CC BY
33
Keywords: special economic zone Agricultural models. subsystem econometric models, classification УДК 631.861
РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ УБОРКИ И ПОДГОТОВКИ НАВОЗА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
П.И. Гриднев, доктор технических наук Т. Т. Гриднева, кандидат технических наук Ю.Ю. Спотару, ведущий инженер
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Е-mail: [email protected]
Обоснована необходимость автоматизации систем управления применительно к технике удаления навоза и производства органических удобрений. Дана характеристика основных технических средств удаления навоза из животноводческих помещений. Указаны недостатки выпускаемой техники и пути их устранения. Представлены основные направления повышения эффективности функционирования систем уборки и подготовки навоза к использованию и видение организационных вопросов разработки и производства новой техники. Ключевые слова: сохранность питательных элементов, качество и эффективность применения технических средств.
Организация процессов уборки и подготовки навоза к использованию оказывает существенное влияние на эффективность производства продукции животноводства, а также сельскохозяйственного производства в целом. Современные технологии, используемые в животноводстве, требуют строгого соблюдения параметров микроклимата по качеству воздуха (содержанию аммиака, сероводорода, углекислого газа, паров воды и т. д). Основное влияние на величину этих показателей оказывают технологии содержания животных и связанные с ними системы уборки навоза. Несовершенство систем уборки навоза ведёт к увеличению кратности воздухообмена, что в свою очередь увеличи-
вает расход энергоресурсов. Низкая надежность используемых технических средств снижает как продуктивность животных так и качество животноводческой продукции, ведёт к увеличению затрат труда и материальных ресурсов на обеспечение их нормального функционирования. К сожалению, точных закономерностей влияния различных систем уборки навоза на эффективность производства продукции ни у нас в стране, ни за рубежом нет. Однако достоверно известно, что производить продукцию животноводства высокого качества возможно только при совершенных системах уборки навоза.
Системы подготовки навоза к использованию определяют сохранность питательных элементов и их усвояемость растениями, надежность обеззараживания навоза от гельминтов, болезнетворных микроорганизмов и семян сорных растений, сохранение плодородия почв и экологическую безопасность всего производства. Каждая тонна неправильно подготовленного и используемого навоза может причинить ущерб, оцениваемый в 250-498 руб.
В России для уборки навоза из животноводческих помещений применяют мобильные агрегаты, стационарные технические средства и гидравлические системы непрерывного и периодического действия. Доля навоза, убираемого из помещений мобильными агрегатами, в общем объеме навоза не превышает 2,5-3,0%. Этот навоз не содержит
ограничений по количеству и длине отдельных включений подстилки и позволяет обеспечить получение высококачественного подстилочного навоза. За рубежом подобная технология применяется достаточно широко, в том числе и при содержании животных на глубокой подстилке.
В России отмеченная технология применяется крайне редко и в основном на фермах по производству молока и выращиванию нетелей. В последние годы технологию содержания животных на глубокой подстилке начинают использовать и при производстве свинины, однако сдерживает её отсутствие эффективных средств внесения подстилки в стойла, а также надежной техники для уборки навоза с длинноволокнистой подстилкой. Технологии внесения подстилки в стойла техническими средствами из кормового прохода загрязняют помещения выхлопными газами, создают сквозняки, засоряют кормушки и поилки, поэтому практически во всех хозяйствах внесение подстилки осуществляется вручную.
Стационарные технические средства (скребковые транспортеры, скреперные установки, шнеки и т. д.) обеспечивают качественную уборку как бесподстилочного, так и навоза с подстилкой в виде опилок, торфа, измельченной соломы и применяются на всех типах ферм. При этом количество вносимой подстилки не должно превышать 2-3 кг/сутки на одну условную голову, т. е. влажность получаемого навоза находится в пределах 85-92%. Процессы уборки навоза стационарными техническими средствами отличаются высокими затратами труда на внесение подстилки и уборку навоза из стойл - до 29 чел.ч/гол. в год.
Важными показателями оценки качества и эффективности применения технических средств уборки навоза из помещений являются удельные энерго- и металлоемкость, полнота уборки навоза, наработка на отказ, затраты труда на техническое обслуживание и текущий ремонт, срок службы.
