способ получения биогумуса, устройство для получения биогумуса

Формула изобретения

1 Способ получения биогумуса, включающий ферментацию субстрата, заселение его дождевыми червями и культивирование их, отличающийся тем, что перед ферментацией субстрат промывают, измельчают, доводят до пастообразного состояния и смешивают с закваской, полученную смесь подают в термореактор, затем в камеру бункерного биофильтра с последующим заселением ее червями, при этом в верхней части бункерного биофильтра создают условия для получения капролитов, коконов и отдыха червей, далее содержимое верхней части биофильтра направляют в башенный фильтр для разделения червей, коконов и капролитов, затем капролиты направляют во флотатор и сушильную камеру и выделяют целевой продукт.

2. Устройство для получения биогумуса, содержащее дробилку, смеситель, отстойник и флотатор, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно установленными термореактором, бункерным биофильтром, башенным фильтром и сушильным аппаратом, а также емкостями соответственно для червей и готовой продукции и инкубатором для коконов, при этом бункерный биофильтр выполнен в виде камеры с расположенными на ее дне перфорированными трубами для подачи питательной пасты и воздуха и смонтированными над ними бункером с двойным жалюзийным основанием, заполняемым неплотно уложенным материалом для размещения в нем червей, коконов и капролитов, а башенный фильтр состоит по меньшей мере из трех секций, отделенных одна от другой наклонными сетками, причем флотатор оснащен перфорированными трубами, соединенными с помощью насоса с отстойником для подачи воды, и желобом, сообщенным с сушильным аппаратом, а последний разделен сеткой на верхнюю часть, соединенную с емкостью готовой продукции, и нижнюю, соединенную с отстойником и вентилятором подачи воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке сточных вод и может быть использовано для получения высококачественного экологически чистого сельскохозяйственного удобрения - биогумуса.

Биогумус (вермикомпост) - высокомолекулярное органическое соединение, которое включает циклическую структуру и алифатические цепи, полученные в результате переработки червями органических веществ (навоза, соломы, листьев, остатков силоса, сена, отходов пищевой, мясной, плодоовощной промышленности, коммунального хозяйства, птичьего помета) и выделенные в окружающую среду из пищевого тракта червей.

Гумус червей (капролиты) - богатый питательными веществами биологический материал, представляющий собой неслеживающиеся и без запаха плотные черно-коричневые палочки. Биотехнологический процесс получения биогумуса основан на способности червей заглатывать кусочки органического вещества, трансформировать его в кишечной полости и выделять в виде капролитов (Городний Н.М., Мельник И. А., Повхан М.Ф. и др. Биоконверсия органических отходов в биодинамическом хозяйстве. - Киев: Урожай, 1990, с.144-156). Согласно ТУ 9810-003- 11158098-93 удобрение органическое натуральное биогумус по степени гумификации органического вещества составляет в среднем 10-20%. Количество гумуса в биогумусе зависит от чистоты и способа приготовления компоста (субстрата) для червей и от места жизнедеятельности червей при переработке субстрата в биогумус (гумус).

В настоящее время технологическая схема получения биогумуса состоит из четырех участков.

На первом участке (участок ферментаций) навоз очищается от твердых загрязнений - камней, металла, дерева, стекла и т.д., а также производится обезвреживание органических веществ биотермическим способом, который состоит в саморазогревании органического вещества в буртах до 60-70^oС, возникающем в результате разложения и жизнедеятельности микроорганизмов. Под воздействием высоких температур отходы обезвреживаются от болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов, мух и от токсичных газов метана, аммиака, губительно действующие на червей. В результате ферментации органоминеральной части образуется полуперегнивший субстрат (компост) для кормления червей (Морев Ю. В. Искусственное разведение дождевых червей. - Фрунзе: Илим, 1990, с.40).

