Развитие эффекта пастеризации при обеззараживании навоза методом кавитации

РАЗВИТИЕ ЭФФЕКТА ПАСТЕРИЗАЦИИ ПРИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ НАВОЗА МЕТОДОМ КАВИТАЦИИ

Ковальчук Александр Николаевич

к.т.н., доцент кафедры Безопасности жизнедеятельности Ковальчук Наталья Михайловна д.в.н., профессор кафедры Эпизоотологии, микробиологии, паразитологии и

ветсанэкспертизы Кузин Василий Александрович Аспирант кафедры механизация животноводческих ферм Красноярский государственный аграрный университет Россия, город Красноярск

Аннотация: в статье рассмотрено бактерицидное действие пастеризации, приведены результаты исследований кавитационного обеззараживания навоза, усиливающего эффект пастеризации.

Ключевые слова: Пастеризация, кавитация, навоз, болезнетворные микроорганизмы.

THE DEVELOPMENT OF THE EFFECT OF PASTEURISATION IN THE DISINFECTION OF MANURE BY THE METHOD OF CAVITATION.

Kovalchuk A.N.

Candidate of technical sciences, docent of the chair The Safety of life activity

Kovalchuk N.M.

Doctor of veterinary sciences, Professor of the chair Epizootology, Microbiology, Parasitology and veterinary expertise Kusin Vasily Aleksandrovich Graduate student of chair mechanization of livestock farms Krasnoyarsk state agricultural university Russia, city of Krasnoyarsk

Abstract: In the article is considered a bactericidal effect of pasteurization, the results of research of cavitation disinfection of manure, amplifying the effect of pasteurization are presented.

Key words: Pasteurization, cavitation, manure, pathogens.

Общеизвестно, что навоз является уникальной питательной средой для многих микроорганизмов, в том числе и болезнетворных, способных вызвать различные инфекционные заболевания животных и людей. Данное обстоятельство регламентирует его предварительное обеззараживание перед использованием в качестве удобрения или на другие цели.

Еще в середине XIX века французским микробиологом Луи Пастером установлено, что в результате нагревания жидких продуктов до температуры, ниже точки кипения, происходит их обеззараживание (пастеризация). Было доказано, что бактерицидное действие пастеризации является функцией температуры, до которой нагревается продукт, и продолжительности воздействия этой температуры. Один и тот же результат, при этом, может быть достигнут

различным сочетанием указанных факторов: чем выше температура, тем меньше время воздействия и, наоборот.

Так, в зависимости от вида и свойств продукта, обычно используют следующие режимы пастеризации: длительную (при температуре 63...65 °С в течение 30...40 минут), кратковременную (при температуре 70...80 °С в течение 0,5...1 минута) и мгновенную (при температуре 85...90 °С без выдержки).

При пастеризации в продукте погибают неспороносные патогенные микроорганизмы, дрожжи, плесневые грибки (микробная обсемененность снижается на 99...99,5 %), однако споры остаются в жизнеспособном состоянии и при возникновении благоприятных условий начинают интенсивно развиваться. Для их уничтожения применяют стерилизацию, которая осуществляется при температурах выше 100 °С.

В литературных источниках приводятся многочисленные данные бактерицидного действия различных температур, в связи с продолжительностью их воздействия на некоторые виды микробов, например, табл. 1.

Таблица 1. Сроки гибели микрококков и кишечной палочки при пастеризации молока

Температура Сроки гибели, сек

нагревания, °С микрококков кишечной Bact. Bact.

палочки coli aerogenes

80 1...2 — — —

75 3...5 2...3 2...3 1...3

70 10...20 5...6 5...6 5...10

65 30...60 45...60 45...60 30...50

60 300...600 120...180 120...180 60...180

55 600...1200 900...1200 900...1200 600...900

Представленные данные носят сугубо ориентировочный характер, так как стойкость микробов при высоких температурах зависит от ряда факторов: от возраста культуры, приспособляемости ее к повышенным температурам, от отдельных рас и др.

Таким образом, хотя в результате пастеризации при 60...63 °С в течение 30 минут и погибает основная масса неспоровых форм микробов, все же отдельные расы одного и того же вида могут выдерживать такую пастеризацию. Так, Эйерс и Джонсон на основании многочисленных наблюдений над 174 расами Bact. coli нашли, что от пастеризации при 60 °С в течение 30 минут погибает 64,6%, при 63 °С выживает 6,9% всех рас, а одна раса вида Bact. coli выдержала 30-минутную пастеризацию при 65,5 °С.

