CC BY
56
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
внимание на соблюдение периодичности технического обслуживания и выбирать химические моющие средства, исходя из рекомендации завода - изготовителя оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вторый С.В. Исследование характеристик электрического пульсатора попарного доения STIMOPULSAPEXP / С.В. Вторый, Р.М. Ильин // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016. - №4(16). - С. 34-38.
2. Вторый В. Результаты исследования функционирования пульсаторов доильных аппаратов на молочных фермах КРС / В. Вторый, С. Вторый // Тр. XVIIMiedzynarodowakonferencjaNaukowa, Polish, ITP. - 2011. -С. 276-279.
3. Вторый В.Ф. Методика контроля технического состояния пульсаторов доильных аппаратов / В.Ф. Вторый, С.В. Вторый // Журнал ВНИИМЖ. Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве. - 2014. - №4(16). - С. 89-92.
4. Устройство регистрации вакуумметрического давления в доильной установке: пат. 113635 RUU1, МПК A01J7/00 / В.Ф. Вторый, С.В. Вторый; заявитель ЕНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. - №2011128594/13; заявл. 12.07.2011; опубл. // Изобретения. Полезные модели / Официальный бюллетень ФЕУ ФИПС. - 2012. -№6.
5. Вторый С.В. Опыт мониторинга технологических параметров доильных установок // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: материалы Междунар. науч.-техн. конф. (Минск, 16-17 окт. 2013 г.). В 3 т. Т.2. - Минск : НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2014. - С. 69-75.
УДК 631.95
ЭКОЛОЕО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОЕИИ БИОФЕРМЕНТАЦИИ
Р.А.УВАРОВ
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматривается оценка эффективности технологии биоферментации в рамках разработки технологического регламента переработки и использования навоза для племенного завода крупного рогатого скота с общим поголовьем 2321 голов. Источниками экономической эффективности являются снижение затрат на закупку и транспортировку подстилочного материала, а также сокращение капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с уменьшением площадей и технических средств, задействованных в утилизации производимого навоза. Экологическая эффективность достигается за счет снижения эмиссии азота в ходе внедрения новых вариантов технологии утилизации навоза. Базовая технология, с которой идет сравнение, это технология длительного выдерживания. В качестве проектируемой технологии рассмотрено два варианта: вариант 1 - разделение навоза на фракции и переработка твердой фракции в биоферментационных установках камерного типа с последующей подсушкой части компоста с целью использования в качестве подстилки; вариант 2 - разделение навоза на фракции, переработка части твердой фракции в подстилку в биоферментационной установке барабанного типа, а оставшейся части - в удобрение в
164
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
уастениеводстваи животноводства________________________________________
биоферментационной установке камерного типа. Внедрение и использование технологии биоферментации в установках закрытого типа позволило сократить удельные капитальные затраты на 16,1%, удельные эксплуатационные затраты - на 22,1%, затраты труда - на 1,2%. При этом экономический эффект составил 6363,17 тыс. руб./год, а экологический эффект -17 т азота/год.
Ключевые слова: сельское хозяйство; органические отходы; биоконверсия; экологоэкономический эффект; биоферментатор.
ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC EFFICIENCY OF MANURE BIO-FERMENTATION R.A.UVAROV
Federal State Budget Scientific Institution “Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production” (IEEP), Saint Petersburg, Russia
The article considers the assessment of manure bio-fermentation effectiveness as part of development of technological regulations for the processing and use of manure on a cattle-breeding farm with the animal stock of 2321 head. Economic efficiency sources are lower costs for purchase and transportation of bedding material as well as reduction in capital and operating costs associated with smaller areas and fewer facilities needed for the disposal of manure produced. Environmental efficiency is achieved by reducing nitrogen emissions during the introduction of new options of manure utilisation technology. These options were compared with the so-called basic technology of long-term storing (maturing). Two options were considered: option 1 - separation of manure into fractions and processing of the solid fraction in a chamber bio-fermentation installation with subsequent drying of a part of compost for being used as bedding; option 2 - separation of manure into fractions, processing of a part of the solid fraction into the bedding in a drum bio-fermentation installation, and processing of the rest of the solid fraction into the fertiliser in a chamber bio-fermentation installation. Introduction and use of the bio-fermentation technology in the closed-type facilities allowed to reduce specific capital costs by 16.1%, specific operating costs by 22.1%, and labour costs by 1.2%. At the same time, the economic effect amounted to 6363.17 thousand roubles/year, and the environmental effect amounted to 17 tons of nitrogen/year.