Наличие большого количества мелких прилипших минеральных загрязнений в органике затрудняет применение данной технологии. На втором участке жизнедеятельность вермикультуры (червей) происходит в ложе субстрата, в котором осуществляется кормление, развитие, размножение, отдых, выделение коконов и опорожнение (извержение капролитов). (Городний Н.М., Мельник И.А., Павхан М. Ф. и др. Биоконверсия органических отходов в биодинамическом хозяйстве. Киев: Урожай, 1990, с.111-131). Дождевые черви заглатывают органические вещества в почве и после прохождения их через кишечник червей комочки органики (почвы) выбрасываются на поверхность земли в виде капролитов кучками высотой 0,3-1,5 см, закрывающими обычно наружное отверстие хода червя (Чекановская О. В. Дождевые черви и почвообразование. - М-Л.: Изд-во АН СССР, 1960, с. 144-160). Эти кучки на поверхности обычно называют выбросами червей. Как известно, вся деятельность червей совершается главным образом ночью, а днем они отдыхают. Черви могут заглатывать почву в любом ее слое, и вынесение ее на поверхность представляет собой непрерывно идущий процесс образования нового поверхностного слоя, в котором частицы почвы с разных глубин оказываются тщательно перемешанными друг с другом. Перемешивание слоев почвы в природе идет не только благодаря вынесению частиц органики (почвы) с глубины на поверхность, но не меньшее значение имеет перемешивание частиц из поверхности слоев в глубину. Этот процесс происходит путем стекания вместе с водой размоченного дождем гумусового и почвенного слоя по ходам дождевых червей.

Перемешивание слоев почвы в естественных условиях и вынос ее частиц на поверхность - результат заглатывания дождевыми червями органики (почвы) в одном месте и извержения ее в другом, при этом плотность дождевых червей на 1 м² не более двух особей, что исключает возможность заражения и заболевания червей инфекционным способом.

В ложах (в искусственных условиях) черви откладывают капролиты в субстрат с влажностью 70-80%, который прилипает к капролитам, загрязняют его минеральными или зольными песчинками, и в конечном итоге капролиты полностью смешиваются с субстратом, который является для них пищей. По мере поедания червями субстрата часть капролитов проглатывается вместе с ним, что ведет к понижению азота в биогумусе за счет потребления его червями. При плотности червей более 20 особей на 1 дм³ наблюдается значительное количество больных червей, которые заражают здоровых, т.е. не только производительность и качество биогумуса понижается, но и количество больных червей с увеличением плотности увеличивается.

Из-за сложности отделения агрегатов минеральных и органоминеральных частиц в конечном итоге получают биогумус с высоким содержанием баласта, а длительность созревания биогумуса ограничивает широкое применение этого способа.

Наиболее близким по физическому строению к органическому веществу является твердая фаза сточных вод общесплавной канализации (Водоснабжение и канализация на железнодорожном транспорте. Под ред. Теплова А.В. - М.: Транспорт, 1973, с.190-191 - прототип). Процесс очистки сточных вод включает дезагрегирование крупных агрегатов твердой фазы сточных вод на решетках-дробилках, разделение полученных минеральных и органических частиц по крупности и плотности на песколовках и выделение в чистом виде органоминеральных частиц в аэротенках-флотаторах с последующим обезвоживанием полученных веществ.

Невозможность применения прототипа для получения гумуса объясняется прежде всего технологической сложностью приготовления корма для червей с получением конечного продукта гумуса.

Органоминеральные вещества поступают на решетки-дробилки для дезагрегирования сложных по строению органоминеральных веществ, что позволяет ведение процесса по прототипу. В разделении образовавшихся частиц при дезагрегировании органоминеральных частиц на песколовках нет необходимости, так как приводит к большим потерям целевого продукта.

Применение биологической очистки в высоконагружаемых биофильтрах невозможно, так как в них происходит фильтрация воды, при этом органические соединения адсорбируются на биологической пленке и минерализуются, что приводит к снижению БПК сточных вод, поэтому существующие биофильтры по конструкции к их загрузке не позволяют проводить кормление червей для получения биогумуса.

