CC BY
288
УДК 631.95
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА И ПОМЕТА А.В.Афанасьев
Проведен анализ текущей ситуации с производством и использованием навоза и помета в России. Показана необходимость их использования в качестве высококачественных удобрений в условиях сниженного плодородия почв. Дан анализ существующих и перспективных технологий переработки навоза и помета. При этом, наряду с экономическими и технологическими параметрами, учитывалась экологическая нагрузка на окружающую среду при реализации каждой из технологий. В результате выявлено, что наиболее перспективными являются технологии производства твердых органических удобрений методом биоферментации в биореакторах барабанного или камерного типа. Ключевые слова: навоз и помет, технологии, технические средства, инженерная экология
Производство продукции животноводства и птицеводства осуществляется путем превращения органических материалов пищевого состава (корма) в органическое вещество тела животных и птицы и их продукцию в результате сложных биохимических процессов. Установлено, что в продукты животноводства (КРС) переходит только 16,4 % всей энергии кормов, 25, 6% идет на переваривание и усвоение. Большая часть энергии, около 58 %, переходит в навоз [1].
С другой стороны, основой построения массы животного и его пищевой продукции являются химические элементы и, большей частью, азот. Эффективность использования азота кормов в пищевую продукцию животных и птицы не превышает 40% [2] (рис. 1), остальная часть азота поступает в навоз.
N в корме
Птица
(мясо)
Птица
(Я11ЦС)
Свинина (мясе) Коровы (молоко)
Коровы (говядина)
О 20 40 60 ВО 1 00
Рис. 1. Коэффициент эффективности использования азота кормов
в пищевую продукцию, %
Объёмы получаемых навоза и помёта существенно превосходят объемы производства основных продуктов сельского хозяйства - мяса, молока, яйца [1], что может привести к повышенной экологической нагрузке на окружающую среду. Решением для этого должно быть максимально полная переработка навоза и помета, сохранением питательности для последующего их использования в качестве удобрений.
Утилизация навоза и помета является постоянной заботой руководителей и специалистов предприятий, местных администраций, экологов, может представлять угрозу для здоровья населения и всех, кто находится вблизи животноводческого предприятия. От одной средней мощности птицефабрики (400 тыс. кур несушек или 10 млн. цыплят бройлеров) ежегодно поступает соответственно от 35 до 83 тыс. т. пометной массы и свыше 400 тыс. м сточных вод с повышенной концентрацией органических компонентов. Одна ферма КРС (1000 голов) в год дает 30-40 тыс. т навоза влажностью 90-93% [1].
В России ежегодно производится более 300 млн. т навоза и помета, которые содержат 1,8 млн. т азота, 1,0 млн. т фосфора и 0,9 млн. т калия. Для сравнения в 2010 году сельскохозяйственным производством использовано около 2,3 млн. т минеральных удобрений в действующем веществе, что существенно меньше данных элементов находящихся в навозе и помете, производимых в настоящее время [3].
С другой стороны, с учетом интенсивного сокращения невозобновляемых традиционных природных энергоресурсов (нефть, уголь и др.), изымаемых из недр Земли, вызывают все больший интерес и находят все более широкое применение нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы в виде биомассы.
В последние годы производство энергии на основе возобновляемых источников стало характерной чертой развития современной энергетики. Объемным, разнообразным и в тоже время легко доступным источником энергии является биологическая субстанция, в числе которых являются сельскохозяйственные отходы животноводства и растениеводства, которые неверно отнесены к отходам. Расчеты показывают, что общий энергетический потенциал отходов сельскохозяйственного производства России составляет примерно 3,1 трлн. Дж, что в несколько раз превышает все энергопотребление сельскохозяйственного производства в 2010 году [4].
Однако по основному назначению в качестве органического удобрения используется менее 15% от общего объёма производства навоза. К тому же в процессе движения навоза от животного до корневой системы растения по данным различных источников теряется более половины органического вещества и биогенных элементов группы №К: по азоту до 70%, фосфору и калию 40-50%.
В то же время биогенные элементы, азотистые соединения в первую очередь, являются главными загрязняющими веществами практически всех основных компонентов окружающей среды: поверхностных вод, почвы и атмосферного воздуха.
Таким образом, высокое содержание в навозе питательных веществ, а также безусловная необходимость переработки отходов животноводческого производства открывает широкий рынок для высококачественных экологически благоприятных органических удобрений, способных полностью заменить минеральные удобрения, что в свою очередь требует создания оборудования в России для их производства.
Для животноводов проблема утилизации отходов давно превратилась в хроническую: новое оборудование слишком дорогое, однако, и налоги на хранение отходов слишком велики. По оценкам Минсельхоза платежи агрокомпа-ний за размещение на своих угодиях навоза, помета и других отходов доходят до 35 млрд. руб. в год, не считая штрафов за загрязнение окружающей среды. Разной степени очистки и переработки необходимо подвергать сотни мллиар-дов кубометров жидких навозных стоков в год. Но далеко не в каждом животноводческом комплексе есть современные системы их переработки и утилизации [1].
