Анализ проблем сельского хозяйства и животноводства

---

Количество пахотных земель к 90-м годам 20 века перестало увеличиваться, более того их количество ежегодно уменьшается. По современным данным, ежегодно от 6 до7млн. га пахотных земель мировое сообщество теряет вследствие эрозии почвы, и еще 1,5 млн. га из-за засоления, затопления и осолонцевания. Отсутствие возможности увеличивать посевные площади усугубляется стремительным ростом населения. Фактически необходимо переходить к интегрированной оценке – количество гектар на душу населения.

В 1960 году приходилось 0,45 га на человека. По существующим прогнозам к 2010 году население планеты составит 7,5 млрд. человек, а количество пахотных земель снизится до 0,24 га на человека.

Рис. 4.1.1 Сокращение площади пахотных земель.

Для обеспечения населения земли продовольствием необходимо:

- в 2 раза увеличить производство зерновых культур;

- в 6,5 раз увеличить расходы на производство удобрений;

- в 6 раз увеличить расходы на борьбу с сельскохозяйственными вредителями;

- в 3 раза увеличить расход тепловой и электрической энергии.

Выход из того положения только один – интенсификация землепользования. Для этого необходимо использовать как минеральные, так и органические удобрения.

Рис. 4.1.2 Среднее количество внесенных минеральных удобрений.

Рис. 4.1.3 Урожайность пшеницы.

За счет экспорта производство минеральных удобрений в Российской Федерации вышло на дореформенный уровень. В 2005 году было произведено 16,6 млн. т, из них 80% было направлено на экспорт, а на внутренний рынок – 20%.

Сельскохозяйственными производителями вносится не более 9-11% от общего объема производства удобрений в РФ.

Из-за высоких цен удобрения по приоритетности потребляемых ресурсов у сельхозтоваропроизводителей стоят на 7-м месте наряду с пестицидами и мелиорантами.

Финансовые потоки предприятий на этот уровень не доходят, поэтому в России удобряется не более 30% посевных площадей и норма на 1 га не превышает в среднем 20 кг на га. За период 2003-2005 гг. заводские цены на удобрения увеличились более чем в 1,5 раза. Начиная с 2005 года государственная поддержка – компенсация части затрат из госбюджета прекращена, хотя она была предусмотрена Федеральной целевой программой «Плодородие».

Цены на минеральные удобрения настолько высоки, что применять их становится не выгодно. По оценкам специалистов, чтобы окупить 1 кг действующего вещества удобрений, нужно получить прибавку урожая 6-7 кг зерна. Это возможно лишь в том случае, если сельхозтоваропроизводитель использует интенсивные технологии. Если цены возрастут на 20%, их внесение может окупиться только при прибавке урожая на 8-9 кг зерна на 1 кг удобрений, то есть урожайность необходимо увеличить в 2 раза.

Рис. 4.1.4 Производство минеральных удобрений в РФ

Рис. 4.1.5 Внесение удобрений в РФ

Причинами низкого использования удобрений являются:

- высокая стоимость минеральных удобрений;

- отсутствие государственных дотаций на приобретение удобрений;

- отсутствие развитой инфраструктуры (доставка, хранение и внесение)

В ассортименте потребления минеральных удобрений произошел ряд изменений. В 2005 г. по сравнению с 2001 г. более чем на 20% увеличилось использование азотных удобрений. Рост связан в первую очередь с увеличением спроса на аммиачную селитру и карбамид, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве. На 25% увеличилось потребление фосфорсодержащих концентрированных удобрений, в первую очередь аммофоса различных марок, и на 26% – сложных (NPK) удобрений за счет увеличения поставок марок 13-19-19 и 10-26-26, а также уравновешенной марки 16-16-16.

Рис. 4.1.6 Доля различных удобрений, производимых промышленностью.

Количество азотных удобрений, выпускаемых как в однокомпонентном виде, так и в составе сложных (NPK) и (NP) достигает 60% от общего количества удобрений.

В качестве сырья для получения азотных удобрений используется природный газ – метан. Стоимость природного газа растет и как следствие растет и стоимость азотных и комплексных удобрений.

