EA016601B1 - Способ получения почв и почвенных субстратов - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к способу получения стабильных обогащенных гумусом и питательными веществами, а также аккумулирующих воду почвенных субстратов со свойствами антропогенных почвенных форм (Terra Preta), в котором пирогенный углерод, органическую биомассу и/или природные минеральные вещества вводят как сырье в процесс ферментации. Почвы, полученные или обработанные согласно изобретению, приводят к долговременному высокому плодородию, так что для хозяйственного использования больше не требуется внесения минеральных удобрений. Кроме того, почвы подходят как заменители почвы, как питательные добавки в почву, для озеленения поселений, для защиты от эрозии, для улучшения регионального водного баланса, для предотвращения наводнений, для защиты климата, для снижения уровня диоксида углерода в атмосфере, для очистки и кондиционирования сточных вод, для очистки отработанного воздуха и очистки воздуха в зданиях, для создания кругооборота материальных потоков из биологических отходов и/или сточных вод для развития и утилизации в системах землепользования и поселений.

Description

Настоящее изобретение относится к способу получения обогащенных гумусом и питательными веществами, а также аккумулирующих воду почв или почвенных субстратов со свойствами антропогенных типов почвы (Тегга Рте1а) для длительного применения в системах землепользования и в поселениях. В этом способе пирогенный углерод и органическую биомассу подвергают процессу ферментации.

Область техники

Настоящее изобретение относится к области получения и улучшения почв для длительного применения в системах землепользования и поселений.

Уровень техники

Различные первобытные народы и высокоразвитые культуры индейцев уже тысячи лет назад были способны превращать бесплодные и бедные питательными веществами почвы в чрезвычайно производительные, плодородные почвы, как, например, индейские черноземы (называемые индейцами также Тегга рте!а).

Чтобы сегодня выращивать на бесплодных почвах растительные культуры, некоторые нецивилизованные народы занимаются корчеванием, при котором зола сожженных деревьев действует в качестве удобрения. Таким путем можно возделывать поля всего в течение нескольких лет.

Секрет индейского чернозема (Тегга Рте1а) заключается в его составе и получении. Исторические исследования и научный анализ дали, что ранние первобытные народы превращали древесину в древесный уголь трудоемким и недоступным в настоящее время способом. В отличие от золы, древесный уголь не удобряет, а связывает воду и питательные вещества в почве. Поэтому почвы, удобренные золой, уже через короткое время больше непригодны для возделывания, тогда как почвы с Тегга Рте1а в течение длительного периода времени обладают способностью удерживать воду и питательные вещества в почве и медленно отдавать ее растениям. Высокое содержание древесного угля в черноземе препятствует вымыванию дождем питательных веществ из почвы. Между тем, были открыты десятки тысяч таких естественных ареалов Тегга Рте1а, распределенных в различных частях света. Общим для них является то, что на этих черноземах растения растут существенно быстрее и приносят многократный урожай.

Тегга Рте1а можно назвать испытывающее влияние солнца на динамическое равновесие между органоминеральными почвенными коллоидами в симбиозе с одно- и многоклеточными живыми организмами почвы и высшими растениями, сельскохозяйственными животными и человеком.

До настоящего времени не удавалось создать похожую на черноземы антропогенную почвенную форму Тегга Рте1а искусственным путем. Способ получения этой антропогенной почвенной формы был бы желательным по разным причинам, например, чтобы создать по всему миру системы длительного землепользования, которые гарантируют обеспечение человека пищей на длительное время, чтобы регулировать местное водное хозяйство, очищать сточные воды и воздух и чтобы способствовать предотвращению наводнений и защите климата. Кроме того, проблема утилизации органических бытовых отходов, которые в настоящее время создают человеку существенные экологические проблемы, была бы решена в духе экологического и экономического кругооборота.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ получения почвенной формы, которая соответствует антропогенным черноземам с вышеописанными длительно действующими сохраняющими питательные вещества и воду свойствами или, по меньшей мере, очень близка к ним, а также чтобы описать возможности использования и применения этих искусственно созданных почвенных форм, которые могут привести к системам длительного землепользования или поселений.

Эта задача решена способом получения обогащенных гумусом и питательными веществами, а также аккумулирующих воду почвенных субстратов со свойствами антропогенных почвенных форм согласно п.1 формулы изобретения, к полученным этим способом почвам или почвенным субстратам и к их применению.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к способу получения обогащенных гумусом и питательными веществами, а также аккумулирующих воду почвенным субстратов со свойствами почв антропогенного типа, которые имеют высокое плодородие в течение длительного времени. Новая почвенная форма, полученная согласно изобретению, основана на способе, при котором пирогенный углерод и легко разлагаемая органическая биомасса как исходные материалы смешиваются либо в резервуарах, установке, на поверхности почвы, или в комбинации этих альтернатив и затем подвергаются процессу ферментации с помощью микроорганизмов.

В одном варианте осуществления можно перед или после процесса ферментации вводить природные минеральные вещества, например, в виде удобрения, извести, минеральных грунтов или других минеральных почвенных субстратов. В следующем варианте осуществления полученный таким образом почвенный субстрат преобразуется достаточно длительное время с помощью живых почвенных организмов, как черви, клещи и т.д., чтобы получить почву и/или почвенный субстрат, базирующийся на новых образованных комплексах глина-гумус.

Способом получения согласно изобретению, который основан на целенаправленном получении богатых питательными веществами и аккумулирующих воду комплексах глина-гумус и гумусе длительного срока действия, создается долговременно плодородный почвенный субстрат.

