Сидоренко О. Д. Биологические т ехнологии утилизации отходов животноводства



страница7/8
Дата23.04.2016
Размер1.14 Mb.
ТипКнига
1   2   3   4   5   6   7   8

5. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

Для разработки систем утилизации отходов необходимо знать их характеристики. Для более концентрированных животноводческих отходов пригодна биохимическая очистка (жидкие отходы), промышленная переработка, компостирование, внесение в почву, высушивание и т. д. (твердые отходы).


5.1. Утилизация отходов свиноферм

Запах кала свиней обусловлен в основном конечными продуктами бактериального гниения белков. Из органических компонентов в состав кала входят аминокислоты, липоиды, высшие и низшие жирные кислоты, скатол, индол, фенолы, меркаптаны, ферменты и др. При этом содержится: вода 55—75%, газы (СО2, H2S, СН4), макро- и микроэлементы.

В России около 3600 крупных свинооткормочных комплексов. На одном комплексе (108 тыс. голов) ежегодно получают 1 млн. м3 стоков, а всего в России ежегодно образуется до 1,5 млрд. т, причем большая часть отходов из-за отсутствия рациональных технологий не перерабатывается.

Во ВНИИСХМ (С-Петербург) профессором И. А. Архипченко разработана технология переработки отходов свинокомплексов в биоудобрения Бамил (биомасса микроорганизмов ила). Бамил получают, выращивая аэробные микроорганизмы на стоках. Это удобрение обладает стимулирующим действием на растения и не содержит вредных примесей (сероводорода, меркаптана, жирных кислот). Оно не имеет аналогов и более эффективно, чем биоудобрения, полученные на основе анаэробных микроорганизмов (сбраживания в метантенках).



Технология получения Бамила. Сточные воды из приемного резервуара направляются на виброгрохот, где разделяются на жидкую и твердую фракции. Жидкая фракция проходит через систему аэротенков; образовавшийся активный ил используется для изготовления удобрения Бамил. Твердая фракция, прошедшая санацию, вывозится на поля в качестве органических удобрений. В другом варианте твердая фракция влажностью 70 ... 80% смешивается с минеральными и биологически активными добавками и направляется в биореактор, где в течение 6 ... 8 сут при температуре 60 ... 70°С и выше происходит превращение смеси в стабилизированный продукт влажностью 45...50%.

В Голландии (Дурикс, Клайпек, 2000) получила развитие интегрированная аэробно-анаэробная обработка жидкой фракции навозных стоков, с предварительной фильтрацией и разделением жидкой и твердой фракций. Профильтрованный и затем сброженный жидкий навозный сток свиноферм, содержащий значительные количества азота (3 кг/м3) и фосфора, подвергается двустадийной системе очистки (нитрификации — денитрификации — дефосфотации). Применение двустадийной схемы позволяет практически на 100% удалить как азот, так и фосфор.

Биологическая переработка сбраживаемого свиного навоза постоянно совершенствуется и модифицируется. Для удаления NH4+-N используют цеолиты, керамзит, биофильтры или создают труднорастворимый осадок струвит — MgNH4PO4 (Некрасова, Ножевникова, 2000). После этого свиной навоз приобретает иные агрохимические и микробиологические характеристики. Микробный состав его изобилует агрономически полезными группами микроорганизмов.

Северо-западный НИИМЭСХ предлагает использование биореактора в виде медленно вращающегося барабана для биотермической переработки отходов.

Применяется технология активной ферментации компостной смеси на площадках (Афанасьев, 2000). Перспективной машиной для этих целей является двушнековый смеситель-аэратор, обеспечивающий смешивание компонентов, укладку смеси в бурт и ее периодическое перемешивание. Такая технология ускоряет ход биотермических процессов, на 30 ... 40% снижает потери питательных веществ.



