Спосіб одержання органо-мінерального добрива

Винахід відноситься до способів одержання органо-мінеральних добрив шляхом переробки та утилізації господарсько-побутових відходів і може бути використаний в сільському та комунальному господарствах. При цьому спосіб стосується процесу одержання органо-мінеральних добрив із зброджених осадів стічних вод очисних споруд. Відомий спосіб утилізації осаду стічних вод (ОСВ) з одержанням органо-мінерального добрива (Патент Російської Федерації 2038345 за кл. 6 С05F7/00 за 1991г., Способ получения органоминерального удобрения, оп. в 1995г. Бюл. №18.), у якому зброджені ОСВ змішують з розчином сірчаної кислоти концентрацією 0,520,86моль/дм 3 при температурі 40-70°С на протязі 10-20хв. Після цього отриману суміш фільтрують на барабанному вакуум-фільтрі, а залишкову кислотність осаду нейтралізують лужними агентами. Відомий спосіб одержання органо-мінерального добрива (Патент Російської Федерації 2039726 за кл. 6 С05F7/00 за 1991г., Способ получения органоминерального удобрения, оп. в 1995г. Бюл. №20.) шляхом обробки зброджених ОСВ розчинами азотної кислоти для видалення важких металів в апараті з мішалкою й обігрівом. Видалення металів із твердої фази здійснюють розчином азотної кислоти з концентрацією 1,00-1,25моль/дм при температурі 50-70°С на протязі 10-20хв. При співвідношеннях фаз тверда:рідка=1:5 і числах Рейнольдса ³1-105 залишковий вміст важких металів у твердій фазі відповідає нормам. Після фільтрації, оброблених таким способом зброджених ОСВ, здійснюють нейтралізацію залишкової кислотності лужними агентами, такими, як КОН, NH4OH, СаСО3. Метали далі осаджуються з розчину і переробляються на шлам. Обидва способи дозволяють зменшити вміст важких металів в одержуваних органо-мінеральних добривах без суттєвої зміни складу та властивостей ви хідних органо-мінеральних компонентів. Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого способу є спосіб (Авторське свідоцтво на винахід 1532551 за кл. С05Ρ7/00, С02F11/12 за 1986г., Способ получения органического удобрения, оп. в 1989г. Бюл. №48.), у якому одержують зброджений ОСВ (активний мул) за рахунок біологічного очищення стічних вод, змішують цей мул з торфом, а потім обезводнюють створену суміш шляхом відстоювання. Для поліпшення якості одержуваного добрива за рахунок зниження вмісту в ньому важких металів, використовують активний мул (зброджений ОСВ) із зольністю 15-45%, який культивують протягом 5-15 годин, а змішування активного мулу з торфом ведуть при співвідношенні 1:1÷1:8. Недолік прототипу полягає в тому, що одержане органо-мінеральне добриво є поліпшеним лише за вмістом в ньому важких металів, але залишається неякісним у санітарно-бактеріологічному відношенні і недостатньо збалансованим за агрохімічними показниками. Це пов'язано з тим, що зброджені ОСВ звичайно мають визначений і не завжди оптимальний склад і співвідношення поживних для рослин компонентів, з одного боку, а з іншого боку - вимагають проведення стадії знезаражування і дегельминтезації. Винаходом ставиться завдання поліпшення збалансованості складу органо-мінерального добрива за поживними для рослин компонентами з одночасним знезаражуванням одержуваного добрива від патогенної мікрофлори і гельмінтів та зменшенням вмісту важких металів як в цілому, так і за водорозчинними формами. Поставлене винаходом завдання досягається тим, що у способі одержання органо-мінерального добрива, з використанням зброджених осадів стічних вод, що включає змішування активного мулу з торфом, згідно винаходу для знезараження від патогенної мікрофлори і гельмінтів, зменшення вмісту важких металів, зброджені осади стічних вод піддають компостуванню з органічними наповнювачами і хімічними меліорантами, взятими у ваго вому співвідношенні за показником С:N=(20-50):1 по сухій речовині, протягом 1,5-2 місяців при температурі 55-60°С в реакційній суміші усередині бурту, а кількість гравітаційної води у вирощеному активному мулі на кожні 100г абсолютно сухої мулової речовини складає 70-80г, крім того у якості органічних