CC BY
817
УДК 631.879.42:631.22.018
ЭКОБИОТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ
ОТХОДОВ
В.В. Миронов, доктор технических наук
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: [email protected]
Аннотация. В России ежегодный выход органических отходов составляет 148,5 млн т сухого вещества, из которых 104 млн т приходится на навоз сельскохозяйственных животных и помет птицы, 42 млн т -органические фракции твердых бытовых отходов и 2,5 млн т - осадки сточных вод. Отходы являются сырьем для производства органических удобрений. В то же время всего лишь 16% навоза и помета и 7% осадков используются в качестве удобрений в сельскохозяйственном производстве. Для переработки различных органических отходов наиболее широко используются микробиологические процессы. Способность микроорганизмов и их ферментов разлагать сложные органические вещества, трансформировать природные и антропогенные полимеры лежит в основе экобиотехнологий получения многих полезных продуктов микробиологического синтеза и переработки отходов. Основными способами переработки отходов являются компостирование, вермикомпостирование, аэробная стабилизация и метановое сбраживание с получением биогаза. Среди применяемых технологий компостирование характеризуется самыми низкими капитальными и эксплуатационными затратами. При переработке органических отходов вер-микомпостированием конечными продуктами являются биогумус и биомасса дождевых червей. Биогумус обладает высокой влагоемкостью, механической прочностью, сыпучестью и технологичностью в использовании. Азота в нем в 5 раз больше, чем в почве, фосфора - в 7, калия - в 11 раз. В1 г сухого биогумуса содержится 101011 клеток актиномицетов, аммонификаторов, нитрификаторов, целлюлолитиков, что нормализует развитие свойственных здоровой почве микробных ассоциаций и обеспечивает подавление патогенов.
Ключевые слова: органические отходы, технология, удобрение, биогаз, вермикомпостирование, биогумус.
В России выход органических отходов от животноводства и птицеводства ежегодно в среднем составляет около 300 млн т (натив-ной влажности) навоза крупного рогатого скота (КРС), 50 млн т свиного навоза и 25 млн т птичьего помета [1], в т.ч. 104 млн т сухого вещества. В то же время используется в качестве удобрений всего лишь 16% навоза и помета, остальное накапливается, создавая негативное воздействие на окружающую среду. Жидкий навоз, помет и навозные (пометные) стоки представляют наибольшую опасность для экологии регионов. В первую очередь это органические вещества: мочевина, фенолы, медицинские препараты, добавляемые в корм и т.д. В стоках содержатся и неорганические вещества: соединения азота, фосфора, калия, цинка, марганца, меди, кобальта и др. Кроме того, там присутствуют и патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания как животных, так и человека. Ежегодный выход осадков сточных вод
(ОСВ), по мнению Пахненко Е.П., составляет 2,5 млн т сухого вещества, причем большая часть ОСВ утилизируется методом захоронения на свалках и хранения в иловых картах, а всего лишь 7% используется в качестве удобрений в сельскохозяйственном производстве [2]. В то же время объемы накопления твердых бытовых отходов (ТБО) превышают 70 млн т по сухому веществу, в том числе 42 млн т (60%) - органическая часть. ОСВ и ТБО также являются сырьем для производства органических удобрений для использования в агрикультуре.
Целью настоящего обзора является более полное понимание и применение биологических способов преобразования органических отходов, в том числе навоза, помета, осадков сточных вод, в биоудобрения с повышенной агрономической ценностью. Обобщенные данные о возможных биотехнологических способах обезвреживания и переработки органических отходов приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы, для переработки различных органических отходов наиболее широко используются микробиологические процессы. Способность микроорганизмов и их ферментов разлагать сложные органические вещества (ОВ), трансформировать природные и антропогенные полимеры лежит в основе получения многих полезных продук-
Наиболее крупномасштабные промышленные микробиологические процессы переработки органических отходов включают:
- получение кормовых продуктов, обогащенных микробным белком или в общем случае белком одноклеточных организмов;
- силосование;
- компостирование;
- анаэробную ферментацию (сбраживание);
- биоконверсию в топливо (в этанол, получение биогаза - метановое сбраживание в анаэробных реакторах, прямая конверсия в тепло) [4].
Сравнение капитальных и эксплуатационных затрат при реализации основных технологических решений по утилизации представлено в таблице 2. Капитальные и эксплуатационные затраты на компостирование самые низкие среди применяемых технологий. Среди способов термофильного обеззаражи-
тов микробиологического синтеза и переработки отходов. Методы экобиотехнологии применяют для переработки углевод-, белок-и жиросодержащих жидких отходов, растительной биомассы, сельскохозяйственных отходов (навоз, помет), органической фракции твердых бытовых отходов (ОФ-ТБО), осадка сточных вод (ОСВ) и др.
