CC BY
28
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства_
for Engineering Designing of Poultry Farms]. Moscow: Rosinformagrotekh, 2013: 217. (In Russian)
14 GOST R 53056-2008 Tekhnika sel'skokhozyaistvennaya. Metody ekonomicheskoi otsenki [State Standard GOST R53056-2008. Agricultural machinery. Methods of economic assessment]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200068708 (accessed 14.02.2018). (In Russian)
15 Informatsionno-tekhnicheskii spravochnik po nailuchshim dostupnym tekhnologiyam ITS 412017 "Intensivnoe razvedenie svinei" [BAT Information and technical reference book 412017 "Intensive rearing of pigs]. Available at: https://www.gost.ru/portal/gost/home/activity/N
DT/sprav NDT 2017 (accessed 20.03.2018) (In Russian)
16 Informatsionno-tekhnicheskii spravochnik po nailuchshim dostupnym tekhnologiyam ITS 42-
Information and technical reference book 422017 "Intensive rearing of farm poultry]. Available at https://www.gost.ru/portal/ gost/home/activity/NDT/sprav NDT 2017 (accessed 20.03.2018) (In Russian)
17 Yoon Y., Ok Y.-S., Kim D.-Y.;, Kim J.-G. Agricultural recycling of the by-product concentrate of livestock wastewater treatment plant processed with VSEP RO and bio-ceramic SBR. Water Science and Technology. 2004. Vol 49 N5-6: 405-412
УДК 631 22 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10079
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ НАВОЗА КРС
В.В. Гордеев, канд. техн. наук; P.M. Ильин
Т.Ю. Миронова;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
В животноводческих помещениях одним из значимых факторов, влияющих на продуктивность животных, является микроклимат. Для создания оптимального микроклимата необходима правильная организация воздухообмена животноводческого помещения с наружным воздухом. Повышенная влажность в коровнике является одной из распространенных проблем, которая негативно сказывается не только на физиологическом состоянии и продуктивности коров, но и на сроке службы зданий и используемого оборудования. В лабораторных условиях проведены исследования факторов влияющих на выделение влаги из навоза КРС. Были выделены два наиболее значимых и линейно независимых фактора: площадь загрязненной навозом поверхности и толщина слоя навоза. Для исследований была разработана лабораторная установка, состоящая из корпуса, с установленным в нем вентилятором, и вытяжной трубы. Навоз с относительной влажностью IV=H7.3% помещали в корпус установки, воздух с помощью вентилятора прогонялся над поверхностью навоза. О выделении водяных паров из навоза КРС судили по изменению массы за время проведения эксперимента. Полученные данные свидетельствуют о том, что на изменение массы навоза, вследствие испарения влаги из него, наибольшее влияние оказывает площадь поверхности навоза, причем с её увеличением выделение влаги увеличивается. Наибольшее значение изменения массы
243
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.
_ИАЭП. 2018. Вып. 96_
навоза получено в варианте с максимальными площадью и толщиной слоя навоза и составило 20,5 г/ч, что в 3,9 раза превышает вариант с наименьшим значением.
Ключевые слова: водяные пары, эмиссия, навоз КРС, микроклимат коровника.
Для цитирования: Гордеев В.В., Миронова Т.Ю., Ильин P.M. Исследования выделения влаги из навоза КРС // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3 (96). С. 243-249.