- 1 016601

Кроме того, настоящее изобретение относится к полученным способом по изобретению почве или почвенному субстрат со свойствами антропогенных почвенных форм (Тегга Рге1а).

Далее, изобретение относится к устройству для получения почвы или почвенных субстратов, которые обладают свойствами антропогенных почвенных форм (Тегга Рге1а).

Далее, изобретение относится к возможностям использования и применения, лишь которые в равной степени ведут к системам длительного землепользования и/или применения. Почва, полученная или обработанная согласно изобретению, приводит к высокой плодородности в течение длительного времени, так что для хозяйственного использования земельных площадей больше не требуется внесения минеральных удобрений. Кроме того, почва или почвенный субстрат подходят как заменители почвы, как питательные добавки в почву, для озеленения поселений, для защиты от эрозии, для улучшения регионального водного баланса, для предотвращения наводнений, для снижения уровня диоксида углерода в атмосфере (защита климата), для очистки и кондиционирования сточных вод, для очистки отработанного воздуха и кондиционирования воздуха в зданиях, для создания кругооборота материальных потоков из биологических отходов и/или отработанной воды для развития и утилизации в системах землепользования и системах поселений.

Описание изобретения

Исходными материалами для получения почвенной формы согласно изобретению являются пирогенный углерод и легко разлагаемая органическая биомасса.

Под термином пирогенный углерод понимаются углеродные структуры, которые образуются при сильном нагреве органического, предпочтительно лигнинсодержащего материала. Пирогенный углерод может находиться, например, в виде древесного угля, остатков на сите от просеивания древесного угля, в виде чернозема, древесной золы.

Изобретение относится также к подходящему выбору основных материалов и сырья для получения почвы по изобретению с желаемыми свойствами. Сюда относятся, например, органические бытовые отходы, органические отходы промышленности, промыслов, сельского и лесного хозяйства и садоводства, а также лигнинсодержащие материалы, которые в сочетании со способом по изобретению приводят к системе полного кругооборота. Далее, изобретение относится к разработке, концепции, планированию и преобразованию новых долговременных систем землепользования и поселений, которые стали возможными только благодаря технологии по изобретению.

Для обозначения различных продуктов и промежуточных продуктов почвенных форм согласно изобретению вводятся следующие названия. Образованный в первой фазе получения промежуточный продукт, который уже может применяться как почвенный субстрат, назовем Тегга Рге1а Ниташбабе ΙηίΙίαΐ. Тегга Рге1а Ниташбабе Ιηίΐίηΐ получают, смешивая исходные материалы (пирогенный углерод и органическую биомассу) и затем проводя ферментацию. При необходимости на этом этапе можно также добавлять природные минеральные вещества, как азот, фосфор, калий и т.д., например, в виде минерального грунта. Тегга Рте1а Нишашбабе Ιηίΐίηΐ уже может применяться как почвенный субстрат для заменителей почвы, для улучшения почвы или для добавления в почву.

Дальнейшая обработка полученной таким образом Тегга Рге1а Нишашбабе 1шба1 ведет к следующей почвенной форме, которую назовем Тегга Рге1а Нишашбабе ΑΡίίν. При этом упомянутая ранее Тегга Рге1а Нишашбабе Ιηίΐίηΐ обрабатывается дальше живыми почвенными организмами, как, например, черви и клещи. Это может происходить либо в отдельных установках, резервуарах, либо прямо на обрабатываемом для улучшения почвы открытом грунте. В последнем случае можно также проводить обработку путем внедрения природных живых почвенных организмов (например, дождевых червей). Через определенный период времени под действием живых почвенных организмов из Тегга Рге1а Нишашбабе ΑΚίίν образуется конечный продукт Тегга Рте1а Ниташбабе.

Сущность изобретения состоит в подаче пирогенного углерода на процесс ферментации, протекающий преимущественно анаэробно, в котором происходит ферментация органической биомассовой смеси микроорганизмами (например, бактериями, грибками, грибковыми спорами, водорослями и т. д.) и отложение выделяющихся питательных веществ и минералов в структуре пирогенного углерода.

Под термином ферментирование или ферментация в рамках изобретения понимается превращение биологических, в частности, органических материалов с помощью микроорганизмов (бактерий, грибков или клеточных культур). Но ферментация может проводиться также путем добавки метаболически активных ферментов или других биологически активных молекул (как, например, питательные субстраты микроорганизмов). Ферментация может включать как аэробные процессы (например, уксуснокислое брожение), так и анаэробные процессы (например, молочно-кислое брожение).

Процесс ферментации может идти либо в резервуарах, установках либо сразу на открытой поверхности. Процесс ферментации может протекать спонтанно с естественно присутствующими в биомассе микроорганизмами. Альтернативно для контролируемого управления процессом и для получения Тегга Рге1а Ниташбабе Ιηίΐίηΐ можно добавлять микроорганизмы или смеси различных микроорганизмов (например, бактерии, грибки, клеточные культуры) в качестве исходной культуры.

Благодаря проводимому без доступа воздуха процессу ферментации образуются обогащенные гумусом и питательными веществами, а также аккумулирующие воду комплексы глина-гумус, которые

- 2 016601 имеют свойства, сравнимые со свойствами природной Тегга Рге1а. Полученные так богатые питательными веществами, а также аккумулирующие воду комплексы глина-гумус являются химически и биологически стабильными и служат как долговременные хранители углерода со способностью надолго связывать питательные вещества и воду.

Пирогенный углерод можно вводить, например, в виде древесного угля или его остатка на сите, древесной золы и т.д. и/или получать процессом пиролиза в мобильной или стационарной пиролизной установке преимущественно из богатых лигнином органических материалов, таких, как дерево, стебли растений, фруктовые косточки, ореховая скорлупа и т.д., или кости. Кости имеют то преимущество, что они особо богаты фосфором.

