способ утилизации выбросов вредных примесей в воздухе животноводческих помещений

Формула изобретения

Способ утилизации выбросов вредных примесей в воздухе животноводческих помещений, включающий подкормку растений углекислым газом и азотными удобрениями за счет подачи воздуха со смесью газов по трубопроводам из животноводческого помещения в систему аэрационного дренажа почвенного слоя теплиц, отличающийся тем, что в периоды между культурооборотами эти выбросы подаются на площадки для приготовления субстратов из органических материалов, объем которых определяется по формуле:



где W - объем компостируемого органического материала, м³;

24 - число часов в сутках;

G _NH3 ^ч - количество выбрасываемого аммиака из животноводческого помещения, кг/ч/гол;

Т_ком - период компостирования, дни;

K₁ - содержание азота в аммиаке, %;

N - количество голов животных в животноводческом помещении;

G_уд - количество азотных удобрений, которые следует внести при компостировании органических материалов, кг/м ³;

K₂ - содержание азота в применяемом для компостирования удобрении, %.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к охране окружающей среды от вредных выбросов животноводческих помещений.

Известен способ содержания животных (патент РФ № 2076588, A01K 5/00), включающий кормление животных зелеными кормами, полученными в растильне при их выращивании, удаление навоза из животноводческого помещения в емкость для его хранения, отбор сбросного воздуха из животноводческого помещения и подачу его в растильню, использование в животноводческом помещении обогащенного кислородом воздуха из растильни. Навоз перед подачей в емкость разделяют на твердую и жидкую фракции, причем жидкую фракцию разбавляют водой в соотношении 1:5-1:10 и используют в растильне при выращивании зеленого корма, твердую фракцию хранят в емкости, а тепло и газ, выделяющиеся в ней при протекании биотермического процесса, используют для технологических нужд соответственно для подогрева воды или воздуха в теплице при сжигании упомянутого газа.

Недостатками данного способа являются:

1). Тепло и газ, который получают только из емкости хранения твердой фракции навоза.

2). Не используют аммиак, выделяемый животными в процессе жизнедеятельности.

А также известен способ очистки воздушных выбросов и сточных вод животноводческих комплексов с использованием растений (патент РФ № 2179158, C02F 3/32, C05F 7/00), включающий отвод загрязненного воздуха с помощью воздушного насоса, растворение его в воде и выращивание в ней при освещении растений. Выращивание растений осуществляют в расположенных ярусами на стенках корпуса емкостях с наклонными в сторону стенок корпуса днищами, имеющими светоотражающие наружные поверхности, при этом освещение осуществляют с помощью ламп, расположенных по центру корпуса между рядами ярусов емкостей.

Недостатками способа является следующее.

1. Стенки корпуса выполнены из светоотражающего материала, поэтому необходимо применять трудоемкие дополнительные операции, что в итоге усложняет технологию изготовления. При выращивании растений возникает повышенное содержание относительной влажности воздуха, вследствие чего стенки корпуса будут запотевать, что снижает надежность и эффективность конструкции.

2. Наличие в стоках большого количества микробиологических загрязнений, грибков, бактерий, яиц гельминтов и др. Все эти бактериологические и микробиологические организмы могут передаваться через корм животным, что отрицательно сказывается на здоровье животного.

3. Вода, подаваемая в емкости для выращивания растений, не подогревается, в связи с чем отрицательно действует на рост и развитие растений.

Наиболее близким к предлагаемому способу относится «способ подкормки растений в теплицах углекислым газом и азотными удобрениями» (патент РФ № 2192120, A01G 7/02, A01G 9/18), включающий подачу воздуха со смесью газов из животноводческого помещения в теплицу. Воздух со смесью газов подают в теплицу с помощью трубопроводов и системы аэрационного дренажа, которая представляет собой почвенный слой теплицы, объем которого по подкормке растений углекислым газом определяют по формуле

где Т_с=24 ч;

G_1K - выделение CO₂ одним животным, кг/ч;

N - количество животных на ферме;

П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м²ч;

Т_п - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток - 4-6 ч;

G - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг,

а его объем по поглощению азотных удобрений в аммонийной форме определяют по формуле

где V - объем почвенного слоя в теплице, м³;

G - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг;

Т_в - вегетационный период выращивания растений в теплице, дни;

h - толщина почвенного слоя в теплице, м;

П - потребление азота одним растением за период вегетации (Т_в дней), кг/шт.;

n - количество растений, произрастающих на 1 м² теплицы, шт./м²;

при этом окончательный объем почвенного слоя теплицы устанавливают по максимальному значению полученных объемов.

