Сидоренко О. Д. Биологические т ехнологии утилизации отходов животноводства



страница2/8
Дата23.04.2016
Размер1.14 Mb.
ТипКнига
1   2   3   4   5   6   7   8

1.4 Органические субстраты в пищеварительном тракте

животных

Вторичное сырье сельского хозяйства - солому, часто компостируют и готовят из нее искусственный навоз с добавлением навозной жижи, стоков животноводства. Для скорости разложения навоза решающим является не столько отношение углерода к азоту, сколько мобильные количества этих элементов. Это основная качественная характеристика навоза.

Солома характеризуется невысоким содержанием протеина как сырого (3...8%), так и переваримого (0,5...1,0%), часто обусловлено особо прочным строением клеток соломы. Она также бедна жиром (0,5...1,3%). Содержание минеральных элементов колеблется от 4 до 12% и в них преобладает окись кремния, в то время как основные макроэлементы (Са, Р, Na и др.) содержатся в небольших количествах. Витамины в соломе практически отсутствуют, каротин составляет только 1...7 мг/кг. Питательных веществ, растворяющихся в воде, слабой соляной кислоте, в солодовом экстракте, невелико и в среднем составляет около 10%, из которых третья часть приходится на долю минеральных элементов.

Слабая растворимость питательных веществ, сильная инкрустация целлюлозы, гемицеллюлозы лигнином обусловливают низкую перевариваемость органического вещества соломы.

Например в соломе пшеничной, озимой и яровой переваримость органического вещества колеблется от 42 до 46%, в ржаной - от 43 до 48%, в овсяной - от 48 до 55%. Следовательно кормовую ценность соломы понижает целлюлоза (клетчатка), на долю которой приходится до 50% сухого вещества. Целлюлоза - простейший и наиболее распространенный моносахарид. Она является главным структурным компонентом растительных клеток (клеточных стенок растений). Представляет собой линейный неразветвленный полисахарид, элементарные звенья которого являются остатками глюкозы. При полнм гидролизе целлюлозы, протекаемом в концентрированных кислотах, образуется D-глюкоза.

Особенностью целлюлозы является наличие длинных и жестких прямоцепочечных молекул. Рентгеноструктурный анализ показал, что молекулы целлюлозы соединены в пучки или волокна, состоящие из параллельных цепей, имеющих поперечные водородные связи. Эти волокна совершенно не растворимы в воде и имеют правильную, почти кристаллическую упаковку. Они цементируются матриксом, состоящим из трех других полимеров: гемицеллюлозы, пектина и экстенсина (белок с высоким содержанием оксипролина, ковалентно увязанного с целлюлозными волокнами).

Клеточные стенки высших растений можно сравнить с железобетоном, где роль арматуры играют целлюлозные волокна, а роль бетона - матрикс. Кроме прочного расположения, целлюлозные волокна по мере созревания растений пропитываются сложным химическим соединением - лигнином, практически не используемом в организме животных. Лигнин соломы, действуя как физический барьер между клеточной оболочкой и ферментом, в значительной степени снижает действие ферментов, влияющих на расщепление целлюлозы.

В природных условиях расщепление целлюлозы происходит под воздействием многочисленных сообществ микроорганизмов, одни из которых вырабатывают ферменты, расщепляющие преимущественно лигнин, другие - целлюлозу и гемицеллюлозу. При ферментом же гидролизе соломы (в контролируемых условиях) основными получаемыми продуктами являются глюкоза и ксилоза. Их образуется значительно больше при сочетании ферментного и химического гидролиза. Доступ целлюлозолитических ферментов к целлюлозе усиливается при ослаблении связи между лигнином и полисахаридами. Поэтому любая подготовка соломы к скармливанию предусматривает ослабление или разрыв связей между инкрустирующими веществами и внеклеточными полисахаридами, и способствует проникновению ферментов вглубь клетки.

