CC BY
15
Андрей Сергеевич Иванов, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, [email protected]
Andrey S. Ivanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural
University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, [email protected]
-♦-
Научная статья
УДК 631.862
Применение тепловой солнечной энергии для ускорения процесса компостирования органических отходов животноводства
Александр Николаевич Головко, Анатолий Михайлович Бондаренко
Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ
Аннотация. При производстве продукции животноводства производятся также побочные продукты -отходы жизнедеятельности животных, объёмы которых соизмеримы с объёмами производимой продукции. Неизбежно возникает проблема переработки и утилизации побочных продуктов животноводства во избежание загрязнения прилежащей производственной территории животноводческих комплексов и загрязнения окружающей среды. В результате анализа существующих способов переработки твёрдых органических отходов было определено, что одним из самых низкозатратных и эффективных способов является компостирование. Использование этого способа эффективно при создании определённых условий его протекания. Одним из основных факторов такого способа является снижение времени протекания процесса биотермического обеззараживания. К факторам, влияющим на ускорение процесса обеззараживания при компостировании, относится активация температурного режима в объёме перерабатываемых твёрдых органических отходов. Для ускорения нагрева продуктов компостирования используют различные методы, многие из которых экономически затратные и поэтому могут быть применимы при относительно большом количестве продуктов переработки. Возобновляемые источники энергии, к которым относится тепловая солнечная энергия, доступны всем и при любом объёме переработки. Проведён анализ существующих технологий компостирования твёрдых органических отходов. Рассмотрен способ применения тепловой солнечной энергии для ускорения процесса компостирования органических отходов животноводства и получения концентрированных органических удобрений.
Ключевые слова: органические отходы животноводства, возобновляемая энергия, тепловая энергия солнца, компостирование, обеззараживание.
Для цитирования: Головко А.Н., Бондаренко А.М. Применение тепловой солнечной энергии для ускорения процесса компостирования органических отходов животноводства // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 129 - 132.
Original article
Using thermal solar energy to accelerate composting of organic animal waste
Alexander N. Golovko, Anatoly M. Bondarenko
Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of the Don State Agrarian University
Abstract. In the production of livestock products, by-products are also produced - animal waste, the volumes of which are commensurate with the volumes of production. Inevitably, the problem arises of processing and recycling by-products of livestock farming in order to avoid pollution of the adjacent production area of livestock complexes and environmental pollution. As a result of the analysis of the existing methods of processing solid organic waste, it was determined that composting is one of the lowest cost and effective methods. Use of this method is effective in creating certain conditions of its flow. One of the main factors of this method is the reduction of the biothermal decontamination process time. In order to solve these problems, it is necessary to consider in more detail the process of processing such waste using the example of composting, followed by decontamination and use as organic fertilizer. One of the factors affecting the acceleration of the decontamination process during composting is the activation of the temperature regime in the volume of processed solid organic waste. To speed up heating of composting products, various methods are used, many of which are economically expensive and therefore can be used for relatively large volumes of processing. Renewable sources of energy, which include thermal solar energy, are available to everyone and with any amount of processing. Analysis of existing technologies for composting solid organic waste has been carried out. Method of application of thermal solar energy for acceleration of composting of organic wastes of animal husbandry and production of concentrated organic fertilizers is considered.
Keywords: organic livestock waste, renewable energy, solar thermal energy.
For citation: Golovko A.N., Bondarenko A.M. Using thermal solar energy to accelerate composting of organic animal waste. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 129 - 132. (In Russ.).
Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91)
Технические науки
Для обеспечения жизнедеятельности человека необходимы продукты питания, сырьём для которых служит продукция животноводческой и растениеводческой отраслей [1, 2]. В процессе производства животноводческой продукции производятся также отходы, связанные с жизнедеятельностью животных. Объём производимых отходов соизмерим с объёмами производимой продукции, а иногда и превышает их. Складирование отходов животноводства производится на прилежащей к производственным помещениям территории, что вызывает её засорение и загрязнение окружающей среды. Твёрдые органические отходы животноводства к тому же являются отходами IV класса опасности и при отсутствии организации переработки их хранение приводит к опасности заражения людей и животных. Поэтому важнейшей задачей современности является охрана окружающей среды от загрязнений отходами производства и жизнедеятельности животных. Однако процесс переработки отходов требует определённых затрат и энергоресурсов. Существующие способы переработки отходов животноводства позволяют не только произвести их обеззараживание, но и использование после переработки в качестве органических удобрений [3, 4]. Одним из таких способов переработки твёрдых органических отходов является компостирование. Способ основан на использовании для обеззараживания биотермической обработки твёрдых органических отходов при компостировании. Этот способ является менее затратным по сравнению с остальными, но требует создания в процессе компостирования специальных условий и затрат времени.
Цель исследования - определение возможности применения тепловой солнечной энергии для ускорения процесса биотермической обработки твёрдых органических отходов животноводства при компостировании.
