CC BY
30
УДК504.052 001: 10.24411/2587-6740-2019-16101
СТАБИЛИЗАЦИЯ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
С.А. Петрова1, В.П. Друзьянова1, М.К. Охлопкова2
1 ФГБО ВО «Якутская государственная сельскохозяйственная академия», Октемский филиал, Республика Саха (Якутия), Россия
ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова», г. Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
2 ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова», г. Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
В Республике Саха (Якутия) на данный момент отсутствуют технологии по обеззараживанию производимого бесподстилочного навоза крупного рогатого скота. Влияние органических отходов на жизнедеятельность местного населения усугубляется тем, что вечная мерзлота способствует охранению болезнетворной, патогенной микрофлоры и семян сорных растений в кучах навоза являясь источниками бактериального загрязнения почвы. Весной при помощи талых вод они попадают в озера и водоемы. Происходит разрушающее воздействие необработанного бесподстилочного навоза на хрупкую природу Якутии. Одним из широко используемых способов переработки органических отходов животноводства является биогазовая технология. Но в регионе ее применение неэффективно и требует определенных наработок с учетом природно-климатических условий. Цель исследования — разработка адаптированной к низким температурам окружающей среды биогазовой технологии. Рекомендуемые биогазовые технологии в основном работают в мезофильном режиме сбраживания. Но, как известно, при изменении температурного режима в пределах ±2 0С мезофильные метаногены погибают и процесс сбраживания прекращается. В связи с этим, их применение при низких температурах окружающей среды затруднительно. В предлагаемой разработке стабилизация анаэробного сбраживания осуществляется за счет введения адаптированных к психрофильным условиям мезоильных метано-генных микроорганизмов (закваски) в биоэнергетическую установку (БЭУ). Закваска позволяет интенсифицировать процесс сбраживания свежего навоза крупнорогатого скота (КРС) и обеспечивает устойчивую работу БЭУ в условиях низких температур окружающей среды. Использование предлагаемой схемы запуска БЭУ в фермерских хозяйствах позволит утилизировать до 90%% отходов животноводства и получать в среднем 655-669 кг биоудобрения за стойловый период в одном хозяйстве.
Ключевые слова: бесподстилочный навоз, биоэнергетическая установка (БЭУ), анаэробное сбраживание, психрофильный режим, биоудобрение.
Введение
Современный этап ведения системы животноводства характеризуется переходом к рациональному использованию природных ресурсов и обеспечению экологической безопасности производства. Это относится не только к охране окружающей среды, общественного здоровья, здоровья животных и растений, а также к мерам по сохранению среды обитания, защиты и управления водными ресурсами [1].
Одним из основных моментов данных мероприятий является рациональное использование навоза при стойловом содержании сельскохозяйственных животных [2].
По разным оценкам в Российской Федерации площадь земель, загрязненных органогенными отходами, в основном ненормированным применением бесподстилочного навоза, помета, составляет 2-2,5 млн. га [3].
Утилизация отходов животноводства является одной из самых актуальных проблем в сельском хозяйстве Республики Саха (Якутия).
Сложность заключается в том, что данный процесс проходит большую часть времени при низких температурах окружающей среды.
Вечная мерзлота способствует сохранению болезнетворной, патогенной микрофлоры и семян сорных растений в кучах навоза, являясь источниками бактериального загрязнения почвы [4, 5]. А весной с талыми водами они попадают в озера и водоемы. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, навоз и животноводческие стоки являются факторами пере-
дачи более 100 видов возбудителей особо опасных болезней животных и человека [6].
Происходит разрушающее воздействие необработанного бесподстилочного навоза на хрупкую природу Якутии, обостряемое обратной реакцией вечной мерзлоты [7].
Основная причина контаминации почвенного слоя происходит из-за неэффективности применяемых технологических процессов, нарушения санитарно-гигиенических норм и требований, практически полного отсутствия очистки отходов (навоз и сточные воды) и их утилизации.
Наиболее перспективными ресурсосберегающими, экологически чистыми технологиями переработки отходов животноводства является их анаэробное сбраживание в биоэнергетических установках или биогазовые технологии.
Анаэробная переработка навоза, помимо снижения эмиссии углекислоты, резко сокращает выбросы в атмосферу метана, закиси азота, многочисленных фенольных соединений. Метангене-рация осуществляет эффективное обеззараживание, обезвреживание, дезодорацию навоза [8].
