Анализ эффективности технологии разделения навоза на фракции с последующей ректификацией жидкой фракции

Екатерина Викторовна Шалавина; Эдуард Вадимович Васильев; Эдуард Александрович Папушин

Екатерина Викторовна Шалавина Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала федерального научного агроинженерного центра ВИМ https://orcid.org/0000-0002-7345-1510
Эдуард Вадимович Васильев Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала федерального научного агроинженерного центра ВИМ https://orcid.org/0000-0002-5910-5793
Эдуард Александрович Папушин Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала Федерального научного агроинженерного центра ВИМ https://orcid.org/0000-0001-7035-4654

Ключевые слова: свиноводческий комплекс, технология, навоз, флокуляция, ректификация, общий азот, органические удобрения

Аннотация

Введение. По применяемым интенсивным технологиям переработки свиного навоза в органическое удобрение недостаточно данных для точного расчета содержания питательных элементов в конечных продуктах и, соответственно, их доз внесения.
Цель статьи. Определить эффективность технологии переработки свиного навоза, в которую включена ректификация жидкой фракции, по количественным и качественным характеристикам навоза и конечных продуктов, а также проследить перераспределение общего азота между конечными продуктами на примере пилотного свиноводческого комплекса.
Материалы и методы. Для исследования выбран типовой свиноводческий комплекс, на котором внедрена технология переработки свиного навоза, включающая подкисление навоза, флокуляцию навоза, разделение навоза на фракции в декантерной центрифуге, ректификацию жидкой фракции, пассивное компостирование твердой фракции, длительное выдерживание жидкой фракции. Технология позволяет получать три вида конечных продуктов: твердое органическое удобрение, концентрированную жидкость (аммиачную воду) и жидкость для удобрительных поливов. Расчет количественных и качественных характеристик свиного навоза и полученных из него продуктов сделан на основании методических рекомендаций по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета РД – АПК 1.10.15.02-17. Для сопоставления результатов осуществлены экспериментальные исследования. Анализ проб проведен в аналитической лаборатории Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства в 2022 г. Пробы отбирались с трехкратной повторностью. Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась в программе MS Excel.
Результаты исследования. Рассчитаны количественные и качественные характеристики свиного навоза, его твердой и жидкой фракции, а также конечных продуктов. Расчетные значения сравнивались со значениями из протоколов лабораторных анализов. Различие между расчетными и фактическими значениями не превышает 10,2 %, что говорит о достоверности расчетов.
Обсуждение и заключение. Внедрение на свиноводческом комплексе новой технологии позволило снизить эмиссии в атмосферу на 10 % за счет сохранности азота, сократить эксплуатационные затраты на транспортировку органического удобрения на 47 % посредством концентрации питательных веществ в меньшем объеме и повысить плодородие почв с помощью удобрительных поливов.

Биографии авторов

Екатерина Викторовна Шалавина, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала федерального научного агроинженерного центра ВИМ

кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела анализа и прогнозирования экологической устойчивости агроэкосистем Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала федерального научного агроинженерного центра ВИМ (196625, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, пос. Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7345-1510, shalavinaev@mail.ru

Эдуард Вадимович Васильев, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала федерального научного агроинженерного центра ВИМ

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела анализа и прогнозирования экологической устойчивости агроэкосистем Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала федерального научного агроинженерного центра ВИМ (196625, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, пос. Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5910-5793, sznii6@yandex.ru

Эдуард Александрович Папушин, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала Федерального научного агроинженерного центра ВИМ

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела анализа и прогнозирования экологической устойчивости агроэкосистем Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала федерального научного агроинженерного центра ВИМ (196625, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, пос. Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7035-4654, sznii6@yandex.ru

Литература

1. Трифанов А. В., Калюга В. В., Базыкин В. И. Состояние и тенденции развития производства свинины в Российской Федерации // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 90. С. 5–14. EDN: XELLCX

2. Васильев Э. В., Шалавина Е. В. Изменение содержания азота и фосфора в жидкой фракции свиного навоза при биологической очистке // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2014. № 85. С. 146–150. EDN: SYDQQR

