CC BY
29
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.
_ИАЭП. 19 Вып. 2(99)_
indicators of the technological module for produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. turkey fattening]. Tekhnologii i tekhnicheskie 2018. No. 3(96): 224-231. (In Russian) sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva
УДК 628.473.45:631.95 Б01 10.24411/0131-5226-2019-10179
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ БИОФЕРМЕНТАЦИИ ТВЕРДОЙ
ФРАКЦИИ СВИНОГО НАВОЗА
Е.В. Шалавина1, канд. техн. наук; Э.В. Васильев1, канд. техн. наук;
1 2 Р.А. Уваров , канд. техн. наук; И.А. Фрейдкин , канд. с.-х. наук.
'Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
2ООО «Центр санитарно-эпидемиологических заключений (ООО «Центр СЭЗ»), Санкт-Петербург, Россия
Обеспечение продовольственной безопасности является одной из приоритетных задач развития России, которая достигается, в том числе, за счет наращивания поголовья свиней, что, в свою очередь, приводит к увеличению количества образуемого навоза. Разделение навоза на фракции с последующей интенсивной переработкой может решить возникшую проблему. Одной из технологий ускоренной переработки твердого навоза (твердой фракции) является биоферментация в установках закрытого типа. На сегодняшний день отсутствуют репрезентативные данные о возможности переработки данным методом твердой фракции свиного навоза. Цель исследований - изучение возможности ускоренной переработки твердой фракции свиного навоза в биоферментационной установке. Исследования выполнены на твердой фракции свиного навоза: после блока ЛОМ сепараторов и после блока декантерных центрифуг. Использованы ранее апробированные режимы работы биоферментационной установки. В ходе предварительных анализов обнаружено отсутствие в исходном материале факторов, критических для протекания процесса. В ходе исследований установлено, что при рассматриваемых режимах работы не была достигнута температура, необходимая для устойчивого функционирования термофильных (55-80°С) и мезофильных (20-55°С) микроорганизмов. Установлено, что для успешного протекания процесса ферментации необходимо изменение количественного и качественного состава исходных компонентов.
Ключевые слова: свиной навоз, аэробная ферментация, термофильный режим, мезофильный режим.
Для цитирования: Шалавина Е.В., Уваров Р.А., Васильев Э.В., Фрейдкин И.А. Результаты поисковых экспериментов биоферментации твердой фракции свиного навоза // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2(99). С. 326-334.
PILOT STUDY FINDINGS OF BIO-FERMENTATION OF THE SOLID FRACTION OF PIG MANURE
E.V. Shalavina1, Cand. Sc. (Engineering); E.V. Vasilev1, Cand. Sc. (Engineering);
R.A. Uvarov1, Cand. Sc. (Engineering); I.A. Freidkin2, Cand. Sc, (Agriculture)
1Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - IEEP - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
2Hygienic Certificates (Sanitary and Epidemiological Conclusions) Centre, Saint Petersburg, Russia
A priority development goal for Russia is to ensure the food security that is achieved, among others, by increasing the pig stock, resulting, in its turn, in the bigger amount of manure produced. A solution to this problem may be the manure separation into fractions with the subsequent intensive processing. Biofermentation in closed installations is one of the technologies for accelerated processing of solid manure or the solid fraction of manure. To date, however, there are no representative data on the feasibility of this method. The study aim was to estimate the feasibility of accelerated processing of the solid fraction of pig manure in the bio-fermentation installation. The solid fractions of pig manure produced on the AGM separator unit and on the decanter centrifuge unit were used in the study. Previously tested operation modes of the bio-fermentor were applied. According to the preliminary analyses, the initial material did not feature the factors critical for the process flow. Under the considered operating modes the temperature required for the stable functioning of thermophilic (55-80°C) and mesophilic (20-55°C) microorganisms was not reached. It was established that for a successful fermentation process, the quantitative and qualitative composition of the initial components needed to be changed.
Key words: pig manure, aerobic fermentation, thermophilic fermentation, mesophilic ferementation
For citation: Shalavina E.V., Uvarov R.A., Vasilev E.V, Freidkin I.A. Pilot study findings of biofermentation of the solid fraction of pig manure. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstvaprodukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 2(99): 326-334 (In Russian)
Введение
Реализация доктрины
продовольственной безопасности
Российской Федерации привела к качественному и количественному увеличению емкости рынки отечественных продуктов питания, в особенности -продукции животноводства. За последние 20 лет претерпела существенные изменения структура потребления различных видов мяса, представленного на отечественном рынке: если в 2000 году говядина занимала около 36% рынка, свинина - 29%, птица -31,5% и прочие виды мяса - 3,5% при среднегодовом потреблении мяса 41,5 кг/год на 1 человека, то уже к 2015 году доля говядины уменьшилась до 18,8%, свинины и мяса птицы - увеличилась до 34% и 44,5%
соответственно, прочих видов мяса -уменьшилась до 2,6%, при этом уровень потребления мяса вырос практически вдвое -до 73,3 кг/год на человека [1].
