CC BY
72
Химия растительного сырья. 2005. №4. С. 85-91.
УДК 631. 86/87
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, НАТИВНОЙ ПРИРОДЫ ОРГАНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ДОБАВОК НА ПРОЦЕСС КОМПОСТИРОВАНИЯ И НА СВОЙСТВА ПОЛУЧАЕМЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ (ТВЕРДЫХ) ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
© К. С. Никольский , В.В. Рябков
ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт органических удобрений и торфа» РАСХН, ул. Прянишникова, 1, п. Вяткино Судогодского района Владимирской области, 601390 (Россия) E-mail: eskov@vtsnet.ru; vnion@vtsnet.ru
Исследовано влияние физико-химической природы, вида влагопоглощающего (целлюлозосодержащего) материала, его нативного характера и микробиологических добавок на процесс компостирования и свойства получаемых конденсированных (твердых) органических удобрений. Показано, что для получения однородного по физико-химической природе компоста и ускорения компостирования необходимо использовать целлюлозосодержащий материал с влажностью не менее 40%. Установлены факторы, позволяющие сохранить биогенные элементы (N, P, K) в получаемом органическом удобрении.
Введение
Ежегодно в Российской Федерации на свалки вывозится 20-25 млн т древесной коры [1]. Поэтому для рационального использования всех биоресурсов с целью исключения захламления окружающей природной среды, с целью сохранения естественного кругооборота всех биогенных элементов (N, P, K) нами в течение ряда лет проводилась и проводится работа по изучению влияния физико-химических свойств и нативной природы твердых (конденсированных) органогенных (C, N, H, O, P, S) отходов на процесс компостирования при получении органических удобрений и на их свойства.
При получении органических удобрений протекают сложнейшие биологические (микробиологические), биохимические и физико-химические процессы, при которых происходит расщепление органогенных материалов растительного и животного происхождения под воздействием биоты и микробиоты. Одновременно протекают процессы ресинтеза под действием тех же факторов, а именно процессы конденсации [2, 3] и процессы биохимического окисления [4]. Какой из этих процессов доминирует, зависит от биотических и физико-химических факторов [2-6].
Экспериментальная часть
На данном этапе работы изучено влияние вида влагопоглощающего материала, вида микробиологических добавок на процесс компостирования и свойства получаемых твердых (конденсированных) органических удобрений.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Компосты приготовлялись в опытном смесителе непрерывного действия и вручную закладывались в пенопластовые ящики из пенополистирола объемом 0,07 м3 Исходное соотношение C : N = 25. Фоновое состояние: влажность смеси - 65-80%, кислотность среды - 6,0-7,5, исходная температура смеси -+18^+20 °С; аэрация смеси - естественно-принудительная. Первая часть работы проводилась без введения микробиологических добавок.
В качестве микробиологических добавок использовались следующие микробиологические препараты: флавобактерин (42 г/т, р. Р1ауоЬас1егшш sp., шт. Л 30), мизорин (42 г/т, р. Arthrobakter.-A. mysorens, штамм 7), экстрасол (50 г/т, р. Pseudomonas, p. Fluorescens, штамм 30, Ко). Навоз КРС по ТУ-9819-002-0000806495. Формирование буртов подстилочного навоза осуществлялось машиной ПРТ-10. Контроль за изменением температуры производился регулярно термометром электрическим транзисторным ТЭТ-2. Физикохимические, агрохимические и микробиологические исследования проводились по [13].
Обсуждение результатов
Исходные физико-химические показатели целлюлозосодержащих (влагопоглощающих) материалов приведены в таблице 1.
Физико-химические и микробиологические показатели исходных смесей для компостирования, смесей в процессе созревания и готовых компостов представлены в таблицах 2 и 3. Изменения температуры и кислотности в процессе компостирования приведены на рисунке 1.
Как видно из рисунка 1 во всех вариантах опыта наблюдались значительные биотермические подъемы температуры. Это объяснимо тем, что везде происходил рост многих форм микроорганизмов в процессе компостирования. Особенно это характерно для вариантов 3, 4 и 5, где просматривался существенный рост микроорганизмов, использующих органические формы азота, и рост целлюлозоразлагающих микроорганизмов (ср. Гетчинсона) и, в частности, бактерий. Особенно бурное развитие всех форм микроорганизмов наблюдалось для смеси сидерат-навоз (рис. 1.-4) и соответственно самый сильный биотермический подъем температуры. Слабее был подъем температуры для смеси солома-навоз (рис. 1.-3) и для смеси древесная кора-навоз (рис. 1.-5). Следует отметить высокое и практически постоянное значение рН = 8,0-8,8 в конце процесса компостирования для смеси сидерат - навоз (рис. 1.-4). В этом варианте был получен монолитный продукт (с малопористой структурой). Большой подъем температуры объяснялся высокой исходной влажностью целлюлозосодержащего материала - сидерата, основным компонентом которого является клетчатка (при расчете на сухое вещество). Температура стеклования целлюлозы, по данным С.П. Папкова и Э.З. Файнберга [7], составляет при влажности >40% около +15 ^ +20 °С. Такой подъем температуры (>30 °С) и такое бурное протекание процесса можно объяснить тем, что основной компонент сидерата - целлюлоза - в момент начала компостирования находился в набухшем (расстеклованном) состоянии. Поэтому в варианте 4 влагопоглощающий материал - сидерат - оказался наиболее реакционноспособным к компостированию по сравнению с другими целлюлозосодержащими (влагопоглощающими) материалами.
