Спосіб одержання гумусвідновлюючого добрива

Реферат: Спосіб одержання гумусвідновлюючого добрива, при якому відходи біомаси, що легко зброджуються, направляють через збірник, що забезпечує попередній нагрів і рівномірне надходження відходів біомаси до герметичного кислототенку, в якому їх витримують у анаеробних умовах при температурі 23-25 °С до досягнення рН 5,5-6,4. Після цього підкислену біомасу направляють у блоки, що містять заздалегідь механічно підготовлені лігнінцелюлозні компоненти біомаси: торф, вугілля, сапропель в будь-яких їх поєднаннях. Одержану біомасу направляють до герметичного метантенку, в якому рН складає 7,6-8,0, а температуру підтримують діапазоні 25-60 °С в залежності від режиму прийнятого мезофільного або термофільного анаеробного зародження. Зброджені продукти біомаси направляють у сховище, в якому їх витримують відповідно до термінів внесення їх на поля. У блоки, що містять лігнінцелюлозні компоненти біомаси, додатково вводять інші органічні матеріали рослинного походження, наприклад солому, відходи деревини та додають руйнуючі їх мікроорганізми, наприклад гриби видів Coriolus versicolor, Fomes fomentarius, Collybria, Marasmius, Mycena. UA 109664 U (54) СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ ГУМУСВІДНОВЛЮЮЧОГО ДОБРИВА UA 109664 U UA 109664 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до сільського господарства, а саме до способів одержання гумусвідновлюючого добрива, та може бути використана в технологічних схемах одержання вказаних добрив, призначених для відновлення ресурсу родючості ґрунту. В останній час гостру тривогу викликає безперервне падіння родючості землі. Виникли серйозні проблеми з поповненням біоенергетичного потенціалу ґрунтів. Гумус, який є носієм "тіла" родючості, втрачається в найбільшій мірі через інтенсивний розвиток ерозії ґрунтів. Його сумарні втрати щорічно складають 32-33 млн. тон, при цьому еколого-економічні збитки через втрати ресурсу родючості ґрунту перевищує 30,0 млрд. грн. Техногенні перевантаження, генномодифіковані організми, хімічні та інші шкідливі засоби перетворюють колись родючі землі в практично мертву пустелю. Експлуатація родючості землі без її відновлення природними засобами виснажує ґрунти, змінює ландшафт і мікроклімат в таких місцевостях. Протистояти таким небезпечним процесам можливо тільки шляхом створення нових технологій регенерації збіднених ґрунтів, основаних на сучасних наукових досягненнях. За останні роки створення і використання мінеральних добрив, призначених для відновлення родючості землі і підвищення врожайності, в значній мірі втратило свої перспективи. Крім цього має місце нераціональне і неконтрольоване застосування добрив, що посилює кризисний стан ґрунтів. Відомо спосіб отримання штучного ґрунтоутворюючого матеріалу "Гуміон К" (UA 34658). Одержаний ґрунтоутворюючий матеріал має властивості носія родючості ґрунту. Його одержано з відходів промислового та сільськогосподарського виробництв. Спосіб полягає в подрібненні органічного матеріалу рослинного походження та наступної його обробки реагентами - водним розчином сірчанокислого заліза і водним розчином карбаміду. Автори відомого рішення стверджують, що одержаний матеріал за своїми властивостями дуже близький до нативному гумусу. Але, недоліком вказаного способу є те, що кожний з компонентів працює "сам по собі", що не виключає їх шкідливого впливу на ґрунт, наприклад, при недотриманні їх пропорцій. Крім цього, в способі передбачені обмеження ступеня подрібнення органічних відходів рослинного походження і достатньо регламентована вологість одержаного гранульованого матеріалу, що технологічно ускладнює його виконання. Серед численних технічних рішень, що належать до одержання сільськогосподарських добрив і самих добрив, дуже популярні добрива, до складу яких як органічна складова входять торф, сапропель, вугілля. Відомо патент UA 62852, в якому представлено спосіб одержання органо-мінерального добрива, що передбачає дозовану подачу суміші компонентів у змішувач, її подрібнення і сушіння з наступною грануляцією. Як органічні компоненти використовують пташиний послід і торф, а