Технологии биокомпостирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологии биокомпостирования

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы:

Улучшение качества почвы на основе моделирования и оптимизации метода компостирования

Задачи:

1) Провести сравнительный анализ методов обогащения почвы и оптимизации процессов компостирования;

2) Провести анализ методов определения качества почвы (рН, сухой остаток, химический состав, гумус);

3) Моделирование процесса.

1. ИСХОДНОЕ КАЧЕСТВО ПОЧВЫ

За основу исходного материала была взята почва, собранная вблизи жилого здания Автозаводского района. Качество почвы определено в ходе курсовой работы и представлено в табл.1

Таблица 1 - Качество почвы (Автозаводский район)

Вывод: по данным табл. 1 по состоянию почвы можно сказать, что данная почва принадлежит к классу легкого суглинка с такими физическими показателями как рН=8,05, количество гумуса15,4 %. Данные показатели находятся в почве в умеренном количестве и следовательно данная почва соответствует слабогумусированной (каштановой) почве.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА КОМПОСТА БИОТЕСТИРОВАНИЕМ (МЕТОДОМ ПРОРОСТКОВ)

Цель: Определить качество почвы по схожести семян и ростовых процессов. Биотест культуры - кресс салат.

Оборудование: образцы почвы с проростками кресс - салата, линейка, лист бумаги, весы, калькулятор

Ход работы:

1) Осторожно вынуть проростки из почвы, не повреждая корневую систему;

2) Разложить проростки на листе бумаги в 1 ряд;

3) Измерить с помощью линейки подземные и надземные части проростков, а так же всю длину каждого проростка;

4) Взвесить все проростки каждой пробы;

5) Посчитать среднее значение длины, массы проростков и всхожести семян.

6) Начертить сравнительную диаграмму

Сравнительные диаграммы

Рисунок 1 - Проростки семян кресс-салата

Вывод: исходя из проделанного опыта относительно всхожести семян можно сделать вывод, что почва не достаточно благоприятна для выращивания растений (из 16 семян взошло только 10). Однако скорость пророста семян достаточно высока - 4 дня с момента посадки до момента всхода. За время роста кресс-салата погибло 3 ростка.

3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОЧВЫ

Определение гидролитической кислотности почвы по Каппену:

Ход работы:

1) Взвешиваем на технических весах 20 г. почвы и помещаем в колбу;

2) Приливаем к почве 50 мл 1,0Н раствора СООNа взбалтываем в течение часа;

3) Отбираем суспензию в чистую колбу через фильтр;

4) Отбираем пипеткой 25 мл фильтрата и переносим в коническую колбу 100мл;

5) Приливаем 1-2 капли фенолфталеина и титруем 0,1Н NаОН до светло-розовой окраски;

Н=( а* К *100 *0,1 *1,75) / С=1,75 мг.экв.

Измерение pН:

Ход работы: 10 г. почвы помещаем в коническую колбу. К пробе приливаем 150 мл дистиллированной воды. Перемешиваем 3 мин и оставляем на 5 мин для отстаивания. Почвенную суспензию переливаем в химический стакан и измеряем pН, погружаем электрод в стакан на 1,5 мин.

рН=7,7

Определение сухого остатка:

25 мл водной вытяжки переносим в фарфоровую чашку и выпариваем досуха на электрической плитке. Охлажденную чашку с сухим остатком взвешиваем на аналитических весах с точностью до 0,001 г.

W=20*0,0265*100%=53 %

Фотоколометрическое определение гумуса в почве:

Навеску помещаем в колбу 100 мл. и добавляем 10 мл 0,4 Н раствора . Колбу ставим в шкаф для нагрева на 20 мин. при 150 градусов. Затем колбу вытаскиваем и даем остыть. Перемешиваем содержимое колбы и оставляем до тех пор, пока взвешенные частицы не осядут. После этого определяем оптическую плотность на фотоколориметре

X= (a-b) *K*0.000517*100/P=(35-2)*1.567*0.000517*100/0.1=27 %

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПОСТИРОВАНИЯ

Процесс компостирования представляет собой сложное взаимодействие между органическими отходами, микроорганизмами, влагой и кислородом. Микробная активность возрастает, когда содержание влаги и концентрация кислорода достигают необходимого уровня. Кроме кислорода и воды микроорганизмам для роста и размножения необходимы источники углерода, азота, фосфора, калия и определенных микроэлементов.