наповнювачів використовують лігнін, торф, здрібнену солому зернових культур, тирсу або їхні суміші, взяті із розрахунку створення оптимального співвідношення С:N у реакційній масі та габаритів бурту для біотермічного компостування, а також як наповнювачі використовують хімічні меліоранти фосфогіпс, фосфорити, фосфоритне борошно, дефекат. Технічним результатом, отриманим за рахунок використання всіх істотних ознак в обсязі патентних домагань, є одержання органо-мінерального добрива, яке збалансоване за поживними для сільськогосподарських культур речовинами, знезаражене до нормативних величин у санітарно-бактеріологічному відношенні і має зменшену концентрацію важких металів. Обґрунтування агрохімічних характеристик пропонованого добрива. Як відомо, ОСВ очисних споруд у значних кількостях накопичуються на мулових майданчиках і непристосованих відвалах, забруднюючи навколишнє природне середовище. У той же час за наявністю і вмістом багатьох поживних речовин вони можуть бути віднесені до цінних в агрохімічному відношенні техногенних утворень. Зброджений ОСВ за своїм складом відповідає усередненим показникам, що наведені у таблиці 1, або його можна штучно доводити до зазначених кондицій. Однак, безпосереднє використання корисних компонентів збродженого ОСВ сільськогосподарськими культурами обмежується наявністю в ньому інших речовин, компонентів, мікроорганізмів, яєць гельмінтів та інгредієнтів, шкідливих в екологічному і санітарно-бактеріологічному відношенні. Тому зброджений ОСВ потрібно додатково піддавати переробці до рівня відповідності кінцевого продукту існ уючим агрохімічним, санітарнобактеріологічним і іншим нормам. Крім того, збереження ОСВ на відкритих майданчиках призводить до втрати поживних для сільськогосподарських культур хімічних елементів (по азоту - від 45 до 75%, по фосфору від 21 до 38%, по калію до 37-40%). Таблиця 1 Оптимальний склад збродженого ОСВ за основними поживними для рослин елементами Показники Органічна речовина, % Азот загальний, % Вміст 20,0-45,0 1,0-2,0 Фосфор загальний (у розрахунку на Р2О5), % Калій валовий (у розрахунку на К2О), % Залізо загальне, % Кальцій рухомий, мг-екв/100г Магній рухомий, мг-екв/100г Мікроелементи (валовий вміст), % марганець мідь цинк 2,0-3,0 1,0-1,5 5,0-15,0 50,0-100,0 10,0-20,0 0,1-0,15 0,02-0,12 0,15-0,35 Таким чином, переробка збродженого ОСВ на органо-мінеральне добриво - економічно ефективний та екологічно безпечний спосіб утилізації ОСВ, що складає вагому частину сучасних технологій біохімічного очищення стічних вод. Для скорочення втрат поживних елементів із ОСВ, і в першу чергу азоту, за цим способом пропонується до ОСВ додавати хімічні меліоранти - фосфогіпс або фосфорити, фосфоритне борошно, дефекат. Дія фосфогіпсу на зброджений осад стічних вод обумовлена тим, що сірчана кислота, яка входить до його складу, зв'язує аміак до сульфату амонію і далі до комплексних сполук в процесі наступних реакцій: SO 2- + 2NH+ = (NH4 )2 SO4 4 4 (NH4 )2 SO4 + CaSO4 ® (NH4 )2 [(SO 4 )2 ] Встановлено, що на зв'язування 1кг аміачного азоту необхідно 6,14кг CaSO4·2H2O. У фосфо гіпсі 1-го сорту міститься близько 80% CaSO4·2H2O, отже, на зв'язування 1кг аміачного азоту потрібно близько 8кг фосфогіпсу. Потреба в ньому на 1т осаду наведена в таблиці 2. Треба зауважити, що фосфогіпс, додатково до його основного призначення, поліпшує сипкість компосту і зменшує неприємний запах осадів. Таблиця 2 Потреба фосфогіпсу для зв'язування аміачного азоту Вологість ОСВ, % 65 70 75 80 85 90 95 Потреба Зміст азоту фосфогіпсу на 1т у 1 т ОСВ, кг ОСВ, кг 7,0-10,5 56-84 6,0-9,0 48-72 5,0-7,5 40-60 4,0-6,0 32-48 3,0-4,5 24-36 2,0-3,0 16-24 1,0-1,5 8-12 Крім того, введення фосфогіпсу дозволяє підвищити удобрювальну цінність компосту, поліпшити санітарногігієнічні умови роботи з ним і знизити небезпеку забруднення навколишнього середовища. У свою чергу процес компостування суміші забезпечує не лише збереження і найбільш повне використання поживних речовин осаду, а також сприяє збільшенню обсягів нагромадження кінцевого