geolike.ru

Влияние животноводческих комплексов в Беларуси на биогеоценоз

Одним из главных направлений развития животноводства является ее специализация и концентрация. Несмотря на некоторые отрицательные стороны концентрации животноводства в настоящее время она остается основополагающей, поэтому необходимо проводить работу по ее усовершенствованию. Наряду с этим следует отметить и негативные проблемы животноводческих комплексов – это нарушение биоценоза животноводческих комплексов нарушение биоценоза окружающей среды, возможность распространения инфекционных и инвазионных болезней в виду недостаточности проводимых работ и обеззараживанию навоза и сточных вод.

Отсюда вытекают и новые задачи по обеспечению нормальных условий для содержания животных в условиях интенсификации агропромышленного комплекса. Охрана окружающей среды в зоне расположения животноводческих помещений рассматривается в настоящее время как одна из важнейших задач, имеющих не только государственное, но и общебиологическое значение. Без научно обоснованной и целенаправленной работы в этом направлении рост животноводства будет невозможен. Необходимо заранее предусмотреть и разработать эффективные меры по безотходной технологии обеззараживания и использования навоза и навозных стоков.

В настоящем пособии освещаются многие используемые приемы и технологии переработки животноводческих отходов, их реконструкция, применяемая на передовых комплексах и хозяйствах. Наряду с этим, будущим ветврачам и зооинженерам АПК предоставляется возможность ознакомиться с проблемами санитарно-гигиенического состояния окружающей среды, в зоне расположения животноводческих комплексов и к каким последствиям может привести нарушение дисбаланса – «внешняя среда - организм». Кроме этого, дается описание этиологических факторов наиболее распространенных болезней, передающихся через почву, воду, атмосферу и их взаимосвязь с используемыми животноводческими комплексами. На основании научных исследований в области зоогигиены и экологических инструкций приводятся рекомендации по рациональному размещению животноводческих комплексов и необходимого контроля за их санитарным состоянием.

Биоценоз включает в себя совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющие данный участок суши, водоема. Подобные исторически сложившиеся биоценозы весьма стабильны и по составу, и по численности популяций. Практически не отличающееся от биоценоза есть еще термин “биогеоценоз”, представляющий собой комплекс функционального единства живого и неживого в разных климато-географических зонах. Термин “Биогеоценоз” (био – жизнь, гео- земля, ценоз – сообщество) впервые был предложен В. Н. Сукачевым в 1940 г. Биогеоценоз состоит из:

1) компонентов неживой природы – атмосфера, вода, почва, ил;

2) продуктов (производителей) – организмов, осуществляющих образование органических веществ из неорганических соединений (фотосинтез, хемосинтез, нитробактерии, серобактерии и др.);

3) консументы (потребители) – организмы, потребляющие готовые органические вещества продуцентов;

4) редуценты (разрушители) – организмы, разлагающие сложные органические вещества и переводящие их в неорганические соединения.

Живые и неживые компоненты биогеоценоза функционально связаны между собой и образуют единую целостную систему, которая поддерживается процессами обмена веществ в форме биотического круговорота. Различают природные биогеоценозы (выработаны в процессе эволюции) и искусственные (созданы под влиянием человека). Сюда относят животноводческие отходы ферм, комплексов, используемых как удобрение на полях, а растительная масса полей, лугов – для кормления животных. Все это обеспечивает биотический круговорот веществ и энергии. Однако, деятельность человека, направленная на максимальное получение продуктивности растений и животных, зачастую ведет к непредвиденным негативным последствиям. Появляются нежелательные виды растений, животных, сорняки, паразиты, возбудители новых болезней. Воздействие окружающей среды (изменение климата, почвы, воды, загрязняющей атмосферы и др.) никогда не ограничиваются изменениями численности одного или нескольких видов – они приводят к полной перестройке структуры данного биогеоценоза. Уничтожение старых и возникновение новых биогеоценозов – одна из основных проблем современной экологии.

