CC BY
27
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631.861
Научное обеспечение развития экологически безопасных систем утилизации навоза
Ковалёв Николай Георгиевич1, академик РАН, научный руководитель, Гриднев Павел Иванович2, доктор техн. наук, зам. директора, Гриднева Татьяна Трофимовна2, кандидат техн. наук, вед. научный сотрудник 1ФГБНУ ВНИИМЗ, 2ФГБНУ ВНИИМЖ, г. Москва, Россия,
Е-таД:упиш2Ь213@Н81;.ги
Известно, что все системы утилизации навоза негативно воздействуют на окружающую среду. Факторы негативного воздействия предприятий по производству продукции животноводства подразделяются на две группы: зависящие и независящие от применяемых технологических и технических решений. Первая - обусловлена физиологическими особенностями жизнедеятельности животных и плохо поддаётся коррекции, вторая -зависит от применяемых технологий и технических средств и позволяет влиять на степень загрязнения окружающей среды. Только экономические потери от неполного использования удобрительных ресурсов навоза достигают 165,0 млрд рублей, в том числе 35,0-40,0 млрд руб. из-за недобора урожая, 14,5-15,0 млрд руб. из-за выброса в атмосферу СО2, 39,7-84,5 млрд руб. из-за размещения неиспользованного навоза. Важным моментом неэффективного использования удобрительных ресурсов навоза является падение плодородия почв. Так, потери гумуса в почвах России достигают 30%, а ущерб от потерь для различных типов почв оценивается от 81,4 до 739,2 тыс. руб./га. Выход из создавшегося положения возможен через создание механизма материальной заинтересованности производителей продукции животноводства в системе утилизации навоза в виде государственных дотаций в размере, определяемом уровнем изменения плодородия почв. В основу подобного нормативного документа может быть положена методика комплексной технико-экономической оценки систем утилизации навоза, учитывающая все затраты, начиная от создания системы уборки навоза из животноводческих помещений до отдачи от использования органических удобрений животноводческого предприятия.
Ключевые слова: негативное воздействие, потери гумуса, ущерб, эффективность функционирования систем утилизации навоза
Во всем мире на предприятиях по производству продукции животноводства применяют десятки различных технологических и технических систем уборки, транспортировки, хранения, переработки и использования навоза. Основное направление при этом отводится технологиям, позволяющим на основе навоза производить органические удобрения. Однако все, без исключения, известные системы утилизации навоза негативно воздействуют на окружающую среду [1, 2, 3].
Факторы негативного воздействия на окружающую среду. Все факторы негативного воздействия предприятий по производству продукции животноводства на окружающую среду подразделяются на две группы: не зависящие от применяемых технологических и технических решений и зависящие от них (рис. 1).
Любое предприятие по производству продукции животноводства, с одной стороны, воздействует на окружающую среду выбросами газообразных веществ в атмосферу, загрязнением водоемов и грунтовых вод, с другой стороны - является источником питательных элементов для растений, сохранения и увеличения плодородия почв, производства продуктов питания для человека и кормов для животных (рис. 2).
К сожалению, в силу ряда объективных и субъективных причин в условиях реального производства далеко не всегда удается найти оптимальное соотношение между интересами производителя и требованиями по защите окружающей среды от загрязнения отходами производства.
Экономическая оценка причин неиспользования навоза. В действующих нормативных документах [4, 5] по выбору систем утилизации навоза единственным источником возможного дохода от утилизации навоза в удобрения является ожидаемая прибавка урожая. Учитывая, что за последние годы цены на продукцию растениеводства изменились значительно меньше, чем на топливо, электроэнергию, технические средства, строительные материалы хозяйства всех форм собственности не могут заниматься созданием современных систем утилизации навоза, поскольку затраты на них не окупаются доходом от возможной прибавки урожая. Это является основной причиной неиспользования из годового выхода навоза, составляющего 250-280 млн тонн, больше половины в качестве удобрения (табл. 1) [3, 4, 6, 7].
Рис. 1. Классификация факторов негативного воздействия на окружающую среду предприятий по производству продукции животноводства
Таблица 1
Экономическая оценка эффективности функционирования систем утилизации навоза
Наименование показателей Количество, млн т Стоимостная оценка, млрд руб.
Неиспользованный навоз 150...200 22,0.26,0
Недобор урожая в пересчете на зерно 7,5.. .9,2 35,0.40,0
Выброс в атмосферу СО2 (парниковый газ) 18-19 14,5.15,0
Оплата за размещение неиспользованного навоза 150.200 39,7.84,5
Всего: « 165,0 млрд руб.
