книги / Управление отходами. Механобиологическая переработка твёрдых бытовых отходов. Компостирование и вермикомпостирование органических отходов

3.2.3.Вермиреакторные технологии

Впоследние десятилетия прошлого века стали быстро развиваться вермиреакторные технологии переработки органических отходов в силу их явных преимуществ по сравнению с традиционно применяемыми технологиями вермикомпостирования.

Вермиреакторные технологии были разработаны на основе усовершенствования известных хорошо проверенных практикой вермилож, когда по мере переработки слоя отходов черви мигрируют из него вверх во вновь укладываемый слой свежих отходов, где у них появляется доступ к пище, израсходованной в переработанном слое.

Сама технология использования лож предполагает возможность периодического (дискретного) добавления нового слоя перерабатываемых отходов

иотбора переработанного слоя отходов (биогумуса). При этом периодичность добавления нового слоя и отбора готового продукта осуществляется относительно редко с большими временными интервалами, так как применяемые способы отбора готового продукта приводят к необходимости переформирования лож с вытекающими отсюда последствиями в виде сбоев в функционировании популяции червей (стрессы, механические повреждения отдельных особей и т.п.).

Отдельные элементы вермиреакторных технологий с давних пор применялись при ящичных технологиях вермикомпостирования, когда на ящик с уже переработанными отходами сверху устанавливался ящик с новыми порциями отходов, в который переползали черви из нижнего ящика. После этого нижний ящик убирался и из него извлекали готовый биогумус. При этом не создавались неблагоприятные воздействия на популяцию червей.

Но при таких манипуляциях загрузка новых порций отходов и отбор биогумуса проводились периодически с большими временными интервалами.

Одним из основных направлений усовершенствования этих технологий явилось обеспечение возможности постоянного размещения новых порций отходов по мере их образования и такого же постоянного отбора биогумуса в реальном времени.

Непрерывность этих процессов во времени – постоянной загрузки перерабатываемых отходов и отбора готового продукта удалось реализовать в вермиреакторах башенного (колонного) типа.

Наиболее простое устройство такого вермиреактора представляло собой цилиндрическую башню, в которой помещаются без зазоров один над другим емкости (поддоны) без крышек с решетчатым (или сетчатым) дном, заполненные перерабатываемыми отходами. В нижнюю емкость в перерабатываемые отходы заселяется вермикультура. По мере переработки отходов черви пере-

191

ползают из нижней емкости в вышерасположенную. Нижняя емкость, содержащая переработанные отходы – биогумус, свободная от червей, переползающих в верхнюю емкость, извлекается из башни. Соответственно все расположенные емкости опускаются, освобождая место для расположения очередной емкости в голове башни.

Такая конструкция вермиреактора реализована во Франции компанией «Lrun Frere» в виде цилиндрической башни, состоящей из 24 пластиковых поддонов диаметром 230 см, поставленных один на другой. Они имеют сетчатое дно и ответные выступы для установки один над другим без зазоров. Поддоны заполняют перерабатываемыми отходами и заселяют червями. В этой установке весь процесс компостирования полностью автоматизирован [21]. Опыт эксплуатации вермиреакторов показал, что кроме обеспечения непрерывности процесса переработки отходов и получения целевых продуктов они существенно ускоряют созревание компоста [22, 23].

Кроме башенных (колонных) вермиреакторов с установленными в них поддонами, которые дискретно извлекаются из нижней части башни с переработанными отходами и соответственно устанавливаются в верхней части башни поддоны с отходами для переработки, имеются и другие конструкции вермиреакторов, где загрузка отходов производится послойно без применения промежуточных емкостей (поддонов, ящиков и т.п.).

В качестве примера можно привести конструкцию вермиреактора, использующегося в Италии для совместной переработки ТБО и осадков БОС. Перемешанные в определенных пропорциях под контролем влажности и соотношения органогенов отходы заселяются червями и загружаются в стальную конусообразную башню высотой 10 м с диаметром вверху 2 м и внизу 0,5 м. Внутри башни имеется шнек, который постоянно перемешивает массу отходов с целью исключения их слеживаемости и образования застойных зон и обеспечения необходимой аэрации. Это обеспечивает благоприятные условия для жизнедеятельности червей и быстрой непрерывной переработки отходов. Шнек не доходит до нижней части башни, где происходит уплотнение переработанной массы. Туда воздух не поступает, там меньше пищи для червей, в результате чего черви переползают в вышерасположенные слои отходов. Выгрузка готового биогумуса производится через нижнюю часть башни. За сутки такая установка может перерабатывать одну тонну отходов [24].

