CC BY
132
УДК 631.22.018
РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАЦИИ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
ЖИВОТНОВОДСТВА
В.В. Миронов, доктор технических наук
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства И.С. Зацепин, аспирант Мичуринский ГАУ E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Проведено исследование существующих технологий переработки отходов животноводства, разработана их классификация. При разработке технологических процессов и технических средств уборки навоза из помещений и предварительной подготовки его к переработке целесообразно стремиться к получению нетекучей массы влажностью 60% и(или) текучей массы влажностью более 97% - в этом случае затраты на переработку будут возможно наименьшими. Срок переработки навоза и подготовки его к использованию может меняться в достаточно широких пределах - от нескольких суток до нескольких месяцев, в зависимости от таких факторов, как качество исходного сырья, способ переработки, используемые технические средства. Анализ применяемых технологий показывает, что основным способом переработки отходов в органическое удобрение для стран с умеренным и холодным климатом является компостирование. Сокращение сроков подготовки компоста по сравнению с традиционным компостированием в буртах будет сопровождаться дополнительными ресурсо- и энергозатратами, поэтому выбор способа компостирования должен быть экономически обоснован. В соответствии с ветеринарно-сани-тарными требованиями для технологий, которые предусматривают возврат части обеззараженного компоста, населенного термофильной микрофлорой, назад в биореактор с целью ускорения развития биотермических процессов, можно принять минимальный срок обеззараживания компоста четверо суток при температуре 60°С. Определен объект дальнейших научных исследований - технологический процесс ускоренного компостирования навоза в вертикальной установке с предварительной подготовкой массы в буртах машиной непрерывного действия с рабочими органами в виде лопастных барабанов. Ключевые слова: классификация, технология, переработка навоза, ускоренное компостирования, обеззараживание, технические средства.
Процедура классификации широко распространена в познании, а в некоторых науках она является «канонизированным типом продукта научной деятельности» [1]. Классификация является одним из древнейших методов и механизмов познания, занимающим особое место и в современной науке. В качестве основных требований, предъявляемых к классификации, можно выделить: сбор и организация материала, открытие закономерностей, построение и обоснование научных теорий.
Среди всего многообразия классификаций, применительно к сфере механизации животноводства, целесообразно выделить классификации способов и классификации технических средств. При разработке классификации технологий переработки отходов
животноводства целесообразно начать с выделения отдельных классов или групп по типу применяемого способа удаления навоза из помещений (рис. 1). По той причине, что от того, каким образом будет удален навоз -самотеком, смывом или волочением, будет зависеть его консистенция и в большей степени выбор схемы его дальнейшей подготовки и использования.
Согласно нормативным документам, навоз можно классифицировать по виду на подстилочный навоз - навоз с подстилкой и кормовыми остатками, полужидкий бесподстилочный навоз - бесподстилочный навоз, содержащий от 8 до 14% сухого вещества (или 86-92% влажности), жидкий бесподстилочный навоз - бесподстилочный навоз, содержащий от 3 до 8% сухого вещества
(или 92-97% влажности) и навозные стоки -бесподстилочный навоз, содержащий менее 3% сухого вещества (или более 97% влажности) [2].
по способу удаления нобозо из помещений
Механический
П-
Гифавлический
по Виду получаемого надоза
I
подстилочный &ложность око/кг 60 % | полужидкий йпажншя, 86- 92% жидкий блохнкть 92-97% -швозные стоки лохнкть долее 97%
по способу предбарительной подготовки
4-1 1 1
Смешивание с влагопоглощаощим материалом до влажности 55. .65% Разделение на фракции
твердая М*55~65% жидкая №>97%
по кислородному режиму процесса переработки
-,-1-1
Аэробный Азрабно-аназробный Анаэробный
по способу переработки
Компостирование, вермикомпостиравание Биологическая очистка жиской фракции Метановое сбраживание
по используемым техническим средствам
Установка для компхтцрования
Буртоукладчик
I I
по сроку подготовки
Метантенк
1
5-К сут 1-3 мес. 6-18 мес. «7-30 сут.
по Виду готобого продукта
Кормовая добавка Подстилка Компост Верми-компаст Биомасса червей Жидкие органические удобрения Биогаэ
Рис. 1. Схема классификации технологий переработки навоза
Подстилочный навоз (обычно имеет влажность, близкую к 60%) и навозные стоки направляются на переработку без какой-либо предварительной подготовки. Для переработки полужидкого и жидкого бесподстилочного навоза целесообразно увеличить в нем содержание сухого вещества, что можно сделать, как минимум, двумя способами: смешиванием с влагопоглощающим материалом (солома, опилки, торф, остатки кормов
и др.) и механическим или гравитационным разделением на твердую фракцию бесподстилочного навоза (нетекучая масса) и жидкую фракцию бесподстилочного навоза (текучая масса). Причем влажность получаемых на этом этапе компостной смеси и твердой фракции бесподстилочного навоза должна стремиться к оптимальной - 60%, для последующей твердофазной их переработки. В свою очередь, жидкая фракция бесподстилочного навоза необходима с содержанием сухого вещества менее 3% - в меньшей степени происходят негативные процессы осаждения частиц при дальнейшей переработке и хранении.
