НОВОСТИ

Органическое сырье для почвы: разумно и выгодно

ТЕГИ:

Н. ЛИННИК, М. МЕЛЬНИЧУК, Г. ГОЛУБ, Национальный аграрный университет Украины

На современном этапе развития агропромышленного производства возникают проблемы с выращиванием высококачественной и экологически безопасной продукции без использования синтетических веществ при одновременном сохранении плодородия почв. Ведь чрезмерное применение минеральных удобрений, пестицидов, стимуляторов роста, а также резкое уменьшение поголовья животных послужили причиной значительного недостатка навоза, потери агрономических ценных свойств почвы. По данным статистики, за последние 15 лет количество удобренных площадей сократилось втрое, внесение питательных веществ уменьшилось со 141 кг/га до 29 кг/га, а количество внесенных органических удобрений сократилось в 17 раз и составляет 0,8 т/га. В то же время удельный вес зерновых в структуре посевных площадей возрастает. Эти факторы, а также высокие затраты на транспортировку соломы с полей побуждают к необходимости оставления на полях соломы с добавкой минерального азота. Такой способ компенсации органического сырья в почве является наиболее дешевым, однако биоконверсия соломы в естественных условиях за счет почвенной микрофлоры проходит в низкотемпературных условиях и часто без достаточного увлажнения, что уменьшает интенсивность этого процесса. Кроме того, при оставлении на поле соломы необходимо вносить гербициды. Поскольку интенсивность производства зерновых культур в севооборотах может достигать 70%, то основой пополнения запасов гумусообразующих веществ в почве должна быть солома. Как побочный продукт зернового поля она может быть ценным удобрением в смеси с птичьим пометом, утилизация которого является проблемой. Как основа пополнения запасов гумуса в почве солома содержит все составляющие для его образования, кроме азотистых веществ. Однако, несмотря на наличие сырья, производство органических удобрений всегда было оторвано от конечных продуктов растениеводства и животноводства и постоянно требовало создания и усовершенствования соответствующих средств механизации.

Изменение дефицита гумуса в грурте

В последнее время не наблюдается тенденций к улучшению структуры севооборотов, увеличения поголовья скота и птицы. В неурожайные годы уменьшается выход соломы. В таких условиях необходимо рационально использовать имеющиеся ресурсы органического сырья для пополнения гумусообразующих веществ в почве.

Компост для ферментации

Специализация сельскохозяйственного производства, как показал опыт, несмотря на снижение себестоимости продукции, приводит к загрязнению окружающей среды органическими веществами, нарушению малого кругооборота органического сырья в агроценозах, ухудшению экологической безопасности произведенной продукции из-за широкого использования минеральных удобрений, гербицидов, стимуляторов роста, увеличению интенсивности обработки земель и снижению прибыльности через перепроизводство продукции. С другой стороны — диверсификация (многопрофильность) производства обеспечивает возможность использования продукции растениеводства для производства кормов, а органическое сырье животноводства и птицеводства (навоз, помет) в сочетании с соломой дают возможность организовать производство компостов, субстратов и съедобных грибов, что является существенным фактором увеличения производства продукции и воспроизводства плодородия почв. Ежегодный дефицит топлива для выполнения основных полевых работ вынуждает сосредоточить усилия на разработке методов и технических средств для обеспечения энергоавтономности сельскохозяйственного производства. Производственная и энергетическая диверсификация обеспечивают занятость сельского населения, в частности в зимний период, что в современных условиях является существенным фактором социально-экономической политики.

Схема выполнения основных операций по производству компоста

Часто производственная деятельность человека в агроценозах нарушает принцип возвращения в почву органического вещества и элементов питания растений, чем нарушается малый биологический кругооборот вещества и энергии, а потому последние тенденции в системе земледелия направлены на оставление на поле соломы и увеличение использования органических удобрений.

Главными задачами в сельском хозяйстве являются:

производство качественных и безопасных продуктов питания в достаточном количестве;

поддержка и улучшение плодородия почв;

сохранение качества водных ресурсов;

максимально возможное использование возобновляемых ресурсов и энергии;

гармонический баланс между растениеводством и животноводством;

минимизация всех форм загрязнения;

использование в биологических циклах, кроме растений и животных, микроорганизмов, флоры и фауны почв.

