CC BY
15
УДК 631.333
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ СВИНОГО НАВОЗА ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ФОРМИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Е.В. Шалавина, младший научный сотрудник
ФГБНУ «Институт экологических проблем сельскохозяйственного производства» E-mail: shalavinaev@mail.ru
Аннотация. Проведен анализ технологий переработки свиного навоза. Обоснованы адаптивные технологии, применимые для использования в СЗФО, в частности, в Ленинградской области. Разработана математическая модель переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников. Для разработки математической модели были проведены лабораторные исследования, по результатам которых получены математические зависимости для каждой технологической операции (первичная седиментация/аэрация/вторичная седиментация/длительное выдерживание): массы суспензии (осветленной жидкости/очищаемой жидкости и активного ила/очищенной жидкости/твердого органического удобрения) от времени технологической операции; массы общего азота (в осветленной жидкости/очищаемой жидкости и активного ила/очищенной жидкости/твердого органического удобрения) от времени технологической операции; массы общего фосфора (в осветленной жидкости/очищаемой жидкости и активного ила/очищенной жидкости/твердого органического удобрения) от времени технологической операции. Целевыми функциями являлись эколого-экономические показатели по фосфору и азоту. Прибылью являлась прибавка урожая (в денежном эквиваленте) за счет внесения полученного органического удобрения; затратами - затраты на сохранение питательных веществ (общего азота и общего фосфора) в получаемом органическом удобрении. Разработана математическая модель выбора адаптивных технологий. Использовались 2 критерия: экономический (приведенные затраты) и экологический (масса сохраненных питательных веществ). Выбор оптимальных технологий осуществлялся методом Парето. Разработанный на основе математической модели алгоритм выбора адаптивных технологий реализован в программу ЭВМ.
Ключевые слова: обращение с навозом, экология, технология переработки, автоматизированный выбор.
С целью повышения экологической безопасности и снижения негативного воздействия на окружающую среду от свиноводческих комплексов, жидкий свиной навоз подлежит переработке и дальнейшему использованию в соответствии с разработанными и внедренными технологиями. Однако основной проблемой рационального выбора технологий является многокритерийность отбора.
В зависимости от выбора технологии значительно меняются удельные капитальные и эксплуатационные затраты на реализацию данной технологии, меняется масса полученного органического удобрения и его питательная ценность. В зависимости от объема органического удобрения и масс сохраненных азота и фосфора рассчитывается площадь земельных угодий, необходимая для внесения всего полученного органиче-
ского удобрения. Необходимо также учитывать и состояние почв. Избыточная доза внесения органического удобрения может привести к переувлажнению земли, образованию потоков сточных вод на поверхность поля, фильтрации навозной жижи через слой почвы, к вымыванию питательных элементов и угрозе загрязнения открытых водных источников и грунтовых вод.
Жидкое органическое удобрение рекомендуется вносить в почву в вегетационный период для максимального поглощения растениями жидкости и питательных веществ, однако климатические условия Ленинградской области не позволяют уложиться в данный срок. Проведенный анализ показал, что в настоящее время в Ленинградской области 47% свиноводческих хозяйств не имеют достаточного количества земельных угодий
для внесения органических удобрений и не имеют согласования об использовании навоза с сельскохозяйственными предприятиями, занимающимися растениеводством.
Органическое удобрение нужно, но не в таком виде. В условиях сложившейся ситуации требуется максимальное использование всех компонентов жидкого навоза с понижением влажности и увеличением концентрации питательных веществ вносимого на поля удобрения. Это направление заложено в современных технологических схемах по глубокой переработке жидкого навоза. В результате технологий глубокой переработки жидкого свиного навоза образуется высококонцентрированное твердое органическое удобрение и очищенная жидкость, пригодная для дальнейшего использования в хозяйственно-бытовых нуждах или сброса в открытые водоемы.
На основании проведенного анализа разработанных технологий переработки свиного навоза в России и за рубежом была разработана схема технологий, приемлемых в Ленинградской области (рис. 1).
Согласно схеме, образовавшийся свиной навоз перерабатывается в органическое удобрение методом длительного выдерживания в хранилище (первая линия переработки), после чего удобрение вносится на поля сельхозпредприятия [1] или передается третьим лицам для реализации. Второй линией переработки свиного навоза является разделение навоза на фракции с последующим обеззараживанием твердой фракции (пассивное компостирование, активное компостирование, биоферментация в установке барабанного или камерного типа) и переработкой жидкой фракции (длительное выдерживание или глубокая переработка).
