Оценка концентраций климатически активных веществ в выбросах при переработке твердых побочных продуктов животноводства
Сельскохозяйственное производство является неотъемлемой частью экономики Российской Федерации, обеспечивающей ее продовольственную безопасность. Согласно опубликованному Национальному докладу о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом (далее — Кадастр парниковых газов), в 2022 году суммарные выбросы парниковых газов от аграрного сектора Российской Федерации составили 102 339 тыс. т СО2-экв., что соответствует 55,8% уровня 1990 года (231 711 тыс. т СО2-экв.).
Вопрос получения достоверных данных по значениям выбросов парниковых газов становится всё более актуальным в современном мире. Сельскохозяйственная отрасль вносит свой вклад в нагрузку по эмиссиям от животноводства и растениеводства, особенно от систем переработки навоза и помета. Грамотное проектирование технологий по переработке отходов позволит снизить эмиссии и уменьшить неприятные запахи.
В целом в птицеводстве Российской Федерации увеличивается доля системы хранения помета «Сухое хранение» (по методике МГЭИК) — длительное выдерживание сухого помета на специализированной гидроизолированной площадке, заменяя технологию хранения «навалом» на полевой площадке, которая запрещена Федеральным законом № 248-ФЗ.
В свиноводстве Российской Федерации идет тенденция к разделению свиного навоза на фракции, что приводит к росту объемов переработки жидкой фракции навоза методом длительного выдерживания и увеличением доли технологии пассивного компостирования. Применяемые технологии переработки навоза и помета влияют на эмиссии парниковых газов. Необходимо разработать эффективные методы для максимально точного определения численных значений эмиссии парниковых газов от применяемых систем переработки навоза и помета.
Для проведения замеров и имитации реальных режимов переработки навоза и помета в ИАЭП — филиале ФНАЦ ВИМ разработана экспериментальная установка. На ней возможно проведение замеров климатически активных веществ в режиме реального времени на различных видах навоза и помета. Установка позволяет имитировать следующие технологии переработки: длительное выдерживание твердого навоза (помета); длительное выдерживание жидкого навоза; активное компостирование; пассивное компостирование. В данном исследовании в качестве исходного материала выбран твердый ППЖ: ППЖ на основе подстилочного помета; ППЖ на основе твердой фракции свиного навоза; ППЖ на основе твердой фракции навоза КРС.
Цель исследования — определение концентрации климатически активных веществ в выбросах от переработанного твердого побочного продукта животноводства на экспериментальной лабораторной установке.
Материалы и методы исследования
Все виды побочных продуктов животноводства (ППЖ), подлежащие исследованию, были отобраны в крупных сельскохозяйственных организациях со специализированной площадки переработки. Время отбора проб — июнь 2024 года, место отбора проб — свиноводческий комплекс, птицефабрика и комплекс крупного рогатого скота. Все предприятия расположены в Северо-Западном федеральном округе (СЗФО). В качестве исходного для исследования сырья были взяты ППЖ на основе твердой фракции свиного навоза, твердой фракции навоза КРС и подстилочного помета, перерабатываемые технологией активного компостирования (без добавления влагопоглощающего материала). Все отобранные материалы были переданы в научно-исследовательскую лабораторию аналитических методов инженерной экологии Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства — филиала Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (г. Санкт-Петербург) для проведения лабораторных исследований (табл. 1).
Исследование эмиссии проводили на экспериментальной лабораторной установке, разработанной в ИАЭП — филиале ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (рис. 1), имитирующей естественные условия, характеризующие технологию активного аэробного компостирования с периодическим перемешиванием материала.
Лабораторная экспериментальная установка состояла из каркаса и герметичной камеры. Герметичная камера включала в себя верхнюю часть, в которой были размещены два миксера и инфракрасный нагреватель ECP-3 с термопарой (ООО «Полимернагрев», Россия), и нижнюю часть из нержавеющей стали, выполняющую функцию навозохранилища.
В рамках исследования были проведены замеры концентрации газов в соответствии с таблицей 2.
Исследования по определению концентрации закиси азота в газовоздушной смеси проводили в лаборатории Агрофизического научно-исследовательского института в газовом хроматографе «Кристаллюкс-4000М». Отбор пробы закиси азота производили одновременно с отбором проб остальных газов с помощью шприца в подготовленном месте воздуховода. Пробу закачивали в 15 мл пенициллиновый флакон путем вытеснения из него воздуха. После этого флакон пломбировали алюминиевым колпачком и передавали на исследование в хроматографе.
