Ґрунт є основним середовищем для життєдіяльності мікроорганізмів. Це зумовлено тим, що на його поверхню надходить вся біомаса у вигляді відмерлих рослин та їх частин, які містять значну кількість вуглецевих сполук — основного енергетичного джерела для дихання мікроорганізмів. Для побудови власного організму мікроорганізми також потребують азоту, фосфору, калію тощо. В зв’язку з цим ґрунтова мікрофлора є конкурентом рослин у споживанні мінеральних речовин.
Протягом еволюції сформувалася ситуація, коли мінеральні речовини ґрунту стають доступними для рослин після циклу перетворень, який включає їх поглинання мікроорганізмами, відмирання останніх, формування стійких органо-мінеральних сполук ґрунту (гумусу) та їх наступної мінералізації. Поступово поглинаючи мінеральні речовини ґрунту та за рахунок фотосинтезу, рослини формують свою біомасу, яка після відмирання знову стає основним енергетичним джерелом для діяльності ґрунтової мікрофлори. Так завершується малий біологічний кругообіг органічної речовини.
В агроценозах утворюється значна кількість органічної сировини (незернова частина урожаю, гній та послід), яка безпосередньо не використовується для виробництва продуктів харчування та як сировина в харчовій і переробній промисловості. В той же час, вона має визначальне значення для підтримання родючості ґрунту.
Стадії утворення гумусу
Розробка схем біоенергоконверсії органічної сировини проведена на основі досягнень передових країн світу та з урахуванням реальних потреб і можливостей України. В основу розробки схем біоенергоконверсії органічної сировини покладено типову сівозміну, яка рекомендується для зерно-свинарських та зерно-молочних господарств та використано типові нормативи утримання тварин. Структурні схеми біологічної конверсії органічної сировини в агроценозах із виробництвом їстівних грибів розроблялася на основі типових сівозмін для інтенсивного землеробства зони Лісостепу.
Процес біологічної трансформації органічної сировини від її початкового стану до ґрунтового гумусу проходить у декілька стадій. Основні з них такі:
- гідроліз — розклад полісахаридів на дисахариди, а в подальшому –моносахариди;
- синтез бактеріями колоїдних речовин на основі лігніну, який у цьому процесі участі не бере, з утворенням лігніно-гумусного комплексу;
- синтез актиноміцетами та ґрунтовими мікроскопічними грибами залишків органічної сировини;
- полімеризація продуктів мікробіологічного синтезу з утворенням гумусових речовин, зв’язаних із мінеральними речовинами ґрунту;
- зміцнення зв’язків гумусових речовин із мінеральною частиною ґрунту й утворення ґрунтового гумусу. Новоутворений гумус ґрунту мінералізується і в подальшому використовується рослинами в процесі життєдіяльності. Таким чином, завершується кругообіг органічної сировини в агроценозах.
Основною складовою для утворення первинного гумусу — лігніно-гумусного комплексу є лігнін, вміст якого в соломі змінюється від 10 до 20 %. Цей фактор та значна його кількість є визначальними для використання соломи як джерела відтворення родючості ґрунтів у системі органо-мінерального землеробства.
Печериці та гливи у додаток
до біоконверсії
Структурні схеми диверсифікованого виробництва сільськогосподарської продукції та енергії передбачають: вирощування польових культур сівозміни з виробництвом зерна та цукрових буряків; збирання соломи зернових культур та стебел ріпаку; залишення подрібнених стебел кукурудзи на полі у вигляді мульчі; виробництво кормів; виробництво продуктів птахівництва та тваринництва; метанове (анаеробне) зброджування гною та посліду з виробництвом тепла та електроенергії з біогазу; підготовку і використання соломи зернових культур та стебел ріпаку на теплові потреби у вигляді брикетів, рулонів або січки; використання соломи зернових культур для виробництва грибів гливи; застосування соломи зернових культур та стебел ріпаку, гною та посліду після зброджування для виробництва компосту; виробництво субстрату для вирощування печериць із компосту та виробництво грибів печериць; виробництво дизельного біопалива з ріпакового насіння; використання гліцеринового осаду на теплові потреби або його анаеробне зброджування.