Большую опасность для окружающей среды, а, следовательно, и для сохранения биогеоценоза представляют животноводческие комплексы, расположенные чаще всего на повышенных элементах рельефа, иногда у рек и водоемов. Очистные сооружения комплексов зачастую не справляются с уборкой и утилизацией навоза. Загрязнение в таких случаях может быть не только точечным, но и масштабным. Опасность представляют и выбросы аммиака и др. вредных газов в атмосферу. Последствием таких выбросов является увеличение кислотных дождей. Доля аммиака, выбрасываемого в атмосферу в результате сельскохозяйственной деятельности и участвующего в образовании кислотных дождей, может составлять более 23%. Причем эмиссия аммиака происходит, главным образом, при внесении навоза (53%), 35%- при хранении и 12% при выпасе скота.

Все отходы сельскохозяйственного производства, в т.ч. животноводства и растениеводства, в большинстве случаев попадают в почву. Почвенный покров – экран поглощения вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, сбрасываемых сточных вод и средств химизации, используемых в сельскохозяйственном производстве. В почве они, взаимодействуя между собой и с почвенным поглощающим комплексом, могут усилить или ослабить свое действие. В отличие от других природных сред почва обладает наименьшей способностью к самоочищению и восстановлению своего естественного состояния.

Экологическое состояние почвенного покрова является интегральным показателем уровня экологической чистоты технологий производства. Она же оказывает наиболее сильный прессинг на окружающую среду. Поэтому охрана почвы должна иметь одно из главных мест в решении проблемы окружающей среды.

Анализируя влияние животноводческих стоков на изменение биогеоценоза в районах размещения животноводческих комплексов, следует отметить, что зачастую размещение животноводческих комплексов не предшествовала оценка территории, отводимой под застройку по защищенности грунтовых вод. К этому необходимо добавить недостаточно совершенную систему навозоудаления, применяемую на комплексах, бессистемное внесение бесподстилочного навоза в почву в очень высоких дозах. Нарушается основной принцип земледелия – давать растениям столько питательных веществ, сколько они могут продуктивно использовать. Особенно это негативное влияние оказывает на биогеоценоз супесчаных почв. В итоге корма, почва и грунтовые воды загрязнялись нитратами, тяжелыми металлами и др. соединениями.

Почва является главным компонентом биогеоценоза. Она аккумулирует большинство веществ и энергию из биогеоценоза. В ней находятся продукты метаболизма растений и животных, а также минеральные вещества. Ритмика расхода и прихода веществ в почвах то усиливается, то ослабляется, что зависит от степени увлажнения, теплового режима, фауны и т.д. Важнейшим показателем оценки почвы является ее химический состав. Изменение физико-химического состава почвы вследствие нерационального землепользования приводит к нарушению биотичекого круговорота и является одной из причин развития эндемических болезней животных и человека.

На состав почвы и ее обсемененность микроорганизмами в значительной степени влияет вода. Загрязнение атмосферных и грунтовых вод различного рода минеральными и органическими веществами, микробами и другими простейшими организмами, негативно сказывается на свойствах почвы. Нарушается уже устоявшийся биогеоценоз. Особенно следует обратить внимание на источники воды, куда могут попасть отходы промышленного и сельскохозяйственного производства (удобрения, пестициды, гербициды, навозные стоки).

По данным экологических организаций в РБ большинство рек относятся к категории умеренно загрязненных. При этом используется индекс загрязненности воды по 7 бальной системе. Очень загрязнена вода в реках Березина, Свислочь, Оболь, Улла. Качество воды в реках З. Двина, Днепр и др. неудовлетворительное. Некоторые объясняют это тем, что бассейны этих рек расположены в России, но в то же время загрязнения этих рек на территории республики не уменьшаются, т.к. они дополнительно принимают в себя различного рода загрязнения: нефтепродукты, фенолы, соединения азота и тяжелых металлов. Например, в районе г. Витебска в воде р. З. Двина обнаружены соли аммонийного азота в 3 раза превышающие его предельно допустимые концентрации (ПДК), фенола – в 12,5 раз, меди в 5,3, цинка 2,9, марганца 7,5 ПДК.

Общую загрязненность воды рек и водоемов усугубляют животноводческие стоки ферм и комплексов.

Отходы животноводства в разной степени загрязняют почву, водную и воздушную среду. Степень загрязнения каждой из них зависит от количества скапливаемых отходов, способов их хранения, переработки и использования.

