CC BY
929
УДК 504.06
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
© 2017 С. Ю. Миронов1, М. В. Протасова2, Е. П. Проценко3, Н. А. Балабина4, О. В. Лукьянчикова5
1канд. биол. наук, с.н.с. НИЛ экомониторинга
2канд. с/х. наук, студент магистратуры направления экология и природопользование 3докт. с/х. наук, профессор кафедры общей биологии и экологии 4канд. биол. наук, доцент кафедры общей биологии и экологии 5канд. биол. наук, доцент кафедры общей биологии и экологии
e-mail: [email protected] Курский государственный университет
В статье проанализированы материалы, посвященные проблеме рационального использования органических отходов животноводства. Описаны технологии утилизации органических отходов, применяющиеся при экологизации обращения с органическими отходами в России и зарубежных странах. Выделены наиболее перспективные направления.
Ключевые слова: органические отходы, технологии утилизации, компостирование, получение энергии, переработка на корм скоту, термическая деполяризация, биогаз, биогумус, вермикультивирование.
В России функционирует более 1600 крупных животноводческих предприятий, птицефабрик, свинокомплексов, а также проводится большая работа по реконструкции и строительству новых комплексов по животноводству и птицеводству. Каждый день в стране вырабатывается 450 тыс. тонн помета, навоза и стоков, из которых более половины никак не используется, что является серьезной угрозой для распространения инфекционных заболеваний и загрязнения почв.
Сегодня более 2 млн га земли занято под хранение навоза. Этот ресурс представляет реальную экологическую угрозу. Современная наука предлагает широкий спектр технологий для переработки и утилизации органических отходов животноводства и птицеводства. Такие технологии требуют значительных финансовых затрат, и в зависимости от конечного продукта переработки данных отходов его производство, по разным оценкам, может стоить от половины до полной стоимости самого животноводческого или птицеводческого предприятия. Поэтому выбор наиболее экономичной, эффективной технологии утилизации органических отходов для каждого конкретного хозяйства, обеспечивающей гарантированное производство полезной продукции и энергии, приобретает особое значение с позиции обеспечения охраны природы, безопасности труда обслуживающего персонала, здоровья населения и рентабельности производства [Сатликова, Дружакина 2009]. В настоящее время используются разные технологические приемы утилизации отходов животноводства и птицеводства. Ниже рассмотрим особенности некоторых основных технологий.
1. Компостирование. Определений термина «компостирование» в научной литературе встречается немало. Это связано с подходами к рассмотрению сущности данного процесса. Б.А. Ягодин, Ю.П. Жуков, В.И. Кобзаренко дают следующее определение понятия «компостирование» как биотермический процесс минерализации
и гумификации обычно двух органических компонентов (иногда с добавками минеральных), уменьшающий потери питательных элементов одних (навоз, его жижа и стоки, фекалии, помет птиц, ОСВ и др.) с одновременным ускорением разложения других (торф, солома, опилки, бытовой мусор и др.) и переводом в доступные для растений формы питательных элементов [Ягодин, Жуков, Кобзаренко 2004]. Нетрусов А.И., Котова И.Б. указывают на то, что «компостирование - это увеличение скорости природной минерализации отмершего органического вещества» [Нетрусов, Котова 2007: 308].
Компостирование - один из приемов вторичного использования отходов различных производств, который позволяет уменьшить потери питательных веществ в одних органических отходах при их разложении и усилить доступность для растений элементов питания в составе других. Отходы, используемые в компостировании, варьируют от городского мусора до более гомогенных субстратов, таких как отходы животноводства и растениеводства, активный ил и ОСВ. Компостирование отходов позволяет в контролируемых условиях ускорить их деградацию, тогда как в естественных условиях этот процесс протекает медленно [Белюченко 2011].
Компостирование отходов - это способ разложения и преобразования органических продуктов при помощи микроорганизмов. Главная цель компостирования заключается в переработке отходов в удобрение и их обеззараживании. Наиболее часто компостирование применяется для переработки отходов органического происхождения (листья, скошенная трава, ветки), но также существуют технологии для переработки пищевых отходов [Назаретова, Верников 2012].
В основе приготовления компоста лежит процесс разложения. В ходе этого процесса не только происходит распад органической массы на отдельные составляющие, но и образуются новые сложные субстанции - биологически активные вещества, гумус.
Чаще всего компост состоит из двух главных компонентов органического происхождения, неодинаковых по устойчивости к разложению микроорганизмами. Один из них играет преимущественно роль поглотителя влаги и аммиака и без компостирования слабо разлагается (торф, дерновая земля, древесные отходы), а другой богат микрофлорой, содержит достаточное количество легкораспадающихся азотистых органических соединений (навоз, куриный помет, ОСВ). К таким компостам относятся торфонавозные, торфофекальные, торфожижжевые, компосты из соломы и других трудноразлагающихся органических материалов с фекальной массой, жижей и т. д. В состав органических компостов часто вводят микрофлору в виде бактериальных препаратов [Ягодин 1989].
