Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Агропромышленность arrow Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса

БИОКОНВЕРСИЯ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ПЕРЕРАБОТКА НАВОЗА

8.1. Микробиологические основы минерализации навоза при хранении

Самый ответственный момент в цепочке утилизации вторичных продуктов животноводства - хранение навоза. Во время хранения навозная жижа может просачиваться и загрязнять поверхностные воды. Часть органических веществ навоза при хранении стабилизируется деятельностью бактерий, азота, содержащегося в навозе и моче, и может улетучиваться в атмосферу. Примерно половина органических веществ разлагается до СО, и Н, О. Потери углерода и азота в результате деятельности бактерий увеличивают содержание в навозе минеральных солей и уменьшают концентрацию органических веществ. Чем дольше навоз остается влажным, тем больше возможностей воздействия на него бактерий и растворения твердых веществ. Влагоудерживающая способность навоза животных зависит от рациона их питания.

В производственных условиях редко приходится удобрять свежим навозом, обычно навоз накапливается в местах его образования и в почву попадает в полупрелом состоянии.

Когда навоз находится в виде рыхлой массы, представляющей более или менее равномерную смесь твердых и жидких экскрементов с достаточным количеством соломы, торфа или опилок, используемых для подстилки, его разложение носит аэробно-анаэробный характер.

При этом отмечают обычно три стадии. Первая характеризуется повышением температуры до 70°С, наблюдается сильное развитие термофильных бактерий. В этой стадии все элементы навоза сохраняют еще свою структуру, солома не теряет блеска и цвета. Стадия эта носит название свежего, или горячего, навоза, продолжается около двух недель и переходит во вторую, для которой характерно понижение температуры. В этой стадии разложения навоз теряет около 20% первоначального сухого вещества, элементы его хотя и сохраняют свою форму, но подверглись уже довольно сильному разложению, солома теряет блеск и цвет. Водная вытяжка из навоза в этой стадии имеет темно-коричневый цвет.

Полу перепревший навоз может формироваться от нескольких недель до 10 мес., после чего переходит в третью стадию разложения. Навоз превращается в черную плотную массу, не содержащую уже форменных элементов растений. Сухой вес составляет 50-60% первоначального количества. При дальнейшем хранении такого перепревшего навоза он превращается в так называемый перегной, или парниковую землю.

В условиях анаэробного хранения навоза, обычно при компостировании, таких типичных стадий различить нельзя. Разложение вообще происходит медленнее и скоро останавливается, так как образующиеся в условиях анаэробиоза различные органические кислоты, накапливаясь, задерживают дальнейшее развитие микроорганизмов. Можно сказать, что создание анаэробных условий - один из лучших способов предохранения органической массы навоза от разложения.

На интенсивность разложения сильно влияет степень влажности навоза. При хранении конского навоза в течение двух месяцев была обнаружена следующая потеря сухого вещества и других компонентов в зависимости от содержания воды (табл. 28).

Таблица 28

Потери компонентов субстрата конского навоза в зависимости от типа конверсии и влажности навоза,%

Химические

показатели

Аэробное разложение при влажности

Анаэробное разложение при влажности 85%

30%

50%

75%

80%

Сухой навоз вещество

38,5

48,2

47,8

35,1

25,9

Пенгозаны

71,0

82,6

78,2

55,8

50,9

Целлюлоза

53,2

61,8

64,6

41,1

31,0

Снижающее действие избытка воды объясняется, с одной стороны, тем, что при более высокой влажности легче создаются «местные» анаэробные условия, с другой - избыток влаги препятствует сильному самонагреванию навоза. В куче навоза, находящегося в стадии сильного разложения, температура в верхнем слое составляет 65-68°С, в нижних, более плотных слоях - 55°С.

В анаэробных условиях в плотно утрамбованных кучах температура не поднимается выше 7°С. Саморазогрев куч усиливается при наружной температуре воздуха свыше 21°С. Повышение температуры, в свою очередь, влечет за собой более сильное разложение навоза (табл. 29).

Таблица 29

Потери органического вещества навоза в зависимости от температуры субстрата и типа разложения,%

Температура

Аэробно

Анаэробно

15°С

11,8

3,6

35°С

39,4

34

При том разнообразии химического состава, какое наблюдается уже в свежем навозе и при меняющемся наборе микроорганизмов в зависимости от условий хранения, перечислить все процессы конверсии нет, конечно, никакой возможности. Поэтому мы ограничимся рассмотрением важнейших из них, происходящих в аэробных и анаэробных условиях.

Главнейшим продуктом при разложении органических соединений, как азотистых, так и безазотистых, является СО, Диоксид углерода, образующийся в результате чисто химических процессов, представляет ничтожную величину. Так, С. А. Северин нашел, что стерилизованный навоз выделил за 29 дней всего 0,161 г С02, тогда как зараженный тремя видами бактерий образовал за то же время 9,017 г. При повышении температуры чисто химическое образование СО, сильно увеличивается. В аэробных условиях выделение СО, идет, конечно, значительно интенсивнее, чем в анаэробных. Наряду с СО, даже при аэробном хранении навоза неоднократно наблюдали выделение Н2, H,S, СН4, указывающее на одновременно идущие анаэробные процессы. Образование метана в строго анаэробных условиях может достигать значительной величины. Б. Шлезинг указывает, что 1 кг конского навоза в токе азота при 52°С в течение 24 ч выделил 1960 см3 СО, и 1810 см3 СН.

