Тема 22. Растительные, животные и твердые отходы. Сточные воды.

Однако в последнее время стало очевидным, что наиболее широко применяемые в лабораториях целлюлазы (в основном из мезофильных микроскопических грибов родов Trichoderma, Aspereillus Sporotrichum, Penicillium, Fusarium) не являются «техно­логичными» и не могут обеспечить достаточно высокую скорость и степень конверсии целлюлозы в промышленных условиях. Они, как правило, недостаточно термостабильны, сильно ингибируются продуктами гидролиза целлюлозы, в первую очередь целлобиозой, имеют низкую молекулярную активность (каталитическую активность или число оборотов), слабо адсорбируются на целлюлозе.

Сырье для производства кормовых дрожжей. Основным сель­скохозяйственным сырьем, которое уже используется для производства кормовых дрожжей, является лузга подсолнечника, стержни початков кукурузы и лузга крупяных культур. Ведутся также работы по культивированию дрожжей на рисовой соломе, пшеничной соломе стеблях подсолнечника, обрезках виноградной лозы, костры льна, конопли, хлопковой шелухи, отходов чайного производства и т п. В нашей стране уже действуют технологические линии небольшой производительности по протеинизации соломы, предварительно парализованной ферментами, методом глубинного культивирования дрожжей. После дрожжевания с помощью Saccharomyces cerevisiae содержание белка в соломе увеличивается в 16—17 раза по сравнению с исходным, несколько снижается количество клетчатки и соответственно возрастает количество сахара. Ферментация частично гидролизованной соломы дрожжеподобными грибами может давать продукт с содержанием белка и липидов, увеличенным в 4 и более раза.

Дрожжевать можно лишь корма, богатые моно- и дисахаридами кроме дрожжей (рода Candida), продуцентами белка могут служить грибы (Trichoderma, Chaetomium. Aspergillus, Fusarium и др.). На термически обработанной соломе, пшеничных отрубях, кукурузных початках и других целлюлозосодержащих остатках растениеводства и соке люцерны с использованием глубинной и твердофазной ферментации получают готовые препараты, содержащие до 18-20% белка. В технологии биоконверсии растительного сырья используют глубинный способ культивирования, твер­дофазную ферментацию или ферментацию смешанного типа, когда субстрат конвертируется последовательно в глубинном и твердофазном режимах.

Совершенно нетерпимой остается до последнего времени ситуация с использованием отходов на крупных плодоовощных базах. Плотные и жидкие отходы резко ухудшают санитарное состояние баз. На очистные сооружения городов с жидкими стоками баз поступает большое количество органических веществ. Вывоз плотных отходов создает серьезные транспортные проблемы. Продажа этих отходов сельскохозяйственным предприятиям для баз убыточна, так как базы обычно отпускают эти отходы по чисто символической цене. Для получения кормовых дрожжей иногда используют отходы переработки яблок, винограда, манго, томатов, картофеля, капустного листа и других плодоовощных отходов.

Разработан метод обогащения белком фуражной муки, в котором так же, как и при протеинизации плодоовощных отходов, в качестве культур — продуцентов белка используются дрожжеподобные грибы, обладающие заметной гидролитической активностью и способные накапливать биомассу на полисахаридных субстратах без их предварительного гидролиза. На свекловичном жоме могут быть получены белковые препараты путем глубинного культивирования различных мицелиальных грибов. Мицели-альные грибы способны протеинизировать различные отходы пищевой промышленности и при твердофазной ферментации. При твердофазном культивировании микроорганизмов отходы пищевой промышленности (барду, мелассу) нередко смешивают с целлюлозосодержащими отходами, например с соломой, с целью их обогащения ростовыми веществами и интенсификации роста микроорганизмов.

Все шире начинает использоваться зеленая масса растений — листья, стебли в промышленном получении белка. В разных странах разработаны процессы производства продуктов из белка белых листьев, которые можно включать даже в рацион человека благодаря их высокой питательности. Однако в основном такие продукты используются на корм животным. Наибольшее распространение нашли технологические процессы получения белка из сока зеленых растений путем его коагуляции и отделения от ко­ричневого сока, который, в свою очередь, так же как и силосный сок, может быть применен для получения микробной биомассы. Работами грузинских исследователей показано, что в качестве субстрата для получения белка с успехом может использоваться ботва овощных культур, причем для выращивания микроорганизмов может быть применен как коричневый сок, так и остающийся после его отделения жом.

