Получение органо-минерального удобрения на основе компоста из растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 661.152

Е.А. Фарберова, A.B. Лапицкий

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПОЛУЧЕНИЕ ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНОГО УДОБРЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПОСТА ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Hccnedüeana eü3Mü:M:Hücmb ycKüpenun npü-цесса KüMnücmupü-вания pacmumenbHbix ümxüdüe за cnem emceHun минеральных düßa-6ük. HüKa3aHü, 4öü вpeмя ca3peeaHия KüMnücma npu ucnrnb3üeaöuu мижральныгх düöaeüK He npeвыlшaem вpeмя cüзpeвaнuя npu ucnmb-3üeaHuu дüбaвкu «Байкал ЭМ-1». Пüлyчeннüe üpгaнü-мuнepaльнüe ydüöpeHue xapaкmepuзyemcя dücmamü4Hü выг^кым cüдepжaнueм a3üma, фücфüpa, калш u магнш.

Деградация почвенного покрова относится к числу наиболее острых проблем современного природопользования. С истощением запасов гумуса и биофильных элементов в почвах происходит резкое нарушение органического и минерального питания почвенной биоты, нарастают условия олиготрофности, падают общая биологическая активность и плодородие почв, снижается их устойчивость к эрозии, химическому и бактериальному загрязнению [1]. Острота данной проблемы усиливается дефицитом органических удобрений, без внесения которых невозможно рассчитывать на воспроизводство почвенного плодородия [2].

Растительные отходы составляют значительную долю в составе ТБО как городских, так и домашних хозяйств: это сельскохозяйственные, садово-парковые, а также пищевые отходы растительного происхождения. По данным мониторинга полигонов захоронения ТБО г. Перми за 2000-2009 гг., растительные отходы составляют значительную долю (25-30 %) в общем объеме ТБО и включают в себя садово-парковые (15-17 %) и пищевые (10-13 %) отходы [3]. Наиболее экологически целесообразным методом переработки такого вида отходов является компостирование. Компостирование - это способ обезвреживания бытовых, сельскохозяйственных и некоторых промышленных твердых отходов, основанный на разложении органических веществ микроорганизмами. Конечным продуктом разложения является гигиенически чистое неток-

сичное гумусоподобное вещество, которое с успехом можно использовать, в первую очередь, в качестве средства, стимулирующего восстановление почвенных экосистем, и во вторую - в качестве органического удобрения.

Однако компостирование имеет относительно невысокую популярность по сравнению с другими методами утилизации отходов ввиду таких его недостатков, как длительный производственный цикл и иногда получение продукта нестабильного качества. Поэтому множество исследований в области переработки ТБО посвящено способам ускорения процесса компостирования. Это может быть достигнуто различными путями, такими как разработка высокоэффективных аппаратов компостирования и изменение биотических (вермикомпостирование, использование специализированных культур или сообществ микроорганизмов) или абиотических (температура, pH и др.) параметров протекания процесса.

Целью данного исследования явилось изучение возможности ускорения процесса компостирования растительных отходов за счет внесения минеральных добавок. Предполагалось, что их введение в состав сырьевого материала приведет к активизации микробной активности на начальных стадиях процесса. Основными факторами, влияющими на процесс компостирования, являются температура, аэрация, влажность и pH среды.

Температура - один из важнейших параметров, обеспечивающих эффективность компостирования. Она существенно меняется в процессе компостирования за счет теплового эффекта, который появляется в результате окислительной деструкции ковалентных связей у разлагаемых веществ. Обычно в любом процессе компостирования выделяют четыре основные температурные стадии: мезофильную, термофильную, стадии охлаждения и окончательного созревания компоста.

Исследования показали, что микроорганизмы термофильной стадии играют главную роль в разложении органических субстратов, они разлагают более 2/3 лигнина в процессе компостирования, в то время как в мезофильной стадии микроорганизмы перерабатывают в основном легко разлагаемые вещества, а на стадиях охлаждения и созревания разлагаются оставшиеся гуминовые вещества. На основе этого ученые сделали предположение, что термофильные микроорганизмы могут переработать большую часть органического вещества, которое разлагается мезофильными микроорганизмами на других стадиях. Иначе говоря, мезофильная стадия, а также стадии охлаждения и созревания не явля-

ются необходимыми частями процесса компостирования, а следовательно, период компостирования может быть значительно сокращен, если компостируемую смесь нагревать искусственно в целях поддержания подходящих условий для роста термофилов [4].