продукту, що зменшує концентрацію важких металів у добриві. Для приготування органо-мінерального добрива найбільш придатний фосфогіпс 1-го сорту, тому що він не злежується і є дрібнокристалічним порошком. За ТУ 6-08-418-80 “Кальцій сірчанокислий (фосфогіпс) для сільського господарства (1989р.)” фосфогіпс 1-го сорту містить основної речовини - CaSO4·2H2O у перерахунку на сухий дигідрат - не менш 92%, гігроскопічної води - не більш 6%, водорозчинних фтористих сполук (H2[SiF6], Na2[SiF6], SiF4, HF), у перерахунку на фтор не більш 0,3%. За фізичними властивостями він близький до суперфосфату. Об'ємна маса фосфогіпсу 1-го сорту дорівнює 750-980кг/м. Іншим компонентом суміші для одержання повноцінного органо-мінерального добрива є органічні наповнювачі, у якості яких пропонується використовувати лігнін, тор ф, подрібнену солому зернових культур, тирсу. Їх тип та кількість визначають два технологічні критерії процесу одержання добрива: 1) створення оптимального співвідношення C:N у реакційній масі для її біотермічної переробки і 2) формування потрібних габаритів буртів для розігріву маси під час компостування. Агро хімічні характеристики органічних наповнювачів наведені в табл.3. Таблиця 3 Агро хімічні характеристики органічних наповнювачів Вологовбирний матеріал Лігнін Торф Вологість, % 60-70 50-60 Щільність, кг/м 3' 400 рН 2,5-3,0 2,6-6,3 Вміст в абсолютно сухій речовині, % Азот Фосфор Калій 0,15 0,02 0,02 0,5-2,5 0,1-0,4 0,02-0,2 Солома зернових культур (подрібнена) Тирса 14 16-25 50-60 600 0,4-0,6 0,18-0,5 0,2-0,3 0,25-0,36 0,75-1,2 0,7-0,9 Дані цієї таблиці дозволяють підібрати оптимальні і збалансовані композиції будь-яких сумішей пропонованих органічних наповнювачів, притримуючись необхідного співвідношення С:N y реакційній масі. Встановлена норма води в активному мулі (70-80% мас.) є необхідною умовою застосування зазначеного співвідношення компонентів в реакційній масі. Якщо ж вологість зброджених ОСВ відрізняється від зазначеної, то необхідну кількість органічного наповнювача можна вибрати за таблицею 4, зберігши при цьому незмінною кількість хімічного меліоранту. Таблиця 4 Регламентування співвідношень збродженого ОСВ і органічних матеріалів (наповнювачів) при різній вологості осаду Умови виробництва Оптимальні Забезпечення органічними наповнювачами утр уднене Забезпечення органічними наповнювачами необмежене Співвідношення осади спчних вод ; органічні наповнювачі при вологості ОСВ, % 70 75 80 0,4:1 0,6:1 0,8:1 0,6:1 0,8:1 1:1 0,2:1 0,4:1 0,6:1 Співвідношення компонентів реакційної маси, що змішуються, підібрано експериментально і дозволяє використовува ти відходи різних виробництв. При цьому зазначені добавки (органічні наповнювачі, хімічні меліоранти), введені в заданому співвідношенні, дозволяють їм ефективно взаємодіяти з мікроорганізмами активного мулу і, тим самим, досягти їхньої найкращої агрегації та перетворення на поживні компоненти добрива. Останнє справедливо і для хімічного меліоранту - фосфогіпсу; одночасно здійснюють його утилізацію, що є великою проблемою для хімічної промисловості України. Встановлено, що бурти повинні мати висоту 2,5-3,0м, ширину не менше 4м і довільну довжину. Мінімальна маса бурту - 300т. При дотриманні цих вимог температура усередині бурту за 8-12 днів піднімається до 56-60°С. Через два тижні після досягнення такої температури потрібно провести перебивання бурту. Це сприяє рівномірному протіканню біотермічних процесів в усіх шарах бур ту. При позитивних зовнішніх температурах процес компостування триває 1,5-2 місяця. Оптимальний режим біотермічної переробки реакційної маси забезпечує знезаражування і дегельмінтизацію зброджених ОСВ до безпечного рівня фітотоксичності, характерного для грунтів (таблиця 5). Таблиця 5 Зміна саніт арно-бактеріологічних характеристик та основних груп ґрунтової мікрофлори в наслідок біотермічної переробки реакційної маси на добрив о: І - на початку компостув ання, II - у готовому продукті Загальна Філяров идні мікробна Бактерії, що личинки Амоніфікатори. Фосфор Фітотокзабрудненість