STUDY OF MOISTURE RELEASE FROM CATTLE MANURE
V.V. Gordeev, Cand. Sc. (Engineering); R.M. Ilin
T.Yu. Mironova;
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
In livestock houses, the indoor climate is a significant factor affecting the productivity of animals. To create the optimal indoor environment, the proper interchange of the inside and outside air is to be in place. Increased humidity in the barn is one of the most common problems that has an adverse effect on both physiology and productivity of cows and the service life of buildings and equipment. The factors affecting the moisture release from cattle manure were studied in laboratory conditions. Two of the most significant and linearly independent factors were identified: the surface area covered by manure and the manure layer thickness. A laboratory unit consisting of a case with a fan installed in it and an exhaust pipe was designed for the study. Manure with the relative humidity of 87.3% was placed in the body of the installation; the air was blown over the manure surface by the fan. The change in mass was an indicator of the water vapour release from the cattle manure during the experiment. The data obtained demonstrate that the change in the manure mass due to the moisture evaporation is most influenced by the manure surface area, and with its increase, the moisture release also increases. The largest change in the manure mass was obtained in the variant with the maximum manure layer area and thickness and amounted to 20.5 g / h that was 3.9 times higher than the option with the lowest value.
Key words: water vapour, emission, cattle manure, barn inside climate.
For citation: Gordeev V.V., Mironova T.Yu., Ilin R.M. Study of moisture release from cattle manure.
Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 3(96): 243-249. (In Russian)
Введение
Животноводческие помещения являются объектами, в которых интенсивно протекают процессы биохимической переработки органических веществ, прежде всего, это метаболизм животных и разложение их
сопровождаются выделением теплоты, паров воды, различных газов, микроорганизмов и пыли [1, 2]. Результаты экспериментов в
производственных условиях показывают, что для расчета выделений тепла и влаги в животноводческих помещениях важно учитывать испарение воды из корма, воды и навоза [3], также эти данные используются для расчета объема вентиляции [4].
Повышенная влажность в коровнике является одной из распространенных проблем, которая негативно сказывается не только на физиологическом состоянии и
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
продуктивности коров, но и на сроке службы зданий и используемого оборудования. Кроме того, с выделением водяных паров изменяется влажность навоза, которая оказывает влияние на интенсивность эмиссии газов из него [5, 6]
Ранее были проведены исследования, направленные на выявление зависимости количества выделяемой влаги при хранении навоза КРС в помещении от его влажности, времени хранения, температуры, с использованием лабораторной установки, представляющей собой герметичную камеру [7, 8]. При этом, герметичные условия могут приводить к насыщению воздуха внутри камеры водяными парами и отражаться на полученных результатах. Помещения для содержания животных должны быть оборудованы вентиляцией, которая способствует постоянному воздухообмену и движению воздуха в коровнике. Согласно РД-АПК 1.10.01.02-10 [9] в зоне размещения животных скорость движения воздуха в помещении допустимая в теплый период 1
м/с, холодный и переходный - 0,5 м/с. Считаем необходимым проведение исследований в условиях наиболее приближенных к реальным, и уточнения процесса эмиссии водяных паров из навоза КРС, для чего была разработана описанная ниже лабораторная установка. Материалы и методы Целью данного исследования является изучение выделения водяных паров из навоза КРС, о которых судим по изменению его массы, в зависимости от площади загрязненной навозом поверхности и толщины слоя навоза.
использованием статистических методов планирования эксперимента. Были выделены два наиболее значимых и линейно независимых фактора: площадь поверхности, загрязненной навозом, и толщина слоя навоза (таблица 1). Еще один фактор является не контролируемым - это влажность навоза, которая на момент проведения эксперимента составляла 87,3%.
Таблица 1
Уровни факторов и интервалы варьирования
Факторы Кодовое обозначение Интервал варьирования Уровни варьирования
- 0 +
Площадь, занимаемая навозом, м2 0,03 0,03 0,06 0,09
Толщина слоя навоза, м 0,015 0,015 0,03 0,045
Для исследования выделения водяных паров из навоза КРС использовалась лабораторная установка, состоящая из корпуса и вытяжной трубы (рисунок 1). Корпус представляет собой камеру объемом 0,089 м с вентилятором, напротив которого смонтирована вытяжная труба. Исследуемый материал (навоз) загружается в лоток с соответствующей площадью и высотой согласно схеме опыта, взвешивается и помещается в камеру установки.
