Особенности компостирования навоза крупного рогатого скота и фосфоритного шлама с добавкой фосфогипса

Введение. Главная перспектива развития сельского хозяйства связана с повышением урожайности за счет внедрения новейших технологий, обработки почвы, создания высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур и комплексного применения минеральных и органических удобрений. Благодаря применению минеральных удобрений обеспечивается в среднем 40-50% прироста урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому во всем мире наблюдается рост производства минеральных удобрений. В Узбекистане создана отрасль химической промышленности, работающая на сельское хозяйство. Три завода производят азотные удобрений, три завода - фосфорсодержащие и один завод - калийные удобрения.

В 2017 г. промышленность Узбекистана произвела 942,72 тыс. тонн азотных удобрений, 148,42 тыс. тонн фосфорных и 183,0 тыс. тонн калийных в расчете на 100 % питательных компонентов. А потребность сельского хозяйства Республики составляет 839,58 тыс. тонн в год азотных удобрений, 525,21 тыс. тонн фосфорных и 278,92 тыс. тонн калийных. Отсюда видно, что промышленность удовлетворяет потребность сельского хозяйства Республики только по азотным удобрениям, а по калийным удобрениям всего лишь на 65%. В ближайшее время заработает на полную мощность вторая очередь Дехканабадского калийного завода, и он будет производить уже 360 тыс. тонн К₂О в год, тем самым, будет удовлетворена потребность сельского хозяйства в калийсодержащих удобрениях. Как видно, фосфорными удобрениями, промышленность удовлетворяет потребность сельского хозяйства только на 28%. Это связано с нехваткой обогащённого фосфатного сырья.

Предприятия, производящие фосфорные удобрения, фосфатным сырьем обеспечивает Кызылкумский фосфоритовый комбинат. Для этого комбинат осуществляет многостадийное обогащение зернистых фосфоритов Кызылкумского месторождения: дробление, сухое обогащение с получением рядовой фосфоритовой муки, отмывку фосфоритовой муки от хлора, сушку и обжиг для удаления СО₂. Таким образом, комбинат ежегодно выпускает 716 тыс. тонн (или 186,16 тыс. тонн Р₂О₅) мытого обожженного фосфоконцентрата. При этом объем добываемой сырой фосфоритной руды составляет 1 млн. 650 тыс. тонн (287,1 тыс. тонн Р₂О₅) со средним содержанием 17,4% Р₂О₅. При обогащении происходят большие потери фосфора. Валовый выход Р₂О₅ в фосфоконцентрат составляет всего ~ 65% от исходного сырья. При сухой сортировке руды из процесса обогащения выводится забалансовая руда, так называемая минерализованная масса (12-14% Р₂О₅). А при промывке фосфоритовой муки от хлора образуется шламовый фосфорит (8-12%), который также выбрасывается в отвал. А на стадии обжига отмытой фосфоритовой муки выделяется пылевидная фракция (18-20% Р₂О₅). В общем случае с ними ежегодно теряется 100,94 тыс. тонн Р₂О₅.

В условиях снижения доступности для сельского хозяйства концентрированных фосфорных удобрений представляет большой интерес вовлечение отходов обогащения фосфоритов, как источника фосфора. Так как традиционные методы переработки фосфоритов- азотно-, соляно- и сернокислотные, для некондиционных фосфоритов не приемлемы.

Эффективным способом использования некондиционных фосфоритов для получения фосфорсодержащих удобрений является компостирование их с отходами животноводческих ферм- навозом крупного рогатого скота или птичьим помётом. Навозно-фосфоритные компосты позволяют наиболее эффективно использовать некондиционные фосфориты, как источник фосфора. При компостировании навоза с фосфатным сырьем повышается скорость гумификации органического вещества навоза, сокращаются потери из него органических веществ и азотных соединений, к тому же, за счет взаимодействия с гуминовыми веществами фосфор фосфатного сырья переходит из неусвояемой в усвояемую форму [1].