Эволюционное развитие пищеварительной системы жвачных определило развитие рубца как органа, необходимого для предварительной переработки целлюлозы, гемицеллюлоз грубых волокнистых кормов за счет симбиоза с населяющими его микроорганизмами. Основными представителями рубцовой микрофлоры являются простейшие (инфузории), бактерии и дрожжи. Бактерии населяющие рубец, вырабатывают фермент целлюлазу (единственный в природе), который осуществляет превращение целлюлозы в D-глюкозу.

В 1 г. содержимого рубца установлено содержание бактерий на уровне 1010, простейших – 106. Клетчатка, содержащаяся в соломе, выполняет роль структурного вещества-субстрата, наличие которого способствует нормальному развитию бактерий, обладающих целлюлазной активностью.


2. ОТХОДЫ ЖИВОТНОВОДСТВА

Во многих странах объем отходов в животноводстве в 5 раз больше объема всех бытовых отходов. Животноводческие отходы характеризуются высоким содержанием органических веществ, минеральных соединений азота, фосфора, калия и т.д. Расчеты специалистов показывают, что в США в 1,72 млрд. т навоза содержится около 20% непереработанных питательных веществ. Лишь одна треть этого количества навоза содержит столько белка, сколько его дает ежегодный урожай соевых бобов (Максимов, 1987). В бесподстилочном навозе от 50 до 70% азота находится в растворимой форме, органическое вещество составляет 70-80% сухой массы. В основном соотношение углерода к азоту в кале животных довольно высокое (1:18-20), в смеси же экскрементов оно снижается за счет азота мочи до 5-9 (My Юнг, 1979).

Термин «отходы животноводства» может означать, по выражению Р. Лёра (1979), любую из нижеприведенных разновидностей состояния органического сырья:

— свежие экскременты, включая твердую и жидкую фракции;

— твердые остатки после просачивания в почву жидкости, испарения воды или выщелачивания растворимых питательных веществ;

— жидкая фракция, выделяющаяся из общей массы отходов;

— твердые остатки, образовавшиеся после аэрационного или анаэробного хранения навоза.

Бесподстилочный навоз, состоящий из смеси кала и мочи животных с водой и посторонними примесями, подразделяется на полужидкий, жидкий навоз и навозные стоки. Полужидкий навоз содержит 8...14% сухого вещества (смесь экскрементов и посторонней примеси), жидкий навоз — от 3 до 8%, навозные стоки значительно разбавлены водой и содержат менее 3% сухого вещества.

Для решения проблемы охраны природы и человека, в частности, от специфического загрязнения поверхностных и грунтовых вод и превращения опасных источников загрязнения в ценное сырье для получения удобрений, кормовых добавок, горючих материалов и сырья для химической и микробиологической промышленности необходимы характеристики основных составляющих отходов животноводства.
2.1. Запахи

Сельское хозяйство в редких случаях загрязняет воздух веществами, вредно воздействующими на растения, животных и человека. Запахи создают помехи в обыденной жизни. Однако при содержании животных в больших количествах запахи отходов перерастают в проблему. Особенно остро подобная проблема стоит там, где практикуется разбрасывание навоза и не утилизируется большинство отходов. Значительная часть запахов исходит от навоза.

При этом в атмосферном воздухе обнаруживается аммиак и другие дурнопахнущие газы в концентрациях превышающих ПДК в 5-6 раз, микробное и общее органическое загрязнение в 8-10 раз превышающее фон, регистрируется также интенсивное бактериальное загрязнение почвы.

Большинство запахов представляет собой сложную смесь химических соединений. В некоторых запахах может преобладать один конкретный компонент, его концентрацию можно определить приборами. Например, аммиак или сероводород, тиогликолевая или масляная кислоты. Поэтому для контроля запахов необходимо знать причины их возникновения и какие конкретно соединения вызывают запахи. Условия же, при которых образуются соединения с неприятным запахом, подсказывают методы борьбы с ними. Большинство сельскохозяйственных отходов перед их использованием хранятся в кучах, буртах или, в лучшем случае, накопительных емкостях, ямах. В течение хранения отходов образуются продукты анаэробного разложения: аммиак, сульфиды, меркаптаны, амины, метан, органические кислоты и др. Многие из этих неокислившихся соединений имеют свой уникальный и неприятный запах даже при низких концентрациях.

