Утилизация птичьего помета с использованием ускорителя ферментации грибкового происхождения

В настоящее время разработаны способы ускоренного компостирования помета, позволяющие значительно сократить сроки компостирования и потери питательных веществ. Интенсификация процессов компостирования достигается в основном за счет улучшения аэрации смеси, ее перемешивания, внесения различных добавок как, например, предусмотрено технологией ускоренного микробиологического компостирования, разработанной специалистами компании «Биокомплекс» (г. Москва). В процессе такого микробиологического компостирования участвуют более 2000 видов бактерий и не менее 50 видов грибов. Причем биологические процессы с образованием гуминовых кислот, активизированные на начальной стадии, продолжаются еще несколько месяцев после внесения удобрений в почву, что способствует восстановлению и развитию множества необходимых для грунта форм жизни уже непосредственно в почве. Продолжительность процесса ускоренного компостирования составляет 8−14 дней. Важным преимуществом способа (по данным компании) является то, что ускоренное компостирование осуществляется без дорогостоящего оборудования на специальной бетонированной площадке под навесом. Площадку обслуживает один тракторист-оператор с погрузчиком. Производительность такой площадки компостирования — до 100 т в смену. Внесение удобрений и выращивание растений осуществляется по традиционной агротехнологии с применением серийных средств механизации. Высоковлажный помет специалисты компании «Биокомплекс» предлагают перерабатывать путем сепарирования на шнековом прессе на жидкую и твердую фракции, содержащую 40% сухого вещества, с последующим компостированием твердой фракции. Жидкая фракция с содержанием сухих веществ около 1,2% не содержит патогенных микроорганизмов, яиц гельминтов и используется для полива орошаемых полей. Разделение жидкого помета на твердую и жидкую фракции с последующей переработкой их разными способами предусмотрено также многими технологическими схемами переработки помета, предложенными зарубежными учеными.

Вермикомпостирование. Заключается в переработке птичьего помета при помощи дождевых червей, но при этом используются не обычные, обитающие в Украине дождевые черви, а черви специальной, красной калифорнийской породы. С данной породой червей вот уже более 50 лет проводится селекционная работа, вследствие чего они, вначале не имеющие существенных отличий от украинский червей, в настоящее время характеризуются большей плодовитостью, приспособленностью к полупромышленным условиям разведения, производительностью при переработке навоза. Зачинателем способа называют калифорнийского бизнесмена Хегга Картера, который начал перерабатывать органические отходы при помощи красных калифорнийских червей еще в 1947 г. Сейчас способ достаточно широко распространен не только в Америке, но и в Европе, Азии, Австралии. Можно без преувеличения сказать, что дождевой червь — это хорошо отлаженное приспособление по переработке и обогащению почвы. За сутки он съедает столько же, сколько весит сам. И более половины того, что он выделяет, составляет биогумус. 1 т червей за сутки производит около 0,5 т совершенного биологического удобрения, насыщенного органикой. После полной переработки органического материала червями получают так называемый вермикомпост, обогащенный ценными бактериями. Однако свежий помет для выращивания червей непригоден из-за наличия в нем аммиака и мочевой кислоты — продуктов, ядовитых для червей. Поэтому его сначала компостируют обычным способом. Влажность созревшей смеси должна составлять примерно 75% при нейтральной кислотности. Оптимальная температура для развития червей — около — 22Со, в связи с этим способ может использоваться преимущественно в теплый период года. В Украине комплекс по переработке птичьего помета методом вермикомпостирования действует с конца 80-х годов прошлого века на базе Полтавской птицефабрики. Процесс вермикомпостирования на птицефабрике осуществляют следующим образом. В бурты созревшего помета шириной 1,5...2 м и высотой 20...30 см, высевают червей красной калифорнийской породы в количестве 30...50 тыс. шт./м2 (4 кг). Для поддержания оптимальной влажности смесь периодически увлажняют. По мере размножения червей и освоения ими питательного субстрата, периодически добавляют также подготовленный компост слоем примерно 7...10 см. За год количество червей может увеличиться 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.

Многие специалисты отводят вермикультуре основную роль в спасении почв, деградировавших в результате неправильного использования. По данным сторонников способа, тяжелые металлы в биогумусе связываются и нейтрализуются, а фитогормоны, продуцируемые микрофлорой, ускоряют рост растений в 4−6 раз, помогают им противостоять болезням и вредителям. Индустрия вермикомпостирования так распространилась на планете, что создана даже своя федерация, зарегистрированная в Италии, а в Дании издается специальный журнал под названием «Червивые новости». Однако есть и скептики, которые утверждают, что как удобрение, вермикомпост не имеет существенных преимуществ в сравнении с обычным компостом, в то же время технология его производства значительно сложнее и обходится гораздо дороже. Однако достоверных сведений о преимуществах того или иного способа компостирования в литературе недостаточно и данный вопрос, по-видимому, требует дальнейшего изучения.