а\
Выбросы в атмосферу
Выбросы в атмосферу
Сбор, хранение, переработка и утилизация навоза
Продукция животноводства
Корма для животных
Загрязнение водоемов и грунтовых вод
Пополне и не п и тате ль и ых элементов в почве
>
-ё я
а р
^
я р
и
(Я
0
1
О
о
(Я
о
ъ
о
СО
о о н о
я р
о
ю о
Биологический урожай
Сохранение и увеличение плодородия почв
11роду кты питания
Рис 2. Влияние прелпрня! ни по проншодству продукт*к жнвотноволп на на окружающую среду
Суммарная упущенная экономическая выгода неполного использования удобрительных ресурсов навоза достигает 165,0 млрд рублей. Еще одним очень важным моментом неэффективного использования удобрительных ресурсов навоза является падение плодородия почв из-за сокращения содержания гумуса в почвах. По результатам многолетних наблюдений потери гумуса в почвах России достигают 30%, а ущерб от этих потерь для различных типов почв оценивается от 81,4 до 739,2 тыс. руб./га (табл. 2) [7, 8].
Плодородие почв - это не только богатство сегодняшнего дня, но это богатство будущего. Отсюда напрашивается вывод - необходимо создать механизм материальной заинтересованности производителей продукции животноводства в системе утилизации навоза, обеспечивающих рост содержания гумуса в почвах. В основу подобного нормативного документа может быть положена методика комплексной технико-экономической оценки систем утилизации навоза, учитывающая все затраты, начиная от создания системы уборки навоза из животноводческих помещений до отдачи от использования органических удобрений. Это может быть биологический урожай, дополнительная продукция в виде биогаза, белковых добавок и стоимостной оценки изменения плодородия почв.
Блок-схема предлагаемой методики выбора систем утилизации навоза с учетом конкретных природно-климатических особенностей зоны расположения предприятия по производству продукции животноводства, его характеристик, требований по защите окружающей среды от загрязнения, сохранения и увеличения плодородия почв представлена на рисунке 3 [9, 10, 11].
Для оценки технологий утилизации навоза по предлагаемой методике разработана экономико-математическая модель системы «навоз-органическое удобрение - поле». В качестве целевой функции модели предложено
использовать минимум комплексных затрат на внесение необходимого количества питательных элементов и органики на единицу площади под планируемую урожайность. При этом учитываются затраты не только на создание технологий утилизации навоза, но и на мероприятия по борьбе с сорняками, приобретение и внесение минеральных удобрений и компенсирующих материалов, ущерб окружающей среде от производства и использования органических удобрений, стоимостная оценка биологического урожая, дополнительной продукции (биогаза, белковых добавок и т.д.), изменения плодородия почв.
Для материальной заинтересованности производителей сельскохозяйственной продукции в использовании экологически безопасных систем утилизации навоза представляется целесообразным часть затрат на их создание компенсировать за счет государственных дотаций в размере стоимостной оценки изменения плодородия почв.
Анализ зарубежного и отечественного опыта решения проблемы утилизации навоза, данных расчета по предложенной методике технико-экономической оценки систем «навоз - органическое удобрение - поле», показывает, что в ближайшие годы в России наиболее целесообразно развивать технологии и технические средства для:
• механического транспортирования навоза в животноводческих помещениях;
• производства комплексных органо-минеральных смесей с заданными физико-механическими и химическими свойствами;
• механического разделения на фракции жидкого навоза и стоков;
• переработки навоза в анаэробных условиях;
• внесения органических удобрений на основе навоза в почву.
Таблица 2
Оценка ущерба от потерь гумуса пахотных земель
Тип почвы Запасы гумуса в 20 см слое, т/га Потери гумуса, т/га Ущерб от потерь, тыс. руб./га
Подзолистые и дерново-подзолистые 53,0 10,6-15,9 116,6-174,9
Серые лесные 109,0 21,8-32,7 239,8-359,7
Чернозёмы типичные 224,0 44,8-67,2 492,8-739,2
Тёмно-каштановые 99,0 19,8-29,7 217,8-326,7
Серозёмы 37,0 7,4-11,1 81,4-122,1
Стоимостная
оценка
изменен«?