Рис. 4.1.7 Сырье и базовый метод производства основных типов минеральных удобрений

Рис. 4.1.8 Динамика роста цен на природный газ (руб./тыс. куб. м)

По прогнозам Министерства экономического развития и торговли РФ в ближайшие годы ускоренный рост тарифов на газ будет влиять на динамику роста цен электроэнергии, тарифов коммунального хозяйства, общий уровень инфляции. Данные прогноза увеличения роста цен на электроэнергию представлены на рис. 4.9.

Рис. 4.1.9 Прогноз динамики роста цен на электроэнергию

Сравнение традиционных способов переработки биоотходов и применения биотехнологий

Необходимые площади. Органические отходы животноводческих комплексов и сельского хозяйства сами по себе уже являются удобрениями. Но для того чтобы их можно было вносить в почву должно пройти около 5-6 месяцев. Созревание происходит в специальных емкостях – лагунах. В северных районах при высоком уровне грунтовых вод навозохранилища устраиваются на поверхности земли с боковыми бортами из камня, кирпича или других материалов. В южных и юго-восточных засушливых районах, где навоз быстро подсыхает, рекомендуется устройство навозохранилищ котлованного типа глубиной до 1 м. Навозохранилища располагают на возвышенных местах на расстоянии не менее 50 м от скотных дворов и свыше 200 м от жилых построек. Основное требование при постройке навозохранилища – устройство прочного и водопроницаемого дна, лучше всего цементированного или асфальтированного. Размеры навозохранилища определяются в зависимости от количества скота, продолжительности хранения. Примерная площадь на одно животное для хранения навоза в течение 2,5 – 3 месяцев следующая (в м²): крупный рогатый скот – 2-2,5; молодняк крупного рогатого скота – 1-1,25; свиньи – 0,4-0,5, овцы – 0,2-0,3. Емкость жижесборников зависит от объема навозохранилища — на 100 м² площади должно быть около 2 м³ емкости для сбора жижи.

Типовое навозохранилище, рассчитанное на хранение навоза от 100 коров, получаемого в течение 2,5—3 месяцев (около 300 т), имеет объем около 100 м³ .

Рассчитаем размер типового навозохранилища для одного из хозяйств Ейского района.

Пример. ЗАО «Воронцовское»: количество голов КРС – 1221, выход навоза в сутки – 44,8 т/сутки.

Для данного хозяйства навозохранилище должно иметь объем 1221 м³, рассчитанное на количество навоза, получаемого от 1221 коровы в течение 2,5-3 месяцев (около 3663 т). Площадь, занимаемая навозохранилищем составит – 3052,5 м².

Сравним данную площадь с территорией, необходимой для строительства биогазовой установки. Для этого рассмотрим технические характеристики биогазовой станции на навозе, производимой компанией «Zorg».

Таблица 4.2.1

Характеристики биогазовой станции на навозе

Из таблицы получаем, что для биогазовой установки мощностью 40 т/сутки необходима площадь 0,25 га (2500 м²). Таким образом, при традиционном способе хранения навоза требуется большая площадь, чем при использовании биотехнологий.

Если вывозить навоз на специальные полигоны, то годовые затраты для рассматриваемого хозяйства составят:

Выход навоза в сутки – 44,8 т, в год – 16352 т.

Навоз КРС свежий – IV класс опасности (248,4 руб. за 1 т)

Пл=16352*248,4=4 061 837 руб.

Применение навоза и биоудобрений. Сравним размеры посевных площадей, которые можно удобрить навозом и биоудобрениями. При традиционном способе хранения навоза из 1 тонны свежего навоза КРС получается 0,85 т полупревшего навоза. Внесение навоза под овощные и пропашные культуры (кукуруза, картофель, сахарная свекла) 40-50 т, под зерновые 20-30 т на 1га. Следовательно, получившегося навоза хватит на 0,03-0,05 га.

При использовании для переработки навоза биогазовой установки из 1 тонны навоза влажностью 90 % при выходе биогаза 0,25 м² с 1 кг. абсолютно сухого вещества (а.с.в) можно получить 1,25 т. Этого количества удобрений хватит для обработки посевных площадей 228 га. Кроме биоудобрений хозяйство также получает дополнительный источник энергии – биогаз, который может использоваться для получения электроэнергии и тепла, моторного топлива, напрямую сжигаться в газовых приборах.