як мінеральні компоненти - глину і кремнійорганічний препарат. Однак, недоліком цього рішення, а саме одержаного добрива, є небезпечність добрива через наявність в його складі (пташиному посліді) патогенних речовин (зокрема важких металів), а високий рівень торфу з його адсорбуючою здатністю сприяє зменшенню рухливості і доступності його для рослин споживчих речовин. Крім цього, гранули, що одержані за таким способом, недостатньо міцні, а тому кришаться при пакуванні та транспортуванні і не можуть зберігатися тривалий час. Також відомо патент UA 16397, в якому представлено органо-мінеральне добриво та спосіб його одержання. Склад добрива, що заявляється, характеризується наступними компонентами: сапропель, глина, мінеральні добрива (азотне, фосфорне, калійне (1:1:1). Але, технічним результатом вказаного рішення є розширення асортименту аналогічного типу добрив та покращання їх фітотехнічних властивостей. Що стосується недоліків відомого рішення, то вони зводяться до змін мінералізації ґрунту, що в кінцевому підсумку викликає його ерозію. Дія сапропелю в такому добриві має такі ж особливості, що і торф в попередньому рішенні. Найближчим до способу, що заявляється, є спосіб одержання органо-мінерального добрива по UA 14104, в якому передбачено подрібнення вихідних компонентів, їх дозування та змішування. Вихідні компоненти: гній, торф, сапропель, сестон, деревне вугілля, буре вугілля, кісткове борошно, кремнійорганічні сполуки. 1 UA 109664 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Присутність у складі добрива торфу і гною позитивно позначається на агрофізичних та біологічних властивостях різних типів ґрунтів. Органічні складові удобрювальної суміші дозволяють підвищити родючість ґрунтів. Сапропель - джерело поживних речовин запобігає втратам біогенних елементів із органічних компонентів, забезпечує поступове надходження макро- і мікроелементів до рослин. Деревне вугілля і борошно кісток - джерело біогенних елементів, зокрема, кальцію, калію, магнію, фосфору, залізу, марганцю. Буре вугілля стимулює ріст і розвиток рослин за рахунок вмісту гумусових речовин. Сестон, в свою чергу, підвищує адаптаційну спроможність рослин до стрес-факторів (водного дефіциту і коливань температури). Кремнійорганічні сполуки підвищують стійкість рослин до полягання, запобігають ушкодженню шкідниками і хворобами, активізують фізіобіохімічні процеси. Позитивною характеристикою добрива, одержаного за способом, представленим в UA 14104, є підвищення продуктивності рослин, зменшення ґрунтовтоми. Але, недоліком рішення, що розглядається, є недостатня ґрунтовідновлююча здатність добрива, а отже неможливість спинити активні процеси втрати родючості ґрунту. Задачею цієї корисної моделі є вдосконалення способу одержання гумусовідновлюючого добрива і відповідно самого добрива шляхом використання технології регенерації протоплазми відходів біомаси, в результаті чого досягається стійке підвищення родючості ґрунту. Поставлена задача вирішується тим, що в способі одержання гумусвідновлюючого добрива, згідно з корисною моделлю, відходи біомаси, що легко зброджуються, надходять через збірник, що забезпечує попередній нагрів і рівномірне надходження відходів біомаси до герметичного кислототенку, в якому їх витримують у анаеробних умовах за температури 23-25 °C до досягнення рН 5,5-6,4, після чого підкислену біомасу направляють у блоки, що містять заздалегідь механічно підготовлені лігнінцелюлозні компоненти біомаси: торф, вугілля, сапропель в будь-яких їх поєднаннях, після чого одержану біомасу направляють до герметичного метантенку, в якому рН складає 7,6-8,0, а температуру підтримують діапазоні 2560 °C в залежності від режиму прийнятого мезофільного або термофільного анаеробного збродження, після чого зброджені продукти біомаси направляють у сховище, в якому їх витримують у відповідності до термінів внесення на поля. Авторами корисної моделі, що заявляється, в основу покладено новітні наукові дослідження та практичні спостереження у галузі біології клітин, які доводять, що "тілом" родючості землі є древня протоплазма клітин [Коммерческая биотехнология. Словарь биотехнологических терминов, 2006 г.], а саме життя на Землі обумовлене наявністю цієї маси древньої протоплазми клітин - живої матерії: живої речовини, білкової субстанції носія матриці генетичного коду, єдиної матеріальної основи і рушійної сили всього живого. Незважаючи на те, що в сегменті цивілізаційної діяльності людини ідуть, як вважають, незворотні втрати ресурсу протоплазми, насправді існують можливості не тільки збереження "залишку" протоплазми, але і відтворення і навіть прирощення її на сільгоспугіддях. [Кузьменко О.