CC BY
20
УДК 631.3:504.06
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭМИССИИ АЗОТА В ПРОЦЕССЕ УБОРКИ НАВОЗА ИЗ ПОМЕЩЕНИЯ
П.И. Гриднев, доктор технических наук, заместитель директора Т.Т. Гриднева, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Рассмотрен вопрос снижения потерь азота навоза для обеспечения сохранности почвенного плодородия и соблюдения требований защиты окружающей среды от загрязнений. Отмечено, что одними из самых важных и экономически эффективных мер сокращения потерь азота и вредных выбросов, образующихся в результате этих потерь, являются мероприятия, связанные с подготовкой и использованием органических удобрений на основе навоза животных. Представлены результаты исследований влияния трех наиболее часто используемых в России технических средств удаления навоза на процесс потерь азота в производственных условиях животноводческих помещений двух ферм молочного направления при привязной и беспривязной системе содержания животных. Результаты исследования показали: максимальный процент потерь азота получен при удалении навоза скребковым транспортером ТСН-160 из открытого канала. Он составил 32,3%, то есть теряется почти треть общего азота и почти весь азот в легко усвояемой форме. На втором месте по потерям общего азота оказалась скреперная установка с возвратно-поступательным перемещением, потери при ее использовании составили 16,8%. Минимальные потери азота (8,1%) получены у установленного под решетками шнекового транспортера. Ключевые слова: транспортер, удаление навоза, потери азота.
Введение. Проблема рационального использования навоза в качестве удобрения сельскохозяйственных культур, обеспечивающего сохранность почвенного плодородия и соблюдение требований защиты окружающей среды от загрязнений, имеет исключительно важное народнохозяйственное значение. Использование навоза в качестве органического удобрения является необходимой предпосылкой для интенсивного земледелия.
В каждом конкретном случае при выборе технологии содержания животных следует руководствоваться практическими мероприятиями, позволяющими сократить, прежде всего, потери азота (как самого дорогого и нужного растениям компонента минерального питания), нехватку которого впоследствии придется компенсировать покупкой минеральных удобрений.
Для этого следует руководствоваться проверенными рекомендациями по питанию и содержанию животных, утилизации навоза, хранению и внесению органических удобрений. Реализация этих практических мер
должна быть направлена на существенное сокращение потерь азота. Большинство сельскохозяйственных потерь азота, образующихся из экскрементов при содержании животных, невозможно сократить. Самыми важными и экономически эффективными мерами сокращения потерь азота и вредных выбросов, образующихся в результате этих потерь, являются мероприятия, связанные с подготовкой и использованием органических удобрений на основе навоза животных. Наряду со снижением потерь, например, за счет более эффективного использования азота, следует ожидать положительный эффект от уменьшения нагрузок на экосистему и защиту климата.
Большинством специалистов в этой области признается факт воздействия антропогенных выбросов на климат планеты. Сельское хозяйство - отрасль, не только наиболее страдающая от изменения климата, но и способствующая в значительной степени его изменению. Один из основных моментов, влияющих на выбросы вредных веществ -
Journal of VNIIMZH №3(27)-2017
119
животноводство. Более половины всех выбросов при производстве животноводческой продукции обеспечивается навозом.
Среди всех потерь в виде вредных выбросов, вызванных манипуляциями с навозом, самым легко теряемым и вызывающим наиболее опасные последствия для окружающей среды и здоровья человека элементом является азот. Выбросы происходят при всех технологических процессах с навозом: удалении, хранении, переработке и внесении навоза, и делятся на атмосферные (газообразные) и гидросферные (т.е. через просачивание). В помещении происходят только газообразные потери азота и, в основном, в виде аммиака.
Несмотря на дискуссионность вопроса, рекомендуемая оценка потерь питательных элементов удобрения для экономических расчетов для стран ЕС предлагается в следующих значениях: для азота - 5 евро за кг, солей фосфора - 0,60 евро за кг и солей калия - 0,60 евро за кг [1]. В настоящее время в России общее количество получаемого навоза только от КРС и свиней составляет 400 млн т. При естественной влажности 87% и среднем содержании азота 4% на сухое вещество общее содержание азота составит 2,1 млн т. Если сократить потери хотя бы на 5%, упущенная экономическая выгода только от потерь органического азота сократится на 36,4 млрд руб. [2].
