CC BY
19
ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА
УДК 631.22: 636.083
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНЦЕНТРАЦИЙ КЛИМАТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ГАЗОВ В КОРОВНИКЕ С БЕСПРИВЯЗНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ
Вторый В.Ф., д-р техн. наук Базыкин В.И.
Вторый С.В., канд. техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Фермы крупного рогатого скота являются значительным источником парниковых и других вредных газов, которые при превышении предельно допустимых концентраций представляют опасность для здоровья животных и обслуживающего персонала. Основными парниковыми газами, продуктами жизнедеятельности животных являются углекислый газ и метан, который превосходит углекислый газ по парниковой способности в 25 раз. Аммиак и сероводород не являются парниковыми газами, однако требуют постоянного контроля концентрации в воздухе фермы. Цель исследований - оценка условий содержания молочных коров, интенсивности эмиссии парниковых и нормируемых газов на фермах КРС в зависимости от внешних условий, технологий обслуживания животных. Исследования проводились в коровнике беспривязного содержания на 320 скотомест в два этапа при различных погодных условиях. Измерения параметров микроклимата выполнялись в пяти точках помещения серийным газоанализатором «ЭЛАН плюс» и переносным измерительным комплексом ПИК-4 по разработанной методике. Результаты измерений обработаны c использованием пакета программ MS Excel. Средняя концентрация газов на расстоянии 2 км
3 3
от фермы составила по аммиаку 0,55 мг/м , сероводороду - 0,10 мг/м , углекислому газу -365 ppm, метану - 133 мг/м3. Параметры микроклимата в коровнике изменялись в
зависимости от внешних погодных условий. Концентрация газов в воздухе помещения
3 3
составила по аммиаку 5,9 -11,43мг/м , сероводороду - 0,17 - 0,48 мг/м , углекислому газу -1776- 2011 ppm при максимальных значениях в одной точке до 2580 ppm, метану - 195-330 мг/м3. В период проведения исследований условия содержания коров с точки зрения газового состава воздуха помещения соответствовали установленным нормативам и были благоприятными для получения высокой продуктивности коров.
Ключевые слова: крупный рогатый скот, коровник, микроклимат, парниковые газы, аммиак, сероводород.
Для цитирования: Вторый В.Ф.,Вторый С.В., Базыкин В.И. Результаты исследований концентраций климатически активных газов в коровнике с беспривязным содержанием // АгроЭкоИнженерия. 2022. № 4(113). С.114-121
RESEARCH RESULTS OF GREENHOUSE GASES IN A COW BARN WITH LOOSE
HOUSING
V.F. Vtoryi, DSc (Engineering), V.I. Bazykin
S.V. Vtoryi, Cand. Sc. (Engineering),
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Cattle farms are a significant source of greenhouse and other harmful gases and pose a threat to the health of animals and service personnel if the gas maximum permissible concentrations are exceeded. The main greenhouse gases, the products of animal vital activity, are carbon dioxide and methane, with the smothering potency of the latter exceeding that of the carbon dioxide by 25 times. Ammonia and hydrogen sulphide are not greenhouse gases, but they require constant monitoring of concentrations in the farm air. The research aim was to evaluate the conditions of dairy cows' housing, intensity of greenhouse and regulated gases emissions in cattle farms depending on external conditions and animal care practices. The research was conducted in a loose housing cow barn for 320 animal-places in two stages under different weather conditions. The microclimate parameters were measured in five points of the premises with a serial gas analyzer "ELAN plus" and a portable measuring complex PIK-4 by the developed method. The measurement results were processed using MS Excel software package. The average gas concentration at a distance of 2 km
3*3
from the farm was 0.55 mg/m for ammonia, 0.10 mg/m for hydrogen sulphide, 365 ppm for carbon dioxide, and 133 mg/m for methane. Microclimate parameters in the cow barn varied depending on external weather conditions. Gas concentrations in the cow barn air were as follows:
3 • 3
ammonia - 5.9-11.43 mg/m , hydrogen sulphide - 0.17-0.48 mg/m , carbon dioxide - 1776-2011 ppm, with the maximum values in one point being up to 2580 ppm, and methane - 195-330 mg/m . During the study period, the conditions of cow housing in terms of inside air gas composition met the established standards and were favourable for high productivity of cows.
Key words: cattle, cow barn, microclimate, greenhouse gasses, ammonia, hydrogen sulphide
For citation: Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Bazykin V.I. Research results of greenhouse gases in a cow barn with loose housing. AgroEkoInzheneriya. 2022. No. 4(113): 114-121 (In Russian)
Введение
В России растет производство молока, при этом фермы КРС являются значительным источником климатически активных газов. Ежегодно из животноводческих помещений
3 3 3
удаляется 39 млрд. м углекислого газа, 1,8 млрд. м аммиака, 700 тыс. м сероводорода [1].