Селективная флотация частиц органоминеральных веществ в аэротенке-флотаторе невозможна, поскольку в пенный продукт (флотоконцентрат) при работе по прототипу переходят не только частицы органоминеральной составляющей капролитов, но и частицы непереработанного субстрата с песчинками, что отрицательно сказывается на качестве биогумуса.

Целью изобретения является повышение производительности, качества конечного продукта - биогумуса и биомассы, а также отделения больных червей от здоровых.

Поставленная цель достигается тем, что в способе перед дроблением твердые отходы промывают водой, а после измельчения промытые отходы смешивают с закваской, подают в термореактор и бункерный биофильтр, при этом оставшиеся черви вместе с коконами и капролитами направляют в башенный фильтр, в котором осуществляется отделения червей, коконов и капролитов, а капролиты проходят флотатор, сушильный аппарат и поступают в виде биогумуса в емкость готовой продукции.

Устройство снабжено последовательно соединенным терморегулятором, бункерным биофильтром, башенным фильтром, емкостью готовой продукции, а также емкостью сбора червей и инкубатором, при этом бункерный биофильтр выполнен в виде камеры, на дне которой расположены перфорированные трубы подачи пасты и воздуха, а над поверхностью пасты расположено двойное жалюзийное основание бункера, объем которого заполнен неплотно уложенным материалом, в пространстве которого расположены черви, коконы, капролиты, причем башенный фильтр состоит по меньшей мере из трех секций, отделенных одна от другой наклонными сетками, перфорированные трубы флотатора соединены с насосом подачи воды из отстойника, а желоб его с сушильным аппаратом, разделенным сеткой на верхнюю часть, соединенную с емкостью готовой продукции, и нижнюю, соединенную с отстойником и вентилятором подачи воздуха.

В биогумусе содержится 20-30% органических веществ (с содержанием 10-16% гумуса), а остальное - 70-80% минеральные вещества (по сухому остатку), а задача изобретения заключается в том, чтобы получить биогумус с содержанием гумуса 70-80%, а остальное - 20-30% минеральных частиц, и эта цель может быть достигнута только тогда, когда опорожнение червей будет осуществляться не в субстрате, а отдельно в специальном материале.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, характеризуется новой совокупностью признаков, дающих дополнительный положительный эффект, отделения капролитов от субстрата, что способствует критерию "cущественные отличия".

На фиг. 1 представлена принципиальная схема получения биогумуса; на фиг. 2 - график влияния массового соотношения жидкой и твердой фаз суспензий; на фиг. 3 - график влияния интенсивного перемешивания, характеризуемой критерием Рейнольдса; на фиг. 4 - график влияния времени интенсивного перемешивания суспензии на степени отделения минеральных частиц от органоминеральных.

Способ осуществляется следующим образом. В емкости 1 периодически по мере необходимости готовят насыщенный раствор твердых отходов. В качестве исходного сырья используют, например, навоз крупного рогатого скота (Т) с соломенной подстилкой (ТУ 10.11.904-91). Насыщенный раствор готовят путем контактирования навоза с водой (Ж) до полного насыщения раствора водой, обеспечивающей отделения органоминеральной и минеральной составляющей навоза. Степень насыщения контролируют по величине поверхностного натяжения раствора. Насыщенный раствор подают в аппарат интенсивного перемешивания 2, куда также дозируют навоз для создания требуемого массового соотношения жидкой и твердой фаз (Ж:Т) суспензии. Влияние массового соотношения жидкой и твердой фаз суспензии на степень очистки органоминеральных составляющих от минеральных загрязнений (баласта) представлена на графике фиг.2.