Столь значительный рост стал возможен, в том числе, за счет наращивания и интенсификации производства. В отрасли свиноводства в 2010 году на долю 20 крупнейших производителей приходилось 49,2% от всей произведенной в стране свинины. К 2018 году данное значение составило 65%. При этом, за рассматриваемый период общее поголовье свиней в России выросло с 17 251,4 тыс. свиней (2010 год) до 23 726,6 тыс. свиней (2018 год) [2-4].
Увеличение поголовья свиней и их концентрация в локальных точках выводит
на качественно новый уровень проблему утилизации и образуемых отходов. Существующая тенденция к внедрению на свинокомплексах системы разделения навоза на твердую и жидкую фракцию способствует поиску и апробации новых, более интенсивных и экологически безопасных технологий утилизации. Ряд исследований подтверждают обратную зависимость влажности и питательной ценности конечного продукта, а также вариативности рационального радиуса транспортировки [58].
Биоферментация в установках закрытого типа зарекомендовала себя как эффективный способ переработки различных видов органических отходов, в частности - твердой фракции навоза и помета. Использование данного способа утилизации позволяет сократить сроки переработки до нескольких суток, снизить эмиссию биогенных веществ и повысить качество конечного продукта [911].
Вопрос возможности биоферментации птичьего помета и твердой фракции навоза крупного рогатого скота в установках закрытого типа является достаточно изученным, однако не существует достаточных исследований, позволяющих утверждать, возможно ли протекание мезофильных и термофильных процессов в свином навозе. На основании изложенного, сформулирована цель исследований -изучение возможности ускоренной переработки твердой фракции свиного навоза в биоферментационной установке. Материалы и методы
Исследования проводились на двух видах твердой фракции навоза, полученной с одного из свиноводческих предприятий Северо-Запада России: после блока ЛОМ сепараторов и после блока декантерных центрифуг.
Экспериментальная часть исследования выполнена на базе лаборатории
биоконверсии органических отходов, аналитическая часть - в аналитической лаборатории Института агроинженерных и экологических проблем с/х производства -филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ в феврале 2019 года.
В рамках данной работы предметом исследований стал процесс ускоренной переработки двух видов твердой фракции свиного навоза, полученного различными способами, в экспресс-ферментаторе. Используемый экспресс-ферментатор
обладает объемом, обеспечивающим минимальную критическую массу, необходимую для успешного протекания процесса твердофазной аэробной
о
ферментации (1,4 м ). Экспресс-ферментатор представляется собой закрытую камеру с аэрационными отверстиями в полу установки. Установленный перемешиватель позволяет имитировать регулируемой ферментации в стационарном режиме и в режиме периодического перемешивания. Схема лабораторного экспресс-ферментатора представлена на рисунке 1. Подача воздуха в экспресс-ферментатор осуществлялась при помощи компрессора РК 102-10-50.
12 в 9 -
Рис. 1. Лабораторный экспресс-ферментатор:
1 - камера биоферментатора; 2 - съёмная крышка; 3 - перфорированная пластина; 4 - аэрационная труба; 5 - патрубок воздушного компрессора; 6 - перемешиватель материала; 7 - съемная рукоятка; 8 - заглушки; 9 -отверстия для замера температуры
На основании ранее проведенных исследований установлено, что ключевым
фактором успешного протекания процесса твердофазной аэробной ферментации является поддержание стабильной температуры в диапазоне 55-80°С, что обеспечивает максимальную активность термофильных микроорганизмов.
Следовательно, заявленная цель должна быть достигнута при поддержании температуры в указанном диапазоне в течение нескольких суток [12].
Исследование проводилось с
использованием современного
оборудования: замер температуры окружающего воздуха производился при помощи термометра для помещений ТС-77; замер температуры внутри экспресс-ферментатора - при помощи термометра ТЦМ 9410/М2, оснащенного термощупом. Определение физико-химических свойств перерабатываемого материала выполнялось при соблюдении соответствующих ГОСТов: ГОСТ 26713-85. Удобрения органические. Метод определения влаги и сухого остатка;
ГОСТ 26714-85. Удобрения органические.