Пастеризация продуктов (молока, навоза и др.) особенно важна с точки зрения обеззараживания их от болезнетворных микробов, из которых наиболее стойкими в отношении высоких температур являются туберкулезные. Норса и Парка (1925 г.) изучили вопрос о действии высоких температур на туберкулезные бактерии в молоке и получили следующие данные, характеризующие уничтожение туберкулезных микробов в зависимости от температуры и длительности ее воздействия (табл. 2).

Таблица 2. Воздействие температуры и продолжительности нагревания на гибель туберкулезных микробов

Температура, °С 100 82 71 68 65 63 61 59 58 57 55

Продолжительность ревания, мин. 1/б 1/з 1/з 1/2 2 6 10 20 30 40 60

Приведенные данные убедительно показывают, что пастеризацией может достигаться уничтожение в продукте многих болезнетворных микробов. Из этого следует, что путем нагревания навозной массы до определенной температуры с последующей выдержкой может быть решена задача ее обеззараживания.

В подстилочном навозе необходимые для обеззараживания условия создаются при его компостировании.

Технология компостирования предусматривает смешивание навоза с хорошо впитывающим влагу наполнителем - торфом, соломой, опилками и др., выдерживание в буртах в течение срока, необходимого для его обеззараживания, после чего в агротехнические сроки вносят в почву под запашку.

Процесс компостирования имеет естественный характер и заключается в разложении специальными группами аэробных микроорганизмов органической субстанции компостной смеси с выделением теплоты.

Для повышения эффективности протекания процесса компостирования необходимо создать оптимальные условия для жизнедеятельности и активного роста аэробных микроорганизмов. Влажность компостируемой смеси должна быть не более 70 %, отношение углерода к азоту в пределах 20:1...30:1, рН 6...8, исходная влажность компонентов для приготовления смеси не более: опилок - 30, соломы - 24, древесной коры - 60, лигнина - 50 %. Влагопоглощающая способность компонентов-наполнителей должна быть не менее 200 % [1].

Компостируют навоз на прифермских открытых площадках и стационарных механизированных цехах мобильными или стационарными средствами. В теплый период года приготовление компостов можно проводить на специально приготовленных полевых площадках, расположенных в районе удобряемых компостом сельскохозяйственных угодий.

Технологический процесс компостирования выполняется традиционным или ускоренным способом. При традиционном способе технологический процесс компостирования осуществляется в естественных условиях в буртах на прифермских и полевых площадках с выполнением следующих операций: смешивание компонентов смеси, формирование буртов, выдерживание смеси в буртах, ее аэрация и хранение готового компоста.

Продолжительность компостирования навоза в естественных условиях составляет 1...3 мес при положительной температуре. При компостировании навоза в смеси с корой и опилками продолжительность процесса увеличивается в 1,5...3,0 раза. При температуре массы в бурте 25...30 °С необходимо проводить аэрацию смеси путем перемешивания слоев. В зимнее время при температуре окружающего воздуха ниже 0 °С компостную смесь рекомендуется укладывать в один сплошной штабель высотой 1,0...2,5 м. При наступлении устойчивых положительных температур смесь аэрируется и укладывается в бурты вышеуказанных размеров.

Ускоренный способ компостирования выполняется в специальных биоферментерах различного конструктивного исполнения с полезной высотой до 2 м и утепленными стенами. Продолжительность процесса ускоренного компостирования смеси составляет 7...8 сут. Технологический процесс протекает в искусственно созданных условиях при непрерывной аэрации компостной смеси путем принудительной подачи воздуха в слой массы, находящейся в биоферментере.

В настоящее время ведутся научные поиски по интенсификации активного способа компостирования навоза. К ним можно отнести использование активных микробиологических

культур, обеспечивающих повышение активности микробиоценоза, накопление антибиотических веществ, деструкцию органического субстрата и обладающие антагонистическими свойствами по отношению к патогенной микрофлоре [2].

На животноводческих фермах и комплексах в больших объемах получают жидкий навоз, требующий своих, специфических способов переработки и утилизации.

Среди них можно выделить подготовку жидкого навоза к использованию для полива на земледельческих полях [2]. При этом твердая фракция компостируется, а жидкая после выдерживания и обеззараживания поступает на полив полей, где проводится почвенная очистка и доочистка стоков. Данный способ обеспечивает одновременно создание высоких устойчивых урожаев и охрану окружающей среды от загрязнений.