Рис. 1. Модель лабораторного установки для исследования выделения водяных паров из навоза КРС
Отбор исследуемого материала проводился в одном из хозяйств Ленинградской области с типовыми коровниками с беспривязно-боксовым бесподстилочным способом содержания на резиновых ковриках. Пробы отбирались в
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2018. Вып. 96_
специальные герметичные емкости из навозоприемного канала в пяти различных точках коровника. Перед проведением измерений пробы тщательно смешивались между собой.
математических моделей в опытах использовалась рандомизированная матрица, которая сгенерирована с помощью программы STAT GRAPHIC S Plus.
Навоз относительной влажностью Ж=87,3% помещался в корпус установки, воздух с помощью вентилятора прогонялся
Продолжительность каждого варианта опыта составляла 38-45 минут. Во время проведения опытов с помощью ТКА-ПКМ-60 в корпусе установки над лотком с
зафиксированы следующие параметры: температура воздуха - 21°С, относительная влажность воздуха - 31,5%, скорость движения воздуха - 0,25 м/с. До начала каждого опыта и по его окончании измеряли
массу лотка с навозом с помощью весов CAS SW-5.
О выделении водяных паров из навоза КРС судили по изменению массы за время проведения эксперимента. Обработка результатов проводилась известными методами математической статистики с определением средних значений за установленные временные периоды, а также с использованием статистической графической программы STATGRAPHICS Plus. В результате исследований получены математические зависимости влияния площади загрязненной поверхности и толщины слоя навоза на изменение его массы.
Результаты и обсуждение
Во время проведения исследований наименьшее значение изменения массы составило 5,28 г/ч, а наибольшее - 20,5 г/ч (таблица 2). Максимальное значение было получено в варианте с наибольшими значениями исследуемых факторов.
Таблица 2
Результаты эксперимента
Номер опыта Факторы в кодированном виде Изменение массы Jm, г/ч
Площадь, занимаемая навозом, Х1 Толщина слоя навоза, Х2
1 0 +1 12,6
2 +1 0 14,3
3 0 0 9,48
4 -1 -1 9,0
5 -1 0 7,32
6 +1 +1 20,5
7 -1 +1 5,28
8 +1 -1 16,7
9 0 -1 13,02
В ходе множественного регрессионного анализа влияния исследуемых факторов на изменение массы навоза была получена математическая модель в кодированном виде:
Ат = 10,044 + 4,983Х} - 0,057-Х2+0,483-Х72+ \,88-ХгХ2+2,48-Х22; (1)
Я2 = 0,96;
где Ат - изменение массы навоза, г/ч; X/ -кодированное значение площади, занимаемой навозом, м2; Х2 - кодированное значение толщины слоя навоза, м; К2 -коэффициент детерминации.
По полученному уравнению регрессии построили трехмерную поверхность отклика и контуры её сечений (рисунок 2).
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства_
X2
ч ч —
\ N —
—
) —
—
- 6,5 8,0
- 9,5
■ 11,0
- 12,5
■ 14,0 15,5
■ 17,0 18,5
XI
Рис. 2. Поверхность отклика и контур её сечения, показывающие влияние площади поверхности и толщины слоя на изменение массы навоза Анализ полученных данных показал, что наибольшее значение изменения массы навоза получено в варианте с максимальными площадью и толщиной слоя навоза и составило 20,5 г/ч, что в 3,9 раза превышает вариант с наименьшим значением.
При увеличении исследуемой площади в 3 раза среднее значение выделившейся влаги линейно увеличилось в 2,4 раза, а при изменении толщины слоя навоза на 15 мм количество выделившейся влаги изменяется в пределах 24%. Если взять среднее значение, полученное для трех исследуемых площадей при одной и той же толщине слоя навоза, то максимальное значение выделения водяных паров с 1 м2, приходится на толщину слоя 15 мм и составляет 234,2 г/(ч-м2).
Основываясь на полученных данных проведены расчеты выделения водяных паров из навоза при толщине слоя 15 мм для семи возможных вариантов технологических модулей [10], отличающихся друг от друга взаимным расположением зон отдыха, дефекации и кормления животных. Соотношение показателей модулей и результаты расчетов для секции на 80 коров
-1
-0,6
-0,2
0,2
0,6
Таблица 3
Соотношение показателей модулей для секции на 80 коров
№ модуля Ширина модуля, м Длина секции (кормового стола), м Площадь навозного/ кормонавозного прохода, м2 Выделение водяных паров из навоза, кг/ч Процентное соотношение выделения водяных паров
Ml 6,0 97,2 340,2 79,67 150,7
М2 10,3 51,0 290,7 68,08 128,8
МЗ 11,0 51,6 319,9 74,92 141,7
М4 13,3 36,4 225,7 52,86 100,0
М5 15,3 38,0 319,2 74,76 141,4
Мб 17,6 30,0 252,0 59,02 111,7
М7 18,3 28,8 256,3 60,03 113,6
Согласно расчетным данным в зависимости от расположения зон отдыха, дефекации и кормления животных выделение водяных паров из навоза на одну голову может меняться от 0,66 кг/ч до 1 кг/ч.
Из рассмотренных вариантов максимальное количество выделяемых водяных паров из навоза соответствует модулю М1, который, как представлено [10], является наиболее комфортным и отличается
максимальным фронтом кормления (1215 м) и удельной площадью (7,29 м2). Минимальное количество выделяемых водяных паров из навоза соответствует модулю М4 и для секции на 80 коров составляет 52,86 кг/ч. Этот вариант технологического модуля М4, по мнению [10], является наиболее экономически эффективным и в связи с этим получил
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ИАЭП. 2018. Вып. 96_
наибольшее применение при новом строительстве.
Выводы
Наибольшее значение изменения массы навоза получено в варианте с максимальными площадью и толщиной слоя навоза и составило 20,5 г/ч, что в 3,9 раза превышает вариант с наименьшим значением. Установлено, что на изменение массы навоза, вследствие испарения влаги из него, наибольшее влияние оказывает площадь поверхности навоза, причем с её увеличением выделение влаги
увеличивается, а толщина слоя навоза до 4,5 см не оказывала существенного влияния на этот показатель. В связи с невозможностью уменьшения площади навозных проходов
для снижения выделения влаги при беспривязно-боксовом способе содержания, необходимо проведение дальнейших исследований по выявлению факторов, способствующих снижению выделения влаги из навоза.
Полученные данные могут быть использованы при расчетах общего количества выбросов водяных паров из коровника, в которых важно учитывать испарение влаги из кормов, воды и навоза. Дальнейшие исследования могут быть направлены на замену полученной модели динамической, которая будет учитывать суточный ритм, режим питания, световой период и т.п., а также неточности, связанные с образованием поверхностной корки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Производственная проверка влияния вентиляционных выбросов коровников на рост и развитие цветов в культивационных
Петербургского государственного аграрного университета. Ежеквартальный научный журнал. 2011. №23. С. 392-397.
2. Максимов Н.В. Пути снижения выброса вредных газов из животноводческих помещений// Экология и с.-х. техника.: Сб. тез. док. - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ, 1998. С. 149-151.
3. Pedersen, Soeren. Heat and moisture production for cattle and poultry on animal and house level. Paper number 024179, 2002 ASAE Annual Meeting. 2002. DOI: 10.13031/2013.9390.
4. Миронов B.H., Гордеев В.В. Алгоритм расчета площади прифермской теплицы // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 87. С. 218-225.
5. Вторый С.В., Ланцова Е.О. Влияние температуры воздуха и влажности навоза на интенсивность эмиссии газов из навоза крупного рогатого скота. // Региональная экология. 2015. № 5 (40). С. 43-45.
