В известных исследования [4-8] в основном рассматривалась очистка воздуха от пыли, микроорганизмов и аммиака. Тем не менее, в животноводческих помещениях в значительных количествах выделяется сероводород, который является вторым по значимости вредно действующим компонентом в животноводстве после аммиака.

Сероводород H₂S – бесцветный газ с характерным запахом тухлых яиц. Сероводород является очень токсичным газом, который действует не только на животных и обслуживающий персонал, но и, при больших концентрациях, разъедает многие металлы, изоляцию проводов. Сероводород поражает слизистые оболочки, дыхательные органы. При попадании в кровь связывает железо гемоглобина, тем самым вызывая у животного кислородное голодание, приводящее в последствие к отравлению и последующей смерти.

Помимо негативного влияния на животных и людей, сероводород является взрывоопасным газом. Концентрация предела воспламеняемости в воздухе составляет 4,5-45,5% по объему [9].

Рассмотрев свойства сероводорода, а так же его действие на животных, персонал и технологическое оборудование можно сделать вывод о том, что на ряду с очисткой воздуха от таких вредных составляющих как пыль, микроорганизмы и аммиак существует необходимость создания системы очистки воздуха в животноводческих помещениях и от сероводорода.

На сегодняшний день промышленности известно до двадцати различных способов очистки газа от сероводорода. Все эти методы разбиты на две группы [10-12]:

• первая группа – «сухие» способы очистки с применением очистных масс в твёрдом состоянии. В качестве сухих поглотителей широкое распространение получили гидрат окиси железа и активированный уголь, а в отдельных случаях марганцевые руды.
  
• вторая группа – абсорбционные способы, с применением жидких реагентов. Мокрые способы очистки газов от сероводорода (H₂S) подразделяются на окислительные, круговые и комбинированные. При окислительных процессах применяют поглотители, окисляющие сероводород до элементарной серы. В комбинированных процессах очистки в качестве поглотителя применяется обычно раствор аммиака, образующий вместе с сероводородом, при его каталитическом окислении, сульфат аммония. В круговых процессах применяют слабые щелочи, с которыми сероводород связывается в сульфиды, а затем отгоняется от поглотительного раствора в неизменном виде.
  

  Сухие способы отличаются высокой степенью очистки газа (практически до 100%), но их существенный недостаток — небольшие скорости прохождения газа через очистительные аппараты и небольшое давление. Абсорбционные способы, наоборот, позволяют иметь большие скорости и большие давления, но степень очистки ими ниже.
  

  Но, не смотря на столь большое количество способов очистки, применение в сельском хозяйстве и в частности в животноводстве практически не один из способов не нашел. Это связано с тем, что данные способы разрабатывались для применения в газодобыче и в очистке производственных газовых выбросов, вследствие чего данные способы достаточно энергозатратны и требуют больших финансовых вложений как на стадии внедрения, так и в процессе обслуживания.
  

  Проанализировав все существующие методы очистки газа от сероводорода можно сделать вывод, что наиболее подходящим для применения в животноводстве будет абсорбционный метод с применением водного раствора. Применение данного метода основано на его высокой эффективности при наименьших как финансовых, так и энергозатрат.
  

  Из [13] известно, что сероводород по действием озона окисляется до сульфатов:
  

  (1)
  

  Таким образом, при озонировании очищаемого воздуха происходит его очистка от сероводорода. В качестве источника озона можно использовать коронный разряд, на основе которого работают электрофильтры.
  

  Для высокоэффективной очистки вентиляционного воздуха в животноводческих помещениях разработан специальный мокрый однозонный электрофильтр (МЭФ) [4, 8], конструкция которого представлена на рис. 1.
  

  Эффективность МЭФ по очистке и обеззараживанию вентиляционного воздуха была исследована в предыдущих исследованиях [4, 8]. В этих исследованиях рассматривалась очистка воздуха от пыли, микроорганизмов и аммиака. В ходе лабораторных и производственных испытаний была доказана высокая эффективность мокрого электрофильтра по очистке воздуха от вышесказанных загрязнителей [14].
  