Используемые биогазовые технологии в основном работают в мезофильном режиме сбраживания [9, 10, 11, 12]. Но при изменении температурного режима в пределах ±20С ме-зофильные метаногены погибают и процесс сбраживания прекращается. Следовательно, их применение при низких температурах затруднительно [13, 14].
Исходя из этого, целью исследования является разработка «акклиматизированных» и устой-
чивых способов анаэробной переработки отходов животноводства.
Объекты и методы исследований
Основными методами исследования являются теории подобия и планирования эксперимента, методы математического программирования и имитационного моделирования.
Использовались программы Excel, Statistica 8, MathCAD.
Объекты исследования: навоз КРС (ГОСТ 26074-84), экспериментальный метантенк, эффлюент.
Испытание схемы адаптированного запуска и работы БЭВ проводилось на экспериментальном оборудовании — метантенке (рис. 1).
Емкость метантенка наполняется свежим навозом через загрузочный патрубок на две трети объема, остальная часть в процессе работы будет заполняться биогазом. Для его отвода на верхней части метантенка расположен патрубок с краном. Опорожнение метантенка от переработанного навоза происходит внизу конусного дна, в котором находится выпускной трубопровод с краном. Перемешивание сбраживаемого навоза проводится с помощью механической мешалки с ручным приводом [15].
Запуск работы метантенка в психрофильном режиме проводится в следующем порядке: • Для получения необходимого субстрата сбраживания в метантенке свежий навоз разбавляют водой с температурой 700...80 0С до влажности 92-93%. Необходимо добиться
Зб
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 6 (372) / 2019
www.mshj.ru
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
Ш
Рис. 1. Лабораторная биоэнергетическая установка в психрофильном режиме: 1- метантенк, 2 — загрузочный патрубок, 3 — выгрузной патрубок, 4 — газовый патрубок, 5 — ручная мешалка, 6 — водяной затвор, 7 — сухой газгольдер, 8 — газовый шланг, 9 — газовый счетчик ГСБ-400, 10 — горелка
Рис. 2. Схема адаптированной анаэробной переработки навоза КРС: 1 — метантенк, 2 — бак для приготовления субстрата, 3 — адаптационная установка, 4 — сухой газгольдер, 5 — фильтр для очистки биогаза, 6 — компрессор высокого давления, 7 — газовые баллоны
Таблица
Объем продукции от БЭУ за стойловый период
Показатели Значения
1 Продолжительность работы БЭУ, сутки 24 -26
2 Количество закладываемого свежего субстрата, кг 88
3 Количество закваски для последующего запуска БЭУ, кг 50 - 52
4 Количество эффлюента, кг 80 - 81
5 Продолжительность стойлового периода, дней 240
6 Объем навоза КРС для утилизации за стойловый период, кг 704
7 Объем получаемого эффлюента, за стойловый период, кг 655 - 669
однородной консистенции сбраживаемого субстрата и только после этого загружать в метантенк.
• Для создания бескислородной среды из емкости метантенка удаляется воздух компрессором низкого давления КПП-230-24 через газовый шланг.
• Контроль процесса брожения прослеживается по выходу газовых пузырьков, для этого конец газоотводного шланга опускается в водяной затвор.
• Другой конец газоотводного шланга соединен с газовым счетчиком ГСБ-400 и далее образовавший биогаз накапливается в сухом газгольдере.
• Качество процесса анаэробной переработки устанавливается при помощи горящей горелки, что свидетельствует о наличии биогаза.
• Для предотвращения образования корки на поверхности субстрата и его расслоения необходимо ежедневно в одно и то же время его перемешивать.
Результаты исследований
Отличительная особенность предлагаемой технологии анаэробной утилизации навоза в биоэнергетической установке заключается в том, что исходным является адаптация мезофиль-ных метаногенов к психрофильным условиям в установке. Заготовка закваски, позволяет интенсифицировать и стабилизировать процесс сбраживания свежего навоза КРС. Затем полученная закваска загружается в метантенк и далее про-
цесс осуществляется по схеме (рис. 1, 2). Конечный продукт брожения — эффлюент, остаточный продукт анаэробной технологии, является качественным органическим удобрением [16, 17], а также его можно использовать в качестве кормовой добавки для восполнения дефицита витамина группы В [18].