В работе [2] приведены основные принципы компостирования по которому основной научный принцип компостирования заключается в том, что после его завершения необходимо достигнуть: максимальной степени гумификации; наименьших потерь органического вещества; максимального сохранения питательных веществ N, P, K и минимальных их потерь; максимальной гибели семян сорняков; максимальной стерилизации компоста от патогенной флоры и гельминтофауны. Основными условиями, которые обеспечивают нормальный процесс компостирования, являются: влажность, кислотность, соотношение С/N, плотность смеси, равномерность перемешивания, температура окружающей среды, аэрация, микробиологические и биохимические факторы.

Для создания вышеуказанных условий в компостах и получения высококачественного удобрения, сбалансированного по элементам питания, с минимальной потерей органических веществ и аммиачного азота, а также для интенсификации процессов гумификации при приготовлении компостов кроме фосфатов также вводятся различные добавки. Одной из таких добавок является промышленный отход - фосфогипс. Введение фосфогипса необходимо для поддержания рН, также он способствует сокращению потерь органических веществ и азота при взаимодействии навоза с фосфогипсом в котором содержится сернокислый кальций. Значительная часть аммиака навоза превра­щается в сернокислый аммоний. Органические кислоты образуют нерастворимые соли кальция.

Мировая практика производства фосфорных удобрений показывает, что во всех странах мира, где осуществляется переработка природных фосфоритов и апатитов в качестве многотоннажного отхода образуется фосфогипс. При получении 1 тонны фосфорной кислоты образуется 3,6- 6,2 тонн фосфогипса в пересчете на сухое вещество или 7,5- 8,4 т влажного фосфогипса. Только на Алмалыкском АО «Аммофос-Максам» в отвалах скопилось свыше 65 млн. тонн фосфогипса.

Несмотря на многочисленные исследования и разработки по его утилизации, широкомасштабного использования в народном хозяйстве он ещё не получил. В сельском хозяйстве фосфогипс используется главным образом для мелиорации природных солонцов, ликвидации вторичного осолонцевания орошаемых почв, повышения плодородия солонцеватых почв и уменьшения кислотности почв нечерноземной зоны в смеси с карбонатом кальция [3-5].

Необходимо отметить, что в целях получения высоких урожаев из сельскохозяйственных культур интенсивно используются орошаемые почвы Республики, применяются большие нормы минеральных удобрений, химические средства защиты растений и т. д. В связи с этим почвенный покров орошаемых почв претерпевает большие изменения. Это связано с ухудшением структуры пахотного слоя, изменением ее гранулометрического и валового составов, соотношения микро- и макроагрегатов, аэрации, водоудерживающей способности, повышением плотности, снижением содержания запасов питательных и гумусовых веществ. Все эти процессы способствуют снижению плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. В тоже время в Республике, как и другие отрасли, развивается и животноводство. В настоящее время поголовье крупного рогатого скота (КРС) достигло до 11,5 млн. голов. Известно, что одним из высокоценных органических ресурсов для получения органических и органоминеральных удобрений путем компостирования, является навоз КРС. Полученные органические и органоминеральные удобрения путем компостирования навоза КРС широко используются для мелиорации и восстановления экологических функций почвенного покрова во многих странах мира. Также в настоящее время намного эффективнее проявила себя подготовка сложных компостов. Для этого используются отходы животноводства, а также сельскохозяйственных и промышленных производств (навоз КРС, растительные остатки и фосфогипс).

В работе [6] показано, что в процессе компостирования органических отходов (навоз, осадки сточных вод и др.) с различными минеральными добавками (фосфогипс, отходы производства калийных удобрений и др.) вредные микроорганизмы погибают за счет колебания реакции среды и действия высоких температур (экзотермические реакции разложения), в результате чего компостируемый материал становится непригодной средой для обитания микроорганизмов – патогенов. Известны результаты эксперимента со спорами сибирской язвы, способные сохраняться в почве до 100 лет. По данным Knoll K.H. (1964), при влажности 40–60 % и аэробном разложении бациллы сибирской язвы в компосте погибают уже через 17 дней. Иными словами, в процессе компостирования органических и минеральных отходов происходит обеззараживание органических отходов, обладающих опасными свойствами, с образованием субстрата, пригодного для дальнейшего использования без риска для здоровья населения.