Глубокая переработка включает в себя:
- седиментацию жидкой фракции в шан-дорных отстойниках с последующей биологической очисткой осветленной жидкости в рыбоводно-биологических прудах [2];
Рис. 1. Технологии переработки свиного навоза
- добавление в жидкую фракцию флоку-лянтов с последующей двухступенчатой очисткой жидкости в аэротенках [3];
- коагулирование жидкой фракции свиного навоза с последующей двухступенчатой очисткой жидкости в аэротенках [4];
- седиментацию жидкой фракции в циклических отстойниках с последующей биологической очисткой осветленной жидкости в аэротенке [5].
Твердая фракция, образовавшаяся в результате глубокой переработки жидкой фракции свиного навоза, обеззараживается (компостированием активным или пассивным, биоферментацией в установке барабанного или камерного типа). Жидкая фракция, образовавшаяся в результате глубокой переработки, подлежит доочистке (на полях орошения, полях фильтрации или городских очистных сооружениях), после чего может быть реализована.
Проведенный экономический анализ технологий глубокой переработки (для свиноводческого хозяйства ЛО с выходом навоза 150 т/сут.) показывает, что по экономическим показателям (капитальные и эксплуатационные затраты) наиболее экономически выгодной является технология с применением циклических отстойников (таблица 1).
Таблица 1. Экономическое сравнение технологий
Технология Капитальные затраты, тыс. руб. Эксплуатационные затраты, тыс. руб.
Переработка свиного навоза с использованием шандорных отстойников 134466 6020
Переработка свиного навоза с использованием узла флокуля-ции 121857 8811
Переработка свиного навоза с использованием коагулятора 121777 10946
Переработка свиного навоза с использованием циклических отстойников 100233 7055
Описанные технологии (за исключением технологии с использованием циклических
отстойников) были ранее изучены, оптимальные режимы функционирования технологий были установлены. Четвертая технология разработана в ИАЭП (рис. 2) [6]. Учитывая, что экономический анализ показал ее рентабельность, необходимо разработать математическую модель данной технологии и определить оптимальные режимы ее работы.
Для разработки математической модели были проведены лабораторные исследования [7], по результатам которых получены математические зависимости для каждой технологической операции (первичная седиментация/аэрация/вторичная седиментация/длительное выдерживание): массы суспензии (осветленной жидкости/очищаемой жидкости и активного ила/ очищенной жидкости/ твердого органического удобрения) от времени технологической операции; массы общего азота (в осветленной жидкости/очищаемой жидкости и активного ила/очищенной жидкости/твердого органического удобрения) от времени технологической операции; массы общего фосфора (в осветленной жидкости/очищаемой жидкости и активного ила/очищенной жидкости/твердого органического удобрения) от времени технологической операции.
Рис. 2. Блок-схема технологии
Полученные математические зависимости легли в основу математической модели:
X1, =
х 2 =
— -(52,14 -10,75 • ln 11)
100 N • Q 100
10-6 -(50,87 +11,67 • ln 11)
X3 = P^Q -10-6 -(59,9 +14,1 • ln 11) 1 100 v 7
M1 ( i-^
X1 = M1---(102,5 - 39,5 • Vf22,
X 22 =
100
M 2 - L2 4,5-• e
122
100
X 3 = — • (7,5 +1,6 • ln 122) 1 100 v 7
2
X1, = X1 + MizXk - L4
3 1 2
X 2
X 2 = X 2 +-2 - L5
3 1 2
X з3 = X 3 +-
X 3_
2
- L6
храненных питательных веществ (общих азота и фосфора).
Yn =
Y =
Pr Zn Pr
^ max
Zc
^ max
где Q - суточный выход жидкой фракции свиного навоза со свинокомплекса, т; N - содержание общего азота в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг; Р - содержание общего фосфора в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг; Х11 - распределение массы от времени технологической операции, т; Х2\ -распределение массы общего азота от времени технологической операции, т; Х31 - распределение массы общего фосфора от времени технологической операции, т; I - длительность технологической операции, сутки/часы/месяцы; М - масса общих азота и фосфора, т; Ь - потери по массе, т.
Целевыми функциями являются эколого-экономические показатели по фосфору и азоту. Прибылью является прибавка урожая (в денежном эквиваленте) за счет внесения полученного органического удобрения; затратами - затраты на сохранение питательных веществ (общего азота и общего фосфора) в получаемом органическом удобрении. При этом затраты на сохранение питательных веществ включают в себя удельные капитальные и эксплуатационные затраты на реализацию технологии с учетом масс со-
В результате апробации полученной математической модели в программе Excel, были получены оптимальные режимы работы для каждой технологической операции: длительность первичной седиментации - 7 суток; длительность технологической операции аэрации - 21 сутки; длительность технологической операции вторичной седиментации - 4 часа. Полученная математическая модель позволяет проанализировать возможность адаптации технологии, определить основные управляющие факторы (режимы работы), а также возможные границы изменения показателей технологии при практической реализации. Разработанная математическая модель включает в себя отдельное моделирование процесса, происходящего с жидкой фракцией свиного навоза на каждой стадии технологии (первичная седиментация, аэрация, вторичная седиментация и длительное выдерживание). Математическая модель также учитывает потери по массе на каждой из технологических операций и потери общего азота и общего фосфора.