Таблица 4.2.2

Продукты биогазовой установки

Сравнение химического состава навоза и биоудобрений. Навоз – важнейшее органическое удобрение. В его состав входят все основные питательные вещества, необходимые растениям, поэтому его называют полным удобрением. Однако коэффициент полезного действия такого удобрения составляет всего 10-15% от возможного. В зависимости от способа и длительности хранения органические отходы теряют от 25-50% органического вещества и питательных элементов (в первую очередь азот). Еще большие потери наблюдаются при промерзании со следующим оттаиванием до 70%. В таблице приведено изменение состава навоза в зависимости от степени разложения.

Таблица 4.2.3

Изменение состава навоза в зависимости от степени разложения

Полуперепревший навоз, находившийся какое-то время в навозохранилище или буртах, теряет свой первоначальный цвет, так как солома в нем приобретает темно-коричневую окраску. В состав полуперепревшего навоза входит примерно 75% воды, 0,5% азота, 0,3% фосфора, 0,4% калия, или, если пересчитать на килограммы, с 10 кг навоза вносится в среднем 50 г азота, 25 – 30 г фосфора, 40 – 50 г калия.

При анаэробной переработке органических отходов получаются биоудобрения, которые в большом количестве содержат биологически активные вещества и микроэлементы. Основным преимуществом биоудобрений перед навозом является, относительно элементов питания является их форма, доступность и сбалансированность, высокий уровень гумификации органического вещества.

Органическое вещество служит мощным энергетическим материалом для грунтовых микроорганизмов, поэтому после внесения в почву происходит активизация азотофиксирующих и других микробиологических процессов. В таблице приведены данные химического состава биоудобрений

Таблица 4.2.4

Химический состав биоудобрений из биогазовой установки (твердая фракция 20-25% СР*)

Таблица 4.2.5

Химический состав биоудобрения из биогазовой установки (жидкая фракция 5 % СР*)

* – содержимое основных элементов может существенно изменяться в зависимости от состава субстрата.

В поддержании экологического равновесия в почвах наиболее весомую роль играет ресурс гумуса, который является питательной средой для грунтотворних микроорганизмов, которые стимулируют питание растений, их ростовые процессы.

Основу гумуса составляют остатки органики растительного происхождения: наименее разложившиеся фракции, фракции, продолжающие раскладываться, комплексные вещества которые образовались в результате гидролиза и окисления и вещества которые являются результатом жизнедеятельности микроорганизмов.

В состав гумуса входят гуминовые кислоты, фульвокислоти и соли этих кислот, а также гумины – стабильные соединения гуминовых, фульвокислот кислот с грунтовыми материалами. Гумины имеют значительную удельную поверхность (600-1000м²/г) большую адсорбционную способность. При внесении в почву небольшого количества гумуса, по сравнению с другими удобрениями, изменяется состав и структура микрофлоры. Это в свою очередь ведет к изменению микробиологического режима в почвах, усилению процессов превращения веществ и энергии. В результате ускоряются обменные процессы, включаются новые циклы развития микрофлоры, в частности, усиливается деятельность азотофиксирующих бактерий. Как результат, обогащается питательная среда.

Почвы, на которые вносят гумусные удобрения, характеризуются следующими признаками:

- повышается подвижность грунтового фосфора;

- активируются процессы нитрообразования в почве, что в свою очередь способствует значительному росту общего и белкового азота, увеличению выделения углекислоты почвой;

- ускоряется поступление аммиачных и амидных форм азота, фосфора, в растениях;

- повышается концентрация калия, алюминия при снижении количества магния, т.е. гуматы оказывают существенное влияние на содержание и динамику грунтовых катионов.

Во всех важных процессах почвообразования и формирования грунтового плодородия принимают активное участие гуминовые вещества, которые являются результатом разложения органических веществ. Основным показателем гумусного состояния почв является содержание органического вещества, так как оно существенно улучшает физические, химические и биологические свойства почвы, способствует плодородию. Также органические вещества имеют низкую теплопроводность и предотвращают быструю отдачу тепла из почвы в атмосферу.