Метод определения золы;
ГОСТ 26715-85. Удобрения органические.
Методы определения общего азота;
ГОСТ 26716-85. Удобрения органические.
Методы определения аммонийного азота;
ГОСТ 26717-85. Удобрения органические.
Метод определения общего фосфора;
ГОСТ 26718-85. Удобрения органические.
Метод определения общего калия;
ГОСТ 27979-88. Удобрения органические.
Метод определения рН;
ГОСТ 27980-88. Удобрения органические.
Методы определения органического
вещества.
Отбор проб осуществлялся с соблюдением ГОСТ Р 54519-2011. Удобрения органические. Методы отбора проб.
Установлены режимы работы экспресс-ферментатора, ранее апробированные при переработке твердой фракции навоза КРС и подстилочного куриного помета [10, 13, 14] (таблица 1)
Таблица 1
Уровни варьирования управляемых факторов
Параметр Обозначение Ед. измерения Режим работы
I II III
Время аэрации 1аэр мин/ч 20 13 7
Скорость аэрации иаэр м/с 10 7,5 5,5
Интервал вращения Т х вр ч 24 18 12
Результаты и обсуждение
На процесс ферментации оказывают влияние несколько факторов, в числе которых влажность, соотношение углерода к азоту (С/К), значение рН и физико-
химический состав исходного материала [12, 15]. Для определения данных показателей проведены анализы исходного материала (таблица 2).
Таблица 2
Физико-химические свойства исходных материалов
Показатель Единицы измерения Твердая фракция после ЛОМ сепараторов Твердая фракция после декантерных центрифуг
Влажность % 71,26 66,86
рН - 8,0 12,0
мг/кг 443,0 61,4
N03" мг/кг 117,5 921,5
К+ мг/кг 492,0 473,0
Робщ мг/кг 2000,0 8100,0
Кобщ (Къельдаль) мг/кг 5320,0 8128,0
Зольность % 6,4 45,4
Влажность материалов незначительно различается (менее 5%), находясь в верхнем допустимом диапазоне рекомендуемых значений. Значение рН значительно отличается - на 4,0 единицы твердая фракция после декантерных центрифуг более щелочная, чем твердая фракция после ЛОМ сепараторов. Это связано с технологическим процессом утилизации данного вида отходов на предприятии - добавлении в него негашеной извести. Запустившиеся в связи с этим процессы нитрификации также существенно снизили количество
аммонийного азота (КН4+) и увеличили количество нитратного (К03-). В связи с добавлением негашеной извести (Са0) -минерального соединения - твердая фракция после декантерных центрифуг имеет значительно большее значение зольности (45,4%), по сравнению с твердой фракцией после ЛОМ сепараторов (6,4%).
Закладка материала выполнена одновременно в два лабораторных экспресс-ферментатора (рис. 2).
Рис. 2. Закладка опыта
Условия окружающей среды были одинаковыми. Средняя температура воздуха в лаборатории составляла 12±1°С. Регистрация температуры в экспресс-ферментаторах производилась в течении 9 суток (рисунок 3) с периодичностью раз в сутки, так как в аналогичных исследованиях, проведенных на других видах органических отходов - именно эта длительность опыта и периодичность замеров были выбраны оптимальными [10, 14, 16].
Режим! Режим // Режим III
^^—__
1 " 1 1 1 1 1 1 1 1
0123^56789 1 сут.
--Температура окружающего боздуха
- - Температура при ферментации тЬердаи фракции
единого набоэа после АБМ сепщшюра
---- Тетеротура [ри ферментации тбердой фракции
единого наЬоза после декантерных центрифуг
Рис. 3. Исследование температурного режима при различных режимах работы экспресс-ферментаторов
В ходе исследований установлено, что при рассматриваемых режимах работы не была достигнута температура, необходимая для устойчивого функционирования термофильных микроорганизмов (55-80°С). Процесс ферментации не вступил и в мезофильную фазу, при которой начинается разложение сложных углеводов,
аминокислот и лингина. Щелочная среда в твердой фракции свиного навоза после декантерных центрифуг, угнетая
деятельность микроорганизмов, не позволила превысить температуру ферментации свыше 12,5°С, в то время как максимальное значение, достигнутое в твердой фракции свиного навоза после ЛОМ сепараторов составило 20,1 °С.
