Способ получения гуминового удобрения Российский патент 2022 года по МПК C05F3/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для получения гуминового удобрения из гумусосодержащих субстратов, а именно из вермикомпостов.

Гуминовые вещества - это основная органическая составляющая почвы, воды и твердых горючих ископаемых. Впервые их выделили из торфа более двухсот лет назад, и до сих пор этот источник является наиболее популярным при производстве гуминовых удобрений. Физиологически активные вещества торфа включают в себя широкий ряд органических молекул: пептиды, аминокислоты, углеводы, ферменты, антибиотики и природные стимуляторы роста.

Гуминовые кислоты имеют разветвленную молекулярную структуру, включающую большое количество функциональных групп и активных центров. Формирование этих природных соединений происходит под воздействием физико-химических процессов, протекающих в почве и деятельности почвенных организмов. Источниками для их синтеза служат растительные и животные остатки, а также продукты жизнедеятельности почвенной микрофлоры. Таким образом, они являются аккумуляторами органического вещества почвы - аминокислот, углеводов, пигментов, биологически активных веществ и лигнина. Кроме того, в них концентрируются ценные неорганические компоненты почвы - элементы минерального питания (азот, фосфор, калий), а также микроэлементы (железо, цинк, медь, марганец, бор, молибден, и т.д.). Под воздействием естественных процессов, протекающих в почве, все вышеперечисленные компоненты включаются в единый молекулярный комплекс - гуминовые кислоты. Многообразие исходных компонентов для синтеза данного комплекса обуславливает сложную молекулярную структуру и, как следствие, широкий спектр физических, химических и биологических воздействий на почву и растения.

В настоящее время самыми эффективными стимуляторами роста и развития растений являются водорастворимые соли природных гуминовых соединений: гуминовых кислот и фульвокислот - гуматы и фульваты Na, K или NH4 в очень низких концентрациях - 0,001-0,0001 мас.%.

Для получения и производства различных гуминовых препаратов сельскохозяйственного назначения используют в качестве исходного сырья конечные продукты аэробной ферментации органосодержащих отходов (компосты и вермикомпосты). При этом, наиболее широко используемая технология получения гуминовых препаратов из вермикомпостов представляет собой щелочную обработку в жидкой фазе. Щелочная обработка исходных субстратов в воде позволяет получать более концентрированные препараты, которые содержат в себе практически все компоненты (водорастворимые и щелочерастворимые) вермикомпоста: соли гуминовых кислот и фульвокислот, аминокислоты, пептиды, витамины, антибиотики, гормоны роста и развития растений и другие продукты жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и самих дождевых червей (вермикультуры). Более того, щелочная обработка позволяет не только более полно извлекать из вермикомпостов все его компоненты, но многократно усиливать физиологические активности самих гуминовых кислот, образуя их водорастворимые соли: гуматы натрия, калия или аммония.

Известен способ получения жидкого гуминового органического биопрепарата для растениеводства, животноводства и птицеводства из вермикомпостов, включающий раздельно дробную экстракцию из вермикомпоста водорастворимых кислоторастворимых веществ с помощью анолита, а водорастворимых щелочерастворимых веществ с помощью католита электроактивированной воды, с последующим объединением щелочного экстракта с кислотным экстрактом, перемешиванием, отстаиванием и разливкой полученного целевого продукта в тару (RU 2709375, опубл. 17.12.2017).

В документе RU 2286975, опубл.10.11.2006, раскрыт способ получения бактериального удобрения на основе биогумуса, включающий получение биогумуса путем вермикомпостирования органических отходов с использованием дождевых червей и внесение в биогумус микроорганизмов. В качестве органических отходов используют навоз сельскохозяйственных животных, предварительно нейтрализованный до рН 7-8, а в качестве дождевых червей используют гибрид красного калифорнийского червя с дождевыми червями кубанской природной популяции, в количестве 104 на 1 м². Вермикомпостирование осуществляют в течение 2-3 месяцев при температуре 16-32°С в естественных условиях, причем после отделения червей из биогумуса виброситом с размером пор 0,5-1,0 см биогумус подсушивают до влажности 50-60%, фасуют в пакеты из полипропилена, вносят кукурузный экстракт в количестве 2,0-4,0% массы биогумуса и автоклавируют в течение 45-75 мин при 0,8-1,2 атм, вносят микроорганизмы вида Rhizobium japonicum и выдерживают до достижения титра 2·1010.

Также, известен способ получения комплексного биопрепарата из гумусосодержащих веществ путем щелочной экстракции, отделением щелочного экстракта и его нейтрализацией. Указанные вещества подвергают щелочной экстракции 0,1 М раствором пирофосфата калия в 0,1 н. растворе КОН или в 0,1 М раствором пирофосфата натрия в 0,1 н. растворе KOH или 0,1 М раствором пирофосфата натрия в 0,1 н. растворе NaOH при температуре 80°C, а затем после отделения щелочного экстракта нейтрализуют его азотной кислотой HNO₃ до значений pH 7,0-8,0, перемешивают, отстаивают и получают жидкий целевой продукт (RU 2580469, 10.04.2016).