В качестве важных компонентов при создании компостов могут служить не только органические отходы, но и минеральные. Применяют их для обогащения органических удобрений недостающими питательными веществами и устранения их кислотности или щелочности, создания оптимальных условий для развития микроорганизмов. Минеральными добавками при приготовлении сложного компоста для повышения его эффективности могут выступать такие промышленные отходы, как фосфогипс, галитовые шламы и др.
Компостирование может протекать как в анаэробных (в отсутствие кислорода), так и в аэробных условиях (при наличии кислорода), о чем говорится в работах А.Д. Неклюдова, А.Н. Иванкина [Неклюдов, Иванкин 2003].
Анаэробное компостирование протекает быстрее (при высоких температурах, без запаха). Оно происходит с использованием мезофильных и термофильных бактерий.
Аэрация играет важную роль в процессе компостирования, а также выполняет ряд функций: поддерживает концентрацию кислорода в компосте, повышает скорость процесса ферментации, ускоряет процесс созревания компоста, улучшает качество компоста. При определенной влажности, доступе воздуха микроорганизмы питаются, разлагая органический материал, и получают при этом жизненную энергию в результате процесса окисления углерода в двуокись углерода. Процессы окисления сопровождаются высвобождением значительного количества тепловой энергии, как при сгорании. В ходе созревания компоста происходят значительные преобразования энергии. Микроорганизмы расщепляют природные углеродные соединения до тех пор, пока есть необходимые для их жизнедеятельности вещества. Затем они отмирают, предоставляя органическую субстанцию своих организмов и полученных продуктов распада для жизни других микроорганизмов.
Компост постоянно изменяется в ходе процесса разложения по своему физическому, химическому и биологическому состоянию. Процесс разложения компоста проходит несколько фаз, и его длительность составляет в зависимости от ожидаемого конечного качества продукта 6—12 месяцев, за время разложения объем материала сокращается на 20 %. Каждая из фаз разложения характеризуется особыми признаками и возникновением различных форм микроорганизмов.
Фаза распада - первичное разложение сырого материала при участии простейших почвенных микроорганизмов (аэробные спириллы,
актиномицеты, плесневый грибок, эубактерии, винтообразные бактерии).
Фаза реконструкции - переходный этап, происходит увеличение числа микроорганизмов (вилохвостка, пеницилл, актиномицеты, дрожжевой грибок, плесень головчатая, спириллы).
Фаза синтеза - образование незрелого компоста, а также увеличение числа почвенных организмов (компостный червь, плесень зеленая, мокрица свертывающаяся, дрожжевой грибок, плесень головчатая, пеницилл, актиномицет, вилохвостка, многоножка).
Фаза созревания - продолжение сложных внутренних процессов построения материала компоста, зрелый компост.
Фаза гумификации - формирование устойчивых форм гумуса, образование ценной компостной земли.
В фазе распада происходит повышение температуры до 60-700С, распад легко обратимых органических субстанций. Простейшие микроорганизмы питаются легко разлагающимися белком и сахаром, целлюлозой и жирами. Происходит снижение всхожести семян сорняков, уничтожение возбудителей заболеваний растений под действием термической реакции.
В фазе реконструкции снижается температура до 30-35 °С, активизируется рост грибков (лучевой грибок, дрожжевой грибок, зеленая плесень), аммиак образует органические соединения, снижается соотношение С: N.
В фазе синтеза температура падает до 20°С, происходит заселение массы почвенными организмами более высокого развития (мокрицами, навозными червями, вилохвостками).
Благодаря деятельности компостных червей происходит усиленное перемешивание органических и минеральных частей материала. В результате этого органические вещества переходят в доступную для растений форму. Образующийся компост можно применять в качестве незрелого продукта для мульчирования. Он богат азотом и содержит большое количество питательных веществ.
Основная ценность незрелого компоста заключается в его активизирующем влиянии на почвенные микроорганизмы, то есть процесс разложения компоста
продолжается уже непосредственно на почве. Кроме того, незрелый компост содержит биогенные стимуляторы роста растений и способствует образованию двуокиси углерода в почве.
В фазе созревания температура компоста сравнивается с естественной температурой почвы, останавливаются процессы разложения, снижается потребность в кислороде. Зрелый компост - это конечный продукт компостирования. Появляются стабильные гумусные формы с хорошо связанными в их составе питательными веществами.
Производство компостов из органических отходов как отрасль хозяйственной деятельности широко развита во всем мире, так как процесс компостирования решает сразу несколько задач: утилизация отходов, которые создают угрозу загрязнения окружающей среды, производство органических удобрений. Данный процесс осуществляется с применением соответствующей аппаратуры.
Компост содержит 2% калия, 3% фосфора, 5% азота. По своему химическому составу он относится к числу лучших видов органических удобрений. При внесении такого удобрения в почву поступают как минеральные элементы, так и до 80% органики, что позволяет восстановить, сохранить баланс гумуса в почве.
Эффективность компостирования зависит от следующих показателей: температуры, величины рН, потребности кислорода и состава отходов. Влажность отходов должна составлять 75-85 %.
