CC BY
31Проблемы утилизации помёта при клеточном содержании в индустриальном птицеводстве
о ы
а
а
«
а б
Сидыганов Юрий Николаевич
д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет»
Онучин Евгений Михайлович
к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет»
Рыбаков Павел Андреевич
магистрант, ФГБОУ Во «Поволжский государственный технологический университет»
Выполнен обзор и анализ проблем утилизации помёта клеточного содержания в индустриальном птицеводстве и намечены перспективные направления их решения. Установлено, что существенное снижение остаточных объёмов отходов промышленного птицеводства, обеспечивающее экологическую безопасность при хорошей производительности и низком уровне ресурсоёмкости, является технология термической сушки и сжигания помёта, путём предварительного механического отжима избытка влаги шнековым прессом с одновременным добавлением древесного угля с целью повышения удельной теплоты сгорания смеси на выходе пресса и направляемой в топку. Также данный подход позволит в перспективе использовать тепло и подогретую после отжима избытка влаги воду от сжигания помёта в производственном процессе, что в последующем повысит энергоэффективность производства.
Ключевые слова: птицефабрика, помёт клеточного содержания птиц, утилизация и переработка, патогенная флора, пиролиз.
Обеспечение продовольственной безопасности при рациональном использовании природных ресурсов и обеспечении охраны окружающей среды является актуальной задачей, направленной на повышение уровня и качества жизни населения. Внедрение научных достижений в производство, а именно техническое перевооружение сельского хозяйства, его переход на индустриальную основу, создаёт фундамент для развития и роста промышленного птицеводства. В тоже время увеличение выпуска продукции птицеводства приводит к пропорциональному росту образующихся отходов, самым крупнотоннажным и сложно утилизируемым из которых является бесподстилочный помёт, образующийся при клеточной технологии содержания птиц. В связи с этим актуальна цель и ряд задач, связанных с разработкой эффективных технологий и конкурентоспособных технических средств, предназначенных для решения проблем утилизации помёта клеточного содержания птиц, который в противном случае является источником токсичных соединений, являющихся опасными как для человека, так и для окружающей среды, способных аккумулироваться в живых организмах и вызывать нежелательные сдвиги в обменных процессах [3].
1. Утилизация и переработка промышленных объёмов птицеводства
По состоянию на 2018 г. на территории Российской Федерации по данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации в совокупности всех категорий птиц [4]имеется 643 средних и крупных птицефабрики, на которых содержится примерно 465,2 млн. Голов птиц. По сравнению с 2017 г. прирост поголовья всех категорий птиц на территории Российской Федерации составил 27,4 млн., а в Республике Марий Эл по данным Министерства сельского хозяйства и продовольствия 193 тыс. Соответственно растет и объём образующихся отходов, так только в Республике Марий Эл птичьего (главным образом куриного) помета образуется на менее 150 тыс. тонн в сутки. Важно отметить, что куриный помёт
при клеточном содержании птицы относится к III классу опасности веществ [1]и его влажность при удалении из птичника, учитывая условия содержания птицы, достигает 80-90%, что существенно затрудняет его утилизацию.
2. Выделение опасных органических и неорганических соединений
Куриный помёт при разложении на органические вещества при естественном компостировании выделяет аммиак (NH3), метан (CH4), сероводород (H2S), оксиды углерода (CO, CO2) и другие опасные вещества. В процессе прямого сжигания клеточного куриного помёта образовываются сложные углеводороды (СпН2п), фуран (C4H4O) и диоксины (C12H4C|4O)[13]. Данные эко-токсиканты и жидкости очень опасны для организма человека и окружающей среды и полное их разложение может быть достигнуто только при стабильной температуре не ниже 15000С.
Так как все эти компоненты представляют большую опасность для окружающей среды, а, следовательно, негативно воздействует на здоровье человека, поэтому утилизация и переработка куриного помёта требует особого подхода к решению данной проблемы.
3. Наличие возбудителей патогенных и условно-патогенных микроорганизмов
На протяжении последних десятилетий наиболее распространённые на практике методы и технологии утилизации куриного помета с повышенной влажностью практически не изменяются. В настоящее время отходы птицеводства вывозятся из птичников на поля и складируются, образуя отвалы значительной высоты, в которых через определённое количество времени происходит процесс естественного компостирования, а затем созревший компост равномерно рассыпается по всей площади поля[12]. В большинстве случаев в птичьем помете, полученном в неблагополучных по инфекционным болезням птицеводческих хозяйствах, обнаруживают возбудителей патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. В зависимости от видовой устойчивости, сезона, климатических, метеорологических и многих других факторов они могут выживать в этой среде от нескольких часов до нескольких лет. Так например во всех отходах птицеводческого комплекса, помимо разнообразных органических и неорганических соединений, содержится большое количество патогенной микрофлоры, включающая Thermotol. соПЮгта, Escherichiacoli, Chlostridiumperfring, Salmonellaenteriditis, Salmonella virchow, и представляет собой большую опасность, так как обладает способностью выделять токсичные вещества, вредно действующие на организм человека и на окружающую среду.