вания различают анаэробное и аэробное. Так, смесь сырого осадка первичных отстойников и уплотненного активного ила поступает в метантенки, где в термофильном режиме при температуре 50-55°С происходят ее стабилизация и обезвреживание. Затем сброженный осадок подвергается промывке и уплотнению в радиальных илоуплотнителях.
Таблица 2. Сравнение капитальных и эксплуатационных затрат при реализации различных технологических решений по утилизации (НПФ ЭКОТОН, 2017)
Технология Капитальные затраты, тыс. евро Эксплуатационные затраты, евро/м3
Сжигание 18 125,00 45,00
Компостирование 1950,00 7,00
Анаэробное сбраживание 7 655,00 25,00
Термическая сушка 7 875,00 20,00
Сушка солнечной энергией 5 775,00 10,00
Таблица 1. Биотехнологические способы обезвреживания или переработки органических отходов [3, 4]
Органические отходы Способ биологической переработки
Навоз и птичий помет, подстилка Компостирование, вермикомпостирование, метановое сбраживание в анаэробных биореакторах, получение органоминеральных удобрений, переработка в кормовые добавки
Растительные отходы Компостирование, вермикомпостирование, силосование, метановое сбраживание в анаэробных биореакторах, биомодификация, получение белка одноклеточных организмов, получение биотоплива, делигнификация, выращивание грибов
Отходы, богатые растворенной органикой (углеводами, жирами, белками) Получение пищевых продуктов, кормового белка одноклеточных организмов, биотоплива и других продуктов микробиологической и ферментативной переработки, метановое сбраживание в анаэробных биореакторах
Твердые белок- и жиросодержа-щие отходы, осадочные дрожжи Получение пищевых и кормовых добавок, компонентов биологического происхождения, биологически активных веществ, различных продуктов микробиологической переработки, метановое сбраживание в анаэробных биореакторах, получение органоминеральных удобрений
Осадки и активный ил очистных сооружений Метановое сбраживание в метантенках и септитенках, компостирование, вермикомпостирование, аэробная стабилизация, выдерживание на иловых площадках, получение органоминеральных удобрений
Органическая фракция твердых бытовых отходов (ОФ-ТБО) Компостирование, вермикомпостирование, захоронение на санитарных полигонах и полигонах-биореакторах, метановое сбраживание в анаэробных биореакторах
Далее промытый и обезвоженный осадок поступает на камерные мембранные фильтр-прессы и центрифуги для обезвоживания осадка с применением флокулянтов (флоку-лянт Flopam в дозе 6-8 кг/т с.в. осадка). Образованный осадок - «кек» влажностью 73% автотранспортом вывозится на полигоны. Соотношение сырого осадка и активного ила в смеси не более 1:1,5, так как при увеличении значительно увеличивается пенообразо-вание. При этом технология анаэробной микробной ферментации (метановое сбраживание) в биореакторах с получением биогаза может быть использована для переработки практически всех типов органических отходов (см. таблицу 1) [3].
Термофильный процесс обеззараживания осуществляется обычно при 50-55°C и является более надежным, чем мезофильный процесс, для снижения плотности патогенов. При 50°С вирусы инактивируются почти полностью, наиболее устойчивые поливирусы (тип I) инактивируются за 0,13 суток [2]. По некоторым исследованиям при термофильном процессе снижается способность к вегетативному росту у бактерий и достигается высокая степень их инактивации [5]. При обеззараживании S. Typhi-murium, S. dublin, E. coli, S. aureus, Erysipe-lotrix rhusiopathiae погибали при 53°С.
Исследованиями Olsen J.E. [5]. было установлено, что при анаэробном разложении уничтожается от 50 до 99% патогенной микрофлоры и конечный результат зависит от сопутствующих условий. Исследование процесса обеззараживания в аэробных условиях направлено на определение минимального времени и температуры, необходимых для обработки и получения надежной санитарно-эпидемиологической ситуации. При исследовании анаэробной инкубации Salmonella spp. погибала за 32 дня, а при аэробной - за 15 дней [2].