В России на мусороперерабатывающих заводах применяют способ компостирования, который включает в себя процесс сбраживания в биореакторах твердых бытовых отходов. В результате образуется конечный (опасный) продукт, находящий ограниченное применение.
Следует отметить многообразие технологий компостирования (табл. 1).
Таблица 1
Основные технологии компостирования_
Технологии компостирования Описание
Минимальная технология Компостные кучи достигают 4 м в высоту, 6 м в ширину. Переворачивается один раз в год. Длительность от 1 до 3 лет (в зависимости от климата). Необходима большая санитарная зона
Технология низкого уровня Компостные кучи 2 м в высоту и 3-4 в ширину. В первый раз кучи переворачиваются через месяц. Следующее переворачивание и формирование новой кучи - через 10-11 месяцев. Компостирование занимает 16-18 месяцев
Технология среднего уровня Компостные кучи 2 м в высоту и 3-4 в ширину. В первый раз кучи переворачиваются через месяц. Следующее переворачивание и формирование новой кучи - через 10-11 месяцев. Компостирование занимает 16-18 месяцев
Технология высокого уровня Требуется специальная аэрация компостных куч. Компост готов уже через 2-10 недель
Из приведенной выше классификации технологий компостирования можно сделать вывод, что дешевые и простые технологии занимают больше времени и требуют больше места. Соблюдая технологию можно получить удобрение высокого качества, но около 30-40% питательных веществ теряется в виде газов.
В России для масштабного применения рынок органических удобрений не сформирован, но имеет большой потенциал роста из-за большого количества органических отходов, которые необходимо перерабатывать. Для компостирования
можно использовать большое разнообразие материалов, что дает возможность приготовить различные варианты компостов разной эффективности. В данном процессе необходимо учитывать соотношение и качество составляющих веществ.
Для проведения процесса производственного компостирования необходимо использовать специальную технику, организовать площадку, иметь значительное количество целлюлозосодержащих отходов, содержащих торф, солому или опилки, которые снижают содержание влаги.
Органические отходы и растительные остатки в земледелии превращаются в результате компостирования в удобрения и мелиоранты [Борзенков 2015].
2. Метод сухой экструзии. Установлено, что сухой помет кур содержит 10% клетчатки, 2% жира, 30% протеина, а кал крупного рогатого скота - 3% жира, 15% клетчатки, 22% протеина; следовательно, при утилизации данных отходов необходимо учитывать потери таких ценных компонентов. В настоящее время на животноводческих комплексах и птицефабриках используется технологический процесс по переработке отходов, в результате которого отходы перерабатываются в корм, который идет скоту. Длительность данного процесса составляет 4-5 часов. Соблюдаются следующие условия, при которых протекает технологический процесс: давление 0,3-0,4МПа, температура 120-1400С. Он происходит в варочных котлах и включает следующие стадии: разварку, стерилизацию, сушку. Из термообработанных отходов получают мясо-костную, мясную, кровяную, костную, перьевую муку. Данная технология позволяет получить стерильный продукт, но при этом снижается качество корма. Данная технология позволяет получить стерильный продукт, но отрицательно сказывается на его качестве. В ходе такого процесса часть белка разрушается, переваримость снижается под действием высокой температуры.
В США (г. Де Мойн, штат Айова) компанией INSTA-PRO был разработан метод сухой экструзии INSTA-PRO, позволяющий перерабатывать отходы животноводства и птицеводства. Экструзия (от латинского extrudo - выдавливание) -это процесс, совмещающий термо-, гидро- и механохимическую обработку сырья для получения продуктов с новой структурой и свойствами. В дальнейшем он нашел применение в США, Канаде, Польше, России. В его основе лежит технология сухой экструзии. Здесь в качестве единственного источника нагревания использует трение. Тепло и давление вырабатываются в процессе прохождения экструдируемого продукта через компрессионные диафрагмы в стволе экструдера. Длительность процесса составляет 30 секунд, но за это время сырье успевает пройти несколько стадий обработки: тепловую, стерилизацию, обеззараживание, увеличение объема, измельчение, смешивание, обезвоживание, стабилизацию. В результате такого метода получают продукт, который выпускается в виде полноценного корма или его используют как ингредиент для включения в различные рационы.
Использование такого корма способствует улучшению роста у бройлеров, повышению яйценоскости у кур-несушек [Переработка отходов животноводства...]. Использование данной технологии позволяет получить стерильный, стабилизированный корм в результате уникального сочетания температуры, влаги, давления, временного фактора. Экструзия не только уничтожает плесень, но и понижает уровень афлотоксина.
В последнее время за рубежом активно разрабатываются перспективные технологии переработки отходов птицеводства и свиноводства (табл. 2).
