ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ НА ВЫБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭКОЛОГИЯ

Научная статья

УДК 631.862:632.15

doi: 10.31774/2658-7890-2021-3-3-1-17

Исследования влияния реагентной обработки животноводческих стоков на выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух

1 2 Анастасия Витальевна Редина , Юлия Евгеньевна Домашенко

^ 2 и

, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация [email protected] [email protected]

Аннотация. Цель: исследование влияния реагентной обработки животноводческих стоков на концентрацию и состав газовых выбросов, рассеивание их в атмосфере и установление расчетной санитарно-защитной зоны. Материалы и методы. Эксперимент проводился в лабораторных условиях. Изучались три колбы: животноводческие стоки (стадия А), животноводческие стоки, предварительно обработанные известковым молоком дозой 1,5 г/дм3 и смесью суспензии фосфогипса и ортофосфорной кислоты дозой 9,8 г/дм3 (стадия В), и животноводческие стоки, обработанные обожженным де-фекатом дозой 0,1 г/дм3 (стадия С). Результаты и обсуждения. На основе полученных результатов эксперимента можно сделать вывод, что после обработки обожженным де-фекатом наблюдается эффект дезодорации, в частности уменьшаются концентрации загрязняющих веществ. Например, концентрация аммиака и сероводорода снизилась в среднем на 75-80 %, а метилмеркаптанов и диоксида серы на 80-90 %, что позволило сократить расчетную санитарно-защитную зону свиноводческого хозяйства в 2 раза. Выводы. Физико-химическая подготовка животноводческих стоков (обработка известковым молоком и суспензией фосфогипса, обожженным дефекатом) и установка бортовых отсосов на очистных сооружениях позволили уменьшить санитарно-защитную зону свиноводческого хозяйства с 3350 до 1600 м.

Ключевые слова: животноводческие стоки, свиноводческие хозяйства, санитар-но-защитная зона, фосфогипс, реагентная обработка

ECOLOGY

Original article

Studies of the influence of livestock waste reactant treatment on pollutant emissions into the air

1 1 Anastasiya V. Redina , Yuliya Ye. Domashenko

1 2Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk,

Russian Federation

[email protected]

[email protected]

Abstract. Purpose: to study the effect of reartant treatment of livestock wastewater on the concentration and composition of gas emissions, their dispersion in atmosphere and the formation of a calculated sanitary protection zone. Materials and Methods. The experiment was carried out under laboratory conditions. Three flasks were studied: livestock waste-

© Редина А. В., Домашенко Ю. Е., 2021

water (stage A), livestock wastewater pretreated with lime milk at a dose of 1.5 g/dm3 and a mixture of a suspension of phosphogypsum and orthophosphoric acid at a dose of 9.8 g/dm3 (stage B), and livestock effluents treated with burnt defecate with a dose of 0.1 g/dm3 (stage C). Results and Discussions. On the basis of the experimental results obtained, it can be concluded that after treatment with a fired defecate, a deodorization effect is observed, in particular, the concentration of pollutants decreases. For example, the concentration of ammonia and hydrogen sulfide decreased by an average of 75-80 %, and that of methyl mercaptans and sulfur dioxide by 80-90 %, which made it possible to reduce the estimated sanitary protection zone of the pig breeding farm by 2 times. Conclusions. Physicochemical preparation of livestock effluents (treatment with lime milk and a suspension of phosphogypsum, burnt defecate) and the installation of lateral exhausts at treatment facilities made it possible to reduce the sanitary protection zone of the pig-breeding farm from 3350 to 1600 m.

Keywords: livestock wastes, hog farms, sanitary protection zone, phosphogypsum, reactant treatment

Введение. В результате деятельности свиноводческих хозяйств в атмосферу поступают несколько типов газообразных соединений (метилмер-каптан, сероводород, диоксид серы, диоксид азота и др.), которые имеют специфический запах и концентрируются над очистными сооружениями и накопителем. Происходит загрязнение не только атмосферного воздуха, но и всей окружающей среды, в т. ч. поверхностных и подземных вод, почвы [1-4].

Среди загрязнителей воздуха животноводческих комплексов, специализирующихся на выращивании свиней, можно выделить газы, взвешенные частицы, токсические продукты микробиологической активности, патогенные микроорганизмы, переносимые воздухом. Формируется неприятный запах из-за навоза и помета, останков животных (гниение), корма (из-за различных составляющих, особенно рыбной муки). В комплексах образуется пыль за счет животных и птиц (ворсинки, пух, десквамация), подстилки, корма и др. В помещениях, где содержатся животные, в воздухе находятся взвешенные пылевые частицы, служащие местом размножения патогенных микроорганизмов [5-7].

