CC BY
66
We consider the new technology of removing manure from pig waste, its processing with the division into factions, and their subsequent disinfection and use as fertilizer. Keywords: manure runoff, separator, liquid and solid fractions, the lagoon, making intra-soil.
УДК 631.95
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА УТИЛИЗАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ
В.Н.Афанасьев А.В.Афанасьев
Даны результаты исслоедований технологий утилизации сельскохозяйственных отходов на основе их анализа и синтеза с их эколого-экономической оценкой, определены рациональные технологии для хозяйств Ленинградской области.
Ключевые слова: биологический оборот, органические удобрения, выбор технологий, ускоренное компостирование, ассоциация целлюлозолитических микроорганизмов, характеристика компостов.
Основой органической жизни является биологический оборот питательных веществ, в котором участвуют, как растения, так и животные. При этом растения под действием солнечной энергии разлагают углекислый газ атмосферы и поставляют в биологический оборот углерод, а в атмосферу кислород. Животные используют растения как корм, фиксируют азот и поставляют его затем в биоценоз почвы, который обеспечивает растения питанием, а в атмосферу поставляет углекислый газ.
Поэтому вопросы образования, переработки и использования отходов сельскохозяйственного производства, имеющих широкий диапазон объемов и свойств необходимо рассматривать как часть органической жизни на Земле.
Целью исследований является: определение наиболее рациональных технологий утилизации отходов сельскохозяйственного производства для Ленинградской области, включающих в себя три сложных, но самостоятельных процесса: производство, подготовку и непосредственно использование с пользой для сельского хозяйства.
Задачами исследований явилось изучение и анализ многообразия применяемых технологий и проведение эколого-экономической оценки рациональных существующих и перспективных технологий для современных животноводческих предприятий.
Важнейшим этапом утилизации навоза, определяющим эффективность его использования является образование навоза и его удаление из помещений для содержания животных. Количество и свойства отходов животноводства определяются системой содержания животных. В животноводстве применяются две системы содержания: подстилочная и бесподстилочная, каждая из которых имеет свои положительные и отрицательные стороны.
Так, подстилочная система содержания требует применения дополнительных материалов и энергии, улучшает использование отходов растениеводства, увеличивает выход отходов и трудности с его удалением, но с другой стороны обеспечивает лучшие условия содержания животных (сухое ложе и благоприятный микроклимат), увеличивает содержание углерода, так необходимого для повышения плодородия почв при использовании его в качестве органического удобрения.
Бесподстилочная система содержания приводит к образованию отходов в жидком или полужидком состоянии, а это приводит к ухудшению микроклимата в помещениях для содержания животных, к дополнительному расходу воды для удаления отходов, увеличению выхода, существенному снижению содержания гуминовых веществ. При этом увеличивается объем капиталовложений на строительство хранилищ и транспортных затрат при внесении навоза в почву; низкое содержание гуминовых веществ не обеспечивает повышения почвенного плодородия; разложение аммонийного азота в естественных условиях приводит к образованию нитритов и нитратов с последующим накоплением их в растительной продукции; снижение урожайности основной культуры из-за наличия большого количества семян сорных растений; возможное заражение продукции из-за наличия в навозе избыточного содержания амонийного, яиц и личинок гельминтов и патогенной микрофлоры [1].
Вторым важным этапом утилизации сельскохозяйствеенгых отходов является их переработка в продукты эффективного применения в биологическом обороте питательных веществ.
В подавляющем большинстве хозяйств России применяются в основном две технологии утилизации навоза и помета:
1. Удаление, длительное хранение с целью биологического естественного обеззараживания, внесение в почву путем разбрасывания по поверхности поля с последующей запашкой.
Недостатками этой технологии является: необходимость применения воды для удаленя навоза, что увеличивает его объемы, длительность процесса биологического обеззараживания - до 12 месяцев, что требует больших капиталовложений в строительство хранилищ.
К недостаткам следует отнести также значительную потерю питательных веществ, что снижает необходимость поддержания плодородия почв, высокая фильтрационная способность почвы азотсодержащей жидкой фракции, что ведет к загрязнению поверхностных вод и атмосферного воздуха и, что самое неприятное, низкая надежность обеззараживания.
2. Удаление, хранение навоза в зимний период, смешивание навоза с влагоемкими материалами (торф, опилки и др.) с целью снижения влажности смеси, компостирование смеси путем выдерживания ее в буртах на открытых площадках в течение 2-3 месяцев и внесение впочву разбросным способом с последующей запашкой.
Недостатками этой технологии являются: также необходимость длительного хранения, высокая потребность во влагоемком материале (до двух тонн на одну тонну навоза), отсутствие технических средств и высокая трудоемкость для нормативного обепечения технологии компостирования, а вследствие этого ненадежность обеззараживания, также большие потери (до 30-40%) питательных веществ.