плодородия
почо 015
15
Стоимостная
оценка
биологического
урожая О13
13
Стоимостная
оценка допол-
нительном
продукции
(биогаз,
белковыо
добавка и т.д)
Ом 14
Характеристика живот ноеодческого обьекта
Характеристика технологий
Ущерб окружающей среде от производства и
Природно-климатические характеристики
вмеиимих иртвнхчтжил удобрений От? 12
Выход навоза с фермы
т
Норма внесения органических
УДОбрвНИЙ
Норма внесения
компенсирующих
материалов
/V
Площадь, удобэенная органическими удобрениями (Э«)
Норма знесения минералоных удобрений
Затрать» на приобретение и внесение органических
удобрений Ою
ю
Затраты,связанные с выполнением мероприятий по борьбе с сорняками Оц
11
Норма внесения
изввсткоаых
удобрений
Затраты на приобретвнио и способно компенсирующих материалов а4
Затраты на приобретение и внесемте минеральных удобрений О;
' 7
Затраты на приобретение и внесение известковых удобрений Оч
' 9
Цолеаая функция удельные комплексные затраты
+ + + + ®П + ^12-^13 ~ 014 -015
Щ —--
>
-ё я
ё
я р
^
я р
и
(Я
0
1
о
о (Я о ъ о
СО
о о н о
я р
о
ю о
Рис 3 Ьлок-схема методики оценки систем утили кит н нанош
о\ о\
По первому направлению исследований разработаны теоретические основы транспортирования навоза различными типами рабочих органов, алгоритмы управления процессом уборки навоза из животноводческих помещений, созданы высоконадежные технические средства (типоразмер-ный ряд шнековых и штанговых транспортеров, скреперных установок, работающих в автоматическом режиме). В дальнейшем целесообразно сосредоточить усилия на поиске новых принципов перемещения навоза по каналам, обеспечивающим минимизацию объемов выполняемой работы, сокращение выделения вредных газов в атмосферу, оптимизацию параметров микроклимата в животноводческих помещениях.
На основе теоретических и экспериментальных исследований закономерностей протекания биотермических процессов, качества смешивания компонентов компостных смесей разработаны технологии и комплекты технических средств: дозирования и смешивания навоза, влагопоглощающих материалов, минеральных и бактериальных компонентов; интенсивной ферментации компостных смесей с регулируемым насыщением кислородом в стационарных установках барабанного и контейнерного типа. Дальнейшее совершенствование этих технологий целесообразно сосредоточить на создании расфасовки готовых удобрений с целью максимального сохранения их удобрительных ресурсов. Кроме того, необходимо разработать методику оптимизации транспортных потоков компонентов компостных смесей и готовых удобрений с учетом особенностей размещения удобряемых площадей.
Основное направление утилизации жидкого навоза и стоков базируется на механическом разделении их на фракции с последующим использованием жидкой фракции в системах орошения. Отечественными учеными разработаны научные основы процесса фильтрации жидкой фракции через перфорированную поверхность под действием центробежных сил и под действием механического сжатия. По результатам теоретических и экспериментальных исследований созданы комплекты машин цехов механического разделения навоза на фракции на основе центрифуг фильтрующего типа и установок прессующего типа. По основным технико-экономическим показа-
телям отечественный комплект машин не уступает лучшим зарубежным аналогам, а по стоимости в 3-4 раза дешевле их. Совершенствование линий механического разделения навоза на фракции предусматривает создание автоматизированной системы управления работой с учетом изменяющихся характеристик исходного навоза и соблюдением требований по эффективности разделения.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению влияния физико-механических характеристик исходного навоза, технологических особенностей выполнения отдельных операций, конструктивных параметров камер сбраживания на интенсивность распада беззольного вещества позволили создать ряд экспериментальных установок по переработке навоза в анаэробных условиях. Проведенные испытания этих установок подтверждают возможность создания на базе технологий анаэробного сбраживания высокоэффективных систем утилизации навоза при непременном условии обеспечения возможности круглогодичного использования сброженного навоза в качестве удобрения. В противном случае затраты на создание этой технологии не окупаются за счет дохода от производства биогаза. Перспективные исследования по технологиям переработки навоза в анаэробных условиях должны быть направлены: на поиск путей интенсификации процесса за счет создания в камере сбраживания наиболее благоприятных условий жизнедеятельности метанобразующих анаэробных бактерий. Издержки на строительство возможно снизить, применив новейшие материалы и конструктивные решения, энергоемкость процесса - за счет утилизации тепла сброженного навоза. Для максимального сохранения удобрительных свойств сброженного навоза необходимы изыскания способов его консервации. Очень важную роль в эффективности утилизации навоза играет способ внесения органических удобрений в почву. Апробированные в производственных условиях технологии дифференцированного локального внесения не получили широкого применения в силу недостаточной изученности. Практически все известные технологии внесения органических удобрений в почву имеют крайне ограниченный срок применения, сопряжены с воздействием большегрузных агрегатов на почву, что негативно сказывается на эффективности про-
изводства продукции растениеводства. Целесообразно провести исследования по поиску принципиально новых способов внесения органических удобрений в почву, обеспечивающих увеличение срока выполнения данной операции, соблюдение требований по точности распределения удобрений по поверхности полей, исключающих уплотнение почвы и разрушение ее структуры.
