CC BY
42
позволило снизить энергоемкость, а в результате отделения навивкой шнеков частей корма от монолита, стебельный корм просыпался вниз под собственным весом. При этом расстояние между верхними конвейерами устанавливалось таким, при котором корм не просыпается вниз, если конвейеры неподвижны. В результате, под шнеки дозировано подавался предварительно разрыхленный корм. Разрыхлённый, с меньшей связностью частиц силос, может легко транспортироваться дальше по технологической цепочке, в том числе и выгрузным шнеком.
Поисковые исследования показали, что шнеки в процессе работы не забиваются силосом и пропускают через себя достаточно равномерный поток. В случае остановки вращения шнеков просыпание через них силоса прекращалось. При этом расстояние S между шнеками и их размеры можно определять из соотношения:
S = R1+R2+(0...5L), где: R1,R2 - радиусы верхних конвейеров; L - длина резки травы силоса, используемой на корм.
На основании положительных результатов поисковых исследований макета рабочих органов питателя, оформлена заявка на получение патента Российской Федерации и получен патент на изобретение [5].
ВЫВОДЫ
Поисковые исследования макета питателя стебельных кормов показали работоспособность конструкции и выявили предпосылки для её эффективного применения, что может служить основой для более детальных исследований с целью определения оптимальных режимных и конструктивных параметров питателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хазанов Е.Е., Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Модернизация молочных ферм. -СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2008. - 155 с.
2. Интернет.
www.pellon.fi/ru/КРС/Привязное_содержание_КРС/Кормораздача/Загрузочные устройства/
3. Интернет. www.delaval.ru DeLaval Mixer Wagon 2014.pdf
4. Интернет. www.delaval.ru Горизонтальный стационарный смеситель HSM компании Де Лаваль.
5. Патент РФ № 2270560. Питатель стебельного корма/ Сорокин В.В., Хазанов Е Е., Хазанов В.Е.; опубл. 27.02.2006, бюл. № 6.
УДК 631.95
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ БАРАБАННОГО БИОФЕРМЕНТАТОРА
Р.А. УВАРОВ
ORCID: 0000-0002-2792-0136
В статье дана характеристика современного сельскохозяйственного предприятия, указана основная цель его функционирования, а также его риски для окружающей среды, затронута проблема разрыва связей между растениеводством и животноводством, в результате которой все более остро встает вопрос повышения экологической безопасности предприятий агропромышленного сектора. Многие развитые страны, такие как Германия, США, Канада и Нидерланды, одной из первостепенных целей своего долгосрочного развития видят снижение экологической нагрузки на окружающую среду. В статье рассматривается необходимость внедрения новых, более интенсивных, экологически безопасных и экономически обоснованных технологий утилизации навоза/помета, к числу которых относится технология биоконверсии отходов в барабанном биоферментаторе. Исследования проводятся с целью уточнения режимов работы биоферментационной установки. В рамках проведения исследований планируется реализация полного факторного эксперимента. В качестве управляемых факторов, которые выделены: расход воздуха и периодичность оборотов барабана. Реализация эксперимента предполагается по матрице 32. В статье представлены интервалы и уровни варьирования управляемых факторов, матрица планирования эксперимента, модель двухфакторного эксперимента, а также схема лабораторной модели барабанного биоферментатора, используемой в опытах. По результатам экспериментальной работы планируется разработка математической модели процесса биоконверсии в барабанном биоферментаторе. Ее задача будет состоять в моделировании процесса ускоренного компостирования различных видов органических отходов с целью прогнозирования оптимальных параметров и режимов работы в зависимости от вида и характеристик исходного сырья, а также требований, предъявляемым к конечному продукту.
Ключевые слова: сельское хозяйство; экология; органические отходы, биоконверсия, биоферментатор, методика исследований.