Другим важным параметром аэробного компостирования является аэрация. Существует три вида аэрации компостируемых смесей: принудительная аэрация, осуществляемая нагнетанием воздуха в бурты, компостные кучи или соответствующие аппараты для аэробного процесса; пассивная аэрация, осуществляемая специальным расположением горизонтальных буртов в направлении розы ветров и прокладкой внутри компостируемых буртов специальных труб с перфорацией, обеспечивающих пассивное поступление воздуха внутрь перерабатываемой смеси; и, наконец, метод компостирования с естественной аэрацией, без использования каких-либо приспособлений, но с учетом розы ветров.

По данным исследования, в котором проводилось определение оптимальной степени аэрации, наиболее эффективным способом аэрации компостируемой смеси из сельскохозяйственных отходов является принудительная аэрация со скоростью поступления воздуха 0,41 л/мин кг сухого компостируемого материала [5].

Содержание воды в компостируемых смесях имеет существенное значение для получения высококачественного компоста. Обычно процесс протекает достаточно эффективно при содержании воды в компостируемой смеси 35-65 %. Поддерживать эти значения особенно важно при принудительной аэрации, когда вода удаляется вместе с отходящими газами. Влажность компостируемой смеси в целях обеспечения высокой эффективности процесса не должна опускаться ниже 50 %.

Значение pH в смеси - еще один из показателей эффективности процесса компостирования. Обычно значения pH компостируемой смеси меняются от слабокислых (в результате синтеза карбоновых кислот) до слабощелочных (за счет образования ионов аммония) в интервале от 4,5 до 8,1. Как правило, эти значения тесно связаны с деятельностью микроорганизмов, которые участвуют в компостировании [6].

Сырье для компостирования, методика эксперимента. В качестве сырья для компостирования использовали смесь пищевых (очистки картофеля, кабачков и моркови, листья капусты), сельскохозяйственных (сорная трава) и садово-парковых (листовой опад) отходов в соотношении 1:1:1 (мас.). Листовой опад использовался в качестве наполнителя. Сырье измельчали до размеров 10-15 мм, подсушивали

на воздухе в течение 2 ч, затем смешивали с почвой и загружали в реакторы. В качестве добавок для повышения эффективности процесса компостирования использовали известное микробиологическое удобрение «Байкал ЭМ-1» и растворы минеральных солей (нитрат кальция, дигидрофосфат калия и сульфат магния).

Эксперимент проводили в четырех стационарных реакторах объемом 3 дм с принудительной аэрацией в течение 6 недель. Условия проведения эксперимента приведены в табл. 1.

Таблица 1

Условия проведения эксперимента

Номер реактора Инокулят Добавка Температура окружающей среды, °С

1 Почва Байкал ЭМ-1 18-20

2 Почва Байкал ЭМ-1 55

3 Почва Минеральная 18-20

4 Почва Минеральная 55

В каждый реактор вносили компостируемую смесь (КС) в количестве 1,2 кг (~2/3 объема) с влажностью около 75 %, перемешанную со 100 г почвы в качестве инокулята. Далее в реакторы 1 и 2 вносили добавку «Байкал ЭМ-1», разбавленную водой по рекомендации производителя в соотношении 1:10. В реакторы 3 и 4 вносили растворы минеральных солей в следующих количествах:

Ca(NO3)24H2O - 111,2 г/кг сухой КС;

KH2PO4 - 34,7 г/кг сухой КС;

MgSO47H2O - 17,4 г/кг сухой КС.

Реакторы 1 и 3 были изолированы от воздействия температуры окружающей среды. Реакторы 2 и 4 поместили в термостат с установленной температурой 55 °С с целью проведения термофильного компостирования.

Компостирование продолжалось в течение 6 недель, при этом компостируемую смесь еженедельно перемешивали и увлажняли для поддержания влажности на уровне около 70-75 %. Каждую неделю производили отбор пробы массой около 10 г для проведения анализов.

Методики анализа. Контроль параметров процесса компостирования осуществляли по изменению температуры, pH и численности микроорганизмов в компостируемой массе, а также эмиссии CO2 из реактора. Зрелость получаемого компоста определяли по индексу прорас-

тания и соотношению содержания общего углерода и общего азота (C/N) в компостируемой массе.

