Система озоно-электролизной стерилизации птичьего помета для внесения в качестве удобрений в культивационных сооружениях защищенного грунта

Введение. Основными проблемами в птицеводстве являются утилизация и переработка птичьего помета в высококачественное органическое удобрение. Необеззараженный помет является одновременно и высокоэнергетическим сырьем и источником биологической опасности.

Он заражен патогенной микрофлорой, гельминтами и содержит слишком высокую концентрацию фосфатов и нитратов. Перед внесением птичьего помета в грунт его необходимо обеззаразить и снизить концентрацию фосфатов и нитратов. В настоящее время существует несколько способов переработки птичьего помета в удобрения [1, 3, 4, 5, 12].

Методика исследования. Рассмотрим наиболее распространённые способы обработки птичьего помета в сельскохозяйственном производстве.

• 1.    Способ классического или пассивного компостирования – основан на длительном отстаивании навоза в специально подготовленных буртах. Процесс отстаивания занимает обычно до 12 месяцев, но при обнаружении бактерий туберкулёза срок компостирования увеличивается до 24 месяцев.

• 2.    Биотермический способ – основан на жизнедеятельности термофильных бактерий. Термофильный режим достигается при нагревании помета до 60 °С. Срок обеззараживания в осенне-зимний период составляет до 6 месяцев, а в летний сокращается до 3-х месяцев.

• 3.    Химический способ – основан на добавлении в обеззараживаемый помет химических реагентов, которые способствуют обезза-

• раживанию помета, (хлорсодержащие вещества или аммиак).

• 4.    Биоэнергетический способ – обеззараживание навоза происходит с помощью биоре-акторных установок. Помимо получения обеззараженного навоза, продуктом производства также является биогаз. Способ заключается в природном разложении помета, которое происходит благодаря жизнедеятельности бактерий.

• 5.    Электрохимический способ – основан на добавлении в помет индифферентных компонентов, которые подвергаются электролизу и образуют новые химические соединения.

Недостатками данного способа является необходимость создания площадки для компостирования, постоянное загрязнение окружающей среды, особенно при содержании её на открытом воздухе, до 30% яиц гельминтов и до 20% семян сорных культур могут выжить в помете даже после полного срока отстаивания.

Недостатками являются большие сроки обеззараживания и очень высокие затраты, особенно если речь идёт о сушильных агрегатах или камерах. Ко всему прочему, помет, обработанный в сушильной камере, не является органическим удобрением, так как не прошёл стадию биологического разложения.

Достоинством способа является использование в любое время года. Также время обеззараживания по сравнению с классическим компостированием снижается в 4 раза.

Недостатком данного способа является то, что использование реагентов может снизить ценность удобрений. При повышении уровня кислотности азотистые вещества начинают выделяться и загрязнять окружающую среду.

Недостатками способа являются высокая стоимость и опасность взрыва биореактора, связанная с тем, что содержимое биореактора должно перемешиваться минимум 4 раза в сутки с применением электрифицированного оборудования, при этом необходимо обеспечивать полную герметичность и контроль давления вырабатываемого газа.

Многие предприятия используют малые биореакторы только для обеззараживания помета, без сбора газа, это в свою очередь загрязняет окружающую среду, при том что затраты на сооружение и электроэнергию достаточно велики.

Достоинствами являются очень высокая скорость обеззараживания (до нескольких минут на тонну помета), высокая эффективность обеззараживания (гибнут не только яйца гельминтов, бактерий и вирусов).

Недостатки способа в том, что электролиз проводится в специальных электролизных ваннах, а электроды электролизера подвержены разложению. Для обработки больших объемов помета требуются огромные электролизные ванны со значительным электропотреблением. При разложении электродов в таких электролизерах затруднительно их быстрое восстановление с минимальными капитальными затратами.

1 – внешний электрод; 2 – внутренний электрод; 3 – соединительная муфта; 4 – заглушка; 5 – переходная муфта;

6 – отверстия для перераспределения обеззараживаемого раствора по камере обеззараживания;

7 – камера обеззараживания

Рисунок 1 – Конструкция коаксиального проточного электролизера

Анализ представленных способов обеззараживания помета показал, что самым эффективным и высокоскоростным является электрохимический способ, но его недостатки сдерживают его повсеместное применение [7, 8, 9, 10, 11].

Результаты исследований и их обсуждение. Для устранения недостатков электрохимического способа обеззараживания – снижения стоимости и габаритов установки по обеззараживанию, уменьшения электропотребления, повышения его эффективности – предлагается использовать комбинированный озоноэлектролизный способ обеззараживания.

Емкостный электролизер с большим энергопотреблением и высокой стоимостью предлагается заменить на проточный малогабаритный, конструкция которого представлена на рисунке 1.

Данный электролизер предназначен для циклической прокачки и обеззараживания больших объемов гомогенизированной органической массы.

Обеззараживаемая органическая масса подается в переходную муфту 5 внутреннего электрода 2, затем через отверстия 6 попадает в камеру обеззараживания 7. Камера обеззараживания образуется между двумя электродами внутренним 2 (катодом) и внешним 1 (анодом). Затем обеззараживаемая масса выходит через аналогичные отверстия 6 и выходную муфту 5.

Внутренний электрод симметричен, поэтому не важно, с какой стороны электролизера будет подаваться обеззараживаемая масса.

Для обеспечения высокой скорости обеззараживания расстояние между анодом и катодом довольно мало – 20–30 мм, а длина электродов достаточно большая – более 1000 мм. При таких параметрах, даже при прокачке через электролизер больших масс обеззараживаемого помета (до 13 м3/ч и плотности тока 0,055 А/см2), времени нахождения между электродами будет достаточно для полного обеззараживания.

Для повреждения ДНК и РНК микроорганизмов достаточно кратковременного воздействия электрического тока определенной плотности (до нескольких млс.). Слишком длительное воздействие приводит к нерациональному потреблению электрической энергии и быстрому разложению электродов.

В процессе длительной работы электролизера (обеззараживание нескольких сотен тон помета) его внешний электрод будет растворяться, насыщая обрабатываемую массу ионами железа и делая её еще более ценной в качестве удобрения. Поэтому внешний электрод сделан съемным и легко заменяемым.

На рисунке 2 представлены схема работы системы обеззараживания и внешний вид экспериментальной установки.

1 – источник питания с преобразователем; 2 – промежуточная емкость для обеззараживания; 3 – трубы для перекачки;

4 – фекальный насос с измельчителем; 5 – проточный электролизер; 6 – компрессорный генератор озона Рисунок 2 – Схема работы системы обеззараживания и внешний вид экспериментальной установки

Экспериментальная установка проточного электролизёра для обеззараживания органических удобрений (представленная на рисунке 2) состоит из ёмкости на 200 л, коаксиального электролизера, электронного преобразователя с выпрямителем, фекального насоса с измельчителем, компрессорного генератора озона. Помет для обеззараживания и вода в определенной пропорции подаются в ёмкость с установленным в ней фекальным насосом, где под воздействием напора воды помет растворяется и переходит в жидкое гомогенизированное состояние. Фекальным насосом гомогенизированный субстрат подается в электролизер, на электроды которого подаётся выпрямленное напряжение. Происходит процесс электролиза. Масса постоянно перекачивается и дополнительно гомогенизируется. После электролизера в суб- страт подается озоно-воздушная смесь, дополнительно его обеззараживая. Процесс обеззараживания контролируется при помощи измерения кислотного числа и сравнения его с первоначальными показателями.

После полного обеззараживания удобрение сливается и либо вносится в грунт в жидкой фазе, либо его можно отправить на фильтрпресс, отделить влагу, просушить и использовать в сухом виде.

В процессе эксперимента в установку загружались определенные порции воды и птичьего помета. С помощью нитрометра VD-2007 VITATEST определяли уровень начальной кислотности (pH). Затем на электроды электролизера подавалось регулируемое выпрямленное напряжение и контролировался протекающий ток.

Таблица 1 – Результаты экспериментального определения влияния силы тока и экспозиции обеззараживания на изменение уровня кислотности

Сила тока I, А	Экспозиция обработки t, мин	Количество воды Q, л	Количество куриного помета q, кг	Начальный уровень кислотности, ph н	Конечный уровень кислотности, ph к
10	90	170	25	4,51	7,1
20	60	170	25	4,4	6,8
40	35	170	25	4,56	6,9
60	25	170	25	4,6	7,1
80	18	170	25	4,55	6,9
100	15	170	25	4,62	7
120	10	170	25	4,6	6,8
140	8	170	25	4,68	6,9
160	8	170	25	4,66	6,9
180	7	170	25	4,55	7

Измерения при токе (I), равном от 10 до 60 А, проводились через каждые 10 минут, при токе (I), равном от 80 до 120 А, через каждые 5 минут, а при токе (I), равном от 140 до 180 А, через каждые 4 минуты.

Результаты приведенных экспериментальных исследований приведены в таблицах 1 и 2 и на рисунках 3, 4.

Рисунок 3 – График зависимости времени обеззараживания птичьего помета от плотности тока обработки в рабочей камере электролизера для достижения конечного значения рН = 7

Анализ графика, представленного на рисунке 3, позволяет сделать вывод, что оптимальное время обработки при I = 100–120 А составляет 15 минут. Увеличение тока свыше

120 А является нецелесообразным и приводит к существенным энергетическим затратам, поскольку тратится не на процесс электролиза, а на нагрев обрабатываемого раствора.

Таблица 2 – Результаты экспериментального определения влияния экспозиции обеззараживания на изменение уровня кислотности при плотности тока в электролизере J = 0,09, А/см2

t, мин	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7
pH	4,55	4,95	5,6	6	6,25	6,4	6,7	6,75	6,8	6,85	6,8	6,9	6,95	7	7,01

Рисунок 4 – График зависимости определения влияния экспозиции обеззараживания на изменение уровня кислотности при плотности тока в электролизере J = 0,09, А/см2

Анализ графика, представленного на рисунке 4, показывает, что изменение кислотности обрабатываемого раствора носит конечный характер (достигает определенного значения – в данном случае величины pH = 7) и дальнейшее увеличение экспозиции не ведет к росту pH. При плотности тока J=0,09 А/см2 достаточно экспозиции обработки в течение 3 минут.

Выводы (заключение). Проведенные экспериментальные исследования по влиянию плотности тока на экспозицию для стерилизации птичьего помета подтвердили теоретические предположения о том, что увеличение плотности тока приводит к сокращению времени обработки, но эта зависимость имеет нелинейный характер. Увеличение плотности тока свыше 0,06 А/см² (что соответствовало току в 120 А) является нецелесообразным и приводит к существенным энергетическим затратам, при этом экспозиция обработки, достаточная для обеззараживания и изменения кислотности до pH = 7, будет составлять до 15 минут.

Применение озоно-электролизного способа обработки птичьего помета для внесения в качестве органического удобрения в сооружениях защищенного грунта эффективно обеззараживает от патогенной микрофлоры и гельминтов, сокращает время обработки по сравнению с классическими способами, повышая при этом продуктивность готового удобрения.