Известно, что диапазон изменения потерь общего азота в производственных помещениях зависит от используемой технологии и может колебаться от 10 до 80%. Эти потери трудно устранимы из-за контакта экскрементов с воздухом и действия фермента уреазы. Принято считать, что для укрупненных расчетов общие потери азота в производственных помещениях составляют около 40% [3]. Размер потерь азота - величина многофакторная и зависит от количества аммонийного азота в навозе, составляющего от 5 до 50% общего азота навоза КРС и до 60% - навоза свиней, используемой технологии содержания животных и системы удаления навоза (наличия подстилки, частоты уборки, используемых технических средств и пр.) [3].
Анализ литературных источников показывает, что решающее влияние на потери азота из смеси экскрементов и подстилки оказывают:
- температура, влажность и скорость движения воздуха в помещении;
- частота манипуляций с навозом;
- количество и качество используемой подстилки;
- общее количество и доля аммиачного азота, кислотность (рН) и соотношение С:К;
- применяемые технологии и технические средства для уборки навоза.
Все перечисленные факторы связаны между собой, в совокупности влияют на потери азота и должны рассматриваться совместно. Например, такие факторы, как наличие, количество и качество подстилки, зависят от технологии содержания и системы удаления навоза, определяют ее адсорбирующие свойства, то есть способность удерживать влагу и аммиачный азот и одновременно поддерживать комфортную для животных влажность в помещении.
Температура, влажность и скорость движения воздуха в помещении зависят не только от погодных условий, но прежде всего, от теплопроводности ограждающих конструкций помещения, системы воздухообмена и используемой технологии содержания животных. Привязное или беспривязное содержание, качество и количество подаваемого воздуха (температура, влажность), состояние и функционирование оконных и дверных проемов не должны создавать скорость движения воздуха больше нормируемой.
Частота манипуляций с навозом зависит от выбранной системы содержания животных и используемых технических средств удаления навоза.
Каждый из перечисленных факторов можно отнести к числу антропогенных. Содержание аммиачного азота связано с количеством общего азота и зависит от продуктивности и породы животного, кормового рациона и усвояемости белка. Так, установлено, что поступление общего азота в экскременты молочных коров может составлять от 80 до 62% потребляемого.
Значительные различия в объеме работ при удалении одинакового количества навоза при транспортировании разными техническими средствами объясняются количеством перевалочных операций и дальностью транспортирования. Все это позволяет предположить разное влияние систем удаления навоза на потери азота и, как следствие, изменение качества получаемых удобрений и величины ущерба окружающей среде.
Влияние техники удаления навоза на потери азота в виде аммиака в производственных помещениях мало изучено и освещено как в отечественной, так и в зарубежной литературе.
Отмечается, что использование скреперов для удаления навоза снижает эмиссию аммиака с 1820-1930 до 1316 мг/ч на условную голову по сравнению с другими техническими средствами [4]. Отсутствие рекомендаций по использованию имеющегося оборудования для сокращения эмиссии аммиака позволяет считать этот вопрос явно недоработанным, нуждающимся в дополнительных исследованиях. Неясна роль каждого из наиболее часто применяемых технических средств с присущими ему особенностями - длиной пути и способом транспортирования навоза (перемещение по прямой при использовании транспортеров типа ТСН или криволинейный путь при использовании шнеков и т.д.) [5,6].
Цель статьи - оценить роль наиболее часто используемых технических средств удаления навоза в процессе потерь азота в производственных помещениях. Для выполнения этой работы была разработана методика отбора проб навоза.
Методика отбора проб навоза для определения потерь азота навоза с небольшим количеством подстилки при содержании дойного стада выполнена с учетом требований ГОСТ 26712-94 «Удобрения органические. Общие требования к методам анализа» и ГОСТ 54519-2011 «Удобрения органические. Методы отбора проб».
Потери определялись как разность между фактическим содержанием азота в навозе и содержанием в конечной точке транспорти-
рования. Среднее содержание азота определялось как среднеарифметическое между начальной, срединной и конечной точками пути транспортирования навоза. В качестве конечной точки пути транспортирования принималось место выгрузки навоза в поперечный канал или в наклонный транспортер (как в случае с ТСН-160). Их разность была принята за величину потерь азота при удалении навоза рассмотренными техническими средствами.
Эксперимент проводился в Подольском районе Московской области в производственных помещениях экспериментального хозяйства ВИЖ на фермах «Кленово-Чегода-ево» и «Зыбино». В помещении родильного отделения фермы «Кленово-Чегодаево» длиной 70 м от половины поголовья, содержащегося на привязи, и телят в клетках навоз удалялся перекрытым решеткой шнековым транспортером. Во второй половине помещения животные содержались без привязи, и навоз удалялся скрепером с возвратно-поступательным перемещением.
