способ приготовления компоста в биоферментере

Формула изобретения

Способ приготовления компоста в биоферментере, включающий подготовку ферментируемой смеси, перемещение смеси в ферментер с напорными воздуховодами и последующую аэробную ферментацию смеси, отличающийся тем, что осуществляют контроль за процессом ферментации путем бесконтактного измерения температуры с помощью мобильных инфракрасных датчиков по всей поверхности ферментируемой смеси, при этом обеспечивают линейный временной график изменения температуры в диапазонах от 20°C до 30°C, от 30°C до 60°C и от 60°C до 70°C с допустимым отклонением ±3°C путем подачи воздуха по системе напорных воздуховодов ферментера в зоны измерения температуры, причем измерения температуры и подачу воздуха осуществляют с интервалом 1-2 часа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при переработке органических отходов животноводства и птицеводства (навоза, помета). Обычно фекалии животных в виде навоза и помета подвергают компостированию, при котором большая часть органического вещества ферментируется в компостной куче. При этом получаемые компосты имеют широкий разброс по качественным характеристикам, что не позволят достоверно рассчитать нормы внесения компостов.

Для круглогодичного приготовления качественных биологически активных удобрений с заданными характеристиками используется технология с применением закрытой установки - ферментера периодического действия [Ковалев Н.Г., Барановский И.Н. Органические удобрения в XXI веке. (Биоконверсия органического сырья): Монография. - Тверь, ЧуДо, 2006. - 304 с.].

Ферментер теплоизолирован от внешней среды. Технологический процесс, протекающий в нем, подвергается контролю с помощью термометрии и кислородомеров, что позволяет регулировать процесс биоферментации за счет дозируемого количества воздуха, подаваемого в ферментируемую массу, а в конечном итоге - получать конечный продукт с заданными свойствами.

Известен способ приготовления компоста, при котором органические отходы (навоз, опилки, торф и т.п.) укладывают послойно, перемешивают и компостируют [Органические удобрения. Справочник, М., ВО «Атропромиздат", 1988, с.150-152.].

Недостатком способа является низкое качество компостов из-за потери биогенных элементов, в частности азота, большие эксплуатационные затраты и загрязнение окружающей среды.

Известен способ приготовления компоста, включающий послойную укладку навоза и влагопоглощающего органического материала, перемешивание компонентов при одновременном перемещении смеси в ферментер, укрытие ее слоем готового компоста и последующее аэробное компостирование смеси [Патент СССР № 1813085, кл. C05F 3/00, 15/00, 1993.].

Недостатком этого способа является невозможность получения однородных компостов с заданными свойствами.

Известен способ приготовления компоста, включающий послойную укладку навоза и влагопоглощающего органического материала, перемешивание компонентов при единовременном перемещении смеси в ферментер и последующее аэробное ферментирование смеси, ферментирование осуществляют при влажности смеси 50-60% при периодическом вентилировании в течение 3-4 суток, при этом концентрацию кислорода в смеси поддерживают в пределах 5-12%, а перед ферментированием загружаемую в ферментер смесь перемешивают с готовым компостом в массовом соотношении 9:1 [Патент РФ 2112764, кл. C05F 3/00, 97101103/13, 10.06.1998.]. Этот способ выбран авторами в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является следующее. Регулирование процесса созревания компоста производят по измеряемому параметру «кислородосодержание» путем использования в качестве средства измерения инерционного кислородомера. Таким образом, технологическая операция «поддержание кислородосодержания в компостируемой смеси» включает в себя первичную операцию - замер содержания кислорода с последующей выдачей задания исполнительному механизму (вентилятору). Помимо инерционности любого кислородомера измерение концентрации кислорода невозможно во всем объеме смеси, а только локально - в отдельных точках. Это снижет возможность поддержания равномерного процесса биоферментации во всем объеме смеси и не позволяет оперативно вмешиваться в процесс биоферментации за счет изменения количества подаваемого в ферментер воздуха. В конечном итоге это вызывает необходимость более продолжительного пребывания ферментируемой смеси в ферментере.

Техническим результатом изобретения является повышение технологичности способа и сокращение срока созревания готовой продукции.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе приготовления компоста в биоферментере, включающем подготовку ферментируемой смеси, перемещение смеси в ферментер с напорными воздуховодами и последующую аэробную ферментацию смеси, согласно изобретению осуществляют контроль за процессом ферментации путем бесконтактного измерения температуры с помощью мобильных инфракрасных датчиков по всей поверхности ферментируемой смеси, при этом обеспечивают линейный временной график изменения температуры в диапазонах от 20°C до 30°C, от 30°C до 60°C и от 60°C до 70°C с допустимым отклонением ±3°C путем подачи воздуха по системе напорных воздуховодов ферментера в зоны измерения температуры, причем измерения температуры и подачу воздуха осуществляют с интервалом 1-2 часа.

