Сидоренко О. Д. Биологические т ехнологии утилизации отходов животноводства



страница1/8
Дата23.04.2016
Размер1.14 Mb.
ТипКнига
  1   2   3   4   5   6   7   8


Сидоренко О. Д.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ Т ЕХНОЛОГИИ

УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

ЖИВОТНОВОДСТВА

Сидоренко О. Д.

Обобщены перспективные биологические технологии переработки отходов животноводства. Основной упор делается на биоконверсию отходов и продукты их переработки. Предлагаемые технологии обладают несравненным преимуществом — они экологичны. Отходы из опасного источника загрязнения превращаются в ценное сырье для получения удобрений, кормов и горючих материалов.

Оптимизм вполне оправдан, так как теоретические познания существа процессов трансформации отходов и критический анализ научных исследований уже находят практическое решение на биофабриках по переработке отходов.

Книга предназначена для специалистов, которым необходимо знать преимущества и недостатки альтернативных систем переработки отходов: работников сельского хозяйства, министерств и ведомств, научно-исследовательских организаций, фермеров и предпринимателей.

© Сидоренко О. Д. 2003 ©

СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ


1. ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРИРОДНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ

1.1.Сущность микробной деструкции органических субстратов

1.2. Состав микроорганизмов и их трансформирующая активность при переработке навоза и отходов

1.3. Возможные биохимические механизмы микробиологической трансформации органических субстратов в регулируемом режиме

1.4 Органические субстраты в пищеварительном тракте животных

2. ОТХОДЫ ЖИВОТНОВОДСТВА

2.1. Запахи

2.2. Твердые отходы

2.3. Сточные воды

3. БИОКОНВЕРСИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ, ПОЛУЧЕНИЕ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

3.1. Микроорганизмы, участвующие в биоконверсии отходов

3.2. Утилизация навоза

3.3. Переработка птичьего помета

3.4. Утилизация навоза свинооткормочных комплексов

3.5. Традиционное компостирование природного органического сырья

3.6. Вермикомпостирование

3.7. Выращивание личинок синантропных мух (опарышей)

4. Микробиологические способы утилизации отходов

4.1. Переработка твердых и жидких отходов микроорганизмами

4.2. Особенности выращивания дрожжей на отходах животноводства

4.3. Очистка сточных вод микроскопическими водорослями

4.4. Конверсия отходов метанобразующими микроорганизмами

4.5. Получение органического удобрения

5. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

5.1. Утилизация отходов свиноферм

5.2. Переработка птичьего помета

5.3. Получение кормов и продуктов питания повышенной усвояемости

6. БИОТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА

6.1. Использование продуктов биоконверсии отходов животноводства

Список литературы



ПРЕДИСЛОВИЕ
Проблема утилизации отходов сельского хозяйства, их эффективного использования — трансконтинентальная проблема. Повторная переработка навоза, птичьего помета, коммунальных отходов — это циклический процесс, вполне сравнимый с системой кровообращения организма: сердце гонит по артериям кровь, доставляющую в ткани питательные вещества и кислород, а потом через вены забирает истощенную кровь, пополняет ее запасы и отправляет в обратный путь.

Навоз и птичий помет — это не отходы, это энергонесущие субстанции, которые можно повторно и целенаправленно использовать в земледелии, животноводстве, цветоводстве, озеленении и других отраслях. Авторы книги показали, что благодаря биотехнологиям отходы сельского хозяйства могут ускоренно перерабатываться для вторичного использования, не причиняя вреда природе. Рассматриваются технологии утилизации отходов с помощью микроорганизмов, калифорнийских червей, личинок синантропных мух и другие способы переработки навоза и птичьего помета.

Критически обсуждаются микроорганизмы, участвующие в аэробно-анаэробной трансформации органических отходов, и продукты их метаболизма, экономичность микробных технологий утилизации отходов животноводства и их перспектива. Одним из основных факторов, определяющих путь и эффективность переработки отходов животноводства, является природа микроорганизмов, которые выполняют в каждой технологии специфические функции и, соответственно, различаются по видовому составу.