Материал и методы. Объектом исследования является процесс ускорения биотермического обеззараживания твёрдых органических отходов с помощью применения тепловой солнечной энергии. В работе применены методы анализа и синтеза технологий переработки органических отходов на основе использования возобновляемых тепловых источников энергии.
Компостирование относится к группе основных способов переработки твёрдых органических отходов [5, 6]. Главным приёмом обеззараживания отходов при компостировании является их нагрев до температуры 65 °С и влажности менее 70 % и выдерживании этих показателей в течение 36 - 48 час. [6 - 9]. Нагрев компоста - неотъемлемое условие его обеззараживания, а скорость нагрева существенно влияет на скорость процесса обеззараживания, поэтому для ускорения этого процесса было рассмотрено использование тепловой солнечной энергии.
Очаг нагрева компоста в классической технологии образуется в центре бурта компоста и распространяется по его объёму. Для равномерного нагрева компоста по всему объёму бурта компост неоднократно перемешивается [5, 7, 9].
Для более быстрого нагрева бурта требуется нагрев его поверхности. Самым экономичным и эффективным является применение возобновляемой тепловой энергии. К природным возобновляемым источникам энергии, известным современной науке, относятся термальные воды действующих вулканических процессов (гейзеры), тепловая энергия земли и грунтовых вод и тепловая энергия Солнца. Термальные воды, связанные с вулканическими процессами, к сожалению, очень редко встречаются на территории России. Для использования тепловой энергии земли и грунтовых вод требуются значительные затраты на специальное оборудование и технологии. Солнце является самым доступным источником возобновляемой тепловой энергии, которую человечество пытается использовать в различных целях: нагревать воду, получать тепловую энергию, плавить металлы. Использование тепловой энергии Солнца для нужд человечества требует применения сложного оборудования и дорогостоящих технологий. Для передачи тепловой энергии Солнца поверхности компостного бурта такое оборудование и технологии не требуются.
Нагрев поверхности компостного бурта достигается путём покрытия откосов бурта чёрным красящим химически пассивным пигментом. Благодаря тепловой солнечной энергии, которая в средних широтах России имеет интенсивность потока е летом в ясный полдень до 0,8 кВт/ м2, а зимой - до 0,5 кВт/м2 согласно закону Стефана - Больцмана (формула 1), это позволяет при постоянной Стефана - Больцмана о = 5,6-10 - 8 Вт/(м2-К4) разогреть поверхность бурта, соизмеримую с поверхностью абсолютно чёрного тела, до температуры t = 34 - 72 °С. Этот способ обеспечивает прогрев бурта с внешней стороны, а также снижение теплопотерь через поверхность бурта. Нагретый до 65 - 70 °С бурт выдерживается при таких параметрах в течение 36 - 48 час., после чего обеззараживание навоза считается законченным.
t = 4411 -273 = 4|500(8008) -273 = 34,4(72,7) °С. (1)
\ст V 5,6-10-8
Навоз транспортируется на площадку для буртования и формируется в бурты строго в направлении с востока - на запад относительно сторон света (рис. 1).
Результаты исследования. Для более наглядного описания процесса компостирования с использованием тепловой солнечной энергии разработана его блок-схема (рис. 2).
Рис. 1 - Ориентирование бурта по сторонам света
Процесс ускоренного производства органических удобрений с использованием тепловой солнечной энергии включает два основных блока (блок II и блок III) и два вспомогательных (блок I и блок IV).
Входными параметрами I блока являются объём подаваемого на площадку подстилочного навоза (^тн), его влажность (WB) и плотность (ртн), выходными - Wra и Уш. Основной II блок предусматривает дополнительные входные параметры, основными из которых считаются ориентация бурта на площадке (ОБ) - восток - запад, температура окружающего воздуха (t, °C), интенсивность солнечного излучения (ИСИ), а также параметры ворошителя буртов (III блок). Среди основных параметров III блока выступают производительность (0вб), количество циклов перебуртовки (N), подача биологически активной добавки (БАД) и пассивного красящего пигмента (ПКП).
Выходными параметрами II блока являются время созревания компоста (ВСК), влажность произведённых КОУ (^коу) и объём КОУ (Ккоу). К входным параметрам IV блока относятся Укоу и W^, а также производительность машин на погрузке КОУ (бнагр), выходным - масса произведённых КОУ (Мкоу).
Основным обобщающим критерием рассматриваемой функциональной схемы выступает оптимизация времени на созревание компостной смеси: ВСК min. При этом должны учитываться требования ГОСТа, определяющие установочные параметры биотермического обеззараживания органических отходов животноводства [6, 7].
Производительность рассматриваемого процесса с использованием тепловой солнечной энергии зависит от ВСК и складывается из производительности её отдельных блоков:
бпроиз > ßl < Q2 < 03 < 04. (2)
С другой стороны
а
_Мкоу
произ
т„
(3)
(4)
где Тц - время цикла производства КОУ.