Целью работы являлось изучение воздействия реагентной обработки животноводческих стоков на состав и концентрации газовых выбросов с уточнением санитарно-защитной зоны.

Материалы и методы. Исследования проводились в три этапа. Пер-

вый опыт (стадия А) заключался в изучении животноводческих стоков, поступающих непосредственно с комплексов, без предварительной обработки. Во втором опыте (стадия В) животноводческие стоки обрабатывались 10% известковым молоком и смесью фосфогипса и ортофосфорной кислоты в соотношении 500:1 [8]. В третьем опыте (стадия С) в животноводческие стоки вносился раствор 10% обожженного дефеката.

Первый цилиндр объемом 1000 мл содержал необработанные животноводческие стоки (стадия А). Во втором цилиндре животноводческие стоки объемом 1000 мл обрабатывались растворами реагентов: известко-

-5

вым молоком дозой 1,5 г/дм (по СаО) и смесью суспензии фосфогипса и

-5

ортофосфорной кислоты дозой 9,8 г/дм (по Р2О5) (стадия В). В третий цилиндр помещались животноводческие стоки с добавлением обожженного

-5

дефеката дозой 0,1 г/дм (по СаО) (стадия С). Растворы реагентов в указанных выше концентрациях вносились в цилиндры с животноводческими стоками. Замеры выбросов замерялись над цилиндрами на высоте 2 см над жидкостью с помощью прямых измерений с применением индикаторных трубок для определения метилмеркаптана, сероводорода, аммиака, диоксида серы, диоксида азота1.

Результаты и обсуждения. Изменение концентраций метилмеркап-тана, сероводорода, аммиака, диоксида серы, диоксида азота на различных стадиях обработки с учетом выборочной совокупности представлено на рисунке 1.

По результатам проведенных лабораторных исследований установлено, что снижение концентрации аммиака и сероводорода происходит на стадии B и достигает значений 75-80 %, а для метилмеркаптана и диоксида серы - 80-90 %. Снижение концентрации сероводорода происходит на стадии С с эффективностью 100 %.

1ГОСТ Р 51712-2001. Трубки индикаторные. Общие технические условия [Электронный ресурс]. Введ. 2002-01-01. М.: Стандартинформ, 2006. 15 с. URL: http:www.oooim-puls.spb.ru/gost/gost51712-2001.pdf (дата обращения: 20.08.2021).

а

б

а - метилмеркаптан и диоксид серы; б - аммиак и сероводород Рисунок 1 - Изменение содержания газов

3

(^ мг/дм ) на различных стадиях обработки

Описанное явление в виде сокращения выбросов загрязняющих веществ можно объяснить гибелью бактерий, которые аммонифицируют белок (V. disulfuricans), бактерий, которые аммонифицируют мочевину (V. desulfuricans), восстанавливают сульфаты до H2S (Tn. denitrifícans), превращают нитраты в аммиак и азот, и Cl. pasterianum, которые вызывают масляно-кислое брожение.

На стадии С оставшееся незначительное количество соединений аммиака, сероводорода и иных веществ химически связывается обожженным дефекатом при отсеивании смеси в течение 1 ,0-1,5 ч.

Технические решения позволят сократить выбросы в атмосферу с поверхности отстойника. Установка бортовых отсосов позволяет улавливать загрязняющие соединения над поверхностью накопителя с дальнейшей очисткой их в зернистых фильтрах-адсорберах [9].

Для расчета рассеивания газовых выбросов от отстойника свиноводческих хозяйств была использована универсальная программа «Эко-лог-4.5». Программа реализует положение Приказа Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 06.06.2017 № 273 «Об утверждении методов расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе». В зависимости от выбранного расчетного модуля можно по данным об источниках выброса веществ и условиях местности рассчитать максимально возможные разовые (осред-ненные за 20-30-минутный интервал) концентрации веществ в приземном слое, осредненные за длительный период концентрации веществ, вычислить риск по проведенным расчетам рассеивания.

Одновременно были определены размеры санитарно-защитной зоны при испарении с поверхности необработанных и предварительно прошедших реагентную обработку животноводческих стоков (рисунки 2-9).

