CC BY
28
prifermskoj Teplice [Energy potential of barn ventilation emissions used in the farm greenhouse]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2001. No. 72: 113-119. (In Russian)
15. Metodika opredeleniya ekonomicheskoj effektivnosti texnologij i sefskoxozyajstvennoj tekhniki [Methods of estimating the economic efficiency of technologies and agricultural Machinery]. Moscow: GPUSZ
Minselxozproma RF. 1998: 220. (In Russian)
УДК 636.2 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10139
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Е.В. Шалавина, канд. техн. наук; А.Ю. Брюханов, д-р техн. наук
Э.В. Васильев, канд. техн. наук;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Решение проблемы повышения устойчивого состояния природной среды требует системного подхода на всех этапах функционирования действующих технологий переработки навоза в органическое удобрение, либо внедрения новых технологий, обеспечивающих снижение негативного воздействия на окружающую среду. Одним из путей обеспечения экологической устойчивости природной среды является уменьшения объема получаемого органического удобрения с увеличением концентрации в нем питательных веществ. Данный подход позволяет повысить экономический эффект предприятия за счет снижения объема перевозимого органического удобрения и уменьшения затрат на его транспортировку. Выполнение данных условий можно достичь за счет применения технологий глубокой переработки. На свиноводческом комплексе Северо-Западного федерального округа была апробирована экспериментальная установка глубокой переработки свиного навоза. Апробация технологии глубокой переработки свиного навоза на экспериментальной установке показала, что химические показатели полученной жидкости соответствуют требованиям, предъявляемым к жидкостям, используемым на полях орошения. Доведение очищенной жидкости до нормативов к сбросу в открытые водоемы, может быть достигнуто за счет добавления второй ступени очистки с применением химических реактивов для связывания молекул аммиака, либо за счет доочистки полученной жидкости на полях орошения или полях фильтрации.
Ключевые слова: природная среда, обращение с навозом, глубокая переработка.
Для цитирования: Шалавина Е.В., Васильев Э.В., Брюханов А.Ю. Использование технологий глубокой переработки навоза для повышения экологической безопасности природной среды Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 1(98). С.209-218
APPLICATION OF MULTI-STAGE MANURE PROCESSING TECHNOLOGIES TO IMPROVE ECOLOGICAL SAFETY OF NATURAL ENVIRONMENT
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практическийский журнал. _ИАЭП. 19 Вып. 98_
E.V. Shalavina, Cand. Sc. (Engineering); A.Yu. Briukhanov, DSc (Engineering)
E.V. Vasilev, Cand. Sc. (Engineering);
Institute for Engineering and Environment Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Improvement of environmental sustainability requires a systematic approach at all stages of operating technologies for manure processing into an organic fertiliser, or the introduction of novel technologies featuring the lower negative impact on the environment. One of the ways to ensure the environmental sustainability is to reduce the volume of resulting organic fertiliser with the simultaneous increase in the nutrient content in it. Such an approach allows enhancing the economic performance of the agricultural enterprise through the smaller volume of transported organic fertiliser and, consequently, lower transportation costs. Compliance with these conditions can be achieved using the multi-stage manure processing technologies. An experimental installation for pig manure processing (VSEP) was tested on a pig complex in the North-West Federal District. The tests showed that the resulting liquid did not meet the requirements for the liquid to be discharged into the open water bodies in terms of relevant maximum permissible concentrations. This can be improved by adding the second purification stage, which makes use of chemical agents to bind the ammonia molecules, or by additional purification of the liquid obtained on irrigation or filtration fields.
Key words: environment, manure handling, multi-stage processing.
For citation: Shalavina E.V., Vasilev E.V., Briukhanov A.Yu. Application of multi-stage manure processing technologies to improve ecological safety of natural environment. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 1(98): 209218. (In Russian)
Введение
Современное развитие сельского хозяйства основано на интенсификации производства, в связи, с чем увеличивается поголовье животных на той же территории, при этом существенно увеличивается нагрузка на природную среду.
Основной проблемой крупных свиноводческих комплексов СевероЗападного Федерального округа (СЗФО) является отсутствие достаточного количества собственных земельных угодий сельскохозяйственного назначения для внесения получаемого жидкого
органического удобрения.
Аренда земельных угодий не гарантирует долгосрочные экологически безопасные пути реализации полученного органического удобрения, так как договора носят краткосрочный характер.
Внесение полученного жидкого органического удобрения (ЖОУ) на основе свиного навоза на земельные угодья растениеводческих предприятий,
находящихся на большом удалении от свиноводческих комплексов, приводит к значительным эксплуатационным затратам [1, 2].