При компостировании смеси торф-навоз-твердые отходы* (Na3PO4) (кривая 2) наблюдается повышение температуры по сравнению с компостированием смеси торф-навоз (кривая 2а) без Na3PO4. Биотермическая кривая 2 идет плавно без вторичной вспышки температуры. Это объяснимо инициирующим влиянием фосфатов, которое проявилось в окислительном фосфорилировании данной системы [8]:
3H2O + 3Na+ + PO43- = 3NaOH + H3PO4;
2H2O + 2Na+ + HPO42- = 2NaOH + H3PO4;
H3PO4 ^ HsO+ + PO3-;
АДФ + PO3- --^ АТФ + H2O;
АТФ + H2O -E2^ АДФ + PO3-.
* В твердых отходах производства Na-КМЦ содержатся в основном Na3PO4 и в небольших количествах Na2HPO4, поэтому мы пишем просто +Na3PO4.
Таблица 1. Исходные физико-химические показатели целлюлозосодержащих материалов
Вид материала Содержание целлюлозы, % Содержание лигнина, % Влажность*, % Источники информации
Торф переходный 9-20 до 20 48-51 [14]
Древесная стружка и опилки 56 26 20 [15]
смешанных пород древесины
Солома злаковых культур 38-40 20-24 15 [16]
Сидераты 30-35 18-22 78 [17]
Древесная кора смешанных 18 20 19 [15]
пород древесины
Влажность авторами определялась аналитически по ГОСТ 26713-85.
Таблица 2. Физико-химические показатели исходных смесей для компостирования и показатели готовых компостов
Варианты опытов Влажность, % Зольность, % Углерод общий, % Азот общий, % Фосфор общий, % Калий общий, %
ГОСТы для ана- 26713-85 26714-85 27980-88 26715-85 26717-85 26718-85
лиза *
Іумус,
Смеси Исходная Конечная Исходная Конечная Исходная Конечная Исходная Конечная Исходная Конечная Исходная Конечная %
Древесная 67 65 12 10 45 46 1,67 1,40 0,46 0,47 0,72 0,73 79,3
стружка + навоз
КРС (1)
Торф переход- 67 66 33 34 33 35 1,61 2,01 3,92 5,41 0,95 1,01 60,3
ный + навоз КРС
+ Ыа3Р04 (2)
Торф переход- 68 67 29 28 36 37 1,87 1,85 0,65 0,70 0,88 0,92 63,79
ный + навоз КРС
(2а)
Солома злаковых 67 65 19 20 43 44 1,8 2,4 0,81 0,91 1,22 1,31 75,8
культур + навоз
КРС (3)
Сидерат + навоз 80 78 32 33 38 40 2,43 2,52 1,12 1,14 2,89 2,81 69,0
КРС (4)
Древесная 65 63 4,3 4,7 47 48 1,73 1,74 0,36 0,38 0,45 0,49 82,7
стружка + навоз
КРС (5)
Гумус определяется по содержанию органического углерода [18].
Можно утверждать, что синтез фермента аденозинтрифосфата (АТФ) из другого вида аденозиндифос-фата (АДФ) и фосфорной кислоты (которая, как нами было установлено по методу А.П. Крешкова [9] образуется при введении в компостную смесь водорастворимых фосфатов), происходящий в живых клетках (в микроорганизмах - бактериях, грибах, актиномицетах), находящихся и развивающихся в компостной смеси и участвующих в компостировании, сопряжен с переносом электронов по дыхательной цепи (ре-докс-цепи) и есть пример окислительного фосфорилирования. Г. Дюга и К. Пони [8] считают, что в этом процессе участвуют так называемые цитохромы - переносчики электронов. При введении фосфатов (в первую очередь водорастворимых) в компостную массу (вариант 2) происходит ярко выраженное окисление субстрата (полисахаридов, клетчатки, гемицеллюлоз, олигосахаридов, ^глюкозы и т.п.) микроорганизмами. И даже для такой инерционной системы компостирования, какой является смесь торфа и навоза [1], наблюдается плавный подъем температуры при введении фосфатов. Можно отметить, что фосфаты инициируют деятельность микроорганизмов, усиливают их активность в значительной степени. Следует отметить высокое значение рН готового компоста (рис. 1, вариант 2) ~ 8,0. Это говорит о том, что готовый компост, полученный по этому варианту, обладает слабощелочной реакцией в отличие от готового компоста, полученного без добавок твердых отходов (рис. 1, вариант 2а. рН ~ 5,6, то есть такой компост является слабокислым). Это объясняется тем, что введение фосфатов в виде щелочных солей №3Р04 и №2ИР04 (в виде твердых отходов производства простых эфиров целлюлозы № - КМЦелл) способствует связыванию амми-
гельминтов
д
Л
о
о\
к
тз
V!
