Ученые ИТМО создали серию установок закрытого типа для аэробной ферментации органических отходов. Оборудование позволяет в 30-60 раз быстрее традиционных методов (например, компостирования) перерабатывать навоз, помет и пищевые остатки в безопасное органическое удобрение, подстилку для животных или кормовые добавки. При этом установка потребляет в десятки раз меньше энергии, чем зарубежные аналоги. Ферментатор вошел в три справочника наилучших доступных технологий (НДТ) Минпромторга и был представлен на международном форуме «Экология большого города».
Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
По экспертным оценкам, ежегодно в России образуется около 600 миллионов тонн побочных продуктов животноводства (ППЖ). При этом традиционное компостирование отходов в полевых условиях занимает от 3 до 12 месяцев и сопровождается значительными потерями питательных веществ: половина азота улетучивается в атмосферу, а фосфор вымывается в почву и грунтовые воды. Кроме того, в России ППЖ классифицируются как отходы 3-4 классов опасности, за выброс которых предприятия платят взносы за негативное воздействие на окружающую среду. Решением сразу нескольких проблем могут стать перерабатывающие установки. Однако зарубежные системы, например, австрийские и американские, стоят дорого и часто оказываются неприспособленными к специфике российских видов отходов из-за их повышенной влажности, неоднородности и волокнистости. Отечественные разработки в этой области часто не выходят за рамки патентов или опытных образцов и не становятся серийным оборудованием.
«Органика — самый массовый вид отходов, но и самый сложный для переработки, так как ее состав крайне неоднороден. Например, в одном и том же ресторане в разные дни состав отходов может сильно отличаться: сегодня преобладают фрукты с одной кислотностью, завтра — мясо и рыба с совсем другими свойствами. При этом любая ферментация идет за счет микроорганизмов, и наша задача — создать для них комфортный режим по кислороду, температуре и влажности, чтобы они одинаково эффективно справлялись с любым составом», — объяснил создатель биоферментатора и доцент факультета экотехнологий ИТМО Роман Уваров.
Ученый вместе с коллегами с Мегафакультета наук о жизни ИТМО собрал автоматизированный биоферментатор закрытого типа, в основе которого — вращающийся барабан с периодическим перемешиванием отходов. В отличие от аналогов, где привод вращает барабан непрерывно, в этой установке применяется цикличный режим. Вращение со скоростью 1-2 оборота в минуту включается раз в несколько часов для гомогенизации смеси, насыщения массы кислородом и равномерного прогрева, чтобы процесс ферментации шел быстрее. Ранее такой режим не применялся, поскольку западные установки рассчитаны на более сухое и однородное сырье, которое при остановке барабана слеживается. Российские же отходы с высокой влажностью и волокнистостью позволяют делать паузы без потери аэрации. На переработку тонны биомусора установка тратит не более 6 кВт·ч энергии, что примерно в 20 раз меньше, чем требуют зарубежные аналоги.
Сам процесс ферментации основан на кислородной термофильной стадии: органика саморазогревается до 55°C за счет жизнедеятельности микроорганизмов и удерживается в этом режиме от 24 до 72 часов. Термофильный режим уничтожает патогенную микрофлору, семена сорняков и яйца паразитов, а закрытая рабочая камера не дает выйти наружу опасному аммиаку, метану и меркаптанам. Конечный продукт сертифицирован по ГОСТу как органическое удобрение, поскольку потери питательных веществ в процессе ферментации минимальны: содержание азота снижается лишь на 4-8%, фосфора — на 0-1,5% от исходного уровня. Достичь таких показателей удалось за счет циклического режима вращения, адаптированного именно под российские виды органических отходов.
Оборудование способно работать в циклическом режиме (загрузка–выдержка–выгрузка) и потоковом, когда часть готового продукта выгружается, а свежее сырье догружается. Второй способ сокращает время выхода аппарата на рабочий режим с 12-18 до 4 часов, так как тепло от уже перерабатываемых биоотходов передается вновь загруженным.
Ферментатор состоит из нескольких модулей, поэтому он мобилен, а размещать его можно даже в стандартной бытовке в вахтовых поселках и на удаленных территориях, где завоз оборудования и вывоз отходов стоят дорого. После переработки выходит удобрение, которое может оставаться на грунте без вреда для окружающей среды.
Технология прошла экспертные проверки и вошла в три справочника наилучших доступных технологий (НДТ) — для птицеводства, свиноводства и переработки твердых коммунальных отходов, — утвержденных Минпромторгом. Также проект был представлен на Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Экология большого города», а в 2025-м команда ученых выиграла грант Российского научного фонда (№25-28-00955). Объем финансирования составляет 1,5 миллиона рублей.
«Индустрия заинтересована не в отдельном устройстве, а в комплексном решении проблемы. Мы движемся к тому, чтобы замкнуть весь цикл: от переработки твердых отходов и очистки жидких стоков до нейтрализации газовых выбросов. Сейчас в рамках практико-ориентированного НИОКТР мы в процессе создания модуля очистки газового выброса: он представляет собой компактную камеру с форсунками для поглощения вещества из пара и твердотельным фильтром доочистки. Управляется процесс автоматически, с контролем концентраций на входе и выходе. Это позволит размещать ферментаторы непосредственно на территории производств, не опасаясь превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) дурно пахнущих веществ», — рассказал Роман Уваров.
Разработкой ферментатора инженер занялся еще в Институте агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) при поддержке Фонда содействия инновациям: он позволил создать первый прототип ферментатора, подтолкнул к учреждению ООО и ведению научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы с машиностроительными заводами. В 2021 году ученый перешел на Мегафакультет наук о жизни ИТМО, где собрал команду из конструкторов, химиков-технологов и специалистов по машинному обучению и на лабораторной базе университета построил исследовательскую установку. В результате в кооперации с заводами к 2024 году была выпущена серия промышленных ферментаторов объемом от 3 до 40 м³. Крупнейший (40 м³) смонтирован на ферме в Приозерском районе Ленобласти и перерабатывает до 40 м³ навоза в сутки, поэтому хозяйство может полностью утилизировать образуемые отходы без вывоза на полигоны и полевые площадки. Аппараты меньшего объема работают на Камчатке, Чукотке, в Ярославской области и в одном из петербургских предприятий по переработке пищевых отходов.
Следующий этап развития — интеграция систем искусственного интеллекта в ферментатор для онлайн-мониторинга и автоматического управления процессом переработки. Совместно с программистами ИТМО прорабатываются алгоритмы компьютерного зрения, способные по снимкам массы определять фазу ферментации и прогнозировать оптимальный момент выгрузки. Это позволит дополнительно сократить время цикла на 15-20% и снизить энергопотребление за счет включения привода и вентиляторов.
https://scientificrussia.ru/articles/v-itmo-razrabotali-fermentator-kotoryj-uskoraet-pererabotku-organiceskih-othodov-v-60-raz