М Э к

1 о

О о № г а 3

р К в

3

3

а з а № е

3

о д

н о е

х о

з

я с

т

о со

3 о

0 2

2 1

о

1 ,

3 №

3 3

0 •

• С

1 7

0303 Аммиак

-400

-200

200

400

600

600

400

200

о

-200

-400

Г+- к -+ -ч— —+— -+- -+

А

/ А0.0 А07 0:0В

7 а0,07/

<}0-00 -0000 Учебная рерсия —+- +-+

600

400

200

-200

-400

-400

-200

200

400

600

0 0,05 0,10

130, очистные сооружения; вар.исх.д. 1; вар.расч.2; пл.1(И=2м)

Масштаб 1:10000

М

0

1

№ О

а п

О к

*

а

е

и

к о л о г

к я

со о

д н

о

в е

а х о

а з

сю я

2 К:

3 2

о Р

2 2 о О 2 2

V Р о , . ,

3

о

о р

С

1 о

7

00

E Э к

о о lo ло

g г

a и an я

d

в

а

3 a

n a g e m

о д

н о е х о з я й с т

О Cd

nt о.

0 22

02 21

.

l,

3 №

n3 o.

• °

• 11 17

1715 Метантиол (Метилмеркаптан) -200 0 200 400 600

600

400

200

-200

-400

1 у ' i --г --г- --г- i i \

Í

/ --—

Í ШШ

W/ á

Á

■96-00 -000(^ Учебная ^ерсия —i- н-ь /

600

400

200

-200

-400

-400

-200

200

400

600

1 г

I I I

10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1 1,50

130, очистные сооружения; вар.исх.д. 1; вар.расч.2: пл.1(И=2м)

Масштаб 1:10000

и и

о к

о о

o о

g г

а и

a я

3 и

fi Я

в

t e

а 3

a g

e

о д

н о

е

X о

з

я »

СЗ т

e в 3 о . •

2 1

о

о ,

3 № ю

3 3

0 • а С

а 1

1 7

и и

0 к

1 о

о о

№ Г

о и

а я

п и

р я в

£ а

е

а з а № е

о д

н о

е

X о

з я

» СЗ 2

е в з о

о •

00 22 2 1

о

1 ,

3 №

р оо

оС

0

1 7

7

-400

-200

0330 Сера диоксид 0 200 400

600

600

400

200

-200

-400

|Н- 1 -ь -1— —1— А- -1-

/ Аох /Жд доз \

V ¿0.07/

•90-00 -000С| Учебная рерсия —+- ■+- -+

600

400

200

-200

-400

-400

-200

200

400

600

0.05 0,10

130, очистные сооружения; вар.исх.д. 1; вар.расч.2; пл.1(И=2м)

Масштаб 1:10000

и и

0 к

1 о

О о № г • и

а я

п и

р к в

£ а

е

а 3 а № е

о д

н о

е

X о

з

я »

СЗ т

е в 3 о . •

2 1

о

1 ,

3 № ю

3 3

0 •

1 7

7

К)

и и

0 к

1 о

О о № г ^ и

а я

п и

р к в

3 а

е

а з а № е

о д

н о

е

X о

з

я »

СЗ т

е в 3 о . •

2 1

о

1 ,

3 № ю

3 3

0 •

1 7

-400

6003 Группа сумм. (2) 303 333 -200 0 200 400

600

400

200

и>

-200

-400

600

[Н- к - -ь- —л- н- -к

/ / АИ^15 1 ' ¿0.20 1

■ Аи/ 4О,15у / I & . /

•00-00-0000 Учебная версия

400 -200 0 + 200 400 т 600

600

400

200

-200

-400

I

О 0,05 0,10 0,20 0,30

130, очистные сооружения: вар.исх.д. 1; вар.расч.2; пл.1(Ь|=2м)

Масштаб 1:10000

и и

0 к

1 о

О о № г • и

а я

п и

р я в

£ а

е

а 3 а № е

о д

н о

е

X о

з

я »

СЗ т

е в 3 о . •

2 1

о

1 ,

3 № ю

3 3

0 •

1 7

7

Динамика концентраций показала, что реагентная подготовка с использованием обожженного дефеката и предлагаемые технические решения позволят снизить количество загрязняющих веществ до допустимых значений и соответственно уменьшить расчетную санитарно-защитную зону свиноводческого хозяйства с 3350 до 1600 м. Нормативная санитарно-защитная зона для животноводческих хозяйств, специализирующихся на выращивании свиней, согласно п. 7.1.11. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Са-нитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» находится в пределах 1000 м.

