1514

Известно, что биомасса дождевого червя содержит целый комплекс биологически ценных веществ. Ценность кормов при добавлении биомассы дождевого червя увеличивается на 20–25 %. Биомасса червей перерабатывается в белковую муку, содержащую 67 % белка и 20 % жира. Мука, помимо других аминокислот, содержит и особо ценные – лизин 8 %, метионин 3 %. Белковая мука эффективнее всего используется для производства комбикормов как пищевая добавка.

Известно, что в реализации генетического потенциала продуктивности сельскохозяйственных животных решающее влияние имеет полноценное кормление в рационе, характеризующимся сбалансированным, достаточным по количеству и качеству протеиновым и аминокислотным составом. В известной мере это может быть обеспечено использованием кормовых добавок на основе вермикультуры, которые улучшают состав кормов в части содержания незаменимых аминокислот и высококачественных протеинов.

Кормовые белковые продукты из биомассы червей наиболее эффективно можно получать путем ее механического измельчения и смешения полученной массы с наполнителем. В качестве наполнителя можно использовать традиционные измельченные сухиекорма, например, рассыпной комбикорм мелкого помола.

При использовании биомассы червей в качестве биологически активной основы для производства протекторных, медицинских и ветеринарных лечебных средств, а также косметической продукции важным является содержание в ней макро- и микроэлементов, биологически активных соединений.

Приростом биомассы червей, ее качественным составом можно управлять и получать заданные характеристики в зависимости от поставленных целевых установок.

В связи с тем, что прирост биомассы и содержание в ней основных биологически ценных веществ (белков, жиров, углеводов, микроэлементов и др.) зависят от качества перерабатываемого субстрата, его способности к биоконверсии, содержания ЭХВ в допустимых пределах, других параметров основных физико-химических характеристик, можно, регулируя качество перерабатываемого субстрата в нужных направлениях, получать заданное количество и качество биомассы.

Нами на кафедре охраны окружающей среды ПНИПУ были проведены исследования по определению возможности управления выходом биомассы путем дозированной добавки в перерабатываемый коровый субстрат отработанного подсолнечного масла (отходной эмульсии волочильного участка кабельного производства). По сравнению с контролем – коровым субстратом в опыте было получено увеличение массы половозрелых червей, их численности и, соответственно, общего выхода биомассы. При этом были определены количественные оптимальные значения добавки масла, выше и ниже которых положительного эффекта увеличения биомассы не наблюдалось.

201

3.4. Краткий обзор результатов исследований по вермикомпостированию отходов в условиях Западного Урала,

выполненных в Пермском национальном исследовательском политехническом университете

Несмотря на определенные успехи в области вермикомпостирования легко биоконверсируемых отходов (органические фракции муниципальных отходов, навоз крупного рогатого скота, растительные сельскохозяйственные отходы

имногие другие), недостаточно разработана и весьма ограниченно реализуется на практике переработка этим методом трудно биоконверсируемых фракций муниципальных и особенно промышленных отходов.

Вцелом метод вермикомпостирования, несмотря на его очевидную экономическую и экологическую привлекательность, не получил должного развития на Западном Урале, где накоплены большие объемы невостребованных органических промышленных отходов и ведется обезвреживание значительных объемов отходов животноводства (жидкий навоз крупных мясомолочных и свиноводческих комплексов, помет птицефабрик) затратными методами без утилизации их энергетических и материальных ресурсов.

Это определяет актуальность развития вермикомпостирования органических отходов производства и потребления и адаптации его применения в условиях Западного Урала.

С целью внесения вклада в решение этой важной в экологическом и экономическом отношении проблемы на кафедре охраны окружающей среды ПНИПУ, начиная с 1981 года и до настоящего времени, проводятся разноплановые исследования по оценке возможности использования методов вермикомпостирования для переработки органических фракций твердых бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов с учетом местных климатогеографических, экономических и социальных условий.

