Способ производства компоста из пищевых и биоразлагаемых отходов за 24 часа Российский патент 2024 года по МПК C05F17/00 

Изобретением является способом приготовления компоста из пищевых, биологических и иных органических отходов в течение 24 часов.

Изобретение относится к области производства удобрений, кормов для животных, обогащенных почвогрунтов и иных веществ путем компостирования, пригодных к использованию в сфере жилищно-коммунального хозяйства, бытовом использовании, сфере услуг (предприятия общественного питания и торговли).

Известен способ получения органических удобрений (см. RU п.2448931, оп. 27.04.2012г.), который наряду с заявленным способом использует для переработки органические отходы (птичий помет и свиной навоз), включает стадии перемешивания и нагревания; вместе с тем указанный способ отличается от заявленного способа тем, что не предполагает использование широкого перечня органических отходов, а не только птичьего помета и свиного навоза, относится только к сельскому хозяйству, не предполагает реализации в рамках компактного компостера (биореактора), а также не предусматривает краткосрочный процесс - реализуется в течение 30 суток; в то время как заявленный способ применим к широкому перечню органических отходов, может быть использован также в сфере ЖКХ, быту, сфере услуг и торговли, позволяет достигнуть технического результата в течение 24 часов.

Известен способ и установка для обработки смеси отходов, включающие разделение и компостирование указанной смеси (см. RU п.2724551, оп. 26.06.2018г.), который наряду с заявленным способом использует для переработки бытовые органические отходы; вместе с тем указанный способ отличается от заявленного способа тем, что предполагает сушку и сортировку обрабатываемой массы, компостирование посредством последовательной реализации нескольких циклов названного способа и не предполагает реализации в компактных установках, в то время как заявленный способ не требует предварительной обработки изначальной массы, предполагает реализацию единичного цикла, может быть технически реализован в компактных устройствах (биореакторах).

Известен способ приготовления многоцелевого компоста (см. RU п.2735294, оп. 29.10.2020г.), который наряду с заявленным способом предполагает стадии нагревания, а также включает аэробную и анаэробную стадии; вместе с тем указанный способ отличается от заявленного способа тем, что предполагает использование ограниченного перечня отходов (проростков полевых сельскохозяйственных культур), предполагает предварительную подготовку массы (проращивание, измельчение, вымачивание), не предусматривает краткосрочный процесс - реализуется в течение нескольких суток; в то время как заявленный способ предполагает использование пищевых, биологических и иных органических отходов, не предусматривает специальной предварительной подготовки массы, реализуется в течение 24 часов.

Задача изобретения в обеспечении наиболее быстрой переработки (в течение 24 часов) широкого спектра органических отходов без их предварительной подготовки (проращивание, измельчение, вымачивание, сортировка и так далее), без добавления специализированных источников бактерий, таких как специальные смеси, препараты, а также живых организмов.

Техническим результатом является получение обогащенного субстрата, пригодного для производства удобрения, кормов для животных, обогащенных почвогрунтов и иных целей, а также экологичная утилизация бытовых органических отходов широкого спектра.

Технический результат достигается за счет того, что заявленный способ представляет собой последовательное применение к массе отходов, состоящей на 2/3 из собранных отходов и на 1/3 из ранее переработанной (компостированной) массы, далее «субстрат», нескольких последовательных стадий.

Компостирование пищевых и биоразлагаемых отходов - экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов, включающих бактерии, археи и грибы. При этом происходит повышение температуры в компостируемом материале до 50-70° C и выше, при относительно низкой влажности: около 85 % в начале процесса, и 20% в конце созревания компоста. В настоящее время компостирование признано экологичным, экономически выгодным способом переработки органических отходов и соответствует концепции разумного потребления и устойчивого развития. Компостирование не представляет угрозу здоровью человека и окружающей среде, поскольку при компостировании не вырабатываются вредные газообразные продукты (NO_x, SOx). Полученный в результате переработки отходов компост насыщен гуминовыми кислотами и служит удобрением с высокой агрономической ценностью. Сырьем для производства компоста служат отходы всей пищевой цепочки, от сельского хозяйства и рыболовства, и предприятий пищевой промышленности, до распределительных сетей (магазинов, ресторанов, рынков и т. д.).

Значительное влияние на интенсивность процесса компостирования и скорости окисления органических веществ оказывает температура, влажность компостируемой массы, пористость (мультидисперсность) субстрата, обеспечивающая аэрацию, а также присутствие азота в доступной форме.