За стойловый период от одной БЭУ в течение 24-26 дней работы выход биоудобрения составит до 90% от исходной массы (табл.).
Выводы
• Предлагаемая схема адаптированной анаэробной переработки навоза КРС дает возможность надежно работать биоэнергетической установке в психофрильном режиме в условиях низких температур.
• За стойловый период от одной БЭУ в течение 24-26 дней работы выход биоудобрения составит до 90% от исходной массы.
• Конечный продукт брожения — эффлюент в жидком виде готов к употреблению в качестве удобрения.
• Биоэнергетическая установка проста в эксплуатации и может использоваться в любом фермерском хозяйстве.
Литература
1. Хомяков Д.М. Нормативное обеспечение экологической безопасности при ведении сельского хозяйства // Экологически устойчивое земледелие: состояние, проблемы и пути их решения. Иваново: ПресСто, 2018. С. 284-291.
2. Шалавина Е.В., Васильев Э.В., Фрейдкин И.А и др. Методический подход к определению критериев оценки негативного воздействия животноводческого комплекса на окружающую среду // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2(99). С. 260-269.
3. Тарасов С.И., Кравченко М.Е., Бужина Т.А. Эффективность фитобиоремедиации почв, загрязненных ненормированным применением подстилочного помета // Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Экологические проблемы использования органических удобрений в земледелии»: сборник научных трудов 8-10 июля 2015 г.. Владимир. С. 60-66.
4. Былгаева А.А. Влияние заготовленных с пробио-тиками кормов на микробиоту коров // Кормопроизводство, продуктивность, долголетие и благополучие животных. Новосибирск: изд-во НГАУ «Золотой колос», 2018. С. 81-84. DOI: 0.18411/Ij6360085-2018-8184
МЕЖДУНАРОДНЫЙ
5. Тюрин В.Г., Лопата Ф.Ф., Потемкина Н.Н. и др. Органические отходы животноводства — ценный сырьевой материал // // Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Экологические проблемы использования органических удобрений в земледелии»: сборник научных трудов 8-10 июля 2015 г.. Владимир. С. 67-76.
6. Лопата Ф.Ф. Ветеринарно-санитарная оценка органических отходов животноводства//Аграрный вестник Урала. 2008. № 2. С. 72-75.
7. Комплекс мероприятий по биологическому обеззараживанию и переработке навоза и птичьего помета в условиях Якутии: методические рекомендации / РАСХН. Сибирское отделение, НПО «Якутское», Якутский научно-исследовательский институт сельского хозяйства. Новосибирск: Сибирское отделение РАСХН , 2000. 16 с.
8. Тарасов С.И., Кеер В., Расмуссен Й.М. Экологические аспекты утилизации отходов животноводства в Дании // Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Экологические проблемы использования органических удобрений в земледелии»: сборник научных трудов 8-10 июля 2015 г.. Владимир. С. 50-60.
9. Лукьяненков И.И. Перспективные системы утилизации навоза (в хозяйствах Нечерноземья). М.: Россельхо-зиздат, 1985. 176 с.
10. Осмонов О.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие. М.: РГАУ-МСХА, 2015. 101с.
11. Hashimoto A.G. Effect of mixing duration and vacuum on methan production rate from beef cattle waste // Biotechol. Bioeng. 1982. Vol. 24. Pp. 9-23.
12. Mali J. Influence of temperature on anaerobic digestion / Mali J., Fadrus H. // Control Fed. J Water ollut. № 43. 641 р.
13. Друзьянова В.П., Кобякова Е.Н., Петрова С.А. Перспективы применения продуктов биогазовой технологии в АПК РС (Я) // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии имени В.Р. Филиппова. 2014. № 2 (35). С. 56-61.
14. Druzyanova V.P., Kobyakova E.N., Yampilov S.S. The study of biogas production from fresh cow manure at different temperature modes // Proceedings of the 10th International scientific conference «European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences», (February 02, 2016) Vienna. 2016, Рp.130-135.
15. Дьячковская Л.Н., Друзьянова В.П. Обоснование конструкции биогазовой установки для переработки навоза // Сборник научных трудов Всероссийского научно-исследовательского института овцеводства и козоводства. 2015. № 8. Том 1. С. 699-701.