Исследования включают в себя: оценку реальных объемов (инвентаризацию) органических отходов, образующихся на Западном Урале; экспериментальные, полевые и натурные исследования по оценке возможности их переработки с помощью вермикультур; подбор и культивирование маточных культур на основе местных штаммов и адаптацию привозных коммерческих промышленных вермикультур к местным условиям и специфике местных органических отходов; разработку технологий (включая вермиреакторные) вермикультивирования и вермикомпостирования, адекватных местным климатическим условиям

исвойствам местных органических отходов; оценку потребностей местного рынка в целевых продуктах вермикомпостирования; пропаганду и популяризацию методов вермикомпостирования (как индивидуальных, так и промышленных) среди небольших фермерских хозяйств, любителей-садоводов, представи-

202

телей средних и крупных агрохозяйств; оценку возможности использования биогумуса в местных почвенных условиях в качестве мульчирующего материала и кондиционера – биологического и химического мелиоранта; оценку возможности использования биомассы червей в качестве кормовых добавок для животных и пищевых добавок для людей, а также как основы для производства протекторных и лечебных препаратов.

Особое внимание уделяется пропаганде и популяризации вермикомпостирования органических отходов (на примере пищевых) путем создания пилотных проектов по вовлечению учащихся общеобразовательных школ, их родителей

ишкольного персонала в этот важный образовательный и воспитательный процесс как элемента идеологии устойчивого развития.

Исходя из разнопланового характера проводимых исследований, требующих определенных знаний и компетенции в смежных областях науки

итехники, были сформированы рабочие группы, в которые вошли биологи, химики, гигиенисты, инженеры-технологи, способные решать такого рода комплексные задачи.

Впроведении исследований по оценке возможности использования органических отходов потребления и производства в качестве исходного сырья для вермикомпостирования, разработке промышленной технологии вермикомпостирования с использованием вермиреакторов, оценке качества полученных целевых продуктов вермикомпостирования, областей возможного их использования принимали участие авторы настоящей монографии. Особенно большой вклад в проведение экспериментальных и натурных исследований принадлежат д-ру техн. наук, профессору Л.В. Рудаковой, д-ру биол. наук Т.А. Зайцевой.

При разработке конструкций вермиреакторов принимали участие д-р техн. наук, профессор В.Н. Коротаев, д-р техн. наук, профессор В.В. Карманов.

Результаты исследований по вермикомпостированию, проведенные на кафедре охраны окружающей среды ПНИПУ, неоднократно докладывались на научных конференциях, конгрессах, опубликованы в печати и приведены

вряде отчетов о научно-исследовательских и опытно-конструкторских рабо-

тах [47–57].

Л.В. Рудаковой обобщены результаты собственных и выполненных под ее научным руководством исследований по биоконверсии отходов в ее диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, успешно защищенной в 2000 году [49].

Исходя из особенностей промышленной и сельскохозяйственной структуры экономики Западного Урала и развития системы обращения с отходами производства и потребления, в качестве опорных объектов по подбору органических отходов для вермикомпостирования были выбраны: отходы целлюлозно-

203

бумажной промышленности (отходы окорки древесины разных лет хранения в короотвалах, щелока от варки древесины); осадки БОС (илы длительного хранения на иловых площадках и свежий выход избыточного активного ила); органические отходы машиностроительных предприятий (охлаждающие эмульсии, содержащие органические вещества); отходы полеводства и животноводства (в том числе жидкий навоз крупного рогатого скота и свиноводческих комплексов, помет птицеводческих фабрик, невостребованные отходы полеводства и овощеводства).

Как показали проведенные исследования по оценке ресурсов органических отходов (накопленных и свежего выхода), а также оценка емкости внутреннего рынка и потребности сельскохозяйственного производства региона в целевых продуктах вермикомпостирования, решение проблемы утилизации огромных объемов органических отходов возможно путем организации промышленного вермикомпостирования. При этом не исключалась возможность развития маломасштабного вермикомпостирования в небольших фермерских хозяйствах, кооперативах садоводов-любителей, а также среди владельцев отдельных жилых домов и квартир.

При оценке сущности и параметров процессов промышленного вермикомпостирования мы исходили из основного принципа – успешное использование вермикультуры в промышленных масштабах возможно при создании для нее оптимальных условий, удовлетворяющих биологическим потребностям вида. При этом к основным факторам, определяющим не просто выживаемость червей, но и стимулирующих их жизнедеятельность, относятся: качество и количество исходного субстрата; температура; наличие кислорода; влажность; отсутствие нежелательных или вредных физических воздействий, ЭХВ в концентрациях, превышающих допустимые.

При переработке пищевых или подобных им отходов создание таких условий не вызывает особых технологических сложностей. Именно поэтому промышленные технологии переработки этой фракции ТБО с помощью вермикультуры получили широкое распространение. За короткий промежуток времени (1,5–2 мес., а иногда и меньше) при соблюдении всех параметров процесса можно получать из пищевых отходов биогумус.