Выводы.
1. Отечественными учеными созданы научные основы построения экологически безопасных систем утилизации навоза применительно к любому типоразмеру животноводческого предприятия с учетом природно-климатических особенностей зоны его расположения.
2. Любое предприятие по производству продукции животноводства должно иметь в необходимом количестве и на доступном расстоянии площади сельхозугодий, пригодные для утилизации органических удобрений, приготовленных на основе навоза.
3. С целью материальной заинтересованности сельских товаропроизводителей в использовании высокоэффективных экологически безопасных систем утилизации навоза должна быть предусмотрена государственная дотация на их создание в размере, определяемом изменением уровня плодородия почв.
Список литературы
1. Афанасьев В.Н. Обоснование и разработка технологий и технических средств для производства экологически безопасных, биологически активных удобрений на основе отходов животноводства и птицеводства: дис. ... в виде научного доклада д-ра техн. наук. СПб-Пушкин, 2000. 385 с.
2. Ковалев Н.Г., Барановский И.Н. Органические удобрения в XXI веке (Биоконверсия
органического сырья): Монография. Тверь: Изд-во ЧуДо, 2006. 304 с.
3. Капустин В.П. Повышение эффективности технологических процессов уборки, транспортировки и переработки бесподстилочного навоза: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Саратов, 1997. 40 с.
4. Научные основы и рекомендации по эффективному применению органических удобрений: (По зонам страны) /под ред. Н.З. Мила-щенко. М.: ВАСХНИЛ, ВИУА, 1991. 216 с.
5. Методические рекомендации по изучению эффективности нетрадиционных органических и органоминеральных удобрений /под ред. Н.З. Милащенко. М.: РАСХН, 1999. 39 с.
6. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т., Романюк В. Направления развития технологий и технических средств уборки и подготовки навоза к использованию // Вестник РАСХН. 2002. № 5. С. 37-40.
7. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Основные направления совершенствования технологий и технических средств для уборки навоза из помещений и подготовки его к использованию // Техника и оборудование для села. 2012. № 3. С. 20-25.
8. Оценка убытков и размера возмещения за ухудшение качества сельскохозяйственных земель. [Электронный ресурс] http: / knowledge. allbest.ru. (дата обращения: 16.06.2015).
9. Гриднев П.И. Механико-технологическое обоснование эффективного функционирования технических систем подготовки навоза к использованию: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1997. 42 с.
10. Завражнов А.И., Миронов В.В. Математическое моделирование биотехнологической системы производства органических удобрений: Монография. Мичуринск - Наукоград РФ, 2012. 151 с.
11. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Экономико-математическая модель экологически безопасных технологических систем утилизации навоза // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 4. С. 8-11.
Scientific support for the development of environmentally safed systems of manure utilization
Kovalev N.G., academician of RAS, scientific supervisor, Gridnev P.I, DSc in technics, deputy director, Gridneva T.T., PhD in technics, leading researcher 1FGBNU VNIIMZ, 2FGBNU VNIIMZh, Moscow, Russia
It is known that all of manure utilization systems have a negative impact on the environment. The factors of negative influence of enterprises on livestock products' performance are divided into two groups: dependent and independent on the applied technological and technical solutions. The first is due to physiological characteristics of animals' life and is poor correctable; the second is depended on the applied technologies and technical tools and allows to influence the environmental pollution's degree. The economic losses only from the manure fertilizer resources incomplete use are reached 165.0 billion rubles including: 35.0-40.0 bn rubles
because of a crop shortage; 14.5-15.0 bn rubles due to the CO2 emission; 39.7- 84.5 bn rubles because of the unused manure placement. The important point of manure fertilizer resources' inefficient use is soil fertility declining. So the losses of humus in Russian soils reach 30%, and the damage for losses of different types of soil is estimated from 81.4 till 739.2 thousand rubles/ha. The way out of this situation is possible through the creation of a mechanism of financial interest's establishment as to of livestock products' producers in the manure waste disposal as the state subsidy in the amount of the level determined by the soil fertility changing rate. Normative document like this may be based on the integrated techno-economic evaluation of manure utilization systems' methodology that takes into account all costs, beginning with the livestock buildings' manure cleaning system establishment till benefit from the livestock enterprises organic fertilizers' using.