Предпочтительно процесс пиролиза проводится без допуска кислорода при температуре примерно от 100 до 1000°С. Однако специалист понимает, как подогнать соответствующие условия пиролиза к реальным условиям, как тип пиролизной установки, давление окружающей среды, количество, вид и свойства сырья для пиролиза и т.д.

Для получения пирогенного углерода в одном предпочтительном варианте осуществления материал для пиролиза сначала можно разрезать или измельчить и спрессовать в брикет. Преимуществом этого является то, что процесс пиролиза лучше контролируется, и образуется однородный продукт пиролиза, что способствует последующей ферментации. Иначе для получения пирогенного углерода нужно было бы сначала разделять материал для пиролиза в соответствии со свойствами (например, на кору, траву, древесину, кости и т.д.), прежде чем подавать его на соответствующий процесс пиролиза.

Наряду с пирогенным углеродом, в процессе пиролиза образуются другие полезные продукты, такие, как масла, древесная смола или газ, которые можно использовать, например, для получения тока, тепла и/или холода. Таким образом, эти побочные продукты применимы для рационального использования (например, для получения энергии) и в духе изобретения применимы для систем долговременного землепользования и поселений.

Образующийся при пиролизе теплый воздух или газ в одной предпочтительной форме осуществления изобретения применяется для оптимизации процесса ферментации. Возникающее при пиролизе горячее отходящее тепло при необходимости можно охладить для температуры, требующейся для процесса ферментации (30-40°С).

В отходящих газах пиролиза содержатся, кроме того, аммиак, диоксид углерода и вода, которые при проведении через еще горячий пирогенный углерод в его порах превращаются в твердый бикарбонат аммония (углекислый аммоний). Этот побочный продукт можно, в свою очередь, использовать в духе изобретения как удобрение длительного действия. Следующий положительный аспект для проведения этих газов через еще горячий пирогенный углерод следует усматривать в том, что отходящие газы пиролиза очищаются. Тем самым можно естественным путем удалить, возможно, образующиеся вредные вещества благодаря самому процессу пиролиза.

В предпочтительном способе пиролиза для получения пирогенного углерода тонкоизмельченную древесину (также с листовой массой) собирают в бурт, уплотняют, проливают водой и герметизируют, по существу, воздухонепроницаемо, например, землей. Альтернативно можно осуществить способ также в силосной траншее или в специальных резервуарах. Через некоторое время создается эффект термического вымачивания, при котором внутри возникают температуры до 80°С. В качестве основного продукта образуется пирогенный углерод, который можно подавать на процесс ферментации согласно изобретению. В процессе пиролиза можно, кроме того, с помощью простого теплообменника получить горячую воду с температурой примерно 60°С. Кроме того, образуется легкий газ, который можно использовать для получения энергии.

Помимо пиролиза, специалисту известны также другие способы получения пирогенного углерода. Как пример можно назвать способ гидротермической карбонизации.

Полученный различными способами пирогенный углерод имеет внутримолекулярную углеродную структуру, на которую можно повлиять, например, условиями пиролиза. Этим можно подогнать свойства используемого для способа по изобретению пирогенного углерода так, чтобы он имел высокую способность аккумулировать питательные вещества и воду.

Следующие полезные, согласно изобретению, модификации являются составной частью предпочтительных вариантов осуществления. Например, в одном предпочтительном варианте осуществления пирогенный углерод перед применением согласно изобретению измельчают и/или просеивают и гомогенизируют с органической биомассой. Кроме того, пирогенный углерод можно соединить с мочой, и/или раствором мочевины, и/или другими содержащими мочевину растворами, чтобы предоставить азот и фосфор, так что положительные свойства усиливаются.

Используемая при получении легко разлагаемая органическая биомасса состоит предпочтительно из зеленых растений и их остатков, органических бытовых отходов, органических отходов промышленности, промыслов, лесного и сельского хозяйства, садоводства, таких как биомусор, пищевые отходы, скошенная трава, фекалии животных или человека, навозная жижа или остатки от ферментации с биогазовых установок, или прочие органические материалы.

При этом, имея в виду долговременное землепользование, нужно избегать внесения тяжелых ме

- 3 016601 таллов и токсичных веществ. Крупную органическую биомассу можно перед процессом получения Тегга Рге1а Ниташбабе измельчить, и/или просеять, и/или гомогенизировать с пирогенным углеродом.

Необходимые для получения природные минеральные вещества можно подавать, например, в виде минерального грунта или минеральных почвенных субстратов либо уже в фазе получения Тегга Рте!а Ниташбабе 1шба1, либо только в фазе нанесения Тегга Рте!а Ниташбабе ΑΚίίν на поверхность почвы.

Минеральный грунт либо смешивают с органической биомассой и пирогенным углеродом в резервуаре или установке перед или после ферментации, либо наносят сразу на обрабатываемую поверхность, либо он уже находится на обрабатываемой почве. Во избежание транспортных расходов и/или вредных для окружающей среды последствий перевозки, предпочтительно использовать природные минеральные грунты из окрестности места получения и/или места применения.

Природные минеральные вещества (например, азот, фосфор, калий) могут подаваться как удобрения, известь или в виде минерального грунта или других минеральных почвенных субстратов (например, глинистые субстраты).

Если подача природных минеральных веществ проводится уже в фазе получения Тегга Рте!а Ниташбабе 1пб11а1, для этого может потребоваться измельчение и/или просеивание минерального грунта. Возможно также смешение с другими минеральными грунтами.