Самую большую экономию капиталовложений хозяйственники видят в уменьшении затрат на строительство и закупку оборудования по переработке и утилизации навоза. Большинство предприятий складируют навоз в накопители (лагуны), откуда его после длительного выдерживания вывозят в качестве удобрений на поля. Если есть возможность, то отходы отправляют на ближайшие городские очистные сооружения.
Когда речь заходит о кормах, вспоминается пословица, что «у коровы молоко на языке». Кормовая база - это в первую очередь зерно, силос, сено, сенаж, т. продукция растениеводства, а также комбикорма, витаминные и минеральные добавки.
Эффективность растениеводства при прочих равных условиях целиком зависит от плодородия почвы, которое в свою очередь, как известно, зависит от органических удобрений, т.е. навоза, прошедшего необходимую обработку с целью получения заданных удобрительных качеств.
В связи с изложенным, целью исследований является: определение наиболее рациональных технологий утилизации отходов сельскохозяйственного производства с переработкой его в органические удобрения.
Задачи исследований:
• изучить все многообразие применяемых технологий подготовки навоза к использованию;
• провести анализ технологий на основе косвенных критериев;
провести эколого-экономическую оценку существующих и перспективных
технологий и определить технологии, наиболее рациональные для сельхозпредприятий.
Исследования проводили методами анализа и синтеза технологий удаления, обработки и исползования сельскохозяйственных отходов, оценки технологий по косвенным и эколого-экономическим критериям.
Для выбора наиболее рациональных технологий переработки навоза провели анализ всех существующих технологий с точки зрения их эколого-экономической целесообразности и возможности промышленного производства машин и оборудования для обеспечения их реализации.
На основе изучения применяемых в сельском хозяйстве Ленинградской области, России и передовых стран Европы и Америки технологий для предварительного анализа были отобраны 22 технологии.
На первом этапе из всего многообразия технологий путем частичного отсева на основе основных критериев (влажность исходного навоза не более 93% и надежное обеззараживание) отобрали 9 перспективных технологий:
1. Технология ежедневного удаления подстилочного навоза и помета механическими средствами, смешивания с влагопоглощающими материалами (торф), ферментации смеси путем двукратного перемешивания в летний период на площадках, хранения и внесения компостов в почву.
2. Технология ежедневного удаления навоза или помета механическими средствами, разделения на фракции, ферментации твердой фракции в биореакторах барабанного типа, хранения и внесения компоста в почву (рис. 2).
Рис. 2. Технологическая схема производства компостов в биореакторе барабанного типа (технология 2 и 3): 1 - емкость для твердой фракции навоза; 2 - транспортер-
дозатор; 3 - дозаторы микродобавок; 4 - транспортер-смеситель; 5 - биореактор; 6 - вентилятор; 7 - электрокалорифер; 8 - сепаратор; 9 - отгрузочный транспортер; 10 - буртоукладчик;11 - площадка хранения удобрений; 12 - система очистки воздуха.
3. Технология ежедневного удаления навоза или помета механическими средствами, разделения на фракции, добавки к твердой фракции ассоциации целлюлозолитических микроорганизмов АЦМ-У, разработанной в институте ВНИИСХМ (Санкт-Петербург) ферментации смеси в биореакторах барабанного типа, хранения компоста и внесения их в почву. Технология обеспечивает уменьшение сроков обработки исходного материала в 1,5 раза.
4. Технология ежедневного удаления подстилочного навоза и помета механическими средствами, смешивания с наполнителем (торф), ферментации смеси в биореакторах камерного типа, хранения и локального внесения их в почву (рис.3).
Рис.3. Камерный биоферментатор (технология 4): 1 - камера биоферментатора, 2 - рабочая смесь, 3 - ворота, 4 - вентилятор напорный, 5 - вентилятор вытяжной, 6 - система напорных воздуховодов, 7 - отверстия для замера температуры, 8 - штанга кислородомера, 9 - гибкий шланг, 10 - кислородомер
5. Технология периодического или ежедневного удаления бесподстилочного навоза и помета, анаэробная обработка навоза в метантенках и использование газа в качестве котельного топлива и навоза в качестве удобрения (рис.4).
Ферма 1000 голов
Выход навоза: _О=60м3Ж=90%
Накопитель объемом 120м3
Iш
рекуператор
1,1
щ .Л
Выход газ15м3/м3 реактора
д=100м3 W=91%
_ д=18,2т/с W=70%
\ЛЛЛЛЛЛЛ1-►
Емкости для хранения жидкой фракции
д=82,8т/с W=96,3%
С
7
Рис. 4. Технологическая схема обработки навоза КРС методом метанового
сбраживания (технологии 5, 6 и 7)
6. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, их интенсивное измельчение, анаэробная обработка навоза в смеси с растительными остатками растениеводства (силос - 30%) в метантенках и использование в качестве котельного топлива и навоза в качестве удобрения.
7. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, интенсивное измельчение до молекулярного уровня и обработка смеси в анаэробных условиях в метантенках с использованием газа в качестве котельного топлива и навоза в качестве удобрения.
