CC BY
117
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ПРОДУКЦИЯ
УДК 54.058:614.7: 631.95
Исследование эффективности очистки воздуха в животноводческих комплексах от аммиака и сероводорода
Research of efficiency of cleaning cart spirit in livestock complexes from ammonia and hydrogen sulfide
Доцент И.П. Криволапов, доцент М.С. Колдин, доцент С.Ю. Щербаков (Мичуринский государственный аграрный университет) кафедра технологических процессов и техносферной безопасности, кафедра транспортно-технологических машин и основ конструирования, тел. 8-910-854-57-49 E-mail: ivan0068(g;bk.ru
Associate Professor I.P. Krivolapov, Associate Professor M.S. Koldin, Associate Professor S.Y. Scherbakov
(Michurinsk State Agrarian University) chair of technological processes and technosphere safety, chair of transport and technological machines and design bases, tel. 8-910-854-57-49 E-mail: [email protected]
Реферат. Представлены результаты экспериментальных исследований по определению концентрации диоксида углерода, аммиака и сероводорода в воздухе, загрязняемом в процессе ускоренного компостирования навоза крупного рогатого скота. Установлено, что концентрация диоксида углерода достигает 5,2 % об., аммиака 95-98 мг/м3, концентрация сероводорода достигает 18-20 мг/м3, что превышает ПДК в 2-5 раз. Определено, что данные значения концентрации газов достигаются на 46 сут компостирования. Для очистки воздуха от аммиака и сероводорода было предложено использовать технологию биологической фильтрации, а в качестве фильтрующего материала применять смесь компоста, древесной щепы и торфа в соотношении 1:1:1. На основе разработанных и уже существующих методик была предложена конструкция экспериментальной установки для моделирования процесса очистки воздуха, загрязняемого в ходе ускоренного компостирования животноводческих отходов. Установлено, что в процессе ускоренного компостирования температура соломонавозной смеси достигает 65 °С, а влажность исходящего воздуха близка к 100 %. В ходе проведенных экспериментов определена эффективность очистки воздуха от аммиака и сероводорода. Установлено, что эффективность очистки от аммиака достигает максимальных значений на 4 сут фильтрации, при этом она составляет 90-94 %. Эффективность очистки воздуха от сероводорода данным фильтрующим материалом в начальный период фильтрации достаточно низкая и не превышает 65 %, однако при дальнейшей фильтрации эффективность очистки увеличивается и на 4-6 сут достигает 90-96 %. Определена необходимость периода адаптации в течение первых 3 сут компостирования.
Summary. The article presents the results of experimental studies to determine the concentration of carbon dioxide, ammonia and hydrogen sulfide in the air, pollute the process of accelerated composting cattle manure. It was established that the carbon dioxide concentration reaches 5,2 vol. %, ammonia 95-98 mg/m3, hydrogen sulfide concentration reaches 18-20 mg/m3 MPC exceeds 2-5 times, it is determined that these values gases achieved at 4-6 day composting. For air purification from hydrogen sulfide and ammonia it was proposed to use a biological filtering technology, and as a filter material to use a mixture of compost, wood chips and peat in a ratio of 1: 1: 1. Humidity filter material was determined at 52 -55 %. On the basis of the developed and existing methods of construction of the experimental apparatus to simulate the air purification process was proposed, polluting during rapid composting animal waste, the key element is the fermenter and a biological filter to control the parameters of the composting process and the appropriate filtering equipment was used. It is established that during the accelerated composting of straw-manure mixture temperature reaches 65 °C and the outlet air humidity close to 100 %. In the course of experiments determined the effectiveness of air purification from ammonia and hydrogen sulfide
С Криволапов И.П., Колдин M.C., Щербаков С.Ю., 2016
released during aeration of livestock waste, represented by the filter material, it was found that the efficiency of removal of ammonia reaches a maximum of 4 filtration day, while it is 90-94 %, the efficiency of cleaning hydrogen sulfide from the air filter media data at the initial period of filtration and low enough not to exceed 65 %, but with further filter cleaning efficiency is increased and reaches hours 4-6 day 9096 %. The necessity of the adaptation period for the first 3 days of composting.