Как упоминалось ранее, в первой фазе получения Тегга Рте!а Ниташбабе образуется промежуточный продукт Тегга Рте!а Ниташбабе Ιηίΐίηΐ. которая уже может применяться как почвенный субстрат. Это происходит предпочтительно через смешение исходных материалов (пирогенный углерод и легко разлагаемая органическая биомасса, при необходимости природные минеральные вещества или минеральный грунт, или минеральные почвенные субстраты) при подходящем соотношении между компонентами смеси и через последующее инициирование процесса ферментации. Количество минерального грунта некритично. Правда, питательные вещества не должны превышать определенную концентрацию, чтобы не вызвать каких-либо вредных эффектов.

Подходящее соотношение между компонентами смеси исходных материалов рассчитывается на содержание углерода, воды, питательных веществ, а также по значению рН, в зависимости от состава имеющихся на месте исходных материалов.

Предпочтительно, исходными материалами являются:

пирогенный углерод, который используется в сырье в количестве по меньшей мере 5%, а органическая биомасса - в количестве по меньшей мере 50%. Предпочтительное соотношение находится в области от 10 до 20% пирогенного углерода и от 80 до 90% органической биомассы. Количество минеральных веществ добавляется по потребности и в зависимости от формы применения почвы и почвенного субстрата по изобретению.

Параметры Тегга Рте!а Ниташбабе предпочтительно должны лежать в следующем диапазоне: плотность: 1,3-1,4 г/см³ влагосодержание: около 25% содержание почвенного воздуха: около 20% отмучиваемые частицы (меньше 0,2 мм): мин. 500 г/кг органический углерод: около 40 г/кг, из них мин. 15 г/кг пирогенного углерода значение рН (Н₂О): примерно 5,5-6,5 азот: мин. 2 г/кг фосфор: мин. 2 г/кг отношение С:Ы: около 15 катионообменная емкость: 150 ммоль_к/кг

Минеральные вещества в этом примере были смешаны уже с сырьем. В следующей форме осуществления природный минеральный грунт или природные минеральные вещества можно добавлять также позже и/или подавать в ходе процесса почвообразования (т.е. при образовании Тегга Рте!а Ниташбабе из Тегга Рте!а Ниташбабе ΑΚίίν).

Согласно изобретению процесс ферментации может проводиться в резервуарах, бункерах, ящиках, буртах, углублениях в грунте и т. д., которые могут состоять из различных материалов, таких как бетон, сталь, специальная сталь, пластмасса, глина, суглинок, керамика и т.д.

Другой вариант осуществления согласно изобретению состоит в поверхностной ферментации, причем исходные материалы покрывают синтетическими листами, пленкой и/или минеральным уплотнителем, по возможности воздухонепроницаемо. Для надежного осуществления процесса ферментации добиваются почти анаэробных окружающих условий.

Для изобретения интерес представляет предпочтительно молочно-кислое брожение, при котором сахар из биомассы с помощью микроорганизмов превращается в молочную кислоту. Для молочнокислого брожения предпочтительно применяются гомоферментативные бактерии, гетероферментативные бактерии, бифидобактерии или комбинации различных ферментативных штаммов. В результате брожения значение рН снижается до 4. Добавлением минерального грунта или извести после процесса ферментации можно снова нейтрализовать рН в почвенном субстрате. Таким образом, минеральный грунт или известь имеют двойную функцию: с одной стороны, они служат как поставщик минеральных

- 4 016601 веществ, а с другой стороны, как буферная система для рН.

Для надежного осуществления желательного согласно изобретению процесса ферментации можно, в зависимости от исходных материалов, добавлять биологическую исходную культуру, состоящую предпочтительно из повсеместно распространенных микроорганизмов, и/или из уже полученной Тегга Рге1а Нцпаашбабе, и/или из биомассы, уже подвергшейся процессу молочно-кислого брожения.

Примешивание биологических исходных культур может проводиться вручную и/или автоматизировано уже при смешении исходных материалов, и/или только при введении в установку ферментации, и/или только в установке ферментации.

Ферментация проводится при температуре предпочтительно от 30 до 40°С. В качестве источника тепла в духе длительной цепочки создания стоимости можно привлекать имеющуюся на месте избыточную теплоту, какая образуется, например, в процессе пиролиза, в процессах сбраживания в биогазовых установках, при компостировании и/или при работе теплоэнергоцентралей. Путем управляемой ферментации, в которой существенную роль играет молочно-кислое брожение и/или другие бактериальные и/или грибковые разложения структуры, легко преобразуемые органические исходные материалы консервируются и стабилизируются от разложения микробами.

Согласно изобретению, предпочтительная продолжительность ферментации составляет от двух до шести недель.

В результате процесса ферментации (например, молочно-кислого брожения) значение рН опускается в область кислотных значений, т.е. до рН 4. Это снижение рН выгодным образом приводит к гибели патогенных микроорганизмом, благодаря чему получается не содержащий патогенных организмов почвенный субстрат. Повышение значения рН проводится после процесса ферментации путем добавления минерального грунта или извести, из-за чего достигается нейтрализация до оптимального значения рН 56,5.

Полученную так Тегга Рге1а Нигаашбабе Ιηίΐίηΐ можно хранить длительное время при низких температурах без существенного изменения ее структуры.

В последующей, предпочтительной второй фазе получения Тегга Рге1а Нишашбабе из вышеописанной Тегга Рге!а Нишашбабе Ιηίΐίηΐ получают Тегга Рге1а Нишашбабе ΛΚΐίν. Это предпочтительно осуществляется путем введения и/или внедрения живых почвенных организмов, как дождевые черви, компостные черви, жуки, клещи. Этот процесс может иметь место как в резервуарах или установках ферментации, в которых до этого была получена Тегга Рге1а Нишашбабе Ιηίΐίηΐ. или в специальных емкостях или установках, а также на открытых земельных площадях.