AT v и’ о/y/.sxi g ri c u 11 ure. organic waste, bioconversion, environmental and economic effect, biofermenter.
ВВЕДЕНИЕ
В условиях возросшей интенсификации сельского хозяйства особое внимание следует уделять вопросам эффективной и экологически безопасных технологий утилизации навоза. К числу таких технологий может быть отнесена технология ускоренной биоферментации отходов в установках закрытого типа [1-3]. В ходе проведенного анализа установлено, что на сегодняшний день отсутствуют исследования, позволяющие провести комплексную оценку данной технологии, в частности, с экономической точки зрения [4]. Для восполнения этого пробела выполнена данная работа.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Расчет эколого-экономической эффективности технологий утилизации навоза произведен для племенного завода крупного рогатого скота (КРС) с общим поголовьем 2321 гол. На комплексе расположено 8 дворов и 2 доильных зала, производящих 145,7 т/сутки (53180,5 т/год) навоза и стоков. Средняя влажность производимого на комплексе навоза составляет 91,2%, в том числе из помещений содержания животных - 88,1%, из доильных
165
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
залов - 98,1%. Транспортировка навоза и стоков из помещений к месту переработки осуществляется посредством мобильных транспортных средств. Годовая потребность предприятия в подстилке составляет 885,6 т (не более 45%).
Источником экономической эффективности являются снижение затрат на закупку и транспортировку подстилочного материала, а также сокращение капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с уменьшением площадей и технических средств, задействованных в утилизации производимого навоза. Экологическая эффективность достигается за счет снижения эмиссии азота в ходе внедрения новых вариантов технологии утилизации навоза. При расчете применена методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве базового варианта рассмотрена применяемая на предприятии технология длительного выдерживания производимого навоза и стоков в бетонированных хранилищах в течение 6 месяцев. Полученное органическое удобрение вносят на поля собственных земельных угодий. При проектировании хранилища учтен двухмесячный коэффициент запаса. Потери массы при данном способе утилизации в среднем составляют 2-4%, эмиссия азота - до 60% [6-7].
Оборудование и технические средства, задействованные в данной технологии, условно могут быть разделены на 3 группы (табл. 1).
Таблица 1
Оборудование и технические средства, задействованные в базовой технологии______
Наименование Цена, тыс.руб. Количество
Участок переработки
• навозохранилище жидкого навоза из нержавеющей стали 22500 5
• погружной насос 260 5
• миксер 650 5
Технические средства (ТС), задействованные при транспортировке навоза
• фронтальный погрузчик с ковшом объемом не менее 3 м3 2300 1
• трактор с классом тяги 1,4-3,0 1800 1
• трактор с классом тяги 1,4-2,0 1250 1
• цистерна вместимостью 11т 420 1
• прицеп вместимостью 6 т 750 1
ТС, задействованные при внесении удобрения
• трактор с классом тяги 1,4-2,0 1250 10
• машина для внесения ТОУ вместимостью 6 т 800 10
Выбор цены обоснован в ходе маркетингового анализа и технологического расчета.
В качестве проектируемых технологий рассмотрено 2 варианта:
Вариант 1 - Разделение навоза на фракции, переработкой твердой фракции в
биоферментационных установках камерного типа с последующей подсушкой части компоста с целью использования в качестве подстилки.