Ключевые слова: компостирование, торф, компост, эффективность очистки, аммиак, сероводород.
Keywords: composting, peat, compost, treatment efficiency, ammonia, hydrogen sulfide.
Переработка органических отходов сельского хозяйства должна обеспечивать достаточно эффективное получение денных продуктов и минимизировать возможные последствия загрязнений. Последнее направление обусловлено проникновением сточных вод животноводческих комплексов и загрязнением воздушного бассейна.
В ходе ранее проведенных исследований концентрации газов, выделяемых при разложении соломонавозной смеси крупного рогатого скота на базе АО учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского района Тамбовской области установлено, что в результате микробиологического разложения белоксодержапщх компонентов смеси, сопровождающегося повышением ее температуры до 60-65 °С, концентрация аммиака достигает максимальных значений на 4-6 сут и изменяется в пределах от 35 до 98 мг/м3, что превышает предельно допустимый уровень от 1,5 до 5,0 раз и соответствует фазе наиболее интенсивного разложения органических веществ (рис. 1) [1, 2].
С, мг/лп5 110 100
90 80 70 60 50 40 -30 20 10 о
Т/С 60
so 40
зо 20 10
10 11 12
Рис. 1. Изменение концентрации аммиака и сероводорода при естественной аэрации соломонавозной смеси на глубине 0,75 м в зависимости от температуры и времени компостирования
Концентрация сероводорода находится в пределах 14-17 мг/м3 на 4-6 сут, что превышает ПДК в 1,4-1,7 раз, а рост числа аэробных микроорганизмов, способствующих разложению белков, приводит к значительному снижению концентрации кислорода до 8-12 % об. при оптимуме 21 % об.
Помимо аммиака и сероводорода в процессе разложения навоза образуется значительное количество диоксида углерода, причем его образование сильно зависит от наличия микроорганизмов. Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Концентрация около 10 % вызывает удушье у животных. При концентрации выше 61 % появляется ослабление дыхания, сердечной деятельности, возникает опасность для жизни.
Образование высоких концентраций диоксида углерода обусловлено разложением безазотистых соединений навоза, в первую очередь, клетчатки, которая при доступе кислорода разлагается с образованием диоксида углерода и воды [1, 3]:
СеНюОз + Н20 + 602 = 6С02Т+ 6Н20.
При анаэробном разложении клетчатки образуется углекислый газ и метан:
СеНюОз + Н20 = ЗС02| + ЗСН4Т-
Углерод используется микроорганизмами для получения энергии, а азот - для построения структуры клетки.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при разложении соломонавозной смеси концентрация диоксида углерода достигает 5,2 % об. при уровне ПДК 0,495 % об.. При дальнейшем разложении концентрация снижается и достигает уровня 0,62 % об. (рис. 2).
Рис. 2. Изменение концентрации диоксида углерода в процессе разложения соломонавозной смеси
Вместе с диоксидом углерода при аэробном процессе из содержащейся в белке серы образуются сернистые соединения: сероводород, меркаптаны, дисульфиды .
В соответствии с п. 4.2 СП 4542-87 объемно-планировочные решения зданий, конструкция вытяжных систем вентиляции, общий объем вредных выбросов должны обеспечивать предотвращение загрязнения мест воздухозабора в соответствии со СНиП П-33-75 и указаниями по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ в выбросах промышленных предприятий. На крупных животноводческих комплексах, где имеют место повышенные концентрации вредных веществ в выбросах, следует предусматривать их очистку, обеззараживание и дезодорацию [5]. В настоящее время одним из перспективных направлений решения проблемы загрязнения воздуха является использование микробиологических способов, основанных на применении специальных штаммов микроорганизмов, поглощающих определенный спектр загрязняющих веществ с дальнейшим их преобразованием в углекислый газ, оксиды азота и воду. Использование этих методов дает возможность эффективно и с минимальными экономическими потерями обеспечить переработку отходов и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Основная область применения устройств биологической фильтрации - это очистка воздуха от неприятного запаха. Микробиологический распад веществ, образующих неприятный запах, на углекислый газ и воду происходит при температуре окружающей среды, что значительно снижает энергозатраты, поэтому во многих областях промышленности биофильтрация становится неотъемлемой частью технического оснащения производства [4, 6].
