2. Характеристика сировини для біоконверсної переробки органічної маси

Сировиною для мікробіологічної ферментації можуть бути відходи сільськогосподарського виробництва, харчової і переробної промисловості та комунального господарства, які в своєму складі мають органічну речовину.

Досліди і розрахунки показують, що в багатьох країнах світу досить сировини для організації промислового виробництва біопалива та продуктів переробки зокрема біологічно-активних добрив та кормових добавок. В основному це відходи тваринництва, рослинництва, комунального господарства, харчової та переробної галузі.

Як показує практика, найбільш придатною сировиною для інтенсивної ферментації органічної маси є гній великої рогатої худоби (ВРХ), свиней, та птиці, озерний сапропель та мул ставків і т. інше.

Дані про добовий вихід і вологість екскрементів від однієї тварини приведені таблиці 2.1. Середня вологість екскрементів: у корів молочної породи – 88%, у биків, телят, м’ясних тварин – 86%, зольність сухої речовини – 16%, або середній вміст органічної речовини (ОВ) складає 84%.

Тип тварин і спосіб годування (склад корму) визначають наявність в гнойовій масі: включень різних розмірів, відношення твердих і рідких виділень (табл. 2.2, 2.3.). В гною свиней та в посліді птиці менше крупних частинок і більше води, чим в гною ВРХ.

В таблиці 2.4 показано відношення твердих і рідких частин гною. Від кормового раціону, якості корму і виду тварин залежить і хімічний склад екскрементів, що відповідно пояснюється виділеннями з екскрементів основної частини поживних елементів, які вживають тварини і птиця з кормами.

Таблиця 2.1.

Добове виділення і вологість екскрементів ВРХ.

№ п/п	Склад екскрементів	Корови	Бики	Телята
				до 3 місяців	до 6 місяців	6-12 місяців	12-18 місяців	18 і більше місяців
1	Екскременти маса, кг вологість, %	55,0 88,4	40,0 86,0	4,5 91,8	7,5 87,4	14,0 87,2	27,0 86,7	35,0 84,9
	в т.ч.
2	Кал маса, кг вологість, %	35,0 85,2	30,0 83,0	1,0 80,0	5,0 83,0	10,0 83,5	20,0 83,5	23,0 80,1
3	Сеча маса, кг вологість, %	20,0 94,2	10,0 95,0	3,5 95,1	2,5 96,2	4,0 96,5	7,0 96,0	12,0 94,2

Примітка: 1. Густина сухої речовини екскрементів слід приймати 1250 кг/м³, зольність сухої речовини – 16%.

Кількість і вологість підстилкового гною ВРХ визначається розрахунковим шляхом в залежності від умов утримання тварин, а також виду, вологості і кількості підстилки на голову за добу.

Таблиця 2.2.

Добовий вихід екскрементів свиней та їх вологість

№ п/п	Склад екскрементів	Хряки	Свиноматки			Поросята, дн.			Свині на відгодівлі, кг
			холості	супоросні	поросні	26-42	43-60	61-106	до 70	більше 70
1	Екскременти маса, кг вологість, % в т.ч.	11,1 89,1	8,8 90,0	10,0 91,0	15,3 90,1	0,4 90,0	0,7 86,0	1,8 86,1	5,0 87,0	6,5 87,5
2	Кал маса, кг вологість, %	3,86 75,0	2,46 73,8	2,6 73,1	4,3 70,0	0,1 70,0	0,5 71,0	0,7 71,4	2,05 73,0	2,7 74,7
3	Сеча маса, кг вологість	7,24 97,0	6,34 97,5	7,4 98,3	11,0 96,8	0,3 96,7	0,4 96,0	1,1 96,3	2,95 96,7	3,8 96,9

Загальна вологість екскрементів складає 15%- густина – 1400 кг/м³

Таблиця 2.3.

Добовий вихід посліду від 1000 голів птиці, кг

№ п/п	Вид птиці	Вологість посліду, %	Вік птиці, неділь
			1-2	3-4	5-6	7-8	9-22	більше 22
1	Кури і курчата	75,0	4-14	24-39	61-82	97-114	128-175	189
2	М’ясні кури	75,0	11-46	92-130	140-170	200-230	250-280	300
3	Бройлери	76,0	10-45	90-125	144-182	240-250	-	-
4	Індики	76,0	30-98	124-182	224-260	280-310	220-350	378
5	Гуси	83,0	50-140	280-330	360-390	440-450	480-490	490
6	Качки	83,0	30-60	90-120	170-200	210-220	230-250	250

Дані про склад основних поживних елементів в екскрементах тварин і птиці приведені в таблиці 2.4.