Все животные содержались на подстилке из мелких, пылевидных опилок, полученных как отходы от производства мебели. Опилки очень сухие, диапазон колебания влажности, измеренный во второй половине февраля, при наружной температуре -6С0 составил 5,26-7,58%. Средняя влажность опилок принята равной 6,48%.
На ферме «Зыбино» в аналогичном по размерам и конструкции по-мещении использовалась привязная система содержания молочных коров, доение в стойле, удаление навоза открытым транспортером типа ТСН и далее наклонным транспортером - в тележку для транспортирования.
Результаты исследований. Исследования показали, что содержание азота на сухое вещество в экскрементах и используемой подстилке при содержании молочных коров приблизительно одинаковое по нормам и по факту, соответственно 3,37 и 3,45%. Среднее содержание азота в опилках лишь на 9,00% превышает содержание азота в экскрементах.
В таблице 1 представлены усредненные значения содержания азота в навозе по всей
Лоигпа! оГ УШТ^Н №3(27)-2017
121
длине каждого канала с установленными там тремя различными техническими средствами удаления навоза. Животные находятся в помещении круглогодично, поэтому их сезонный рацион несущественно отличается от среднегодового по содержанию белка согласно нормативам и рекомендациям. Однако следует отметить, что при использовании выпаса летние экскременты содержат значительно больше общего азота, чем зимние, поскольку рацион животных состоит из увеличенного поступления растительного белка, что отражается и на его содержании в экскрементах [7,8].
Таблица 1.Усредненные значения содержания азота в навозе, %
Усредненные значения содержания азота в навозе использованы из-за невозможности проследить изменения в содержании азота при движении порции навоза от каждого конкретного животного между начальной и конечной точками. Животные находятся в помещении круглогодично, и канал всегда заполнен смесью экскрементов и подстилки.
В таблице 2 представлены относительные значения потерь общего азота для трех рассмотренных технических средств удаления навоза на всем пути его перемещения.
Представленные результаты в некоторой мере были предсказуемы. Транспортер ТСН -160 установлен в открытом канале, имеет самый большой путь транспортирования, в
процессе которого осуществляется ворошение навоза; отсутствие напольных решеток способствуют беспрепятственному контакту навоза с воздухом.
Известно, что основные потери азота в помещении происходят в виде аммиака. Для рассматриваемого случая величина его потерь, в основном, определяется температурой окружающей среды, значением рН экскрементов и размером контактной поверхности с воздушной средой. Температура, при которой отбирались пробы для всех помещений, где установлены транспортирующие средства, была одинаковой, как и частота удаления навоза.
Анализ кала и мочи на ферме «Зыбино» брался только для молочных коров с одинаковыми компонентами в рационе кормления, поэтому можно предположить и близкие значения рН навоза для всех трех технических средств.
Выводы. Таким образом, остается один основной фактор, определяющий потери азота - это размер контактной поверхности, и как следствие - длительность соприкосновения поверхности навоза с окружающей воздушной средой.
Поскольку поверхность соприкосновения навоза с воздухом в канале со скрепером больше, чем в канале со шнеком, перекрытом решетками, где была меньшая влажность навоза, а периодичность удаления навоза одинакова - все это создает более благоприятные условия для сохранения от потерь минеральных форм азота при транспортировке с помощью шнека.
Подводя итог выполненному эксперименту, можно утверждать, что:
- максимальный процент потерь азота происходит при удалении навоза транспортером ТСН-160. Он составляет 32,3%, то есть теряется почти треть общего азота и почти весь азот в легкоусвояемой форме;
- на втором месте по потерям общего азота оказалась скреперная установка с возвратно-поступательным перемещением, потери при ее использовании составили 16,8%;
- минимальные потери азота получены у шнекового транспортера, они составили 8,1%.
Транспортер ТСН -160 в открытом канале Шнековый транспортер в канале, перекрытом решеткой Широкозахватный скрепер в открытом канале
по всей длине канала
3,41 4,38 3,39
в конечных точках перемещения навоза (в месте поступления навоза в поперечный канал)
2,31 4,06 2,82
Таблица 2. Относительные значения потерь _общего азота, %_
Транспортер ТСН -160 в открытом канале Шнековый транспортер в канале, перекрытом решеткой Широкозахватный скрепер в открытом канале
32,26 7,31 16,81
Литература:
1. Redelberger H. Management - Handbuch für die ökologische Landwirtschaft // KTBL. 2004. №426. S. 37-43.
2. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т., Спотару Ю.Ю. Анализ причин эмиссии аммиака в животноводческих помещениях // Проблемы интенсификации животноводства с учетом охраны окружающей среды, стандартов ЕС и производства альтернативных источников энергии, в т.ч. биогаза. Варшава-Фаленты, 2016. С. 57-66.