Таблица 2
Переработка отходов птицеводства и животноводства _в зарубежных странах_
Страна Применение Технология
Англия Добавка к корму животных из птичьего помета ферментируют и обрабатывают муравьиной кислотой Навоз направляют скребками и транспортером в центрифугу, где до 95% взвешенных частиц отделяют от влаги. Твердую фракцию с 36% сухого вещества выдерживают 3 месяца в специальном хранилище, потом гранулируют и дают скоту вместе с силосом
США Приготовление специальных силосов - вестлажа и навосажа Смесь: 57% коровьего навоза и 43% сена; 42% дробленой кукурузы, 12% кукурузного силоса и 40% свиного навоза. При откорме бычков используют около 0,5 млн т мочевины, которую частично заменяют птичьим пометом как в чистом виде, так и с опилками. Овцы и козы охотно поедают вестлаж из 40% навоза крупного рогатого скота, 12% сенной резки и 12% дробленой кукурузы
Молдавия Твердая фракция (лигнин) -удобрение, а жидкая -получение кормовых дрожжей Кислотный гидролиз
Канада Скармливание скоту Навоз предварительно смешивают с соломой, потом засевают спорами грибов
США, штат Вирджиния Удобрение 65 тыс. т помета с подстилкой превращают в пеллетированные туки, снижая подвижность азота и изменяя в лучшую сторону соотношение №Р
Европейские страны Корм Сокращение выделения аммиака, азота и фосфора и улучшение переваримости кормов с использованием кристаллической аминокислоты
3. Анаэробный процесс биоконверсии. В настоящее время технологии переработки биологического сырья нашли широкое применение для решения проблемы экологически безопасной утилизации органических отходов животноводства и птицеводства, уменьшения загрязнения окружающей среды, а также получения альтернативной энергии. Биотехнологии переработки отходов животноводства нашли практическую реализацию в Китае, Индии, Дании, Германии, Австрии, Италии. Европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд долл, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд долл. к 2020 г.
Из развитых стран наибольших успехов в этом отношении добились страны ЕС, где даже без учета использования гидроэнергии доля ВИЭ в структуре первичного потребления энергии составила 9,4%, а доля электроэнергии, производимой из аналогичных видов возобновляемых источников, - 11,7% (в том числе в Дании - 42,4%, Испании - 19,3%, Германии - 18,4%, Финляндии -16,2%, Швеции -12,6%) [Таран, Магомедов, Соколова 2011].
При анаэробном процессе биоконверсии органических веществ отходов животноводства и птицеводства получают биогаз, являющимся важным источником энергии. По сравнению с другими энергоносителями биогаз обладает следующими преимуществами: возобновляемость, наличие местных источников сырья для получения топлива, исключащих транспортную составляющую; снижение парникового
эффекта; снижение зависимости от поставщиков ископаемых видов топлив; осуществление экологически замкнутой энергетической системы, что, в настоящее время, становится особенно актуальным [Корзинова, Блохин, Козлов 2008].
Видовой состав бактерий, входящих в метаногенный биоценоз, разнообразен, что позволяет использовать для получения биогаза практически все виды жидких и твердых субстратов (в т. ч. отходов), содержащих органические вещества, для их анаэробной биоконверсии.
Биогаз получают и используют во всем мире. Основными составляющими биогаза являются: метан (55-75% об.), диоксид углерода (27-44% об.). В незначительных количествах содержится азот (N2), сероводород (Н2Б), водород (Н2). [Эдер, Шульц 2008]. В зависимости от содержания метана (55-70%) теплотворная способность биогаза составляет 4700-6000 ккал/м3 (20-25 МДж/м3 или 0,68-0,85 кг условного топлива) соответственно. По своим характеристикам он близок к природному, и его теплотворная способность составляет 6000-9500 ккал/м3, при средней калорийности природного газа 7900 ккал/м3.
В основу работы биогазовой установки (БГУ) заложены биологические процессы сбраживания и разложения органических веществ под воздействием метанобразующих бактерий в анаэробных условиях (характерных отсутствием свободного кислорода), высокой влажности и температурной среды: 15-20°С - для психофильных, 30-40°С -для мезофильных, 50-70°С - для термофильных бактерий.
Анаэробное сбраживание осуществляется в герметичной емкости - реакторе (метантенке) цилиндрической формы горизонтального или вертикального расположения. Для эффективного сбраживания в полости реактора необходимо поддерживать постоянную температуру в соответствии с принятым режимом брожения и осуществлять регулярное перемешивание сбраживаемого сырья. Мезофильный режим требует меньших затрат тепла, но распад органических веществ при такой температуре происходит медленнее и не в полном объеме. Термофильный режим переработки сырья требует больших затрат тепла, имеет более высокую скорость распада, более высокий выход биогаза и наименее вреден для окружающей среды. Однако этот режим более сложен для реализации и контроля. Количество образующегося биогаза для нормально текущего процесса при температуре 35-37°С и среднем времени удержания сырья в реакторе, равном 10 дням, колеблется в пределах
3
30-70 м биогаза на 1 т сырья в сутки.
