Анализ способов переработки сельскохозяйственных органических отходов на примере куриного помета

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов является актуальной задачей современности. В этой связи перед современной наукой стоит ряд конкретных задач, обусловленных присутствием в биосфере соединений являющихся токсичными для человека и окружающей среды, способных аккумулироваться в живых организмах и вызывать нежелательные сдвиги в обменных процессах [1, 2]. Так например во всех отходах животноводческого комплекса, помимо разнообразных органических и неорганических соединений, содержится большое количество патогенных микроорганизмов. Это естественная микрофлора, включающая Thermotol. сoliforma, Escherichia coli, Chlostridium perfring, Salmonella enteriditis, Salmonella virchow представляет большую опасность, так как обладает способностью выделять токсичные вещества, вредно  действующие  на  организм человека.

В течение последних лет среднегодовой прирост птицы составляет около 1 млн. голов. В связи с этим растет и выход побочного продукта – птичьего помета. При клеточном содержании птицы помет относится к третьей категории опасных веществ, его влажность при удалении из птичника находится в пределах 65–70%.

Известно, что птичий помет является источником развития патогенной микрофлоры [3]. При разложении органических веществ из пометной массы выделяются аммиак, метан, сероводород, окись углерода, другие вещества. В помете находятся медикаментозные средства, применяемые для дезинфекции птичников. Все эти компоненты представляют опасность для человека и окружающей среды,  поэтому такой помет требует особого подхода к утилизации и переработке [4].

Птичий помет характеризуется более высоким содержанием азота, фосфора, калия по сравнению с навозом. В его состав входят микроэлементы. В 100г сухого помета содержится 15-38 мг Mn;12-39 мг Zn; 1,0-1,3 мг Co; 0,5 мг Cu; 367-900 мг Fe. Примерно ¾ сухого вещества состава — органическое.

К сожалению, в России технология утилизации помета практически не меняется несколько десятков лет. Помет вывозится из птичников и складируется в пометохранилищах, где выдерживается определенное время с целью обеспечения процесса компостирования, а затем вывозится на поля и разбрасывается с последующей заделкой в почву. Но его удобрительные качества в большинстве случаев утрачиваются, так как птичий помет, представляет собой среду, благоприятную для сохранения разнообразных микроорганизмов. В птичьем помете, полученном в неблагополучных по инфекционным болезням птицеводческих хозяйствах, обнаруживают возбудителей патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. В зависимости от видовой устойчивости, сезона, климатических, метеорологических и многих других факторов они могут выживать в этой
среде от нескольких часов до нескольких лет.

Таким образом в процессе хранения помета и применения его в качестве удобрения данными способами, происходит загрязнение окружающей среды, а при транспортировке на большие расстояния (более 10 км), затраты на внесение в почву такого удобрения не окупаются прибавкой урожайности сельскохозяйственных культур, что ограничивает его применение [5].

В то же время растениеводство остро нуждается в эффективном удобрении. Несмотря на то, что Россия является одним из основных производителей минеральных удобрений, вносится в почву на 1 гектар на порядок меньше, чем 46 в развитых в сельском хозяйстве государствах, что является одной из причин снижения плодородия и недобора урожая сельскохозяйственных культур [5].

Для устранения негативных явлений возникает необходимость замкнутых циклов производства продукции птицеводства и переработки помета [6]. Одним из вариантов организации замкнутого цикла производства является схема, представленная на рисунке 1.

Рис. 1 —  Принципиальная схема организации замкнутого цикла производства продукции в птицеводстве

Замкнутый цикл производства продукции в птицеводстве предполагает безотходное производство за счет использования отходов основной продукции при производстве сельскохозяйственных культур и кормовых добавок для нужд производства основной продукции мяса и яйца птицы. Наиболее проблемным вопросом в представленном замкнутом цикле производства является утилизация помета.

Учитывая специфику производственного процесса птицеводческих хозяйств (направление продукции, вид птицы, способ содержания, климатическая зона), переработка птичьего помета может быть организована по определенным технологиям, каждая из которых комплектуется соответствующими технологическими машинами и оборудованием. Рассмотрим основные способы утилизации птичьего помета (рис. 2) [6].

Наиболее простым и дешевым способом является прямое (без обработки) внесение помета в почву. Однако при этой технологии возникает ряд проблем: во-первых, перевозка большого количества отходов требует немалых средств, во-вторых, почва, подземные и поверхностные воды заражаются инвазионными, инфекционными и токсическими элементами, в-третьих, это ведет к накоплению нитратов, меди и цинка в зерне, траве и водных источниках. Поэтому данный способ в настоящее время не находит широкого применения [7].