  
  

1 – верхняя часть корпуса; 2 – нижняя часть корпуса; 3 – осадительные электроды; 4 – коронирующие электроды; 5 – электродвигатель с редуктором; 6 – сливной клапан; 7 – изоляционные плиты; 8 – вал электрофильтра; h – расстояние, на которое углубляется верхняя часть осадительных электродов в изоляционную плиту.

Рисунок 1 – Конструкция мокрого однозонного электрофильтра

Можно отметить, что мокрый однозонный электрофильтр благодаря своей конструкции может выполнять функции поверхностного абсорбера. Это объясняется тем, что в нижней части мокрого электрофильтра залита жидкость, омывающая осадительные электроды. Проходящий через фильтр поток воздуха соприкасается с поверхностью текучей пленки жидкости, залитой в нижней части электрофильтра и стекающей с осадительных электродов, омываемых жидкостью.

Используя в качестве жидкости, омывающей осадительные электроды мокрого однозонного электрофильтра, абсорбционный раствор можно добиться очистки вентиляционного воздуха от пыли, микроорганизмов и вредных газовых составляющих, в частности от сероводорода.

На основе сказанного можно сделать вывод, что использование однозонного мокрого электрофильтра для очистки вентиляционного воздуха животноводческих помещений от сероводорода будет эффективным. Это связано с тем, что использование мокрого однозонного электрофильтра имеет ряд преимуществ по сравнению с остальными способами очистки газа от сероводорода. К преимуществам предлагаемой системы можно отнести низкое энергопотребление системы, низкое аэродинамическое сопротивление, высокая эффективность, а так же дополнительная очистка от пыли, микроорганизмов и вредных газовых составляющих.

Для индустриальных методов ведения животноводства характерна высокая концентрация животных и птицы, в результате жизнедеятельности которых в окружающую среду выделяется большое количество вреднодействующих веществ.

Концентрация пыли, микроорганизмов и вреднодействующих газов (аммиак, сероводород, углекислый газ, кишечные газы и др.) в животноводческих помещениях зависит от ряда факторов и, как правило, значительно превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) [7].

В результате увеличивается падёж, снижается прирост массы и сохранность животных, возрастает риск распространения аэрогенных инфекций. [6].

В настоящее время снижение уровня вредных примесей в воздухе животноводческих комплексов до рекомендованных значений осуществляется за счет механической принудительной приточно-вытяжной вентиляции. При этом в воздушный бассейн комплексов непрерывно выбрасывается большое количество различных загрязнений и тепловой энергии.

Одним из перспективных наиболее эффективных способов решения данной проблемы – рециркуляция вентиляционного воздуха[1], с системой высокоэффективной его очисткой и обеззараживанием.

В связи с многообразием требований, предъявляемых к воздушным фильтрам, разработано большое количество конструкций фильтров и фильтрующих элементов [3].

Основными показателями воздушных фильтров, являются их эффективность, удельная воздушная нагрузка, сопротивление и пылеёмкость [4].

Сравнение технических характеристик фильтров, показало, что наиболее полно зоотехническим требованиям к установкам очистки и обеззараживания рециркуляционного воздуха на животноводческих комплексах отвечает мокрый электрофильтр [1]

В предыдущих работах [1,2,5] исследовалась очистка рециркуляционного воздуха от пыли, микроорганизмов и вредных газов, однако режимы работы системы микроклиматом не рассматривались. С другой стороны система очистки воздуха, включает в себя довольно энергоемкое оборудование, такое как, электрофильтр, вентилятор, калорифер, газовый отопитель, сервопривод, приточный клапан и др. Поэтому для повышения энергоэффективности встает вопрос о регулировании производительности систем очистки рециркуляционного воздуха с целью экономии электроэнергии, что достигается внедрением системы автоматизации в структуру управления микроклиматом.