К недостаткам известных из уровня техники методик можно отнести получение жидкого гуминового биопрепарата с применением неорганических кислот и щелочей, что ограничивает его использование в органическом земледелии, а также наличие в готовом продукте, наряду с полезными почвенными микроорганизмами, патогенной микрофлоры.

Задачей настоящего изобретения является создание более экономичного и универсального способа получения удобрения для стимуляции роста и развития растений из гумусосодержащих веществ, позволяющего с меньшими энергозатратами получать препарат более высокой активности с сохранением самых ценных органических кислот - гуминовых и фульвовых, без последующего образования гуматов и фольватов.

Для получения гуминового удобрения в качестве сырья используют сырье из навозной жижи и подстилочного материала из телятников (на основе соломы). Сырье (навозную жижу и подстилочный материал) смешивают с силосом или свежескошенной травой в количестве 5-10% от общего объема смеси в предварительном уличном приямке и перемешивают до получения однородной смеси, перемешивание производят погружным миксером. Полученная смесь подается на насосную группу, состоящую из гиророторного насоса и измельчителя, где крупные фракции соломы измельчаются до размера не более 5 см. Обработанная смесь направляется во внутрицеховой бассейн или пластиковые емкости большого объема. Сформированная смесь обрабатывается воздухом с целью удаления аммиака. Процесс аэрации длится в течение 40-60 минут. При этом ведут постоянное удаление воздуха с поверхности за счет вытяжной вентиляции. Затем смесь подается на кавитационный диспергатор (поточный измельчитель), где обрабатывается до получения ровной однородной смеси, размер частиц и включений после обработки не превышает 5-6 мм.

Подготовленная смесь затем направляется на фильтр-пресс, где происходит отделение жидкой части от сухого вещества. Полученный фильтрат используется в технических целях или удаляется через канализационную систему в лагуны. Процесс прессования ведется до получения кека с долей сухих веществ не менее 45%. Полученный кек вначале направляется на измельчение, где обрабатывается шредером для получения однородной массы, а затем направляется на санитаризацию.

Следует отметить, что в настоящем изобретении используется уникальный подход при получении вермикомпоста, который заключается в осуществлении санитаризации (посредством тепловой обработки) измельченной однородной смеси кека. Указанная смесь обрабатывается на инфракрасной сушилке с целью предварительного прогрева до температуры 68-70°С. Для этих целей используется поточная трехуровневая инфракрасная зерносушилка, при этом на первом ярусе смесь прогревается до температуры 35-45°С, на втором ярусе 65-70°С, на третьем ярусе после переворачивания пласта поддерживается температура 70-72°С.

Подготовленная и прогретая масса направляется в мобильные компостеры закрытого типа, где выдерживается не менее 2-х часов, но не более 3-х часов, далее охлаждается очищенным воздухом, который поступает в компостер через воздушно-распределительные системы, которые расположены в нескольких уровнях до температуры 38-44 °С. При достижении указанной температуры по всему объёму добавляется комплексная бактериальная культура (на базе молочнокислых, азотфиксирующих бактерий, сенной палочки и ферментов группы целлюлазы) путем внесения подготовленного раствора через нижние и верхние форсунки.

Начинается процесс компостирования при постоянном контроле температуры, влажности и кислотности. При этом поддерживают следующие параметры: температура 33-38°С, влажность не более 60-63% и кислотность при рН 6,0-6,8, соответственно. Процесс компостирования осуществляется при применении вертикальных компостеров с возможностью зонального контроля температуры в трех уровнях (верх, середина и низ). При этом осуществляется периодическая циркуляция субстрата внутри компостера. Время компостирования не менее 7 и не более 14 суток.

Полученный компост проверяют на coli-титр, например, методом мембранной фильтрации. Отрицательный результат указанной пробы кишечных палочек в полученном компосте является предсказуемым результатом вследствие проводимой ранее санитаризации. Однако, теоретически возможный положительный результат указывает на несоблюдение технологического процесса. Далее, указанный компост направляют на поточные вермиреакторы, где происходит обработка красными калифорнийскими червями при соблюдении следующих условий: внешней температуры в цехе не ниже 23°С, рН субстрата 6,0-6,8, освещенности не менее 200 Лк, циркуляции воздуха не менее 2-ого оборота в час и влажности сырья (влажность субстрата, подаваемого на поточный вермиреактор не более 65%). При этом в ложе вермиреактора находится колония компостных (калифорнийских) червей в количестве не менее 100 000 особей на 1 кв.м. Количество червей регулируется посредством предварительного подсчета, в случае увеличения колонии более чем 300 000 особей, производят удаление части червей за счет многосекционного просеивателя. После обработки нижних слоев (прохождения червями и образования копролитовых масс) нижний слой срезается и сбрасывается в транспортерную систему, которая имеет нагревательные элементы, размещенные под транспортной лентой. Полученный вермикомпост имеет влажность порядка 80%, при этом вначале он подвергается предварительному обсушиванию (посредством нагрева) и вылеживанию - до влажности 66-68%.