4.Загрязнение почв, грунтовых и поверхностных вод.
Как показывает практика в местах складирования куриного помёта на поверхностном слое почвы высотой от 0,3-0,5м содержится до 5000 кг/га минерального азота, в том числе более 2000 кг/га нитратного, что в 17 раз превышает целевые показатели по сравнению с эталонными почвами. При выпадении атмосферных осадков в грунтовых водах аккумулируется нитрат азота (Ы03) и его содержание мл/л в 2 раза выше по сравнению с дренажными водами, аммиачный азот (ЫИ3) - в 8 раз, фосфор (Р) - в 11 раз и калий (К)- в 10 раз. Поэтому происходят такие процессы как эрозия почв, смыв азотных удобрений и органических отходов с полей, которые приводят сильнейшему загрязнению поверхностных и грунтовых вод и сдвигу экологического баланса[7].
5. Утилизация и переработка куриного помёта клеточного содержания птицы
В научно-технической литературе представлено большое количество предложений по решению проблем, связанных с переработкой и утилизацией куриного помёта, в биогаз, кормовые добавки, органические удобрения, электрическую энергию, топливные брикеты, выращивание калифорнийский червей, разведение личинок мух и др[14,15]. Тем не менее только немногие частные проекты по переработке помёта в продукцию могут быть экономически состоятельны, при этом главной проблемой являются большие объёмы, подлежащие переработке, при ограниченном спросе на конечную продукцию.
Учитывая организацию и специфику производственного процесса средних и крупных птицефабрик: вид получаемой продукции (мясо или яичная продукция), вид птицы (цыплята-бройлеры, индюшата, утята, гусята, перепела и др.), способ содержания (клеточное, напольное), климатическая зона, а также финансовое положение птицефабрик - эффективная утилизация куриного помёта клеточного содержания птицы, может быть осуществлена только путём термической сушки и сжигания помёта. Данный подход обеспечивают комплексное решение проблемы утилизации птичьего помёта, сравнительно малозатратен, обеспечивает высокую производительность и экологическую безопасность.
По данным патентной информации, опубликованной в общедоступных источниках: научных журналах и специализированных сайтах [14,15], существует ряд способов и методов сжигания отходов промышленного птицеводства. Описанные в научно-технической литературе технологии сжигания куриного помёта в основном касаются подстилочного помёта способного поддерживать стабильное горение, обладающего большей калорийностью и меньшей влажностью
О В
I»
£
55 т П Н
о ы
а
а
«
а б
(до 60%), чем помёт клеточного содержания птицы[10].
6. Обеспечение стабильного процесса горения - пиролиз
Как известно куриный помёт клеточного содержания - это трудносжигаемое вещество, характеризующееся низкой калорийностью (2500 ккал/кг) и высокой влажностью (80-90%)[9]. При клеточном содержании птицы в каждом килограмме куриного помёта в лучшем случае содержится 75% воды и 25% сухого вещества, представляющего собой органику с высокой зольностью. При сгорании сухого вещества куриного помёта при данной влажности выделится от 3 до 4 МДж тепловой энергии в зависимости от элементного состава содержащейся в помёте органики. При этом необходимое для простого поддержания горения количество энергии составляет не менее 4,5 МДж/кг, так как для испарения 750 г воды потребуется 1,7 МДж энергии и для нагрева этой воды до температуры горения ещё 2,1 МДж и на нагрев воздуха 0,7 МДж.
Таким образом, чтобы обеспечить процесс горения и его стабильность, а также температуру 15000С с целью полного сгорания всех опасных веществ целесообразно рассмотреть вариант прессования куриного помёта клеточного содержания птицы и смешивания его с одним из видов веществ с высокой удельной теплотой сгорания.
7. Выбор технологии отжима избытка влаги
Под общим понятием "прессование" понимается совокупность технологических процессов, в зависимости от задач различают разное функционирование: изменение формы объекта при постоянной массе и объёме; изменение формы и объёма исходного продукта при постоянной массе; изменение формы, объёма и массы объ-екта[11].
Первые два случая целенаправленны на придание продукту конкретной формы и уплотнить его для удобства в дальнейшей транспортировке, а третий для отжима избытка жидкой фазы.
Выбор технологии прессования зависит от физико-механических свойств самого продукта и его технологической подготовки (размер фракций частиц, плотность, агрегатное состояние). При отжиме избытка влаги жидкая фаза перемещается по микропорам продукта, преодолевая при этом сопротивление, возрастающее с увеличением давления прессования. В зависимости от условий процессы прессования делят на периодические и непрерывные действия.