Несмотря на отмеченные недостатки, технология производства твердых органических удобрений является наиболее перспективной в связи с тем, что только высококачественное твердое органическое удобрение, получаемое путем компостирования способствует повышению почвенного плодородия при низком уровне почвенного гумуса. Компостирование является одним из простейших биохимических способов получения высококачественных биологически активных органических удобрений, способствующих повышению гумуса почв.
В настоящее время сформулировались две наиболее важных биотехнологических концепции переработки органического вещества из навоза и помета:
• анаэробное сбраживание с получением биогаза;
• экзотермическая ферментация или компостирование, обеспечивающее получение гумусного субстрата.
Основными недостатками обоих процессов является большая длительность процессов (до 90 суток) и существенная потеря органических и питательных веществ (до 50%).
В процессе анаэробного сбраживания из отходов изымается углерод, важнейший элемент, лежащий в основе экзотермической ферментации и образовании гумусных веществ.
Получаемый биогаз требует дополнительной обработки перед его применением.
Синтез высокомолекулярного гуминового продукта из органического вещества отходов, поддерживающего плодородие почвы - это микробиологический процесс с большими энергетическими затратами. Кроме того, компостирование жидких отходов требует применения дополнительных органических материалов для обеспечения биотермических процессов.
В настоящее время ведется разработка технологий и технических средств производства твердых органических удобрений, обеспечивающих резкое сокращение сроков производства и надежности процесса обеззараживания. Реализация этого метода осуществляется в закрытых сооружениях - биореакторах циклического или непрерывного действия.
Наиболее широкое применение находит циклический метод приготовления компостов с применением установки ускоренной аэробной биоферментации камерного типа, разработанный в институте ВНИИМЗ [2].
По камерной технологии подготовка компостной смеси проводится отдельно на смесительном пункте и транспортируется в цех компостирования. Загрузка осуществляется фронтальным погрузчиком.
Биоферментатор представляет собой сооружение состоящее из двух камер с внутренним размером одной камеры 4,8*9*3,7 м (рис.1), в полу которой вмонтировано 8 перфорированных труб. На задней стенке камеры установлен вентилятор, который через соединительный рукав подает воздух через перфорированные трубы в органическую смесь.. Подача воздуха в камеру осуществляется с помощью вентилятора ВР 80-75-2,5. В передней части камеры имеются двухсекционные металлические ворота с отверстиями для контроля температуры и содержания кислорода в массе. Необходимое время переработки сырья для получения качественного компоста в камере биоферментатора составляет 7 - 8 суток при рабочей температуре 60-75оС.
Рис. 1. Конструкция секции камерного биоферментатора: 1 - камера биоферментатора, 2 - рабочая смесь, 3 - ворота, 4 - вентилятор напорный,
5 - вентилятор вытяжной, 6 - система напорных воздуховодов, 7 - отверстия для замера температуры, 8 - штанга кислородомера, 9 - гибкий шланг, 10 - кислородомер.
Наиболее совершенной является установка непрерывного действия барабанного типа (рис. 2), в которой в дополнение к вытеснению добавляется принцип непрерывного смешивания. Принцип двойного ускорения приводит к сокращению времени выхода на рабочий режим после загрузки очередной порции смеси до 4-6 часов. В результате этого общее время обработки исходной смеси сокращается до 3-4 суток [3], а при использовании ускоряющей разложение целлюлозы микрофлоры время обработки может быть сокращено до 1 суток.
Рис.2. Технологическая схема производства компостов в биореакторе барабанного типа: 1 - емкость для навоза; 2 - транспортер-дозатор; 3 - бункер-дозатор наполнителя; 4 - дозаторы микродобавок; 5 - транспортер-смеситель; 6 - биореактор; 7 - вентилятор; 8 - электрокалорифер; 9 - сепаратор; 10 - отгрузочный транспортер; 11 - буртоукладчик; 12 - площадка хранения удобрений; 13 - система очистки воздуха.
Технико-экономические показатели трех технологий производства твердых органических удобрений на молочной ферме на 1000 голов приведены в таблице.
1. Технология производства твердых органических удобрений на площадке для навоза влажностью 86% с добавлением торфа с двухкратным перемешиванием смеси.
2. Технология производства твердых органических удобрений с использованием твердой фракции навоза после разделения на фракции в биореакторе барабанного типа в двух вариантах:
2.1 Традиционная технология, уже применяемая в России, но довольно длительная по времени ферметации (для сравнения).
2.2. Технология с применением Асоциация Целлюлозолитических Микроорганизмов для ускорения компостирования на 50% (скорость разложения целлюлозы, гемицеллюлозы) - АЦМ-У [4].