Для разделения навоза КРС на фракции предусмотрено использование шнекового сепаратора с выделением твердой фракции с влажностью 68%. Суточный выход твердой фракции составляет 27,5 т.
В одну биоферментационную установку камерного типа предусмотрена загрузка 55 тонн исходного материала. При помощи циклограммы заполнения биоферментационных установок определено, что при длительности цикла переработки 7 суток для переработки
166
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растеныеводстваи животноводства________________________________________
всей производимой твердой фракции необходимо 5 биоферментаторов, рассчитанных на 55 тонн каждый (табл. 2).
Таблица 2
Циклограмма заполнения биоферментационных установок камерного типа_______
№ биоферментатора Сутки цикла переработки
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 27,5 27,5 И и п и и И И В
2 И В 27,5 27,5 и и и и п П
3 и и И В 27,5 27,5 п п п П
4 и и и и п В 27,5 27,5 п п
5 и п п п п п п В 27,5 27,5
27,5 т- масса загружаемой в установку твердой фракции навоза КРС; п - переработка; в - выгрузка.
Потери массы и эмиссия азота за цикл переработки достигают 17% и 20% соответственно, таким образом, в сутки будет произведено 22,8 т готового компоста влажностью 65% [8-9]. Для использования данного компоста в качестве подстилки необходимо дополнительное снижение влажности до 45% [10]. С учетом данных значений, а также суточной потребности хозяйства в подстилке, для ее производства необходимо 3,7 т готового компоста в сутки.
Для дополнительной подсушки готового компоста предусмотрено использование сушильного барабана производительностью 0,3-1,0 т/ч.
Жидкая фракция навоза КРС перерабатывается в органическое удобрение методом длительного выдерживания в запроектированных навозохранилищах в течение 4 месяцев. В целях совмещения процессов карантинирования и переработки жидкой фракции навоза КРС количество секций должно быть не менее двух [11].
Сооружения, оборудование и технические средства, задействованные в данной технологии, условно могут быть разделены на 6 групп (табл. 3):
Таблица 3
Сооружения, оборудование и технические средства, задействованные в технологии___
Наименование Цена, тыс.руб. Количество
Цех сепарации
• здание 1620 1
• емкость накопления 945 1
• сепаратор 1250 2
• погружной насос 260 2
• миксер 650 2
Участок компостирования
• бетонированная площадка 3062,5 1
• биоферментационная установка камерного типа 2000 5
• фронтальный погрузчик с ковшом объемом не менее 3 м3 2300 1
Участок производства подстилки
• бетонированная площадка 1050 1
• сушильный барабан 580 1
• шнековый транспортер 40 2
• приемный бункер 140 1
167
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
продолжение табл.З
Участки хранения жидкой фракции, готового компоста и подстилки
• бетонированная площадка с навесом для хранения органического удобрения 2625 1
• бетонированная площадка с навесом для хранения подстилки 210 1
• навозохранилище жидкой фракции из нержавеющей стали 67500 1
ТС, задействованные при транспортировке навоза и щ эодуктов на его основе
• трактор с классом тяги 1,4-3,0 1800 1
• цистерна вместимостью 11т 420 1
• трактор с классом тяги 1,4-2,0 1250 1
• прицеп вместимостью 6 т 750 1
• трубопроводный транспорт с насосом 280 2
ТС, задействованные при внесении удобрения
• трактор с классом тяги 1,4-3,0 1800 8
• машина для внесения ЖОУ вместимостью 11т 600 8
• трактор с классом тяги 1,4-2,0 1250 1
• машина для внесения ТОУ вместимостью 6 т 800 1
Вариант 2 - Разделение навоза на фракции, переработкой части твердой фракции в подстилку в биоферментационной установке барабанного типа, а оставшейся части - в удобрение в биоферментационных установках камерного типа.
