CC BY
280
4.2. ИННОВАЦИОННАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ КУРИНОГО ПОМЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕЕ
РЕАЛИЗАЦИИ
Иванов Виктор Викторович, аспирант кафедры «Технология машиностроения», ассистент кафедры «Строительные и дорожные машины и оборудование». Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. E-mail: viktor_ivanov_61@mail.ru
Аннотация: Рассматривается проектирование и разработка инновационной автоматизированной технологии переработки куриного помета и устройства для ее реализации с автоматизированной системой управления (АСУ) при помощи применения инновационных технологий для получения ценного для растениеводства продукта в виде сухого гранулированного экологически чистого удобрения, предназначенного для полноценного питания всех овощных и садовых культур.
Ключевые слова: утилизация, куриный помет, установка, автоматизированная система управления, разработка, проектирование.
4.2. THE INNOVATIVE AUTOMATED TECHNOLOGY FOR PROCESSING CHICKEN MANURE AND THE DEVICE FOR ITS REALIZATION
Ivanov Viktor Viktorovich, Postgraduate Department of Technology of Mechanical Engineering, a.P. Department of Building and Road Machines and Equipment The Yuri Gagarin State Technical University of Saratov. E-mail: viktor_ivanov_61@mail.ru
Abstract: Discusses the design and development of innovative automated processing technology of chicken manure and device for its realization with automated control system(ACS) through the application of innovative technologies to obtain valuable plant product in the form of dry granular cleaner fertilizers intended for the nutrition of all vegetables and horticultural crops.
Index terms: recycling, chicken manure, installation, automated control system, development, design.
Очень привычной, но от этого не менее актуальной для России является проблема утилизации отходов сельского хозяйства. Сельскохозяйственное производство дает отходов в год 250 млн. тонн, из них 150 млн. тонн приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн - на растениеводство.
Особое внимание заслуживает птицеводческие хозяйства, которые являются производителями не только мясной и яичной продукции, но и отходов, причем их количество имеет намного больший вес, чем основная продукция.
Огромное количество птицеферм (более 600 по всей России) производят в сутки каждая до 300 тонн помета. Своевременное непринятие принудительно-предупредительных мер по утилизации этих отходов приводит к тому, что многие птицефабрики, размещающиеся около крупных городов и поселков, стали оказывать
негативное действие на санитарно-экологическое состояние окружающей природной среды, а именно развитие патогенной микрофлоры представляющей опасность для человека и окружающей среды. Помет является сильным источником загрязнения окружающей среды (почва, грунтовые воды, флора и фауна) и воздействует отрицательно на здоровье и генофонд населения. Стало происходить заметное загрязнение прилегающих к птицефабрикам рельефа почв, водоемов, лесов и пастбищ. В конечном итоге наносится серьезный экономический, экологический и социальный ущерб не только сельскохозяйственным землям, но и жителям близлежащих населенных пунктов. Таким образом, большая часть органического сырья не перерабатывается, накапливается вблизи птицефабрик, образуя «пометные озера» без признаков жизни флоры и фауны. Птичий помет, как удобрение
теряет свои ценные удобрительные свойства и представляет постоянную угрозу экологическому благополучию населению и соседним хозяйствам.
Строго говоря, любое птицеводческое хозяйство, прежде всего является производством навоза, боинских отходов, технических стоков и т.п., а мясо, молоко, яйцо - лишь следствие этого производства.
От одной средней мощности птицефабрики (40 тыс. кур несушек или 10 млн. цыплят бройлеров) ежегодно поступает соответственно от 35 до 83 тыс. тонн пометной массы и свыше 400 тыс.м3 сточных вод с повышенной концентрацией органических компонентов [1, 2, 3].
В результате осуществления национального проекта «Развитие АПК» ожидается, что в предстоящие 5 лет объемы производства полужидкого, жидкого навоза/помета, стоков навозных, пометных увеличатся на 35 %; возрастут с 200,3 млн. тонн в 2010 году до 250 млн. тонн в 2015 году [3].
По приблизительной оценке почти 30 % всех отечественных птицефабрик не имеют системы очистки пометных стоков. С учетом реализации национального проекта по развитию животноводства количество навозных стоков, подлежащих переработке и утилизации, должно увеличиться в 1,5 раза.
По оценкам Минсельхоза платежи агроком-паний за размещение на своих угодьях навоза/помета и других отходов доходят до 35 млрд. руб. в год, не считая штрафов за загрязнение окружающей среды [3].