Получив требуемые данные для расчетов экономических и экологических показателей, возможно создать алгоритм автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза (рис. 3).
На первом этапе, используя полученные данные предприятия и коэффициенты из базы данных, рассчитывается суточный выход свиного навоза с предприятия и его влажность. Рассчитывается начальное содержание общего азота и общего фосфора в поступившем свином навозе. На втором этапе рассчитываются экономические, экологические и эколого-экономи-ческие показатели. Идет сравнение расчетных показателей с учетом указанных критериев (ограничений). На третьем этапе осуществляется выбор оптимальных технологий методом Парето.
0,09
Рис. 3. Схема автоматизированного выбора оптимальной технологии переработки свиного навоза
Сначала осуществляется определение множества Парето, в котором ни одно из значений не может быть улучшено ни по одному из критериев без ухудшения по другому критерию. В качестве критериев оценки выбраны: экономический показатель (сумма удельных капитальных затрат (УДК) и удельных эксплуатационных затрат (УДЭ)) и экологический показатель (сумма масс сохраненных общего азота и общего фосфора).
Для реализации автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза в электронную программу было выбрано WEB-программирование.
Ниже представлен результат расчета программы на примере свиноводческого хозяйства с законченным циклом производства и самосплавной системой удаления навоза с общим поголовьем 67900 (рис. 4). Следующим шагом программа отбирает технологии, не прошедшие с учетом указанных пользователем ограничений. Из оставшихся технологий выбираются оптимальные методом Парето по двум критериям (экономический и экологический показатели) (рис. 5).
В результате, для свиноводческого хозяйства с законченным циклом производства и самосплавной системой удаления навоза (общее поголовье - 67900 голов) при указанных ограничениях (земельные угодья и доступная электрическая мощность), оптимальной технологией является технология длительного выдерживания.
1 - Технология переработки свиного навоза методом длительного выдерживания и внесения в почву 2 - Технология разделения навоза на фракции с последующей переработкой твердой и жидкой фракции 3 - Технология глубокой переработки свиного навоза с использованием шандорных отстойников и биологических прудов 4 - Технология переработки свиного навоза в аэрогенках с использованием станции флокуляции 5 - Технология переработки свиного навоза в аэротенках с использованием коагулятора б - Технология переработки свиного навоза в аэрогенках с использованием циклических отстойников
Наименование (показатели за год): 1 2 3 4 5 6
Масса сохраненного общего азота, т 1013.6 794.75 460.73 748.68 668.05 817.79
Масса сохраненного общего фосфора, т 269.73 237.48 219.89 231.62 216.96 246.28
Удельные капитальные затраты, т.р./т 2.23 2.52 4.27 3.1 3.64 3.44
Удельные эксплуатационные расходы. т.р..'т 0.11 0.12 0.26 0.69 0.28 0.16
Затраты на электроэнергию, т.р. 545.£2 599.62 69.64 1788.06 21600.08 1669.62
Затраты на топливо, т.р. 4278 7727.13 7261.8 7097.16 12089.28 11554.2
Оплата труда, т.р. 968 2056 3936 4032 4608 4968
Получено жидкого органического удобрения, т. 169107.12 164309.42 - - - -
Получено твердого органического удобрения, т - 17316.46 31400.13 39156.98 37172.26 46567.15
Получено очищенной жидкости, т - - 132892.02 84362.89 108432.34 86598.29
Эколого-экоиомическии показатель 233046054.26 126692101.19 24832416.35 78352555.98 60333424.43 98297198.12
Рис. 4. Таблица с рассчитанными экономическими и экологическими показателями
Наименование Единица измерения Направление экстремума 1 2 3 4 5 6
Экономический показатель тыс.р./т Min 2.34 2.64 4.53 3.79 3.92 3.6
Экологический показатель т Мах 1283.33 1032.23 680.62 980.3 885.01 1064.07
'W
ф {J
Рис. 5. Выбор технологий: (красный - не прошли по критериям, желтый - неоптимальные по Парето,
зеленый - оптимальные по Парето)
Предложенный метод позволяет выбрать оптимальную адаптированную технологию переработки свиного навоза для конкретного свиноводческого хозяйства. Реализация алгоритма через программу ЭВМ дает возможность любому пользователю упростить процедуру выбора за счет сокращения времени при оценке экономических и экологических показателей технологии.