На основе полученных расчетных данных были откорректированы размеры санитарно-защитной зоны с учетом концентраций и динамики распределения загрязняющих веществ в атмосфере (рисунок 10) [10].

Рисунок 10 - Размеры санитарно-защитной зоны до и после корректировки

Выводы. На основе проведенных лабораторных исследований установлено, что в результате обработки животноводческих стоков обожженным дефекатом наблюдается снижение концентрации в атмосферном воздухе таких веществ, как аммиак и сероводород, на 75-80 %, а метилмер-

каптанов и диоксида серы на 80-90 %. Физико-химическая подготовка животноводческих стоков (обработка известковым молоком и суспензией фосфогипса, обожженным дефекатом) и установка бортовых отсосов на очистных сооружениях позволили уменьшить санитарно-защитную зону свиноводческого хозяйства с 3350 до 1600 м.

Список источников

1. Водянников В. И., Николаев С. И., Шкаленко В. В. Экологические проблемы животноводческих комплексов // Стратегическое эколого-экономическое развитие регионов и муниципальных образований в условиях глобализации. 2017. С. 212-218.

2. Пискун В. И. Выбросы парниковых газов при подготовке стоков к использованию на комплексах по производству свинины // Научно-технический бюллетень Института животноводства Национальной академии аграрных наук Украины. 2013. № 109-2. С. 131-135.

3. Дубин О. М., Василенко О. В. Экологическая оценка состава атмосферного воздуха в зоне животноводческих комплексов // Сборник научных трудов Уманского национального университета садоводства. 2014. Т. 85. С. 19-25.

4. Андреев Л. Н., Басуматорова Е. А. Мониторинг состояния воздушной среды вблизи крупных животноводческих комплексов Тюменской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5. С. 179-181.

5. Федорченко М. А., Суржко О. А. Экотехнология утилизации сточных вод свинокомплексов с использованием отходов производства // Известия вузов. СевероКавказский регион. Технические науки. 2003. № 1. С. 67-73.

6. Кешева Л. А., Теунова Н. В. Влияние животноводческого комплекса на атмосферный воздух // Доклады Адыгской (Черкесской) международной академии наук. 2020. Т. 20, № 1. С. 73-78.

7. Туева О. В. Правовая охрана атмосферного воздуха от загрязнения в процессе сельскохозяйственного производства // Аграрное и земельное право. 2006. № 4. С. 101-110.

8. Пат. 2379236 Российская Федерация, МПК С 02 F 1/58. Способ подготовки животноводческих сточных вод для сельскохозяйственного использования / Домашен-ко Ю. Е., Дорошко В. Н.; заявители и патентообладатели Домашенко Ю. Е., Дорошко В. Н. № 2009114816/05; заявл. 06.06.08; опубл. 20.01.10, Бюл. № 2. 8 с.

9. Расчет бортового отсоса в зависимости от количества вредных веществ испаряющихся с поверхности сточной воды (отсос): пат. 2008614695 / Домашенко Ю. Е., Калинин П. В., Суржко О. А. № 2008613579; заявл. 31.07.08; зарег. в реестре программ для ЭВМ 30.09.08.

10. Пат. 2645573 Российская Федерация, МПК С 09 F 1/58, С 09 F 11/14, B 09 B 3/00, С 05 F 3/00, С 05 F 5/00, С 05 F 103/20. Способ подготовки продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов и ферм для сельскохозяйственного использования / Редина А. В., Васильев С. М., Домашенко Ю. Е.; заявитель и патентообладатель Рос. науч.-исслед. инт проблем мелиорации. № 2017107695; заявл. 07.03.17; опубл. 21.02.18, Бюл. № 6. 6 с.

References

1. Vodyannikov V.I., Nikolaev S.I., Shkalenko V.V., 2017. Ekologicheskie problemy zhivotnovodcheskikh kompleksov [Ecological problems of animal husbandry complexes]. Strategicheskoe ekologo-ekonomicheskoe razvitie regionov i munitsipal'nykh obrazovaniy v

usloviyakh globalizatsii [Strategic Ecological and Economic Development of Regions and Municipalities under Globalization], pp. 212-218. (In Russian).