Таблица 4.2.6

Нормативные показатели восстанавливаемости гумуса для разных

органических отходов

(кг гумуса в 1т субстрата)

Гумус в 15-20 раз более эффективен любого органического удобрения. Специфическая микрофлора и ферменты, которые содержатся в гумусе, способны возобновить «мертвую почву», т.е. обеспечить все ее функции и придать ей свойств высокого плодородия. Эти ценные свойства гумус сохраняет в течение 3-4 лет.

Ежегодно одновременно с урожаем выносится большое количество органического материала, уменьшается количество живых микроорганизмов, а в результате снижается активность гумусообразования. Для поддержания необходимого уровня гумуса в почвах чаще всего вносят органические удобрения (навоз, помет, торф) но содержание гуминовых веществ в такой органике совсем малое. Поэтому для минимального обеспечения почвы необходимым количеством гумуса необходимо использовать более эффективные удобрения.

При использовании гумуса достигается существенное повышение количества и качества урожая. Например, по разным источникам озимая пшеница дает прибавку 15-20%, сахарная свекла до 20%, кукуруза 20-30%, картофель до 30%. Таким образом, позитивное влияние гумуса на грунтовое плодородие и урожайность можно представить в виде комплекса взаимосвязанных процессов:

- улучаются физико-механические и физические свойства почвы;

- усиливаются процессы почвенного обмена: адсорбция удобрениями элементов питания почвы с улучшением питательного режима развития растений и повышения биологической активности. Как результат повышение урожайности.

Наряду с перечисленными позитивными признаками гумус обладает и другими свойствами, такими как, большая влагоемкость, влагостойкость, механическая прочность гранул, отсутствием семян сорных растений, наличием большого количества и более широкого спектра полезных микроорганизмов, ферментов, антибиотиков, гормонов роста, для растений. Гумус также обладает более стандартными качествами: сыпучестью, регулируемой влажностью, технологичностью использования, прогнозируемостью действия на урожайность сельскохозяйственных культур, безвредностью для почвы, хорошим взаимодействием с теми или другими минеральными и химическими удобрениями. В сочетании с мелиоративными и структурирующими свойствами почвы такое органическое удобрение, выработанное по естественной технологии в условиях промышленного производства, превышает конкурентоспособность любых других искусственных минеральных удобрений.

Основные преимущества биоудобрений, полученных на биогазовой установке с обычным навозом и минеральными удобрениями

Отсутствие запаха.

Максимальное сохранение и накопление азота. Большая эффективность биоорганических удобрений по сравнению с навозом объясняется тем, что при анаэробной переработке происходят минерализация и связывание азота, при традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостировании) потери азота составляют 30-40%.

Анаэробная переработка навоза в 4 раза по сравнению с несброженным навозом увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму).Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора. Отсутствие семян сорняков. В 1 тонне свежего навоза КРС находится до 10 тыс. семян разных сорняков, которые пройдя через желудок животных, не теряют способность к прорастанию. Это приводит к потере урожая от 5-7 центнеров злаковых культур с одного гектара. Во время сбраживания полностью гибнут семена сорняков

Отсутствие патогенной микрофлоры. В навозе могут содержаться свыше 100 опасных для животных и человека болезней: сибирская язва, туберкулез, бруцеллез, паратиф, паратуберкулез, ящур, сальмонеллез, аскаридоз, кишечные инфекции, – это лишь некоторые из них. Свиной навоз имеет общую микробную загрязненность от 4,1 до 3,610-9, споровых анаэробов от 10-2 до 10-4, титр кишечной палочки составляет от 10-5 до 10-7. Биоудобрения, благодаря специальной технологии переработки в биогазовой установке, полностью лишены патогенной микрофлоры.

Наличие активной микрофлоры. Биологические процессы с образованием гуминовых кислот, активизированные в биологических реакторах, продолжаются еще несколько месяцев и после внесения удобрений в почву. Это способствует восстановлению и развитию множества форм жизни уже непосредственно в почве. Биоудобрениям также свойственно высокоэффективное последействие на культуры, выращиваемые на 2-ой и 3-ий годы после внесения удобрений в почву.