Экспериментальные исследования доказали, что для поддержания требуемого кислородосодержания в качестве контролируемого параметра процесса может быть использована температура смеси. Были найдены эмпирические зависимости распределения полей температур в объеме ферментируемой смеси относительно поля температур поверхности смеси.

Такие зависимости получены в результате многочисленных исследований, проведенных на действующем ферментере, построенном по типовому проекту [Ковалев Н.Г., Барановский И.Н. Органические удобрения в XXI веке. (Биоконверсия органического сырья): Монография. - Тверь, ЧуДо, 2006. - 304 с.], для различных составов ферментируемых смесей и их физических характеристик. При этом экспериментально доказано, что запасы кислорода в питательной среде (ферментируемой смеси) возобновляются при подаче аэрирующего воздуха и строго соответствуют температуре на поверхности смеси. Принято говорить о критической концентрации кислорода в соответствующей ей критической (реперной) температуре поверхности смеси, при которой наблюдается лимитация дыхания биоорганизмов. В соответствии с фазовыми переходами созревания смеси экспериментально были определены реперные точки температур фазовых переходов: от 20°C до 30°C; от 30°C до 60°C; от 60°C до 70°C. При этом изменение температурного поля поверхности ферментируемой смеси на каждом участке между критическими температурами фазовых переходов меняется строго по линейному временному графику с допустимым отклонением от заданной по графику температуры не более, чем на ±3°C. От 70°C и выше наступает стационарная фаза готового продукта.

Таким образом, оперативная информация о динамике изменения температуры ферментируемой смеси косвенно отражает содержание кислорода в смеси, что позволяет оперативно вмешиваться в процесс ферментирования, изменяя количество подаваемого воздуха. При этом совершенно необязательно знать поле температур в объеме компостируемой смеси, достаточно знать поле температур поверхности ферментируемой массы. Это стало возможным, благодаря найденным эмпирическим зависимостям распределения полей температур в объеме смеси относительно поля температур поверхности смеси.

Бесконтактный способ измерения температуры с помощью мобильных инфракрасных датчиков бесконтактного измерения температуры позволяет оценивать температуру по всей поверхности смеси, а не в отдельных точках (как при использовании дорогостоящего и инерционного кислородомера), что способствует более равномерной биоферментации, повышая качество готовой смеси, и сокращает сроки созревания готового продукта.

Изобретение иллюстрируется фиг.1, 2, где:

на фиг.1 представлен температурный график протекания процесса биоферментации смеси во времени при начальной влажности смеси 65% и температуре наружного воздуха 20°C,

на фиг.2 представлена технологическая схема компостирования, где 1 - рабочая смесь; 2 - помещение для ферментации сырья (биоферментер); 3 - воздухопроницаемый пол со щелевыми каналами; 4 - вентилятор напорный; 5 - система напорных воздуховодов; 6 - вентилятор вытяжной; 7 - инфракрасный мобильный датчик бесконтактного измерения температуры; 8 - телескопическая штанга для крепления датчика; 9 - тросовая система для перемещения датчика (датчиков) температуры; 10 - привод для перемещения датчика (датчиков) температуры; 11 - технологические отверстия; 12 - ворота.

Способ осуществляют, например, следующим образом.

Исходный продукт (навоз, помет) смешивают в расчетном соотношении с торфом, опилками, соломой или другими углеродсодержащими материалами для обеспечения оптимального соотношения углерода к азоту и расчетной влажности смеси 1, которую затем загружают в биоферментер 2 с щелевыми каналами (в полу 3) для дискретной подачи воздуха. После загрузки ферментера 2 включают вентилятор напорный 4 и по системе напорных воздуховодов 5 подают воздух через воздухопроницаемый пол 3 в необходимых количествах и в определенных интервалах с помощью таймера продувки с пульта управления. Дискретная аэрация позволяет регулировать процесс развития микрофлоры внутри ферментируемой массы, который сопровождается выделением теплоты и саморазогревом смеси. Этот процесс регулируют путем измерения температуры с помощью хорошо известных и применяемых в различных технологических процессах инфракрасных датчиков температуры. Датчики температуры имеют возможность перемещения над всей поверхностью смеси. В каждой зоне измерения обеспечивают линейный временной график изменения температуры в диапазонах от 20°C до 30°C, от 30°C до 60°C и от 60°C до 70°C с допустимым отклонением ±3°C. По отклонению температуры от заданного графика регулируют подачу воздуха по системе напорных воздуховодов 6 ферментера 1 в зоны измерения температуры, причем измерения температуры и подачу воздуха осуществляют с интервалом 1-2 часа в зависимости от диапазона температур (стадии ферментации). Процесс может регулироваться в режиме on-line.

Предлагаемый способ позволяет повысить технологичность способа, сократить сроки созревания готовой продукции и повысить качество готового продукта.