Key words: negative impact, loss of humus, damage, efficiency of manure management systems
References
1. Afanas'ev V.N. Obosnovanie i razrabotka tekhnologiy i tekhnicheskikh sredstv dlya proiz-vodstva ekologicheski bezopasnykh, biologicheski aktivnykh udobreniy na osnove otkhodov zhivotnovodstva i ptitsevodstva: dis. ... v vide nauchnogo doklada dokt. tekhn. nauk. [Justification and development of technology and technical means for production of environmentally safe, biologically active fertilizer on the basis of livestock and poultry waste: dissertation in the form of a scientific report on the degree of doctor of tehnical sciences]. SPb -Pushkin, 2000. 385 p.
2. Kovalev N.G., Baranovskiy I.N. Orga-nicheskie udobreniya v KhKhI veke (Biokonversiya organicheskogo syr'ya): Monografiya. [Organic fertilizers in the twenty-first century (Byconversion of organic material)]. Tver': Izd-vo Chu Do, 2006. 304 p.
3. Kapustin V.P. Povyshenie effektivnosti tekhnologicheskikh pro-tsessov uborki, transpor-tirovki i pererabotki bespodstilochnogo navoza: avtoref dis. ... dokt. tekhn. nauk. [Improving the efficiency of technological processes of cleaning, transportation, and processing of liquid manure: Author's Abstract of DSc Thesis]. Saratov, 1997. 40 p.
4. Nauchnye osnovy i rekomendatsii po effek-tivnomu primeneniyu organicheskikh udobreniy: (Po zonam strany). [Scientific bases and recommendations for the effective application of organic fertilizers (In areas of the country)]. pod red. N.Z. Milashchenko. Moscow: VASKhNIL, VIUA, 1991. 216 p.
5. Metodicheskie rekomendatsii po izucheniyu effektivnosti netra-ditsionnykh organicheskikh i organo-mineral'nykh udobreniy. [Guidelines on the effectiveness of non-traditional organic and organo-
mineral fertilizers]. pod red. N.Z. Milashchenko. Moscow: RASKhN, 1999. 39 p.
6. Gridnev P.I., Gridneva T.T., Romanyuk V. Directions of development of technologies and means of cleaning and preparation of manure for application. Vestnik RASKhN, 2002. no. 5. pp. 37-40.
7. Gridnev P.I., Gridneva T.T. The main directions of improving of technologies and tools for cleaning of manure from the premises and its preparation for use. Tekhnika i oborudovanie dlya sela, 2012. no. 3. pp. 20-25.
8. Otsenka ubytkov i razmera vozmeshche-niya za ukhudshenie kachestva sel'skokho-zyaystvennykh zemel'. [Estimation of damages and amount of compensation for the deterioration of the quality of agricultural land]. Available at: http: / knowledge.allbest.ru. (accessed 16.06.2015).
9. Gridnev P.I. Mekhaniko-tekhnologicheskoe obosnovanie effektivnogo funktsionirovaniya tekhnicheskikh sistem podgotovki navoza k ispol'zovaniyu: avtoreferat dis. ... dokt. tekhn. nauk. [Mechanical and technological justification for the effective functioning of the technical systems of preparation of manure for use: Author's Abstract of DSc Thesis]. Moscow, 1997. 42 p.
10. Zavrazhnov A.I., Mironov V.V. Matema-ticheskoe modelirovanie biotekhnologicheskoy sistemy proizvodstva organicheskikh udobreniy: Monografiya. [Mathematical modeling of biotechno-logical system of production of organic fertilizers. Monograph]. Michurinsk - Naukograd RF, 2012. 151 p.
11. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Economic-mathematical model of environmentally safe technology systems for utilization of manure. Mekha-nizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva, 2014. no. 4. pp. 8-11.