Основой системы автоматизации является контроллер микроклимата, который обеспечивает контроль и управление состоянием среды в животноводческих помещениях в режиме реального времени. В рабочем режиме контроллер получает данные о состоянии среды в животноводческом помещении с помощью различных датчиков и управляет исполнительными механизмами в соответствии с написанной программой, поддерживая заданные параметры микроклимата. Благодаря использованию таких программ возможно достижение значительной экономии электроэнергии.

Рассмотрены ряд серийных контроллеров SKOV (Дания), модели DOL 234 F и DOL 534; Big Dutchman (Германия), модели Viper и Viper Touch; DeLaval (Шведция), модели DF1300, FL250F, которого представлена на рис. 1.

а)                                                б)                                             в)

Рис

г)                                                  д)                                              е)

Рисунок 1 – Современные контроллеры микроклимата

а – SKOV DOL 234 F, б – SKOV DOL 534, в – Big Dutchman Viper, г – Big Dutchman Viper Touch д – DeLaval DF1300, е – DeLaval FL250F.

Анализ технических характеристик контроллеров микроклимата показал все они имеют общие функциональных характеристик, такие как:

• управление освещением;
  
• измерение температуры в помещении;
  
• управление отоплением;
  
• управление приточно-вытяжными вентиляторами;
  
• управление системами охлаждения и увлажнения;
  
• peгулирование минимальной вентиляции в зависимости от уровня содержания CO₂ и или NH₃ в воздухе;
  
• определение скорости движения воздуха;
  
• управление по paзpежению, т. е. регулирование подачи воздуха в зависимости от показаний датчиков, измеряющих aтмосфернoe давление снаружи и внутри помещения.
  

  В свою очередь из литературы известно [7], что в животноводческих помещениях выделяется значительное количество пыли и микроорганизмов, концентрации которых вышеперечисленные аппараты не контролируют. В связи с этим стает проблема контроля уровня пыли и микроорганизмов в данных помещениях.
  

  Известны датчики запыленности FW 100, ООО Экополис-Вест (Украина); ДЗВ-500 ЗАО Комтек (Россия); Brahme CCME (Бразилия); DT450G Yokogawa (Япония) которые позволяют произвести замеры пылевых частиц размером от 0,3 мкм, диапазоном измерений от 0,1 мг/м³ до 1 кг/м³. (рис. 2).
  

  
  

  а)                                                        б)
  

  
  

  в)
  

  Рисунок 2 – Датчики запыленности
  

  а – DT450G, б – ДЗВ-500, в – Brahme CCME.
  

Представленные датчики запыленности не предназначены для использования на предприятиях агропромышленного комплекса (АПК) и не имеют возможности подключения к вышеуказанным контроллерам микроклимата (Рис. 1). Таким образом встает задача в разработке инженерного решения позволяющего контролировать концентрацию пылевых частиц в животноводческих помещениях с необходимой точностью в режиме реального времени.

В свою очередь известна связь между концентрацией пыли и концентрацией колониеобразующих частиц (КОЕ) (рис. 3) [1].

Рисунок 3 – Связь микробной загрязненности воздуха и числа аэрозольных частиц

Зависимость представленная на рисунке 3 с достаточной точностью описывается выражением [1]:

,                    (1)

где -  число пылевых частиц с предельным размером 0,5 мкм и более.

Из формулы (1) видно, что зная   можно определить в воздушной среде животноводческого помещения. Таким образом имея возможность контролировать концентрацию пыли, возможно осуществлять контроль концентрации КОЕ.

Вывод: Современные контроллеры микроклимата разработанные для АПК не позволяют контролировать концентрации пыли и КОЕ в животноводческих помещениях. Таким образом, целью дальнейших исследований является разработка мероприятий и технических решений данной проблемы.

Для повышения эффективности работы системы очистки рециркуляционного воздуха необходимо разработать вариант управления микроклимата с учетом прямоточной и рециркуляционной вентиляции.