По удельным энерго- и металлоемкости лучшие показатели имеет конвейер навозо-уборочный поперечный КНП-10 - 0,4 кВт.ч/т
и 200 кгч/т. Скребковые транспортеры типа ТСН и скреперные установки типа УС имеют соответственно 1,0-1,6 кВт.ч/т и 378-315 кг ч/т. Получившие в последнее время широкое распространение шнековые транспортеры уступают по этим показателям вышеназванным техническим средствам (1,75-3,5 кВт.ч/т и 512,5-612,5 кг ч/т), но зато значительно превосходят их по наработке на отказ (первые имеют наработку на отказ 50-500 ч, а шнековые транспортеры - 2000 ч). Затраты труда на ТО и ТР по первой группе машин составляют 0,1-0,4 чел.ч/ч, а по шнековым транспортёрам - 0,02-0,04 чел.ч/ч. Фактический срок службы скребковых транспортеров и скреперных установок составляет от 3 до 5 лет, шнековых транспортеров - не менее 15 лет.
Кроме того, шнековые транспортеры превосходят все технические средства для уборки навоза по такому важному показателю, как полнота уборки навоза из помещений (98% вместо 93-96%).
К числу важнейших недостатков стационарных технических средств уборки навоза следует отнести:
- использование при транспортировании принципа волочения, увеличивающего затраты энергии на выполнение процесса;
- многократное, технологически необоснованное перемешивание навозной массы и несовершенство траектории её перемещения;
- возможность перегрузки транспортирующих средств.
В этой связи представляется перспективным направление по созданию технических средств, работающих на принципах порци-онности забора навоза, транспортировки его к точке выгрузки кратчайшим путем, исключающим многократное перемешивание.
Анализ основных технико-экономических показателей различных технологических и технических решений для механических систем уборки навоза показал, что значительно повысить эффективность процесса возможно за счет совершенствования конструкции штанговых транспортеров (табл. 1). Даже при имеющихся существенных конструктивных несовершенствах штанговые
транспортеры имеют преимущества по таким важным показателям, как стоимость, надежность, возможность транспортировки любого типа навоза, удельная энергоемкость [1,2].
Таблица 1. Основные технико-экономические
Основное достоинство штанговых транспортеров - минимизация пути транспортирования навоза к точке выгрузки, следовательно, и объема выполняемых работ. На ферме в 100 коров суточный объем работ по удалению навоза транспортером типа ТСН-160 составляет 428,0 т-м, шнековым транспортером - 487,4 т-м, штанговым - 209,8 т-м.
При беспривязном содержании животных возникает необходимость уборки навоза из каналов шириной до 3,5 м. Для механизации данного процесса предлагается использовать скреперную установку с гидравлическим приводом и пошаговым перемещением скрепера по длине продольного канала. Одна гидравлическая станция может осуществлять привод до четырех контуров, т. е. может убирать навоз из восьми каналов. Установленная мощность привода гидростанции 3 кВт, длина продольного канала до 150 м, тип тяговый штанги - полоса или профильная труба. Установка работает в автоматическом режиме, что особенно важно на молочных фермах, где потребность в уборке навоза не менее 6 раз в сутки. По основным технико-экономическим показателям установка не уступает зарубежным аналогам, наработка на отказ больше на 15-20%, материалоем-
кость меньше на 10-25%, а по стоимости в 22,5 раза дешевле [3].
При механических системах уборки подстилочного навоза из помещений транспортировку его к местам хранения или переработки осуществляют мобильными агрегатами или стационарными пневматического типа УТН-Ф-20, УТН-Ф-10. Для транспортирования бесподстилочного навоза к местам хранения или переработки используют насосы, в основном отечественного производства -НЖН-Ф-200А, НЦН-Ф-100/30, НЦН-Ф-80/30, НЦВ-Ф-2, НЦИ-Ф-100.Применяется и целый ряд насосов зарубежных фирм, стоимость которых в 2-2,5 раза выше отечественных.