Наибольший уровень экологических нагрузок испытывают поля утилизации бесподстилочного навоза/помета. Площадь полей, загрязненных органогенными отходами, в том числе животноводства, птицеводства, в РФ превышает 2,4 млн. гектаров, из которых 20 % являются сильно загрязненными, 54% - загрязненными, 26% - слабо загрязненными [3].
/ч V ч/
С другой стороны, птичий помет является одним из лучших органических удобрений, содержащим все основные питательные вещества, необходимые растениям. В этой связи разработка низкозатратных, высокоэффектив-
ных технологий, обеспечивающих гарантированное производство обеззараженных и обезвреженных органических удобрений на основе куриного помета приобретает важное значение в вопросах повышения плодородия почвы, охраны природы, сохранения здоровья животных, повышения безопасности труда обслуживающего персонала и здоровья населения и рентабельности производства.
Одним из эффективных, энергетически экономичных, экологически чистых направлений интенсификации процесса переработки куриного помета являются технология, отвечающая следующим основным требованиям:
- экологическая безопасность производства, т. е. минимизация степени влияния технологии переработки на окружающую среду;
- отсутствие потребности использования поглощающих материалов и наполнителей (торф, солома, опилки, минералы, например, бишофит, окись кальция и т. д.);
- минимизация объемов застройки под технологическое оборудование;
- сравнительная технологичность и окупаемость за счет реализации продукта переработки.
Таким образом, в птицеводческих хозяйствах можно обеспечить экологическое благополучие вследствие отсутствия главного источника загрязнения прилежащих территорий - птичьего помета, а в растениеводческих хозяйствах поднять урожайность в результате применения натуральных, органических и экологически чистых удобрений. Кроме того, если организовать переработку помета на базе птицефабрики, то можно получать еще и экономическую выгоду.
В целом, следует отметить, что ни одна из разрабатываемых в настоящее время установок на сегодняшний день не реализовала технологию, в которой помет после переработки в удобрение не потеряет органические вещества. Ввиду того, что помет содержит большое количество органических веществ и является благоприятной средой для развития различных видов микробов. В условиях естественной аэрации и при соответствующей влажности и температуре внешней среды, содержание микроорганизмов в помете может доходить
до колоссальных размеров. Ввиду того что птичий помет - ценнейшее концентрированное органическое сырье, так как в нем содержатся все необходимые для питания растений элементы, причем в благоприятном сочетании. Но в чистом виде его в земледелии использовать не рекомендуется [4, 5].
Исследованиями установлено, что внесение свежего помета в почву не дает должного эффекта в первый год, так как требуется длительное время для развития микроорганизмов «обособленной микрофлоры», разлагающих свежее органическое вещество помета в доступные формы питания для растений. В период выдерживания помета в хранилищах, в нем происходят сложные биохимические процессы. Под действием микроорганизмов значительное количество органического вещества в помете разрушается. Особенно большие потери выявлены при рыхлом хранении помета. Это относится к пометной массе, которая поступает из птичников с напольным содержанием (помет с подстилкой). При плотной укладке создаются анаэробные условия (без доступа воздуха), при которых процессы разложения прекращаются в первоначальной стадии, так как вследствие образующихся органических кислот приостанавливается дальнейшее развитие микроорганизмов. Это ведет в целом к снижению потерь органического вещества. Сухое вещество помета теряется главным образом из-за разложения клетчатки, пектиновых веществ, пентозанов и белковых соединений, в результате чего образуется углекислота. Наибольшее ее количество получается именно при аэробных условиях хранения. Наряду с углекислотой в процессе разложения помета образуется метан, водород, молекулярный азот, а также органические кислоты: уксусная, пропионовая, муравьиная и молочная. Последние, не являясь конечным продуктом, могут подвергаться дальнейшим превращениям в анаэробных и аэробных условиях. Разлагаются и азотистые соединения. Азот в свежем помете находится в виде мочевины, мочевой и гипуровой кислот, амино-амидокислот, белковых веществ и некоторых других соединений. В результате
разложения всех этих веществ образуется аммиак. Количество его может быть различным, в зависимости от качества разлагающего органического субстрата и внешних условий. Чтобы уменьшить потери ценного для питания растений аммиака, необходимо создавать такие условия, при которых максимально исключается возможность поступления воды в помет, как в птичнике, так и за его пределами. Только в таких условиях аммиак может быть поглощен микроорганизмами, находящимися в помете, и перейти в органические соединения бактериальных клеток [5, 6].
