Способ экологизации технологий агропромышленного комплекса

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к агропромышленному комплексу. Способ комплексной экологичной переработки навоза характеризуется тем, что сепарируют навоз с влажностью до 60% на твердую фракцию с размером частиц более 1 мм, не усвояемую организмом животных, и жидкую фракцию, представляющую собой лигниноуглеводный комплекс. Для получения кормовой добавки твердую фракцию, полученную на стадии сепарирования, диспергируют в шаровой мельнице до получения частиц диаметром 50-60 мк с выделением жидкости, обогащенной водорастворимыми сахарами, образующимися при разложении лигнина, целлюлозы и гемоцеллюлозы, полученную дисперсию обогащают раствором предшественников активных центров внутриклеточных ферментов и добавляют 10% муравьиную кислоту из расчета 4 л/т. Для получения биогаза и функционально полноценной питьевой воды проводят метановое брожение жидкой фракции, полученной на стадии сепарирования. Для получения минерало-органического удобрения, повышающего физико-биохимическую активность микроорганизмов прикорневой системы растений и урожайность при снижении продолжительности его созревания до 3-х недель, смешивают твердую и жидкую фракции, полученные на стадии сепарирования навоза, и обогащают смесь предшественниками активных центров внутриклеточных ферментов. 2 табл.

 

Предполагаемое изобретение связано не только с решением вопросов, обусловленных малоотходными технологиями агропромышленного комплекса (АПК), но и его новым наполнением, представляющими собой природоохранные технологии такие, как энергоконверсия, осуществляемая с использованием стимуляции процессов биометаногенеза при очистке сточных вод АПК от органических загрязнителей, а также с производством повышенной биологической ценности кормов для сельскохозяйственных животных и пищевых рационов для человека. Основой этих производств является использование технологических отходов пищевой промышленности - вторичных сырьевых ресурсов (ВСР), включая воду очищенных стоков АПК до уровня физиологически полноценной питьевой воды.

Прежде чем приступить к описанию предполагаемого изобретения поясним, что понимается под экологизацией технологий АПК.

Общепринято под экологизацией технологий понимать разработку и внедрение в производство таких технологий, которые при максимальном получении продукции высокого качества обеспечивали бы сохранение экологического равновесия в окружающей среде и не допускали загрязнение среды обитания. Основу экологизации составляют разработка и внедрение малоотходных, энерго- и ресурсосберегающих технологий, а также таких природоохранных технологий, как очистка отработавшего воздуха и сточных вод. В основе подхода к экологизации технологий АПК любого производства заложен социо-экономический принцип.

Развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с природой. Взаимодействие человека с природой видоизменяет ее. Направленные антропогенные изменения в природе в большинстве случаев носят позитивный характер. Однако в ряде случаев антропогенные воздействия ведут и к негативным последствиям. Вполне естественными задачами в этих условиях являются рациональное использование природных ресурсов, охрана от нежелательных антропогенных воздействий и, следовательно, выработка стратегии охраны природной среды и рационального природопользования. Высказанная точка зрения явилась основой разработки экологизации технологий АПК.

В целом современное состояние АПК можно охарактеризовать как материалоемкую отрасль вследствие использования значительного количества природных сырьевых, топливо-энергетических и водных ресурсов. С другой стороны каждое из производств АПК в той или иной степени загрязняет окружающую природную среду за счет выброса ряда вредных веществ в атмосферу, образования загрязненных сточных вод и твердых отходов. Интенсивное развитие АПК только усиливает глобальную проблему утилизации жидких и твердых отходов, образующихся в больших количествах.

Отечественный и зарубежный опыт развития АПК свидетельствует, что одним из решений его экономической и экологической проблемы является энерго- и ресурсосбережение с одновременным расширением ассортимента пищевого и кормового назначения, получаемого путем переработки производственных отходов, являющихся потенциальными вторичными сырьевыми ресурсами (ВСР).