8. Технология периодического или ежедневного удаления навоза или помета, разделения на фракции, стерилизации жидкой фракции в установке активации биологических процессов (УАП), сушки и гранулирования твердой фракции, хранения и локального внесения их в почву (технология «БИОКЛАД»).
9. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, выпаривания влаги в условиях низкого давления (вакуум-сушка).
Для сравнения с выше представленными были выбраны традиционно применяемые технологии:
10. Технология разделения навоза на твердую и жидкую фракции техническими средствами, длительного хранения и внесения их в почву, как наиболее широко применяемые в настоящее время в подавляющем большинстве хозяйств России, но не полностью отвечающие экологическим требованиям.
11. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, биологического обеззараживания путем длительного хранения и внесения их в почву.
На 2-м этапе анализ этих технологий проводили по косвенным критериям:
• по количеству операций, ед.;
• по количеству технических средств, ед.;
• по длительности выполнения, сут.;
• по суммарным потерям питательных веществ группы №К, %
• по степени обеззараживания, +/- .
Результаты анализа по этим критериям приведены в таблице 1.
Анализ полученных результатов показывает, что наилучшими технологиями являются технологии 3 и 7, которые, хотя и имеют значительное количество операций и технических средств для их реализации, но имеют минимальную длительность выполнения, что позволяет первые два этапа утилизации навоза и помета реализовать в поточном режиме без промежуточного хранения сырья, превращая их в стабильный конечный продукт, не меняющий состава при последующем длительном хранении.
Кроме того, они имеют незначительные потери биогенных веществ, сводя к минимуму негативное влияние на окружающую среду и максимально возвращая питательные вещества в природный оборот, частично извлекая энергию в виде биогаза.
Последние две технологии, несмотря на простоту реализации имеют один существенный недостаток - низкую надежность обеззараживания и поэтому требуют незамедлительной замены.
Таблица 1. Оценка технологий по косвенным критериям
Наименование технологий Оценка по локальным критериям
Количе- Количе- Длитель- Потерям Степень
ство опе- ство тех- ность КРК, % обезза-
раций, ники, выпол- ражи-
един. един. нения, сут. вания, +/-
Компостирование на площадке с 16 13 30 15-20 +
двухкратным перемешиванием
Ферментация в биореакторе барабанного типа 16 17 3-5 5-10 +
Ферментация в биореакторе ба- 17 16 1-3 3-5 +
рабанного типа с использованием
катализаторов
Ферментация в биореакторе 18 16 7-10 5-10 +
камерного типа
Переработка в метантенках с 12 10 10-15 15-20 +
получением биогаза
Переработка в метантенках в 14 12 10-15 15-18 +
смеси с растительными остатка-
ми растениеводства
Переработка в метантенках с 16 14 1-2 3-5 +
предварительным измельчением
сырья до молекулярного уровня
Технология «Биоклад» 19 16 1-2 10-15 +
Вакуум сушка 11 9 1-2 5-7 +
Разделение на твердую и жидкую 18 12 180/90 До 50 -
фракции с последующим дли-
тельным хранением и внесением
Длительное хранение и внесение 6 4 180 30-40 -
Анализ эколого-экономической оценки рассмотренных технологий показывает, что все они имеют достаточно высокую экологическую безопасность, приемлемые экономические показатели, и могут применяться в сельскохозяйственном производстве. Однако технологии 3 и 7 (табл. 1), являясь наиболее перспективными, находятся в стадии разработки и до широкого применения должны пройти производственную проверку.
Выводы
1. По объему производства, уровню решения и скрытым резервам проблема утилизации сельскохозяйственных отходов является одной из национальных проблем России.
2. Из всего многообразия технологий утилизации сельскохозяйственных отходов только около десяти отвечают эколого-экономическим требованиям.
3. Наиболее рациональной технологией обработки навоза и помета в настоящий период является технология производства твердых органических удобрений методом биоферментации в биореакторах барабанного или камерного типа (технологии 2, 3 и 4).
4. Требуется дальнешее совершенствование технологий переработки навоза с целью сокращения сроков обработки и организации поточного производства.
Литература:
1. Белышев, А.С. Утонет ли Россия в навозе? / А.С.Белышев // www.wiborwto.ru
2. Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Reference Document on Best Available // Techniques for Intensive Rearing of Poultry and Pigs. - 2003. - №7.
3. Агропромышленный комплекс России в 2010 году. - М.: ФГНУ "Росинформагротех", 2010.
4. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития / С. Г. Митин и др. - М.: ФГНУ "Росинформагротех", 2007. - 202 с.
Афанасьев Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГНУ Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Тел. (8812)476-86-02 E-mail: nni@sp.ru
The analysis of the current situation with the production and use of manure in Russia. The necessity of their use as a fertilizer high in terms of reduced fertility. An analysis of existing and emerging technologies of manure. In this case, along with economic and technological parameters take into account environmental pressures on the environment in the implementation of each technology. The result revealed that the most promising technology of solid organic fertilizer by biofermentation in bioreactors or cell-type drum.
Keywords: manure, technology, equipment, engineering environment.
