CC BY
156
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
УДК 631.95
А.В. АФАНАСЬЕВ, канд. техн. наук
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА И ПОМЕТА
Дано обоснование необходимости повышения экологической безопасности сельскохозяйственного производства, предложены конкретные технологии обработки и использования навоза и помета с учетом их экологоэкономической и технологической оценки.
Производство продукции животноводства и птицеводства осуществляется путем превращения органических материалов пищевого состава (корма) в органическое вещество тела животных и птицы и их продукцию в результате сложных биохимических процессов. Установлено, что в продукты животноводства (КРС) переходит только 16,4% всей энергии кормов, 25,6% идет на переваривание и усвоение. Большая часть энергии, около 58%, переходит в навоз [1].
С другой стороны, основой построения массы животного и его пищевой продукции являются химические элементы и, большей частью, азот. Эффективность использования азота кормов в пищевую продукцию животных и птицы не превышает 40% [2] (рис. 1), остальная часть азота поступает в навоз.
Объемы получаемых навоза и помета существенно превосходят объемы производства основных продуктов сельского хозяйства -мяса, молока, яйца [1], что может привести к повышенной экологической нагрузке на окружающую среду, представляет угрозу для здоровья населения и всех, кто находится вблизи животноводческого предприятия.
Утилизация навоза и помета является постоянной заботой руководителей и специалистов предприятий, местных администраций, экологов. От одной средней мощности птицефабрики (400 тыс. кур несушек или 10 млн цыплят бройлеров) ежегодно поступает соответственно от 35 до 83 тыс. т пометной массы и свыше 400 тыс. м3 сточных вод с повышенной концентрацией органических компонентов. Одна ферма КРС (1000 голов) в год дает 30-40 тыс. т навоза влажностью 90-93% [1].
82
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2012. Вып. 83.
Рис. 1. Коэффициент эффективности использования азота кормов в пищевую продукцию, %
В России ежегодно производится более 300 млн т навоза и помета, которые содержат 1,8 млн т азота, 1,0 млн т фосфора и 0,9 млн т калия. Для сравнения в 2010 году сельскохозяйственным производством использовано около 2,3 млн т минеральных удобрений в действующем веществе, что существенно меньше данных элементов находящихся в навозе и помете, производимых в настоящее время [3].
С другой стороны, с учетом интенсивного сокращения невозобновляемых традиционных природных энергоресурсов (нефть, уголь и др.), изымаемых из недр Земли, вызывают все больший интерес и находят все более широкое применение нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы в виде биомассы.
В последние годы производство энергии на основе возобновляемых источников стало характерной чертой развития современной энергетики. Объемным, разнообразным и в то же время легко доступным источником энергии является биологическая субстанция, в том числе сельскохозяйственные отходы животноводства и растениеводства, которые неверно отнесены к отходам. Расчеты показывают, что общий энергетический потенциал отходов сельскохозяйственного производства России составляет примерно 3,1 трлн Дж, что в несколь-
83
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
ко раз превышает все энергопотребление сельскохозяйственного производства в 2010 году [4].
Однако по основному назначению в качестве органического удобрения используется менее 15% от общего объема производства навоза. К тому же в процессе движения навоза от животного до корневой системы растения по данным различных источников теряется более половины органического вещества и биогенных элементов группы NPK: по азоту до 70%, фосфору и калию 40-50%.
В то же время биогенные элементы, азотистые соединения в первую очередь, являются главными загрязняющими веществами практически всех основных компонентов окружающей среды: поверхностных вод, почвы и атмосферного воздуха.
Таким образом, высокое содержание в навозе питательных веществ, а также безусловная необходимость переработки отходов животноводческого производства открывает широкий рынок для высококачественных экологически благоприятных органических удобрений, способных полностью заменить минеральные удобрения, что, в свою очередь, требует создания оборудования для их производства.
Для животноводов проблема утилизации отходов очень сложна: новое оборудование слишком дорогое, однако, и налоги на хранение отходов слишком велики. По оценкам Минсельхоза платежи агрокомпаний за размещение на своих угодьях навоза, помета и других отходов доходят до 35 млрд руб. в год, не считая штрафов за загрязнение окружающей среды. Разной степени очистки и переработки необходимо подвергать сотни миллиардов кубометров жидких навозных стоков в год. Но далеко не в каждом животноводческом комплексе есть современные системы их переработки и утилизации [1].
Самую большую экономию капиталовложений хозяйственники видят в уменьшении затрат на строительство и закупку оборудования по переработке и утилизации навоза. Большинство предприятий складируют навоз в накопители (лагуны), откуда его после длительного выдерживания вывозят в качестве удобрений на поля. Если есть возможность, то отходы отправляют на ближайшие городские очистные сооружения.
