CC BY
76
УДК 631.333
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАИЛУЧШИХ ДОСТУПНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УТИЛИЗАЦИИ НАВОЗА И ПОМЕТА
А.Ю. Брюханов, доктор технических наук, заведующий отделом
Е.В. Шалавина, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Э.В. Васильев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства
E-mail: sznii6@yandex.ru
Аннотация. В статье рассматривается актуальность создания методов проектирования наилучших доступных технологий (НДТ) утилизации навоза и помета, которая обусловлена планами российского правительства по совершенствованию системы нормирования негативного воздействия на окружающую среду. Анализ образования навоза/помета в Северо-Западном Федеральном округе и доступности питательных веществ (на примере азота) показывает, что содержащиеся в навозе и помете питательные вещества могут обеспечить до 37% потребности растениеводства. Однако используемые в настоящее время технологии переработки навоза и внесения органических удобрений приводят к высоким потерям питательных элементов, в результате чего обеспеченность растениеводства питательными веществами органических удобрений снижается на 17,7% по СЗФО, а по Ленинградской области - на 30,6%. Для обоснования и выбора НДТ утилизации навоза и помета разработан метод проектирования технологий, адаптированных к условиям конкретных хозяйств и обеспечивающих повышение эффективности и экологической безопасности животноводческих предприятий. Данный метод представляет собой совокупность ранее известных методов и вновь разработанных моделей. С учетом современных требований к проектированию НДТ были обоснованы критерии оценки, отражающие экологическую и экономическую эффективность соответствующих технологий. Для многокритериальной оценки применен метод Паре-то-оптимизации. С помощью разработанного метода обоснованы НДТ утилизации навоза и помета для современных животноводческих комплексов и определены пути их освоения.
Ключевые слова: экологическая безопасность, наилучшая доступная технология, интенсивное свиноводство, интенсивное птицеводство.
В 2016 году Министерством сельского хозяйства начата разработка справочников наилучших доступных технологий (НДТ) по интенсивному разведению свиней и сельскохозяйственной птицы. Данная работа ведется по поручению Правительства Российской Федерации в рамках комплексного совершенствования системы нормирования негативного воздействия на окружающую среду при ведении хозяйственной деятельности [1, 2].
Внедрение принципов НДТ требует создания новых методов оценки воздействия животноводческих предприятий на окружающую среду и научно-технических решений для получения сельскохозяйственной продукции заданного количества и качества с учетом природно-климатических условий конкретного региона и эколого-экономиче-ских показателей технологий. Анализ научных исследований по НДТ интенсивного жи-
вотноводства показал, что наиболее сложными и важными элементами технологий при обосновании НДТ являются процессы, связанные с утилизацией навоза, помета.
В условиях нехватки питательных элементов в растениеводстве основным направлением утилизации навоза, помета является его переработка и использование в качестве органических удобрений. Анализ образования навоза, помета в Северо-Западном федеральном округе (СЗФО) и потребность растениеводческих предприятий в питательных веществах (на примере азота) показывает, что содержащийся в навозе, помете азот и фосфор могут обеспечить до 37% потребности растениеводства СЗФО. Однако используемые в настоящее время технологии переработки навоза и внесения органических удобрений приводят к высоким потерям питательных элементов, в результате чего
обеспеченность растениеводства питательными веществами органических удобрений снижается на 17,7% по СЗФО, а по Ленинградской области - на 30,6%. Низкая сохранность азота при утилизации навоза, помета обусловлена использованием технологий, зачастую не обеспечивающих высокую эффективность в условиях конкретных хозяйств; при этом наблюдается сверхнормативное негативное воздействие на окружающую среду. Очевиден и тот факт, что для выбора экономически и экологически обоснованного решения не представляется возможным рекомендовать единую унифицированную машинную технологию утилизации при многообразии технологий, вариантов их оснащения и хозяйственных условий [3, 4].