По нашему мнению одним из решений указанных проблем АПК в частности, за счет позитивного действия модуляторов биологических эффектов, способы приготовления которых и их состав представлены в патентах РФ и научных исследованиях авторов:

1. Шишков Ю.И. «Аквахелат, способ получения аквахелата, способ модулирования характеристики культуры клеток, культуры ткани, одноклеточного организма или многоклеточного организма и транспортная система». Патент РФ №2115657.

2. Шишков Ю.И. «Способ повышения жизнедеятельности растений». Патент РФ №2041629.

3. Шишков Ю.И. «Способ увеличения биологической ценности продуктов питания». Патент РФ №2266683.

4. Шишков Ю.И., Лазарев В.Н. «Регулирование ключевых функций составляющих системы жизнеобеспечения животных предшественниками активной части ферментов». Медицина экстремальных ситуаций. 2000, 2(5), 70-76.

5. Шишков Ю.И., Травников Г.Б., Поляков В.А. Журнал «Русская Водка», №6 (42), 2006 г., стр. 21, 1 столбец, 1 абз.

6. Шишков Ю.И. «Влияние энергоинформационного состояния клетки на жизнедеятельность биологических систем», журнал «Пиво и напитки», 2008 г., 5, стр. 21.

7. Шишков Ю.И., Голубев В.В. "Взаимосвязь энергетического гомеостаза и антиоксидантного статуса организма с замедлением процесса его старения". Международная научно-практическая конференция: "Россия-ЕС: сотрудничество в области повышения уровня здоровья населения и противодействия старению", г. Брюссель, 26-27 января 2012 г.

8. Шишков Ю.И., Голубев В.В., Ершов А.К. "Способ очистки фракции навозного стока предприятий АПК, сточной воды ЖКХ и водоканалов с использованием метанового брожения". Патент РФ №2513691.

9. Голубев В.В. "Эффективность использования вторичных сырьевых ресурсов в биоэнергетике". Международная научно-практическая конференция: "Россия-ЕС: международное сотрудничество в биоэкономике, использовании природных ресурсов и оздоровлении окружающей среды", г. Брюссель, 25-26 марта 2013 г.

Обратим внимание на то, что в загрязнении всех геосфер Земли немалую роль оказывают технологические отходы АПК, в частности, животноводческие фермы в виде субпродукта животного производства - навоза. В качестве небольшого отступления можно отметить, что при производстве 1 кг молока корова выделяет навоза до 5 кг, в то время как при производстве 1 кг мяса свинья выделяет - 20 кг, при производстве 1 кг говядины образуется 25 кг навоза. Следует отметить, что крупный рогатый скот (КРС) выделяет в 1,7 раза больше навоза, чем мочи, в то время как свиньи наоборот мочи выделяют в 1,6 раза больше, чем навоза. Причем отношение C:N в фекалиях КРС равно 15-16, а у свиней 9-10. В качестве небольшого отступления отметим, что на свинокомплексе при выращивании 108 тыс.голов в год при гидросмывным способе удаления навоза накапливается до 1 млн м³ навозных стоков, что соответствует фекально-бытовым стокам города с населением 200 тыс. человек.

Здесь очень кратко можно остановиться на объяснении важности утилизации навоза, содержащим 75-85% органических веществ и 15-25% золы. Общепризнано, что выделяемый из навоза метан представляет собой самый большой антропогенный источник метана, который приблизительно в 23 раза опаснее для климата, чем СО₂. Метан -парниковый газ и им до 20% обусловлен парниковый эффект, поскольку в атмосфере он под воздействием солнечных лучей, озона и радикалов медленно окисляется на СО₂ и Н₂О. Следует отметить, что одновременно навоз загрязняет как гидросферу, так и воздушный бассейн хлором, аммиаком и оксидами азота, вызывающие раздражение дыхательного тракта и слизистых оболочек.