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере
STUDY METHOD OF DRUM-TYPE BIO-FERMENTOR OPERATING CONDITIONS
R.A. UVAROV
ORCID: 0000-0002-2792-0136
The paper describes characteristics of a modern agricultural enterprise, the main purpose of its operation and the risks it represents to the environment. The problem of a bigger gap between crop and livestock farming is highlighted, which results in ever increasing topicality of environmental safety of enterprises in agro-industrial sector. Many developed countries, such as Germany, USA, Canada and the Netherlands consider the lowering of environmental load on the environment as one of the primary goals of their long-term development. The article discusses the urgent need to introduce new, more intensive, but environmentally safe and economically sound technologies for utilization of animal/poultry manure, including the technology of bioconversion of waste in a drum-type biofermentor. The aim of the study is to adjust the operation modes of a biofermentor. The study will include a full factorial experiment. The air flow rate and the frequency of drum revolutions were selected as controllable factors. The experiment will be implemented by the 32 matrix. The intervals and varying levels of controllable factors, experiment planning matrix, two-factor model of the experiment, as well as the design of biofermentor laboratory model are described. By the experiment results a mathematical model of bioconversion process in the drum-type biofermentor will be designed to simulate the process of accelerated composting of different types of organic waste and to predict the optimal parameters and operating modes depending on the type and characteristics of the raw material, as well as the requirements to the end product.
194
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Key words: agriculture; ecology; organic waste; bioconversion; biofermentor; research method.
This work was fmancially supported by the Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and Technology
ВВЕДЕНИЕ
Современное сельскохозяйственное предприятие представляет собой природно-техническую систему, включающую в себя различные инженерные объекты, расположенные и функционирующие на определенной территории в пределах агроланшафта. Основной целью предприятия является производство максимального количества сельскохозяйственной продукции при минимальных затратах для последующей ее реализации на рынке, но лишь часть используемого вещества и энергии переходит в товарный продукт, остальная часть поступает в окружающую среду, оказывая на нее негативное воздействие. Большая часть отходов, образующихся в агропромышленном комплексе, может выступать в качестве вторичных сырьевых ресурсов [1, 2, 3].
Наметившаяся в последнее время тенденция к интенсификации отрасли животноводства приводит к значительному увеличению массы и концентрации навозо-пометных масс. Одновременно с увеличением концентрации происходит и увеличение влажности выходного навоза/помета, связанное с внедрением новых технологий и способов содержания в животноводство и птицеводство. Совокупность данных факторов приводит к увеличению экологической нагрузки на окружающую среду. Все это ставит перед сельским хозяйством проблему необходимости внедрения новых, более интенсивных, экологически безопасных и экономически обоснованных технологий утилизации навоза/помета [4, 5, 6].
Производимый на животноводческих и птицеводческих предприятиях навоз и помет, в зависимости от применяемой технологии переработки, может выступать как высококачественное органическое удобрение, подстилка для содержания животных, ценная кормовая добавка, основа для производства многофункциональных торфогрунтов [4-7].
Технология биоконверсии отходов в барабанном биоферментаторе, в зависимости от варьирования режимов работы, позволяет получать все вышеперечисленные продукты.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В рамках проведения исследований планируется реализация полного факторного эксперимента. Основной целью применения математических методов планирования эксперимента является отыскание характерного фактора, однозначно связанного с основным параметром, характеризующим эффективность работы биоферментационной установки [10].
В качестве исходного материала для проведения экспериментальных исследований выступает твердая фракция навоза КРС после разделения на сепараторе в одном из хозяйств Ленинградской области, параметры исходного материала, такие как влажность, кислотность, соотношение углерода к азоту, а также содержание и формы веществ группы N-P-K в нем, решено отнести их к контролируемым параметрам.
С учетом вышеизложенного, при планировании эксперимента выделены следующие факторы:
• Управляемые:
У Расход воздуха, Lвозд, м3/ч.
У Периодичность оборотов барабана, T, ч.
• Контролируемые:
У Влажность смеси, W^^, %.
У Кислотность смеси, pHlсмеси.
У Соотношение углерода к азоту в смеси, C/N^^.
^ Содержание и формы веществ группы N-P-K в смеси, MN-P-K, г/кг.
> Масса смеси, Мсмеси, кг.
> Температура смеси, tCMecu, °С.
> Температура окружающей среды, tOKp.cp., °С.
Исходя из поставленной основной задачи исследования, в качестве критерия оптимизации принято время цикла протекания процесса биоконверсии.