Отсутствие адаптационного периода. Навоз перед внесением в почву, нуждается в проведении длительной подготовки (6-12 месяцев). Полезные вещества, которые содержатся в нем, частично теряются, а остальные начинают действовать в почве лишь на 2-4 год после его внесения. Биоудобрения благодаря своей форме начинают эффективно работать сразу при внесении.

Стойкость к вымыванию из почвы питательных элементов . За сезон из почвы вымывается около 80% органических удобрений, потому приходиться их ежегодно добавлять в больших количествах. За это же время из почвы вымывается всего до 15% биоудобрений. Таким образом, внесенные в небольшом количестве биоудобрения будут работать на 3-5 лет дольше, чем обычные удобрения.

Экологическое влияние на почву. Минеральные удобрения могут наносить большой вред, загрязняя почву и грунтовые воды. Технология анаэробного сбраживания исключает загрязнение почвы и сельхозпродукции вредными химическими соединениями, в том числе тяжелыми металлами.

Изготовление компостов традиционными методами не позволяет получать высокую степень гомогенности массы, сроки ее созревания 6-7 месяцев. При этом компост созревает неравномерно, вследствие чего не происходит его полного обеззараживания. Компост не приобретает агрономических свойств, его внесение вызывает загрязнение почвы болезнетворной микрофлорой и семенами сорняков, пестроту в плодородии полей, что приводит к неравномерности созревания, разной высоте растений, значительному недобору урожая.

Технология анаэробного сбраживания позволит сократить на 30-40% посевные площади, занятые фуражными культурами, и перепрофилировать их на выращивание экологически чистых продуктов питания, пользующихся спросом, в том числе и на мировом рынке.

Преимущества биоудобрений в сравнении с минеральными удобрениями

Минеральные удобрения оказывают негативное влияние на здоровье человека и почву. Минеральные удобрения в виде гранул или растворов усваиваются только на 35-50%, остальные откладываются в виде нитратов в продуктах и грунтах. В свою очередь, выращенные продукты плохо влияют на организм человека. Нитраты содействуют развитию раковых опухолей в желудочно-кишечном тракте. Длительный прием нитратов в малых дозах приводит к увеличению щитовидной железы. Нитраты способствуют увеличению холестерина и снижению белка в крови человека и животных. Биоудобрения благодаря своим биологическим свойствам усваиваются растениями практически на 100%, при этом, содержание нитратов в продуктах минимально. Влияние удобрений класса «Биоуд-1» на различные сельскохозяйственные культуры представлена в таблице .

Таблица 4.2.7

Влияние биоудобрений на сельскохозяйственные культуры

РРис. 4.2.1 Экономическая эффективность биоудобрений

Обозначения в нижней части диаграммы (перевод на русский язык)

Mech. Sep – Механическое сепарирование

Eindampfung Filtrat – Выпаривание фильтрата

Membranverfahren (Kondensat) – Мембранная технология (Конденсат)

Σ (integriert) – (включаются все производственные компоненты)

Erlöse (Σ) – Доходы

Обозначения в рамке внизу справа

KWK Bonus – Дотация

Düngerwert – Стоимость удобрения

еrf. Betriebsstoffe – Необходимые производств. затраты

тh. Leistung – Тепловая энергия

еl. Leistung – Электрическая энергия

Kapitalkosten – Капитальные затраты

4.3 Предпосылки внедрения биогазовых установок

Интенсификации развития животноводства и сельского хозяйства в Российской Федерации препятствуют различные факторы. Особенно остро в агропромышленных комплексах и на животноводческих фермах стоит проблема хранения, обеззараживания и утилизации отходов жизнедеятельности животных и птиц.

Растительные корма в организме животных в результате сложных биохимических процессов преобразуются в органическое вещество тела животного. В продукты животноводства при этом переходит 16,4% всей энергии кормов, 25,6% идет на переваривание и усвоение. Большая часть энергии, около 58% остается в навозе. Бесподстилочный навоз по уровню химического загрязнения окружающей среды в 10 раз опаснее по сравнению с коммунально-бытовыми отходами и является фактором передачи более 100 видов различных заболеваний. Отсутствие современных систем переработки и утилизации отходов в большинстве животноводческих комплексов приводит к снижению качества продукции, опасному загрязнению грунтовых, поверхностных вод, атмосферы. Уровень заболеваемости населения в районах функционирования крупных животноводческих предприятий и птицефабрик в 1,6 раза выше среднего показателя по Российской Федерации. Наибольший уровень экологических нагрузок испытывают поля утилизации бесподстилочного навоза. Площадь полей, загрязненных органогенными отходами, в том числе животноводства, птицеводства, в РФ превышает 2,4 млн. гектаров, из которых 20 % являются сильно загрязненными, 54 % – загрязненными, 26 % – слабо загрязненными. Наличие данных земель является постоянным источником загрязнения биосферы. Только экологический ущерб от нарушения регламентов использования бесподстилочного навоза в настоящее время оценивается в 150 млрд. руб.

