Сидоренко О. Д. Биологические т ехнологии утилизации отходов животноводства



страница3/8
Дата23.04.2016
Размер1.14 Mb.
ТипКнига
1   2   3   4   5   6   7   8

Содержание питательных веществ в экскрементах сельскохозяйственных животных (% от сухой массы)

(Барта, 1981)





п/п

Вид животных

Сырой протеин

Сырой жир

Клетчатка

БЭВ

Зола

1

Поросята 5-15 кг

30,0

15,0

8,0

35,0

12,0

2

Поросята 13-35 кг

25,0

8,0

17,0

36,0

14,0

3

Откармливаемые свиньи

20,0

5,0

25,0

34,0

16,0

4

Свиноматки

19,0

5,0

30,0

26,0

20,0

5

Откармливаемые бычки, 80 кг

23,0

2,0

21,0

43,0

11,0

6

Откармливаемые бычки, 200 кг

20,5

2,1

21,0

42,0

14,0

7

Коровы

19,0

2,0

24,5

41,0

13,6

8

Овцы

16,7

5,0

21,0

37,9

21,0

9

Куры-несушки

30,5

2,5

14,0

26,5

26,0

Преобладающими группами микроорганизмов в навозе КРС и помете птиц являются аммонифицирующие и автохтонные микроорганизмы (табл. 5). Количество их значительно снижается с увеличением влажности субстрата.



(Табл.5.) Содержание микроорганизмов в органическом сырье и навозе (Рабинович, 1999)

Вид органического сырья, навоза

Аммо-нифи-каторы, млн./г

Денитри-фикаторы,
млн./г

Автохтон-ные,
млн./г

Грибы,

тыс./г

Аэробные целлюлозоразру-шающие,

тыс./г

Навоз КРС жидкий

491,5

122,2

1897,4

324,4

22,8

Навоз КРС полужидкий

192,5

29,2

463,8

110,8

57,3

Навоз КРС бесподстилочный

241,5

5,5

453,5

77,5

52,0

Помет жидкий

26,5

0,009

2,6

9,6

19,8

Помет сухой

932,1

0,4

406,3

4,8

149,2

Торф низинный

11,8

0,7

13,0

25,4

16,4

Торф переходный

4,9

0,003

7,1

15,3

4,2

Опилки

10,5

0,0003

0,1

0

0


2.3. Сточные воды

Физико-химическое состояние сточных вод зависит от качества твердых отходов животноводства. Специфика жидких отходов заключается в высокой концентрации в сточных водах механических включений и органо-минеральных ингредиентов, разнообразия их состава и вида животного.

Жидкий свиной навоз, которого ежегодно образуется в РФ около 300 млн. т, — настоящая экологическая проблема. Использовать его в качестве удобрения или сбрасывать в водоемы невозможно из-за загрязнения болезнетворными микроорганизмами, гельминтами, биогенными элементами и отсутствия эффективных систем по очистке и переработке. К примеру, на свиноводческом комплексе в 108 тыс. голов суточный выход жидкого навоза составляет около 3500 т (Шрамков, Савин, 1999).

Сточные воды птицефабрик имеют определенные физические характеристики, свидетельствующие о наличии растворенных и взвешенных примесей (в том числе и гумусовых). По химическому составу сточная вода содержит органические и минеральные соединения во взвешенном, коллоидном и растворенном состоянии. Около 60% общего количества загрязнений приходится на долю органических веществ. В целом же биохимический состав сточных вод птицефабрик однообразен, что связано с выполнением технологических операций содержания птицы и обусловлено более или менее постоянным средним количеством загрязнений на одну голову птицы, поступающих в сточные воды в течение суток.

Содержание органических веществ в сточных водах оценивается в основном двумя показателями: биохимической потребностью в кислороде (БПК) и окисляемостью, или химической потребностью в кислороде (ХПК). Основные показатели сточной воды: органолептические свойства, взвешенные вещества, окисляемость и биохимическая потребность в кислороде — отражают содержание органических веществ. Содержание азота (аммонийного, нитратного и нитритного) позволяет судить о ходе превращения веществ белкового происхождения. Особое значение имеет опасность сточных вод в распространении заразных болезней.

