CC BY
20
УДК 631.3:504.06
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ СИСТЕМ УБОРКИ И ПОДГОТОВКИ НАВОЗА
К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
П.И. Гриднев, доктор технических наук, заместитель директора Т.Т. Гриднева, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Т.Н. Колесникова, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Представлена оценка технологий уборки и подготовки навоза к использованию при сельскохозяйственном производстве животноводческой продукции с позиции вреда окружающей среде. Полная картина воздействия на окружающую среду требует оценки общих выбросов - N2O, СН4 и NH3. Такая оценка показывает, что покрытие хранилищ навоза полиэтиленовой пленкой снижает эмиссию вредных газов приблизительно на 108 кг СО2-экв /на место в год для молочного скота и на 10 кг - при откорме свиней. Большинство сельскохозяйственных выбросов, образующихся при содержании скота, невозможно сократить, однако возможно повысить эффективность использования навоза. Это влечет за собой уменьшение затрат на утилизацию навоза, сокращение потребности в минеральных удобрениях, повышает плодородие почв, снижает нагрузки на экосистемы, защищает климат. Самые простые, экономически эффективные и легко реализуемые мероприятия по снижению уровня выбросов - правильное использование органических удобрений на основе экскрементов скота; сокращение поголовья скота за счет роста продуктивности, увеличения в пище населения доли растительных белков. Производство биогаза из навоза рекомендовать только в качестве рационального пути снижения нагрузки на климат, составляющей в эквиваленте около 1250 г СО2 на кВтч произведенной электрической энергии. Использование энергетических культур для производства биогаза в биогазовых установках сводит на нет преимущества технологии в экологическом плане.
Ключевые слова: парниковые газы, эмиссия, нагрузка на климат, качество органических удобрений.
Известно, что за последние 50 лет техносфера потребила столько же кислорода, сколько за всю предыдущую историю человечества и стала антагонистом природе. Причину этого ученые видят в использовании технологий, нацеленных на раскручивание маховика потребления, растущего даже быстрее, чем население Земли, которое в 1900 г. составляло 1,6 млрд, в 1950 г. - 2,5 млрд, к 2000 г. - 6 млрд человек. Согласно данным ООН, население Земли достигло отметки 7 млрд 31 октября 2011 г. По прогнозам, к 2050 г. население Земли составит более 9,6 млрд, а к 2100г. - более 11 млрд человек.
До сих пор все глобальные кризисы за передел ресурсов и сфер влияния решались с помощью войн. Однако следующая война неминуемо приведет к гибели всего человечества. Кроме сокращения рождаемости альтернативой может стать снижение ресурсо-
емкости технологий, переход к новым, находящимся в гармонии с природой технологиям. Однако этот переход сложен и требует достаточно длительной и дорогостоящей подготовки. Первым этапом в оценке вреда окружающей среде могут стать наиболее часто используемые технологии производства сельскохозяйственной продукции.
Животноводство относится к значимым антропогенным загрязнителям атмосферы земли. Навоз - основной загрязнитель при производстве животноводческой продукции.
Выбросы углекислого газа (СО2), в основном, происходят в неуправляемых технологических процессах содержания животных (например, при дыхании), а также от использования невозобновляемых источников энергии. При содержании свиней доля в общих выбросах СО2 от использования ископаемого топлива составляет 13-37% (затрачивается на
обогрев помещения), при содержании коров - 7% [1, 2]. В общих антропогенных выбросах парниковых газов (111) доля углекислого газа от сельскохозяйственного производства оценивается менее чем в 4%. Кроме того, в формировании парникового эффекта потенциал глобального потепления СО2 в 23 раза меньше, чем у метана, и в 310 раз меньше, чем у закиси азота, поэтому его влиянием на климат при экологической оценке технологий производства сельскохозяйственной продукции обычно пренебрегают.
Один из основных эмиссионных газов от содержания животных - метан. Системы сбора, хранения и использования навоза КРС занимают второе место по его эмиссии после кишечной ферментации, у свиней эти процессы находятся на первом месте.
Оценка выбросов метана (CH4). Образование метана из навоза скота происходит при отсутствии кислорода, т.е. в анаэробных условиях при переработке и хранении навоза. Кроме того, существенное влияние оказывает температура, влажность и химический состав исходного навоза. Исследования последних лет показали, что при хранении твердого навоза образуются значительно более низкие выбросы метана, чем при хранении жидкого. Навоз следует хранить в прохладном месте, по возможности быстро перемещая его из стойла в холодную внешнюю среду. Увеличение в субстрате доли соломы равносильно усилению вентиляции, за счет этого выбросы СН4 также могут быть дополнительно снижены. Иначе обстоит дело с технологиями содержания животных на глубокой соломенной подстилке, при которой происходит уплотнение накапливаемой смеси и рост выбросов СН4.
