CC BY
34
5. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Ilin R.M. Investigation of temperature and humidity condition in barn in winter // Engineering for Rural Development 17th International Scientific Conference. - 2018. - S. 265-269.
6. Sofronov V.G., Danilova N.I., SHamilov N.M., Kuznecova E.L. Vliyanie mikroklimata na organizm i molochnuyu produktivnost' dojnyh korov // Uchenye zapiski Kazanskoj gosudarstvennoj akademii veterinarnoj mediciny im. N.E. Baumana. - 2016. - T. 227. - № 3. -S. 82-85.
7. Valge A.M. Ispol'zovanie sistem Excel i Mathcad pri provedenii issledovanij po mekhanizacii sel'skohozyajstvennogo proizvodstva: metodicheskoe posobie / Gosudarstvennoe nauchnoe uchrezhdenie Severo-Zapadnyj nauchno-issledovatel'skij institut mekhanizacii i elektrifikacii sel'skogo hozyajstva Rossijskoj akademii sel'skohozyajstvennyh nauk. - SPb, 2013. - S. 89-99.
8. Metodicheskie rekomendacii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu ferm i kompleksov krupnogo rogatogo skota. RD-APK 1.10.01.01-18. - M., 2018. - 166 s.
9. Amamou, H. Email Author, Beckers, Y., Mahouachi, M. Thermotolerance indicators related to production and physiological responses to heat stress of holstein cows // Journal of Thermal Biology Volume 82, May 2019, Pages 90-98.
10.Vtoryj V.F., Gordeev V.V., Vtoryj S.V., Lancova E.O. Ocenka sostoyaniya temperaturno-vlazhnostnogo rezhima v korovnike s ispol'zovaniem graficheskogo informacionnogo modelirovaniya // Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. - 2016. - № 4 (24). - S. 67-72.
УДК 631 DOI 10.24411/2078-1318-2019-13178
Научн. сотрудник Т.Ю. МИРОНОВА (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, mironova-tat@mail.ru) Канд. техн. наук В.В. ГОРДЕЕВ (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, cow-sznii@yandex.ru)
Доктор техн. наук А.М. ВАЛГЕ (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНаЦ ВИМ, valgeam@yandex.ru)
СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ ВЫХОДА НАВОЗОСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ
ИЗ ДОИЛЬНОГО ЗАЛА
Процесс доения - ключевая операция на молочных фермах, которая подлежит исследованию с многих сторон. В исследованиях других авторов рассмотрены геометрические параметры доильных залов различных типов [1], проведена оценка и оптимизация доения [2] исходя из времени доения и удельных затрат. Описана модель для нахождения более экономичного решения доильного зала и оценки эффективности процесса доения для будущих ферм и улучшения существующих, при этом учтены технические параметры, показатели производительности и экономические критерии [3], проанализированы затраты на строительство доильных залов различных конструкций [4].
В современных условиях учитывать только эти показатели при проектировании доильного зала уже недостаточно. В настоящее время всё большее внимание уделяется отходам производства, и современные сельхозпредприятия должны стремиться к их уменьшению.
Основным отходом, образующимся в доильном зале, являются навозосодержащие стоки, представляющие собой смесь естественных выделений животных и технологической воды. Уменьшение выхода навозосодержащих стоков в дальнейшем повлечет за собой снижение затрат при строительстве навозохранилищ, а также расходов по их транспортировке и внесению.
Для уменьшения выхода навозосодержащих стоков из доильного зала могут быть предприняты организационные, технические и технологические способы (рис. 1.).
Организационные
Способы минимизации выхода навозосодержащих стоков из доильного зала
Технические
Технологические
- работа с персоналом;
- организация
производственных процессов
внедрение новых технических средств
- оборотное водоснабжение;
- планировочные и
технологические коровников и молочного блока
Рис. 1. Способы минимизации выхода навозосодержащих стоков
из доильного зала
решения доильно-
Организационные способы обусловлены в первую очередь культурой производства и связаны со своевременными устранениями утечек, а также рациональной организацией производства, направленной на экономное использование подаваемой воды и, соответственно, на сокращение выхода навозосодержащих стоков. Так, например, при пастбищной системе содержания коров доение должно проходить быстро. Для сокращения времени доения нужна большая установка, что сопровождается увеличением площадей, требующих мытья, и, соответственно, увеличением выхода навозосодержащих стоков. При беспастбищной системе доить можно в течение всей смены по сдвинутому графику, особенно при двукратном доении и двухсменной организации труда. Чем большее поголовье будет обслужено за разовое доение, тем меньше удельный выход стоков в расчёте на одну голову.