Использование отходов для поливов кормовых культур (например, кукурузы), повышает в силосе концентрацию опасных загрязняющих веществ в 150 раз. Так, 500 т силоса с содержанием сухого вещества 20% содержит 4500 л раствора, обладающего летальным влиянием на водную фауну при разовом сбросе в водоемы (Могг, 1979).

Однако, по данным Фишера (1968), БПК отходов свиньи была 0,32, курицы О.ОЗ.а ХПК в 1,3 ... 1,5 раза больше. Автор получил результат в лаборатории на животных при стойловом (клеточном) содержании.

Такие параметры, как отношение БПК:ХПК и отношение БПК :все или взвешенные твердые вещества, используются для определения возможности применения процессов биохимической очистки для конкретных отходов. Малые значения этих отношений указывают на наличие значительной фракции, не поддающейся биохимическому разложению.



(Табл.6.) Характеристика отходов животных (по Weibel, 1966), кг

Животные

Масса животного

БПХ

ХПК

Органический углерод

Общий азот

Корова 490 0,5 7,93 1,87 0,22

Теленок 245 0,34 2,99 0,63 0,11

Свинья 68 0,14 — — 0,02

Овца 52 0,01 0,56 0,13 0,022

Курица 2 0,009 — — 0,002

Отходы животноводства, как правило, содержат большое количество твердых веществ, которые не поддаются дальнейшему биохимическому разложению.

В сточных водах свиноводческих ферм фракция, не поддающаяся биохимическому разложению или в которой это разложение протекает медленно, может составлять примерно 60 ... 70% всех твердых веществ. Удаление этих твердых веществ перед процессом биохимической очистки улучшит кинетику очистки и будет благотворно воздействовать на процесс трансформации органических соединений. В зависимости от применяемых технологий отходы животноводства в жидком виде подвергаются специфическим системам переработки, хранения и удаления. Широкий выбор возможных методов их переработки зависит от условий производства, наличия механического оборудования, транспортных средств и т. д.


3. БИОКОНВЕРСИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ,

ПОЛУЧЕНИЕ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ

И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Старые технологии утилизации отходов стали убыточными. Возросла стоимость энергоносителей, а для хранения навоза или помета приходится выводить из оборота тысячи гектаров сельскохозяйственных угодий. Кроме того, размещение вблизи больших городов крупных животноводческих комплексов и птицефабрик приводит к загрязнению водных бассейнов и в целом окружающей среды.

Использование навоза в качестве только удобрения (традиционный способ) уже не может считаться универсальным и эффективным. Необходимы современные энергосберегающие эффективные технологии.

Технологии переработки помета, навоза путем обезвоживания и дальнейшей стерилизации весьма энергоемки. Термические обработки жидкой или твердой фракций высокими температурами приводят не только к потерям элементов питания для растений, но и образованию канцерогенов. К тому же основными требованиями к технологиям переработки отходов животноводства и получения из них органических удобрений является сохранение их биологической активности и максимальное содержание соединений азота, фосфора и других элементов.

Одним из возможных способов утилизации отходов животноводства является биологическая переработка с использованием микро- и макроорганизмов, позволяющая быстро и эффективно перерабатывать значительное количество навоза и помета.

Перспективным способом биологической утилизации отходов животноводства является культивирование на них микроорганизмов. Для ферментации навоза используют главным образом мицелиальные грибы (твердофазное культивирование), а на навозных стоках осуществляют глубинное культивирование бактерий, дрожжей и грибов. Выращивание бактериальных культур на отходах животноводческих комплексов не получило широкого распространения из-за ограниченного применения бактерий на кормовые нужды. Выращивание же дрожжей позволяет произвести «облагораживание» стоков (свиноферм и ферм крупного рогатого скота) и получить дешевые кормовые добавки и бактериальные препараты.