Как видно из представленных данных, при массовом соотношении жидкой и твердой фаз, меньших 2,0 степень перемешивания недостаточна. При Ж:Т, равных или меньше 1,0 перемешивание крайне затруднено вследствие высокой вязкости такой суспензии. При Ж:Т 2,0-2,7 происходит полное отделение минеральных частиц от органоминеральных. Таким образом, оптимальным диапазоном Ж:Т при промывке навоза является (2,0-2,7):1.

Влияние интенсивности перемешивания, характеризуемой критерием Рейнольдса (Re), на степень промывки органических веществ представлено на графике на фиг.3.

Из представленных данных видно, что в диапазоне Re = 2000-35000 степень очистки органики недостаточна. Начиная с Re = 35000 и выше происходит полное отделение минеральных частиц от органоминеральных. Таким образом, величина Re, необходимая для полного отделения минеральных частиц от органоминеральных, должна составлять не менее 35000.

Влияние времени интенсивного перемешивания суспензии на степень отделения минеральных частиц от органоминеральных представлено на графике на фиг.4.

Из представленных данных видно, что при времени интенсивного перемешивания 3,5 мин степень отделения минеральных частиц недостаточна. Начиная с 3,5 мин и более происходит полное отделение минеральных частиц. Таким образом, время интенсивного перемешивания суспензии должно составлять не менее 3,5 мин. Из нижнего устройства 1 и 2 периодически отбирают минеральные составляющие в виде тяжелых веществ и направляют в отстойник 15. Промытая органоминеральная масса поступает на решетки-дробилки 3 и далее отправляют в смеситель 4, в который поступает закваска (порядка 5-10% от объема смесителя) из термореактора. Перемешанная с закваской органоминеральная масса (паста) из смесителя поступает в термореактор 5, в котором происходит подогрев, насыщение воздухом, ворошение, и в течение суток происходит обезвреживание органоминеральной массы, пригодной для кормления червей. Приготовленная масса в виде пасты поступает из отверстий перфорированной трубы 6 в нижнюю часть камеры 7, в которой находятся черви. Черви поедают приготовленную пасту и, наевшись, покидают камеру и через отверстия жалюзей основания бункера 10 заполняют пространство между неплотно уложенным материалом бункера, в котором черви могут отдохнуть, встречаться, размножаться, откладывать коконы, производить опорожнения кишечника в виде капролитов. Отдохнув в бункере, здоровые черви возвращаются обратно в камеру, а другая часть червей идет на отдых. Необходимо отметить, что использовались черви Есения Фоетида (ТУ 9890-004-11158098-93. Черви дождевые живые). Из бункера 10 оставшиеся черви (больные), коконы и капролиты высыпают в башенный фильтр 11, в котором происходит отделение червей, коконов и капролитов. Копролиты поступают во флотатор 16, сушильный аппарат 21 и где их собирают в емкость 23 готовой продукции, коконы идут в инкубатор 25, а червей собирают в специальную емкость 24. Гумификация биогумуса (капролитов) в емкости 23 длится не более 1-2 сут, так как отсутствует непереработанный компост в биогумусе.

Впервые представилась возможность отделить больных (вялых) червей от здоровых, это возможно из-за задержки выхода червей из материала бункера. Здоровые черви после 12 ч отдыха ищут корм и обратно возвращаются в камеру. Пополнение камеры здоровыми червями осуществляется из инкубатора. Гумифицированный (созревший) биогумус пакуется и отправляется потребителю, его качество намного выше, что видно из представленной таблицы.

Пример 1. Биогумус, полученный по предлагаемой технологии, проводили на лабораторной установке производительностью 5 л/ч по исходной суспензии.

В ходе работ отбирали пробы по стадиям процесса. Пробы анализировались и сравнивались с качеством стандартного биогумуса. Результаты представлены в таблице.

Из представленных данных видно, что при проведении предлагаемой технологии получен биогумус с содержанием в нем гумуса в 3-4 раза больше стандартного.

