способ получения биоудобрения

Формула изобретения

Способ получения биоудобрения, включающий смешивание сапропеля и измельченной соломы, компостирование и аэрацию, отличающийся тем, что сапропель и солому смешивают в соотношении 2,5:1, увлажняют, поддерживают значение влажности смеси в пределах 60-70%, а температурный режим внешней среды в пределах 10-30°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в растениеводстве, в земледелии для повышения плодородия почвы, а также при рекультивации земель, нарушенных в ходе ведения горных работ.

В настоящее время одной из актуальных является проблема повышения почвенного плодородия. Стабилизация запаса гумуса в почве определяется поступлением в нее органических веществ. В условиях сельскохозяйственного землепользования большая роль при этом отводится органическим удобрениям. Однако потребность в них удовлетворяется лишь на 30% (Преображенский К.И. Биологическая утилизация древесины на мелиорируемых землях / К.И.Преображенский. - М.: Росагропромиздат, 1988. - С.3). Это приводит к значительному уменьшению плодородия почвы - происходит потеря агрономически ценной структуры, снижается эффективность применяемых минеральных удобрений, прогрессируют эрозионные процессы.

В связи с этим важное значение приобретает использование вторичного сырья и отходов, потенциально являющихся эффективной заменой навоза и других органических удобрений. Одним из таких видов сырья являются сапропели.

Сапропели - донные отложения пресноводных водоемов, представляющие собой органо-минеральные комплексы веществ, формирующиеся из остатков растительных и животных организмов. Мощность отложений для озер лесной полосы обычно равна 3-10 м. Но встречаются отложения мощностью до 20 и даже 40 м (Германов В.П. Применение сапропелевых отложений озер Северной Карелии в качестве удобрений / В.П.Германов // Окультуривание почв и применение удобрений в Карелии. - Петрозаводск, 1988. - С.49-56).

На дне водоемов скапливается огромное количество тонкодисперсных отложений сапропеля, в частности, только в России запасы сапропеля исчисляются 50 млрд. м³ (Лиштван И.И. Использование сапропеля в народном хозяйстве / И.И.Лиштван, М.З.Лопатко. - Минск, 1976). Добываемый из водоемов сапропель обычно применяют как удобрение.

Сапропель содержит необходимые элементы питания растений: фосфор, азот, калий, а также микроэлементы и некоторые биологически активные вещества. Групповой состав органической массы сапропелевых отложений изменяется в следующих пределах (%): гуминовые кислоты - 11,3-43,3; фульвокислоты - 2,1-23,5; гемицеллюлоза - 9,8-52,5; целлюлоза - 0,4-6,0. Сапропели также содержат все необходимые для растений питательные элементы (%): N 1,2-3,4; CaO 2,3-33,5; P₂ O₅ 0,14-0,19; MgO 0,5-1,5; K₂O 0,1-0,6; микроэлементы (Васильев В.А. Справочник по органическим удобрениям / В.А.Васильев, Н.В.Филиппова. - М.: Росагропромиздат, 1988. - С.124-125).

По общему содержанию азота (в среднем 2%) сапропель находится в одном ряду с куриным пометом (1,5-2,5%) и может рассматриваться как источник азота для растений и микроорганизмов.

Известны способы внесения чистого сапропеля путем намыва на поля (патент РФ 2040880, МПК A01C 21/00, A01C 23/00, опубл. 09.08.1995. Способ намыва сапропеля на поля), включающий намыв потоком сапропелевой пульпы, обезвоживание и последующую запашку сапропелевого удобрения, при этом намыв производят при изменении консистенции пульпы и способ намыва сапропеля на поля (патент РФ 2021692, МПК A01G 23/00, опубл. 30.10.1994), предусматривающий намыв сапропеля в чек на полосы борозд без валиков, нарезанных на предварительно увлажненном и уплотненном грунте, чередующихся с участками глубоко взрыхленного грунта.