Ценность анаэробного сбраживания в следующем:
- применение данной технологии обеспечивает уменьшение требуемых объемов хранилищ на порядок;
- значительно снижается выброс парниковых газов в атмосферу как за счет уменьшения выбросов метана в атмосферу при традиционных технологиях хранения навоза, так и за счет замещения ископаемых видов топлива при использовании биогаза для производства энергии;
- получаемый в результате переработки эффлюент может быть использован в качестве удобрения, поскольку содержит в своем составе полный комплекс необходимых растениям элементов питания, биологически активные вещества, при практически полном отсутствии патогенных микроорганизмов и всхожих семян сорных растений [Громова 2006].
В США и в Англии отходы птицеводческого производства, в том числе подстилку, перерабатывают в экологически чистое топливо для получения электричества и обогрева помещений. В штатах Мэриленд, Делавэр и Виржиния, где наибольшая концентрация поголовья птицы, в 2002 г. в 600 птичниках было выращено примерно 540 млн бройлеров, от которых было получено приблизительно 0,5-1,2 млн
подстилки. Практически 95 тыс. т подстилки переработали в топливные паллеты. Это значительно снизило влажность и уничтожило патогенные микроорганизмы, например сальмонеллу и Е.соН [Фисинин 2011; Mahimairaja, Bolan, Hedley 1995; Williams, Havenstein, Bull 1994].
4. Процесс плазменной газификации. Данная технология позволяет перерабатывать отходы сахарных заводов, жидкие отходы крупных комплексов по выращиванию КРС, свиней и птицы. Он позволяет получить дополнительную энергию (тепловую и электрическую), а также способствует сокращению веса твердого вещества. Содержание токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, и их содержание в твердых остатках, образующихся в процессе пиролиза отходов, ниже установленных существующими стандартами. Степень переработки составляет 99,7%. Применение низкотемпературной плазмы - одно из перспективных направлений в области утилизации отходов, так как в этом случае достигается высокая степень обезвреживания отходов канцерогенных веществ, на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве и др.
Для утилизации различных видов отходов разработаны два процесса, которые основаны на использовании дуговой плазмы в качестве источника нагрева для высокотемпературной газификации их органической или углеродсодержащей компоненты. Плазмообразующим газом является водяной пар.
Первый процесс реализуется с использованием плазменной установки с паровым плазмотроном. Технологическая схема процесса включает плазменный реактор и механизмы загрузки и подачи отходов. Нагрев плазмообразующего газа осуществляют один или несколько плазмотронов постоянного тока. Процесс плазменной газификации нечувствителен к влажности обрабатываемых отходов. В газе отсутствуют окислы азота и кислород, поэтому газ не взрывоопасен.
Использование синтезированного газа для автономного энергоснабжения плазменной установки позволяет существенно снизить электрические затраты на переработку отходов и тем самым сделать энергонезависимым процесс их переработки.
Второй пароплазменный процесс переработки жидких отходов основан на поперечной прокачке водоорганической суспензии через зону электродугового разряда, расположенного между двумя угольными электродами, погруженными в жидкость. Электрическая дуга, находящаяся в газовом «пузыре», обеспечивает перевод компонентов суспензии в газообразное состояние, а уровень температуры в зоне реакции (порядка 3900оС) - высокую степень превращения отходов в синтез-газ. Образующиеся в ходе реакции продукты содержат достаточно много водяного пара. Водяной пар конденсируется, а горячую дистиллированную воду можно использовать в качестве теплоносителя для местной системы отопления.
Основным преимуществом плазмохимической технологии является универсальность по отношению к типу перерабатываемого вещества и малые габаритные размеры установок, которые позволяют создавать передвижные технологические модули. Кроме того, эта технология способна полностью разрушить любые органические и биологические материалы и тем самым значительно сократить объем отходов, образующихся в результате переработки [Стребков и соавт. 2012].
Технология термической деполимеризации). Технология термической деполимеризации (TDP) позволяет из органических и углеводородных отходов птицеводства получать твердое, жидкое и газообразное топливо, некоторые химикаты и удобрения. С помощью этого способа можно утилизировать павших животных, остатки кормов, навоз, помет, подстилку, стоки и птицу. Первая стадия обработки проходит при 250-350°С, вторая при 500-700°С. Установка TDP с производительностью 7 т / день была запущена в США в 1999 г. Получаемые благодаря этой установке масла
аналогичны дизельному топливу с 8-20 углеродными атомами, ненасыщенными и насыщенными жирными кислотами с 16-18 углеродными атомами. Твердые удобрения сходны с апатитами, жидкие содержат 25-28 % сульфата аммония.
В штате Виржиния около 65 тыс. т помета с подстилкой превратили в пеллетированные туки под торговой маркой «Гармони». Это неплохое удобрение, в котором изменено в лучшую сторону соотношение N:P и снижена подвижность азота [Jang, Chandrasekaran, Jamamoto 1999; Robinson, Curry, Grader 1994]. В СевероЗападном регионе России уже успешно функционируют отечественные компании, производящие пеллеты и экспортирующие их на Запад по цене 100 долл. США за 1 т.