Этих целей можно достичь лишь внедрением диверсифицированного производства сельскохозяйственной продукции, технологических процессов и технических средств для биоэнергоконверсии органического сырья в агроценозах.

Наращивание темпов производства компостов на основе навоза, помета и соломы может быть реализовано путем проведения спонтанной ферментации в буртах на открытых или накрытых площадках, контролируемой ферментации в закрытых камерах и реакторах. Существуют способы производства компоста, которые объединяют спонтанную ферментацию в буртах на открытых или накрытых площадках, а также контролируемую ферментацию в закрытых камерах, причем спонтанная ферментация в буртах может предшествовать контролируемой ферментации в закрытых камерах или выполняться после нее. Ряд способов производства компоста занимают промежуточное положение между ферментацией в буртах и закрытых камерах и выполняются в аэрированных каналах или полузакрытых камерах. Для недопущения образования анаэробного ядра спонтанную ферментацию в буртах иногда сопровождают продувкой воздуха через бурт с помощью воздушных каналов, которые располагают под буртами. Для производства компоста с высоким уровнем механизации используются барабанные, туннельные и башенные реакторы. Такой способ позволяет наладить беспрерывный процесс производства компоста, но он является наиболее энергоемким и требует значительных капиталовложений. В последнее время контролируемая ферментация в закрытых камерах начала использоваться при производстве компостов с заданными свойствами. Примером этого является производство селективных субстратов для грибоводства и обеззараживания навоза при эпизоотических ситуациях.

Агрегат для производства компоста в буртах

Традиционный и наиболее распространенный способ производства компоста — спонтанная ферментация в буртах. Являясь наименее энергоемким, он может быть реализован на базе энергетических и технологических средств общего назначения, имеющихся в сельскохозяйственных предприятиях. Кроме того, спонтанная ферментация в буртах с уменьшенными сроками или в кучах является, как правило, начальной стадией контролируемой ферментации в закрытых камерах и реакторах. Таким образом, производство компоста на основе птичьего помета и соломы методом спонтанной ферментации в буртах на открытых площадках наиболее целесообразно для использования в современных условиях.

Схема биоэнергоконверсии органического сырья

Конечная цель компостирования — разложить органические вещества с одновременным синтезом биомассы микроорганизмов, который обеспечивает сохранение азотистых веществ благодаря их переходу из аммиачной и нитратной форм в белковую, получить однородный по структуре и качеству компост, освободить компоненты компоста от семян сорняков, отдельных микроорганизмов и вредителей, обогатить компост минеральными питательными веществами, отсутствующими в исходном органическом сырье. Во время компостирования в смеси спонтанно возникает микробиологическая ферментация за счет деятельности бактерий, которые размножаются при температуре менее 20 0С, мезофильных микроорганизмов, температурный режим жизнедеятельности которых находится в пределах 20-30 0С, и термофильных актиномицетов, которые наиболее активно развиваются при температурах 40-55 0С. Температура в бурте достигает также значений, когда микроорганизмы гибнут, а в компосте создаются условия для протекания биохимических реакций, во время которых проходит карамели-зация органического вещества. Для активного развития микроорганизмов, которые обуславливают прохождение спонтанной ферментации, содержание общего азота в расчете на сухое вещество смеси исходных компонентов должно составлять 1,6-2,4 %, а соотношение углерода и азота — от 15 до 25. Микроорганизмы минерализуют углеродные органические соединения и используют их как источник энергии для усвоения азотистых и других веществ. Во время компостирования уменьшается количество растворимых форм азота и одновременно увеличивается количество белкового азота, который входит в состав биомассы микроорганизмов. Солома при компостировании теряет свой блеск и покрывается аморфным слоем, состоящим из погибших тел микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Это аморфное вещество вместе с лигнином соломы образовуют лигнино-гумусный комплекс, обогащенный азотом. В процессе минерализации в почве при выращивании полевых культур лигнино-гумусный комплекс является основным источником питательных веществ. Компостирование необходимо прекратить в тот момент, когда компост наиболее обогащен питательными белковыми веществами, иначе дальнейшая ферментация приведет к полной минерализации органического вещества с получением перегноя. Выход компоста из 1 т соломы составляет около 4 т.