ВНИИКОМЖ (Пузанков, Мхитарян, 1999) разработал модульные установки для экспресс-компостирования отходов животноводства. Мощность комплекса может составлять до 50 м3/сут. Приготовление компостной смеси из навоза или помета с органическим сорбентом (торф, солома, опилки и др.) обусловливает активную микробиологическую ферментацию смеси уже в пусковой период разогрева. Эффективность биохимического процесса, протекающего в установке, в основном зависит от скорости роста аэробных микроорганизмов.
5.2. Переработка птичьего помета

Птичий помет — ценное, сравнительно концентрированное и быстродействующее органическое удобрение. Среднее содержание питательных веществ в помете кур (в % от веса сырой массы помета) составляет: азота — 1,5; фосфора — 1,8, калия — 0,9, кальция — 2,4, магния — 0,7. В течение года от каждой курицы накапливается 5 ... 6 кг помета, а от одной средней птицефабрики — до 40,0 тыс. т (Лысенко, 1998). Однако применение птичьего помета в качестве органического удобрения ограничено по санитарно-гигиеническим нормам, несмотря на высокое содержание химических элементов.

В практике промышленного производства все чаще обращаются к новым технологиям переработки помета и получения вторичных продуктов. При этом учитывают содержание химических элементов в помете и использование его в качестве сырья для получения концентрированных органических удобрений или кормовых добавок. В последнем случае предусматривается обязательная термическая обработка для уничтожения болезнетворной микрофлоры.

Разработаны способы обработки птичьего помета методами разделения сброженной массы, обезвоживания, высушивания и др. Как правило, птичий помет термофильно сбраживают с последующим разделением сброженной массы на твердую и жидкую фракции (Ракитин и др., 1987). Твердую фракцию высушивают и используют как удобрение, а жидкую возвращают на досбраживание. Иногда обезвоживают образующийся осадок за счет добавления гидролизного лигнина (Якушкин, 1987). Лигнин в процессе фильтрования способствует увеличению пористости осадка и более полно удаляет из него влагу. Однако эти приемы трудоемки. Необходимо удалять помет в пометохранилище, разжижать его значительным количеством воды, затем обезвоживать методом фильтрования. При этом возникает проблема утилизации большого количества отходов в виде осадка из смеси помета и вспомогательного вещества, которое не имеет удобрительной ценности и плохо разлагается в почве.

Э. А. Цеханович и др. (1989) предлагает свежий помет очищать от грубых посторонних включений и размалывать до размера частиц дисперсной фазы 20 ... 300 мкм. Затем крошку куриного помета (пульпу) влажностью 75 ... 77% насосом подают в пневматическую форсунку и диспергируют сжатым воздухом в аппарат для получения гранул. В процессе грануляции происходит сушка. В результате повышается удобрительная ценность гранул и увеличивается их насыпная плотность. Товарную фракцию выводят в приемную емкость, мелкую фракцию возвращают по линии пневмотранспорта в аппарат, в зону факела форсунки.

Для ускорения переработки отходов птицеводческих хозяйств и улучшения качества готового продукта Р. Г. Сафин и др. (1992) предлагают анаэробное сбраживание птичьего помета, отвод биогаза и обезвоживание сброженной массы путем вакуумирования и термообработки при 200...220°С.

В. П. Лысенко (1998) дает обзор способов переработки птичьего помета и получения органического удобрения. В большинстве технологий промышленной переработки отходов птицеводства отмечается длительность процесса, большие энергозатраты и недостаточно высокое качество конечного продукта.

С 80-х годов в отечественной практике промышленного птицеводства были распространены технологии высокотемпературной сушки птичьего помета. В результате получали из 100 т жидкого помета 17,5 т сухого гранулированного органического удобрения и 82,5 т горячей (65°С) воды. Производство сухого помета при 700 ... 900°С наряду с высокой стоимостью оборудования требует большого расхода углеводородного топлива (на 1 кг испаренной влаги требуется 3745...4140 кДж). К тому же в продуктах сушки помета обнаружены канцерогены (бензоперен).

В 90-е годы было предложено низкотемпературное обезвоживание помета в вакууме. Сухой помет, получаемый на установках низкотемпературного обезвоживания в вакууме, полностью сохраняет все полезные химические вещества исходного сырья. Однако энергозатраты высоки, дорогостоящее оборудование повышает стоимость подобного предприятия.

