С ростом численности населения Земли и увеличением потребления как естественные, так и искусственно созданные экосистемы испытывают все большую нагрузку. Так, ежегодно увеличивается количество отходов, которые размещаются на полигонах, при этом около 60% из них являются органическими и могли бы быть переработаны биологическими методами, например, компостированием или анаэробным сбраживанием. При этом размещение их на полигонах приводит к изъятию земель, эмиссии парниковых газов, образующихся в результате разложения отходов в теле полигона, появлению очагов самовозгорания, загрязнению грунтовых вод, а самое важное – к потере органогенных элементов.
Образующиеся в результате брожения и компостирования субстраты содержат доступные растениям углерод, азот, фосфор, калий, а также микроэлементы, поэтому могут быть использованы в качестве органических удобрений, что сократит производство и использование минеральных удобрений. В крупных городах в больших количествах образуются твердые коммунальные отходы и отходы от очистки сточных вод.
На базе ФГАОУ ВО КФУ была оценена эффективность совместной утилизации органической фракции твердых коммунальных отходов (ОТС) и осадка сточных вод (ОСВ) методами последовательного анаэробного сбраживания и компостирования. Совместное использование анаэробного сбраживания и компостирования позволяет компенсировать недостатки каждой технологии в отдельности. В исследовании использовали смесь ОСВ+ОТС, составленную таким образом, чтобы ее характеристики (соотношение C/N, рН) были оптимальными как для компостирования, так и для анаэробного сбраживания. В качестве сравнения выступали индивидуальные образцы ОСВ и ОТС.
Анаэробное сбраживание осуществляли при 55ºС в герметичных сосудах. Установлено, что выход биогаза прекращается к 25 суткам (рис. 1).
Образующиеся в результате брожения и компостирования субстраты содержат доступные растениям углерод, азот, фосфор, калий, а также микроэлементы, поэтому могут быть использованы в качестве органических удобрений, что сократит производство и использование минеральных удобрений. В крупных городах в больших количествах образуются твердые коммунальные отходы и отходы от очистки сточных вод.
На базе ФГАОУ ВО КФУ была оценена эффективность совместной утилизации органической фракции твердых коммунальных отходов (ОТС) и осадка сточных вод (ОСВ) методами последовательного анаэробного сбраживания и компостирования. Совместное использование анаэробного сбраживания и компостирования позволяет компенсировать недостатки каждой технологии в отдельности. В исследовании использовали смесь ОСВ+ОТС, составленную таким образом, чтобы ее характеристики (соотношение C/N, рН) были оптимальными как для компостирования, так и для анаэробного сбраживания. В качестве сравнения выступали индивидуальные образцы ОСВ и ОТС.
Анаэробное сбраживание осуществляли при 55ºС в герметичных сосудах. Установлено, что выход биогаза прекращается к 25 суткам (рис. 1).
Рисунок 1. Выход (а) и состав (б) биогаза при сбраживании смеси ОСВ+ОТС
Кумулятивный выход биогаза при сбраживании смеси ОСВ+ОТС составил 125 мл/г сух. в-ва, что в 1,7-2,7 раз выше относительно индивидуальных отходов ОСВ и ОТС соответственно. Показателем эффективности процесса является общий выход биогаза и его состав, так, в составе биогаза преобладал метан: 43% на 3-и сутки, 71% на 7-е и 14-е сутки процесса. Ожидаемо происходило снижение содержания органического углерода (до 28% в смеси), и отсутствовали существенные изменения в содержании азота. Анаэробное сбраживание смеси привело к снижению токсичности, оцененному в тесте с инфузориями (Paramecium caudatum) в 11 раз и ветвистоусыми рачками (Daphnia magna) в 6 раз, однако не привело к снижению фитотоксичности (Индекс прорастания — GI варьировался в интервале 81-89%).
Для дальнейшего компостирования полученные дигестаты (анаэробно сброженные смеси) ОСВ, ОТС и ОСВ+ОТС были обезвожены, к ним в качестве структурирующего агента добавлены промасленные опилки. Для доведения соотношения C/N до оптимальных значений в смеси была добавлена мочевина. В процессе компостирования обнаружено увеличение содержания азота, особенно при компостировании смеси ОСВ+ОТС. Важными показателями качества готового компоста являются его зрелость и стабильность, которые определяются с использованием таких параметров, как токсичность по отношению к растениям и интенсивность респираторной активности микробного сообщества компостов (рис. 2).