Литература:
1. Васильев Э.В. Результаты исследования поверхностного способа внесения жидкого органического удобрения в СЗР России // Вестник ВНИИМЖ. 2012. №4.
2. Разработка и внедрение проекта технологии переработки отходов животноводческих ферм, отработанных грунтов теплиц, перерабатывающих предприятий в органическое удобрение. М., 1991.
3. Технико-экономическое обоснование реконструкции очистных сооружений свинокомплекса совхоза «Новгородский». Пушкин, 1991.
4. Разработать методы и средства повышения эффективности очистки навозных стоков. Пушкин, 1986.
5. Пат. 139469 РФ. Устройство биологической очистки жидкой фракции свиного навоза и навозосодержа-щих стоков / Шалавина Е.В. и др. Опубл. 20.04.14
6. Биоконверсия свиного навоза в органическое удобрение методом биологической очистки / Брюханов А.Ю. и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2014. №3. С. 164.
7. Потери биогенов при биологической очистке жидкой фракции свиного навоза / Шалавина Е.В. и др. // Инновация - основа развития с. х. Душанбе, 2014.
Literatura:
1. Vasil'ev EH.V. Rezul'taty issledovaniya poverhnostno-go sposoba vneseniya zhidkogo organicheskogo udobre-niya v SZR Rossii // Vestnik VNIIMZH. 2012. №4.
2. Razrabotka i vnedrenie proekta tekhnologii pererabotki othodov zhivotnovodcheskih ferm, otrabotannyh gruntov teplic, pererabatyvayushchih predpriyatij v organiches-koe udobrenie. M., 1991.
3. Tekhniko-ehkonomicheskoe obosnovanie rekonstruk-cii ochistnyh sooruzhenij svinokompleksa sovhoza «Novgorodskij». Pushkin, 1991.
4. Razrabotat' metody i sredstva povysheniya ehffektiv-nosti ochistki navoznyh stokov. Pushkin, 1986.
5. Pat. 139469 RF. Ustrojstvo biologicheskoj ochistki zhidkoj frakcii svinogo navoza i navozosoderzhashchih stokov / SHalavina E.V. i dr. Opubl. 20.04.14
6. Biokonversiya svinogo navoza v organicheskoe udo-bre-nie metodom biologicheskoj ochistki / Bryuhanov A.YU. I dr. // Vestnik VNIIMZH. 2014. №3. S. 164.
7. Poteri biogenov pri biologicheskoj ochistke zhidkoj frakcii svinogo navoza / SHalavina E.V. I dr. // Innovaci-ya - osnova razvitiya s. h. Dushanbe, 2014.
THE PIG MANURE LIQUID FRACTION PROCESSING BY THE TECHNOLOGICAL PROCESSES OPTIMIZATION AND ADAPTIVE TECHNOLOGIES FORMATION EFFICIENCY'S IMPROVING E.V. Shalavina, junior research worker FGBNY "Institute of agricultural industry ecological problems"
Abstract. The analysis of pig manure processing's technologies is made. Adaptive technologies, used in NWFO, particular in the Leningrad oblast have justified. The mathematical model of pig manure processing in the aeration tank with the cycle lagoon's using is designed. For mathematical model's development the laboratory research were done, by the results of which had got the mathematical dependences on each of the technological operations (primary sedimentation/aeration/secondary sedimentation/long-term exposure): suspension mass (in lighten liquid /purifying liquid and active silt /purified liquid /solid organic fertilizer) depends on technological operation's time; total nitrogen mass (in lighten liquid/purifying liquid and active silt /purified liquid/solid organic fertilizer) depends on technological operation's time; total phosphorus mass (in lighten liquid/purified liquid and active silt/purified liquid/solid organic fertilizer) depends on technological operation's time. Target functions were the and phosphorus and nitrogen ecological economic indicators. The profit was the increase of crop (in cash equivalent) due to the organic fertilizing's result; expenses were nutrients retention costs (total nitrogen and phosphorus) in the obtained organic fertilizer. A mathematical model of of adaptive technology selection is developed. It'd used 2 criteria: economical (given costs) and ecological (stored nutrients mass). The optimum processes selection was carried out by Preto method's using.The mathematical model algorithm developed with the basis on adaptive technology's selection, has implemented in a computer program. Keywords: silt management, ecology, processing technology, automated selection.