Предлагаются пути уменьшения негативного влияния токсических веществ на агроэкосистемы и активного использования энергии, заложенной в органических отходах животноводства. Показано, что вторичные продукты являются энергоемкими носителями. Например, отходы животноводства (навоз, помет и др.) становятся санированным, высокоактивным органическим удобрением, улучшают почву и уменьшают необходимость в пестицидах и химических удобрениях. Переработка термофильными бактериями только 30% производимого навоза в сельском хозяйстве РФ позволит дополнительно использовать в земледелии более 5 млн. т азота, фосфора и калия (д. в.).

Технологии XXI века — это микробная переработка отходов в целом, водорослевые системы для очистки и осветления сточных вод, производство дрожжей на отходах, получение кормового белка и т. д. Авторы обращаются к самой природе, ее компонентам, которые были создателями и накопителями органической материи, т. е. к биоконверсии. Это простейшие биотехнологии, наиболее экономичные, практически не требующие специальных перерабатывающих сооружений.

Книга содержит современную информацию о биоконверсии отходов животноводства и некоторых методах по переработке органического природного сырья, раскрывает микробиологическую основу деградации органического материала, его трансформацию и синтез органических субстанций, вторично использующихся в промышленности и сельском хозяйстве.

Проблема биоутилизации отходов сложна и многогранна, слабо научно обоснована, крайне мало законченных научных и практических рекомендаций. Некоторые утверждения авторов спорны, но нельзя не признать, что по широте и смелости постановки проблем книга является одной из самых современных и оригинальных по вопросам переработки отходов животноводства. Оптимизм авторов оправдан, так как дальнейшие исследования перечисленных биоконверсных технологий и их практическое внедрение очевидны.

Книга будет прочитана с большим интересом предпринимателями и работниками сельского хозяйства, занимающимися переработкой отходов и получением целевых продуктов — органических удобрений, кормовых добавок и т. д.


Профессор В. И. САВИЧ

ВВЕДЕНИЕ

Проблема переработки и утилизации отходов животноводства исключительно актуальна во многих странах мира. На 1 января 1999 года общее содержание органических отходов в животноводстве России составляет: крупный рогатый скот накапливает 344,1 млн. т навоза, свиноводство — 30,5 млн. т и птицеводство 14,5 млн. т/год (Архипченко, 2000).

Решение проблемы загрязнения окружающей среды отходами животноводства должно быть направлено на выполнение двух основных задач: предотвращение и исключение загрязнения окружающей среды; эффективное использование вторично переработанных отходов в сельском хозяйстве (земледелии, животноводстве).

В то время как окружающая среда страдает от животноводческих комплексов и создаются крупные очаги загрязнения, пахотные земли не получают традиционно ценного для России органического удобрения — навоза. По данным Госкомзема РФ, потери органического вещества пахотных земель в Нечерноземной зоне составляют 0,5 ... 0,7 т/га, Центральной черноземной зоне — 1,0 ... 1,5, Западной и Восточной Сибири — 0,3 ... 0,7, на Дальнем Востоке — 0,6 ... 1,0 т/га. Для воспроизводства гумуса в пахотных почвах необходимо ежегодно вносить 840 млн. т органических удобрений, или свыше 6 т/га (Пузанков, Мхитарян, 1999).

Подробно изучены отходы промышленности многих видов, разработаны способы и технологии их утилизации путем переработки в полезные продукты. Отходы же сельского хозяйства не нашли достаточного внимания технологов. К тому же попытки использовать отходы сельского хозяйства, накопленные в различного рода хранилищах, наталкиваются на большие сложности, связанные с целым рядом технологических, технических и экономических причин. Кроме исторически сложившегося способа переработки отходов животноводства — компостирования (буртование на бетонированных площадках), робко внедряются технологии биокомпостирования, высушивания и высокотемпературной ферментации. К сожалению, они высокозатратны, энергоемки, неэкологичны и часто не отвечают требованием земледелия и животноводства.