Таблиця 2.4

Хімічний склад екскрементів, %

№ п/п	Склад екскрементів	Свіжий кал		Свіжа сеча		Послід
		ВРХ	Свині	ВРХ	Свині	птиця
1	Вода	83,6	82,0	93,8	96,7	76,0
2	Суха речовина	16,2	18,0	6,2	3,3	24,0
3	Азот (N2)	0,29	0,6	0,58	0,43	1,65
4	Фосфор (P2O5)	0,17	0,41	0,0	0,07	1,0
5	Калій (К2О)	0,10	0,26	0,49	0,83	0,62
6	Магній (MgO)	0,13	0,10	0,04	0,08	0,10
7	Сірка (SO2)	0,04	0,04	0,13	0,08	0,12

При зміні раціону годівлі тварин і птиці змінюється і хімічний склад його посліду.

Наприклад, при зменшенні в раціоні кількості концентратів, склад азоту і фосфору в екскрементах дещо знижується, а калію збільшується.

При переході від корму свиней картоплею до відгодівлі зерном в екскрементах значно збільшується склад сухої речовини, азоту і фосфору і зменшується склад калію.

Безпідстилковий гній характеризується високим вмістом поживних елементів, але гній ВРХ, свиней і пташиний послід відрізняються по складу (табл. 2.5)

Таблиця 2.5

Середній вміст органічної речовини і поживних елементів в без підстилковому гної ВРХ, свиней і пташиному посліді

(% на сиру речовину)

Речовина, елемент	ВРХ (корови)	Свині (відгод. зерн.)	Птиця
Суха	10,0	10,0	24,0
Органічна	6,8	7,0	21,6
Азот	0,40	0,05	1,20
Фосфор	0,06	0,14	0,86
Калій	0,46	0,27	0,41
Кальцій	0,21	0,26	-
Магній	0,05	0,06	-
Натрій	0,05	0,04	-

Слід мати на увазі, що по мірі розбавлення безпідстилкового гною або посліду водою концентрація органічних речовин і поживних елементів в ньому знижується.

Крім основних поживних речовин в гною і посліді є мікроелементи. В 1 т. гною ВРХ вологістю 92% вміст поживних елементів складає: 2,8 г Cu, 22 г Mn, 12 г Zn, 24 г В, а в 1 т свинячого гною вологістю 95% - 2,9 г Cu, 12 г Mn, 32 г Zn.

Органічна речовина безпідстилкового гною представлено органічними сполуками калу і сечі тварин. В склад органічної речовини входить целюлоза і геміцелюлоза, лигнін, пентозани і другі речовини, в тому числі в невеликих кількостях розчинні вуглеводи (крохмаль). Основна частина органічної речовини калу представлена речовинами в високим вмістом вуглецю, тому відношення C:N досить широке. В той же час, відношення C:N в сечі ВРХ складає 1,2:1,0, а в сечі свиней 0,8-0,9:1,0.

Високий вміст сечовини обумовлює вузьке співвідношення C:N в безпідстилковому гною, яке може коливатися від 5:1 до 10:1. В цьому заключається характерна особливість безпідстилкового гною, як органічного добрива.

В зв’язку з відносно низьким вмістом кисню в безпідстилковому гної біохімічні процеси в ньому протікають значно повільніше, чим в підстилковому гної і компостах.

В результаті такий гній добре переробляється переважно в анаеробних умовах збродження легко-мінералізованих речовин калу і сечі з утворенням газоподібних продуктів у вигляді сірководню, вуглекислого газу, аміаку, метану, мерконтана.

При використанні в процесі анаеробної переробки підстилкового гною слід враховувати, що складові частини свіжого підстилкового гною – в основному тверді і рідкі екскременти тварин і підстилка.

Перші складаються із неперетравлених частин корму і продуктів обміну організму, що складає 40-50% органічної речовини і азоту, і 60-70% фосфору і калію від вихідного складу їх в кормі. Дані про хімічний склад найбільш розповсюджених підстилках матеріалів приведені в таблиці 2.6.

Таблиця 2.6.