По данным Л.В. Эрнста, американские ученые продемонстрировали возможность использования куриного помета в твердо-оксидных топливных элементах (solid oxide fuel cell, SOFC) для получения водорода и электричества [Эрнст 2004].
Один из таких способов, предложенный американскими учеными, состоит в превращении помета в горючее. Эксперимент был проведен учеными Университета Джорджии и Газового технологического института. Для получения горючего газа использовали газификатор флюидизированного материала, который работает при температуре до 840-845°C. Полученный газ охлаждали до 800°C. Затем его очищали от сероводорода и отправляли (пар и свежий воздух использовали в качестве агента) в SOFC-батарею. Энергетическая эффективность продукта переработки куриного помета составила около 40% от аналогичного показателя, характерного для природного газа.
5. Вермикультивирование. Одним из приоритетных направлений в утилизации органических отходов является внедрение современных биотехнологий. Применение биотехнологий дает возможность перерабатывать отходы птицеводства и животноводства в экологически чистое, эффективное органическое удобрение, а также исключить негативное воздействие содержащихся в них тяжелых металлов за счет перевода в биологически неактивную форму. В настоящее время используется несколько технологий переработки органических отходов, из которых наиболее эффективными являются: вермикультивирование, использование личинок мух для получения биогумуса.
Вермикультивирование - это экологически и экономически целесообразный метод биотехнологии по утилизации органических отходов, в результате которого субстрат, приготовленный на основе смеси навоза или птичьего помета с целлюлозосодержащими компонентами (отходы переработки зерновых, масляничных культур, нехвойные опилки, измельченная солома) путем переработки их дождевыми червями, превращается в вермикомпост. Данный способ получил широкое распространение в Европе, Азии, Австралии.
В данном процессе участвует один вид дождевых червей Risenia foetida Andrei (красный калифорнийский червь), который введен в вермикультуру во многих странах (США, Англия, Япония, Италия) для производства биогумуса.
Черви перерабатывают органику гораздо быстрее и более полно, чем почвенные микроорганизмы в ходе компостирования. Поглощая вместе с почвой огромное количество растительных остатков, простейших нематод, микробов, грибов, водорослей дождевые черви переваривают их, выделяя вместе с копролитами (кучки земли, выделяемые червями) большое количество гумуса, собственной микрофлоры, аминокислот, ферментов, витаминов, других биологически активных веществ, которые подавляют болезнетворную микрофлору. При этом органическая масса теряет запах, обеззараживается, приобретает гранулярную форму и приятный запах земли. Биотехнологическая трансформация органических отходов вермикультурой является безотходной технологией, позволяющей получать экологически чистое удобрение -биогумус - с высоким содержанием углерода, калия, фосфора, кальция, обогащенное
макро- и микроэлементами, ферментами, активной микрофлорой, с пролонгированным действием при внесении в почву.
В настоящее время практика вермикультивирования предлагает различные технологические приемы и устройства вермикомпостеров для производства биогумуса, основные из которых включают: штабели, стеллажи, курганы, траншеи и гряды с вертикальным и боковым распределением подкормки, вермицеха с высоким уровнем механизации и т.д. Такие способы получения биогумуса осуществляются как в производственных помещениях, так и на открытых площадках [Стерлигова и соавт. 2014].
На птицефабрике процесс вермикомпостирования происходит следующим образом: в бурты созревшего помета шириной 1,5-2 м и высотой 20-30 см высевают червей красной калифорнийской породы (30-50 тыс. шт / м3 (4 кг)). Для поддержания оптимальной влажности смесь необходимо периодически увлажнять. По мере размножения червей и освоения ими питательного субстрата, периодически добавляют также подготовленный компост слоем примерно 7-10 см. Количество дождевых червей за год увеличивается в 300-1000 раз. Пять миллионов червей способны за сутки переработать около 10 т помета. Из 30-40 т помета получают 3-4 т биогумуса, который является ценным органическим удобрением, содержащим стимуляторы роста растений и использующимся для восстановления естественного плодородия истощенных почв, улучшения их структуры [Субботина и соавт. 2014].
Биогумус повышает гумусированность почвы и ее детоксикационные свойства, ускоряет прорастание семян зерновых, овощных и цветочных культур, повышает урожайность и устойчивость растений к вредителям и болезням, особенно в стрессовых ситуациях. При переработке органических отходов в кишечнике дождевых червей уничтожаются гифы и споры патогенных грибов, бактерий, поэтому в биогумусе отсутствуют болезнетворные микроорганизмы, что позволяет получать экологически чистую и безопасную продукцию.
Более широкому распространению данного способа препятствует отсутствие соответствующих специализированных средств механизации, а также высокая себестоимость переработки компостируемых материалов, что ограничивает рынок потребления продуктов вермикомпостирования.
6. Использование личинок мух. В настоящее время разработана экологически чистая технология утилизации нативных органических отходов свиноводства и птицеводства с помощью личинок домашней мухи (Musca domestica L.), где отходы используются в качестве субстрата для ее выращивания. Из 1 т отходов свиноводства или птицеводства получают 640-700 кг биогумуса. Время протекания данного процесса составляет 5-6 суток.