Почти не внедряется современная технология- микробная конверсия отходов животноводства в аэробных и анаэробных режимах, которая предусматривает не только санитарное состояние территории вокруг животноводческих помещений и птицефабрик, но и получение санированного, гумифицированного органического продукта высокой биологической активности, без специфического запаха.

Микробная биотехнология способна вовлечь в производство кормовых препаратов и добавок, огромные массы жидких и плотных отходов АПК растительного и животного происхождения. Существует широкий круг микроорганизмов, способных жидкие и твердые отходы трансформировать в кормовые препараты с образованием микробной биомассы. Самыми перспективными продуцентами являются быстрорастущие микроорганизмы.

Цель автора, показать научные основы для развития комплексных технологий биотрансформации вторичного сельскохозяйственного сырья, включая навоз и помет, с помощью микроскопических грибов, бактерий и дрожжей. Предусматривается обогащение сырья микробным белком, уменьшение загрязнения окружающей среды и нейтрализация контаменантов химической и биологической природы. Многие отходы сельского хозяйства могут стать сырьем для культивирования дрожжеподобных грибов и бактерий, повышающих уровень белка в получаемых препаратах до 4% и выше.

Читателю предлагается ознакомиться с технологиями микробиологической переработки отходов и получения компостов высокого нагрева. Термофильная микробиологическая трансформация отходов животноводства в органические удобрения принципиально новых видов сочетает защитные и стимулирующие свойства и точность дозировки элементов питания.

Микробиологическая трансформация отходов привлекает пристальное внимание зарубежных специалистов. Известно, что методы микробиологической химии осуществляют превращения в одну технологическую стадию, а для их проведения химическим путем требуется несколько стадий, особенно из-за сложности, громоздкости молекул субстрата. Микробиологические же превращения не знают преград, практически все основные классы органических соединений подвергаются трансформации и деградации.

Автор кратко изложил результаты большого экспериментального материала отечественных и иностранных исследователей по использованию макро- и микроорганизмов утилизации отходов и деградации различных органических веществ; представил основы некоторых технологий переработки отходов животных и птицы. Автор рассматривает микроорганизмы в качестве химических реагентов-деструкторов, осуществляющих ферментативное превращение природных экзогенных соединений (отходов) для получения вторичных продуктов, используемых человеком.

Надеемся, что данная работа позволит свести к минимуму многие проблемы загрязнения окружающей среды, и общество, прежде чем предпринимать какое-либо действие, станет рассматривать в первую очередь последствия своей деятельности.


1. ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРИРОДНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ
1.1.Сущность микробной деструкции органических субстратов

Исключительность мира микроорганизмов состоит в том, что, несмотря на малые размеры, их клетки обладают огромной поверхностью по сравнению с объемом и весом, и это определяет теснейшую связь микроорганизмов со средой обитания. В 1 кг живой биомассы кишечной палочки содержатся бактерии, общая площадь поверхности которых составляет 5000 м2. Активность дыхания у бактерий и особенно у плесневых грибов значительно выше, чем у высших организмов. Например, трехдневная культура гриба Аспергиллус при 34° С выделяет за 24 часа 682 см3 СО2, а почки сирени при 15° С — всего 35 см3.

Микробная клетка может рассматриваться как биологическая машина широкого спектра действия, пока недоступная для полного понимания всех механизмов ее функционирования, но по своим возможностям далеко превосходящая все технологические системы, сконструированные человеком в XX веке. Практическое использование этих созданных природой «биологических машин» чрезвычайно разнообразно.

Микробиологическая трансформация не идет в сравнение с другими способами биотрансформации органических соединений. Сфера возможного использования ферментативной активности микроорганизмов для превращения экзогенных веществ практически беспредельна. Микроорганизмы способны атаковать если не любое, то подавляющее большинство органических соединений.