3. Welfare Health and Productivity in Commercial Pig Herds / P. Racewicz [et al.] // Animals. 2021. Vol. 11, issue 4. Article no. 1176. https://doi.org/10.3390/ani11041176

4. Kariyama I. D., Zhai X., Wu B. Physical and Rheological Properties of Animal Manure: A Review // Transactions of the ASABE. 2018. Vol. 61, no. 3. P. 1113–1120. https://doi.org/10.13031/trans.12768

5. Pilot-Scale Demonstration of Membrane-Based Nitrogen Recovery from Swine Manure / B. Molinuevo- Salces [ et al.] // Membranes. 2020. Vol. 10, no. 10. Article 270. https://doi.org/10.3390/membranes10100270

6. Environmental Impacts of Combining Pig Slurry Acidification and Separation under Different Regulatory Regimes – A Life Cycle Assessment / M. ten Hoeve [et al.] // Journal of Environmental Management. 2016. Vol. 181. P. 710–720. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.08.028

7. Precision Fermentation to Advance Fungal Food Fermentations / K. F. Chai [et al.] // Current Opinion in Food Science. 2022. Vol. 47. Article no. 100881. https://doi.org/10.1016/j.cofs.2022.100881

8. Fomicheva N. V. The Effect of the Ratio of Peat and Manure on the Efficiency of the Fermentation Process // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1076. Article no. 012042. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1076/1/012042

9. Mixed Acid Fermentation of Carbohydrate-Rich Dairy Manure Hydrolysate / A. T. Ingle [et al.] // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2021. Vol. 9. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.724304

10. Composting of Mixture of Total Mixed Ration and Cow Manure: Quality of the Finished Compost / X. Bai [et al.] // Advanced Composites and Hybrid Materials. 2022. Vol. 5. P. 294–306. https://doi.org/10.1007/s42114-021-00365-3

11. Tóth F. A., Tamás J., Nagy P. T. Early Evaluation of Use of Fermented Chicken Manure Products in Practice of Apple Nutrient Management // Acta Agraria Debreceniensis. 2022. Vol. 1. P. 195–198. https://doi.org/10.34101/actaagrar/1/8502

12. Gross A., Glaser B. Meta-Analysis on How Manure Application Changes Soil Organic Carbon Storage // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. Article no. 5516. https://doi.org/10.1038/s41598-021-82739-7

13. Cow Manure Application Effectively Regulates the Soil Bacterial Community in Tea Plantation / S. Zhang [et al.] // BMC Microbiology. 2020. Vol. 20. Article no. 190. https://doi.org/10.1186/s12866-020-01871-y

14. Effects of Short-Term Manure Nitrogen Input on Soil Microbial Community Structure and Diversity in a Double-Cropping Paddy Field of Southern China / H. Tang [et al.] // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. Article no. 13540. https://doi.org/10.1038/s41598-020-70612-y

15. Antonious G. F., Turley E. T., Dawood M. H. Monitoring Soil Enzymes Activity Before and After Animal Manure Application // Agriculture. 2020. Vol. 10, no. 5. Article no. 166. https://doi.org/10.3390/agriculture10050166

16. Effects of Lime Amendment on the Organic Substances Changes, Antibiotics Removal, and Heavy Metals Speciation Transformation during Swine Manure Composting / Z. Chen [et al.] // Chemosphere. 2021. Vol. 262. Article no. 128342. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.128342

17. Manure Treatment According to the Trevi-Concept / E. Smet [et al.] // Communications in Agricultural and Applied Biological Sciences. 2003. Vol. 68, issue 2, part A. P. 125–131. URL: https://www.researchgate.net/publication/8415127_Manure_treatment_according_to_the_Trevi-concept (дата обращения: 28.02.2023).