Таким образом, при разработке технологических процессов и технических средств уборки навоза из помещений и предварительной подготовки его к переработке необходимо стремиться к получению нетекучей массы влажностью 60% и (или) текучей массы влажностью более 97% - в этом случае затраты на переработку будут наименьшими.
В зависимости от наличия кислорода процессы переработки навоза можно условно разделить на три типа: аэробные, анаэробные и аэробно-анаэробные (интегрированного типа). Фактор использования кислорода в процессе определяет способ переработки - будет ли это аэробное компостирование (или биологическая очистка жидкой фракции в аэротенках) или же метановое сбраживание. В настоящее время научные исследования направлены на разработку методов и средств интенсификации именно этих двух основных способов.
Метановое сбраживание обеспечивается свойством микроорганизмов переводить органическое вещество из жидкой и твердой фаз в газовую. Сбраживание проводят в умеренно термофильных условиях (50-55°С), которые способствуют ускорению кинетики реакций, что позволяет снизить время удер-
жания сырья в реакторе (Rapport 2008). Термофильные условия также обеспечивают обеззараживание сброженной массы (сокращение количества патогенов), что необходимо для ее дальнейшего сельскохозяйственного использования в качестве биоудобрения (Пахненко 2009, Li et al. 2011).
Основным способом переработки отходов в органическое удобрение для стран с умеренным и холодным климатом является компостирование. Компостирование (твердофазная микробиологическая ферментация) - экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности (Forster, Wade, 1990). В процессе компостирования принимает участие множество видов микроорганизмов - более 2000 известных видов бактерий и не менее 50 известных видов грибов (Емцев и Мишустин, 2005).
Выбор способа определяет и выбор основного технического средства - для компостирования это камерная установка или мобильный ворошитель-буртоукладчик, для биологической очистки - аэротенк, а для сбраживания - метантенк. Срок переработки навоза и подготовки его к использованию может меняться в довольно широких пределах - от нескольких суток до нескольких месяцев, в зависимости от многих факторов -качества исходного сырья, принятого способа переработки, используемого технического средства и других.
Из навоза можно получать достаточно много полезных веществ и промежуточных продуктов: подстилка для скота, кормовая добавка для птиц, биокомпосты, биомасса червей, жидкие удобрения, биогаз и др. Но наиболее целесообразно перерабатывать навоз в органические удобрения. Возврат навоза в виде органического удобрения в почву -это обеспечение круговорота веществ в природе и повышение экологической устойчивости агроценоза. Питание растений, обеспеченное плодородием почв, является основным регулируемым фактором, используемым человеком для целенаправленного
управления ростом и развитием растений с целью создания высокого урожая хорошего качества. Гумус, как один из основных показателей потенциального плодородия почвы, является регулятором расходования элементов питания, а также предотвращает непроизводительные потери питательных веществ от вымывания, образования газообразных продуктов и трудно-растворимых минеральных соединений. Органические удобрения из навоза являются важным источником гумуса почвы.
Среди технологий переработки навоза в органические удобрения наибольшее распространение в России и за рубежом получило компостирование, как наиболее простой и экономически целесообразный способ превращения навоза в органическое удобрение. В качестве влагопоглощающих компонентов, в основном, применяют солому злаковых культур, древесные опилки, низинный и верховой торф, кору, измельченную макулатуру, остатки кормов и т.д. Влажность готовой компостной смеси может быть в пределах 50-70%. Отношение углерода к азоту 20:1-30:1. Смешивание навоза с влагопогло-щающими материалами проводят при помощи мобильных и стационарных смесителей.
При разработке классификации методов компостирования (как и при выборе наиболее эффективного для конкретных условий) целесообразно определить, где будет проводиться процесс, как будет подводиться кислород и в какой срок требуется подготовить компост. По месту проведения процесса различают: компостирование на открытых площадках в буртах и в стационарных установках различных типов (рисунок 2).
Способ подачи кислорода к органическому веществу компостной смеси будет, в основном, определять скорость биохимических реакций и, соответственно, срок подготовки компоста. Любое сокращение сроков подготовки компоста по сравнению с традиционным компостированием в буртах будет сопровождаться дополнительными ресурсо- и энергозатратами, поэтому выбор способа компостирования должен быть экономически обоснован.