 

 

Животные отходы

Во многих странах объем отходов в животноводстве в 5 раз больше объема всех бытовых отходов. Животноводческие отходы характеризуются высоким содержанием органических веществ, минеральных соединений азота, фосфора, калия и т.д. Расчеты специалистов показывают, что в США в 1,72 млрд т навоза содержится около 20% не переработанных питательных веществ. Лишь, одна треть этого количества навоза содержит столько белка, сколь­ко его дает ежегодный урожай соевых бобов. В бесподстилочном навозе от 50 до 70% азота находится в растворимой форме, органическое вещество составляет 70—80% сухой массы. В основном соотношение углерода к азоту в кале животных довольно высокое (1: (18—20)), в смеси же экскрементов оно снижается за счет азота мочи до (1: (5—9)).

Термин «отходы животноводства» может означать, по выражению Р. Лера [1979], любую из приведенных ниже разновидностей состояния органического сырья:

- свежие экскременты, включая твердую и жидкую фракции;

- твердые остатки после просачивания в почву жидкости, испарения воды или выщелачивания растворимых питательных веществ;

- жидкая фракция, выделяющаяся из общей массы отходов,

- твердые остатки, образовавшиеся после аэрационного или анаэробного хранения навоза.

Бесподстилочный навоз, состоящий из смеси кала и мочи животных с водой и посторонними примесями, подразделяется на полужидкий, жидкий навоз и навозные стоки. Полужидкий навоз содержит 8—14% сухого вещества (смесь экскрементов и посторонних примесей), жидкий навоз — от 3 до 8%, навозные стоки значительно разбавлены водой и содержат менее 3% сухого вещества.

Для поиска решения проблемы охраны природы и человека, в частности от специфического загрязнения поверхностных и грунтовых вод, и превращения опасных источников загрязнения в ценное сырье для получения удобрений, кормовых добавок, горючих материалов и сырья для химической и микробиологической промышленности необходимо исследовать и охарактеризовать основные составляющие отходов животноводства.

 

Характеристика отходов

Отходы	Методы переработки и использования
Жидкие: • сточные воды, содержащие растворенные органические вещества; • сточные воды, содержащие растворенные неорганические вещества;   • сточные воды, содержащие взвешенные органические вещества;   • сточные воды, содержащие взвешенные неорганические вещества;   Твердые: • отходы, содержащие органические вещества;     • отходы, содержащие неорганические вещества.	Биохимические очистки, внесение в почву   Внесение в почву, физическая или химическая обработка   Отстаивание, биохимическая очистка, химическое осаждение, внесение в почву   Отстаивание, внесение в почву, химическая обработка     Сжигание, компостирование, внесение в почву, высушивание, структурообразование почвы, корм для животных   Внесение в почву

 

Твердые отходы

Анализ навоза крупного рогатого скота свидетельствует о наличии большого количества углерода; в помете же птиц его содержание гораздо меньше. Этот показатель важен при биоконверсии для расчета обеспечения энергетическим материалом микробного ценоза, минерализующего отходы животноводства.

На разных фермах твердые отходы животноводства составляют неодинаковое количество и качество. На молочной ферме ежедневное количество навоза на одно животное 33—65 кг, в среднем 39 кг, что составляет 7—8% массы животного ежедневно. Свежий навоз содержит 80—85% органического твердого вещества при средней влажности 80-88%.

Ежедневное количество отходов от одной свиньи зависит от породы и размеров животного, корма и условий содержания. Режим кормления влияет на свойства свиного навоза. Приблизительно 30% съеденного корма превращается в ткани организма животного, а остальное испражняется в виде мочи и кала. Количество испражненного кала составляет в день 6—8% живой массы свиньи. Влажный кал содержит 5—9% общих сухих веществ, в том числе 83% органических веществ. Это нестабильная субстанция, т.е. при обычном хранении он подвергается быстрому разрушению в результате жизнедеятельности собственного микробиоценоза.

В экскрементах одних и тех же животных содержится больше питательных веществ при скармливании им большего количества концентратов только потому, что этот корм содержит больше питательных веществ. Когда уровень содержания протеина в корме превышает предел, протеин усваивается менее эффективно и в большей мере переходит в кал.