О о о О
о §
о 2 4^ 4^
^/1 40
о К> н- 4^
чо и) К> 4^
н- 4^ О <-/■
О О <1 <1
Ю о <1
|—‘0 4^ ^
и! 4^ 4^ 4^
Ы ОС ^ ^
о о к> к>
о О и) 4^
^ и) ^
н- О ^ <1
Н- Н- 4^
(?\ 00 ы о
о о ю ю
Н- О К> 4^
Ю 1Л ы о
о о ю к>
•—» О ^ 00
и> 40 00
О о о О
^/1 ^/1 (Л
^/1 <■ ^ с ^
1—1 4^ 4^
0 0 4^ <1 <1 4^
О О ^ <1
и) К> 40 4^
О о о о о
о К) V ^/1
и) 40 4^ <1 00
40 1-1 00 00 00
'о' гн 0\
Iе
Л
«
рэ
4^
ю
4^
4^
<1
4^
Ю
40
4^
Ю
ю ю
4^
40
ю
ю
ю
<1
ю ьо II к>
ю
4^
40 4^ 40
4^
40
н- ^
40 О
<1 <1
40 •—» <1
<1 <1 ^ 4^ <1
ю
ю
£ р ^/ , ^/1 к>
4^
40
^/1 ^
Чл о
Ю 4^ О ю 40 и)
« Л
8 о
Л ТЗ
Виды микроорганизмов
Исходный продукт
На стадии созревания
Конечный продукт
Исходный продукт
На стадии созревания
Конечный продукт
Исходный продукт
На стадии созревания
Конечный продукт
Исходный продукт
На стадии созревания
Конечный продукт
Исходный продукт
На стадии созревали я
Конечный продукт
тз
+ о
к Я ё ё о 2
н
о
13
^ е-£ + Д к
о е
.ь. Со О из
о
О
Й
о
&
ТЗ
«
О
тз
рэ
о
о
о
03
н
о
х
р
к
•3
о
о
к
о
Й
о
е
я
о
Й
к
ч
о
н
о
03
Е
к
о
X
о
Й
X
V
с>
о
о
к<
я
о
12
х
о
о
н
о
03
о
о
о
ж
X
р
о
н
ё
я
я
22
£
к
"й
о
-и
+
к»
к
ю
о
+
к»
+
к»
о
о
к
"й
О
-Ь.
+
к»
2
&
О
о
03 Р
Е X
03
Й
с»
н
Й
р
03
Й
к
03
X
Е
«*
о
ю
2
р
О
.и
+
ю
И
о
+
СТ\
О
О
СТ\
Ъ
а
о
о
+
к»
К
-Ь.
О
+
К
ю
о
к ^
О 03
§
к
р
я
р
03
Я я
1 I
о
О ж, к § Кс О
О КС
2 ^ X р
н
■% § О 13 Л я
Я 8 о
'-у ° а н И я
ю ^
% а р 8
о
й
03
К
р
X
о
03
о
о
03
X
*о
й
о
(Я
Е
00
00
я
р
к
Я
О
Й
&4
О
я
»
СО
СО
►в
и
Я
О
ся
Рис. 1. Изменение температуры и кислотности в процессе компостирования: 1 - древесная стружка + навоз КРС; 2 - торф + навоз КРС + Ка3Р04; 2а - торф + навоз; 3 - солома + навоз КРС; 4 - сидераты + навоз КРС; 5 - древесная кора + навоз КРС
Следует отметить корреляционную зависимость содержания аммиачных форм азота от рН компостных смесей (рис. 2).
Как видно из проведенной первой части работы (без введения микробиологических добавок), введение водорастворимых фосфатов инициирует процесс компостирования и снижает потери биогенных элементов (К, Р, К) при компостировании (рис. 1, табл. 2). Установлено, что для получения однородного по физикохимической природе продукта и для ускорения процесса необходимо использовать целлюлозосодержащий (влагопоглощающий) материал с влажностью не менее 40%. Для получения продукта с максимальным содержанием биогенных элементов (К, Р, К) необходимо получать продукт с минимальной пористостью (табл. 2, вариант 4 - сидерат-навоз КРС).
