Способ получения органоминерального удобрения Российский патент 2023 года по МПК C05F3/00 

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при получении и применении органоминерального удобрения на основе, например, птичьего и в первую очередь куриного помета в лесном и сельском хозяйстве.

Известен способ получения органоминерального удобрения, включающий смешение куриного помета с минеральной составляющей - карбонатно-глинисто-кремнисто-цеолитовой породой, которая предварительно высушивалась при температуре 100-200°С в течение 0,5-15 часа (гранулы с размером не более 1,0-2,0 мм) и затем смешивалась с куриным пометом в соотношении 2:1-1:3 (патент России 2351576, 2009). Однако этот способ получения технологически трудоемок и требует значительных энергозатрат (сушка при температуре 100-200°С в течение 0,5-1,5 часов, размер зерен наполнителя минеральной составляющей не более 2,0 мм). При этом само удобрение содержит большую часть инертной минеральной примеси (2:1-1:3), что отрицательно сказывается на потребительских свойствах органоминерального удобрения.

Известен способ получения удобрения на основе куриного помета, принятый за прототип, при котором свежий куриный помет смешивают с влагопоглощающим материалом - опилом (стружкой) лиственных пород и стимулятором ферментации (компостирования), в качестве которых используются почвенные микроорганизмы: Trichoderma viridas (1,5⋅10^-4 КОЕ/мл), Azobacter chroococcum (2⋅10^-5 КОЕ/мл), Azomonas agilis (4,3⋅10^-5 КОЕ/мл), взятые в соотношении 1:1:2 (патент России 2612911, 2017). Количественно: куриный помет : опил или стружка 1:2 и аэрация смеси в течение 5-7 суток. Предлагаемый способ имеет ряд недостатков, затрудняющих его практическую реализацию: использование только свежего куриного помета и содержание в удобрении значительного количества инертного наполнителя (опил, стружка). Кроме того, наличие в составе композиции древесного опила (стружки) не способствует увеличению рН среды, являющемуся необходимым условием ферментации, а наличие в составе свежего куриного помета антибиотиков и гормональных препаратов отрицательно сказывается на ферментации, в результате чего процесс ферментации занимает 14-20 суток.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности технологии получения органоминерального удобрения за счет сокращения временных затрат на его производство при одновременном улучшении потребительских свойств органоминерального удобрения.

Технический результат достигается тем, что заявляется способ получения органоминерального удобрения, включающий получение смеси из птичьего помета, целлюлозосодержащего наполнителя и стимулятора ферментации с последующей аэрацией приготовленной смеси, отличающийся тем, что дополнительно в смесь добавляют золу от сжигания каменного угля, а в качестве стимулятора ферментации используют предварительно ферментированный птичий помет, полученный путем смешения свежего птичьего помета с целлюлозосодержащим наполнителем, взятым в количестве не более 10 мас.% от массы свежего птичьего помета с последующей аэрацией полученной смеси в течение не менее 400 часов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

целлюлозосодержащий наполнитель, (в пересчете на абс.сухой) 5-10 зола от сжигания каменного угля, (в пересчете на абс.сухой) 5-15 предварительно ферментированный помет, (в пересчете на абс.сухой) 5-20 птичий помет (с относительной влажностью 65-75%) остальное

В качестве целлюлозосодержащего наполнителя используют, например, воздушно-сухой или предварительно подсушенный опил или стружку лиственных, хвойных пород или их смеси. Целлюлозосодержащий наполнитель выполняет функцию влагопоглощающего инертного наполнителя и структурирует смесь для проведения ферментации птичьего помета. Предпочтительно использование опила или стружки лиственных пород, т.к. в лиственных породах отсутствуют смолистые вещества, которые замедляют процесс ферментации. Вместе с тем, в случае использования опила или стружки только хвойных пород, в заявляемом способе приводит к сокращению времени ферментации птичьего помета по сравнению с прототипом.

В качестве золы, получаемой от сжигания каменного угля, могут быть использованы воздушно-сухие золошлаковые отходы ТЭЦ, например, зола от сжигания Экибастузского угля, которая содержит оксидные формы Al, Са, Fe, K, Cu, Si, Zn, Co, Mn, Mg, Se и других микроэлементов, необходимых для роста растений.

Аэрацию птичьего помета проводят известными способами путем пропускания через ферментируемую массу птичьего помета воздуха, предпочтительно с расходом 60 литров воздуха на 1 кг птичьего помета в час при температуре окружающей среды 15°С-25°С.

