Биореактор и его применение, способ получения органического питательного раствора, органический питательный раствор, субстратный материал и его применение для культивирования растений - RU2759844C1
Код документа: RU2759844C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к биореактору и его применению для преобразования органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор с долей доступного для растений минерализованного азота по меньшей мере 10%, в пересчете на общее содержание азота в питательном растворе, с реакционным сосудом, причем реакционный сосуд имеет линию подачи, выполненную с возможностью введения через нее суспензии в реакционный сосуд, и причем реакционный сосуд имеет линию выведения, выполненную с возможностью выгрузки через нее суспензии.
Изобретение также относится к способу получения органического питательного раствора с долей доступного для растений азота по меньшей мере 10%.
Изобретение также относится к способу получения субстратного материала для культивирования растений.
Кроме того настоящее изобретение относится к органическому питательному раствору. В частности, органический питательный раствор может представлять собой органическое удобрение для растений.
Также настоящее изобретение относится к субстратному материалу для культивирования растений с биопленкой с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями. К тому же настоящее изобретение относится к применению субстратного материала для культивирования растений.
Изобретение также относится к применению аммонифицирующих и/или нитрифицирующих бактерий в форме биопленки на элементе-носителе для преобразования органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор с долей доступного для растений минерализованного азота по меньшей мере 10%, в пересчете на общее содержание азота в питательном растворе.
Кроме того настоящее изобретение относится к набору из биореактора и инокулята для затравливания элемента-носителя и для формирования биопленки с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями.
Далее настоящее изобретение относится к набору из элемента-носителя и инокулята для затравливания элемента-носителя и для формирования биопленки с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями.
Сельское хозяйство всегда получало питательные вещества для сельскохозяйственного производства растений в результате использования и переработки остатков и отходов растительного и животного происхождения. Экологическое земледелие установило правило, согласно которому азот в качестве важного питательного вещества для растений разрешается вносить только в органической форме в виде внутрихозяйственного/коммерческого удобрения, такого как например навоз, компост или рого-копытная мука. В результате расширение рынка продуктов экологического производства увеличивается специализация фермерских хозяйств, и овощные хозяйства, а также другие хозяйства, не занимающиеся животноводством, из-за продажи и экспорта биомассы и отсутствия внутрихозяйственных удобрений вынуждены покупать и использовать органические коммерческие удобрения. Особенно в случае, когда существует большой спрос на органические удобрения, образуется значительная доля неминерализованного азота, который растения не могут получать непосредственно.
Под "доступным для растений азотом", то есть азотом, который может поглощаться растениями непосредственно, понимают в основном неорганические азотные соединения. В противоположность к этому растения не могут непосредственно поглощать органические азотные соединения. Термин «доступный для растений азот» относится, как правило, к азоту, который находится в форме аммония (NH4+) и нитрата (NO3).
В гидропонных, безземельных или соответственно малоземельных системах выращивания растений в настоящее время используются минеральные удобрения или минерально-органические удобрения (удобрения в которых к органическому материалу были добавлены минерализованные азотные соединения из промышленного производства). Исключительно органическое удобрение не может быть использовано по двум причинам. Во-первых, бактериальное взаимодействие почвы с растением в таких системах выращивания очень ограничено или отсутствует совсем в случае безземельных технологий. Кроме того, непосредственно доступные растениям минерализованные питательные вещества в почве не могут быть получены в достаточных количествах в результате зависящего от внешних воздействий, бактериального процесса, такого как нитрификация. Кроме того, с помощью органических удобрений не могут быть достигнуты контролируемые, постоянные и непосредственные высвобождения азота, которые необходимы растению, особенно в гидропонных растительных системах.
Другая проблема заключается в том, что использование органического удобрения, такого как компостные отходы и тому подобное, и связанное с ним высвобождение минерализованного азота, зависит от множества трудно контролируемых факторов окружающей среды, таких как влажность почвы, температура почвы и различные концентрации органических соединений в почве. В сельскохозяйственных применениях такое отсутствие контроля приводит к несвоевременной доступности и избытку/дефициту в поступлении азота, а также к опасным с экономической и экологической точек зрения, обратным процессам, таким как денитрификация.
В частности, для безземельных (или малоземельных) гидропонных/аэро-понных систем выращивания является важным, чтобы растения снабжались оптимально отрегулированным питательным раствором, поскольку в результате отсутствия или уменьшения подземной части не обеспечивается буферная функция субстрата в отношении питательных веществ и водоснабжения. Использование обычного органического удобрения не подходит для указанных систем, потому что для растений азот не доступен совсем или доступен в недостаточной мере. Кроме того, органические удобрения не позволяют установить определенную и постоянную концентрацию питательных веществ в питательном растворе из-за продолжающихся процессов разрушения или перестройки.
Помимо основного недостатка экологического земледелия, которое отказывается от использования промышленно полученных минеральных азотных удобрений, которые могли бы стать важным средством увеличения урожайности, также проблемой является то, что потребность в азоте, который непосредственно доступен для растений, особенно в последней трети фазы роста сельскохозяйственных культур не может быть вовремя покрыта посредством использования ранее доступных органических внутрихозяйственных удобрений, а также органических удобрений из остатков и отходов.
Поэтому задача состоит в том, чтобы создать биореактор, способ и субстратный материал, с помощью которого можно получать исключительно органический питательный раствор из органических остатков и/или отходов, причем доля доступного для растений азота в органическом питательном растворе выше, чем в ранее доступном органические удобрения.
Данная задача решается согласно изобретению с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. В частности, для решения указанной задачи в случае биореактора, описанного ранее типа, предлагается, чтобы биореактор имел аэрационное устройство, с помощью которого кислород может быть введен в реакционный сосуд и содержащуюся в нем суспензию, чтобы в приемном пространстве реакционного сосуда по меньшей мере один элемент-носитель был выполнен с засеваемой поверхностью для формирования биопленки из микроорганизмов, при этом указанный по меньшей мере один элемент-носитель выполнен с возможностью омывания и/или промывания введенной суспензией и введенным кислородом, и что отношение поверхности к объему элемента-носителя больше, чем отношение поверхности к объему приемного пространства. Используя биореактор, можно сформировать биопленку в желаемом месте на засеваемой поверхности внутри приемного пространства. Так на засеваемой поверхности могут быть созданы идеальные условия роста для аммонифицирующих и/или нитрифицирующих бактерий. Поэтому посредством биореактора можно лучше поддерживать желаемые реакции превращения микроорганизмов, в результате чего могут быть получены органические питательные растворы с большей долей доступного для растений азота. При этом может быть особенно предпочтительным, если отношение поверхности к объему элемента-носителя по меньшей мере в восемь раз больше, чем отношение поверхности к объему приемного пространства. Например, аэрационная установка может быть приспособлена для подачи кислорода в форме воздуха.
В соответствии с преимущественным усовершенствованным вариантом по меньшей мере один элемент-носитель может быть изготовлен из материала или комбинации двух или более материалов, выбранных из группы, состоящей из пластмассы, в частности нейтральной по отношению к пищевым продуктам пластмассы, минерала, в частности цеолита, и/или каучук-пластмассовой смеси. Это может быть особенно целесообразно, если пластмасса представляет собой полипропилен и/или полиэтилен и/или каучук, поскольку микроорганизмы могут особенно хорошо заселять указанные синтетические материалы и образовывать биопленку. Кроме того может быть целесообразным использовать полиэтилен-каучуковую смесь. Также допустимо, что применяется минерально-пластмассовая смесь, в частности цеолит-пластмассовая смесь.
Кроме того может быть особенно выгодно, если засеваемая поверхность элемента-носителя по меньшей мере частично сформирована в порах и/или полостях. Преимущество этого заключается в том, что элемент-носитель имеет максимально возможную засеваемую поверхность при относительно небольших внешних размерах элемента-носителя. Предпочтительно поры и/или входы в полости могут иметь диаметр от 10 мкм до 100 мкм, так что поры и/или входы обеспечивают сквозное прохождение и/или введение жидкости и газа, а также обеспечивают проникновение и закрепление микроорганизмов. Это может быть особенно целесообразно, если поры сформированы по меньшей мере частично или в значительной степени с возможностью сквозного прохождения, то есть материал, в частности, имеет открытые поры. Таким образом может быть достигнута особенно хорошая промывка суспензией.