Кроме газообразных продуктов всегда образуются различные органические кислоты: муравьиная, масляная с ее высшими гомологами, наблюдается образование молочной и янтарной кислот. Многие из этих кислот являются продуктами разложения азотистых соединений: белков и аминокислот.

При наличии в навозе гиппуровой кислоты могут образовываться значительные количества бензойной кислоты.

Наибольший интерес в практическом отношении представляет разложение азотистых органических соединений, так как с ними связан вопрос о потере азота при хранении навоза. Обычным продуктом этого разложения является аммиак. Количество образующегося аммиака зависит как от качества разлагаемых соединений, так и от внешних условий. В анаэробных условиях образование NH3 протекает вообще более интенсивно.

При разложении твердых экскрементов в течение месяца в аэробных условиях переходит в форму аммиака только 1% азотистой органики, тогда как в анаэробных - 11%, в течение полугода - соответственно 3 и 20%. Имеются, впрочем, и другие данные.

Присутствие мочи в навозе может сильно изменить картину кислородного влияния. Мочевина, составляющая главную часть мочи, чрезвычайно легко разлагается с образованием аммиака, а так как это разложение по преимуществу вызывается аэробными бактериями, то количество аммиака в аэробных условиях может оказаться больше, чем в анаэробных. Впрочем, разложение мочевины может идти и в строго анаэробных условиях. Среди бактерий, расщепляющих мочевину, есть и настоящие анаэробы. Анаэробное разложение мочевины возможно при посредстве энзима уреазы, вырабатываемого микроорганизмами в верхних слоях навозной кучи и проникающего в нижележащие.

Потеря азота при хранении навоза является общеизвестным фактом. Она может достигать весьма больших размеров; материальный убыток, причиняемый этим явлением сельскому хозяйству, очень велик. Ж. Лёнис оценивает ежегодные потери азота для Германии в несколько миллионов марок. Это значительно превышает затраты на приобретение азотных удобрений.

Азот может теряться в двух видах: в форме NH3 или свободного азота (N,).

В анаэробных условиях, когда процессы разложения происходят с небольшим повышением температуры, и при обилии органических кислот, образующихся от брожения клетчатки, пентозанов и пектиновых веществ (масляная, уксусная и др.), потери азота в форме аммиака сводятся к минимуму. Соответственно такие способы хранения навоза (уплотнение в кучах или штабелях, полив навозной жижей и др.), которые ведут к созданию анаэробных условий, являются наиболее эффективными и дешевыми при компостировании.

Важным источником потерь азота при хранении навоза является, несомненно, образование свободного азота. Теоретически возможно образование его четырьмя способами: непосредственно путем разложения органических азотистых соединений; посредством окисления аммиака; в результате непрямой денитрификации, т.е. при действии азотистой кислоты на амины, аминокислоты или аммиак;

путем непосредственного восстановления азотной кислоты (прямая денитрификация).

Наиболее спорным является непосредственное образование азота из азотистых органических соединений. Мнения отдельных исследователей сильно расходятся. По-видимому, если такое образование в сколько-нибудь значительных размерах может иметь место, то только в аэробных условиях.

С другой стороны, наблюдается образование элементарного азота при разложении азотистых соединений (мясо, белок, картофель, осадок ила) в условиях полного анаэробиоза.

Несомненной является потеря азота путем денитрификации. Вопреки довольно распространенному мнению, что навоз представляет неблагоприятную среду для развития нитрифицирующих бактерий, они находятся в нем в довольно больших количествах. Причем распространение их не ограничивается только верхним слоем, нитрифи- каторы обнаружены и на глубине 50-70 см. Свежий кал совершенно не содержит нитрифицирующих бактерий, инфекция происходит при посредстве старых частичек навоза или почвенных загрязнений.

В трехдневном коровьем навозе, сохранившемся в навозохранилище, количество нитрифицирующих бактерий доходит до 400 клеток на 1 г. В четырехнедельном - оно повышается до 32000 на 1 г и на этом уровне держится довольно долго. В перепревшем навозе (5-месячном) - их менее 100 клеток на 1 г.

Общая убыль азота в коровьем навозе без добавления нитрифицирующих бактерий составляет 6,28%, при заражении же - 23,75%. Сходные данные получены и для конского навоза: при аэробном хранении без нитрифицирующих бактерий терялось 0,73% азота, в присутствии нитрифицирующих бактерий - 11,66%. В анаэробных условиях, при которых невозможна нитрификация, потери азота незначительны.

