Технология приготовления биокомпостов на основе лиственного опада древесных культур методом твердофазной аэробной ферментации

Основное влияние на повышение плодородия городских почв оказывают органические удобрения. При этом наиболее важная роль среди органических удобрений отводится компостам. Значение компостов в городском озеленении определяется их комплексным положительным воздействием на все факторы почвенного плодородия - агрохимические, агрофизические и биологические. Биокомпосты, приготовленные методом твердофазной аэробной ферментации самое эффективное средство воспроизводства гумуса, энергетический материал для почвенной микробиоты, существенный источник элементов питания растений и важнейшее средство регулирования всех агрономически ценных свойств почвы.

В последние годы получило распространение малотоннажное производство новых видов органических удобрений на основе биоконверсии традиционного сырья (лиственный опад, древесные опилки и пр.) - биокомпостов, вермикомпостов, различных органоминеральных удобрений.

Появление новых видов органических удобрений требует проверки их агрономической эффективности и экологической безопасности в вегетационных и полевых опытах. Необходима также проверка экологической безопасности органических удобрений с ранее установленной агрономической эффективностью, которые использовались в озеленении без проведения должной экологической оценки их действия в системе почва-растение (сапропели, промышленные отходы и компосты, осадки сточных вод).

Важна также энергетическая оценка биокомпостов, поскольку затраты на их производство должны перекрываться энергетическим эффектом их действия на городские экосистемы.

Биокомпосты на основе лиственного опада древесных культур позволят максимально вовлечь в биологический круговорот отчуждаемые с листвой элементы питания в целях воспроизводства плодородия городских почв и охраны окружающей среды от загрязнения органическими отходами.

Среди многочисленных методов получения компостов одним из наиболее перспективных является метод твердофазной аэробной ферментации навоза и птичьего помета с материалами растительного происхождения, основанный на воздействии на компостируемую массу воздуха, подаваемого в принудительном порядке. Регуляция способов переработки трудногидролизуемого сырья растительного происхождения (листва) с навозом (пометом) достигается физическими, химическими и биологическими воздействиями, которые способны активизировать микрофлору исходного субстрата, а выделяемые последней ферменты активно преобразовывают субстрат в высокопитательные биокомпосты. При этом ускоряются процессы распада органического сырья и микробного синтеза, а получаемые продукты ферментации обладают экологической и санитарной чистотой.

Требования к условиям компостирования при приготовлении биокомпостов на основе лиственного опада древесных культур

2.1. Химическая активность микроорганизмов зависит от условий их культивирования (состава питательных субстратов, реакции среды, температуры, аэрации, состава газов, интенсивности перемешивания, окислительно-восстановительных режимов и др. факторов). Подобранные и стандартизированные условия культивирования микроорганизмов в смесях для компостирования позволяют получать конечный продукт требуемого качества.

В результате наших исследований был определен оптимальный режим культивирования микроорганизмов, позволяющий получить конечный продукт с заранее известными характеристиками.

2.2. Влажность компонентов и исходной смеси

В случае, когда в исходной смеси присутствуют и навоз и птичий помет, то влажность навоза должна составлять не более 75%, а оптимальная влажность птичьего помета не более 50%. Если влажность азотсодержащих компонентов смеси выше указанных величин, то стабилизировать влажность исходной смеси можно добавлением сухого лиственного опада. Начальная влажность исходной смеси навоза (помета) и листьев может составлять до 70-75%, а в процессе компостирования она снижается до оптимальной 60-65%. В процессе созревания биокомпоста температура еще более снижается (до 50-55%).

Компостные смеси с содержанием лиственного опада более 50% от массы требовали искусственного увлажнения перед загрузкой в биоферментер (до влажности 70%). В процессе биоферментации происходила интенсивная потеря влаги компостной смесью в среднем на 15-20%.

Для улучшения сроков хранения готового продукта рекомендуется после выгрузки подсушивать биокомпост до влажности 20-25%. При данной влажности биокомпост хорошо хранится в течение длительного периода.

2.3. Аэрация

Качество аэрации компостируемой смеси зависит не только от мощности продува, но и от структуры самой исходной смеси, представляющей собой трехфазную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. Минимальное свободное газовое пространство смеси должно составлять не менее 30%, т.е. смесь должна обладать достаточно хорошей пористостью.

В процессе компостирования лиственного опада очень важно равномерное перемешивание всего объема компостной массы, что достигается работой перемешивающего устройства биоферментера.

Для нормальной работы аэробной микрофлоры в компостируемой смеси концентрация кислорода не должна быть ниже 10-12%, это особенно важно в течение первых 3-4 суток.

Скорость проникновения воздушной смеси в компостируемую смесь должна быть на уровне 0,5 мм/с (1,6 м/ч), это дает возможность в течение суток произвести девятикратный воздухообмен.

После прохождения температурного максимума смеси принудительную аэрацию можно отключить, оставив только перемешивание. Воздухообмена за счет перемешивания компостируемой смеси будет достаточно для завершающей стадии процесса - созревания биокомпоста.

2.4. Температура субстрата и подаваемого воздуха

Компостные смеси на основе лиственного опада древесных культур с добавлением навоза и птичьего помета характеризуются интенсивным разогревом. При этом максимальные температуры процесса (60-65°С) достигаются на 6-7 сутки, затем происходит созревание биокомпоста, сопровождающееся постепенным снижением температуры.

Оптимальными температурами для завершения цикла компостирования лиственного опада являются температуры 60-65°С.

