CC BY
15
УДК 631.862
Исследование процесса переработки жидкого навоза свиноводческих ферм мобильной установкой
А.М. Бондаренко1, д-р техн. наук, профессор; Л.С. Качанова1, д-р экон. наук;
А.В. Барышников2, ст. преподаватель
1 Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО Донской ГАУ
2 ФГБОУ ВО Донской ГТУ
Исследование выполнено с целью анализа процесса переработки жидкого навоза свиноводческих ферм с применением мобильной установки. Использование мобильной установки для разделения жидкого навоза способствует получению твёрдой и жидкой фракций, которые накапливаются на специальных двухсекционных площадках, где перерабатываются в твёрдые и жидкие органические удобрения. Мобильная установка, смонтированная на базе тракторного прицепа, имеет в наличии фекальный насос, установку для локальной переработки жидкого навоза в виде щёточного шнека с дожимным устройством, установленным в перфорированном жёлобе, а также систему задвижек и трубопроводов. Наличие указанной компоновки позволяет перерабатывать до 40 м3/ч жидкого навоза с эффективностью разделения более 66 %. Наличие фекального насоса и дожимного устройства обеспечивают получение твёрдой фракции влажностью менее 65 % и транспортирование жидкой фракции в отстойники-накопители. Разработана функциональная схема мобильной установки, состоящая из блоков подачи жидкого навоза, фильтрования, дообезвоживания осадка и выгрузки жидкой фракции в отстойник-накопитель. Выявлены режимные, конструктивные и технологические параметры, рациональное сочетание которых позволит реализовать рассматриваемый технологический процесс.
Ключевые слова: жидкий навоз, разделение навоза на фракции, мобильный агрегат, мобильная установка, функциональная схема, технологический процесс.
Свиноводство является наиболее скороспелой отраслью животноводства. Более 40 % свинины производится на малых, средних и крупных свиноводческих фермах с поголовьем от 1000 до 12000 гол.
Технологии содержания животных предусматривают производство жидкого, полужидкого и твёрдого навоза. Применительно к Южному федеральному округу жидкий навоз (ЖН) производят более 30 % свиноводческих ферм [1]. Существующие в настоящее время технологии переработки жидкого навоза не отвечают современным требованиям по ряду причин, основными из которых являются:
- использование малоэффективных и энергозатратных технологий и технических средств для переработки жидкого навоза;
- загрязнение окружающей среды в местах накопления и хранения жидкого навоза;
- отсутствие логистики при производстве органических удобрений из жидкого навоза.
Материал и методы исследования. Наиболее распространённой в настоящее время является технология переработки жидкого навоза на свиноводческих фермах, включающая приёмники-накопители, расположенные возле каждого технологического помещения (свинарника) с насосами и системами перемешивания, объёмы которых рассчитаны на суточное накопление навоза. Периодически (1 раз в сутки) навоз цистернами вывозится в прифермский двухсекционный отстойник-накопитель жидкого навоза. Каждая секция отстойника-накопителя рассчитана на 12-месячный объём накопления навоза от фермы [1, 2]. Как правило, отстойники-
накопители не имеют изоляционного покрытия основания и боковых стенок, что способствует проникновению необеззараженного навоза в подпочвенные воды и представляет опасность для окружающей среды [3]. В процессе естественного обеззараживания в течение года жидкий навоз расслаивается на осадок, который осаживается на днище отстойника-накопителя, осветлённую жидкость и верхний слой (корку), состоящий из включений, плотность которых меньше плотности осветлённой жидкости.
По истечении 12 мес. жидкие органические удобрения используются в растениеводстве, для чего требуется постоянное локальное перемешивание навоза миксером или насосной установкой в местах его забора. Это приводит к попаданию в атмосферу летучих соединений в виде аммиака, что способствует загрязнению атмосферы и снижению качества полученного жидкого органического удобрения [4 - 6].
На основании проведённого анализа целью представленной работы является исследование процесса переработки жидкого навоза свиноводческих ферм с применением мобильной установки.
Для переработки жидкого навоза свиноводческих ферм требуется наличие компактной установки, органично вписывающейся в технологический процесс производства свинины [7].
Исходя из экономической целесообразности для свиноводческих ферм от 1000 гол. (27 м3/сут) до 12000 гол. (324 м3/сут) целесообразно использование мобильной установки для разделения навоза на твёрдую (ТФ) и жидкую фракции (ЖФ). Свиноводческие фермы в зависимости от
поголовья содержат от одного до 12 технологических корпусов (свинарников). Жидкий навоз поступает в приёмники-накопители, имеющие две секции: для сбора жидкого навоза и сбора жидкой фракции. Секция сбора жидкого навоза рассчитана на суточное накопление навоза. В секциях отсутствуют насосы и системы перемешивания. Важным элементом предлагаемого технологического решения является применение мобильной установки для разделения жидкого навоза на твёрдую и жидкую фракции с последующей раздельной переработкой их в твёрдые и жидкие органические удобрения, необходимые для восполнения почвенного плодородия [8, 9].
Приёмы рассматриваемого системного исследования основаны на анализе, синтезе и соблюдении их единства на всех этапах исследования (рис. 1).