Под воздействием нитрифицирующих бактерий аммиак в помете превращается в азотную кислоту. Нитрификация проходит особенно интенсивно при рыхлом хранении помета, то есть при достаточной аэрации. Образующаяся азотная кислота, проникая в анаэробную зону, становится питательной средой для денитрифицирующих бактерий, которые могут перевести азотную кислоту в свободный азот, улетучивающийся в атмосферу. Появление такого процесса, безусловно, нежелательно, так как азот помета нужен растениям не в свободном, а в связанном состоянии.
Во избежание потерь азота нужно создать неблагоприятные условия для развития нитрифицирующих бактерий.
Нитрифицирующие бактерии развиваются только в присутствии кислорода, значит необходимо прекратить его доступ. Если помет сильно уплотнить, то доступ кислорода станет весьма ограниченным, жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий будет подавлена, накопление азотной кислоты прекратится и для денитрифицирующих бактерий не будет почвы для восстановления, таким образом, потери азота будут сведены к минимуму.
Во время разложения помета очень важно также предупредить потери фосфорной кислоты, которые могут составить свыше 40% от всего содержания ее в помете. Потери эти могут быть в результате выщелачивания ее атмосферными осадками (дождем, снегом, поверхностными стоками) или путем восстановления фосфатов под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов. Последние могут
восстанавливать фосфат не только до фосфорной кислоты, но и до фосфоритного водорода, который улетучивается в атмосферу. При этом ценность помета как удобрения также резко снижается [8].
Поэтому вопрос создания установки по переработке куриного помета с автоматизированной системой управления с разработкой технологии опытного производства по переработке куриного помета, является в настоящее время актуальным в области сельского хозяйства.
Предлагаемая установка по переработке куриного помета с автоматизированной системой управления позволит перерабатывать куриный помет в сухое органическое удобрение, которое является уникальным по своим свойствам. После переработки, сухой помет сохраняет в своем составе все полезные, с точки зрения агрохимии, вещества, присутствовавшие в исходном сырье, при этом органическое удобрение способно долго храниться и легко транспортируется.
Органические удобрения, производимые на предлагаемой установке по переработке куриного помета с автоматизированной системой управления, имеют ряд существенных преимуществ:
1. Намного более концентрированное, чем предлагаемые на рынке удобрения. Концентрация полезных веществ в 2-3 раза больше, чем у аналогов.
2. Отсутствие примесей.
3. Экологическая чистота.
4. В предлагаемом удобрении принципиально не могут образовываться канцерогены, т. к. в процессе его производства используется контактный нагрев сырого исходного продукта ниже 100оС.
5. Легко растворяется в воде, что позволяет использовать его в системах автономного полива растений.
6. Простая технология внесения в почву.
7. Ускоряет созревание плодов на 10-15 дней.
8. Увеличивает урожайность на 70%.
9. Облагораживает структуру почвы и повышает её плодородие на длительный (до 3 лет) срок.
10. Содержит все необходимые растениям питательные, стимулирующие их развитие, органические вещества и микроэлементы.
11. Повышает сопротивляемость растений к бактериальным и грибковым заболеваниям (фитофторозу, парше, корневым гнилям, фу-зариозу и др.).
12. Обеспечивает сбалансированное питание всех сельскохозяйственных культур и создает условия для получения экологически чистой продукции.
13. Восстанавливается гумусный слой.
14. Восстанавливается оптимальная кислотность почв.
15. Отсутствуют семена сорных растений.
16. Исключает появление на поверхности грунта плесени
В настоящий момент проведены исследования и анализы физико-механических характеристик куриного помета, проведенные на основе предоставленного материала птицеводческими фабриками Саратовской области (см. таблицы 1 и 2). Описание и результаты экспериментов будут положены в основу разработки алгоритмов программы расчета оптимальных технологических параметров технологии переработки куриного помета с последующей подачей заявки на объект интеллектуальной собственности, а именно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Исследования показали, что после переработки, сухой помет сохранит в своем составе все полезные, с точки зрения агрохимии, вещества, присутствовавшие в исходном сырье, при этом органическое удобрение способно долго храниться и легко транспортируется. Это позволит сохранить ценные компоненты получаемого удобрения с высоким содержанием азота, фосфора и калия, способствующих улучшению структуры и микрофлоры почвы, обогащению её гумусом, повышению урожайности сельскохозяйственных культур на 10-30%.