Отходы даже от небольших животноводческих хозяйств могут создавать антисанитарную угрозу для небольших озер, прудов, колодцев, когда хозяйства располагаются вблизи поверхностных водоемов.

Вызывает беспокойство и загрязнение атмосферного воздуха ферм и комплексов. Например, только от одного животного крупного рогатого скота и свиньи за год поступает аммиака, соответственно 23 и 4,5 кг, а также большое количество микрофлоры, в т.ч. болезнетворной, оказывающей негативное влияние как на животных, так и на человека. Отрицательное воздействие загрязненный воздух оказывает на свойства почвы и природных вод.

Источником загрязнения атмосферного воздуха могут быть не только животноводческие помещения, где содержится скот, но также навозонакопители, пруды-накопители, сооружения биологической очистки сточных вод, поля фильтрации и орошения, особенно при работе дождевальных установок.

Подсчитано, что на расстоянии 500-700 м от комплекса на 10 тыс. гол. крупного рогатого скота концентрация аммиака достигает 0,5 мг/м³, концентрация органических веществ (окисляемость) может превысить 22,4 мг О/м³.

Более высокие уровни загрязнения атмосферного воздуха характерны для свиноводческих комплексов. В пробах воздуха на расстоянии 100 м концентрация аммиака достигает 3-4 мг/м³, сероводорода – 0,112 мг/м³, меркаптанов 16,7 мг/м³. На свиноводческом комплексе на 108 тыс. голов в производственной зоне концентрация аммиака достигает 4-18 мг/м³, сероводорода – 3,5 мг/м³, органических веществ 40-50 мг/м³, пыли до 10 мг/м. Такой свинокомплекс выбрасывает за 1 час 1,5∙10⁹ микробных тел, 159 кг аммиака, 14,5 кг сероводорода, 26 кг пыли от кормов.

Навоз и навозная жижа представляют собой реальную угрозу как объекты загрязнения окружающей среды и распространения инфекций. Необходимо отметить, что наибольшую опасность в этом отношении представляют навозные стоки. Твердый же навоз с небольшим содержанием воды складируется на поверхности грунта, где подвергается биотермической обработке, и не представляет большой угрозы. Навозные стоки, которые разводят водой для лучшего удаления навоза при гидросмыве, зачастую попадают в грунтовые воды и поверхностные водоемы. Разбавление навозных стоков водой резко ухудшает качество органических удобрений (в 5-7 раз), удлиняется срок выживания болезнетворной микрофлоры и яиц гельминтов, т.к. в них не происходят биотермические процессы. Происходит насыщение водоемов и грунтовых вод органическими и минеральными веществами, обсеменение рыб, раков и др. обитателей водоемов патогенными микроорганизмами. В сточных водах возбудители сальмонеллеза живут до 2,5 лет, туберкулеза – 1,5 года, ящура – 7 месяцев. Азотистые вещества, попадая со сточными водами в водоемы, способствуют интенсивному росту водной растительности (сине-зеленых водорослей), что приводит к нарушению биоценоза. В частности, ухудшается качество воды, нарушается кислородный режим, термогидродинамическая характеристика водоема. Кроме того, сине-зеленые водоросли, вызывающие “цветение воды” являются сами по себе ядовитыми и выделяют токсины в водную среду, что может послужить отравлению домашних животных.

Подсчитано, что при производстве 1 т свинины на комплексах расходуется почти 90 м³ чистой воды, причем на большинстве этих предприятий наблюдается ее перерасход на 30%, по отношению к проектным показателям. На свиноводческом комплексе на 108 тыс. гол. выход стоков достигает более 1 млн. м³. Учитывая, что в РБ 91% получаемого навоза находится в полужидком виде и что из-за отсутствия эффективного технологического оборудования эти отходы не проходят необходимую очистку и обеззараживание, то все это ведет к загрязнению окружающей среды. В связи с индустриализацией сельскохозяйственного производства появилась опасность попадания в окружающую среду новых, неизвестных ранее примесей, используемых в качестве пищевых добавок в рационе животных, или лечебно-профилактических препаратов. Значительный урон биогеоценозу приносит порочная практика внесения жидких органических удобрений поздней осенью или зимой, так называемое вневегетационное орошение.