В работе [7] запатентован способ утилизации отходов животных. В состав средства входят 50-90% СаSO₄; 3-10% Na₂CO₃ или NaHCO₃ 2-10% очищенного мела; 1-10% целлюлозосодержащих веществ; 2-10% глинистых минералов, а также добавки и микроэлементы. В качестве сульфата кальция рекомендовано использовать гипс или ангидрит, а в качестве глинистых минералов – бентонит. Экскременты животных смешивают с 1-10 % указанного средства и далее используют для получения удобрений.

Согласно способу [8] органоминеральный компост получают следующим образом. В летний период в условиях среднесуточных температур смешивают фосфогипс, свиной навоз, осадки сточных вод и навоз крупного рогатого скота при следующем их соотношении (мас.%): фосфогипс - 10-13, свиной навоз - 11-13, осадки сточных вод - 6-8, навоз крупного скота – остальное. Затем ежемесячно перемешивают в течение 3 месяцев до созревания. Свойства сложного компоста были сравнены с органическим удобрением (навозом КРС). При компостировании навоза КРС совместно со свиным навозом, осадками сточных вод (органическая составляющая) и фосфогипсом (минеральная составляющая) удобрение приобрело ряд положительных качеств. Использование в компосте фосфогипса рН 5,0-5,5 способствовало нейтрализации щелочной реакции среды органических отходов (рН 7,5-8,0). На момент созревания сложного компоста реакция среды составила от 6,5 до 7,5. При хранении чистого навоза КРС отмечены большие потери в нем азота (до двух третей и больше от первоначального его содержания) и органического вещества. При совместном компостировании навоза крупного рогатого скота, свиного навоза, осадков сточных вод с фосфогипсом потеря сокращалась до 40% за счет поглощения аммиака в связи с обменов катионов фосфогипса на ионы аммония. Вместе с азотной частью в сложном компосте также сохранялись и органические вещества в силу агрегирования фосфогипса с органической составляющей. Использование в компосте фосфогипса способствовало обеззараживанию органической составляющей. Это связано с влиянием серной, фосфорной и других кислот фосфогипса на гельминты, которые в кислой среде погибают в связи с мацерацией их оболочки. Использование данного компоста на опытных полях повлияло на агрофизические характеристики почвы: по сравнению с контрольным вариантом (без внесения компоста) на 12% увеличилось содержание мелкодисперсных фракций (≤0,005мм); плотность почвы снизилась на 20%; пористость почвы увеличилась на 15-19, а влагоемкость – на 40-45%. Это приводит к улучшению структуры корнеобитаемого слоя почвы, что в свою очередь создает благоприятные условия для интенсивного роста и развития сельскохозяйственных культур. Процесс агрегирования почвы при внесении органоминерального компоста, полученного с добавкой фосфогипса, усиливал стабильность органического вещества в почве, поскольку основным центром аккумуляции органического азота и углерода являются микроагрегаты, представляющие собой комплексы коллоидных частиц фосфогипса с органическими коллоидами почвы и органических отходов (навоза КРС, свиного навоза, осадков сточных вод). Совмещение органических минеральных составляющих сложного компоста благоприятствует улучшению аэрации почвы, обогащению ее кислородом, повышению порозности и снижению плотности, активному поглощению и более экономному расходованию влаги. На опытном участке, где вносился данный компост, повысилось содержание дождевых червей и энхитреид – важнейших производителей гумуса, которое связано с повышением в почве органического вещества и продуктивной влаги. Увеличение численности популяции дождевых червей говорит о благоприятных условиях питания и развития при совместном внесении в почву сложного компоста. Так, численность дождевых червей на контроле составила 2, на опытном участке -65 экз/м³ , а энхитреид соответственно – 115 и 227 экз/м³. Через год после внесения органоминерального компоста в дозе 60 т/га также наблюдалось снижение содержания подвижных форм тяжелых металлов. Это обусловлено усилением сорбционного потенциала состава испытываемого органоминерального компоста и, следовательно, связыванием подвижных форм тяжёлых металлов в труднодоступные для растений соединения.