Другим направлением обработки и утилизации навоза и стоков является система глубокой очистки с целью последующего сброса жидкой фракции в открытые водоемы [2]. Причем, для осуществления глубокой очистки перспективным является использование естественных процессов в биологических экосистемах (аэробные, анаэробные, и рыбоводно-биологические пруды, компостирование, выдерживание в лагунах).

Эффективность биологических способов переработки органических отходов основана на биохимической деструкции и минерализации органических веществ микроорганизмами в результате процессов окисления, брожения, а также явлений микробного антагонизма.

К малоотходным способам переработки и утилизации навоза относится метод анаэробного метанового сбраживания [2]. Процессы анаэробного брожения в реакторах с получением метансодержащего газа, в основном аналогичны таким же процессам в отстойниках, но в результате герметизации, повышения температуры и перемешивания биомассы, распад сложных органических веществ идет значительно быстрее. Ведение данного процесса в термофильном режиме (45...57 °С) с использованием соответствующих микроорганизмов позволяет интенсифицировать данный процесс [1].

Фирма "Биокомплекс" [3] предлагает технологию и оборудование для переработки твердой фракции, получаемой в результате сепарации жидкого навоза на шнековом сепараторе в подстилку для крупного рогатого скота.

Процесс ускоренного компостирования и термофильного обеззараживания по данной технологии происходит за счет высокой температуры самонагрева, достигаемой путем активного перемешивания массы при вращении барабана и подачи в него необходимого объема воздуха, нагнетаемого вентилятором. При медленном вращении барабана вокруг своей оси происходит перемешивание и одновременное передвижение материала от начала к концу за счет специальных лопаток, установленных внутри корпуса барабана.

Так как процесс ускоренного компостирования сопровождается нарастанием температуры с 45 °С до 75 °С самопроизвольно биологическим путем, подсушка массы происходит без дополнительной затраты энергии, а получаемая подстилка получается сухой, однородной и не содержит опасных микроорганизмов.

Научно-производственный анализ представленных способов и направлений переработки и утилизации органических отходов показывает, что к настоящему времени разработанные технологии и технические средства подготовки и переработки навоза для последующего их использования в качестве органического удобрения, имеют следующие недостатки [1, 2, 3]:

1. Сложность существующих технологий уборки навоза из помещений и его утилизации, предусматривающих длительное, 6 и более месяцев хранение в естественном виде, что приводит к значительным затратам на сооружение площадок или навозохранилищ, к потерям питательных элементов и органики (от 15 до 50 %), к загрязнению окружающей среды вредными газами, подземных вод - нитритами и нитратами. Применяемые способы механизации удаления навоза из помещений не обеспечивают чистку стойл, растил подстилки, которые выполняются ручным способом.

2. Отсутствие эффективных технологий и технических средств для обеззараживания навоза

от гельминтов, болезнетворных микроорганизмов и семян сорных растений, вследствие чего навоз используется в качестве удобрения без соблюдения требований к его подготовке. Проведение для этих целей дополнительных мероприятий, а также применение специального оборудования и химических препаратов, ухудшает потребительские качества навоза и нарушает экологический баланс.

3. При внесении полужидкого, жидкого навоза, особенно навозных стоков, происходит фильтрация жидкой фракции, насыщенной нитритами, нитратами и другими вредными компонентами, в грунтовые воды, что является причиной ограниченного их использования в системах орошения.

4. Из-за низкой концентрации в навозе полезных компонентов (питательных элементов) и органики, технологии его утилизации сопряжены с выполнением больших объемов работ, приводящих особенно к росту транспортных операций. Кроме этого при выполнении операции внесения навоза в почву из-за применения большегрузных мобильных транспортных средств происходит уплотнение почвы, разрушение ее структуры, приводящее в конечном итоге к снижению не менее чем на 10 % урожайности культур.

5. При обосновании технологий и технических средств для уборки и подготовки навоза к использованию не в полной мере учитываются природно-климатические условия и качественные характеристики навоза. По этой причине неоправданно широкое применение получили гидравлические системы уборки навоза с последующей биологической его обработкой.

6. Выпускаемые технические средства для уборки и подготовки навоза к использованию имеют низкие технико-экономические и эксплуатационные показатели, а потребность в них удовлетворяется не более чем на 50 %.

Все это обусловливает необходимость совершенствования существующих и создания новых технологий и комплексов машин переработки и использования навоза, отвечающих современным технологиям производства сельскохозяйственной продукции с учетом различных типов товаропроизводителей и форм организации труда; экологическим требованиям, [4-7].

В контексте казанного серьезного внимания заслуживает новое научное направление -кавитационное обеззараживание опасных отходов.