При удалении земельных угодий от места переработки навоза в органическое удобрение более, чем на 30 км, применяется перевалочная технология транспортировки ЖОУ. При данной технологии применяются дополнительные герметичные хранилища вблизи полей для накопления ЖОУ перед внесением. Применение данной технологии сопровождается значительными эмиссиями, приводящими к повышению негативного воздействия на окружающую среду и снижением ее устойчивости. Применение
технологий глубокой переработки навоза позволит уменьшить количество эмиссий при транспортировке и внесении ЖОУ до 40%, тем самым повысив экологическую безопасность природной среды.
В Северо-Западном Федеральном округе расположен свиноводческий комплекс, на котором применяется технология разделения навоза на фракции с последующей переработкой твердой фракцией в органическое удобрение методом пассивного компостирования и переработкой жидкой фракции методом длительного
выдерживания. За год на данном свиноводческом комплексе в ЖОУ содержится 20500 кг азота, который вносится на земельные угодья растениеводческих предприятий.
Собственных земельных угодий для внесения ЖОУ у свиноводческого комплекса нет. Расчетные затраты только на топливо для транспортировки всего ЖОУ на 50 км при агротехнических сроках в 120 дней составят 11 млн рублей. В соответствии с расчетом, для экологически безопасного функционирования технологии
транспортировки и внесения ЖОУ, необходимо не менее 10 тракторов и 10 машин для внесения ЖОУ вместимостью 11 тонн каждая.
Учитывая, что приобретение
собственных земельных угодий для внесения органического удобрения и получения запланированного урожая для
свиноводческого комплекса не является приоритетным направлением, так как комплекс работает на покупных кормах, основным путем решения проблемы утилизации навоза является внедрение технологии глубокой переработки. Предлагается применить на свиноводческом комплексе технологию глубокой
переработки навоза, которая была апробирована на комплексе крупного
рогатого скота Biogas Wipptal, Випитено, Южный Тироль (Италия) [3, 4, 5].
Целью данной работы является обоснование возможности применения технологии глубокой переработки навоза на свиноводческих комплексах, не имеющих достаточного количества собственных земельных угодий для внесения ЖОУ.
Материал и методы
Проанализируем технологию глубокой переработки свиного навоза VSEP, внедренную на комплексе крупного рогатого скота в Италии [6].
Система VSEP (вибрационный расширенный сдвижной процесс) работает за счет крутильных колебаний на поверхности мембраны, которая создает высокую энергию сдвига. В результате коллоидных загрязнений и поляризации мембраны за счет концентрации очистка материалов значительно снижается. Коллоидных загрязнений можно избежать за счет вибрации, при которой не требуется использование предварительной обработки для предотвращения образования отложений. Кроме того, пропускная скорость VSEP в 5-15 раз выше, с точки зрения GFD (литров на квадратный фут в день) по сравнению с другими типами мембранных систем. Синусоидальный сдвиг волны, распространяющийся от поверхности мембраны, действует таким образом, чтобы провести взвешенные частицы выше поверхности мембраны и позволить транспортировку жидких сред через мембрану.
Система VSEP имеет крутильные колебания с частотой 50 Гц на поверхности мембраны для подавления диффузии поляризации взвешенных коллоидов. Это очень эффективный метод отталкивания коллоидных загрязнений, в то время как синусоидальные волны сдвига от поверхности мембраны помогают отразить встречные частицы. В результате,
взвешенные твердые частицы во взвешенном состоянии парят над мембраной в качестве параллельного слоя, где они могут быть смыты тангенциальным поперечным
Рис. 1. Внешний вид блока мембранной фильтрации (фото с сайта http://www.vsep.com/local/russian/technology.html)
Разработанная структурная схема технологии для свиноводческого комплекса представлена на рисунке 2.
Блок двухступенчатой сепарации
Жидкая
фракция V 2 ступень
сепарации
Твердая фракция
Жидкая фракция
>
Блок мембранной фильтрации
©
Концентрат
TT
Накопитель твердой фракции после 1 и 2 ступеней сепарации
Длительное выдерживание
Пермиат
©
Жидкая фракция свиного навоза
W
V
Компостирование
Блок обратного осмоса
v J Очищенная I I жидкость
Сброс
ивание
<3 <i
Накопитель концентрата
©
Концентрат Пермиат
<
Ч/
Накопитель пермиата
Рис. 2. Блок схема экспериментальной установки глубокой переработки свиного навоза 1 - место отбора пробы «жидкая фракция свиного навоза»; 2 - место отбора пробы «Концентрат»; 3 - место отбора пробы «Пермиат»
В соответствии с технологией, представленной на рисунке 2, жидкая фракция со свиноводческого комплекса сначала подается на «Блок двухступенчатой сепарации», после которого жидкая фракция
подается на блок мембранной фильтрации, а твердая фракция - в накопитель твердой фракции. После «Блока мембранной фильтрации» пермиат подается на «Блок обратного осмоса», очищенная жидкость
после которого используется на полях орошения. Концентрат после «Блока мембранной фильтрации» и «Блока обратного осмоса» перерабатывается в ЖОУ методом длительного выдерживания, после чего вносится на земельные угодья сельскохозяйственного назначения.
