За матеріалами статті на тему «Quality of Sugar Beets under the Effects of Digestate Application to the Soil» («Якість цукрових буряків під впливом внесення дигестату в ґрунт») міжнародного рецензованого журналу «Процеси» («Processes») 8, 2020 р.

Протягом багатьох років буряковий жом, побічний продукт бурякоцукрового виробництва, використовувався як тваринний корм із високою поживною цінністю особливо для молочних корів. Однак останніми роками збільшується необхідність пошуку альтернативного та ефективного методу використання бурякового жому.

Однією з таких альтернатив із високим як економічним, так і екологічним потенціалом є переробка жому в газогенераторах. Було проведено науково-дослідні роботи з розробки технології анаеробного дигерування бурякового жому для отримання біогазу з високою теплотворною здатністю.

Дигерування рослинних відходів як сировини є звичною практикою в багатьох країнах світу, а кінцевий продукт анаеробного дигерування, тобто біогаз, є цінним джерелом відновлюваної енергії, яке можна перетворювати на тепло, електроенергію або рідке паливо. За оптимальних умов процесу газифікації біогаз містить: 25-85% метану, 14-48% вуглекислого газу, 0,08-0,5% сірководню, 0-5% водню, 0-2,1% оксиду вуглецю, 0,6-7,5% азоту та 0-1% кисню. Фінальний склад біогазу залежить від виду вихідної сировини, що подається в установку, та застосовуваного способу газифікації.

Теплота згорання метану становить 9470 ккал м^-3 (39,7 МДж м^-3), що означає, що біогаз із 62% вмісту метану має теплоту згорання 22,1 МДж м^-3, що відповідає 0,5 м^-3 природного газу; 0,7 л дизеля, 0,8 кг паливного коксу; 0,7 л бензину; 1,2 кг кам’яного вугілля або 2,2 кг деревини.

Виробництво біогазу є одним із секторів відновлюваної енергетики, які швидко розвиваються. Слід зазначити, що біогаз — не єдиний продукт анаеробного дигерування органічних відходів, так як під час процесу газифікації також утворюються тверді та рідкі побічні продукти. Відходи від газогенераторів містять значну кількість важливих поживних речовин, тобто фосфору, азоту та кальцію. Через те, що в кожному газогенераторі утворюється велика кількість дигестату, а також через високий вміст поживних речовин для рослин, його (дигестат) потрібно використовувати безпечними та ефективними методами.

Існує багато даних про різні методи використання дигестату, зосереджені на екологічності та економічній ефективності, в яких наголошується на тому, що ефективне використання дигестату іноді визначає прибутковість усієї інвестиції.

Оскільки європейські законодавчі норми диктують високий рівень переробки та повторного використання відходів, а також через те, що кількість газогенераторів постійно зростає, збільшується необхідність розробки екологічно прийнятних та економічно ефективних методів використання дигестату. Досвід, накопичений в інших країнах світу, показав, що найпростіший з можливих варіантів, тобто внесення дигестату в ґрунт, можна розглядати як найпоширеніший метод використання таких відходів, особливо коли поля знаходяться поблизу біогазової установки, тому можна уникнути транспортних витрат.

Слід зазначити, що внесення в ґрунт дигестату, який містить значну концентрацію поживних речовин у доступних для рослин формах, може принаймні частково доповнити хімічні добрива.

Цей простий спосіб використання дигестату зменшує негативний вплив відходів на якість води, оскільки азот і фосфор, що відповідають за евтрофікацію, поглинаються сільськогосподарськими культурами, а норми мінеральних добрив зменшуються, що захищає поверхневі води. Існують дані про використання дигестату, отриманого після переробки кукурудзяного та бурякового силосу в біогазовій установці, як ефективного біодобрива у сільському господарстві.

Заміна звичайних добрив відходами речовин, що утворюються на біогазових установках, може викликати значний економічний вплив на виробників цукрових буряків, оскільки в структурі їх виробничих витрат добрива становлять 28%.

Матеріали та методи

Досліджуваним матеріалом був дигестат, отриманий в результаті газифікації бурякового жому та цукрові буряки (Beta vulgaris cv. Fighter), зібрані з експериментальних ділянок.