Активное отношение микроорганизмов к химическим компонентам субстрата позволяет использовать неосвоенные элементы среды, включать их в сферу своей жизнедеятельности. Микробная клетка атакует необычные для ее метаболических систем вещества. Результатом атаки может быть дальнейшая ассимиляция вещества (если есть в наборе ферментная система) или накопление трансформированного продукта, который, в свою очередь, может быть в дальнейшем с успехом освоен. В любом случае, эта активность направлена на освоение среды и имеет преимущества перед макроорганизмами, использующимися в переработке отходов.

Широкий спектр ферментных систем, чрезвычайно высокая адаптивность дают совершенно неожиданный эффект активной жизнедеятельности микроорганизмов в любых субстратах.

Вторичные сельскохозяйственные продукты, в том числе и навоз, используемые для твердофазного выращивания микроорганизмов, условно можно разделить на малопитательные, трудноусваиваемые микроорганизмами субстраты, которые в основном играют структурную роль, и высокопитательные добавки, значительно стимулирующие рост микроорганизмов.

Особенность микробиологических трансформаций отходов заключается в том, что большая часть органических субстратов расщепляется под действием нескольких ферментов (существует более 20 микробиологических процессов превращения органических соединений). Результат — изменение молекулярной структуры трансформируемого субстрата, синтез метаболитов из предшественников, перестройка сложных молекул. Самое главное при этом — удобство и экономичность технологических процессов, для которых не требуется дорогостоящая аппаратура, так как микроорганизмы функционируют в неагрессивных средах при обычных температурах и давлениях.



1.2. Состав микроорганизмов и их трансформирующая активность при переработке навоза и отходов

Природная экосистема является основным поставщиком растительности, органическое вещество которой по химическим характеристикам весьма разнообразно и подвержено постоянным изменениям при использовании на корм животным. В пищеварительном тракте животных, под влиянием микробной минерализации и спонтанных химических реакций, состав органических фракций постоянно изменяется. Причем корм, поедаемый жвачными животными, переваривается иначе, чем животными с однокамерным желудком. Бактерии, населяющие желудок жвачных животных (крупный рогатый скот и лошади), позволяют им усваивать корма, содержащие целлюлозу. В эти корма входит компонент лигнин, который сопутствует целлюлозе в растениях и который плохо переваривается в рубце животного.

В целом, корм, содержащий эпифитную микрофлору, в пищеварительном тракте животного дополнительно обогащается разнообразными группами микроорганизмов — аэробами и анаэробами, среди которых присутствуют патогенные бактерии. Микроорганизмы, благодаря ферментативным процессам, превращают углеводы, как правило, в кислые продукты (уксусную, лимонную и другие кислоты), спирты и газы.

В рубце желудка жвачных животных содержатся анаэробные целлюлозоразрушающие бактерии (109...1010 клеток в 1 мл рубцовой жидкости), осуществляющие распад полимерных углеводов до ацетата (50...70%), пропионата (17...21%), бутирата (14...20%) молекулярного водорода и метана (всех газов до 700 л в сутки), валерианата и формиата — небольшие количества (Бергнер, Кетц, 1973). С этими продуктами в навоз попадают также микроорганизмы, способные сохранять длительное время патогенность, которая означает потенциальную способность микроорганизма вызывать заболевание.

Токсинообразующие микробы (дифтерийная палочка, возбудители столбняка, газовой гангрены и т. д.) проявляют агрессивность из-за хорошей сохранности токсических белков. Различные патогенные микроорганизмы образуют один, два или более токсинов, которые вызывают летальный исход, дермонекроз (омертвение кожи), гемолиз (растворение крови) и др. Возбудителями заболеваний могут быть гельминты — многоклеточные организмы, во множестве встречающиеся у животных.

В последние годы в инфекционной патологии существенно возросла роль условно патогенных микроорганизмов, проявляющих выраженную устойчивость к большинству известных химиотерапевтических агентов. Особенно это проявляется у животных, поедающих корм при добавлении антибиотиков.

