Технология снижения газовых выбросов животноводческих ферм

Полный текст

В последнее десятилетие на территории России наблюдается довольно динамичное развитие сельскохозяйственной деятельности, производство продуктов из растительного и животного сырья. Появление широкого ряда крупных АПК и высокопроизводительных перерабатывающих предприятий подразумевает, прежде всего, источники повышенной техносферной опасности, где главным негативным фактором, влияющим на состояние ОС и здоровье населения [1; 2], выступают воздушные и водные поллютанты. Наиболее вредными воздушными загрязнителями, поступающими в атмосферу в процессе производственных циклов предприятий сельскохозяйственной направленности являются парниковые газы[11] с основным составом в виде диоксида углерода (СО2), метана (СН4), оксида азота (NO), диоксида азота (NO2), аммиака (NH3), сернистых соединений и значительного количества пыли (биоаэрозолей)[12]. Немаловажным фактором является наличие дурнопахнущих веществ, образующихся на животноводческих и птицеводческих комплексах при содержании животных, уборке и хранении птичьего помета и навоза[13]. Особое внимание следует обратить на то, что в подавляющем большинстве современных производственных процессов в сельском хозяйстве и при переработке продуктов из животного сырья до сих пор используются открытые технологические циклы, не исключающие выброса воздушных поллютантов в окружающую среду. Данная тенденция наблюдается даже в экономически развитых странах, где большое внимание уделяется разработке безотходных технологий с комплексной переработкой или удалением побочных продуктов в замкнутых производственных циклах[14]. Обозревая основные методы очистки и обезвреживания отходящих газов сельскохозяйственной деятельности, в первую очередь следует обратить внимание на их химический и дисперсный состав. Наиболее распространенными видами оборудования для улавливания частиц пыли и капельной жидкости являются циклонные или тканевые (рукавные) фильтры, где удаление частиц загрязнителей происходит под действием центробежной силы и посредством дальнейшей бункеровки или удаления накопившейся массы обратной продувкой. Данный метод фильтрации довольно эффективен и прост в обслуживании, однако не позволяет снизить ПДК некоторых воздушных поллютантов до приемлемых показателей из-за возможности улавливания только крупных частиц (40…1000 мкм). Аппараты для мокрой очистки газов получили широкое применение, так как они характеризуются эффективной очисткой и улавливанием пожароопасных пылей и в тех случаях, когда параллельно требуется доочистить воздух от токсичных примесей и паров. Один из распространенных аппаратов этого типа - ротоциклон, где смесь загрязненного воздуха под давлением, создаваемым вихревым потоком, проходит через слой воды, в котором осаждаются тяжелые частицы, откуда затем удаляются. Однако аппараты подобного технологического принципа имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих область их применения: образование значительной массы шлама с последующим удалением и переносом, образование конденсированных отложений в газоводах и необходимость в подаче оборотной воды в уловитель. Альтернативными решениями по очистке воздуха являются системы адсорбционного и абсорбционного поглощения, где поглощение загрязняющего вещества осуществляется объемом другого тела. Данные методы являются наиболее распространенными и применяются для удаления нерастворимых (или слаборастворимых) поллютантов в воде или поглощения веществ загрязнителей поверхностным слоем твердого тела (активированный уголь, алюмогели, силикагели, глиноземы и т.д.). Технологические узлы подобного типа позволяют селективно удалять довольно широкий спектр загрязнителей, таких как диоксид серы (SO₂), сероводород (H₂S), оксид азота (NO), диоксид азота (NO2), аммиак (NH3), а также различные соединения углеводорода (CH4). Более того, вышеописанные методы позволяют достигнуть не только высокого экологического значения, но и экономического, поскольку позволяют возвращать в воздухообменную систему повышенный объем паров летучих растворителей, что в особой степени актуально при использовании в сельскохозяйственном производстве закрытого типа (на птицефабриках, в коровниках и т.д.). К недостаткам подобных систем относится финансовая невыгодность в покупке дорогостоящих адсорбентов и логистические трудности доставки в удаленные сельские районы. Анализируя профильные данные тематических литературных источников, применение органических загрузок для абсорбционной очистки воздуха является перспективным направлением, подразумевающим не только экономическую выгоду, но и повышение экологичности технологических процессов очистки [4; 5]. Газофазные биофильтры представляют собой биологические реакторы, в которых используются микроорганизмы, колонизирующие пористую среду, для разложения загрязняющих веществ из воздушного потока. Биофильтры обладают потенциалом очистки больших объемов загрязнителей воздуха при низких концентрациях, что часто встречается при эмиссии газов отходов сельского хозяйства. Аммиак удаляется из воздушного потока путем адсорбции на твердой среде биофильтра (также при орошении загрузки, абсорбции жидкостью), а затем окисляется посредством микробной нитрификации, которая представляет собой аэробное превращение NH3 в нитриты () и нитраты () [5]. Плохое проникновение кислорода в среду биофильтра приводит к потенциальным бескислородным/анаэробным микробным метаболическим условиям, которые будут подавлять нитрификацию и повышать вероятность денитрификации. Использование соломы в основе загрузки сорбента позволяет минимизировать данные риски. Рассматривая отдельный объект техносферной опасности, коллективом авторов данной статьи было проведено исследование по очистке газовых выбросов животноводческой фермы, расположенной в полупустынной зоне в Республике Калмыкия. Экспериментальная часть основывалась на применении разработанной ранее экспериментальной установки [6], где в качестве загрузки абсорберов применялись кремнийсодержащие породы (бентонит и диатомит), а также предварительно подготовленная пшеничная солома местного происхождения. Применение данных материалов объясняется эффективностью удаления ЗВ, низкой стоимостью и высокой сорбционной емкостью [7]. Модель установки представляет собой емкость, моделирующую приемную камеру-лагуну для хранения отходов жизнедеятельности КРС. Внутри модельной емкости установлен регулируемый воздушный нагнетатель, позволяющий осуществлять выброс направленного потока воздуха со скоростью больше или равно 1,5…2 м/с, что практически идентично соответствует показателям из камер-лагун по результатам, полученным непосредственно на месте. Параллельный опыт подразумевал прохождение загрязненного потока воздуха через три модели абсорберов с сорбирующей загрузкой из различных материалов. Общий вид параллельного опыта и установок изображен на рис. 1. Рис. 1. Установки в момент проведения измерения Источник: фотография автора. Используемые модели биосорберов с органической сорбирующей загрузкой представляют собой емкость объемом 200 мл, куда помещена подготовленная солома, объем которой равен примерно 55 см3. Для выбора наиболее эффективной загрузки проводился параллельный опыт на трех моделях с различными вариантами рабочего сырья, где исходная пшеничная солома смешивалась с термически модифицированной кремнийсодержащей породой одного из месторождений Ростовской области (D ≈ 1 мм, V = 16 см3), а также золой этой же соломы, карбонизированной при температуре около 250…300 °С (V = 16 см3): 1. Подготовленная пшеничная солома (V = 55 см3). 2. Подготовленная пшеничная солома + термически модифицированная кремнийсодержащая порода (V = 55 + 16 = 71,5 см3). 3. Подготовленная пшеничная солома + карбонизат соломы (V = 55 + 16 = 71,5 см3) Биосорберы герметично присоединялись к установкам, где объем воздушного потока с ЗВ проходил через адсорбирующую загрузку. Далее, на выходе из проводящих камер в крайних точках установок, были установлены силиконовые шланги для прямого подсоединения к СИ (газоанализаторам). Общий вид биосорберов с органической загрузкой в момент проведения измерения представлен на рис. 2. Рис. 2. Общий вид биосорберов с органической загрузкой Источник: фотография автора. В качестве раствора, имитирующего выброс воздушных поллютантов, из приемной камеры-лагуны были отобраны отходы жизнедеятельности КРС и МРС, смешанные с дождевой водой (V = 2,5 л). Для измерения концентрации ЗВ в выбросах из модельных емкостей применялись газоанализаторы Эко-Интех ЭЛАН и Колион 1-В, имеющие действующие свидетельства о поверке средств измерения. В табл. 1 представлены исходные концентрации газовых выбросов от модельного раствора, сравниваемые с нормативами СанПин 1.2.3685-21 в мг/м3 (как средние результаты трех параллельных измерений)[15]. Таблица 1. Сравнительные показатели состава газовых выбросов модельного раствора и ПДК по СанПин 1.2.3685-21 № п/п Определяемый показатель (газ) Ед. изм. Результат измерений ПДК м.р. 1 CO (оксид углерода) мг/м3 7,03 5 2 NO (оксид азота) мг/м3 0,005 0,4 3 NO2 (диоксид азота) мг/м3 0,553 0,2 4 H2S (сероводород) мг/м3 0,35 0,008 5 SO2 (диоксид серы) мг/м3 0,49 0,5 6 NH3 (аммиак) мг/м3 11,0 0,2 Источник: составлено авторами. Согласно полученным данным измерения исходной концентрации ЗВ (табл. 1), очевидно, что некоторые показатели значительно превышают нормы ПДК (согласно требованиям СанПин 1.2.3685-21), поэтому коллективом авторов данного исследования было принято решение по поиску наиболее оптимизированного состава абсорбционной загрузки в трех различных вариантах. В основу данного эксперимента входили три параллельных измерения обрабатываемых газовых выбросов, где измерение концентрации ЗВ производилось в 5 контрольных временных отрезках с интервалами в 30 минут. Данная методика позволила установить наиболее эффективный органический состав загрузок, применяемых в биосорберах. Из результатов контрольных измерений в 5-й контрольной временной точке (табл. 2) удалось выявить динамику (удаление ЗВ выражено в %) по существенному снижению концентрации почти по всем показателям, где исключением выступает лишь незначительное увеличение эмиссии воздушных поллютантов только одной группы. Исходя из окончательных данных параллельных измерений, представленных в табл. 2, очевидна рациональность использования смеси из подобранных органических материалов. Процентное соотношение значений удаленных веществ (см. табл. 1) указывает на практически полную очистку всего объема загрязненного воздуха, проходящего через абсорберы, установленные на модели, имитирующей выброс поллютантов из приемных камер-лагун. Незначительное увеличение эмиссии монооксида азота (NO) и оксида углерода (СО) может быть связано с возможным заполнением адсорбционных пор (энергоемкостью сорбента), поскольку использование подобных материалов в агрессивных средах ведет к довольно быстрому снижению адсорбционных характеристик [8]. Таблица 2. Результаты трех сравнительных измерений газовых выбросов (с % удаления), полученные с использованием биосорберов со смешанными наполнителями № п/п Определяемый показатель (газ) Ед.изм. Результат измерений ПДК м.р. Солома + бентонит + уголь Солома + бентонит Солома + уголь 1 CO (оксид углерода) мг/м3 4,98 +29,2% 4,01 42,9% 4,92 30% 5 2 NO (монооксид азота) мг/м3 0,041 +4,1% 0,016 +1,6% 0,015 +1,5% 0,4 3 NO2 (двуокись азота) мг/м3 0,000 100% 0,091 83,5% 0,000 100% 0,2 4 H2S (сернистый водород) мг/м3 0,00 100% 0,08 77,1% 0,00 100% 0,008 5 SO2 (диоксид серы) мг/м3 0,31 36,7% 0,39 20,4% 0,24 51% 0,5 6 NH3 (аммиак) мг/м3 0 100% 7,0 63,6% 0 100% 0,2 Источник: составлено авторами. Результаты, полученные в ходе вышеописанного экспериментального параллельного опыта, позволяют сделать вывод об успешности и правильности подбора смешанных органических наполнителей для биосорберов. Дополнительным аддитивным фактором выступает эффективность подобного типа загрузок (исходя из данных табл. 2), практически приближенная к отметке полного удаления указанных групп воздушных загрязнителей, что позволяет выявить дальнейшую перспективу в разработке сорбирующих материалов из отходов сельскохозяйственной деятельности и кремнийсодержащих пород. Тематика использования подобных типов сорбентов в условиях реальных объектов промышленности и сельского хозяйства требует проведения дальнейших исследований по технологической эффективности.

Об авторах

Никита Борисович Бондаренко

Донской государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikbond@mail.ru
аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения Российская Федерация, 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

Надежда Валерьевна Кондакова

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: kondakova.nadya.v@yandex.ru
аспирант кафедры водного хозяйства, инженерных сетей и защиты окружающей среды Российская Федерация, 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Сергей Вадимович Старовойтов

Ростовский государственный университет путей сообщения

Email: se.starovoytov@yandex.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики на железнодорожном транспорте Российская Федерация, 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

Денис Александрович Бутко

Донской государственный технический университет

Email: den_111@mail.ru
кандидат технических наук, заведующий кафедрой водоснабжение и водоотведение Российская Федерация, 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

Список литературы