Біологічна конверсія органічної сировини з вирощуванням їстівних грибів дає змогу максимально інтенсифікувати процес утворення первинного гумусу з органічної сировини агроценозу в штучних, найбільш оптимальних для кожної стадії біологічної конверсії умовах, а також отримати додаткову білкову продукцію у вигляді шапкових грибів печериць та гливи.Розроблені схеми дають змогу встановити частку соломи, яка може спрямовуватись на теплові потреби індивідуально для кожного господарства. Частину зібраної соломи необхідно спрямовувати на компенсацію дефіциту гумусу. Це можна здійснювати двома методами — залишати частину подрібненої соломи на полях, або виробити на її основі компост чи субстрат для вирощування печериць. Перший метод за витратами значно дешевший, але потребує одночасного внесення підвищених доз гербіцидів. Крім того, при його використанні важко витримати оптимальне співвідношення вуглецю й азоту в процесі мікробіологічної ферментації соломи, адже ґрунтова мікрофлора надзвичайно чутлива до надлишкової кількості азоту в ґрунті.
Солому — на компост
Для проведення біоенергоконверсії органічної сировини в штучних умовах рекомендується створювати в сільськогосподарських підприємствах майданчики для виробництва компосту на основі соломи. Особливо це стосується господарств зерно-птахівничого та зерно-свинарського напрямів.
Під час компостування органічної сировини в оптимальних, штучно створених умовах, солома та послід набувають форм, необхідних для подальшого перетворення ґрунтовими мікроорганізмами. Завдяки проходженню біохімічних реакцій та нагріву до температури 50-70 °С відбувається знезараження патогенної мікрофлори, а також інактивація насіння бур’янів. Частка виробленого в господарстві компосту може бути використана для подальшої обробки в закритих ферментаційних камерах з отриманням субстрату для вирощування їстівних грибів. При цьому забезпечується максимальний розклад органічної сировини в штучних умовах у короткі строки з одержанням стабільного продукту первинного гумусу.
Відпрацьований субстрат після вирощування грибів — це високоякісне органічне добриво, яке може бути використане у технологіях вермикомпостування або внесене на поля. Для реалізації таких схем біоенергоконверсії розроблені технологічні процеси виробництва компосту на основі соломи та пташиного посліду, субстрату для вирощування печериць, їстівних грибів з використанням пристосованих приміщень.
Виробництво компостів на основі соломи є мало поширеним методом біологічної конверсії органічної сировини через відносну складність технологічного процесу та відсутність необхідних технічних засобів виробництву компостів у господарствах. Однак, якщо для виробництва компосту застосувати кузовні розкидачі органічних добрив (їхнє річне завантаження незначне, і їх достатньо в господарствах), останні необхідно дообладнувати модулями для формування буртів та розпушування компосту. Важливим є і той фактор, що виробництво компосту забезпечує ефективне використання не тільки соломи, але й уможливлює утилізацію гною та посліду після зброджування.
Енергетичні вигоди від
сільського господарства
Спалювання соломи забезпечує одержання теплової енергії, яка може бути використана для обігріву тваринницьких, птахівничих та адміністративних приміщень, а також сушіння зерна.
Споживання рідкого палива сільськогосподарським виробництвом становить 60-110 л/га, зокрема бензину 15-30 л/га. Відведення одного з полів сівозміни під вирощування ріпаку дасть змогу в розрахунку на один гектар виробити від 100 до 110 л дизельного біопалива, а оскільки ріпак є прекрасним медоносом — ще й близько 5 т меду. Залежно від ситуації на ринку ріпакового насіння та дизельного палива господарство може прийняти рішення як про реалізацію насіння ріпаку і закупку дизельного пального, так і виробництво дизельного біопалива, або ж прийняти інше компромісне рішення. Гліцериновий осад доцільно використовувати як рідке паливо в теплових процесах, що забезпечить виробництво теплової енергії, або піддавати метановому зброджуванню.
Широка мережа спиртових заводів дає можливість забезпечувати виробництво біоетанолу в достатніх обсягах для роботи автомобільного транспорту у сільському господарстві. Потреба в зерні для виробництва біоетанолу не перевищує 4 % обсягу виробленого в агроекосистемі зерна.
Зброджування гною та пташиного посліду упродовж 10 діб потребує облаштування біогазової установки, яка забезпечить виробництво біогазу, а використання когенераційної установки, що працює на біогазі, дасть змогу отримати 26 % електроенергії та 66 % теплоенергії загальної енергетичної цінності біогазу. Одержана електроенергія може бути використана для роботи біогазової установки та інших потреб, теплова енергія у вигляді нагрітої води — для опалення та гарячого водопостачання.У випадку біологічної та енергетичної конверсії органічної сировини у зерно-птахівничих господарствах із виробництвом печериць доцільно виробляти компост, а в подальшому субстрат та гриби печериці. Для зерно-свинарських та зерно-скотарських господарств з виробництвом гливи — компост на основі органічної сировини агроекосистеми, в тому числі відпрацьованого субстрату після вирощування гливи. Виробництво грибів дозволяє значно збільшити економічну ефективність господарювання.