Для разделения навоза на фракции предусмотрено то же оборудование, что и в варианте 1. С учетом суточной потребности предприятия в подстилке для ее производства необходимо направлять 33% от всего объема производимой твердой фракции навоза. Оставшиеся 18,3 т направляются на производство удобрения.
При помощи циклограммы заполнения биоферментационных установок определено, что при длительности цикла переработки 7 суток для переработки всей производимой твердой фракции необходимо 4 биоферментатора, рассчитанных на 55 тонн (табл. 4).
Таблица 4
Циклограмма заполнения биоферментационных установок камерного типа_______
№ биоферментатора Сутки цикла переработки
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 18,3 18,3 18,3 п п п п п п п В -
2 п В - 18,3 18,3 18,3 п п п П п п
3 п п П п В - 18,3 18,3 18,3 П п п
4 п п П п п п П в - 18,3 18,3 18,3
Направляемые на производство подстилки 9,2 тонны твердой фракции навоза перерабатываются в биоферментационной установке барабанного типа. С учетом потерь массы и азота в процессе переработки около 21% и 8% соответственно, выход готового продукта (подстилки) составляет 7,3 т/сут [12-13]. Полученный из твердой фракции навоза КРС подстилочный материал накапливается на бетонированной площадке с навесом сроком до 1 месяца.
168
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваы животноводства________________________________________
Производство конечного компоста составляет 2657,1 т/год. С учетом того, что на сегодняшний день годовая потребность предприятия в подстилке составляет 885,6 т, оставшиеся 1771,5 т могут быть использованы в качестве высококачественного органического удобрения, а также предусмотреть возможность для увеличения поголовья животных на предприятии.
Сооружения, оборудование и технические средства, задействованные в данной технологии, условно могут быть разделены на 6 групп (табл. 5):
Таблица 5
Сооружения, оборудование и технические средства, задействованные в технологии
Наименование Цена, тыс.руб. Количество
Цех сепарации
• здание 1620 1
• емкость накопления 945 1
• сепаратор 1250 2
• погружной насос с измельчителем 260 2
• миксер 650 2
Участок компостирования
• бетонированная площадка 2625 1
• биоферментационная установка камерного типа 2000 4
• фронтальный погрузчик с ковшом объемом не менее 3 м3 2300 1
Участок производства подстилки
• бетонированная площадка 1050 1
• биоферментационная установка барабанного типа 7400 1
• шнековый транспортер 40 1
• приемный бункер 140 1
Участки хранения жидкой фракции, готового компоста и подстилки
• бетонированная площадка с навесом для хранения органического удобрения 1260 1
• бетонированная площадка с навесом для хранения подстилки 420 1
• навозохранилище жидкой фракции из нержавеющей стали 67500 1
ТС, задействованные при транспортировке навоза и продуктов на его основе
• трактор с классом тяги 1,4-3,0 1800 1
• цистерна вместимостью 11т 420 1
• трактор с классом тяги 1,4-2,0 1250 1
• прицеп вместимостью 6 т 750 1
• трубопроводный транспорт с насосом 280 2
ТС, задействованные при внесении удобрения
• трактор с классом тяги 1,4-3,0 1800 8
• машина для внесения ЖОУ вместимостью 11т 600 8
• трактор с классом тяги 1,4-2,0 1250 1
• машина для внесения ТОУ вместимостью 6 т 800 1
Распределение твердой фракции навоза КРС на различные участки переработки позволяет сократить количество биоферментационных установок камерного типа по сравнению с вариантом 1.
В ходе сравнительной экономической оценки рассматриваемых вариантов технологий утилизации навоза определено, что как первый, так и второй варианты предлагаемой
169
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
технологии позволяют достичь существенного экологического и экономического эффекта по сравнению с базовой (табл. 6).