Вермикомпостирование и вермикульти-вирование - это процессы переработки органических субстратов с помощью культуры дождевых (земляных) червей, использующих органическое вещество (ОВ) в качестве источника питания и одновременно среды оби-
тания [3]. При переработке органических отходов этими методами конечными продуктами являются биогумус (органическое удобрение) и биомасса дождевых червей. Верми-культивирование в большей степени ориентировано на получение биомассы дождевых червей с целью их последующего использования в качестве кормовой добавки в рационах питания птиц и свиней, в фармацевтике, а также технологиях обезвреживания почвенных загрязнений, восстановления почв и повышения их плодородия. Основные цели вермикомпостирования - это переработка органических субстратов для получения удобрительных компостов (биогумуса) и восстановления плодородия почв, обезвреживание сельскохозяйственных и бытовых отходов, ОСВ, других отходов, трудно поддающихся утилизации.
Наибольшее распространение вермикуль-тивирование и вермикомпостирование получили в США, Канаде, Китае, Индии, Южной Корее, Австралии, Италии, Мексике и на Кубе. На российском рынке также наблюдается рост числа, в основном небольших, верми-компостных хозяйств, производящих биогумус. Опыт применения технологий верми-компостирования и вермикультивирования в России достаточно полно представлен в монографиях Г.Е. Мерзлой и И.Н. Титова [6, 7].
Дождевые черви нуждаются прежде всего в азотсодержащей органике, запасы которой в почве ограничены, поэтому наибольшая численность дождевых червей обычно наблюдается в местах локализации органического субстрата, богатого азотом (на пастбищах, вблизи экскрементов травоядных животных и т.д.). Кроме азотсодержащих веществ (белков, аминокислот) перерабатываемое ОВ должно содержать углеводы, разнообразные минеральные вещества, витамины, клетчатку и, напротив, не содержать токсичных ядовитых веществ, характерных для городских ТБО.
В составе субстрата для роста червей также должен присутствовать минеральный инертный наполнитель, песок или почва. Оптимальными для жизнедеятельности червей являются влажность 60-80%, температу-
ра 15-25°С, рН 7,0-7,6, темнота, хорошая аэрация. Черви чрезвычайно чувствительны к выделению газов, образующихся в процессе гниения - аммиаку, сероводороду и метану. Допустимый уровень содержания аммиака - 0,5 мгкг-1 субстрата. Поэтому в промышленных установках вермикультивирова-ния стараются избегать образования мертвых (застойных) зон и поддерживают содержание кислорода в газовой фазе не менее 15%, а СО2 - не более 6%. На размножение червей отрицательно влияет перенаселенность перерабатываемого субстрата, поэтому плотность популяции является важным контролируемым показателем.
По отношению к перерабатываемым субстратам черви должны обладать не только повышенной способностью потреблять субстрат и высокой скоростью его разложения, но и быстро адаптироваться к смене субстрата и быть устойчивыми к заболеваниям. Из всего разнообразия дождевых червей для вермикультивирования пригодны только несколько видов. Многие виды специально выведенных червей требуют адаптации к локальным условиям и часто заражены нематодами - другими червями-паразитами, многие из которых фитопатогенны для сельскохозяйственных растений. Борьба с нематодой чрезвычайно сложна и малоуспешна.
Продукт жизнедеятельности червей - ко-пролиты - представляет собой материал, обогащенный биологически активными соединениями, гуминовыми веществами и полезной микрофлорой, приближающийся по своим физико-химическим свойствам к почвенному гумусу. По содержанию гумуса биогумус превосходит навоз и компосты в 410 раз. В копролитах культивируемых червей содержится 25-35% гумуса на сухое вещество. Как органоминеральное удобрение, биогумус обладает ценными физическими свойствами - высокой влагоемкостью, влагостойкостью, механической прочностью, сыпучестью, технологичностью в использовании. Азота в нем в 5 раз больше, чем в почве, фосфора - в 7, калия - в 11 раз. В 1 г сухого биогумуса содержится 101011 клеток микроорганизмов (актиномицетов, аммони-
фикаторов, нитрификаторов, целлюлолити-ков и др.), что нормализует развитие свойственных здоровой почве микробных ассоциаций и обеспечивает подавление патогенов. Биогумус содержит биологически активные вещества и не обладает канцерогенными и мутагенными свойствами.
Наряду с биогумусом вермикомпостиро-вание позволяет получать другой ценный продукт - биомассу дождевых червей, богатую полноценным кормовым белком и жирами. Однако, поскольку дождевые черви могут являться носителями и промежуточными хозяевами различных паразитов, перед вскармливанием необходима пастеризация биомассы червей.
