Цель исследований – разработка технологии детоксикации отходов птицеводства с применением биокаталитических процессов. В настоящие время многие птицефабрики стали источниками загрязнения окружающей природной среды, тем самым создавая серьезные экологические проблемы, нанося экономический и социальный ущерб. Проблема надежной защиты окружающей природной среды от загрязнения птичьим пометом является в настоящее время актуальной. Птичий помет содержит различные кислоты, азот, фосфор и калий, тяжелые металлы. Гуминовые вещества, выделенные из бурого угля, обладают достаточно высокой сорбционной активностью и применяются в качестве дешевых сорбентов для решения целого ряда экологических проблем в промышленности. Основным недостатком процесса анаэробного сбраживания является низкая скорость реакции, даже при значительном нагреве реакционной массы, что приводит к необходимости создания биореакторов большого объема и, соответственно повышает капитальные затраты на строительство объектов переработки. Способ получения органического удобрения решает задачу создания соответствующего метода, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении временных затрат на ферментацию экскрементов птиц и животных, сохранении органических и минеральных веществ в конечном продукте и улучшении их качества, повышении экологичности способа благодаря использования гуминового сорбента для перевода в нерастворимое состояние солей тяжелых металлов и других токсических веществ. На основании проведенных исследований разработана технология получения органического удобрения из отходов птицеводства методом анаэробного сбраживания куриного помета влажностью при температуре 27–50 °С с добавлением гумата натрия. Удобрение предназначено для применения в сельскохозяйственном производстве, садоводстве, цветоводстве, лесном, городском хозяйствах, на приусадебных участках в целях повышения урожайности, качества продукции растениеводства. На разработанную технологию подана заявка на получение Патента на изобретение РК «Способ получения органического удобрения» (приоритет № 2021-22818, от 13.07.2021).
гумат натрия, птичий помет, биокатализ, сбраживание, детоксикация, органическое удобрение
Введение. В настоящее время многие птицеводческие и животноводческие комплексы стали источниками загрязнения окружающей природной среды, тем самым создавая серьезные экологические проблемы, нанося экономический и социальный ущерб. В зоне их функционирования возможно загрязнение атмосферного воздуха микроорганизмами, пылью, дурнопахнущими органическими соединениями, являющимися продуктами разложения органических отходов, а также окислами азота, серы, углерода.
Птичий помет и навоз животных содержат кислоты, азот, фосфор, калий и тяжелые металлы. Содержание азота, фосфора и калия резко изменяется в зависимости от количества и качества корма. Азот в помете и навозе находится в форме мочевой кислоты, которая быстро разлагается с образованием аммиака. Свежий помет и навоз очень сильно подкисляют почву, угнетая микроорганизмы, нарушая естественный метаболизм экосистемы.
Основным недостатком процесса анаэробного сбраживания является низкая скорость реакции даже при значительном нагреве реакционной массы, что приводит к необходимости создания биореакторов большого объема и, соответственно, повышает капитальные затраты на строительство объектов переработки.
Гуминовые вещества, выделенные из бурого угля, обладают достаточно высокой сорбционной активностью и применяются в качестве дешевых сорбентов для решения целого ряда экологических проблем в промышленности [1–4].
Применение гумата натрия в качестве катализатора процесса анаэробного сбраживания позволит ускорить химико-биологический процесс сбраживания, снизить энергозатраты на его проведение, использовать реакторное оборудование меньшего объема. Кроме того, гумат натрия за счет комплексообразующих и адсорбционно-абсорбционных свойств обеспечит детоксикацию реакционной массы от тяжелых металлов и их солей.
Известные способы получения органических удобрений из помета птиц и навоза обладают значительной металлоемкостью и энергоемкостью, высокой себестоимостью, что ограничивает их использование на птицефабриках и животноводческих комплексах малой и средней мощности. Во всех способах отсутствует процесс связывания солей тяжелых металлов, находящихся в экскрементах, что снижает экологичность процессов [5].
Вместе с тем известен способ детоксикации земель сельскохозяйственного назначения с использованием гуминового сорбента [6]. Недостатком способа является необходимость отдельного от внесения удобрений процесса внесения сорбента, что снижает технологичность процесса и не обеспечивает в процессе внесения удобрений контроля их качества на содержание токсичных элементов.