Колітитр, стронгілоїд, розкладаючіОлігонітрофіли, в икористовують Актиноміцети, Мікроскопічні фекального млн./г сухої сичність, г % бактерії, млн./г мінеральний тис./г гриби, тис./г речов ини УКО походження, млн./г азот, млн./г позитив них млн/г сухої проб речов ини І II І II І II І II І II І II І II І II І II І II 2,8 0,6 10-5 1,0 50,0 64,9 21,3 40 8,0 27,7 16,8 37,7 8,4 127,5 116 7 23 13,5 не не - знайдено - знайдено 5,6 0,9 10-6 10-1 98,2 131 97,2 118 19,4 78,2 28,1 94,5 17,6 194,2 262 62 40 17 Агро хімічна ефективність органо-мінерального добрива, одержаного вказаним способом, полягає не лише у кількості поживних елементів азоту, фосфору, калію, мікроелементів в ньому, а й у наявності таких складових, як гумати, фосфогіпс. Особливість пропонованого добрива, що включає фосфо гіпс, полягає в тому, що його найбільш доцільно застосовувати для просапних і озимих культур, а також для багаторічних трав; фосфогіпс підвищує також ефективність використання добрив при вирощуванні бобових і хрестоцвіти х культур, що особливо вимогливі до кальцієвого і сірчаного живлення. З іншого боку систематичне застосування великих доз такого добрива може лімітуватися нагромадженням в ґрунті і рослинах токсичних елементів, наприклад фтору, концентрація якого не повинна перевищува ти 200мг/кг сухого ґр унту. Оскільки фтор найбільш вагомий токсикант у складі добрива, за його вмістом виконаний теоретичний розрахунок максимальних доз фтору, що можуть бути внесені із рекомендованими агрохімічною практикою нормами органічних добрива під різні сільськогосподарські культури, результати якого наведені в таблиці 6. Таблиця 6 Рекомендовані норми внесення органо-мінерального добрива під різні сільськогосподарські культури (т/га ) Назва культур Озимі зернові Картопля Кукур удзана силос Кукур удза на зерно Цукровий Коренеплоди Овочі Технічні Дерново-підзолисті ґрунти 20-30 40-50 40-50 30-50 40-50 30-40 Сірі лісові і чорноземні ґрунти 15-20 20-30 20-30 20-30 20-30 20-30 30-40 20-30 Максимальні орієнтовні дози фтору, що вносяться з ОМД, мг/кг ґрунту 0,8-1·10-3 1,2-2·10-3 1,2-2·10-3 0,8-1·10-3 0,8-1·10-3 0,8-2·10-3 1,2-2·10-3 0,8-1,6·10-3 Наведені в таблиці чисельні значення свідчать, що критична межа разового внесення пропонованого органомінерального добрива за фтором складає 100000-250000т/га, що свідчи ть про його повну екологічну безпечність. Таким чином можна оптимізувати склад пропонованого органо-мінерального добрива за будь-яким лімітуючим хімічним інгредієнтом, а також підібрати необхідні співвідношення компонентів не тільки в рамках пропонованого винаходу, але і з урахуванням виду ґрунтів, існ уючої сировинної бази й орієнтування на конкретні сільськогосподарські культури. Проведена оцінка агрохімічної ефективності органо-мінерального добрива свідчить про його наступні позитивні якості по відношенню до вихідної сировини (зброджених осадів стічних вод): Наслідки застосування ОСВ - збільшення концентрації поживних компонентів в ґрунті (азоту, фосфор у, калію, сірки, органічної речовини); - можливість забруднення ґрунту яйцями гельмінтів та шкідливою мікрофлорою; - можливе локальне збільшення вмісту в ґр унті важких металів; - можливе перевищення рівнів ГДК в ґрунті для міді, хрому, миш'яку за позанормованого використання ОСВ; - збільшення зольності рослин при використанні ОСВ з перевищенням ГДК за цинком; - збільшення врожайності основних сільськогосподарських культур на 5-10%. Наслідки застосування ОМД - збільшення концентрації поживних компонентів в ґрунті (азоту, фосфор у. калію, сірки, органічної речовини, гуматів); - гарантована відсутність забруднення ґрунту яйцями гельмінтів та шкідливою мікрофлорою; - гарантована відсутність локальною збільшення вмісту в ґрунті важких металів; - гарантована відсутність перевищення ГДК в ґрунті за будь-яким компонентом добрива при використанні підвищених доз добрива; збільшення зольності рослин при використанні добрива без перевищення ГДК за будь-яким компонентом; збільшення врожайності основних сільськогосподарських культур на 10-20% і