Для проверки и подтверждения изложенных материалов нами был проведен производственный эксперимент. С этой целью была выбрана кавитационная установка оригинальной конструкции В.Г. Мозгового, длительное время используемая в крестьянском фермерском хозяйстве «Щепиловой С.В.», расположенного в Алтайском районе Республики Хакасия (фото. 1) [8]. При этом выбор в пользу установки В.Г. Мозгового обусловливался ее преимуществами по сравнению с другими видами кавитаторов, а именно: унифицированность, простота конструкций и небольшая материалоемкость; высокая производительность оборудования и скорость технологического процесса обработки материалов; качественная обрабока материала; низкие удельные энергозатраты; экологическая безопасность.

Фото. 1. Общий вид кавитационной установки

В хозяйстве данная установка используется для приготовления жидких полноценных, легкоусваиваемых, гомогенизированных, обеззараженных кормов из злаков зерновых и зернобобовых культур, которые применяются в основном для откорма свиней, а так же добавляются в рацион молодняка и дойного стада крупного рогатого скота.

Основными рабочими органами установки являются: электропривод, включающий электродвигатель мощностью 30 кВт и частотой вращения ротора 3000 об/мин.; муфту; редуктор; емкость, объемом 500 л; кавитатор; всасывающий и напорный трубопроводы с распределительными кранами; сливной трубопровод.

Непосредственно кавитатор состоит из корпуса с крышкой, внутри которого установлены поджимающий механизм, подвижный (ротор) и неподвижный (статор) диски.

На корпусе кавитатора сверху расположен подводящий патрубок, по которому исходный материал из емкости по всасывающему трубопроводу подается на обработку.

Кавитационная установка работает следующим образом. Перед запуском в емкость заливается вода с таким расчетом, чтобы были заполнена полость кавитатора. Циркуляционный кран при этом открывается, а выгрузной и сливной краны закрываются. После запуска установки в емкость загружают обрабатываемый продукт, который по всасывающему трубопроводу подается к ротору кавитатора. Благодаря лопастям ротора обрабатываемый продукт под давлением от центра подается к периферии и продавливается через отверстия. Ротор кавитатора, вращаясь с большой частотой, закрывает и открывает проходы для обрабатываемого продукта по всей поверхности рабочего органа кавитатора. Это происходит вследствие единовременного радиального перемещения отверстий ротора по радиусу статора (отверстие - плоскость, отверстие - отверстие).

В этой зоне происходит частичное перемешивание и диспергирование материала. При этом за счет быстрой смены положений отверстий возникает явление гидравлического удара, вследствие чего в зоне между статором и ротором образуются микроскопические пузырьки воздуха, которые, перемещаясь с большой скоростью, схлопываются за пределами поверхности статора, образуя ультразвуковые акустические колебания, которые окончательно диспергируют обрабатываемый продукт, не разрушая при этом статор и ротор.

Следует отметить, что увеличение количества отверстий в кавитаторе ведет к улучшению измельчения и перемешивания обрабатываемого продукта, но при этом возрастает потребляемая мощность.

В результате попеременного открытия-закрытия отверстий ротора-статора относительно друг друга между плоскостями статора и ротора создается возмущающий поток жидкости высокого давления. Одновременно за пределами пластин статора и ротора возникают значительные сдвиговые напряжения, приводящие в условиях пониженного давления (по сравнению с давлением между пластинами статора-ротора) к холодному закипанию жидкости (собственно эффект кавитации). При этом в зоне соударений струй возникают центры парообразования в виде кавитационных микропузырьков, которые уносятся потоком жидкости и растут до размеров, достигающих нескольких миллиметров. Образование пузырьков происходит за пределами рабочих органов кавитационной установки.

Попадая в зону расширения потока, где его давление возрастает, пузырьки начинают уменьшаться в размерах и схлопываются. В силу свойств жидкости схлопывание пузырьков происходит асимметрично и сопровождается образованием кумулятивной струйки, ударяющей с большой скоростью в противоположную стенку пузырька. Попадание в зону удара струйки твердых частиц или инородных жидкостей приводит к их активному разрушению (дроблению), так как давление в зоне схлопывания достигает нескольких тысяч МПа.

После кавитационной обработки продукт возвращает обратно в емкость. Такая обработка материала проводится несколько раз в зависимости от требуемого режима, после чего за счет переключения кранов готовый продукт выгружается из установки.

Для исследования обеззараживающего воздействия кавитации на навоз был проведен производственный эксперимент. В качестве обрабатываемого материала использовался свиной навоз, взятый из свинарника КФХ «Щепиловой С.В.».