Температуру внутри компостируемой смеси измеряли с помощью спиртового термометра, закрепленного в крышке реактора, нижний конец которого находился в глубине компостируемой смеси.

Еженедельно производили отбор газовой фракции из реакторов

3

с помощью одноразовых пластиковых шприцов на 50 см . Присоединяли шприц к трубке для отвода газов из реактора, затем реактор встряхивали для извлечения газов из объема компостируемой смеси и через

5 мин отбирали пробу газовой фракции в количестве 50 см . Количество углекислого газа в пробе определяли с помощью газового хроматографа «Хроматэк Кристалл 5000.2».

Навески проб компостируемой смеси около 5 г помещали в металлические бюксы и высушивали до постоянной массы для определения влажности, общего углерода и общего азота. Доведенные до постоянной массы пробы измельчали в фарфоровой ступке, просеивали через сито с размером пор 0,25 мм и затем использовали для определения общего органического углерода по Тюрину и общего азота по Кьельда-лю. Навески влажных проб массой 5 г помещали в конические колбы

33

на 250 см3, смешивали с 50 см3 дистиллированной воды, встряхивали на качалке в течение 1 ч, затем фильтровали через складчатый фильтр и использовали для определения pH, численности мезофильных и термофильных микроорганизмов и коэффициента всхожести.

pH водной вытяжки определяли с помощью лабораторного pH-метра. Численность микроорганизмов определяли с помощью посева на твердую питательную среду в чашки Петри по методу Коха.

Коэффициент всхожести определяли по количеству проросших семян редиса посевного из десяти и длинам проростков в водных вытяжках из компостов по сравнению с контролем (дистиллированная вода).

Контроль качества готового продукта определяли по следующим показателям: зольность, отношение C/N, содержание в сухом веществе общего азота, подвижного фосфора (в пересчете на P2O5), калия (в пересчете на K2O), магния (в пересчете на MgO) и микроэлементов (Ca, Zn, Cu, Pb). Подвижный фосфор определяли по методу Кирсанова с помощью фотоэлектроколориметра APEL Photoelectric colorimeter AP-101 в кюветах толщиной 5 мм. Содержание ионов металлов определяли в водных вытяжках из компостов с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой на спектрометре iCAP-6500 Duo (Thermo Scientific).

Результаты и обсуждение. Начальная pH сырья была слабокислой, близкой к нейтральной (6,25). После начала компостирования pH в реакторе 1 ко второй неделе снижалась до 5,1, к пятой неделе поднималась до 8,1, затем снижалась до 7,6 (рис. 1). В реакторе 2 после первой недели компостирования pH стала слабощелочной (8,3), затем постепенно снижалась и стабилизировалась на значении 7,1. Таким образом, в реакторах с добавкой «Байкал ЭМ-1» при мезофильном компостировании на начальной стадии компостирования pH отклонялась в сторону слабокислых, при термофильном - в сторону слабощелочных значений. В реакторах с минеральными добавками ситуация была обратной: в термофильных условиях среда сначала подкислялась, затем нейтрализовалась, в мезофильных - pH сначала слегка повышалась (до 7,6), затем снижалась до 5,4 и нейтрализовалась. Конечная pH во всех компостах была приблизительно одинаковой (6,9-7,6).

2

О М 1 .1—1—1 -I—|—Ц

0 2 4 6

Время, нед

Рис. 1. Изменение pH компостируемой смеси

Результаты контроля численности сообщества микроорганизмов вполне соответствуют представлениям о кривых роста культуры в периодических условиях.

В реакторах 1 и 3 наблюдался преимущественный рост мезо-фильной микрофлоры (рис. 2, а), так как температура в них была на уровне 23-25 °С. В реакторах 2 и 4 термофилы достигали значительно большей численности (рис. 2, б), так как температурные условия были более подходящими для их роста (60-63 °С). Существенной разницы между реакторами с добавкой «Байкал ЭМ-1» и минеральными добавками не отмечено, однако в последних наблюдается несколько большая продолжительность лаг-периода.

Рис. 2. Изменение численности сообщества мезофильных (а) и термофильных (б) микроорганизмов в компостируемой смеси

Об активности микроорганизмов можно судить по интенсивности их дыхания (потребление кислорода или выделение углекислого газа).