Таблица 6
Сравнительная экономическая оценка рассматриваемых вариантов технологий утилизации
Показатель Единицы измерения Базовая технология Предлагаемая технология
Вариант 1 Вариант 2
Капитальные затраты тыс. руб. 155270 126577,5 130120
Удельные капитальные затраты тыс. руб/т 2,92 2,38 2,45
Эксплуатационные затраты, в т.ч. тыс. руб. 28806,11 23412,08 22442,93
• амортизационные отчисления; тыс. руб. 6527 6655,55 7100,8
• затраты на ТО и ремонт оборудования; тыс. руб. 3977,61 4794,15 5229,39
• затраты на топливо; тыс. руб. 8294,72 4994,08 4994,08
• затраты на электроэнергию; тыс. руб. 1823,18 2913,30 1903,66
• заработная плата работников; тыс. руб. 2870 3675 2835
• затраты на закупку подстилки; тыс. руб. 5313,6 380 380
Удельные эксплуатационные затраты тыс. руб/т 0,542 0,440 0,422
Затраты труда ч-час/т 0,563 0,721 0,556
Экономический эффект тыс. руб/год - 5394,03 6363,17
Экологический эффект т азота/год - 10,8 17
Для определения наиболее эффективного варианта технологии утилизации навоза применен принцип Парето-оптимальных решений [14]: если оценка одного из двух вариантов не хуже оценки второго варианта по всем компонентам, причём, по крайней мере, по одной из них - строго лучше, то первый вариант предпочтительнее второго, т.е.
г'д" е X /(х')>/,(х"), i = 12,...т; Зк е {1Д,...т}./А(д:')> fk(.*")=>х' >х" (1)
Аксиома исключения: вариант, не выбираемый в какой-либо паре, не должен оказаться среди выбранных из исходного множества возможных вариантов, т.е.
x'jc" е X, х'>хх" => х" <£ С(х) (2)
Принятие сформулированных выше двух аксиом даёт возможность установить фундаментальный принцип многокритериального выбора - принцип Эджворта-Парето: при выполнении аксиомы Парето и аксиомы исключения для любого множества выбираемых вариантов С(Х) имеет место включение С(х)а Pf(x).
Здесь через Р/Х) обозначено множество Парето-оптимальных вариантов, определяемое для решения нашей задачи следующим образом: отбор осуществляется среди 3 вариантов технологий по 5 критериям: удельные капитальные затраты, удельные эксплуатационные затраты, затраты труда, экономический эффект и экологический эффект, при этом сравнение предлагаемых вариантов производится с базовым (табл. 7).
170
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
уастениеводстваи животноводства________________________________________
Таблица 7
Выбор Парето-оптимальных решений
Показатель Единицы измерения Направление экстремума Базовая Вариант 1 Вариант 2 Лучшая технология
Удельные капитальные затраты тыс. руб/т min 2,92 2,38 2,45 Вариант 1
Удельные эксплуатационные затраты тыс. руб/т min 0,542 0,440 0,422 Вариант 2
Затраты труда ч-час/т min 0,563 0,721 0,556 Вариант 2
Экономический эффект тыс. руб/год max 0 5394,03 6363,17 Вариант 2
Экологический эффект т азота/год max 0 10,8 17 Вариант 2
Проведя ранжирование выбранных вариантов технологии утилизации навоза, определено, что рекомендуемой технологией является вариант 2 - разделение навоза на фракции, переработкой части твердой фракции в подстилку в биоферментационной установке барабанного типа, а оставшейся части - в удобрение в биоферментационных установках камерного типа. Превышение удельных капитальных затрат на 3% по сравнению с вариантом 1 компенсируется более низкими удельными эксплуатационными затратами (4,2%), меньшими затратами труда (22,9%), большим экономическим (18%) и экологическим эффектом (54,7%).