3. Schrade M. Ammoniak-Emissionen von Milchviehlaufstalle mit Laufhoff // ART-Bericht. Schweiz. Eidgenossisches Volkswirtschaftsdep. EVD, Forschungsangst. Agro-scope Rickenholz-Tanikon. 2011. №745.
4. Schneider F, Eichelser R., Neser S. Emissionspotenzial landwirtschaftlicher Tierhaltungen: Milchkvieh // Landtechnik. 2006. №4. S. 218-219.
5. Гриднев П.И., Гриднева Т. Т., Спотару Ю.Ю. Ресурсосберегающие экологически безопасные системы утилизации навоза. Saarbrucken: Lap Lambert, 2016.
6. Повышение эффективности функционирования технических систем подготовки навоза к использованию / Гриднев П.И. и др. М., 2000.
7. Гриднев П.И., Мишуров Н.П. Технологии и технические средства для уборки и утилизации навоза в фермерских хозяйствах. М., 1996.
8. Bockmann H. Einflussfakoren auf die Stieckstoffaus-scheidung von Milchkühen. Bonn, 1997. S. 502-509.
Literatura:
1. Redelberger H. Management - Handbuch für die ökologische Landwirtschaft // KTBL. 2004. №426. S. 37-43.
2. Gridnev P.I., Gridneva T.T., Spotaru YU.YU. Analiz prichin ehmissii ammiaka v zhivotnovodcheskih po-meshcheniyah // Problemy intensifikacii zhivotnovod-stva s uchetom ohrany okruzhayushchej sredy, stan-dartov ES i proizvodstva al'ternativnyh istochnikov ehnergii, v t.ch. biogaza. Varshava-Falenty, 2016. S. 57-66.
3. Schrade M. Ammoniak-Emissionen von Milchviehlaufstalle mit Laufhoff // ART-Bericht. Schweiz. Eidgenossisches Volkswirtschaftsdep. EVD, Forschungsangst. Agro-scope Rickenholz-Tanikon. 2011. №745.
4. Schneider F, Eichelser R., Neser S. Emissionspotenzial landwirtschaftlicher Tierhaltungen: Milchkvieh // Landtechnik. 2006. №4. S. 218-219.
5. Gridnev P.I., Gridneva T.T., Spotaru YU.YU. Resurso-sberegayushchie ehkologicheski bezopasnye sistemy uti-lizacii navoza. Saarbrucken: Lap Lambert, 2016.
6. Povyshenie ehffektivnosti funkcionirovaniya tekhnich-eskih sistem podgotovki navoza k ispol'zovaniyu / Grid-nev P.I. i dr. M., 2000.
7. Gridnev P.I., Mishurov N.P. Tekhnologii i tekhniches-kie sredstva dlya uborki i utilizacii navoza v fermerskih hozyajstvah. M., 1996.
8. Bockmann H. Einflussfakoren auf die Stieckstoffauss-cheidung von Milchkühen. Bonn, 1997. S. 502-509.
THE EXPERIMENTAL RESEARCHES OF NITROGEN EMISSION DETERMINATION IN THE MANURE
DISPOSAL PROCESS FROM PREMISE RESULTS P.I. Gridnev, doctor of technical sciences, deputy director T.T. Gridneva, candidate of technical sciences, leading research worker All-Russian scientific-and-research institute of livestock mechanization
Abstract. The issue of manure nitrogen losses reducing for soil fertility protection and compliance with environmental pollution safety is considered. It is noted that one of the most important and cost-effective means of nitrogen losses and harmful emissions reducing resulting from these losses, are activities associated with the organic fertilizers based on animal manure preparation and use. The studies' results of three the most commonly used in Russia manure disposal technical means' influence on the nitrogen losses process in livestock buildings industrial con di-tions on two dairy farms with tied and loose systems of animals' housing are presented. The study results had shown that the nitrogen losses maximum percentage was derived at the manure disposal with TSN-160 scraper conveyor from the open channel. It was 32,3%, that is the third part of the total nitrogen and almost all the easily digestible form of nitrogen has almost lost. In second place of total nitrogen losses was the scraper installation with return -and - progressive movement, its using losses were as 16,8 %. Minimal nitrogen losses (8,1%) were obtained from the screw conveyor installed under the grates. Keywords: conveyor, manure disposal, nitrogen losses.
Journal of VNIIMZH №3(27)-2017
123