Эксперимент предполагается реализовать по матрице 32. При каждой комбинации факторов планируется трехкратная повторность опыта. Уровни и интервалы варьирования факторов устанавливаются с учетом ранее проведенных исследований [11-14]. Значения выбранных уровней варьирования факторов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Интервалы и уровни варьирования факторов
Уровни факторов Кодовые значения Натуральные значения
Х1 Х2 Расход воздуха, Ьвозд, м3 1000/ч Периодичность оборотов барабана, Т, ч
Основной уровень 0 0 1,83 12
Интервал варьирования 1 1 1,44 6
Верхний уровень +1 +1 2,55 18
Нижний уровень -1 -1 1,11 6
Модель двухфакторного эксперимента представлена на рисунке 1.
/
бозд
т
g ч. 1 ^ 1 i«: 1 J & Jt
Технологический процесс биокондерсии органических отход од ö барабанном биоферментаторе
L
ÖUOKOHÖPpCUU
Рис. 1. Модель двухфакторного эксперимента биоконверсии органических отходов в
барабанном биоферментаторе
Для проведения экспериментальных исследований планируется использовать лабораторную модель барабанного биоферментатора (рис. 2) [11].
Рис. 2. Схема лабораторной модели барабанного биоферментатора: 1 - цилиндрический барабан; 2 - рама; 3 - приводной узел; 4 - цепь; 5 - мотор-редуктор привода; 6 - катки; 7 - обечайка; 8 - контрольные люки; 9 - аэрационная труба;
10 - воздуховод подачи наружного воздуха; 11 - загрузочный бункер; 12 - выгрузной шнек;
13 - мотор-редуктор выгрузного шнека; 14 - лопатки; 15 - вытяжной воздуховод;
16 - тензометрические датчики; 17 - теплоизоляция
Подача воздуха в биоферментатор осуществляется посредством вентилятора ВЦ 14-46 №2. Замер скорости подачи воздуха производится измерителем скорости движения воздуха ТКА-ПКМ/60. Изменение массы перерабатываемого продукта в процессе биоконверсии фиксируется при помощи 4-х тензометрических датчиков SQB 3410-2000-С3, подключенных к весовому терминалу XK 3118Т1. Измерение температуры компостируемого продукта производится при помощи термометра ТЦМ 9410/М2. Определение температуры окружающего воздуха осуществляется посредством термометра ТС-77. Определение физических показателей и химического состава производится в научно-исследовательской лаборатории аналитических методов инженерной экологии ИАЭП на современных приборах и оборудовании: лабораторные весы Pioneer, рН-метр/ионометр ЭКСПЕРТ-001 3(01), спектрофотометр ПЭ-5400 В и атомно-абсорбционный спектро-фотометр Shimadzu AA-680.
Расход воздуха определяется при помощи измерителя скорости движения воздуха ТКА-ПКМ/60, подносимого к воздуховоду подачи наружного воздуха. С учетом значения скорости движения воздуха, диаметра аэрационной трубы и продолжительности работы напорного вентилятора представляется возможным определить количество подаваемого в биоферментационную установку воздуха.
Периодичность оборота барабана определяется путем фиксирования времени начала первого оборота барабана и окончанием последнего оборота барабана согласно точному московскому времени
Определение влажности смеси проводится в аналитической лаборатории согласно ГОСТ 26713-85.
Определение кислотности смеси проводится в аналитической лаборатории согласно ГОСТ 27979-88.
Определение количества углерода (органического вещества) производится в аналитической лаборатории согласно ГОСТ 27980-88.
Определение количества азота производится в аналитической лаборатории согласно ГОСТ 26715-85.
Определение химического состава компостируемого вещества производится в аналитической лаборатории:
• Количество общего азота определяется согласно ГОСТ 26715-85.
• Количество аммонийного азота определяется согласно ГОСТ 26716-85.
• Количество фосфора определяется согласно ГОСТ 26717-85.
• Количество калия определяется согласно ГОСТ 26718-85.
Определение массы смеси проводится дважды в сутки каждые 12 часов с момента загрузки смеси в биоферментатор при помощи комплекта весового оборудования.
Определение температуры смеси производится при помощи термометра ТЦМ 9410/М2.