Из-за активности этих высших живых почвенных организмов образуются стабильные комплексы глина-гумус, а также симбиозы микро- и макроорганизмов. Вследствие этого происходит значительная органическая фиксация растительных питательных веществ и образование сложных физических и химических буферных систем. Тем самым предотвращаются потери газообразных и жидких питательных веществ, и углерод аккумулируется в высокой степени. Возникает исходный субстрат с оптимальными жизненными условиями для высших растений.

Предпочтительно, процесс осуществляется так, чтобы высшие живые почвенные организмы могли оптимально развиваться, например, путем регулирования влажности и температуры.

Согласно изобретению, целесообразно также подмешивание извести, например, водорослевого известняка, чтобы оптимизировать процессы почвообразования.

В зависимости от условий процесса получение Тегга Рге1а Нишашбабе ΑΚΠν длится от трех месяцев до года.

Если по прошествии этого времени процессы почвообразования Тегга Рге1а Нишашбабе ΑΚΠν существенно продвинулись, можно исходить из того, что теперь образовалась Тегга Рге1а Нишашбабе. Особым свойством Тегга Рге1а Нишашбабе является то, что она при внесении органической биомассы растет дальше, т. е. что углеродные соединения и минеральные вещества биомассы стабильно и в течение длительного времени связаны в структуре почвы.

В отношении проведения способа по изобретению изобретение относится, кроме того, к стационарному или мобильному устройству, с которым можно получить почву согласно изобретению, при желании непосредственно на месте.

Устройство по изобретению содержит установку ферментации, в которой с помощью микроорганизмов протекает ферментация биомассы. Установка ферментации может быть как работающей стационарно, так и передвижной. Возможна также модульная конструкция установки ферментации для различных фаз получения.

Установки ферментации предпочтительно содержат устройства, такие как дренажи, напольные сливы, отверстия и т.д., так что можно гарантировать контролируемый выпуск жидкости и газа. Кроме того, установки ферментации согласно изобретению могут иметь устройства, которые в ходе процесса обеспечивают регулируемо постоянные температуры. Автоматическое управление процессом ферментации может осуществляться через измерительные датчики, которые регистрируют, например, температуру, значение рН, содержание диоксида углерода, содержание метана и/или содержание сероводорода.

Кроме того, в одном предпочтительном варианте осуществления устройство включает пиролизную

- 5 016601 установку для получения пирогенного углерода, в которой происходит термическое отщепление химических соединений от богатого лигнином органического материала в бескислородных условиях, т.е. при почти анаэробных соотношениях.

Перед пиролизной установкой может быть размещена установка измельчения и прессования, чтобы из различного богатого лигнином материала получать брикеты. Кроме того, установка может включать устройство просеивания, например барабанное сито.

Кроме того, установка ферментации по изобретению включает устройства, которые позволяют подавать образующееся в установке ферментации отходящее тепло для оптимизации процесса ферментации.

Полученная согласно изобретению Тегга Рте1а Ниташбабе ведет к повышению плодородия почвы в течение более длительного времени, чего нельзя достичь в такой степени, например, при проводимом до сих пор добавлении в почву золы, древесного угля, компоста, навозной жижи, помета, остатков брожения, гумуса и/или искусственных удобрений.

Благодаря отложению органических веществ в структурах пирогенного углерода Тегга Рте1а Ниташбабе согласно изобретению со своей высокой поверхностью и низкой склонностью к деструкции действует как долговременный аккумулятор и буферная система в почве. Кроме того, предотвращается быстрая минерализация хранящихся органических и питательных веществ.

Тегга Рте1а Ниташбабе согласно изобретению отличается стабильной биологической микросистемой, при которой биологические, физические и химические процессы долгое время находятся в равновесии. Поэтому она подходит для систем землепользования в засушливых и влажных условиях. Благодаря применению мобильной пиролизной печи и последующего процесса ферментации получение комплексов глина-гумус согласно изобретению возможно практически в любом месте земли. Биомасса, которую до сих пор только сжигали или ликвидировали как отходы (например, скошенная трава, навозная жижа, фекалии, биоотходы городов), может найти хозяйственное применение.

Кроме того, созданные искусственно в соответствии с изобретением комплексы глина-гумус при применении на больших площадях могут играть значительную роль в защите климата. Растения для своего роста расходуют растворенный в атмосфере диоксид углерода, который они берут из воздуха. Если превращать богатую лигнином массу в уголь и вводить полученный так пирогенный углерод после проведенной ферментации в землю, то у атмосферы на долгий срок отнимается диоксид углерода. Это совершается также путем консервации биомассы в результате процесса ферментации и последующего отложения в виде гумуса длительного действия.

Благодаря существенно более высокой урожайности с единицы площади комплексов глина-гумус по изобретению можно, кроме того, снизить существенные для климата выделения парниковых газов: метана и закиси азота, из сельскохозяйственных площадей. Открываются совершенно новые перспективы экологического земледелия и разработки кругооборота питательных веществ в чрезвычайно уплотненном мировом пространстве.

Предпочтительные варианты использования и применения изобретения

Для предпочтительных согласно изобретению вариантов использования и применения Тегга Рте1а Ниташбабе, а также промежуточных продуктов Тегга Рте1а Ниташбабе Ιηίΐίηΐ и Тегга Рте1а Ниташбабе Акбу имеется множество возможностей и вариантов.