Также известны способы использования сапропелевых удобрений в высушенном сыпучем и гранулированном виде (Патент РФ 2041866, МПК C05F 7/00, опубл. 20.08.1995; Способ добычи и получения сапропелевого удобрения), предусматривающий проведение сушки и перемешивания сапропеля, очистку от посторонних включений, а затем гранулирование либо измельчение его; способ добычи и получения сапропелевого удобрения (патент РФ 2070550, МПК C05F 7/00, опубл. 20.12.1996), включающий экскавацию сапропеля из озера, перегрузку его на площадку фильтрации, сушку, укладку слоем, дополнительного непрерывного ворошения слоя. В подсушиваемый слой можно дополнительно вводить наполнитель.

Известна также технология получения товарного продукта из сапропеля (sapropek.narod.ru/p21.htm от 29.05.2010), включающая процесс обезвоживания или вымораживания первичного сырья.

Однако действие сапропеля на почвы неоднозначно. Так, намыв свежего сапропеля на поля вызывает ухудшение водно-воздушного режима, агрофизических свойств почвы (Гришина Л.А. Влияние намыва сапропелевых удобрений на агрохимические свойства и гумусное состояние дерново-глеевой почвы / Л.А.Гришина, Н.А.Курмышева // Агрохимия. - 1990. - № 6. - С.113-118).

Кроме того, азот в сапропеле представлен аминокислотами, протеинами и не усваивается растениями (Попов П.Д. Органические удобрения. Справочник / П.Д.Попов, В.И.Хохлов. - М.: Агропромиздат, 1988. - С.54-55).

Предпочтительнее применение сапропеля в виде компостов, что позволяет устранить негативное влияние на почвы свежего сапропеля и перевести содержащиеся в нем питательные элементы в доступные для растений минеральные формы.

Известен способ получения органоминерального удобрения, принятый в качестве прототипа (авт. свид. 1742277, М.кл. C05F 3/00, опубл. 23.06.1992 г.), включающий компостирование, при этом в качестве органических компонентов используют земляной ил или сапропель, соломенную сечку и траву сорных растений, а в качестве минеральных компонентов - суперфосфат и хлорную известь, причем компостирование ведут в течение 1,5-2 мес при аэрации, которую осуществляют путем щелевания компостируемой массы на всю глубину штабеля через 10-15 суток после начала компостирования, а затем через 20-30 суток после первого щелевания.

Его недостатки следующие.

Данный способ сложен в исполнении, требует использования многих компонентов, применение травы сорных растений для компостирования нежелательно, так как семена сорных растений достаточно устойчивы к действию неблагоприятных факторов, длительное время сохраняют жизнеспособность и могут прорастать при применении компоста в качестве удобрения. Применение суперфосфата - искусственного минерального удобрения приводит к нарушению природного круговорота веществ, вымыванию из почвы в водоемы, что вызывает эвтрофикацию водоемов. Использование хлорной извести для дезинфекции приводит к уничтожению полезных бактерий в удобрении, опасно для человека, так как хлорсодержащие соединения при реагировании с органическими веществами превращаются в диоксины - чрезвычайно токсичные вещества, устойчивые в окружающей среде. Поэтому можно сделать вывод о том, что использование предложенного состава экологически опасно и недопустимо.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение обеспечения культурных растений всем комплексом минеральных веществ, обеспечение накопления гумуса в почве, улучшение структуры почвы, смягчение негативных последствий действия пестицидов.

Технический результат достигается тем, что в способе получения биоудобрения, включающем смешивание сапропеля и измельченной соломы, компостирование и аэрацию, согласно изобретению сапропель и солому смешивают в соотношении 2,5:1, увлажняют, поддерживают значение влажности смеси в пределах 60-70%, а температурный режим внешней среды в пределах 10-30°C.

Способ получения биоудобрения осуществляют следующим образом.

Солому предварительно измельчают на отрезки 3-5 см. Измельченность соломы обеспечивает более рыхлую укладку и однородную структуру компостируемой массы, что удобно при дальнейшем перемешивании и способствует лучшей аэрации массы.