Компостиройание, как способ получения органических удобрений
по месту проведения процесса
Отрытые грунтовые и площадки с твердым покрытием Стационарные установки
по способу поступления кислорода
Естественная аэрация Механическая аэрация Активная аэрация (нагнетание Воздуха]
по интенсивности процесса (по сроку подготовки!
1-2 года
1-3 пес.
5-10 дней
Рис. 2. Схема классификации способов компостирования
В то же время к проектированию систем переработки органических отходов животноводства методом компостирования как в России, так и в других странах предъявляются определенные требования по обеспечению обеззараживания [3-5]. В соответствии с российскими нормативными документами в подготовленном к использованию навозе и помете должны отсутствовать возбудители инвазионных и инфекционных болезней, жизнеспособные семена сорных растений. Срок карантинирования с целью выявления инфицированности навоза и помета возбудителями инфекционных и инвазионных болезней следует принимать не менее 6 суток.
Началом срока обеззараживания твердой фракции навоза считают время достижения температуры в средней трети штабеля на глубине 1,5-2,5 м до 60°С. Время выдерживания навоза в штабелях после достижения заданной температуры должно составить: в теплое время года - 2 месяца, в холодное -3 месяца. В аэробных биоферментаторах навоз и помет влажностью до 75% допускается обеззараживать при температуре ферментации 65°С и экспозиции 7-10 суток.
В соответствии с ветеринарно-санитар-ными правилами подготовки к использованию в качестве органических удобрений навоза, помета и стоков животноводческих и птицеводческих предприятий при ускорен-
ном компостировании помета птицы и навоза зверей с использованием органических сорбентов (влажность массы не выше 75%) в установках различной конструкции (биореакторах) с применением систем активного вентилирования воздухом обеззараживание от вегетативной патогенной микрофлоры достигается при повышении температуры компоста до 60-70°С в течение 24-48 ч и последующей обработке его в течение 10-14 суток. Внесение в компост инокулята термофильных микроорганизмов сокращает сроки обеззараживания до 4-7 суток.
Для технологий, которые предусматривают возврат части обеззараженного компоста, населенного термофильной микрофлорой, назад в установку (биореактор) с целью ускорения развития биотермических процессов, можно принять минимальный срок обеззараживания компоста 4 суток при температуре 60°С.
Европейский стандарт качества технологического процесса обеззараживания органических отходов методом компостирования в камерных установках предъявляет к процессу следующие требования: максимальный размер частиц 12 мм; минимальная температура обработки 70°С; минимальное время обработки 1 ч. В свою очередь, стандарт качества технологического процесса, действующий в Великобритании, предусматривает несколько вариантов достаточного обеззараживания в камерных установках: вариант 1 - максимальный размер частиц 6 см, минимальная температура обработки 70°С, минимальное время обработки 1 ч; вариант 2 -максимальный размер частиц 40 см, минимальная температура обработки 60°С, минимальное время обработки 2 суток. При компостировании в буртах технология должна обеспечивать максимальный размер частиц 40 см, минимальную температуру обработки 60°С, минимальное время обработки 8 суток при условии трехкратной перебивки с интервалом в 2 дня.
Таким образом, при разработке новых и совершенствовании существующих технологий компостирования необходимо обеспечивать условия обеззараживания удобрения. Большинство разработанных на сегодняшний день отечественных технологий приготовления компостов на открытых площадках базируются на использовании в качестве основного технического средства погрузчика непрерывного действия ПНД-250 или созданной на его основе машины для приготовления ком-постов МПК-Ф-1. Для приготовления ком-постов используют также смеситель-аэратор СА-100, окараванивающую машину ОФ-8 (МТФ-71), грейферные и фронтальные погрузчики, прицепы-навозоразбрасыватели типа РОУ и ПРТ, ворошители буртов (Turner windrow machine) и др. Классификация мобильных технических средств для компостирования органического сырья в буртах на открытых площадках представлена на рисунке 3. Классифицировать целесообразно по принципу действия, по вариантам агрегатируемости с трактором и виду рабочего органа.
Сравнительное сопоставление всех вариантов позволяет выявить конструкцию прицепной машины непрерывного действия с рабочими органами в виде лопастного барабана, как наиболее технологичную и эффективную. Технологии ускоренного компостирования в стационарных установках (Inves-sel composting systems) являются более технологичными и управляемыми в сравнении с использованием открытых площадок компостирования. Достаточная изоляция от окружающей среды позволяет контролировать температурный, влажностный и воздушный режимы в заданных технологических пределах. Время проведения процесса снижается до 4-14 суток. По этой причине производство компостов в стационарных установках является предпочтительным для стран с умеренным и холодным климатом. В настоящее время применяются стационарные установки ускоренного компостирования органического сырья следующих типов: барабанные, туннельные, камерные, контейнерные.