Дослідницькі роботи проводилися на дослідному полі протягом трьох вегетаційних періодів 2013, 2014 та 2015 років.

Площа однієї ділянки становила 18,75 м², а польові випробування проводилися у трьох екземплярах у модифікованому латинському квадраті з буферними зонами (визначалася будь-яка мінливість ґрунтових умов).

Досліджувалися два способи підживлення ґрунту — стандартне комплексне внесення добрив із розрахунку 120 кг N  га^-1 та дигестату у вигляді суміші рідких і твердих фракцій, що виходять безпосередньо з установки щосезону з нормою, еквівалентною азоту в добривах.

Відбиралися зразки цукрових буряків (по 30 коренів із кожної обробки щороку) та визначалися їх технологічні параметри.

У ході експерименту використовувалися наступні методи: метод балансу сухої речовини (Національний стандарт PN-EN 12880:2004), аміачний азот — дистиляція К'єльдаля (Національний стандарт PN-EN 13342:2002), спектрофотометрія альфа-амінокислотного азоту, амідний азот — титрування на водяній парі, визначалася концентрація таких металів: натрію, калію, кадмію, міді, свинцю, нікелю, хрому та цинку методом спектрофотометрії ацетилсаліцилової кислоти (ASA) (Національний стандарт (FAAS), ртуть — у вигляді з’єднання з ASA (міжнародний стандарт 2014-EN 13346:2002), сахароза — поляриметрія, наявність збудників сальмонели та кількість живих яєць кишкових паразитів: Ascaris sp., Trichuris sp., Toxocara sp. стандартними мікроскопічними методами.

Результати експерименту аналізувалися за допомогою програмного забезпечення Statistica ®ver. 12.0 PL (Краків, Польща) у двофакторному дизайні ANOVA з використанням точного тесту Фішера (P ≤ 0,05) та представлялися як однорідні групи.

Результати та обговорення

Таблиця 1. Параметри якості дигестату, застосовані в експерименті на фоні допустимого рівня потенційних забруднювачів, що дозволяють вносити шлам стічних вод у ґрунт у рослинництві

Можна сказати, що в будь-якому окремому випадку рівень потенційного забруднення ґрунту під час внесення дигестату не був перевищений, і ці відходи можна використовувати як доповнення у відповідних нормах, обмежених лише вмістом азоту.

Як і для інших сільськогосподарських культур, погодні умови відіграють важливу роль для отримання високої врожайності цукрових буряків. На Рис. 1-3 представлені закономірності найважливіших погодних параметрів. Можна побачити, що роки проведених досліджень були різними в контексті представлених погодних параметрів.

Рис. 1. Середньомісячна температура під час вегетаційних періодів вирощування цукрових буряків у період досліджень

Рис. 2. Сума місячних опадів під час вегетаційних періодів вирощування цукрових буряків у період досліджень

Рис. 3. Сума щомісячних годин сонячного випромінювання під час вегетаційних періодів вирощування цукрових буряків у період досліджень

Цукровий буряк — культура зі значною потребою в воді, для високої врожайності йому необхідний відповідний температурний режим протягом усього вегетаційного періоду. На ранніх фазах росту рослин (квітень-травень) наявність води та відповідна температура є важливими факторами, тоді як інсоляція має досить незначне значення. Коли погодні умови на цій фазі є оптимальними, збільшується тривалість вегетаційного періоду.

Погодні умови, необхідні для цукрових буряків на фазі інтенсивного росту рослин (червень-жовтень) є більш складними. Накопичення біомаси в коренях досить сильно залежить від температурного режиму та високого рівня вологості ґрунту, тоді як для накопичення сахарози домінуючу роль відіграє високий показник інсоляції. Коли збільшується кількість годин із прямим сонячним випромінюванням, цукри інтенсивно накопичуються, тоді як сильні опади в цей період зменшують вміст цукру в коренеплодах.

Отже, можна зробити висновок, що відповідна закономірність погодних умов для розвитку цукрових буряків на початковій фазі росту була зареєстрована в 2013 році, але в сезоні 2015 року в цей період цукрові буряки відповідали гіршим умовам. У сезоні 2013 року погода також сприяла накопиченню біомаси в коренях, на відміну від 2014 року. Після порівняння періодів сонячного випромінювання на фазі накопичення цукру в коренях у досліджуваних вегетаційних сезонах можна сказати, що всі три сезони були майже рівними.