Наиболее привлекательными являются биологические и, в частности, микробиологические способы переработки помета. Они не только экологически безопасны и экономически выгодны, но и позволяют с достаточно высокой производительностью вести переработку птичьего помета на удобрения.

О. Д. Сидоренко (1994) разработана биологическая технология термопереработки птичьего помета, позволяющая получать высококачественное органическое удобрение. При этом гарантируется гибель условно патогенных и болезнетворных микроорганизмов, семян сорняков и гельминтов. Технология может быть использована для переработки в целом отходов сельского хозяйства, пищевой промышленности и городских отходов (рис. 4).



Технология получения компоста. Процесс переработки птичьего помета происходит в биоферментере — кирпичном или железобетонном здании или ангаре. До 100 т специально приготовленной смеси из птичьего помета и наполнителей (торфа, опилок, соломы и т. д.) поступает в бункер-наполнитель и затем подается в ферментер, оборудованный аэрирующей установкой.

Процесс биоферментации продолжается 5...6 дней при постепенном повышении температуры до 80...85°С, что является вполне достаточным для уничтожения семян сорных растений, патогенных микроорганизмов и гельминтов.

Условия ферментации позволяют контролировать скорость минерализации органических компонентов, состав газов, температуру и влажность. Готовый продукт — компост высокого нагрева (КВН) — обладает сыпучестью, без запаха, темно-коричневого или черного цвета с высоким содержанием элементов питания растений. В 1 кг содержится, г/кг: азота — 7, фосфора — 7, калия — 7, кальция — 8;


Рис. 4. Производство компоста:

1 — приемный бункер-дозатор птичьего помета; 2 — приемные бункеры-дозаторы органических компонентов; 3 — транспортеры; 4 — смеситель; 5—транспортная тележка; 6 — ферментеры; 7 — биофильтры; 8 — фасовочная линия готовой продукции; 9 — склад готовой продукции; 10 — кран-балка
высокое содержание микроэлементов. КВН имеет разные коммерческие назначения.

В последнее время одним из основных требований при производстве органического удобрения из отходов животноводства является сохранение его биологического потенциала и исключение возможности присутствия патогенных микроорганизмов. Важным моментом технологического процесса является также конструктивное обеспечение и надежный контроль поглощения аммония, сероводорода, использования тепла и др. Реализация таких технологий позволит получать не только экологически чистое удобрение, но и сохранять природу от загрязнения отходами животноводства. Решаются также проблемы обогащения почвы органическим веществом.

Переработанные отходы, внесенные в почву, создают почвенную органику и останавливают эрозию, уменьшают потребность в химических удобрениях. Более того, рециркуляция органической части отходов дает сырье для пользующихся большим спросом почвоулучшающих веществ, удобрений и продуктов для борьбы с болезнями растений.
5.3. Получение кормов и продуктов питания повышенной усвояемости

Из подсолнечной лузги, ферментируя ее 1-2 суток, получают гранулированный продукт, содержащий биомассу клеток, целлюлозу, гемицеллюлозу, растворимые гексозаны и пентозаны, комплекс целлюлаз.

Солому измельченную, также ферментируют 1-2 суток при периодическом помешивании и получают готовый продукт аналогичный вышеописанному.

Лузгу предварительно измельчают, подают в ферментер в количестве 30% СВ от рабочего объема и добавляют питательные соли в воду. Автоклавирование позволяет одновременно запарить сырье и деаэрировать питательную среду. Затем понижают температуру до 60°С и подают биозакваску из инокулятора в количестве 15-20% от рабочего объема. Ферментацию проводят 48 часов при периодическом перемешивании и рН=7,0. По окончании ферментации разделяют культуральную жидкость и перерабатывают лузгу: жидкость отправляют в инокулятор для дальнейшего наращивания биомассы бактерий, осадок гранулируют, подсушивают и фасуют готовый продукт. Аналогично получают корм из соломы.

Получение фермента целлюлазы проводят по технологии близкой к вышеописанной. Ферментацию только продолжают не 1-2 суток, а в течение 7-10 суток при периодическом перемешивании и рН=7,0. Культуральную жидкость отделяют каждые 2-3 дня, ферментационный объем (15-20% от объема) заливают свежей средой. По окончании ферментации твердый осадок (лигниновый адсорбент) отделяют от жидкости, промывают водой и подсушивают. Из отделенной культуральной жидкости (и промывной воды) выделяют фермент.