Основное количество воды, от которого обусловлен объем стоков из доильного зала, расходуется на регулярную уборку пола преддоильных, доильных и последоильных площадок, а также на подмывание вымени у коров перед доением, и по РД-АПК 1.10.01.0118 составляет 5 л/м2 и 2 л на голову соответственно. Исследованиями установлено, что эти показатели в значительной степени зависят от способа мытья пола и вымени коров. Так, мытье пола доильного зала из шланга требует в десятки раз меньше воды, чем при использовании смывной системы [5]. А применение высоконапорных установок, увеличивающих скорость подачи воды, повышают эффективность использования шланга для удаления навоза и грязи от копыт с преддоильной площадки. Очистка пола доильного зала с использованием скребков помогает уменьшить количество воды, необходимое для мытья пола, и сводит к минимуму поступление твердых веществ [6]. Таким образом, применение средств для предварительной очистки пола (скребки и т.п.) и высоконапорных моечных машин, использование роботизированных доильных установок можно отнести к техническим способам минимизации выхода навозосодержащих стоков.
Из технологических способов возможна организация замкнутых водооборотных систем, включающих сбор и соответствующую обработку сточных вод с последующим их повторным использованием, однако сильные загрязнения навозом составляют особую проблему.
Одним из способов сокращения количества образующихся навозосодержащих стоков доильных залов может быть оптимизация технологических и планировочных решений при проектировании как коровников, так и доильных залов, а также подбор доильного оборудования. Размер технологической группы определяет площадь преддоильной площадки, а следовательно влияет на выход навозосодержащих стоков из доильного зала. От размера доильной установки зависит её пропускная способность, и выбирается она, исходя из количества дойных коров и планируемой продолжительности разового доения. Выбор типа установки влияет на размеры доильного зала и на выполнение операций, связанных с
доением. В зависимости от размера технологических групп, планировочных решений и типа доильной установки количество образующихся навозосодержащих стоков в доильном зале может отличаться до 25% [7].
Цель исследования - определение технологических параметров фермы и доильного зала по критерию минимального выхода навозосодержащих стоков на стадии концептуального проектирования.
Материалы, методы и объекты исследования. Определение технологических параметров фермы и доильного зала по критерию минимального выхода навозосодержащих стоков возможно на стадии концептуального проектирования с использованием математических моделей [8]. Оптимальные значения размера технологической группы, типа и размера доильной установки, количества моек пола, а также времени одного доения стада из условия минимального выхода навозосодержащих стоков можно найти с помощью решения компромиссной задачи по уравнениям регрессии их суточного выхода и максимального поголовья, которое возможно обслужить на доильной установке. Процедура решения компромиссной задачи позволяет найти оптимальное значение целевой функции, изменяя значения влияющих параметров. Чтобы сузить множество значений, используемых в модели, были применены ограничения на значения изменяемых и конечных параметров. При раскодировании полученных результатов необходимо помнить, что факторы размер технологической группы и количество моек должны быть целыми значениями, а размер доильной установки для «Ёлочки» и «Параллели», как правило, чётный.
Рассмотрим решение компромиссной задачи, в которой следует определить значения факторов, дающих минимальный удельный выход навозосодержащих стоков доильного зала для стада поголовьем, например, 600 - 650 коров при ограничении времени разового доения, равного 5 часам. Условия компромиссной задачи для различных типов доильных установок представлены в табл. 1.