Использование химических средств при утилизации помета осуществляется только для профилактики возможного распространения болезнетворных микроорганизмов и бактерий.

Рис. 2 — Основные способы и технологии переработки птичьего помета

Из биологических способов наибольшее распространение получило компостирование, которое включает получение органических смесей (птичий помет + птичий помет с подстилкой, птичий помет + торф, птичий помет + древесные опилки, птичий помет + другие местные органические отходы). Органическая смесь формируется в штабели высотой не более 2,5 метров. Через 6-8 месяцев хранения на полевых площадках происходит созревание этой смеси и образуется компост, который пригоден для использования в земледелии. Преимуществом способа являются невысокие капитальные вложения и энергетические затраты. Получаемый биогумус имеет хорошее качество, однако до 30…40 % питательных веществ в процессе переработки теряется в виде газов, наносящих экологический вред. К недостаткам способа относятся: необходимость наличия специальных площадок, техники и большого количества торфа, соломы и др. материала, снижающего содержание влаги, невысокая продажная цена при промышленных объемах производства, длительность и периодичность процесса [8].

Аэробная твердофазная ферментация осуществляется в установках барабанного типа и позволяет перерабатывать в сутки более 20…50 м3 помета. Сущность технологии заключается в смешивании помета и других органических компонентов (торф, солома, древесные опилки, лигнин) в определенных соотношениях и длительное (1–2 года) хранение полученной массы в буртах, в результате которого происходит ее естественное созревание [7].

Данный способ наиболее приемлем для малых и средних хозяйств при наличии собственных полей для внесения получаемых органических удобрений. Одним из недостатков этой технологии служит необходимость поддерживать температуру субстрата выше температуры окружающей среды, что значительно снижает эффективность производства биогаза, особенно в климатических условиях, характеризующихся относительно низкими среднегодовыми температурами [9].

В последнее время большое внимание стали уделять использованию анаэробной (метановой) ферментации органических отходов в специальных установках (метантенках), в которых поддерживается определенная температура для эффективности действия анаэробных бактерий. Данный способ решает сразу несколько задач: производство экологически чистых удобрений и метана для мини-ТЭЦ, газообразного топлива для автотракторной техники, производства «сухого» льда, соды и т.д. [10]. Применение данной технологии сдерживается отсутствием инвестиций, системного решения в создании базовых конструкций  [9].

Разведение дождевых червей «вермикультура» – один из перспективных способов утилизации органических отходов. Дождевые черви, ускоряющие во много раз разложение органическоговещества, позволяют в относительно короткие сроки абсолютно экологически чистым способом превратить разного рода органические отходы в ценное гумусированное удобрение. Второй получаемый продукт этого способа – биомасса дождевых червей, которая успешно используется как белковая добавка к кормам и в качестве биохимического сырья [7]. Однако данная технология, даже учитывая все ее преимущества может выгодно использоваться только в малых фермерских хозяйствах, либо в приготовления удобрений и использования их для собственных нужд.

Организовать крупномасштабное производство вермикомпостов в стране, где средние зимние температуры довольно низки для личинок — достаточно затруднительно.

Выращенные на органических отходах животноводства и жизнедеятельности человека личинки мух «мускакультура» обладают высокой энергией роста, увеличивая в течение недели свою массу в 300–500 раз. Выращивание мух позволяет получить через 5–6 суток из тонны навоза или птичьего помета 60…100 кг биомассы (личинки мух) и 640…700 кг биогумуса, который является как полноценным белковым кормом для животных, так и высококачественным органическим удобрением  [7].

Из физических способов наибольшее распространение получила механическая сушка, при которой обработка помета осуществляется в прессфильтрах или центрифугированием. Обычно после механической сушки остается около 60 % влаги. Такой помет при хранении нагревается и выделяет сильный запах. Применение вакуум-фильтров для обезвоживания птичьего помета экономически невыгодно [8, 22].

Для ликвидации многолетних накоплений пометных стоков в последнее время птицефабрикам рекомендуется использовать вакуумную сушку. В основе данной технологии лежит непрерывный экологически безопасный одностадийный процесс сушки помета в вакууме, позволяющий обеспечивать обработку помета в режиме щадящих температур с сохранением полезных элементов в органическом удобрении. Реальные затраты на получение сухого помета за счет вакуумной сушки достаточно высокие, что сдерживает промышленное применение данного способа  [9].