Из отходов растениеводства без предварительного дорогостоящего кислотного гидролиза можно получать белковые препараты - кормовые добавки, значительно снизив себестоимость производства. Сырьем для этого производства могут служить также коммунальные и промышленные стоки, содержащие целлюлозу, гидролиз которых экономически нецелесообразен.

Для лучшего усвоения микроорганизмами целлюлозосодержащего сырья рекомендуется предварительная мягкая обработка его 4%-ным раствором щелочи (NaOH) при 100°С в течение 15 минут. В этих условиях усвояемость целлюлозы повышается до 70-75%. Хороший эффект дают смешанное культивирование бактерий и дрожжей. Выход биомассы на среде с 2% целлюлозы составляет 10-12 г/л, содержащей до 45-55% протеина.

В качестве субстрата для биоконверсии представляют интерес стержни початков кукурузы. Продуцентами белка на них могут служить грибы (Trichoderma, Chaetomium, Aspergillus и др.). Субстраты используют непосредственно или после легкого гидролиза. После роста микроорганизмов уменьшается количество целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, увеличивается содержание белка, витаминов, органических кислот, наблюдается детоксикация исходных субстратов. Полученный вторичный продукт приобретает высокую питательную ценность.

В странах Юго-Восточной Азии и Океании традиционно и очень широко используются биотехнологии производства белковых продуктов с помощью мицелиальных грибов, дрожжей, бактерий из съедобного сырья растительного происхождения путем твердофазного культивирования. Такие продукты являются важнейшей пищевой добавкой к рациону жителей этих стран. Самая высокая в мире средняя продолжительность жизни населения в Японии (на 20-30 лет больше, чем в России) очевидно в значительной степени зависит от самого высокого в мире потребления ферментативных продуктов.

В последнее время за рубежом и в России формируется новое направление в решении проблемы питания и борьбы с желудочно-кишечными заболеваниями животных и человека. Это представляет собой использование дрожжевых культур, с одной стороны, как источника цельных компонентов пищи и корма, т.е. нутрицевтика, а с другой стороны, как пребиотика, стимулятора собственной защитной флоры макроорганизма, т.е. парафармацевтика. (Борисенко, 2003).

Известно, что во время второй мировой войны в Германии важным компонентом питания была биомасса пищевых дрожжей Candida arborea и Candida utilis (Сассон, 1987). Позднее использовалась как белковая добавка в продукты питания. Безусловно все высокопродуктивные по биомассе штаммы дрожжей и дрожжеподобных грибов, предлагаемые для производства ферментированных продуктов, должны проходить регламентированные контрольные тесты. Если не фиксируются противопоказания для их использования, никакие психологические барьеры не должны мешать выходу этих новых обогатителей пищи и корма на рынок биологически активных продуктов. С их помощью можно решать многие вопросы, трудно или совсем не решаемые с помощью антибиотиков и бактериальных пробиотиков и балансировать рационы питания человека и животных по белку и витаминам.

В настоящее время не более 3% составляют пробиотики и продукты функционального питания среди всех известных пищевых продуктов, но прогнозируется в ближайшие 10-15 лет повышение использования их до 30% всего продуктового рынка. При этом они на 30-50% вытеснят из сферы реализации многие традиционные лекарственные препараты.


6. БИОТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА

Получение водорода микробиологическим путем — биотехнологическое решение XXI века. Водород является идеальным химическим носителем энергии. Сжигание его при высоких температурах дает большое количество полезной энергии с высоким КПД.

Микробиологическое получение водорода в настоящее время развивается, хотя прямое биотехнологическое получение водорода на основе процесса, аналогичного фотосинтезу, или анаэробного сбраживания, дискутируется. Уже сейчас кажется принципиально возможным путем комбинации техники фиксированных биокатализаторов и генной технологии на основе фотосинтезирующих биосистем достичь результатов, аналогичных результатам с фотоклетками. Для получения водорода из органических отходов путем анаэробной ферментации селекционируются новые виды микроорганизмов, способные производить водород вместо метана.