Кроме того, недостатком известных способов анаэробного сбраживания является низкая скорость процесса. Для повышения его эффективности нами использовался в качестве биологического катализатора процесса стимулятор роста бактерий гумат натрия, полученный по ранее разработанной технологии из бурого угля Майкубенского месторождения в РК («Способ получения гумата натрия» Патент № 4600 РК) [7], а также сорбент на основе гумата натрия (сопутствующий продукт получения гумата натрия), который предлагается использовать для детоксикации исходного сырья и получаемого продукта от тяжелых металлов и их солей за счет его абсорбционно-адсорбционных и комплексообразующих свойств.
Гумат натрия в технологическом процессе значительно ускоряет процесс сбраживания (процесс развития бактерий) в анаэробной среде (без доступа кислорода), устраняет неприятный запах птичьего помета, а также увеличивает выход биогаза. В результате ферментации анаэробные бактерии расщепляют сложные органические соединения (жиры, белки, углеводы), содержащиеся в ферментируемом продукте, до кислот жирного ряда, затем – до соединений, которые могут усваиваться растениями. Кроме того, гумат натрия за счет комплексообразующих и адсорбционно-абсорбционных свойств обеспечивает детоксикацию реакционной массы от тяжелых металлов и их солей. В результате ферментации также выделяются тепло и биогаз, которые посылают на дальнейшее использование или утилизируют [8].
Цель исследований – разработка технологии детоксикации отходов птицеводства с применением биокаталитических процессов. Цель обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении временных затрат на ферментацию экскрементов птиц, в сохранении органических и минеральных веществ в конечном продукте и улучшении их качества, в повышении экологичности способа благодаря использованию гуминового сорбента для перевода в нерастворимое состояние солей тяжелых металлов и других токсических веществ.
Объекты и методы. В качестве исходного продукта использовали экскременты птиц, в опытно-промышленный реактор загружали 100 кг птичьего помета с исходной влажностью 60 %, добавляли 200 л воды и 1–2 л биологического катализатора гумата натрия. Реактор герметично закрывали и включали перемешивающее устройство (фекальный насос). Реакционная масса перемешивалась на протяжении 60 мин до получения однородной консистенции. Перемешивание содержимого реактора способствует более тесному контакту микроорганизмов и субстрата. После чего реакционная масса в результате экзотермической реакции разогревалась до температуры в диапазоне от 27 до 50 °С. С увеличением температуры увеличивается метаболическая активность микроорганизмов, что приводит к более высокой степени стабилизации отходов и практически полному уничтожению вирусных и бактериальных патогенов. Завершение процесса сбраживания в анаэробной среде характеризуется прекращением образования биогаза и экзотермической реакции. Продолжительность процесса сбраживания от 2 до 5 суток.
Выделяющийся биогаз с содержанием метана 60–70 % отводился в газгольдер и в дальнейшем использовался для выработки тепловой энергии или утилизировался. При прекращении выделения биогаза процесс анаэробного сбраживания считался законченным. После окончания процесса брожения проводилась детоксикация птичьего помета от тяжелых металлов и их солей путем добавления в реакционную массу гуминового сорбента в соотношении 1:0,01. Массу тщательно перемешивали до получения однородной консистенции. Выдерживали в течение 12 часов и по мере окончания контролируемого технологического процесса проводили выгрузку удобрения.
В качестве контроля использовался процесс анаэробного сбраживания куриного помета без применения гумата натрия в качестве катализатора процесса брожения и без использования гуминового сорбента для детоксикации получаемого продукта брожения от солей тяжелых металлов.
Исследования проводились в трех вариантах.
Испытанию были подвержены следующие пробы: проба 1 – суспензия птичьего помета без добавления гумата натрия; проба 2 – суспензия птичьего помета с добавлением гумата натрия в стандартном количестве; проба 3 – с добавлением в пробу 2 гуминового сорбента в количестве, указанном в разработанной технологии.
Для повышения точности опыта использовался птичий помет, полученный из одного птицеводческого хозяйства в одно и то же время.
Исследования проводили в 5-кратной повторности.