Таблица 1. Условия компромиссной задачи определения технологических параметров фермы и доильного зала по критерию минимального выхода навозосодержащих стоков
Факторы Обозначение Условия оптимизационной задачи для установок типа
«Елочка» «Параллель» «Карусель»
Удельный выход стоков, л/(гол. сут.) Ууд Ууд=/(Хо, Xi, X2, Хз, X4)min;
Поголовье дойного стада, гол. G G= f(X2, X) G= f(Xi, X2, X4);
600<G<650
Размер технологической группы, гол. Х1 60<Х1<180 60<Хi<300
Х1= целое
Размер доильной установки, количество постов Х2 20<Х2<40 20<Х2<60 20<Х2<90
Х2= целое
Количество моек пола, раз Хз 2<Хз<3
Время доения, ч Х4 3,5<Х4<5
Количество групп, шт. n=G/ Х1 G/ Х1 =целое
Число циклов работы доильной установки для одной группы с=Х1 / Х2 Х1/ Х2=целое -
Для решения компромиссной задачи применяется программа EXCEL с использованием надстройки «Поиск решения».
При сопоставлении капитальных вложений учитывается стоимость строительства доильного зала с оборудованием и лагун для шестимесячного хранения навозосодержащих стоков. Для расчёта общей технологической площади, непосредственно влияющей на стоимость строительства доильного зала, используется методика, основанная на сложении постоянных площадей и переменных площадей, зависящих от количества скотомест на доильной установке [11]. Стоимость строительства 1 м2 здания доильного зала принимается
равной 22 тыс. руб. Стоимость строительства лагун для хранения навозосодержащих стоков доильного зала в течение шести месяцев рассчитывается исходя из примерной стоимости 1 м3 бетонной лагуны - 15 тыс. руб. На основании данных одного из поставщиков доильного оборудования средняя цена одного поста принята для доильной установки «Ёлочка» - 802,5 тыс. руб., «Параллель» - 862,5 тыс. руб., «Карусель» - 1192,5 тыс. руб.
Результаты исследования. Результаты решения компромиссной задачи по математическим моделям [8] для рассматриваемых типов доильных установок сведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты решения компромиссной задачи
Тип доильной установки Расчётное поголовье, гол. Удельный выход стоков, л/(гол. сут.) Размер технологической группы, гол. Размер доильной установки, количество постов Количество моек пола, раз Время доения, ч Общий выход стоков, м3сут.
О Ууд Х! Х2 Хз Х4 Уобщ
«Ёлочка», быстрый выход 612 10,08 68 34 2 4,8 6,2
«Ёлочка», обычный выход 612 7,90 68 34 2 4,8 4,8
«Параллель», 1 выход 648 8,13 72 36 2 4,5 5,3
«Параллель», 2 выхода 648 7,95 72 36 2 4,5 5,2
«Карусель», с внешним обслуживанием 640 7,00 64 26 2 4,9 4,4
«Карусель», с внутренним обслуживанием 620 7,10 62 25 2 5 4,4
При данных условиях, в зависимости от типа и размера доильной установки, разница в объеме образующихся навозосодержащих стоков доильного зала может достигать 54% (3 литра на голову в сутки), что ежегодно составляет около 657 м3. Соответственно, дополнительные затраты на строительство лагун для хранения этого количества НСДЗ в течение шести месяцев, при средней стоимости 1 м3 бетонной лагуны - 15 000 руб., могут достигать 9 855 тыс. руб.
Сравнив полученные данные решения компромиссной задачи для каждого типа доильной установки, можно сделать вывод, что при данных условиях минимальный удельный выход навозосодержащих стоков в сутки (7 л/гол.) будет получен при использовании доильной установки типа «Карусель» с внешним обслуживанием. При этом оптимальный размер дойного стада составляет 640 голов, размер технологической группы должен быть 64 головы, количество постов доильной установки - 26.
Решение компромиссной задачи позволяет подобрать технологические параметры фермы и доильного зала с точки зрения минимального выхода навозосодержащих стоков, что приводит уже на этапе проектирования и принятия технологических решений к уменьшению количества отходов производства. Кроме сокращения отходов, не нужно забывать о капитальных вложениях, включающих стоимость строительства и оборудования, которые для достижения наилучшего результата должны учитываться комплексно.
Сравним для полученных варианта решения компромиссной задачи: стоимость строительства доильного зала, исходя из необходимой технологической площади; стоимость предлагаемого оборудования; затраты на строительство лагун для хранения получаемого объема навозосодержащих стоков (табл.3).