Досліджувані параметри технологічної якості цукрових буряків є не настільки важливими для виробників, так як вони фокусуються на вмісті цукру та врожайності буряків.

Для цукрового заводу все навпаки — всі представлені нижче параметри якості цукрових буряків мають ключове значення, оскільки вони визначають технологічну цінність вихідної сировини, тобто цукрових буряків для переробки.

Результати, представлені на Рис. 4-11, показують, що на перевірені основні параметри впливали умови вегетаційного сезону (фактор А), а також внесення добрив (фактор В). На всіх графіках малі літери позначають однорідну групу середніх значень для фактора B та взаємодію A x B; тоді як великі літери вказують на значну різницю для фактора А.

Рис. 4. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на масу коренеплоду

Рис. 5. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на концентрацію сахарози в цукрових буряках

Рис. 6. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на вміст сухої речовини в цукрових буряках

Рис. 7. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на вміст розчинної золи в цукрових буряках

Рис. 8. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на вміст альфа-амінокислотного азоту в цукрових буряках

Рис. 9. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на вміст амідного азоту в цукрових буряках

Рис. 10. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на вміст натрію в цукрових буряках

Рис. 11. Вплив вегетаційних періодів та внесення добрив на вміст калію в цукрових буряках

Найважливішими показниками якості цукрових буряків є маса коренеплоду разом із вмістом сахарози (цукру), а на деяких цукрових заводах також регулярно аналізується вміст альфа-амінокислот. В експерименті найменша маса коренеплоду була зареєстрована в сезоні 2014 року, а найбільша — в сезоні 2013 року, що відображає вплив погодних умов.

Було виявлено, що в сезоні 2014 року досліджувані методи внесення добрив не впливали на масу коренеплоду — середні значення були майже однаковими. Різний вплив методів внесення добрив на бурякову масу було виявлено в сезонах 2013 та 2015 років. У 2013 році після внесення NPK було виявлено значне збільшення маси коренеплоду, тоді як у 2015 році буряки, зібрані з ділянок, оброблених дигастатом, показали більшу масу, порівняно з контрольним зразком (Рис. 4). Ця мінливість призвела до відсутності суттєвих відмінностей, коли враховувався вплив внесення добрив.

Застосований дигестат є джерелом поживних речовин для сільськогосподарських культур, але на відміну від гною, компосту та шламу стічних вод, які детально досліджувалися в минулому, дослідження дигестату ще тривають. В умовах Південної Швеції було виявлено, що хімічні властивості ґрунту майже не змінилися, коли ґрунт був змінений деякими органічними побічними продуктами, включаючи дигестат.

Було виявлено поліпшення якості ґрунтів, оброблених анаеробними дигестатами, за короткий термін. Окрім сприятливого впливу на мікробну біомасу та вміст необхідних поживних речовин, також зазначено зменшення питомої ваги ґрунту та підвищення його гідравлічної провідності.

У даному дослідженні вміст сахарози, накопиченої в цукрових буряках, коливався між 17,3 та 18,6% для сезонів 2014 та 2013 років, відповідно. Було виявлено суттєві відмінності у вмісті цукру, а найвищий вміст сахарози було зареєстровано в 2013 році. Внесення добрив також суттєво впливало на вміст сахарози, цукрові буряки, зібрані з ділянок, оброблених дигестатом, показали вміст сахарози на 0,5% вищий, порівняно з внесенням NPK (Рис. 5).

Дані, представлені на Рис. 6, показують, що вміст сухої речовини в тканинах коренеплодів коливався від 22,3 до 24,2%. Було виявлено відмінності цього ключового параметру в сезонах 2013 та 2014 років, а середні показники за три сезони були ненадійними, і лише в 2015 році цукрові буряки, зібрані з ділянок, оброблених дигестатом, накопичили значно більше сухої речовини, порівняно з внесенням NPK.

Можна зазначити, що в даному експерименті вміст сухої речовини в цукрових буряках був відносно високим. Добжицький повідомляв, що 25% сухої речовини (DM) є типовим показником для цукрових буряків високої промислової якості.