В Японии исследован процесс образования водорода из метана при сбраживании рисовой соломы, кухонных отходов, лошадиного навоза и метанового ила. Английские исследователи изучили процесс образования водорода с помощью использующих метан бактерий Methylomonas albus, Methylosinus trichosporium — ОВЗЬ.

В Германии получают этанол из растительных, сельскохозяйственных и пищевых отходов с помощью катализаторов, потребляя менее 1% энергии. Микроорганизмы полностью перерабатывают исходное сырье, побочные продукты (витамины, белки, биологические удобрения) разделяют на ионообменниках. При переработке домашних отходов получают лигнин и метан, используемые в качестве энергоносителей.



Производство биогаза в процессе метанового брожения широко распространено в мире. Переработка отходов метановым брожением — наиболее экономичный и эффективный метод очистки сточных вод, твердых отходов промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытовых отходов. Более 30 лет работают биореакторы на получение очищенного метана. Разрабатываются в основном методы очистки биогаза от примесей.

Для получения газа во Франции городские отходы подвергают ферментации в смеси с водорослями. Производительность таких установок составляет 421 л газа на 1 кг органического вещества. Газ содержит 60% СН4 и 40% СО2.

В Санкт-Петербургском госуниверситете разрабатывается технология получения молочной кислоты из отходов. Используются нетрадиционные источники углерода или отходы и побочные продукты пищевой и перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства. Эффективные штаммы бактерий рубца животного ферментируют различные крахмалсодержащие субстраты с выходом молочной кислоты. Однако при использовании данной технологии требуется затратная стадия предобработки и гидролиза полисахаридов, что приводит к значительному удорожанию получаемой молочной кислоты.

Главное достоинство перспективных биотехнологий переработки отходов — экономичность и экологичность. Снижение количества загрязнений при внедрении новых технологических приемов и процессов должно достигаться за счет использования отработанных продуктов, автоматизированного управления процессами, использования быстрорастущих суперактивных штаммов микроорганизмов, адаптированных к деградации определенных субстратов, или полученных методом генной инженерии новых микроорганизмов или их сообществ.

В любом случае, по теории стабильного развития, органические отходы должны рассматриваться как источник питательных веществ, как носитель энергии. Существующие отходы должны утилизироваться, когда это технически возможно и когда стоимость этого является разумной. Только в исключительных случаях отходы отправляются на свалку или длительное хранение.

Получение спирта сырца из муниципальных отходов.

Просеянные и измельченные отходы в количестве 6-8% сухого вещества от рабочего объема вместе с питательными солями и водой стерилизуют, что позволяет одновременно запарить сырье и деаэрировать питательную среду. Подают засевной материал из инокулятора в количестве 15-20% от рабочего объема. Ферментацию продолжают семь суток при периодическом перемешивании и pH= 5,0. В ходе ферментации периодически создают вакуум (46,1 кПа) для отделения и конденсации паров этанола (спирта - сырца). В зависимости от степени конверсии углеводных фракций субстрата предусматривается замкнутый цикл непереработанного сырья. По окончании ферментации твердый осадок отделяют от жидкости и используют в качестве удобрения или структуратора почвы. Культуральную жидкость направляют в инокулятор для дальнейшего наращивания биомассы бактерий. Спирт-сырец отправляют на дальнейшую очистку ректификацией.

Биоконверсия теоретически позволяет получать спирт при рентабельности 65-70%. При ферментации древесных опилок с содержанием лигнина 22% с учетом 86%-ной (минимальной) степени конверсии углеводной части сырья составляет 28,7% от исходного количества сырья. Для ферментации соломы теоретический выход этанола - 32,6% от исходного сырья; для пшеничных отрубей - 15,2%. Продолжительность ферментации при этом 7-10 суток (для опилок и древесных отходов).