Сапропель и солому смешивают в соотношении 2,5:1 (2,5 части сапропеля и 1 часть соломы). При компостировании сапропеля с соломой достигается оптимальное для деятельности микроорганизмов соотношение углерода и азота C:N=25:1. Сапропель выступает в качестве источника азота, а солома - источника углерода. Помимо соломы злаковых культур возможно использование любой другой соломы. Солома злаковых культур выбрана как наименее пригодная к использованию в качестве удобрения без предварительного компостирования, т.к. соотношение C:N в ней составляет 80:1 - 100:1 (Бидлстон А.Дж. Компостирование и биодеградация соломы / А.Дж.Бидлстон, К.Р.Грей // Экологическая биотехнология. Под ред. К.Ф.Фостера и Д.А.Вейза. - Л.: Химия, 1990. - С.228-230, С.242-243). Соотношение компонентов 2,5:1 установлено экспериментальным путем и является оптимальным. В этом случае готовый компост хорошо структурирован, убыль органической массы в процессе компостирования небольшая.

Полученную смесь увлажняют, аэрируют путем регулярного перемешивания, поддерживают влажность смеси 60-70%. Вода необходима в процессе компостирования, так как питательные вещества для микроорганизмов должны растворяться в воде перед тем, как станут доступными для потребления ими. При низкой влажности (менее 30%) скорость биологических процессов резко падает, при слишком большой влажности пустоты в структуре компоста заполняются водой, которая ограничивает доступ кислорода к микроорганизмам. Аэрация необходима для усиления метаболизма аэробных микроорганизмов, участвующих в компостировании. Кроме того, поток воздуха удаляет углекислый газ, образующийся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов.

Для благоприятного протекания микробиологических процессов температуру внешней среды поддерживают в диапазоне 10-30°C.

Время компостирования 1,5-2 месяца. За это время достигается полное разложение соломы. Проведенные исследования показали наивысшую активность микробиологических процессов, которая постепенно затухает по истечении 2 месяцев компостирования, В случае увеличения времени компостирования свыше 2 месяцев происходит потеря азота из компоста (улетучивание в виде аммиака).

В исследованиях компостирование проводили в оцинкованных ваннах емкостью 80 л.

В заявляемом техническом решении компостировали сапропель с соломой злаковых культур (далее солома).

Солома относится к массовым отходам сельскохозяйственного производства. Состав химических элементов соломы крайне различен, но, в среднем, солома содержит: 0,5% азота, 0,25% фосфора, 0,8% калия, 35-40% углерода в форме органических соединений (Минеев В.Г. Агрохимия / В.Г.Минеев. - М.: МГУ, 1990. - С.151, С.290-291). Солома характеризуется высоким содержанием безазотистых веществ (целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина) и низким - азота и минеральных элементов.

При деградации соломы сначала разлагаются углеводы, гемицеллюлоза, белковые соединения, а затем целлюлоза и лигнин.

Основные причины недостаточного использования соломы как удобрения: длительная трансформация соломы в почве из-за высокого процента труднорасщепляемых компонентов (целлюлоза, лигнин); фитотоксический эффект (Бидлстон А.Дж. Компостирование и биодеградация соломы / А.Дж.Бидлстон, К.Р.Грей // Экологическая биотехнология. Под ред. К.Ф.Фостера и Д.А.Вейза. - Л.: Химия, 1990. - С.228-230, С.242-243; Сидоренко О.Д. Токсические соединения соломы / О.Д.Сидоренко, Л.К.Ницэ // Использование соломы как органического удобрения. - М.: Наука, 1980. - С.55-57); иммобилизация почвенного азота и, как следствие, снижение урожайности культур (Мишустин Е.Н. Микробиология / Е.Н.Мишустин, В.Т.Емцев. - М.: Агропромиздат, 1987. - С.238-240, С.301).

Из-за бедности соломы азотом закрепление доступного азота почвы микроорганизмами продолжается до тех пор, пока отношение углерода и азота C:N не снижается до 20-25. Если вместе с соломой в почву дополнительно не вносить азот (минеральных или органических удобрений), у культурных растений могут проявляться признаки азотного голодания. Поэтому солому запахивают в почву с азотными удобрениями или с жидким навозом (не менее 3-5 тонн на 1 тонну соломы).

При отношении C:N=25:1 солома энергично разлагается и создает благоприятные условия для питания растений.

Поскольку разложение соломы в почве тормозится из-за низкого содержания доступного для микроорганизмов источника азота, то предварительное компостирование соломы с источниками азота (например, с сапропелем) перед внесением ее в почву повышает скорость ее трансформации.