Для индустриальных методов ведения животноводства характерна высокая концентрация животных и птицы, в результате жизнедеятельности которых в окружающую среду выделяется большое количество вреднодействующих веществ, таких как пыль, микроорганизмы и вредно действующие газы (аммиак, сероводород, углекислый газ, кишечные газы и др.), концентрация которых в животноводческих помещениях зависит от ряда факторов и, как правило, значительно превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) [1]. В результате накопления выше перечисленных вреднодействующих веществ в воздушной среде помещения увеличивается падёж животных, снижается удельный прирост массы и сохранность животных, возрастает риск распространения аэрогенных инфекций. [2].

В настоящее время снижение уровня вреднодействующих веществ в воздухе животноводческих комплексов до рекомендованных значений осуществляется за счет механической принудительной приточно-вытяжной вентиляции. При этом в воздушный бассейн комплексов непрерывно выбрасывается большое количество различных загрязнений и тепловой энергии. Одним из перспективных и наиболее эффективных способов решения данной проблемы является рециркуляция вентиляционного воздуха, с одновременной высокоэффективной очисткой и обеззараживанием [3].

Сравнение технических характеристик фильтров, предназначенных для очистки рециркуляционного воздуха, показало, что наиболее полно зоотехническим требованиям отвечает мокрый однозонный электрофильтр [3].

В предыдущих работах [3,4,5] исследовались процессы очистки рециркуляционного воздуха от пыли, микроорганизмов и вредных газов, однако режимы работы системы управления данными процессами не рассматривались. С другой стороны система очистки рециркуляционного воздуха, включает в себя энергоемкое вентиляционное оборудование, такое как, электрофильтр, вентилятор, калорифер, газовый отопитель, сервопривод, приточный клапан и др. Таким образом, изменяя режимы работы системы управления процессами очистки  рециркуляционного воздуха можно  повысить энергоэффективность предприятия, за счет снижения энергопотребления вентиляционного оборудования.

Основой системы автоматизации является контроллер микроклимата, который обеспечивает контроль и управление состоянием среды в животноводческих помещениях в режиме реального времени. В рабочем режиме контроллер получает данные о состоянии среды в животноводческом помещении с помощью различных датчиков и управляет исполнительными механизмами в соответствии с написанной программой, поддерживая заданные параметры микроклимата. Благодаря использованию таких систем возможно достижение значительной экономии электроэнергии.

Нами предлагается система автоматического регулирования параметров микроклимата в животноводческом помещении.

Данная система (Рис. 1.) состоит из контроллера микроклимата и датчиков состояния микроклимата, включающих в частности датчик запыленности, датчик загазованности, и датчиков состояния окружающей среды. Управление исполнительными механизмами, такими как, электрофильтр, воздушные заслонки, электродвигатель вентилятора, осуществляется в соответствии с написанной программой, поддерживая заданные параметры микроклимата внутри животноводческого помещения. Так в электрофильтре  происходит изменение напряжения питания. Воздушные заслонки изменяют угол атаки, тем самым изменяя объёмную скорость воздуха. Электродвигатель вентилятора меняет скорости вращения, так же изменяя объёмную скорость воздуха.  Тем самым изменяя производительность всей системы.

Рисунок  1 – Система автоматического регулирования параметров микроклимата

1 – Фильтр (электрофильтр); 2 – Воздушная заслонка; 3 – Животноводческое помещение; 4 – Электровентилятор; 5 – Микроконтроллер; 6 – Датчики состояния микроклимата (датчик температуры, запыленности, загазованности); 7 – Датчики состояния окружающей среды;

Данная система автоматического регулирования параметров микроклимата позволяет осуществлять полную или частичную рециркуляцию вентиляционного воздуха, а так же повышать плавность и точность регулирования параметров микроклимата животноводческого помещения, что приведет к повышению энергоэффективности производства животноводческой продукции, улучшению условий содержания животных и повышению производственной культуры.