Микробная биотехнология способна вовлечь в производство кормовых и препаратов и добавок огромные массы жидких и плотных отходов агропромышленного комплекса растительного и животного происхождения.

Существует широкий круг микроорганизмов, способных потреблять вторичные продукты сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с образованием микробной биомассы. Самыми перспективными являются быстрорастущие микроорганизмы, способные усваивать негидролизованные сельскохозяйственные отходы. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют мицелиальные грибы и дрожжи. Жидкие и плотные отходы могут быть трансформированы в кормовые препараты обогащенные микробным белком. Известно, что концентрированные стоки являются по существу готовой питательной средой для этих микроорганизмов, так как содержат все необходимые компоненты, включая витамины и микроэлементы.

Компостирование органических отходов с добавлением микроорганизмов, биоферментация помета и навоза при 70...85°С позволяет получать ценное органическое удобрение, необходимое для повышения плодородия почвы и получения экологически чистой сельскохозяйственной продукции.

Кроме того, рациональное использование животноводческих стоков позволяет получить дополнительный урожай, в денежном выражении оценивающийся эквивалентно использованию 650 тыс. т азотных, 300 тыс. т фосфорных и 600 тыс. т калийных удобрений на всей пашне РФ.

С помощью простейших, личинок мух и других организмов переработка птичьего помета и навоза обеспечит их быструю утилизацию. За счет конверсии отходов системой метаногенеза может быть получено условное топливо, измеряемое миллиардами тонн. Оставшуюся в результате метановой ферментации биомассу можно использовать как удобрение. Переработка отходов метановым брожением — наиболее экономичный и эффективный метод очистки территорий, прилегающих к животноводческому комплексу. Конверсия биомассы животноводческих комплексов в газообразное топливо служит дополнительным энергоносителем в сельском хозяйстве.

В целом же наилучшим способом удаления отходов по экономическим и экологическим соображениям является их использование в качестве вторичного сырья. Вышеуказанные способы биоконверсии отходов могут дать, иногда неожиданно, весьма существенный результат с благоприятными последствиями для развития биотехнологии и энергетики. К сожалению, большинство из них реализуется очень плохо.

По мере развития животноводства количество и качество отходов будет существенно увеличиваться и изменяться, и острота проблемы их утилизации усугубится. Усилия специалистов должны быть направлены на сохранение отходов, переработку и использование для увеличения продуктивности земель, повышения урожайности сельскохозяйственных культур и получение дешевого топливно-энергетического ресурса (жидкого или газового биотоплива).

Энергоемкие технологии по переработке навоза и помета не могут быть использованы в настоящее время, несмотря на их достоинство (технологическое). Ставится вопрос о разработке особой дешевой системы обработки и удаления отходов, их эффективного использования. Прежде всего это касается биотехнологических методов переработки отходов и превращения их в ценное сырье для получения кормов, горючих материалов, удобрений и сырья для химической промышленности.

Разработаны технологии утилизации отходов сельского хозяйства в специальных установках — биореакторах, биоферментерах (биоферментаторах), модулях, метантенках и т.д. В них, как правило, микробиологическая трансформация отходов осуществляется за счет аэробно-анаэробных процессов. Биотехнологии имеют существенные преимущества перед компостированием за счет снижения потерь питательных веществ в перерабатываемом исходном сырье, значительного повышения экологической чистоты конечных (вторичных) продуктов и срока переработки сырья.

Управление процессом биоферментации отходов позволяет интенсифицировать минерализацию исходного субстрата, активизировать биосинтез новых соединений и улучшить питательные свойства конечных целевых продуктов. «Сгорание» органической массы можно регулировать физическими, химическими и биологическими воздействиями. В последнем случае активизируются микроорганизмы исходного субстрата или внесенные смешанные микробоценозы, а их ферментные системы преобразуют субстрат в необходимом направлении, ускоряя процессы распада органического материала и микробного синтеза. Получаются продукты заданного качества, будь то органические удобрения или кормовые добавки, субстраты для микробиологической промышленности или почвогрунты для теплиц.