Первичная информация собиралась, обрабатывалась и анализировалась с помощью аналитических методик (содержание азота, фосфора, калия, тяжелых металлов и их солей, массовой доли органического вещества, золы и т. д.) в лаборатории Инновационного Евразийского университета и лаборатории ТОО «БО-НА». Контроль достоверности осуществляли в аккредитованных лабораториях ТОО «Иртыш-Стандарт» и Павлодарского филиала Республиканской ветеринарной лаборатории.
Статистическая обработка полученных данных выполнена методом вариационной статистики по Фишеру – Стьюденту.
Результаты и их обсуждение. Нормативные химические и биологические показатели гумата натрия, полученного из углей Майкубенского месторождения по предложенной ранее нами технологии, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Нормативные химические и биологические показатели гумата натрия
|
Показатель |
Количественное содержание показателя |
|
|
1 |
2 |
|
|
Содержание солей гуминовых кислот, %, не менее |
10–25 |
|
|
Содержание органических веществ в сухом веществе, % |
40–60 |
|
|
Массовая доля общих фосфатов в пересчете на P2O5, % |
5–20 |
|
|
Массовая доля общего калия в пересчете на К2О, % |
5–20 |
|
|
Массовая доля общего азота, % |
5–20 |
|
|
Массовая доля кальция усваиваемого, в пересчете на СaO, % |
5–10 |
|
|
Массовая доля соединений [ОУ1] магния в пересчете на MgO, % |
1–2,5 |
|
|
Массовая доля железа в пересчете на Fe2O3, % |
0,5–2,5 |
|
|
Массовая доля микроэлементов[ОУ2] , мг/кг: |
||
|
сера |
40,0–42,0 |
|
|
марганец |
60–80 |
|
|
бор |
4,2–4,8 |
|
|
цинк |
28–35 |
|
|
медь |
3,5–5,1 |
|
|
молибден |
0,05–0,07 |
|
Окончание табл. 1
|
1 |
2 |
|
кобальт |
3,0–3,5 |
|
рН |
6,5–8 |
|
Индекс санитарно-показательных микроорганизмов, клеток/г: – колиформы – энтеробактерии |
1–10 1–10 |
|
Патогенные и болезнетворные микроорганизмы, в том числе энтеробактерии, энтерококки, энтеровирусы, клеток/г |
Отсутствуют |
|
Жизнеспособные яйца и личинки гельминтов, в том числе нематоды, трематоды, цестоды |
Отсутствуют |
|
Цисты кишечных патогенных простейших |
Отсутствуют |
|
Личинки и куколки синантропных мух |
Отсутствуют |
Как видно из данных, представленных в таблице 2, при санитарно-гигиеническом и химико-токсикологическом анализе в пробе 1 допущено некоторое превышение нормативных показателей по содержанию растворимых солей тяжелых металлов, наличию жизнеспособных яиц и личинок гельминтов и значительное снижение содержания солей гуминовых кислот. В пробах 2 и 3 все показатели находятся в границах нормы, при этом продолжительность процесса ферментации снизилась в среднем на 7 часов по сравнению с пробой 1, что свидетельствует о каталитическом эффекте применения гумата натрия для активации ферментов анаэробных бактерий в процессе анаэробного брожения. При этом в пробе 3 (с применением гуминового сорбента) показатель массовой концентрации примесей отдельных токсичных элементов (водорастворимых солей тяжелых металлов) снизился в среднем в 5–15 раз (Р < 0,001).
