CC BY
5
УДК 631.338.92:631.861 DOI 10.24412/2311-6447-2024-2-211-217
Результаты исследования физико-механических свойств органических удобрений в условиях ускоренного компостирования
Results of a study of the physical and mechanical properties of organic fertilizers under conditions of accelerated composting
Доцент М.С. Колдин, доцент В.Ю. Ланцев, доцент С.В. Соловьев, Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра транспортно -технологических машин и основ конструирования, тел. +7 (47545) 3-88-15 mikheyev@mgau. ru
профессор К.А. Манаенков (ORCID 0000-0002-1348-6770), Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра стандартизации, метрологии и технического сервиса, тел. +7 (47545) 3-88-15 ingfak@mgau. ru
доцент И.П. Криволапов (ORCID 0000-0002-1348-6770) Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра технологических процессов и техносферной безопасности, тел. 8-910-854-57-49 [email protected]
Associate Professor M.S. Koldin, Associate Professor V.Yu. Lantsev, Associate Professor S.V. Soloviev,
Michurinsk State Agrarian Universit, chair of Transport and Technological Machines and Design Fundamentals, tel. +7 (47545) 3-88-15 mikheyev@mgau. ru
Professor K.A. Manaenkov (ORCID 0000-0002-1348-6770), Michurinsk State Agrarian University, chair of standardization, metrology and technical service, tel. +7 (47545) 3-88-15 ingfak@mgau. ru
Associate Professor I.P. Krivolapov (ORCID 0000-0002-1348-6770) Michurinsk State Agrarian University, chair of Technological Processes and Technosphere Safety. tel. 8-910-854-57-49 [email protected]
Аннотация. Обоснована необходимость проведения экспериментальных исследований по определению физико-механических и технологических свойств компостируемого материала, в частности, определение относительной влажности и насыпной плотности компостируемой смеси от высоты загрузки и фракционного состава влагопоглощающего материала. Экспериментально установлено, что влажность смеси навоза с влагопоглощающим материалом находится в пределах 56- 64 %, насыпная плотность 754-825 кг/м3 в зависимости от вида влагопоглощающего материала. Полученные значения необходимо учитывать при анализе процессов сводообразования и расчете мощности на выгрузку и перемешивание.
Abstract. The article substantiates the need to conduct experimental studies to determine the physical, mechanical and technological properties of the composted material, in particular, the determination of the relative humidity and bulk density of the composted mixture from the loading height and the fractional composition of the moisture-absorbing material. It has been experimentally established that the humidity of the mixture of manure with moisture-absorbing material is in the range of 56-64 %, the bulk density is 754825 kg/m3, depending on the type of moisture-absorbing material. The obtained values must be taken into account when analyzing arch formation processes and calculating the power for unloading and mixing.
Ключевые слова: влажность, насыпная плотность, высота загрузки
© М.С. Колдин, В.Ю. Ланцев, С.В. Соловьев, К.А. Манаенков, И.П. Криволапов, 2024
Keywords: humidity, bulk density, loading height
В крупных животноводческих хозяйствах при нехватке эффективных средств переработки навоз преимущественно собирают в бурты (штабеля), что приводит к нарушению экологической обстановки природных систем (воздух, почва, водоемы). Простое формирование буртов требует значительных площадей, оборудованных по необходимым требованиям, затрат дополнительных временных и трудовых ресурсов, что может приводить к снижению эффективности хозяйственной деятельности. При рациональном подходе к использованию отходов животноводства хозяйства приобретают ощутимые финансовые выгоды.
С точки зрения обеззараживания отходов животноводства и поточно-непрерывного способа их переработки наиболее предпочтительной является технология аэробной биоферментации, предусматривающая компостирование органической массы при определенных условиях [1,2]. Для ресурсосбережения процесса компостирования необходимо соблюдение следующих технологических условий:
- подготовка субстрата с поддержанием определенных параметров среды при компостировании;
- минимизация материальных и энергетических затрат при выполнении технологических операций за счет средств механизации и автоматизации ускоряющих процесс биоферментации;
- обеспечение последовательного и полноценного протекания каждой из фаз процесса созревания компоста.
Технологии компостирования, основанные на поточном принципе, имеют ряд особенностей и характеризуются применением установок модульного типа. Конструктивно они выполнены в виде вертикальных бункеров с теплоизоляцией корпуса для хороших условий биоферментации. Работа установок данной конструкции обеспечивается загрузкой компостируемого сырья транспортером сверху, постепенное прохождение массы к нижней выгрузной части, имеющей вид щелевого отверстия определённой ширины. Активация процесса компостирования достигается применением аэрации компостируемой массы воздухом [3].
Многие из существующих на сегодняшний день установок непрерывного действия имеют ряд недостатков, связанных с высокой энергоемкостью процессов выгрузки в результате применения достаточно простых, но малоэффективных шнеко-вых устройств разгрузки.
