CC BY
13
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 100(2)
Technical Sciences
Научная статья УДК 631.862
Оптимизация процесса глубокой переработки жидкого навоза животноводческих предприятий
Александр Николаевич Головко1, Анатолий Михайлович Бондаренко1,
Александр Викторович Хаценко2
1 Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской аграрный университет», Зерноград, Ростовская область, Россия
2 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия
Аннотация. Организация производства продукции животноводства является стратегически важной задачей. Побочные продукты производства продукции животноводства, которыми в том числе являются жидкие органические отходы, согласно действующему законодательству, должны быть переработаны, так как являются отходами III - IV класса опасности. Глубокая переработка жидких органических отходов животноводства позволяет вернуть переработанные продукты в технологический процесс или использовать в других отраслях. Для оптимизации процесса глубокой очистки разработана модель взаимодействия систем животноводства, переработки и растениеводства. Модель включает три основных блока, описывающих систему производства продукции животноводства (блок I), системы переработки отходов производства продукции животноводства (блок II) и системы производства кормовой базы (блок III). Рассмотрены входные и выходные параметры каждого блока, их взаимосвязь. Полученные в результате глубокой переработки концентрированные органические удобрения позволят повысить производительность при производстве кормовой базы в системе растениеводства для использования в системе животноводства. Полученную в результате глубокой переработки техническую воду можно использовать как в системе растениеводства для орошения и полива, так и в системе животноводства после осветления и обеззараживания во всех технологических цепочках, что позволит снизить себестоимость основной продукции животноводства из-за снижения затрат на водопотребление.
Ключевые слова: органические отходы животноводства, глубокая переработка, оптимизация процесса, жидкий навоз, разделение, обеззараживание.
Для цитирования: Головко А.Н., Бондаренко А.М., Хаценко А.В. Оптимизация процесса глубокой переработки жидкого навоза животноводческих предприятий // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 2 (100). С. 125 - 128.
Original article
Optimization of the process of deep processing of liquid manure of livestock enterprises
Alexander N. Golovko1, Anatoly M. Bondarenko1, Alexander V. Hatsenko2
1 Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of the Don Agrarian University, Zernograd, Rostov Region, Russia
2 Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia
Abstract. The organization of livestock production is a strategically important task. By-products of livestock production, which, among other things, are liquid organic waste, according to the current legislation, must be processed, as they are waste of III-IV hazard class. Deep processing of liquid organic animal waste allows you to return processed products to the technological process or use them in other industries. To optimize the deep cleaning process, a model of interaction between livestock breeding, processing and crop production systems has been developed. The model includes three main blocks describing the livestock production system (block I), waste processing systems for livestock production (block II) and forage base production systems (block III). The input and output parameters of each block, their relationship are considered. The concentrated organic fertilizers obtained as a result of deep processing will increase the productivity in the production of fodder base in the crop production system for use in the livestock breeding system. The technical water obtained as a result of deep processing can be used both in the crop production system for irrigation and watering, and in the livestock breeding system after clarification and disinfection in all technological chains, which will reduce the cost of the main livestock products due to lower costs for water consumption.
Keywords: organic animal waste, deep processing, process optimization, liquid manure, separation, disinfection.
For citation: Golovko A.N., Bondarenko A.M., Hatsenko A.V. Optimization of the process of deep processing of liquid manure of livestock enterprises. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 100(2): 125-128. (In Russ.).
Отрасль животноводства является стратегическим направлением обеспечения продовольственного потенциала страны. Особое место отводится производству продукции животноводства, как поставщику необходимого сырья для пищевой промышленности. Наряду с производством
основной продукции неизбежно производятся технологические отходы как побочный продукт технологического процесса.
Использование современных технологий гидросмыва для очистки помещений для содержания животных от произведённых ими
органических отходов приводит к образованию существенного количества жидких органических отходов, в том числе жидкого навоза. Согласно нормативным документам, навоз относится к IV классу опасности и требует переработки [1]. Экономически более целесообразно выполнять полную, т.е. глубокую переработку отходов животноводства до продуктов, по своим параметрам отвечающих нормативным требованиям и разрешающих их возврат в технологический процесс, или другое полезное использование [2, 3]. Для решения данной задачи необходимо рассмотреть более подробно существующие технологии и оборудование, способные выполнять в составе технологической линии глубокую очистку жидких органических отходов животноводства.