В ходе эксперимента выяснилось, что время и температура обработки материала являются весьма важными параметрами, влияющими на качественные и энергетические характеристики кавитационной установки. Было установлено, что между ними имеется прямо пропорциональная зависимость, которая с достаточной точностью описывается полиномиальным уравнением (рис. 1):

T = 0,027т3 - 0,988т2 + 16,48 т - 0,857,

где T - температура нагрева материала, °С; т - время обработки материала, сек.

Частота; 550;

Частота; 470;75

у = 0,0278x3 . 0,988Ра!Ст:ОтДаб,484х:70857Ш

R2 = 0,9975  Частота; 213_ "

га

о.

>

н га о.

О)

с

2 О)

Время обработки, сек

Рис. 1. Зависимость температуры от времени обработки материала

Как видно из графика, температура навозной массы в кавитаторе достигла 75 °С всего за 550 сек. Производительность установки по результатам замеров при достижении температуры обеззараживания 75 °С составила почти 655 кг/час.

В ходе проведения микробиологических исследований выявлено бактерицидное действие кавитации. Совместное воздействие высокой температуры и ударных волн ультразвука вызвало гибель всей микрофлоры, присутствовавшей в исходной массе навоза уже после 9-ти минутной

ее обработки.

На фотографии 2 представлены результаты микробиологического анализа навозной массы до и после кавитационной обработки.

Фото 2. Микробиологический анализ сырья до (а) и после (б) кавитационной обработки

Таким образом, наши исследования и исследования других ученых показали, что кавитационная обработка значительно усиливает эффект пастеризации, в результате чего микробиологическая чистота готового продукта достигается при существенно меньшей временной экспозиции по сравнению с обычным режимом пастеризации.

Кавитационный метод дает возможность не только быстро обработать отходы животноводства (навоз, помёт и стоки), но и после обеззараживания сразу же применить их в качестве натуральных удобрений. В результате этого резко уменьшается размер капитальных вложений на стадии строительства из-за ненужности лагун для хранения жидкой фракции и площадок для хранения и ферментной обработки твердой фракции.

При использовании обеззараженного кавитационным методом навоза снижается норма внесения его в почву, что позволяет существенно увеличить удобряемые площади.

Данный способ позволяет без накопления навоза в лагунах, без строительства иловых полей при биогазовых технологиях разложения ферментами содержимого жидких навозов, которые не обеспечивают 100% обеззараживания отходов и илов, превращать животноводческие фермы в экологически чистые объекты без опасных отходов.

Описанный способ и технологическая линия, созданная на базе предлагаемого кавитатора, способны работать в любых климатических условиях.

Таким образом, появляется возможность в создании экологически чистой, безотходной технология переработки и утилизации таких опасных отходов сельскохозяйственного производства, как навоз сельскохозяйственных животных.

Список литературы:

1. Кирсанов, В.В. Механизация и технология животноводства: учебник / В.В. Кирсанов [и др.]. - М.: ИНФРА-М, 2013. - 585 с.

2. Бирюков, К.Н. Способы переработки и утилизации навоза и помета в современных условиях ведения животноводства (научно-производственный анализ) / К.Н. Бирюков // Вестник российского государственного аграрного заочного университета. - М., 2008. - № 5(10). - С. 100102.

3. Дегтерев, Г.П. Технологии и средства механизации животноводства / Г.П. Дегтерев. - М.: Столичная ярмарка, 2010. - 384 с.

4. Утилизация навоза/помета на животноводческих фермах для обеспечения экологической безопасности территории, наземных и подземных водных объектов в Ленинградской области / Под ред. В.И. Могилевцева. - Санкт-Петербург, 2012. - 237 с.

5. Современные проблемы науки и производства в агроинженерии: Учебник / Под ред. А. И. Завражнова. - СПб.: Издательство «Лань», 2013. - 496 с.

6. Ковалев, Н.Г. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах / Н.Г. Ковалев, И.К. Глазков. - М., Агропромиздат, 1989. - 160 с.

7. Лозановская, И.Н. Теория и практика использования органических удобрений / И.Н. Лозановская [и др.]. - М., Агропромиздат, 1988. - 96 с.

8. Щепилова, К.А. Перспективные способы использования кавитации в крестьянском фермерском хозяйстве «Щепиловой С.В.» / К.А. Щепилова // Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы VIII Всерос. студ. науч. конф. Часть 3 / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2013. - С. 374-375.