Представленные на рис. 3 зависимости изменения концентрации С02 в пространстве реактора от времени показательно демонстрируют изменение активности сообщества микроорганизмов в процессе компостирования. Активность микроорганизмов значительно выше в реакторах, находящихся в термофильных условиях (реакторы 2 и 4). В реакторах 3 и 4 активность сообщества микроорганизмов нарастает более быстрыми темпами, чем в реакторах 1 и 2 соответственно, достигает максимальных значений после первых двух недель компостирования, однако и затухает быстрее - после трех-четырех недель. В реакторах 1 и 2 пик активности приходится на период со второй по третью неделю. Таким образом, введение минеральных добавок стимулирует повышение активности сообщества микроорганизмов на начальных стадиях компостирования.

Характер зависимости изменения количества общего углерода от времени компостирования приблизительно одинаков для всех четырех реакторов: в первые 4 недели минерализуется большее количество

Рис. 3. Изменение эмиссии С02 из реакторов в течение процесса компостирования

органического вещества (около 20 %), затем углерод потребляется незначительно (3-4 %). Максимальные скорости потребления органики во всех реакторах наблюдались после второй недели (рис. 4, а). Суммарные потери общего углерода (рис. 4, в) были несколько выше в реакторах 4 и 2 (23 и 22 % соответственно), чем в реакторах 1 и 3 (около 21 %). Таким образом, общие потери и скорость потерь общего углерода несколько выше при термофильном компостировании и при использовании минеральной добавки, что говорит о большей эффективности процесса компостирования.

Характер изменения содержания общего азота в компостируемой смеси практически идентичен для всех реакторов. Различие состоит только в том, что в реакторы 3 и 4 вносилась минеральная добавка, содержащая нитрат-ионы, поэтому содержание азота в компостируемой массе после первой недели выше, чем в исходном сырье. Максимальные скорости потери азота во всех реакторах наблюдались после третьей недели (рис. 4, б), причем в реакторах 4 и 3 они были больше (4,5 и 4,0 г/кг в неделю соответственно), чем в реакторах 2 и 1 (3,4 и 3,2 г/кг в неделю соответственно). Суммарные потери азота (рис. 4, г) в реакторе 4 оказались наибольшими (около 16 г/кг сухой компостируемой массы). В остальных реакторах потери азота были меньше (12, 11 и 10 г/кг сухой компостируемой массы в реакторах 2, 3 и 1 соответственно). Таким образом,

Рис. 4. Изменение скорости потерь общего углерода (а) и азота (б), интегральные потери общего углерода (в) и азота (г)

потери азота несколько увеличиваются при термофильном компостировании и в случае внесения минеральной добавки. Однако содержание общего азота в реакторах 3 и 4 в конце компостирования составило 31 и 29 г/кг сухой компостируемой массы соответственно, что на 35-40 % больше, чем в реакторах 1 и 2.

Зрелость компоста оценивается по массовому соотношению в нем общего углерода и общего азота (C/N). Согласно европейскому стандарту качественный компост должен иметь C/N ниже 15. На рис. 5, а показана зависимость изменения отношения C/N от времени компостирования. Отношение C/N достигает минимальных величин после второй недели компостирования и далее существенно не меняется. При этом оно практически не зависит от температуры, но заметно снижается при внесении азота с минеральной добавкой.

Рис. 5. Изменение отношение общего углерода к общему азоту (а) и индекса прорастания (б) в процессе компостирования

Индекс прорастания семян редиса постепенно увеличивается с увеличением длительности компостирования (рис. 5, б). Компост с индексом прорастания менее 80 % считается фитотоксичным, более 80 % - зрелым. После 6 недель компостирования компосты в реакторах 2 и 4 характеризуются индексом прорастания более 100 %, что свидетельствует о том, что компосты не только свободны от фитотоксинов, но и обладают действием, стимулирующим прорастание. На основании этих данных можно сделать вывод, что созревание компоста в термофильных условиях завершается быстрее, чем в мезофильных, а время созревания компоста при внесении минеральной добавки практически не отличается от времени созревания при использовании добавки «Байкал ЭМ-1».

Конечное отношение C/N во всех полученных компостах меньше 15, причем для компостов с добавкой «Байкал ЭМ-1» оно близко к 14, а для компостов с минеральной добавкой - около 10.