Устройство, в котором реализуется предложенный способ содержит емкость 1, в которую подается жидкость (Ж вода) и твердый раствор (Т), например, навоз крупного рогатого скота. Насыщенный раствор поступает в аппарат интенсивного перемешивания 2, в котором дозируют суспензию в массовом соотношении жидкой и твердой фаз (Ж:Т).

Промытая органоминеральная масса поступает на решетки-дробилки 3, где ее измельчают и направляют в смеситель 4, в котором происходит частичное отделение жидкой фазы через отверстия сетки смесителя. Закваску подают в смеситель перед началом подачи органоминеральной массы.

Перемешанная масса с закваской (органика с термофильными бактериями) поступает в термореактор 5, в котором осуществляют подогрев, ворошение, подачи воздуха и обезвреживание органоминеральной массы (пасты) в течение 1-2 сут. Готовая органоминеральная паста через отверстия перфорированных труб 6 поступает в камеру 7, туда же подается воздух из отверстий воздушных перфорированных труб 8. Черви располагаются и питаются в пасте камеры, а над поверхностью пасты расположено двойное параллельное жалюзийное основание 9, которое позволяет открывать и закрывать отверстия нижних жалюзей для перехода, восприпятствия или задержки перехода червей в бункер 10. Объем бункера 10 заполняют неплотно уложенным материалом, в котором черви при переходе на отдых из камеры 7 в пространство бункера могли отдыхать, встречаться, размножаться, откладывать коконы и опорожняться от капролитов. Здоровые черви после отдыха возвращаются обратно в камеру 7 на кормление, а оставшиеся (больные или вялые) черви вместе с коконами и капролитами высыпаются в движущийся поток воды башенного фильтра 11. Таким же способом можно отбирать и здоровых червей на биомассу.

Поток воды подается по трубопроводу 12 насосом 13. В башенном фильтре 11 в первой секции на сетке 14 задерживаются черви, во второй на сетке 15 задерживаются коконы, а в третьей разбитые капролиты (гумус) поступают в цилиндрический флотатор 16 с нисходящим потоком воды, выходящей из отверстий перфорированных труб 17, подаваемой насосом 13. Выходящий поток воды уносит наверх в желоб 18 органическую часть, а мелкий песок собирается в конусную часть флотатора 16 и далее направляется в отстойник 19, в который поступают от всех устройств минеральные загрязнения. Из желоба 18 флотатора биогумус (гумус) стекает на сетку 20 сушильного аппарата 21, на которой биогумус просушивается воздухом, подаваемым вентилятором 22. Просушенный биогумус с влажностью до 40-45% поступает в емкость 23 готовой продукции. Гумификация биогумуса происходит в течение 1-2 сут, и готовый продукт пакуют и отправляют потребителю.

При этом из башенного фильтра 11 черви поступают в специальную емкость 24, а коконы в инкубатор 25.

Предлагаемое устройство позволяет достичь высокого уровня переработки всех видов отходов, получить высококачественное удобрение и биомассу, отделить больных червей от здоровых, а пополнение производить молодыми здоровыми червями, полученные из коконов инкубатора.

Вермикультура в предлагаемой технологии может перерабатывать все виды отходов, а плотность червей в камере биофильтра от 500-600 особей на 1 дм³, не влияет на жизнедеятельность червей, что невозможно достичь в существующих мировых установках.

Сравнение показателей по изобретению с литературными данными подтверждает, что технология, разработанная авторами обеспечивает более высокое качество товарного продукта, полученного за 1-2 сут, вместо 7-8 мес.

Такое техническое решение позволяет интенсифицировать процесс переработки всех видов отходов на любом участке с сохранением экологически чистой атмосферы в хозяйстве и получением качественного гумуса и биомассы.

Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется новой совокупностью признаков, дающих дополнительный положительный эффект процесса культивирования вермикультуры с получением гумуса, биомассы червей.

Внедрение изобретения позволит с минимальными затратами получить гумус высокого качества и биомассу нетрадиционным способом.