Для оценки выбросов метана при любых технологиях сбора и хранения навоза международными экологическими организациями разработана методика расчетов с использованием экспериментальных коэффициентов для конкретных условий содержания и кормления животных. Представленные формулы позволяют учесть основные характеристики технологических процессов: системы содержания и утилизации навоза животных,
продуктивность, состав и расход кормов. Для этого ряд показателей может быть определен расчетным путем на условную голову в год по представленным уравнениям [4].
Потери сухого вещества в виде летучих соединений от систем сбора и хранения навоза - VS, кг/голову в год:
VS = ^ (1 - DE/100) + Ш^Е](1 -ASH)/18,4 , (1)
где GE - валовая энергия кормов, МДж гол/год; DE - коэффициент перевариваемо-сти корма, %; UE - потери энергии с мочой от валовой энергии (0,04 для КРС и 0,02 для свиней); ASH - содержание золы в сухом веществе навоза коров (0,16 для КРС и 0,15 для свиней).
Средневзвешенные значения коэффициентов перевариваемости кормов для КРС следует определять в зависимости от соотношения разных видов кормов. EFMMS -коэффициент эмиссии метана от систем сбора и хранения навоза, кг/гол в год: EFMMS = 0,67VS•Bo•E(MCF/100•MS), (2) где Вс = 0,24; 0,45 - соответственно максимальный потенциал выброса метана от навоза КРС и свиней; MCF - коэффициент пересчета метана, зависит от влажности навоза. Для систем хранения жидкого, твердого навоза и при использовании пастбищ принимает соответственно значения: 20; 2 и 1 %; MS - доля фракции навоза, содержащаяся в определенной системе сбора и хранения.
Выделенный с экскрементами азот (№х, кг) при содержании молочного стада определен как разность между азотом, полученным с кормами (№П;аке, кг), выделенным с молоком ^тПк, кг) и израсходованным на обменные процессы (Nretention, кг), для остальных КРС: Nmilk = 0,
МПлке = ^Е/18,4)(СРЛ00)/6,25, (3) где СР - среднее содержание сырого протеина для разных видов кормов, %.
№х = МШаке - (№е1еп1;юп + КшПк). (4) Для свиней количество выделенного азота обычно принимается 70% от полученного с кормами (МПлке, кг). Среднее значение содержания сырого протеина для комбикорма свиней СР=17,17%. Содержание сухого вещества в навозе свиней определяется как
неусвоенная доля сухого вещества кормов: 1 - DE/100, а общий выход навоза рассчитывается из условия нормативной влажности экскрементов свиней, %.
Для органического удобрения наиболее значимы потери азота. Они бывают газообразные - в виде закиси азота (N20), аммиака (КНз) и промывные - в виде окислов. Потери азота в виде закиси незначительные по количеству, но образующие (111) с потенциалом глобального потепления 310, основные потери азота происходят в виде аммиака и могут достигать 80% от содержания общего азота. Выделяющийся аммиак представляет опасность для всей экосистемы, так как способствует закислению почв за счет формирования в атмосфере кислотных осадков.
Оценка выбросов N20. Закись азота образуется при наличии достаточного количества кислорода для нитрификации. В жидком навозе преобладают, в основном, бескислородные условия, затрудняющие как образование нитратов, так и денитрификацию. Соответственно, образование закиси азота в полностью бескислородном жидком навозе практически равно нулю. Однако при образовании естественного плавающего слоя появляются зоны с повышенным содержанием органических веществ и аэробной активностью, что увеличивает эмиссию закиси азота. При наличии естественного плавающего слоя на емкостях с жидким навозом средняя эмиссия для навоза крупного рогатого скота и свиней одинакова и принимается 0,005 кг закиси азота на кг выделенного азота / кг К), [4].
Покрытие хранилищ жидкого навоза полиэтиленовой пленкой не влияет на размер выбросов К20. При хранении навоза с небольшим добавлением воды в производственных помещениях под щелевыми полами (подпольное хранение) ожидаемая эмиссия К20 оценена в среднем 0,002 кг / кг N. В процессе хранения компостных смесей на основе навоза также происходят выбросы К20, при этом потери азота зависят от продолжительности хранения и исходного содержания аммонийного азота. В среднем, нормируемая эмиссия К20 составляет около
0,005 кг К20-К / кг N [4]. В производственных помещениях значительные выбросы закиси азота были обнаружены при использовании систем содержания животных на глубокой подстилке. Для них средний выброс принят 0,01 кг N20-^ / кг N без рыхления подстилки [4]. Рыхление подстилки на основе опилок значительно увеличивает потери азота в виде закиси, составляющие уже 0,14 кг К20-К / кг N [8]. Из-за больших потерь азота эффективность такого навоза в последующем заметно хуже, чем в системах с жидким навозом.
