Современные технологии биопереработки возобновляемых сырьевых ресурсов

Одной из главных экологических проблем птицеводческих и животноводческих предприятий и комплексов - скопление на прилегающей территории птичьего помета и навоза. Отходы животноводства и птицеводства являются источником запахов, выделений газов (аммиака, сероводорода), содержат большое количество семян сорных растений, яйца гельминтов, множество микроорганизмов, среди которых нередки возбудители опасных заболеваний, могут также содержать антибиотики, соли тяжелых металлов, остатки пестицидов и др.

В Российской Федерации объем отходов в виде жидкого навоза, помета и сточных вод составляет около 700 млн. м3 в год и при ненадлежащих условиях их хранения и применения (в свежем виде без какой-либо обработки) представляет собой угрозу загрязнения окружающей среды: атмосферы, почв, водоемов, подземных вод (Могилевцев и др., 2012).

Вместе с тем, навоз и помет являются весьма важным, ценным, регулярно возобновляемым сырьем, поскольку обладают высоким уровнем биогенности, содержат в своем составе все необходимые для растений элементы питания, количество которых варьируется в зависимости от возраста, рационов кормления и способов содержания животных и птицы (Лукьяненков, 1985). В связи с этим всегда актуальным остается поиск новых, экономически оправданных технологий и(или) технологических решений по переработке, рациональному использованию отходов птицеводства и животноводства, направленных на устранение вышеуказанных их недостатков.

В настоящее время существуют различные физические, химические и биологические способы обеззараживания отходов животноводства и птицеводства и получения на их основе качественной продукции, используемой в сельском хозяйстве. Например, известно устройство для обеззараживания жидких стоков навоза/помета, содержащее генератор импульсов и излучатель (Потапенко и др., 2008) или гидравлическую камеру обеззараживания (Триандафилов, Федюк, 2011). Одним из современных способов является кавитационное обеззараживание навоза или помета в генераторе-диспергаторе с последующим получением органоминеральных удобрений (Петраков, Радченко, 2014).

Непосредственно в помещениях животноводческих ферм можно использовать один из способов биологического обеззараживания отходов животных, заключающийся в распылении разбавленной водой суспензии биомассы штамма Bacillus cercus 10.09.63 ДЕН, депонированного в коллекции ФГУ «ВЕНКИ», с количеством жизнеспособных спорообразующих бактерий Bacillus cereus не менее 2*10^б КОЕ/см³ (Солдатова и др., 2013). Навозную массу и навозные стоки при этом собирают, смешивают, отстаивают и разделяют на жидкую и твердую фракции. Жидкую фракцию после коагуляции и осветления используют как биоудобрение, из твердой - после смешивания с известкованным верховым торфом и крупнозернистым песком получают почвенный грунт.

Высушивание отходов животноводства и птицеводства при повышенных температурах является одним из самых надежных способов их обеззараживания с сохранением элементов минерального питания растений. В данном случае целесообразно использовать отходы, влажностью не более 75 %. Термическую сушку навоза/помета проводят в специальных сушильных установках различных конструкций при определенных технологических параметрах (Серга, Филин, 1995; Волохов и др., 2004; Марченко, Серга, 2015). Во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург-Пушкин) предложена технология получения удобрения из птичьего помета влажностью 75 %, основным технологическим приемом которой является сушка помета в ИК-лучах при температуре 80-96 °C. В конечном итоге получается удобрение Пудрет с содержанием углерода - 34 %, азота - 3,8 %, фосфора - 1,1 %, а общее микробное число - 102 клеток/г (Фисинин и др., 1999).

Как было отмечено выше, отходы животноводства и птицеводства являются весьма ценным, возобновляемым сырьевым ресурсом, преимущественно при производстве органических удобрений, в которых нуждаются почвы практически всех регионов РФ. В основе большинства технологий лежит ферментация -биотрансформация, основанная на участии различных микроорганизмов в процессе переработки навоза/помета с включением углеродсодержащего, влагопоглощающего сырья в органическое удобрение требуемого физико-механического состава и с заданными химико-биологическими характеристиками (Ферментация..., 1974). Использование данного биотехнологического принципа при переработке и обеззараживании навоза, помета, стоков позволяет добиться целенаправленного воздействия на патогенную микрофлору, внести соответствующие коррективы в технологические режимы переработки отходов и получать экологически безопасные продукты (Тюрин, 2004).

Ферментацию осуществляют в аэробных, анаэробных и аэробноанаэробных условиях. Традиционно биотермический процесс протекает в компостной массе в стационарном режиме при укладке перерабатываемой смеси в штабель. Данный способ отличается простотой, дешевизной, малой энергоемкостью, а его интенсивность зависит от многих факторов, в том числе и температуры окружающего воздуха, что отражается на его длительности.

Для интенсификации компостирования периодически проводят перебивку смеси, но наиболее современным приемом является использование штаммов микроорганизмов (Суховеркова, 2016). Принцип использования подобной биологической переработки отходов животноводства и птицеводства сводится к внесению культур микроорганизмов в перерабатываемое сырье до укладки в штабели или полив водным раствором микробиологического препарата слоев в процессе их укладывания. При этом в качестве микробиологических культур используют либо отдельные штаммы, в частности, штамм дрожжей Candida krusei-96 и пищевые дрожжи Sacharomyces cerevisiae в соотношении 1:1 с титром 10⁸ КОЕ/мл (Тремасов и др., 2014) или почвенные микроорганизмы Actinomyces fradiae-96 и Candida krusei-96 (Иванов и др., 2013), либо более сложные консорциумы микроорганизмов (Ишкаев, Тремасов, 2006; Кулагина и др., 2008; Правдин и др., 2009; Федоров и др., 2012). Как правило, расход препаратов составляет 1-2 мл на 1 тонну перерабатываемых отходов, но при этом достигается существенное ускорение трансформации органического сырья и процесс ферментации длится в среднем 20-30 дней.

Рядом научно-исследовательских учреждений разработаны технологии с управляемыми процессами ферментации, которые ведутся в реакторах, ферментерах различного конструктивного исполнения (Лужков и др., 2003). Технология биопереработки в установках камерного типа представляет собой прогрессивный способ переработки навоза/помета в высококачественное органическое удобрение. Процесс ферментации интенсифицируется за счет принудительной подачи воздуха в массу, переводится на управляемый режим, направленный на создание оптимальных параметров протекания процесса и гарантированных условий обеззараживания готового продукта. При этом потери элементов питания минимальны, а сроки созревания сокращаются с 2 месяцев по традиционной технологии до нескольких суток (Еськов, Рябков, 2002).

В институте органических удобрений и торфа (ВНИПТИОУ, г. Владимир) разработана технология ускоренного (за 3-7 дней) непрерывного производства компостов в реакторе барабанного типа (Еськов, Рябков, 2002). Смесь полужидкого навоза (помета) и влагопоглощающих материалов с минеральными добавками влажностью от 70 до 75 % подается в приемный бункер, из которого 4 раза в сутки поступает в реактор. Реактор представляет собой горизонтально расположенный барабан диаметром 1 м и длиной 4 м с теплоизоляцией, установленный на четырех опорных роликах и имеющий загрузочный и выгрузной люки. Барабан вращается со скоростью 24 об/мин, регулируется подача воздуха, при этом одновременно с загрузкой исходной смеси ведется выгрузка готового продукта.

Для переработки твердой фракции бесподстилочного навоза, помета сотрудниками НИИ комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства (ВНИИКОМЖ, г. Москва) разработана модульная установка с блоками загрузки, выгрузки, смешивания смеси, системой автоматического регулирования и управления биологическим процессом. Исходная смесь из навоза или помета с органическим сорбентом загружается в биоферментер и после 5... 6 дневного компостирования установка выводится на непрерывный режим, при котором ежедневно выгружается часть готового продукта и производится загрузка такого же количества исходной смеси. Биоферментация исходной смеси происходит по мере перемещения масс сверху вниз в течение указанного времени, в процессе чего масса нагревается первоначально за счет отходящего тепла с готового продукта и засевается необходимыми микроорганизмами. Кроме того, в процессе биоферментации контролируется температура и содержание кислорода (Пузанков, Мхитарян, 2002).

Одним из вариантов утилизации птичьего помета является способ получения почвовосстановителя (Басамыгин и др., 2000). Птичий помет с органическими наполнителями в течение четырех дней компостируют в ферментере при температуре 80-85 °C и дискретной подаче воздуха. При этом одновременно проводят обработку смеси непрерывным излучением лазера в световом диапазоне длин волн, а также непрерывным и импульсным инфракрасным лазером в области Х= 800-920 нм и, кроме того, дополнительно смесь в ферментере обрабатывают электромагнитным излучением от 0,05 мТл до 1,5 Тл. Получаемый почвовосстановитель обладает высокой биологической активностью, гумифицированностью, хорошей сыпучестью, не заражает почву семенами сорных растений и возбудителями болезней, обогащает и оживляет почву.

Во Всероссийском НИИ мелиорированных земель (г. Тверь) группой ученых под научным руководством академика Н.Г. Ковалева разработана технология переработки отходов животноводства и птицеводства с влагопоглощающим материалом посредством аэробной твердофазной ферментации в высокоэффективную, экологически чистую продукцию - компост многоцелевого назначения (КМН) (Ковалев и др., 1997; Ковалев, Барановский, 2006). Его производство осуществляется в ферментере камерного типа, представляющего собой сооружение размером 5x10 м и высотой до 4,5 м, в полу которого вмонтированы перфорированные трубы, тупиковые с одного конца и объединенные с другого общим воздуховодом. Стандартной установкой по производству КМН является двухкамерный ферментер, но в зависимости от объемов производства биоудобрения на практике могут использоваться батареи из любого числа ферментеров. При соблюдении основных технологических параметров (влажности органической смеси 50-70 %, рНСол -6-8, соотношения углерода к азоту 20-30:1, содержания кислорода в массе - 5-12 %) спустя 7-10 суток получается биоудобрение КМН, характеризующееся экологической чистотой, высоким уровнем биогенности и питательности, обусловленным высвобождением элементов питания из природных биополимеров органического сырья и микробиологическим синтезом вторичных метаболитов в процессе ферментации. Производство КМН успешно внедряется в России и ближнем зарубежье, а разработка в 2001 году была удостоена Государственной премии РФ в области науки и техники.

Во ВНИИМЗ представлена также технология переработки отходов животноводства влажностью не более 75 % в высокоэффективные, экологически чистые жидкофазные биосредства для роста и развития растений. В основе технологии лежат ферментационно-экстракционные процессы преобразования органического сырья (навоза КРС, низинного или переходного торфа) с включением стимуляторов различной природы. Главное отличие технологической линии заключается в установлении заданных физикохимических параметров, позволяющих эффективно задействовать исходный потенциал микрофлоры, за счет жизнедеятельности которой формируется качественная продукция (Рабинович и др., 2007).

В результате совместных исследований сотрудников ВНИИМЗ и Тверского государственного технического университета разработана аэробно-анаэробная твердофазная ферментация смеси органических отходов животноводства и трудногидролизуемого сырья растительного происхождения с дополнительным внесением в исходную смесь различных стимуляторов (Молчанов и др., 2015). На протяжении нескольких суток происходит биотрансформация ферментируемой смеси, а пастеризационных эффект достигается в результате кратковременной обработки продукта ферментации ультразвуком интенсивностью 50-60 Вт/см2.

Жидкие отходы животноводства, навозные стоки чаще всего обеззараживают путем анаэробного их сбраживания в специальных герметичных емкостях - метантенках. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанобразующих бактерий превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту. Кроме того, метановое сбраживание отходов обеспечивает его дезодорацию, дегильминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные для растений вещества - азот, фосфор и калий, практически не теряются (Ковалев, Романюк, 2002; Ковалев, Ковалев, 2006).

В ОАО ГосНИИсинтезбелок (г. Москва) предложен аэробный ускоренный биотехнологический процесс переработки жидких навозных стоков глубинным культивированием культур Endomycopsis fibuligeral и Ervinia specias, приводящим к изменению видового состава микрофлоры и сопровождаемым ускоренной утилизацией наиболее неустойчивых веществ, подверженных микробному разложению в естественных условиях (Ерина, Винаров, 2006). Аэробная ферментация стоков с содержанием сухих веществ от 12 % до 14 % проводится при температуре 25-30 °C и расходе воздуха 1,6-1,8 об/об, мин. в течение 7090 часов. Получаемый в процессе аэробной переработки навоза продукт содержит ценные для повышения плодородия почв низкомолекулярные гумусовые вещества, азот, фосфор, минеральные соли и др.

Одним из относительно новых способов биопереработки органических отходов является вермикультивирование. В настоящее время известно множество технологий с использованием дождевых червей (Смирнов, Шиганов, 2003; Степанова и др., 2009; Кузнецов и др., 2010; Терещенко, Кравец, 2016 и др.). Их применение во много раз ускоряет разложение органического вещества, позволяют в относительно короткие сроки получить удобрение. При этом черви представляют собой биомассу, которая после соответствующей переработки может использоваться как белковая добавка к кормам и в качестве биохимического сырья. Необходимо помнить, что вермикультивирование требует обеспечение и поддержание необходимых параметров микроклимата.

Оригинальную технологию утилизации нативного бесподстилочного навоза с помощью комнатной мухи разработал коллектив авторов под руководством академика Л.К. Эрнста (Злочевский и др., 2006). Сущность метода заключается в создании инсектария для разведения имаго (взрослых мух) и цеха по переработке навоза, помета (культиватор). Оптимальное количество яиц мух, необходимое для переработки свежего навоза, помета, составляет 0,3 г на 1 кг навоза, помета. При строгом соблюдении технологического процесса и при использовании необходимого количества навоза, помета за 5-6 суток можно получить 10 % сырых личинок мух и 50-60 % природного органического удобрения - зоогумуса. Биомасса личинок комнатной мухи представляет собой высокоценный белковый продукт и используется для приготовления муки, которую используют в кормлении телят, поросят, птицы (кур, уток), рыб, лабораторных животных (мышей, крыс).

В данной статье рассмотрены далеко не все технологии, технологические приемы и решения по биопереработке отходов животноводства и птицеводства, которые могут найти либо находят свое применение на практике. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки. В зависимости от потребностей и размера конкретной сельскохозяйственной организации, фермерского или личного подсобного хозяйства выбор эффективной технологии должен осуществляться с учетом экономических показателей, экологических оценок, а также показателей качества получаемой продукции, в частности органических удобрений.

Фомичева Н.В. Современныен технологии биопереработки возобновляемых сырьевых ресурсов / Н.В. Фомичева, Г.Ю. Рабинович, В.П. Молчанов, Э.М. Сульман // Вести. ТвГУ. Сер. Биология и экология. 2018. № 2. С. 263-273.