Самый распространенный способ обработки твердого (подстилочного) навоза — компостирование, т. е. естественный процесс разложения органики аэробными микроорганизмами, изначально в ней содержащимися.
Для его активизации важно создать оптимальные условия жизнедеятельности и роста микроорганизмов. К таким условиям относятся:
- соотношение углерода и азота (C:N) в компостируемой массе;
- гранулометрический состав;
- влажность;
- равномерность смешивания;
- содержание кислорода;
- температура.
Наиболее благоприятным для компостирования является соотношение C:N в пределах (20-30):1. В навозе оно обычно не превышает 15:1. Его компостирование протекает и при таком соотношении, но при этом неизбежны большие потери азота в виде аммиака. Поэтому для максимально возможного сохранения азота навоз перед компостированием необходимо смешивать с органосодержащими наполнителями (торф, солома, опилки и т. п.). При этом равномерность смешивания исходных компонентов — не меньше 80%.
Влажность компостируемой смеси должна быть не ниже 40, но и не выше 75% , так как избыточная вода вытесняет воздух из пор, что приводит к созданию анаэробных условий. 75% являются верхним пределом, при котором компостируемый материал еще обладает свойством сыпучести.
Количество влагопоглощающего материала, которое нужно добавить к 1 т навоза, чтобы получить смесь, пригодную для компостирования, определяется по формуле:
Qм = (Wн — Wсм)/(Wсм – Wм),
где Wн, Wм, Wсм — относительная влажность, соответственно, навоза, влагопоглощающего материала и их смеси, %.
Если, например, смешиваются подстилочный навоз влажностью 75% и торф влажностью 50%, то для получения смеси влажностью 70% на одну тонну навоза необходимо 0,25 т торфа. Если при тех же условиях влажность навоза будет 88%, то на одну тонну такого навоза нужно 0,9 т торфа, т. е. в 3,6 раза больше, чем в первом случае.
Естественно, что с добавлением к навозу влагопоглощающего материала общее количество подлежащей компостированию смеси увеличивается.
Поэтому очевидно, что обрабатывать бесподстилочный навоз методом компостирования целесообразно только при его влажности не выше 88-89%.
Большинство аэробных микроорганизмов хорошо развивается в нейтральной или слабощелочной среде (pH 6-8). При начальных значениях pH 5 или pH 11 микробиологическая активность несколько снижается, но не более чем на два дня.
Концентрация кислорода в компостируемой смеси должна находиться в пределах 5-15%. Недостаток кислорода ведет к затуханию процесса ферментации и снижению температуры массы.
Гранулометрический состав наряду с влажностью оказывает влияние на содержание в компостируемой массе кислорода и ее аэрирование. Размер частиц компостируемого материала должен обеспечить пористость массы в пределах 30-50%.
На первой фазе компостирования в процессе участвуют мезофильные микроорганизмы, оптимальная температура среды для которых находится в пределах 20-30°С. С ее повышением в действие вступают термофильные аэробные микроорганизмы, которые при оптимальных условиях поднимают температуру смеси до 65°С и выше. В этом случае семена сорных растений теряют всхожесть и происходит полная стерилизация компостируемой массы от патогенной микрофлоры. Повышение температуры массы выше 65°С нежелательно, так как при этом отмирает значительное количество термофильных бактерий и грибков, участвующих в процессе компостирования.
В процессе компостирования количество воды и двуокиси углерода уменьшается, что приводит к сокращению как объема, так и массы получаемого компоста. Объем компоста после завершения процесса может быть вдвое меньше объема исходной массы. В свою очередь, соответственно, уменьшаются затраты на погрузку, транспортирование и внесение компоста.
В настоящее время в большинстве случаев компостирование навоза производят на открытых бетонированных площадках с помощью бульдозеров и погрузчиков путем послойной укладки навоза и соломы или торфа с последующим перемешиванием компонентов этими же машинами. Имеется несколько типовых проектов таких площадок. Вследствие изменения температуры наружного воздуха и выпадения атмосферных осадков биотермические процессы протекают в компостируемой на открытых площадках массе неравномерно, что не гарантирует ее стерилизации от патогенной микрофлоры и семян сорных растений, приводит к большим потерям органического вещества и общего азота.