С учетом того, что рассмотренные режимы функционирования экспресс-ферментаторов в прежних исследованиях зарекомендовали себя с положительной стороны, резонно будет высказать
предположение о необходимости изменения физико-химического состава
ферментируемого материала. Выводы
Анализ твердой фракции свиного навоза после декантерных центрифуг показал высокую щелочность материала. С учетом того, что основной задачей ферментации является обеззараживание навоза от патогенной микрофлоры и семян сорных растений, можно сделать предположение, что наблюдаемая в данном материале щелочная среда (рН=12) не является комфортной для патогенных
микроорганизмов, паразитов и прорастания семян сорных растений, и в случае их отсутствия, данный тип органических отходов может быть досушен и использован в виде органического удобрения для кислых почв, как обладающий потенциальным мелиоративным эффектом, однако данное предположение нуждается в
дополнительных исследованиях.
В ходе проведенных исследований установлено, что ферментация твердой фракции свиного навоза весьма затруднена в силу физико-химических свойств
перерабатываемого материала. Дальнейшим направлением исследований является определение количественного и
качественного состава компонентов, необходимых для успешного протекания процесса ферментации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трифанов А.В., Калюга В.В., Базыкин В.И. Состояние и тенденции развития производства свинины в Российской Федерации // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и
животноводства. 2016. №90. С. 5-14.
2. Рейтинг крупнейших производителей свинины в РФ по итогам 2010 года -[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nssrf.ru/images/statistics/243280_81 0.pdf (дата обращения 16.04.2019).
3. Рейтинг крупнейших производителей свинины в РФ по итогам 2018 года -[Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.nssrf.ru/images/statistics/243874_81 0.pdf (дата обращения 16.04.2019).
4. Поголовье скота и птицы в хозяйствах всех категорий. Единая межведомственная информационно-статистическая система Федеральной службы государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://fedstat.ru/indicator/31325 (дата обращения 17.04.2019).
5. Sharma B. et al. Recycling of organic wastes in agriculture: an environmental perspective // International Journal of Environmental Research. 2019. Vol. 13(2). pp. 409-429. https://doi.org/10.1007/s41742-019-00175-y
6. Васильев Э.В. Обоснование рационального радиуса транспортировки органических удобрений // Молочнохозяйственный вестник. 2014. № 1 (13). С. 49-55.
7. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В., Уваров Р.А. Логистическая модель управления вторичными ресурсами в АПК (на примере Ленинградской области) // Экономика сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий. 2017. №4. С. 38-41.
8. Брюханов А., Шалавина Е., Уваров Р. Апробация логистической модели управления вторичными ресурсами с учетом эколого-экономических критериев // АПК: Экономика, управление. 2017. №8. С. 20-27.
9. Leach K.A. et al. Recycling manure as cow bedding: Potential benefits and risks for UK dairy farms // The Veterinary Journal. 2015. Vol. 206 (2). pp. 123-130. https://doi.org/10.1016/j.tvjl.2015.08.013
10. Uvarov R., Briukhanov A., Shalavina E. Study results of mass and nutrient loss in technologies of different composting rate: case
of bedding poultry manure // Proceedings of 15th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development". May 2527, 2016. Jelgava, Latvia. pp. 851-857.
11. Fournel S. et al. Production of recycled manure solids for use as bedding in Canadian dairy farms: II. Composting methods // Journal of Dairy Science. 2019. Vol. 102(2). pp. 18471865. https://doi.org/10.3168/jds.2018-14967
12. Manure Composting Manual. Edmonton: Alberta Agriculture, Food and Rural Development. 2005. 27 p.
13. Uvarov R. et al. Disinfection of solid fraction of cattle manure in drum-type bio-fermenter // Agronomy Research 2017. Vol.15(3). pp. 915-920.
14. Uvarov R. et al. Mathematical model and operation modes of drum-type biofermenter // Proceedings of 16th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development". May 24-26, 2017. Jelgava, Latvia. pp. 1006-1011. https://doi.org/10.22616/ERDev2017.16.N212
15. Takahashi N. et al. Influence of temperature, water content and C/N ratio on the aerobic fermentation rate of woody biomass // Kagaku Kogaku Ronbunshu. 2017. Vol.43(4). pp. 231237.
https://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.43.231
16. Уваров Р.А. Результаты исследований потерь питательных веществ при биоконверсии подстилочного птичьего помета в биоферментационной установке камерного типа// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. №86. С. 139-147.