Замер температуры проводится в шести точках дважды в сутки каждые 12 часов с момента загрузки смеси в биоферментатор. Схема расположения точек замера представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема расположения точек замера температуры в биоферментационной установке
Температура окружающей среды определяется при помощи термометра для помещений ТС-77. Замер температуры окружающей среды производится одновременно с замером температуры смеси внутри биоферментационной установки.
ВЫВОДЫ
Разработанная методика исследования режимов работы барабанного биоферментатора позволит провести уточнение режимов работы барабанного биоферментатора в зависимости от типа исходного сырья назначения конечного продукта. Разработанная на основе экспериментальных данных математическая модель должна подтвердить или опровергнуть ранее проведенные теоретические исследования [15].
При планировании эксперимента в качестве управляемых факторов были выбраны два физических параметра процесса биоферментации: количество подаваемого воздуха и число оборотов биоферментационной установки; в качестве контролируемых - физико-химические характеристики компостируемой смеси (влажность, соотношение углерода к азоту, рН, пористость, размер частиц смеси, содержание К-Р-К) и температурный режим (температура смеси и температура окружающей среды). В качестве критерия оптимизации предложена продолжительность процесса биоконверсии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bryukhanov A.Yu. [& other]. Russia // Status of nutrient bookkeeping in the Baltic Sea countries. Dessau-Roßlau, 2015. С. 33-35.
2. Попов В.Д., Максимов Д.А. Экологические проблемы использования машинных технологий в АПК // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2009. № 4. С. 5-8.
3. Афанасьев В.Н., Максимов Д.А., Афанасьев А.В. Концепция развития системы экологической безопасности сельхозпроизводства // Достижения науки и техники АПК. 2007. № 10. С. 40-42.
4. Брюханов А.Ю. [и др]. Рекомендации по обоснованию экологически безопасного размещения и функционирования животноводческих и птицеводческих предприятий. Санкт-Петербург: ИАЭП, 2015. 50 с.
5. Уваров Р.А., Слободянюк П.А. Анализ интенсивных технологий переработки навоза, помета // Перспективы инновационного развития агропромышленного комплекса и сельских территорий Материалы международного конгресса. Сер. "Агрорусь". Северо-Западный региональный научный центр Российской академии сельскохозяйственных наук, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, «ЭФ - ИНТЕРНЕШНЛ», 2014. С. 52-53.
6. Хазанов Е.Е. Основные принципы создания экологически безопасных молочных ферм // В сборнике: Экология и сельскохозяйственная техника материалы 3 -ей Научно-практической конференции. 2002. С. 248-254.
7. Ковалев Н.Г., Барановский И.Н. Органические удобрения в XXI веке: биоконверсия органического сырья. Тверь: Изд-во ЧуДо, 2006. 304 с.
8. Уваров Р.А. Результаты исследования возможности рециклинга твердой фракции навоза КРС в подстилку // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 174178.
9. Еськов А.И. [и др]. Справочная книга по производству и применению органических удобрений. Владимир: изд-во РАСХН, 2001. 495 с.
10. Хартман К., Лецкий Э., В. Шеффер В. Планирование эксперимента в исследованиях технологических процессов. М.: Мир, 1977. 553 с.
11. Uvarov R., Briukhanov A., Shalavina E. Study results of mass and nutrient loss in technologies of different composting rate: case of bedding poultry manure // Engineering for Rural Development Proceedings. 2016. С. 851-857.
12. Subbotin I.A., Briukhanov A.Yu., Uvarov R.A. Losses of nutrients at intensive processing of poultry manure // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 1 -3 (43). С. 41-42.
13. Уваров Р.А. Определение потерь питательных веществ при переработке подстилочного птичьего помета в биоферментационной установке барабанного типа // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2015. № 4 (20). С. 145-148.
14. Пат. 146604 РФ. Биореактор для конверсии органических отходов непрерывного действия / Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Максимов Н.В., Уваров Р.А. // Бюл. - 2014 - 29.
15. Брюханов А.Ю., Уваров Р.А. Математическая модель технологии ускоренного компостирования отходов животноводства в биоферментационных установках закрытого типа // Известия КГТУ, 2016. № 41. С. 137-147.