покращення якості і біологічної повноцінності продукції. Звідси випливає економічна доцільність і екологічна обґрунтованість впровадження пропонованого винаходу. Органо-мінеральне добриво з оптимальним складом та властивостями одержують наступним способом. На відкритій площадці готують однорідну суміш компонентів для біотермічного компостування. Для чого на площадку спочатку завозять органічний наповнювач - лігнін, торф, здрібнену солому зернових культур, здрібнену дернину або їхні суміші. Цей наповнювач розрівнюють і формують шар товщиною 25-35см. На створену в такий спосіб подушку розкидають фосфогіпс, наприклад машиною РУМ-5, РУМ-8 чи якимось іншим пристосуванням. Потім на всю створену поверхню вивантажують необхідну кількість зброджених осадів стічних вод і розрівнюють бульдозером. Після цього суміш перемішують і методом послідовного нарощування формують бур т масою до 3000т з розмірами: ширина 20-25м, довжина 90-100м і висота 2,5-3м. Для підвищення якості добрива за час компостування доцільно провести кілька перебивань бурту. Після дозрівання компосту (1,5-2 місяця в теплий час) добриво фасують і використовують за призначенням. Приклад 1 Бурт для біотермічного компостування формують за співвідношення осаду до наповнювача 0,8:1 з додаванням 10% фосфогіпсу. В якості наповнювача використовують лігнін. При зовнішній температурі повітря 1218°С компостна маса дозріває до стану готовності протягом 3-4 місяців без перемішування. Одержують добриво, яке має вид субстрату темно-сірого кольору з агрегатами різного розміру від 5 до 20мм. Добриво має наступний склад, % мас.: органічної речовини - 30-32; гуматних компонентів - 9-10; азоту - до 1; фосфору - до 1,1; калію - до 1; магнію - до 0,6; сірки - до 9; вміст мікроелементів Mn, Cu, Zn, Co, I, Br - 0,26. Добриво подрібнюють, розсівають, фасують і використовують за призначенням. Приклад 2 Попередню підготовку шарів компонентів реакційної маси здійснюють як і в прикладі 1. Для більш якісного змішування компонентів використовують бульдозер з начепленим на нього змішувачем типу СН-2. Компостну суміш після розрівнювання бульдозером ретельно перемішують змішувачем. Для цього при русі агрегату вперед змішувач опускають у робоче положення. Підрізний ніж направляє шар компонентів на забірний шнек, що виконує їх подрібнення і перемішування. Агрегат переміщається по площадці човниковим способом. Наприкінці кожного гону змішувач переводять у транспортне положення. По закінченню перемішування суміш переміщають на бурт. На площадці, що звільнилася, знову розміщають зазначені в прикладі 1 шари компонентів, перемішують їх і отриманою сумішшю доповнюють бурт доти, доки не одержать бурт необхідного розміру. При зовнішній температурі повітря 12-18°C компостну масу перемішують (перебивають) кожні 2 тижні до повної біотермічної переробки компонентів протягом 1,5-2 місяців. Одержують добриво, яке має вид субстрату темно-сірого кольору з розміром агрегатів до 5мм. Добриво має наступний склад, % мас.: органічної речовини - 30-32; гуматних компонентів - 10-12; азоту - 1,0-1,1; фосфору - до 1,1-1,2; калію - 1; магнію - до 0,6; сірки - до 9; вміст мікроелементів Mn, Cu, Zn, Co, I, Br - 0,2-0,3. Приклад 3 Найбільш якісний продукт одержують при компостуванні компонентів добрива в стаціонарному механізованому цеху. Для цього використовують стаціонарний двохшнековий змішувач. Реакційну масу готують не пошарово, а дозують і подають компоненти суміші у лінзу змішування. Співвідношення компонентів і режими біотермічної їх обробки аналогічні до прикладу 1. При зовнішній температурі повітря 12-18°C компостну масу перемішують (перебивають) кожні 2 тижні до повної біотермічної переробки компонентів протягом 1,5-2 місяців. Одержують добриво, яке має вид субстрату темно-сірого кольору з розміром агрегатів 2-5мм. Добриво має наступний склад, % мас.: органічної речовини - 30-32; гуматних компонентів - 10-12; азоту - 1,0-1,1; фосфору - до 1,1-1,2; калію - 1; магнію - до 0,6; сірки - до 9, вміст мікроелементів Mn, Cu, Zn, Co, I, Br - 0,2-0,3.