Навоз крупного рогатого скота (КРС) и свиней состоит из экскрементов, остатков кормов и других включений. Экскременты КРС содержат в растворе 20% сухих веществ, так и в виде коллоидов. Объемный вес сухих веществ в экскрементах - 1250 кг/м³.

Важно отметить, что сельскохозяйственные предприятия, специализирующиеся на животноводстве постоянно сталкиваются с проблемой переработки навоза, содержащего фракции: жидкую 70-85% и твердую - 15-30, имеющей влажность 96,5% содержанием 8% и более сухих веществ. Разделение фракций прекращается при влажности 88-92%. При содержании животных на подстилке - подстилочный навоз имеет влажность 68-78%. Следует отметить, что из подстилочного навоза выделяется жидкая составляющая, названная навозной жижей (ГОСТ 20432-83). В подстилке из соломы содержится 0,65% азота; 0,25-0,35% фосфора; 0,6-0,9% калия и 0,3-0,4% СО.

Известен способ утилизации навоза, используемый в сельском хозяйстве. Сущность способа состоит в сепарировании навоза на жидкую и твердую фракции, применяемые в качестве удобрения. Лучшим сепаратором навоза в настоящее время является прессово-шнековый аппарат, позволяющий отделять мелкодисперсную жидкость с размером до 0,25 мм. Причем этой мелкодисперсной жидкой фракции отделяется до 70-85%, которая содержит до 85% связанной воды. Следует отметить, что другие типы сепараторов отделяют только свободную жидкость и работают при содержании сухих веществ не более 4%. Жидкая фракция характеризуется благоприятным содержанием биогенных элементов Р:N:K=1,4:1,0:1,6, соответствующее минеральным удобрениям. Необходимо отметить следующий факт, что время обеззараживания жидкой фракции - 6 месяцев, а не разделенного навоза 12 месяцев. Одновременно при сепарации навоза получают его твердую фракцию 15-30% с влажностью от 33 до 60%, которая при использовании в качестве удобрений сопровождается улучшением структуры почвы, увеличивает содержание в ней гумуса.

Недостатками способа являются: во-первых, жидкая фракция не используется для получения биогаза и получения из нее не только физиологически полноценной питьевой воды, но даже технологической воды, обеспечивающей водооборот; во вторых, твердая фракция, хотя и увеличивает содержания гумуса в почве, но не обеспечивает устойчивого роста его активности, что естественно снижает важную его роль в агроценозах из-за не способности этого гумуса акцептировать органические и минеральные вещества, вносимые в почву в процессе техногенеза; в третьих, твердая фракция не используется в кормовых рационах.

Известен израильский способ экологизации технологии животноводческих ферм, согласно которому жидкая фракция навоза используется не только как удобрение, но и как субстрат для производства альтернативной энергии, достигаемое использованием метанового сбраживания растворенных в жидкой фракции органических веществ.

Недостатками способа являются:

- не указывается количество выделяемого биогаза с 1 м³ сбраживаемой среды, что свидетельствует о низкой производительности процесса сбраживания органических загрязнителей жидкости. Это подтверждается отсутствием гарантии полного обеззараживания сбраживаемой среды; небольшое (до 3%) уменьшение общей массы исходного субстрата. Способ не обеспечивает формирование оборотного водоснабжения на животноводческом предприятии.

Известен патент РФ №2406714, описанная технология которого практически идентична ранее рассмотренному способу сепарирования навоза. Отличие состоит в том, что жидкая фракция навоза с помощью шланговой системы распределяется по полям.

Данному способу свойственны все ранее описанные недостатки.