Наряду с башенными вертикальными вермиреакторами широко используются и горизонтальные реакторы.

Так, фирма «Pacific Garden Company» в городе Ферендейл (округ Вашингтон) использует горизонтальный вермиреактор для переработки навоза на молочной ферме. Длина реактора 36 м, ширина – 2,5 м. Производительность – 2,7 т перерабатываемого навоза в сутки. Вермиреактор представляет из себя ряд

192

вермилож, над которыми перемещаются по рельсам небольшие вагонетки, сбрасывающие навоз в их верхние зоны. Нижняя зона вермилож оборудована специальными устройствами, схожими с виброситами, которые отделяют биогумус и сбрасывают его на конвейерную ленту, расположенную под ними. Конвейер доставляет биогумус в коллектор, из которого готовый биогумус отправляется по назначению.

Эта конструкция вермикомпостера показала свою эффективность в ходе эксплуатации, и фирмой принято решение о производстве двух новых реакторов длиной70 и76 м соответственно дляпереработки навоза молочных ферм [19].

Американская фирма «Original Vermitech Systems» разработала вермиреактор «Vermi Organic Digestor» размерами: 5,5 м длиной, 2,1 м шириной и 1,5 м высотой. Производительность этого реактора – около 110 кг перерабатываемых отходов ежедневно. Конструкция реактора состоит из двух частей, каждая по 2,4 м, которые в свою очередь состоят из отдельных лож по 0,6 м шириной каждая, имеющих системы вентиляции и гидравлическое оборудование для отделения биогумуса.

Пищевые отходы предварительно проходят через сепаратор, изготавливаемый этой же фирмой, где они перемешиваются, становятся однородными, освобождаются от избыточной влаги. После сепаратора однородная масса отходов с помощью ленточного конвейера подается в верхнюю зону лож. Каждые 2–4 недели (по потребности) запускается гидравлическое оборудование для отделения биогумуса из нижних зон лож.

При эксплуатации этого вермиреактора в медицинском университете штата Южная Каролина (США) для переработки пищевых отходов кафетерия в количестве 45 кг ежедневно каждый месяц получают около 230 кг биогумуса, который используется для нужд озеленения прилегающей к университету территории.

В конце прошлого века (в 1997 г.) был создан автоматический вермиреактор непрерывного действия Worm Gin американской корпорацией «Worm Wold inc.»

(патент US 6223687).

Конструктивно он состоит из ряда вермилож, которые располагаются на поверхностях конвейерных лент. Количество рядов этих вермилож с конвейерами, размещаемых с целью экономии площади помещения друг над другом, может быть достаточно большим и лимитируется высотой помещения.

Отходы (корм) для червей подаются из центрального бункера автоматически в каждую ложу, а готовый биогумус непрерывно удаляется ежедневно. При обеспечении регулярной подачи отходов и удаления биогумуса цикл его созревания составляет 7 суток. При производительности 1 т перерабатываемого материала в сутки стоимость такого вермиреактора составляет 40–50 тыс. долларов США.

193

Разработанные этой фирмой вермиреакторы такого типа широко эксплуатируются не только в США, но и в Канаде, Австралии и Южной Корее.

Наряду с промышленными вермиреакторными технологиями довольно часто возникают потребности в переработке небольших объемов органических отходов на установках периодического действия в условиях небольших агротехнических хозяйств, у любителей-садоводов, в малых фермерских хозяйствах, а также в условиях отдельного жилого дома или квартиры с помощью небольших вермиреакторов малой производительности, удобных в эксплуатации и экономически доступных для широкого слоя потребителей.

Несмотря на большое разнообразие конструкций таких мини-вермиреак- торов, они обычно основаны на использовании простого и общего для них принципа. Органический материал (отходы) ежедневно укладывается слоями

вверхнюю зону емкости (ложи). Нижняя зона емкости выполняется дырчатой или, что чаще всего, в виде сетки. Тонкий слой готового биогумуса с помощью движущегося скребка соскабливается (удаляется) со дна емкости над сеткой или проваливается через сетку вниз в установленные под него ящикиприемники.

Эти вермиреакторы могут быть очень простыми с применением ручного труда, изготавливаются из подручных материалов, а могут быть и довольно сложными, с частичной или полной автоматизацией, с контролем температуры, влажности, с системой увлажнения, аэрации и т.п.

Обычно такие вермиреакторы должны быть защищены от неблагоприятных метеоусловий и располагаться зимой и в переходные периоды года в закрытых отапливаемых помещениях.

