CC BY
23
УДК 631.862
ФОРМИРОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА
Е.В. Шалавина, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства
E-mail: nii@sznii.ru
Аннотация. Согласно стратегии развития сельскохозяйственного комплекса до 2030 г., планируется рост производства свинины на 30%. Такое увеличение объема производства приведет к образованию на одном свинокомплексе от 200 т/сут. жидкого навоза, который необходимо перерабатывать и вовлекать в замкнутый цикл сельскохозяйственного производства, чтобы обеспечить экологическую безопасность. Анализ промышленного свиноводства показал, что оно часто не связано с растениеводческими предприятиями, на поля которых можно вносить полученное жидкое органическое удобрение. В связи с этим актуальным направлением утилизации свиного навоза является его глубокая переработка. Система глубокой переработки свиного навоза описана трехуровневой математической моделью. Нижний уровень - модель отдельных явлений, средний уровень - модель технологических операций, верхний уровень - модель технологических вариантов. Разработаны программа и методика исследований технологии глубокой переработки свиного навоза и получены показатели, необходимые для расчетов. Основными из них являются: время первичной седиментации t1 - 7 суток; время аэрации t21- 7 суток; время вторичной седиментации t22 - 4 часа. При данных режимах обеспечивается получение твердого органического удобрения и очищенной жидкости для спуска на поля фильтрации с Иовщ=1000 мг/кг, Робщ=13 мг/кг. Разработан порядок расчета критериев для формирования адаптивных технологий переработки свиного навоза. В качестве критериев выбраны экономический (приведенные затраты ZПр) и экологический (масса сохраненных питательных веществ Mnp) показатели. На основе теоретических и экспериментальных данных разработана математическая модель формирования адаптивных технологий, а на ее основе - соответствующий алгоритм. Алгоритм реализован с помощью WEB-программирования на языке PHP и СУБД MySQL. Ключевые слова: экологическая безопасность, очищенная жидкость, автоматизированный выбор.
В настоящее время одной из проблем, влияющих на нормальное функционирование животноводческих комплексов, а порой и сдерживающих их развитие, является проблема утилизации навоза [1-3]. У многих свиноводческих комплексов нет достаточного количества собственных земельных угодий для внесения получаемого органического удобрения [4, 5]. Часто земельные угодья для внесения удобрения располагаются на расстоянии от 15 км и более от животноводческого комплекса.
С крупных свиноводческих комплексов образуются значительные объемы жидкого навоза. Так, только с «Идаванг» (Ленинградская обл.) и Великолукского свиноводческого комплекса (Псковская обл.) за год образуется более 700 тыс. т жидкого навоза. Ленинградская область является одной из лидирующих областей в СЗФО по производству свиноводческой продукции.
Вопросами эффективной переработки свиного навоза занимаются с 1980-х годов, когда начали функционировать такие крупные свиноводческие комплексы, как «Новый свет», «Новгородский», «Восточный». В то время был проведен большой объем работ по совершенствованию технологий переработки и использования навоза такими учеными, как Ковалев Н.Г., Марченко Н.М., Афанасьев В.Н., Калюга В.В. и др. [6-11]. Большой объем работ по переработке навоза был проделан и за рубежом, в таких странах, как Дания, Франция и др. Для обобщения и систематизации данных был проведен анализ технологий переработки свиного навоза (рис. 1).
На основании обобщенной информации по изученным технологиям переработки свиного навоза было установлено, что у каждой технологии в зависимости от условий использования есть свои преимущества и недостатки.
КОМПОСТИРОВАНИЕ, БИОФЕРМЕНТАЦИЯ
' ПЕРЕРАБОТКА
Рис. 1. Адаптивные технологии переработки свиного навоза в СЗФО
Так, в некоторых технологиях требуются значительные площади для внесения органических удобрений, повышенное энергопотребление, специфические химические реагенты. Все это накладывает ограничения по использованию технологий в конкретных условиях животноводческих комплексов.