Потребляя органические отходы как пищевой субстрат, микроорганизмы размножаются и продуцируют воду, диоксид углерода, органические соединения и энергию. Часть энергии, получающейся при биологическом окислении углерода, расходуется в метаболических процессах, остальная - выделяется в виде тепла.

Компост как конечный продукт компостирования содержит наиболее стабильные органические соединения, продукты распада, биомассу мертвых микроорганизмов, некоторое количество живых микробов и продукты химического взаимодействия этих компонентов.

Стадии компостирования

Компостирование - комплексный, многостадийный процесс. Каждая его стадия характеризуется различными консорциумами организмов. Фазы компостирования состоят из:

1.лаг-фазы (lag phase),

2.мезофильной фазы (mesophilic phase),

3.термофильной фазы (thermophilic phase),

4.фазы созревания (final phase).

Фаза 1 (lag phase) начинается сразу после внесения свежих отходов в компостную кучу. В течение этой фазы микроорганизмы адаптируются к типу отходов и условиям обитания в компостной куче. Распад отходов начинается уже на этой стадии, но общая численность популяции микробов еще невелика, температура невысока.

Фаза 2 (mesophilic phase). На протяжении этой фазы процесс распада субстратов усиливается. Численность микробной популяции возрастает преимущественно за счет мезофильных организмов, адаптирующихся к низким и умеренным температурам.

Фаза 3 (thermophilic phase). В результате микробного роста и метаболизма происходит повышение температуры. Когда температура повышается до 40 градусов Цельсия и выше, мезофильные микроорганизмы замещаются микробами, более устойчивыми к высоким температурам - теромофилами. В результате исчерпания пищевых ресурсов обменные процессы идут на убыль, и температура постепенно снижается.

Фаза 4 (final phase). Вследствие падения температуры до мезофильного диапазона в компостной куче начинают доминировать мезофильные микроорганизмы. Температура является наилучшим индикатором наступления стадии созревания. В данной фазе оставшиеся органические вещества образуют комплексы. Этот комплекс органических веществ устойчив к дальнейшему разложению и называется гуминовыми кислотами или гумусом.

Биохимические аспекты компостирования

Компостирование - биохимический процесс, предназначенный для преобразования твердых органических отходов в стабильный, подобный гумусу продукт. Упрощенно компостированием называют биохимический распад органических составных частей органических отходов в контролируемых условиях. Применение контроля отличает компостирование от естественно протекающих процессов гниения или разложения.

Процесс компостирования зависит от активности микроорганизмов, которые нуждаются в источнике углерода для получения энергии и биосинтеза клеточного матрикса, а также в источнике азота для синтеза клеточных белков. В меньшей степени микроорганизмы нуждаются в фосфоре, калии, кальции и других элементах.

Критические факторы компостирования

Процесс естественного разложения субстрата при компостировании может быть ускорен благодаря контролю не только за соотношением углерода и азота, но и за влажностью, температурой, уровнем кислорода, размером частиц, рН.

Носители (древесная щепа, солома, опилки и др.) обычно необходимы для поддержания структуры, обеспечивающей аэрацию при компостировании таких отходов, как сырой активный ил и навоз.

1.4 рН

рН является наиболее важным показателем «здоровья» компостной кучи. Как правило, рН бытовых отходов во второй фазе компостирования достигает 5,5-6,0. Фактически эти значения рН являются индикатором того, что процесс компостирования начался, то есть вступил в лаг-фазу. Уровень рН определяется активностью кислотообразующих бактерий, которые разлагают сложные углеродсодержащие субстраты (полисахариды и целлюлозу) до более простых органических кислот.

Роль рН в компостировании определяется тем, что многие микроорганизмы, как и беспозвоночные, не могут выживать в очень кислой среде. К счастью, рН, как правило, контролируется естественным путем (карбонатная буферная система). Оптимальный диапазон рН для большинства бактерий находится в пределах 6-7,5, а для грибов он может быть между 5,5 и 8.

Аэрация

При нормальных условиях компостирование представляет собой аэробный процесс. Это означает, что для метаболизма и дыхания микробов необходимо присутствие кислорода. Микробы используют кислород чаще других окисляющих агентов, поскольку с его участием реакции протекают в 19 раз энергичнее. Идеальной считается концентрация кислорода, равная 16 - 18,5%. Если концентрация кислорода падает ниже 5%, возникают анаэробные условия.

