CC BY
66
УДК 631.861.87
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРОИЗВОДСТВА УДОБРЕНИЙ ПУТЕМ УСКОРЕННОЙ БИОКОНВЕРСИИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ, ПОЛУЧАЕМОГО НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО
КОМПЛЕКСА
Н.Г.Ковалев
Рассмотрены основные направления совершенствования технологических средств производства удобрений путем ускоренной биоконверсии органического сырья, получаемого на предприятиях агропромышленного комплекса. Обращено внимание на совершенствование технологии приготовления компостных смесей для ферментации в процессе уборки навоза из животноводческого помещения, автоматизацию управления процессом ферментации в биоферментаторе.
Ключевые слова: органическое сырье, ферментация, микробоценоз, удобрения.
Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации 17.11.2008 № 1662-р и Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации, представленной Президентом Российской Федерации, предусматривается к 2020 году увеличить производство мяса в 1,7 раза, молока - на 27 процентов.
В этих целях осуществляется строительство новых и реконструкция существующих животноводческих ферм и комплексов. Так, за период 2008-2010 гг. осуществлен ввод в действие животноводческих помещений на 2625,5 тыс. ско-томест, в т.ч. для КРС - 322,1 тыс. скотомест.
Реализация заданий в подотрасли животноводства, предусмотренных Концепцией социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, связано с решением такой важной проблемы, как создание устойчивой кормовой базы для последнего на основе повышения плодородия почв и урожайности кормовых культур за счет всемерной биологизации кормопроизводства, и прежде всего, рационального использования органических удобрений, получаемых из навоза (помета), с обеспечением охраны окружающей среды.
В соответствии со Стратегией машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства на период до 2020 года в указанный период должны найти применение следующие технологии подготовки органических удобрений:
- энерго- и ресурсосберегающие, экологически безопасные технологии и
автоматизированные комплексы машин и оборудования для подготовки навоза к использованию, обеспечивающие производство подстилочного навоза (при беспривязном содержании) с последующим использованием в качестве органического удобрения;
- компостирование твердой фракции бесподстилочного навоза, а при наличии достаточного количества влагопоглощающих материалов (солома, торф, опилки) и всей массы производимого на предприятии навоза на площадках с твердым покрытием;
- биоферментация (экспресс-компостирование) твердой фракции навоза в специальных сооружениях и устройствах (биореакторы) по новейшим методикам;
- разделение на фракции бесподстилочного навоза с выдержкой и обеззараживанием жидкой фракции и использованием ее в качестве жидкого органического удобрения;
- метаногенерация с использованием современного оборудования.
По третьему направлению проводит свои исследования в течение ряда лет Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиорированных земель Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИМЗ Россельхозакадемии).
Теоретической основой технологических решений ускоренной переработки (экспресс-компостирования) органического сырья в удобрения является метод аэробной твердофазной биоконверсии (ферментации) навоза и помета с уг-леродсодержащими компонентами растительного происхождения (торф, измельченная солома, древесные опилки и др.), основанный на воздействии кислорода воздуха, подаваемого в ферментируемую смесь в принудительном порядке [1].
Сущность данного метода заключается в создании наиболее благоприятных условий для развития аэробного микробоценоза, содержащегося в органической смеси, который в результате своей жизнедеятельности перерабатывает органическое сырье в удобрение.
Скорость переработки исходного органического сырья в конечном итоге определяется интенсивностью роста микробной биомассы, вследствие чего оптимизация технологического процесса аэробной ферментации состоит в создании условий, обеспечивающих максимальную скорость развития микробного сообщества путем подбора соответствующих параметров температурного режима, режима аэрации, влажности и гомогенности исходной смеси, соотношения углерода к азоту и др. Наиболее благоприятные условия для развития мик-робоценоза в органической смеси создаются в специальных камерах-биоферментаторах.
ГНУ ВНИИМЗ разработана ускоренная технология производства удобрений в специальных камерах-биоферментаторах при принудительной подаче воздуха в ферментируемую смесь (Рис. 1).