Хімічний склад найбільш розповсюджених підстилкових матеріалів, % до натуральної речовини

Вид підстилки	Вода	Азот	Фосфор	Калій	Вапно
Солома пшенична	14,3	0,48	0,22	0,93	0,28
Тирса	25,0	0,20	0,30	0,74	1,08
Торф	10,0	1,20	0,20	0,34	0,36

Різноманітність рослинного і тваринного світу озер, мінеральний склад водозбірної площі визначають ту чи іншу цінність сапропелевої сировини. Основними критеріями агрохімічної оцінки якості органічних добрив є кількість органічної речовини, вологість, зольність, кислотність, вміст загального і амонійного азоту, фосфору, калію, а також кальцію, заліза, сірки.

Для приготування добрив найбільш придатні сапропелі із зольністю нижче 50%. Проте застосовують сапропелі із зольністю 50–70%, що теж має позитивне значення в зв'язку з наявністю в них важливих для живлення рослин макро- і мікроелементів. Особливо ефективні карбо­натні сапропелі з високим вмістом CaCО, який засвоюється в рухомій формі і тому сапропелі, що включають більше 20% карбонату кальцію на суху речовину вважаються вапняковим матеріалом. Високу агрохі­мічну цінність, як вказано буде далі, мають і кремнеземисті сапропелі.

Одним з важливих елементів мінеральної частини сапропелів є вміст заліза і алюмінію, які при значеннях рН нижче 5,0–4,5 мають високу рухомість.

Але, в процесі видобування і провітрювання відбувається окислен­ня закисних форм, ступінь рухомості знижується до 50–80% від вихід­ної. Згідно з технічними умовами для потреб сільського господарства пропонують використовувати сапропелі з вмістом FeO; до 10% на суху речовину добрива.

Обмежуючим фактором може бути сірка, яка має на 80% органіч­ну природу і може окислюватись та підвищувати кислотність сапро­пелевої маси.

Для виготовлення добрив використовують природні сапропелі з вмістом сірки до 3 %. В українських сапропелях вони коливаються в ме­жах 0,3–1,7%.

В таблиці 2.7 наводиться основна характеристика озер України з найбільшими запасами сапропелю.

Для сапропелевих добрив, які можуть бути використані у чистому вигляді, як компонента для приготування удобрювальних сумішок в закритому ґрунті або сапропелево-гнойових компостів, розроблено для озерних сапропелів відповідні технічні вимоги (табл. 2.8).

Сапропелеві добрива повинні відповідати нормам за їх фізичними показниками і ступенем забур'яненості (табл. 2.9).

Сапропелі мають значний набір мікроелементів, зокрема мідь, марганець, кобальт, нікель, бор, йод, ванадій, цирконій, цинк, барій, титан, можуть зустрічатися важкі метали – свинець (переважно технічного походження), хром, берилій, кадмій, ряд радіоізотопів – стронцій і торій та рідкісноземельні метали. Кількість катіонів в пере­важній більшості сапропелів не перевищує граничнодопустимих кон­центрацій, що дає підставу вважати їх мікроелементами, потрібними для Живлення рослин.

В кожному конкретному випадку слід визначити речовиний склад сапропелів, особливо з озер, підданих інтенсивному антропогенному впливові. Адже внесені неконтрольовано важкі метали повільно вилуча­ться з ґрунту. Так, за даними білоруських авторів (М.З. Лопотко та ін., 1992), для зниження до початкових концентрацій при надлишковому внесені цинку потрібно від 70 до 510 років, кадмію – 13-1100, міді – 310-1000, свинцю – 740-5300 років. У зв'язку з цим при використанні сапропелів з підвищеною концентрацією важких металів слід виходити з тих міркувань, щоб при внесенні максимальної щорічної дози 80 т/га провітреного сапропелю за 100 річний період не було досягнуто гранич­них концентрацій токсикантів.

Таблиця 2.7.