По принципу действия нагнетательных механизмов, создающих усилие при прессовании, различают основные прессы: ленточные, поршневые, шнековые, шестерённые, вальцовые[8].
Учитывая всё выше сказанное, мы будем рассматривать шнековый пресс, так как он в Российской федерации наиболее популярен по нескольким причинам:
- дешевизна оборудования в силу простоты конструкции;
- высокий опыт применения как у нас в стране, так и за рубежом;
- прессовать можно различные твёрдо бытовые отходы разной плотности.
В промышленности Российской Федерации в основном используют несколько видов шнеко-вых прессов: горизонтальный пресс, горизонтальный двухшнековый пресс, наклонный пресс и вертикальный пресс. Практически все эти конструкции могут быть использованы для эффективного и производительного первичного мехни-ческого отжима влаги из бесподстилочного помёта [6].
8. Добавка с высокой удельной теплотой сгорания
На выбор добавки с высокой удельной теплотой сгорания основное влияние оказывают факторы её дешевизны и доступности. Исходя из таблицы 1, можно сделать вывод, что наиболее перспективной добавкой с высокой удельной теплотой сгорания для утилизации куриного помёта клеточного является древесный уголь, который может быть получен в достаточных количествах из отходов растениеводства, лесной и деревообрабатывающей промышленности[2].
Удельная теплота сгорания древесного угля составляет 31-34 МДж/кг, на 87-97% по массе состоит из углерода (С), а зольность до 5%в зависимости от самого качества угля.
Выводы: Таким образом, перспективным направлением решения проблем утилизации куриного помёта клеточного содержания птиц, обеспечивающей существенное снижение остаточных объёмов и их экологическую безопасность, обладающей хорошей производительностью и низким уровнем ресурсоёмкости, является технология его термической сушки и сжигания с предварительным механическим отжимом влаги шнековым прессом с одновременным добавлением в него древесного угля с целью повышения удельной теплоты сгорания смеси, получаемой на выходе пресса и направляемой в топку. Также данный подход позволит в перспективе использовать тепло от сжигания помёта в производственном процессе, что повысит его энергоэффективность.
Таблица 1
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг
Водород 141
Ацетилен 50,4
Метан - лабораторный 50,1
Этилен 48,0
Пропан 47,54
Пропан-бутан (балонный) 36,0
Бытовой газ 46,1
Бензин 42-44
Дизельное топливо 42,7
Нефть 41
Керосин 40,8
Рапсовое масло 39,6
Подсолнечное масло 39,5
Мазут 39,2
Древесный уголь 31-34
Условное топливо 29,308
Этанол 30
Метанол 22,7
Каменный уголь 29,3
Каменный уголь антрацит 31
Топливные брикеты 19-20,5
Бурый уголь 14-15
Дрова сухие (березовые, сосновые) 15
Торф 8,1-5
Порох 3.8
Литература
1. Приказ МПР России от 02.12.2002 № 786 "Об утверждении федерального классификационного каталога отходов"
2. Басаргин А. П. Исследование сжигания угля в плазменно-циклонной топливной системе // Молодой ученый. 2010. №4. С. 59-65.
3. Белюченко И. С. Влияние сложного компоста на агрегатный состав и водно-воздушные свойства чернозема обыкновенного / И. С. Бе-люченко, Д. А. Антоненко // Почвоведение. 2015. № 7. С. 858-864.
4. Бессарабов Б.Ф. Птицеводство и технология производства яиц и мяса птиц / Бессарабов Б.Ф., Бондарев Э.И., Столяр Т.А. // СПб.: Издательство «Лань», 2005. 352 с.
5. Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник // М.: ВНИИПО, 2016. 970 с.
6. Каменских А.Д. Результаты вычислительного эксперимента на имитационной математической модели функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса / Каменских А.Д., Медяков А.А., Онучин Е.М. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 89. С. 568-580.
7. Медяков А.А. Схемно-конструктивные решения каталитических систем для производства и преобразования энергии при анаэробной
переработке органических отходов / Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 91. С. 611-620.
8. Сидыганов Ю.Н. Инфракрасный обогреватель с направленным движением каталитического наполнителя / Сидыганов Ю.Н., Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 101. С. 1857-1867.
9. Сидыганов Ю.Н. Имитационная математическая модель функционирования системы теплоснабжения животноводческого комплекса на базе каталитического устройства сжигания / Сидыганов Ю.Н., Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 101. С. 1847-1856.
10. Сидыганов Ю.Н. Имитационная математическая модель функционирования каталитических систем для производства и преобразования энергии при анаэробной переработке органических отходов животноводства / Сидыганов Ю.Н., Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. Имитационная // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 91. С. 589-600.