Рис. 1 - Анализ и синтез элементов рассматриваемой системы
Анализ системы предусматривает выделение её частей со всеми взаимосвязями (входами и выходами) с целью пояснения состава элементов системы.
Синтез рассматриваемого объекта предусматривает реальное соединение частей системы в единое целое для получения модели.
Результаты исследования. Мобильная установка, смонтированная на шасси тракторного прицепа, имеет в наличии фекальный насос, установку для локальной переработки навоза, систему задвижек и трубопроводов. Установка для локальной обработки навоза представляет собой установленный в перфорированном жёлобе щёточный шнек с дожимным устройством [1].
Жидкая фракция проходит через перфорированную и-образную перегородку и самотёком поступает в секцию для сбора жидкой фракции. Осадок поступает в зону дообезвоживания. Полученная твёрдая фракция грузится в транспортное средство и вывозится на площадку для её накопления и хранения. По окончании процесса переработки жидкого навоза насос на мобильной установке переключается для выгрузки жидкой фракции и подачи её по трубопроводам в секцию отстойника-накопителя. По окончании процесса переработки мобильная установка в составе мобильного агрегата переезжает к следующему приёмнику-накопителю, и цикл повторяется.
Функциональная схема процесса разделения навоза на фракции мобильной установкой представлена на рисунке 2. В основу разработки функциональной схемы положены известные принципы анализа и синтеза элементов системы (рис. 1).
Процесс разделения навоза на фракции включает в себя три основных блока и чётвертый -вспомогательный.
Входными параметрами блока I являются объём поступающего навоза (РжН), его влажность (№ЖН)
ваг
Рис. 2 - Функциональная схема процесса разделения навоза на фракции мобильной установкой
П
и производительность фекального насоса (бнас). Выходные параметры - ЖЖН и масса жидкого навоза (МЖН), подаваемого на установку для разделения навоза на фракции. Выходные параметры блока I являются входными параметрами блока II. Процесс фильтрования на щёточном шнеке обеспечивается рациональным сочетанием конструктивных и режимных параметров: длины зоны фильтрования (£ш), угла наклона шнека к горизонту (а), диаметра витка шнека (D) и шага витков (¿в), частоты вращения шнека (п).
Важным параметром, влияющим на Жжф, является размер отверстия в перфорированном жёлобе (Котв). Выходными параметрами блока II являются масса жидкой фракции (Мжф), влажность жидкой фракции (Жжф), влажность осадка (Жос) и его масса (Мос). Входными параметрами блока III являются влажность поступающего осадка (Жос) и его масса (Мос). Процесс дообез-воживания осадка обеспечивается рациональным сочетанием длины зоны дообезвоживания (£дооб) и силой сжатия объёма осадка (Рсж). Выходными параметрами блока III являются масса полученной твёрдой фракции (Мф), её влажность (W^), а также масса образуемой при дожиме жидкой фракции (Мжф) и её влажность (Ж'жф).
Вспомогательный блок IV в качестве своих входных параметров имеет бнас, Мжф, М'жф, ^жф, Ж'жф. Выходными параметрами являются ^''жф (W^ + Ж'жф) и М''жф (Мжф + М'жф). Посредством блока IV осуществляется выгрузка жидкой фракции навоза через заранее проложенную трубопроводную магистраль в секции отстойника-накопителя.
Обобщающим выходным параметром мобильной установки является производительность агрегата (багр) и качество разделения навоза (п).
Производительность установки буст складывается из производительности её отдельных блоков:
буст < Qi < 02 < 03 < 04. (1)
Производительность агрегата определяется по выражению
V
Q =-н
^¿агр гр '
где Тц - время цикла работы агрегата:
T = T + T + T + T ц подг ф жф пер'
(2)
(3)
(4)
основных режимных, конструктивных и технологических параметров [10]:
е1=д*жн,еНас); "
6з ~ /(^дож'^сж)'
Производительность агрегата находится в прямой зависимости от производительности установки, эффективность которой определяется качеством разделения навоза на фракции (п):
С — С
^исх ^ф , пп
п =-— -100,
С
(5)
где Гподг - время на подготовку агрегата к работе; Тф - время на переработку навоза (фильтрование);
Тжф - время на откачку жидкой фракции; Тпер - время на переезд к другому объекту. Тподг включает в себя две операции: подготовку к процессу разделения и подготовку систем сбора и подачи навозной массы к транспортировке.
По представленной на рисунке 2 схеме видно, что производительность блоков зависит от
где Сисх - концентрация сухого вещества в исходном навозе;
Сф - концентрация сухого вещества в фильтрате (ЖФ).
Наличие в технологическом процессе переработки жидкого навоза мобильной установки позволяет также обслуживать все технологические корпуса на ферме и при необходимости выполнять аналогичную операцию на других свиноводческих фермах. В этом случае отпадает необходимость установки в приёмниках-накопителях насосных станций с перемешивающими устройствами, а также цистерн для откачки и транспортирования жидкого навоза в места его накопления, что снижает затраты на содержание животных и повышает рентабельность производства свинины.