Исследован минеральный состав полученных образцов компоста (рис. 6). Содержание элементов минерального питания и их соотношение в полученных компостах различно. Наибольшее содержание таких важных для роста растений элементов, как K, Mg, Ca, отмечено в образцах компостов № 4 и 2. Содержание в компосте № 4 MgO и K2O (рис. 6, б, в соответственно) превышает их содержание в остальных

12 3

Номер образца компоста

д

Рис. 6. Содержание в готовом компосте подвижного Р205, мг/100 г сухой компостируемой массы (а), подвижных М^0 (б), К20 (в), Са2+ (г), мас. %, и микроэлементов, мг/кг сухой компостируемой массы (д);

выход продукта, % (е)

образцах в 2 и более раз, а содержание Р2О5 и Са (рис. 6, я, г соответственно) - в 1,5 и более раз, благодаря использованию минеральной

2+ 2+

добавки. Наибольшее содержание ионов тяжелых металлов (РЬ , Си , 2+

Zn ) отмечено в образцах компоста № 4 и 2 (рис. 6, д), что, вероятно, связано с большей степенью минерализации сырья в термофильных условиях. Превышение ПДК зафиксировано только по меди в образце компоста № 4, однако оно незначительно (табл. 2).

Таблица 2

Лимитируемые гигиенические показатели загрязняющих веществ (мг/кг), характеризующие нормативно чистую почву (МУ 2.1.7.730-99)

Вещество Класс опасности ПДК (ОДК), мг/кг Форма содержания в почве Превышение нормы

Медь 2 3 Подвижная Комп. № 4 (6,98)

Свинец 1 6 Подвижная -

Цинк 1 23 Подвижная -

Наибольшая степень переработки исходного сырья (приблизительно 50 % по сухой массе) наблюдалась при термофильном компостировании в реакторах 4 и 2 (рис. 6, е).

Заключение. Предложенный способ компостирования растительных отходов с минеральной добавкой оправдал себя как в случае термофильного, так и в случае мезофильного компостирования. Период созревания компоста при использовании минеральной добавки не превышает период созревания при использовании добавки «Байкал ЭМ-1», эффективность которой по сравнению с традиционным компостированием доказана предыдущими исследованиями [7]. Полученное данным способом удобрение сочетает в себе свойства органического и минерального удобрения: с одной стороны, оно улучшает структуру почвы и препятствует истощению плодородного слоя, с другой - несет в себе необходимые для растений компоненты минерального питания, в частности, Р2О5 (25 мг/100 г сухой компостируемой массы в случае термофильного и 18 мг/100 г сухой компостируемой массы в случае мезофильного компостирования), К2О (1,2 % в случае термофильного и 0,65 % в случае мезофильного компостирования), MgO (0,046 % в случае термофильного и 0,008 % в случае

2+

мезофильного компостирования), Са2+ (0,084 % в случае термофильного и 0,006 % в случае мезофильного компостирования). Однако при термофильном компостировании содержание минеральных компонентов значительно превышает их содержание при мезофильном компостировании, и время созревания компоста сокращается на 1-2 недели.

Список литературы

1. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. - М.: Агропром-издат, 1987. - 368 с.

2. Абашеева Н.Е. Агрохимия почв Забайкалья. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е, 1992. - 214 с.

3. Санитарно-гигиенический мониторинг полигонов захоронения твердых бытовых отходов на этапах жизненного цикла / А.М. Зомарев, Я.И. Вайсман, И.С. Глушанкова // Гигиена и санитария. - 2010. - № 1. -С. 39-42.

4. Continuous thermophilic composting (CTC) for rapid biodegradation and maturation of organic municipal solid waste / Yong Xiao, Guang-Ming Zeng, Zhao-Hui Yang [et al.] // Bioresour. Technol. - 2009. -P. 4807-4813.

5. Kulcu R., Yaldiz O. Determination of aeration rate and kinetics of composting some agricultural wastes // Bioresour. Technol. - 2004. - P. 49-57.

6. Неклюдов А.Д., Федотов Г.Н., Иванкин А.Н. Аэробная переработка органических отходов в компосты // Прикл. биохимия и микробиология. - 2006. - Т. 42, № 4. - С. 389-403.

7. Проценко А.А., Сальников Ю.Г., Проценко Е.П. Эффективность утилизации бытовых органических отходов биопрепаратом «Байкал ЭМ-1» и использование их в растениеводстве [Электронный ресурс]. - URL: www.rfcontact.ru/text/12.78

Получено 20.06.2012