Компостирование навоза, согласно современным исследованиям, также приводит к повышенным выбросам N20, зависящим от содержания общего азота в вентилируемой массе и количества перебивок буртов. Потери при компостировании оцениваются от 0,006 до 0,1 кг ^О-Ы/кг N общего азота в компостируемой массе [4].
Использование покрытия или уплотнение навоза может снизить выбросы закиси азота, однако это может привести к увеличению выбросов метана, так как образование метана и закиси азота противоположны интенсивности аэрации.
При достаточном обеспечении подстилки кислородом органический азот минерализуется, и аммоний (КН4+) после нитрификации закрепляется в форме нитратов (КО3): Ж/ +3/2О2 = Ш2" + Н2О +2Н+ +352к! , (5) Ш2-- +1/2О2 = Ш3 + 74,5 к! . (6)
Рыхление подстилки в среднем проводится примерно несколько раз в месяц и обеспечивает повышенное поступление кислорода для ее разогрева с помощью живущих там аэробов, аутотрофных бактерий. При дефиците кислорода в компостной грядке (из-за уплотнения грядки животными) происходит денитрификация свободного азота и нитратов в аммиак и закись азота.
Поскольку эмиссия закиси азота зависит от выделенного с экскрементами азота, возможно выполнить приблизительные расчеты для любого содер-жания азота в навозе с использованием коэффициента, принятого по нормам МГЭИК, и составляющего 0,0125 кг ГОО-Мкг N [3].
Общая косвенная эмиссия N20 от систем сбора и хранения навоза может быть рассчитана
^Отё = (Клхых0,01 + ^елсн х0,025)х44/28 , (7)
где ^Отё - косвенная эмиссия закиси азота атмосферных выпадений (Клтм) и вымытого азота (^ЕЛСН) для систем сбора и хранения навоза, кг.
Поскольку компост готовится на площадках с покрытием, не позволяющим проникать жидкой фракции навоза в почву, ^ъЕЛСН = 0, а величиной ^тм можно пренебречь ввиду небольшой площади под хранением навоза, ^Отё =0.
В России сельскохозяйственные земли -ведущий источник антропогенных выбросов закиси азота (^О) в атмосферу. Их вклад в общий национальный выброс закиси азота, включая обрабатываемые торфяные почвы, составляет около 85%. Основная причина выбросов - использование органических и минеральных удобрений, а также естественная минерализация почв.
Коэффициент усвоения растениями азота удобрений во многом определяет эффективность удобрений, является многофакторным и зависит от качества земли, доз и вида используемых удобрений, срока внесения, вида и урожайности возделываемых культур, предшественника, погоды и многого другого. Для климатических условий России на создание урожая затрачивается примерно около 30% внесенного азота минеральных удобрений, остальная часть практически теряется в первый же год после внесения. Для органических удобрений в виде компоста долю азота, усвоенного в первый год после внесении, принято считать равной 25%. Еще до 25% используется в последующие годы.
Из жидких органических удобрений в первый год после внесения усваивается до 40% внесенного азота. Остальная часть теряется или в небольшой части закрепляется в форме органических соединений в почве. Значительные потери вызваны, как правило, поступлением большей части влаги вне периода вегетации растений. Доля потерь азота составляет достаточно широкий диапазон от
общего количества внесенного азота. Соотношения газообразных и промывных потерь азота могут быть приняты для всех видов удобрений согласно имеющимся рекомендациям [3,5].
Для оценки выброса закиси азота от использования минеральных азотных удобрений для основных видов почв России следует использовать полученные национальные коэффициенты, составляющие для дерново-подзолистых почв 0,0238 кг/кг внесенного азота, черноземов и других типов почв, соответственно, 0,0126 и 0,0125 кгК-^О / кг N. Пересчет потерь азота с коэффициентом 44/28 позволит определить выбросы закиси азота [3, раздел 6.5].
Эмиссия аммиака (НИз). Одним из ведущих загрязнителей окружающей среды в сельскохозяйственном производстве является аммиак. Он относится к четвертому классу опасности отравляющих веществ, и в России более 90% общих выбросов поступает от сельского хозяйства.
Основные технологические процессы, обеспечивающие поступление аммиака в окружающую среду - содержание животных и выращивание сельскохозяйственных культур. Природа эмиссии аммиака в этих процессах одна - минерализация органического вещества почв и навоза под воздействием бактерий и взаимодействие продуктов распада с окружающей средой.