Таблица 1. Характеристики заявленного гуминового удобрения.

Гуминовые кислоты 15,2 Фульвокислоты 5,1 К, мг/кг 745 Р, мг/кг 58 Са, мг/кг 144 Na, мг/кг 1788 Аминокислоты, мг/кг
Аргинин
Фенилаланин
Гистидин
Пролин 35,2
7,25
110,2
2,564 Влажность 60-68

Таблица 2. Исследование заявленного гуминового удобрения

Вид Контроль (без внесения вермикомпоста) Вермикомпост по заявленному способу, 3 т/га Яровая пшеница сорта Ирень:
урожайность
содержание белка 18 ц/га
16,4% 26 ц/га
21,2% Озимая пшеница сорта Иришка
урожайность
содержание белка 62 ц/га
14,8% 78 ц/га
19,1% Озимый ячмень сорта Морозко
урожайность
содержание белка 58 ц/га
12,6% 84 ц/га
14,8% Озимый лук сорта Элан
урожайность
масса одной луковицы 36 т/га
42 г 48 т/га
68 г

Таким образом, заявленный способ получения гуминового удобрения является простым в отношении технологического процесса способом и может быть реализован в промышленных условиях. При этом, предлагаемый способ обеспечивает получение удобрения более высокого качества и с более высоким содержанием, как биомассы полезных почвенных аэробных микроорганизмов, так и физиологически активных веществ, а также с более высоким содержанием питательных макроэлементов.

Способ получения гуминового удобрения включает смешивание навозной жижи и подстилочного материала на основе соломы из телятников с силосом или свежескошенной травой в количестве 5-10% от общего объема смеси. Далее способ предусматривает измельчение полученной смеси, аэрацию воздухом в течение 40-60 мин, подачу на диспергатор, прессование на фильтр-прессе до получения кека с долей сухих веществ не менее 45%. Полученный кек измельчают и подвергают санитаризации путем обработки на трехуровневой инфракрасной сушилке. Подготовленную и прогретую массу направляют в компостеры закрытого типа, где выдерживают в течение 2-3 ч, затем охлаждают до температуры 38-44°С, добавляют комплексную бактериальную культуру и осуществляют процесс компостирования от 7 до 14 суток. Полученный компост проверяют на coli-титр, а затем направляют на поточные вермиреакторы. После обработки нижних слоев нижний слой срезают и сбрасывают в транспортерную систему, которая имеет нагревательные элементы, размещенные под транспортной лентой. Полученный вермикомпост с влажностью около 80% подвергают обсушиванию и вылеживанию до влажности 66-68%. Техническим результатом является получение биостимулятора роста и развития растений более высокой активности с сохранением ценных органических кислот - гуминовых и фульвовых, без применения неорганических кислот и щелочей. 2 табл.

Способ получения гуминового удобрения, включающий смешивание навозной жижи и подстилочного материала на основе соломы из телятников с силосом или свежескошенной травой в количестве 5-10% от общего объема смеси, измельчение полученной смеси до размера частиц соломы не более 5 см, аэрацию полученной смеси воздухом в течение 40-60 мин, затем смесь подают на диспергатор, где ее обрабатывают до получения однородной смеси с размером частиц, не превышающим 5-6 мм, полученную смесь направляют на фильтр-пресс, где процесс прессования ведут до получения кека с долей сухих веществ не менее 45%, полученный кек измельчают и подвергают санитаризации путем обработки на трехуровневой инфракрасной сушилке, при этом на первом ярусе смесь прогревают до температуры 35-45°С, на втором ярусе - до 65-70°С, на третьем ярусе после переворачивания пласта поддерживают температуру 70-72°С, подготовленную и прогретую массу направляют в компостеры закрытого типа, где выдерживают в течение 2-3 ч, затем охлаждают очищенным воздухом до температуры 38-44°С, добавляют комплексную бактериальную культуру на базе молочнокислых, азотфиксирующих бактерий, сенной палочки и ферментов группы целлюлазы и осуществляют процесс компостирования при постоянном контроле температуры 33-38°С, влажности не более 63% и кислотности рН 6,0-6,8, причем время компостирования составляет от 7 до 14 суток, далее полученный компост проверяют на coli-титр, а затем направляют на поточные вермиреакторы, где происходит обработка калифорнийскими червями при соблюдении условий: внешней температуры в цехе не ниже 23°С, рН субстрата 6,0-6,8, освещенности не менее 200 Лк, циркуляции воздуха не менее 2 об/ч и влажности сырья - влажность субстрата, подаваемого на вермиреактор, не более 65%, после обработки нижних слоев - прохождения червями и образования копролитовых масс, нижний слой срезают и сбрасывают в транспортерную систему, которая имеет нагревательные элементы, размещенные под транспортной лентой, полученный вермикомпост имеет влажность около 80%, затем его подвергают обсушиванию и вылеживанию до влажности 66-68%.