В ходе проведенного анализа существующих систем микробиологической очистки воздуха установлено, что основным элементом данной технологии является фильтрующий материал, характеризуемый пористой структурой и включающий необходимые компоненты для развития микроорганизмов. В качестве фильтрующего материала используют органические и неорганические компоненты, содержащие в своей структуре питательные вещества, необходимые для роста и развития микроорганизмов, основными из них являются: компост, торф, почва, бумажный гранулят, инертные носители. Для снижения уплотнения фильтрующего материала в него вносят стружку, еловые ветки, пластиковые наполнители.
Цель исследования - определение эффективности использования фильтрующего материала, содержащего в своей структуре органические компоненты, для очистки воздуха, загрязняемого в процессе микробиологической деструкции соло-монавозной смеси.
Для определения эффективности очистки воздуха от газов необходимо учитывать значительное количество факторов, основными из которых являются концентрация и объем газов, а также состав фильтрующего материала.
В качестве объектов исследования были определены: смесь навоза крупного рогатого скота и соломы, готовый компост из навоза крупного рогатого скота и соломы, торф верховой сфагновый нейтрализованный, аммиак и сероводород, образуемые при компостировании соломонавозной смеси.
На основе общеизвестных методик разработаны частные методики проведения исследований процесса биологической фильтрации газов, выделяющихся при компостировании.
В экспериментальных исследованиях были использованы: измеритель влажности воздуха и температуры внутри черного шара «ТКА-ПКМ» (модель 24М); ручной пробоотборник-дозатор НП-ЗМ; индикаторные трубки для определения концентрации кислорода, сероводорода, аммиака; газтестер - КИ - 28066; дистанционный термометр РН-105.
Место проведения экспериментальных исследований - АО учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского района Тамбовской области.
При использовании биофильтров в сельском хозяйстве в качестве фильтрующего материала, как правило, используют компост из отходов животноводства и его смеси с древесной стружкой в различных соотношениях.
Оптимальным фильтрующим материалом, по мнению ряда исследователей [7, 8], является смесь компоста и древесной щепы в соотношении 1:1 или 3:7. Наличие щепы придает пористость и создает определенный «каркас», а компост обладает высокой влагоемкостью и содержит питательные вещества для развития микро организмов.
Однако применение компоста из навоза крупного рогатого скота при его высокой влажности сопровождается значительными потерями давления и высокой степенью слеживаемости при эксплуатации биофильтра. С целью сокращения потерь давления, обеспечения высокой влагоемкости и внесения дополнительных питательных веществ для развития микроорганизмов в фильтрующий материал добавляют торф.
Таким образом, пользуясь априорной информацией и нашими предположениями, для проведения исследования был использован фильтрующий материал, состоящий из торфа, компоста и древесной щепы в соотношении 1:1:1.
При проведении исследований был использован компост из навоза крупного рогатого скота и соломы, имеющий рыхлую измельченную структуру и содержащий 2,2-2,4 % общего азота, 1,3-1,6 % оксида фосфора, 1,7-1,9 % оксида калия.
В исследованиях был использован торф сфагновый нейтрализованный верховой низкой степени разложения с добавлением извести Н-1, массовая доля влаги не более 65 %, кислотность рН солевой суспензии 5,5-6,5.
В качестве древесной щепы была использована стружка и кора сосны, полученная в результате ее обработки, длиной от 45 до 50 мм, влажностью 20-25 %.