Замеры концентрации газов в ППЖ осуществляли в четырех режимах:
• режим 1 — при достижении температуры ППЖ 24–27 °С;
• режим 2 — при достижении температуры ППЖ 28–30 °С;
• режим 3 — при достижении температуры ППЖ 41–42 °С (мезофильный период);
• режим 4 — при достижении температуры ППЖ 57–58 °С (термофильный период).
Режимы исследования обоснованы необходимостью выявления закономерностей выделения газов в зависимости от температуры материала и фазы компостирования.
При режиме 1 имитируется первая фаза активного компостирования, когда материал сгружен в бурты. На режиме 2 происходит саморазогрев материала в течение непродолжительного промежутка времени. На режимах 3 и 4 материал принудительно подогревают до необходимой температуры и периодически перемешивают для равномерного разогрева с целью имитации мезофильного и термофильного периодов соответственно.
Загрузку ППЖ в установку осуществляли партиями. Каждую партию перед загрузкой взвешивали на весах ВСН-15-0,5-3 ±5 г («Вессервис» («Невские весы», Россия, поверка 05.2024 г.) (рис. 2).
Постоянную имитацию среды при переработке методом компостирования внутри камеры обеспечивали за счет движения потоков воздуха посредством приточного и вытяжного вентиляторов, которые были оснащены частотными преобразователями для задания необходимой частоты вращения. Это обеспечивало установку, поддержание и контроль необходимой скорости движения воздуха внутри камеры. Общий вид шкафа управления с выключателями нагревательных элементов и регуляторами скорости вращения вентиляторов представлен на рисунке 3.
Частота вращения вентиляторов была установлена исходя из условия обеспечения необходимого воздушного потока, сопоставимого со среднегодовой скоростью ветра в регионах расположения сельскохозяйственных организаций, предоставивших материал для исследований.
Замеры концентраций всех газов (табл. 2) осуществляли в трех повторностях для каждого из четырех режимов. Измерения проводили в соответствии с общепринятыми методиками и руководством по эксплуатации. Через отверстие в вытяжном трубопроводе, прикрепленном к верхней части герметичной камеры, в трубопровод вводили пробоотборный зонд ПЗ 1.2 (ООО «НИКИ МЛТ+», Россия), соединенный с газоанализатором посредством второпластовых трубок (рис. 4). Переработанный ППЖ не вступал в реакцию с применяемыми материалами, что способствовало получению адекватных результатов исследования.
Полученные данные были обработаны методами математической статистики в программе Microsoft Excel 2019 (США).
Результаты и обсуждение
Полученные результаты исследований по обращению с ППЖ на основе подстилочного помета и твердой фракции свиного навоза справедливы для всех природно-климатических зон РФ. Это обусловлено тем, что в промышленном свиноводстве и птицеводстве применяются типовые технологии содержания и кормления животных и птицы, вследствие чего образуемые ППЖ в разных регионах имеют сопоставимые характеристики. Что касается ППЖ на основе твердой фракции навоза КРС, то в зависимости от региона РФ применяются различные технологии содержания (выгульная и безвыгульная системы содержания) и рационы кормления животных. В связи с этим образуемый ППЖ по своим характеристикам может отличаться в зависимости от региона. Следовательно, полученные результаты по обращению с ППЖ на основе твердой фракции навоза КРС можно экстраполировать на регионы с преобладанием безвыгульной системы содержания КРС.
Результаты замера СО2, СН4, H2S, и NH3 и N2O представлены на рисунках 4–8. Средние концентрации веществ в помещении при исследовании ППЖ представлены в таблице 3.
Результаты замеров CO2 показывают, что наибольшую концентрацию (1206,7 мг/м3) наблюдали через 1 час после загрузки ППЖ на основе подстилочного куриного помета (режим 1). В целом для ППЖ на основе подстилочного куриного помета и твердой фракции навоза КРС при разогреве материала концентрация газов сначала снижалась (до 543 мг/м3 и 713 мг/м3 соответственно), а при нагреве сырья более 55 °С повышалась до 964 мг/м3 и 843 мг/м3 соответственно. Замеры концентрации CO2 от ППЖ на основе твердой фракции свиного навоза показали, что в процессе нагрева сырья концентрации возрастали с 900 до 1264 мг/м3.
Результаты замера CH4 показывают, что для ППЖ на основе подстилочного помета с повышением температуры концентрация в эмиссии падает с 0,08 до 0,03%. Для ППЖ на основе твердой фракции навоза КРС и твердой фракции свиного навоза концентрация в эмиссии возрастает, соответственно, с 0,023% и 0,02% до 0,03%.