Основным парниковым газом, продуктом жизнедеятельности животных является углекислый газ (СО2) [2]. В результате исследований в коровниках беспривязного содержания [3] установлено, что самая высокая концентрация СО2 наблюдается в коровниках с большей вместимостью при превышении предельно допустимых концентраций (ПДК), что представляет опасность для здоровья животных и обслуживающего персонала. Использование информационных технологий в управление параметрами микроклимата коровников позволяет снизить выбросы СО2 при производстве животноводческой продукции на 15% [4].
Метан СН4 — парниковый газ, выделяемый жвачными животными в процессе желудочной ферментации корма. По своей парниковой способности он в 25 раз превосходит газ углекислый, но в существующих концентрациях неопасен для животных и человека.
Аммиак NH3 и сероводород H2S, не являясь парниковыми газами, представляют для животных большую опасность [5]. Их содержание в воздухе фермы не должно превышать предельно допустимых концентраций.
Микроклимат коровника формируют ряд факторов. В природно-климатических условиях Северо-Запада России важными элементами являются объемно-планировочные решения, технология содержания и обслуживания коров. Комфортное содержание животных в благоприятной атмосфере обеспечивает максимальное использование их продуктивного генетического потенциала, получение продукции высокого качества [6, 7, 8].
Цель исследований: оценка условий содержания молочных коров в зависимости от внешних условий.
Материал и методы
Исследования проведены в одном из ведущих сельскохозяйственных предприятий по производству молока Ленинградской области с надоем более 10700 кг молока на фуражную корову в год.
Коровник стоечно-балочной конструкции на 320 ското-мест входит в состав молочного комплекса, содержание беспривязное, сбор подстилочного навоза производится скрепернымии установками и далее удаляется сборным транспортером в навозоприемник. В период проведения исследований микроклимат обеспечивался естественной системой вентиляции, постоянно открытыми дверями и окнами, в сочетании с разгонными вентиляторами. Поение животных водой осуществляется из групповых поилок. Раздача кормов мобильная два раза в сутки. На период проведения исследований заполняемость коровника животными 100%.
Измерение концентрации газов выполнялось серийным газоанализатором «ЭЛАН плюс» и переносным измерительным комплексом (разработка ИАЭП) по ранее разработанной методике. Измерительный комплекс позволяет фиксировать в памяти устройства данные с 4-х датчиков в режиме реального времени с интервалом от 0,1 с до 10 мин. Полученные результаты измерений обработаны c использованием пакета MS Excel [9, 10]. На рисунке 1 представлены измерения концентрации газов в коровнике на высоте 0,5 и 1,5 м от пола.
Измерения концентрации газов в коровнике проводились по следующей схеме: точки 1, 2 - в северном торце здания, точки 4-5 - в южном торце здания, точка 3- центр коровника.
Измерение параметров микроклимата выполнялись в летний период в два этапа. Первый этап - температура 11,5°С и относительная влажность наружного воздуха 83%, ветер северо-западный 1-2 м/с. Второй этап - температура 19°С и относительная влажность наружного воздуха 92%, ветер юго-западный 2-3 м/с.
(а) (б)
Рис. 1. Измерение параметров микроклимата: (а) - на высоте 0,5 м от пола; (б) - на высоте 1,5 м от пола.
Результаты и обсуждение
Средняя концентрация газов наружного воздуха в 12 метрах от торцов фермы составляла: аммиак 1,77 - 3,33 мг/м3, сероводород - 0,10 - 0,37 мг/м3, углекислый газ 358 -559 ppm. Концентрация метана в коровнике составила 200-330 мг/м3. Средняя концентрация
3 3
газов на расстоянии 2 км от фермы составила: аммиак 0,55 мг/м , сероводород - 0,10 мг/м , углекислый газ 365 ppm, метан 133 мг/м3.
На рисунках 2-4 представлены результаты измерений концентрации газов в коровнике.
Ряд1 ■ Ряд2
8,83
7,63 _ 7,64
J_
6,81 6 24 4,28 4,47 4,43 5,26
I I I I
Ряд1 ■ Ряд2
14,1 14 13,5
11,9 12,5 11,9 11,5
3 3 ц 3 3 ~
Концентрация КН , мг/м . Первый этап. Концентрация КН , мг/м . Второй этап.