Вместе с тем при содержании в намечаемых к переработке вермикультивированием органических фракций муниципальных и промышленных отходов, медленно поддающихся биоконверсии компонентов, например, таких как целлюлозосодержащие материалы (кора хвойных пород древесины, опил, щепа, промои древесного волокна), лигнин и многие другие относительно биостабильные вещества, возникают трудности методического и практического характера при подборе промышленных технологий их переработки с использованием вермикультуры.

204

Для Западного Урала, как показали результаты инвентаризации накопленных промышленных органических отходов, а также их свежего выхода, особенно актуальным является переработка методом вермикомпостирования целлюлозосодержащих отходов.

Анализ качественного состава муниципальных отходов, образующихся в крупных и средних населенных пунктах Западного Урала, где высок процент жилого фонда с централизованным тепло- и газоснабжением, показал, что в этих отходах высоко содержание целлюлозосодержащих компонентов (древесины, бумаги, картона) при относительно низком содержании традиционных для ТБО пищевых отходов. Как показали результаты балансовых оценок, в муниципальных отходах мало легко биоконверсируемых компонентов, неоптимальное соотношение C : N, других важных для эффективной работы вермикультуры характеристик отходов как биоконверсируемого субстрата.

При переработке таких органических отходов с высоким содержанием целлюлозных материалов возникает необходимость определения соответствующих параметров ведения технологических процессов вермикомпостирования.

Это определило целесообразность проведения исследований по разработке промышленных технологий вермикомпостирования органических фракций отходов производства и потребления на Западном Урале с учетом особенностей их морфологического и качественного вещественного состава – высокого содержания целлюлозосодержащих компонентов.

3.5. Разработка ящичной и траншейной технологии вермикомпостирования органических отходов целлюлозно-бумажных предприятий

Для Западного Урала, где развита целлюлозно-бумажная промышленность и имеются большие объемы отходов этих производств, а в муниципальных отходах также высока доля целлюлозосодержащих компонентов, актуальной является проблема разработки промышленных технологий вермикомпостирования целлюлозосодержащих отходов.

Положительный опыт промышленного вермикомпостирования трудно поддающихся биоконверсии отходов с использованием приемов корректировки содержания биогенов, создания оптимальных режимов температуры, влажности, внесения адаптированной микрофлоры и местной культуры червей, приспособившихся к специфическим особенностям перерабатываемого субстрата, был использован нами при планировании проведения исследований по разработке промышленной технологии вермикомпостирования целлюлозосодержащих отходов.

205

Вкачестве объекта исследования был выбран Пермский целлюлозно-бу- мажный комбинат (ПЦБК) – типичный представитель этой отрасли промышленности, на котором образуются различные виды твердых органических отходов, складируемых на короотвале и частично вывозимых на полигон ТБО.

Для изучения процесса вермикомпостирования были выбраны наиболее трудно разлагаемые и недостаточно изученные целлюлозосодержащие отходы: кора различных сроков хранения, образующаяся в результате процесса окорки древесины, опил, а также избыточный активный ил с биологических очистных сооружений комбината.

Исследование процесса деструкции твердых отходов ПЦБК с помощью культуры дождевых червей проводили в два этапа. На первом этапе были проведены исследования по оценке возможности использования ящичных и траншейных технологий. На втором этапе – возможности применения вермиреакторных технологий с применением разработанного нами вермиреактора.

Для экспериментальной оценки возможности утилизации отходов ПЦБК методом вермикультивирования использовали: кору 30-летнего срока хранения; кору1–2 годахранения; свежую березовую кору; опил; избыточный активный ил.

Вкачестве увлажняющей жидкости использовали сульфитные неупаренные щелока, характеризующиеся высоким содержанием азота.

Эффективность процесса деструкции отходов в большой степени зависит от того вида червей, который используется в технологии, поэтому червидеструктанты должны быть неприхотливы, устойчивы к заболеваниям и физи- ко-химическим воздействиям, должны легко адаптироваться к перерабатываемому субстрату и быстро его разлагать.

Поскольку калифорнийские черви оказались непригодными для их использования в качестве деструктантов твердых отходов ПЦБК, то необходимо было провести работу по выведению высокопродуктивной линии червей, способных быстро и эффективно перерабатывать кору различного срока хранения

иизбыточный ил.