Из технологий подготовки навоза к использованию наибольшее распространение в России и во многих странах Европы получили: компостирование, гомогенизация, естественное и механическое разделение навоза на фракции, биологическая очистка жидкого навоза и стоков. Проводятся экспериментальные работы по применению технологий анаэробного сбраживания [4,5], интенсивной аэробной ферментации [6], производства вермикультур и т. д. Перспективной следует считать технологию и комплект оборудования для получения компостной смеси в процессе уборки навоза из животноводческих помещений, обеспечивающих эффективное круглогодичное производство органических удобрений и более полное использование удобрительных ресурсов навоза [7]. Применение этой технологии обеспечивает дозированную подачу компонентов, регулируемое качество смешивания и, как следствие - высокое качество компостной смеси на выходе из животноводческого помещения при двукратном сокращении количества выполняемых операций. Энергоемкость процесса и издержки производства компостов снижаются в 1,5-2,0 раза, отпадает необходимость в строительстве дорогостоящих навозохранилищ, обеспечивается ритмичное, круглогодичное производство удобрений, создаются условия для его экологически безопасного производства, на 20-25% увеличивается количество и улучшается качество производимых удобрений.
показатели транспортеров уборки навоза
Марка транспортеров
Показатели ТСН- Штан- КШП-
150 говый Ф-100
Масса с приводом (без 1415 800 2411
наклонного транспортера), кг
Производительность транс- 4,5 3,5 4,6
портера, т/ч
Установленная мощность 4,0 1,5 8
привода, кВт
Качество очистки канала от 95 98 98
навоза, %
Наработка на отказ, ч 55 700 800
Коэффициент готовности 0,98 0,99 0,99
Срок службы до списания, 7 20 20
лет
Возможность использования можно можно нельзя
в каналах без решеток
Учитывая, что процесс биотермической стабилизации в буртах достаточно длителен по времени (2-3 месяца и более) и протекает не всегда эффективно из-за недостатка кислорода в компостной смеси, обосновано предложение по сокращению сроков биотермического созревания до 10 суток за счет регулируемого насыщения кислородом воздуха компостной смеси. При этом готовый продукт является ценным, экологически чистым органическим удобрением, качественные характеристики которого значительно выше, чем у компоста, полученного традиционным способом. Технология аэробной ферментации органических отходов животноводства прошла успешную апробацию на ряде животноводческих объектов России и стран СНГ и используется наряду с технологией американской фирмы «ВюГегш».
При использовании данной технологии расход влагопоглощающих материалов в 4-5 раз больше, чем при обычном компостировании. Поэтому ее целесообразно использовать в хозяйствах, обеспеченных в достаточном количестве влагопоглощающими материалами и имеющих спрос на дорогое, но высококачественное удобрение.
Одним из новых, перспективных направлений подготовки к использованию полужидкого навоза является технология производства компостных органо-минерально-бактериальных удобрений [8].
Технология производства нового типа компостного удобрения базируется на принципах ротационного гранулирования, основанного на способности массы навоза формироваться и склеиваться при влажности 50-60%, и предусматривает дозирование минеральных и других компонентов непосредственно в процессе приготовления компостной смеси с последующей стабилизацией. Готовое удобрение представляет собой насыщенные кислородом воздуха окатыши. Разрабатываемая технология производства окатышей является конкурентоспособной с традиционными технологиями производства компостных смесей даже без учета сокращения потерь питательных веществ из удобрений в легко промывных грунтах. Учет этого
фактора позволит существенно повысить эффективность этой технологии. В настоящий период еще отсутствуют результаты испытаний нового удобрения.
При гидравлических системах уборки подготовку жидкого навоза и стоков к использованию рекомендуется осуществлять путем механического разделения на фракции с использованием отечественных фильтрующих центрифуг производительностью до 80 т/ч, а также ряда импортных установок прессующего типа [3]. Следует отметить, что при сопоставимости затрат на выгрузку твердой фракции, систему управления процессом, строительство сооружений, затраты на приобретение импортного оборудования для цеха разделения навоза на фракции применительно к свиноводческому комплексу на 24 тыс. голов в 4,3 раза больше, чем отечественного (6088,2 тыс. руб. вместо 1400,0 тыс. руб.). Эта технология особенно эффективна в регионах и хозяйствах, применяющих жидкую фракцию в системах орошения. После разделения исходного навоза на фракции твердая фракция подвергается биотермическому созреванию, а жидкая - проходит карантинирование и, в случае отсутствия эпизоотии, может быть использована в системах орошения.