11. Тимофеева, Д.В. Разработка конструкции шнека типового пресс-экструдера / Тимофеева Д.В., Попов В.П., Антимонов С.В., Зиню-хина А.Г. // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. № 9 (170). С. 220225.
12. Фисинин В.И. Российское птицеводство на фоне мировых тенденций // Животноводство России. 2002. № 4. С.3-5.
13. Щеткин Б.Н. Технологический комплекс для утилизации птичьего помета на птицефабрике // Тракторы и сельскохозяйственные машины. М.: 2003. №7. С. 10.
14. Патенты на изобретения РФ и патентный поиск по библиотеке патентов России [Электронный ресурс]. URL: http:// www.freepatent.ru (дата обращения 05.05.2018).
15. Патентный поиск, поиск патентов на изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru (патентный поиск) (дата обращения 05.05.2018).
Problems of utilization of little in cellular content in
industrial poultry poisoning Sidyganov Yu.N., Onuchin E.M., Rybakov P.A.
Volga State University of Technology»
The review and analysis of the problems of utilization of litter of
cellular contents in industrial poultry farming and a
О R U
£
R
n
perspective direction of their solution are outlined. It has been established that a significant reduction in the residual volumes of industrial poultry wastes, providing ecological safety with good productivity and low level of resource intensity, is the technology of thermal drying and burning of litter, by preliminary mechanical extraction of excess moisture by a screw press with simultaneous addition of charcoal in order to increase the specific heat of combustion of the mixture at the outlet of the press and directed to the furnace. Also, this approach will allow in the long term to use heat and water heated after wringing excess moisture from burning the litter in the production process, which in the future will increase the energy efficiency of production. Key words: poultry farm, poultry keeping of birds, utilization and
processing, pathogenic flora, pyrolysis. References
1. The order of the Ministry of Natural Resources of Russia of
02.12.2002 No. 786 "On approval of the federal classification catalog of waste"
2. Basargin AP Investigation of coal combustion in a plasma-cyclone
fuel system // Young Scientist. 2010. № 4. Pp. 59-65.
3. Belyuchenko IS Influence of complex compost on the aggregate composition and water-air properties of ordinary chernozem / IS Beluchenko, DA Antonenko // Pochvovedenie. 2015. No. 7. P. 858-864.
4. Bessarabov B.F. Poultry farming and technology of production
of eggs and poultry meat / Bessarabov BF, Bondarev EI, Stolyar TA // SPb .: Publishing House "Lan", 2005. 352 p.
5. Zemsky G. T. Flammable properties of inorganic and organic
materials: reference book // M .: VNIIPO, 2016. 970 p.
6. Kamenskikh A.D. Results of the computational experiment on the
simulation mathematical model of the functioning of technical and technological systems for the heat supply of the cattle-breeding complex / Kamenskikh AD, Medyakov AA, Onuchin EM // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. No. 89. P. 568-580.
7. Medyakov AA Schematic and constructive solutions of catalytic systems for the production and conversion of energy in anaerobic processing of organic waste / Medyakov AA, Onuchin EM, Kamensky AD // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. No. 91. pp. 611-620.
8. Sidiganov Yu.N. Infrared heater with directional movement of
the catalytic filler / Sidyganov Yu.N., Medyakov AA, Onuchin EM, Kamenskikh AD // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2014. No. 101. P. 1857-1867.
9. Sidiganov Yu.N. Simulation mathematical model of functioning
of the heat supply system of the cattle-breeding complex on the basis of the catalytic combustion device / Sidiganov Yu.N., Medyakov AA, Onuchin EM, Kamensky AD // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2014. No. 101. P. 1847-1856.
10. Sidiganov Yu.N. Simulation mathematical model of the functioning of catalytic systems for the production and conversion of energy in anaerobic processing of organic wastes of livestock / Sidiganov Yu.N., Medyakov AA, Onuchin EM, Kamensky AD Imitation // Polymathematical network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. No. 91. P. 589-600.
11. Timofeeva, D.V. Development of a screw design for a typical extruder / Timofeeva DV, Popov VP, Antimonov SV, Zinyukhina AG // Bulletin of the Orenburg State University. 2014. No. 9 (170). Pp. 220-225.
12. Fisinin V.I. Russian poultry farming against the backdrop of world trends // Livestock breeding in Russia. 2002. № 4. 03-5.
13. Shchetkin BN Technological complex for utilization of poultry manure in a poultry farm // Tractors and agricultural machinery. M .: 2003. № 7. C. 10.
14. Patents for RF inventions and patent search on the Russian Patent Library [Electronic resource]. URL: http: // www.freepatent.ru (reference date 05/05/2018).
15. Patent search, search for patents for inventions registered in the Russian Federation and the USSR [Electronic resource]. URL: http://www.findpatent.ru (patent search) (date of circulation 05/05/2018).
U
a
s
«
a б