Также известен способ [9] получения органоминерального удобрения, включающий компостирование безподстилочного навоза крупного рогатого скота, внутрифермерских отходов, почвы, соломы и отхода химического производства – фосфогипса. Согласно которому, указанные компоненты послойно укладывают на уплотнённой глиняной площадке с заглубленным днищем при следующем соотношении (мас.%): безподстилочный навоз КРС - 65-70, почва - 5-8, внутрифермерские отходы - 2-5, фосфогипс - 15-20, а остальное - солома. Ежемесячно в течение 4-4,5 месяцев до созревания осуществляют перемешивание. Опытный компост приготовили на глиняной площадке объёмом 600 м³ с заглубленным днищем на 0,4 м (высота компоста – 2,0 м, ширина площадки 5 м, длина площадки – 50 м), предусмотренной для 500 т органоминерального удобрения из расчета 0,8-0,9 т/м³. Безподстилочный навоз КРС, как основной органический компонент, размещали послойно с почвой, внутрифермерскими отходами и фосфогипсом на соломенную подушку со следующей последовательностью и толщиной: 1) солома - 25-30 см, 2) безподстилочный навоз КРС – 25-25 см, 3) почва - 5-10 см, 4) фосфогипс - 10-15 см, 5) бесподстилочный навоз КРС – 25-25 см, 6) почва - 5-10 см, 7) фосфогипс - 10-15 см, 8) безподстилочный навоз КРС – 25-25 см, 9) почва - 5-10 см, 10) внутрифермерские отходы - 25-35 см, 11) фосфогипс - 10-15 см, 12) солома – 15-25 см. Компосты опытного (смешанного) и контрольного вариантов созданы одновременно; период их созревания 4,0-4,5 месяцев (с середины апреля до середины сентября). Перемешивание смеси опытного варианта и их контроль осуществлялись через 1,5 месяца после закладки с целью улучшения аэрации во всей массе в обоих вариантах в одно время (в конце мая). Далее ежемесячно проводилось перемешивание компоста. В сентябре проанализированы и сравнены некоторые физические и агрохимические характеристики полученных удобрений. Основным физическим показателем явилась агрегированность составляющих компонентов удобрений. По сравнению с контролем уровень агрегированности увеличился на 15% при одновременном улучшении аэрации и поддержания увлажненности около 40%, а также снижении потерь органического вещества и азота. В фосфогипсе емкость катионного обмена представлена минеральной частью, а в навозе в основном – органической. При компостировании чистого навоза без минеральной добавки (фосфогипса) в нем отмечены большие потери азотных соединений, особенно аммиака, а также органического вещества. Сохранение азота в навозе является важной практической и экологической задачей и поэтому представленная технология направлена на использование приемов, предупреждающих его бесполезные потери. Установлено, что потери азота в смеси без использования фосфогипса достигают двух третьих и больше его первоначального содержания. При чередовании слоев навоза КРС и остальных сельскохозяйственных отходов с фосфогипсом происходило поглощение аммиака в связи с обменом катионов фосфогипса на ионы аммония. В расчете на 100 т навоза в сложной органоминеральной смеси (сельскохозяйственные – отходы + промышленный отход - фосфогипс) сохраняется до 500 кг азота. Высокая емкость катионного обмена фосфогипса и органических веществ сельскохозяйственных отходов определяет поглощение большей части аммония и его закрепление. Сумма поглощённых оснований фосфогипса составляет от 30 до 40 мг-экв./100 г; при замещении 30% емкости поглощения фосфогипсом в смеси удерживается аммония в среднем 12-15 мг-экв./100 г субстрата или 120-150 кг на 1 т фосфогипса. Вместе с азотной частью в удобрении с фосфогипсом сохраняются органические вещества (потери сокращаются до 40%) из-за его агрегирования с навозом.