В одном предпочтительном варианте продукты согласно изобретению можно наносить непосредственно на землю или поверхность будущего применения и/или вносить в них, и/или засыпать в насыпи. Если получение Тегга Рте1а Ниташбабе ΙηίΙίηΙ и/или Тегга Рте1а Ниташбабе Акбу имело место уже на поверхности и/или на почве, можно отказаться от нанесения или заделки.

Один вариант использования согласно изобретению для этого назначения состоит в долговременном улучшении плодородия почвы, например, для повышения садово-огородного, и/или сельскохозяйственного, и/или лесохозяйственного производства, и/или в отказе от искусственного удобрения почвы. Тем самым, если смотреть глобально, возможно, например, существенное повышение производства продуктов питания, что, опять же, могло бы внести вклад во всемирную борьбу с голодом. Повышение продуктивности на единицу площади лесо- и сельскохозяйственных земель дало бы, кроме того, новые возможности для возобновляемой энергии, например, через производство растений, использующиеся для получения энергии, или через аккумулирование энергии зелеными растениями.

Следующим предпочтительным вариантом применения согласно изобретению является внесение Тегга Рте1а Ниташбабе, Тегга Рте1а Ниташбабе 1шба1 и/или Тегга Рте1а Ниташбабе Акбу на клумбы, в горшки для растений, резервуары, атриумы, зимние сады, теплицы и т.д., например, для озеленения внутренних помещений, озеленения поселений и зданий, для возделывания технических культур и декоративного цветоводства и т. д. Благодаря этому создаются совершенные новые возможности, например, для архитектуры и/или городского планирования для оформления и моделей кругооборота. Бытовые отходы, как биомусор, сточные воды, фекалии и т.д. с помощью технологии по изобретению можно объединить в небольшие циклы кругооборота и способствовать озеленению, производству продуктов питания и т. д.

Следующий вариант использования согласно изобретению состоит в обогащении гумуса и стабили

- 6 016601 зации почв, например, в засушливых или влажных территорий для защиты от эрозии и/или для запасания воды.

Следующий вариант использования согласно изобретению состоит в улучшении почв в степных и/или пустынных регионах для создания плотин и/или для восстановления зон степей и пустынь. Путем целенаправленной рекультивации таких площадей с подходящими для данного места растениями можно, опять же, повысить производство продуктов питания или растений, использующихся для получения энергии.

Следующий вариант использования согласно изобретению состоит в улучшении способности почвы аккумулировать воду и, тем самым, в улучшении регионального водного баланса и в предупреждении наводнений. Существенная часть пахотных земель в мире из-за недостаточного содержания гумуса неспособна впитывать или сохранять большие количества дождевой воды, так что она относительно быстро стекает в ручьи, реки и озера и может там в известных условиях привести к наводнению. Одновременно эта вода отсутствует в региональном водном балансе. Согласно изобретению Тегга Ргс1а Ниташйайе, и/или Тегга Рге1а Ниташйайе ΙηίΙίαΙ. и/или Тегга Рге1а Ниташйайе ΑΚίίν способны поглощать или хранить до 200 л/м³ жидкости. Таким образом, например, обработанные Тегга Рте!а Ниташйайе пахотные земли могут впитывать и временно хранить большие количества осадков. В этом случае аккумулированная вода будет лишь медленно отдаваться растениям или в грунтовые воды, что выравнивает региональный водный баланс и одновременно означает предотвращение наводнений.

Следующий вариант применения согласно изобретению состоит в целенаправленном вкладе в защиту климата. Это происходит уже просто благодаря применению изобретения для покрытия площадей, так как углеродные соединения из биомассы хранятся в почве в высокой степени стабильно и, следовательно, не отдаются в атмосферу как диоксид углерода, как это имеет место, например, при аэробных процессах разложения. В частности, в сельском хозяйстве при вывозе навозной жижи из мест содержание скота и/или остатков сбраживания с биогазовых установок возникает существенное выделение вредных для климата метана и закиси азота. Путем целенаправленного применения изобретения, например, при использовании этой сельскохозяйственной биомассы для получения продуктов по изобретению и/или путем внесения этой биомассы на обработанные Тегга Рте!а Ниташйайе пахотные площади можно заметно сократить выделение вредных для климата метана и закиси азота.

Следующий вариант использования согласно изобретению заключается в применении в области очистки и кондиционирования загрязненной воды. При этом в одном предпочтительном применении можно поверхности, обработанные Тегга Рте!а Ниташйайе, наполнить грязной водой бытового, коммунального, промышленного и/или сельскохозяйственного происхождения. Повышенная благодаря применению по изобретению аккумулирующая способность поверхности ведет к стабильному хранению углеродных соединений и питательных веществ, а также к накоплению воды. Таким образом, эти поверхности, с одной стороны, прекрасно подходят для возделывания питающихся водой технических культур, например, как плантации для растений, используемых для производства энергии, с камышом и/или с мискантусом, и, с другой стороны, ценные углеродные фракции и питательные вещества из грязной воды используются рационально и до исчерпания, тогда как при традиционной очистке они уничтожаются при затрате энергии.