Исследованиями физического состава свежего птичьего помета по­казали, что он содержит 75—80% влаги, 15—18% органических веществ к 5—7% золы. При влажности 75% в помете содержится 765ккал на 1 кг сырого помета. Более подробные характеристики навоза и помета представлены в специальной справочной литературе.

Для разработки приемлемых систем переработки и использования отходов животноводства необходимо знать их характеристики. Отходы животноводства более концентрированные: твердые отходы содержат 75-85% органических и 15—25% неорганических веществ, причем экскременты свиней по содержанию основных биогенных элементов превосходят экскременты крупного рогатого скота.

В твердых отходах, богатых углеродом растительного происхождения, содержится значительное количество трудногидролизуемых компонентов. В качестве подстилки для животных наиболее широко применяют углеродсодержащие материалы: солому, торф, опилки.

Торф обладает высокой влагоемкостью, хорошей газопоглотительной способностью, гигроскопичностью, бактерицидными свойствами и малой теплопроводностью. Его можно рассматривать также как двухкомпонентную систему из органической и минеральной частей. Причем ценность торфа определяется органической частью, в состав которой входят слабоизмененные растительные остатки и продукты их гумификации. Минеральная же часть подвержена в большей степени изменению качественного состава.

Приведенные данные показывают высокое содержание минеральной части в низинном торфе. Низинный торф характеризуется повышенной зольностью и высокой степенью разложения органического вещества, большой объемной массой и насыщенностью основаниями.

Важной характеристикой твердых отходов животноводства является соотношение С: N. Используемые углеродсодержащие компоненты при содержании скота влияют на качество навоза. В опилках это соотношение находится на уровне 35—40, а при использовании соломы злаковых культур достигает еще больших значений. Более низкое содержание углерода в торфе. При этом решающей оценкой навоза является не общее количество углерода и азота, а наличие легкоразлагающихся углерод- и азотсодержащих веществ, используемых микроорганизмами.

Преобладающими группами микроорганизмов в навозе крупного рогатого скота и помете птиц являются аммонифицирующие и автохтонные микроорганизмы. Количество их значительно снижается с увеличением влажности субстрата.

 

Сточные воды

Физико-химическое состояние сточных вод зависит от качества твердых отходов животноводства. Специфика жидких отходов заключается в высокой концентрации в сточных водах механических включений и органоминеральных ингредиентов, разнообразии их состава и виде животного.

Жидкий свиной навоз, которого ежегодно образуется в РФ около 300 млн. т, — настоящая экологическая проблема. Использовать его в качестве удобрения или сбрасывать в водоемы невозможно из-за загрязнения болезнетворными микроорганизмами, гельминтами, биогенными элементами и отсутствия эффективных систем по очистке и переработке. К примеру, на свиноводческом комплексе в 108 тыс. голов суточный выход жидкого навоза со­ставляет около 3500 т.

Сточные воды птицефабрик имеют определенные физические характеристики, свидетельствующие о наличии растворенных и взвешенных примесей (в том числе и гумусовых). По химическому составу сточная вода содержит органические и минеральные соединения во взвешенном коллоидном и растворенном состоянии. Около 60% общего количества загрязнений приходится на долю органических веществ. В целом же биохимический состав сточных вод птицефабрик однообразен, что связано с выполнением технологических операций содержания птицы и обусловлено более или менее постоянным средним количеством загрязнений в расчете на одну голову птицы, поступающих в сточные воды в течение суток.

Содержание органических веществ в сточных водах оценивается в основном двумя показателями: биохимической потребностью в кислороде (БПК) и окисляемостью, или химической потребностью в кислороде (ХПК). Основные показатели сточной воды: органолептические свойства, взвешенные вещества, окисляемость и биохимическая потребность в кислороде — отражают содержание органических веществ. Содержание азота (аммонийного, нитратного и нитритного) позволяет судить о ходе превращения веществ белкового происхождения. Особое значение имеет опасность сточных вод в распространении заразных болезней.

Использование отходов для поливов кормовых культур (например, кукурузы) повышает в силосе концентрацию опасных загрязняющих веществ в 150 раз. Так, 500 т силоса с содержанием сухого вещества 20% содержит 4500 л раствора, обладающего летальным влиянием на водную фауну при разовом сбросе в водоемы.