Тц _ 'под + 'фб + 'пер + 'ИСИ + 'погр.коу,
где 'под - время подачи на площадку исходного навоза;
'фб - время формирования бурта с ориентацией З - В;
'пер - время перемешивания с одновременной подачей БАД и ПКП;
'иси - время нагрева бурта компоста с использованием солнечного излучения; '
погр.коу
- время погрузки КОУ.
Указанные в выражении (4) параметры необходимо определять экспериментальным путём.
Ориентирование буртов относительно частей света В - З позволяет получить равномерную
I________________________________~_____I
Рис. 2 - Блок-схема процесса компостирования с использованием тепловой солнечной энергии
Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № б (91)
Технические науки
освещённость солнцем обоих откосов бурта в течение полного наблюдаемого прохода солнца по небесной сфере за светлое время суток [10]. Поверхность скосов бурта равномерно покрывается чёрным химически пассивным красящим пигментом. Через 1 - 2 дня производится замер температуры и влажности в контрольных точках бурта. При получении в результате замеров в контрольных точках температуры меньше 65 °С и влажности больше 70 % производится перемешивание бурта с последующим нанесением на откосы бурта чёрного химически пассивного красящего пигмента. После достижения в контрольных точках значений температуры 65 °С и влажности менее 70 % и выдерживания этих показателей в течение 36 - 48 час. процесс компостирования считается завершённым. В результате компостирования органических отходов происходит процесс биотермического обеззараживания, который приводит к гибели патогенной микрофлоры и семян сорной растительности [5, 6, 11].
Вывод. Рассмотренный способ ускоренного компостирования органических отходов ускоряет процесс биотермического обеззараживания твёрдого навоза, что способствует снижению загрязнения органическими отходами животноводства окружающей среды и получению высококачественного концентрированного органического удобрения.
Разработанная блок-схема процесса компостирования с использованием тепловой солнечной энергии позволяет определить параметры, воздействующие на процесс компостирования органических отходов животноводства, которые требуется определить экспериментальным путём.
Литература
1. Lipkovich E.I., Bondarenko А.М., Kachanova L.S. Prospective Technology for Processing of Manure and Dung (Scope) // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences (RJPBCS). 2016; 7 (2): 225 - 234.
2. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Intensive Rearing of Poultry and Pigs. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU. Joint Research Centre: Institute for Prospective Technological Studies Sustainable Production and Consumption Unit; European IPPC Bureau. 2013. 824 p.
3. Петрова Г.В., Буракаева А.Д., Сорокун С.В. Применение СВЧ-излучений для обеззараживания птичьего помёта // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 145 - 148.
4. Бондаренко А.М., Качанова Л.С., Барышников А.В. Исследование процесса переработки жидкого навоза свиноводческих ферм мобильной установкой // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 6 (86). С. 133 - 136.
5. Справочная книга по производству и применению органических удобрений: монография / А.И. Еськов, М.Н. Новиков, С.М. Лукин [и др.]. Владимир: ВНИП-ТИОУ, 2001. 496 с.
6. Качанова Л.С. Управление технологическими процессами производства и применения органических удобрений в аграрном секторе экономики: монография. Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2016. 207 с.
7. Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта РД-АПК 1.10.15.02-17. М.: Росинформагротех, 2017. 166 с.
8. Bittman S., Dedina M., Howard C.M., Oenema O., Sutton M.A. (ред.). Сокращение выбросов аммиака: меры и действия. Рекомендации целевой группы по химически активному азоту ЕЭК ООН. Центр экологии и гидрологии. Эдинбург, Великобритания, 2014. 101 с.
9. Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Шалавина Е.В. Проблемы обеспечения экологической безопасности животноводства и наилучшие доступные методы их решения // Региональная экология. 2017. № 1 (47). С. 37 - 43.
10. Пат. № 2706539 C1 Российская Федерация, МПК A01C 3/02. Способ ускоренного компостирования органических отходов: № 2018138091 / А.Н. Головко, А.М. Бондаренко, Л.С. Качанова; заявит. ФГБОУ ВО Донской ГАУ; заявл. 29.10.2018; опубл. 19.11.2019.
11. Ковалев Н.Г. Барановский И.Н. Органические удобрения в XXI веке: биоконверсия органического сырья. Тверь: ЧуДо, 2006. 304 с.
Александр Николаевич Головко, кандидат технических наук, доцент. Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет». Россия, 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21, [email protected]
Анатолий Михайлович Бондаренко, доктор технических наук, профессор. Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет». Россия, 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21, [email protected]
Alexander N. Golovko, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor. Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of the Don State Agrarian University. 21, Lenin St., Zernograd, Rostov region, 347740, Russia, [email protected]
Anatoly M. Bondarenko, Doctor of Technical Sciences, Professor. Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of the Don State Agrarian University. 21, Lenin St., Zernograd, Rostov region, 347740, Russia, [email protected]
-♦-
