CC BY
95
УДК 631.862:537.531
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
М.М. КОЛОСОВА, кандидат химических наук, доцент (e-mail: [email protected])
О.М. СОБОЛЕВА, кандидат биологических наук, доцент
Л.А. ФИЛИПОВИЧ, кандидат педагогических наук, доцент
Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, ул. Марковцева, 5, Кемерово, 650056, Российская Федерация
Резюме. Огромное количество навоза и помета, образующихся в процессе производства мяса, молока и яиц, приводит к ухудшению экологической обстановки вблизи животноводческих предприятий. Поиск новых способов их обработки с целью дальнейшего безопасного использования - актуальная проблема для агропромышленного комплекса всех стран. Поэтому цель наших исследований - определение пригодности СВЧ-обработанных отходов свиноводства и птицеводства для использования в качестве органических удобрений в растениеводстве. Предложенный метод обработки отходов предусматривает воздействие на них с помощью электромагнитного поля сверхвысокой частоты (мощность магнетрона 60 и 75 кВт, частота магнетрона 915 МГц, экспозиция -90 с). Исследование микробиологических, токсикологических и агрохимических свойств образцов, полученных после такой обработки отходов, показало, что предлагаемый режим воздействия электромагнитного поля обеспечивает полное обеззараживание материалов, не оказывает отрицательного действия на компонентный состав органических удобрений, не приводит к увеличению содержания опасных веществ (содержание ниже предельно допустимых концентраций или ниже предела обнаружения). Безопасность и довольно высокий уровень содержания основных элементов питания растений (азота - до 8,5%, калия - до 1,8%, фосфора - до 8,0%) и органического вещества (до 81,5%), щелочная реакция среды (от 7,4 до 8,5 ед. pH), технологичная консистенция СВЧ-обработанных навоза свиного и помета куриного позволяют предположить, что использование их в качестве органических удобрений будет способствовать улучшению агрофизических свойств почвы, и в целом повышению ее плодородия.
Ключевые слова: отходы животноводства, свиной навоз, жидкая фракция, куриный помет, СВЧ, электромагнитная обработка, агрохимические характеристики, органические удобрения.
Для цитирования: Колосова М.М., Соболева О.М., Филипо-вичЛ.А. Электромагнитная обработка отходовживотновод-ства для получения экологически безопасных органических удобрений //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №. С. 57-59.
Продукция животноводства пользуется постоянным спросом у населения повсеместно, что приводит к закономерному развитию этой отрасли агропромышленного комплекса [1, 2] и пропорциональному увеличению количества таких отходов, как навоз и помет. Традиционно их используют в качестве высокоэффективного органического удобрения, что служит наиболее распространенным и экономичным способом утилизации[3].
Однако современные масштабы производства свинины и мяса птицы приводят к тому, что утилизация навоза и помета зачастую существенно отстает. Открытый способ хранения, до сих пор при-
меняющийся в РФ, приводит к катастрофическим последствиям. Наносится огромный вред биосфере, создаются опасные условия для здоровья проживающих вблизи людей, образуются парниковый газы, упускаются возможности производства полезной продукции и др. [4]. Животноводческие отходы приводят к эвтрофикации водоемов, распространению различных патогенов и фитотоксических веществ, загрязнению воздушной среды [1, 5, 6].
Несмотря на многочисленные попытки разработать методы разделения и обработки отходов животноводства с целью получения обезвреженных органических удобрений, эта проблема продолжает оставаться актуальной. Такая ситуация объясняется тем, что многие из предложенных методов обладают одним или несколькими недостатками - трудоемкостью или энергоемкостью, сложностью разделения, недостаточной степенью обезвреживания, деструкцией питательных компонентов и др.
В связи с изложенным, цель наших исследований - установить пригодность обработанных в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) отходов свиноводства и птицеводства для использования в качестве органических удобрений в растениеводстве. Для ее достижения решали следующие задачи: провести оценку токсикологических и агрохимических качеств СВЧ-обработанных отходов с использованием полученных ранее данных о микробиологической безопасности; исходя из содержания питательных элементов и токсических компонентов, определить возможность использования СВЧ-обработанного навоза, фильтрата навоза и помета в качестве органического удобрения.
