CC BY
16
УДК 636.2 DOI 10.51794/27132064-2021-4-79
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ФОРМИРОВАНИЮ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ ЦЕНТРОВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
ЖИВОТНОВОДСТВА
Э.В. Васильев, кандидат технических наук Е.В. Шалавина, кандидат технических наук ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: shalavinaev@mail .ru
Аннотация. В условиях интенсификации сельскохозяйственного производства возникают районы с потенциально высокими рисками по сохранению экологической устойчивости агроэкосистем ввиду накопления на ограниченных территориях больших запасов биогенных веществ. Современные интенсивные сельскохозяйственные предприятия имеют приоритетную задачу в виде получения полезной продукции: мяса, молока, яиц, зерна и т. д. В ряде случаев возникают ситуации, когда, например, крупные птицефабрики обеспечивают себя кормовой базой за счет закупки кормов из других регионов, поэтому не имеют необходимости в выращивании собственных кормов. Или, что чаще всего бывает, не имеют достаточных площадей земельных угодий для внесения получаемого органического удобрения. При этом образуемый помет для них не является полезным продуктом, и затраты на обращение с ним являются источником дополнительных расходов. В связи с этим возникает необходимость создания сторонних индустриальных центров переработки органических отходов сельхозпроизводства (ИЦ). ИЦ создаются и имеют приоритетную задачу в виде переработки отходов, получения и перераспределения между потребителями полезных продуктов на их основе. Основной целью создания ИЦ является вовлечение в хозяйственный оборот дополнительных ресурсов в виде органического вещества, питательных элементов, биоэнергии и новых вторичных продуктов от нескольких предприятий, расположенных на территории одной или нескольких агроэкосистем.
Ключевые слова: экологическая устойчивость, утилизация навоза, центры глубокой переработки отходов, индустриальные центры.
Введение. С целью сокращения себестоимости производства животноводческой продукции происходит наращивание производственных мощностей. В условиях рискового земледелия Ленинградской области основным направлением сельскохозяйственного производства является животноводство. Таким образом, исходя из природных условий, предприятия крупного рогатого скота могут выращивать и заготавливать самостоятельно основную часть кормов. В то же время у свиноводческих и птицеводческих предприятий сложилась совершенно иная ситуация. Практически 100% кормов являются завозными из регионов с более благоприятными природными условиями.
Анализ показал, что образование навоза и помета имеет неравномерное распределение по территории Ленинградской области и сконцентрировано на ограниченных терри-
ториях (рис. 1). В Ленинградской области образуется: навоза крупного скота на более чем 100 предприятиях КРС - 2 900 000 т/год; навоза свиней на десяти предприятиях - 610 000 т/год; помета птицы на 12 птицефабриках - 2 650 000 т/год; имеется посевных площадей - 238 тыс. га (2019 г.) [1].
Из рисунка 1 следует, что 61% от всего объема помета образуется на одной птицефабрике и 54% свиного навоза - на одном свиноводческом комплексе. Себестоимость переработки одной тонны навоза колеблется от 300 до 12600 рублей (по ценам на 2020 г.) без учета стоимости транспортировки готовой продукции до потребителя [2]. Следует учитывать, что экономически рациональный радиус транспортировки органических удобрений, полученных традиционными технологиями переработки, находится в пределах 8-15 км [3]. При этом указанная на рисунке 1
птицефабрика практически не имеет собственных полей для использования помета в качестве органических удобрений.
б)
Рис. 1. Распределение образования навоза и помета
по предприятиям Ленинградской области: а) птицефабрики; б) свиноводческие предприятия
Концентрация большого количества биогенов на ограниченной территории создает угрозу экологической устойчивости агроэко-систем, особенно в водосборах больших водных объектов, например, таких, как Балтийское море [4-7]. В связи с тем, что обращение с навозом и пометом на птицеводческих и свиноводческих предприятиях является источником дополнительных расходов и источником рисков для устойчивости агроэко-систем, целесообразно создание индустриальных центров переработки отходов животноводства с целью сбора, переработки, полу-
чения новых необходимых продуктов и перераспределения их между потребителями.