Биогумус, полученный таким образом, является высокоэффективным органическим удобрением, и в результате его использования увеличивалась урожайность сельскохозяйственных культур в 1,2-1,5 раза, при этом нематоды и другие вредители погибали. В 1 г биогумуса обнаружено: 378 млн бактерий аммонификаторов, 251 тыс. целлюлозоразлагающих бактерий, которые минерализируют органические вещества. Внесение биогумуса в почву в результате действия специфических микроорганизмов способствует минерализации фосфорорганических соединений.
7. Вакуумная сушка. Данный способ применяют для ликвидации многолетних накоплений пометных стоков, при производстве сухого помета, поступающего из клеточных батарей. Затраты на получение сухого помета зависят от влажности пометной массы (чем ниже влажность пометной массы, тем меньше затраты).
Вакуумная сушка включает использование принципа многостадийной обработки птичьего помета: механическое отделение жидкости из пометной массы
(центрифугирование, фильтрация, отжим и т.д.); выпаривание и распыление. Технологический процесс сушки в вакууме, позволяет провести обработку помета в режиме щадящих температур с сохранением полезных удобрительных химических элементов в органическом удобрении. В результате переработки жидкого помета получается сухой порошок, а сточная вода (конденсат) направляется на очистные сооружения для последующей очистки и обеззараживания [Сердинова, Шашкин 2014].
Достоинства такого способа переработки отходов заключаются в экологической безопасности производства, отсутствии использования влагопоглощающих компонентов (торф, древесные опилки, солома и др.), минимальной площади объемов застройки, высоком качестве получаемых органических удобрений.
Таким образом, проанализировав технологии утилизации органических отходов, одним из возможных способов утилизации отходов животноводства можно считать компостирование, сущность которого сводится к получению качественного органического удобрения, не содержащего в своем составе патогенной микрофлоры, личинок гельминтов и семян сорных растений.
В России промышленное компостирование не развито. Компосты - это относительно новое для нашей страны органическое удобрение. Еще не отработаны критерии оценки технологий, методы определения уникальных компонентов компостов. Вызывает затруднение процесс количественной оценки фитогормонов, содержащихся в компосте, а также их идентификации.
На животноводческих комплексах и птицефабриках используется технологический процесс по переработке отходов, в результате которого отходы перерабатываются в корм, который идет скоту.
Следующим по перспективности и экологической ценности способом утилизации органических отходов является производство биогаза. Из органических отходов животноводства и птицеводства получают биогаз в результате анаэробного процесса биоконверсии, который используется для производства электроэнергии. Сельское хозяйство нуждается в дешевой электрической и тепловой энергии, генерировать которую возможно из органических отходов животноводства и птицеводства.
Основным преимуществом плазмохимической технологии является универсальность по отношению к типу перерабатываемого вещества и малые габаритные размеры установок, которые позволяют создавать передвижные технологические модули. Кроме того, эта технология способна полностью разрушить любые органические и биологические материалы и тем самым значительно сократить объем отходов, образующихся в результате переработки.
Одним из перспективных способов производства высокоэффективных удобрений является вермикультивирование. Данная технология является безотходной и основана на способности червей поглощать в процессе своей жизнедеятельности органические остатки и почву, которые в организме червей измельчаются, химически трансформируются, обогащаются питательными элементами, ферментами и микроорганизмами.
Экологически чистой технологией считают технологию утилизации нативных органических отходов свиноводства и птицеводства с помощью личинок домашней мухи (Musca domestica L.). Полученный биогумус после переработки экскрементов личинками мух - высокоэффективное органическое удобрение. Урожайность сельскохозяйственных культур при его применении увеличивается в 1,2-1,5 раза, при этом нематоды и другие вредители погибают.
Вакуумная сушка является новым для птицефабрик методом утилизации пометных стоков. Отмечаются незначительные экономические затраты и экологическая безопасность данного производства.
Библиографический список
Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Практические основы использования отходов промышленности и сельского хозяйства в качестве мелиоранта чернозема обыкновенного // Тр. КубГАУ. 2011. Т. 1. № 31. С. 152-153.
Борзенков А.А., Головина О.И. Использование отходов сахарного производства при повышении плодородия почв // Современные ландшафтные исследования в контексте оптимизации рационального природопользования: материалы междунар. науч.-практ. конф. Курск: КГУ, 2015. С. 36.
Голубина О.А. Физикохимия и биология торфа: Использование торфа в сельском хозяйстве: учеб.-методическое пособие. Томск: Томский ЦНТИ, 2011. 45 с.
Громова Н.Ю. Технология синтеза и биосинтеза биологически активных веществ / Н.Ю. Громова Н.Ю. Косивцов, Э.М. Сульман: учеб. пособие, 2006. 84 с.
Корзинова М.В., Блохин А.Ю., Козлов Ю.П. Получение и использование биогаза в Российской федерации при переработки отходов сельскохозяйственного производства // Вестник Российского университета дружбы народов серия Экология и безопасность жизнедеятельности. 2008. №3. С. 17-22.