Альтернативно или дополнительно, согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления может быть предусмотрено, что по меньшей мере один элемент-носитель выполнен с возможностью извлечения из реакционного сосуда, в частности, с возможностью извлечения без инструментов. В частности, элемент-носитель может быть выполнен в виде сменного модуля. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что элемент-носитель можно быстро и легко извлекать из реакционного сосуда и заменять. При этом может быть особенно целесообразным, если в приемном пространстве установлено направляющее устройство, с помощью которого элемент-носитель управляемым образом может быть введен в приемное пространство, в частности, может быть задвинут или вставлен. Таким образом, положение элемента-носителя внутри приемного пространства может быть определено направляющим устройством.
Чтобы облегчить введение кислорода в реакционный сосуд и еще лучше избежать анаэробных превращений, может быть предусмотрено, что кислород может быть введен в реакционный сосуд и/или по меньшей мере в один элемент-носитель посредством аэрационного устройства через линию подачи газа. При этом может быть целесообразным, если аэрационное устройство имеет по меньшей мере один компрессор или газовое подключение, чтобы иметь возможность лучше регулировать подачу. Предпочтительно линия подачи газа может быть независимой от подачи и выведения, так что кислород и суспензия могут вводиться независимо друг от друга. При этом кислород также может быть введен, например, в виде воздуха. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что, в частности, вводится не чистый кислород, а рециркуляционный воздух, который доступен в неограниченных количествах.
Альтернативно или дополнительно, на дне реакционного сосуда может быть оборудовано аэрационное устройство, в частности какое-либо или уже ранее упомянутое аэрационное устройство, выполненное в виде аэрационной пластины с множеством аэрационных отверстий. В частности, с помощью аэрационного устройства может быть сформирована равномерная плотность пузырьков газа внутри реакционного сосуда, предпочтительно внутри приемного пространства, так что становиться возможной особенно равномерная аэрация внутри реакционного сосуда. При этом предпочтительно аэрационные отверстия могут иметь одинаковый диаметр и/или располагаться на одинаковом расстоянии друг от друга. Более предпочтительно, аэрационное устройство может быть выполнено в форме конуса, чтобы можно было лучше предотвратить засорение аэрационных отверстий при оседании твердых частиц суспензии.
Для достижения особенно хорошей циркуляции суспензии внутри приемного пространства биореактор может иметь насосное устройство. Насосное устройство может быть выполнено, например, в виде центробежного насоса или циркуляционного насоса. Кроме того, может быть выгодно использовать насосное устройство для прокачивания суспензии через линию подачи в реакционный сосуд и через линию выведения из реакционного сосуда. Чтобы иметь возможность устанавливать различные количества протекающего вещества через реакционный сосуд и/или линии подачи и выведения, мощность насосного устройства может варьироваться, в частности при регулировке вручную и/или программируемым образом. Предпочтительно посредством насосного устройства может быть создано направление потока суспензии внутри реакционного сосуда, которое проходит по меньшей мере частично в противоположном направлении и/или по меньшей мере частично в направлении потока кислорода. В результате этого достигается особенно хорошее смешивание суспензии с кислородом. Чтобы иметь возможность применять биореактор для автоматизации осуществления способа получения из нескольких стадий, насосное устройство предпочтительно может быть запрограммировано таким образом, чтобы автоматически могла быть установлена программа закачивания с несколькими частичными стадиями.
Чтобы создать идеальные условия для роста и/или превращения микроорганизмов, биореактор может иметь нагревательное устройство, с помощью которого приемное пространство реакционного сосуда и/или суспензию, содержащуюся в приемном пространстве реакционного сосуда, можно нагревать до устанавливаемой температуры. В частности, можно установить температуру от 20 до 34°С, предпочтительно температуру от 22 до 32°С.
Так как элемент-носитель может быть легко извлечен из биореактора, в соответствии с предпочтительным вариантом может быть предусмотрено, что реакционный сосуд имеет отверстие для заполнения приемного пространства реакционного сосуда, и что биореактор имеет закрывающий элемент, с помощью данного закрывающего элемента может быть закрыто отверстие реакционного сосуда. Предпочтительно отверстие реакционного сосуда при помощи закрывающего элемента может быть закрыто с обеспечением непроницаемости для жидкости и/или устойчивости к давлению.
Чтобы избежать мешающих внешних воздействий на преобразование органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор, стенка реакционного сосуда и какой-либо или уже ранее упомянутый закрывающий элемент могут быть выполнены светонепроницаемыми. Таким образом, степень преобразования может быть улучшена.
Это также может быть целесообразным, если засеваемая поверхность является гидрофобной.
Чтобы облегчить закрепление микроорганизмов на засеваемой поверхности, засеваемая поверхность может иметь более высокую шероховатость, чем внутренняя сторона стенки реакционного сосуда.
Чтобы обеспечить максимально возможную суммарную засеваемую поверхность для посева микроорганизмов, биореактор может иметь несколько элементов-носителей. При этом элементы-носители предпочтительно могут быть выполнены и/или расположены с возможностью перемещения относительно друг друга. Предпочтительно элементы-носители расположены свободно внутри приемного пространства. Поэтому в результате циркуляции суспензии под действием возникающего потока элементы-носители также могут циркулировать и/или двигаться. За счет этого может быть улучшен обмен газа и суспензии у элементов-носителей.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом в качестве элементов-носителей может быть предусмотрено множество стружек, в частности множество сливных стружек, изготовленных из пластмассы, причем стружки могут быть неупорядочно расположены внутри реакционного сосуда. В частности, в результате неупорядоченного расположения может возникать спутывание стружки. Поэтому возможно, что засеваемые поверхности стружки не прилипают друг к другу и/или не могут быть достаточно промыты кислородом, так что не могут происходить нежелательные процессы денитрификации. Это может быть особенно предпочтительным, если стружки имеют форму или комбинацию из нескольких форм, выбранных из группы, состоящей из спиральной и/или извилистой и/или волнистой стружки. За счет этого можно особенно хорошо предотвратить прилипание засеваемых поверхностей стружки друг к другу.
Предпочтительно стружка в каждом случае может иметь длину от 2 см до 10 см и/или ширину от 0,5 см до 1,5 см и/или толщину от 50 до 500 мкм.
Альтернативно или дополнительно, в качестве элемента-носителя может быть использована по меньшей мере одна пористая трубка. В частности, трубка может быть расположена поперек или параллельно направлению потока кислорода, введенного в реакционный сосуд, и/или расположена поперек или параллельно направлению потока суспензии, введенной в реакционный сосуд. За счет этого может быть достигнуто особенно хорошее омывание трубки.
В соответствии с преимущественным вариантом может быть предусмотрено, что кислород может вводиться через линию подачи газа вдоль какой-либо или ранее упомянутой трубки. В частности, указанная линия подачи газа может быть выполнена в виде байпасной газовой линии, которая ответвляется от основной газовой линии, предпочтительно к основной газовой линии, ведущей к какому-либо или к ранее упомянутому аэрационному устройству. За счет этого возможно особенно хорошее снабжение кислородом микроорганизмов, заселенных на внутренней стороне стенки трубки. Предпочтительно биореактор имеет несколько элементов-носителей, выполненных в виде трубок. Кроме того, может быть предусмотрено, что трубка встроена в линию, проходящую внутри приемного пространства. Указанная линия может быть соединена с линией подачи и/или линией выведения. Предпочтительно до и/или после трубки в линию внутри приемного пространства может быть встроен запорный вентиль. За счет этого, посредством закрытия расположенного в направлении потока после трубки запорного вентиля можно простым образом увеличить внутреннее давление в трубке, в результате чего поток суспензии по меньшей мере кратковременно можно проводить через поры в стенке трубки, или посредством закрытия расположенного в направлении потока перед трубкой запорного вентиля можно предотвратить введение суспензии в трубку.
В соответствии с еще одним преимущественным усовершенствованным вариантом может быть предусмотрено, что элемент-носитель выполнен в виде цеолитного гранулята. В частности, цеолитные гранулы могут иметь размер от 0,6 до 1,0 мм. Цеолитный гранулят и/или другой материал-носитель предпочтительно могут находиться в расположенном внутри реакционного сосуда сборном элементе, предпочтительно в форме текстильного мешка. За счет этого можно предотвратить вынесение материала-носителя в плохо аэрируемые и/или плохо промешиваемые области внутри приемного пространства.