Цель исследования - определение возможности применения существующего оборудования и технологий для оптимизации процесса глубокой переработки жидких органических отходов животноводства.
Материал и методы. Объектом исследования является процесс глубокой переработки жидких органических отходов животноводства. В работе применены методы анализа и синтеза существующих перспективных технологий переработки жидких органических отходов животноводства.
Глубокая переработка органических отходов животноводства подразумевает преобразование жидкого навоза в продукты, которые соответствуют нормативным требованиям и могут быть использованы вторично в технологических процессах производства продукции животноводства и кормовой базы [4]. Кормовая база существенно влияет на состав отходов, меняя структуру и физические свойства. В свою очередь, технология процесса переработки отходов животноводства, таких, как жидкий навоз, зависит от его состава и физических свойств, а также от возраста, количества и вида животных. Эти факторы влияют на технологию переработки жидкого навоза, количество ступеней его переработки, а также методы и оборудование, применяемые для реализации указанных процессов [5]. Переработка жидкого навоза в органические удобрения играет важную роль в обеспечении экологической обстановки в зоне животноводческого производства и позволяет улучшить плодородие почв посредством внесения удобрений [4, 6]. Для оптимизации результатов процесса переработки жидких органических отходов животноводства целесообразно рассматривать его как часть модели технологического взаимодействия технологий выращивания сельскохозяйственных животных и производства кормовой базы для них.
Результаты и обсуждение. Системы производства продукции животноводства, переработки отходов животноводства и производства кормовой
базы взаимосвязаны между собой. Связь этих систем и существующих в них технологических процессов можно представить в виде модели (рис. 1).
Модель включает три основных блока, описывающих систему производства продукции животноводства (блок I), систему переработки отходов производства продукции животноводства (блок II) и систему производства кормовой базы (блок III). При разработке данной модели были приняты следующие допущения: V, м3 - объём жидкого навоза на входе в блок II, больше или равен сумме объёмов концентрированного органического удобрения и воды для полива на выходе из блока II - УКоу + УВп.
Входными параметрами блока I являются количество голов сельскохозяйственных животных, задействованных в процессе производства (N1, и кормовая база. Выходными параметрами является производимая продукция: молоко, мясо и жидкий навоз (ЖН). Выходные параметры жидкого навоза - его влажность (Ж, %) и объём (V, м3). Выходные параметры жидкого навоза блока I являются входными для блока II, где происходит его переработка в продукты, отвечающие нормативным требованиям, которые можно использовать для технологических нужд в двух остальных блоках. Блок II предусматривает три варианта переработки жидкого навоза: в приферм-ском навозохранилище, механическое разделение с последующей переработкой жидкости и осадка, перспективные технологии переработки.
Входными параметрами блока II являются выходные параметры блока I - влажность (Ж %) и объём (V, м3) жидкого навоза. Блок «Механическое разделение» содержит ступень грубой и тонкой очистки. Ступень грубой очистки представлена четырьмя блоками: блок использования оборудования вакуумного фильтрования (ВФ); блок инерционного осаждения (ИО (ОЦ)), предполагающий использование осадительного оборудования; блок, предполагающий использование оборудования фильтрования вибрацией (ФВ); блок центробежного фильтрования (ЦФ); блок гравитационного механического разделения типа «Дуговое сито» (ДС); блок экструдерного отделения давлением типа «Шнековый сепаратор» (ШС); последний блок этой ступени предполагает использование развивающихся методов и технологий, не имеющих на данный момент серийного производства (ПМг). После грубой очистки твёрдый осадок транспортируется на площадку для хранения твёрдой фракции (ПХТФ), где с помощью термического обеззараживания (ТОб) перерабатывается в концентрированное органическое удобрение, которое после выполнения процедуры технологического цикла погрузки и транспортировки (ПиТ) переходит в подсистему III «Растениеводство» для внесения на поля.