Влажность

Компостные микробы нуждаются в воде. Разложение осуществляется гораздо быстрее в тонких жидких пленках, образованных на поверхностях органических частиц. 50-60% влаги считается оптимальным содержанием для осуществления процесса компостирования, но при использовании носителей возможны и большие значения. Оптимальная влажность варьирует и зависит от природы и размера частиц. Содержание влаги менее 30% подавляет бактериальную активность. При влажности менее 30% от общей массы скорость биологических процессов резко падает, а при влажности 20% они могут вовсе прекратиться.

Температура

Температура служит хорошим показателем процесса компостирования. Температура в компостной куче начинает подниматься через несколько часов с момента закладки субстрата и меняется в зависимости от стадий компостирования: мезофильной, термофильной, остывание, созревание.

В начале процесса отходы находятся при температуре окружающей среды, рН в них слабокислое. В начальной, мезофильной, стадии микроорганизмы, присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться, температура повышается до 42 градусов Цельсия, и среда подкисляется за счет образования органических кислот.

Наилучшими условиями для образования компоста являются мезофильный и термофильный температурные пределы. Благодаря многим группам организмов, принимающим участие в процессе образования компоста, диапазон оптимальных температур для этого процесса в целом является очень широким - 35-55 градусов Цельсия.

Дисперсность частиц

Основная микробная активность проявляется на поверхности органических частиц. Следовательно, уменьшение размера частицы ведет к увеличению площади поверхности, а это, в свою очередь, казалось бы, должно сопровождаться ростом микробной активности и скорости разложения. Однако, когда частицы слишком малы, они плотно слипаются друг с другом, ухудшая циркуляцию воздуха в куче. Это уменьшает поступление кислорода и существенно понижает микробную активность. Размер частиц влияет также на доступность углерода и азота. Допустимый размер частиц находится в диапазоне 0,3-5 см, но варьирует в зависимости от характера сырья, размера кучи и погодных условий.

Время созревания компоста

Время, необходимое для созревания компоста, зависит от перечисленных выше факторов. Более короткий период созревания связан с оптимальным содержанием влаги, соотношением C:N и частотой аэрации. Процесс замедляется при недостаточной влажности субстрата, низких температурах, высоком значении соотношения C:N, больших размерах частиц субстрата, высоком содержании древесных материалов и неадекватной аэрации.

Из шести исследованных микробиологических показателей наиболее информативным и адекватным оказался тест дегидрогеназной активности. В сравнении с другими критериями он оказался более простым, быстрым и дешевым методом, позволяющим проводить мониторинг стабильности и готовности компоста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной части работы был рассмотрен и проведен процесс компостирования. На основании полученных данных до закладки компоста и после можно сделать вывод о том, что после закладки компоста, почва улучшила свои показатели и обогатилась полезными веществами. Показания рН изменились незначительно, но изменения произошли в лучшую сторону, т.к. из щелочной среды почва перешла в нейтральную. Кислотность уменьшилась в 1,5 раза, сухой остаток увеличился в 5,3 раза, а качество гумуса в процентном соотношении возросло в 1,75 раза. Процесс компостирования благоприятно сказывается на улучшении показателей почвы, что мы можем наглядно увидеть на схеме 1, которые представлены ниже.

Схема 1 - Показатели почвы «до» и «после» закладки компоста.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. - 223 с.

2. Андреев А.В. Оценка биоразнообразия, мониторинг и экосети / Под ред. П.Н. Горбуненко. Кишинев: BIOTICA, 2002. - 168 с.

3. Биоиндикаторы и биотестсистемы в оценке окружающей среды техногенных территорий / Ред. Т.Я. Ашихмина, Н.М. Алалыкина. Киров: О-Краткое, 2008.-336 с.

4. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: МГУ, 1987. - 256 с.

5. Звягинцева Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии: учеб. пособие/ Д.Г Звягинцева. - М.: МГУ, 1991. - 304 с.

6. Кузнецов А.Е. Научные основы экобиотехнологии: учеб. пособие для вузов/ А.Е. кузнецов, Н.Б. Градова. - М.: мир, 2006. - 504 с.

Размещено на Allbest.ru