Таблица 3. Стоимость строительства доильного зала с оборудованием и лагуны для хранения навозосодержащих стоков
Тип и размер доильной установки Общая технологическая площадь, м2 Расчётное поголовье, гол. Примерная стоимость доильной установки, тыс. руб./ пост Удельные показатели на 1 дойную корову
выход стоков, л/(гол. сут.). стоимость доильной установки, тыс. руб./ гол. затраты на строительство, тыс. руб./ гол. всего затрат на строительство и оборудование, тыс. руб./ гол.
доильного зала бетонной лагуны
«Ёлочка» с быстрым выходом, 2х17 277,9 612 802,5 10,08 44,6 9,990 55,188 109,778
«Ёлочка» с обычным выходом, 2х17 140,8 612 802,5 7,90 44,6 5,061 43,253 92,914
«Параллель» с одним выходом, 2х18 234,8 648 862,5 8,13 47,9 7,972 44,512 100,384
«Параллель» с двумя выходами, 2х18 199,4 648 862,5 7,95 47,9 6,770 43,526 98,196
«Карусель» с внешним обслуживанием, 26 постов 195,0 640 1192,5 7,00 48,5 6,703 38,325 93,528
«Карусель» с внутренним обслуживанием, 25 постов 232,4 620 1192,5 7,10 48,1 8,247 38,873 95,2
Вариант доильного зала с установкой типа «Карусель» с внешним обслуживанием, полученный при решении компромиссной задачи из условия минимального удельного выхода навозосодержащих стоков, имеет и одну из наименьших общую технологическую площадь. Если сравнивать удельные затраты на строительство доильного зала с оборудованием на одну дойную корову, то, по сравнению с этим вариантом, меньшие затраты на строительство здания на 5 542 рубля, или 10% имеет только вариант - доильный зал «Ёлочка» с обычным выходом, но при этом выход навозосодержащих стоков возрастает на 12,9%. Это повлечёт увеличение объема навозохранилищ и, соответственно, стоимости их строительства на 4 928 рублей на голову, а также ежегодных расходов на их транспортировку и внесение. Общие удельные затраты на строительство и доильное оборудование для доильного зала «Ёлочка» с обычным выходом и лагун для хранения навозосодержащих стоков в течение шести месяцев окажутся выгоднее на 614 руб. на голову.
При рассмотрении других вариантов наблюдается резкое увеличение или стоимости строительства доильного зала, или удельного выхода навозосодержащих стоков, что влечет за собой увеличение объемов навозохранилищ, и эти варианты становятся экономически невыгодными.
Выводы. Одним из способов сокращения количества образующихся навозосодержащих стоков доильных залов может быть оптимизация технологических и планировочных решений при проектировании как коровников, так и доильных залов, а также подбор доильного оборудования. Оптимальные значения размера технологической группы, типа и размера доильной установки, количества моек пола, а также времени одного доения стада из условия минимального выхода навозосодержащих стоков можно найти с помощью решения компромиссной задачи по уравнениям регрессии их суточного выхода и максимального поголовья, которое возможно обслужить на доильной установке. Для стада поголовьем 600-650 коров при ограничении времени разового доения, равного 5 часам,
минимальный удельный выход навозосодержащих стоков доильного зала (7 л/гол.) будет получен при использовании доильной установки типа «Карусель» с внешним обслуживанием. При этом оптимальный размер дойного стада составляет 640 голов, размер технологической группы должен быть 64 головы, количество постов доильной установки - 26.
Кроме сокращения отходов производства, не нужно забывать о затратах на строительство и приобретение оборудования. С учётом этих затрат и затрат на строительство лагун для хранения навозосодержащих стоков в течение шести месяцев наименьшие удельные затраты имеет вариант при использовании доильной установки «Ёлочка» с обычным выходом, которые окажутся выгоднее на 614 руб. на голову по сравнению с использованием установки «Карусель» с внешним обслуживанием. При этом размер дойного стада составляет 612 голов, размер технологической группы - 68 голов, количество постов доильной установки - 34.
Полученные результаты позволяют рассматривать минимизацию выхода навозосодержащих стоков доильных залов как одну из составляющих поиска оптимальных решений по выбору технологических параметров фермы и доильного зала на стадии концептуального проектирования ферм КРС.