Соломонавозная смесь имела влажность 65-75 %, состояла из навоза крупного рогатого скота и соломы влажностью 15-20 %, в соотношении 1:2 по массе.
Для анализа процесса биологической фильтрации газов, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси торфогумусовым фильтрующим материалом, была сконструирована лабораторная установка.
Установка состоит из термоизолированной емкости 1, в которую помещается соломонавозная смесь, влажностью 75 %, объемом 0,6 м3, предварительно доведенная до температуры 45-50 °С. В нижнюю часть емкости вытяжным вентилятором 2 подается воздух, который, проходя через соломонавозную смесь, приводит к интенсификации микробиологических процессов с последующим повышением температуры, контролируемой в точке 6 прибором РН-105 и мультиметром ОИЕТ 2036. Воздуховод соединен с корпусом биофильтра 4, внутри которого на металлической сетке расположен фильтрующий материал (рис. 3).
3_ 1
5
2
Рис. 3. Лабораторная установка для оценки эффективности очистки воздуха торфогумусовым фильтрующим материалом: 1 - термоизолированная емкость; 2 - вентилятор для подачи воздуха; 3 - воздуховод; 4 - биологический фильтр; 5 - подача воздуха на очистку в биофильтр; б - определение температуры соломонавозной смеси
Для оценки количественного значения концентрации газов на входе и выходе из биофильтра используют газоотводные трубки. Сущность метода оценки концентрации аммиака и сероводорода заключалась в изменении окраски индикаторного порошка в результате реакции с газами, протягиваемыми через трубку. Объем протягиваемого газа устанавливался в соответствии с нормативной документацией на индикаторные трубки.
Для измерения концентрации газа к воздухозаборному устройству присоединяли индикаторную трубку. Параллельно процессу определения концентрации проводили исследование температуры компостируемой соломонавозной смеси на глубине 0,6 м при помощи дистанционного термометра ИI-105 (рис. 4).
Рис. 4. Определение концентрации газов в биоферментаторе
Концентрацию газов в мг/м3 или % об. определяли по длине и интенсивности изменившего первоначальную окраску слоя индикаторного порошка с помощью шкалы, нанесенной на индикаторную трубку. За результат измерения принимали среднее арифметическое из последовательных наблюдений [9].
Для осуществления принудительной вентиляции соломонавозной смеси и перемещения газов к поверхности фильтрующего материала использовался вытяжной вентилятор.
Эффективность работы биофильтра определялась исходя из анализа концентрации аммиака и сероводорода на выходе из термоизолированной емкости и биофильтра в соответствии с формулами:
эффективность очистки по аммиаку, %:
эффективность очистки по сероводороду, %
^ //,Л ( ком)
ЭН1& =(1- ^..... )х100
- С . №
^ Л'ЯчОпч) ^ НЛ{нач)
где , - концентрации аммиака и сероводорода, соответственно, на
_ . , „ ^АУ/,(лоя) ^¡Г^(кон)
выходе из биоферментатора, мг/м-1; - концентрации аммиака и
сероводорода на выходе из биологического фильтра, мг/м3 (рис. 5).
С, плг/м3
80
60
40
20
л3 1 1 1
♦ Снач И Скон -Й-ПДК
к"
\
Ь---| >-1 ■ ■ 1 11 1 1 1 9 1 1 1 • 1
3
10
11
Рис. 5. Изменение концентрации аммиака в процессе очистки фильтрующим материалом, состоящим из компоста, торфа и древесной щепы в соотношении 1:1:1
Анализ зависимости, представленной на рис. 5, показал, что в процессе компостирования соломонавозной смеси концентрация аммиака увеличивается и достигает максимального значения 95-98 мг/м3на 4-6 сут. В начальный период фильтрации концентрация аммиака на выходе из биофильтра приближалась к предельно-допустимому уровню и составляла 19 мг/м3. В дальнейшем несмотря на увеличение значений входной концентрации, концентрация на выходе из биофильтра снижалась, что обусловлено адаптацией микроорганизмов фильтрующего материала к концентрации и типу газа.