Создание идеальных условий (управление процессом компостирования) для ускорения процесса компостирования органических отходов в 200-300 раз и является изобретением (способом компостирования).

Для реализации поставленной задачи создаются условия, в которых природные процессы протекают по заложенному алгоритму, по очереди заставляя работать нужные группы микроорганизмов, обеспечивая процесс компостирования отходов за 24 ч. В процессе компостирования принимают участие множество микроорганизмов: идентифицировано более 2000 известных видов бактерий, не менее 100 видов грибов, также в компосте присутствуют археи. Процесс компостирования мы разделяем на четыре температурные стадии: (1) мезофильная (до 40°С); (2) термофильная (до 60-70°С); (3) остывание (до 40°С); (4) созревание (до разницы не более 10°С между средней температурой массы и температурой окружающей среды).

Процесс компостирования в изменяющихся температурных условиях осуществляется при участии разнообразных микроорганизмов, в основном представителей четырех бактериальных фил: Firmicutes, Proteobacteria, Bacteriodetes и Actinobacteria, которые составляют 85% всех идентифицированных микроорганизмов в компостах.

Принято считать, что температурный режим устанавливается сам, в результате саморазогрева за счет деятельности микроорганизмов и является индикатором процесса компостирования (традиционный метод компостирования).

Принято считать, что при повышении температуры в пределах от10 до 50°С на каждые 10°С процессы размножения микроорганизмов и переработки ими массы ускоряются в сотни раз. При этом в случае сильного повышения температуры компоста (до 65-85°С) снижается скорость биодеградации органического субстрата, поскольку такие температуры выше оптимальных для умеренно термофильных микроорганизмов, простейших и беспозвоночных обитателей компоста. Кроме этого, если зараженный материал подвергается компостированию, количество патогенных вирусов в нем резко снижается на термофильной стадии компостирования, до степени безопасного.

Достигнуть заявленной цели компостирования в ускоренные сроки (за 24 часа), позволяют первые две стадии: мезофильная и термофильная, в то время как стадия остывания и созревания является результатом первых двух процессов деградации и разложения.

Для переработки используется исходная масса, состоящей на 2/3 из собранных отходов и на 1/3 из ранее переработанной (компостированной) массы (субстрат), далее «субстрат».

После загрузки массы в герметичную емкость (биореактор) начинается первый этап компостирования, который предполагает плавный подъем температуры до 40°С. В процесс компостирования включаются мезофильные бактерии, количество которых увеличивается до 10⁷ на 1грамм субстрата. Влажность субстрата при этом составляет максимум 100-85% и понижается за счет выпаривания лишней влаги, подлежащей удалению из емкости (биореактора). Подача воздуха (аэрация) и отведение влаги является важным процессом деградации отходов, позволяющим обеспечить не большой рН (5-6) и предотвращающим образование метана в отходах. За 4-8 часов компостирования температура поднимается до 50-60°С, при этом мезофильная группа бактерий выходит на концентрацию 10⁸ на 1 грамм массы. Работа мезофильной группы бактерий заканчивается, и масса является готовой для дальнейшей обработки термофильной группой бактерий и начинается второй этап переработки, которые классифицируются как экстремальные термофилы, способные расти при температурах выше 80°С (оптимальная температура роста 72°С или выше) и начинается второй этап переработки.

Основной этап деградации массы (второй этап) и превращение в массы в компост, при этом выделяемое тепло в виде пара должно отделяться от массы и выводиться из емкости (биореактора). Для лучшего окисления субстрата необходимо перемешивание массы со скоростью 2 оборота в минуту, что обеспечивает питание кислородом, мультидисперсности -- создание сыпучести субстрата (компоста) и отведением излишней влаги в виде выделяемого пара.

Второй этап преобразования массы в субстрат (компост) длится 8-14 часов, в зависимости от влажности загружаемой массы. Для уменьшения влажности и преобразования массы в субстрат (компост) температура подлежит увеличению от 60-80°С. Термофильная группа бактерий достигает максимальной концентрации 10¹⁰ на 1 грамм массы. Результатом разложения субстрата термофильными бактериями становится однородная и сыпучая масса, превращенная в компост. Влажность падает до 30-20%, парение прекращается. Температура снижается до 40°С, процесс перемешивания и насыщение кислородом продолжается до полного цикла (все 4 этапа).