Ряд 1 - на высоте 0,5 м над полом, ряд - 2 - на высоте 1,5 м над полом. Рис. 2. Концентрация аммиака в коровнике.
Ряд1 Ряд2
Ряд1 Ряд2
0,48
0,47
И; 0,37 0,39
rl
0,41
0,46
1 2
3 4 5
1 2 3 4 5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Концентрация H2S, мг/м . Первый этап. Концентрация H2S, мг/м . Второй этап.
Ряд 1 - на высоте 0,5 м над полом, ряд - 2 - на высоте 1,5 м над полом. Рис. 3. Концентрация сероводорода в коровнике.
Ряд1 Ряд2
Ряд1 Ряд2
2580
2221
2393
2494
2683
1783 1783
1786 1786
12345 12345
Концентрация СО2, ppm. Первый этап. Концентрация СО2, ppm. Второй этап.
Ряд 1 - на высоте 0,5 м над полом, ряд - 2 - на высоте 1,5 м над полом. Рис. 4. Концентрация углекислого газа в коровнике
В зависимости от погодных условий меняется концентрация и распределение аммиака по коровнику. Так при повышении температуры с 11,5°С до 19°С концентрация аммиака в
3 3
среднем выросла 5,9 мг/м до 11,43 мг/м , что вероятно связано с уменьшением растворимости аммиака в воде при повышении температуры, перехода его из раствора в газообразное состояние. Неравномерность распространения аммиака по коровнику объясняется направлением и силой ветра обеспечивающих неравномерную вентиляцию разных частей коровника [7, 11]. Рисунок 2 на первом этапе ветер был северо-западного направления по этому северная часть коровника продувалась лучше и концентрация аммиака была ниже, а на втором этапе при юго-западном ветре соответственно в южной части коровника наблюдалась более низкая концентрация ЫЫИ .
Распределение концентрации сероводорода (Рисунок 3) также зависит от направления ветра. При северо-западном ветре концентрация И^ ниже в северной части, а при юго-
западном в южной части коровника, причем значения ее по территории коровника
3 3
изменялись от 0,17 до 0,48 мг/м при среднем значении 0,33 мг/м на первом этапе и 0,37 мг/м3 на втором этапе.
Углекислый газ является парниковым и на его распространение по коровнику влияют внешние условия. Из рисунка 4 видно, что на первом этапе концентрация СО2 ниже в северной части коровника (при северо-западном ветре), на втором этапе влияние ветра менее заметно. В тоже время средняя концентрация СО2 на первом этапе ниже и составила 1776 ррт, а на втором этапе средняя концентрация составила 2011 ррт. Необходимо отметить, что концентрация углекислого газа на высоте 1,5 м над уровнем пола в основном выше, чем на высоте 0,5 м. Учитывая, что основным источником углекислого газа являются животные, видимо на концентрацию СО2 по высоте влияет сколько животных в настоящее время отдыхают (лежат) или стоят соответственно выдыхая углекислый газ на высоте 0,5 или 1,5 м.
Концентрация парникового газа метана СН4 в коровнике составила 195-200 мг/м , в центральной части коровника над сборным навозным каналом она возрастала до 270-330
3 3
мг/м при ПДК в рабочей зоне 7000 мг/м .
3
В целом необходимо отметить, что концентрации газов не превышали ПДК (NH - 20
3 3 „
мг/м , H2S - 5 мг/м , СО2 - 2500 ppm), за исключением СО2 по одной точке на каждом этапе.
Выводы
В зависимости от внешних погодных условий изменялась концентрация климатически активных газов. Концентрации газов в воздухе помещения составили: аммиака 5,9 мг/м -
3 3
11,43мг/м , сероводорода 0,17 - 0,48 мг/м , углекислого газа 1776 - 2011ppm при максимальных значениях в одной точке до 2580 ppm, метана 195 - 330 мг/м
В период проведения исследований, условия содержания коров с точки зрения газового состава воздуха в основном соответствовали установленным нормативам и были благоприятными для получения высокой продуктивности коров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вторый В.Ф. Структура системы конверсии вредных газов из воздушной среды коровника // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2 (99). С.286-295.
2. Вторый В.Ф., Вторый С.В. Источники эмиссии углекислого газа на молочных фермах крупного рогатого скота // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2022. № 23(4). С. 572-579.
3. Dimov D., Marinov I., Penev Т., Miteva Ch., Gergovska Zh. Animal hygienic assessment of air carbon dioxide concentration in semi-open freestall barns for dairy cows. Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2019. No. 25(2), pp. 354-362
4. Иванов Ю.А. Стратегические направления развития молочного скотоводства // Техника и технологии в животноводстве. 2022. №2(46). С. 18-23.