Б., Проблема збереження і відтворення гумусу в ґрунтах Миколаївської області. Миколаївський державний гуманітарний університет ім. Петра Могили. Наукові праці. Науково методичний журнал. // Серія ЕКОЛОГІЯ. - 2008. - Випуск 68. - Т. 81], [http://moykonspekt.ru/biologiya/prichiny-i-posledstvia-istishheniya-i-degradacii-pochvennogopokrova/ Причины и последствия истощения и деграции почвенного покрова]. Протоплазма знаходиться у всіх сегментах природи, що історично склалась у процесі еволюції біологічного життя, а саме - на культурних угіддя, лісах, лугах і т.д. Значна кількість протоплазми знаходиться у "резерві". Запас протоплазми ще зберігається у покладах торфу, бурого вугілля, сапропелю, що відкриває значні перспективи використання перелічених матеріалів. В таблиці представлені дані, які наочно підтверджують цінність вказаних вище компонентів як джерел протоплазми. 2 UA 109664 U Таблиця Хімічний склад протоплазми, гумусу та лігнінцелюлозних компонентів Назва показників Вуглець % Водень % Кисень % Азот % 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Протоплазма Специфічна органічна сполука гумусу 55,56 6,5-7.5 20-25 15-19 Торф 56,00 6 35 1-3,5 Буре вугілля 50-77 3-5 26-37 0-2 Вугілля 50-96 3-6 25-37 0-2.7 Деревина Целюлоза 49,5 6,3 44,1 0,1 Гумус 50-62 2,8-5.8 31-39 1,7-5 Відомо [Коцарь Е.М., и др. Использование биотехнологий для восстановления гумуса как ведущего фактора в решении проблемы продовольственной и экологической безопасности. IX міжнародна науково-практична конференція. - Алушта, 2013], що оціночна втрата протоплазми ресурсу родючості в Україні складає 2-3 млрд. тон. В той же час запаси торфу складають 663 млн. тон, запаси бурого вугілля - 6-8 млрд. тон та сапропелю - 97 млн. тон. Такі запаси органічних компонентів достатні не тільки для відтворення втраченого ресурсу протоплазми, але і для його нарощування вище природного рівня. Збереження, відтворення та прирощення протоплазми - ресурсу родючості на Землі можливо реалізувати шляхом передових технологій, які забезпечують регенерацію протоплазми з наступним включенням її у природний харчовий ланцюг людини. Враховуючи "властивості" протоплазми, що перейняті із найважливіших біологічних узагальнень клітинної теорії, автори цього технічного рішення поставили своєю метою ввести попередньо підготовлений "резерв" лігнінцелюлозної біомаси, яка важко розкладається, (а це торф, вугілля, сапропель, солома, відходи деревини та інш.) у природний кругообіг через анаеробний процес регенерації протоплазми біомаси. Висока молекулярна маса и низька розчинність лігніну перешкоджає його прямій асиміляції мікроорганізмами. Тому попередньо відбувається його розщеплення грибами видів Coriolus versicolor, Fomes fomentarius, Collybria, Marasmius, Mycena, при цьому пророблюється перша щілина у речовині лігніну, що протидіє впливу всіх інших мікроорганізмів. В подальшому вони при виконанні способу, що заявляється, спільно з іншими бактеріями руйнують матеріал до повного розкладу лігніну. На фіг. 1 представлена схема здійснення способу, де показано, що побутові відходи, наприклад з тваринницької ферми або відходи продуктів харчування, або відходи з інших об'єктів відповідних виробництв, надходять до збірника 1. У збірнику 1 відходів біомаси здійснюють їх попередній нагрів, при цьому одержана маса набуває властивість рівномірно надходити на наступну технологічну стадію - до герметичного кислототенку 2. Умовами зброджування біомаси, що надійшла до кислототенку 2, є дотримання вологості не вище 86 %, що забезпечує переробку концентрованих відходів і є технологічно більш раціональною. У