В патенте СССР №1546455, описаны технологические операции, связанные с компостированием твердой фракции навоза, складирование ее в бурты и периодическая пропитка жидкой фракцией. После пропитки твердой фракции навоза в буртах осуществляют его заполнение поголовьем дождевых червей с последующим их удалением после компостирования навоза (через 2 года). Компостирование проводится только в теплое время года. Недостатками способа являются: 1 - компостирование проводится только в теплое время года. 2 - при компостировании теряется большое количество органических азота и углерода из-за окисления белков, жиров и углеводов. 3 - низкий выход гумуса с единицы сырья. 4 - длительный процесс компостирования (до 2 лет). Патент РФ №95104821 - изобретение, предлагающее послойное обеззараживание навоза карбидоформальдегидной смолой с последующим его компостированием в течение 2-3 недель в теплое время года и в холодное 2-3 месяца. Недостаток способа обусловлен дефицитом смолы и зависимостью компостирования от погодных условий.

В патенте РФ №2100329 описан способ получения органических удобрений на основе навоза. Сущность способа состоит в отделении от навоза грубых примесей и смешении его с сорбентом, количество последнего 10-30% от объема всей массы. Полученную массу периодически подвергают аэрации. По окончании процесса ферментации полученную массу расфасовывают в отдельные емкости. Следует отметить, что частицы твердой фракции имеют среднюю длину не менее 2,6 мм и представляют собой лигноуглеводный комплекс, практически не усвояемый организмом животных. Это обусловило не использование твердой фракции в кормовых рационах. Другими недостатками являются:

1 - высокие расходы сорбента; 2 - существенные энергозатраты; 3 - как итог высокая стоимость конечной продукции.

Этот способ по утилизации разделенных фракций навоза по наибольшему числу сходных признаков и достигнутому положительному эффекту рассматривается в качестве прототипа предполагаемого изобретения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются: использование твердой фракции в виде как кормовой добавки с повышенной биологической ценностью, так и в качестве удобрений. К изложенному следует добавить, что жидкая фракция также используется в качестве материала для ведения метаногенеза и удобрения.

Обратим внимание на то, что частицы твердой фракции навоза КРС имеют размеры 2,6 мм, а свыше 10 мм содержится не более 1%. В подстилочном навозе, содержащем измельченную солому - 100 мм размеры частиц достигают 370 мм и состоят в основном из остатков кормов. Частицы навоза, как и солома представляют собой лигноуглеводный комплекс, которые в пределах вышеуказанной величины практически не усвояемы организмом животных. Однако в последнее время установлена способность животных усваивать частицы с размером до 1 мм включительно. Это обусловило подвергнуть дроблению частиц как подстилочный, так и без подстилочный навоз механическим методом на аппарате, работающем по принципу размельчения и растирания подлежащих диспергированию материалов. К таким аппаратам относятся шаровые мельницы, представляющие собой полый цилиндр, в который помещают в изготовленные из стали или другого прочного материала шарики. В цилиндр загружается твердая фракция навоза, которая затем измельчается ударами и растиранием шариками в результате быстрого вращения цилиндра. Степень дисперсности при такой обработке твердой фракции навоза остается сравнительно низкой - формируются частицы диаметром около 50-60 мк. Отметим, что вирусы и бактерии имеют размеры соответственно 10-300 мк и 400-1500 мк, а зерна крахмала 7000 мк. Это является одним из фактов, который с нашей точки зрения может указывать на механическом разрушении микрофлоры и, следовательно, обеспечивающие обеззараживание навоза, в то время как зерна крахмала разрушаются на сахара, усвояемые организмом. Поскольку для диспергирования используется твердая фаза навоза влажностью до 60%, то в процессе механической его обработки выделяется жидкость, обогащенная водорастворимыми сахарами, образующимися при разложении лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы.