Сбор и удаление отходов (навоза, навозной жижи) с помощью жидкостных систем сопровождаются более неприятным запахом, чем «сухие» отходы, за счет образования новых пахнущих соединений. Запахи от птичьего помета хранившегося в анаэробных условиях, включали аммиак, кислый сульфат, двух- и пятиуглеродные органические кислоты, индол, скатол, дикетоны, меркаптаны и сульфиды (Burnett W. Е., Sobel А. Т., 1968). Напрашивается вывод, что обладающие запахом материалы представляют собой восстановленные органические соединения и этот факт подсказывает возможность использования окислительного процесса для борьбы с запахом. Если хранящиеся отходы подвергнуть аэрации и ввести кислород, то основным пахнущим соединением останется аммиак, а при добавлении достаточного количества кислорода, аммиак может быть окислен микробами до нитритов и нитратов.

Неприятные запахи от животноводческих отходов вызваны прежде всего анаэробными условиями их хранения и активной микробиологической жизнедеятельностью анаэробов. Для подавления бактерий и (или) для окисления органических веществ испытано большое количество химических средств. Как правило, применяют большие количества этих химикатов, что отрицательно сказывается на дальнейшей утилизации отходов. К тому же не все промышленные химикаты были одинаково эффективными в устранении запахов. Объективная оценка 44 промышленных маскирующих, нейтрализующих и дезодорирующих препаратов выявила их неравнозначную эффективность. Менее эффективными оказались порошковидные препараты пищеварительных ферментов (Burnett W. E., Dondero N. С., 1968).

Свежие отходы от животных редко обладают невыносимым запахом. Высушивание их до состояния, исключающего деятельность микроорганизмов, может быть эффективным методом борьбы с запахом. В систему обезвреживания животноводческих отходов можно включить высушивание и аэрацию. Естественное движение воздуха без дополнительного подогрева, усиление движения воздуха с помощью вентиляторов и воздуходувок вполне устраняют запахи. Использовались также и промышленные сушилки для обработки отходов животных и птиц. При содержании влаги приблизительно 30% отходы пахли слабее, чем невысушенные. Интенсивность запаха в значительной степени зависит от условий хранения отходов.

Аэрацию можно использовать для предотвращения возникновения запахов при удалении отходов в жидком состоянии, которые уже частично окислены и загрязняющий потенциал полученной суспензии у них снижен. В этих системах возможно снижение содержания азота за счет нитрификации-денитрификации. Возможна механическая поверхностная аэрация с использованием поверхностных роторов, плавучих аэраторов, как в аэрируемых лагунах. Успех аэрационной системы лежит в тщательности расчетов потребности в кислороде конкретных отходов крупного рогатого скота и птицеводства.

К сожалению, о минимальном количестве кислорода на единицу животноводческих отходов, которое предотвратило бы возникновение запахов, данных нет. Традиционно подчеркивают необходимость поддержания остаточной концентрации кислорода равной 1...2 мг/л. Такие представления установились при получении жидкого стока, отвечающего санитарным нормам для сброса в поверхностные воды. Эти нормы, безусловно, неприемлемы для насыщенных или концентрированных отходов, использующихся в дальнейшем при получении целевого продукта, органических удобрений, экспресс-компостов и т. д.

Аэрация как метод борьбы с запахами весьма эффективна, если она применяется с начала хранения отходов животноводства. Достаточная аэрация предотвращает возникновение запахов.

Аэрация же отходов, хранящихся в анаэробных условиях, ведет к выделению из субстрата дурнопахнущих соединений. Поэтому необходимо предусмотреть подачу кислорода в количестве, уничтожающем запахи. Если количество подводимого кислорода меньше потребности в нем, неприятные запахи могут все же иметь место.