Материалы и методы. В рамках данной работы использовано понятие «агроэкоси-стема» (аграрная экологическая система) -искусственно созданное в процессе хозяйственной деятельности человека сообщество культурных растений и животных и их среды обитания с целью получения сельскохозяйственной продукции, в которой сбалансированность биогеохимического круговорота элементов питания обеспечивается за счет внесения их в почву в количествах, компенсирующих ежегодное отчуждение с урожаем. Экологическая устойчивость агроэкоси-стем (ESA) - это способность экосистем сельских территорий сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов, т. е. способность сельской территории самовосстанавливаться и выдерживать совокупность нагрузок, оказываемых сельскохозяйственной деятельностью, и фоновой нагрузки [8, 9].
Устойчивость агроэкосистемы обусловлена прежде всего сбалансированностью потоков питательных веществ внутри этой системы. Приток веществ из внешней среды для выбранной агроэкосистемы должен быть скомпенсирован изъятием веществ после их использования в системе. В качестве критериев оценки экологической устойчивости аг-роэкосистем предложены: Vh - плотность поголовья животных и птицы на единицу обрабатываемых земель, у.г./га (1); Nmax - диффузная нагрузка азота на водосбор при ведении сельскохозяйственной деятельности, т/год (2); NUE, PUE - коэффициент эффективности использования питательных веществ (3).
Показатель Vh (плотность распределения условных голов на сельскохозяйственной территории) определяется по формуле:
V -^L vh — IT
(1)
где Нд - поголовье скота и птицы, выраженное через условные головы на рассматриваемой территории, условных голов (у.г.); 5р - площадь сельскохозяйственных угодий на рассматриваемой территории, га.
Диффузная нагрузка азота на водосбор при ведении сельскохозяйственной деятельности определяется по формуле:
(a1Mmini + a2Morgi)K6)K2K3K4K5 , (2) где Msoil i, Mmin i и Morg i - содержание биогенных веществ в пахотном слое почвы, а также дозы внесения минеральных и органических удобрений на поля i-го сельхозпредприятия, кг/га; Si - площадь угодий i-го сельхозпредприятия, га; ai - коэффициент, учитывающий усвоение минеральных удобрений сельхозкультурами; a2 - коэффициент, учитывающий усвоение органических удобрений сельхозкультурами; Ki - коэффициент, характеризующий вынос биогенных веществ из пахотного слоя почв; K2 - коэффициент удаленности контура сельскохозяйственных угодий от гидрографической сети; Кз - коэффициент, характеризующий тип почв (по происхождению); К4 - коэффициент, характеризующий механический состав почв; К5 - коэффициент, учитывающий структуру сельхозугодий, т. е. соотношение площадей пашни, многолетних трав, лугов, пастбищ; Кб - коэффициент, учитывающий использование наилучших доступных технологий (НДТ) применения органических и минеральных удобрений.
Коэффициент эффективности использования питательных веществ NUE (азота), PUE (фосфора) является универсальным, поскольку позволяет проводить оценку эффективности применяемых машинных технологий на различных уровнях (на уровне технологической операции отдельно, технологии и в целом всей агроэкосистемы):
NUE =
Nb
(3)
где Nbx. - количество питательных веществ на входе; Nbbix. - количество питательных веществ на выходе.
PUE определяется аналогично. На основании проведенных исследований установлены предельные значения критериев ESA для условий Ленинградской области: Vh - не более 1,5 у.г./га; при дерново-подзолистых почвах со средним суглинком Nmax -8,5-11,7 кг/га; Pmax - 0,07-1,04 кг/га; при кар-
бонатных почвах со средним суглинком -Nmax - 18,5-19,3 кг/га; Pmax - 1,96-2,03 кг/га; NUE (0,5 - 0,6), PUE (0,5 - 0,6) [8, 9].