Заявляемый способ осуществляют в реакторе, который может быть установлен стационарно на специализированных предприятиях или может быть установлен в местах складирования птичьего помета для переработки его на месте складирования (хранения).

Процесс ферментации как при получении предварительно ферментированного птичьего помета, так и конечного продукта ферментации, ведут при температуре рабочего помещения 15°С-25°С. Окончание процесса ферментации контролируют по снижению температуры в ферментируемой массе до 25°C-30°С.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволяет выявить следующие отличительные признаки: дополнительное введение золы от сжигания каменного угля в количестве 5-15 мас.% от массы птичьего помета и использование в качестве стимулятора ферментации предварительно ферментированного птичьего помета, процесс ферментации которого проведен совместно с целлюлозосодержащим наполнителем в количестве 5-20 мас.% от массы птичьего помета, использование целлюлозосодержащего наполнителя в количестве 5-10 мас.% от массы птичьего помета.

Заявляемый способ позволяет повысить эффективность и производительность процесса за счет снижения продолжительности ферментации и повышения прироста корневой и надкорневой частей растений.

Заявляемый способ иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения и рисунками:

На Фиг. 1 показана схема установки реактора для ферментации птичьего помета.

На Фиг. 2 показаны графики, иллюстрирующие процесс ферментации заявляемым способом.

Для проведения процесса ферментации может быть использован реактор, представленный на Фиг. 1, где 1 - воздушный компрессор, 2 - подводящий гибкий шланг, 3 - реактор, 4- рН-метр, 5, 6-термометры, 7 - влагомер, 8 - гибкий шланг для отвода конденсата и газов, 9, 10 - сосуды с поглотительным раствором, 11 - соединительные шланги.

В реактор 3 помещают равномерно перемешанную смесь из 1 кг птичьего помета (относительной влажностью 65-75%), предварительно нагретого до температуры 20±1°С. Для приготовления ферментируемой смеси берут целлюлозосодержащий наполнитель - опил либо стружку лиственных (береза, осина, тополь), хвойных пород (сосна) или их смесь в количестве 5-10% от массы помета для структурообразования массы с целью оптимизации условий аэрации воздухом и снижения влажности исходного птичьего помета. Добавляют 5-20% от массы птичьего помета предварительно ферментированного продукта той же птицефабрики, полученного ферментацией при тех же температурных условиях и условиях аэрирования в аналогичном реакторе. Добавляют угольную золу Рефтинской ГРЭС в количестве 5-15% от массы помета, содержащей компоненты (в оксидной форме) химического состава, представленного в Таблице 1.

Предварительно ферментированный продукт (ФП) получали из птичьего помета той же птицефабрики путем аэрации смеси свежего птичьего помета и опила лиственных и/или хвойных пород, взятых в количестве 5-10 мас.% (в пересчете на абс.сух. вещество) от массы птичьего помета, взятого при относительной влажности 65-75 мас.%, при расходе воздуха 60 литров/кг птичьего помета в час при температуре рабочего помещения предпочтительно около 20°С. Процесс ферментации показан на графиках на Фиг. 2, из которых видно, что процесс ферментации начинался через 180-200 часов от начала процесса аэрации вне зависимости от породы древесных опилок или стружки, а через 240-280 часов от начала процесса достигал температуры 58-63°С за счет саморазогрева в результате протекания процесса ферментации. Снижение температуры до 25-30°С происходит за счет завершения процесса ферментации и составляет не более 400 часов. Дополнительно окончание процесса ферментации контролируется путем измерения количества выделяющегося аммиака. Полученный таким образом предварительно ферментированный продукт использовали в качестве стимулирующей добавки в примерах по заявляемому изобретению и контрольных примерах, показанных в Таблице 2 и Таблице 3.

Для приготовления органоминерального удобрения смесь свежего птичьего помета, целлюлозосодержащего наполнителя, предварительно ферментированного продукта и золы от сжигания угля, приготовленную в реакторе 3, подвергают аэрации воздухом из расчета 60 литров/кг помета в час. В процессе ферментации постоянно контролируют температуру, pH среды, содержание аммиака, образующегося в процессе ферментации. Газообразный аммиак улавливают 1N раствором соляной кислоты и пересчитывают в количество азота. Продолжительность процесса ферментации в зависимости от условий и состава ферментируемой массы составляла 160-410 часов, температура ферментируемой массы - 58-60°C.

