СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОКОМПОСТА НА ОСНОВЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПОДСТИЛОЧНОГО ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА И НАВОЗА ДОМАШНИХ ЖИВОТНЫХ, ПРИ АЭРОБНО-АНАЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF MAKING BIOCOMPOST BASED ON FARM WASTES, MAINLY POULTRY DROPPINGS AND DUNG OF DOMESTIC ANIMALS, WITH AEROBIC-ANAEROBIC FERMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к способам получения органических удобрений путем компостирования органического сырья биологического происхождения, в частности сельскохозяйственных отходов, таких как подстилочный птичий помет, навоз крупного и мелкого рогатого скота, свиней, лошадей и т.п.
Известны способы аэробного компостирования органического сырья в биореакторах с увлажнением, с постоянным перемешиванием и принудительным аэрированием компостируемой массы (GB 117267, С05F 9/04, 9/00, 1919; US 4134749, С05F 3/06, 1979; СА 1077289, С05F 17/00, 1980; RU 2291136, С05F 3/00, 2007). В процессах по этим способам на начальном этапе происходит быстрый биологический разогрев компостируемой массы за счет интенсивного роста и деятельности сапрофитных и мезофильных микроорганизмов. Далее высокотемпературный режим поддерживается деятельностью термофильных микроорганизмов. Повышение температуры активизирует реакции биологического и химического окисления органических веществ, деструкции полимеров и минерализации органической массы. При длительном воздействии повышенных температур теряют всхожесть семена сорняков, гибнут яйца гельментов и клетки патогенных микроорганизмов, которые относятся к типу мезофильных. Положительным для всех аэробных способов является высокая скорость процесса и получение компоста однородной рыхлой структуры, а отрицательным - низкое микробиологическое разнообразие и, как следствие, низкая биологическая активность получаемых компостов (из-за гибели полезных сапрофитных микроорганизмов вместе с патогенными при длительном воздействии повышенных температур и неспособности положительного воздействия на почву доминирующих при этом термофильных микроорганизмов). Кроме того, при повышенной температуре, перемешивании и аэрации имеют место большие потери азота в молекулярном виде или в виде аммиака, что ведет к обеднению компоста, а также требует мероприятий по защите окружающей среды.
В меньшей степени указанные недостатки присущи известным способам анаэробного компостирования, по которым органическое сырье плотно укладывают на площадку с твердой поверхностью в бурты или в контейнеры, увлажняют и оставляют на длительное ферментационное созревание. Компостирование происходит при относительно невысокой температуре преимущественно за счет анаэробного брожения с участием доминирующей группы целлюлозолитических видов анаэробных бактерий рода Clostridium. В поверхностном естественно аэрированном слое органического сырья происходят аэробные процессы с участием доминирующей культуры Actinomices vulgaris. Обеззараживание компостируемой массы достигается за счет большой длительности процесса, что обеспечивает естественное отмирание патогенной микрофлоры, гельментов и семян сорняков. Получаемые компосты богаты по содержанию доступного азота (из-за низких его процессуальных потерь), имеют относительно высокое микробиологическое разнообразие с сохранением части мезофильных микробиологических видов и являются биологически активными при внесении их в агросистему. Недостатком анаэробных способов компостирования является большая длительность процесса, высокая влажность, липкость, глыбистость и неоднородность компоста на конечной стадии. Кроме того, в имеющемся микробиологическом разнообразии в компостной массе слишком велика доминанта анаэробных целлюлозоразлагающих микроорганизмов, что вносит сезонные ограничения по применению компостов - их целесообразно вносить в почву осенью после уборки урожая с запахиванием вместе с растительными остатками (например, вместе с соломой злаковых или ботвой пропашных растительных культур).