Нарушение технологического процесса выгрузки компостируемых смесей из установок часто связано с образованием устойчивых статических сводов, которые временно или полностью прекращают выход материала (рис. 1). В результате уплотненная структура практически готового органического удобрения в значительной мере затрудняет процесс закрепления в нем питательных веществ, что к тому же увеличивает затраты и сроки переработки.
С целью обоснования конструктивно-режимных параметров устройств разгрузки первостепенным является экспериментальное определение физико-механических и технологических свойств компостируемого материала. Программа и методика экспериментальных исследований включает в себя:
- определение относительной влажности и насыпной плотности компостируемой смеси от высоты загрузки;
- исследование фракционного состава влагопоглощающего материала на примере соломы.
Основными факторами, изменяющим плотность компостируемой смеси является влажность, вид и количество подстилки и высота засыпки. Изменение влажности по высоте засыпки определяли одновременно с проведением предварительных исследований, направленных на изучение высоты сводообразования. При загрузке подготовленного материала (соломонавозной смеси) в корпус установки брали пробы в количестве 5 кг на 1 пробу и помещали в сетку, далее, порционно загружая массу, пробы, помещенные в сетку, укладывали послойно в корпусе через каждые 20 см по высоте и маркировали бирками разного цвета. Тем самым после открытия выгрузной заслонки и обрушения материала полученные пробы готовили к замеру влажности.
Пробу для определения влажности готовили для лабораторных исследований по ГОСТ 5396-77. Процентное содержание влаги определяли по ГОСТ 8770-58. Последовательность измерений:
- замеряли массу тары - тт, г, используя электронные весы ВЛТЭ-500;
- замеряли массу одного из компонентов (навоз, солома) вместе с тарой - шс.т, г.
Исходное значение массы компонентов составит, г:
Сушку производили при температуре 105 °С в течение 5-6 ч, далее взвешивали высушенный компонент с тарой - тс, г. Определяли конечное значение массы сухого компонента, г:
Относительную влажность определяли по формуле, %,
т„
Ш = —-100,
^исх
где тв = тисх — тк - масса высвобожденной воды после сушки, г.
Насыпную плотность подготовленной соломонавозной смеси и ее компонентов определяли согласно ГОСТ 7861-56 при помощи двухлитровой емкости по формуле
тп
Го =
V
где: то - масса образца, кг; V - объём образца, м3.
При приготовлении соломонавозной смеси варьировалась концентрация сухого вещества навоза в пределах от 0,15 до 1,00. Смеси для исследований готовили следующим образом. Навоз влажностью 85 % смешивали с влагопоглощающим материалом (ВПМ): пшеничной соломой (вариант 1) и древесными опилками (вариант 2) влажностью около 15 % так, чтобы:
- на каждые 10 кг навоза добавляли 10 кг ВПМ, полученная смесь содержала 15 % навоза по сухому веществу (концентрация к = 0,15);
- на каждые 10 кг навоза добавляли 3 кг ВПМ, при этом к = 0,37;
- на каждые 10 кг навоза добавляли 1,5 кг ВПМ, при этом к = 0,54.
Определение фракционного состава ВПМ производили следующим образом [5].
Отбирали пробу соломы или опилок массой 0,1 кг. Взвешивание производили на весах ВЛТЭ-500 с точностью до ±0,01-10-3 кг. Определяли 6 фракционных групп с размерами фракций от 1 до 80 мм. Измерение длины стеблей производили линейкой. Каждую фракцию взвешивали на весах. После определения массы каждой фракции производили расчёт средневзвешенного размера частиц соломы Ьср, мм, или опилок по формуле:
= т • 1Х + т2 • /2 +... + тп • 1п
ср м '
где т.1...тп - масса фракций, кг; Ь-.Ап - размер фракций, мм; М - общая масса навески, кг.
Изменение насыпной плотности по высоте загрузки определяли по следующей последовательности. В прямоугольный бункер с сечением выгрузного отверстия, изменяемого в пределах от 400*1000 до 600*1000 (рис. 2), засыпали испытуемую компостную смесь. После тщательного разравнивания смесь образовывала слой высотой 0,2 м. Суммарную высоту загрузки материала в бункере принимали равной 2 м. При этом варьировалось значение угла наклона 2 боковых стенок от 50° до 85°.
Рис. 2. Схема методики определения плотности материала по высоте загрузки установки
На материал в центре бункера и у стенок укладывали пластины, выполненные из тонкой жести, сечением 100*100 мм с закрепленным в середине пластины легким стержнем с длиной, превышающей высоту засыпки смеси в бункере. Каждый стержень градуировался и устанавливался строго вертикально в целях предотвращения искажения результатов опытов. Затем засыпалиь следующую порцию компостной смеси, масса которой оставалась постоянной, и укладывали другие пластины со стержнями. Зная исходный объем бункера, находили начальную плотность. Под воздействием вышележащих слоев материал в бункере уплотнялся. Величину уплотнения в центре и у стенок бункера определялась по перемещению стержней в вертикальной плоскости. По прошествии 5 сут [3] замеряли степень перемещения стержней в вертикальной плоскости, согласно чему, определяли изменение объемов материала на каждом из уровней укладки пластин и вычисляли значение плотности по высоте загрузки.
