Способ получения биогумуса, устройство для получения биогумуса

 

Использование: изобретение относится к очистке сточных вод и может быть использовано для получения высококачественного экологически чистого сельскохозяйственного удобрения - биогумуса. Сущность изобретения: для повышения производительности, качества конечного продукта - биогумуса, и биомассы, а также отделения больных червей от здоровых перед дроблением твердые отходы промывают водой, а после измельчения промытые отходы смешивают с закваской, подают в термореактор и в бункерный биофильтр, при этом оставшиеся черви вместе с коконами и капролитами направляют в башенный фильтр, в котором осуществляется отделение червей, коконов и капролитов, причем черви поступают в емкость сбора, коконы в инкубатор, а капролиты проходят флотатор, сушильный аппарат и поступают в виде биогумуса в емкости готовой продукции. Устройство для осуществления способа содержит последовательно соединенные термореактор 5, бункерный биофильтр 10, башенный фильтр 11, флотатор 16, емкость готовой продукции 23, а также емкость 24 сбора червей и инкубатор 25, при этом бункерный биофильтр выполнен в виде камеры 7, на дне которой расположены перфорированные трубы 6 и 8 для подачи пасты и воздуха, а над поверхностью пасты расположено двойное жалюзийное основание 9 бункера 10, обеспечивающее перемещение червей в бункер 10, объем которого заполнен не плотно уложенным материалом, в пространстве которого расположены черви, коконы, капролиты. 2 с.п.ф-лы, 1 табл., 4 ил.

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 τ 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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5