16. Тарасов С.И. Эффективность использования сброженного навоза, помета (эффлюента) в органическом земледелии // Экологически устойчивое земледелие: состояние, проблемы и пути их решения. Иваново: ПресСто, 2018. С. 431-436.
- 37
ЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 6 (372) / 2019
18. Кудряшов В.Л. Инновационная технология переработки бесподстилочного куриного помета в кормовые добавки на основе импортозамещающих мембран // Птица и птицепродукты. 2016. № 1. С. 65-68.
17. Лях Т.Г. Экологически безопасные способы ференция с международным участием «Экологические производства органических удобрений в земледелии проблемы использования органических удобрений в Молдовы // // Всероссийская научно-практическая кон- земледелии»: сборник научных трудов 8-10 июля 2015 г..
Владимир. С. 29-34.
Об авторах:
Петрова Софья Алексеевна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, заведующий кафедрой механизации сельскохозяйственного производства, доцент кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса, sofalo@list.ru Друзьянова Варвара Петровна, доктор технических наук, профессор
кафедры механизации сельскохозяйственного производства, заведующая кафедрой эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса, ORGD: http://orcid.org/0000-0001-5409-3837, druzvar@mail.ru
Охлопкова Марфа Константиновна, кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса, omk68@mail.ru
STABILIZATION OF ANAEROBIC FERTILIZATION OF ANIMAL HUSBAND WASTE UNDER THE CONDITIONS OF LOW ENVIRONMENTAL TEMPERATURES
S.A. Petrova1, V.P. Druzyanova1, M.K. Okhlopkova2
1 Federal state budgetary educational institution of higher education "Yakut state agricultural academy'; Oktyomskiy branch, The Sakha (Yakutia) Republic, Russia
Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "M. K. Ammosov North-Eastern Federal University'; Yakutsk, The Sakha (Yakutia) Republic, Russia
2 Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "M. K. Ammosov North-Eastern Federal University'; Yakutsk, The Sakha (Yakutia) Republic, Russia
At the present time there are no technologies for the disinfection of the liquid cattle manure in the Republic of Sakha (Yakutia). The effect of organic waste on the livelihoods of the local population is compounded by the fact that permafrost contributes to the preservation of malignant, pathogenic microflora and weed seeds in manure being source of bacterial contamination of the soil. Also it flows with spring meltwater into the lakes and water bodies. Untreated liquid manure effects destructively on the fragile nature of Yakutia. One of the widely used methods of processing organic livestock waste is biogas technology. But its use in Yakutia is inefficient and requires certain developments, taking into account the natural and climatic conditions. The purpose of research is the development of biogas technology adapted to low ambient temperatures. Recommended biogas technologies mainly operate in the mesophilic mode of fermentation. But it is known when the temperature regime changes within ± 20C, mesophilic methanogens die and the fermentation process stops. In this regard, the use of biogas technologies is difficult at low ambient temperatures. In the proposed development stabilization of anaerobic digestion is carried out by introducing of mesophilic methanogenic microorganisms (leaven) adapted to psychrophilic conditions into the bioenergy plant (BP). Leaven allows to intensify the process of fermentation of fresh cattle manure and ensures stable operation of BP at low ambient temperatures. Using the proposed schemes run the BP in the farms will recycle up to 90% of animal waste and to average 655-669 kg of bio-fertilizer for the stabling period on one farm. Keywords: liquid manure, bio-energy unit (BEU), anaerobic digestion, psychrophilic regime, the bio-fertilizer.
References
1. Khomyakov D.M. Regulatory support of environmental safety in agriculture. Ecologically sustainable agriculture: state, problems and solutions. Ivanovo: PresSto, 2018. Pp. 284-291.
2. Shalavina E.V., Vasilev E.V., Freidkin I.A., Uvarov R.A., Oblomkova N.S. Methodological approach to determining the criteria for assessing the negative impact of the livestock complex on the environment. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii ras-tenievodstva i zhivotnovodstva. Technology and technical means of mechanized production of crop and livestock products. 2019. No. 2(99). Pp. 260-269.
3. Tarasov S.I., Keer V, Rasmussen I.M. The effectiveness of hytobioremediation of soils contaminated with irregular use litter. All-Russian scientific and practical conference with International Participation "Ecological problems of organic fertilizer use in agriculture": collection of scientific works 2015 July 8-10. Vladimir. Pp. 60-66.