Наиболее приемлемы и осуществимы в больших производственных масштабах промежуточные (аэробно-анаэробные) способы компостирования (А.И.Еськов и др. Справочная книга по производству и применению органических удобрений. Владимир: ВНИПТОУ, 2001, с.108-134), по которым органическую исходную массу укладывают в бурты на полигонах (обширных поверхностях с твердым покрытием) и увлажняют, как в способах анаэробного компостирования, после достижения максимального разогрева (до 60°С в локальных точках) проводят ворошение буртов, например с помощью буртоворошителей - гомогенизаторов. При ворошении происходит смена локальных ниш множества ферментационных процессов, достигается приемлемая гомогенизация массы, планомерное регулирование влажности и ускорение процесса компостирования. Перемешивание буртов проводят несколько раз за период компостирования, чем достигают приемлемую влажность, однородность и дисперсность готового компоста. Микробиологическое разнообразие компостов, получаемых таким промежуточным способом, выше, чем при применении аэробных и анаэробных способов, и при этом отсутствует подавление какой-либо из групп микроорганизмов, и они еще пригодны для применения как осенью, так и весной для внесения в почву, а летом - для прикорневой прикормки растений и мульчирования надкорневого слоя почвы.
Известна также модификация вышеупомянутых способов компостирования сельскохозяйственных отходов с использованием такой микробиологической добавки, как ЭМ-препарат ("ЕМ" - effective microorganisems), включащий молочно-кислые, фотосинтезирующие, азотосодержащие бактерии, дрожжевые грибки, ферменты, аминокислоты и т.п. (ЭМ-технология - надежда планеты. 3-е издание. М. - Улан-Удэ: ООО «ЭМ-центр», ПО «ЭМ-коопераци», 2000, с.15, 23 и 24). Способ получения биокомпоста из отходов (навоз, опилки, солома, бурьян и пр.) путем их буртового компостирования при их опрыскивании перед буртованием раствором ЭМ-препарата из расчета 1 л препарата на 1 т органики, причем препарат разбавляют водой в той степени, чтобы получить влажность компоста не более 60-70%, а для лучшей аэрации бурт перемешивают (бульдозером или экскаватором) не менее 2 раз с интервалом в неделю, чем еще не допускают перегрева компоста (выше 40°С). Глубокая ферментация достигается длительностью ее проведения (до 2-х месяцев). Такой способ является наиболее близким к заявляемому и принят в качестве прототипа. Но он не решает проблемы низкого микробиологического разнообразия и имеет недостаточно высокую биологическую активность.
Задачей изобретения являлось создание способа получения биокомпоста на основе сельскохозяйственных отходов, преимущественно подстилочного птичьего помета и навоза крупного рогатого скота, при аэробно-анаэробной ферментации, обеспечивающего ускорение процесса ферментации с одновременным увеличением биологической активности удобрения.
Для решения этой задачи с указанным техническим результатом способ получения компоста на основе сельскохозяйственных отходов, преимущественно подстилочного птичьего помета и навоза домашних животных, при аэробно-анаэробной ферментации включает формирование по крайней мере одного бурта из отходов, внесение микробиологического комплекса, увлажнение, биологический разогрев и периодическое перемешивание компостируемой массы. Отличительной особенностью способа (первого варианта) является то, что в компостируемую массу вносят микробиологический комплекс в жидкой форме при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%:
Культуральная жидкость (КЖ)
Lactobacillus plantarum, 34, В 2118
15-20
КЖ Lactobacillus fermentum, 27, В 2431
25-30
КЖ Lactococcus lactis, шт. АМС, В 3123
5-10
КЖ Bacillus cytaseus, 21/2/AS, В 4441
15-20
КЖ Bacillus cereus, РХТУ ВТ-5
15-20
КЖ Bacillus subtillis, GL, В 8130
10-15
Фильтрат водной суспензии, содержащей
20-30% свежего навоза рогатого скота
или лошадей
20-30
Микроэлементный комплекс
0,05-0,1
Раствор щелочи (К<sup>+</sup>, Na<sup>+</sup>, NH<sub>4</sub><sup>+</sup>) до рН 5,5-6,0
остальное
Для повышения эффетивности способа бурт из отходов формируют по габаритам буртоворошителя, а микробиологический комплекс вносят поливом предварительно или на бурт из расчета 1-2 л на 1 т компостируемой массы (перед увлажнением или путем растворения в увлажняющей воде до обеспечения влажности массы 55-60%) с последующим перемешиванием массы буртоворошителем.
Второй вариант способа, который отличается от первого тем, что в компостируемую массу вносят микробиологической комплекс, составляющие которого предварительно иммобилизованы на дисперсных твердофазных носителях в сыпучей форме с влажностью 30-40%. Это дает возможность начать осуществление способа и в зимнее время.