REFERENCES
1. Trifanov A.V., Kalyuga V.V., Bazykin V.I. Sostoyanie i tendentsii razvitiya proizvodstva svininy v Rossiiskoi Federatsii [Current state and trends of pork production in the Russian
Federation]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 90: 5-14. (In Russian)
2. Reiting krupneishikh proizvoditelei svininy v RF po itogam 2010 goda [Top list of the largest pork producers in the Russian Federastion at the year-end 2010]. Available at: http://www.nssrf.ru/images/statistics/243280_81 0.pdf (accessed 16.04.2019). (In Russian)
3. Reiting krupneishikh proizvoditelei svininy v RF po itogam 2018 goda [Top list of the largest pork producers in the Russian Federastion at the year-end 2018]. Available at: http://www.nssrf.ru/images/statistics/243874_81 0.pdf (accessed 16.04.2019). (In Russian)
4. Pogolov'e skota i ptitsy v khozyaistvakh vsekh kategorii. Edinaya mezhvedomstvennaya informatsionno-statisticheskaya sistema Federal'noi sluzhby gosudarstvennoi statistiki [Animal and poultry stock in the farms of all categories. Integrated Interagency Information and Statistical System of the Federal State Statistics Service]. Available at: https://fedstat.ru/indicator/31325 (accessed 17.04.2019). (In Russian)
5. Sharma B. et al. Recycling of organic wastes in agriculture: an environmental perspective. Int J Env Res. 2019. Vol. 13(2): 409-429. https://doi.org/10.1007/s41742-019-00175-y
6. Vasilev E.V. Obosnovanie ratsional'nogo radiusa transportirovki organicheskikh udobrenii [Basis of the rational radius of the manure transportation]. Molochnokhozyaistvennyi vestnik. 2014. No. 1 (13): 49-55. (In Russian)
7. Briukhanov A.Yu., Shalavina E.V., Uvarov R.A. Logisticheskaya model' upravleniya vtorichnymi resursami v APK (na primere Leningradskoi oblasti) [Logistics model of secondary resources management in agriculture (on example of the Leningrad region]. Ekonomika sel'skokhozyaistvennykh i pererabatyvayushchikh predpriyatii. 2017. No. 4: 38-41. (In Russian)
8. Briukhanov A., Shalavina E., Uvarov R. Aprobatsiya logisticheskoi modeli upravleniya vtorichnymi resursami s uchetom ekologo-ekonomicheskikh kriteriev [Approbation of
logistic model of management of secondary resources taking into account the ecologist-economic criteria]. APK: Ekonomika, upravlenie. 2017. No. 8: 20-27. (In Russian)
9. Leach K.A. et al. Recycling manure as cow bedding: Potential benefits and risks for UK dairy farms. The Veterinary Journal. 2015. Vol. 206 (2): 123-130. https://doi.org/10.1016/j.tvjl.2015.08.013
10. Uvarov R., Briukhanov A., Shalavina E. Study results of mass and nutrient loss in technologies of different composting rate: case of bedding poultry manure. Proc. 15th Int. Sci. Conf. "Engineering for Rural Development". Jelgava. 2016: 851-857. (In English)
11. Fournel S. et al. Production of recycled manure solids for use as bedding in Canadian dairy farms: II. Composting methods. Journal of Dairy Science. 2019. Vol. 102(2): 1847-1865. https://doi.org/10.3168/jds.2018-14967
12. Manure Composting Manual. Edmonton: Alberta Agriculture, Food and Rural Development. 2005: 27.
13. Uvarov R. et al. Disinfection of solid fraction of cattle manure in drum-type bio-fermenter. Agronomy Research. 2017. Vol.15(3): 915-920. (In English)
14.Uvarov R. et al. Mathematical model and operation modes of drum-type biofermenter. Proc. 16th Int. Sci. Conf. "Engineering for Rural Development". Jelgava. 2017: 1006-1011. (In English) https://doi.org/10.22616/ERDev2017.16.N212
15. Takahashi N. et al. Influence of temperature, water content and C/N ratio on the aerobic fermentation rate of woody biomass. Kagaku Kogaku Ronbunshu. 2017. Vol. 43(4): 231-237. https://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.43.231
16. Uvarov R.A. Rezul'taty issledovanii poter' pitatel'nykh veshchestv pri biokonversii podstilochnogo ptich'ego pometa v biofermentatsionnoi ustanovke kamernogo tipa [Research results of nutrient loss during bedding poultry manure bioconversion in closed installation]. Tekhnologii i tekhnicheskie
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.
_ИАЭП. 19 Вып. 2(99)_
sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva 2015. No. 86: 139-147. (In Russian) produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva.