6. Hu Enzhu, Sutitarnnontr Pakorn, Tuller Markus, Jones Scott. Modeling temperature and moisture dependent emissions of carbon dioxide and methane from drying dairy cow manure. Front. Agr. Sci. Eng. 2018, Vol. 5. Issue (2) : 280-286 DOI: https://doi.org/10.15302/J-FASE-2018215
7. Lantsova E., Vtoryi V., Vtoryi S. Investigation of water evaporation from cattle manure. Proc. 14th Int. Sc. Conf. "Engineering for Rural Development". 2015. vol. 13: 590593.
8. Ланцова E.O., Вторый С.В. Мониторинг эмиссии водяных паров из навоза крупного рогатого скота // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 4. С. 39-43.
9. РД-АПК 1.10.01.02-10 «Методические рекомендации по технологическому проектированию ферм и комплексов
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
Росинформагротех. 2011. 108 с.
10. Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Обоснование
оптимального технологического модуля при
новом строительстве коровников // Вестник ВНИИМЖ. 2015. № 1 (17). С. 72-75.
REFERENCES
1. Gordeev V.V., Mironov V.N. Proizvodstvennaya proverka vliyaniya ventilyatsionnykh vybrosov korovnikov na rost i razvitie tsvetov v kul'tivatsionnykh sooruzheniyakh [Production test of the effect of ventilation emissions from barns on the growth and development of flowers in plant-growing facilities]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2011. N 23: 392 - 397. (In Russian)
2. Maksimov N.V. Puti snizheniya vybrosa vrednykh gazov iz zhivotnovodcheskikh pomeshchenii [Ways to reduce the emission of harmful gases from livestock houses]. Ecology and Agricultural Machinery: Proc. Int. Sci. Prac. Conf. Saint Petersburg: GNU SZNIIMESH, 1998: 149-151. (In Russian)
3. Pedersen, Soeren. Heat and moisture production for cattle and poultry on animal and house level. Papernumber 024179, 2002 ASAE Annual Meeting. 2002. DOI: 10.13031/2013.9390.
4. Mironov V.N., Gordeev V.V. Algoritm rascheta ploshchadi prifermskoi teplitsy [Algorithm for calculation of farm greenhouse area]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. N 87: 218-225. (In Russian)
5. Vtoryi S.V., Lantsova E.O. Vliyanie temperatury vozdukha i vlazhnosti navoza na intensivnost' emissii gazov iz navoza krupnogo rogatogo skota [Effect of air temperature and manure moisture content on the emission rate of gases from cattle manure]. Regional'naya ekologiya. 2015. N 5 (40): 43-45. (In Russian)
6. Hu Enzhu, Sutitarnnontr Pakorn, Tuller Markus, Jones Scott. Modeling temperature and moisture dependent emissions of carbon dioxide and methane from drying dairy cow manure. Front. Agr. Sci. Eng. 2018, Vol. 5. Issue (2) : 280-286 DOI: https://doi.org/10.15302/J-FASE-2018215
7. Lantsova E., Vtoryi V., Vtoryi S. Investigation of water evaporation from cattle manure. Proc. 14th Int. Sc. Conf. "Engineering for Rural Development". 2015. vol. 13: 590593.
8. Lantsova E.O., Vtoryi S.V. Monitoring emissii vodyanykh parov iz navoza krupnogo rogatogo skota [Monitoring of water vapor emissions from cattle manure]. Izvestiya Velikolukskoi gosudarstvennoi sel'skokhozyaistvennoi akademii. 2016. N 4: 3943. (In Russian)
9. Metodicheskie rekomendacii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu ferm i kompleksov krupnogo rogatogo skota RD-APK 1.10.01.02-10 [Management Directive for Agro-Industrial Complex RD-APK 1.10.01.02-10. Recommended Practice for Engineering Designing of Cattle Farms and Complexes]. Moscow: Rosinformagrotekh, 2011: 108. (In Russian)
10. Gordeev V.V., Khazanov V.E. Obosnovanie optimal'nogo tekhnologicheskogo modulya pri novom stroitel'stve korovnikov [Substantiation of the optimal technological module for newly built cow barns]. Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva.. 2015. N 1 (17): 72-75. (In Russian)