Внастоящее время на рынке имеется много типов и модификаций минивермиреакторов, различающихся производительностью, уровнем механизации и автоматизации, качеством материалов, из которых они изготовлены, потребностью в электроэнергии, ценовым диапазоном.

Одним из наиболее покупаемым в США и отличающимся удачным техни- ко-экономическими и эксплуатационными характеристиками является вермиреактор Worm Wigwan (червивый вигвам), который производит фирма «EPM Inс»

вгороде Коттедж Грув, штат Орегон, США.

Этот вермиреактор в силу своей высокой эффективности и простоты обслуживания, экономической доступности широко используется по всей территории США в школах, университетах, госпиталях, колледжах, офисах и военных базах. «Вигвам» сделан из переработанного пластика, размер его 0,9 м в диаметре и около 1 м в высоту. Внутри на высоте 48 см от основания находится гальванизированная стальная сетка. Для помещения, в котором происходит процесс вермикомпостирования, соответственно остается 52 см, а внизу находится ящик для хранения готового биогумуса. Снаружи имеется ручка,

194

которая приводит в движение брусок, извлекающий тонкий слой готового биогумуса из под сетки и над ней.

Ввермиреактор при первой загрузке перерабатываемых отходов добавляется около 16 кг червей (35–40 тыс. взрослых особей), которые за год перерабатывают около 3,5–4,0 т органических отходов в зависимости от их качества, регулярности загрузки, поддержания оптимальных параметров температуры, влажности, плотности укладки перерабатываемых отходов.

Для обеспечения использования вермиреактора в периоды низких температур он должен подогреваться и теплоизолироваться для исключения теплопотерь, либо располагаться в отапливаемом помещении.

Габаритные размеры этого вермиреактора и его геометрия позволяют при необходимости размещать их плотно друг к другу в ряду в случаях, когда его единичная производительность недостаточна для переработки больших объемов образующихся отходов.

Несмотря на большие достижения в области разработки и предложений на рынке различных систем, типов и видов вермиреакторов, в России часто используются самодельные устройства, использующие этот принцип и методы вермикомпостирования, особенно в малых вермихозяйствах.

Выбор вермиреакторных технологий обычно производится на основе комплексных критериев (экономической доступности, сроков амортизации и окупаемости, потребности в инженерной инфраструктуре, доли ручного труда, потребности в привлечении квалифицированного персонала, производительности, задалживания территорий и производственных площадей, автономности в работе, экологической безопасности и др.).

3.3.Качество целевых продуктов вермикомпостирования

иосновные направления их использования

Впроцессе вермикомпостирования органических отходов потребления

ипроизводства возможно получение двух групп целевых продуктов – вермикомпостов и биомассы дождевых червей.

3.3.1. Вермикомпосты

Вермикомпосты в зависимости от качества используемых материалов, подвергающихся вермикомпостированию, особенностей технологических процессов и их аппаратного оформления, степени зрелости компоста, а также целевых установок по получению материалов заданного качества могут существенно различаться по своим характеристикам (физическим, химическим, биологическим),

195

удобрительной ценности, экологической, санитарно-токсикологической, гигиенической и санитарно-эпидемиологической безопасности.

Биомасса червей, ее качественные характеристики и количественный выход тоже зависят от качества исходного сырья, используемой маточной вермикультуры, применяемой технологии и ее аппаратного оформления, целевых установок по получению биомассы заданного количества и качества в зависимости от направления последующего использования.

Вермикомпосты можно охарактеризовать как органические материалы, которые получаются при взаимодействии дождевых червей и микроорганизмов в результате мезофильных процессов в диапазоне температур перерабатываемого субстрата от 10 до 32 °С. После прохождения перерабатываемого органического субстрата через кишечник дождевых червей получаются капролиты – биологически стабилизированные высокогумусированные органические удобрения. Вермикомпосты обладают высокими уровнями микробиологической иферментативной активности, комковато-зернистой структурой, высоким влагоудержанием, содержат питательные макро- и микроэлементы в доступных для растений формах. В состав вермикомпостов входят также гормоны роста и гуминовые вещества, которые действуют как регуляторы роста растений. В отличие от компостов в вермикомпостах содержатся в значительных количествах антибактериальные и антигрибковые пептиды и репелленты.

Эти свойства вермикомпостов как удобрений позволили Н.М. Городнему, И.А. Мельнику и А.Г. Сердюку охарактеризовать их как новое поколение органических натуральных удобрений пролонгированного действия.