Для контроля характеристик в навозе и продуктах, из него полученных, планируется отбор проб для анализа жидкой фракции навоза, пермиата и концентрата. Анализ образцов производился в соответствии с общепринятыми методами:
1. Сухой остаток/влажность для всех трех образцов определяется в соответствии с ГОСТ 26713-85 Удобрения органические. Метод определения влаги и сухого остатка.
2. рН для всех трех образцов определяется ионометрическим методом в соответствии с ГОСТ 27979-88 Удобрения органические. Методы определения рН
3. :ЫИ4+, N03-, К+ для всех трех образцов определяется ионоселективным методом
4. Робщ для образцов жидкой фракции свиного навоза (до подачи на блок
мембранной фильтрации) и концентрата (после блока мембранной фильтрации) определяется в соответствии с ГОСТ 2671785 Удобрения органические. Метод определения общего фосфора; для очищенной жидкости (после блока мембранной фильтрации) в соответствии с ГОСТ 18309-2014 Вода. Методы определения фосфорсодержащих веществ.
5. №бщ для всех трех образцов определяется методом Кьельдаля в соответствии с ГОСТ 26715-85 Удобрения органические. Методы определения общего азота.
Экспертами из консультационной организации Германии D6hlerAgrar была разработана математическая модель процесса глубокой переработки навоза. На основании исходных данных
свиноводческого комплекса был произведен предварительный расчет содержания питательных элементов в очищенной жидкости [9, 10]. Данные представлены в таблице 1.
Таблица 1
Расчетные характеристики очищенной жидкости и требования нормативных документов
Показатель Расчетные значения показателей очищенной жидкости Значения из нормативных документов [11, 12]
Мг/л Мг/л
Фосфор 0,6 0,0001*
Калий 1,3 0,5**
Аммиак 2,9 1,5
Потребность в биологическом кислороде 20,3 4
Химическая потребность в кислороде 7,3 30
* Значение приведено для показателя «Фосфор элементный (красный)» ** Значение приведено для показателя «диКалий персульфат»
С учетом того, что расчетные значения произведен пересчет показателей. При приведены в соответствии с переводе на единую систему, были получены наименованиями, используемыми в Европе, сопоставимые между собой расчетные
значения и значения Российских
нормативных документов.
Результаты и обсуждение Экспериментальная установка глубокой переработки навоза была апробирована на свиноводческом комплексе, расположенном в СЗФО. Общее поголовье животных составляет 100000 голов (включая поросят-сосунов). Во всех помещениях содержания животных установлена автоматическая система подачи воды с ниппелями. Удаление навоза и транспортирование его за пределы помещений содержания животных осуществляется гидравлическим способом (гидросмыв).
На свиноводческом комплексе была апробирована экспериментальная установка глубокой переработки жидкого навоза VSEP (рисунок 1).
На предприятии экспериментальная установка была апробирована в тестовом режиме, направленном на определение оптимального режима работы, при котором
образуется максимальное количество пермиата после блока мембранной фильтрации. Рабочее давление - 450 бар. В результате удалось добиться получение из 100% массы исходной жидкой фракции свиного навоза: 47% массы - концентрат, 53% массы - пермиат. При данном режиме работы установка за 4 часа работы перерабатывала 90 литров жидкой фракции свиного навоза.
Сотрудниками ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ были отобраны пробы исходной жидкой фракции свиного навоза, концентрата и пермиата. В отобранных пробах определялись следующие показатели: влажность, %; рН; общий азот, мг кг; общий фосфор, мг кг; аммонийный азот, мг кг; нитратный азот, мг кг; калий, мг кг.
Внешний вид исходных образцов, направляемых на химический анализ в лаборатории ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, представлен на рисунке 3.