Изменение относительной влажности компостируемого материала при нахождении его в корпусе установки в течение 5 сут по высоте его засыпки представлено на рис. 3. Видно, что значение относительной влажности Ш для различных компостируемых смесей изменялось по высоте загрузки:
- для смеси навоз КРС+солома - Ш = 57-64 %;
- для смеси навоз КРС+опилки - Ш = 56-62 %;
W,%
70
65
60
55
50
0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Н,м
♦ Навоз К ■ Навоз К 3С+солома 3С+опилки = 2,6786x2 = 0,1607x2 - ^ 30,393x + 2,2964x + 6
у у 438 4,1
■ " ---
Рис. 3. Характер изменения относительной влажности компостируемой смеси по высоте загрузки в корпусе биореактора
Приготовленную компостируемую смесь помещали в емкость объемом 0,04 м3 и взвешивали полученный образец на весах. Затем вычисляли исходные значения насыпной плотности (табл. 1).
Таблица 1
Значения исходной насыпной плотности для различного состава компостируе-__мой смеси ^ср=60 %)_
Опыт Значения насыпной плотности - ум, кг/м3
(Н+С) (Н+О)
1 760,0 812,0
2 747,0 825,0
3 755,0 822,0
Среднее значение 754,0 820,0
Из представленных данных в табл. 1 видно, что с момента загрузки компостируемой смеси в корпус установки насыпная плотность на высоте 0,3 м через 5 сут имела следующие максимальные значения:
- для смеси навоз КРС+солома - ум = 760 кг/м3;
- для смеси навоз КРС+опилки - ум = 825 кг/м3.
Общие результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств, проведенных по частным методикам, представлены в табл. 2.
Таблица 2
Значения физико-механических и технологических свойств компостируемых _материалов различного состава_
Показатели Вид исследуемого материала
Навоз КРС+солома Навоз КРС+опилки
Влажность Ш, % 57-64 56-62
Влажность Ш (макс. значение), % 64 62
Насыпная плотность (исходная) ум, кг/м3 754,0 820,0
Насыпная плотность (макс. значение), ум, кг/м3 760,0 825,0
Из полученных значений можно сделать следующие выводы:
- при проведении экспериментальных исследований технологических свойств необходимо воспользоваться значениями относительной влажности выгружаемого материала при высоте Н = 0,3 м;
- значения насыпной плотности являются максимальными и могут быть использованы при определении способности материала к сводообразованию, характеристик образовавшегося свода, а также при расчете затрачиваемой мощности при работе разработанного устройства разгрузки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колдин, М.С. Пути совершенствования технологий компостирования органических отходов ферм КРС / М.С. Колдин. - Текст: непосредственный //Научные труды ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии. -2011. Т. 22. -№ 3 (3). -С. 239-245.
2. ГОСТ Р 55570-2013 Удобрения органические. Биокомпосты. Технические условия. - Текст: непосредственный.
3. Патент на изобретение RU 2310631 С2 Аэрационный биореактор / Миронов В.В., Хмыров В.Д., Никитин П.С., Колдин М.С. 20.11.2007. Заявка № 2004132670/12 от 09.11.2004. - Текст: непосредственный.
4. Колдин, М.С. Разработка и обоснование параметров устройства разгрузки бункерных установок для переработки отходов на фермах КРС: автореф. дисс. на
216
соиск. уч. степ. канд. тех. наук / М.С. Колдин. - Мичуринск, 2009. - Текст: непосредственный.
5. Ковалев, Н.Г. Органические удобрения в XXI веке (Биоконверсия органического сырья): монография / Н.Г. Ковалев, И.Н. Барановский. - Тверь, ЧуДо, 2006. -304 с. - Текст: непосредственный.
REFERENCES
1. Koldin M.S. Puti sovershenstvovaniya tekhnologij kompostirovaniya organich-eskih othodov ferm KRS.//Nauchnye trudy GNU VNIIMZH Rossel'hozakademii. 2011. T. 22. № 3 (3). S. 239-245.
2. GOST R 55570-2013 Udobreniya organicheskie. Biokomposty. Tekhnicheskie usloviya
3. Aeracionnyj bioreaktor. / Mironov V.V., Hmyrov V.D., Nikitin P.S., Koldin M.S.// Patent na izobretenie RU 2310631 C2, 20.11.2007. Zayavka № 2004132670/12 ot 09.11.2004.
4. Koldin M.S. Razrabotka i obosnovanie parametrov ustrojstva razgruzki bun-kernyh ustanovok dlya pererabotki othodov na fermah KRS.//avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk / Michurinskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet. Michurinsk, 2009
5. Kovalev N.G., Baranovskij I.N. Organicheskie udobreniya v XXI veke (Biokonversiya organicheskogo syr'ya): Monografiya - Tver', CHuDo, 2006. - 304 s.