Для дальнейшего компостирования полученные дигестаты (анаэробно сброженные смеси) ОСВ, ОТС и ОСВ+ОТС были обезвожены, к ним в качестве структурирующего агента добавлены промасленные опилки. Для доведения соотношения C/N до оптимальных значений в смеси была добавлена мочевина. В процессе компостирования обнаружено увеличение содержания азота, особенно при компостировании смеси ОСВ+ОТС. Важными показателями качества готового компоста являются его зрелость и стабильность, которые определяются с использованием таких параметров, как токсичность по отношению к растениям и интенсивность респираторной активности микробного сообщества компостов (рис. 2).
Рисунок 2. Изменение респираторной активности при компостировании смесей на основе анаэробно сброженных отходов: 1 — ОСВ, 2 — ОТС, 3 — ОСВ+ОТС
Динамика респираторной активности в процессе компостирования схожа для всех компостных смесей: невысокие значения в начале процесса (на 7-е сутки), увеличение к 30-60 суткам в 2-7 раз, снижение к 90-м суткам до уровня начальных значений или ниже. Однако респираторная активность для смеси из ОСВ и опилок на протяжении всего процесса была ниже, чем у вариантов ОТС и ОСВ+ОТС, что может говорить о неэффективных процессах аэробной деструкции органического вещества. Для смеси ОСВ+ОТС характерны высокие значения респираторной активности в середине процесса и существенное снижение значений к 90-м суткам, что свидетельствует о завершении эффективных процессов аэробного окисления и стабилизации компоста к 90-м суткам.
Для оценки пригодности использования компостов в качестве удобрения (показатель зрелости компоста) были проведены тесты на фитотоксичность: элюатный и контактный. Для элюатного тестирования готовили водную вытяжку из компоста, в случае контактного тестирования компост вносили в почву. Согласно полученным данным, все исходные смеси характеризовались низким значением индекса прорастания (GI) как в элюатном так и в контактном тстах, и, соответственно, обладали высокой фитотоксичностью. Данные элюатного тестирования коррелируют с данными контактного на протяжении всего эксперимента. К 30-м суткам фитотоксичность компостных смесей увеличилась, и индекс прорастания достиг минимальных значений. Такое снижение GI может быть связано с образованием фитотоксичных компонентов в процессе компостирования. К числу таких соединений относятся фенолы (пирокатехин, гидрокситирозол, тирозол, олеуропеин) и жирные кислоты (масляная, уксусная, стеариновая, олеиновая). К 60-м суткам индекс прорастания увеличился и достоверно не отличался от такового у исходных смесей. В ходе компостирования GI увеличивался и к 90-м суткам достиг 115-139%, что свидетельствует о появлении у компоста удобрительных свойств.
Полученные данные свидетельствуют о том, что именно применение анаэробного сбраживания с последующим компостированием позволяют получить компост, обладающий хорошими удобрительными свойствами.
Автор: Курынцева Полина Александровна, к.б.н., доцент кафедры прикладной экологии, заведующий НИЛ «GreenAgro» Института экологии и природопользования ФГАОУ ВО КФУ polinazwerewa@yandex.ru
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор, директор Института экологии и природопользования ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Селивановская Светлана Юрьевна
Для оценки пригодности использования компостов в качестве удобрения (показатель зрелости компоста) были проведены тесты на фитотоксичность: элюатный и контактный. Для элюатного тестирования готовили водную вытяжку из компоста, в случае контактного тестирования компост вносили в почву. Согласно полученным данным, все исходные смеси характеризовались низким значением индекса прорастания (GI) как в элюатном так и в контактном тстах, и, соответственно, обладали высокой фитотоксичностью. Данные элюатного тестирования коррелируют с данными контактного на протяжении всего эксперимента. К 30-м суткам фитотоксичность компостных смесей увеличилась, и индекс прорастания достиг минимальных значений. Такое снижение GI может быть связано с образованием фитотоксичных компонентов в процессе компостирования. К числу таких соединений относятся фенолы (пирокатехин, гидрокситирозол, тирозол, олеуропеин) и жирные кислоты (масляная, уксусная, стеариновая, олеиновая). К 60-м суткам индекс прорастания увеличился и достоверно не отличался от такового у исходных смесей. В ходе компостирования GI увеличивался и к 90-м суткам достиг 115-139%, что свидетельствует о появлении у компоста удобрительных свойств.
Полученные данные свидетельствуют о том, что именно применение анаэробного сбраживания с последующим компостированием позволяют получить компост, обладающий хорошими удобрительными свойствами.
Автор: Курынцева Полина Александровна, к.б.н., доцент кафедры прикладной экологии, заведующий НИЛ «GreenAgro» Института экологии и природопользования ФГАОУ ВО КФУ polinazwerewa@yandex.ru
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор, директор Института экологии и природопользования ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Селивановская Светлана Юрьевна