В последние годы как у нас в стране, так и за рубежом достаточно активно пропагандируют технологии переработки навоза в анаэробных условиях. Следует заметить, что необходимым условием их применения является наличие у производителя животноводческой продукции, собственной земли в достаточном количестве для утилизации в виде удобрения сброженного навоза и природно-климатических условий с минимальной температурой не более минус 15оС для зоны расположения объекта. Обеспечить минимальную рентабельность возможно только при условии использования отдельных технологий сбраживания с учетом эффектов от сохранения плодородия почв, защиты окружающей среды от загрязнения и прибавки урожая с.-х. культур. В западных странах подобные технологии сопровождаются государственными дотациями.
Совершенствование систем уборки и под- готовки навоза к использованию должно базироваться на реализации направлений, представленных в таблице 2. Таблица 2. Основные направления повышения эффективности функционирования систем уборки
и подготовки навоза к использованию
Наименование направления Предлагаемые пути реализации направления
1. Максимальное сокращение поступления воды в навоз 1.1. Совершенствование гидравлических систем уборки навоза с автоматическим контролем скорости накопления осадка. 1.2. Материальное стимулирование обслуживающего персонала за снижение расхода воды. 1.3. Повышение надёжности технических средств уборки и транспортировки навоза, организация их работы в автоматическом режиме. 1.4. Совершенствование строительных конструкций систем уборки и хранения навоза.
2. Минимизация количества выполняемых операций, потерь питательных веществ, расхода всех видов ресурсов 2.1. Увеличение доли производства подстилочного навоза, в том числе за счет применения технологий содержания животных на глубокой подстилке. 2.2. Производство компостных смесей в процессе уборки навоза из помещения. 2.3. Сгущение навоза в процессе транспортирования его к местам накопления. 2.4. Использование технических средств нового поколения для уборки, транспортировки и подготовки навоза к использованию.
3. Оптимизация транспортных потоков 3.1. Оптимизация пути транспортировки навоза внутри животноводческих помещений. 3.2. Производство компостных смесей с использованием мобильной техники в местах их утилизации. 3.3.Оптимизация состава и организации работы погрузочно-транспортных агрегатов.
4. Обеспечение требований по гигиене и экологической безопасности, создание комфортных условий для животных и обслуживающего персонала. 4.1. Использование автоматизированных систем уборки и подготовки навоза к использованию. 4.2. Автоматизирование систем проектирования технологий уборки и подготовки навоза к использованию с учетом особенностей животноводческих предприятий и зоны его размещения. 4.3. Разработка законодательных актов для материального стимулирования производства экологически чистой продукции животноводства и растениеводства, создания и использования экологически безопасных технологий утилизации навоза.
5. Максимальное использование навоза всех видов в качестве сырья для производства органических удобрений. 5.1. Оптимизация типоразмера животноводческих предприятий и размещения их по территории страны. 5.2. Совершенствование известных и разработка новых технологий и технических средств для: - производства комплексных органо-минерально-бактериальных удобрений с требуемыми характеристиками под различные культуры севооборота в заданной зоне; -биотермической стабилизации бесподстилочного навоза; - переработки бесподстилочного навоза в анаэробных условиях, консервации сброженного навоза; - механизации разделения бесподстилочного навоза на фракции; - глубокого выделения органики и взвешенных веществ из жидкой фракции навоза.
6. Максимальная утилизация СО 2, ЫИ3 6.1.Блокирование животноводческих предприятий с теплицами. 6.2. Технологические решения и технические средства для утилизации теплоты и очистки вентиляционных выбросов. 6.3. Использование подстилки с циолитами и другими поглотителями газов в технологиях содержания животных.
Цель создания автоматизированных систем управления процессами уборки и подготовки навоза к использованию: обеспечение сокращения ручного труда, повышение его привлекательности; рост объёмов и качества производства продукции; исключение загрязнения окружающей среды; увеличение
срока эффективного использования генетического потенциала животных. Для реализации этих целей необходимо создать ряд контрольно-измерительных приборов и датчиков. Для гидравлических систем уборки необходим прибор контроля скорости образования донного осадка. При содержании жи-
вотных на глубокой подстилке целесообразно иметь прибор контроля температуры в различных слоях подстилки. При уборке навоза из открытых каналов механическими средствами необходим контроль его непрерывного накопления в течение суток.
