Трансформация азотсодержащих соединений при хранении и утилизации стоков животноводческих комплексов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансформация азотсодержащих соединений при хранении и утилизации стоков животноводческих комплексов

И.И. Василенко

На заседании бюро Белгородского обкома КПСС 10.02.1977г. обсуждалось существенное негативное влияние на экологическую обстановку в области длительного хранения бесподстилочного (жидкого) навоза крупных животноводческих комплексов (ЖК). Его объем тогда составлял 5,5 млн м3.

Было принято решение до ноября того же года разработать и в течение двух лет реализовать мероприятия, обеспечивающие полное прекращение загрязнения окружающей среды. Однако, в декабре 1979 г. на пленуме обкома председатель облисполкома с тревогой отмечал, что в области скопилось уже около 20 млн тонн жидких стоков ЖК. И проблема их утилизации приобрела не только экологическое, но и социальное значение.

Физиологически навоз представляет собой остатки кормов, неусвоенные организмом животных. Поэтому он содержит ряд органических и минеральных веществ, в состав которых входят и биогенные элементы, в том числе азот, фосфор и калий (табл. 1).

Таблица 1. Среднее содержание питательных веществ и элементов в бесподстилочном навозе (%)

С учетом этого жидкий навоз ЖК был классифицирован как низ-концентрированное комплексное удобрение, а наиболее эффективным способом его утилизации было провозглашено орошение стоками сельхозугодий [1]. Такое направление было основательно поддержано органами власти, тем более что минеральных удобрений в те годы явно не хватало.

С тех давних пор миллионы тонн смердящих стоков утекло на «орошение», загрязняя почвы и отравляя открытые источники водоснабжения, колодцы и пр. А область наступила на эти же грабли вторично.

В настоящее время Белгородская область стала самым крупным в РФ региональным производителем мяса на основе строительства и реконструкции мощных животноводческих комплексов, интенсификации отрасли и внедрения самых современных технологий.

В частности, успешно реализована Федеральная программа «Развитие свиноводства Белгородской области на 2005-2010 гг.». На начало января 2008 г. в области введены мощности по производству 274 тыс. тонн в год свинины в живой массе, поголовье свиней составило в 2008 г. 1102,9 тысячи (для сравнения в 2005г. - 534,6 тыс.). Всего же в 2010 г. область произвела более миллиона тонн мяса.

Однако, в 2011 году Белгородской области необходимо решить также проблему утилизации от 11 до 18 млн. тонн навоза; из них около 40% - на свиноводческих комплексах. Например, на комплексе по откорму 108 тысяч свиней при уборке навоза гидросмывом за год образуется до миллиона м3 стоков, соответствующих по степени загрязнения фекально-бытовым стокам города с населением до 200 тысяч человек.

В настоящее время практически все свинокомплексы не имеют очистных сооружений для утилизации навоза или навозных стоков. «Утилизация» производится путем долгосрочного хранения, а в лучшем случае - путем предварительного разделения на твердую и жидкую фракции. После этого стоки вносят под вспашку осенью, летом - в сочетании со щелеванием; в зимний период избавляются от них куда придётся.

Спонтанное выливание неочищенных стоков на сельхозугодия (зимой - на мерзлую землю) порождает массу негативных проблем:

- по данным Россельхознадзора, 43% как бы «орошаемых» в Белгородской области пахотных земель заражены яйцами гельминтов и подлежат полному отчуждению от сельскохозяйственного производства;

- почвы на этих участках засоляются, теряют необходимые физико-механические и агрохимические свойства;

- грунтовые воды загрязняются органическими примесями и нитратами;

- весеннее снеготаяние и летние осадки сопровождаются отравлением открытых водоемов, массовым замором рыбы и т.д.

Кроме того, требуются затраты на строительство навозохранилищ.

Известные способы переработки и очистки бесподстилочного навоза ЖК основаны на использовании механических, биологических, физико-химических и других технологий. Наиболее доступными и экономически приемлемыми для переработки больших объемов стоков являются биологические технологии: аэробные (в присутствии кислорода) и анаэробные.

К первой группе относится выдерживание неразделенного на фракции бесподстилочного навоза в открытых отстойниках-накопителях и биологических прудах. При участии кислорода и под воздействием аэробных микроорганизмов в них происходит частичное разложение органических компонентов навоза и его разделение на жидкую и условно твердую фракции. азотсодержащий бесподстилочный навоз

Для интенсификации аэробных процессов окисления рекомендованы:

- системы окислительных каналов, в которых жидкий навоз аэрируют и во время движения по каналу обрабатывают «активным» илом;

-механическая аэрация стоков непосредственно в отстойниках;

-использование аэротенков с принудительной подачей воздуха и др.