Максимова С.Л., Шабанова Т.М., Мухин Ю.Ф. Развитие технологий вермикомпостирования. Мн.: Беларусь, 2008. С. 44-46.
Назаретова И.А., Верников Д.А. Инновации в отраслях народного хозяйства, как фактор решения социально-экономических проблем современности: сб. докл. и материалов II Междунар. науч.-практ. конф. (Москва, 5-6 декабря 2012г.). М.: МГУ, 2012. С. 453-457.
Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Экологические основы производств. Взаимосвязь экологии, химии и биотехнологии. М.: МГУЛ, 2003. 365 с.
Нетрусов А.И., Котова И.Б. Общая микробиология. М.: Академия, 2007. 288 с.
Сатликова Д.Ф., Дружакина О. П. Проблемы развития технологий утилизации органических отходов животноводства в России // Современные наукоемкие технологии. 2009. №2. С. 74-75.
Сердинова К.А., Шашкин В.Ю. Утилизация отходов сельского хозяйства. // Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы Междунар. науч.-техн. конф. студ., аспирантов, ученых. 2014. Т. 2. №1. С. 279-284.
Стребков Д.С., Фильков М.Н., Росс М.Ю., Щекочихин Ю.М. Перспективы применения низкотемпературной плазмы дугового разряда для переработки отходов сельского хозяйства // Вестник ВИЭСХ. 2012. Т. 1. № 6. С. 51-53.
Стерлигова Г.И., Хурнова Л.М., Федосеев О.Н., Лазарев К.К. Оптимизация технологии грядного вермикомпостирования органосодержащих отходов // Вестник МНЭПУ. 2014. №1. С. 35-41.
Субботина Ю.М., Белозубова Н.Ю., Ковалевская Е.М., Кутковский К.А. Эффективность утилизации твердых и жидких отходов птицеводческого производства // Экологический Вестник Северного Кавказа. Т. 10. № 3. Краснодар: КГАУ, 2014. С. 29-85.
Таран В., Магомедов Н., Соколова Ж. Энергетическая эффективность сельского хозяйства за рубежом и в России // АПК: экономика, управление, 2011. Т. 7. С. 83-88.
Фисинин В.И. Учёные птицеводы России. Люди и птицы. Сергиев Посад, 2011.
C. 146.
Эдер Б., Шульц Х. Биогазовые установки: пер. с нем. 2008. Германия: «Zorg Biogas», 2008. 268 с.
Энергетическая эффективность сельского хозяйства за рубежом и в России / Н.Д. Магомедов, В.В.Таран, Ж.Е. Соколова // АПК: экономика, управление. 2011. №7. С. 83-88.
Ягодин Б.А. Агрохимия. М.: Колос, 1989. 655 с.
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия. М.: Мир, 2004. 584 с.
Jang P.Y, Chandrasekaran M., Jamamoto D. Hybrid anaerobic treatments of poultry wastes in the tropics // Trans.ASAE // St. Joseph. Mich. 1999. V. 32. H 8. P. 2137-2142.
Kohda C., Ando T., Nakai Y. Anaerobic microorganisms degrading 3 - methylindole (skittle) and indolent in composting processes // Anim. Sc. Technol. 1997. Vol. 8. № 11. P. 1045-1051.
Li Guoxue, Zhang Zuxi, Bai Ying. The different effects of HTC and WC on C,N transformation and pathogenic bacterial population // Acta Agr.Univ.Pekih. 1995. Vol. 21. № 3. P. 286-290.
Mahimairaja S., Bolan N.S., Hedley M.J. Agronomic effectiveness of poultry manure composts // Communicant Soil Sc. Plant Analysis. 1995. Vol. 26. № 11-12. P. 1843-1861.
Robinson D.L., Curry A.B., Grader H.D. Poultry litter influences on soil fertility levels in pastures of North Louisiana // Agra. 1994. Vol. 3 7. № 4. P. 12-13.
Williams C.M., Havenstein G.B., Bull L.S. Conversion of poultry waste products to value -added utilizable products. The animal and poultry waste management center at North Carolina state university // Poultry Sci. 1994. V / 73. Suppl. 1. S - 64 - 66.99.
Обзор потенциальных российских и международных рынков органических удобрений, производимых крупными животноводческими хозяйствами в Ленинградской области [Электронный ресурс]. URL: http://www.medn.ru/rasteniy/obshhie-svedeniya-orasteniyax/processkomposti (дата обращения: 23.11.2016).
Переработка отходов животноводства и птицеводства методом «сухой» экструзии [Электронный ресурс]. URL: http://basu-rus.com/ru/catalog/grain-dryers/ugt/pererabotka-otkhodov-zhivotnovodstva-i-ptitsevodstva-metodom-sukhoy-ekstruzii (дата обращения 20.11.2016).
Процесс компостирования [Электронный ресурс]. URL:
http://www.medn.ru/rasteniy/obshhie-svedeniya-o-rasteniyax/processkomposti (дата обращения: 03.11.2016).