Соединения, обладающие запахом, существуют не только в виде газов, но и как летучие твердые вещества. Пыль в птичнике представляет собой помет, частицы корма, фрагменты перьев и эпидермиса, которые в совокупности дают запах курятника. Ее концентрация в среднем составляет 2,6 мг/м3. При достаточной вентиляции эти газы не достигают концентраций, опасных для человека или птицы. Количество образовавшейся пыли обратно пропорционально относительной влажности птичника.

Содержание запахов не может строго влиять на санитарно-гигиеническое состояние воздуха. Воздух не является средой для размножения микроорганизмов. Микрофлора воздуха в основном зависит от микрофлоры пыли, капелек влаги, волос животных и перьев птицы, которые увлекаются с потоком воздуха. Физическая система из мелких твердых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде, или аэрозоль. перемещается в воздухе в горизонтальном и вертикальном направлениях. Чем больше в воздухе аэрозоля, тем больше он содержит микроорганизмов. Каждая частица пыли обладает способностью адсорбировать на своей поверхности множество микроорганизмов. Для санитарной характеристики загрязненного воздуха (в том числе и содержащего дурные запахи) определяют общее количество микроорганизмов в 1 м3 и наличие отдельных бактерий, которые могут служить показателем загрязненности воздуха. Для этого, как правило, используют седиментационные и аспирационные методы.

Однако среди неприятных запахов могут накапливаться ядовитые газы, особенно при слабом проветривании помещений и анаэробно хранящихся отходов.

Таким образом, субъективный характер запахов представляет трудность при оценке их воздействия. Большинство запахов представляет собой сложную смесь химических соединений, которые необходимо удалять, нейтрализовать или разрушать. Индол, скатол, меркаптаны, метиламин и другие соединения, обладающие устойчивым запахом, сорбируют, дезодорируют, уничтожают физическими, химическими и биологическими методами. После освобождения отходов от дурнопахнущих соединений навоз и помет могут быть широко использованы при получении вторичных продуктов, необходимых сельскому хозяйству для повышения продуктивности пашни (увеличения урожайности сельскохозяйственных культур), животноводства (получения кормовых добавок и для откорма молодняка животных, птицы, рыбы и др.).
2.2. Твердые отходы

Анализ навоза крупного рогатого скота свидетельствует о наличии большого количества углерода; в помете же птиц его содержание гораздо меньше. Этот показатель важен при биоконверсии для расчета обеспечения энергетическим материалом микробного ценоза, минерализующего отходы животноводства.

На разных фермах твердые отходы животноводства составляют неодинаковое количество и качество. На молочной ферме ежедневное количество навоза на одно животное 33...65 кг, в среднем 39 кг, что составляет 7...8% массы животного ежедневно. Свежий навоз содержит 80...85% органического твердого вещества при средней влажности 80...88%.

Ежедневное количество отходов от одной свиньи зависит от породы и размеров животного, корма и условий содержания. Режим кормления влияет на свойства свиного навоза. Приблизительно 30% съеденного корма превращается в ткани организма животного, а остальное испражняется в виде мочи и кала. Количество испражненного кала составляет в день 6...8% живой массы свиньи. Влажный кал содержит 5...9% общих сухих веществ, в том числе 83% органических веществ. Это нестабильная субстанция, т. е. при обычном хранении он подвергается быстрому разрушению в результате жизнедеятельности собственного микробиоценоза.

В экскрементах одних и тех же животных содержится больше питательных веществ при скармливании им большего количества концентратов только потому, что этот корм содержит больше питательных веществ. Когда уровень содержания протеина в корме превышает предел, протеин усваивается менее эффективно и в большей мере переходит в кал.

Исследования физического состава свежего птичьего помета показали, что он содержит 75...80% влаги, 15...18% органических веществ и 5...7% золы. При влажности 75% в помете содержится 765 ккал на 1 кг сырого помета (Sobel, 1966). Более подробные характеристики навоза и помета представлены в специальной справочной литературе.