Результаты и обсуждение. С целью сохранения устойчивого состояния агроэкоси-стем разработан алгоритм формирования наилучших доступных технологий (НДТ) для обеспечения устойчивого функционирования сельскохозяйственных экосистем с учетом обоснованных критериев. Алгоритм базируется на четырех последовательных стадиях:
- стадия 1. Оценка соответствия сельскохозяйственной экосистемы показателям ESA;
- стадия 2. Оценка каждого сельскохозяйственного предприятия на данной территории экосистемы с целью выявления предприятий, несоответствующих показателям ESA;
- стадия 3. Анализ соответствия применяемых на предприятии технологий, технических устройств показателям ESA;
- стадия 4. Формирование НДТ в соответствии с критериями оценки и прогнозирования состояния окружающей среды. Проверка влияния сформированных НДТ на показатели ESA всей сельскохозяйственной экосистемы (стадия 1). В случае, если сформированная технология отвечает требованиям показателей ESA, то производится внедрение НДТ. Если не удается сформировать технологии, соответствующие показателям ESA, то необходимо создавать центры индустриальной переработки органических отходов животноводства и птицеводства.
Для реализации разработанного алгоритма обоснована структура базы данных для формирования наилучших доступных технологий для обеспечения устойчивого функционирования сельскохозяйственных экосистем, состоящая из следующих основных баз данных (знаний):
- база данных предприятий;
- база данных для расчета экономических показателей;
- база данных для расчета экологических показателей;
- база сохраненных данных;
- база расчетных данных;
- база данных машинных технологий;
- база данных технологических операций;
- база данных технических средств;
- база данных состояния сельскохозяйственной экосистемы: результаты мониторинга атмосферного воздуха; результаты мониторинга водных объектов; результаты агрохимического обследования почв.
При невозможности обеспечения экологической устойчивости агроэкосистем модернизацией технологического оснащения на уровне отдельных предприятий возникает необходимость создания индустриальных центров (ИЦ) переработки отходов животноводства. Основной целью создания ИЦ является вовлечение в хозяйственный оборот до-
полнительных ресурсов в виде органического вещества, питательных элементов, биоэнергии и новых вторичных продуктов.
Основной задачей является формирование технических систем, оптимизированных по составу и производительности отдельных технологических блоков, обеспечивающих наиболее эффективное производство востребованных видов конечной продукции и энергетических ресурсов. В ходе проведения исследований и исходя из целей и задач создания индустриальных центров переработки органических отходов сельскохозяйственного производства обоснована следующая структура центров (рисунок 2).
Рис. 2. Структура индустриальных центров переработки органических отходов сельскохозяйственного производства
С учетом вышесказанного определен основной функционал ИЦ: а) модульный принцип внедряемых технологий, б) гибкие связи технологических потоков при реализации различных технологий; в) возможность изменения производительности каждого модуля технологий; г) возможность изменения вида готовой продукции в зависимости от сезонной потребности при сохранении видов входных отходов и наоборот; д) адаптируемость к изменчивости характеристик входных отходов; е) применение интеллектуальных систем контроля и принятия управлен-
ческих решений по корректировке параметров и режимов функционирующих систем.
В качестве примера рассмотрена агроэко-система в Ленинградской области, на которой расположено 2 крупные птицефабрики на 4 производственных площадках, находящиеся на ограниченной территории с радиусом не более 5 км (рис. 3). При анализе состояния данной агроэкосистемы установлено, что критерии ESA имеют значения существенно ниже рекомендованных для условий Ленинградской области, а именно: Vh = 44 у.г./га, а NUE = 0,01, что говорит о низком
уровне использования образуемых биогенов, о высоких рисках попадания их в водные объекты и значительных эмиссиях климатически активных газов в атмосферу.
Рис. 3. Агроэкосистема с низкими значениями критериев ESA
Для решения сложившейся ситуации предлагается создать индустриальный центр переработки помета для четырех производственных площадок, масса которых составляет 830 тыс. тонн в год. Расчет показал, что для создания такого центра необходимо 1,5-2 млрд руб., при этом прогнозируется получение органоминеральных удобрений массой 70-80 тыс. т/год, прогнозная общая выручка от реализации составит 0,7-1,2 млрд руб/год. Для данной территории наиболее рациональным решением является транспортировка готовых органоминеральных удобрений на более дальние расстояния до производителей растениеводческой продукции.
В условиях постоянного снижения плодородия почв в последние годы основным видом получаемой продукции в ИЦ являются органические удобрения [10-13]. Так как органические удобрения в «чистом» виде, при естественной влажности, имеют рентабельный радиус транспортировки до 15 км, то целесообразно применять более интенсивные технологии переработки, позволяющие получать органоминеральные удобрения
с высокой концентрацией питательных веществ в меньших объемах [14].
Выводы. В качестве критериев оценки экологической устойчивости агроэкосистем предложено использовать: плотность поголовья животных и птицы на единицу обрабатываемых земель; диффузную нагрузку азота на водосбор при ведении сельскохозяйственной деятельности; коэффициент эффективности использования питательных веществ.
Создание индустриальных центров переработки навоза и помета может позволить решить проблему экологически безопасного наращивания производственных мощностей с сохранением экологической устойчивости агроэкосистем. Применение такого подхода позволит повысить степень использования образуемого побочного органического сырья в хозяйственной деятельности и увеличить плодородие почв. Органоминеральные удобрения, получаемые в центрах переработки отходов, могут иметь большие рентабельные радиусы транспортировки и более разнообразные пути их применения.
Литература:
1. Федеральная служба государственной статистики. URL: https://rosstat.gov.ru/
2. Перспективы создания экологических центров промышленной переработки органических отходов животноводства / Попов В.Д. и др. // Агроинженерия. 2020. № 3. С. 4-11.
3. Васильев Э.В. Обоснование рационального радиуса транспортировки органических удобрений // Молоч-нохозяйственный вестник. 2014. № 1(13). С. 49-55.
4. Thematic assessment of eutrophication. URL: http:// www.helcom.fi/baltic-sea-trends/holistic-assessments/ state-of-the-baltic-sea-2018/reports-and-materials
5. Baltic Sea Action Plan. URL: http://www.helcom.fi/stc /files/BSAP/BSAP Final.pdf
6. Jansson T. Baltic Sea eutrophication status is not improved by the first pillar of the European Union Common Agricultural Policy // Reg Environ Change. 2019. V. 19. P. 2465-2476.
7. Sources and pathways of nutrients to the Baltic Sea. URL: https://www.helcom.fi/wpcontent/uploads/2019/08/ BSEP153.pdf
8. Показатели экологической устойчивости сельских территорий при интенсивном производстве животно-
водческой продукции / Васильев Э.В. и др. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 95. С. 159-167.
9. Методика оценки экологической устойчивости сельских территорий / Брюханов А.Ю. и др. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 96. С. 164-175.
10. Оценка обеспеченности почв активным органическим веществом по результатам длительных полевых опытов / Семенов В.М. и др. // Агрохимия. 2013. № 3. С. 19-31.
11. Tye A.M. Gradual and anthropogenic soil change for fertility and carbon on marginal sandy soils // Geoderma. 2013. Vol. 207-208. P. 35-48.
12. Yanai J. Changes in paddy soil fertility in Thailand due to the Green Revolution during the last 50 years // Soil Science and Plant Nutrition. 2020. V. 66(6). P. 1-11.
13. Kubo M. An investigation of upland soil fertility from different soil types // Annals of Agricultural Sciences. 2021. Vol. 66(2). P. 101-108.
14. Лукин С.М. Нормативные показатели эффективности органических удобрений по зонам РФ // Инновационные направления в химизации земледелия и с.-х. производства. Белгород, 2019. С. 334-341.