Процесс последовательного окисления аммиака до азотистой и далее азотной кислоты называется нитрификацией, а вызывающие его бактерии - нитрифицирующими. Сущность этого процесса раскрыта и изучена. Процесс нитрификации происходит в два этапа. На первом этапе аммиак окисляется до нитритов:
N№3 + 3/2 О2 ^ N02 + Н2О , (8)
а на втором нитриты окисляются до нитратов:
Ш2- + 1/2 О2^0з- . (9)
Для завершения реакции нитрификации на одну молекулу аммиака требуется две молекулы кислорода или при окислении 17 кг аммиака расходуется 64 кг кислорода воздуха.
Выбросы при хранении навоза в значительной степени зависят от содержания аммонийного (NH4+ - N азота и вида хранения. При хранении жидкого навоза в открытых хранилищах (без образования естественного плавающего слоя) в среднем теряется около 15% от (^4+ - N в виде NHз-N. Поскольку доля аммонийного азота (^^Н^ - К) в общем азоте жидкого навоза очень высока и составляет около 50% (у крупного рогатого скота) и 60% (у свиней), выбросы представляют не только опасность для окружающей среды, но и существенно снижают ценность получаемого органического удобрения. Потери аммиака при хранении навоза зависят от продолжительности и интенсивности воздухообмена и размера поверхности теплообмена.
В зависимости от состава экскрементов, а также технологии гомогенизации навоза при хранении, ингибирующее действие естественного плавающего покрытия на эмиссию аммиака может сокращаться. Снижение температуры и скорости ветра при хранении жидкого навоза также может уменьшить выбросы ^Нз. Так, при охлаждении жидкого навоза в навозных каналах производственных помещений (24 Вт/м2) испарение аммиака снижается на 31%. Охлаждение происходит за счет закладки в бетон пластиковых труб. Трубы располагаются, как правило, на поверхности канализационных стоков на расстоянии 35-40 см. Охлаждающие трубы соединены с тепловым насосом. Эта система особенно эффективна в свинарниках, где полученная тепловая энергия может быть использована для обогрева помещения с животными. Эффект снижения выбросов аммиака зависит от конструкции животноводческого помещения и охладительной системы [6]. Вид животных, их продуктивность и система содержания оказывают большое влияние на выброс аммиака.
Так, выполненные авторами расчеты показали, что производство белка в виде свинины снижает экологическую нагрузку аммиаком на окружающую среду на 32-63% (в зависимости от системы содержания животных) в сравнении с производством молочно-
го белка. Переход с привязного на беспривязное содержание молочного стада только в случае увеличения его продуктивности на 20% не ведет к росту удельной эмиссии аммиака [1].
Исследования показали, что при круглогодичном стойловом содержании молочная корова с лактацией 5000 кг выделяет около 70 кг N в год. При перекорме протеином, обычно летним кормом (на пастбище), общая экскреция увеличивается уже до 85 кг N. При увеличении доли содержания сырого протеина в зимний период количество выделяемого азота может составлять:
■ 65-1 15 кг N / корову в год или
■ 12-16 г N на кг молока.
При дальнейшем переизбытке протеина выделение азота увеличивается более чем на 50%. Большая часть непригодных для быстрого усвоения растениями соединений связанного азота присутствует в кале. Фекальный азот содержит только около 10% водорастворимого азота, моча является классической средой экскреции "избыточного" азота в виде легко расщепляющейся мочевины в КН4 + существующим в среде уреазным ферментом, превращаясь в зависимости от рН в нестабильный N^3 по следующей реакции: СО(№)2 + Н20 = СО2 + 2 КН3 + энергия (10)
Скорость этой реакции в зимний период связана с суточной активностью животных. Хотя в зимний период температура в помещении остается практически неизменной на протяжении всего дня, концентрация аммиака в воздухе возрастает заметно до, во время и после кормления. На этом этапе животные выделяют больше мочи и фекалий, появляющаяся мочевина разлагается непосредственно на влажных поверхностях (грязных или с калом). Полученный аммиак остается в водном растворе. Сдвиг диссоциации равновесия зависит от величины рН и температуры среды:
№ + Н20 ~ №+ + 0Н- . (11)
Таким образом, истинный масштаб выбросов аммиака во многом зависит от соотношения азота мочи и кала, а также от доли аммонийного азота. Это отношение нельзя рассматривать в качестве постоянной вели-
чины. Оно подвержено значительным колебаниям и может быть изменено с помощью соответствующих факторов оперативного управления (например, изменением системы кормления).
Меры, сокращающие эмиссию КН3 (покрытие навозных хранилищ), увеличивают содержание легко усвояемого азота в органическом удобрении. При планировании дозы используемых удобрений из навоза необходимо учитывать эти изменения. При покрытии навоза пленками (без естественного плавающего слоя) снижение выбросов аммиака обеспечивается на 85%, увеличивается содержание минерального азота в полужидком навозе приблизительно на 12%, а содержание общего азота - примерно на 6%.