В ранее проведенных исследованиях основное внимание при изучении технологий утилизации навоза, помета уделялось анализу влияния различных факторов на выполнения санитарно-гигиенических, физико-химических, агротехнических требований, производительность и экономическую эффективность отдельных процессов. В то же время оценка технологий и машин по уровню экологической безопасности встречается фрагментарно, практически отсутствуют методы проектирования и критерии оценки технологий утилизации навоза, помета, обеспечивающие снижение негативного воздействия на окружающую среду, а следовательно, отвечающие основным принципам НДТ. Для решения этой проблемы был разработан метод проектирования машинных технологий утилизации навоза, помета, адаптированных к условиям конкретных хозяйств и обеспечивающих повышение эффективности и экологической безопасности животноводческих предприятий.
Разработанный метод представляет собой совокупность ранее известных методов и вновь, разработанных моделей, обеспечивающих возможность анализировать и выбирать наилучшие доступные технологии утилизации навоза и помета.
Постановка задачи и формализованное описание системы с использованием метода функционально-структурного анализа технологий
Разработка структурно-параметрической модели выполнения технологии утилизации навоза, помета
I
Обоснование критериев экономической эффективности и обеспечения экологической безопасности технологии
Формирование совокупности математических моделей отдельных процессов и операций, включая модели оценивания сохранности азота
Оценка вариантов сформированной технологии и выбор Парето-оптимального
решения
Рис. 1. Основные блоки метода проектирования НДТ утилизации навоза и помета
С учетом современных требований к проектированию наилучших доступных технологий (НДТ) были обоснованы критерии оценки технологий утилизации навоза и помета: критерий экономической эффективности внедрения НДТ утилизации навоза и помета Ендт,, тыс. руб/т в год; критерий приведенных удельных затрат на сохранение азота, ЗКэкб, руб/т; критерий эколого-экономи-ческого эффекта при внедрении технологии переработки навоза, помета и использования органических удобрений, Ээф, руб.
При помощи разработанного метода и предложенных критериев был исследован ряд технологий утилизации навоза и помета для производственных и природно-климатических условий СЗФО. Для отбора рациональных вариантов технологий применялся метод Парето-оптимизации [5], согласно которому: если оценка одного из двух вариантов не хуже оценки второго варианта по всем компонентам, причем, по крайней мере, по одной из них - строго лучше, то первый вариант предпочтительнее второго, т.е.
х',X е X,(х') > (х"), I = е,2,...т;3 к е {е,2,...,т\. /к (X) > /к (X) ^ х'ф хХ' (1)
При этом вариант, не выбираемый в какой-либо паре, не должен оказаться среди
Лоигпа! оГ УШТ^Н №3(27)-2017
125
выбранных из исходного множества возможных вариантов, т.е.
X ,X е X, X X ^ X £ C(X)
(2)
Пример выбора Парето-оптимальных решений представлен для выбора из 12 вариантов исполнения технологии разделения навоза на фракции с последующей переработкой твердой фракции методом биоферментации и длительным выдерживанием жидкой фракции и внесением жидких органических удобрений (ЖОУ) и твердых органических удобрений (ТОУ). Оцениваемые варианты технологии отличаются между собой способами биоферментации, хранения готовых удобрений и методами транспортировки и внесения органических удобрений. В табл. 1 представлены исходные данные для отбора множества Парето-оптимальных решений по исследуемым вариантам технологии. В соответствии с аксиомой Парето отбрасываем варианты 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, так как варианты 4, 6, 9 и 12 значительнее эффективнее по двум критериям Ээф и ЕНдТ (таблица 1).