18. Phosphorus Recovery from Co-Digested Pig Slurry: Development of the RePeat Process / I. Regelink [et al.]. Wageningen : Wageningen Environmental Research. Report 2949, 2019. 66 p. https://doi.org/10.18174/476731

19. Hjorth M., Christensen M. L., Christensen P. V. Flocculation, Coagulation, and Precipitation of Manure Affecting Three Separation Techniques // Bioresource Technology. 2008. Vol. 99, no. 18. P. 8598–8604. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.04.009

20. Fomicheva N. V., Rabinovich G. Yu. Technological Line for Processing Animal Waste // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 677. Article no. 052004. https://doi.org/10.1088/1755-1315/677/5/052004

21. Nitrogen Recovery from Different Livestock Slurries with an Innovative Stripping Process / A. Heidarzadeh Vazifehkhoran [et al.] // Sustainability. 2022. Vol. 14. Article no. 7709. https://doi.org/10.3390/su14137709

22. Trends on Manure Processing in Europe / X. Flotats [et al.] // Book of Proceedings, 2nd International Conference of WASTES: Solutions, Treatments and Opportunities. Braga (Portugal), 11–13 September. Edition: CVR, Centro para a Valorizaçao de Residuos, 2013. P. 587–592.

23. Manure Processing as a Pathway to Enhanced Nutrient Recycling: Report of SuMaNu Platform / S. Luostarinen [et al.] // Natural Resources and bioeconomy studies 62/2020. Helsinki : Natural Resources Institute Finland. 2020. 76 p. URL: https://helcom.fi/wp-content/uploads/2021/08/Manure-processing-asa-pathway-to-enhanced-nutrient-recycling.pdf

24. Aguirre-Villegas H. A., Larson R., Reinemann D. J. From Waste-to-Worth: Energy, Emissions, and Nutrient Implications of Manure Processing Pathways // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2014. Vol. 8, issue 6. P. 770–793. https://doi.org/10.1002/bbb.1496

25. Manure Treatment and Recycling Technologies / R. Dong [et al.] // Circular Economy and Sustainability / A. Stefanakis, I. Nikolaou (eds.). Vol. 2. Environmental Engineering. Elsevier, 2022. P. 161–180. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821664-4.00009-1

26. Knaul T. F., Schumacher Teixeira P. Impact of Embiofert Treatment in Swine Manure Treatment Ponds // Journal of Engineering Research. 2022. Vol. 2, no. 9. P. 1–10. https://doi.org/10.22533/at.ed.317292207061

27. Melse R. W., De Buisonjé F. E. Manure Treatment and Utilisation Options. Wageningen: Wageningen Livestock Research, 2020. 7 p. URL: https://edepot.wur.nl/541798 (дата обращения: 28.02.2023).

28. Loyon L. Overview of Manure Treatment in France // Waste Management. 2017. Vol. 61. P. 516–520. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.11.040

29. Microbiological Features and Bioactivity of a Fermented Manure Product (Preparation 500) Used in Biodynamic Agriculture / M. Giannattasio [et al.] // Journal of Microbiology and Biotechnology. 2013. Vol. 23, no. 5. P. 644–651. https://doi.org/10.4014/jmb.1212.12004

30. Management of Poultry Manure in Poland – Current State and Future Perspectives / D. Dróżdż [et al.] // Journal of Environmental Management. 2020. Vol. 264. Article no. 110327. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110327

31. Rayne N., Aula L. Livestock Manure and the Impacts on Soil Health: A Review // Soil Systems. 2020. Vol. 4, issue 4. Article no. 64. https://doi.org/10.3390/soilsystems4040064

32. Manure Management and Soil Biodiversity: Towards More Sustainable Food Systems in the EU / J. D. Köninger [et al.] // Agricultural Systems. 2021. Vol. 194. Article no. 103251. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2021.103251

33. Шалавина Е. В., Уваров Е. В., Васильев Е. В. Методика расчета распределения общего азота и общего фосфора между фракциями свиного навоза // Инженерные технологии и системы. 2022. Т. 32, № 1. С. 54–70. https://doi.org/10.15507/2658-4123.032.202201.054-070

34. Розен А. М. Производство тяжелой воды методом ректификации аммиака с тепловым насосом. Опыт пуска промышленной установки // Атомная энергия. 1995. Т. 5. С. 221–229. URL: http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t79-3_1995/go,68/ (дата обращения: 28.02.2023).

35. Максишко Л. М. Экобезопасная технология переработки навозных отходов животноводства с абсорбцией парниковых газов // Теоретическая и прикладная экология. 2022. № 1. С. 205–209. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2022-1-205-209