Процесс ферментации заканчивали, когда аммиак переставал выделяться, и температура в реакторе снижалась до 30°С. Данные по примерам конкретного выполнения представлены в Таблице 2.

Также проведена ферментация того же птичьего помета с использованием известных способов (примеры №1 и №2 - прототип).

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что при использовании золы наблюдается снижение продолжительности процесса ферментации, в частности, при заявляемом количестве золы 5-15 мас.% от массы птичьего помета продолжительность процесса ферментации снижается, практически в 2 раза по сравнению с прототипом (примеры по изобретению №5-10).

Увеличение количества золы более 15 мас.% от массы птичьего помета не приводит к дальнейшему сокращению продолжительности процесса (по сравнению с примером №10), однако, безусловно, сказывается на «выходе» полезного продукта. По нашему мнению, сокращение продолжительности процесса ферментации заявляемым способом, с одной стороны, обусловлено ростом рН среды за счет содержащихся в золе оксидов калия, натрия, кальция, магния в конечном продукте до 9,5 (примеры 5-10), в то время как у прототипа (пример №2) составляет в конце процесса ферментации 8,8. При отсутствии золы (пример №3) даже в присутствии 20 мас.% ферментированного продукта или при содержании золы 1 мас.% от массы птичьего помета (пример №4) рН составляет 9,1. С другой стороны, можно предположить каталитическое влияние компонентов, содержащихся в золе, на сам процесс ферментации.

Для оценки фитотоксичных и стимулирующих свойств полученных органоминеральных удобрений использована методика ГОСТ Р ИСО 18763-2019 «Качество почв. Определение токсичного воздействия загрязняющих веществ на всхожесть и рост на ранних стадиях высших растений». - М. Стандартинформ, 2019. С27. Методика заключается в элюентном биотестировании почв с использованием прозрачных планшетов специальной конструкции. В качестве тест растения, как и во вариантах ГОСТ Р ИСО 18703-2019, использовано двудольное растение кресс-салат (Lipidium sativum). При исследовании фиксировали размер корневой и наземной части растений. Тестируемая система представляла собой водные вытяжки, полученные из органоминеральных удобрений в соответствии с примерами, показанными в Таблице 2, приготовленные в весовом соотношений: 1 часть органоминерального удобрения (влажность 15%) с 4 частями дистиллированной воды. Полученную суспензию перемешивали в течение 2-х часов, отстаивали и титровали. В качестве контрольной среды использовали дистиллированную воду. В нижнюю часть планшета на подложку помещали фильтровальную бумагу, смоченную равномерно 2 мл вытяжки, помещают по пять семян кресс-салата, равномерно распределенных на одной линии поверхности бумаги. Определение производят в трех параллельных измерениях. Планшеты помещают вертикально в держателях. Проращивание производят в темноте в течение 72±1 часов при температуре 20-25°С.

Эффект торможения роста и развития корневой и наземной части (%) вычисляют по формуле:

где А - среднее значение длины корней или проростков в контрольном опыте;

В - среднее значение длины корней или проростков в исследуемой среде.

Водные вытяжки образцов органоминерального удобрения разбавляли в 9 и 81 раз. Испытания прототипа производили в аналогичных условиях. Данные представлены в Таблице 3.

Из данных, представленных в таблице 3, видно, что использование золы положительно сказывается не только на продолжительности процесса ферментации, но и проявляется в положительном влиянии на корневую и наземную часть при выращивании кресс-салата. По сравнению с прототипом (пример №2), прирост корневой части при 9-кратном разведении составляет от 1,5 до 2,5 раз, наземной при том же разведении - 3-6 раз (примеры №5-10). По сравнению с удобрением, не содержащим компонентов золы (пример №3), прирост корневой и наземной части растений составил 1,5-2,5 раза. По нашему мнению, это также обусловлено наличием в составе золы значительного количества микроэлементов, в частности молибдена, бора и других, положительно влияющих на параметры роста.

Увеличение количества золы до 20 мас.% (пример №11) отрицательно сказывается на продолжительности процесса ферментации. По нашему мнению, это может быть обусловлено увеличением содержания микроэлементов, которые могут негативно влиять на микроорганизмы, участвующие в процессе ферментации. Увеличение количества золы в конечном продукте более 15 мас.% отрицательно сказывается на его потребительских свойствах, а именно на приросте корневой и наземной частях при выращивании кресс-салата, как при разведении в 9 раз, так и при разведении в 81 раз, по сравнению с примерами по изобретению. Это обусловлено уменьшением количества полезного компонента ферментированного продукта, которое не компенсируется увеличением дополнительных количеством микроэлементов, поступающих с золой.