Применение вермикомпостов позволяет получить синхронный эффект реабилитации контаминированных и находящихся под эрозионным воздействием почв, соблюдения биосферно-биогеоценотических основ ведения сельского хозяйства в целях получения максимального количества биологически полноценной продукции при сохранении биопродуктивности почв. Вермикомпост является сложным органическим материалом, который содержит не только капролиты червя, но также и продукты биоконверсии подстилки, используемой при вермикультивировании, а также остатки органических отходов, находящихся на различных стадиях разложения. В вермикомпосте содержатся (если предварительно он не был просеян) черви в различной стадии развития и комплекс микроорганизмов, которые принимают активное участие в биоконверсии органики. В естественных почвенных условиях капролиты дождевого червя обычно содержат в 5–11 раз больше азота, фосфора и калия, чем окружающая почва. В выделениях кишечного тракта дождевых червей питательные вещества более сконцентрированы и доступны для потребления растениями. В капролитах содержатся питательные микроэлементы, которые достаточно сложно произвести обычным способом. В вермикомпосте сложные органические соедине-

196

ния в процессе биоконверсии превращены в более простые, доступные растениям. Содержание питательных веществ в вермикомпосте обычно выше, чем

втрадиционных компостах.

Вкачестве примера можно привести сравнительные характеристики обычного компоста и вермикомпоста, полученного из пищевых отходов и растительных садовых отходов (табл. 3.1). В случаях получения компостов и вермикомпостов из навоза животных содержание в них питательных веществ будет существенно выше [25].

Таблица 3 .1

Сравнительная характеристика компоста и вермикомпоста, полученного из смеси пищевых и растительных садовых отходов [25]

Анализ обширной литературы, посвященной оценке качества вермикомпостов, позволяет сделать вывод о том, что в случаях использования биоконверсируемых органических отходов, которые содержат в приемлемых количествах ЭХВ в качестве сырья для получения вермикомпоста, его качество при известных различиях в соотношении C : N, колебаниях содержания основных органогенов, микроэлементов, гуминовых веществ не только отвечает общепринятым требованиям к обычным органическим удобрениям, но и, как правило, выгодно отличается от них по таким основным показателям, как сбалансированное содержание всех необходимых для развития растений макро- и микроэлементов, ростактивирующих веществ, витаминов, антибиотиков и полезной микрофлоры

[4, 14, 17, 26–42].

Как было установлено большинством исследователей, внесение вермикомпостов в почву существенно улучшает ее микробную структуру, увеличива-

197

ет общее число бактерий в пересчете на килограмм почвы, интенсифицирует преобладающие в почве микробные процессы и улучшает усвоение растениями необходимых им питательных веществ.

В связи с высокой вариабельностью качественных санитарно-химических, экологических, физических и микробиологических характеристик вермикомпостов в зависимости от состава и качества исходных компонентов, технологии вермикомпостирования, целевых установок по заданному качеству получаемых продуктов целесообразно руководствоваться определенными критериями использования вермикомпостов, гарантирующими безопасность их применения (экологическую, санитарно-эпидемиологическую, токсикологическую и др.).

Определенная сложность заключается в том, что до настоящего времени отсутствуют государственные нормативы качества вермикомпоста, а имеющиеся ведомственные технические условия на вермикомпосты и рекомендации по их применению ориентированы на конкретные почвенные условия, климатогеографические особенности, качественные характеристики используемых исходных материалов (сырья для производства вермикомпостов), технологических процессов и тому подобное, что придает им частный характер и исключает широкое их использование в масштабах страны.

Отсутствие государственных стандартов и нормативов качества вермикомпоста создает трудности при определении достаточности мер безопасного его применения. Вместе с тем до выхода таких нормативных документов с целью исключения недопустимых уровней рисков (экологических, санитарных и др.), возникающих при применении вермикомпостов, целесообразно руководствоваться принципами и критериями, которые оправдали себя в области применения обычных компостов: после внесения вермикомпоста в почву в заданных количествах и в определенные сроки с интервалами применения содержания в почве опасных ЭХВ с учетом рассеивания в пахотном слое не должно превышать их ПДК в почве. Патогенные микроорганизмы и гельминты, другие возбудители паразитарных заболеваний в вермикомпостах вне зависимости от возможных областей их применения должны отсутствовать [14, 43].

До последнего времени практическое использование биогумуса основывается на несистематизированных данных зарубежной литературы и ряда разработок отечественных исследователей без должного научного обеспечения и без надлежащего агрохимического и санитарно-гигиенического контроля со стороны уполномоченных органов [17]. Вместе с тем в нашей стране в разных климатогеографических условиях в последнее десятилетие накоплен опыт применения биогумуса в целях повышения плодородия и продуктивности почв, повышения урожайности ряда сельскохозяйственных культур, снижения эрозионных процессов, регулирования водного режима почв, биоремедиации контаминированных территорий.