В Краснодарском крае свыше 270 сельскохозяйственных предприятий размещают свои отходы в 863 постоянных навозохранилищах, построенных не по типовым проектам и поэтому не отвечающих требованиям природоохранного законодательства. Отсутствие защитных сооружений на территории навозохранилищ приводит к тому, что навозосодержащие сточные воды зачастую попадают в почву, в природные водные объекты.

По данным государственного учета в крае за последние годы образовалось свыше 600 тысяч тонн свиного навоза, более 1 млн. 200 тысяч тонн – от крупного рогатого скота. С утилизацией такого количества отходов сельскохозяйственные производители не справляются, поэтому навоз и птичий помет накапливаются на территории вблизи коровников, свинарников и птицефабрик, со временем теряют свои ценные качества и приводят к загрязнению почв, подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха.

С этой задачей помогут справиться биотехнологии, хорошо известные, проверенные и работающие в экономически развитых странах. Путем бескислородного сбраживания в биогазовой установке из органических отходов сельского хозяйства получаются: биогаз (смесь метана(55-60%) и углекислого газа (40-45%)) и высокоэффективные органические удобрения. Применение биотехнологии обеспечит не только безотходную, экологически безопасную переработку органических отходов, а также позволит использовать собственный источник энергии – биогаз, который может быть преобразован в тепло или электричество, напрямую использован в газовых приборах.

Технологии анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов позволяют решить следующие задачи:

- внедрение комплексных природоохранных мероприятий по сокращению токсичных выбросов в атмосферу, почвенную и водную среду;

- получение сельскохозяйственным предприятием прибыли за счет использования биогаза для выработки электрической и тепловой энергии, реализации органических удобрений со стабильными свойствами (отсутствие запаха и повторного загнивания);

- повышение надежности и безопасности в энергосбережении животноводческих ферм и птицефабрик путем использования собственного возобновляемого источника энергии;

- повышение плодородия почв и повышение урожаев с кормовых площадей сельскохозяйственных предприятий за счет внесения своих удобрений, являющихся источником не только биогенных элементов, но и гуминовых веществ.

Переработка отходов животноводства и сельского хозяйства путем метанового сбраживания  позволяет создать систему замкнутого цикла: растениеводство – корма и пищевые продукты – отходы – анаэробная переработка – растениеводство. В такой схеме сельское хозяйство обеспечивается удобрениями и кормами, а производство при полезной утилизации метана – сырьем и энергией. При этом резко снижаются выбросы вредных веществ в окружающую среду. Снижается использование невозобновляемых  природных ресурсов.

В настоящее время в Российской Федерации биогазовые установки не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с дороговизной оборудования и неосведомленностью агропромышленных комплексов о новых технологиях. Немаловажным фактором также является отсутствие опыта внедрения биогазовых установок и недостаток квалифицированных специалистов. Многочисленные производственные, технологические, логистические, организационно-управленческие, финансовые и другие проблемы, которые приходится решать при строительстве биогазовых установок, а также значительные объемы инвестиций, которые необходимы для их решения, делают весьма актуальной разработку эффективных методов поиска оптимальной стратегии инвестирования средств на широком множестве инвестиционных возможностей. Даже на ранних этапах инвестиционного проектирования сложность многовариантной задачи, большое количество переменных и ограничений не позволяют эффективно выбирать стратегию развития без использования экономико-математических моделей, современных методов оптимизации и эффективных специализированных программных продуктов.

Рис. 4.3.1 Распределение суммарного количества органических отходов АПК

по Федеральным округам РФ (млн. т)