Условия, материалы и методы. На предприятиях свиноводства и птицеводства Кемеровской области (свинокомплексы с. Терентьевское Про-копьевского района и с. Боровково Новокузнецкого района, Кузбасская птицефабрика Новокузнецкого района) в 2015- 2016 гг. были отобраны образцы на-тивных навоза свиного, фильтрата навоза свиного и помета куриного. Их СВЧ-обработку проводили на промышленной установке для электромагнитной обработки твердых и жидких форм материалов в сверхвысокочастотном диапазоне «Волна 100» (ООО «ЭкоМашСервис», Россия). Для достижения поставленной цели были подобраны следующие опытные режимы обработки: частота магнетрона 915 МГц, экспозиция 90 с, мощность магнетрона для нативного навоза свиного и помета куриного 60 кВт, для фильтрата свиного навоза - 75 кВт. В ранее проведенных исследованиях было доказано, что при использовании таких режимов происходит полное уничтожение условно-патогенной и патогенной микрофлоры, а также яиц и личинок гельминтов [7].
После проведенной СВЧ-обработки образцы свиного навоза, фильтрата свиного навоза и куриного помета были направлены для определения микробиологических, физико-химических и токсикологических показателей в испытательный центр ФГБУ «Кемеров-
Таблица. Физико-химические показатели навоза свиного, фильтрата навоза свиного и помета куриного, обработанных СВЧ (среднее и ошибка среднего)
Наименование показателей Вид отходов животноводства
свиной навоз жидкая фракция навоза свиного (фильтрат) куриный помет
Кислотность, ед. рН 8,5 ± 0,3 8,2 ± 0,3 7,4 ± 0,2
Содержание сухого вещества, % 76,5 ± 0,2 7,0 ± 0,4 67,0 ± 0,2
Массовая доля, % от сухого вещества:
органическое вещество 81,0 ± 0,6 40,3 + 0,3 81,5 ± 0,7
общий азот 8,5 ± 0,3 1,3 ± 0,3 4,3 ± 0,3
фосфор (в пересчете на Р2О5) 4,5 ± 0,3 0,4 ± 0,1 6,0 ± 0,3
калий (в пересчете на К2О) 1,08 ± 0,10 0,3 ± 0,03 0,75 ± 0,05
свинец 0,93 ± 0,33 0,61 ± 0,12 1,13 ± 0,40
кадмий 0,048 ± 0,017 0,031 ± 0,011 0,035 ± 0,012
ртуть менее 0,1 менее 0,1 менее 0,1
Бенз(а)пирен, мг/кг ниже предела обнаруже-
0,016 ± 0,002 ния 0,005 0,02 ± 0,1
Эффективная удельная активность естествен-
ных радионуклидов, Бк/кг сухого вещества
47,16 ± 15,28 34,12 ± 11,32 55,45 ± 18,70
Удельная активность:
стронция 90 0,00 ± 0,63 - -
цезия 137 0,00 ±3,45 0,00 ±2,28 0,00 ± 3,82
ская межобластная ветеринарная лаборатория», испытательный центр ФГБУ ЦАС «Кемеровский», испытательную лабораторию «Научно-производственный центр ВостНИИ» (г. Кемерово).
Результаты и обсуждение. Из всего многообразия физических факторов воздействия было выбрано электромагнитное поле СВЧ. Это объясняется высокой эффективностью СВЧ-волн в отношении всех живых организмов, а также всех субстратов, содержащих воду. СВЧ-излучение очень сильно поглощается молекулами воды [8], что приводит к возникновению разнообразных эффектов, направленность которых зависит от мощности, частоты, экспозиции приложенного электромагнитного воздействия. Эти эффекты объясняются не только и не столько тепловым эффектом ЭМП СВЧ, сколько совокупностью тепловых и нетепловых воздействий. В определенных случаях стоит вести речь о преобладании нетеплового эффекта над тепловым [9], причем большая проблема всех известных на сегодняшний день промышленных СВЧ-установок -неравномерность нагрева [10]. В СВЧ-установке «Волна 100» она снята благодаря использованию оригинальных инженерных решений, которые одновременно позволили избежать значительного повышения потребляемой мощности и увеличения занимаемой площади.
Разница в мощности магнетрона для разных видов обрабатываемого сырья объясняется необходимостью приведения микробиологических показателей изучаемых субстратов к удовлетворительному уровню - полного уничтожения санитарно-регламентируемой микрофлоры, которая была обнаружена в нативных образцах сырья, удалось добиться лишь при выбранных значениях (60 кВт для навоза и помета; 75 кВт для фильтрата навоза). При подобранных режимах удалось полностью уничтожить патогенную и условно-патогенную бактериальную микрофлору (протеев, стафилококков, бактерий группы кишечной палочки), а также яйца и личинки гельминтов (аскарид, стронгилят и др.) [7].