По второму варианту способа бурт из отходов также формируют буртоворошителем, микробиологический комплекс вносят в исходную массу или распылением (рассыпанием) на поверхность бурта перед его перемешиванием буртоворошителем, причем увлажнение и последующие периодические перемешивания осуществляют после завершения формирования бурта в климатический период положительных температур.
Для повышения эффективности способа в качестве дисперсных твердофазных носителей микроорганизмов используют высокодисперсные органические и неорганические вещества или их смеси с высокой влагоемкостью, например сухой молотый компост, свекловичный жом, полову или торф, а также вспученный перлит, бентонит.
В третьем и четвертом вариантах способа возможно использование посевного компоста. Его вводят в компостируемую массу в количестве 10-30 кг/т, а получают предварительно с использованием смеси основной компостируемой массы с навозом рогатого скота или лошадей в соотношении от 9:1 до 1:1 и микробиологического компонента в количестве 2-3 кг/т компостируемой массы в режиме периодического перемешивания. При этом в третьем варианте способа при приготовлении посевного компоста используют микробиологический комплекс в жидкой форме по составу и соотношению ингредиентов, как в первом варианте, а в четвертом его варианте - в сыпучей форме, как во втором варианте. Это обеспечивает интенсификацию микробиологических процессов в начальной стадии промышленного компостирования.
Изобретение поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - графики, отражающие изменения свойств (рН, температуры, содержания общего и аммонийного азота) компостируемой массы на основе подстилочного птичьего помета от времени после закладки ее на компостирование по предлагаемому способу получения биокомпоста и по способу прототипа (с обозначением его показателей индексом «п»);
на фиг.2 - графики, отражающие биологическую активность почв по относительному приросту биомассы (в %) во времени после внесения в них 1% (10 т/га) биокомпостов, полученных предлагаемым способом (кривая 2) и по способу прототипа (кривая 1) по сравнению с контрольной почвой.
Изобретение представляет четыре варианта способа получения биокомпоста на основе сельскохозяйственных отходов, преимущественно подстилочного птичьего помета и навоза домашних животных, при аэробно-анаэробной ферментации.
Первый вариант способа, применяемый в летнее время, осуществляется следующим образом.
Сельскохозяйственные отходы, например подстилочный птичий помет (ППП), вывозят из птицефабрик на полигон компостирования (на заранее подготовленную площадку с твердой поверхностью) и укладывают навалом по плану формирования бурта с поперечными размерами, соответствующим габаритам буртоворошителя, например шириной 5,5 м и высотой 2,0 м. Длина бурта может достигать 100 м и более. На бурт известной массы вносят распылением или поливом заранее приготовленный жидкий микробиологический комплекс (из расчета 1-3 л на 1 т компостируемой массы - исходного ППП) перед увлажнением или путем растворения в увлажняющей воде и производят перемешивание бурта буртоворошителем. Микробиологический комплекс имеет следующий состав:
Культуральная жидкость (КЖ)
Lactobacillus plantarum, 34, В 2118
15-20
КЖ Lactobacillus fermentum, 27, В 2431
25-30
КЖ Lactococcus lactis, шт.АМС, В 3123
5-10
КЖ Bacillus cytaseus, 21 /2/AS, В 4441
15-20
КЖ Bacillus cereus, РХТУ* ВТ-5
15-20
КЖ Bacillus subtillis, GL, В 8130
10-15
Фильтрат водной суспензии, содержащей
20-30% свежего навоза рогатого скота
или лошадей
20-30
Микроэлементный комплекс
0,05-0,1
Раствор щелочи (К<sup>+</sup>, Na<sup>+</sup>, NH<sub>4</sub><sup>+</sup>) до рН 5,5-6,0
остальное
(* из коллекции Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, остальные штаммы микроорганизмов депонированы во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов - ВКПМ).
Увлажнение до 55-65% ППП производят при закладке буртов или в процессе их перемешивания буртоворошителем. Повторное и последующие перемешивания компостируемой массы буртов производят после достижения в компостированной массе на глубине 0,5-1 м от поверхности бурта температуры 60-70°С и выдержки в этом состоянии не менее 2 суток. Если падение температуры начинается до конца этого периода, то перемешивание начинают раньше - сразу после обнаружения падения температуры. Число перемешиваний определяют по приемлемому внешнему виду (по однородности и рыхлости). Последние перемешивания производят без увлажнения с целью достижения приемлемой влажности (около 30%) за счет испарения с использованием биологического тепла.