Полная картина воздействия на окружающую среду способа хранения навоза требует оценки общих выбросов - N20, СН4 и N№3. Такая оценка выбросов показывает, что покрытие хранилищ навоза полиэтиленовой пленкой, по сравнению с открытыми хранилищами (без естественного плавающего слоя), снижает эмиссию вредных газов приблизительно на 108 кг С02 экв / на место в год для молочного скота и на 10 кг СО2-экв / на место в год при откорме свиней. Так как ценность удобрений из навоза повышается за счет сокращения потерь КИ3, соответственно сокращается и количество используемых минеральных азотных удобрений, а также косвенная эмиссия закиси азота от их производства. В случае образования хорошего естественного плавающего слоя для навоза КРС эффект сокращения эмиссии за счет пленочного покрытия значительно меньше. Хранение навоза под решетчатым полом является с точки зрения защиты климата неблагоприятной формой.
Технологически обоснованные плотность укладки буртов и количество перебивок при созревании и хранении твердого навоза в буртах дают более низкие выбросы П1 по сравнению с потерями у жидкого навоза. Это происходит, в основном, из-за снижения образования метана.
Исходная влажность навоза на ферме зависит от технологии содержания животных и
системы его удаления. Снижение капитальных вложений в создание систем удаления навоза за счет разбавления его водой неизбежно увеличивает затраты на все последующие операции его утилизации, в т.ч. и за счет снижения качества удобрения. Количественная оценка эмиссии аммиака от разных технологий содержания животных представлена для четырех ферм откорма свиней сухими комбикормами в производственных помещениях на 1000 мест и для четырех ферм по производству молока при разных системах содержания и кормления животных с утилизацией навоза на собственных площадях под выращивание зерна для производства кормов [1, 2].
При определении потерь азота в виде аммиака учтены системы удаления, хранения и внесения навоза при выращивании кормов, роль разложения гумуса органических удобрений и дополнительного использования минеральных азотных удобрений. Качество органического удобрения и почв (приняты неизменными для всех технологий выращивания кормов) учтены количеством дополнительно вносимых минеральных удобрений, обеспечивающих баланс основных питательных элементов.
Результаты расчетов, представленные в табл. 1 и 2, показывают, что при содержании молочного стада на собственных кормах удельные выбросы аммиака на место в год больше в 2,6-6,3 раз, чем при откорме свиней, и зависят от применяемой технологии.
Наиболее значительные потери азота в виде аммиака происходят при удалении навоза из помещения, возрастающие при содержании свиней на теплой подстилке с рыхлением - в 1,5-2 раза, а также при переходе с привязного на беспривязное содержание коров - в 1,5-1,7 раза.
Очень высокий уровень выбросов возможен при хранении и внесении удобрения на основе навоза, если в удобрении много аммония и если при расчете доз минеральных удобрений не учтено количество азота в органическом удобрении. Только учет азота органических удобрений может сохранить потери азота до 20%.
Таблица 1. Структура потерь азота в виде аммиака для четырех технологий откорма свиней
ни ПА^лтпшпп IV О/. 1)
Производствен- Особенности технологий
ные этапы про- содержания свиней
цесса полной Сплош- Частич- Полно- Теплая
утилизации ные по- но ще- стью под-
навоза лы левые щелевые стилка
Удаление навоза 20 20 15 30
из помещения
Хранение и вне- 27 28 27 8
сение навоза
Почвенные про- 15 15 23 10
цессы после вне-
сения навоза
От добавленных 26 26 25 38
минеральных удобрений
От симбиотиче- 12 11 10 14
ской азотфикса-
ции растении
Удельные вы- 107,1 108,6 67,3 91,4
бросы аммиака,
г/кг привесов
Удельные вы- 22,5 26,6 16,5 16,0
бросы аммиака,
кг/место в год
Таблица 2. Структура потерь азота в виде аммиака для четырех технологий производства молока
ни ПА^лтпшпп IV О/. 1)
Производственные Особенности технологий
этапы процесса содержания коров
полной утилизации При- При- Беспри- Беспри-
навоза вязная вязная2-1 привязная вязная2-1
Удаление навоза из 18 19 30 31
помещения
Хранение и внесе- 23 24 24 25
ние навоза
Почвенные процес- 13 13 8 8
сы после внесения
навоза
От добавленных 33 32 28 27
минеральных удобрений
От симбиотической 13 12 10 9
азотфиксации рас-
тений
Удельные выбросы 20 19 24 22
аммиака, г/кг мо-
лока
Удельные выбросы 70,6 68,2 101,4 92,8
аммиака, кг/место в
год
Рациональное использование удобрений с учетом севооборота, качества земли и урожайности культур позволит увеличить эту цифру. Кроме того, при составлении азотного баланса следует учитывать дополнительный минеральный азот, длительно поступающий в почву с осадками, его количество может быть значительным. Так, согласно замерам в 2007 г. в Северных и Северо-Западных районах Германии, где сосредоточены основные животноводческие предприятия, Федеральным бюро по окружающей среде Германии было зарегистрировано поступление азота около 22 кг/га в год. В Баварии среднее суммарное поступление азота составило почти 25 кг/га в год [4].