4. Bylgaeva A.A. The effect of fodder prepared with probiotics on the microbiota of cows. Feed production, productivity, longevity and animal welfare. Novosibirsk: NGAU "Zolotoj kolos", 2018. Pp. 81-84. DOI: 10.18411/ Ij6360085-2018-8184.
5. Tyurin V.G., Lopata F.F., Potemkina N.N., Tarasov S.I. Organic animal waste is a valuable raw material . All-Russian scientific and practical conference with International Participation "Ecological problems of organic fertilizer use in
About the authors:
agriculture": collection of scientific works 2015 July 8-10. Vladimir. Pp. 67-76.
6. Lopata F.F. Veterinary sanitary assessment of organic animal waste. Agrarnji vestnik Urala = Agrarian Bulletin of the Urals. 2008. No 2. Pp. 72-75.
7. A set of measures for biological disinfection and processing of manure and bird droppings in the conditions of Yakutia: guidelines. Novosibirsk. 2000. 16 p.
8. Tarasov S.I., Keer V, Rasmussen I.M. Environmental aspects of animal waste management in Denmark. All-Russian scientific and practical conference with International Participation "Ecological problems of organic fertilizer use in agriculture": collection of scientific works 2015 July 8-10. Vladimir. Pp. 50-60.
9. Lukjanenkov I.I. Promising systems for the disposal of manure (in farms of the Non-Chernozem region. Moscow: Rosselkhozizdat, 1985. 176 p.
10. Osmonov O.M. Alternative renewable energy sources: manual. Moscow: Izdatelstvo RGAU-MSKHA, 2015. 101p.
11. Hashimoto A.G. Effect of mixing duration and vacuum on methan production rate from beef cattle waste. Biote-chol. Bioeng. 1982. Vol. 24. Pp. 9-23.
12. Mali J. Influence of temperature on anaerobic digestion. Mali J., Fadrus H. Control Fed. J Water ollut. № 43. 641 p.
13. Druzyanova V.P., Kobyakova E.N., Petrova S.A. Prospects for the use of biogas technology products in the agricultural sector of the Republic of Sakha (Yakutia). Vestnik Burjatskoj gosudarstvennoj selskohozajstvennoj akademii
imeni V.R. Filippova = Bulletin of the Buryat state agricultural academy named after V.R. Filippov. 2014. No 2 (35). Pp. 56-61.
14. Druzyanova V.P., Kobyakova E.N., Yampilov S.S. The study of biogas production from fresh cow manure at different temperature modes. Proceedings of the 10th International scientific conference "European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences". February 02, 2016. Vienna. 2016. Pp. 130-135.
15. Dyachkovskaya L.N., Druzyanova V.P. Justification of the design of a biogas plant for processing manure. Sbornik nauchnykh trudov Vserossiiskogo nauchno-issledovatelskogo instituta ovtsevodstva i kozovodstva = Collection of scientific works of the all-Russian research institute of sheep and goat breeding. 2015. No. 8. Vol. 1. Pp. 699-701.
16. Tarasov S.I. Efficiency of using fermented manure, litter (effluent) in organic farming. Environmentally sustainable farming: condition, problems and ways to solve them. Ivanovo: PresSto. 2018. Pp. 431-436.
17. Lyakh T.G. Environmentally friendly methods for the production of organic fertilizers in the agriculture of Moldova. All-Russian scientific and practical conference with International Participation "Ecological problems of organic fertilizer use in agriculture": collection of scientific works 2015 July 8-10. Vladimir. Pp. 29-34.
18. Kudryashov V.L., Innovative Technology for Processing Stowaways Chicken Litter into Feed Additives Based on Import Substitution Membranes. Ptitsa i ptitseprodukty = Poultry and poultry products. 2016, No. 1, Pp. 65-68.
Sofya А. Petrova, candidate of agricultural sciences, associate professor, head of the department of mechanization of agricultural production, associate professor of the operation department automobile transport and car service, sofalo@list.ru
Varvara P. Druzyanova, doctor of technical sciences, professor the department of mechanization of agricultural production, professor,
head of the operation department automobile transport and car service, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-5409-3837, druzvar@mail.ru
Marfa K. Okhlopkova, candidate of technical sciences, associate professor of the operation department automobile transport and car service, omk1268@mail.ru
sofalo@list.ru
38 -
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 6 (372) / 2019
www.mshj.ru