Рис. 3. Схема классификации мобильных технических средств
По принципу действия различают установки непрерывного и циклического действия (рис. 4).
Большинство установок, применяемых в сельскохозяйственном производстве, заимствовано из технологий переработки отходов коммунального хозяйства, применяемых там для обеззараживания твердых бытовых отходов и осадка сточных вод населенных пунктов.
Сравнительная характеристика существующих стационарных технических средств ускоренного компостирования позволяет определить стационарную вертикальную установку непрерывного типа действия, как наиболее технологичную и перспективную. Непрерывный режим работы позволяет сохранять энергию биотермических реакций и баланс веществ в системе, что дает существенные преимущества: энергосбережение, сравнительно небольшая занимаемая площадь, высокая экологическая безопасность и качество готового продукта.
Стационарные устройства Зля компостирования \ —
по способу аэрации
-1 I
механическая
естественная
активная аэрация
I
1~
горизонтальные i
по расположению
Вертикальные _I
по степени подвижности i -
стационарные перемещающиеся
1-
по принципу действия
1 1
циклического непрерывного
no типу устройства
Виаферментатор (туннель п.д.1 туннель с непрерывным перемешиванием
контейнер барабанный биарвактор
модульная установка камерного типа вертикальная компостирующая устаноИка
Рис. 4. Схема классификации стационарных технических средств
Подобные установки целесообразно использовать в условиях отсутствия необходимых площадей для размещения отходов и высоких требований к охране окружающей среды, например, для животноводческих предприятий, расположенных в черте населенных пунктов либо в непосредственной близости от них.
Несмотря на отмеченные преимущества, есть факторы, препятствующие их широкому внедрению, прежде всего, это отсутствие законченных проектных решений.
Таким образом, разработка классификаций существующих способов и технических средств переработки навоза позволяет установить объект дальнейших научных исследований - технологический процесс ускоренного компостирования отходов животноводства и перспективные технические средства, его обеспечивающие, с целью снижения энергозатрат на производство высококачественных органических удобрений экологически безопасным способом.
Литература:
1. Айвазян С.А., Бежаева З.И., Старовертов О.В. Классификация многомерных наблюдений. М., 1974.
2. ГОСТ Р 53042-2008. Удобрения органические.
3. Ветеринарно-санитарные правила подготовки к использованию в качестве органических удобрений навоза, помета и стоков при инфекционных и инвазионных болезнях животных и птицы №13-7-2/1027
4. Brinton W. Compost quality standards&guidelines.
5. State Veterinary Service. URL:http://www.defra.gov.uk
Literatura:
1. Ajvazyan S.A., Bezhaeva Z.I., Starovertov O.V. Klassi-fikaciya mnogomernyh nablyudenij. M., 1974.
2. GOST R 53042-2008. Udobreniya organicheskie.
3. Veterinamo-sanitarnye pravila podgotovki k ispol'zo-vaniyu v kachestve organicheskih udobrenij navoza, pometa i stokov pri infekcionnyh i invazionnyh boleznyah zhivotnyh i pticy №13-7-2/1027
4. Brinton W. Compost quality standards&guidelines.
5. State Veterinary Service. URL:http://www.defra.gov.uk
THE CLASSIFICATION OF METHODS AND TECHNICAL TOOLS OF LIVESTOCK WASTE UTILISATION'S DEVELOPMENT V.V. Mironov, doctor of technical sciences All-Russian research institute of animal husbandry mechanization I.S. Zatsepin, post- graduate student Michurinsk GAY
Abstract. A study of the animal waste processing's exist technologies had done and their classification developed. As to developing the technological processes and technical means of manure from the premises removal and its preliminary preparation for processing, it is advisable to strive for non-flowing mass with 60% of humidity and (or) flowing mass with humidity's content over 97% - in this case, the processing costs would be probably the lowest. The term of manure processing and prepare it for use can vary in quite wide limits - from several days till several months, in depend on such factors as the quality of initial materials, processing method, used technical means. The analysis of the used technologies shows that the main method of waste's processing into organic fertilizer for countries with mild and cold climate is composting. The term of compost preparation in comparison with traditional piles composting reducing, will be accompanied by additional resource and energy consumption, because the composting method's choice must be economically justified. In accordance with veterinary-sanitary requirements of technologies that provide the return of part of decontaminated compost possessing thermophilic microorganisms back to the bioreactor to accelerate the biothermal processes' development, it is possible to take the minimum term of the compost's disinfection as four days at 600C temperature. The object of further scientific research - the technological process of accelerated manure composting in a vertical installation with a preliminary -treatment of mass in piles by the machine of continuous operation with the working bodies in the blade reels form's is defined. Keywords: classification, technology, manure processing, rapid composting, disinfection, technical means.