Несмотря на большое разнообразие аэробных методов очистки, ни одна из существующих технологий не позволяет довести жидкую фракцию навоза до санитарно-гигиенических нормативных параметров, позволяющих сбрасывать её в открытые водоемы. Кроме того, применение таких систем требует сравнительно больших площадей и средств на их строительство [2].

2. Анаэробные методы переработки навоза и других отходов сельскохозяйственного производства основаны на ферментативном разложении органических веществ в отсутствие кислорода.

Процесс метаногенеза возможен в двух температурных режимах: термофильном (в среднем 550С) и мезофильном (порядка 350С). В каждом конкретном случае выбор температурного режима анаэробного брожения органических отходов диктуется требованиями качества конечных продуктов, т.е. степенью очистки жидкого навоза, обеззараживания, дегельминтизации, количеством метана в биогазе, климатическими и экономическими факторами. Для районов с умеренным климатом предпочтение следует отдавать мезофильному режиму, так как при температуре выше 250С процесс идет достаточно успешно и не требует принудительного подогрева.

Жидкий навоз должен быть предварительно освобожден от посторонних включений, иметь влажность 90 - 96%, соотношение С:N - 10 - 18:1, зольность не более 20% (недостаток азота ограничивает процесс метанового брожения). Для обеспечения оптимального соотношения С:N и получения большего количества биогаза рекомендуется добавлять в сбраживаемую массу отходы боен, куриный помет, растительные остатки и пр.

При нормальной работе метантенков корова обеспечит получение 2,5 м3 биогаза в сутки, бык на откорме - 1,6 м3, а свинья - 0,3 м3. Получаемый биогаз содержит 55-60% метана и его теплотворная способность составляет порядка 25 МДж/м3, что эквивалентно сгоранию 0,6 л бензина или использованию 1,4 кВт-час электроэнергии. Поэтому, биогазовые технологии способны комплексно решать ряд проблем экологии, энергетики и экономики. [3].

В частности, еще в начале 90-ых годов было подсчитано, что использование биогазовых технологий для обезвреживания и переработки органических отходов растительного и животного происхождения в России позволит получать ежегодно 95 млн тонн условного топлива (в пересчете на метан - порядка 60 млрд м3 СН4). А также около 140 млн т высокоэффективных и экологически чистых биоудобрений, что позволило бы существенно сократить расходы на энергоемкое производство минеральных удобрений (около 30% от всей электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством).

К сожалению, отечественные достижения в этой области в настоящее время существуют лишь в «пипетках и таблетках» (Председатель комитета ГД РФ по малой энергетике Г. Леонтьев) [4].

Для сравнения: государствами ЕС в 2010 г. произведено биогаза порядка 15 млн т в нефтяном эквиваленте. В одной Германии работает около 5 тысяч биогазовых установок (БГУ); в ближайшие годы немцы планируют заменить биогазом не менее 10% импортируемого из России природного газа.

При всём - при том, в июне 2009 г. Губернатором Белгородской области утверждена концепция развития биоэнергетики и биотехнологий в регионе на 2009-2012 гг. В частности, планируется к 2012-2013 гг. построить до 20 биогазовых установок; причем первые 12 - на свиноводческих комплексах.

Каковы перспективы рационального использования питательных элементов навоза при его переработке анаэробными биотехнологиями?

В расчете на ожидаемый в 2011 году выход навоза от КРС и свиней Белгородской области, количество связанного азота в нем составит более 40 т, что соответствует примерно 53 т чистого аммиака (или 67000м3).

Стоимость такого количества аммиака в ценах 2010 года составляет примерно 0,4 млн рублей. И его хватило бы для приготовления 250 тонн 20%-ой аммиачной воды для подкормки, например, сахарной свеклы.

Естественно, что в навозе азот находится в составе различных химических соединений (табл. 2)

Таблица 2. Распределение азота по компонентам мочи

(в % от общего содержания)

При анаэробной ферментации под действием микроорганизмов азотсодержащие вещества разлагаются до простых по составу продуктов.

В принципе, микрофлора анаэробных биологических процессов обеспечивает трансформацию связанного (органического) углерода в СО2 и СН4, серы - в Н2S и SО42-, азота - в NН3. Однако, в составе выделяющегося при этом биогаза аммиак практически не содержится. Куда же девается азот?

Возможные пути потерь азота следующие.

Испарение аммиака при длительном хранении бесподстилочного навоза ЖК в отстойниках-накопителях открытого типа.