Следующий вариант использования согласно изобретению состоит в применении в области очистки отходящего воздуха и кондиционирования воздуха в зданиях. При этом в одном предпочтительном применении поверхности, обработанные Тегга Рте1а Ниташйайе, и/или наполненные ею резервуары, клумбы, установки и т. д. могут использоваться для очистки отходящего воздуха и/или для кондиционирования воздуха в зданиях. В одном предпочтительном варианте осуществления воздух для очистки или кондиционирования проводится по распределительным устройствам через почвенный субстрат, при этом вовлекается икроорганизмами, грибками и т.д. в обмен веществ и при этом разлагается на одиночные молекулярные структуры. Они опять же стабильно откладываются в почвенном субстрате и находятся в услугам растений для снабжения гумусом и питательными веществами. Один новый вариант применения согласно изобретению заключается в целенаправленном использовании наполненных Тегга Рте1а Ниташйайе клумб, цветочных горшков, установок и т.д. внутри и/или снаружи зданий для кондиционирования воздуха в зданиях и одновременно для озеленения. При этом воздух зданий через такие устройства, как, например, вентиляторы, перемещается в распределительных устройствах через наполненные Тегга Рте1а Ниташйайе клумбы, цветочные горшки, установки и т.д., там очищается и кондиционируется и затем через поверхности и/или отверстия снова возвращается в здание.

Следующий вариант использования согласно изобретению состоит в применении в области создания кругооборота материальных потоков из биогенных отходов и/или сточных вод из различных технических объектов пользования, как особняки, здания, поселения, населенные пункты, города, лесное и сельское хозяйство, садоводство, промыслы и индустрия. С технологией по изобретению можно многочисленные биогенные отходы и/или сточные воды из соответствующих объектов пользования применять внутри этих объектов обработанными, очищенными, например, для улучшения почвы, получения продуктов питания, производства растений, использующихся для получения энергии, производства технических культур, для очистки воды и воздуха и т. д.

- 7 016601

При этом изобретение относится как к получению Тегга Рге1а Ниташбабе, Тегга Ргс1а Ниташбабе 1птйа1 и/или Тегга Рте1а Ниташбабе ΛΚΐίν с вышеописанными областями применения, так и в равной степени к удалению и одновременной утилизации бытовых отходов, сточных вод и т.д., которые часто могут приводить к существенному загрязнению окружающей среды.

Таким образом, изобретение относится также к выбору основных материалов для получения Тегга Рте1а Ниташбабе, Тегга Рте!а Ниташбабе 1шба1 и/или Тегга Рте1а Ниташбабе Λίτίν. например, органических отходов, сточных вод, остатков брожения, навозной жижи, скошенной травы, лигниносодержащих материалов, золы и т.д., которые в сочетании со способом по изобретению ведут к хозяйственной системе с полным кругооборотом.

К следующему варианту применения согласно изобретению относится разработка, концепция, планирование и преобразование новых долговременных систем землепользования и поселений, которые становятся возможными только благодаря технологии согласно изобретению.

Примеры

Следующие примеры иллюстрируют один вариант осуществления из описанных здесь различных вариантов осуществления. Изобретение ни в коей мере не ограничено этими примерами. Различные варианты осуществления и возможности использования выявляются из формулы изобретения.

Пример 1.

Измельченный и просеянный древесный уголь в качестве пирогенного углерода вводили в резервуар в отношении 1:4 вместе с заранее измельченной и гомогенизированной органической биомассой из пищевых отходов, скошенной травы, фекалий животных или человека. Затем проводили затравливание смеси смесью активных к ферментации микроорганизмов как исходной культурой. Резервуар накрывали и оставляли примерно на четыре недели, чтобы позволить идти процессу ферментации. Для дренажа почвы к резервуару был приделан сток, чтобы предотвратить омыление. По истечении срока ферментации к смеси добавляли минеральный грунт и снова инкубировали еще 4 недели. Полученный так почвенный субстрат паковали и складировали. Для удобрения почвенный субстрат наносили на поверхность почвы. Обработанная так поверхность оказалась исключительно богатой питательными веществами и по плодородию похожа на антропогенную почву, как Тегга Рте1а.

Пример 2.

Как пример 1, но в образованную в первой фазе получения Тегга Рте1а Ниташбабе Ιιάίηΐ сразу наносили на обрабатываемую поверхность почвы и смешивали с минеральным грунтом. Благодаря присутствию живых почвенных организмов, таких как дождевые черви и клещи, Тегга Рте1а Ниташбабе Ιηίΐίηΐ превращалась в Тегга Рте1а Ниташбабе Λίτίν. По истечении дополнительного времени преобразования в несколько недель получали, наконец, Тегга Рте1а Ниташбабе как конечный продукт.

Пример 3.

Как пример 2, однако проводилось внешнее добавление почвенных живых организмов в почву.

Пример 4.

Как пример 3, однако в Тегга Рте1а Ниташбабе Ιιάίηΐ в емкость добавляли живые почвенные организмы и инкубировали там с почвенным субстратом. Полученную так Тегга Рте1а Ниташбабе наносили как питательную добавку в почву на обрабатываемую поверхность земли.

Пример 5.

Измельченный и просеянный древесный уголь в качестве пирогенного углерода вместе с заранее измельченной органической биомассой из пищевых отходов, скошенной травы, фекалий животных или человека (в отношении 1:4), а также заранее просеянный минеральный грунт и смесь ферментативных микроорганизмов наносили на обрабатываемую бедную минеральными веществами поверхность почвы. Затем проводили поверхностную ферментацию в течение шести недель, накрывая поверхность пленкой для силосования, так что устанавливались почти анаэробные условия. По окончании срока ферментации пленку для силосования удаляли, наносили водорослевый известняк и заделывали в приповерхностный слой. Поверхность почвы укрывали землей и оставляли в покое на две недели, чтобы вызвать нейтрализацию значения рН почвы и внедрение природных живых организмов почвы, которые также способствуют достаточному перемешиванию, так что никакого дополнительного перемешивания больше не требовалось. Примерно через четыре недели почва была уже готова для засаживания.

Пример 6.