Литература
1. Georgiev D. Comparative analysis of plane geometric parameters of various types of cow milking parlors. Agricultural Science and Technology. Vol. 8. No 4. 2016. pp. 318-322.
2. Gaworski M., Kamiriska N., Kic P. Evaluation and optimization of milking in some Polish dairy farms differed in milking parlours. Agronomy Research 15(1). 2017. рр. 112-122.
3. Kic P. Mathematical model for optimal arrangement of milking parlor. Agric Eng Int: CIGR Journal, Special issue 2015. 18th World Congress of CIGR. 71-79.
4. Georgiev D., Peytchev K., Dimova V., Georgiev R., Uzunova K., Stoyanova V., Tosheska M. Analysis of costs for construction of milking parlours of various designs. Agricultural University of Tirana. 2016. pp. 54-64.
5. Dairy freestall housing and equipment. Dairy handbook revision committee. Sixth edition, 1 st Printing, 5M. 1997.
6. Milking center wastewater guidelines a companion document to Wisconsin NRCS Standard 629. June 2009. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.wi.nrcs.usda.gov/news/ 629guide.html (дата обращения 30.11.2018)
7. Гордеев В.В., Миронова Т.Ю., Хазанов В.Е., Гордеева Т.И. Оценка влияния технологических решений доильно-молочного блока на выход навозосодержащих стоков // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2018. - № 95. - С. 167-173. DOI: 10.24411/0131-52262018-10044.
8. Gordeev V., Mironova T, Mironov V., Khazanov V. Models to minimize output of manure-bearing wastewater from milking parlours at conceptual designing stage of dairy farms. Engineering for rural development 18th International scientific conference. Jelgava. 2019. pp. 413-419. DOI: 10.22616/ERDev2019.18. N254.
9. Гордеев В.В., Хазанов В.Е., Собовая С.В. Методика расчета технологических площадей доильных залов с установками типа «Ёлочка» и «Параллель» // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2018. - № 3 (96). - С. 186-193. DOI: 10.24411/0131-5226-2018-10072.
Literatura
1. Georgiev D. Comparative analysis of plane geometric parameters of various types of cow milking parlors. Agricultural Science and Technology. Vol. 8. No 4. 2016. pp. 318-322.
2. Gaworski M., Kamiilska N., Kic P. Evaluation and optimization of milking in some Polish dairy farms differed in milking parlours. Agronomy Research 15(1). 2017. rr. 112-122.
3. Kic P. Mathematical model for optimal arrangement of milking parlor. Agric Eng Int: CIGR Journal, Special issue 2015. 18th World Congress of CIGR. 71-79.
4. Georgiev D., Peytchev K., Dimova V., Georgiev R., Uzunova K., Stoyanova V., Tosheska M. Analysis of costs for construction of milking parlours of various designs. Agricultural University of Tirana. 2016. pp. 54-64.
5. Dairy freestall housing and equipment. Dairy handbook revision committee. Sixth edition, 1 st Printing, 5M. 1997.
6. Milking center wastewater guidelines a companion document to Wisconsin NRCS Standard 629. June 2009. [Elektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: www.wi.nrcs.usda.gov/news/ 629guide.html (data obrashcheniya 30.11.2018)
7. Gordeev V.V., Mironova T.YU., Hazanov V.E., Gordeeva T.I. Ocenka vliyaniya tekhnologicheskih reshenij doil'no-molochnogo bloka na vyhod navozosoderzhashchih stokov // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. - 2018. - № 95. - S. 167-173. DOI: 10.24411/0131-52262018-10044.
8. Gordeev V., Mironova T, Mironov V., Khazanov V. Models to minimize output of manure-bearing wastewater from milking parlours at conceptual designing stage of dairy farms. Engineering for rural development 18th International scientific conference. Jelgava. 2019. pp. 413-419. DOI: 10.22616/ERDev2019.18. N254.
9. Gordeev V.V., Hazanov V.E., Sobovaya S.V. Metodika rascheta tekhnologicheskih ploshchadej doil'nyh zalov s ustanovkami tipa «YOlochka» i «Parallel'» // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. - 2018. - № 3 (96). - S. 186-193. DOI: 10.24411/0131-5226-2018-10072.