Недостатком такого способа использования вентиляционных выбросов животноводческих помещений является то, что растения потребляют азот неравномерно в течение вегетационного периода. При непрерывной подаче воздуха из животноводческого помещения в тепличный грунт в течение всего вегетационного периода выращивания растений в нем может образоваться избыток азотных удобрений, особенно в форме аммиачных соединений NH₄ ⁺, что может нанести повреждение растениям особенно в первые месяцы после высадки рассады.

Задача изобретения - реализация избытка вентиляционных выбросов из животноводческого помещения после подкормки растений по агротехническим требованиям, что приведет к полной реализации выбросов из животноводческого помещения и как следствие к решению задачи по повышению охраны окружающей среды.

Поставленная задача решается за счет того, что способ утилизации выбросов вредных примесей в воздухе животноводческих помещений включает подкормку растений углекислым газом и азотными удобрениями за счет подачи воздуха со смесью газов по трубопроводам из животноводческого помещения в систему аэрационного дренажа почвенного слоя теплиц. В периоды между культурооборотами эти выбросы подаются на площадки для приготовления субстратов из органических материалов, объем которых определяется по формуле

где W - объем компостируемого органического материала, м³;

24 - число часов в сутках;

G_NH3 ^ч - количество выбрасываемого аммиака из животноводческого помещения, кг/ч/гол;

Т_ком - период компостирования, дни;

K₁ - содержание азота в аммиаке, %;

N - количество голов животных в животноводческом помещении;

G_уд - количество азотных удобрений, которые следует внести при компостировании органических материалов, кг/м³;

K ₂ - содержание азота в применяемом для компостирования удобрении, %.

Новые существенные признаки:

1. В периоды между культурооборотами выбросы подаются на площадки для приготовления субстратов из органических материалов.

2. Объем органических материалов определяется по формуле

где W - объем компостируемого органического материала, м³;

24 - число часов в сутках;

G_NH3 ^ч - количество выбрасываемого аммиака из животноводческого помещения, кг/ч/гол;

Т_ком - период компостирования, дни;

K₁ - содержание азота в аммиаке, %;

N - количество голов животных в животноводческом помещении;

G_уд - количество азотных удобрений, которые следует внести при компостировании органических материалов, кг/м³;

K ₂ - содержание азота в применяемом для компостирования удобрении, %.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат достигается тем, что воздух из животноводческого помещения, содержащий примеси углекислого газа и аммиака, круглосуточно отбирается из нижней зоны животноводческого помещения, где концентрация этих примесей максимальная. При этом должен быть обеспечен постоянный приток свежего воздуха в помещение за счет верхних приточных отверстий в животноводческом помещении.

Воздух, отбираемый из животноводческого помещения, направляется через систему трубопроводов в дренажную систему площадок для приготовления субстратов из древесной коры и прочих органических материалов в периоды между культурооборотами, а в периоды активного роста и развития растений - направляется через дренажную сеть теплиц в адсорбирующее устройство, представляющее собой слой тепличного грунта высотой 0,25 0,3 м.

Согласно литературным данным (Н.П.Козлова, Н.В.Максимов. Оценка эмиссии углекислого газа и аммиака из коровников. / Снижение отрицательного воздействия на окружающую среду химически активного азота при производстве сельскохозяйственной продукции. Материалы совещания-семинара 10 декабря 2009 года. - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2010. - С.114-122), в периоды, когда температура наружного воздуха t_H 0, концентрация аммиака в воздухе коровника q_NH3 =8 мг/м³, а при температуре t_H 0 концентрация аммиака в воздухе составляет q_NH3 =4,5 мг/м³. Минимальный воздухообмен V_min коровников по нормам НТП 1-99 равняется 15 м³/ч на центнер живой массы животного.

Для коровников с животными массой 500 кг V_min=75 м³/ч·гол, максимальный в летний период обычно принимается равным V _max=(3 4)×V_min, т.е. порядка 225 300 м³/ч·гол. По тому же источнику V _min ^cp=88 м³/ч·гол, а V_max ^cp=149 м³/ч·гол.

Выход аммиака в зимний период года составил G_з=88×8=704 мг/ч или 0,0007 кг/ч, в теплый период года G_п=149×4,5=670,5 мг/ч или 0,00067 кг/ч.

Таким образом, можно принять, что выход аммиака из коровника в среднем составляет: G_NH3 ^cp=0,0007 кг/ч/гол, тогда за сутки выход аммиака составит G_NH3 ^cp=24×0,0007=0,0168 кг/гол, и за год - G_NH3 ^cp=0,0168×365=6,13 кг/гол. Выход аммиака из коровника за период компостирования, например, древесной коры (в среднем за 3 месяца): G_NH3 ^ком=0,0168×90=1,51 кг/гол.

По мировым стандартам принято считать, что годовой выход аммиака из животноводческой фермы составляет 11 кг/гол/год. Примем в наших примерах большее значение, а именно: 11 кг/гол/год. Тогда, в отличие от данных, приведенных выше, суточный выход составляет G_NH3 ^cут=11/365=0,03 кг/гол, часовой - G_NH3 ^ч=0,03/24=0,00125 кг/гол, а выход аммиака за период компостирования древесной коры - G_NH3 ^ком=0,03×90=2,7 кг/гол. Таким образом, количество аммиака, которое можно использовать для приготовления субстрата в течение 3-х месяцев, например, из древесной коры, может варьироваться в пределах от 1,5 до 2,7 кг/гол. Аммиак содержит 82,3% азота. Тогда выход чистого азота за это время составит от 1,24 до 2,22 кг/гол.

Для приготовления субстрата из древесной коры требуется внести 4,3 кг/м³ мочевины, которая содержит 46% азота. В пересчете на чистый азот следует внести для компостирования 4,3×0,46=1,98 кг N. Эта величина азота, требуемого для компостирования 1 м³ древесной коры, выше значений по выходу азота из животноводческого помещения, полученных экспериментальным путем (1,51 кг/гол), но ниже значений, полученных на основе расчетов по принятым международным нормам (2,7 кг/гол.). Поэтому формула для расчета объема компостируемого материала принимает вид

где W - объем компостируемого органического материала, м³;

24 - число часов в сутках;

G_NH3 ^ч - количество выбрасываемого аммиака из животноводческого помещения, кг/ч/гол;

Т_ком - период компостирования, дни;

K₁ - содержание азота в аммиаке, %;

N - количество голов животных в животноводческом помещении;

G_уд - количество азотных удобрений, которые следует внести при компостировании органических материалов, кг/м³;

K ₂ - содержание азота в применяемом для компостирования удобрении, %.

Экономия азотных удобрений при компостировании древесной коры, опилок, и др. материалов определяется по формуле

Пример 1.

В животноводческом помещении крупного рогатого скота содержится 100 голов молочных коров весом 500 кг каждая с удоем до 30 л. Содержание аммиака в воздухе коровника составляет в среднем 7 мг/м³. В холодный период года с октября по январь включительно воздухообмен в помещении составляет порядка 88 м³/ч на голову, в теплый период года -149 м³/ч·гол.

Количество аммиака, которое выделяется при вентиляции животноводческих помещений в течение суток в расчете на одно животное, составляет от:

G_NH3 ^сут=10^-6×24×q_NH3 ×V_вент=10^-6×24×7×88 0,015 кг/гол.

и до: G_NH3 ^сут=10^-6×24×q_NH3 ×V_вент=10^-6×24×7×149 0,025 кг/гол.

На ферме в 100 голов количество выделяемого аммиака в год составит

G_NH3 ^год=G_NH3 ^сут×365=(0,015+0,025)/2×365×100=730 кг.

В качестве азотного удобрения для приготовления субстрата из древесной коры применяем мочевину. Период компостирования древесной коры принимаем равным Т_ком=90 дней. Тогда объем получаемого субстрата из древесной коры будет равен

Таким образом, за период компостирования Т_ком=90 дней ферма крупного рогатого скота в 100 голов может выбросить порядка 148 кг чистого азота, входящего в состав аммиака. За счет этих выбросов можно скомпенсировать расход азотных удобрений в виде мочевины в размере

G_уд ^ком=4,3×75=322 кг, что составляет 148 кг чистого азота.

Полученный после компостирования субстрат может быть использован в теплицах для выращивания овощных культур на площади

F=W/0,25=75/0,25=300 м ².

В остальное время года откачиваемый из коровника воздух может быть использован для подачи в теплицы через дренажную систему для подкормок растений.

Пример 2.

При использовании в качестве субстратов древесных опилок слоем 0,25 м на площадь 1000 м² предварительно вносят 250 кг аммиачной селитры, которая содержит 34% или 85 кг азота. Таким образом, на 1 м³ опилок вносят 1 кг аммиачной селитры.

Объем опилок, которые могут «поглотить» аммиак, выделяемый в животноводческом помещении, где содержится 100 голов коров весом 500 кг, в течение времени подготовки субстратов, которое для опилок равно Т_ком =60 дней, определим по формуле

где G_уд=1 кг/м³, K²=0,34.

F=W/0,25=290/0,25=1160 м² .

Экономия азотных удобрений при компостировании опилок составит:

G_N ^эк=W×G_уд=290*1=290 кг.

Пример 3.

Для Северо-Западной зоны в зимних блочных теплицах наиболее распространенным является культурооборот с выращиванием огурца (с 1-20/1 по 25/7), томата (с 1/8 по 10-15/12) и выгоночные культуры (3/12-3/1). В первом обороте для подкормок растений огурца рекомендуется вносить каждые 10 дней азотные удобрения в расчете на азот 10 г/м². Итого за период вегетации (210-240 дней) производится порядка 15 подкормок (исключаются месяцы после посадки рассады и в конце вегетационного периода растений). Расход азота при этом может составить G_N =15×10=150 г/м² или 0,15 кг/м². Содержание азота К₂ для каждого вида удобрения разное, в мочевине К₂=46%. Для площади теплиц 300 м² (см. пример 1) G_N=0,15×300=45 кг, а доза внесения мочевины составит G_уд ^подк=45/0,46 98 кг.

Во втором обороте при выращивании томатов рекомендуется производить подкормки азотом каждые 15-20 дней. Исключая первый и последний месяцы, количество подкормок в осенний период составит примерно 4 раза по 30 г/м² азота. Таким образом, за второй оборот расход азота составит G_N=30×4=120 г/м², для площади 314 м² расход азота равен G_N=0,12×30=36 кг, а расход удобрений (мочевины) составит G_уд ^подк=36/0,46=78 кг. Итого на подкормки растений в двух оборотах на площади 300 м² требуется 45+36=81 кг азота или 98+78=176 кг мочевины.

Для площади теплиц 1160 м² (пример 2) расход азота в течение вегетационного периода для подкормок растений огурцов составит G_N ^подк=0,15×1160=174 кг, а для растений томата G_N ^подк=0,12×1160=139 кг, при этом потребуется количество удобрений (в зависимости от типа удобрения): аммиачной селитры G_уд ^подк=(174+139)/0,34=921 кг, или мочевины: G _уд ^подк=(183+146)/0,46=680 кг.

Из воздуха животноводческого помещения, где располагаются 100 коров, за период подкормок огурцов и томатов 150+60=210 дней можно получить G_NH3 ^подк=G_NH3 ^сут×T_вегет×N=0,02×(150+60)×100=420 кг аммиака. Коэффициент использования аммиака растениями из почвы составляет 50 75%, т.е. порядка 210 315 кг аммиака, или 173 259 кг азота. Такое количество азота превышает в несколько раз количество азота, требуемого для подкормок растений огурца и томата на площади 300 м² (45+36=81 кг).

Площадь теплиц для использования этого количества аммиака в качестве подкормок можно определить по формуле

F=(0,5 0,75)×G_NH3 ^подк×K₁/G_N ^{уд.подк}=(0,5 0,75)×420×0,823/(0,15+0,12) 640 960 м², которая почти соизмеримая с площадью 1160 м², полученной при компостировании опилок в течение 60 суток. Экономия удобрений при этом составит 921 кг аммиачной селитры или 680 кг мочевины.

В периоды между культурооборотами (с декабря по январь месяцы, когда не производят подкормку растений, а в теплицах выращивают выгоночные культуры и готовят высадку новых растений - около 70 дней) производится подсыпка свежих опилок высотой до 0,1 м, что составит W_подс =1160×0,1=116 м³, на которые потребуется G _N ^подс=W^подс×G_уд=116×1=116 кг азота, или 116/0,46=252 кг мочевины, или 341 кг аммиачной селитры. Расход этих удобрений можно восполнить за счет подачи воздуха с примесью аммиака и углекислого газа из животноводческого помещения (G_N=0,02×70×0,823×100=115 кг).

Так как субстраты из древесной коры используют 2-3 года, а из древесных опилок - до 6 лет, то можно в дальнейшем готовить субстраты из органических материалов либо для расширения площадей защищенного грунта, либо для вывоза их на поля в качестве удобрений, либо для замены отработанных субстратов.