Literatura:
1. Federal'naya sluzhba gosudarstvennoj statistiki. URL: https://rosstat.gov.ru/
2. Perspektivy sozdaniya ekologicheskih centrov promys-hlennoj pererabotki organicheskih othodov zhivotnovod-stva / Popov V.D. i dr. // Agroinzheneriya. 2020. № 3. S. 4-11.
3. Vasil'ev E.V. Obosnovanie racional'nogo radiusa trans-portirovki organicheskih udobrenij // Molochnohozyajst-vennyj vestnik. 2014. № 1(13). S. 49-55.
4. Thematic assessment of eutrophication. URL: http:// www.helcom.fi/baltic-sea-trends/holistic-assessments/ state-of-the-baltic-sea-2018/reports-and-materials
5. Baltic Sea Action Plan. URL: http://www.helcom.fi/stc /files/BSAP/BSAP Final.pdf
6. Jansson T. Baltic Sea eutrophication status is not improved by the first pillar of the European Union Common Agricultural Policy // Reg Environ Change. 2019. V. 19. P. 2465-2476.
7. Sources and pathways of nutrients to the Baltic Sea. URL: https://www.helcom.fi/wpcontent/uploads/2019/08/ BSEP153.pdf
8. Pokazateli ekologicheskoj ustojchivosti sel'skih territory pri intensivnom proizvodstve zhivotnovodcheskoj pro-dukcii / Vasil'ev E.V. i dr. // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii ras-tenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. № 95. S. 159-167.
9. Metodika ocenki ekologicheskoj ustojchivosti sel'skih territorij / Bryuhanov A.YU. i dr. // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva pro-dukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. № 96. S. 164-175.
10. Ocenka obespechennosti pochv aktivnym organiche-skim veshchestvom po rezul'tatam dlitel'nyh polevyh opy-tov / Semenov V.M. i dr. // Agrohimiya. 2013. № 3. S. 19-31.
11. Tye A.M. Gradual and anthropogenic soil change for fertility and carbon on marginal sandy soils // Geoderma. 2013. Vol. 207-208. P. 35-48.
12. Yanai J. Changes in paddy soil fertility in Thailand due to the Green Revolution during the last 50 years // Soil Science and Plant Nutrition. 2020. V. 66(6). P. 1-11.
13. Kubo M. An investigation of upland soil fertility from different soil types // Annals of Agricultural Sciences. 2021. Vol. 66(2). P. 101-108.
14. Lukin S.M. Normativnye pokazateli effektivnosti organicheskih udobrenij po zonam RF // Innovacionnye na-pravleniya v himizacii zemledeliya i s.-h. proizvodstva. Belgorod, 2019. S. 334-341.
FUNDAMENTAL APPROACHES TO LIVESTOCK WASTE PROCESSING'S INDUSTRIAL CENTERS FORMATION E.V. Vasiliev, candidate of technical sciences E.V. Shalavina, candidate of Technical Sciences IAEP - filial of FGBNY FNAC VIM
Abstract. At agricultural production intensification conditions, the areas with potentially high risks for ecological sustainability of agroecosystems preservation due to large stocks of nutrients accumulation in limited territories arising. The modern intensive agricultural enterprises have a priority task in the form of useful products obtaining: meat, milk, eggs, grain, etc. In some cases, situations arise when, for example, large poultry farms provide themselves with a feed base by purchasing feed from other regions, therefore they do not need to grow their own feed. Or, that the most often happening, they do not have sufficient land areas the resulting organic fertilizer to apply. At the same time, the useful Utter is not a resulting product for them, but it handling costs are an additional costs' source. In this regard, there is a need third-party industrial centers (IC) for organic agricultural waste processing to create. At ICs creating they have a priority task in the form of waste processes obtaining, and useful products based on them among consumers redistributing. The main purpose ofIC creating is additional resources in the economic turnover in the form of organic matter, nutrients, bioenergy to involve and new secondary products from several enterprises located on the territory of one or more agroecosystems receiving.
Keywords: environmental sustainability, manure utilization, deep waste recycling centers, industrial centers.