В работе [10] показано, что применение органоминерального компоста, полученного на основе навоза КРС и фосфогипса, способствует улучшению физико-механических свойств выщелоченного чернозема, структурности почвы, увеличивает содержание устойчивых агрономически ценных микроагрегатов в среднем на 8-10%, повышает их водоустойчивость, уменьшает плотность почвы. Это существенно повышает ее пористость, улучшает ее влагоемкость, структуру, способствует поддержанию влаги и улучшает в целом условия развития растений кукурузы. Внесение органоминерального компоста способствует повышению количества органического вещества, увеличивает биологическую активность почвы, существенно изменяет популяционный состав микроорганизмов. В условиях применения органоминерального компоста значительно увеличивался урожай зерна кукурузы – на 39,6%, при этом заметно повышается качество урожая, увеличивается содержание белка в зерне и масса зерен.

Все вышеперечисленные особенности показывают перспективность использования фосфогипса в качестве добавки при приготовлении компостов на основе отходов животноводческих ферм.

Целью настоящего исследования явилось изучение влияния совместного компостирования навоза КРС, ШФ с ФГ на состав получаемых органоминеральных удобрений.

Методология. В качестве исходного сырья была взяты ШФ состава (вес. %): Р₂О_5общ. – 11,57; Р₂О_5усв. - 4,43; Р₂О_5усв. : Р₂О_5общ. = 38,29; СаО – 41,08; Al₂O₃ – 1,84; Fe₂O₃ – 1,42; MgO – 0,61; CO₂ – 20,91; F – 1,52, навоз КРС состава (вес. %): влага – 72,74; зола – 4,19; органические вещества – 23,07; гуминовые кислоты – 2,24; фульвокислоты – 2,77; водораствори­мые органические вещества – 2,11; гумусовые вещества – 7,12; Р₂О₅ – 0,21; N – 0,48; К₂О – 0,74; СаО – 0,41 и ФГ состава (вес.,%): Р₂О_5общ - 1,59_.; Р₂О_5усв - 1,48_.; Р₂О_5водн - 1,12_.; СаО_общ - 37,47_.; СаО_усв - 19,08_.; СаО_водн - 11,26_.; SO_3общ - 54,49_.; SO_3усв.^- 27,4; SO_3водн.-16,88; SO_3водн.:SO_3общ.=31,0%.

Компосты приготовили при массовых соотноше­ниях Навоз : ШФ : ФГ = 100 : 10 : (2-20). В приготовленную смесь добавили воду до содержания влаги 70%. Смесь помещали в полиэтиленовый сосуд емкостью 0,5 л. Чтобы условие приготовления компоста приближалось к естественному, сверху компост покрывался тонким слоем почвы. После чего сосуды помещали в термостат и выдерживали при 25 °С в течение трёх месяцев. Через каждые 15 дней отбирали из них пробы для определения состава. В отобранных пробах содержание различных форм Р₂О₅ определяли согласно известной методике [11]. Зольность определяли по ГОСТ 26714-85, влажность по ГОСТ 26712-85, органическую часть по ГОСТ 27980-80. Водорастворимую фракцию органических веществ извлекали из продуктов водой, отфильтровывали и её количество определяли путем выпаривания фильтрата в водяной бане и высушиванием твердого остатка до постоянного веса, с последующим его сжиганием для определения зольности и её вычитания. Гуминовые кислоты выделяли обработкой продуктов 0,1 н раствором щелочи и подкислением раствора соляной кислотой. Твердая фаза после отделения из нее щелочерастворимых органических веществ представляет собой остаточную органику. Её тщательно промывали дистиллированной водой, затем высушивали до постоянного веса и определяли выход на органическую массу. Разница между количествами щелочерастворимых органических веществ и гуминовых кислот дает нам содержание фульвокислот в компосте.