Таблица 1
Показатели концентрации полезных компонентов
№ Показатель Ед. изм. Результат Требования
1 Массовая доля влаги % 11,31 не более 15
2 Массовая доля сухого вещества % 88.69 не менее 85
3 рН Ед. 6,73
4 Азот общий % 4,30 не менее 2
5 Фосфор общий % 2,18 не менее 2
6 Калий общий % 1,09 не менее 0.8
7 Массовая доля органического вещества % 60,73 -
8 Массовая доля органического вещества в пересчете на углерод % 30,37 -
9 Отношение С^ 6.33 -
10 Массовая доля аммонийного азота % 0,50 -
Таблица 2
Показатели концентрации вредных компонентов
Следует отметить, что все представленные на сегодняшний день на рынке готовые или проектируемые решения установок по переработке куриного помета отличаются высокой стоимость и себестоимостью процесса переработки помета, а также сложным и дорогим теку-
щим обслуживанием, поэтому, как правило, недоступным для сегмента среднего и малого предпринимательства [7]. Данная установка позволит полностью переработать куриный помет и произвести гигиенически чистый органический или органоминеральный продукт с высоким содержанием азота, фосфора и калия. Кроме того, разрабатываемая установка будет отличаться простотой в эксплуатации, что расширит потенциальный круг потребителей данной продукции.
Отличительным признаками создаваемой установки от аналогов является модульность установки позволяющая менять потребительские свойства изделия по желанию заказчика в момент её приобретения и наращивать, либо менять её возможности в процессе эксплуатации. Её отличие от установок аналогичного назначения в том, что она является полностью конструкторской, а не проектной разработкой. Конструкторские решения позволят существенно уменьшить габариты, массу, и, соответственно понизить стоимость серийной установки, что позволит обеспечить экологическое благополучие вследствие переработки главного источника загрязнения прилежащих территорий - птичьего помета.
№ Показатель Обнаружено
1 5а!топе!!а не обнаружено
2 Сатру!оЬаС:ег1асеае не обнаружено
3 К!еЬз1е!!а не обнаружено
4 5:арИу1ососси5 не обнаружено
5 Иерсиния псевдотуберкулезис не обнаружено
" Варианты налсшигрля:
• СПИЛКИ
•солома
• торф
• шелука
Сыпучие удобрений £1) гранулиромнкые удобрения Жидкое удобрение
у-]} Корм&еая добавка ТОрдое топлиео Почеагрунты
Рисунок 1. Технологический цикл переработки куриного помета.
Кроме того, одним из отличительных инновационных решений является автономность, модульность и мобильность конструкции установки, которая не требует подключения к инженерным сетям, сложные подготовительные строительные и пуско-наладочные работы, работающая на собственном энергобалансе и не требующая внешних подключений.
Параллельно с разработкой инновационной технологии, основанной на принципе «сухой» экструзии, для получения ценного для растениеводства продукта в виде сухого гранулированного экологически чистого удобрения, предназначенного для полноценного питания всех овощных и садовых культур проводиться разработка конструкторской документации установки, в которой будут реализованы перечисленные выше преимущества перед аналогами.
Рисунок 2. Предлагаемая схема установки по переработке куриного помета.
В процессе разработки алгоритмов программы расчета оптимальных технологических параметров технологии переработки куриного помета будут использованы следующие инструментальные средства: платформа Java, среда разработки NetBeans 6.8, язык программирования - Java. Мотивированный выбор инструментальных программных средств разработки в сфере информационных технологий обусловлен следующими причинами приведенными ниже [9, 10].
В качестве платформы была выбрана Java -платформа в связи с тем, что она предназна-
чена для транспортировки и выполнения высоко интерактивных, динамических и безопасных апплетов и приложений на системах сетевых компьютеров.
В качестве среды разработки была выбрана бесплатная интегрированная среда NetBeans 6.8 по следующим причинам:
- среда разработки NetBeans 6.8 является современным, гибким средством, предоставляющим удобные механизмы для быстрой разработки распределенных приложений;
- среда разработки NetBeans 6.8 предоставляет широкий набор компонентов для доступа к данным, что делает ее удобной для разработки приложений работающими с базами данных.
Java был выбран в качестве языка программирования по следующим приведенным причинам:
- универсальность языка Java - поддерживается возможность исполнения Java-приложений под управлением различных операционных систем;
- важной особенностью Java является возможность создания Web-серверных приложений на базе технологии страниц JSP;
- наличие большого количества документации по работе в среде;
- универсальность и работоспособность на различных платформах, таких как Windows, Linux, Unix, Solaris, MacOS.