Когда речь заходит о кормах, вспоминается пословица, что «у коровы молоко на языке». Кормовая база - это в первую очередь зерно, силос, сено, сенаж, т. е. продукция растениеводства, а также комбикорма, витаминные и минеральные добавки. Эффективность расте-
84
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2012. Вып. 83.
ниеводства при прочих равных условиях целиком зависит от плодородия почвы, которое, в свою очередь, как известно, зависит от органических удобрений, т.е. навоза, прошедшего необходимую обработку с целью получения заданных удобрительных качеств.
В связи с вышеизложенным целью исследований является определение наиболее рациональных технологий утилизации отходов сельскохозяйственного производства с переработкой его в органические удобрения.
Задачи исследований:
- изучить все многообразие применяемых технологий подготовки навоза к использованию;
- провести анализ технологий на основе косвенных критериев;
- провести эколого-экономическую оценку существующих и перспективных технологий и определить технологии, наиболее рациональные для сельхозпредприятий.
Исследования проводили методами анализа и синтеза технологий удаления, обработки и использования сельскохозяйственных отходов, оценки технологий по косвенным и эколого-экономическим критериям.
Для выбора наиболее рациональных технологий переработки навоза провели анализ всех существующих технологий с точки зрения их эколого-экономической целесообразности и возможности промышленного производства машин и оборудования для обеспечения их реализации.
На основе изучения применяемых в сельском хозяйстве Ленинградской области, России и передовых стран Европы и Америки технологий для предварительного анализа были отобраны 22 технологии.
На первом этапе из всего многообразия технологий путем частичного отсева на основе основных критериев (влажность исходного навоза не более 93% и надежное обеззараживание) отобрали 9 перспективных технологий:
1. Технология ежедневного удаления подстилочного навоза и помета механическими средствами, смешивания с влагопоглащающи-ми материалами (торф), ферментации смеси путем двукратного перемешивания в летний период на площадках, хранения и внесения ком-постов в почву.
85
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
2. Технология ежедневного удаления навоза или помета механическими средствами, разделения на фракции, ферментации твердой фракции в биореакторах барабанного типа, хранения и внесения компоста в почву (рис. 2).
Рис. 2. Технологическая схема производства компостов в биореакторе барабанного типа (технология 2 и 3):
1 - емкость для твердой фракции навоза; 2 - транспортердозатор; 3 - дозаторы микродобавок;4 - транспортер-смеситель; 5 - биореактор; 6 - вентилятор; 7 - электрокалорифер; 8 - сепаратор; 9 - отгрузочный транспортер; 10 - буртоукладчик; 11 - площадка хранения удобрений; 12 - система очистки воздуха
3. Технология ежедневного удаления навоза или помета механическими средствами, разделения на фракции, добавки к твердой фракции ассоциации целлюлозолитических микроорганизмов АЦМ-У, разработанной в институте ВНИИСХМ (г. Санкт-Петербург), ферментации смеси в биореакторах барабанного типа, хранения компоста и внесения их в почву. Технология обеспечивает уменьшение сроков обработки исходного материала в 1,5 раза.
4. Технология ежедневного удаления подстилочного навоза и помета механическими средствами, смешивания с наполнителем (торф), ферментации смеси в биореакторах камерного типа, хранения и локального внесения их в почву (рис. 3).
5. Технология периодического или ежедневного удаления бесподстилочного навоза и помета, анаэробная обработка навоза в метан-тенках и использование газа в качестве котельного топлива и навоза в качестве удобрения (рис. 4).
86
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2012. Вып. 83.
Рис. 3. Камерный биоферментатор (технология 4):
1 - камера биоферментатора; 2 - рабочая смесь; 3 - ворота; 4 - вентилятор напорный; 5 - вентилятор вытяжной; 6 - система напорных воздуховодов; 7 - отверстия для замера температуры; 8 - штанга кислородомера; 9 - гибкий шланг; 10 - кислородомер
Рис. 4. Технологическая схема обработки навоза КРС методом метанового сбраживания (технологии 5, 6 и 7)
87
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
6. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, их интенсивное измельчение, анаэробная обработка навоза в смеси с растительными остатками (силос - 30%) в метантенках и использование в качестве котельного топлива и навоза в качестве удобрения.
7. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, интенсивное измельчение до молекулярного уровня и обработка смеси в анаэробных условиях в метантенках с использованием газа в качестве котельного топлива и навоза в качестве удобрения.
8. Технология периодического или ежедневного удаления навоза или помета, разделения на фракции, стерилизации жидкой фракции в установке активации биологических процессов (УАП), сушки и гранулирования твердой фракции, хранения и локального внесения их в почву (технология «БИОКЛАД»).
9. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, выпаривания влаги в условиях низкого давления (вакуум-сушка).
Для сравнения с вышепредставленными были выбраны традиционно применяемые технологии.
10. Технология разделения навоза на твердую и жидкую фракции техническими средствами, длительного хранения и внесения их в почву, как наиболее широко применяемые в настоящее время в подавляющем большинстве хозяйств России, но не полностью отвечающие экологическим требованиям.
11. Технология периодического или ежедневного удаления навоза и помета, биологического обеззараживания путем длительного хранения и внесения их в почву.
На 2-м этапе анализ этих технологий проводили по косвенным критериям:
- по количеству операций, ед.;
- по количеству технических средств, ед.;
- по длительности выполнения, сут.;
- по суммарным потерям питательных веществ группы
NPK, %;
- по степени обеззараживания, +/- .
Результаты анализа по этим критериям приведены в табл. 1
88
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2012. Вып. 83.
Таблица 1
Оценка технологий по косвенным критериям
№ и наименование технологий Оценка по локальным критериям
Количе- ство опера- ций, един. Количе- ство техники, един. Длитель ность выпол- нения, сут. Потери NPK, % Степень обеззараживания, +/-
1. Компостирование на площадке с двух кратным перемешиванием 16 13 30 15-20 +
2. Ферментация в биореакторе барабанного типа 16 17 3-5 5-10 +
3. Ферментация в биореакторе барабанного типа с использованием катализаторов 17 16 1-3 3-5 +
4. Ферментация в биореакторе камерного типа 18 16 7-10 5-10 +
5. Переработка в метантенках с получением биогаза 12 10 10-15 15-20 +
6. Переработка в метантенках в смеси с растительными остатками растениеводства 14 12 10-15 15-18 +
7. Переработка в метантенках с предварительным измельчением сырья до молекулярного уровня 16 14 1-2 3-5 +
8. Технология «Био-клад» 19 16 1-2 10-15 +
9. Вакум сушка 11 9 1-2 5-7 +
10 Разделение на твердую и жидкую фракции с последующим длительным хранением и внесением 18 12 180/90 До 50
11. Длительное хранение и внесение 6 4 180 30-40 -
89
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Анализ полученных результатов показывает, что наилучшими технологиями являются технологии 3 и 7, которые, хотя и имеют значительное количество операций и технических средств для их реализации, но имеют минимальную длительность выполнения, что позволяет первые два этапа утилизации навоза и помета реализовать в поточном режиме без промежуточного хранения сырья, превращая их в стабильный конечный продукт, не меняющий состава при последующем длительном хранении. Кроме того, они имеют незначительные потери биогенных веществ, сводя к минимуму негативное влияние на окружающую среду и максимально возвращая питательные вещества в природный оборот, частично извлекая энергию в виде биогаза.
Последние две технологии, несмотря на простоту реализации, имеют один существенный недостаток - низкую надежность обеззараживания и поэтому требуют незамедлительной замены.
В настоящее время активное использование индустриального подхода просматривается в отраслях животноводства и птицеводства, идущих по пути концентрации производства, строительства крупных ферм и комплексов, что снижает затраты на единицу продукции, но приводит к территориальному отрыву в производстве продукции растениеводства и ведет к накоплению отходов в виде непереработанного навоза и помета. В связи с этим эколого-экономическую оценку провели для крупных животноводческих предприятий: ферм КРС
на 1000 голов, и приравненных к ним по выходу навоза и помета свиноферм и птицефабрик.
Эколого-экономическая характеристика выбранных для расчетов технологий приведена в табл. 2
Повышение плодородия почвы получали за счет повышения общего сбора урожая, на примере картофеля, при применении высококачественных удобрений.
По технологиям 5, 6 и 7 дополнительно получено 481,1, 962,2 и 1925,5 тыс. м3 биогаза соответственно или в пересчете на природный газ 356,4, 712,8 и 1426,3 тыс. м3.
Себестоимость полученного газа составляет 16747,8, 38510 и 2879,3 руб. за 1000 м3 в пересчете на природный газ при государственной цене 3805,78 руб. за 1000 м3 природного газа.
90
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2012. Вып. 83.