Известно, что в водных растворах аммиак может существовать в молекулярной (NН3) и протонизированной (NН4+) формах. Эти формы находятся в равновесии:

NН3 + Н3О+ - NН4+ + Н2О (1)

Доля молекулярной формы от суммарного содержания обоих форм (F) определяется значением рН среды, константы диссоциации NН4ОН (Кд) и ионного произведения воды (Кw). В соответствии с законом действия масс

F= [NH3]NH3+ [NH4+] = 10pH10pH +КдКw (2)

Расчет по уравнению (2) показывает, что при значениях рН 7 и 9, а также температуре 250С доля молекулярной формы составляет соответственно 1 и 50%. Так как в производственных условиях для стоков ЖК характерна щелочная среда, потери аммиака могут быть весьма значительными.

Например, еще в 1974 г. научным сотрудником бывшего НИПТИЖ-а В.В. Ефремовым показано: за 4 месяца карантинного хранения бесподстилочного навоза в отстойниках-накопителях потери азота составили 72,8%. А через 6 месяцев азота не осталось вообще, и эффективность внесения на поля такого «комплексного удобрения» стала эквивалентной обычной воде.

Аэробная нитрификация в накопителях.

В присутствии кислорода и соответствующих микроорганизмов (Nitromonas, Nitrosospira, Nitrosococcus и др.) возможно окисление иона аммония до нитритов по схеме:

NH4+ + 1,5O2 > 2H+ + NO2- + H2O (3)

Автотрофными бактериями типа Nitrosobacter и Nitrosogloea нитрит-ион, в свою очередь, может быть окислен до нитрата:

NО2- + 0,5O2 > NO3- (4)

Суммарная теоретическая потребность кислорода для окисления 1г аммиачного азота до нитратной формы составляет 3,43 + 1,14 = 4,57г. В экспериментальных полевых опытах потребовалось 4,33г кислорода.

При оценке потерь аммиачного азота в этом варианте необходимо учитывать, что:

в объеме жидких стоков концентрация растворенного кислорода близка к нулю и условия по существу анаэробные;

процессы аэробной нитрификации протекают только на поверхности жидкости, в месте её контакта с воздухом;

в результате окислительных процессов азот переходит из аммиачной формы в остающиеся в системе нитрит- и нитратные соединения.

Анаэробная денитрификация.

Протекает в бескислородных условиях в объеме содержимого накопителей жидкого навоза или в метантенках. При этом нитриты и нитраты используются в качестве конечных акцепторов электронов вместо кислорода.

Денитрификацию вызывают факультативные гетеротрофные бактерии типа Achromobacter, Micrococcus и др. Важнейшие процессы денитрификации можно представить в виде схем:

Red + NО3- > NO2- + СО2 + Н2О + Ох (5)

Red + NО2- > N2 + СО2 + Н2О + Ох (6)

где Red и Ох - соответственно восстановленные и окисленные формы органических компонентов (углеводы, спирты, белки и другие углеродсодержащие соединения).

В определенных условиях возможно также образование нерастворимых и химически инертных по отношению к воде оксидов N2O и NO.

Из схемы (6) видно, что одним из конечных продуктов процесса денитрификации является молекулярный (газообразный) азот. А сопряжение процессов нитрификации и денитрификации может в принципе привести к полной потере связанного азота в навозе ЖК.

В частности, сточные воды с добавкой СН3ОН в качестве источника углерода, выдержанные в анаэробном пруду в течение 10 суток, потеряли около 90% азота нитратов [5]. При температуре в метантенке 330С содержание нитратов в сточной воде через 2 часа снижалось от 120 до 8-9 мг/л.

Выводы

В современных производственных условиях хранения и утилизации бесподстилочного навоза животноводческих комплексов возможны существенные потери ценного биогенного элемента - азота.

Потери азота можно минимизировать при сокращении срока хранения стоков ЖК в открытых накопителях.

В условиях непрерывной подачи бесподстилочного навоза на анаэробную ферментацию в метантеках также возможно образование различных азотсодержащих соединений, отличающихся по составу от исходных.

Литература

Марымов В.И. Сточные воды на полях орошения. М., Колос, 1993 г., 253с.

Р. Лёр. Переработка и использование сельскохозяйственных отходов. Перевод с англ. М., Колос, 1979 г., с. 185.

Чичкин А. Не биогазом единым. Животноводство России.2010г., №1,с. 8-9.

Шахов А.В. Перспективные направления развития биоэнергетики в АПК России. Бюллетень научных работ БегГСХА. Вып. 24. 2011 г., с. 342-345.

Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Ленинград, изд-во «Химия», 1977 г., с. 314.

Размещено на Allbest.ru