Таблица 2
Результаты испытаний технологического регламента
по детоксикации птичьего помета, М±m, n = 5
|
Показатель |
НД на методы испытаний |
Требования НД |
Проба 1 |
Проба 2 |
Проба 3 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Продолжительность ферментации, ч |
Не нормируется |
Не нормируется |
57±14 |
50±21 |
50±11 |
|
Содержание солей гуминовых кислот, %, не менее |
Свидетельство о регистрации KZ72VCF000048 |
10–25 |
7,0±2,1 |
16,0±4,3 |
18,0±4,9 |
|
Массовая концентрация примесей (валовое содержание), мг/кг сухого вещества, не более: – свинца – кадмия – ртути – мышьяка |
ГОСТ Р53218 ГОСТ Р53218 ГОСТ 58663 ГОСТ 26930 |
130,0 2,0 2,1 10,0 |
132,0±46 2,1±0,7 2,1±0,8 9,8±1,9 |
122,0±34 1,8±0,6 1,7±0,6 9,5±1,7 |
11,9±3,5* 0,3±0,01* 0,4±0,01* 1,2±0,02* |
|
Массовая доля сухого вещества, % |
ГОСТ 26713 |
Не менее 85 |
88,0±24,9 |
87,5±30,1 |
88,5±33,8 |
|
рН, ед. |
ГОСТ 27979 |
6,0-8,5 |
6,5±1,9 |
6,3±2,7 |
6,4±3,1 |
|
Массовая доля органического вещества, % на сухое вещество, не менее |
ГОСТ 27980 |
50 |
52,4±20,9 |
53,2±17,4 |
53,8±19,8 |
|
Массовая доля азота общего, %, не менее |
ГОСТ 26716 |
2,0 |
2,2±0,91 |
3,2±0,98 |
3,2±0,97 |
Окончание табл. 2
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Массовая доля общего фосфора (в пересчете на Р2О5), %, не менее |
ГОСТ 26717 |
2,0 |
2,3±0,77 |
2,5±0,98 |
2,6±0,87 |
|
Массовая доля общего калия (в пересчете на К2О), %, не менее |
ГОСТ 20851.3 |
0,8 |
0,9±0,2 |
1,1±0,5 |
1,2±0,55 |
|
Наличие яиц и личинок гельминтов, экз/кг |
ГОСТ Р54627-2011 |
Не допускается |
2±0,4 |
0 |
0 |
Примечание. Разница по отношению к первой пробе достоверна: * – Р < 0,001.
По результатам исследования вявлено, что осуществление разработанной технологии обеспечивает полную и безопасную утилизацию чрезвычайно агрессивных отходов птицефабрик, а следовательно – существенное улучшение экологической обстановки, в частности в регионах расположения птицефабрик. Разработанный способ получения органического удобрения позволяет также значительно сократить время проведения ферментации.
В ходе проведения исследовательских работ разработаны и утверждены технологические параметры биокаталитического процесса анаэробного сбраживания отходов птицеводства с использованием гумата натрия, которые представлены в таблице 3.
Таблица 3
Технологические параметры биокаталитического процесса
анаэробного сбраживания отходов птицеводства с использованием гумата натрия
|
Параметр |
Показатель |
|
Влажность куриного помета |
80 % |
|
Время перемешивания реакционной массы после окончания загрузки исходного сырья (куриный помет, гумат натрия, вода) |
60–120 мин |
|
Диапазон температуры подогрева реакционной массы |
27–50 °С |
|
Продолжительность процесса сбраживания |
От 2 до 3 недель |
|
Время проведения процесса детоксикации птичьего помета от тяжелых металлов и их солей путем добавления в реакционную массу гуминового сорбента |
Выдерживается в течение 12 ч |
|
Время перемешивания реакционной массы после добавления гуминового сорбента |
60–120 мин до получения однородной массы |
В качестве катализатора данного процесса добавляется гумат натрия собственного производства, который значительно ускоряет процесс сбраживания (процесс развития бактерий) в анаэробной среде (без доступа кислорода), устраняет неприятный запах птичьего помета, а также увеличивает выход биогаза.
После окончания процесса брожения проводится детоксикация птичьего помета от тяжелых металлов и их солей путем добавления в реакционную массу гуминового сорбента собственного производства.
В результате исследований нами разработан и утвержден технологический регламент процесса детоксикации отходов птицефабрик с помощью комплекса биокаталитических процессов, обеспечивающих полную ликвидацию (связывание) токсических компонентов в исходном сырье и продукте.