Варто зазначити, що суха речовина складається з сахарози більше ніж на 80%, незалежно від внесених добрив, що свідчить про високу ефективність накопичення цукру в коренеплодах.

Фракція розчинної золи являє собою мінеральні сполуки, що містяться в соку і слабо зв'язуються з тканинами кореня. У процесі екстракції цукру розчинна зола через відбір соку досягає меляси. Під час переробки ця фракція вважається корисною для екстракції цукру, оскільки розчинна зола, що складається переважно з натрію та калію, стабілізує рН соку в основному діапазоні.

Отримані результати аналітичних процедур показали низьку мінливість середнього вмісту золи в сезони досліджень цукрових буряків, оскільки він коливався від 0,28 до 0,35%. За два сезони досліджень (2013 та 2014 роки) буряки, зібрані з ділянок, оброблених дигестатом, продемонстрували значне зменшення фракції розчинної золи, порівняно з внесенням NPK (Рис. 7).

Два аналізовані види азоту (Рис. 8 та 9) викликають негативний вплив на технологічні процеси на цукрових заводах, які переробляють буряки. Амінокислоти впливають на рН соків та реакції між ними та простими цукрами, які зазнають інтенсивної дії, а їх продукти є небажаними насиченими субстратами. Вони визначаються як “шкідливі нецукрові сполуки”. Під час термічних процесів у ході екстракції цукру амідні сполуки розкладаються до аміаку, який забруднює конденсат, що перекачується в паровий котел, та обумовлює необхідність очищення води. Амідні сполуки також можуть призвести до утворення піроглутамінової кислоти, яка негативно впливає на технологічну якість соку. Більше того, молекули амінокислот є субстратами так званої реакції Маяра, під час якої утворюються забарвлені продукти, небажані для виробництва білого цукру.

Було виявлено, що концентрація альфа-амінокислотного азоту коливалася від 0,001 до 0,009% незалежно від внесених добрив, а результати ANOVA показали, що в сезоні 2015 року вміст цих видів азоту був значно нижчим, ніж у двох інших сезонах (Рис. 8).

Мінливість концентрацій амідного азоту в цукрових буряках була пов’язана з видом внесених добрив протягом двох сезонів досліджень (2014 та 2015 років). У тканинах цукрових буряків, зібраних із ділянок, оброблених дигестатом, було виявлено значно нижчу концентрацію цього виду азоту. Можна стверджувати, що підживлення цукрових буряків дигестатом призводить до зниження вмісту шкідливого амідного азоту, порівняно зі стандартними мінеральними добривами (Рис. 9).

Сума обох досліджуваних елементів (натрію та калію) являє собою так звану "натуральну лужність". Цукровий буряк використовує їх для підтримки значення рН соку від 5,8 до 6,2, що сприяє накопиченню великої кількості сахарози. Натрій і калій у золі представляли домінуючу фракцію. Під час переробки на цукровому заводі обидва елементи відіграють важливу роль у підтримці належного рН екстракту переробленої вихідної сировини. З іншого боку, згадані лужні метали з'єднання демонструють високу спорідненість до сахарози та збільшують концентрацію цукру в мелясі, що може призвести до більших втрат цукру.

Під час досліджень також було виявлено відносно високу мінливість вмісту натрію, оскільки він коливався від 0,012 у 2013 році до 0,164% у 2014 році. Протягом двох сезонів (2014 та 2015 роки), а також у середньому значенні концентрація натрію в цукрових буряках при обробці дигестатом була значно нижчою, порівняно з внесенням NPK (Рис. 10).

Подібна ситуація була виявлена у випадку другого аналізованого лужного металу (калію), тобто значно нижчої концентрації під впливом дигестату, порівняно із застосуванням стандартних мінеральних добрив (NPK) незважаючи на те, що в один сезон (2015 року) спостерігався зворотний ефект (Рис. 11).

Отже, можна зробити висновок, що середня концентрація натрію та калію у цукрових буряках, зібраних протягом трьох поспіль сезонів із ділянок, оброблених дигестатом, може вважатися доцільною для виробництва цукру.

Підсумовуючи отримані результати, можна зазначити, що підживлення цукрових буряків рідкими відходами анаеробного дигерування бурякового жому показало свою придатність як альтернативний та безпечний метод використання цих відходів.