3. Технология производства твердых органических удлбрений из помета пониженной влажности с применением органических наполнителей в биореакторе камерного типа.
Основные эколого-экономические показатели рекомендуемых технологий обработки и использования навоза и помета приведены в таблице.
Таблица. Характеристика технологий компостирования навоза (помета)
Показатели Ед. Варианты технологий
измер. 1 2.1 2.2 3
Объем производства т/сут 100 10 15 20
Капитальные затраты тыс. руб 10655 10700 10950 13470
Амортизационные тыс. руб 680 774,0 783,0 673,0
отчисления
Затраты эл. энергии. тыс. кВт.ч 225,0 300,0 560,0
Затраты топлива/тепло т 105 180 210 210,0
Затраты труда чел. 9000 4000 6000 6000
Объем торфа, т/год 3900 3000
материалы
Эксплуатационные тыс. руб 3710 2310,0 3700 5633
затраты
Выход удобрений т/год 20800 36500 5475 7300
Площадь под внесение га 438 365 545 545
Себестоимость руб/т 656 633,0 493,0 563
Коэффициент экол. безопасности 0,8 0,9 0,95 0,9
Себестоимость руб/т 820 703,0 519,0 772,0
с учетом К экб
Повыш. плодор. почвы тыс. руб 14454 13510 21360 20230
Третьим этапом утилизации отходов производства является использование полученных в результате обработки органоминеральных удобрений.
Внесение отходов в почву в жидком виде обеспечивает лишь гниение, в результате которого образуются вещества с низкой устойчивостью. Поглощение энергии в процессе анаэробного сбраживания для производства биогаза, приводит к её недостатку для синтеза устойчивого гумуса.
Биоэнергетический потенциал почвы в конечном итоге лишается ценности и ведет к энергетическим затратам в сельскохозяйственном производстве для улучшения низкого плодородия другими средствами, например, применением искусственных удобрений, более тщательной обработкой почвы, более высокими требованиями к влажности и т.д., сумма которых значительно больше стоимости энергии, получаемой в форме биогаза.
Использование навоза в виде гуминового компоста улучшает водоудер-живающую способность почвы и способствует сохранности питательных веществ, созданию жизненных условий для полезных почвенных организмов, улучшение состояния окружающей среды, широкое и эффективное использование удобрений по различному назначению.
Зрелый компост является устойчивым продуктом, который не представляет трудностей в хранении, у него нет неприятного запаха, патогенных организмов, вредных сорняков и других фитотоксичных веществ; он улучшает качество почвы и растений, ускоряет обмен питательных веществ между корнями и почвой.
Выводы
1. Система содержания животных может быть подстилочной или бесподстилочной, но обеспечивающей получение и удаление навоза без добавления воды, обработка его методом биоферментации с получением твердых органических удобрений с заданными свойствами, внесение удобрений в почву методом разбрасывания с немедленной заделкой.
2. Наиболее рациональным методом обработки навоза и помета является обработка в закрытых биореакторах барабанного или камерного типа.
3. Необходимо дальнейшее совершенствование метода боферментации сцелью сокражения сроков и организации непрерывного процесса обработки.
Литература:
1. Хазанов, Е.Е. Модернизация молочных ферм / Е.Е.Хазанов, В.В.Гордеев, В.Е.Хазанов. -СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2008. - 380 с.
2. Рабинович, Г.Ю. Инновационные технологии биоконверсии торфа в удобрения и биопрепараты / Г.Ю.Рабинович, Н.Г.Ковалев // Инновационные технологии использования торфа в сельском хозяйстве: Сб. докл. / ГНУ ВНИИОУ Россельхозакадемии. - 2010. - С.207-213.
3. Афанасьев, В.Н. Результаты экспериментальной проверки технологии производства биологически активных органических удобрений из помета / В.Н.Афанасьев, Д.А.Максимов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Нечерноземной зоне России: Сб. науч. трудов / НИПТИМЭСХ НЗ. - СПб., 1999. - Вып. 70.
4. Афанасьев, В.Н. Технология производства эффективных биоудобрений из птичьего помета с помощью микробных инокулюмов / В.Н.Афанасьев, О.В.Орлова, И.А.Архипченко // Экология и промышленность России. - 2009.
Афанасьев Вячеслав Николаевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Афанасьев Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГНУ Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Тел. (8812)476-86-02 E-mail: nni@sp.ru
The results of studies of agricultural waste recycling technologies based on their analysis and synthesis of ecological and economic evaluation, a rational technology for enterprises of the Leningrad Region.
Keywords: biological cycle, organic fertilizers, selection of technology, accelerated composting, association of cellulolytic microorganisms, characteristics of compost.