Исходя из полученных значений уровней концентрации, руководствуясь формулой (1), определена эффективность очистки загрязненного воздуха от аммиака данным фильтрующим материалом (рис. 6).
Э(1\1Н,
95,00 90,00 85,00 30,00 75,00 70.20 65,00 60,00
/ у
/
/
/
10
11
Рис. б. Эффективность очистки воздуха от аммиака фильтрующим материалом, состоящим из компоста, торфа и древесной щепы в соотношении 1:1:1
Анализ зависимости показал, что эффективность очистки воздуха от аммиака достигает максимальных значений на 4 сут фильтрации, при этом степень очистки составляет 90-94 %. Таким образом, период адаптации микроорганизмов фильтрующего материала составляет около 3 сут.
Изменение концентрации сероводорода в зависимости от времени компостирования и фильтрации материалом, состоящим из компоста, торфа и древесной щепы в соотношении 1:1:1, представлено на рис. 7.
Технологии АПК■
С, мг/м
пищевой и перерабатывающей промышленности {-продукты здорового питания, № 3, 2016
Рис. 7. Изменение концентрации сероводорода в процессе очистки фильтрующим материалом, состоящим из компоста, торфа и древесной щепы в соотношении 1:1:1
Анализ зависимости, представленной на рис. 7, показал, что в процессе компостирования соломонавозной смеси концентрация сероводорода увеличивается и достигает максимального значения 18-20 мг/м3на 4-6 сут. В начальный период фильтрации концентрация сероводорода на выходе из биофильтра находилась на уровне 4-5 мг/м3при ПДК 10 мг/м3. При дальнейшей фильтрации концентрация сероводорода снижалась, при этом адаптация фильтрующего материала находилась на уровне первых 3 сут компостирования.
Выделение сероводорода обусловлено разложением серосодержащих белковых соединений соломонавозной смеси в результате деятельности микроорганизмов.
В дальнейшем исходя из формулы (2) определена эффективность очистки загрязненного воздуха от сероводорода фильтрующим материалом, состоящим из компоста, торфа и древесной щепы в соотношении 1:1:1 (рис. 8).
90,00
35,00
30,00
75,00
70,00
65,00
1
/
*
60,00
1
8
10
11
Рис. 8. Эффективность очистки воздуха от сероводорода фильтрующим материалом, состоящим из компоста, торфа и древесной щепы в соотношении 1:1:1
Анализ зависимости показал, что эффективность очистки воздуха от сероводорода данным фильтрующим материалом в начальный период фильтрации достаточно низкая и не превышает 65 %. Однако при дальнейшей фильтрации эффективность очистки увеличивается и на 4-6 сут достигает 90-96 %, что свидетельствует о наличии периода адаптации фильтрующего материала.
Таким образом, в ходе проведенных исследований установлено, что использование фильтрующего материала, состоящего из компоста, торфа и древесной щепы в соотношении 1:1:1, для очистки воздуха, загрязняемого в процессе компостирования соломонавозной смеси, обеспечивает эффективность очистки по аммиаку и сероводороду 94 и 96 %. При этом обоснована необходимость наличия периода адаптации в течение первых 3 сут компостирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колдин, М.С. Методика и результаты оценки концентрации диоксида углерода при разложении соломонавозной смеси [Текст] / М.С. Колдин, И.П. Кривола-пов, В.И. Горшенин [и др.] // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2014 - Ч.З. - С. 55-58.
2. Криволапов, И.П. Методика экспериментального исследования биологической фильтрации газовых выбросов [Текст] / И.П. Криволапов / / Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2011 - Ч. 2. - С. 45-49.
3. Винаров, А.Ю. Очистка и дезодорация промышленных газов с помощью микроорганизмов [Текст] /А.Ю. Винаров, О.А. Садыров, Ф.И. Лобанов // Итоги науки и техники. Серия Биотехнология. Т. 27. - М., 1986. - 184 с.