Селекционные промышленные линии червей способны перерабатывать различные органические субстраты, однако такие отходы, как свежий навоз и помет птиц, обычно трудно поддаются вермикомпостированию, так как содержат в высокой концентрации аммиак, мочевину и мочевые кислоты, которые токсичны для червей [4, 8] Такие отходы должны сначала подвергаться выдерживанию в естественных условиях, при которых происходят процессы анаэробного микробного сбраживания, или подвергаться микробиологическому компостированию [9]. Вер-микомпостирование растительных субстратов можно значительно ускорить путем их предварительной обработки (запариванием, частичным химическим гидролизом или обработкой целлюлолитическими микроорганизмами или ферментами) [7]. Однако применительно к такому дешевому продукту, как вермикомпост, предобработка субстрата оказывается экономически невыгодной из-за высокой энергоемкости и трудоемкости операций.
В качестве другого способа ускорения вермикомпостирования предлагается использование микробных препаратов, активирующих рост червей. Вермикомпост и вер-микультура не должны быть дорогими продуктами, поэтому наиболее распространенные способы и технологии их получения относительно просты и подразделяются на три группы:
- компостирование на открытых площадках или полевое;
- в закрытых помещениях;
- комплексные - одновременно на открытых площадках и в закрытых помещениях.
Компостирование открытым способом в организации процесса более простое и дешевое, однако подходит только для регионов с теплым климатом. Закрытые помещения -теплицы, специализированные цеха - в зимнее время отапливаются. Для механизации процессов целесообразно применять установки для компостирования и машины для приготовления компостов [10, 11].
По методам культивирования переработку органических отходов с помощью дождевых червей можно разделить на грядовую (буртовую), траншейную, ящичную, реакторную. Под открытым небом используют буртовый и траншейный варианты. В условиях закрытого грунта - преимущественно буртовый, ящичный и реакторный методы. Недостатки буртовой и траншейной технологий - необходимость в больших площадях при низком коэффициенте использования рабочего объема помещений в закрытом варианте, сложность поддержания оптимальных условий процесса из-за возможных пересыханий или переувлажнений субстрата, сложность контроля за компостированием, возможность вымерзания вермикультуры в зимнее время. Хотя ящичная технология, при которой компостирование и культивирование производится на стеллажах, в контейнерах, лотках или кассетах при температуре 20-22°С, позволяет повысить коэффициент использования полезного объема помещений, она трудоемка, поэтому малопригодна для переработки значительных количеств отходов. Ее используют в лабораториях и на маленьких предприятиях для выведения линий червей.
Для производства 1 т биогумуса влажностью 40% требуется 4,72 т компоста влажностью 75%, или выход готового продукта составляет 21,18% от исходной массы [12]. Остальные 78,82% расходуется на жизнедеятельность червей. К недостаткам технологии следует отнести низкий выход продукта,
необходимость постоянного поддержания температуры и влажности для жизнедеятельности червей, низкую механизацию отдельных операций.
Наиболее перспективной является технология вермикомпостирования в промышленных биореакторах различной конструкции (башенного типа, вращающихся горизонтальных барабанах и др.), позволяющая создавать оптимальные условия среды, достигать максимальной производительности и механизации работ, облегчать обслуживание и контроль процесса. В реакторах необходимо предусматривать проведение процесса при оптимальной температуре (20-25°С), аэрации, равномерном орошении всей толщи перерабатываемого субстрата без образования застойных анаэробных зон, систему дренажа и сбора избытка орошающей жидкости, опорные элементы, препятствующие слеживанию и уплотнению субстрата, его слипанию и зависанию при разгрузке, возможность производить послойную загрузку вер-микультуры и осуществлять постоянный контроль за ходом процесса переработки и состоянием культуры, отделять основную массу червей от переработанного субстрата непосредственно внутри реактора.
В наиболее производительных вермире-акторах весь цикл вермикомпостирования длится всего 7 суток, при этом на площади 20 м2 получают 1 т биогумуса в сутки. Такая технологическая линия должна включать операции сортировки и смешения компонентов перерабатываемого субстрата, участок подготовки маточной культуры червей, собственно биореактор, сортировку готового продукта, операцию отделения (выгонки) биомассы червей, участок расфасовки биогумуса и биомассы [4, 7].
Таким образом, анализ рассмотренных экобиотехнологий переработки органических отходов, в том числе навоза, помета, осадков сточных вод, позволяет установить, что микроорганизмы и их ферменты способны разлагать сложные органические вещества с получением полезных продуктов -биоудобрений с повышенной агрономической ценностью. Среди применяемых техно-
логий компостирование характеризуется самыми низкими капитальными и эксплуатационными затратами. Вермикомпостирова-ние позволяет получить биогумус, обладающий высокой влагоемкостью, механической прочностью, сыпучестью, технологичностью в использовании, а также содержащий ассоциацию полезных для почвы и растений микроорганизмов. С целью подготовки субстрата для вермикомпостирования целесообразно использовать как существующие, так и вновь создаваемые средства механизации.