3.1. Микроорганизмы, участвующие

в биоконверсии отходов

В природе существует огромное количество микроорганизмов, активно разлагающих целлюлозы до более низкомолекулярных соединений. Представители целлюлолитических видов встречаются среди бактерий, актиномицетов и микромицетов. Более изучены представители грибов Aspergillus и Trichoderma, - продуценты наиболее активных целлюлаз, используемых в промышленных производствах ферментных препаратов.

Среди бактерий наиболее активно разлагают целлюлозу представители рода Clostridium. Особенно термофильные этанологенные анаэробные бактерии C. thermocellus, C. thermohidrosulfuricum. Последний представитель является экстремально термофильным; C. thermocellum - активный целлюлолитик. Они широко распространены в природе и могут быть выделены из почвы, термальных источников, ила, навоза и гниющего органического субстрата.

C. thermocellum - облигатный анаэроб, термофил, развивается в диапазоне (opt.) температур 60-65°С, использует целлюлозу, гемицеллюлозу и целлобиозу с выделением в процессе метаболизма этиловый спирт, уксусную и молочную кислоты, водород и углекислый газ, причем этанол - агрегатное отношение близко к 1:1. Он является самым быстрорастущим целлюлолитическим микроорганизмом, известным на сегодняшний день - время генерации составляет 6-7 ч. В природе C. thermocellum образует обычно устойчивые синантрофные ассоциации с другими бактериями. Они активно расщепляют целлюлозу и сложные субстраты: делигнифицированную целлюлозную пульпу и обработанную паром древесину.

Характерным является, что при культивировании на целлюлозе различных штаммов C. thermocellum, они образуют целлюлазный комплекс, 95% которого является экстрацеллюлярным и состоящим из ферментов, разрушающих целлюлозную и гемицеллюлозную фракции растительных субстратов: эндо-b-глюканазы, экзо-b-глюканазы и экзо-b-глюкозиды (Saraswathu etal. 1993). Однако целлюлазная система C. thermocellum отличается как от грибной (Trichoderma viride или T. reesei), так и от аэробной бонитермальной системы (Cellulomans). Целлюлаза Clostridium разрушает микрокристаллическую целлюлозу вдвое медленнее, чем фермент, например, гриба Seesei (Zeikus, 1982).

Для улучшения продуктивности прямой биоконверсии лигноцеллюлозных субстратов вводят в состав смешанной пульпы целлюлолитических бактерий микроорганизмы с делигнифицирующей способностью. Среди них выделяют: базидиальные грибы бурой и мягкой гнили, вызывающие гниение древесины, грибы белой гнили, способные полностью разрушать лигнин, используя его в качестве единственного источника углерода (Pleurotus, Pycnospurus и др.), представители аскомицетов и несовершенных грибов, а также актиномицеты. Среди бактерий особое внимание привлекают роды Corynebacterium, Pseudomonas, Clebsiella, Fleromonas; последний - разлагал 98% промышленного лигнина за 5 суток (Лобанок и др., 1988).

На сегодняшний день сведения о практике совместного культивирования лигнолитических микроорганизмов с целлюлозоразлагающими отсутствуют. Поэтому отходами биоконверсии целлюлозосодержащего сырья являются лигнин, побочным продуктом - диоксид углерода, который образуется в достаточно большом количестве и может использоваться как товарная форма в сжиженном состоянии. Лигнин, составляющий 10-40% исходного сырья, может быть использован в качестве твердого топлива, структуратора почв, субстрата для культивирования некоторых базидиальных грибов, а также в качестве сырья для производства экологически чистого (незакисленного) фармацевтического адсорбента.

Решающее значение для процесса биоконверсии имеет стадия ферментации. Оптимизируя ее, можно интенсифицировать процесс биоконверсии целлюлозосодержащего сырья, повышая тем самым экономическую эффективность технологии в целом.