Таблица 1
Химический состав золы Рефтинской ГРЭС Элемент Содержание вещества в золе, % Вещество Оксидная форма (высший оксид) Молярная масса оксида Содержание вещества в оксиде, % Содержание оксидной формы в пробе, % Ag3280 0,000049 Ag Ag2O 231,8 46,54874892 0,00007579 As1890 0,001320 As As2O5 229,8 32,59355962 0,00221053 B_2089 0,001323 B B2O3 69,6 15,51724138 0,00244124 Ba4554 0,011117 Ba BaO 153,3 89,56294847 0,01227731 Be3131 0,000019 Be BeO 25 36 0,00003183 Bi2230 0,000494 Bi Bi2O5 497,96 41,96722628 0,00078049 Cd2288 0,000006 Cd CdO 128,4 87,53894081 0,00000691 Co2286 0,000119 Co CoO4 122,9 47,92514239 0,00018149 Cr2055 0,000272 Cr CrO3 99,99 51,99519952 0,00040219 Cu3247 0,000726 Cu Cu2O 143 44,40559441 0,00112935 K_7664 0,008487 K K2O 94,2 41,507431 0,01345075 Li6707 0,000150 Li Li2O 29,8 23,15436242 0,00026452 Mg2790 0,221216 Mg MgO 40,3 60,29776675 0,30904350 Mn2576 0,016212 Mn Mn2O7 221,8 24,75202885 0,02841042 Mo2020 0,000345 Mo MoO3 143,95 66,65508857 0,00045985 Na5895 0,018664 Na Na2O 61,98 37,09261052 0,03040566 Ni2316 0,000108 Ni NiO4 122,7 47,8402608 0,00016447 Pb2203 0,000114 Pb PbO2 239,2 86,62207358 0,00012901 Sb2175 0,000049 Sb Sb2O5 265,8 34,95109105 0,00008151 Se1960 0,000141 Se SeO3 126,96 62,19281664 0,00019446 Sn1899 0,005661 Sn SnO2 150,7 78,76575979 0,00686287 Sr4077 0,005071 Sr SrO 103,6 84,55598456 0,00585446 Te2142 0,000081 Te TeO3 175,6 72,66514806 0,00010358 Ti3349 0,011839 Ti TiO2 79,9 59,94993742 0,01658013 V_2924 0,002911 V V2O5 101,8 50 0,00436600 W_2079 0,000396 W WO3 231,8 79,29249353 0,00047756 Zn2138 0,001823 Zn ZnO 81,4 80,34398034 0,00218145 Al3961 0,327810 Al Al2O3 101,96 26,4613574 0,56887664 Ca3706 1,249392 Ca CaO 56,1 71,47950089 1,60572502 Fe2599 0,646039 Fe Fe2O3 159,6 34,96240602 1,06620759 Si2124 0,170639 Si SiO2 60,1 46,75540765 0,26149550 P_1774 0,124693 P P2O5 141,94 21,81907848 0,22218001

Таблица 2
Примеры конкретного выполнения по ферментации птичьего помета № п/п Состав Значение рН Продолжительность процесса, час начальное конечное 1 2 3 4 5 1 Аналог (патент РФ 2352576) 4,5 8,1 410 2 Прототип (патент РФ 2612911 5,2 8,8 310 3 Контрольный Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 200 г (20%) 5,4 9,1 210 4
Контрольный Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 200 г (20%)
Зола 10 г (1%) 5,4 9,1 212 5
По изобретению Помет 1000 г
Стружка (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 100 г (10%)
Зола 50 г (5%) 5,4 9,2 195 6
По изобретению Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 50 г (5%)
ФП 100 г (10%)
Зола 100 г (10%) 5,4 9,1 210 7
По изобретению Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 50 г (5%)
Зола 100 г (10%) 5,4 9,1 200 8
По изобретению Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 100 г (10%)
Зола 100г (10%) 5,47 9,5 180 9
По изобретению Помет 1000 г
Стружка (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 200 г (20%)
Зола 100 г (10%) 5,47 9,5 160 10
По изобретению Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100г (10%)
ФП 200 г (20%)
Зола 150 г (15%) 5,5 9,5 160 11
Контрольный Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100г (10%)
ФП 200 г (20%)
Зола 200 г (20%) 5,5 9,5 210