Для инициации процесса компостирования рекомендуется в начале процесса (на 1-1,5 суток) подавать в биоферментеры воздушную смесь, нагретую до 40°С, после чего можно подавать воздух обычной (комнатной температуры), с обязательным перемешиванием компостируемой массы.

При достижении равномерной по всему объему смеси температуры 60°С полная гибель патогенной микрофлоры наблюдалась через трое суток, а потеря всхожести сорняков наблюдалась через 1,5 суток.

2.5. Отношение углерода к азоту

Наилучшее соотношение углерода к азоту (от 20 до 28) отмечалось в смесях следующего состава: 1) 33% листьев:33% навоза: 33% помета; 2) 50% листьев: 25% навоза: 25% помета. Исходные компостные смеси обеспечивали хорошую скорость компостирования и наилучшее качество готового биокомпоста.

Увеличение в исходных смесях соотношения C:N до 33 (66% листьев:16% навоза:16% помета) и до 55 (83% листьев:8% навоза:8% помета) приводило к значительному увеличению времени компостирования и получению био-компостов с посторонними включениями в виде черешков неразложившихся листьев. Биокомпосты, приготовленные на основе смесей с повышенным содержанием листьев, требуют дополнительных затрат на контрольную сепарацию и дают значительное количество (до 35%) отходов.

В исходных смесях с повышенным содержанием лиственного опада (свыше 50%) для получения оптимального соотношения C:N рекомендуется добавлять 0,5-0,8% азота в виде минеральных удобрений.

2.6. Физические и химические свойства исходной смеси

Дробление лиственного опада перед смешиванием с навозом и пометом способствовало более равномерному нагреву смеси, уменьшало избыточное высушивание вследствие нарушения капиллярной системы и предохраняло компостируемую массу от избыточной потери тепла.

Механическое дробление листвы обеспечивало нагрев компостируемой массы, имеющей положительную температуру, в среднем на 5°С больше, чем нагрев компостных смесей содержащих не дробленые листья.

Рекомендуемая степень размельчения листьев 5-7 мм. Измельчение листьев на частицы менее 5 мм приводило к повышению плотности и ухудшению порозности компостной смеси, что приводило к ухудшению поступления кислорода в объем, уменьшению выделения СО₂ из объема и снижению скорости компостирования.

Дробление листьев позволило почти на 25% увеличить выход биокомпоста с единицы массы перерабатываемой смеси. При этом количество отходов при контрольной сепарации снижалось с 25-35% до 10-15% от веса перерабатываемой массы. Отходы, получаемые при контрольной сепарации, рекомендуется возвращать в биоферментер к исходной смеси в качестве бактериальной затравки.

Нейтральная или слабощелочная реакция среды исходных смесей может быть стабилизирована использованием в качестве минеральных добавок физиологически кислых азотных удобрений.

2.7. Минеральные добавки

При производстве биокомпостов на основе лиственного опада древесных культур, содержащего большое количество углерода, недостаток азота в исходной смеси можно компенсировать внесением 0,5-0,8% азотных удобрений (аммиачной селитры, мочевины), что приводит к ускорению процесса компостирования и получению биокомпоста более сбалансированного по питательному составу. Для получения более сбалансированного по элементам питания биокомпоста и увеличения в нем доступного фосфора рекомендуется добавлять в исходные смеси 0,5-1,0% фосфоритной муки (двойного суперфосфата, фосфогипса).

2.8. Время компостирования

Наиболее эффективно основная фаза микробиологического процесса (термическая фаза) осуществляется за 60-70 часов. Сокращение времени пребывания органического сырья в биоферментере до 60 часов приводит к получению некачественного биокомпоста, зараженного патогенной микрофлорой. Напротив, увеличение времени компостирования свыше 70 часов приводит к ухудшению питательных свойств биокомпоста, потерям питательных элементов.

Полностью готовый биокомпост на основе лиственного опада древесных культур получается на 10-14 сутки.

Технологическая схема производства биокомпостов на основе лиственного опада древесных культур, навоза и птичьего помета рекомендуется осуществлять в следующей последовательности:

- измельчение листвы до частиц размером 5-7 мм;

- внесение минеральных добавок, стимулирующих ее разложение;

- смешивание листвы с навозом и птичьим пометом;

- подача полученной смеси в ферментер;

- подача нагретого воздуха с постоянным перемешиванием;

- после разогрева смеси до 50°С, подача воздуха комнатной температуры;

- созревание компоста, сопровождающееся снижением температуры смеси;

- выгрузка и контрольная сепарация биокомпоста.

Полученные биокомпосты на основе лиственного опада древесных культур с добавлением навоза и птичьего помета представляли собой рыхлую массу темно-бурого цвета, состоящую из частиц размером от 1-2 мм до 0,6 см, не обладающую неприятными запахами. В биокомпостах вариантов 33% листьев + 33% навоза + 33% птичьего помета и 50% листьев + 25% навоза + 25% птичьего помета, листва подвергалась полному микробиологическому разложению и морфологически выражалась незначительно.

В биокомпостах вариантов 66% листьев + 16% навоза + 16% птичьего помета прослеживались кусочки листовых пластинок и черешки листьев. При содержании в исходных смесях более 50% лиственного опала требуется контрольная сепарация готового биокомпоста для удаления крупных, неразложившихся частиц органического вещества. Просеянные фрагменты рекомендуется возвращать в рецикл.

В целом при соблюдении рекомендуемых условий твердофазной аэробной ферментации для получения качественных биокомпостов рекомендуется следующий состав исходных смесей - не более 50% лиственного опада и остальная часть - смесь навоза крупного рогатого скора и птичьего помета в равной пропорции.