Затем образовавшаяся масса частиц с такой микроскопической дисперсностью, перед формированием кормовых рационов, смешивается с образовавшейся жидкостью и обогащается предшественниками активных центров окислительно-восстановительных и других внутри клеточных ферментов, именуемых в дальнейшем витацитами (вита - жизнь, цито - клетка), которые изготовлены по способам, описанным в работах [1, 3, 5, 6]. Установлено, что в клетке витациты активируют биосинтез ферментов с повышенным уровнем каталитического действия. Именно через синтез ферментов повышенной уровнем каталитического действия способствует повышению физиолого-биохимической активности клетки. При этом наблюдается изменение химического состава клетки, который обусловливает ее биохимическую функцию. В таблице 1 представлено влияние витацитов на биосинтез дрожжами, жирных кислот, являющихся строительными блоками для большинства классов липидов. Дрожжи являются моделью функционирования клеток животных и человека.

Липиды в клетке локализуются преимущественно в клеточных мембранах. Увеличение преимущественно синтеза липидов с ненасыщенными жирными кислотами имеет большой биологический смысл, поскольку увеличение в мембранах липидов с ненасыщенными жирнокислотными радикалами улучшает их массообмен, усиливает метаболизм. Именно наличие материального переноса веществ, обусловленного жизнедеятельностью клетки, принципиально определяет любую живую клетку и лежит в основе самого ее существования.

К изложенному следует добавить, что под влиянием витацитов повышается активность ключевых ферментов антиоксидантного ряда организма. Замечено, что обогащенные корма указанной биомассой диспергированных частиц твердой фракции навоза снижают до 60% заболеваемость КРС маститом. Вторым доказательством служат экспериментальные факты, полученные при оценке эффективности витацитов замедлять инволюционные процессы. Выявлено, что при первоначальном назначении здоровым мышам витацитов продолжительность их жизни увеличилась до 88 недель против 71 недели продолжительности жизни контрольных животных. Важно подчеркнуть, что репродуктивность контрольных мышей была ниже, чем у млекопитающих, употреблявших витациты [3]. Таким образом, под влиянием витацитов кормовая добавка приобретает лечебно-профилактические свойства, отражающиеся в дальнейшем на свойствах кормовых рационов. При этом нельзя обойти вниманием следующий факт, заключающийся в том, что поступающие в организм животных с кормом смесь витацитов непосредственно участвуют в биосинтезе весьма важных для организма промежуточных метаболитов: таурина (аминоэтансульфоновая кислота) и L-карнитин (витамин В₁₁), формирующие в организме животных широкий спектр позитивных биологических эффектов. L-карнитин, например, способствует образованию АТФ и выводу аммиака из кровотока и др.

Важность их для организма подтверждает тот факт, что в последнее время для устойчивого роста и развития цыплят и молодняка животных в их корма дополнительно вносится витамин В₁₁.

Нужно особо подчеркнуть, что в организме животных локализуется группа анаэробных бактерий, гидролизующих целлюлозу. Такими анаэробными целлюлозолитическими бактериями являются Clostridium cellulvens и обитатель рубца Runiinococcus. По-видимому, этим можно объяснить тот факт, что частицы навоза с размерами до 1 мм усвояемы организмом животных. Таким образом, после формирования твердой фракции навоза с содержанием частиц навоза с размером до 1 мм ее можно использовать в кормовых рационах.

В настоящий момент длительная сохранность кормов достигается за счет их термической обработке. Если вопросы сушки кормов в настоящее время решаются довольно успешно, однако из-за экономической неэффективности ее стараются заменить на более дешевые способы, в частности, на природные консерваторы - органические кислоты, вырабатываемые организмом животных. При этом при попадании в организм они вызывают позитивные эффекты. При выборе оптимальной органической кислоты для подкисления добавки за основу их антибактериальной активности и воздействия на деятельность желудочно-кишечного тракта были взяты данные, представленные в табл. 2.

Как видно, наибольший эффект оказывает муравьиная кислота. В эксперименте нами была выбрана 10% муравьиная кислота. Ее расход составлял 4 л/т добавки, обеспечивая 6 месяцев сохранности продукта.