В навозе здоровых животных присутствует многообразие «нормальной» микрофлоры, участвующей в анаэробном гидролизе корма: миксобактерии, мезофильные и термофильные клостридии и др.

Стабильность химической активности микроорганизмов зависит от условий их пребывания в субстратах. В навозохранилищах или в биоферментерах образуются вещества, часто более токсичные для клетки микроба, чем исходный субстрат. Смешанная же микрофлора начального периода компостирования постепенно селектируется технологическими условиями переработки органических соединений и к завершению процесса (на определенный день) остаются наиболее активные и устойчивые микроорганизмы, обладающие защитной реакцией.



Физиологический смысл микробиологической трансформации отходов может быть различным в зависимости от вида микроорганизмов и используемого субстрата. Многообразие и полифункциональность ферментных систем микроорганизмов, атакующих необычные для микробной клетки вещества среды, составляют функциональную основу микробиологических превращений разнообразных по химическому составу отходов.

Продукты биотермических превращений отходов могут вступать в дальнейший метаболизм. В результате токсические соединения, обязательно синтезированные в ферментерах, или инактивируются, или, превращаясь в более токсические соединения, служат селективным средством для определенных таксономических групп микроорганизмов.

Многолетние исследования с широким набором субстратов (навоза, помета, торфа, опилок и др.), проведенные авторами, показали, что многие микроорганизмы демонстрируют высокую адаптивность и трансформирующую активность при окислении субстратов. Это является для них естественной функцией. Однако к завершению ферментации отходов спектр микроорганизмов сужается, некоторые вновь синтезированные соединения, по-видимому, не способны использоваться широким кругом микроорганизмов в качестве питательного субстрата (Сидоренко, 1997).

Подобная селекция микроорганизмов ускользает из поля зрения исследователей лишь потому, что в большинстве случаев это проявляется в определенных условиях. Регистрация такого факта затруднена, так как связана с анализом продуктов трансформации в таких сложных микробиологических средах, какими являются биоферментированные отходы. В них часто встречаются соединения сложной химической природы, т. е. искусственно синтезированные.

Кроме того, микроорганизмы способны модифицировать субстрат и накапливать определенные продукты. Именно для микробиологической биоконверсии отходов характерно накопление в среде интермедиатов, широкая субстратная специфичность ферментов и разного рода побочные реакции.

Иными словами, биологический смысл микробной трансформации отходов заключается в способности микроорганизмов атаковать самые разнообразные органические вещества, выделять тепловую энергию и синтезировать большой набор своеобразных соединений. Среди них маловероятно наличие высокотоксичных веществ, так как незначительные перестройки молекул под действием микроорганизмов (деметилирование, декарбоксилирование, дезаминирование, гидроксилирование) полностью снимают токсичность соединений для живых микроорганизмов. Кстати, для детоксикации возможно использование микробных препаратов.

Дальнейшее изучение микробиологических превращений ферментированных продуктов отходов, по-видимому, еще более расширит рамки применения специализированных микробов как химических реагентов для обезвреживания стоков промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

Биохимической основой трансформации естественных субстратов микроорганизмами является широкий спектр субстратной специфичности ферментов, которые не позволяют соединениям накапливаться в среде.

1.3. Возможные биохимические механизмы микробиологической трансформации органических субстратов в регулируемом режиме

Выяснение механизмов, контролирующих активность микроорганизмов в субстратах, чрезвычайно затруднено, поскольку регуляция метаболизма микробной клетки — очень сложный процесс. В превращениях субстратов одна реакция следует за другой в строжайшей последовательности, так как продукты реакции предыдущей стадии процесса, как правило, являются субстратом для последующей.

Такая четкая преемственность возможна благодаря высокой специфичности ферментов, участвующих в обмене веществ.