Альтернативно или дополнительно, на каком-либо или на определенном дне какого-либо или уже ранее упомянутого сборного элемента может быть установлено дополнительное аэрационное устройство, через которое кислород может быть введен в цеолитный гранулят и/или другой элемент-носитель. Предпочтительно дополнительное аэрационное устройство может быть соединено с байпасной газовой линией, ответвленной от основной газовой линии. Посредством дополнительного аэрационного устройство возможно особенно хорошо омывать цеолитные гранулы и/или другой элемент-носитель кислородом.
Чтобы иметь возможность улучшить препятствование осаждению твердых частиц в суспензии на дне приемного пространства, вход линии подачи может находиться в реакционном сосуде выше и/или на той же высоте, что и линия выведения. За счет этого оседающие частицы предпочтительно можно вводить еще выше в приемное пространство и выводить еще ниже из приемного пространства. Альтернативно или дополнительно, биореактор может иметь несколько линий подачи и/или несколько линий выведения. Предпочтительно при этом по меньшей мере частично можно задавать посредством регулируемого направление потока суспензии, имеет ли линия биореактора функцию линии подачи или линии выведения во время эксплуатации биореактора. Это позволяет создать, предпочтительно одновременно, по меньшей мере два различных направления потока в реакционном сосуде, при этом существующие линии могут использоваться в зависимости от направления потока в качестве линий подачи или выведения. Так, например, по меньшей мере две линии выведения могут выводить из реакционного сосуда в непосредственной близости от дна, чтобы иметь возможность выводить осажденные частицы и суспензию еще более эффективно.
Для того, чтобы могла быть достигнута особенно хорошая циркуляция суспензии внутри приемного пространства реакционного сосуда, с помощью какого-либо или уже здесь упомянутого ранее насосного устройства могут быть установлены по меньшей мере два направления потока суспензии внутри реакционного сосуда и/или в линиях биореактора. Для достижения особенно хорошей циркуляции, линия подачи и линия выведения альтернативно или дополнительно могут быть отделены друг от друга посредством какого-либо или уже здесь упомянутого ранее насосного устройства. В частности, биореактор может иметь циркуляционный контур суспензии, включающий линию подачи, линию выведения, насосное устройство и реакционный сосуд, так что суспензия может проходить несколько раз через биопленку внутри реакционного сосуда.
Чтобы упростить регулирование потока суспензии, на линии подачи между реакционным сосудом и каким-либо или определенным насосным устройством может быть установлен запорный вентиль, и/или запорный вентиль может быть установлен на линии выведения между реакционным сосудом и каким-либо или определенным насосным устройством.
В соответствии с предпочтительным усовершенствованным вариантом биореактора от линии подачи, в частности, после какого-либо или определенного насосного устройства и/или перед каким-либо или определенным запорным вентилем, может ответвляться байпасная линия подачи, которая впадает в реакционный сосуд. За счет этого также суспензия дополнительно может быть введена в реакционный сосуд через байпасную линию подачи. Предпочтительно байпасная линия подачи может иметь запорный вентиль. Более предпочтительно может быть предусмотрено, что байпасная линия подачи в случае изменения, в частности реверса, направления потока суспензии насосным устройством может использоваться в качестве линии выведения. За счет этого может быть увеличена вариативность путей потока, что приводит к еще лучшей циркуляции суспензии в реакционном сосуде.
Может быть особенно целесообразно, если на засеваемой поверхности формируется биопленка, в которой присутствуют аммонифицирующие и/или нитрифицирующие бактерии. При этом, например, может быть предусмотрено, что доля аммонифицирующих и/или нитрифицирующих бактерий в биопленке составляет по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, предпочтительно по меньшей мере 6%, предпочтительно по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15%, предпочтительно по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 40%, предпочтительно по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, предпочтительно по меньшей мере 90%, предпочтительно около 100%.
Для того, чтобы сгенерировать, как можно большую поверхность для посева микроорганизмов, по меньшей мере один элемент-носитель может иметь несколько засеваемых поверхностей, причем засеваемые поверхности могут быть выполнены изогнутыми, так чтобы можно было избежать прилипания и/или примыкания засеваемых поверхностей одного элемента-носителя друг к другу и/или прилипания и/или примыкания засеваемых поверхностей различных элементов-носителей друг к другу.
Вышеупомянутая задача кроме того решается согласно изобретению с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения касающихся способа получения органического питательного раствора. В частности, поэтому для решения поставленной задачи предлагается способ получения органического питательного раствора, причем органический питательный раствор имеет долю доступного для растений минерализованного азота по меньшей мере 10%, в частности по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 75%, в пересчете на общее содержание азота в органическом питательном растворе. Предпочтительно, когда доля нитратов доступного для растений минерализованного азота выше, чем доля аммония. При этом может быть особенно предпочтительным, чтобы в органическом питательном растворе соотношение NO3:NH4+ составляло по меньшей мере 2:1, в частности по меньшей мере 3:1, в частности по меньшей мере 10:1, предпочтительно по меньшей мере 25:1, более предпочтительно по меньшей мере 50:1. Способ, при этом включает следующие стадии:
на стадии затравки затравливание элемента-носителя, предпочтительно элемента-носителя биореактора, как он описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, инокулянтом, который содержит аммонифицирующие и/или нитрифицирующие бактерии, формирование биопленки с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями на элементе-носителе, на стадии инкубации инкубирование материала из органических остатков и/или отходов с биопленкой, в частности в реакционном сосуде, причем аммонифицирующие и/или нитрифицирующие бактерии превращают органически связанный азот материала из остатков и/или отходов в минерализованный азот.
Этот способ впервые позволяет получить из органических остатков и/или отходов органический питательный раствор, пригодный для применения в качестве удобрения для растений, в котором доля доступного для растений азота была значительно увеличена благодаря специальному способу. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления в случае доступного для растений азота также может быть достигнут заметный сдвиг соотношения доли нитрата и доли аммония в сторону нитрата. В частности, в безземельных, гидропонных системах растения прежде всего зависят от нитратов, так как они лучше усваиваются. Кроме того, также возможно значительно уменьшить часто встречающееся в случае органических остатков и/или отходов выделение неприятных запахов, которые в частности могут возникать из-за аммония, вплоть до полной нейтрализации запахов в готовом органическом питательном растворе.
Вышеупомянутая задача кроме того решается согласно изобретению с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения касающихся способа получения субстратного материала для культивирования растений. В частности поэтому для решения поставленной задачи предлагается способ получения субстратного материала для культивирования растений, включающий стадии:
на стадии затравки затравливание элемента-носителя, предпочтительно элемента-носителя биореактора по одному из вышеуказанных пунктов, инокулянтом, который содержит аммонифицирующие и/или нитрифицирующие бактерии, формирование биопленки с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями на элементе-носителе.
Описанный выше способ позволяет проводить затравку элементов-носителей аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями и использовать их для выращивания биопленки на элементе-носителе. Элемент-носитель затем может быть использован, например, в биореакторе, таком как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, или в качестве субстратного материала, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения.
Следующие преимущественные усовершенствованные варианты касаются обоих описанных выше способов.
Чтобы достичь особенно хорошей затравки и/или особенно хорошего превращения, инокулянт и/или органические остатки и/или отходы могут быть использованы в жидкой форме. Предпочтительно инокулянт и/или органические остатки и/или отходы могут быть использованы в форме суспензии. За счет этого возможно особенно хорошее омывание элемента-носителя инокулянтом и/или органическими остатками и/или отходами. Кроме того возможно особенно простое в осуществлении и эффективное превращение органических остатков и/или отходов. Для этого, например, может быть предоставлена смесь присутствующего в виде твердого вещества инокулянта и/или материала из органических остатков и/или отходов с водой для получения суспензии.
Может быть целесообразным, если используется инокулянт или комбинация из одного или нескольких инокулянтов, выбранных из группы из компоста, в частности компоста из коры, экскрементов червя, в частности экскрементов земляного червя, почвы, в частности полевой почвы. Помимо аммонифицирующих и/или нитрифицирующих бактерий указанные инокуляционные материалы дополнительно содержат слизистые и/или белковые вещества, которые ускоряют образование биопленки на элементе-носителе и стабилизируют ее. В основном пригодными являются экскременты живущих в почве червей, так как они богаты аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, доля органического материала в органических остатках и/или отходах может составлять от 5% до 60%.
Альтернативно или дополнительно, отношение углерод/азот в органических остатках и/или отходах может составлять 11 или менее. При значениях выше 11 ухудшается степень преобразования.
Также может быть выгодно, если общая доля азота в пересчете на общую массу органических остатков и/или отходов составляет по меньшей мере 0,3%.
Кроме того, может быть предусмотрено, что доля нитрат-связанного азота, в пересчете на общее содержание доступного для растений азота органических остатков и/или отходов меньше, чем доля аммоний-связанного азота. Это соотношение может быть смещено посредством указанного способа, так что в основном присутствует нитрат вместо аммония.
Чтобы создать идеальные условия роста для аммонифицирующих и/или нитрифицирующих бактерий, отдельные или все стадии способа могут быть выполнены при температуре, в частности при постоянной температуре, от 20 до 34°С, предпочтительно от 22 до 32°С.
Чтобы предотвратить нежелательные процессы денитрификации с помощью анаэробных денитрифицирующих бактерий и снабдить аэробные аммонифицирующие и/или нитрифицирующие бактерии достаточным количеством кислорода, в реакционный сосуд и/или в элемент-носитель во время осуществления отдельных или всех стадии может быть введен кислород.
Чтобы иметь возможность для лучшего препятствования засеванию анаэробных бактерий во время стадии затравки, инокулянт может циркулировать во время стадии затравки. В частности, в результате прокачивания инокулянта несколько раз и/или в различных направлениях потока через циркуляционный контур, предпочтительно замкнутый циркуляционный контур, в котором расположен элемент-носитель. В частности, в результате циркуляции закрепленные на элементе-носителе инокулянт и части биопленки могут оторваться и снова прикрепиться в другом месте. Указанные отрывы и повторные прикрепления способствуют росту бактерий.
Альтернативно или дополнительно, во время стадии инкубации органические остатки и/или отходы могут циркулировать, чтобы лучше препятствовать осаждению твердых частиц и возникновению процессов анаэробного разрушения. В частности, органические остатки и/или отходы могут прокачиваться несколько раз и/или в различных направлениях потока через циркуляционный контур, предпочтительно замкнутый циркуляционный контур, в котором расположен элемент-носитель.
Чтобы иметь возможность еще больше повысить эффективность превращения бактерий, стадию затравки может быть разделена на первую фазу с непрерывной аэрацией и/или циркуляцией и вторую фазу с периодической аэрацией и/или циркуляцией. При этом предпочтительно во время второй фазы паузы в аэрации и/или паузы в циркуляции могут составлять в частности от 30 до 50 минут в час.
Также может быть целесообразным, если стадию затравки и стадию инкубации проводят в разных реакционных сосудах. Предпочтительно используемый на стадии затравки реакционный сосуд может иметь меньший объем, чем реакционный сосуд, используемый на стадии инкубации.
Кроме того, может быть предусмотрено, что стадия затравки включает стадию аммонификации и/или стадию нитрификации, причем на стадии аммонификации посредством аммонифицирующих бактерий биопленки органически связанный азот из органических остатков и/или отходов превращается в аммоний и/или во время стадии нитрификации посредством нитрифицирующих бактерий биопленки аммоний превращается в нитрат. В зависимости оттого, какие используют органические остатки и/или отходы, и какие они имеют начальные доли доступного для растений азота, иногда может быть предусмотрена только стадия нитрификации. В частности стадия инкубации может проводиться до тех пор пока органический питательный раствор не будет содержать больше нитрата, чем аммония, предпочтительно до соотношения NO3:NH4+ составляющего по меньшей мере 2:1, в частности по меньшей мере 3:1, в частности по меньшей мере 10:1, предпочтительно по меньшей мере 25:1, более предпочтительно по меньшей мере 50:1. Чтобы определить долю доступного для растений азота, может проводиться стадия измерения предпочтительно через регулярные интервалы или непрерывно. При этом могут быть использованы известные специалисту в данной области измерительные методы для определения концентрации нитрата и/или аммония и/или общей концентрации азота.
В соответствии с особенно предпочтительным усовершенствованным вариантом в качестве элемента-носителя может быть использована по меньшей мере одна пористая трубка, в частности пористая каучук-пластмассовая трубка, причем в трубку раздельно во времени вводят кислород и инокулянт и/или кислород и материал из остатков и/или отходов. При этом предпочтительно внутреннее давление в трубке может изменяться во время стадии затравки и/или во время стадии инкубации, в частности, посредством увеличения потока инокулята и/или материала из остатков и/или отходов через трубку на период времени и/или посредством увеличения объемного потока кислорода через трубку на период времени. Пористая трубчатая форма эле мента-носителя имеет преимущество, заключающееся в том, что для микроорганизмов создается относительно большая засеваемая поверхность. В частности, благодаря варианту осуществления с открытыми порами, суспензия, прокачиваемая через трубку, может дополнительно выходить через пронизывающие стенку трубки поры. Поэтому с одной стороны, возможна особенно хорошая затравка всех засеваемых поверхностей, а также особенно хорошее снабжение бактерий биопленки кислородом и питательными веществами. В частности, трубка может быть выполнена гибкой, то есть растягиваемой, что имеет преимущество, заключающееся в том, что при повышении давления внутри трубки может увеличиваться диаметр пор. За счет этого по меньшей мере на короткий промежуток времени может быть достигнута увеличенная скорость потока через поры, например, чтобы достичь лучшей циркуляции суспензии также внутри трубки.
Для достижения особенно хорошего омывания материала-носителя на стадии затравки элемент-носитель может быть полностью погружен в инокулянт, и/или на стадии инкубации элемент-носитель может быть полностью погружен в материал из остатков и/или отходов.
Настоящее изобретение также относится к органическому питательному раствору, в частности к органическому удобрению для растений, полученному способом, таким как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, и/или в биореакторе, таком как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, с долей доступного для растений минерализованного азота по меньшей мере 10%, в частности по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 75%, в пересчете на общее содержание азота в органическом питательном растворе. Предпочтительно, когда доля нитратов доступного для растений минерализованного азота выше, чем доля аммония. Кроме того является предпочтительным, чтобы в органическом питательном растворе соотношение NO3:NH4+ составляло по меньшей мере 2:1, в частности по меньшей мере 3:1, в частности по меньшей мере 10:1, предпочтительно по меньшей мере 25:1, более предпочтительно по меньшей мере 50:1. Преимущество органического питательного раствора состоит в том, что, в отличие от промышленно производимых минеральных удобрений, его также можно использовать в экологическом земледелии. Полученные исключительно из органических остатков и/или отходов органические удобрения для растений с такой высокой степенью минерализации азота до настоящего времени не были известны.
Предпочтительно органический питательный раствор представляет собой жидкое удобрение.
Чтобы органический питательный раствор можно было использовать в экологическом земледелии, необходимо, чтобы доступный для растений минерализованный азот получался исключительно или в основном из органически связанного азота и/или чтобы органический питательный раствор был свободен от промышленно произведенного минерального удобрения. Минеральные удобрения промышленного производства включают, например, минеральные соли, которые получают путем химической или физической обработки из сырья, добываемого помимо прочего в горной промышленности, в частности азотные удобрения, не имеющие органического происхождения. В качестве материала из органических остатков и/или отходов, который используется в качестве исходного материала для производства органического питательного раствора, могут быть использованы, например, отходы растительного и/или животного происхождения, биошлам, в частности, из биогазовых установок, полужидкий навоз, навозная жижа, стойловый навоз, вторичное органическое сырье из индустрии общественного питания, пищевых продуктов и кормов.
Кроме того, настоящее изобретение относится к субстратному материалу для культивирования растений с биопленкой с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями, полученному способом, таким как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, и/или с помощью биореактора, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения. Элемент-носитель предпочтительно может иметь поры и/или полости диаметром от 10 до 100 мкм.
В соответствии с преимущественным усовершенствованным вариантом субстратного материала элемент-носитель может быть выполнен в виде пористой трубки. Предпочтительно элемент-носитель может быть выполнен в виде трубки, изготовленной из каучук-пластмассовой смеси. Настоящим приводится ссылка на варианты исполнения элемента-носителя биореактора, которые также могут быть использованы в отношении субстратного материала.