Известно, что выбросы аммиака и распространение запахов от ферм негативно влияют на окружающую среду. В странах ЕС нормируются минимальные расстояния от источника выброса, в зависимости от его мощности, до чувствительных экосистем. Расстояния определяются по математическим моделям и учитывают не только размер эмиссии аммиака, но и выбросы пыли, и распространение запахов. Эти расстояния могут быть снижены за счет использования систем, понижающих уровень выбросов (рациональные системы кормления, газоочистки и пр.). В практических расчетах минимально допустимое расстояние от источника загрязнения до чувствительных экосистем определяется по представленному графику (рисунок). Как правило, это расстояние не может быть меньше 150 м.
1) Собственные расчеты.
2) Система содержания с использованием силоса при кормлении.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Эмиссия аммиака, т / год Рис. Минимально допустимые расстояния от животноводческих предприятий до чувствительных экосистем
В таблицах 3 и 4 определено минимально допустимое расстояние по размеру эмиссии аммиака [1, 2] и графику допустимых нагрузок для чувствительных экосистем от животноводческих ферм по производству молока на 100 (графы 2 и 3) и 200 (графы 4 и 5) коров и откорму 1000 свиней при использовании четырех разных технологий содержания.
Результаты анализа таблицы 3 показывают отсутствие влияния технологии содержания животных небольших молочных ферм на величину минимально допустимого расстояния до чувствительных экосистем. Расстояние увеличивается практически пропорционально с увеличением размера фермы.
Результаты анализа таблицы 4 отражают влияние технологии содержания свиней на минимально допустимое расстояние до чувствительных экосистем. Лучше всего с этой задачей справляются технологии откорма свиней на полностью щелевых полах. Рекомендуемые в России санитарно-защитные зоны для свиноводческих предприятий размером до 6 тыс. гол. откорма свиней в год и для предприятий по производству молока до 600 гол. по данным НТП 1-99 составляют 300 м.
*) Без использования силоса при кормлении
Таблица 4. Минимально допустимые расстояния от предприятий по откорму 1000 свиней
Анаэробная переработка навоза в биогазовых установках может стать эффективной мерой сокращения выбросов ПГ за счет использования энергии метана при переработке биоотходов. По расчетам, поставка на биогазовые установки примерно 2 млн т биоотходов позволяет сократить выбросы ПГ примерно на 600 тыс. т в СО2- экв [4].
В процессе сбраживания разлагаются органические вещества, и потенциал выбросов метана в атмосферу снижается. Некоторые исследования подтверждают, что суспензии после биогазовых установок выбрасывают СН4 значительно меньше, чем необработанный жидкий навоз, однако обещания снижения выбросов ^О и не обоснованы. В этом опросе не все так однозначно. Полученные результаты значительно различаются в зависимости от используемых допущений в методиках расчета.
Научный комитет сельскохозяйственной политики ФРГ в своем докладе «Использование биомассы для энергетических целей» рекомендует производство биогаза из навоза только в качестве рационального пути в политике снижения нагрузки на климат и представляет рассчитанный С02 эквивалент сокращения эмиссии около 1250 г/кВт ч произведенной электрической энергии. При производстве биогаза из кукурузного силоса в когенерационной установке и переработке биогаза в биометан экономия может составить 453-475 г С02 экв/кВт-ч. Европейская комиссия представила в 2010 г. данные среднего сокращения выбросов ПГ при производстве биогаза, полученного из кукурузного силоса и из навоза, соответственно - 500 и 600 г С02-экв/кВт-ч. Эти результаты могут быть приняты, если не учитываются изменения в землепользовании, вызванные выращиванием энергетических культур. Учет этих процессов, по единодушному мнению, сводит на нет какие либо преимущества технологии в экологическом плане. Ухудшение представленных показателей происходит и при отсутствии рекуперации теплоты, а также при использовании биогаза в качестве топлива.
Этот путь считается нерезультативным, и поэтому переход на использование биогаза в
до чувствительных экосистем согласно графику
Вид полов
Сплош- Частич- Полно- На теп-
Показатели ные но ще- стью лой под-
левые щелевые подстилке
Эмиссия амми- 9870 10440 5740 6200
ака по ферме, кг
в год
Расстояния от 650 660 500 510
фермы до эко-
системы, м
Таблица 3. Минимально допустимые расстояния
предприятий по производству молока _до чувствительных экосистем_
Показатели Привязное*-1 Привязное Беспривязное ) Беспривязное
Эмиссия аммиака по ферме, кг в год 5030 4860 18920 18080
Расстояния от фермы до экосистемы, м 450 440 900 860
качестве заменителя природного газа с точки зрения защиты климата не рекомендуется.
Производство биогаза может представлять собой достаточно эффективный способ биоэнергетической подготовки навоза в биогазовых установках и значительно сократит выбросы ПГ. Использование наряду с навозом всех наземных растений, сельскохозяйственных и других биогенных остатков может дать производству биогаза огромный потенциал. Однако фактическое влияние производства биогаза на сокращение выбросов ПГ зависит от слишком большого числа факторов и в настоящее время точно установлено быть не может. У большинства биогазовых установок выбросы ПГ остаются ниже 100 г СО2-экв/кВт-ч, однако при неправильной эксплуатации и отсутствии качественного технического обслуживания выбросы могут многократно возрастать [7, 8].
На практике сокращение выбросов ПГ от утилизации теплоты биогазовых установок составляет от 20 до 40% по сравнению с биогазовыми установками без утилизации теплоты [9]. Выбросы ПГ большинства производственных установок рассчитываются при средней и высокой степени использования избыточной энергии.
На самом деле, в настоящее время уровень утилизации теплоты по-прежнему крайне неудовлетворительный у существующих установок даже в Германии. В среднем, здесь используется только 20-30% генерируемой теплоты и только около 12% биогаза реализуются через тепловые сети и имеют степень рекуперации теплоты более 40% [10]. По оценкам [4], возможное снижение эмиссии ПГ составляет около 26% от использования покрытий хранилищ сброженных остатков и 28% - от устранения более сложных проблем за счет технической модернизации конструкции установок. Исследования ученых и оценки экспертов устанавливают диапазон потерь метана от непокрытых хранилищ сброженного навоза в течение всего периода хранения от 2,5 до 15% полученного метана. В диапазоне максимальных значений эти потери могут не снизить, а наоборот, даже увеличить эффект ПГ.
Однако известно, что в последующих операциях использование хозяйственных удобрений, даже при отсутствии покрытий хранилищ, увеличивает экологическое благополучие за счет снижения содержания легко разлагаемого углерода в остатке по сравнению с несброженным навозом.
Для того, чтобы реализовать это преимущество, остаток брожения должен вноситься непосредственно в пашню или на пастбищах, что ведет к минимальной эмиссии по сравнению с другими способами внесения. Наряду с применением техники с низким уровнем выбросов важен учет повышения эффективности использования органических удобрений и за счет этого снижения доли минеральных удобрений. Если это игнорировать, существует риск, что большая часть потенциала сокращения выбросов в процессе хранения будет перечеркнута увеличением выбросов после внесения.
Большинство сельскохозяйственных выбросов, образующихся при содержании скота, невозможно сократить, однако возможно повысить эффективность использования азота. Это повлечет за собой уменьшение затрат на утилизацию навоза, сокращение потребности минеральных удобрений, повышение плодородия почв, снижение нагрузок на экосистемы, защиту климата и пр. Самые простые, экономически эффективные и легко реализуемые мероприятия по снижению уровня выбросов:
- правильное использование органических удобрений на основе экскрементов скота;
- сокращение поголовья скота, в первую очередь за счет роста продуктивности, а также пропаганда призывов международных организаций о необходимости увеличения в пище населения доли растительных белков и сокращения потребления продуктов животного происхождения, таких, как молоко и мясо.
- рекомендовать производство биогаза из навоза только в качестве рационального пути в политике снижения нагрузки на климат и учитывать С02-эквивалент сокращения эмиссии около 1250 г/кВтч произведенной электрической энергии. Учет выбросов ПГ при
производстве энергетических культур не дает никаких преимуществ в экологическом плане технологии анаэробной переработки навоза в биогазовых установках.
Литература:
1. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т., Спотару Ю.Ю. Влияние технологий производства молока на окружающую среду // Вестник ВНИИМЖ. 2014. №3. С. 139-144.
2. Влияние на окружающую среду предприятий по откорму свиней / Гриднев П.И. и др. // Проблемы интенсификации жив-ва с учетом охраны окружающей среды и производства альтернативных источников энергии, в т.ч. биогаза. Фаленты-Варшава, 2015.
3. Нац. доклад о кадастре антропогенных выбросов и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых МП за 1990-2009 гг. Ч. 1. М., 2001.