Потенциальная сырьевая база для процесса биоконверсии как способа утилизации промышленных целлюлозосодержащих отходов весьма разнообразна. Промышленные целлюлозосодержащие отходы представляют собой комплексные субстраты, в составе которых, наряду с целлюлозой и прочими углеводами, присутствуют вещества ароматического ряда и даже различные токсичные компоненты. Безусловно, это не может не отразиться на ходе утилизации этих субстратов микроорганизмами, не исключено ингибирование развития бактерий некоторыми компонентами сырья. Поэтому при использовании различных целлюлозосодержащих субстратов степень конверсии сырья будет отличаться.



3.2. Утилизация навоза

Хранение навоза — самый ответственный момент в цепочке утилизации отходов животноводства. Во время хранения навозная жижа может просачиваться и загрязнять поверхностные воды. Часть органических веществ навоза при хранении стабилизируется деятельностью бактерий, а часть азота, содержащегося в навозе и моче, может улетучиться в атмосферу. Примерно 50% органических веществ разлагается на СО2 и Н2О. Потери углерода и азота в результате деятельности бактерий увеличивают содержание в навозе минеральных солей и уменьшают содержание органических веществ. Остаточный материал слабо подвержен обработке биологическими методами. Чем дольше навоз остается влажным, тем больше возможность воздействия на него бактерий и растворения твердых веществ. Влагоудерживающая способность навоза животных зависит от рациона их питания.

Степень разложения навоза зависит от температуры и влажности. Чем значительнее деятельность бактерий и чем выше содержание влаги в навозе, тем больше степень растворения и тем выше содержание растворимых компонентов в стоке хранилища навоза. Возникают предпосылки развития условно патогенных и патогенных микроорганизмов.

Описанные процессы при хранении навоза создают проблему утилизации отходов животноводства, которая приобрела исключительную остроту.

Список микроорганизмов, вызывающих инфекционные заболевания, общие для человека и животных, весьма обширен и включает многих представителей, которые могут переноситься водой. Когда дренаж или сток с животноводческих предприятий достигнет водотока, этим дается начало потенциальной цепочке распространения болезни. Наиболее опасные для человека микроорганизмы:

Сальмонеллы (S. dublin, S. typhimurium) чаще всего выделяются из фекалий животных, стока с откормочных площадок, трупов животных и из небольших водоемов, из которых пьют животные. Сальмонеллы вызывают заболевание скота, а также менингит у человека. Практически они могут заражать животных и птиц всех видов, обладают высокой адаптивностью. В почвах с высоким содержанием органических веществ сальмонеллы выживают более 40 дней.

Стафилококки (S. aureus) могут быть патогенными для человека. Для них не очень благоприятна почва и почвенная среда в целом. В результате запахивания навоза распространение заболеваний не является критическим, однако выживание микроорганизмов в почве определяется их жизнеспособностью, взаимодействием с почвой и активностью аборигенной микрофлоры.

Колиподобные бактерии и энтерококки составляют высокую концентрацию клеток в навозе. Выход колиподобных бактерий у крупного рогатого скота, свиней, овец и уток в 2,9...9,3 раза больше, чем у человека. Фекальные колиподобные микроорганизмы служат более характерным показателем загрязнения вод человеком и животным. Фекальные стрептококки также предложены в качестве надежного и определенного показателя загрязнения. Отношение фекальных колиподобных микроорганизмов к фекальным стрептококкам используется для определения различия между загрязнениями человеком и животными. Показано, что подобное отношение в отходах человека и бытовых сточных водах более 4, тогда как в фекалиях животных это отношение меньше 0,6.

Навоз обеззараживают на специальном участке биотермическим способом. Погибают возбудители сальмонеллезов, эшерихиоза, рожи свиней, бруцеллеза, ящура и других инфекций. Навоз от животных, больных или подозреваемых в заболевании сибирской язвой, сапом, инфекционной анемией, туберкулезом, чумой, предварительно увлажняют дезинфицирующим раствором, а затем сжигают.