В соответствии с другим преимущественным усовершенствованным вариантом субстратного материала элемент-носитель может быть изготовлен из минерала, в частности из цеолита. В частности, элемент-носитель может быть выполнен в виде цеолитного гранулята. Цеолит особенно хорошо подходит в качестве почвенной добавки, поскольку благодаря своей пористой структуре он имеет особенно большую площадь поверхности, состоящую из внутренней и внешней поверхностей, которые могут служить в качестве засеваемой поверхности. Таким образом, несмотря на относительно большую засеваемую поверхность, цеолит тем не менее требует относительно небольшого места.
Чтобы лучше защитить растения, которые выращивают в контакте или вблизи субстратного материала, от недостатка питательных веществ и/или воды, элемент-носитель может обладать эффектом губки, благодаря которому субстратный материал может сохранять жидкости. Это может быть достигнуто, например, за счет того, что элемент-носитель по меньшей мере частично изготовлен из вспененного материала, в частности из вспененной пластмассы.
Изобретение также относится к применению аммонифицирующих и/или нитрифицирующих бактерий в форме биопленки на элементе-носителе, в частности в биореакторе, таком как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, для преобразования органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор с долей доступного для растений минерализованного азота по меньшей мере 10%, в частности по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 75%, в пересчете на общее содержание азота в органическом питательном растворе, в частности посредством проведения способа, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения. При этом предпочтительно в готовом органическом питательном растворе соотношение NO3:NH4+ составляет по меньшей мере 2:1, в частности по меньшей мере 3:1, в частности по меньшей мере 10:1, предпочтительно по меньшей мере 25:1, более предпочтительно по меньшей мере 50:1.
Изобретение также относится к применению органического питательного раствора, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, для удобрения растений, в частности для удобрения растений, которые выращиваются в соответствии с критериями экологического земледелия. Посредством органического питательного раствора можно лучше компенсировать выщелачивание почвы, которое непосредственно происходит в последней трети роста сельскохозяйственых растений, чем при помощи обычных органических удобрений для растений.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления органический питательный раствор можно использовать в гидропонных системах выращивания, в частности, в безземленных и/или малоземельных гидропонных системах выращивания. В отличие от других исключительно органических растительных удобрений, органический питательный раствор также подходит для применения в безземельных и/или малоземельных системах, поскольку доля доступного для растений азота, особенно доступного для растений нитрата, значительно выше, чем в случае традиционных органических удобрений для растений.
Изобретение также относится к применению субстратного материала, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, для культивирования растений. В частности для культивирования сельскохозяйственных растений. Предпочтительно субстратный материал может быть смешан с почвенной смесью для выращивания растений, в частности в качестве почвенной добавки. В частности, его можно смешивать с пахотной почвой поля. За счет этого можно ускорить происходящие естественным образом в почве процессы превращения, аммонификацию и/или нитрификацию. В результате этого органически связанный азот в почве может быстрее превращаться в доступный для растений азот. За счет этого может быть увеличено плодородие природных почв и урожайность.
Альтернативно или дополнительно, может быть предусмотрено, что субстратный материал используется в качестве закрепляющего материала, в частности, в гидропонной системе выращивания. Таким образом, субстратный материал может служить для того, чтобы за счет него имелась возможность удерживать растения, если необходимая для этого почва отсутствует совсем или присутствует в недостаточном количестве.
Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту растения через свои корни могут по меньшей мере частично находиться в непосредственном контакте с внешней стороной элемента-носителя субстратного материала. В частности, через элемент-носитель может быть направлен органический питательный раствор, в частности, такой как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения. Предпочтительно органический питательный раствор может затем диффундировать и/или проникать под действием давления через поры в стенке элемента-носителя от внутренней стороны элемента-носителя к внешней стороне элемента-носителя. Это обеспечивает возможность для особенно хорошего снабжения питательными веществами растений. Так, например, существует возможность разместить элемент-носитель в пахотной почве. Кроме того, несущий элемент в данной форме также может использоваться, как указывалось ранее, в малоземельной или безземельной системе.
В соответствии с особенно предпочтительным усовершенствованным вариантом, растения через свои корни могут по меньшей мере частично находиться в непосредственном контакте с внешней стороной элемента-носителя субстратного материала, при этом органические остатки и/или отходы направляют через элемент-носитель, при этом посредством бактерий биопленки органически связанный азот остатков и/или отходов преобразуется в минерализованный азот, при этом минерализованный азот диффундирует и/или проникает под давлением через поры в стенке элемента-носителя от внутренней стороны элемента-носителя к внешней стороне элемента-носителя, и при этом находящиеся по меньшей мере частично в контакте с внешней стороной элемента-носителя корни растений получают доступный для растений минерализованный азот. Таким образом, органические остатки и/или отходы могут быть использованы непосредственно для снабжения растений, без необходимости предварительного проведения отдельного превращения в органический питательный раствор. При этом неожиданно было обнаружено, что растения снабжаются в достаточной степени азотом благодаря эффективному преобразованию органически связанного азота в доступный для растений азот посредством биопленки на элементе-носителе.
Далее настоящее изобретение относится к набору из биореактора, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, и инокулята для затравливания эле мента-носителя и для формирования биопленки с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями.
Далее настоящее изобретение относится к набору из элемента-носителя и инокулята для затравливания элемента-носителя и для формирования биопленки с аммонифицирующими и/или нитрифицирующими бактериями, в частности для осуществления способа, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, и/или в биореакторе, таком как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения, и/или для применения, такого как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения.
Далее изобретение будет объяснено более подробно при помощи примеров осуществления, однако без ограничения данными примерами осуществления объема притязаний. Дополнительные примеры осуществления являются результатом комбинации признаков одного или нескольких пунктов формулы изобретения друг с другом и/или с одним или несколькими признаками примеров осуществления.
Примеры осуществления изобретения
1. Пример
Для осуществления способа получения органического питательного раствора в случае далее следующих примеров используют биореактор, такой как описан в настоящем документе и ограничен в независимом пункте формулы изобретения.
В приемное пространство реакционного сосуда сначала направляют биошлам, полученный в результате ферментации биологических отходов, составленных из отдельных сборов из частных домашних хозяйств (92%), растительных веществ из производств продуктов питания, общепита и кормов для животных, растительных веществ из садоводства и ландшафтного строительства, а также из лесного хозяйства, жир и жировые остатки, с пониженной долей доступного для растений азота (менее 1%).
Альтернативно или дополнительно, ферментированная меласса из сахарной свеклы (барда) может быть добавлена в качестве остатка пищевой и кормовой промышленности с долей доступного азота менее 0,5%.
Затравка элементов-носителей осуществляется, как было указано ранее, в каждом случае в первом сосуде.
Затем во второй сосуд вносят засеянный пластмассовый материал-носитель в форме стружки с массой 200 г и предполагаемой контактной площадью пластмассы 1,76 м2 и заполняют 720 мл органического жидкого биошлама и 11 л воды.
Биошлам имеет следующий состав:
0,46% N суммарный азот
0,18% N аммонийный азот
0,12% P2O5 суммарный фосфат
0,42% K2O суммарный оксид калия
0,0029% Zn суммарный цинк
Побочные составляющие:
0,11% MgO суммарный оксид магния
0,04% S сера
0,66% СаО составляющие, действующие в качестве основания
6,41% органические вещества
Объемная плотность 1040 кг/м3
Значение рН 8,4
Таким образом расчетный суммарный азот в исходном растворе составляет 294 мг/л. Введенный материал биошлама вместе с 11 л воды показывает начальные значения (измеренные с помощью тест-полосок MQuant™ фирмы Merck KgaA, 64271 Дармштадт, Германия):
рН=7,4
NH4=200 мг/л соответствует NH4-N=155 мг/л
NO3=0 мг/л
Во время стадии инкубации жидкость выдерживают при температуре 25°С и пропускают воздух в течение 6 минут в час и 14 часов в день. Это соответствует общему объему воздуха 25,2 м3 в день.