Главным преимуществом биоконверсии является экологическая чистота, связанная с сокращением или полным отсутствием фенола, фурфурола, формальдегида, неорганических кислот и др. токсичных веществ, накапливающихся в местах размещения целлюлозно-бумажных комбинатов и мусорных свалок. Технология переработки является безотходной, т.к. все продукты могут реализоваться (этанол, этанол-ацетатная смесь, незакисленный лигнин для адсорбирующих препаратов, диоксид углерода). При этом используется широкий список потребляемых (перерабатываемых) субстратов и смешанные и монокультуры бактерий, способные конвертировать целлюлозосодержащие материалы.

Для обеспечения стабильности ассоциаций микроорганизмов разработаны различные комбинации (например, одна из них: Clostridium, Thermoanaerobium и Thermoanaerobakter) и методы их хранения, выбор рабочей смешанной культуры бактерий в зависимости от вида целлюлозосодержащего сырья и типа целевого продукта.

Кроме того, для ферментации отработаны режимы аэрации, способствующие суспендированию твердой фазы и активности процесса, а дробная подача исходного субстрата в ферментационный объем повышает степень конверсии сырья на 50%. Предлагаются возможные схемы процессов утилизации различных промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных целлюлозосодержащих отходов.


6.1. Использование продуктов биоконверсии отходов животноводства

Продукты вермикультивирования. В животноводстве биомасса червей — эффективный корм для кур, уток, индюков, морской пресноводной рыбы. Она содержит 60...80% протеина, 9% липидов и 7...16% азотистых веществ. Высокое содержание сбалансированных аминокислот, в том числе и незаменимых, провитаминов D, водорастворимых витаминов свидетельствует о том, что биомасса червей является ценной кормовой добавкой. Черви пригодны для скармливания свиньям, бычкам в сыром и вареном виде. Биомассу красного червя можно использовать в виде пасты для кормления аквариумных рыб. Обезвоженная биомасса червей также представляет собой весьма ценный материал, содержащий полезные минеральные вещества. В их состав входят макро- и микроэлементы.

В фармакологии могут использоваться экстракты из биомассы червей для обработки лишаев, как противораковые препараты, как лечебное средство при заболеваниях глаз, в косметической промышленности — как биодобавки в шампуни, защитные кремы, лосьоны и др. Дождевые черви в китайской медицине используются около двух тысячелетий. В настоящее время в Китае изготовлена антивирусная и антиопухолевая сыворотка Е76.

В питании человека используются черви, выращенные определенным способом. При подборе способа разведения червей для приготовления блюд важным является не только размер особей, но и субстрат, на котором их разводят так как он определяет окраску и вкус дождевых червей. Нельзя использовать для пищевых целей дождевых червей, питавшихся навозными компостами. Дождевые черви содержат 60...70% белка, дешевого и полезного. Приготовление блюд из дождевых червей требует специальных знаний по отбору, чистке, хранению и использованию исходного материала. Готовят червей с крабами, омлет с червями, паштеты и др. В зависимости от применяемых специй рецептура блюд меняется.

В земледелии вермикультура и «биогумус» положительно влияют на плодородие почвы. В процессе переваривания органического вещества в кишечнике червей формируются гумусовые вещества, в том числе высокомолекулярные органические кислоты. Концентрация их в копролитах червей, питающихся навозом, в несколько раз выше, чем в исходном субстрате. При переработке дождевыми червями 1 т навоза в перерасчете на сухое вещество получается 600 кг сухого удобрения с содержанием органического вещества 25...40% и более. В этом удобрении содержится по 1% азота, фосфора, калия, а также многие микроэлементы. При удобрении почвы биогумусом повышается биологическая активность ее, а выращенная продукция практически не содержит нитратов и тяжелых металлов.

Из микрофлоры, выращенной на стоках свинокомплексов, получают новые виды микробных удобрений. Микробная ассоциация их на почвах всех типов проявляет фосфатмобилизующую активность. Содержание доступного фосфора увеличивается на 15...29% при внесении одной дозы. Введение в компостируемую массу муниципальных отходов микробных удобрений (БАМИЛ) положительно влияет на интенсивность процесса компостирования, главным образом за счет изменений в микробном сообществе, ответственном за биоферментацию.



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