кислототенку 2 відбувається процес гідролізу, для протікання якого біомасу витримують до досягнення рН 5,5-6,4 при температурі 23-25 °C, що відповідає найбільшій активності процесу анаеробного зброджування на цій стадії. Одержану у кислототенку суміш подають у блоки 3, в яких знаходяться торф та/або вугілля, та/або сапропель в будь-яких їх співвідношеннях. В інших можливих варіантах виконання способу передбачені додаткові блоки, до яких введені інші органічні матеріали рослинного походження, наприклад солома або подрібнена деревина. Слід зауважити, що кисле середовище (рН 5,5-6,4) у кислототенку активує специфічні мікроорганізми, які приймають при анаеробному зброджуванні участь в руйнуванні оболонок, в яких розміщена протоплазма. Властивості відходів біомаси на цій стадії визначають легкий процес їх анаеробного зброджування. На наступній стадії зброджена біомаса надходить до блоків 3. Наявність мікроорганізмів у біомасі, що надходить з кислототенку, інтенсифікує процес руйнування лігнінцелюлозної сировини, розміщеної у відповідних блоках, і тим самим сприяє вивільненню протоплазми. Властивості вказаної лігнінцелюлозної сировини визначають важкий процес їх анаеробного зброджування, для реалізації якого призначена біомаса, що одержана в кислототенку 2, чим і вирішується вказана проблема. Утворену у блоках для лігнінцелюлозної сировини 3 масу направляють до герметичного метантенку 4, в якому процес гідролізу відбувається при рН 7,6-8,0, при цьому температуру 3 UA 109664 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 підтримують діапазоні 25-60 °C в залежності від режиму прийнятого мезофільного або термофільного анаеробного збродження, для подальшого інтенсивного руйнування оболонки лігнінцелюлозної речовини Велика роль у руйнуванні лігніну в лігнінцелюлозних компонентах належить особливим мікроорганізмам специфічної дії. У корисній моделі, що заявляється, передбачено додатково вводити мікроорганізми спеціальної дії у процес на стадії руйнування лігнінцелюлозних компонентів, тим самим активно вивільняти протоплазму і зменшувати дію всіх інших мікроорганізмів. Що стосується співвідношення компонентів, які задіяні в способі, та конкретних режимів його здійснення, то вони контролюються за допомогою звичайних та відомих технологічних прийомів. Зброджені продукти біомаси потім направляють до сховища, в якому їх витримують у відповідності до термінів внесення на поля. Таким чином, протягом всіх стадій заявленого способу відбувається руйнація матеріалу до повного розкладу лігнінцелюлозної сировини і природне розміщення її у гумусі. На полях продовжується процес вивільнення протоплазми, яка в загальній своїй масі відновлює втрачений гумус і підвищує родючість ґрунту. Корисна модель підтверджується прикладом конкретного виконання. Приклад 1. Одержання гумусвідновлюючого добрива для 1000 га сільгоспугідь. Біологічні відходи свинокомплексу в кількості 5,25 м3/год. вологістю 92 % направляють до збірника 1, де нагрівають до температури 25 С і подають у кислототенк 2, де підтримують температуру 25 °C Після цього відходи витримують до досягнення рН 5,5-6,4, і спрямовують до блока 3 де їх змішують із підготовленою у співвідношенні 1:1 лігнінцелюлозною речовиною (торф, вугілля, сапропель та ін.) для здійснення процесу її гідролізу. При досягненні у блоці 3 рН 3 7,0-7,3 утворену у блоках 3 масу вологістю не вище 86 % у кількості 5,66 м /год. направляють до герметичного метатенку 4, в якому процес розкладу лігнінцелюлозної речовини проводять при рН 7,6-8,0 протягом 8-10 діб при температурі мезофільного анаеробного збродження у 33 °C. Зброджена маса, що складається із розкладених біологічних відходів та лігнінцелюлозної речовини є гумусовідновлюючим добривом, яке направляють до польових сховищ, де його витримують протягом кількох місяців до внесення на поля. У сховищах процес розкладу біомаси продовжують у анаеробних умовах масою мікроорганізмів, що знаходяться у складі збродженої суміші біомаси і лігнінцелюлозної речовини. Нижче наведені показники у розрахунку на рік. 1. Фонова гумусність ґрунту 3 % (90 т/га) сухої речовини (СР) 2. Втрати гумусу із