2. Piskun V.I., 2013. Vybrosy parnikovykh gazov pri podgotovke stokov k ispol'zo-vaniyu na kompleksakh po proizvodstvu svininy [Greenhouse gas emissions during effluents preparation for utilization at complexes for the pork production]. Nauchno-tekhnicheskiy byulleten' Instituta zhivotnovodstva Natsional'noy akademii agrarnykh nauk Ukrainy [Scientific and Technical Bulletin of the Institute of Animal Husbandry of the National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine], no. 109-2, pp. 131-135. (In Russian).

3. Dubin O.M., Vasilenko O.V., 2014. Ekologicheskaya otsenka sostava atmosfernogo vozdukha v zone zhivotnovodcheskikh kompleksov [Environmental assessment of the atmospheric air composition in the zone of livestock complexes]. Sbornik nauchnykh trudov Umanskogo natsional'nogo universiteta sadovodstva [Proc. of Uman National University of Horticulture], vol. 85, pp. 19-25. (In Russian).

4. Andreev L.N., Basumatorova E.A., 2020. Monitoring sostoyaniya vozdushnoy sredy vblizi krupnykh zhivotnovodcheskikh kompleksov Tyumenskoy oblasti [Monitoring of the air environment conditions near large livestock complexes in Tyumen region]. Izvestiya Oren-burgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bull. of Orenburg State Agrarian University], no. 5, pp. 179-181. (In Russian).

5. Fedorchenko M.A., Surzhko O.A., 2003. Ekotekhnologiya utilizatsii stochnykh vod svinokompleksov s ispol'zovaniem otkhodov proizvodstva [Ecotechnology of waste water utilization of pig complexes with the use of production waste]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskiy region. Tekhnicheskie nauki [Higher Schools Bull. North Caucasian Region. Technical Sciences], no. 1, pp. 67-73. (In Russian).

6. Kesheva L.A., Teunova N.V., 2020. Vliyanie zhivotnovodcheskogo kompleksa na atmosfernyy vozdukh [The influence of the livestock complex on the atmospheric air]. Dokla-dy Adygskoy (Cherkesskoy) mezhdunarodnoy akademii nauk [Reports of the Adyg (Circassian) International Academy of Sciences], vol. 20, no. 1, pp. 73-78. (In Russian).

7. Tueva O.V., 2006. Pravovaya okhrana atmosfernogo vozdukha ot zagryazneniya v protsesse sel'skokhozyaystvennogo proizvodstva [Legal protection of atmospheric air from pollution in the process of agricultural production]. Agrarnoye i zemel'noe pravo [Agrarian and Land Law], no. 4, pp. 101-110. (In Russian).

8. Domashenko Yu.E., Doroshko V.N., 2010. Sposob podgotovki zhivotnovodcheskikh stochnykh vod dlya sel'skokhozyaystvennogo ispol'zovaniya [Method of Livestock Wastewater Preparation for Agricultural Use]. Patent RF, no. 2379236. (In Russian).

9. Domashenko Yu.E., Kalinin P.V., Surzhko O.A., 2008. Raschet bortovogo otsosa v zavisimosti ot kolichestva vrednykh veshchestv isparyayushchikhsya s poverkhnosti stochnoy vody (otsos) [Calculation of Lateral Exhaust Depending on the Amount of Harmful Substances Evaporating from the Surface of Waste Water (Suction)]. Patent RF, no. 2008614695. (In Russian).

10. Redin A.V., Vasiliev S.M., Domashenko Yu.E., 2018. Sposob podgotovki produk-tov gidrosmyva svinovodcheskikh kompleksov i ferm dlya sel'skokhozyaystvennogo ispol'zo-vaniya [Method of Preparing Products of Water Washout of Pig-breeding Complexes and Farms for Agricultural Use]. Patent RF, no. 2645573. (In Russian).

Информация об авторах

А. В. Редина - младший научный сотрудник;

Ю. Е. Домашенко - заместитель директора по науке в области мелиорации, доктор технических наук.

Information about the authors A. V. Redina - Junior Researcher;

Yu. Ye. Domashenko - Deputy Director of Science in the Field of Land Reclamation, Doctor of Technical Sciences.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.

Статья поступила в редакцию 21.01.2021; одобрена после рецензирования 09.09.2021; принята к публикации 09.09.2021.

The article was submitted 21.01.2021; approved after reviewing 09.09.2021; accepted for publication 09.09.2021.