Однак у кожному конкретному випадку необхідно прораховувати граничну інтенсивність виробництва грибів та субстрату для реалізації на основі ресурсів органічної сировини агроценозу. Недодержання цієї вимоги призводить до виникнення у сівозміні негативного балансу гумусу та зниження родючості ґрунту.
Аналіз схем біологічної та енергетичної конверсії органічної сировини в агроценозах дозволяє зробити висновок про можливість забезпечення в повному обсязі дизельним біопаливом. Сировинна база, що могла б забезпечити потреби сільськогосподарського виробництва при централізованому виробництві біоетанолу, є також достатньою.
Розрахунки згідно з приведеними схемами біологічної та енергетичної конверсії можуть бути поширені на сівозміну довільної площі.
Гранична межа використання
соломи на тепло
Кожен захід, який пропонується для реалізації в агроекосистемах, повинен не тільки підтримувати родючість ґрунту, а й сприяти розширеному відтворенню родючості ґрунтів. Це безпосередньо стосується виробництва та використання соломи на теплові потреби. Тому серйозною науковою проблемою є визначення обсягів соломи, яка може бути задіяна на теплові потреби без шкоди для відтворення родючості ґрунтів.
На основі існуючих показників, що характеризують сільськогосподарське виробництво України загалом протягом останніх років, було також проведено розрахунки стосовно визначення граничних обсягів соломи, яку можна використати на теплові потреби. Ця залежність, визначена у відсотках до загальної кількості соломи, має наступний вигляд:
С% = -0,57 Д + 48,66 (2.1)
де С% — граничний обсяг соломи від загальної кількості, яку можна використати на теплові потреби, %;
Д — річний дефіцит гумусу, кг/га.
Слід зазначити, що при загальному дефіциті гумусу в межах від 80 до 90 кг/га використовувати солому на теплові потреби уже неможливо через умову збереження родючості ґрунтів. Граничний обсяг соломи, яку можна використати на теплові потреби, при нульовому балансі гумусу становить близько 50 %.
Технологічні процеси і технічні засоби, які розроблені нами для реалізації енергетичної автономності виробництва органічної продукції в агроекосистемах, наведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Технологічні процеси і технічні засоби для
виробництва органічної продукції та біопалив
Для забезпечення використання на теплові потреби бадилля кукурудзи та соняшнику, а також стебел ріпаку залишаються невирішеними технічні питання заготівлі цієї рослинної біомаси і наразі її, як правило, подрібнюють та залишають на полях.
Незважаючи на вирішеність технічних питань нагріву води за рахунок спалювання соломи, завдання використання соломи для сушки зерна залишається відкритою. Це пов’язано з тим, що при продуктивності сушарки 20 т/год. спалювання соломи повинно бути забезпечено в кількості не менше
500 кг/год. при тепловій потужності теплогенератора 2000 кВт. На нашу думку, ця технічна задача не може бути вирішена без розробки технічних засобів для газифікації соломи.
У світовій практиці створення біогазових установок існує два основних варіанти технологічних процесів і конструктивних рішень біогазових установок — екстенсивний, коли біомасу зброджують у мезофільному режимі з використанням вертикальних реакторів робочим об’ємом 1000 м³ і більше та інтенсивний, коли біомасу зброджують у термофільному режимі з використанням модульних реакторів робочим об’ємом до 120 м³.
У першому варіанті вартість анаеробного реактора відносно невелика при спрощеній схемі технологічного процесу. У той же час, відсутні можливість забезпечити необхідну експозицію по всьому об’єму субстрату та засоби усунення баластування реакторів органічною і мінеральною складовими субстрату, а виведення реакторів на робочі технологічні параметри при їх розгоні є досить складним.
У другому варіанті, незважаючи на ускладнення технологічного процесу та обладнання, експозиція процесу зброджування і знезараження біомаси в 2-3 рази менша, ніж при екстенсивному методі зброджування, відсутнє баластування реакторів органічною та мінеральною складовими субстрату, забезпечується необхідна експозиція по всьому об’єму субстрату, спрощується застосування інокуляції органічної маси, крім того, при аварійних ситуаціях кількість біомаси на об’єкті піддається контролю.
Економічна ефективність використання біологічної та енергетичної конверсії органічної сировини агроекосистем із забезпеченням часткової енергетичної автономності виробництва повинна визначатися на основі розрахунку питомого прибутку — відношенням річного прибутку до загальної площі сівозміни. Встановлено, що найменш ефективним варіантом господарювання є відмова від розвитку тваринництва, птахівництва та реалізація зібраного урожаю. При цьому економічна ефективність мінімальна.