Вкачестве червей-деструктантов была использована природная популяция дождевых червей, обитающих на короотвале ПЦБК и древесном отвале Гайвинского лесокомбината (ГЛК). Природная популяция червей на короотвале ПЦБК на 70 % состояла из червей навозных (Eisenia foetida) и на 30 % из малых красных червей (Lumbricus rubellus). На древесных отвалах ГЛК популяция червей состояла в основном из представителей одного вида – червь на-

возный (Eisenia foetida).

Черви обследуемых популяций были малоподвижны и по ряду показателей (длина, толщина, вес, количество сегментов, окраска) отличались от средних, характерных для вида, что позволило охарактеризовать общее состояние вермикультуры какнеудовлетворительное.

206

Была проведена большая селекционная работа с природной популяцией дождевых червей путем многократных выборок наиболее эффективных из них, а также улучшения продукционных характеристик червей путем внесения в субстраты витамина С, ионов кальция в виде карбоната кальция, азотсодержащих веществ, содержащихся в больших количествах в сульфитных неупаренных щелоках. Высоким реабилитирующим действием обладал питательный раствор, приготовленный по рецептуре: на 1 литр водопроводной воды

–0,109 г калия фосфорнокислого однозамещенного;

–0,04 г микроудобрений;

–0,001 г витамина С.

Раствор вносили в подготовленный субстрат за 2–3 суток до заселения его вермикультурой.

В результате многократных выборок червей, подбора субстрата с оптимальным соотношением отходов ПЦБК, внесения в субстрат различных стимулирующих добавок и создания оптимальных условий содержания была получена высокопродуктивная линия червя навозного, отличающаяся от природной линии повышенной интенсивностью питания, быстрым приростом биомассы и высокой скоростью утилизации субстрата. Полученная селекционным путем линия червей характеризовалась следующими показателями:

–длина одной особи – 80–110 мм;

–вес одной особи – 0,8–1,2 г;

–время адаптации к свежему субстрату, приготовленному из отходов ПЦБК – 7–10 суток.

Вермикультура в дальнейшем использовалась при отработке оптимальных параметров процесса и разработке технологии утилизации твердых отходов ПЦБК методом вермикультивирования.

Определение оптимальных параметров процесса проводили, варьируя соотношения утилизируемых отходов, влажность субстрата (от 60 до 85 %), температуру (от 15 до 28 °С), увлажняющую жидкость (водопроводная вода, сульфитные неупаренные щелока). В результате исследований определены следующие оптимальные параметры процесса:

–селекционированная линия червей;

–увлажнение водопроводной водой;

–состав исходного субстрата:

–кора 1–2-летнего срока хранения – 50 мас. %;

–кора 30-летнего срока хранения – 20 мас. %;

–избыточный активный ил – 20 мас. %;

–речной песок – 10 мас. %.

Соблюдение этих параметров процесса приводит к увеличению биомассы в 8–9 раз, степень переработки составляет 90 %, рН готового продукта – 7,0–7,2;

207

время адаптации вермикультуры к отходам: 10-е сутки – первое появление копролитов, 25-е сутки – массовое появление копролитов на поверхности субстрата; длительность процесса 2,5–3 месяца.

Полученная в лабораторных условиях биомасса червей, адаптированных к особенностям качественного состава отходов ПЦБК, была использована при проверке возможности применения траншейной технологии вермикомпостирования этих отходов.

Траншея была заложена на открытом участке (подзолистая почва– 0,2 м, далее супеси с прослоями суглинков) с заглублением 0,5 м и высотой над поверхностьюпочвы 0,6 м, ширинойпо основанию 1,0 м ипо верхнейкромке – 0,5 м.

В качестве перерабатываемого субстрата был заложен приведенный выше оптимальный состав. Увлажнение проводили водопроводной водой. Перерабатываемый субстрат был загружен в траншею в начале июня (при положительных среднесуточных температурах окружающего воздуха) и был извлечен после переработки во второй половине сентября.

Испытанные нами ящичная и траншейная технологии, несмотря на их высокую эффективность по качеству полученных биомассы и биогаза, оказались пригодными для переработки незначительных количеств отходов, требовали значительных затрат ручного труда, больших производственных и земельных площадей, в результате чего снижается эффективность использования этих технологий.