Химическая активность микроорганизмов зависит от условий их культивирования (состава питательных субстратов и методов их подачи, рН, температуры, аэрации, состава газов, перемешивания, окислительно-восстановительных режимов — ОВП и др.). Подобранные и стандартизированные условия выращивания микроорганизмов в субстратах при биоконверсии позволяют с достаточным постоянством получать соответствующий конечный продукт.

Оптимизировать состав субстратов для управления ходом трансформации органических отходов довольно сложно, равно как и получение целевого продукта, поскольку круг микробов-трансформаторов (или деструкторов) очень широк. Он включает представителей грибов, актиномицетов, бактерий. Поиск же наиболее продуктивного отдельного штамма, трансформирующего органические отходы, — непростая задача. С одной стороны, реакции трансформации практически универсальны в мире микроорганизмов, а с другой — состав экзогенного субстрата широко варьируется и продукты превращения весьма разнообразны. Например, органическое вещество навоза состоит на 70 ... 80% из сухой массы с высоким содержанием углерода — целлюлоза, лигнин, пентозаны (табл. 1). Способность же превращать эти соединения в низкомолекулярные элементы выражена у микроорганизмов, далеко отстоящих друг от друга в таксономическом отношении. К тому же конечные продукты трансформации будут разнообразны в зависимости от режима ферментации навоза.

Безусловно, на основе знаний физиологических особенностей микроорганизма можно предсказать качественный состав целевого продукта в том случае, если контролируются технологические режимы переработки отходов. Добавление же компонентов известного химического состава будет изменять в определенных пределах компостируемый (перерабатываемый) субстрат. Вполне вероятно научное обоснование оптимального режима культивирования микроорганизмов и состав конечных продуктов ферментируемой массы навоза. Особенно при наличии контрольно-



(Табл.1.) Состав органического вещества кала животных, %

Животные

Зола

Органи-ческое вещест-во

В том числе

Целю-лоза

Лигнин

Пенто-заны

Раство-римые угле-воды

Геми-целлю-лоза

крупный рогатый скот

(КРС)


16,2

83,8

26,1

21,3

14,5

0,44

20,4

Свиньи

13,6

86,4

18,4

15,2

20,7

0,38

27,0

Овцы

22,3

77,7

20,3

19,1

7,7

0,34

10,0

измерительных приборов, дополнительных биохимических анализов. Считается, что микроорганизмы способны окислять все органические вещества, за исключением тех искусственно синтезированных, которым нет аналогов в природе. Токсичными для микроорганизмов навоза или отходов животноводческих комплексов могут оказаться ионы тяжелых металлов и некоторые органические вещества в концентрациях выше предельно допустимых (метанол, формиат, пропионат и др.)

Управление микробной ферментацией отходов может интенсифицировать минерализацию исходного субстрата и активизировать биосинтез новых соединений, предназначенных для использования в качестве органического удобрения, кормовой добавки, бактериальных препаратов.

Газовый режим компостируемой массы отходов животноводства непостоянен. При регулируемом режиме микробной ферментации анализ выходящего воздушного потока выявляет высокое содержание метана, аммиака, диоксида углерода, сероводорода и др. Причем динамика их образования связана с температурой ферментируемой массы, скоростью прохождения аэробно-анаэробных фаз и ферментативной активностью. Последнее определяется степенью гидролизуемости субстрата и участием определенных групп микроорганизмов (мезофилов и термофилов, аэробов и анаэробов).

Биоценоз ферментируемой массы — высокоспециализированное сообщество гетеротрофных организмов, обладающих устойчивыми и термостабильными целлюлазами. Особенно высоким уровнем минерализационной активности обладают микроорганизмы во второй фазе — термофильной.

Следовательно, в контролируемых условиях микробной ферментации отходов биохимические процессы трансформации органических веществ тесно связаны с температурой, влажностью и ферментативной активностью исходного сырья. Микроорганизмы, вовлекаемые в процесс ферментации, весьма разнообразны в начальной фазе; спектр их во второй фазе — значительно сужается.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал