Ресурсосберегающие технологии по подготовке животноводческих стоков для орошения сельскохозяйственных культур

Сельскохозяйственное производство является одним из крупнейших водопотребителей. Количество стоков всех животноводческих комплексов в стране составляет от 250 до 3000 тонн в сутки (от 90 тыс. до 1 млн тонн в год). На одну голову в сутки в среднем на свинокомплексе с законченным циклом воспроизводства образуется 4,5 кг навоза влажностью 88,1%. При сбросе неочищенных сточных вод (отхода III класса опасности, ФККО, код 1 310 040 203 013) от таких животноводческих комплексов наносится значительный экономический и экологический ущерб [1].

Тем не менее установлено, что орошение животноводческими стоками повышает урожайность сельскохозяйственных культур, сокращает потребление природной воды, позволяет снизить объем вносимых минеральных удобрений. Бесконтрольное же их использование может привести к ухудшению свойств почв, качества растительной продукции и вызвать загрязнение окружающей среды. Фактором, ограничивающим широкое сельскохозяйственного использование животноводческих стоков, обычно оказываются азотосодержащие вещества, которые всегда в достаточно больших количествах присутствуют в этих отходах. Азот является необходимым элементом для жизнедеятельности растений, но внесение избыточных количеств азота может привести к накоплению в растениях нитратов выше допустимого уровня. Корма с высоким содержанием нитратов (более 0,11% в сухом веществе) не только снижают продуктивность, но и могут вызвать отравление животных, а при содержании нитратного азота 0,2% и более возможна гибель особей [2].

Подготовка животноводческих сточных вод к дальнейшему использованию в сельскохозяйственном производстве сопровождается большими трудностями, так как основной задачей при этом является сохранение биогенных элементов. Действующее законодательство Российской Федерации обязывает отделять все промышленные объекты санитарно-защитными зонами и проектировать очистные сооружения, позволяющие исключить загрязнение почв, поверхностных и подземных вод, поверхности водосборов водоемов и атмосферного воздуха [3].

Автором предложен ряд технологических решений, позволяющих осуществлять утилизацию животноводческих стоков на сельскохозяйственных полях орошения.

Рассмотрим ресурсосберегающую экологически безопасную технологию обработки животноводческих стоков свиноводческих хозяйств, основывающуюся на использовании в процессе реагентной подготовки фосфогипса — отхода производства ортофосфорной кислоты и минеральных удобрений.

Данное решение позволит решить проблему утилизации не только отходов III класса опасности — животноводческих стоков свиноводческих хозяйств (СП 2.1.7.1386−03), но и фосфогипса — отхода IV класса опасности (ФККО, код 1 310 040 203 013).

Технология утилизации животноводческих стоков актуальна для свиноводческих хозяйств как с малой, от 1,5 тыс. голов, так и высокой производительностью, от 15 тыс. голов и более (рисунок 1) [4]. Технология была апробирована на действующем предприятии ООО «Аксайская Нива» Ростовской области.

Для улучшения гидравлических и технических характеристик схемы предлагается использовать вертикальный тонкослойный отстойник-сгуститель.

По предложенной технологии животноводческие стоки, образующиеся на территории свиноводческого хозяйства, самотеком поступают в приемный резервуар, состоящий из двух камер. После чего с помощью насоса-измельчителя жидкие отходы поступают на смесители, где происходит поэтапное смешивание с реагентами.

Рисунок 1 — Технологическая схема обработки животноводческих стоков свиноводческих хозяйств.

В качестве первого реагента используется известковое молоко, второго реагента — смесь суспензии фосфогипса и ортофосфорной кислоты. Получаемая смесь подается на отстойник, включающий блок тонкослойного отстаивания и сгущения осадка. Жидкая и твердая фаза — осадок фракционированных стоков — поступают на накопители. Осадок перекачивается на лопастную сушилку и далее в цех фасовки и упаковки. Осадок по химико-физическим показателям является ценным органоминеральным удобрением — товарным продуктом [5]. Жидкая фаза в количестве 10% от общего расхода возвращается на смесители в целях экономии свежей воды и реагентов. Остальная часть после разбавления свежей водой поступает на поля орошения.

На основе описанной выше технологии предложено следующее техническое решение: животноводческие стоки подвергаются воздействию вихревого поля с подвижными ферромагнитными частицами. В первый аппарат 1 (при величине магнитной индукции 0,1−0,13 Тл) водится один из щелочных коагулянтов (шлам карбида кальция или известковое молоко в количестве по действующему веществу СaO, г/дм3: соответственно 0,5−2,0 или 0,1−1,0), время обработки составляет 30−120 с, при этом pH достигает значений 10,0−11,5. На этом этапе происходит первичное обеззараживание. После чего стоки с коагулянтом подаются на второй аппарат вихревого слоя с подвижными ферромагнитными частицами (при величине магнитной индукции 0,17−0,25 Тл), куда одновременно вводится подкисляющий реагент (смесь суспензии дигидрата сульфата кальция с ортофосфорной кислотой в соотношении по объему 500:1 в количестве (по действующему веществу P2O5) 6,0−15,0 г/дм3) с достижением pH 6,5−8,5, время обработки составляет 30−120 с. Здесь происходит окончательное полное обеззараживание сточных вод животноводческих хозяйств. Создаваемая индукция вихревого слоя с подвижными ферромагнитными частицами позволяет ускорить процессы фракционирования и отстаивания, при сокращении потребления реагентов, с достижением обеззараживающего эффекта сточных вод животноводческих хозяйств (рисунок 2) [6].

Также автором предложен способ подготовки животноводческих стоков свиноводческих хозяйств для орошения и удобрения сельскохозяйственных угодий, который включает в себя двухэтапную реагентную обработку [6]. На первом этапе жидкие отходы свиноводческих хозяйств обрабатывают подкисляющим реагентом — суспензией фосфогипса с дозой 9−35 г/дм3 до pH 6,5−7,5, а на втором вводят низкоосновный оксихлорид алюминия марки Аква-АуратТМ14 в виде 5−10% раствора с дозой 3−30 мг/дм3 по Al2O3. В процессе реагентной обработки формируются коллоидные частицы, которые под воздействием гравитационных сил выпадают в осадок. В качестве отстойного сооружения выбран метод тонкослойного отстаивания, что значительно сокращает время отстаивания.

Рисунок 2 — Усовершенствованная технологическая схема подготовки животноводческих стоков для сельскохозяйственного использования.

Процесс отстаивания протекает в течение 20−40 минут, в результате чего смесь разделяется на прозрачную жидкую фракцию и осадок — органическое удобрение. Получаемая жидкая фракция не требует дополнительного обеззараживания, так как в результате реагентной обработки микроорганизмы высадятся вместе с коллоидными частицами в осадок.

С целью обеззараживания осадок подают в аппарат вихревого слоя с подвижными ферромагнитными частицами, в котором подводимая извне энергия локализуется в отдельных зонах, например в местах соударения ферромагнитных частиц, где удельная мощность достигает чрезвычайно больших значений. В зоне удара создаются условия для протекания таких физических и химических процессов, которые в обычных условиях затруднены или невозможны, т. е. деформируется кристаллическая решетка твердых тел, приводящая к разрушению защитных оболочек микроорганизмов.

Автором предлагается в существующей технологии вместо низкоосновного оксихлорида алюминия марки Аква-АуратТМ14 использовать реагент, полученный из природного сырья, — алюмосиликатный коагулянт на основе нефелина — с дозой 10−35 мг/дмі по Al2O3 в зависимости от качественных характеристик жидких отходов.

Раствор алюмосиликатного коагулянта на основе нефелина производится кислотным вскрытием нефелинсодержащего сырья (сиенит, уртит, нефелин) или хвостов апатит-нефелиновой флотации. Содержание в растворе алюмосиликатного коагулянта на основе нефелина сульфата алюминия (до 20 г/л по оксиду алюминия) и активной кремнекислоты (до 40 г/л по оксиду кремния) обеспечивает эффективность выделения различных загрязняющих веществ из природных и сточных вод различного происхождения. животноводческий сток реагентный фосфогипс В процессе коагуляции с гидроксокомплексами алюминия в основном удаляются гумусовые вещества, которые обладают отрицательным электрокинетическим потенциалом, а активная кремнекислота выступает в роли флокулянта, способствуя укрупнению и седиментации образовавшихся агрегатов [7].

Так как жидкие отходы свиноводческих хозяйств имеют слабую щелочную среду, то не требуется дополнительное подщелачивание, так как при внесении алюмосиликатного коагулянта на основе нефелина, имеющего кислую среду, возможно снижение значений pH до 6,5.

Алюмосиликатный коагулянт на основе нефелина возможно использовать при высоких значениях ХПК до 2000 мг O/л и БПКполн до 1500 мг O/л, что является ограничением для использования подобных коагулянтов в подготовке жидких отходов свиноводческих хозяйств.

Ранее используемые коагулянты применялись для обработки жидких отходов свиноводческих хозяйств с содержанием взвешенных веществ до 10 мг/дм3, т. е. ограничивалась область применения реагентной обработки только комплексами, оборудованными гидросмывом. Применение алюмосиликатного коагулянта на основе нефелина позволяет увеличить диапазон обработки животноводческих отходов до 20−30 мг/л по взвешенным веществам.

Алюмосиликатный коагулянт на основе нефелина вводят в жидкие отходы непосредственно перед подачей на открытый гидроциклон, где будет происходить их разделение на жидкую фазу и осадок. Жидкую фазу обеззараживают путем обработки мочевиной. Осадок обрабатывают в аппарате вихревого слоя с подвижными ферромагнитными частицами.

В таблице представлен сравнительный анализ результатов обработки животноводческих стоков различными реагентами. Представленные данные позволяют сделать вывод, что все используемые реагенты позволяют осуществить разделение животноводческих стоков на жидкую и твердую фракцию. Однако в первом случае применяются два реагента, что значительно усложняет процесс обработки. Во втором и в третьем случае задействован только один реагент, но, хотя оксихлорид алюминия и является более распространенным коагулянтом, широко используемый в сфере очистки природных и сточных вод, коагулянт на основе нефелина является натуральным природным сырьем, что значительно повышает его привлекательность с экологической точки зрения. Также коагулянт на основе нефелина позволяет осуществлять обработку животноводческих стоков в более широком диапазоне взвешенных веществ, чем первые два варианта.

Таким образом, предлагаемые технологические решения по подготовке животноводческих стоков свиноводческих хозяйств с применением различных реагентов для орошения сельскохозяйственных угодий позволят расширить диапазон их обработки и увеличить объемы их утилизации, что снизит потребление дефицитной природной воды, а также решит проблему утилизации отходов III класса опасности. Дополнительная обработка животноводческих стоков свиноводческих хозяйств в аппаратах вихревого слоя с подвижными ферромагнитными частицами позволит достичь полного обеззараживающего эффекта и улучшить санитарно-гигиеническую обстановку территории животноводческих хозяйств.

Список использованных источников

• 1 Суржко, О. А. Экологическая безопасность при переработке и утилизации концентрированных по биогенным элементам жидких отходов промышленных предприятий: монография / О. А. Суржко, М. А. Куликова // Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). — Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. — 140 с.
• 2 Гостищев, Д. П. Использование сточных вод для орошения сельскохозяйственных культур / Д. П. Гостищев, О. Е. Ясониди, С. А. Тарасъянц, О. А. Суржко — Новочеркасск, 1998. — 123 с.
• 3 Пат. 2 321 551 Российская Федерация, МПК (51) С 02 F 1/58, С 02 F 1/66. Способ подготовки сточных вод свиноводческих комплексов и ферм для сельскохозяйственного использования / Суржко О. А., Моисеенко Н. Г., Домашенко Ю. Е.; заявитель и патентообладатель Южно-Российский гос. техн. ун-т (НПИ). — № 2 006 135 592/15; заявл. 14.08.06; опубл. 10.04.08, Бюл. № 10. — 7 с.
• 4 Пат. 2 424 985 Российская Федерация, МПК С 02 F 9/12, С 02 F 1/52. Способ подготовки жидких отходов свиноводческих хозяйств для сельскохозяйственного использования / Суржко О. А., Домашенко Ю. Е.; заявитель и патентообладатель О. А. Суржко, Ю. Е. Домашенко. — № 2 008 122 872/15; заявл. 13.04.09; опубл. 20.10.10, Бюл. № 29. — 5 с.
• 5 Пат. 2 379 236 Российская Федерация, МПК С 02 F 1/58. Способ подготовки животноводческих сточных вод для сельскохозяйственного использования / Домашенко Ю. Е., Дорошко В. Н.; заявитель и патентообладатель Ю. Е. Домашенко, В. Н. Дорошко. — № 2 009 114 816/05; заявл. 06.06.08; опубл. 20.01.10, Бюл. № 2. — 8 с.
• 6 Кручинина, Н. Е. Алюмокремниевые флокулянты-коагулянты в очистке сточных вод молочной промышленности / Н. Е. Кручинина, А. К. Шибеши, И. С. Валигун // Экология и промышленность России. — 2006. — № 10. — С. 19−21.
• 7 Домашенко, Ю. Е. Аспекты ресурсосбережения при орошении сельскохозяйственных угодий / Ю. Е. Домашенко // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГБНУ «РосНИИПМ». — Новочеркасск: Геликон, 2013. — Вып. 51. — С. 49−52.

Аннотация

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПО ПОДГОТОВКЕ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ ДЛЯ ОРОШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Домашенко Юлия Евгеньевна к. т. н. РИНЦ Author ID=645 024.

Васильев Сергей Михайлович д. т. н., доцент, РИНЦ Author ID=285 849.

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Россия

В статье автором предложены различные технологии по подготовке животноводческих стоков для сельскохозяйственного использования, в частности для орошения. Рассмотрена ресурсосберегающая экологически безопасная технология обработки животноводческих стоков свиноводческих хозяйств, основывающаяся на использовании в процессе реагентной подготовки фосфогипса — отхода производства ортофосфорной кислоты и минеральных удобрений. Технология была апробирована на действующем предприятии ООО «Аксайская Нива» Ростовской области. Также на основе данной технологии предложено следующее техническое решение: животноводческие стоки подвергаются воздействию вихревого поля с подвижными ферромагнитными частицами, что способствует более полному обеззараживающему эффекту. Дальнейшее усовершенствование технологической схемы подготовки животноводческих стоков позволило получить более современное техническое решение, включающее обработку стоков подкисляющим реагентом — суспензией фосфогипса и низкоосновным оксихлоридом алюминия марки Аква-АуратТМ14. С целью снижения стоимости и упрощения технологии подготовки предложено взамен низкоосновного оксихлорида алюминия марки Аква-АуратТМ14 использовать реагент, полученный из природного сырья, — алюмосиликатный коагулянт на основе нефелина. Алюмосиликатный коагулянт на основе нефелина возможно использовать при высоких значениях ХПК до 2000 мг O/л и БПКполн до 1500 мг O/л, что является ограничением для использования подобных коагулянтов в подготовке жидких отходов свиноводческих хозяйств. Все предложенные автором технологии базируются на позициях ресурсои энергосбережения и экологической безопасности Ключевые слова: ЖИВОТНОВОДЧЕСКИЕ СТОКИ, НИЗКООСНОВНЫЙ ОКСИХЛОРИД АЛЮМИНИЯ, НЕФЕЛИН, ОРОШЕНИЕ, РЕАГЕНТНАЯ ОБРАБОТКА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА, ФОСФОГИПС, ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

TECHNOLOGY FOR THE PREPARATION OF LIVESTOCK WASTEWATER FOR IRRIGATION OF AGRICULTURAL CROPS

Domashenko Yulia Evgenyevna.

Candidate of Тechnical Sciences, RSCI Author ID=645 024.

Vasilyev Sergey Mikhaylovich.

Doctor of Тechnical Sciences, associate professor.

Author ID=285 849.

Russian Research Institute of Land Improvement Prob-lems, Novocherkassk, Russia

In the article the authors propose various techniques for the preparation of livestock waste for agricultural use, particularly for irrigation. We have considered resource-saving environmentally safe technology for processing livestock waste pig farms based on the use of the reagent preparation phosphogypsum — residuals of phosphoric acid and fertilizers. The technology was tested and endorsed at the operating company LLC «Aksai field» of the Rostov region. Also based on this technology, we have offered the following technical solution: livestock wastewater is exposed to the vortex field with movable ferromagnetic particles, which contributes to more complete disinfecting effect. Further improvement of the technological scheme of training for livestock waste allowed to get more modern technical solution, including sewage treatment acidifying reagent is a suspension of phosphogypsum and slightly basic by oxychloride brand Aqua-Aurat. With the aim of reducing the cost and simplifying the technology of training we offered using a reagent, obtained from natural raw materials — silica-coagulant on the basis of nepheline instead of the low-base oxychloride brand Aqua-AuraTM. Aluminosilicate coagulant on the basis of nepheline may be used at high values of COD up to 2000 mg O/l and TBOD to 1500 mg O/l, which is a limitation for the use of such coagulants in the preparation of livestock wastewater pig farms. All the proposed technologies are based on the positions of resource and energy efficiency and environmental safety.

Keywords: LIVESTOCK WASTE, LOW BASE, ALUMINUM OXYCHLORIDE, NEPHELINE, IRRIGATION, REACTANT TREATMENT, PHOSPHOGYPSUM, FERROMAGNETIC PARTICLE.