Из данных таблицы 1 наглядно видно, что эффективными решениями, обеспечивающими высокие экологические и экономические показатели, являются варианты технологии 6 и 12. Проведя ранжирование выбранных вариантов технологии утилизации навоза КРС (таблица 2), получим максимально приближенные к оптимальному варианту решения. Вариант №6 технологии обеспечивает максимальное значение годового эколого-экономического эффекта Ээф = 38403,8 тыс. руб., лучший показатель критерия экономического эффекта от внедрения НДТ ЕНдТ = 208,33 тыс. руб/т и близкое к лучшим значениям критерия удельных приведенных затрат на сохранение азота ЗКэкб = 2,62 тыс. руб/т. Блок схема 6-го варианта
Таблица 1. Выбор Парето-оптимальных решений
Критерий Направ- Ва] жанты Технологии 3
(К) ление
экстре- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
мума
ЗКэ^ тыс.руб/т min 2,13 2,16 <N <N 2,64 2,65 2,62 2,06 2,06 2,02 2,54 2,55 2,52
00 о 3, 3, 8, 3, 5, 0, 0, 0, 3,
Ээф, тыс.руб max 00 <N 00 2 <N OS OS 2 ,2 OS 4 3 <N 3 ,6 3 3 ,3 о 8 3 m 7 2 ,7 <N OS 8 2 ,5 OS 3 3 ,5 <N OS 9 2 ,0 2 9 3 ,6 о 7 3
еНДЪ тыс.руб/т min 1 | 883,24 1 I 275,20 I | 603,18 | | 409,21 | | 208,33 | ■ | 1666,08 | | 308,81 | 854,45 497,36 221,70
Таблица 2. Ранжирование Парето-оптимальных
Критерий Выбранные Критерий
варианты
технологии
ЗКэкб Лучшее 9 3 12 6 Худшее ЗКэкб
Ээф значения 6 12 3 9 значения Ээф
ЕНДТ критерия 6 12 3 9 критерия Ендт
Итоговый Лучший 6 12 3 9 Худший Итоговый
рейтинг вариант вариант рейтинг
вариантов вариантов
Аналогичные исследования были проведены для анализа и обоснования НДТ утилизации навоза свинокомплексов и птицефабрик. Обобщенные результаты исследований показали, что на современном этапе к НДТ утилизации отходов интенсивного животноводства и птицеводства стоит отнести методы, позволяющие при экономически обоснованных затратах достигать снижения загрязнения окружающей среды биогенными элементами (прежде всего азотом).
Разделение на фракции
- Емкость ж/б - 400 мЗ
- мешалка ТВМ 2,2/4— 1 ед-
- сепаратор FAN PSS-800-2 ед.
И
Транспортировка к биоферментерам
- Беларус 82.1 -1 ед.
- прицеп 1 ПСТ-6 -1 ед.
Биоферментация ТФ
- Биоферментер КТ (4*10м)-4ед.
- фронтальный погрузчик - Амкадор 342-В
Тр-ка и внесение ТФ
МП -9 -1 ед. Беларус 1523 -1 ед. (R-10 км)
Транспортировка ЖФ в хранилище
- насос PTS 5,5-100-2 ед.
-ПВХ трубы □-150 мм
Хранение ЖФ -пленочная лагуна 10000 мЗ-4ед. - Мешалка МТХ-750 -1 ед.
Тр-ка и внесение ЖФ
МЖУ-16-5ед. Беларус 2022 - 5 ед. (R-10 км)
технологии представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Блок-схема НДТ утилизации навоза КРС
Для переработки твердого навоза и помета рекомендуется использовать биоферментацию и активное компостирование, при больших радиусах транспортировки - сушку и грануляцию. При переработке полужидкого навоза и помета целесообразно применять разделение на твердую и жидкую фракции с последующим выдерживанием жидкой фракции и внесением ее в качестве органического удобрения машинами, оборудованными шланговыми системами и рабочими органами для внутрипочвенного распределения. Для свинокомплексов с образованием жидкого навоза, не имеющих собственных земельных площадей, целесообразно рассматривать технологии глубокой переработки с получением концентрированного органического остатка и очищенной жидкости для использования на полях фильтрации [3]. При этом необходимо в каждом конкретном случае, с учетом производственных условий и особенностей местности расположения сельхозпредприятия, проводить оценку и адаптацию технологических вариантов утилизации навоза и помета. Проектирование и технико-экономическая оценка НДТ утилизации навоза и помета для крупных животноводческих комплексов показали, что внедрение технологий и их эксплуатация ведут за собой огромные затраты. Широкомасштабное освоение НДТ утилизации навоза и помета
возможно только при наличии государственной программы, в которой будут разработаны поэтапные шаги по их внедрению и предусмотрены меры государственной финансовой поддержки.
