17,93 НСР₀₅ 0,41 -

Таблица 7 Динамика морфометрических показателей крупноцветковой гортензии при выращивании рассадным способом на почвосмесях с компостом из обезвоженного осадка сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК» Динамика показателей за период наблюдений (140 суток), % Варианты Торфосмесь традиционная (контроль) M*±m ОСВ + торфосмесь традиционная M*±m Компости-
руемая смесь 1 (осв + опилки) M*±m Компости-
руемая смесь 1+торфосмесь традиционная M*±m Компости-
руемая смесь 2 (осв + торф) M*±m Компостируемая смесь 2 + Торфосмесь традиционная M*±m Количество вегетативных побегов, шт +1 Без изменений Без изменений +1 +1 Без изменений % 100 - - 100 100 - Количество листьев, шт. +47.5 37.5 +93,5 +51,5 +59 +39 % 100.00 78.94 196,84 108,42 124,21 82.11 Высота, см +4.9 +8.3 +15.2 +6 +9.2 +5.1 % 100.00 169.39 310.20 122.45 187.76 104.08 * достоверно для p=0,95

Таблица 8 Влияние компостов из обезвоженного осадка сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК» на площадь листьев крупноцветковой гортензии Показатели Варианты         Торфосмесь традиционная (контроль) M*±m ОСВ + торфосмесь традиционная M*±m Компостируемая смесь 1 (осв + опилки) M*±m Компостируемая смесь 2 (осв + торф) M*±m Компостируемая смесь 2 + Торфосмесь традиционная M*±m Площадь листьев 1 растения, см² 386,2±96,5 1219.5±365,9 3620.6±905,0 2279.00±524 1145.00±280 % 100 315,8 937,57 590,15 296.5 * достоверно для p=0,95

Таблица 9 Влияние компостов на рост и развитие крупноцветковой гортензии при выращивании на почвосмесях с компостом из осадка сточных вод ЗАО РНПК Показатели в фазу цветения Варианты Торфосмесь традиционная (контроль) M*±m ОСВ + торфосмесь традиционная M*±m Компостируемая смесь 1 (осв + опилки) M*±m Компостируемая смесь 1 + торфосмесь традиционная M*±m Компостируемая смесь 2 + Торфосмесь традиционная M*±m Количество соцветий, шт. 3,0±0,75 6±1,7 9±2,5 9±2,7 8±2,0 Количество цветков в соцветии, шт. 53±13 60±16,8 58±13,0 59±15,3 55±13,7 Диаметр соцветия, см 9±2,2 9±2,5 13,4±3,3 8.5±2,1 7±1,9 * достоверно для p=0,95

Таблица 10 Влияние компоста из обезвоженного осадка установки биологической очистки ЗАО «РНПК» на анатомо-морфологические показатели ярового рапса (сорт Ратник) Варианты опыта Показатели Коли-чество ответвле-
ний, шт. M*±m Фитомасса 1 сырого растения, г M*±m Диаметр стебля, см M*±m Количество стручков 1 растения, шт. M*±m Масса стручков 1 растения, г M*±m Длина стручка, см M*±m Высота 1 растения, см M*±m Сухая масса 1 растения, г M*±m Контроль(почва - агрозем торфяно-минеральный) 11,4±3,4 22±6,6 0,32±0,1 10,4±2,6 1,57±0,5 5,8±1,4 85,4±21,3 3,6±0,9 Компост торф + ОСВ, доза внесения 9 т/га 5,6±1,6 67±19.0 1,04±0,3 57,2±17,0 5,88±1,8 6,29±1,5 95,8±21 6,72±1,7 % к контролю 49,1 304,5 325,0 550,0 374,5 108,4 112,2 186,7 * достоверно для p=0,95

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ получения органо-минеральной удобрительной смеси, который включает смешивание осадков городских сточных вод с наполнителем, разрыхлителем и детоксикантом, причем в качестве наполнителя, разрыхлителя и детоксиканта используют сосновые опилки с размером фракции до 2 мм, которые смешиваются с осадками городских сточных вод с размером фракции до 5 мм в массовом соотношении 1:0,5, соответственно, и затем смесь подвергается компостированию. Изобретение позволяет упростить, удешевить технологию получения органо-минеральных удобрений и повысить удобрительную ценность конечного целевого продукта. 2 н.п. ф-лы, 10 табл., 2 пр.

1. Способ получения органоминеральной удобрительной смеси, включающий смешивание осадков городских сточных вод с наполнителем, разрыхлителем и детоксикантом, отличающийся тем, что в качестве наполнителя, разрыхлителя и детоксиканта используют сосновые опилки с размером фракции до 2 мм, которые смешиваются с осадками городских сточных вод с размером фракции до 5 мм в массовом соотношении 1:0,5 соответственно, и затем смесь подвергается компостированию.

2. Способ получения органоминеральной удобрительной смеси, включающий смешивание осадков городских сточных вод с наполнителем, разрыхлителем и детоксикантом, отличающийся тем, что в качестве наполнителя, разрыхлителя и детоксиканта используется низинный торф с размером фракции до 2 мм, который смешивается с осадками городских сточных вод с размером фракции до 5 мм в массовом соотношении 1:1 соответственно, и затем смесь подвергается компостированию.