Явно дальше по цельности восприятия и эффективности добились в Израиле по экологизации сельского хозяйства. В Израиле жидкая фракция навоза помимо использования в качестве удобрения применяется в качестве возобновляемого источника энергии, т.е. для производства биогаза. Ранее отмечались ее существенные недостатки. В общем виде суть процесса представляется нам такой: чтобы начался процесс метаногенеза должен существовать информационный первичный образ, в качестве которого выбран способ метанового брожения [8]. Выработанный биогаз используется для обеспечения энергетикой потребности, связанные с технологией использования навоза в качестве корма. Биогазовый метод не следует рассматривать как решение проблемы отходов, поскольку уменьшение массы исходного субстрата не достигает 100%. Так, во время метанового брожения в среднем разлагается около 30-60% органических веществ, что составляет всего 30% от массы жидкого навоза. Таким образом уменьшение массы исходного навоза составляет только 10-15%. В связи с этим, еще раз обратим внимание на то, что твердая фракция навоза, выполняет роль гумуса, в качестве которого она улучшает структуру почвы. Она имеет главные элементы питания - K, N, Са, Mg, Р. Жидкая фракция, характеризуется высоким содержанием биогенных элементов и благоприятным для жизнедеятельности растений соотношением питательных веществ, содержащих Р:N:K - 1,4:1,0:1,6.

Принципиальная новизна предлагаемых решений заключается в смешении после проведения метаногеза сепарированных фракций навоза. Перед смешением жидкая фракция навоза подвергается структурированию по способу [4, 8] и обогащению смесью витацитов - регуляторов метаболизма, приготовленных по способу [1, 3, 5, 6] с использованием вышеуказанных главных элементов питания. Все сказанное выше было бы просто любопытным курьезом, если бы при этом не отстраивалась целая система представлений, из которых становиться ясна суть процесса влияния субстрата на растительный организм. Это связано с тем, что в смешенных биоценозах почвы возникают сложные взаимодействия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.

Данная цепочка объясняет принципиальную возможность учитывать способность гумуса акцептировать вносимые в почву в процессе агрогенеза органические и минеральные вещества и определить его важную экологическую роль в агроценозах. Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что обогащение массы объединенных фракций удобрений смесью предшественников активных центров ферментов способствует росту физиолого-биохимической активности микроорганизмов прикорневой системы растительных организмов, оказывая этим положительное влияние на их рост и развитие. Их применение является важной составной частью организации системы сбалансированного питания растений полным комплексом элементов, необходимым при использовании интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур. Только в этом случае, их применение будет особо эффективным и приведет к получению высоких и полноценных урожаев сельскохозяйственных культур. Экспериментально установлено, что эти удобрения не только повышают урожайность до 20-25%, но и снижают продолжительность его созревания до 3-х недель при увеличении его биологической ценности.

Способ комплексной экологичной переработки навоза, характеризующийся тем, что сепарируют навоз с влажностью до 60% на твердую фракцию с размером частиц более 1 мм, не усвояемую организмом животных, и жидкую фракцию, представляющую собой лигниноуглеводный комплекс, далее для получения кормовой добавки твердую фракцию, полученную на стадии сепарирования, диспергируют в шаровой мельнице до получения частиц диаметром 50-60 мк с выделением жидкости, обогащенной водорастворимыми сахарами, образующимися при разложении лигнина, целлюлозы и гемоцеллюлозы, полученную дисперсию обогащают раствором предшественников активных центров внутриклеточных ферментов и добавляют 10% муравьиную кислоту из расчета 4 л/т, для получения биогаза и функционально полноценной питьевой воды проводят метановое брожение жидкой фракции, полученной на стадии сепарирования, а для получения минерало-органического удобрения, повышающего физико-биохимическую активность микроорганизмов прикорневой системы растений и урожайность при снижении продолжительности его созревания до 3-х недель смешивают твердую и жидкую фракции, полученные на стадии сепарирования навоза, и обогащают смесь предшественниками активных центров внутриклеточных ферментов.