Кроме патогенов, в навозе содержится большое количество полезных микроорганизмов. Их численность велика — в 1 т навоза может содержаться до 10 кг микробной массы, а в 1 г — до 90 млрд. живых микробных клеток. Микробы не только используют питательные вещества навоза, но и формируют его качество. Благодаря жизнедеятельности микробов навоз приобретает свойство высококачественного органического удобрения. Аммонификаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, возбудители брожений, плесневые грибы и актиномицеты — далеко не полный перечень микроорганизмов, участвующих в трансформации навоза.



Натуральный навоз образуется в результате совокупности сложных процессов брожения, происходящих в подстилке животных. Искусственный навоз получается из растительных остатков и других углеродсодержащих компонентов, к которым добавляются азотсодержащие ингредиенты.

В обоих случаях за счет сложных субстратов и их биологической трансформации образуются новые соединения, которым навоз в значительной степени и обязан своими ценными качествами.



На состав натурального навоза влияют добавки неорганических веществ, которые включают в корм с целью увеличения привеса животных: антибиотики, ферменты, микроэлементы и т. д. Некоторые из этих добавок угнетают развитие микроорганизмов желудочно-кишечного тракта и тем самым изменяют химический состав навоза и эффективность биохимической переработки отходов животноводства. В то же время органические вещества могут образовывать комплексные соединения с некоторыми микроэлементами, металлами, в результате чего также будет изменяться биохимическая активность микроорганизмов в навозе. В связи с этим методы биоконверсии отходов одного вида животных не всегда могут быть применимы к отходам других видов животных. Кроме того, отходы животноводства находятся в разном физическом состоянии: твердом, полутвердом или жидком, и, соответственно, должна быть подобрана определенная технология их переработки.

Следовательно, состав натурального навоза непостоянен, он зависит от соотношения в нем плотных и жидких выделений, количества и качества корма, подстилки, вида животных и других факторов.

Характеристики навоза животных зависят от усвояемости и состава кормового рациона. Навоз состоит из непереваренного корма, который не подвергся бактериальному воздействию в желудочно-кишечном тракте, это, главным образом, волокна целлюлозы. Непереваренные протеины выделяются с калом, а обменный азот — с мочой в виде мочевой кислоты у птиц и в виде мочевины — у скота. В навозе содержатся также остатки пищеварительных соков, минеральных веществ, кальция, магния, железа; фосфора.

При приготовлении искусственного навоза существуют две основные особенности: уменьшение клетчатки и гемицеллюлоз; увеличение количества лигнинов и белков. Во время хранения подстилок различные составные части их используются микроорганизмами в обмене веществ, что приводит одновременно к минерализации и; синтезу органических соединений типа гумуса. Гумификация компонентов навоза определяется влажностью, аэрацией, температурой и т. д. Предупредить потери ценных веществ в навозе, синтез нежелательных соединений можно путем правильного его хранения.

Интенсивность экзотермических реакций, протекающих в аэробных условиях (рыхлое хранение навоза), приводит к повышению температуры в куче навоза и резкой активности термофильных бактерий.

При этом мезофильная микрофлора погибает и ее воздействие на сахара и гемицеллюлозы подстилки прекращается, тогда как термофильная флора обильно размножается и активно участвует в процессе гумификации. Затем температура постепенно снижается, и в этот момент мезофилы вновь начинают проявлять большую активность.

Свежий навоз весьма беден термофильными микроорганизмами; наибольшее количество термотолерантных и термофильных бактерий находится в навозе в период его разогревания. После снижения температуры содержание бактерий, склонных к термогенезу, резко уменьшается. Поэтому титр термофилов может служить показателем готовности и созревания разогревающейся массы навоза или компоста.

В процессе созревания навоза отдельные виды микроорганизмов распределяются по-разному:

— при 25...28°С наблюдается развитие неоднородной популяции мезофилов, в которой преобладают бактерии (Cytophaga, Cellvibrio), мезофильные грибы (Alternaria, Tri-chothecium); численность актиномицетов невелика;




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