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 100(2) _
Technical Sciences
Рис. 1 - Модель взаимодействия систем при глубокой очистке жидкого навоза:
ЖН - жидкий навоз; ПрН - прифермское навозохранилище; ПХТФ - площадка хранения твёрдой фракции; ТОб - термическое обеззараживание; ПиТ - погрузка и транспортировка; ВФ - вакуумное фильтрование; ИО (ОЦ) - инерционное осаждение (осадительная центрифуга); ФВ - фильтрование вибрацией; ЦФ -центробежное фильтрование; ДС - дуговое сито; ШС - шнековый сепаратор; ПМг - перспективные методы грубой очистки; НФУ - напорная флотационная установка; Атк - аэротенк; ТОт - тонкослойный отстойник; ПМт - перспективные методы тонкой очистки; Вп - вода для полива (орошения); ТР - транспортировка; Ос - осветление; Об - обеззараживание; Вт - вода техническая
Полученная после грубой очистки суспензия переходит в блок «Тонкая очистка». Дальнейшее обеззараживание и очистка происходят с помощью блоков технологий тонкой очистки: в блоке, использующем оборудование типа «Напорная флотационная установка» (НФУ), происходит очистка суспензии от взвесей на основе эффекта вовлечения взвешенных частиц пузырьками воздушной смеси по всему объёму очищаемого продукта и вытеснения на поверхность для сбора, а также удаления; в блоке, использующем технологические сооружения типа «Аэротенк» (Атн), происходит очистка жидкости за счёт переработки взвешенных частиц колониями микроорганизмов, получивших технологическое название «активный ил»; в блоке быстрого гравитационного осаждения за счёт уменьшения пути оседания взвешенных частиц органических отходов предполагается использование оборудования типа «Тонкослойный отстойник» (ТОт); последний блок этой ступени предполагает использование развивающихся методов и технологий тонкой очистки, не имеющих на данный момент серийного производства (ПМт).
Согласно нормативным документам, полученная после тонкой очистки вода, как отвечающая по основным параметрам требованиям к воде для орошения и полива, направляется на процедуру технологического цикла «погрузка и транспортировка» (ПиТ) и может быть направлена в подсистему III «Растениеводство» для полива или
орошения [7 — 10]. После выполнения нормативных требований, пройдя блок осветления (ОС) и блок обеззараживания (ОБ), вода может быть направлена в подсистему I «Животноводство» для технологических нужд [11].
Модель имеет следующие обратные связи между подсистемами: обратная связь между подсистемой II «Переработка» и I «Животноводство» - возврат технической воды Vjb для технологических нужд; обратная связь между подсистемой III «Растениеводство» и I «Животноводство» - производимая в этой подсистеме кормовая база [11].
Вывод. Разработанная модель для определения возможности применения существующего оборудования и технологий для оптимизации процесса глубокой переработки жидких органических отходов животноводства позволяет определить направления возможного сочетания использования существующего оборудования и технологий для достижения оптимального результата глубокой очистки жидкого навоза до требуемых в нормативных источниках параметров.
Выбор состава и сочетания существующих технологий и оборудования для конкретного объекта зависит от количества голов животных, состава кормовой базы, наличия энергетических мощностей и площади прифермских территорий, а также от многих других факторов, поэтому требует проведения дополнительных исследований.
Список источников
1. ГОСТ 26074 - 84 Навоз жидкий. Ветеринарно-санитарные требования к обработке, хранению, транспортированию и использованию; введ. 1984-06-30. М.: Изд-во стандартов, 1984. 7 с.
2. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Intensive Rearing of Poultry and Pigs. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU. Joint Research Centre: Institute for Prospective Technological Studies Sustainable Production and Consumption Unit; European IPPC Bureau. 2013. 824 p.
3. Справочная книга по производству и применению органических удобрений: монография / А.И. Еськов, М.Н. Новиков, С.М. Лукин и др. / ВНИПТИОУ Владимир, 2001. 496 с.
4. Качанова Л.С. Управление технологическими процессами производства и применения органических удобрений в аграрном секторе экономики: монография. Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2016. 207 с.
5. Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта РД-АПК 1.10.15.02-17. М.: Росинформагротех, 2017. 166 с.
6. Сокращение выбросов аммиака: меры и действия. Рекомендации целевой группы по химически активному азоту ЕЭК ООН / S. Bittman, M. Dedina, C.M. Howard и др. Эдинбург, 2014. 101 с.
7. Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Шалавина Е.В. Проблемы обеспечения экологической безопасности животноводства и наилучшие доступные методы их решения // Региональная экология. 2017. № 1 (47). С. 37 - 43.
8. Пат. № 2733903 C1. Российская Федерация, МПК C05F 3/06, C02F 103/20. Технологическая линия тонкой очистки жидкого навоза и помёта / А.Н. Головко, А.М. Бондаренко, Л.С. Качанова, В.П. Скворцов; № 2019139897; заявит. ФГБОУ ВО Донской ГАУ; заявл. 05.12.2019; опубл. 08.10.2020.
9. Ветеринарно-санитарные правила по использованию животноводческих стоков для орошения и удобрения пастбищ // Сборник нормативных актов и образцов документов. СПб., 1995.
10. Качанова Л.С. Мобильный агрегат для приготовления и внесения жидких концентрированных органических удобрений // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 3 (71). С. 157 - 161.
11. Качанова Л.С. Реализация разновидностей системы многопродуктовых моделей оптимизации перевозок органических удобрений с размещением пунктов переработки навоза // Известия Оренбургского
государственного аграрного университета. 2016. № 2 (58). С. 50 - 52.
References
1. GOST 26074-84 Liquid manure. Veterinary and sanitary requirements for processing, storage, transportation and use; input. 1984-06-30. M.: Publishing house of standards, 1984. 7 p.
2. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Intensive Rearing of Poultry and Pigs. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU. Joint Research Centre: Institute for Prospective Technological Studies Sustainable Production and Consumption Unit; European IPPC Bureau. 2013. 824 p.
3. Reference book on the production and use of organic fertilizers: monograph / A.I. Eskov, M.N. Novikov, S.M. Lukin et al. / VNIPTIOU. Vladimir, 2001. 496 p.
4. Kachanova L.S. Management of technological processes of production and use of organic fertilizers in the agrarian sector of the economy: monograph. Zernograd: Azov-Chernomorsk Engineering Institute, Donskoy GAU, 2016. 207 p.
5. Guidelines for the technological design of systems for the removal and preparation for use of manure and litter RD-APK 1.10.15.02-17. M.: Rosinformagrotekh, 2017. 166 p.
6. Reduction of ammonia emissions: measures and actions. Recommendations of the UNECE Task Force on Reactive Nitrogen Center for Ecology and Hydrology / S. Bittman, M. Dedina, C.M. Howard et al. Edinburgh, 2014. 101 p.
7. Bryukhanov A.Yu., Vasiliev E.V., Shalavina E.V. Problems of ensuring the ecological safety of animal husbandry and the best available methods for their solution. Regional Ecology. 2017; 47(1): 37-43.
8. Patent No. 2733903 C1 Russian Federation, IPC C05F 3/06, C02F 103/20. Technological line for fine purification of liquid manure and manure / A.N. Golovko, A.M. Bonda-renko, L.S. Kachanova, V.P. Skvortsov; No. 2019139897; will declare FGBOU VO Donskoy State Agrarian University; dec. 12/05/2019; publ. 08.10.2020.
9. Veterinary and sanitary rules for the use of livestock waste for irrigation and fertilization of pastures // Collection of normative acts and sample documents. St. Petersburg, 1995.
10. Kachanova L.S. Mobile unit for the preparation and application of liquid concentrated organic fertilizers. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2018; 71(3): 157-161.
11. Kachanova L.S. Implementation of varieties of a system of multi-product models for optimizing the transportation of organic fertilizers with the placement of manure processing points. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2016; 58(2): 50-52.
Александр Николаевич Головко, кандидат технических наук, доцент, [email protected] Анатолий Михайлович Бондаренко, доктор технических наук, профессор, [email protected] Александр Викторович Хаценко, начальник учебной части - заместитель начальника кафедры военного учебного центра, [email protected]
Alexander N. Golovko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, [email protected] Anatoly M. Bondarenko, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected] Alexander V. Khatsenko, Head of the Educational Institute - Deputy Head of the Department of the Military Training Center, [email protected]
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests. Статья поступила в редакцию 06.02.2023; одобрена после рецензирования 15.02.2023; принята к публикации 05.03.2023.
The article was submitted 06.02.2023; approved after reviewing 15.02.2023; accepted for publication 05.03.2023. -♦-