Все вышесказанное подтверждает, что очистка и обеззараживание навоза и навозных стоков является насущной проблемой работников животноводства. Знание современных методов очистки сточных вод с наименьшими затратами и экологической безопасности является актуальным и необходимым для всех руководителей и специалистов сельского хозяйства любого уровня.

Хранение и обеззараживание твердого навоза проводят в навозохранилищах двумя способами: анаэробным и аэробно-анаэробным. Благодаря процессам брожения происходит увеличение температуры за счет термофильных микробов и гибель большинства микроорганизмов, находящихся в экскрементах животных. После обеззараживания навоз используется как удобрение.

Большего внимания необходимо уделять обеззараживанию жидкой фракции навоза. Наиболее эффективным является биологический метод обеззараживания сточных вод. В этом процессе могут участвовать бактерии двух видов: аэробы, развивающиеся в присутствии кислорода, и анаэробы, способные к жизнедеятельности без доступа кислорода. Биологический метод существенно снижает бактериальное загрязнение и содержание биогенных элементов (азота, фосфора, калия) в навозных стоках.

В свою очередь, биологический метод разделяется на естественный и искусственный способы.

К системам, использующим естественный метод очистки сточных вод, относятся:

-       сооружения по разделению сточных вод на фракции для использования жидкой части стоков на земледельческих полях орошения, а также на полях удобрительного полива;

-       сооружения по разделению сточных вод на фракции по использованию их жидкой части на рыбоводно-биологических прудах;

-       вывозка стоков на поля без предварительного разделения на фракции.

К сооружениям искусственной биохимической очистки навозных стоков относятся аэротенки и биофильтры различных типов, а естественной биохимической очистки – поля орошения, поля удобрительного полива, поля фильтрации, установки для торфокомпостирования.

В смешанные системы очистки и использования животноводческих сточных вод входят одно-, двухступенчатые биологические очистные сооружения и земледельческие поля орошения для использования биологически очищенных сточных вод.

Наряду с вышеназванными системами очистки и использования животноводческих сточных вод на некоторых свиноводческих комплексах и фермах используются сооружения и установки по переработке сточных вод на кормовые дрожжи, выращиванию на твердой фракции сточных вод личинок мух, обработке их в окислительных траншеях и метатенках, а также сушке и сжиганию.

Критерием биологической (биохимической) очистки является способность микроорганизмов в процессе жизнедеятельности подвергать минерализации органические вещества, находящиеся в навозных стоках. К сооружениям, обеспечивающим такой процесс утилизации жидкого навоза, относятся аэротенки. В аэротенках накапливается большое количество микроорганизмов, образующим скопления – активный ил. Он представляет собой мелкие хлопья, в состав которых входят бактериальные клетки, соединенные слизью. Помимо бактерий в активном иле присутствуют актиномицеты, дрожжи, грибы, простейшие и другие представители фауны – личинки насекомых, клещи, черви и т.д.

К аэротенкам относятся окислительные пруды и траншеи, в которых поддерживается доза ила в количествах 5 г/л и больше.

Условия жизнедеятельности микроорганизмов оказывают значительное влияние на скорость окисления загрязнений сточных вод. Снабжение кислородом является одним из важных факторов, влияющих на условия обитания микроорганизмов активного ила.

Скорость потребления кислорода активным илом практически не зависит от концентрации растворенного кислорода, но только до тех пор, пока последняя остается выше критической величины и не превышает 1-2 мг/л.

Интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов в значительной степени зависит от температуры среды, в которой они обитают. Для большинства микробов активного ила величина оптимальной для жизнедеятельности температуры лежит в пределах +20-30°С, а для термофильной микрофлоры - +30-60°С.

Низкие температуры, наряду с понижением скорости очистки, тормозят процесс адаптации бактерий к новым видам загрязнений, снижают процессы нитрификации. Отрицательное воздействие на процесс очистки сточных вод в аэротенках оказывает повышенное содержание в ней минеральных солей. Максимальный уровень их должен быть не более 10 г/л.