Принципиальная технологическая схема аэробной ферментации органического сырья
Условные обозначения:
1. Помещение для ферментации сырья 6. Система напорных воздуховодов
2. Рабочая смесь 7. Отверстия для замера температуры
3. Ворота 8. Штанга кислородомера
4. Вентилятор напорный 9. Гибкий шланг
5. Вентилятор вытяжной 10. Кислородомер
Рис.1
Биоферментатор конструкции ГНУ ВНИИМЗ представляет собой прямоугольное в плане сооружение, выполненное из кирпича, железобетона или других строительных материалов, оснащенное системой принудительной подачи воздуха в ферментируемую смесь. Работает в периодическом режиме. Типовым является 2-х камерный биоферментатор, технико-экономические показатели которого приведены в таблице. На практике могут использоваться батареи из двух и более биоферментаторов.
Таблица. Технико-экономические показатели 2-х камерного биоферментатора
Наименование технико-экономических показателей Ед. измерения Показатели
Проектная мощность биоферментатора т/год 4300-4500
Продолжительность одного цикла ферментации (от загрузки до выгрузки) час 180
Выход продукции за 1 цикл т 120
Затраты на производство 1т удобрений: - техники - труда - электроэнергии маш./час чел./час Квт/час 0,3.. .0,4 0,5.. .0,7 0,15.0,20
Ориентировочная сметная стоимость 2-х камерного биоферментатора (в текущих ценах на 01.02.2007 г.) тыс. руб. 3000,0
Процесс ферментации органического сырья протекает в широком диапазоне температур: при низких (до 30 °С), средних (35-40°С) и высоких (60-70°С).
Благодаря аэрации ферментируемого субстрата, поступление кислорода с массой воздуха способствует преобладанию аэробных процессов в ферментируемой смеси и тем самым обуславливает преимущественное развитие аэробных микроорганизмов, которые преобразуют органическую смесь в удобрения.
Высокая температура (60-70°С) - губительна для патогенной микрофлоры, яиц и личинок гельминтов, всхожести сорных растений.
Установлено, что основными параметрами технологического процесса твердофазной аэробной ферментации органического сырья в удобрения являются: влажность исходной органической (компостной) смеси - 50-70 %, рНсол. - 6-8, соотношение углерода к азоту в массе 20 (30): 1, содержание кислорода в массе - 5-12 %. В период протекания процесса ферментации контролируется два параметра - температура и содержание кислорода в массе.
Технология производства биологически активных удобрений на основе ускоренной биоконверсии (ферментации) органического сырья по сравнению с традиционными технологиями производства компостов имеет ряд преимуществ:
- возможность управления процессом ферментации в целях получения конечной продукции с заданными агрохимическими показателями;
- сокращение сроков переработки органического сырья с 90-120 до 6-7 суток;
- отсутствие зависимости от погодных условий;
- получение конечной продукции с высоким уровнем биогенности, питательности и экологической чистоты;
- значительное (в 3-4 раза) снижение энергозатрат на производство и применение удобрений в расчете на единицу удобряемой площади;
- отсутствие у продукта неприятного запаха, обеззараживание исходного сырья от болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов, уничтожение всхожести семян сорных растений.
В настоящее время отмечается повышенный интерес к указанной технологии производства удобрений со стороны производства. Так, указанная технология принята в качестве приоритетной в Ленинградской области в рамках международного экологического проекта «Улучшение защиты Балтийского моря от основных угроз со стороны наземных источников загрязнения» (BaltHazAR). В этих целях ООО «Биозем», входящее в состав холдинга «Технопарк ВНТЦ» (г. С.-Петербург) по лицензии и при непосредственном участии ГНУ ВНИИМЗ осуществило в рамках указанной международной программы реализацию пилотного проекта «Учебно-производственный комплекс по переработке куриного помета в компост многоцелевого назначения» в ЗАО «Агро-комплекс «Оредеж» Гатчинского района, а ООО «БюроБизнесПроектов» (г. С.Петербург) получило финансирование на разработку полного комплекта про-ектно-сметной документации для ОАО «Птицефабрика Приморская» Выборгского района Ленинградской области для строительства участка переработки
помета в удобрения в камерах - биоферментаторах конструкции ГНУ ВНИИМЗ из расчета 60 т помета в сутки.
В 2012-2013 гг. в рамках ФЦП «Национальная программа мер по оздоровлению экосистемы Балтийского моря» в Ленинградской области предполагается осуществить строительство цехов переработки органического сырья в удобрения по технологии, разработанной ГНУ ВНИИМЗ, на 2-х птицефабриках и 11 фермах КРС. Определенный интерес к указанной технологии переработки органического сырья в удобрения проявляют птицеводческие предприятия Свердловской и Челябинской области, а также ООО «Сибирские биотехнологии» (г. Новосибирск).