Через 5 дней значение NO3 составляет 250 мг/л (соответствует 56 мг/л NO3-N), а значение NH4 падает до 90 мг/л (соответствует 70 мг/л NH4-N). Через 9 дней значение NO3 составляет максимум 1000 мг/л (226 мг/л NO3-N), а значение NH4 находится около 15 мг/л (12 мг/л NH4-N). К данному моменту 81% (238 мг/л) суммарного азота, содержащегося в исходном растворе, находится в доступной для растений форме. При этом азот присутствует в соотношении NO3 к NH4 50:1. В исходном растворе 39% суммарного азота на 100% присутствует в форме непосредственно доступного для растений NH4.
В Центральной Европе среднегодовой уровень минерализации в почве, в зависимости от температуры и влажности почвы, составляет около 1-2% органического азота. При степени минерализации 2% рассчитанный суммарный азот, составляющий 294 мг/л, минерализовался бы в почве на 5,88 мг/л в год. За 9 дней подверглось бы минерализации 0,145 мг/л. Отсюда вытекает, что при указанном применении скорость минерализации будет более чем в 1500 раз выше, чем минерализация в почве.
2. Пример
В этом случае в качестве органических остатков и/или отходов используется барда.
Во второй сосуд вносят засеянный пластмассовый материал-носитель в форме стружки с массой 150 г и предполагаемой контактной площадью пластмассы 1,32 м2 и сосуд заполняют 60 мл барды и 93 л воды.
Барда имеет следующий состав:
4,5% N суммарный азот
0,5% N доступный азот
6% K2O суммарный оксид калия
Побочные составляющие:
1,5% S растворимая в воде сера
2,5% Na растворимый в воде натрий
48% органические вещества
Плотность 1360 кг/м3
Таким образом расчетный суммарный азот составляет 40 мг/л. Введенная барда вместе с 93 л воды показывает начальные значения (измеренные с помощью тест-полосок MQuan™ фирмы Merck KgaA, 64271 Дармштадт, Германия):
рН=6,8
NH4=20 мг/л соответствует NH4-N=16 мг/л
NO3=5 мг/л соответствует NO3-N=1,2 мг/л
Во время стадии инкубации жидкость выдерживают при температуре 25°С и пропускают воздух в течение 10 минут в час и 14 часов в день. Это соответствует общему объему воздуха 42 м3 в день.
Через 5 дней значение NH4 составляет 45 мг/л (соответствует 35 мг/л NH4-N) и через 9 дней максимальное значение составляет 80 мг/л (соответствует 62 мг/л NH4-N). Через 9 дней значение NO3 составляет около 3 мг/л и вырастает до максимального значения 240 мг/л (50 мг/л NO3-N) на 11 день. К данному моменту значение NH4 составляет около 8 мг/л(6 мг/л NH4-N).
К данному моменту 140%* (56 мг/л) суммарного азота, содержащегося в исходном растворе, находится в доступной для растений форме. При этом азот присутствует в соотношении NO3 к NH4 8:1. В исходном растворе 11% суммарного азота присутствует с соотношением NO3 к NH4 1:10 в непосредственно доступной для растений форме.
В Центральной Европе среднегодовой уровень минерализации в почве, в зависимости от температуры и влажности почвы, составляет около 1-2% органического азота. При степени минерализации 2% рассчитанный суммарный азот, составляющий 40 мг/л, минерализовался бы в почве на 0,8 мг/л в год. За 9 дней подверглось бы минерализации 0,02 мг/л. Отсюда вытекает, что при указанном применении скорость минерализации будет более чем в 2500 раз выше, чем минерализация в почве.
* Суммарный азот определяется по методу Кьельдаля. При этом в значительной степени определяется азот, содержащийся в белковой части, причем колебания доли азота в зависимости от аминокислотного состава не регистрируются. Отсюда следует, что реальное содержание азота в исходном материале выше значения, определенного аналитически по Кьельдалю.
3. Пример
В данном случае в качестве материала-носителя используют пористую трубку.
Через засеянный материал-носитель в форме трубки направляют биошлам, полученный в результате ферментации биологических отходов, составленных из отдельных сборов из частных домашних хозяйств (92%), растительных веществ из производств продуктов питания, общепита и кормов для животных, растительных веществ из садоводства и ландшафтного строительства, а также из лесного хозяйства, жир и жировые остатки, с пониженной долей доступного азота (менее 1%).
Альтернативно или дополнительно, через засеянный материал-носитель в форме трубки может быть направлена ферментированная меласса из сахарной свеклы (барда) в качестве остатка пищевой и кормовой промышленности с долей доступного азота менее 0,5%.
На порах элемента-носителя в форме трубки выступает в каждом случае питательный раствор с непосредственно доступным для растений, минерализованным азотом, который поглощается корнями растения, которые находятся в контакте с субстратом, в виде минерального непосредственно доступного для растений питательного раствора.
К нему добавляют 720 мл органического жидкого биошлама и 13 л воды.
Биошлам имеет следующий состав:
0,46% N суммарный азот
0,18% N аммонийный азот
0,12% P2O5 суммарный фосфат
0,42% K2O суммарный оксид калия
0,0029% Zn суммарный цинк
Побочные составляющие:
0,11% MgO суммарный оксид магния
0,04% S сера
0,66% СаО составляющие, действующие в качестве основания
6,41% органические вещества
Объемная плотность 1040 кг/м3
Значение рН 8,4
Таким образом, расчетный суммарный азот в исходном растворе составляет 251 мг/л. Введенный материал биошлама показывает начальные значения (измеренные с помощью тест-полосок MQuant™ фирмы Merck KGaA, 64271 Дармштадт, Германия):
рН=7,2
NH4=180 мг/л соответствует 140 мг/л NH4-N
NO3=0 мг/л
При измерении по каплям собранной жидкости (А) и на внешней поверхности засеянного элемента-носителя в форме трубки (В) через 3 дня получаются следующие значения:
и через 5 дней
В случае незасеянного элемента-носителя в форме трубки, который параллельно снабжался исходным раствором, были получены начальные значения для измерений А и В, как через 3, так и через 5 дней.
4. Пример
Засеянный элемент-носитель в форме трубки заполняют 25 мл органической барды и 10 л воды.
Барда имеет следующий состав:
4,5% N суммарный азот
0,5% N доступный азот
6% K2O суммарный оксид калия
Побочные составляющие:
1,5% S растворимая в воде сера
2,5% Na растворимый в воде натрий
48% органические вещества
Плотность 1360 кг/м3
Таким образом, расчетный суммарный азот в исходном растворе составляет 153 мг/л. Введенная барда вместе с 10 л воды показывает начальные значения (измеренные с помощью тест-полосок MQuant™ фирмы Merck KGaA, 64271 Дармштадт, Германия):
рН=6,5
NH4=15 мг/л соответствует 12 мг/л NH4-N
NO3=0 мг/л
При измерении по каплям собранной жидкости (А) и на внешней поверхности засеянного растительного субстрата в форме трубки (В) через 1 день получаются следующие значения:
через 7 дней
через 14 дней
В случае незасеянного элемента-носителя в форме трубки, который параллельно снабжался исходным раствором, были получены начальные значения для измерений А и В через 1, 7 и 14 дней.
5. Пример
В качестве элемента-носителя используют цеолитный гранулят. Засеянный цеолитный гранулят смешивают с почвенной смесью для выращивания растений. Биошлам, полученный в результате ферментации биологических отходов, составленных из отдельных сборов из частных домашних хозяйств (92%), растительных веществ из производств продуктов питания, общепита и кормов для животных, растительных веществ из садоводства и ландшафтного строительства, а также из лесного хозяйства, жир и жировые остатки, с пониженной долей доступного азота (менее 1%) добавляют к цеолитно-почвенной смеси.
Альтернативно или дополнительно, к цеолитно-почвенной смеси может быть добавлена ферментированная меласса из сахарной свеклы (барда) в качестве остатка пищевой и кормовой промышленности с долей доступного азота менее 0,5%.
Во второй сосуд вносят засеянный цеолитный гранулят с массой 400 г и предполагаемой контактной площадью 21,6 м2 и заполняют 440 мл органическим жидким биошламом и 28 л воды.