Для разработки приемлемых систем переработки и использования отходов животноводства необходимо знать их характеристики. Отходы животноводства более концентрированные: твердые отходы содержат 75...85% органических и 15...25% неорганических веществ, причем экскременты свиней по содержанию основных биогенных элементов превосходят экскременты крупного рогатого скота (табл. 2).

Отношение C:N в кале свиней меньше, чем в кале КРС, а в моче содержится около 50% всего азота, выделяемого с экскрементами, и соотношение C:N у КРС 1:2, у свиней 0,8:0,9. Смесь же экскрементов имеет отношение 5:8 за счет азота мочи (Шкарда, 1985). Птичий помет превосходит по многим показателям качество навоза КРС и свиней (табл. 3). Следовательно, в земледелие из 250 млн. т отходов животноводства можно вернуть 5 млн. т азота, 2,5 млн. т фосфора и 10 млн. т калия.



(Табл.2.) Примерный химический состав кала животных

Компонент, %

(КРС)

Крупный рогатый скот*

Свиньи

Вода (H2O)

83,6

82,0

Азот (N)

0,29

0,60

Фосфор (P2O5)

0,17

0,41

Калий (K2O)

0,10

0,26

Известь (CaO)

0,35

0,09

Отношение C:N

15...16

9...10

* Данные Андреева, Новикова, 1990.


(Табл.3.) Химический состав свежего подстилочного навоза

(данные зональных агрохимических станций, 1992 г.)



Вид навоза

Содержание при естественной влажности

Влаж-ность %

рН

С:N

Органи-ческое веще-ство

Зола

Азот общий

Азот ам-миач-ный

P2O5

K2O

КРС

21,0

4,0

0,54

0,07

0,28

0,60

65,0

8,1

19

Свиной

21,9

17,0

0,84

0,15

0,58

0,62

60,7

7,9

13

Конский

22,6

8,4

0,59

0,09

0,26

0,59

69,0

7,9

21

В твердых отходах, богатых углеродом растительного происхождения, содержится значительное количество трудногидролизуемых компонентов. В качестве подстилки для животных наиболее широко применяют углеродсодержащие материалы: солому, торф, опилки.

Торф обладает высокой влагоемкостью, хорошей газопоглотительной способностью, гигроскопичностью, бактерицидными свойствами и малой теплопроводностью. Его можно рассматривать также как двухкомпонентную систему из органической и минеральной частей. Причем ценность торфа определяется органической частью, в состав которой входят слабоизмененные растительные остатки и продукты их гумификации. Минеральная же часть подвержена

(Табл.4.) Минеральный состав торфа разных видов

Тип торфа

CaO

MgO

K2O

P2O5

SiO2

Fe2O3

Al2O3

Соотношение орг. и мин. компонентов в сухом веществе, %

Верхо

0,3

0,12

0,8

0,16

0,8

0,15

0,3

96.1...97.1

2,9...3,9

Переход-ный

0,8

0,20

0,10

0,09

1,2

0,70

1,7

88,0...94.0

6,0...12,0

Низинный

2,5

0,30

0,12

0,10

1,2

1,30

1,7

92.0...96.0

4,0...8,0

в большей степени изменению качественного состава (табл. 4).

Приведенные данные показывают высокое содержание минеральной части в низинном торфе, который и наиболее приемлем при производстве органических удобрений. Низинный торф характеризуется повышенной зольностью и высокой степенью разложения органического вещества, большой объемной массой и насыщенностью основаниями.

Важной характеристикой твердых отходов животноводства является соотношение C:N. Используемые углеродсодержащие компоненты при содержании скота влияют на качество навоза. В опилках это соотношение находится на уровне 35...40, а при использовании соломы злаковых культур достигает еще больших значений. Более низкое содержание углерода в торфе. При этом решающей оценкой навоза является не общее количество углерода и азота, а наличие легкоразлагающихся углерод- и азотсодержащих веществ, используемых микроорганизмами.




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