Для возможности дальнейшего использования полученного биокомпоста его складируют в хранилища, которые могут представлять собой большие бурты компактного сложения, где протекают процессы анаэробного дозревания продукта.
Второй вариант способа, применяемый при закладке бутов в зимнее время, осуществляется аналогично первому, но при этом вносят в компостируемую массу микробиологический комплекс, составляющие которого предварительно иммобилизованы на дисперсных твердофазных носителях в сыпучей форме (СФ) при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%:
СФ Lactobacillus plantarum, 34, В 2118
15-20
СФ Lactobacillus fermentum, 27, В 2431
25-30
СФ Lactococcus lactis, АМС, В 3123
5-10
СФ Bacillus cytaseus, 21 /2/ AS, В 4441
15-20
СФ Bacillus cereus, РХТУ ВТ-5
15-20
СФ Bacillus subtillis, GL, В 8130
10-15
Мелкая фракция навоза рогатого скота
или лошадей (любого срока хранения)
10-20
Микроэлементный комплекс
0,05-0,1
Вода до влажности 30-40%
остальное
При приготовлении микробиологического комплекса в качестве дисперсных твердофазных носителей используют высокодисперсные органические и неорганические вещества или их смеси с высокой влагоемкостью: сухой молотый компост, свекловичный жом, полову, торф, вспученный перлит, бентонит и т.п.
Бурты из отходов формируют на площадке с твердой поверхностью, микробиологический комплекс вносят путем распыления или рассыпания по поверхности бурта, а перемешивание буртов проводят после завершения их формирования (обычно весной с первым увлажнением). Второй вариант способа полностью применим и в теплый период года.
Предлагается еще два варианта способа - третий и четвертый, в каждом из которых предлагается использование посевного компоста. Для его получения закладывают бурт посевного компостирования следующим образом. На заранее подготовленную площадку завозят от 10 до 50% от планируемой массы бурта подстилочного навоза рогатого скота или лошадей и равномерно распределяют его по площадке. На поверхность образовавшегося слоя вносят соответственно для третьего и четвертого вариантов способа расчетное количество жидкого (по составу и соотношению ингредиентов по первому варианту) или твердофазного иммобилизованного (по составу и соотношению ингредиентов по второму варианту) микробиологического комплекса из расчета 2-3 кг на одну тонну массы бурта. Затем укладывают основную компостируемую массу и перемешивают всю массу буртоворошителем с одновременным и последующим увлажнением водой до влажности 50-60% с помощью автономного или встроенного в буртоворошитель поливочного устройства. Для обеспечения равномерного распределения компонентов по объему бурта производят двух- или трехкратное перемешивание его массы. В некоторых случаях (низкая температура воздуха и плохое качество основной компостированной массы) на любой из стадий формирования посевного бурта в него вносят 1-3% от компостируемой массы смеси мелассы с кукурузным экстрактом (9:1) и азотно-фосфорные соли, например фосфаты аммония в количестве 0,01-1,05%. После этого выжидают разогревания массы бурта до температуры 40-70°С на глубине 0,5 м от его поверхности и проводят повторное и последующие перемешивания, не допуская перегрева массы бурта выше температуры 70°С. Период выдержки при температуре 40-70°С не должен превышать 0,5 суток (12 час) для сохранения жизнеспособности споровой мезофильной микрофлоры. В связи с этим же нежелательно падение влажности компостируемой массы посевного бурта ниже 45% (при максимальной влажности 65%), т.е. необходим постоянный контроль процесса посевного компостирования. Хранение (использование) посевного компоста допустимо в течение 10 месяцев после закладки бурта при периодическом (один-два раза в месяц) перемешивании и поддержании влажности на уровне 45+5%. Период от закладки посевного компоста до начала его использования в качестве добавки для промышленного компостирования составляет минимум 4 недель (время полного созревания посевного компоста).