Широкомасштабное производство удобрений путем ускоренной биоконверсии органического сырья (навоз, помет, торф и др.) предопределяет необходимость дальнейшего совершенствования технологических и технических средств в рамках указанной технологии.
Речь прежде всего идет о совершенствовании технологии приготовления компостных смесей для последующей их ферментации.
В рассматриваемой технологии производства удобрений в настоящее время используется многооперационная технология приготовления компостных смесей, предусматривающая следующие технологические операции:
- транспортировку навоза (помета) мобильным транспортом на компостную площадку и укладку последнего на предварительно завезенный торф (древесные опилки, измельченную солому);
- внесение минеральных компонентов (фосфоритная мука, сырье калийные соли, известковые материалы и др.) разбрасывателями минеральных удобрений на подготовленную ленту органической смеси;
- перемешивание компонентов бульдозером (лучше ПНД-250) с последующим складированием в штабеля объемом не менее 400-500 т в расчете на 4-5 загрузок биоферментатора;
- перебивку части штабеля компостной смеси (100-120 т) 2-3 раза с помощью навозоразбрасывателей любой марки (РОУ-6, ПРТ-10) для достижения гомогенности смеси;
- загрузка компостной смеси в биоферментатор навозоразбрасывателем.
Многооперационность технологии приготовления компостных смесей для
ускоренной ферментации органического сырья в удобрения предопределяет поиск более прогрессивных решений приготовления последних.
Анализ существующих технологий производства компостных смесей показывает, что для целей производства удобрений путем ускоренной биоконверсии органического сырья наиболее приемлема технология производства компостных смесей, разработанная во ВНИИМЖ, и предусматривающая производство последних в процессе уборки навоза (помета) из помещений [2].
В соответствии с предлагаемой технологией производство компостных смесей осуществляется в смесительном отделение, куда исходный навоз (помет)
подается из животноводческого (птицеводческого) помещения поперечным транспортером. Одновременно с навозом в смесительное устройство, являющееся продолжением поперечного шнекового транспорта, дозировано подается вла-гопоглощающий материал.
Пройдя смесительное устройство, компостная смесь поступает в наклонный транспортер и выгружается в транспортные средства или на площадку для карантирования и временного хранения. Это позволяет сократить число технологических операций, исключить возможность попадания в исходный навоз (помет) атмосферных осадков и талых вод, осуществлять ритмичное круглогодичное производство компостных смесей.
При производстве удобрений путем ускоренной биоконверсии органического сырья к указанной технологии приготовления компостных смесей предъявляются следующие технические требования:
- получение компостной смеси с заданными показателями элементов минерального питания растений (азот, фосфор, калий);
- влажность компостной смеси в пределах 50-70 % от общей массы;
- гомогенность смесь;
- возможность использования как сыпучих влагопоглотителей (торф, древесные опилки), так и измельченных растительных остатков (солома и др.) с измельчением последних в измельчителе - питателе - дозаторе.
Нам представляется, что при совершенствовании технологии приготовления компостных смесей в процессе уборки навоза из животноводческого помещения, особое внимание следует обратить на совершенствование таких технических средств, как измельчители - питатели - дозаторы влагопоглощающих материалов, а также питатели - дозаторы минеральных компонентов, биодобавок и бактериальных культур.
Дозирующе устройство измельчителя - питателя - дозатора сыпучих вла-гопоглотителей (торф, древесные опилки) должны быть способными обеспечить подачу указанных материалов в диапазоне 0,1-2,0 т на 1 т навоза (помета), а измельчители - питатели - дозаторы растительных остатков должны включать в себя измельчители соломы, приспособленные как для измельчения рулонов соломы, стандартных прямоугольных тюков, а также соломы насыпью. Дозирующее устройство указанного агрегата должно обеспечивать подачу измельченных растительных остатков в диапазоне 0,10-0,60 т на 1 т навоза (помета).
Немаловажным является вопрос автоматизации управления процесса ферментации в биоферментаторе.
Как известно, в процессе ферментации контролируются два показателя -температура и наличие кислорода в ферментируемой смеси. Контроль и управление указанными параметрами в настоящее время осуществляется следующим образом. После загрузки камеры биоферментатора органической смесью замеряют не менее чем в 3-х точках температуру и количество кислорода в массе.