Для переработки накопленных больших объемов органических отходов, исчисляющихся многими сотнями тысяч тонн, а также многотоннажного ежегодичного свежего выхода этих отходов ящичные и траншейные технологии вермикомпостирования не пригодны в силу их малой производительности.

Использованию для решения этих задач высокопроизводительной промышленной технологии, основанной на применении единичных установок большой мощности типа вермиреакторов, препятствует отсутствие необходимых научных разработок по созданию и внедрению в практику подобного рода устройств.

Это определило актуальность разработки вермиреакторной промышленной технологии вермикомпостирования многотоннажных органических отходов целлюлозно-бумажных производств на примере ПЦБК.

Проведенный нами технико-экономический анализ известных вермиреакторных технологий показал, что наиболее близкими по основным техническим данным устройствами, которые можно использовать для решения поставленной задачи после известной адаптации и усовершенствования, являются вертикальные башенные вермиреакторы. Большинство вермиреакторов этого типа имеет относительно небольшие размеры по высоте и диаметру (ширине) и характеризуется производительностью, которая на порядок ниже требующейся.

208

Из практики известно, что при попытках масштабирования подобных устройств, где наряду с физическими реализуются биологические процессы, метод простого геометрического подобия с увеличением основных размеров устройств часто оказывается неприемлемым, так как не позволяет обеспечить при их эксплуатации необходимые условия жизнедеятельности биологической компоненты (в нашем случае – популяции червей) технологического процесса.

При разработке ящичных и траншейных технологий вермикомпостирования

влабораторных и полевых условиях были установлены оптимальные значения таких параметров технологического процесса, как компонентный состав исходного субстрата, температура и влажность. Вместе с тем отсутствовали такие исходные данные, необходимые для разработки вертикального вермиреактора башенного типа, как условия обеспечения постоянного равномерного поступления пищи (перерабатываемого субстрата) к червям, свободного поступления кислорода в массив перерабатываемых отходов без так называемых «мертвых» зон, равномерного расселения вермикультуры по всей толще перерабатываемого субстрата и, что особенно важно, определения толщины слоя загружаемого материала, исключающей нежелательное его уплотнение, что может привести к ухудшению аэрации, отжиму влаги, созданию избыточного давления на червей и, в конечном счете, к нарушению процесса биодеструкции отходов.

Для получения исходных данных для разработки вермиреактора вертикального типа как наиболее приемлемого в производственных условиях были проведены исследования на модельных установках с различной толщиной слоя загружаемого субстрата.

Вкачестве модельных установок первоначально использовали емкости, изготовленные из органического стекла высотой от 0,5 до 2,5 м и диаметром 20 см, что позволило проводить визуальные наблюдения за поведением червей

втолще субстрата, их адаптацией и переработкой исходного субстрата. Для обеспечения возможности проведения визуальных наблюдений установки защищали от избыточного освещения, закрывая их темной тканью.

Эксперименты показали, что при толщине загрузочного слоя свыше 2 м в нижней части установок образуется «мертвая зона», не содержащая червей

ихарактеризующаяся недостаточным поступлением воздуха, что приводит к появлению анаэробных процессов распада органических веществ загруженного субстрата.

Впоследующих экспериментах использовали установки, представляющие собой конструкции, изготовленные из металлосетки высотой 1,0; 1,5 и 2,0 м

идиаметром 40 см.

Результаты эксперимента показали высокую степень переработки субстрата (90–95 %) при небольшом количестве балласта в виде кусков не перерабо-

209

танной коры размером до 5 см и самый высокий прирост биомассы при высоте загруженного субстрата 1,0–1,2 м. При большей высоте загружаемого субстрата в нижней части установок образовывались анаэробные зоны в результате уплотнения и слеживаемости материала, что заставляло червей передвигаться в верхние слои. Образование «мертвых зон» способствует накоплению балласта, снижению качества готового продукта, а также может привести к полной гибели культуры червей под действием токсичных веществ, образующихся при гниении субстрата в нижней части установки.

Проведенные эксперименты показали возможность использования установок вертикального типа при условии снятия давления вышележащих слоев таким образом, чтобы давление в каждом слое загруженного субстрата соответствовало давлению, которое испытывают черви при их обитании в слое субстрата толщиной 1,0–1,2 м.

Полученные в экспериментальных исследованиях данные позволили разработатьи смонтировать укрупненную лабораторную установку вертикального типа.

210