Получение качественных органических удобрений с заданными свойствами возможно только на установках закрытого типа — биореакторах периодического или непрерывного действия. Один из вариантов — биореакторы барабанного типа. Они позволяют осуществлять процесс обработки в непрерывном режиме, что обеспечивает стабильную ферментацию, в том числе в зимний период, когда исходный материал имеет низкую начальную температуру.
Технологическая схема разработанной ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии механизированной линии переработки навоза в биологически активные органические удобрения под названием «Виагум» с использованием биореактора барабанного типа. Навоз или помет, торф и минеральные добавки дозированно подаются на установленный наклонно транспортер-смеситель, который выполняет одновременно смешивание компонентов и загрузку их в биореактор. Он оборудован системой вентиляции, обеспечивающей аэрацию в объеме 4-6 м3/ч в расчете на 1 т смеси. В систему вентиляции включен электрокалорифер, позволяющий при необходимости подогревать подаваемый воздух до 40°С. Выгрузка готового компоста осуществляется шнековым конвейером, расположенным в центре торцевой поверхности барабана. Готовый компост подается на сепаратор для отделения крупной фракции размером более 8 мм, которая направляется на повторную обработку в биореактор, а готовый продукт — на площадку хранения. Отработанный воздух из биореактора поступает на конденсатор, где образуется конденсат в виде аммиачной воды. Производительность биореактора с общим объемом барабана 20 м3 и степенью загрузки 60-70% на компостировании помета составила 4 м3 в сутки при длительности цикла замещения трое суток.
В НТЦ «Экомаш» разработаны установки экспресс-компостирования производительностью 0,25; 5 и 10 м3 готового продукта в сутки при длительности процесса обработки 6-8 суток.
Получаемый на установках продукт «ПИКСА» — высокоэффективное, сбалансированное по питательным веществам и микроэлементам, готовое к использованию, экологически чистое, комплексное органическое удобрение, которое содержит все питательные вещества, необходимые для роста и развития растений.
Установки и технологические линии для экспресс-компостирования навоза предлагают также Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства (ВНИИМЖ), фирма «Биокомплекс» и др.
Во Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственного использования мелиорируемых земель (ВНИИМЗ, г. Тверь) проведены исследования и разработана технология получения продукта под названием КМН (компост многоцелевого назначения). КМН может использоваться не только в качестве органического удобрения, но и как кормовая добавка в рационы сельскохозяйственных животных. Процесс компостирования происходит в закрытом ферментаторе при принудительной периодической подаче воздуха в компостируемую смесь. Перед загрузкой в ферментатор навоз и влагопоглощающие материалы должны быть измельчены до частиц размером около 10 мм и тщательно перемешаны. Основным параметром, от которого зависит эффективность компостирования в ферментаторе, является обеспеченность смеси кислородом. Потребность в нем меняется на разных фазах процесса. Она минимальна в начальной — мезофильной фазе, а максимальна — в термофильной, изменяясь от 2 до 14%. Установленный на ферментаторе вентилятор автоматически включается и выключается при достижении в обрабатываемой массе заданной концентрации кислорода.
К основным преимуществам разработанной технологии по сравнению с традиционным компостированием на открытых площадках авторы относят:
- сокращение длительности обработки навоза с 60-90 до 5-8 суток;
- высокую эффективность получаемого продукта: 1 т КМН заменяет 4 т обычных торфонавозных компостов;
- существенное снижение капитальных и эксплуатационных затрат на производство и применение КМН;
- стерилизацию навоза от болезнетворных микроорганизмов и семян сорных растений;
- устранение неприятных запахов.
КМН представляет собой однородную (55-70% влажности) сыпучую массу темно-коричневого цвета без неприятного запаха. Он может храниться в буртах под открытым небом, технологичен для погрузки, перевозки и внесения в почву, в том числе локально в рядки.
Производственные технологии получения КМН разработаны в двух вариантах: ускоренный — в специальных камерах-биоферментаторах методом активной аэрации и на открытых площадках при пассивной аэрации массы. Продолжительность ферментации зависит от того, насколько выдержаны контролируемые в процессе ферментации параметры (температура и содержание кислорода в биомассе), и может длиться от 6 суток в камерах-биоферментаторах до 36 суток на открытых площадках.