Аэрация и анаэробные условия процесса компостирования. Процесс компостирования, преимущественно аэробный. Поэтому режим и интенсивность аэрации чрезвычайно важны. Однако в компостируемой массе формируются микроаэрофильные и анаэробные микрониши внутри очень мелких частиц, в которых из-за органического поступления кислорода развиваются анаэробные микроорганизмы. Доля анаэробов в общем числе микроорганизмов, участвующих в компостировании, составляют от 1 до 10% микроорганизмов, при этом скорость синтеза и эффективность экзоферментов, синтезируемых анаэробами, могут быть даже выше. Деградация органического вещества в анаэробных условиях включает: расщепление сложных биологических молекул на более простые олего- и мономеры, ферментивное расщепление мономеров до летучих жирных кислот (ЛЖК), спиртов, СО₂ и Н₂, затем происходит образование непосредственных предшественников метана (ацетата, водорода и углекислоты), затем образуется метана (CH₄).

Вместе с тем образование метана при компостировании крайне нежелательно, так как метан является горючим газом и его воспламенение может вызвать возгорание. При периодическом ворошении и продувке воздухом компостной массы анаэробное разложение органических веществ останавливается на стадии образования ЛЖК, снижающих рН среды, СО₂ и Н₂.

Кроме того, использование названных приемов позволяет сохранить азот в готовом компосте, а значит, повысит агрономической ценности готового субстрата (компоста) и общую энергоэффективность процесса компостирования.

На третьем этапе происходит снижение температуры, и на четвертом этапе, когда происходит созревание компоста, становятся активными актиномицеды (Actinomycetaies) и бактерии, относящиеся к родам семейства Enterobacterias и Pseudomonadaies, которые способствуют более полной деградации остаточного органического сырья. Важную роль играют микроскопические грибы (микромицеды), на активность и рост которых сильно влияет температура. Многие микромицеды инактивируются при понижении температуры (до 55°С), и распространяются по всему объему компостной массы.

Полученный компост имеет высокие агрономические показатели и может применяться в качестве удобрений, производстве кормов и иных отраслях (фигура 1 - физико-химические свойства и состав получаемого субстрата (компоста)».

Применение заявленного способа компостирования ускоряет природные процессы в 200-300 раз, создавая идеальные условия для работы бактерий на каждом этапе деградации отходов.

Заявленный способ позволяет за 24 часа совершить процесс компостирования, который в природных условиях занимает около года.

Применение способа позволяет перерабатывать отходы независимо от погодных, температурных, атмосферных и иных условий, включая географические (место расположения, рельеф), в компактных устройствах (биореакторах), доступных к установке в домах, ресторанах, магазинах, предприятиях сельского хозяйствах различного масштаба (фигура 2 - фотоотчет применения заявленного способа).

Способ приготовления компоста из пищевых и биологических органических отходов в течение 24 ч заключается в том, что для переработки используют массу, состоящую на 2/3 из собранных отходов и на 1/3 из ранее переработанной компостированной массы. После загрузки массы в биореактор осуществляют последовательное компостирование, включающее следующие стадии: мезофильную – предполагающую нагрев массы до 40°С, при влажности 85-100%, с последующим постепенным нагревом массы за 2-4 ч до 50-60°С, термофильную – длительностью 8-14 ч, предполагающую нагревание массы до 80°С, при перемешивании со скоростью 2 об/мин, при которой обеспечивается обработка массы бактериями термофильной группы, остывания – предполагающую естественное снижение температуры массы до 40°С, и созревания – предполагающую естественное снижение температуры массы не более чем на 10°С, превышающей температуру окружающей среды. Техническим результатом является ускоренное получение компоста за 24 ч, пригодного для производства удобрения, кормов для животных, почвогрунтов, а также экологичная утилизация бытовых органических отходов широкого спектра. 2 ил.

Способ приготовления компоста из пищевых и биологических органических отходов в течение 24 ч, характеризующийся тем, что для переработки используют массу, состоящую на 2/3 из собранных отходов и на 1/3 из ранее переработанной компостированной массы, после загрузки массы в биореактор осуществляют последовательное компостирование, включающее следующие стадии: мезофильную – предполагающую нагрев массы до 40°С, при влажности 85-100%, с последующим постепенным нагревом массы за 2-4 ч до 50-60°С, термофильную – длительностью 8-14 ч, предполагающую нагревание массы до 80°С, при перемешивании массы со скоростью 2 об/мин, при которой обеспечивается обработка массы бактериями термофильной группы, остывания – предполагающую естественное снижение температуры массы до 40°С, и созревания – предполагающую естественное снижение температуры массы не более чем на 10°С, превышающей температуру окружающей среды.