способ получения органоминерального удобрения из осадков сточных вод с помощью компостирования

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 (Crобш.)	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 (NO3-)	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: ACs/45+ASr /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	pHсол.	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