ВЫВОДЫ
В выполнения эколого-экономической оценки технологии утилизации навоза для племенного завода КРС с общим поголовьем 2321 голов рассмотрены следующие технологии: базовая - технология длительного выдерживания, и предлагаемая технология, включающая два варианта: вариант 1 - разделение навоза на фракции, переработкой твердой фракции в биоферментационных установках камерного типа с последующей подсушкой части компоста с целью использования в качестве подстилки; вариант 2 - разделение навоза на фракции, переработкой части твердой фракции подстилку в биоферментационной установке барабанного типа, а оставшейся части - в удобрение в биоферментационных установках камерного типа. При внедрении предлагаемых вариантов технологии удается достичь сокращения удельных капитальных затрат с 2,92 тыс. руб/т (базовая) до 2,38 тыс. руб/т (вариант 1) и 2,45 (вариант 2). Удельные эксплуатационные затраты также сокращаются с 0,542 тыс. руб/т до 0,440 и 0,422 тыс. руб/т соответственно. Затраты труда изменяются с 0,563 ч-час/т до 0,721 и 0,556 ч-час/т. Экономический эффект при внедрении варианта 1 составит 5394,03 тыс. руб/год, варианта 2 - 6363,17 тыс. руб/год; экологический -10,8 и 17 т азота/год соответственно. При определении наиболее эффективного варианта технологии утилизации навоза при помощи принципа Парето-оптимальных решений установлено, что рекомендуемой технологией является вариант 2. Полученные данные использованы при разработке технологического регламента переработки и использования навоза.
171
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал. __________________________________ИАЭП. 2017. Вып. 93.______________________________
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов В.Д., Максимов Д.А., Брюханов А.Ю. Экология сельхозпроизводства: проблемы и решения // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2016. № 3. С. 43-48.
2. Уваров Р.А., Брюханов А.Ю. Перспективные технологии биоферментации навоза/помета для Северо-Запада России // Научное обозрение. 2015. № 16. С. 26-31.
3. Брюханов А.Ю. и др. Метод решения экологических проблем при обращении с навозом и помётом // Молочнохозяйственный вестник. 2017. № 3 (27). С. 84-96.
4. Брюханов А.Ю. Методы проектирования и критерии оценки технологий утилизации навоза, помета, обеспечивающие экологическую безопасность: дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.01. СПб, 2017. 440 с.
5. Методика определения экономической эффективности технологий и
сельскохозяйственной техники: официальное издание Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ. М.: ГП УСЗ Минсельхозпрома РФ, 1998. 220 с.
6. Shalavina Е. & other. Forming of Environmentally Friendly Technologies of Pig Manure Utilisation // Engineering for Rural Development. Proceedings. 2017.Vol. 16. - P. 333-341.
7. Kai P. & other. A Whole-Farm Assessment of the Efficacy of Slurry Acidificationin Reducing Ammonia Emissions // European Journal of Agronomy. 2008. Vol. 28. P. 148-154.
8. Уваров P.A. Обоснование оптимальных параметров и режимов работы биоферментационной установки барабанного типа для переработки навоза КРС // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2016. №4(24). С. 151-157.
9. Uvarov R., Briukhanov A., Shalavina Е. Study Results of Mass and Nutrient Loss in Technologies of Different Composting Rate: Case of Bedding Poultry Manure // Engineering for Rural Development. Proceedings.2016. Vol. 15. P. 851-857.
10. Уваров P.A. Результаты исследования возможности рециклинга твердой фракции навоза КРС в подстилку // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 174-178.
11. Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления
и подготовки к использованию навоза и помёта РД-АПК 1.10.15.02-17. М.:
Росинформагротех, 2017. 166 с.
12. Уваров Р.А. Результаты исследований потерь питательных веществ при биоконверсии подстилочного птичьего помета в биоферментационной установке камерного типа // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 86. С. 139-147.
13. Уваров Р.А. Программа «У.М.Н.И.К.» как стартовая площадка для молодого исследователя // Аграрная наука. 2016. № 7. С. 28-31.
14. Ногин В.Д. Принятие решений при многих критериях: учебно-методическое пособие. СПб: Издательство «ЮТАС», 2007. 104 с.
172