4. Криволапов, И.П. Применение биологического фильтра для очистки воздуха [Текст] / И.П. Криволапов, В.В. Миронов // Матер. IX Междунар. науч.-метод, конф. «Интродукция нетрадиционных и редких растений» .- 2010. - С. 353-356.
5. Санитарные правила для животноводческих предприятий / Утверждены заместителем главного государственного санитарного врача СССР A.M. Скляровым N 4542-87, 31 декабря 1987 г.
6. Калюжный, С.В. Биотехнология защиты окружающей среды: единство методов и инженерных подходов [Текст] / С.В. Калюжный // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2010. - № 10 - С. 1735-1742.
7. Nicolai, R. Biofilters. Used to reduce emissions from livestock housing - a literature review [Text] / R. Nicolai, R. Lefers // South Dakota State University, 2005, pp. 18-29.
8. Richard, N.E. Biofilters [Text] / N. Richard, D. Schmidt // South Dakota State University college of agriculture & Biological sciences cooperative extension service / USDA cooperating/ 2005, pp. 38-43.
9. ГОСТ 12.1.014-84 ССБТ. Воздух рабочей зоны. Метод измерения концентраций вредных веществ индикаторными трубками. - М.: Изд-во стандартов, 2001.-7 с.
REFERENCES
1. Koldin, M.S. Metodika i rezul'taty otsenki kontsentratsii dioksida ugleroda pri razlozhenii solomonavoznoy smesi [Technique and results of an assessment of concentration of carbon dioxide at decomposition of solomonavozny mix] Vestnik Michu-rinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2014, Ch.3, pp. 55-58 (Russian).
2. Krivolapov, I.P. Metodika eksperimental'nogo issledovaniya biologicheskoy fil'tratsii gazovykh vybrosov [Technique of a pilot study of a biological filtration of gas emissions] Vestnik Michurinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2011, Ch.2. - pp. 45-49 (Russian).
3. Vinarov, A.Yu. Ochistka i dezodoratsiya promyshlennykh gazov s pomoshch'yu mikroorganizmov [Cleaning and deodorization of industrial gases by means of microorganisms] Itogi nauki i tekhniki. Seriya Biotekhnologiya, 1986, T. 27, pp. 184 (Russian).
4. Krivolapov, I.P. Primenenie biologicheskogo fil'tra dlya ochistki vozdukha [Use of the biological filter for purification of air] Introduktsiya netraditsionnykh i redkikh rasteniy: mat. IX Mezhdunar. nauch.-metod. konf.,2010, pp. 353-356 (Russian).
5. Sanitarnye pravila dlya zhivotnovodcheskikh predpriyatiy [Health regulations for the livestock enterprises] Utverzhdeny zamestitelem glavnogo gosudarstvennogo sanitarnogo vracha SSSR A.M. Sklyarovym N 4542-87, 31 dekabiya 1987 (Russian).
6. Kalyuzhnyy, S.V. Biotekhnologiya zashchity okruzhayushchey sredy: edinstvo metodov i inzhenernykh podkhodov [Biotechnology of environment protection: unity of methods and engineering approaches] Izvestiya Akademii nauk. Seriya khimicheskaya, 2010, No 10, pp. 1735-1742 (Russian).
7. Nicolai R. Biofilters. Used to reduce emissions from livestock housing - a literature review /R. Nicolai, R. Lefers // South Dakota State University, 2005, pp. 18-29
8. Richard N.E. Biofilters / N. Richard, D. Schmidt / / South Dakota State University college of agriculture & Biological sciences cooperative extension service / USD A cooperating/ 2005, pp. 38-43 (USA).
9. GOST 12.1.014-84 SSBT. Vozdukh rabochey zony. Metod izmereniya kontsen-tratsiy vrednykh veshchestv indikatornymi trubkami [GOST 12.1.014-84 SSBT. Air of the working area. Method of measurement of concentration of hazardous substances indicator tubes], 2001, pp. 7 (Russian).