Таблица 1. Основные показатели технологий глубокой переработки свиного навоза
Показатель/Технология 1 2 3 4
Масса твердого органического удобрения в год, т 10800 11300 12800 16326
Масса очищенной жидко- 39000 36500 35040 33893
сти в год, т
Удельные капитальные 4,93 3,99 4,6 4,31
затраты, тыс. руб/т
Удельные эксплуатацион- 0,45 0,97 0,66 0,39
ные затраты, тыс. руб/т
Технологии: 1 - использование шандорных отстойников и рыбоводных прудов; 2 - использование узла флокуляции и биологической очистки; 3 - использование коагулятора и биологической очистки; 4 - использование циклических отстойников и биологической очистки
При этом преимущества и недостатки технологий выражаются и оцениваются как в удельных капитальных и эксплуатационных затратах, так и в массе сохраненных питательных веществ в полученном органическом удобрении. Как видно из таблицы 1, по ряду показателей есть существенные отклонения (до 50%), следовательно, целесообразно выбирать технологии с учетом конкретных условий хозяйства.
Для формирования адаптивных технологий переработки свиного навоза была разработана принципиальная схема (рис. 2). Блок «ДАННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ» включает в себя информацию о производственных факторах, ресурсах и технико-технологические характеристики. Блок «БАЗА ДАННЫХ» содержит нормативно-справочный материал и материал базы данных технических средств и оборудования. Блок «ОГРАНИЧЕНИЯ» содержит критерии формирования оптимальной технологии с учетом индивидуальных возможностей предприятия.
На основании проведенного литературного анализа в качестве критериев формирования технологий выбраны:
- экономический (приведенные затраты);
- экологический (масса сохраненных питательных веществ в полученном органическом удобрении).
Для разработки математической модели и алгоритма формирования адаптивных технологий и получения необходимых показателей для расчета критериев проведены дополнительные исследования [12, 13].
Проведенный анализ технологий глубокой переработки с использованием циклических отстойников показал, что значения критериев при реализации технологии находятся в большом диапазоне. Поэтому технология глубокой переработки навоза была изучена более детально. Исследовались следующие технологические операции: первичная седиментация, аэрация с вторичной седиментацией, длительное выдерживание. Для проведения исследований вышеперечисленных технологических операций были разработаны программа и методика проведения эксперимента и собрана лабораторная установка.
ДАННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ
СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ
РАСЧЕТ СУТОЧНОГО ВЫХОДА СВИНОГО НАВОЗА И ЕГО ВЛАЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОБЩИХ АЗОТА И ФОСФОРА
ПОГОЛОВЬЕ ЖИВОТНЫХ
РАСЧЕТ ПОТЕРЬ
БИОГЕНОВ ПО
БАЗОВЫМ
ТЕХНОЛОГИЯМ
ТЕХНОЛОГИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЖИВОТНЫХ
ТЕХНОЛОГИЯ НАВОЗОУДАЛЕНИЯ
ется гранулированный состав частиц жидкой фракции (меняется гидравлическая крупность частиц за счет увеличения их гидратной оболочки) и образуются пузырьки газа в процессе седиментации.
Был введен поправочный коэффициент, учитывающий влияние микробиологического фактора:
А =
и
Рис. 2. Принципиальная схема формирования адаптивных технологий
Размеры лабораторной модели первичного отстойника выбирались с учетом соблюдения следующих условий:
1. Происходит движение малого количества частиц в объемах, имеющих большое поперечное сечение.
2. Размеры лабораторной установки достаточны для удобства ее обслуживания (отбор проб, эксплуатация оборудования).
3. Отношение высоты установки к ее диаметру не менее 1,5:1.
Минимальные размеры лабораторной модели первичного отстойника с учетом соблюдения свободного осаждения составляют: диаметр 100 мм, высота 150 мм.
При исследовании седиментации жидкой фракции свиного навоза в первичном отстойнике было замечено, что скорость осаждения твердых частиц зависит от времени хранения жидкой фракции свиного навоза с момента разделения на фракции свиного навоза до помещения жидкой фракции в отстойник. Это связано с тем, что особенностью жидкой фракции свиного навоза является изменение ее физико-химического состава, вследствие чего изменя-
где и0 - скорость осаждения исходной жидкой фракции свиного навоза, мм/с; ut - скорость осаждения ¿-часовой жидкой фракции свиного навоза, мм/с; t -время хранения исходной жидкой фракции свиного навоза непосредственно после сепарации до момента начала седиментации, ч.
Экспериментально были определены значения данного коэффициента для различного времени хранения жидкой фракции свиного навоза (1-11 суток).
Были проведены теоретические исследования по определению радиуса первичного отстойника. Получены графические зависимости радиуса отстойника от поправочного коэффициента, учитывающего влияние микробиологического фактора (рис. 3).