Рис. 2. Зависимость содержания ^м, % от рН смеси
Во второй части работы в качестве объекта исследования использовался подстилочный навоз на глубокой несменяемой подстилке, содержащей 10% древесной стружки и 90% соломы злаковых культур. В подстилочный навоз вводились микробиологические добавки раздельно, которые смешивались с навозом до гомогенного состояния, и из смесей формировались бурты (в разрезе 1,2х1,5х2,0 м), которые хранились в течение 21 дня.
Биотермические кривые компостирования подстилочного навоза приведены на рисунке 3. Эффективность компостов на основе подстилочного навоза с микробиологическими добавками была испытана (при 4-кратной повторности) при выращивании картофеля на легких песчано-подзолистых почвах. Результаты приведены в таблице 4.
Таблица 4. Эффективность компостов на основе подстилочного навоза с микробиологическими добавками
Варианты испытания Средняя урожайность Прибавка урожая
картофеля, ц/га ц/га %
Без внесения удобрения 126 - -
Компост на основе подстилочного навоза без микробиологических добавок при норме внесения во всех вариантах 60 т/га (контроль) 201 - -
Компост на основе подстилочного навоза с добавками флавобактерина 233 32 16
Компост на основе подстилочного навоза с добавкой мизорина 232 31 15
Компост на основе подстилочного навоза с добавкой экстрасола 245 44 22
Рис.3 Биотермические кривые компостирования: 1 - подстилочный навоз (контроль); 2 - подстилочный навоз + флавобактерин - 42 г/т;
3 - подстилочный навоз + мизорин -42 г/т; 4 - подстилочный навоз + экстрасол - 50 г/т
Как показали проведенные исследования, все применяемые микробиологические препараты являются азотфиксаторами [10-12], р. Arthrobacter, р. Pseudomonas, p. Flavobacterium являются факультативными анаэробами, и это сказалось на результатах физико-химических исследований. Потери азота при компостировании подстилочного навоза, как показали результаты анализов, при применении микробиологических добавок снизились в 2-3 раза. Это повлияло на урожайность картофеля (табл. 4). Как видно из таблицы 4, урожайность картофеля при введении микробиологических добавок увеличилась на 15-22%. Работа в данном направлении продолжается.
Выводы
1. Введение водорастворимых фосфатов инициирует процесс компостирования и снижает потери биогенных элементов (N, P, K).
2. Для получения однородного по физико-химической природе продукта и для ускорения процесса компостирования необходимо использовать целлюлозосодержащий (влагопоглощающий) материал с влажностью не менее 40%.
3. Для получения удобрения с минимальными потерями биогенных элементов необходимо получать продукт с минимальной пористостью.
4. Для снижения потерь биогенных элементов (в первую очередь N) и повышения урожайности сельскохозяйственных культур необходимо гомогенно раздельно вводить в исходную смесь для компостирования вышеуказанные микробиологические препараты.
Список литературы
1. Ульянова О.А., Чупрова В.В., Люкшина И.В., Ивченко М.В. Влияние состава органно-минеральных композиций на интенсивность процесса минерализации при компостировании // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 39-45.
2. Орлов Д.С. Химия почв. М., 1985. 376 с.
3. Кононова М.М. Проблемы почвенного гумуса и современные задачи его изучения. М, 1951. 392 с.
4. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процесс его трансформации. Л., 1980. 285 с.
5. Никольский К.С., Рябков В.В. Агроэкологические ресурсосберегающие основы получения твердых органических удобрений. Владимир, 2003. С. 1-10.
6. Никольский К.С., Сачков А.Н.. Твердые промышленные и бытовые органогенные отходы. Их свойства и переработка. М., 2004. 115 с.
7. Попов С.П., Файнберг Э.З. Взаимодействие целлюлозы и целлюлозных материалов с водой. М., 1976. 189 с.
8. Дюга Г., Пенни К.. Биоорганическая химия: Пер. с англ., М., 1983. С. 342-486.
9. Крешков А.П.. Основы аналитической химии. М., 1970.
10. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. М., 1987.
11. Оценка эффективности микробных препаратов в земледелии / Под общ. ред. А.А. Завалина, М., 2000.
12. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология. М., 2005.
13. Методы анализов органических удобрений / Под ред. А.И. Еськова, М., 2003.
14. Лиштван И.И., Терентьев А.А., Базин Е.Т., Головач А.А. Физико-химические основы технологии торфяного
производства. Минск, 1983.
15. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.; Л., 1962.
16. Лыков А.М. Гумус и плодородие почвы. М., 1985. С. 6-12.
17. Такунов И.П. Люпин в земледелии России. Брянск, 1996. С. 112-125.
18. Практикум по почвоведению / Под. ред. И.С. Кауричева. 4-е изд. перераб. и доп. М., 1986. С. 148-151.
Поступило в редакцию 26 августа 2005 г.