Результаты. В таблице 1 приведены результаты изменения в компостах содержания общей и относительной усвояемой формы Р₂О₅ в зависимости от весовых соотношений исходных компонентов и продолжительности компостирования. Из неё видно, чем продолжительнее период компостирования навоза с фосфатным сырьем, как без добавки фосфогипса, так и с добавкой, тем выше в смеси степень перехода неусвояемой формы фосфора в усвояемую. Так, если при массовом соотношении навоз : ШФ = 100 : 10, то есть без добавки фосфогипса через 45 дней выдерживания в компосте относительное содержание Р₂О_5усв. увеличивается с исходного 38,29% до 55,93% в продукте, то после 60 дней – до 68,56%, а после 90 дней уже – до 72,03%, то есть в 1,9 раза. С добавлением фосфогипса в компостах содержание Р₂О_5общ. меняется в сторону увеличения от 1,181 до 1,197 %. С увеличением времени компостирования в сложной компостной смеси от 15 до 90 дней содержание Р₂О_5усв. по отношению к общей его форме повышается: при соотношении навоз : ШФ : ФГ = 100 : 10 : 2 от 44,18 до 72,37%, при 100 : 10 : 10 от 46,80 до 73,76% и при 100 : 10 : 20 от 49,50 до 74,87%.

Установлено, что как шламовый фосфорит, так и фосфогипс при компостировании увеличивает в навозе содержание гуминовых кислот, фульвокислот и водорастворимых органических веществ (таблицы 2-4). Причем с увеличением количества добавки фосфогипса их содержание неуклонно растет. Так, если в компостах без добавок фосфогипса через 90 дней содержание гуминовых кислот, фульвокислот и водорастворимых органических веществ составляет 3,49%, 4,17% и 3,26 %, то с 2 %-ной добавкой ФГ – 3,78%, 4,22% и 3,38%, а с 10 %-ной добавкой – 3,72 %, 4,19% и 3,30% соответственно.

Таблица 1.

Изменение усвояемых форм фосфора компостов в зависимости от времени выдержки
и массовых соотношений навоз: ШФ : ФГ

Таблица 2.

Изменение содержания гуминовых кислот в компостах в зависимости от времени выдержки и массовых соотношений Навоз: ШФ : ФГ

Таблица 3.

Изменение содержания фульвокислот в компостах в зависимости от времени выдержки и массовых соотношений Навоз: ШФ : ФГ

Таблица 4.

Изменение содержания водорастворимых органических веществ в компостах в зависимости от времени выдержки и массовых соотношений Навоз: ШФ : ФГ

Рисунок 1. Потеря азота (А) и органических веществ (Б) в компостах в зависимости
от времени выдержки и массовых соотношений Навоз: ШФ : ФГ

На рисунках 1 приведены изменения общего содержания органических веществ и азота в компостах в зависимости от весовых соотношений навоз : ШФ :ФГ. Так, при весовом соотношении навоз : ШФ :ФГ=100 : 10 т. е. без добавки фосфогипса при продолжительности 90 суток потеря органических веществ и азота в газовую фазу составляет 18,65 и 14,68 %, а с добавкой фосфогипса при соотношении навоз : ШФ :ФГ=100 : 10 : 20 потеря органических веществ и азота составляет 11,08 и 9,89 %, т. е. с увеличением содержания фосфогипса в компосте потеря органических веществ и азота в газовую фазу уменьшается.

При изучаемых соотношениях Навоз : ШФ : ФГ (100 : 10 : 20) были получены фосфорногумусовые удобрения, содержащие (вес. %): Р₂О_5общ. от 1,19; Р₂О_5усв. : Р₂О_5общ. 74,87; гуминовые кислоты 3,48; фульвокислоты 4,05; водорастворимые органические вещества 3,16.

Заключение

Изучен состав фосфорногумусовых удобрений, приготовленных на основе компостирования навоза КРС и ШФ с добавкой ФГ, в зависимости продолжительности и от массовых соотношений исходных компонентов. Показано, что при добавлении к навозу фосфатного сырья и фосфогипса в нем повышается концентрация фосфора, усиливаются микробиологические процессы и ускоряется гумификация навоза. Под влиянием органических кислот, образующихся при разложениии навоза, фосфор, входящий состав фосфатного сырья, становится доступным растениям. Чем продолжительнее период компостирования, тем интенсивнее происходят эти процессы. Фосфогипсная добавка к навозно-фосфоритной смеси значительно интенсифицирует процесс гумификации навоза, то есть, в фосфорногумусовых удобрениях увеличивает содержание гуминовых кислот, фульвокислот и водорастворимых органических веществ, причем с увеличением его количества их содержание неуклонно растет.