И <4,2- Рь
Д> 3,9-рь
✓
0.0 0.1 0.2 Э.З 0.4 0.5 0.5 0.7 0.0 0.9 1.0 11 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5 1.7 1.0 1.9
Рис. 3. Зависимость радиуса первичного отстойника от коэффициента, учитывающего влияние микробиологического фактора
и
Экспериментальные исследования были проведены на отстойнике периодического действия вертикального типа. Для возможности использования полученных в результате эксперимента данных на отстойниках других типов (горизонтальный, радиальный и др.) была рассмотрена теория процесса седиментации твердых частиц применительно к жидкой фракции свиного навоза.
Было установлено, что скорость осаждения твердых частиц является свободной. Поэтому при проектировании промышленных отстойников их геометрическая форма выбирается в соответствии с инженерной целесообразностью и условиями сельскохозяйственного предприятия.
После обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана трехуровневая математическая модель технологии глубокой переработки свиного навоза.
Такой подход позволил учесть основные особенности технологии переработки навоза как в разрезе технологии и технических средств, так и качественных и количественных показателей получаемого органического удобрения и очищенной жидкости.
Целевой функцией является эколого-эко-номический показатель по азоту Кээ№, представляющий собой отношение экономического эффекта от продажи прибавки урожая к затратам на сохранение питательных веществ в органическом удобрении, внесенном в почву под полученный урожай:
ч
Кээ„ = Г(ХИ,Х21,Х30 = , ; (1)
(2)
Kspvj+& spvj
Ч =Сп-Се= f(XU);
^Кор
_
Vspv] = MoPVG-Lj
Kspvl = nX2i,X3i), (3)
E^i -
_ Espvg] _
^ - MoPVG-Ч = f(X2Í,X3Í)
(4)
т; Lj - масса потерь питательных веществ в год при j-й технологии, т; i - номер технологической операции; Kop - количество технологических операций в технологии; Zsi - суммарные капитальные затраты на сооружения для i-й технологической операции, тыс. руб; Zoi - суммарные капитальные затраты на оборудование для i-й технологической операции, тыс. руб.; Espvgj - эксплуатационные затраты на сохранение питательных веществ для производства требуемой мощности, тыс. руб.; X1i - перераспределение массы на i-й технологической операции, т; X2i - перераспределение азота на i-й технологической операции, т; X3i - перераспределение фосфора на i-й технологической операции, т.
При помощи разработанной математической модели был создан алгоритм для расчета критериев при формировании адаптивных технологий переработки свиного навоза. Для реализации автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза в электронную программу было выбрано WEB -программирование (PHP и СУБД MySQL). С помощью автоматизированного выбора технологий (программа ЭВМ) была подобрана оптимальная технология переработки жидкого свиного навоза для одного из предприятий Ленинградской области. Исходные данные предприятия представлены в табл. 2.
Таблица 2. Исходные данные предприятия
Выход свиного навоза в сутки, т 150
Влажность навоза, % 93,4
Доступная электрическая мощность, кВт 200
Земельные угодья для внесения органических удобрений в радиусе 15 км, га 1280
где Ч - чистый доход, тыс. руб; Сп - стоимость прибавки урожая со всей площади (где использовались органические удобрения), тыс. руб.; Се - себестоимость прибавки урожая от удобрений, тыс. руб.; К^ - капза-траты на сохранение питательных веществ при у-й технологии, тыс. руб; Морус - масса образовавшихся питательных веществ в год,
Базовая технология - свиной навоз по трубопроводу подается на сепаратор. Жидкая фракция свиного навоза обеззараживается методом длительного выдерживания в бетонированных навозохранилищах (9 месяцев), твердая фракция обеззараживается методом пассивного компостирования. Полученное жидкое органическое удобрение вносится на поля сельскохозяйственного предприятия, занимающегося растениеводством и расположенного на удалении до 50 км от свинокомплекса, твердое органическое удо-
брение вносится на собственные земельные угодья. Новый вариант (оптимальная технология) - свиной навоз по трубопроводу подается на сепаратор. Жидкая фракция свиного навоза подлежит биологической очистке; полученное твердое органическое удобрение вносится на собственные поля; очищенная жидкость (60% от массы исходного навоза) спускается на поля фильтрации.
Сравнительные показатели базового и нового вариантов переработки жидкого свиного навоза представлены в табл. 3. Как следует из приведенных данных, новая технология обладает рядом преимуществ по отношению к базовой. Эксплуатационные затраты на производство 1 т органического удобрения сокращаются в 1,8 раз, затраты труда - в 3,3 раза, затраты на топливо - в 1,4 раза. Новая технология имеет более высокий коэффициент экологической безопасности, благодаря чему обеспечивает экологический эффект в 1,1 раза больше базовой технологии.