Планируемая коммерческая перспектива использования установок по переработке куриного помета заключается в реализации в Российской Федерации и странах ближнего зарубежья, а также в оказании сервисных услуг по её сопровождению. К дополнительным рынка сбыта можно отнести следующее: оказание консультационных услуг птицефабрикам по переработке куриного помета, продажи удобрений на основе переработанного куриного помета (крупные и средние хозяйства, фермерские хозяйства, хозяйства использующие теплицы, оптовая торговая сеть, сеть магазинов розничной торговли, экспорт удобрения). Также, разрабатываемую установку целесообразно использовать в учебных целях при подготовке специалистов в области сельского хозяйства. Кроме того, разрабатываемая автоматизированная установка по переработке куриного помета, безусловно, является актуальной
для Саратовской области с точки зрения создания безотходных производств и улучшения экологической обстановки в регионах нашей страны.
Проект будет востребован в птицеводческих хозяйствах, а в качестве мультипликативности планируется масштабируемость разработки в сельскохозяйственных предприятиях, крестьянских и другие хозяйствах, занимающихся производством, переработкой и сбытом продукции животноводства и птицеводства, где предъявляются высокие требования к санитарно-эпидемиологическим и экологическим нормам.
Список литературы:
1. Долгов В. С. Гигиена уборки и утилизации навоза : монография / В. С. Долгов. - М. : Россель-хозиздат, 1984. - 175 с. : ил.
2. Ковалев, Н. Г. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах / Н. Г.Ковалев, И. К. Глазков. - М. : Агропромиздат, 1989. - 160 с. : ил.
3. Кривых, Л. И. Утилизация отходов с животноводческих комплексов и ферм :практ. руководство / Л. И. Кривых. - Барнаул : РИО АИПКРС АПК, 2005. - 40 с.
4. Меркурьев, В. С. Пособие по системам сооружений для подготовки и утилизации сточных вод и животноводческих стоков / В. С. Меркурьев, Р. П. Воробьева; Гл. упр. плодородия почв, мелиорации земель и сельхозводоснабжения, НИИ по с.-х. использованию сточных вод. - НИИССВ«Прогресс», Алт. подразделение НИИССВ «Прогресс». - М., 1996. - 76 с.: ил.
5. Сидоренко, О. Д. Биологические технологии утилизации отходов животноводства: учеб. пособие / О. Д. Сидоренко, Е. В. Черданцев. - М. : Изд-во МСХА, 2001. - 74 с.
6. Аксенова, Н.Н. Разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров устройства для перемещения птичьего помета. Диссертации канд. техн. наук.- Пенза, 2007, 195 с.
7. Курдюмов В.И., Аксенова Н.Н., Х.Х.Губейдуллин. Устройство для сушки помёта. Патент РФ на полезную модель № 91148. Опубл. 27.01.2010 г., Бюл № 3.
8. Лысенко, В.П. Переработка отходов птицеводства / В.П. Лысенко. - Сергиев Посад: ВНИТИП. -1998. - 152 с.
9. Бишоп Д. Эффективная работа: Java 2. СПб.: Питер; К.: Издательская группа BHV, 2002. 592 с.
10. Вязовик Н. А. Программирование на Java. Курс лекций. М.: Intuit, 2003. 589 с.
РЕКОМЕНДАЦИЯ
на статью ассистента кафедры «Строительные и
дорожные машины и оборудование» Иванова Виктора Викторовича, научный руководитель доктора технических наук, профессора кафедры «Технология машиностроения» Решетникова Михаила Константиновича на тему: «Инновационная автоматизированная технология переработки куриного помета и устройство для ее реализации» В статье автор на основе большого фактического материала рассматривают проблему, затрагивающую вопросы автоматизации технологического процесса переработки куриного помета выявляю проблематику и решение проблемы с учетом разработки эффективного, энергетически экономичного, экологически чистого направления интенсификации процесса переработки помета.
Актуальность статьи не вызывает сомнений, поскольку переработка отходов птицеводства, а в частности куриного помета является важной проблемой в развитии научно-технической политики государства и структурного преобразования в сфере сельского хозяйства и в частности осуществления национального проекта «Развитие АПК».
В работе обосновывается необходимость и допустимость применения инновационного подхода с разработкой технологии переработки помета с целью получения органических удобрений удобрения с высоким содержанием азота, фосфора и калия, способствующих улучшению структуры и микрофлоры почвы, обогащению её гумусом, повышению урожайности сельскохозяйственных культур на 10-30%. Работа выполнена на высоком научном уровне, содержит ряд выводов, представляющих практический интерес.
Данная работа может быть рекомендована к конкурсу.
Рецензент
доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника» СГТУ имени Гагарина Ю.А
Игнатьев Александр Анатольевич