Простейшие организмы, находящиеся в сточных водах, живут за счет потребления бактерий и взвешенных органических веществ. Им принадлежит решающая роль в снижении количества патогенных микроорганизмов. Так, по данным Н. С. Золоторевой (1966), наличие в активном иле обильной фауны простейших обеспечивает задержку развития E. Coli на 95-97%, уменьшает биохимическое потребление кислорода (БПК).

Под биохимическим потреблением кислорода подразумевают количество кислорода (в мг/л), требующегося для окисления органических веществ аэробными бактериями при температуре 20°С (без учета расхода кислорода на нитрификацию).

В бытовых сточных водах полное потребление кислорода бактериями наступает практически через 20 суток, что и определяет величину БПК₂₀ или БПК_полн. Для сокращения срока анализов определяется БПК₅, т.е. величина 5-суточной потребности в кислороде, которая составляет в среднем 70% от величины БПК₂₀.

Смесь твердых и жидких экскрементов, без добавления воды, имеют в среднем БПК₅ - 44770,0, животноводческие стоки свинокомплексов, где используют гидросмыв навоза, БПК₅ – 4500,0 мг/л.

Некоторые микроорганизмы в навозных стоках обладают способностью к быстрому размножению, в результате чего они поглощают большое количество загрязнений, находящихся в стоках. Они используют в процессе своей жизнедеятельности органические вещества, окисляют минеральные вещества (сульфиды, аммонийные и др. соли).

В процессе биохимической очистки сточных вод органические вещества минерализуются до образования углекислоты и воды. Гидролиз белков осуществляется под действием протеолитических ферментов. Кроме этого аминокислоты разрушаются грибами, актиномицетами и бактериями с образованием свободного аммиака, поэтому этот процесс называется аммонификацией. В природных условиях аммиак потребляется растениями или преобразуется микробами в азотистую кислоту. Этот процесс называется нитрификацией.

Процесс нитрификации протекает в две фазы. Первая фаза – окисление солей аммония в нитриты под воздействием Nitrosomonas europasa (мезофильные, термофильные и психрофильные формы). Благоприятная среда обитания для нитрифицирующих бактерий находится в интервале рН 7,0-8,6. Nitrosomonas способны окислять аммиак, мочевину, мочевую кислоту, гуанин, но органические вещества они не употребляют. Более того, последние способствуют угнетению роста нитрифицирующих бактерий. Во второй фазе нитрификации происходит окисление образовавшихся в первой фазе солей азотистой кислоты под влиянием бактерий Nitrobacter Winogradski.

Весь этот процесс можно представить в виде следующих реакций:

2NН₄ + SO₂ → 4Н + 2NO₂ + 2Н₂ О

2NO₂ + О₂ → 2NO₃

В кислой среде Nitrobacter не развивается. На интенсивность нитрификации влияет соотношение углерода и азота в среде. При наличии избытка органических веществ аммиак используется конкурентами нитрифицирующих бактерий. Кроме того, гетеротрофные бактерии усиленно поглощают необходимый нитрификатором кислород. Пока в очищаемых сточных водах присутствуют органические вещества и интенсивно развиваются гетеротрофные бактерии, нитрификация подавлена. Появление нитратов свидетельствует о том, что основная часть органических веществ уже минерализована. Поэтому в качестве индикатора окончания процесса биохимической очистки сточных вод на очистных сооружениях является отношение нитрифицирующих бактерий к органическим веществам.

В анаэробных условиях нитриты и нитраты способны отдавать кислород для биохимического окисления присутствующих в сточных водах органических веществ. Этот процесс восстановления нитратов и нитритов носит название денитрификации. Денитрификации принадлежит значительная роль в процессах очистки сточных вод на полях орошения, фильтрации, удобрительного полива, в аэротенках, в зонах застоя, где наблюдается дефицит кислорода.

Для очистки животноводческих стоков широко используются биологические пруды. Процесс очистки сточных вод в них складывается из следующих этапов: механического осаждения, биофлотокоагуляции, аэробного окисления, анаэробного распада, метанового брожения, фотосинтеза и других. Биоценоз прудов формируется под влиянием экологических факторов, определяющим условия жизни микро- и макроорганизмов, а именно: количество и качество поступающих загрязнений, климатические условия и содержание кислорода. В зависимости от этого различают анаэробные, аэробные и факультативно анаэробные пруды.