Составляющие экономической эффективности агроценоза

В начале производства определяют необходимые объемы компоста, проводят подбор и агрохимический анализ компонентов и рассчитывают его рецептуру. Производство компоста осуществляют в соответствии с технологическим регламентом, начиная с увлажнения соломы, которая загружается в навозоразбрасыватель ПРТ-7 с надставными бортами и разбрасывается в зоне замачивания и гидролиза соломы. Для этого необходимо от 3 до 4 т воды на 1 т соломы. После увлажнения соломы вода отводится в водосборник и в дальнейшем снова подается на увлажнение. Относительная влажность соломы должна составлять 75-80%. После достижения соломой нормативной влажности на ее поверхность с помощью навозоразбрасывателя ПРТ-7 вносят птичий помет влажностью от 30 до 40% (800-1000 кг на 1 т сухой соломы) и минеральные добавки. Полученную смесь с помощью бульдозера подгребают, а затем манипулятором, приспособленным для захвата соломистых материалов, укладывают в высокую кучу для ферментации (рис. 2). В этой куче смесь выдерживают от 3 до 6 суток в зависимости от времени года. За это время смесь разогревается до температуры 70-80 0С, солома приобретает блестящий коричневый цвет. После завершения процесса гидролиза смесь подвергают спонтанной ферментации в буртах. Ширина буртов от 1,5 до 2,0 м, высота от 1,6 до 2,0 м. Формирование буртов проводят с помощью приставки ФБК-20 к навозоразбрасывателю ПРТ-7. При этом смесь из зоны гидролиза с помощью манипулятора загружают в кузов навозоразбрасывателя, который транспортирует ее в зону размещения буртов, где разгружает, постепенно перемещаясь и формируя бурт. Во время разгрузки компост активно разрыхляется и аэрируется рабочими органами приставки ПРК-20 к навозоразбрасывателю ПРТ-7. За счет деятельности термофильных бактерий и прохождения биохимических реакций температура в буртах повышается до 60-80 0С.

Схема пастеризационной камеры для производства субстрата

Процесс спонтанной ферментации компоста включает проведение трех рыхлений бурта, во время которых, при необходимости, добавляют воду. Срок рыхлений определяют по началу снижения температуры в бурте. За счет рыхления ликвидируется уплотнение компоста, выравнивается содержание влаги по объему, достигается насыщение компоста кислородом и активизация деятельности микрофлоры. На 5-й день после формирования бурта проводят первое рыхление (перемешивание), во время которого в бурт вносят гипс и производят дополнительное увлажнение массы. Новообразовавшийся бурт размещают параллельно первоначальному бурту на расстоянии, достаточном для проезда навозоразбрасывателя и работы манипулятора. Второе рыхление проводят на 8-й день. При этом вторично разрыхленный бурт размещают параллельно первоначальному и на соответствующем расстоянии от него или на местонахождении первого бурта. На 11-й день после формирования и проведения двух рыхлений компост загружается манипулятором в навозоразбрасыватель и транспортируется к месту дальнейшего использования, где во время разгрузки дополнительно разрыхляется без использования приставки для формирования буртов ФБК-20. При формировании буртов контролируют их геометрические размеры — высоту и ширину. Температуру в куче и буртах контролируют с помощью термометров на протяжении всего процесса ферментации. Снижение температуры в бурте является сигналом для осуществления очередного рыхления или готовности компоста.

Устройство для упаковки пастеризованного субстрата

Готовый компост имеет темно - коричневый цвет и местами пронизан белыми нитями термофильных актиномицетов. Структура его рыхлая и комковатая. Оптимальная влажность компоста от 70 до 74%, содержимое аммиака от 0,3 до 0,6%.