Литература:
1. Иванов Ю., Миронов В. Экологичное животноводство: проблемы и вызовы // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. Вып. 87.
2. Пахненко Е.П. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения. М., 2015.
3. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов. М., 2016.
4. Прикладная экобиотехнология. М., 2012.
5. Olsen J. Bacterial decimation times in anaerobic digestions of animal slurries // Biological Wastes. 19S7. №21.
6. Мерзлая Г.Е. Приготовление и применение верми-компостов. Оренбург, 2001.
7. Титов И.Н. Дождевые черви. Ч. 1. М., 2012.
S. Титова В.И. К вопросу о возможности использования вермикомпостов на основе осадков сточных вод // Дождевые черви и плодородие почв. Владимир, 2004. 9. Миронов В. Влияние режимов подготовки на агрохимический состав компоста // Вестник ВГУ. 2005. №2.
10. Пат. 2244697 РФ. Устройство для приготовления компостов. Заяв. 17.03.03; Опубл. 20.01.05, Бюл. №2.
11. Пат. 2352093 РФ. Машина для приготовления компостов. Заяв. 06.07.07; Опубл. 20.04.09, Бюл. №11.
12. Современные технологии и технические средства удаления, хранения навоза и производства высококачественных органических удобрений. Уральск, 2014.
Literatura:
1. Ivanov YU., Mironov V. EHkologichnoe zhivotnovod-stvo: problemy i vyzovy // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii ras-tenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. Vyp. 87.
2. Pahnenko E.P. Osadki stochnyh vod i drugie netradici-onnye organicheskie udobreniya. M., 2015.
3. Biotekhnologiya i mikrobiologiya anaehrobnoj perera-botki organicheskih kommunal'nyh othodov. M., 2016.
4. Prikladnaya ehkobiotekhnologiya. M., 2012.
5. Olsen J. Bacterial decimation times in anaerobic digestions of animal slurries // Biological Wastes. 1987. №21.
6. Merzlaya G.E. Prigotovlenie i primenenie vermikom-postov. Orenburg, 2001.
7. Titov I.N. Dozhdevye chervi. CH. 1. M., 2012.
8. Titova V.I. K voprosu o vozmozhnosti ispol'zovaniya vermikompostov na osnove osadkov stochnyh vod // Dozhdevye chervi i plodorodie pochv. Vladimir, 2004.
9. Mironov V. Vliyanie rezhimov podgotovki na agrohi-micheskij sostav komposta // Vestnik VGU. 2005. №2.
10. Pat. 2244697 RF. Ustrojstvo dlya prigotovleniya kompostov. Zayav. 17.03.03; Opubl. 20.01.05, Byul. №2.
11. Pat. 2352093 RF. Mashina dlya prigotovleniya kompostov. Zayav. 06.07.07; Opubl. 20.04.09, Byul. №11.
12. Sovremennye tekhnologii i tekhnicheskie sredstva udaleniya, hraneniya navoza i proizvodstva vysokoka-chestvennyh organicheskih udobrenij. Ural'sk, 2014.
THE ECOBIOTECHNOLOGIES OF ORGANIC WASTE UTILIZATION V.V. Mironov, doctor of technical sciences All-Russian research Institute of livestock mechanization
Abstract. There is 148,5 million tons of dry matter, of which 104 million tons are - agricultural animals and poultry manure and dung, 42 million tons - organic fractions of municipal solid waste and 2,5 million tons - sewage sludge in total annual yield of organic waste in Russia. The waste is a raw material for the organic fertilizers' production. At the same time, only 16% of manure and dung and 7% of sewage sludge are used as fertilizers in agricultural industry. Microbiological processes are the most widely used for the various organic wastes processing. The microorganisms and their enzymes ability to decompose complex organic substances, transform natural and anthropogenic polymers is on the base of eco-biotechnologies for producing many useful products of microbiological synthesis and waste processing. The main methods of waste recycling are composting, vermicomposting, aerobic stabilization and methane fermentation for biogas producing. Among the used technologies the composting is characterized by the lowest capital and operating costs. At the organic waste processing by vermicomposting as the final products are biohumus and vermicompost biomass of earthworms. Biohumus has a high moisture capacity, mechanical strength, flowability and adaptability in using. There is nitrogen in 5 times more in it, than in the soil, phosphorus -in 7, potassium - in 11 times. There are 10*1011 cells of actinomyces, ammonifyings, nitrifyings, cellulolyticums in 1g of dry vermicompost, that the healthy soil microbial associations' development characteristics normalizing, and pathogens suppressing.
Keywords: organic waste, technology, fertilizer, biogas, vermicomposting, biohumus.