Выводы:
1. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования технологии глубокой переработки свиного навоза. После обобщения результатов исследований была разработана трехуровневая математическая модель технологии глубокой переработки свиного навоза.
2. Был разработан порядок расчета критериев для формирования адаптивных технологий переработки свиного навоза. В каче-
стве критериев выбраны экономический (приведенные затраты 2ир) и экологический (масса сохраненных питательных веществ MNp) показатели.
3. На основе теоретических и экспериментальных данных разработана математическая модель формирования адаптивных технологий, а на ее основе - соответствующий алгоритм. Алгоритм реализован с помощью WEB-программирования на языке PHP и СУБД MySQL.
4. На примере ООО «Животноводческий комплекс «Бор» Ленинградской области, программой выбрана адаптивная технология переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников, позволившая по сравнению с используемой технологией сократить затраты труда в 3,3 раза, затраты на топливо - в 1,4 раза и УДЭ -в 1,8 раз. При этом расчетный эколого-эко-номический эффект от внедрения технологии составит 5936 тысяч рублей в год.
Литература:
1. Попов В.Д., Максимов Д.А., Брюханов А.Ю. Экологические проблемы с.-х. производства и их решение в СЗФО РФ // С.-х. машины и технологии. 2013. №4.
2. Брюханов А.Ю. Обеспечение экологической безопасности с.-х. производства на период до 2030 г. на основе внедрения НДТ // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №4.
3. Уваров Р.А., Брюханов А.Ю. Перспективные технологии биоферментации навоза/помета для Северо-Запада России // Научное обозрение. 2015. №16. С. 26.
4. Исследования поверхностного способа внесения жидкого органического удобрения в Северо-Западном регионе России / Д.А. Максимов и др. // Сб. докл. ВИМ. М., 2012. С. 45-51.
5. Васильев Э.В. Результаты исследования поверхностного способа внесения жидкого органического удобрения в Северо-Западном регионе России // Вестник ВНИИМЖ. 2012. №4(8). С. 56-61.
6. Рабинович Г.Ю., Ковалев Н.Г. Биоконверсионные технологии получения и использования биомелиори-рующих средств // Доклады РАСХН. 2010. №1. С. 24.
7. Измайлов А.Ю., Личман Г.И., Марченко Н.М. Перспективы механизации применения органических удобрений // Техника и оборудование для села. 2010 №1.
8. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Потребность сельского хозяйства страны в основных технических средствах для уборки и подготовки навоза к использованию // Техника в сельском хозяйстве. 2013. №2. С. 12.
9. Технологические требования к новым техническим средствам в животноводстве / Иванов Ю.А. и др. М., 2010.
Таблица 3. Сравнительная эколого-экономическая _оценка (за год)_
Показатель Технология
базовая новая
Капитальные затраты, тыс. руб. 198195 210240
УДК, тыс. руб/т 3,63 3,84
Затраты труда, челч/т 6 1,8
Затраты на электроэнергию, руб/т 10 96
Затраты на топливо, тыс. руб/т 0,11 0,08
Эксплуатационные затраты, тыс. руб. 26828 14783
УДЭ, тыс. руб/т 0,49 0,27
Экологический эффект от повышения плодородия земли, руб/т 970 1030
Приведенные затраты, тыс. руб/т 4,12 4,11
Экологический показатель, т 278,9 336,4
10. Афанасьев В.Н., Брюханов А.Ю. Сельскохозяйственные отходы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. №3. С. 30-33.
11. Калюга В.В., Брыков Ю.А. Усовершенствованная система удаления навоза периодического действия // Вестник ВНИИМЖ. 2004. Т. 13. С. 182.
12. Шалавина Е.В., Субботин И.А., Васильев Э.В. Исследование седиментации свиного навоза, его жидкой фракции и навозосодержащих стоков // Вестник Ульяновской ГСХА. 2014. №1. С. 152-156.
13. Минин В.Б., Субботин И.А. Оценка содержания питательных веществ в отходах животноводства в Ленинградской области // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. №87.
Literatura:
1. Popov V.D., Maksimov D.A., Bryuhanov A.YU. EHko-logicheskie problemy s.-h. proizvodstva i ih reshenie v SZFO RF // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2013. №4.