Субстрат, упакованный в мешки

Компост после спонтанной ферментации сохраняют в уплотненном состоянии на краю поля в буртах массой не менее 100 т до дальнейшего использования в растениеводстве или поддают контролируемой ферментации при производстве субстрата для грибоводства.

Производство компоста на открытых площадках проводят при температуре внешнего воздуха не ниже минус 5 0С. При более низких температурах наружного воздуха в буртах тяжело создать условия для развития термофильных микроорганизмов. Схема выполнения основных технологических операций по производству компоста приведена на рис. 3.

Первый вариант производства компоста предусматривает использование манипулятора-погрузчика МПБ-Ф-0,5, а второй — погрузчика ПЭ-Ф-0,5. Агрегат для производства компоста в буртах, который используется согласно первому варианту, приведен на рис. 4.

Цикл производства компоста составляет 18 суток. Площадка для производства компоста должна размещаться возле птицефермы или вблизи полей севооборота на расстоянии не менее 500 м от жилой зоны и иметь наклон от 10 до 30°. Непосредственно возле площадки должен находиться склад соломы с годовым запасом. Площадка производства компоста должна иметь водосборник, зону замачивания соломы, которая выполняется с углублением для удержания воды, зону ферментации компоста, подъезда и разворота машин и стоянки машин. Количество работников, занятых на площадке производства субстрата: два человека, включая тракториста, по варианту 1 и три человека — по варианту 2.

Экономическая эффективность производства компоста достигается за счет увеличения урожайности культур севооборота, уменьшения количества минеральных удобрений, улучшения качества продукции, уменьшения загрязнения окружающей среды, повышения надежности и долговечности машин для внесения органических удобрений, ликвидации поступления в почву нетехнологических включений. Избыточная часть компоста может быть реализована другим хозяйствам или использована в производстве субстратов для выращивания шампиньонов, производство которых значительно улучшает финансовые показатели хозяйства. При этом отработанный субстрат является также ценным органическим удобрением для использования в растениеводстве.

На основании существующих закономерностей и результатов исследований разработана структурная схема диверсифицированного производства продукции с биоэнергоконверсией органического сырья для шестипольного севооборота общей площадью 300 га. Биоэнергоконверсия органического сырья агроценозов предусматривала его трансформацию от начального состояния к почвенному гумусу с производством биогаза и шампиньонов (рис. 5).

Возможность проведения биоэнергоконверсии органического сырья в искусственных условиях с получением товарной продукции — компостов, субстратов, съедобных грибов и биогумуса способствовала увеличению инвестиций в переработку соломы, шелухи подсолнуха и птичьего помета. Возникли предприятия по закупке и переработке соломы в субстраты для выращивания грибов, но, не имея собственных сельскохозяйственных угодий, субстрат после выращивания грибов реализуют в частном секторе, чем отвлекают органическое сырье из кругооборота и уменьшают устойчивость земледелия. Достичь необходимого соотношения углерода и азота путем изменения дозы соломы на подстилку возможно для навоза крупного рогатого скота и свиней. Что касается птичьего помета, сделать это при существующих технологиях содержания практически невозможно. Поэтому одним из вариантов производства органических удобрений из птичьего помета, в том числе подстилочного, является его компостирование в смеси с соломой.

Схема вращающегося метантенка для сбраживания навоза и помета

Для проведения биоэнергоконверсии органического сырья в искусственных условиях необходимо обустраивать в сельскохозяйственных предприятиях площадки для производства компоста на основе соломы, в особенности для хозяйств зерно-птицеводческого и зерно-свиноводческого направлений. Во время компостирования органического сырья в оптимальных искусственно созданных условиях солома и помет приобретают формы, необходимые для дальнейшего преобразования почвенными микроорганизмами. За счет биохимических реакций и нагрева до температуры 50-70 0С происходит обеззараживание патогенной микрофлоры и инактивация семян сорняков. Часть произведенного в хозяйстве компоста может быть использована для дальнейшей обработки в закрытых ферментационных камерах с получением субстрата для выращивания съедобных грибов. При этом обеспечивается максимальное разложение органического сырья в искусственных условиях в короткие сроки с получением стабильного продукта — первичного гумуса. Отработанный субстрат после выращивания грибов представляет собой высококачественное органическое удобрение и может быть использован в технологиях вермикомпостирования или внесен на поля.