Затем включают вентилятор для подачи воздуха в нижние слои смеси. При достижении оптимального содержания кислорода в массе (5-12 %) вентилятор отключают. Время работы вентилятора (в сек.) фиксируется в журнале. Вентилятор переводится на автоматический режим, на реле времени выставляют временные показатели, зарегистрированные в журнале. Через 8-10 часов проводят повторный замер температуры и содержания кислорода в массе.
Наши исследования показали, что скорость потребления кислорода микрофлорой на различных этапах ферментации неодинаково [3], Наиболее высокая скорость потребления кислорода микроорганизмами отмечается в диапазоне температур 50-70° С, вследствие чего содержание кислорода в ферментируемой смеси в этот период следует поддерживать на уровне 8-10 %.
Институтом разработана блок-схема автоматического управления процессом аэрации при ферментации органической смеси [4] (Рис. 2).
Система автоматического управления работает следующим образом. В ферментатор 1 загружают перерабатываемое органическое сырье и подают воздух на аэрацию от воздуходувки 7. Расход воздуха, подаваемого на аэрацию сырья регулируется исполнительным механизмом 6, который управляется регулятором расхода воздуха 5. В регуляторе расхода воздуха 5 происходит сравнение сигнала измеренного содержания кислорода в сырье, поступающего на вход регулятора расхода воздуха 5 с выхода датчика 2 содержания кислорода в сырье, и сигнала заданного содержания кислорода в сырье, поступающего на другой вход регулятора расхода воздуха 5 с выхода функционального преобразователя 4, к входу которого подсоединяется датчик температуры 3. В ходе процесса ферментации сигнал от датчика температуры 3 поступает на вход функционального преобразователя 4, в котором реализуется необходимая функциональная зависимость между температурой исходного органического сырья и оптимальной концентрацией кислорода в сырье для заданной температуры и вырабатывается сигнал задания для регулятора расхода воздуха 5.
1
Условные обозначения
1. Ферментатор с исходным сырьём
2. Датчик содержания кислорода
3. Датчик температуры
4. Функциональный преобразователь
5. Регулятор расхода воздуха
6. Исполнительный механизм
7. Воздуходувка
Таким образом, реализуется автоматическое регулирование аэрации перерабатываемого сырья по содержанию кислорода в нем, оптимальному для его текущей температуры.
Такая система управления процессом ферментации органического сырья в удобрение позволит:
а) более гибко управлять процессом ферментации органического сырья, например, ускорить процесс приготовления компоста;
б) повысить качество конечного продукта, поскольку управление процессом ферментации органического сырья (приготовление компоста) осуществляется по двум параметрам, связанным между собой определенной зависимостью;
в) снизить энергозатраты благодаря управлению процессом ферментации органического сырья по определенной программе, оптимальной для конкретного процесса ферментации.
При этом необходимо осуществлять непрерывную запись значений температуры и концентрации кислорода в камерах-биоферментаторах в процессе ферментации на жесткий диск персонального компьютера.
Содержание элементов минерального питания растений (азот, фосфор, калий) в конечном продукте ферментации - компосте многоцелевого назначения (КМН) зависит от содержания последних в исходных компонентах. В то же время химический состав навоза (помета) в значительной степени зависит от вида и возраста сельскохозяйственных животных и птиц, типа кормления, содержания влаги в навозе (помете) и ряда других факторов. В связи с этим возникает необходимость уже на стадии приготовления компостной смеси определения возможного содержания элементов минерального питания (азот, фосфор, калий) в удобрении, а также дозы минеральных компонентов, вводимых в компостную смесь для получения конечного продукта с заданными агрохимическими показателями.
В целях упрощения соответствующих расчетов, возникает насущная потребность в автоматизации расчета заданных агрохимических показателей удобрения, получаемого путем ускоренной биоконверсии органического сырья, посредством разработки соответствующей базы данных, т.е. представленной в объективной форме совокупности самостоятельных материалов (данных о химическом составе различных видов навоза (помета) и влагопоглощающих материалов растительного происхождения и т.п.), систематизированных таким образом, чтобы эти материалы при введении данных о химическом составе исходных компонентов компостной смеси могли бы быть найдены и обработаны с помощью ПЭВМ на предмет возможного содержания биогенных элементов (азот, фосфор, калий) в удобрении, исходя из состава и соотношения исходных компонентов в компостной смеси.