Таблица 2
Характеристика технологий обработки и использования навоза на фермах КРС на 1000 голов
Показатели Технологии
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Объем обработки, т/сут. 100 10 15 20 60 78 60 16 60 60 60
Капитальные затраты, тыс. руб. 10655 10700 10950 13470 45503 59153,9 20020 25000 55000 25350 36250
Амортизационные отчисления, тыс. руб. 680 774,0 783,0 673,0 3376,3 4389,2 2484,0 2701 5500 2074 2100
Затраты электрической энергии, тыс. кВт-ч. 225,0 300,0 560,0 19,5 25,4 19,5 167,9 1728
Затраты топли-ва/тепло, т 105 180 210 210 1684 1684 842,2 3456 газ 40 40
Затраты труда, чел.-ч 9000 4000 6000 6000 6800 6800 5200 73000 14860 7200 8000
Объем расхода дополнительных материалов, т/год 3900 торф 3000 торф 6570 силос 8030 торф
Эксплуатационные затраты, тыс. руб. 3710 2310,0 3700 5633 5968,9 27446,3 4104,8 29200 23066 4010 4466
Выход удобрений, т/год 20800 36500 5475 7300 21350 27375 20075 7300 12700 15000/ 3000 18000
Площадь под внесение удобрений, га 438 365 545 545 534 684 502 545 2540 438 593
Себестоимость, руб./т 656 633,0 493,0 563 263,3 1002,6 204,5 4000 1815 178,2 294
Коэффициент экологической безопасности, Кэк.б 0,8 0,9 0,95 0,9 0,8 0,85 0,9 0,9 0,95 0,5 0,5
Себестоимость с учетом Кэк.е, руб./т 820 703,0 519,0 772,0 329,1 1179,5 227,2 4440 1910 356,4 588
Повышение плодородия почвы, тыс. руб. 14454 13510 21360 20230 20932 26813 19678 730 110490 6712 8470
Анализ эколого-экономической оценки рассмотренных технологий показывает, что все они имеют достаточно высокую экологическую безопасность, приемлемые экономические показатели, и могут применяться в сельскохозяйственном производстве. Однако техноло-
91
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
гии 3 и 7 (см. табл. 1), являясь наиболее перспективными, находятся в стадии разработки и до широкого применения должны пройти производственную проверку.
ВЫВОДЫ
1. По объему производства, уровню решения и скрытым резервам проблема утилизации сельскохозяйственных отходов является одной из национальных проблем России.
2. Из всего многообразия технологий утилизации сельскохозяйственных отходов только около десяти отвечают экологоэкономическим требованиям.
3. Наиболее рациональной технологией обработки навоза и помета в настоящий период является технология производства твердых органических удобрений методом биоферментации в биореакторах барабанного или камерного типа (технологии 2, 3 и 4).
4. Требуется дальнешее совершенствование технологий переработки навоза с целью сокращения сроков обработки и организации поточного производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Утонет ли Россия в навозе? Белышев А.С. -http://www.wiborwto.ru/t5/utonet.html
2. Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Reference
Document on Best Available Techniques for Intensive Rearing of Poultry and Pigs, July 2003,
http://eippcb.jrc.es/reference/BREF/irpp_bref_0703.pdf.
3. Агропромышленный комплекс России в 2010 году. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010.
4. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития: науч. ана-лит. обзор / С. Г. Митин [и др.]. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007 (М.). - 202 с. - ISBN 978-5-7367-0623-5.
92
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2012. Вып. 83.
A. V. AFANASYEV, Cand Sc (Engineering)
COMPARATIVE ECOLOGICAL AND ECONOMIC ASSESSMENT OF ANIMAL/POULTRY MANURE PROCESSING TECHNOLOGIES
The urgency of higher environmental soundness of farming is underlined. Specific technologies for animal/poultry manure treatment and application are offered. The outcomes of their ecological and economic assessment are presented.
УДК 631.333
ДА. МАКСИМОВ, канд. техн. наук;
АС. ОГЛУЗДИН, канд. биол. наук; Э.В. ВАСИЛЬЕВ
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СПОСОБА ВНЕСЕНИЯ ЖИДКОГО ОРГАНИЧЕСКОГО УДОБРЕНИЯ
Рассмотрено состояние парка машин для внесения органических удобрений в Северо-Западном Федеральном округе. Приведены основные результаты исследования поверхностного способа внесения жидкого органического удобрения.
Внедрение новых технологий в животноводстве позволило интенсифицировать отрасль, но при этом возросли объемы и концентрация навоза, создающие угрозу окружающей среде. Процесс утилизации навоза можно разделить на переработку, хранение, транспортировку и внесение. Особое внимание стоит уделять оценке способов внесения органических удобрений, оказывающих существенное влияние не только на экологическую безопасность, но и на эффективность сельскохозяйственного производства в целом. От снижения потерь навоза и лучшего использования его питательных веществ, прежде всего, зависит успешное ведение сельскохозяйственного производства.
По данным анкетирования, проведенным ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии в рамках проекта Балтазар (BALTAZAR), установлено, что основная доля образующегося в хозяйствах Северо-
93