Рис. 3 Внешний вид образцов жидкой фракции свиного навоза и продуктов, из него полученных 1 - жидкая фракция свиного навоза; 2 - концентрат; 3 - пермиат
В результате анализа получены следующие данные, представленные в таблице 2.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
Таблица 2
Результаты лабораторных анализов жидкой фракции свиного навоза и продуктов, из нее полученных
Образец Наименование показателя Значение показателя
Жидкая фракция свиного навоза Влажность, % 96,8
рН 6,8
Общий азот ^бщ (Кьельдаль), мг/кг 2940
Общий фосфор Робщ, мг/кг 960
Аммонийный азот NH4+, мг/кг 280
Нитратный азот N03-, мг/кг 960
Калий К+, мг/кг 92,5
Концентрат Влажность, % 92,6
рН 6,9
Общий азот ^бщ (Кьельдаль), мг/кг 8100
Общий фосфор Робщ, мг/кг 1380
Аммонийный азот NH4+, мг/кг 250
Нитратный азот N03-, мг/кг 1900
Калий К+, мг/кг 85,3
Пермиат (очищенная жидкость) Влажность, % 99,98
рН 6,3
Общий азот ^бщ (Кьельдаль), мг/кг 65
Общий фосфор Робщ, мг/кг 25
Аммонийный азот NH4+, мг/кг 61
Нитратный азот N03-, мг/кг 2,6
Калий К+, мг/кг 19,8
Показатели очищенной жидкости после «Блока обратного осмоса» сравнивались с предельно допустимыми концентрациями (ПДК), установленными для водоемов. Два показателя из протоколов - БПК и аммонийный азот были превышены по отношению к ПДК. В частности, концентрация аммонийного азота в очищенной жидкости составила 2,2 мг л, при нормативном показателе 1,5 мг/л.
Проблема повышенных значений БПК и аммонийного азота может быть решена путем добавления к экспериментальной установке второй ступени очистки, на которой на блок обратного осмоса подается очищенная жидкость в смеси с кислотой. Связанные кислотой молекулы аммиака не проходят через поры мембраны и задерживаются в концентрате, не попадая в очищенную жидкость. Вторым путем решения проблемы завышенных показателей может выступать доочистка жидкости на полях орошения или полях фильтрации.
Выводы
Внедрение технологии глубокой переработки навоза позволяет повысить экологическую безопасность природной среды на 60% за счет: снижения массы перевозимого ЖОУ на 50%, вследствие чего уменьшаются эмиссии при транспортировке ЖОУ с использованием перевалочной технологии, уменьшаются эмиссии при внесении ЖОУ.
Результаты теоретических расчетов технологии глубокой переработки для комплекса крупного рогатого скота показали, что при переводе на единую систему, были получены сопоставимые между собой расчетные значения и значения и Российских нормативных документов: расчетный показатель по аммиаку ставил 2,9 мг/л, а нормативный - не более 1,5 мг/л; расчетное значение ХПК составило 7,3 мг/л, а нормативное - не более 30 мг/л.
Показатели очищенной жидкости сравнивались с предельно допустимыми
концентрациями (ПДК), установленными для водоемов. Два показателя из протоколов - БПК и аммонийный азот были превышены по отношению к ПДК. В частности, концентрация аммонийного азота в очищенной жидкости составила 2,2 мг л, при нормативном показателе 1,5 мг/л.
Проблема повышенных значений БПК и аммонийного азота может быть решена путем добавления к экспериментальной
установке второй ступени очистки, на которой на блок обратного осмоса подается очищенная жидкость в смеси с кислотой. Связанные кислотой молекулы аммиака не проходят через поры мембраны и задерживаются в концентрате, не попадая в очищенную жидкость. Вторым путем решения проблемы завышенных показателей может выступать доочистка жидкости на полях орошения или полях фильтрации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Васильев Э.В., Брюханов А.Ю., Козлова Н.П. Оценка эффективности наилучших доступных технологий для интенсивного животноводства // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 88. С. 131-142
2. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В., Васильев
3.В., Козлова Н.П. Способы утилизации навоза как инструмент обеспечения экологической устойчивости сельских территорий Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3 (96). С. 231-243.
3. Biogas Wipptal GmbH [Электронный ресурс] www.biogas-wipptal.it/fileadmin/biogas/images/downloads/ Das_Projekt_Biogas_Wipptal.pdf (Дата обращения 25.02.2019)
4. Dohler Helmut. Garrestaufbereitung am Beispiel der Pilotanlage Wipptal // PROFI. Energie 2018. No.2. pp. 76-79
5. Biogas Wipptal [Электронный ресурс] https://www.youtube.com/watch?v=GJdxits3zfs (Дата обращения 05.02.2019).
6. Yoon Y., Ok Y.-S., Kim D.-Y., Kim J.-G. Agricultural recycling of the by-product concentrate of livestock wastewater treatment plant processed with VSEP RO and bioceramic SBR. Water Science and Technology. 2004. Vol 49 N 5-6: 405-412
7. Технологии мембранной фильтрации VSEP [Электронный ресурс] http://www.vsep.eom/local/russian/technology.h tml (Дата обращения 09.01.2019)
8. VSEP Case Studies and Application Notes. Biogas Effluent [Электронный ресурс]. URL: http://www.vsep.com/downloads/ease studies a pplieation notes.html (Дата обращения: 09.01.2019).