Биошлам имеет следующий состав:
0,46% N суммарный азот
0,18% N аммонийный азот
0,12% P2O5 суммарный фосфат
0,42% K2O суммарный оксид калия
0,0029% Zn суммарный цинк
Побочные составляющие:
0,11% MgO суммарный оксид магния
0,04% S сера
0,66% СаО составляющие, действующие в качестве основания
6,41% органические вещества
Объемная плотность 1040 кг/м3
Значение рН 8,4
Таким образом, расчетный суммарный азот в исходном растворе составляет 74 мг/л. Введенный материал биошлама вместе с 28 л воды показывает начальные значения (измеренные с помощью тест-полосок MQuant™ фирмы Merck KGaA, 64271 Дармштадт, Германия):
рН=7,4
NH4=80 мг/л соответствует 56 мг/л NH4-N
NO3=5 мг/л соответствует 1 мг/л NO3-N
Через 5 дней значение NO3 составляет 75 мг/л (соответствует 17 мг/л NO3-N), а значение NH4 падает до 5 мг/л (соответствует 4 мг/л NH4-N). К данному моменту 28% (21 мг/л) суммарного азота, содержащегося в исходном растворе, находится в доступной для растений форме. При этом азот присутствует в соотношении NO3 к NH4 15:1. В исходном растворе 77% суммарного азота присутствует с соотношением NO3 к NH41:16.
Далее биореактор более подробно описан со ссылкой на чертежи.
Представлены:
на фиг. 1 первый вариант осуществления биореактора с множеством собранных в шарик пластмассовых стружек в качестве элементов носителей,
на фиг. 2 второй вариант осуществления биореактора с множеством элементов-носителей, выполненных в виде цеолитного грану-лята, которые расположены в текстильном пакете внутри приемного пространства биореактора,
на фиг. 3 третий вариант осуществления биореактора с тремя элементами-носителями, каждый из которых выполнен в виде пористых трубок, которые параллельно друг другу соединены в линию внутри приемного пространства.
На фиг. 1-3 показаны три различных примера осуществления биореактора, каждый из которых обозначен в целом как 1, 2 или 3. Биореакторы 1, 2 и 3 предназначены для преобразования органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор с относительно высокой долей доступного для растений минерализованного азота.
Поэтому с помощью биореактора 1, 2, 3 может быть осуществлен способ получения органического питательного раствора, причем обеспечивается доля доступного для растений азота по меньшей мере 10%, в пересчете на общее содержание азота в питательном растворе. Кроме того в случае доступного для растений минерализованного азота доля нитратов должна быть выше, чем доля аммония.
Биореактор 1, 2, 3 имеет реакционный сосуд 5, в который входит линия подачи 6 и выходит линия выведения 7. Суспензия 4 может быть введена в реакционный сосуд через линию подачи 6, и может быть снова выгружена через линию выведения 7 после прохождения через реакционный сосуд 5.
Биореактор 1, 2, 3 имеет аэрационное устройсто 8, через которое в реакционный сосуд 5 вводят кислород, предпочтительно в виде воздуха. В примерах осуществления, показанных на фиг. 1-3, аэрационное устройство 8 имеет компрессор 17. Через линию подачи газа 16 с помощью компрессора 17 кислород в виде воздуха может быть введен в реакционный сосуд 5.
Три биореактора 1, 2 и 3 отличаются в основном разными элементами-носителями 10, каждый из которых расположен внутри приемного пространства 9 реакционного сосуда 5. Элементы-носители 10 расположены внутри приемного пространства 9 таким образом, что возможно омывание элементов-носителей 10 с помощью суспензии 4, вводимой через линию подачи 6. Суспензия 4 может представлять собой, например, материал из органических остатков и/или отходов, как описано выше, и/или органический инокулянт, как описано выше. Кроме того, элементы-носители 10 также расположены таким образом, что поток кислорода, вводимого посредством аэрационного устройства 8, омывает элемент-носитель 10, предпочтительно в основном со всех сторон.
Элементы-носители 10 имеют особенно большую площадь поверхности по отношению к их объему. При этом поверхности элементов-носителей 10 выполнены в виде засеваемых поверхностей 11 для образования биопленки 12, которая по меньшей мере частично состоит из аммонифицирующих и/или нитрифицирующих бактерий. Следовательно, засеваемые поверхности 11, например, выполнены более шероховатыми, чем внутренняя сторона стенки реакционного сосуда. За счет этого микроорганизмы биопленки 12 могут особенно хорошо прикрепляться к засеваемым поверхностям 11 и расти на них. Это позволяет аммонифицирующим и/или нитрифицирующим бактериям образовывать биопленку 12 в основном на засеваемых поверхностях 11, поскольку здесь могут быть созданы идеальные условия для роста.
Элементы-носители 10 различных примеров осуществления на фиг. 1-3 частично изготовлены из различных материалов или комбинаций нескольких материалов.
Элементы-носители 10 биореактора 1 с фиг. 1 изготовлены в виде стружки 13 из пластмассы. Например, указанная стружка 13 может образовываться в качестве отходов во время обработки со снятием стружки пластмассовой заготовки. Кроме того может быть особенно выгодно, если стружка состоит из термопластмассы, такого как полипропилен и/или полиэтилен. Множество стружек 13 расположено неупорядоченным образом внутри приемного пространства 9 реакционного сосуда 5. В результате чего, происходит регулярное спутывание стружки 13. Так как стружка 13 имеет изогнутую засеваемую поверхность 11, которая может возникать, например, из-за извилистой и/или спиральной и/или волнообразной формы стружки 13, то простым способом можно предотвратить прилипание или примыкание друг к другу засеваемых поверхностей 11 отдельных стружек 13. Поэтому прилипание или примыкание является невыгодным, так как был/были бы больше не гарантирован(ы) газообмен и/или омывание, и следовательно биопленка могла бы сформироваться из анаэробных бактерий. Это могло бы привести к нежелательному эффекту, в частности, к протеканию процессов денитрификации.
В случае биореактора 2 с фиг. 2 элементы-носители 10 выполнены в виде цеолитного гранулята 14. Чтобы иметь возможность предотвратить отложение гранул 14 в плохо омываемых или плохо аэрируемых областях приемного пространства 9, элементы-носители 10, выполненные в виде гранул 14, расположены в сборном элементе 27, выполненном в виде текстильного мешка. Сборный элемент 27 может быть закреплен в приемном пространстве с помощью подвесного устройства. Внутри сборного элемента 27 расположено дополнительное аэрационное устройство 28, которое может снабжаться кислородом через байпасную газовую линию 25. Кроме того, линия подачи 6, проходящая внутри реакционного сосуда 5, доходит до сборного элемента 27 и заканчивается там, в результате чего суспензия 4 может быть введена непосредственно в сборный элемент 27. Сборный элемент 27 имеет открытые поры, так что суспензия может выходить из сборного элемента 27 в приемное пространство 9. Байпасная газовая линия 25 ответвляется от основной газовой линии 26, которая соединена с аэрационным устройством 8. За счет этого можно вводить кислород в приемное пространство 9 в двух разных местах, без необходимости присутствия второго компрессора 17.
Биореактор 3 с фиг. 3 имеет три элемента-носителя 10, каждый из которых выполнен в виде пористых трубок 15, которые включены параллельно друг другу в систему линий внутри приемного пространства 9. Каждая из трубок 15 соединена с линией подачи 6 и линией подачи газа 16, выполненной в виде байпасной газовой линии 25. За счет этого суспензия 4 и кислород, в частности раздельно во времени, могут вводиться в трубки 15. Для прекращения введения кислорода или суспензии 4 в трубку 15 или несколько трубок 15, в направлении потока линии подачи 6 перед каждой трубкой 15 расположен запорный вентиль 34.
Чтобы иметь возможность увеличивать внутреннее давление в трубке 15 или в нескольких трубках 15, в частности независимо от других трубок 15, после каждой трубки 15 в направлении потока суспензии 4 установлен дополнительный запорный вентиль 35. Посредством закрытия вентиля 35 можно перекрыть выход суспензии из трубки 15 через линию выведения 7, проходящую внутри приемного пространства 9. За счет этого суспензия 4 может выходить в приемное пространство 9 через поры в стенке трубки. Поскольку трубка 15 предпочтительно выполнена с возможностью растягивания, посредством увеличения давления внутри трубки 15 может быть достигнуто увеличение пор в стенке трубки. Биореактор 3 имеет дополнительную линию выведения 7, через которую, в случае перекрытия первой линии выведения 7, можно выгрузить суспензию 4 из приемного пространства 9.