Таблица 3
Эффект развития корневой и наземной систем кресс-салата в водных вытяжках органоминерального удобрения № п/п Образец Кратность разбавления водной вытяжки рН водной вытяжки Эффект торможения Корневая часть Наземная часть 2 Прототип в 9 раз 8,6 -47,3 -8,1 в 81 раз 8,2 -12,4 -2,4 3 Помет 1000 г
Стружка (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 200 г (20%) в 9 раз 8,8 -104,2 -24 в 81 раз 8,6 -56,5 -12,1 4 Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 200 г (20%)
Зола 10 г (1%) в 9 раз 8,8 -101,3 -21,8 в 81 раз 8,6 -49,7 -9,9 5 Помет 1000 г
Стружка (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 100 г (10%)
Зола 50 г (5%) в 9 раз 8,9 -168,4 -24,5 в 81 раз 8,6 -56,8 -12,7 6 Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 50 г (5%)
ФП 100 г (10%)
Зола 100 г (10%) в 9 раз 9,0 -147,5 -24,1 в 81 раз 8,8 -56,8 -42,3 7 Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 50 г (5%)
Зола 100 г (10%) в 9 раз 9,0 -145,2 -24,0 в 81 раз 8,8 -56,6 -12,2 8 Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 100 г (10%)
Зола 100г (10%) в 9 раз 9,0 -186,4 -28,5 в 81 раз 8,8 -50,1 -14,9 9
контрольный Помет 1000 г
Стружка (листв. пород) 100 г (10%)
ФП 200 г (20%)
Зола 100 г (10%) в 9 раз 9,3 -254,7 -46,1 в 81 раз 9,1 -60 -32,4 10
контрольный Помет 1000 г
Опил (листв. пород) 100г (10%)
ФП 200 г (20%)
Зола 150 г (15%) в 9 раз 9,3 -245 -42,4 в 81 раз 9,1 -57,2 -28,1

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при получении и применении органоминерального удобрения на основе птичьего помета в лесном и сельском хозяйстве. Способ получения органоминерального удобрения включает получение смеси из птичьего помета, целлюлозосодержащего наполнителя и стимулятора ферментации с последующей аэрацией приготовленной смеси. Дополнительно в смесь добавляют золу от сжигания каменного угля, а в качестве стимулятора ферментации используют предварительно ферментированный птичий помет, полученный путем смешения свежего птичьего помета с целлюлозосодержащим наполнителем, взятым в количестве не более 10 мас.% от массы свежего птичьего помета. Аэрацию полученной смеси проводят в течение не менее 400 ч при заявленном соотношении компонентов. Техническим результатом является повышение эффективности технологии получения органоминерального удобрения за счет сокращения временных затрат на его производство при одновременном улучшении потребительских свойств органоминерального удобрения. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения органоминерального удобрения, включающий получение смеси из птичьего помета, целлюлозосодержащего наполнителя и стимулятора ферментации с последующей аэрацией приготовленной смеси, отличающийся тем, что дополнительно в смесь добавляют золу от сжигания каменного угля, а в качестве стимулятора ферментации используют предварительно ферментированный птичий помет, полученный путем смешения свежего птичьего помета с целлюлозосодержащим наполнителем, взятым в количестве не более 10 мас.% от массы свежего птичьего помета, с последующей аэрацией полученной смеси в течение не менее 400 ч, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

целлюлозосодержащий наполнитель, в пересчете на абсолютно сухой 5-10 зола от сжигания каменного угля, в пересчете на абсолютно сухую 5-15 предварительно ферментированный помет, в пересчете на абсолютно сухой 5-20 птичий помет с относительной влажностью 65-75% остальное

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве целлюлозосодержащего наполнителя используют опил или стружку лиственных пород.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве целлюлозосодержащего наполнителя используют опил или стружку хвойных пород.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве целлюлозосодержащего наполнителя используют смесь опила или стружки лиственных и хвойных пород.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ферментацию птичьего помета ведут при температуре 15-25°С.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что аэрацию ведут при расходе воздуха 60 л/кг птичьего помета в час.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окончание процесса ферментации контролируют по снижению температуры в ферментируемой массе до 25-30°С.