По мере окончания контролируемого технологического процесса проводили выгрузку удобрения. Полученные образцы удобрения и биогаза отправляли в лабораторию для определения качественных и количественных показателей. Процесс фасовки готовой продукции в тару осуществляется в помещении фасовки на специально оборудованных столах. Места фасовки оборудованы местной вытяжной вентиляцией для обеспечения безопасных условий процесса. В качестве тары используются герметичные пластиковые флаконы объемом 0,3; 0,5; 0,75; 1 л и герметичные пластиковые канистры объемом 5 л. На каждую единицу заполненной тары наклеивается этикетка утвержденного содержания и дизайна. Коэффициент заполнения тары не превышал 0,9–0,95. Временное хранение готовой продукции до его реализации производится в складе готовой продукции, максимальная норма хранения – 2 т средства в потребительской таре. Для хранения использовались хорошо вентилируемые помещения с защитой от атмосферных осадков и солнечного света при температуре от 0 до 30 °С. Выдача продукта потребителю осуществлялась со склада готового продукта.
В результате проведенных исследований разработан способ получения органического удобрения, включающий ферментацию исходного продукта, удаление биогаза, седиментацию, отличающийся тем, что реакционную смесь предварительно ферментируют с добавлением 200 % воды и 1–2 % гумата натрия, после окончания ферментации, в процессе которой происходит самонагревание ферментационной смеси до температуры от 37 до 51 °С, и удаления биогаза из продукта ферментации в реакционную смесь производят добавку гуминового сорбента в количестве от 1 до 2 % массовой доли, перемешивают в течение 12–24 ч, посредством седиментации отделяют плотную составляющую исходного продукта, а жидкую составляющую отстаивают до достижения уровня разделения твердой фракции и жидкой в соотношении от 1 к 5 до 1 к 7, плотную фракцию удаляют, а надосадочную фракцию используют в качестве жидкого органического удобрения.
Заключение. На основании проведенных исследований разработана технология получения органического удобрения из отходов птицеводства методом анаэробного сбраживания куриного помета при температуре 27–50 °С с добавлением гумата натрия.
Удобрение предназначено для применения в сельскохозяйственном производстве, садоводстве, цветоводстве, лесном, городском хозяйствах, на приусадебных участках в целях повышения урожайности, качества продукции растениеводства. Рекомендуется для подкормки всех видов сельскохозяйственных культур, а также для рекультивации почв.
На разработанную технологию подана заявка на получение Патента на изобретение РК «Способ получения органического удобрения» (приоритет № 2021-22818, от 13.07.2021).
1. Фильченков О.А., Слюсаренко В.В. Способ утилизации и обеззараживания куриного помета: заявка OS 3317241 ФРГ, МПК C05F 3/00; опубл. 1985. С. 1.
2. Мигутин Г.В., Алкарев В.А., Минобудинова Н.В., Сыркин Л.Н. Способ получения органо-минерального удобрения: Пат. Рос. Федерация № C05F11/02 C05F17/00 МПК; опубл. 1997. С. 3.
3. Коновалов М.Б., Коваленко О.П. Органоминеральное удобрение и способ его изготовления: Пат. № 2191764 Рос. Федерация № C05F 3/00 МПК; опубл. 2002. С. 6.
4. Кочерга В.А., Андрианов В.Б. Способ получения органического удобрения: Пат. Рос. Федерация № РСТ/RU2014/000629; опубл. 2013. С. 1.
5. Сухарев Ю.И., Апаликова И.Ю., Лебедева И.Ю., Ларионов Л.П., Бурмистров В.А., Кузьмина Н.В. Способ утилизации и обеззараживания куриного помета: Пат. № C05F 3/00 МПК; опубл. 2015. С. 2.
6. Шаповалов А.А., Пуцыкин Ю.Г. Гуминовый сорбент, способ его получения; способ детоксикации земель и рекультивации почв сельскохозяйственного назначения с использованием этого гуминового сорбента: Пат. № C05F 11/02(2006.01), A01B 79/02(2006.01), C09K 17/40(2006.01) МПК; опубл. 2003. С. 1.
7. Шаров Б.А., Шарапиденов Б.С., Кисиль А.С., Комаров А.А. Способ получения гумата натрия: Пат. Респ. Казахстан № 4600; опубл. 2020. С. 2.
8. Дампилов Б.А., Петунов С.В., Арданов Ч.Е., Отбоев С.С. Способ приготовления органоминерального удобрения: Пат. Рос. Федерация № C05F3/00 МПК; опубл. 2006. С. 5.