Аэрационное устройство 8 имеет аэрационную пластину 19, которая расположена на дне 18 реакционного сосуда 5 биореактора 1, 2, 3. Аэрационная пластина 19 через линию подачи газа 16, в частности через основную линию подачи газа 26, соединена с компрессором 17. Аэрационная пластина 19 имеет множество равномерно распределенных аэрационных отверстий 20, через которые кислород может поступать в суспензию 4.
Каждый биореактор 1, 2, 3 имеет насосное устройство 21, которое, в частности, может быть выполнено в виде центробежного насоса или циркуляционного насоса. С помощью насосного устройства 21 можно перекачивать суспензию 4 через линию подачи 6 в реакционный сосуд 5 и откачивать ее из реакционного сосуда 5 через линию выведения 7.
Таким образом, биореактор 1, 2, 3 имеет циркуляционный контур суспензии 29, состоящий из линий подачи 6, линий выведения 7 и реакционного сосуда 5, в котором суспензия 4 может циркулировать с помощью насосного устройства 21. Насосное устройство 21 установлено таким образом, что направление потока суспензии внутри реакционного сосуда 5 и/или внутри линий биореактора 1, 2, 3 можно изменять на противоположное. В комбинации с несколькими запорными вентилями 30, 31, 34, 35 может устанавливаться направление потока внутри реакционного сосуда 5 и варьироваться.
От линии подачи 6, например, как показано на фиг. 1-3, может ответвляться байпасная линия подачи 32, которая открывается в приемное пространство 9 реакционного сосуда 5. Если изменяется направление потока суспензии, одна линия подачи 6 из множества линий подачи 6 может быть преобразована в линию выведения 7 и/или байпасная линия подачи 32 может быть преобразована в линию выведения 7. Функция соответствующей линии, таким образом, зависит от направления потока суспензии 4, которое предварительно определено посредством насосного устройства 21. В целом, однако, можно сказать, что линии подачи 6 открываются в приемное пространство 9 реакционного сосуда 5 выше или по меньшей мере на той же высоте, что и линии выведения 7. За счет этого может быть достигнута лучшая циркуляция суспензии в реакционном сосуде 5.
Для того чтобы можно было легко извлекать элемент-носитель 10 из приемного пространства 9, биореактор 1,2,3 имеет отверстие 23 на верхней стороне реакционного сосуда 5. Посредством закрывающего элемента 24, выполненного в виде крышки, данное отверстие 23 может быть закрыто с обеспечением непроницаемости для жидкости и/или устойчивости к давлению, во время того как биореактор 1, 2, 3 находится в эксплуатации.
Биореактор 1 имеет в верхней трети приемного пространства 9 разделительный элемент 36, с помощью которого суспензия 4 может быть разделена на несколько отдельных потоков. В результате этого, с одной стороны, твердые частицы, прилипшие друг к другу, могут быть разделены, а, с другой стороны, может быть достигнута дополнительная аэрация суспензии. Разделительный элемент 36 может быть выполнен, например, в виде разделительной пластины. Кроме того, указанный разделительный элемент 36 также можно комбинировать с другими вариантами осуществления по фиг. 2 и 3 или с признаками из формулы изобретения.
Биореактор 1, 2, 3 также имеет нагревательное устройство 22, с помощью которого приемное пространство 9 и/или содержащуюся в нем суспензию 4 можно нагревать до желаемой температуры.
Как можно видеть на фиг. 3, может быть предусмотрено, что в байпасной газовой линии 25 расположен запорный вентиль 33. Посредством которого можно прекратить введение кислорода в приемное пространство 9 реакционного сосуда 5, однако в то же время аэрация может осуществляться через аэрационную пластину 19.
Для получения биопленки 12 из по меньшей мере частично аммонизирующих и/или нитрифицирующих бактерий получают суспензию органического инокулянта в форме частиц с водой. В качестве инокулянта могут выступать экскременты червей или червекомпост. Другие возможные инокуляционные материалы уже были ранее подробно описаны. В основном можно сказать, что в качестве инокулянта пригодны в принципе все органические вещества, которые содержат протеолитические почвенные бактерии.
Для оптимального формирования биопленки инокулянт посредством циркуляции и перемешивания путем продувки воздухом приводят в контакт с материалом-носителем 10. Органический инокуляционный материал имеет повышенную концентрацию почвенных бактерий, слизи и других белковых веществ, а также неорганических минералов, которые загрязнены мертвым бактериальным материалом. Указанные ингредиенты, с одной стороны, поддерживают прикрепление содержащихся бактерий на элементе-носителе 10, и, следовательно, образование биопленки. И кроме того, они также служат питательными веществами для бактерий. Поэтому формируется элемент-носитель 10 с разнообразной, качественно и количественно изменяемой и модифицируемой бактериальной культурой, состоящей из множества почвенных бактерий, включая аммифицирующие и нитрифицирующие бактерии.
После образования биопленки 12 на элементе-носителе 10 из первого реакционного сосуда 5 может быть извлечен материал-носитель 10 и перенесен в дополнительный реакционный сосуд 5. Затем при помощи биопленки может быть проведено преобразование органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор. Однако также может быть целесообразным, что стадию затравки и стадию инкубации проводят в одном и том же реакционном сосуде 5. При этом рекомендуется удалять инокуляционный материал из реакционного сосуда 5 перед добавлением органических остатков и/или отходов.
Настоящее изобретение относится также к биореактору 1, 2, 3 и его применению для преобразования органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор с долей доступного для растений минерализованного азота по меньшей мере 10%, в пересчете на общее содержание азота в питательном растворе, с реакционным сосудом 5, причем реакционный сосуд 5 имеет линию подачи 6, выполненную с возможностью введения через нее суспензии 4 в реакционный сосуд 5, и причем реакционный сосуд 5 имеет линию выведения 7, выполненную с возможностью выгрузки через нее суспензии 4 из реакционного сосуда, и с аэра-ционным устройством 8 для аэрации суспензии 4 и/или элемента-носителя 10, расположенного внутри реакционного сосуда 5, причем элементноситель 10 имеет по меньшей мере одну внутреннюю и одну внешнюю засеваемую поверхность 11, на каждой из которых могут поселиться аммонифицирующие и/или нитрифицирующие бактерии в биопленке 12.
Перечень позиций на чертежах
1,2,3 Биореактор
4 Суспензия
5 Реакционный сосуд
6 Линия подачи
7 Линия выведения
8 Аэрационное устройство
9 Приемное пространство
10 Элемент-носитель
11 Засеваемая поверхность
12 Биопленка
13 Стружка
14 Гранулят
15 Трубка
16 Линия подачи газа
17 Компрессор
18 Дно реакционного сосуда
19 Аэрационная пластина
20 Аэрационные отверстия
21 Насосное устройство
22 Нагревательное устройство
23 Отверстие
24 Закрывающий элемент
25 Байпасная газовая линия
26 Основная газовая линия
27 Сборный элемент
28 Дополнительное аэрационное устройство
29 Циркуляционный контур суспензии
30 Запорный вентиль
31 Запорный вентиль
32 Байпасная линия подачи
33 Запорный вентиль (воздух)
34 Запорный вентиль в реакционном сосуде
35 Запорный вентиль в реакционном сосуде
36 Разделяющий элемент
Реферат
Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложены биореактор для преобразования органических остатков и/или отходов в органический питательный раствор, способ получения органического питательного раствора, способ получения субстратного материала для культивирования растений, органический питательный раствор, применение субстратного материала для культивирования растений (варианты) и набор из биореактора и инокулянта для затравливания элемента-носителя и формирования биопленки. Биореактор содержит реакционный сосуд с имеющим засеваемую поверхность элементом-носителем для формирования биопленки, аэрационное устройство, где элемент-носитель выполнен с возможностью омывания и/или промывания введенной суспензией и введенным кислородом. Способы включают затравливание элемента-носителя инокулянтом, формирование биопленки, введение кислорода в реакционный сосуд и/или в элемент-носитель. Раствор имеет долю доступного для растений минерализованного азота по меньшей мере 25% в пересчете на общее содержание азота. Изобретения обеспечивают получение органического питательного раствора из органических остатков и/или отходов с долей доступного для растений азота выше, чем в ранее доступном органическом удобрении. 8 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 пр.