Такая форма организации производства позволяет направлять на производство субстрата до 70% компоста и вырабатывать от 380 до 400 т съедобных грибов при сохранении баланса гумуса в севообороте. Однако выход на такие объемы требует значительных капиталовложений, а поэтому целесообразно постепенно наращивать производство путем переоборудования приспособленных помещений под культивационные для выращивания съедобных грибов. Так, переоборудование одного коровника под пять культивационных помещений позволяет получать около 100 т съедобных грибов в год. При этом лишь 18% компоста должно быть направлено на производство субстрата для выращивания съедобных грибов. При выходе не зерновой части урожая от 3,5 до 3,7 т/га выход компоста влажностью 72% будет составлять от 13 до 14 т/га. Если 18% компоста направить на производство субстрата для выращивания съедобных грибов, то ресурсы органических удобрений будут составлять: компост — около 11 т/га, отработанный субстрат — от 1,0 до 1,5 т/га. На основании органических ресурсов севооборота и с учетом увеличения производства грибов на 10% при использовании сброженного помета можно получить дополнительно белковой продукции в виде съедобных грибов около 360 кг/га. Сбраживание птичьего помета на протяжении 10 суток требует обустройства метантенка объемом 91 м3, что обеспечит годовое производство биогаза в количестве 62 тыс. м3, а использование когенерационной установки, которая работает на биогазе, позволяет получить 26% электроэнергии и 66% тепловой энергии от общей энергетической ценности биогаза.

Схема оборудования для загрузки ферментационной камеры

Полученная электроэнергия может быть использована для работы биогазовой установки и других потребностей, что обеспечит частичную энергетическую автономность сельскохозяйственного предприятия. Тепловая энергия в виде нагретой воды может быть использована для отопления и горячего водоснабжения в холодный период года, а летом — в процессах сушки, для полива и других целей. Расчеты показали, что экономическая эффективность биогазовой установки определяется увеличением урожайности грибов за счет повышения качества субстрата, полученного из сброженного помета. Рост урожайности грибов за счет повышения качества субстрата, полученного из сброженного помета, на сегодня является единственной возможностью получить быструю окупаемость биогазовых установок, которые применяются в сельскохозяйственном производстве.

Отвод одного из полей севооборота под выращивание рапса позволяет получить около 32 т топлива, а поскольку рапс прекрасный медонос — еще и около 5 т меда. В расчете на один гектар производство топлива будет составлять от 100 до 110 л, что приближенно отвечает нормам затрат топлива на производство растительной продукции.

Экономическая эффективность использования биоэнэнергоконвер-сии органического сырья агроценозов с производством биогаза, шампиньонов и биотоплива определялась путем расчета удельной прибыли — отношения годовой прибыли к общей площади севооборота. Для предложенного диверсифицированного производства удельная прибыль составляет 1800 грн./га. Распределение прибыли по отраслям производства приведено на рис. 6.

Кроме технологических процессов производства растительной продукции, меда и продукции птицеводства, которые должны осуществляться на органической основе, для реализации данной схемы необходима разработка и использование механизированных технологических процессов производства: компоста на основе соломы и птичьего помета; субстрата для выращивания шампиньонов; выращивания съедобных грибов с использованием приспособленных помещений; метанового сбраживания помета; топлива на основе рапсового масла (рис.7-11).

Увеличение объемов и качества органических удобрений невозможно достичь без использования механизированных технологических процессов их производства. В основу разработки и внедрения новых средств механизации для биологизации сельскохозяйственного производства, технических средств для экобиотехнологий и биоэнергоконверсии органического сырья положен принцип соответствия увеличения уровня механизации эффективности производства. В данном случае критерием для определения нужного набора технологического оборудования должна быть прибыльность производства. Целесообразным мы считаем такой уровень механизации, который обеспечивает получение предприятием максимальной прибыли.

ВИДЕО
СОБЫТИЯ