Но не только ради биогумуса разводят червей. В США и некоторых других странах их используют для выработки кормовых добавок. Мука или фарш из червей по своему химическому составу могут соперничать с рыбной мукой, но дешевле нее. Во многие национальные кухни входят также блюда из червей. Даже американцы уже не воспринимают «червеугодие» как экзотику. Они потребляют червей в виде фаршевых добавок, едят варёными, жареными и даже живьем, как устриц. Издревле червей потребляют в пищу в Китае и Юго-Восточной Азии.

Широкому распространению способа вермикомпостирования в Украине препятствует отсутствие соответствующих специализированных средств механизации и высокая себестоимость переработки компостируемых материалов, что ограничивает рынок потребления продуктов вермикомпостирования.

Высокотемпературная сушка. По данным многих литературных источников, данный способ является наиболее надежным способом обезвреживания вредных факторов, присутствующих в помете (болезнетворных микроорганизмов, семян сорных растений, яиц гельминтов) и сохранения полезных питательных веществ. Сухой помет может использоваться не только в качестве удобрения, но и как кормовая добавка в рационы жвачных животных. Однако требует значительных затрат топлива на термическую обработку (80−100кг условного топлива на 1 т испаряемой влаги) и наличия дорогостоящего оборудования. Учитывая постоянное удорожание энергоносителей, способ применяется в ограниченных масштабах и может быть экономически эффективен только при сушке низковлажного помета (меньше 50%), например, получаемого при использовании клеточных батарей с ленточной пометоуборкой и системой подсушки, а также подстилочного помета.

Биоэнергетические способы переработки помета. Если в процессе компостированияучаствуют микроорганизмы-аэробы, то в процессах биоэнергетической переработки помета — микроорганизмы-анаэробы, то есть обитающие в бескислородной среде. В процессе анаэробной ферментации помета получают так называемый биогаз. Биогаз — смесь газов. Его основные компоненты: метан (CH4) — 55−70% и углекислый газ (СО2) — 28−43%, а также в очень малых количествах другие газы, например — сероводород (H2S). В среднем из 1 кг органического вещества (в пересчете на абсолютно сухое вещество), биологически разложимого на 70%, можно произвести 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Существуют психрофильные (при температуре 10−250С), мезофильные (25−400С) и термофильные (50−550С) режимы биоконверсии. Производство биогаза в термофильном режиме намного выше по сравнению с мезофильным и психрофильным режимами. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогрев смеси, позволяет эксплуатировать генераторы биогаза в районах, где температура зимой опускается до −20ºС. Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90—94%). Однако можно подвергать анаэробной ферментации и обычный помет и даже твердые органические отходы. Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков. Длительность ферментации, обеспечивающая обеззараживание помета, не менее 12 суток. При   ферментации   в   помете практически полностью сохраняются азот и фосфор. Масса навоза почти   не  изменяется,   если   не считать испаряемой воды, которая переходит в биогаз.  Обычно органическое вещество в процессе биоэнергетической ферментации разлагается на 30−40%; деструкции подвергаются в основном легко разлагаемые соединения — жир, протеин, углеводы, а  основные гумусообразующие     компоненты — целлюлоза и лигнин — сохраняются полностью. Благодаря  выделению  метана   и  углекислого    газа    оптимизируется соотношение C/N. Доля аммиачного     азота     увеличивается. Реакция   получаемого   органического удобрения — щелочная (рН 7,2−7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых  почв.   По  сравнению  с удобрением, получаемым из помета   обычным  компостированием,   урожайность   увеличивается        на 10−15 %. Содержание воды в биогазе при 40°С — 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению  конденсата   (осушка  газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.). Энергоемкость биогаза в среднем 23 мДж/м3, или 5500 ккал/м3.

Использование отходов птицеводства, животноводства, растениеводства и жизнедеятельности человека, а также вторичных ресурсов как альтернативных и возобновляемых источников тепловой и электрической энергии давно является одним из важнейших направлений в энергетической стратегии многих стран мира. Особое внимание уделяется развитию технологий получения биогаза. С 70-х годов в Китае начала действовать национальная программа по добыче биогаза и уже через 10 лет в стране работало более 10 млн. фермерских биореакторов, производивших ежегодно 1,3 млрд. куб. м. биогаза, что позволило обеспечить теплом 35 млн. человек. Кроме малых фермерских установок, в Китае работает 40 тыс. больших и средних биогазовых станций и 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки городских бытовых отходов. На биогазе работает 190 электростанций. Свыше 60 % всего автобусного парка страны, в том числе около 80 % в сельской местности, работают на биогазовых двигателях. Китай экспортирует как сам биогаз, так и двигатели на основе этого топлива более чем в 20 стран мира.

Весьма интенсивно биогазовая отрасль развивается и в других странах Азии. Так, в Индии насчитывается около 3-х миллионов биогазовых установок различной производительности, в Непале — около 100 тыс. биогазовых установок.

Ограниченность запасов ископаемого углеводного сырья заставила также и многие развитые страны Америки и Европы активизировать исследования в области альтернативных энергосберегающих технологий и возобновляемых источников энергии.

Понимая важность и эффективность использования биогаза, в США принят закон о необходимости оборудования всех без исключения полигонов твердых бытовых отходов системами добычи и утилизации биогаза. В настоящее время на территории США работает 10 крупных биогазовых заводов.

В промышленно развитой Германии в 1999 году число биогазовых установок достигло 600, она вышла на первое место в Европе по использованию биогаза в качестве топлива для получения тепловой и электрической энергии. Специалисты в области энергетики считают, что биогазовая технология способна покрыть до 15 % энергетических потребностей Германии.

В Швеции на биогазовом топливе работают сотни автомобилей и автобусов.

Благодаря биогазу потребности западноевропейского животноводства в топливе за последние 10 лет сократились более чем на треть, при этом биогазом отапливается не менее половины всех птицефабрик.

Проектирование, поставку оборудования для производства биогаза из органических отходов, а также его шефмонтаж и пуско-наладочные работы может осуществлять Украинский научный центр технической экологии (УкрНТЭК, г. Донецк). Стоимость капитальных вложений в установку производительностью 10 т исходного сырья в сутки составляет примерно 10 тыс. долларов США, 100 т в сутки — 50 тыс. долларов.

В разработке биоэнергетических технологий можно выделить два основных направления. Первое направление — это рациональное упрощение и удешевление тех установок, при использовании которых получение биогаза не является основным в сравнении с требованиями экологической безопасности и получением высокоэффективных органических удобрений. Эти разработки обычно предлагаются для использования в небольших фермерских хозяйствах. Типичная конструкция установки подобного типа приведена на рис. 1.

Основу биогазовой установки составляет герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель — вода, нагретая до 50−60 °С), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа. В качестве емкости может быть использована обычная топливная цистерна объемом 50 м3 или емкость может быть изготовлена из железобетона. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция — направлять поток помета и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно, их число и размещение зависят от свойств помета — текучести, количества подстилки и т.д. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества получаемого помета. Если суточное количество помета известно, нужный объем реактора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток — минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полученную величину на 10 % (так как реактор следует заполнять субстратом на 90 %).

Рис. 1 — Схема простейшей установки для переработки помета и других органических отходов в биогаз

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке пометом с содержанием сухого вещества 4−8 % — два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м3 будет давать в сутки 100 м3 биогаза. Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голов крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 12−20 м3 биогаза, от 10 свиней — 1−3 м3, от 10 овец — 1 — 1,2 м3, от 10 кроликов — 0,4−0,6 м3, 10 кур — 0,1−0,12 м3. Тонна соломы дает 300 м3 биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов — 130м3). Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение, составляет в среднем 10 м3в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизоляции дома). Подогревать субстрат до 40°С можно различными способами. Удобнее всего использовать для этого газовые водонагревательные аппараты типа АГВ-80 или АГВ-120, снабженные автоматикой для поддержания температуры теплоносителя. При питании аппарата получаемым биогазом (вместо природного газа) следует его отрегулировать, уменьшив подачу воздуха. Можно также использовать для подогрева субстрата ночную электроэнергию. Аккумулятором тепла в этом случае служит сам биореактор. Для уменьшения потерь тепла биореактор необходимо тщательно теплоизолировать. Давление газа, получаемого в биореакторе (100−300 мм водяного столба), достаточно для его подачи на расстояние до нескольких сотен метров без газодувок или компрессоров. При запуске биореактора необходимо заполнить его на 90 % объема субстратом и продержать не менее 12 суток, после чего можно подавать в реактор новые порции субстрата, извлекая соответствующие количества ферментированного продукта.