Помимо микробиологической безопасности, обработанные микроволновой энергией отходы жи-
вотноводства должны соответствовать требованиям токискологической, радиационной безопасности и иметь достаточное количество важнейших элементов питания для сельскохозяйственных культур.
СВЧ-обработанные навоз и помет органолепти-чески представляют собой сыпучий мелкодисперсный материал коричневого цвета с включениями (частицами корма), со слабым запахом первоначального сырья, влажностью 43,6 и 33,0%, соответственно. Фильтрат свиного навоза - жидкость желто-коричневого цвета, с резким специфическим, преимущественно аммиачным запахом.
Анализ полученных данных (см. табл.) свидетельствует о том, что по содержанию органического вещества образцы СВЧ-обработанных твердых отходов животноводства весьма похожи - его количество составляет 81,0-81,5%, тогда как в жидких отходах величина этого показателя в 2 раза ниже. Детальный анализ компонентного состава показывает, что по отдельным группам веществ имеются значительные различия, обусловленные происхождением сырья. Так, свиной навоз превосходит куриный помет по содержанию общего азота (в 1,98 раза) и калия (в 1,44 раза), однако фосфора, напротив, больше в курином помете, чем в навозе, в 1,33 раза.
Содержание определяемых токсичных компонентов не высоко и колеблется от 0,031% (содержание кадмия в жидкой фракции свиного навоза) до 1,13% (содержание свинца в курином помете).
Сравнение полученных данных с нормативными документами на органические удобрения показало, что СВЧ-обработанные отходы животноводства по уровню токсикологической и радиационной безопасности полностью соответствуют требованиями ГОСТ Р 53117-2008 «Удобрения органические на основе отходов животноводства. Технические условия». Так, эффективная удельная активность естественных радионуклидов в изучаемых образцах колеблется в диапазоне 34,12-55,45 Бк/кг, что ниже требований ГОСТа, соответственно, в 5,41-8,79 раза.
Обработанные образцы превосходят нормативы того же ГОСТа по содержанию азота, фосфора и калия от 1,8 раза (калий в свином навозе) до 40 раз
(фосфор в жидкой фракции навоза). Это свидетельствует о высокой ценности полученных удобрений.
Таким образом, предлагаемая технология относится к категории «ироуоПпд», то есть к процессам превращения побочных продуктов, отходов и бесполезных продуктов в новые с лучшим качеством и, соответственно, с более высокой экономической ценностью [11].
Фильтрат свиного навоза, объемы которого на крупных свинокомплексах измеряются в тысячами кубометров, после СВЧ-обработки представляет собой готовую форму жидкого органического удобрения, и при наличии соответствующей техники будет эффективен при основном внесении под большинство сельскохозяйственных культур. Благоприятные органолептические показатели СВЧ-обработанных навоза и помета (практически полное отсутствие характерного неприятного запаха, низкая влажность, сыпучая консистенция) позволяют рекомендовать их
для использования в качестве органических удобрений в промышленном растениеводстве, а также для расфасовки в мелкую тару и реализации владельцам приусадебных хозяйств. Это расширяет возможности животноводческих предприятий по получению дополнительной прибыли при переработке получаемых отходов.
Выводы. Оценка токсикологических и агрохимических качеств СВЧ-обработанных отходов животноводства показала, что все три вида изучаемого сырья обладают достаточно высоким уровнем содержания органического вещества и основных питательных элементов, составляющих почвенное плодородие - азота, фосфора и калия; СВЧ-обработанные навоз, фильтрат навоза и помет, согласно своему химическому составу и параметрам токсикологической безопасности, могут применяться в качестве полноценных и безопасных органических удобрений в растениеводстве.
Литература.
1. Park M.H. Kumar S., Ra C. Solid Waste from Swine Wastewater as a Fuel Source for Heat Production //Asian Australas J. Anim. Sci. 2012. Vol. 25. Рр. 1627- 1633.
2. Decolorization and COD reduction of UASB pretreated poultry manure wastewater by electrocoagulation process: A post-treatment study/K. Yetilmezsoy, F. Ilhan, Z. Sapci-Zengin, S. Sakar, M.T. Gonullu // Journal of hazardous materials. 2009. Vol. 162. Рр. 120-132.