К анаэробным относятся пруды у которых БПК 330-550 кг/га в сутки. На глубине 2,5 м и более анаэробные условия создаются в природных слоях воды, когда в поверхностных слоях воды имеется избыток кислорода. В анаэробных прудах очистка сточных вод происходит в основном за счет процессов метанового брожения. При этом водоросли и микрофауна отсутствуют, образуется большое количество дурнопахнущих газов.

Сточные воды на выходе из анаэробных прудов требуют доочистки в аэробных прудах, т.к. они характеризуются высокими показателями БПК.

Более успешно для очистки сточных вод используются факультативно аэробные, или аэробно-анаэробные пруды. В поверхностных слоях таких прудов интенсивно протекает фотосинтез и вода перенасыщается кислородом, в придонных слоях глубоких прудов он отсутствует, идет метановое брожение и восстановление сульфатов. Поступление кислорода в аэробно-анаэробные пруды из атмосферы незначительно.

Основная роль в очистке сточных вод в таких прудах принадлежит протококковым водорослям и различным бактериям. Кроме этого в прудах обитают простейшие черви, рачки, коловратки, насекомые и т.п.

Аэробные пруды – это сооружения, в воде которых высокая концентрация кислорода поддерживается за счет искусственной аэрации. Эти пруды рассчитаны на кратковременное пребывание сточных вод (1-3 суток). В аэрируемых прудах достигается высокая степень очистки сточных вод не только от органических, но и бактериальных загрязнений.

Достаточно широко используется для очистки сточных вод ее фильтрация через почву. Этот способ является самым доступным. Сущность его состоит в том, что навозные стоки, не полностью очищенные и обеззараженные после искусственной биологической очистки, при внесении в почву подвергаются новому биологическому воздействию. В процессе биохимической очистки, происходящей в почве, сложные органические вещества, содержащиеся в навозных стоках, превращаются в более простые химические соединения (сульфаты, фосфаты, окись углерода, нитраты и др.). Одновременно навозные стоки освобождаются от патогенных микроорганизмов, и яиц гельминтов.

В процессе фильтрации количество загрязнений переходит в нижележащие слои. При этом глубже всех проникают хлориды и нитраты, ближе к поверхности – нитриты, аммиак и растворенные органические вещества, еще ближе – бактерии и яйца гельминтов. Во время фильтрации навозных стоков через почву промежутки между плотными частицами почвы заполняются как взвешенными частицами, так минеральными и органическими коллоидами. По мере уплотнения почвы она через некоторое время становится непроницаемой для проникновения бактерий. Часть микроорганизмов, поглощенных почвой, выживает и участвует в микробиологических процессах, другая часть погибает под влиянием внешних факторов и факторов биологического характера.

В процессах очистки сточных вод на полях фильтрации большая роль принадлежит бактериям и почвенным грибам. Особое значение имеют нитрифицирующие бактерии, которые выполняют функцию «консервирования» кислорода. При проникновении нитратов в нижние слои почвы в анаэробных условиях происходят процессы денитрификации, при этом образуется кислород, который используется для окисления проникших в глубокие слои почвы органических веществ. В верхних слоях почвы, куда проникает кислород на глубину 20-30 см, активно идут процессы минерализации органических веществ в аэробных условиях.

На полях орошения очистке сточных вод способствуют и высшие растения. Они удаляют из почвы биогенные элементы, усваивают соли аммония. Корни растений улучшают структуру и аэрацию почвы, а корневая ризосфера способствует развитию специфической микрофлоры, оказывающей положительное действие на очищение почвы от загрязнений. В результате антагонизма погибает значительное количество бактерий кишечной группы и в большей мере сохраняется сапрофитная микрофлора, которая также способствует процессам минерализации органических веществ.

Эффективность очистки навозных стоков зависит от фильтрационной способности почвы. Поэтому поля фильтрации следует располагать на песчаных и супесчаных почвах.

Поля орошения и фильтрации представляют повышенную опасность как в санитарном, так и в эпидемическом отношении, особенно в зимнее время, когда замедлены или прекращены все биологические и химические процессы в почве. Поэтому их можно использовать только в теплое время года.