Выводы. Исследование мобильной установки для разделения жидкого навоза на свиноводческих фермах позволяет снизить затраты на переработку органической массы, управлять процессами её логистики на всех этапах переработки, что способствует управлению производством жидких и твёрдых высококачественных органических удобрений, а также значительно снижает загрязнение окружающей среды в местах их накопления и хранения.
Для реализации процесса переработки жидкого навоза свиноводческих ферм мобильной установкой требуется экспериментальным путём определить технологические, режимные и конструктивные параметры процесса разделения навоза на твёрдую и жидкую фракции.
Литература
1. Бондаренко А.М. Механико-технологические основы процессов производства и использования высококачественных органических удобрений: монография. Зерноград, ВНИПТИ-МЭСХ, 2001. 292 с.
2. Рекомендации по организации и проведению производственного экологического контроля систем переработки и использования навоза (помёта) (Порядок разработки технологического регламента) / А.Ю. Брюханов, Д.А. Максимов [и др.]. СПб.: Изд-во ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2012. 59 с.
3. Справочная книга по производству и применению органических удобрений / А.И. Еськов, М.Н. Новиков, С.М. Лукин [и др.]. Владимир: ВНИПТИОУ, 2001. 496 с.
4. Participatory farm management adaptations to reduce environmental impact on commercial pilot dairy farms in the Netherlanas / J. Oenema, H. Keulen, R.L.M. Schils, H.F.M. Aarts // NJAS. Wageningen Journal of Life Sciences. 2011. Vol. 58. P. 39 - 48.
5. Update of the Dutch protein evaluation system for ruminants: the DVE/OEB2oio system / G.V. Van Duinkerken, M.C. Blok, A. Bannink, J.W. Cone, J. Dijkstra, A.M. Van Vuuren, S. Tamminga // Journal of Agricultural Science. 2011. Vol. 149. №2 3. P. 351 - 367.
6. Effectiveness of multi-stage scrubbers in reducing emissions of air pollutants from pig houses / Y. Zhao, A.J.A. Aarnink, M.C.M. de Jong, N.W.M. Ogink, P.W.G. Groot Koerkamp // Transactions of the ASABE / American Society of Agricultural and Biological Engineers. 2011. Vol.54. P. 285 - 293.
7. Инновационные технологии, процессы и оборудование для интенсивного разведения свиней: брошюра / В.Ф. Федоренко, Н.П. Мишуров, Т.Н. Кузьмина [и др.]. М.: ФГБНУ «Росин-формагротех», 2017. 128 с.
8. Инновационная техника для молочного скотоводства / В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, Д.П. Мишуров [и др.] // Инновационная техника для животноводства: по матер. Междунар. выст. «ЕшоПег-2012». М.: Росинформагротех, 2013. 208 с.
9. Зональные системы земледелия Ростовской области на 2013 - 2020 гг. Ч. I / С.Г. Бондаренко [и др.]; под ред. В.Н. Василенко. Ростов-на-Дону: Донской издательский дом, 2013. 240 с.
10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы / под общ. ред. И.Г. Арамановича. М.: Наука, 1977. 832 с.
Бондаренко Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет»
Россия, 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21 E-mail: [email protected]
Качанова Людмила Сергеевна, доктор экономических наук, доцент Барышников Алексей Владимирович, старший преподаватель ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» Россия, 344002, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1 E-mail: [email protected]; [email protected]
A study of the recycling process of liquid manure from pig farms with a mobile unit
Bondarenko Anatoliy Mikhaylovich, Doctor of Technical Sciences, Professor Azov-Black Sea Engineering Institute of Don State Agricultural University 21, st. Lenin, Zernograd, Rostov Region, 347740, Russian Federation E-mail: [email protected]
Kachanova Lyudmila Sergeyevna, Doctor of Economic Sciences, Associate Professor Baryshnikov Alexey Vladimirovich, Senior Lecturer Don State Technical University, Rostov-on-Don
1, pl. Gagarin, Rostov-on-Don, Rostov Region, 344002, Russian Federation E-mail: [email protected]; [email protected]
The study was carried out with the aim of analyzing the process of processing slurry of pig farms using a mobile unit. The use of a mobile installation for separating liquid manure contributes to the production of solid and liquid fractions, which are accumulated on special two-section sites, where they are processed into solid and liquid organic fertilizers. The mobile unit, mounted on the basis of a tractor trailer, has a fecal pump, a unit for local processing of liquid manure in the form of a brush auger with a booster device installed in a perforated chute, as well as a system of valves and pipelines. The presence of this arrangement allows processing up to 40 m3/h of liquid manure with a separation efficiency of more than 66%. The presence of a fecal pump and a booster device ensures the receipt of the solid fraction with a moisture content of less than 65% and the transportation of the liquid fraction to the storage tanks. A functional diagram of a mobile unit has been developed, consisting of blocks for feeding liquid manure, filtering, additional dewatering of sludge and unloading the liquid fraction into a storage tank. The regime, design and technological parameters are revealed, the rational combination of which will make it possible to implement the considered technological process.
Key words: liquid manure, separation of manure into fractions, mobile unit, mobile installation, functional diagram, technological process.
-Ф-