При производстве компостов необходим контроль точности дозирования и смешивания компонентов, развития биотермического процесса. Автоматизация процесса механического разделения навоза на фракции невозможна без создания системы контроля накопления в приемной емкости исходного навоза и его влажности, без контроля в потоке расхода исходного навоза, выхода жидкой и твердой фракций. При переработке навоза в анаэробных условиях в автоматическом режиме должна функционировать система поддержания заданного температурного режима и обеспечения требуемой кислотности сбраживаемой массы. Кроме того, необходимо контролировать процесс расслоения сбраживаемой массы, скорость выделения биологического газа и его состав.
Разработка научных основ создания технологических и технических средств уборки и подготовки навоза к использованию, адаптированных к автоматизированным системам управления, а также недостающего приборного обеспечения нового поколения должна быть обеспечена научными учреждениями, подведомственными управлению координации и обеспечению деятельности организаций в сфере с.-х. наук федерального значения.
Исследования по этим направлениям проводятся во ВНИИМЖе, ВИМе, ВНИИМЗ, СЗНИИМЭСХ, СКНИИМЭСХ, ВИЭСХ, ВНИИСУ, МИЧГАУ, Самарской ГСХА и других научных организациях и Вузах. Результаты исследований позволят разработать новые принципы построения экологически безопасных систем уборки и подготовки навоза к использованию, научные основы проектирования технологий и комплексов машин нового поколения, типовые решения и новые многофункциональные технические средства технологического и технического переоснащения систем уборки и подготовки
навоза к использованию, обеспечивающие сокращение потерь питательных элементов на 50-70%, номенклатуру технических средств - в 2-3 раза, энергоемкость и материалоемкость процессов - в 1,5-2,0 раза, потребность в минеральных удобрениях - на 30-40%, повысить эффективность использования удобрений в 1,3-1,7 раза, предотвратить загрязнение окружающей среды. Расчеты показывают, что применение удобрений нового поколения позволит в условиях России обеспечить дополнительное производство 18-20 млн т зерна в год.
Литература:
1. Вейнло В.Э., Куйв М.Я., Каар П.Э. Проектирование систем и рабочих органов удаления подстилочного навоза в коровниках // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2000. №9. С. 13-15.
2. Гриднев П.И. Результаты испытаний технических средств для уборки навоза из животноводческих помещений // Вестник ВНИИМЖ. 2012. №4. С. 41-47.
3. Гриднев П.И., Карпов В.П., Гриднева Т.Т. Автоматизированная скреперная установка для уборки навоза // Техника и оборудование для села. 2010. №8. С. 18.
4. Повышение эффективности функционирования технических систем подготовки навоза к использованию / Н.М. Морозов., П.И. Гриднев, Т.Т. Гриднева и др. М.: Росинформагротех, 2000. 80 с.
5. Афанасьев В.Н. Обоснование и разработка технологий и технических средств для производства экологически безопасных, биологически активных удобрений на основе отходов животноводства и птицеводства. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2000.
6. Экспрессная биоферментация органического сырья при различных соотношениях навоза с торфом / Н.Г. Ковалев и др. // Вестник РАСХН. 1999. №5. С. 71-73.
7. Морозов Н.М., Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Технологические и научно-технические проблемы эффективного функционирования технических систем подготовки навоза к использованию в качестве органических удобрений. Подольск, 1998. 54 с.
8. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Научные основы производства комплексных органо-минерально-бактери-альных удобрений // Сб. трудов ВНИИМЖ. Подольск, 1998. Т.7, ч. 1. С. 191-199.
9. Гриднев П.И. Технологии утилизации навоза // Зоотехния. 1989. №9. С. 62-65.
The necessity of automation control systems in relation to the technique of removal of manure and organic fertilizer production. Characteristics of main technical means mucking out livestock buildings. Listed drawbacks of the machinery and how to overcome them. The main