продукцією 200 τ рік (СР) 3. На виробництво гумусвідновлюючого добрива надходить біомаса гною від свиноферми та 3 відходів з сільгоспугідь 46 000 м /рік, у тому числі: біомаса відходів 3 650 т/рік (СР) підготованого до переробки 3 650 т/рік (СР). бурого вугілля 1:1 3 4. Суха речовина, що вибуває із біогазом у процесі виробництва 1 250 000 м /рік х 0,8 1000 т/рік (СР) 5. Загальна кількість гумусовідновлюваного субстрату - гумусу, що надходить на поля 3650+3650-1000 т/рік = 6 300 т/рік (СР) у тому числі: відновлений гумус із біомаси 3150 т/рік (СР) відходів відновлений гумус із 3150 т/рік (СР). лігнінцелюлозної сировини 6. Додаткова кількість гумусу отримана за способом Із урахуванням втрати гумусу із продукцією 3150-200=2950 т/рік (СР) 7. Гумусність ґрунту збільшиться на 2,95 т/га (0,1 %) Отже застосування способу дозволить на 1000 га ґрунту щорічно компенсувати втрати гумусу із продукцією та на 0,1 % збільшувати гумусність. Протягом 10 років гумусність підвищиться з 3 до 4 %. Через 20 років гумусність ґрунту складатиме 5 %. Через 30 років відповідно 6 % і перетвориться на чорнозем. Приклад 2. 4 UA 109664 U 5 10 15 20 Як приклад, що підтверджує застосування способу, що заявляється, нижче наведені дані, що підтверджують можливість повернення ресурсу родючості на 844 тис га сільгоспугідь Миколаївської області, втраченого протягом 130 років спостереження (фіг. 2). За дослідженнями, розпочатими В.В. Докучаєвим, фактична гумусність ґрунтів на території Миколаївської області у кінці XIX сторіччя складала 4,5 % (135 т/га). На 2003 рік гумусність орного шару ґрунту в області становила 3,27 % (98 т/га). На даний час, зважаючи на щорічні втрати гумусу, більше 0,027 % розрахунково не перевищує 2,5 %.(75 т/га). Вміст "специфічної" органічної речовини (протоплазми) у гумусі - 95 %. Із територіального контуру "харчового ланцюга" за 130 років втрачено (113,9-63,3=50,6) x 0,95=48,1 млн. т протоплазми. Із бурого вугілля можна отримати біля 65 % протоплазми. Для відновлення кількості протоплазми на вказаних сільгоспугіддях Миколаївської області знадобиться видобути і переробити у анаеробних умовах, згідно із способом, 48,1 / 0,65=74,0 млн. τ бурого вугілля. Такий ресурс в Україні є. Таким чином, показано, що технічне рішення, що заявляється, не містить прийомів, дій та матеріалів, які мали б шкідливий для обробки ґрунту характер. При обробці ґрунту добривом, що заявляється, не виникає ніяких дій, які б приводили до його руйнування, наприклад ерозії. Особливою перевагою способу, що заявляється, є його перспективність на багато років вперед. Спосіб, що заявляється, підтверджує застосування авторами принципу "роботи" протоплазми при відновленні гумусу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 1. Спосіб одержання гумусвідновлюючого добрива, при якому відходи біомаси, що легко зброджуються, направляють через збірник, що забезпечує попередній нагрів і рівномірне надходження відходів біомаси до герметичного кислототенку, в якому їх витримують у анаеробних умовах при температурі 23-25 °С до досягнення рН 5,5-6,4, після чого підкислену біомасу направляють у блоки, що містять заздалегідь механічно підготовлені лігнінцелюлозні компоненти біомаси: торф, вугілля, сапропель в будь-яких їх поєднаннях, після чого одержану біомасу направляють до герметичного метантенку, в якому рН складає 7,6-8,0, а температуру підтримують діапазоні 25-60 °С в залежності від режиму прийнятого мезофільного або термофільного анаеробного збродження, після чого зброджені продукти біомаси направляють у сховище, в якому їх витримують відповідно до термінів внесення їх на поля. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у блоки, що містять лігнінцелюлозні компоненти біомаси, додатково вводять інші органічні матеріали рослинного походження, наприклад солому, відходи деревини та ін. 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що до блоків з лігнінцелюлозними компонентами біомаси, додають руйнуючі їх мікроорганізми, наприклад гриби видів Coriolus versicolor, Fomes fomentarius, Collybria, Marasmius, Mycena. 5 UA 109664 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6