По технико-экономическим показателям и качеству получаемых продуктов разработанные технологии превосходят лучший зарубежный аналог — технологии фирмы «Биоферм» (США) и получаемый по ним продукт «Фермвей». По своей эффективности КМН в 2-4 раза (в зависимости от исходных компонентов) превосходит навоз и торфонавозный компост, что позволяет во столько же раз снизить дозу его внесения и сократить транспортные расходы на доставку в поле.
Средние дозы внесения КМН составляют 5-15 т/га. С такой дозой на 1 га вносится 250-750 кг NPK, что дает возможность не применять минеральные удобрения.
КМН прошел комплексную экспертизу и сертифицирован по физико-механическим, агрохимическим, фитосанитарным, радиационным и санитарно-гигиеническим показателям, которым должны соответствовать компосты.
По результатам анализа и всесторонней оценки КМН отнесен к группе экологически чистых, безопасных в санитарно-гигиеническом отношении удобрений с высокими удобрительными свойствами.
Твердый подстилочный навоз или твердая фракция после разделения полужидкого и жидкого навоза, а также компосты, полученные с помощью различных технологий биологической ферментации, могут быть подвергнуты дополнительной обработке биологическими методами. В естественных биоценозах происходит многократное поедание первоначальной растительной массы (трофическая цепь). Навоз поедают насекомые и их личинки, которых, в свою очередь, поедают дождевые черви и другие беспозвоночные. В результате происходит естественный круговорот биогенных веществ — создание органических веществ из неорганических и наоборот — минерализация органических веществ. В животноводстве происходит только одноразовое использование биологической энергии растительных кормов, в результате чего до 40% этой энергии уходит в навоз.
Один из методов использования этой энергии — интенсификация естественного процесса переработки навоза личинками мух (опарышами). Процесс обработки занимает 5 суток. Из 1 т навоза можно получить 100-150 кг личинок или 24-26 кг высокопитательной муки с содержанием протеина 54%, жира 20%, минеральных веществ 9,5%. Полученная мука не содержит токсичных веществ и по своим качествам не уступает добавкам животного происхождения. Важно отметить, что обработанный личинками компост — биоперегной — обладает более высокими удобрительными свойствами, чем исходный.
Еще один метод использования энергии, оставшейся в экскрементах животных, — вермикомпостирование, т. е. обработка дождевыми червями, которые пропускают его через свой организм. В результате селекционной работы в США выведен гибрид красного калифорнийского червя, имеющего более высокую плодовитость и продуктивность, чем его дикие сородичи — дождевые черви. Этот червь живет до 16 лет. Одна особь дает около 1,5 тысяч приплода в год. Исходная масса для вермикомпостирования должна иметь влажность 70-75%, pH 6,5-7,5, соотношение углерода к азоту C:N = 20:1, содержание минеральных веществ — до 10%, сырого протеина — не более 25%. Вермикомпостирование такого субстрата производится круглогодично в закрытых отапливаемых помещениях на стеллажах или напольных грядах. Ширина стеллажей — до 1,2 м, а высота слоя субстрата — до 0,3 м. В теплое время года при температуре выше 10°С вермикомпостирование можно вести на открытых площадках. Производительность сооружений вермикомпостирования для закрытых помещений и открытых площадок принимается соответственно: по исходному субстрату — 1,5 и 0,7 т/м2; по готовому биогумусу — 0,7 и 0,33 т/м2; по биомассе вермикультуры — 22 и 10,5 кг/м2 в год.
Полученный биогумус должен иметь следующие параметры: влажность — 70%, pH 7,5, азот общий — 1,0-1,5%, Р2O5 — 1,0-1,3%, содержание гуминовых веществ — до 12% от массы абсолютно сухого вещества. Биогумус превосходит все известные органические удобрения по содержанию необходимых растениям питательных элементов и гумуса, богат микрофлорой, стимуляторами роста, лишен запаха, не содержит возбудителей болезней, семян сорняков, повышает урожайность на 25-50%, улучшает вкусовые качества овощей, обеспечивает более ранний (на 1-2 недели) выход продукции. Наиболее эффективно биогумус используется в защищенном грунте.
Изготовленная из биомассы червей белковая мука содержит 61-71% протеина и имеет сбалансированный аминокислотный состав. Вермикультура успешно применяется в медицине, при производстве детского питания и лекарств.