Как пример 5, только пирогенный углерод наносили с заранее измельченной органической биомассой сразу на минеральный грунт для поверхностной ферментации. Добавления дополнительных живых организмов почвы не требовалось.

Claims (19)

1. Способ получения стабильных обогащенных гумусом и питательными веществами, а также аккумулирующих воду почв и почвенных субстратов со свойствами антропогенных форм почвы (Тегга Рте1а), включающий следующие стадии:

(а) смешение измельченного и/или просеянного пирогенного углерода с предварительно измель

- 8 016601 ченной и гомогенизированной легкоразлагаемой органической биомассой, (b) затравливание смеси путем подмешивания исходной культуры из микроорганизмов для проведения анаэробной ферментации в форме молочно-кислого брожения, и/или уже приготовленных почвенных субстратов, и/или биомассы, подвергнутой процессу молочно-кислого брожения, (c) инкубация смеси без доступа воздуха для проведения молочно-кислого брожения при температуре предпочтительно от 30 до 40°С и при кислотном значении рН, причем во время процесса ферментации предусмотрен контролируемый дренаж почвы и удаление газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пирогенный углерод используют в количестве по меньшей мере 5%, а органическую биомассу - в количестве по меньшей мере 50%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение пирогенного углерода к органической биомассе составляет 1:4.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что почву/почвенный субстрат, полученные после технологического этапа (с), либо упаковывают и складируют, либо вводят в или наносят на обрабатываемую поверхность почвы.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что способ дополнительно включает стадию (б), на которой живые почвенные организмы, такие как дождевые черви, компостные черви, жуки, клещи и т.д., вводят или в смесь после молочно-кислого брожения в установку ферментации, и/или в специальные емкости и/или установки, и/или сразу вводят в или наносят на обрабатываемую почву, так что естественным образом присутствующие в почве живые почвенные организмы могут вызывать преобразование и дальнейшую переработку почвенного субстрата.

6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что к смеси, почве/почвенному субстрату или к обрабатываемой поверхности почвы подмешивают, вводят или наносят природные минеральные вещества, такие, например, как азот, фосфор, калий, минеральный грунт, как, например, удобрения или известь, или другие минеральные почвенные субстраты, как, например, глинистые субстраты.

7. Способ по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что пирогенный углерод вводят в виде древесного угля, остатков на сите после просеивания древесного угля, в виде чернозема, древесной золы или других пирогенных углеродных структур или их смесей.

8. Способ по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что пирогенный углерод получают пиролизом или процессом гидротермической карбонизации.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что отходящее тепло процесса пиролиза используют в процессе ферментации.

10. Способ по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что пирогенный углерод перед или на этапе (а) смешивают с мочой, и/или раствором мочевины, и/или с другими содержащими мочевину растворами.

11. Способ по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что в качестве легкоразлагаемой органической биомассы используют зеленые растительные остатки, органические бытовые отходы, органические отходы промышленности, промыслов, сельского и лесного хозяйства и садоводства, в частности биомусор, пищевые отходы, скошенную траву, фекалии животных и человека, навозную жижу или остатки ферментации с биогазовых установок или прочие органические биомассы.

12. Способ по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что способ или его отдельные стадии проводят в резервуарах, бункерах, ящиках, буртах, углублениях в грунте или в установке ферментации.

13. Способ по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что молочно-кислое брожение проводят как поверхностную ферментацию, при которой исходные материалы, такие как пирогенный углерод и органическая биомасса и при необходимости добавленный минеральный грунт герметизируют по возможности воздухонепроницаемо, чтобы достичь условий почти анаэробной среды.

14. Способ по одному из пп.1-13, отличающийся тем, что молочно-кислое брожение проводят в течение примерно от двух до шести недель.

15. Почва или почвенный субстрат со свойствами антропогенных почвенных форм (Тегга Рге1а), полученные способом по одному из пп.1-14.

16. Способ долговременного улучшения плодородия почвы, включающий нанесение, и/или введение, и/или засыпку почвы или почвенных субстратов со свойствами антропогенных почвенных форм (Тегга Рге!а) по п.15 в/на обрабатываемую поверхность или почву.

17. Применение почвы или почвенных субстратов со свойствами антропогенных почвенных форм (Тегга Рге1а) по п.15 в качестве заменителей почвы, питательных добавок в почву, для улучшения плодородия почвы, для озеленения поселений, для защиты от эрозии, для улучшения регионального водного хозяйства, для предотвращения наводнений, для защиты климата, для снижения уровня диоксида углерода в атмосфере, для очистки и обработки сточных вод, для очистки отработанного воздуха и очистки воздуха в помещениях, для создания кругооборота материальных потоков из биологических отходов и/или отработанной воды для развития и утилизации в системах землепользования и поселений.

18. Устройство для получения почвы или почвенных субстратов из стабильных обогащенных гумусом и питательными веществами, а также аккумулирующих воду комплексов глина-гумус со свойствами антропогенных почвенных форм (Тегга Рге1а), включающее установку ферментации для ферментации смеси пирогенного углерода, органической биомассы

- 9 016601 и/или природных минеральных веществ в присутствии микроорганизмов и/или живых почвенных организмов, причем установка ферментации включает устройства для контролированного выпуска жидкости и газа и/или для поддержания постоянной температуры;

пиролизную установку для получения пирогенного углерода из богатых лигнином материалов, таких как растительные остатки, тростник, кора, трава, листва, древесина, стебли растений, фруктовые косточки, ореховая скорлупа и т.д.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что пиролизная установка включает устройства, с помощью которых образованное в пиролизе отходящее тепло проводится на установку ферментации для оптимизации процесса ферментации.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2