В составе компоста солома, благодаря жесткой структуре, обеспечивает нужную для аэрации структуру смеси.

Пример конкретного применения способа.

Пример 1. Смешивают сапропель с измельченной соломой в соотношении 3:1. Смесь увлажняют и компостируют при регулярном перемешивании и влажности 60-70% в течение 1,5 мес. Готовый компост представляет собой массу темно-серого цвета, достаточно плотной консистенции.

Увеличение доли сапропеля в компосте нежелательно, поскольку ведет к ухудшению структуры компоста, потере рыхлости и, как следствие, ухудшению аэрации.

Пример 2. Смешивают сапропель с измельченной соломой в соотношении 2,5:1. Смесь увлажняют и компостируют при регулярном перемешивании и влажности 60-70% в течение 1,5 мес. Готовый компост представляет собой массу темно-серо-коричневого цвета, с рыхлой структурой.

Пример 3. Смешивают сапропель с измельченной соломой в соотношении 1,5:1. Смесь увлажняют и компостируют при регулярном перемешивании и влажности 60-70% в течение 1,5 мес. Готовый компост представляет собой массу темно-серо-коричневого цвета, рыхлой структуры, сильно уменьшенную в объеме.

В примере 3 при невысоком содержании сапропеля происходит большая убыль органического материала (более 40%) за счет активности микрофлоры, минерализующей органические соединения в углекислый газ и воду. Такие потери нежелательны, т.к. задача компостирования - получить органическое удобрение.

В процессе компостирования растительные остатки (солома) подверглись полному разрушению. Скорость деструкции соломы, в среднем, в 18 раз превысила скорость этого же процесса при запашке соломы в почву. Отмечено, что солома способствует рыхлой укладке сапропеля, улучшая аэрацию компоста.

Благодаря интенсифицированной активности сообщества микроорганизмов различных групп органический субстрат претерпевает превращения с образованием стабильного конечного гумифицированного продукта. Микроорганизмы, экскретируя внеклеточные ферменты, расщепляют высокомолекулярные соединения, такие как целлюлозу, лигнин, протеины и аминокислоты, превращая их в минеральные вещества (соединения аммония, нитраты, углекислый газ, воду и т.д.).

Численность микроорганизмов в готовом компосте составила 1,5×10⁹ микроорганизмов/г, что говорит о высокой биологической активности субстрата.

Растительные остатки стимулируют размножение целлюлозоразрушающих микроорганизмов, численность которых растет в ходе компостирования. При определении целлюлозолитической активности микроорганизмов по разложению льняного полона (метод «аппликаций» Е.Н.Мишустина, И.С.Вострова и А.Н.Петровой) (Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г.Звягинцева. - М.: МГУ, 1991. - С.277) было установлено, что через 6 недель от начала компостирования степень разложения клетчатки составила 83,2%, тогда как в контрольном опыте (чистый сапропель) - 47,3%.

Результаты агрохимического анализа показали, что в опытном образце, по сравнению с контрольным, увеличилось содержание подвижных форм питательных веществ (K ₂O, P₂O₅), снизилась зольность за счет увеличения органической части. В ходе компостирования органический азот минерализуется в аммиачную форму, легкодоступную для растений (таблица).

Агрохимический анализ образцов (время экспозиции 1,5 мес)

Образец	K2 O, мг/100 г	P 2O5, мг/100 г	NO3, мг/100 г	N общ., %	N аммиачный, мг/100	Зола
Солома + сапропель	91	96	9,3	1,68	358,5	40,1
Сапропель	40	62	16,6	1,94	22,4	56,7

Проведенные микробиологические исследования показали более высокую численность микроорганизмов различных таксономических и физиологических групп, их активность, видовое богатство в опытном варианте по сравнению с контрольным на всех этапах подготовки биоудобрения. Полученное биоудобрение обогащено микрофлорой, подвижными формами питательных элементов, органическим веществом, имеет рыхлую структуру и пригодно для внесения в почву. Оптимальное соотношение компонентов биоудобрения - 2,5:1 (2,5 части сапропеля и 1 часть соломы).