Таким образом, анаэробное хранение является лучшим способом консервирования навоза. В навозе, как и во всяком естественном субстрате, наряду с процессами разложения происходят синтетические процессы. Бактерии не только выделяют аммиак, но также и ассимилируют его, переводя в азотистые органические соединения протоплазмы. Число бактерий, способных использовать аммиак и аминокислоты, очень велико, и многие из них встречаются в навозе. В ассимиляции аммиачного азота принимают деятельное участие также плесневые грибы. Этим объясняется неоднократно наблюдавшееся увеличение белкового азота при хранении навоза.

На общий баланс превращений азота может влиять и ассимиляция свободного азота.

Интенсивность экзотермических реакций, протекающих в аэробных условиях (рыхлое хранение навоза), приводит к повышению температуры в навозной куче и резкой активности термофильных бактерий, участвующих в процессе гумификации. При этом мезофильная микрофлора погибает, и ее воздействие на сахара и гемицеллюлозы подстилки прекращается. 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 активному термогенезу, резко уменьшается. Поэтому титр термофилов может служить показателем готовности и созревания разогревающейся массы навоза или компоста (табл. 30).

Таблица 30

Содержание микроорганизмов в навозе и компосте

Образец

Мезофилы

Термофилы

Термофилы,%

тыс./l г

Созревший навоз

300000

7300

2,4

Компост высокого нагрева

30000

8000

23,6

Компостные кучи

85000

20000

23,8

Компост среднего нагрева

16000

1500

9,4

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) и мезофильныс грибы (Alternaria, Trichoderma), численность актино- мицетов невелика;
  • - при 50°С численность бактерий уменьшается; наблюдается размножение термофильных грибов и актиномицетов;
  • - при 55-65°С наблюдается интенсивное развитие термофильных споровых целлюлозоразрушающих бактерий. Численность грибов уменьшается, актиномицеты по-прежнему остаются активными;
  • - при 75°С грибы и актиномицеты отсутствуют. Сохраняют свою активность лишь термофильные бактерии, расщепляющие клетчатку.

Итак, большое значение в процессе созревания навоза имеет температура, от которой зависит состав конечного продукта и его удобрительные качества. Поддержание температуры на уровне 50-60°С обеспечивает наиболее быстрое созревание навоза.

При плотном (анаэробном) хранении создаются анаэробные условия, медленно развиваются микробиологические процессы и незначительно повышается температура (до 25-35°С). Основную роль в трансформации органических соединений играют неспорообразующие микробы: кокки, псевдомонады, протеи и др. Бациллы и актино- мицеты в таком навозе представлены незначительно (табл. 31).

Таблица 31

Содержание микроорганизмов при созревании плотного навоза, млн/г массы (по В.Н. Былинкиной)

Группы

микроорганизмов

Исходный

материал

Срок со времени закладки навоза

15 дней

1 мес.

2 мес.

4 мес.

Бактерии

960

2600

1800

140

130

Бациллы

6

15

20

7

6

Актиномицеты

1

1,6

1,8

0,9

1,5

Аэробно-анаэробное хранение навоза в штабеле характеризуется повышенной температурой (до 50-60°С) и гибелью неспорообразующих форм бактерий. Такое хранение представляет собой послойную укладку навоза без уплотнения, затем через 4-5 дней разогревшийся навоз уплотняют. Далее раскладывают новый слой навоза до образования штабеля размером 5x2 м. Чем интенсивнее протекают микробиологические процессы, тем больше теряется ценных и важных для растений веществ - азота и фосфора.

Различают четыре стадии разложения навоза, приготовленного на соломенной подстилке: свежий, полуперепревший, перепревший и перегной. Полуперепревший навоз теряет 10-30% первоначальной массы и такое же количество органического вещества; перепревший теряет около 50% массы и сухого органического вещества; потери перегноя составляют 75% массы, сухого органического вещества и значительное количество азота (табл. 32).

Прежде чем остановиться на определенных способах переработки и удаления навоза животноводства, целесообразно отобрать его пробы, средние образцы и проанализировать их. Пробы отбирать трудно вследствие высокой концентрации и неоднородности навоза. Поэтому, как правило, пользуются сравнительными данными справочников.

Таблица 32

Средние потери органического вещества и азота при разных способах хранения навоза в течение 4 мес.,% (данные ВИУА)

Навоз

Навоз на соломенной подстилке

Навоз на торфяной подстилке

органическое

вещество

азот

органическое

вещество

азот

Рыхлый (горячий)

32,6

31,4

48,8

25,2

Горячеирессованный

24,6

21,6

32,9

17,1

Плотный (холодный)

12,2

10,7

7,0

1,0

Для характеристики жидких и твердых компонентов навоза используют традиционные аналитические методы определения биологической потребности в кислороде (ВПК), химической потребности в кислороде (ХПК), взвешенных твердых веществ и др. Соотношение ВПК: ХПК используется для определения возможности применения процессов биохимической очистки конкретного навоза. Малые значения этого соотношения указывают на наличие значительной фракции, не поддающейся биохимическому разложению. Например, в сточных водах свиноводческих ферм такая фракция может составлять примерно 60-70% всех твердых веществ.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы