Эмиссия аммиака из навозосодержащих стоков доильного зала

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практическийский журнал.

_ИАЭП. 19 Вып. 98_

УДК 631.22 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10140

ЭМИССИЯ АММИАКА ИЗ НАВОЗОСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ ДОИЛЬНОГО ЗАЛА

В.В. Гордеев, канд. техн. наук; Т.Ю. Миронова

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

К одному из виду отходов, содержащих экскременты животных относятся навозосодержащие стоки доильного зала, которые представляют собой смесь естественных выделений животных и технологической воды. В ИАЭП разработана технология их подготовки для последующего использования в качестве питательного раствора при выращивании цветочных культур в культивационных сооружениях. Одним из этапов этой технологии является аэрация, влияние которой на окружающую среду не изучено. В лабораторных условиях были проведены поисковые исследования по определению эмиссии аммиака в атмосферу из навозосодержащих стоков при их аэрации. Для исследований была использована лабораторная установка, состоящая из корпуса, с установленным в нем вентилятором, и вытяжной трубы с датчиками аммиака и скорости движения воздушного потока. Объем аэрируемых стоков составлял 4 л, объем подаваемого воздуха - 1 л/мин, продолжительность аэрации - 4,8 часа. Значения концентрации аммиака и скорость воздушного потока в трубе фиксировались с периодичностью 15 секунд. За время аэрации эмиссия аммиака, в зависимости от продолжительности хранения стоков, составила 70,1-81,6 мг. На 1 г сухого вещества, содержащихся в навозосодержащих стоках доильных залов (влажностью 99,91%) при их аэрации в день отбора эмиссия аммиака составила 4,72 мг/ч.

Ключевые слова, навозосодержащие стоки, эмиссия, аммиак, доильный зал, беспривязное содержание.

Для цитирования. Гордеев В.В., Миронова Т.Ю. Эмиссия аммиака из навозосодержащих стоков доильного зала // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 1(98). С.218-223

INVESTIGATION OF AMMONIA EMISSIONS FROM CATTLE WASTE V.V. Gordeev, Cand. Sc. (Engineering); T.Yu. Mironova

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

One type of waste containing animal excrement is the manure-bearing wastewater from the milking parlour - a mixture of natural animal excreta and process water. IEEP developed a technology for the wastewater preparation for the subsequent use as a nutrient solution to grow flowers in greenhouses. One of the stages of this technology is aeration, the environmental effect of which is understudied yet. Under laboratory conditions, the exploratory study was conducted to estimate the atmospheric ammonia emission from manure-bearing wastewater during its aeration. A laboratory setup included a case with a fan installed inside, and an exhaust pipe with the ammonia sensor and air velocity meter. The volume of aerated wastewater was 4 liters, the air supply rate was 1 l / min, and the aeration time was 4.8 hours. The ammonia concentration and the air flow rate in the pipe were recorded every 15 seconds. For the aeration time, the

calculated ammonia emissions were 70.1-81.6 mg depending on the storage time of the wastewater. The ammonia emission per 1 g of dry matter in the manure-bearing wastewater from the milking parlors with 99.91% moisture content aerated on the sampling day was calculated to be 4.72 mg / h.

Key words, manure-bearing wastewater, emission, ammonia, milking parlour, loose housing.

For citation: Gordeev V.V., Mironova T.Yu. Investigation of ammonia emissions from cattle waste.

Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 1

Введение

Интенсивное, специализированное и концентрированное животноводство

нарушает баланс оборота питательных веществ с растениеводством и приводит к высокой концентрации отходов в одном месте.

К одному из видов отходов, содержащих экскременты животных, относятся навозосодержащие стоки доильного зала (НСДЗ). Они представляют собой смесь естественных выделений животных и технологической воды, которая в доильном зале используется преимущественно для мытья наружной части доильной установки и загрязненных навозом полов [1]. Выход навозосодержащих стоков для разных хозяйств разный и зависит от многих факторов. Например, при рассмотрении фермы на 1200 коров с беспривязно-боксовым содержанием вариант размещения дойного стада в двух шестирядных коровниках на 600 гол. по 8 секции в каждом является наиболее предпочтительным, так как обеспечивает оптимальный ритм комплектации и размер секции [2], а также имеет минимальный объём стоков [3] из рассмотренных вариантов. Согласно этому варианту размещения среднее количество стоков, ежедневно образующихся при использовании различных доильных установок, составляет 16,8 м3 в сутки. Далее этот объем стоков необходимо очищать или утилизировать. Для очистки и обеззараживания сточных вод доильного зала существует множество различных

технологий [4, 5, 6, 7], однако их анализ показал, что известные методы и средства не позволяют достичь нужных требований либо их высокая стоимость не оправдывает свое существование. Наиболее экологически безопасным и достаточно эффективным способом утилизации сточных вод является применение их на поля, с низкой нормой внесения, которая не превышает потребности культур по азоту [6, 8]. По сравнению с открытым грунтом культивационные сооружения являются более ёмкими потребителями как питательных веществ, так и воды. В 1 м3 НСДЗ содержится около 1,5 кг ценных для растений питательных веществ. Состав питательных веществ НСДЗ близкий к стандартным питательным растворам (таблица 1) [1], применяемым в защищенном грунте, позволяет использовать их для орошения в культивационных сооружениях. При этом использование НСДЗ для орошения ограничивается рядом санитарных и экологических требований [9].

В ИАЭП разработана технология подготовки НСДЗ с последующей утилизацией их в культивационных сооружениях при выращивании цветочных культур. Она предусматривает отстойники для задержания взвесей и удаления жировых включений; ёмкости для карантинирования сроком не менее 6 суток, аэрацию с целью стабилизации и дезодорации стоков. В результате происходит снижение БПК очищаемых стоков и полное потребление растворенного кислорода на окислительные

процессы. После биологической обработки навозосодержащие стоки хранятся в промежуточной емкости и по мере необходимости, поступают в теплицы для корректировки химического состава по основным элементам питания и подачи растениям в качестве питательного раствора для подкормки оранжерейных культур. Экспериментальным путем получены оптимальные параметры режимов процесса аэрации, позволяющие провести

стабилизацию и дезодорацию стоков с минимальными потерями аммиачного азота. Показатели этих режимов: время аэрации - 4,8 часа, объем подачи воздуха - 17 м3/(ч-м3) [7].

Для оценки влияния этапа аэрации на окружающую среду проведены поисковые исследования в лабораторных условиях по определению эмиссии аммиака в атмосферу при аэрации НСДЗ.

Материалы и методы

Для исследований эмиссии аммиака в атмосферу из навозосодержащих стоков при их аэрации была использована лабораторная установка, корпус которого представляет собой камеру объемом 0,089 м3 с вентилятором, напротив которого

смонтирована вытяжная труба, с установленными в ней газосигнализатором аммиака «Астра-Д» и преобразователем скорости воздуха (Air Velocity Transmitter EE65-VCK 500), данные с которых через электронный регистратор «Параграф» записываются на компьютер. Нижняя часть корпуса установки имеет отверстие для установки ёмкости для аэрации. Аэрация НСДЗ осуществлялась в ёмкости высотой 275 мм и вместимостью 8 л.

Отбор навозосодержащих стоков доильных залов проводили в хозяйстве

Ленинградской области в месте, где не оседают взвешенные вещества (сливной коллектор) согласно ГОСТ Р 54519-2011 [10] и ПНД Ф 12.15.1-08 [11].

Учитывая, что технология подготовки НСДЗ предусматривает последующую подачу их в системы орошения, для удаления взвешенных веществ и примесей пропускали через мелкую сетку с размером ячейки 1х1 мм в две ёмкости для отстаивания и хранения. Стоки из первой ёмкости перекачиваются для аэрации и аэрируются в 1-й, 2-й, 8-й день хранения.

Аэрация проводилась с помощью компрессора «BOYU» модели S-1000 продолжительностью 4,8 часа. Объем подачи воздуха во время аэрации - 17 м3/(чм3). На объем аэрируемых стоков 4 л обеспечивали подачу воздуха 1 л/мин. Регулировка подачи воздуха осуществлялась с помощью ротаметра EK-3LR-H.

Значения концентрации аммиака и скорость воздушного потока в трубе записывались с периодичностью 15 секунд. Далее расчетным путем [12] определяли эмиссию аммиака для каждого значения его концентрации. Обработка результатов проводилась известными методами математической статистики с определением средних значений за каждые 15 минут.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований (рис. 1) показали, что среднее значение эмиссии аммиака в атмосферу из навозосодержащих стоков объемом 4 л за время их аэрации (4,8 ч) в день отбора проб (1 день) составило 17 мг/ч, через сутки (2 день) на 8,8% меньше - 15,5 мг/ч, а на восьмой день - 14,6 мг ч, что на 14,1% ниже, чем при аэрации в день отбора проб.

0:00:00 0:28:48 0:57:36 1:26:24 1:55:12 2:24:00 2:52:48 3:21:36 3:50:24 4:19:12 4:48:00 • 1 день--2 день -8 день Время

Рис. 1. Эмиссия аммиака в атмосферу из навозосодержащих стоков при их аэрации

Эмиссия аммиака в атмосферу при аэрации 4 л навозосодержащих стоков в день отбора проб составила 81,6 мг, на второй день хранения - 74,4 мг, а на восьмой на 11,5 мг меньше по сравнению с первым и составила 70,1 мг. На 1 г сухого вещества, содержащихся в навозосодержащих стоках доильных залов (влажностью 99,91%) при их аэрации в день отбора эмиссия аммиака составила 4,72 мг/ч.

Ранее в лабораторных условиях были проведены исследования по определению эмиссии аммиака из навоза коров [13], по результатам которых среднее значение эмиссии аммиака в пересчете на 1 кг навоза при толщине слоя от 1,5 до 4,5 см составляет 49,5 мг/ч. Таким образом, эмиссия аммиака от 4 л навозосодержащих стоков доильных залов при их аэрации в течение 4,8 ч сопоставима с эмиссией от 1 кг навоза (влажностью 87,3%) за один час. При пересчете данных полученных в ходе

экспериментов, эмиссия аммиака за один час от одного литра навозосодержащих стоков доильных залов при аэрации в день отбора проб составила 4,25 мг, на второй день хранения - 3,9 мг, на восьмой - 0,6 мг а от 1 кг навоза за это же время - 49,5 мг. Выводы

Эмиссия аммиака при аэрации навозосодержащих стоков, при прочих

равных условиях, зависит их

п Время

хранения. ¿а время аэ л

навозосодержащих стоков в день отбора проб эмиссия аммиака составила 81,6 мг, на второй день хранения - 74,4 мг, а на восьмой на 11,5 мг меньше по сравнению с первым и составила 70,1 мг.

Условия проведения аэрации

навозосодержащих стоков требуют дальнейшего изучения с целью снижения эмиссии аммиака и попадания его в атмосферу.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Миронова Т.Ю., Миронов В.Н. Прифермская теплица для утилизации навозосодержащих стоков доильных залов. Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2013. № 4 (12). С. 168-172.

2. Гордеев В.В., Хазанов В.Е., Яковлева А.В. Анализ планировочных решений коровников для нового строительства. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. №87. С 186-195.

3. Гордеев В.В., Миронова Т.Ю., Хазанов В.Е., Гордеева Т.И. Оценка влияния технологических решений доильно-молочного блока на выход навозосодержащих стоков // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 95. С. 167-173. DOI 10.24411/0131-5226-2018-10044.

4. Kato K., Koba T., Ietsugu H., Saigusa T., Yanagiya S., Inoue T., Kitagawa K., Kobayashi

5. First year performance of a real-scale hybrid wetland system for the treatment of dairy wastewater in a cold climate in Japan. Extended abstracts of 2nd Int. Sym. on wetland pollutant dynamics and control (Wetpol 2007). Tartu. 2007. Vol. I: 150-152.

5. Christopherson S., Schmidt D., Janni K., Zhu J. Evaluation and demonstration of treatment options for dairy parlor and milk house wastewater. Paper number 034121, 2003 ASABE Annual Meeting, Las Vegas, NV. 2003. DOI: 10.13031/2013.14111.

6. Неверова О.П., Ильясов О.Р., Зуева Г.В., Шаравьев П.В. Современные методы утилизации навозосодержащих и сточных вод. Аграрный вестник Урала. 2015. №1 (131). С. 86-90.

7. Гордеева Т.И. Повышение эффективности молочных ферм путем совершенствования технологии подготовки и использования навозосодержащих стоков: дисс. ... канд.

техн. наук: 05.20.01 СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2006. 145 с.

8. Milking center wastewater guidelines. A companion document to Wisconsin NRCS Standard 629. 2009. Available at: www.wi.nrcs.usda.gov/news/629guide.html. (accessed 30.11.2018).

9. Нормы технологического проектирования НТП-АПК 1.30.03.01-06. Оросительные системы с использованием сточных вод и животноводческих стоков. М. Росинформагротех. 2007. 48 с.

10. ГОСТ Р 54519-2011. Удобрения органические. Методы отбора проб. М. Стандартинформ. 2012. 8 с.

11. Методические указания по отбору проб для анализа сточных вод. ПНД Ф 12.15.1-08. М. Федеральная служба по надзору в сфере природопользования. 2015. 44 с.

12. Брюханов А.Ю. , Козлова Н.П. , Максимов Н.В. Способ определения и мониторинга величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду из животноводческого помещения и система его осуществления. Пат. 2477886 РФ. МПК С1, G06F 17/40. - 2011134177/08, заявл. 12.08.2011, опубл.20.03.2013 Бюл. №8.

13. Gordeev V., Mironova T., Lantsova E. Ammonia emissions from cattle manure versus its quantity. Engineering for rural development 17th International scientific conference. 2018. С. 261-264.

REFERENCES

1. Mironova T.Yu., Mironov V.N. Prifermskaya teplitsa dlya utilizatsii navozosoderzhashchikh stokov doil'nykh zalov [Greenhouse located near the cow barns for utilisation of manure-bearing wastewater from milking parlour]. Vestnik Vserossiiskogo nauchno-

issledovatel'skogo instituta mekhanizatsii zhivotnovodstva. 2013. No. 4

2. Gordeev V.V., Khazanov V.E., Yakovleva A.V. Analiz planirovochnykh reshenii korovnikov dlya novogo stroitel'stva [Analysis of lay-out solutions for newly constructed cow barns]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. No. 87: 186-195.

3. Gordeev V.V., Mironova T.Yu., Khazanov V.E., Gordeeva T.I. Otsenka vliyaniya

tekhnologicheskikh reshenii doil'no-molochnogo bloka na vykhod navozosoderzhashchikh stokov [Influence assessment of technological solutions for milking and milk handling block on manure-bearing wastewater amount]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 95: 167-173. DOI 10.24411/0131-5226-2018-10044.

4. Kato K., Koba T., Ietsugu H., Saigusa T., Yanagiya S., Inoue T., Kitagawa K., Kobayashi

5. First year performance of a real-scale hybrid wetland system for the treatment of dairy wastewater in a cold climate in Japan. Extended abstracts of 2nd Int. Sym. on wetland pollutant dynamics and control (Wetpol 2007). Tartu. 2007. Vol. I: 150-152.

5. Christopherson S., Schmidt D., Janni K., Zhu J. Evaluation and demonstration of treatment options for dairy parlor and milk house wastewater. Paper number 034121, 2003 ASABE Annual Meeting, Las Vegas, NV. 2003. DOI: 10.13031/2013.14111.

6. Neverova O.P., Il'yasov O.R., Zueva G.V., Sharavev P.V. Sovremennye metody utilizatsii navozosoderzhashchikh i stochnykh vod {Modern methods of utilization of manure containing drains and sewage]. Agrarnyi vestnik Urala. 2015. No. 1

7. Gordeeva T.I. Povyshenie effektivnosti molochnykh ferm putem sovershenstvovaniya tekhnologii podgotovki i ispol'zovaniya navozosoderzhashchikh stokov: diss. ... kand. tekhn. nauk: 05.20.01 [Enhancing the efficiency of dairy farms by improving the technology of preparation and use of manure-bearing wastewater. Thesis for Cand. Sc.

8. Milking center wastewater guidelines. A companion document to Wisconsin NRCS Standard 629. 2009. Available at: www.wi.nrcs.usda.gov/news/629guide.html. (accessed 30.11.2018).

9. Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya NTP-APK 1.30.03.01-06. Orositel'nye sistemy s ispol'zovaniem stochnykh vod i zhivotnovodcheskikh stokov [Norms of technological designing for agro-industrial complex NTP-APK 1.30.03.01-06. Irrigation systems using sewage and wastewater from livestock farms]. Moscow: Rosinformagrotekh. 2007: 48.

10. GOST R 54519-2011. Udobreniya organicheskie. Metody otbora prob. [State Standard GOST R 54519-2011. Organic fertilizers. Methods of sampling]. Moscow: Standartinform. 2012: 8.

11. Metodicheskie ukazaniya po otboru prob dlya analiza stochnykh vod. PND F 12.15.1-08. [Sampling guidelines for sewage analysis]. Moscow: Federal Service for Supervision of Natural Resources. 2015: 44.

12. Bryukhanov A.Yu., Kozlova N.P., Maksimov N.V. Sposob opredeleniya i monitoringa velichiny massovykh vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv v okruzhayushchuyu sredu iz zhivotnovodcheskogo pomeshcheniya i sistema ego osushchestvleniya [Method to determine and monitor the mass emissions of pollutants into the environment from the livestock house and the system for its implementation]. Patent of the Russian Federation No. 2477886. 2011.

13. Gordeev V., Mironova T., Lantsova E. Ammonia emissions from cattle manure versus its quantity. Proc. 17th Int. Sci. Conf. "Engineering for Rural Development". 2018: 261-264.