Термическая сушка более удобна для переработки отходов птицеводства. Эффективность работы сушилок при этом способе зависит от влажности исходного материала, которая не должна превышать 65 %, что не наблюдается в условиях реального производства. Метод термического обезвоживания, как и вакуумная сушка, по причине большого расхода энергии также не получил пока широкого внедрения в производство [8].

Технология газификации – сжигание биомассы при температуре 800…1500 °С в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа или генераторного газа с теплотой сгорания от 10 500…16 700 кДж/м3 (при нормальных условиях), состоящего из смеси угарного газа (монооксид углерода) и водорода: возможны примеси метана и других углеводородов. Выделяющийся газ можно использовать вместо бензина в автомобилях. С помощью его можно обеспечить собственное электро- и теплоснабжение для крупных птицефабрик [11, 16]. Однако внедрение способа газификации требует высоких инвестиционных затрат, повышенных требований к квалификации персонала, больших сроков окупаемости.

В результате анализа существующих технологий содержания птицы и утилизации птичьего помета в условиях птицефабрик России становится очевидным, что основным способом переработки птичьего помета может быть ускоренное компостирование с последующим вывозом на поля птицефабрик и близлежащих хозяйств с последующей заделкой [15]. Такой технологии свойственны следующие недостатки: высокая длительность и периодичность процесса, эмиссия азота в атмосферу во время компостирования и разбрасывания, отчуждение сельскохозяйственных (чаще производственных) территорий, низкие показатели удобрений и др. [6].

Одним из эффективных, энергетически экономных, экономически чистых направлений интенсификации процесса переработки куриного помета являются биотехнологические методы, а именно – переработка помета эффективными организмами [12].

На кафедре «Бионанотехнологии» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» получены растворы, содержащие частицы кластерного серебра размером 1-2 нм, с концентрацией 10000 мкг/мл.

Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, которые определяются существенной величиной отношения площади поверхности частицы к ее объему и прочим размерным эффектам, антибактериальные и антивирусные свойства кластерного серебра значительно возрастают по сравнению с другими металлами, при этом само серебро, при правильном применении, остается абсолютно безопасным для здоровья человека [13].

Подобные свойства кластерного серебра делают его уникальным антипатогенным агентом пролонгированного действия, способным полностью обеззараживать куриный помет [17].

В соответствии с вышеизложенным на базе ООО МИП «Кера-Тех» разработан новый микробиологический препарат для обеззараживания и переработки отходов птицеводства в условиях Сибирского ФО. В состав биопрепарата входит специально подобранный консорциум микроорганизмов – деструкторов, модифицированных кластерным серебром.

Кластерное серебро впервые использовано в опыте переработки органических отходов. Адаптация и модификация микроорганизмов кластерным серебром проводилась путем культивирования штаммов при различных концентрациях (от 0 до 400 мкг/мл) кластерного серебра в жидкой питательной среде [18-21]. Полученные микроорганизмы-деструкторы способны в процессе своей жизнедеятельности не только перерабатывать токсичные соединения, но и обладают антипатогенной активностью по отношению к большинству вредоносных бактерий. Это свойство с использованием кластерного серебра возрастает  более чем в 10 раз.

Конечный  продукт – гумусоподобное вещество, предлагается использовать в качестве эффективного, а главное безопасного сельскохозяйственного  удобрения, которое не только способно повысить урожайность земель, но и применяться для рекультивации загрязненных территорий [14].

Разработанный биопрепарат обладает явными преимуществами по сравнению с существующими аналогами:

— сведение к минимуму штрафов за экологические правонарушения;

— уменьшение вредного воздействия на здоровье человека;

— наличие дополнительного источника прибыли от продажи удобрений и возможность его использования на собственных посевных площадях с целью увеличения урожайности с/х культур и снижения затрат на покупку кормов для птицы; 

— повышение экологического качества производимой продукции;

— снижение времени переработки органических отходов до 10 дней при сохранении эффективности потребления (расход на среднее предприятие в год – 45000 литров);

— возможность рекультивации загрязненных территорий.

Таким образом, использование биопрепарата позволит создать на птицеперерабатывающих предприятиях полный производственный цикл, сократить выплаты за загрязнение окружающей среды и обеспечить быструю и эффективную переработку птичьего помета в эффективные сельскохозяйственные удобрения, с полным обеззараживанием  отходов.