5. Zhifang Shi, Xiaoqin Sun, Yao Lu, Lei Xi, Xin Zhao. Emissions of ammonia and hydrogen sulfide from typical dairy barns in central China and major factors influencing the emissions. Scientific Reports. 2019.Vol. 9, 13821
6. Вторый В.Ф., Вторый С.В., Гордеев В.В. Влияние объемно-планировочных решений на микроклимат в корованиках // Аграрный научный журнал. 2022. №9. С.92-95.
7. Новиков Н.Н. Технические решения для обеспечения комфортных условий содержания животных // Техника и технологии в животноводстве. 2022. №3(47). С. 28-35.
8. Mylostyvyi R., Vysokos M., Timoshenko V., Muzyka A. et al. Features of the formation and monitoring of the microclimate in non-insulated barns: unresolved issues. Theoretical and Applied Veterinary Medicine. 2020. No. 8 (2). pp. 73-85. DOI: 10.32819/2020.82011
9. Осетрова И.С., Осипов Н.А. Microsoft Excel 2010 для аналитиков. СПб: НИУ ИТМО, 2013. 65 с.
10. Валге А.М. Использование систем Excel и Mathcad при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства (Методическое пособие). СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2013. 200 с.
11. Новиков Н.Н. Энергоэффективные системы микроклимата в помещениях для содержания животных. Вестник ВНИИМЖ. 2018. №4(32). С.159-167.
REFERENCES
1. Vtoryi V.F. Struktura sistemy konversii vrednykh gazov iz vozdushnoi sredy korovnika [The structure of the conversion system of harmful substances found in the cow barn air]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. No. 2 (99): 286-295 (In Russian)
2. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V. Istochniki emissii uglekislogo gaza na molochnykh fermakh krupnogo rogatogo skota [Sources of carbon dioxide emissions on a cattle dairy farm]. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2022. No. 23(4): 572-579 (In Russian)
3. Dimov D., Marinov I., Penev Т., Miteva Ch., Gergovska Zh. Animal hygienic assessment of air carbon dioxide concentration in semi-open freestall barns for dairy cows. Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2019. No. 25(2): 354-362
4. Ivanov Yu.A. Strategicheskie napravleniya razvitiya molochnogo skotovodstva [Strategic directions of dairy cattle breeding development]. Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve. 2022. No. 2(46): 18-23 (In Russian)
5. Zhifang Shi, Xiaoqin Sun, Yao Lu, Lei Xi, Xin Zhao. Emissions of ammonia and hydrogen sulfide from typical dairy barns in central China and major factors influencing the emissions. Scientific Reports. 2019.Vol. 9: 13821
6. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Gordeev V.V. Vliyanie ob"emno-planirovochnykh reshenii na mikroklimat v korovanikakh [Effect of space and layout solutions on the barn microclimate]. Agrarnyi nauchnyi zhurnal. 2022. No. 9: 92-95 (In Russian)
7. Novikov N.N. Tekhnicheskie resheniya dlya obespecheniya komfortnykh uslovii soderzhaniya zhivotnykh [Technical solutions for ensuring comfortable housing conditions of animals in hot weather]. Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve. 2022. No. 3(47): 28-35 (In Russian)
8. Mylostyvyi R., Vysokos M., Timoshenko V., Muzyka A. et al. Features of the formation and monitoring of the microclimate in non-insulated barns: unresolved issues. Theoretical and Applied Veterinary Medicine. 2020. No. 8(2). pp. 73-85. DOI: 10.32819/2020.82011 (In English)
9. Osetrova I.S., Osipov N.A. Microsoft Excel 2010 dlya analitikov [Microsoft Excel 2010 for Analysts]. Saint Petersburg: NIU ITMO, 2013. 65 p. (In Russian)
10. Valge A.M. Ispol'zovanie sistem Excel i Mathcad pri provedenii issledovanij po mekhanizatsii sel'skokhozyajstvennogo proizvodstva (Metodicheskoe posobie) [Application of Excel and Mathcad in research related to mechanisation of agricultural production/ Guidance manual]. SPb.: GNU SZNIIMESKH Rossel'khozakademii, 2013, 200 p. (In Russian)
11. Novikov N.N. Energoeffektivnye sistemy mikroklimata v pomeshcheniyakh dlya soderzhaniya zhivotnykh [Energy efficient microclimate systems for animal houses]. Vestnik VNIIMZh. 2018. No. 4(32): 159-167 (In Russian)