3. Aguirre-Villegas H.A., Larson R., Reinemann D.J. From Waste-To-Worth: energy, emissions, and nutrient implications of manure processing pathways // Biofuels, bioproducts and biorefining. 2014. Vol. 8. Рр. 770-793.
4. Kalinichenko V.P., Starcev V.F. Recycling of poultry litter by method of biogeosystem technique // International journal of environmental problems. 2015. Vol. 1. Is. 1. Рр. 17-38.
5. Co-firing of coal and cattle feedlot biomass (FB) fuels / J.M. Sweeten, K. Annamalai, B. Thien, L.A. McDonald // Part I. Feedlot biomass (cattle manure) fuel quality and characteristics. Fuel. 2003. Vol. 82. Рр. 1167-1182.
6. Zhou S., Zhang X., Chen X. Pozzolanic activity of feedlot biomass (cattle manure) ash // Construction and building materials. 2012. Vol. 28. Рр. 493-498.
7. Соболева О.М., Колосова М.М. Повышение микробиологической безопасности отходов животноводства после электромагнитной обработки//ВестникАГАУ. 2016. № 10. С. 73-78.
8. Борисенко Г.Г., Полников И.Г., Казаринов К.Д. Использование гидродинамической неустойчивости при микроволновом облучении жидких сред в биохимическом эксперименте // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 2007. № 1. С. 98-106.
9. Логачева Е.А., Жданов В.Г. Проблемы экологической и технологической безопасности использования электромагнитных излучений в сельском хозяйстве // Вестник АПК Ставрополья. 2011. № 2. С. 33-35.
10. Исаев А.В., Бастрон А.В., Яхонтова В.С. Исследование влияния степени неравномерности нагрева семян рапса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты на их энергию прорастания и всхожесть // Вестник КрасГАУ. 2016. № 4. С. 131-137.
11. dos Santos R.G., Bordado J.C., Mateus M.M. Thermochemical Liquefaction of Swine Manure as Feedstock for the Production of a Potential Biofuel // Innov. Ener. Res. 2015. Vol. 4. Рр. 125-127.
ELECTROMAGNETIC PROCESSING OF ANIMAL WASTE TO PRODUCE ENVIRONMENTALLY
SAFE ORGANIC FERTILIZERS
M.M. Kolosova, O.M. Soboleva, L.A. Filipovich
Kemerovo State Agricultural Institute, ul. Markovtseva, 5, Kemerovo, 650056, Russian Federation
Abstract. A huge amount of manure and litter generated during the production of marketable products of meat, milk, and eggs leads to deterioration of the ecological situation near the livestock enterprises. Development of new processing methods of these wastes for their further safe use is an important problem for the agricultural sector in all countries. Therefore, the purpose of the study is to establish the suitability of the microwave-treated wastes of pigs and poultry for their use as organic fertilizers in crop production. The proposed waste processing method is the impact on the pig and chicken manure by means of an electromagnetic field of ultrahigh frequency (magnetron power of 60 and 75 kW, magnetron frequency of 915 MHz, the exposure of 90 sec.). The use of this method of waste processing and further investigation of microbiological, toxicological and agrochemical properties of the samples showed that the proposed mode of the electromagnetic field impact allowed achieving complete decontamination of materials with no adverse effect on the component composition of the obtained organic fertilizers. The proposed mode did not result in the increase in the content of hazardous substances (the content was below maximum allowable concentrations or below the detection limit). Safety and relatively high level of the content of major elements of plant nutrition (nitrogen - up to 8.5 %, potassium - up to 1.8 %, phosphorus - up to 8.0 %), organic matter - up to 81.5 %, alkaline reaction of the medium (from 7.4 to 8.5 units of pH), manufacturable texture of microwave-treated swine and chicken manure leads to the conclusion that their use as organic fertilizers will help to improve the agro-physical properties of the soil and soil fertility as a whole.
Keywords: animal waste, pig manure, liquid fraction, chicken manure, ultrahigh frequency, electromagnetic processing, agrochemical characteristics, organic fertilizers.
Author Details: M.M. Kolosova, Cand. Sc. (Chem.), assoc. prof. (e-mail: [email protected]); O.M. Soboleva, Cand. Sc. (Biol.), assoc. prof.; L.A. Filipovich, Cand. Sc. (Ped.), assoc. prof.
For citation: Kolosova M.M., Soboleva O.M., Filipovich L.A. Electromagnetic Processing of Animal Waste to Produce Environmentally Safe Organic Fertilizers. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. Pp. 57-59 (in Russ.).