9. Sebastian Wulf, Peter Jäger, Helmut Döhler. Balancing of greenhouse gas emissions and economic efficiency for biogas-production through anaerobic co-fermentation of slurry with organic waste // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2006. Vol. 112, Issues 2-3, pp. 178-185.
10. Haenel, Hans-Dieter et al. Calculations of gaseous and particulate emissions from German agriculture 1990-2016: Report on methods and data (RMD) Submission 2018. Thünen Report, No. 57. Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut. 2018: 429. http://dx.doi.org/10.3220/REP1519913866000
11.СанПиН 2.1.5.980-00 Гигиенические требования к охране поверхностных вод [Электронный ресурс] http://docs.cntd.ru/document/1200006938 (Дата обращения 11.02.2019).
12. ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового
водопользования [Электронный ресурс] обращения 24.01.2019). http://docs.cntd.ru/document/901862249 (Дата
REFERENCES
1.Vasilev E.V., Briukhanov A.Yu., Kozlova N.P. Ocenka ehffektivnosti nailuchshih dostupnyh tekhnologij dlya intensivnogo zhivotnovodstva [Effectiveness assessment of best available techniques for intensive livestock production]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 88: 131-142. (In Russian)
2.Briukhanov A.Yu., Shalavina E.V., Vasilev E.V., Kozlova N.P. Sposoby utilizacii navoza kak instrument obespecheniya ehkologicheskoj ustojchivosti sel'skih territorij [Manure utilisation techniques as a tool for ensuring environmental sustainability of rural areas]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 3 (96): 231-243. (In Russian)
3.Biogas Wipptal GmbH. Available at: www.biogas-
wipptal.it/fileadmin/biogas/images/downloads/ Das Projekt Biogas Wipptal.pdf (accessed 25.02.2019)
4.Döhler Helmut. Gärrestaufbereitung am Beispiel der Pilotanlage Wipptal // PROFI. Energie 2018. No.2. pp. 76-79
5.Biogas Wipptal Available at: https://www. youtube.com/watch?v=GJdxjts3zfs (accessed 05.02.2019).
6.Yoon Y., Ok Y.-S., Kim D.-Y., Kim J.-G. Agricultural recycling of the by-product concentrate of livestock wastewater treatment plant processed with VSEP RO and bioceramic SBR. Water Science and Technology. 2004. Vol 49 No. 5-6: 405-412.
7.Tekhnologii membrannoi fil'tratsii VSEP [Technologies of membrane filtration VSEP].
Available at: http://www.vsep.com/
local/russian/technolo gy. html (accessed
09.01.2019) (In Russian)
8.VSEP Case Studies and Application Notes. Biogas Effluent Available at: http://www.vsep.com/downloads/case studies a pplication notes.html (accessed 09.01.2019).
9. Sebastian Wulf, Peter Jäger, Helmut Döhler. Balancing of greenhouse gas emissions and economic efficiency for biogas-production through anaerobic co-fermentation of slurry with organic waste. Agriculture, Ecosystems & Environment. 2006. Vol. 112. Issues 2-3: 178185.
10.Haenel, Hans-Dieter et al. Calculations of gaseous and particulate emissions from German agriculture 1990-2016: Report on methods and data (RMD) Submission 2018. Thünen Report, No. 57. Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut. 2018: 429. http://dx.doi.org/10.3220/REP1519913866000 11.SanPiN 2.1.5.980-00 Gigienicheskie trebovaniya k ohrane poverhnostnyh vod [Sanitary Rules and Regulations 2.1.5.980-00. Hygienic requirements for surface water protection]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200006938 (accessed 11.02.2019) (In Russian)
12.GN 2.1.5.1315-03 Predel'no dopustimye koncentracii (PDK) himicheskih veshchestv v vode vodnyh ob"ektov hozyajstvenno-pit'evogo i kul'turno-bytovogo vodopol'zovaniya [Sanitary and hygienic standard "Maximum Permissible Concentrations (MPC) of Chemicals in the Water of Water Bodies of Drinking and Cultural-Domestic Water Use"]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/901862249 (accessed 24.01.2019). (In Russian)