2. Bryuhanov A.YU. Obespechenie ehkologicheskoj bezo-pasnosti s.-h. proizvodstva na period do 2030 g. na osno-ve vnedreniya NDT // Vestnik VNIIMZH. 2015. №4.
3. Uvarov R.A., Bryuhanov A.YU. Perspektivnye tekhnologii biofermentacii navoza/pometa dlya Severo-Zapada Rossii // Nauchnoe obozrenie. 2015. №16. S. 26.
4. Issledovaniya poverhnostnogo sposoba vneseniya zhid-kogo organicheskogo udobreniya v Severo-Zapadnom re-gione Rossii / D.A. Maksimov i dr. // Sb. dokl. VIM. M., 2012. S. 45-51.
5. Vasil'ev EH.V. Rezul'taty issledovaniya poverhnostnogo sposoba vneseniya zhidkogo organicheskogo udobre-
niya v Severo-Zapadnom regione Rossii // Vestnik VNIIMZH. 2012. №4(8). S. 56-61.
6. Rabinovich G.YU., Kovalev N.G. Biokonversionnye tekhnologii polucheniya i ispol'zovaniya biomelioriruyu-shchih sredstv // Doklady RASKHN. 2010. №1. S. 24.
7. Izmajlov A.YU., Lichman G.I., Marchenko N.M. Pers-pektivy mekhanizacii primeneniya organicheskih udobre-nij // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2010 №1.
8. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Potrebnost' sel'skogo ho-zyajstva strany v osnovnyh tekhnicheskih sredstvah dlya uborki i podgotovki navoza k ispol'zovaniyu // Tekhnika v sel'skom hozyajstve. 2013. №2. S. 12.
9. Tekhnologicheskie trebovaniya k novym tekhniches-kim sredstvam v zhivotnovodstve / Ivanov YU.A. i dr. M., 2010.
10. Afanas'ev V.N., Bryuhanov A.YU. Sel'skohozyajstven-nye othody // Mekhanizaciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2012. №3. S. 30-33.
11. Kalyuga V.V., Brykov YU.A. Usovershenstvovannaya sistema udaleniya navoza periodicheskogo dejstviya // Vestnik VNIIMZH. 2004. T. 13. S. 182.
12. SHalavina E.V., Subbotin I.A., Vasil'ev EH.V. Issle-dovanie sedimentacii svinogo navoza, ego zhidkoj frakcii i navozosoderzhashchih stokov // Vestnik Ul'yanovskoj GSKHA. 2014. №1. S. 152-156.
13. Minin V.B., Subbotin I.A. Ocenka soderzhaniya pita-tel'nyh veshchestv v othodah zhivotnovodstva v Lenin-gradskoj oblasti // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenie-vodstva i zhivotnovodstva. 2015. №87.
THE FORMATION OF PIG MANURE PROCESSING'S ADAPTIVE TECHNOLOGIES E.V. Shalavina, candidate of technical sciences, senior research worker The institute of agroengineering and ecological problems of agriculture industry
Abstract. According to the strategy of agriculture sector development till 2030 it is planned to increase pork productivity in 30%. This industry's increasing will lead to the formation on single pig farm complex from 200 tons per day of liquid manure, that it must be processed, and engaged in a closed cycle of agriculture productivity to ensure the ecological safety. The industrial pig-farming analysis had shown that it often is not associated with the plant cropping enterprises, on their fields it can liquid organic fertilizer be received. In this regard, the relevant direction of pig manure utilization is its deep processing. The system of pig manure deep processing is described by three-level's mathematical model. The lower level is the individual phenomena model, the average one-technological operations model, the upper level is technological variants model. The research program and methodology of pig manure deep processing's technology are developed and the necessary indicators for calculations are received. The main of them are: primary sedimentation time t1 is 7 days; time of aeration t21 is 7 days; secondary sedimentation time t22 is 4 hours. At given regimes it is provided getting of solid organic fertilizer and purified liquid to descend on the field with Nsum=1000 mg/kg, Rsum=13 mg/kg. The order of calculating criteria procedure for pig manure processing's adaptive technologies formation is developed. As criteria the economic (reduced costs Zpr) and ecological (saved nutrients' Mnp mass) indicators are selected. On the theoretical and experimental data's basis, a mathematical model of the adaptive technologies formation is developed, and on its base the corresponding algorithm has done. The algorithm is implemented by using the WEB programming on PHP language, and SYBD MySQL using. Keywords: ecological safety, the purified liquid, automated selection.