4. Flessa H. Studie zur Vorbereitung einer effizient und gut abstimmen Klimaschutzpolitik für den Agrarsektor // Sonderheft 361. S. 153-193.
5. Оценка экономического ущерба окружающей среде при производстве и использовании удобрений / Грид-нев П.И. и др. // Доклады РАСХН. 1998. №6. С. 32.
6. URL: http:// greencapacity.ru
7. Clemens J., Yafermann C. Emissionen bei der Biogasproduktion - eine Analyse der Umweltrelevanz // Gülzower Fachgespräche. 2009. Band 32. S. 142-147.
8. Lehner A. Optimierung der Verfahrenstechnik landwirtschaftlicher Biogasanlagen // Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft. 2010. Schriftenreihe 2. S. 71-73.
9. CO2-Bilanz für Silomais zur Biogaserzeugung vom Anbau bis zur Stromeinspeisung // Internationale Wissenschaftstagung Biogas Science. 2009. S. 16. Band 3. S. 717.
10. Weiland P. Biogas-Studie: Es läuft noch nicht rund // Top agrar. 2012. Heft 2. S. 120-124.
Literatura:
1. Gridnev P.I., Gridneva T.T., Spotaru YU.YU. Vliyanie tekhnologij proizvodstva moloka na okruzhayushchuyu sredu // Vestnik VNIIMZH. 2014. №3. S. 139-144.
2. Vliyanie na okruzhayushchuyu sredu predpriyatij po otkormu svinej / Gridnev P.I. i dr. // Problemy intensifi-kacii zhiv-va s uchetom ohrany okruzhayushchej sredy i proizvodstva al'ternativnyh istochnikov ehnergii, v t.ch. biogaza. Falenty-Varshava, 2015.
3. Nac. doklad o kadastre antropogennyh vybrosov i ab-sorbcii poglotitelyami parnikovyh gazov, ne reguliruemyh MP za 1990-2009 gg. CH. 1. M., 2001.
4. Flessa H. Studie zur Vorbereitung einer effizient und gut abstimmen Klimaschutzpolitik für den Agrarsektor // Sonderheft 361. S. 153-193.
5. Ocenka ehkonomicheskogo ushcherba okruzhayushchej srede pri proizvodstve i ispol'zovanii udobrenij / Gridnev P.I. I dr. // Doklady RASKHN. 1998. №6. S. 32.
6. URL: http:// greencapacity.ru
7. Clemens J., Yafermann C. Emissionen bei der Biogasproduktion - eine Analyse der Umweltrelevanz // Gülzower Fachgespräche. 2009. Band 32. S. 142-147.
8. Lehner A. Optimierung der Verfahrenstechnik landwirtschaftlicher Biogasanlagen // Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft. 2010. Schriftenreihe 2. S. 71-73.
9. CO2-Bilanz für Silomais zur Biogaserzeugung vom Anbau bis zur Stromeinspeisung // Internationale Wissen-schaftstagung Biogas Science. 2009. S. 16. Band 3. S. 717.
10. Weiland P. Biogas-Studie: Es läuft noch nicht rund // Top agrar. 2012. Heft 2. S. 120-124.
THE METHODOLOGICAL GUIDELINES OF ECOLOGICAL ASSESSMENT OF MANURE CLEANING SYSTEMS
AND ITS PREPARATION TO USE P.I. Gridnev, doctor of technical sciences, deputy director T.T. Gridneva, candidate of technical sciences, leading research worker T.N. Kolesnikova, candidate of chemical sciences, leading research worker
Abstract. The assessment of technologies of manure disposal and preparing for use at livestock agriculture industry productivity from the harm of environment's standpoint is presented. An environmental impact complete picture requires the total emissions of N2O, CH4 and NH3 estimation. This assessment shows that manure storages covering with plastic wrap reduces the harmful gases emission approximately in 108 kg of CO2 eq /in place per year for dairy cattle and in 10 kg of ones at pigs' fattening. The most livestock keeping's agricultural emissions, are not be reduced, however, it is possible to improve the manure management efficiency. This entails the manure disposal costs and mineral fertilizers demand reducing, soil fertility increasing, the ecosystems' load reducing, climate protecting. The most simple, cost-effective and easily implemented measures to reduce bulk of emissions -is the correct using of organic fertilizers based on cattle excreta; the livestock numbers reducing due to animal production's growth, the share of vegetable proteins in the diet of the population increasing. The manure biogas productivity should be recommend only as a rational way of reducing on the climate component load, that is equivalent about 1250 g of C02 in kW»h of produced electric energy. The energy crops using for biogas productivity in biogas units is negative as the ecological technology advantages' benefit.
Keywords: greenhouse gases, emission, impact on climate, organic fertilizers' quality.