Агрохімічна характеристика сапропелів у родовищах України

Родовище	Волога, %	Зола, %	рН	В % на суху речовину
				СаО	Fe2О3	Р2О5	азот	загальна сірка
Волинська обл. Скорень	9,42/ 77,8- 96,75	28,6/ 11,90-57,3	5,76-8,42	7,18/ 1,42-27,74	3,74/ 1,25-12,38	0,47/ 0,14-1,38	1,85/ 0,33-4,2	0,30/ 0,05-0,58
Рогозне	91,9/ 81,04	28,5/ 16,0-58,0	5,78-7,87	6,1/ 1,97-13,89	4,0/ 1,88-8,08	0,41/ 0,15-1,09	1,90/ 0,61-4,1	0,40/ 0,10-0,65
Тучне	93,3/ 88,71-95,25	24,8/ 16,0-37,0	5,53-7,82	5,2/ 2,09-13,58	5,1/ 2,53-7,96	0,58/ 0,19-1,29	1,70/ 0,50-3,90	0,60/ 0,48-0,78
Плотичне	88,5/ 74,27-94,7	40,5/ 25,0-51,0	5,89-7,80	23,1/ 2,96-40,92	5,0/ 2,67-10,0	0,28/ 0,16-0,57	1,40/ 0,11-4,8	0,40/ 0,24-0,56
Синове	90,9/ 80,41-99,83	35,2/ 19,0-63,0	6,67-7,72	8,5/ 2,45-22,04	2,3/ 0,68-6,38	0,43/ 0,10-1,00	2,40/ 0,99-3,52	1,70/ 1,10-2,29
Біле	90,7/ 82,88-97,66	33,9/ 14,0-58,5	6,86-7,83	9,6/ 3,06-24,79	1,9/ 1,18-3,02	0,33/ 0,268-0,56	3,10/ 1,50-4,2	1,70/ 1,52-2,10
Глухівське	91,6/ 81,07-95,41	40,1/ 32,0-64,0	5,46-6,30	1,1/ 0,15-1,560	4,1/ 0,78-9,87	1,37/ 0,10-3,82	2,30/ 0,77-4,76	0,90 0,13-1,35
М.Домашнє	87,3/ 61,25-96,89	42,1/ 27,0-65,0	7,30-7,97	25,6/ 16,8-46,68	1,9/ 0,33-3,56	0,34/ 0,125-0,53	2,50/ 1,54-3,22	0,60/ 0,48-0,23
Київська обл., Волове	87,5/ 73,97-96,44	46,0/ 28,0,64,0	6,01-8,10	14,0/ 0,75-32,26	4,8/ 1,53-9,98	0,82/ 0,13-2,17	2,23/ 1,51-3,99	1,60/ 0,35-4,60
Святе	90,1/ 81,20-96,42	41,6/ 10,0-69,0	5,40-7,69	3,3/ 0,24-9,120	3,2/ 1,22-7,89	1,26/ 0,26-4,84	1,20/ 0,18-4,30	0,45/ 0,11-0,61

Примітка: в чисельнику – середні, в знаменнику – максимальні і мінімальні значення

Таблиця 2.8.

Технічні вимоги до сапропелевої сировини різного походження для використання її на добриво

Показники	Норми по видах сапропелів
	органічних	органо-вапнянових	органокремнезе-мистих
Вміст органічної речовини, % на суху речовину, не менше	50	15	30
Вміст на суху речовину, %: азоту, не менше СаО, не більше СаО, не менше Fe2O3, не більше SO3, не більше рН сол., не менше	1,5 12 - 10 3 5	0,7 - 17 10 7 не обмежено	1,0 17 - 10 3 5
Радіоактивне забруднення цезієм, Кі/кг	5*10-7	5*10-7	5*10-7

Таблиця 2.9.

Нормативи за фізичними показниками і забур'яненістю

Показники	Норми по видах сапропелів
	органічних	органо-вапнянових	органо-кремнеземистих
Масова доля вологи, % не більше	60	60	60
Вміст органічної речовини, %: на суху речовину, не менше рН, не більше	50 5,0	15 не обмежено	30 5,0
Вміст частинок більших 10 мм, % не більше	20	20	20
Клас придатності добрив за вмістом важких металів	Згідно з класом придатності сировини по п.1.1.
Ступінь забур'яненості насінням бур'янів, тис шт./т низька, не більше середня висока дуже висока, більше	100 100-300 300-500 5000	100 100-300 300-500 5000	100 100-300 300-500 5000

За вмістом важких металів сапропелеві добрива поділяються на 2 класи придатності: 1 клас – без обмежень; 2 клас – доза обмежується до 80 т/га(табл. 2.10).

Таблиця 2.10.

Класи придатності сапропелів для виробництва добрив за вмістом рухомих форм важких металів

Важкі метали	Критерії	У закритому ґрунті	Класи придатності у відкритому фунті
			1-й	2-й
Кадмій	не більше	1,0	1,5	1,5-9,6
Молібден	-"-	2,0	2,5	2,5-14,0
Нікель	-"-	30,0	50,0	50-200
Цинк	-"-	30,0	50,0	50-220
Свинець	-"-	10,0	50,0	50-260
Мідь	-"-	20,0	30,0	30-150
Кобальт	-"-	10,0	25,0	25-150
Хром	-"-	30,0	50,0	50-260
Ртуть	-"-	0,5	1,0	1,0-7,5