198

Установлено, что в биогумусе содержится менее по сравнению с исходными субстратами химических полютантов, это позволяет сделать выводы о целесообразности применения биогумуса в качестве химического мелиоранта в условиях контаминированных территорий. Т. Смаиловой [44] установлено, что при внесении в почву биогумуса, содержащего в своем составе ряд водонерастворимых органо-минеральных производных, обладающих высокой поглотительной способностью, происходит закрепление их в почве. Эти соединения аккумулируют энергию и питательные вещества, которые медленно в течение нескольких лет поступают в почву, создавая эффект пролонгированного действия удобрительных свойств биогумуса.

Ряд исследователей указывают на улучшение физических свойств почвы при внесении биогумуса: снижается коэффициент дисперсности почвы, возрастают прочность ее микроструктуры, степень агрегированности, увеличивается водоудерживающая способность. При этом улучшаются не только воднофизические свойства (влажность, водопроницаемость), но и воздушный режим за счет уменьшения объемной массы. Применение биогумуса в качестве мульчирующего материала снижает испаряемость воды, что сказывается благоприятно на водном балансе почвы в засушливые периоды года и позволяет снизить расходы воды при поливном земледелии [4, 45].

Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований по агроэкологической эффективности биогумуса при внесении его в почву позволяет сделать выводы о том, что он оптимизирует агрохимические, макро- и микробиологические свойства почвы, улучшает ее физические характеристики, благоприятно влияет на водный и воздушный режим, позволяет сохранить плодородие и продуктивность почв, является химическим мелиоратом контаминированных почв, приводит к существенному приросту урожайности основных сельскохозяйственных культур.

3.3.2. Биомасса дождевых червей

Биомасса дождевых червей используется по нескольким направлениям: в виде живой вермикультуры для последующего воспроизводства маточных культур; в качестве сырья для производства кормовых и пищевых добавок; для корма как в сыром, так и частично в переработанном виде различным животным и рыбам; как биологически активная основа для производства протекторных, медицинских и ветеринарных лечебных средств, косметической продукции и т.д.

При каждом конкретном направлении использования биомассы, получаемой в процессах вермикультивирования и вермикомпостирования, к ее качеству предъявляются определенные требования по соответствию основным критериям для данного направления использования.

199

Так, при использовании полученной биомассы в качестве живой вермикультуры для последующего воспроизводства местных культур основными критериями ее оценки являются: быстрый прирост биомассы; скорость и производительность утилизации субстрата; плодовитость; инкубационный период созревания коконов; скорость роста; масса половозрелой особи; интенсивность питания (прожорливость); срок наступления половой зрелости; продолжительность жизни; адаптационные возможности к температурным режимам и качеству утилизируемых субстратов; реагирование на такие неблагоприятные физические факторы, как вибрация, воздействие ветра, яркого освещения и др.

Из большого числа факторов, влияющих на жизнедеятельность и продуктивность дождевых червей, основными считаются влияние температуры перерабатываемого субстрата и окружающей среды, качество субстрата, его влажность.

Разнообразие требований, предъявляемых к вермикультуре при вермикомпостировании различных субстратов, при большом разбросе характеристик температурных и других макро- и микроклиматических условий, не позволяет рекомендовать какую-либо одну линию дождевого червя, даже самого широкого профиля, например, гибрида красного калифорнийского червя. Это определяет необходимость выбора из имеющихся линий червей наиболее подходящую для данных конкретных условий и задач, а при ее отсутствии – проводить селекционную работу по адаптации имеющихся линий червей.

Современный уровень развития биотехнологий по селекции червей позволяет с использованием методов биохимической генетики получать линии червей, обладающих оптимальными продукционными параметрами для различных перерабатываемых субстратов и конкретных климато-географических и технологических условий [46].

Нами на кафедре охраны окружающей среды ПНИПУ была проведена работа по адаптации местных линий дождевых червей к переработке отходов с высоким содержанием целлюлозы. В качестве исходных были взяты черви из пограничных зон короотвалов. После длительной их культивации на субстратах, содержащих отходы окорки древесины разных сроков хранения, а также азотсодержащие отходы (упаренные щелока от варки целлюлозы и птичий помет), были получены маточные вермикультуры с хорошими продукционными характеристиками.

При использовании биомассы в качестве сырья для производства кормовых и пищевых добавок, а также при прямом скармливании как в сыром, так и частично переработанном виде различным животным и рыбам важным является содержание в биомассе биологически ценных веществ.

200