Нам представляется, что в разделе «Система технологий и машин для уборки навоза из помещений и приготовления органических удобрений» «Системы технологий и машин для животноводства» на период до 2020 г. должна
найти свое отражение и разработанная ГНУ ВНИИМЗ Технология производства удобрений путем ускоренной биоконверсии органического сырья, получаемого на предприятиях агропромышленного комплекса, предусматривающая производство удобрений с повышенным уровнем биогенности, питательности и экологической чистоты в специальных камерах-биоферментаторах периодического действия с принудительной подачей кислорода воздуха в ферментируемую смесь.
Совершенствование технологических и технических средств указанной технологии производства удобрений возможно только на основе консолидации усилий НИУ, осуществляющих свои исследования в области удаления, транспортировки, хранения и использования навоза (ВНИИМЖ, ВНИИОУ, СЗНИИМЭСХ), а также специализированных организаций в части создания системы автоматизации контроля и управления процессами, обеспечивающими повышение эффективности производства в животноводстве.
Выводы
1. Предлагаемая технология ускоренной переработки органического сырья на предприятиях АПК позволяет получать высококачественные, в повышенным уровнем биогенности, питательности и экологической чистоты удобрения, способные значительно повысить плодородие почв и продуктивность агроланд-шафтов при снижении затрат на производство и использование последних в 2,02,5 раза в расчете на 1 га удобряемой площади по отношению к традиционным органическим удобрениям.
2. Экологическая значимость предлагаемой технологии заключается в том, что производство и применение продукта ускоренной биоконверсии органического сырья - компоста многоцелевого назначения (КМН) сопряжено с созданием благоприятной экологической обстановки вокруг крупных животноводческих (птицеводческих) предприятий, позволяет без ущерба для окружающей среды улучшать водно-воздушный, питательный и другие режимы почв, устраняя возможность загрязнения почвы патогенными микроорганизмами, яйцами и личинками гельминтов и всхожими семенами сорных растений, снижает опасность загрязнения поверхностных и грунтовых вод органическими отходами животноводства.
3. Совершенствование технологических средств производства удобрений путем ускоренной биоконверсии органического сырья, получаемого на предприятиях агропромышленного комплекса, позволит сократить количество выполняемых технологических операций, потери питательных веществ, исключить возможность попадания в исходный навоз (помет) атмосферных осадков и талых вод, организацию ритмичного круглогодичного процесса производства удобрений, обеспечить более гибкое управление процессом ферментации органического сырья, повысить качество конечной продукции и снизить его себестоимость.
Литература:
1. Рабинович, Г.Ю. Теоретические и практические аспекты биоконверсии органических отходов / Г.Ю. Рабинович, Н.Г. Ковалев, Э.М. Сульман. - Белгород, 2004. - 80с.
2. Гриднев, П.И. Научные основы совершенствования систем уборки и подготовки навоза к использованию / П.И.Гриднев, Т.Т.Гриднева // Научно-технический прогресс в животноводстве - машинно-технологическая модернизация отрасли: Сб. научн. Трудов / ГНУ ВНИИМЖ. - 2007. - Т.17, ч. 3. - С. 124-132.
3. Рабинович, Р.М. Совершенствование аэробной твердофазной ферментации органического сырья путем оптимизации технологических параметров производственного процесса: Авто-реф. дис. канд. техн. наук. - СПб.- Павловск, 2006. - 22 с.
4. Пат. №2136760 / И.П.Туманов, В.Л.Лысов, В.А.Буробин, Н.Г.Ковалев, Б.М.Малинин. -Опубл. 10.09.1999.
Ковалев Николай Георгиевич, академик Россельхозакадемии, директор ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиоративных земель Тел. 8(482.2.)37-85-46 E-mail: vniimz@list.ru
The main directions of improving the technological means of production of fertilizers through rapid bioconversion of the organic material produced at the enterprises of agroindustrial complex. Attention is paid to: improving the technology of preparation of compost mixture for fermentation in the process of cleaning the manure from animal houses, automated process control offermentation in biofermentatore. Keywords: organic raw materials, fermentation, microbocenosis, fertilizer.
УДК 631.862.2(470.331)
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАВОЗНЫХ СТОКОВ
Н.Г.Ковалев И.Н.Барановский
Рассматривается новая технология удаления навозных стоков со свинокомплекса, его переработка с разделением на фракции, их последующее обеззараживание и использование на удобрение.
Ключевые слова: навозные стоки, сепаратор, жидкая и твердая фракции, лагуна, внутрипочвенное внесение.