В отличие от первого и второго вариантов способа в третьем и четвертом его вариантах используется инокуляция основной компостируемой массы повышенной дозой комплекса микроорганизмов, размноженного и адаптированного в условиях принятой технологии компостирования. Микробиологическое сообщество посевного компоста сформировано в процессе посевного компостирования на основе микроорганизмов посевного субстрата и не только адаптировано по составу к условиям технологии компостирования, но и обеспечено легкодоступными субстратами питания микроорганизмов, что интенсифицирует микробиологические процессы на начальной стадии компостирования (сокращает период лаг-фазы). А это, в частности, обеспечивает возможность компостирования основной массы в холодное время года, если только бурт успевают сформировать до смерзания компостируемого субстрата. В летний период компостирования способ по последним двум его вариантам обуславливает некоторое ускорение процесса и возможность складирования готового компоста в виде крупногабаритных буртов (большой высоты на относительно малых площадках).
Для промышленного компостирования формируют бурты основной компостируемой массы с использованием буртоворошителя, оценивают их массы и на поверхность каждого бурта по периметру его основания равномерно распределяют посевной компост (из расчета 10-30 кг на 1 т массы бурта), после чего производят перемешивание и увлажнение массы бурта с использованием буртоворошителя и поливных устройств. Далее процесс компостирования ведут в режиме каждого вышеописанного варианта.
Для реализации операций способа используется выпускаемая промышленностью техника: самосвалы, буртоукладчики, дозаторы для внесения жидких и сыпучих препаратов, поливочные устройства и буртоворошители компостируемой массы буртов, а также методики и приборы для контроля процессов компостирования.
3
Были проведены сравнительные испытания предлагаемого способа и прототипа по получению биокомпостов из ППП и из навоза КРС, а также и по их применению, причем испытания проводились как модельного типа (в контейнерах объемом 2 м), так и в опытно-промышленных условиях (на полигоне птицефабрики ЗАО «Приосколье» Белгородской области). Результаты положительны. Ниже приведены экспериментальные данные в сокращенном виде (только с использованием отходов из ППП) в виде графиков (фиг.1 и 2).
2
Анализируя результаты проведенных испытаний (фиг.1), необходимо отметить, что наблюдалось закисление компостируемой массы в обеих способах, но в опытах по прототипу это закисление происходило существенно интенсивнее, что обусловлено формированием доминанты микроорганизмов кислого брожения, усиленного молочнокислым дрожжевым комплексом препарата «Байкал ЭМ». Однако при этом наблюдалось и снижение в компостируемой массе концентрации общего и аммонийного азота, что связано с деятельностью нитрифицирующего комплекса микроорганизмов, переводящих амминный органический и минеральный аммонийный азот в нитриты и нитраты через стадию атомарно-молекулярного азота. Это ведет к потерям азота в компостируемой массе за счет его улетучивания. В предлагаемом способе процесс закисления компостируемой массы значительно менее интенсивен вследствие уравновешивания кислого брожения процессами дезаминирования и связывания аммиака в соли органических кислот. Процессы нитрификации при этом мало выражены, вследствие чего общая концентрация азота в компостируемой массе повышается из-за общего уменьшения компостируемой массы в силу испарения влаги и выделения СО и других газообразных веществ.
Биологическая активность полученных предлагаемым способом биокомпостов и по прототипу оценивалась после внесения их в почву из расчета 10 т/га по относительному (в %) приросту биомассы выращиваемых на этих почвах растений по сравнению с растениями, выращенными на контрольных почвах. Для этого заготовлялись три грунта - контрольный и два с внесением биокомпостов, полученных предлагаемым способом и прототипом (комплекс «Байкал ЭМ») с расходом 2 л на 1 т исходной массы ППП, и на периодически отбираемых (с интервалом в 10 дней в течение 4-х месяцев) образцах грунтов высевали по 50 семян тест-культуры (ячмень сорта «Гонар»). Средние биомассы растений по каждому посеву определяли по средней массе корней и стеблей из числа нормально взошедших десятисуточных растений в каждом опыте. Относительный прирост Δ биомассы растений определяли по отношению разности средних масс опытных и контрольных к средним массам растений в контрольных посевах. Результаты биологической активности почв после внесения биокомпостов (полученного и известного) приведены на графиках (фиг.2), где кривая 1 соответствует применению биокомпоста прототипа, а кривая 2 - применению биокомпоста, полученного предлагаемым способом (на графиках относительные приросты биомасс растений в опытах условно отнесены к моментам посева их семян). Из представленных графиков видно, что биологическая активность биокомпоста, полученного предлагаемым способом, примерно на 30% выше, чем у прототипа, и не имеет периодов отрицательной биологической активности во времени, присущих прототипу.