Литература:
1. Обоснование НДТ переработки и использования помета птицы I Брюханов А. и др. II НДТ. 2017. С. 106.
2. Environmental assessment of livestock farms in the context of BAT system introduction in Russia II Innovative solutions for sustainable management. Tjele, 2017.
3. Брюханов А.Ю. Проблемы обеспечения экологической безопасности жив-ва и наилучшие доступные методы их решения // Региональная экология. 2017. №1.
4. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Основные направления повышения эффективности функционирования систем уборки и подготовки навоза к использованию // Вестник ВНИИМЖ. 2010. Т. 21. №3. С. 157-163.
5. Исследование Excel и Matcad при проведении исследований по механизации с.-х. пр-ва. СПб., 2013.
Literatura:
1. Obosnovanie NDT pererabotki i ispol'zovaniya pometa pticy I Bryuhanov A. I dr. II NDT. 2017. S. 106.
2. Environmental assessment of livestock farms in the context of BAT system introduction in Russia II Innovative solutions for sustainable management. Tjele, 2017.
3. BryuhanovA.YU. Problemy obespecheniya ehkologi-cheskoj bezopasnosti zhiv-va i nailuchshie dostupnye me-tody ih resheniya II Regional'naya ehkologiya. 2017. №1.
4. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Osnovnye napravleniya povysheniya ehffektivnosti funkcionirovaniya sistem ub-orki i podgotovki navoza k ispol'zovaniyu II Vestnik VNI-IMZH. 2010. T. 21. №3. S. 157-163.
5. Issledovanie Excel i Matcad pri provedenii issledovanij po mekhanizacii s.-h. pr-va. SPb., 2013.
DESIGNING OF THE BEST AVAILABLE TECHNOLOGIES OF MANURE AND DUNG UTILIZATION A.Yu. Bryhanov, doctor of technical sciences, department head E.V. Shalavina, candidate of technical sciences, senior research worker E.V. Vasilev, candidate of technical sciences, senior research worker The institute of agroengineering and ecological problems of agricultural industry
Abstract. The article discusses the relevance of the designing of best available technologies (NDT) methods of manure and dung utilization, that is due to the Russian government plans on environment negative influence regulation system improving. Analysis of of manure/dung in the North-Western Federal district formation and nutrients (for example nitrogen) availability shows that containing in the manure and dung nutrients can provide up to 37% of needs of the crop production. However, currently used technologies of manure processing and organic fertilizers application lead to high losses of nutrients, in result of it the crop production provision of organic fertilizers' nutrients reduced in 17,7% on Northwestern Federal District and on Leningrad region in 30,6%. For manure and dung utilization NDT justification and choice is developed a method of design of technology adapted to the specific conditions of specific farms and livestock enterprises efficiency enhancing and its ecological safety providing. This method is a combination of previously known methods and newly developed models. Taking into account modern requirements to NDT design it was justified evaluation's criteria reflected the ecological and economical efficiency ofrel e-vant technologies. For multi-criterial evaluation the Pareto-optimization method is applied. By using the developed method the NDT manure and dung utilization for the modern livestock farms are justified and the ways of their development are defining.
Keywords: ecological safety, the best available technology, intensive pig farming, intensive poultry farming.
Journal of VNIIMZH №3(27)-2017
127