Результаты замера H2S показывают, что его концентрация растет с подъемом температуры сырья: на 116,7% — для ППЖ на основе подстилочного помета, на 67,9% — для ППЖ на основе твердой фракции навоза КРС, на 69,9% — для ППЖ на основе твердой фракции свиного навоза.
Результаты замера NH3 показывают, что для ППЖ на основе подстилочного помета концентрации при режиме 2 снижаются с 33,97 до 15,93 мг/м3, а потом возрастают до 42,5 мг/м3. Концентрации в эмиссии от ППЖ на основе твердой фракции навоза КРС и твердой фракции свиного навоза с разогревом сырья растут с 11,1 до 16,2 мг/м3 и с 7,72 до 20,1 мг/м3 соответственно.
Концентрация N2O для переработанного ППЖ на основе подстилочного помета выше концентрации в помещении проведения исследования на режимах 1, 2, 3 и 4 на величину в 63%, 53%, 81% и 169% соответственно. В целом при обработке результатов исследований было выявлено, что в зависимости от режима исследования и изменения температуры материала наиболее интенсивно изменялись показания концентрации H2S и NH3.
Исследования показали, что после загрузки сырья (подстилочного помета, твердой фракции навоза КРС и твердой фракции свиного навоза) через 1 час концентрации всех газов снижаются, далее по мере разогрева сырья (увеличение температуры сырья) значения концентраций для всех исследуемых газов увеличиваются. Это подтверждает тот факт, что при естественном саморазогреве сырья в процессе компостирования концентрации газов увеличиваются.
Учеными из США были проведены исследования по определению эмиссии закиси азота от почв после внесения на них переработанного свиного навоза. Результаты исследования показали, что в зависимости от времени после внесения (0,1–0,8 ч.), концентрация закиси азота в эмиссиях менялась от 0,4 до 2,3 ppm. Значения авторов находятся в диапазоне 0,29–0,97 ppm.
При сравнении результатов по концентрации аммиака наблюдали сходимость значений. Учеными из Нидерландов были проведены исследования по оценке эмиссии аммиака после внесения переработанного навоза в почву. В зависимости от высоты замера (от 0 до 4 м над уровнем почвы) концентрации аммиака составили от 17 до 68 мг/м3. В исследованиях авторов концентрация аммиака для ППЖ на основе твердой фракции навоза КРС составила 2,19 ± 0,71 мг/м3, в аналогичных исследованиях — от 2,4 до 4,8 мг/м3.
Учеными из Малайзии были проведены исследования по определению концентраций метана и углекислого газа от свежего навоза коров. Концентрация метана в эмиссиях от навоза коров (возраст коровы 10 лет) в зависимости от длительности проведения исследования (от 0 до 8 сут.) составила от 0 до 3,02%. В исследованиях авторов концентрация метана находится в диапазоне 0,02 ± 0,01%. В целом имеется значительный разброс по полученным результатам.
Выводы
Определены концентрации климатически активных веществ в выбросах от твердых побочных продуктов животноводства (подстилочного помета, твердой фракции навоза КРС и твердой фракции свиного навоза) на экспериментальной лабораторной установке: концентрация СО2 находилась в диапазоне от 543 до 1264 мг/м3, концентрация СН4 — в диапазоне 0,02–0,033%, концентрация H2S — в диапазоне 0,137–0,44 мг/м3, концентрация NH3 — в диапазоне 7,72–42,87 мг/м3, концентрация N2O — в диапазоне 0,29–0,97 ppm.
В результате сопоставления полученных данных на разработанной лабораторной установке, позволяющей имитировать реальные условия переработки ППЖ, с результатами аналогичных исследований установлено, что были получены сопоставимые данные. Следовательно, данную лабораторную установку можно использовать для исследования других видов ППЖ и набора репрезентативных данных, позволяющих впоследствии уточнить национальные расчетные коэффициенты и рассчитывать прогнозные эмиссии от технологий переработки ППЖ.
Об авторах
Александр Юрьевич Брюханов, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, директор
sznii@ya.ru https://orcid.org/0000-0003-4963-3821
Эдуард Вадимович Васильев, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
sznii6@ya.ru https://orcid.org/0000-0002-5910-5793
Валентин Игоревич Базыкин, научный сотрудник
valentin-bazykin@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-6417-6433
Екатерина Викторовна Шалавина, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
shalavinaev@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-7345-1510
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства — филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ИАЭП — филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), Фильтровское шоссе, 3, пос. Тярлево, Санкт-Петербург, 196634, Россия
УДК 631.17.631.147
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-394-05-141-147
