CC BY
11Аграрный вестник
Северного Кавказа
№ 2(50), 2023
Животное одство
УДК 631.22.018
DOI: 10.31279/222-9345-2023-13-50-45-51
GRJZEU
Дата поступления статьи в редакцию: 06.06.2023
Э. А. Хамитов Khamitov E. A.
СТРАТЕГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ НАВОЗНЫХ СТОКОВ СВИНОВОДЧЕСКИХ ХОЗЯЙСТВ С ПОМОЩЬЮ ДЕКАНТЕРНЫХ ЦЕНТРИФУГ
STRATEGY FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF UTILIZATION OF PIG FARM MANURE EFFLUENTS USING DECANTER CENTRIFUGES
Статья посвящена повышению эффектности утилизации навозных стоков и снижению эксплуатационных расходов за счет применения декантерных центрифуг со сплошной стенкой. Рентабельность животноводства, как и любого производства, обусловливается эффективностью каждого технологического этапа на предприятии. Кормление, ветеринарный контроль, содержание, утилизация стоков - все эти процессы важны и взаимосвязаны. Важно наладить и использовать самые современные процессы и подходы. Показана важность этапа утилизации стоков с технологической, финансовой и юридической точек зрения. Рассматривается процесс механической сепарации навозного стока на твердую и жидкую фракции. Эффективность данного технологического процесса оказывает большое влияние на экологичность производства и на бесперебойную работу всего предприятия. С технической точки зрения эффективность технического процесса это всегда конкретные параметры и показатели. В данном случае рассматриваются как основные концентрация твердой фазы в фильтрате после сепарации и влажность твердой фазы после обезвоживания. По этим показателям можно сделать вывод о технологической эффективности того или иного оборудования. Полная стоимость владения оборудованием определяется не только начальными инвестициями, но также и сопутствующими эксплуатационными расходами, такими, например, как сервис и запасные части. Автор рассматривает основные современные технические методы сепарации, на каких физических принципах они базируются, какие преимущества и недостатки имеют. Также рассматриваются технические сложности, которые могут возникнуть при выборе тех или иных вариантов. Автор предлагает алгоритм выбора оборудования с учетом особенностей данного сегмента рынка производителей. Предложены практические решения, позволяющие минимизировать технические сложности, возникающие при эксплуатации очистных сооружений на свинофермах. Автор полагает, что при использовании декантера для сепарации навоза будет получен самый высокий коэффициент задержания, высокая надежность, высокая автоматизация и безопасность процесса. В комплексе это даст предприятию стабильно и предсказуемо эксплуатировать очистные сооружения, иметь прогнозируемые расходы в долгосрочной перспективе и утилизировать навоз с экономической выгодой.
Ключевые слова: декантер, сепарация, осадки сточных вод, навоз, жидкий свиной навоз, дефекат, удобрения, пресс, фильтрование.
The article is devoted to increasing the efficiency of manure disposal and reducing operating costs through the use of solid-wall decanter centrifuges. The profitability of animal husbandry, like any production, is determined by the efficiency of each technological stage at the enterprise. Feeding, veterinary control, maintenance, waste disposal, all these processes are important and interrelated. It is important to establish and use the most modern processes and approaches. The article shows the importance of the waste disposal stage, from a technological, financial, and legal point of view. This article discusses the process of mechanical separation of manure runoff into solid and liquid fractions. The efficiency of this technological process has a great impact on the environmental friendliness of production and on the smooth operation of the entire enterprise. From a technical point of view, the effectiveness of a technical process is always specific parameters and indicators. In this case, the concentration of the solid phase in the filtrate after separation and the moisture content of the solid phase after dehydration are considered as the main ones. According to these indicators, one can draw a conclusion about the technological efficiency of this or that equipment. The total cost of ownership of equipment is determined not only by the initial investment, but also by the associated operating costs, such as service and spare parts. The author considers the main modern technical methods of separation, what physical principles they are based on, what advantages and disadvantages they have. It also considers what technical difficulties may arise when choosing one or another option. The author proposes an algorithm for selecting equipment, taking into account the characteristics of this segment of the manufacturer's market. Practical solutions are proposed to minimize the technical difficulties that arise during the operation of treatment facilities at pig farms. The author believes that using a decanter for manure separation, the highest retention rate, high reliability, high automation and process safety will be obtained. Together, this will not allow the company to operate the treatment plant in a stable and predictable way, to have predictable costs in the long term, and to dispose of manure with economic benefit.
Key words: decanter, separation, sewage sludge, manure, liquid pig manure, defecate, fertilizers, press, filtration.
Хамитов Эдуард Асгатович -
ведущий инженер по применению ООО «ГЕА Рефрижерейшн Рус» Тел.: 8-901-905-47-14 г. Москва
E-mail: [email protected]
Khamitov Eduard Asgatovich -
lead application engineer LLC «GEA Refrigeration Rus» Tel.: 8-901-905-47-14 Moscow
E-mail: [email protected]
Мировая тенденция на ужесточение требований к экологичности производства не обошла стороной сельское хозяйство и животноводство.
Навоз отнесен к III классу опасности (свиной, птичий). Соответственно имеется необходимость в его утилизации, обеззараживании и переработке в органические удобрения [1].
Ькеква/этальный - ГрарНЫй ВеСТНИК
научно-практический /^Ъ „г г
журнал ГШ СеВерНОГО Кавка3а
Все животноводческие хозяйства обязаны обеспечить утилизацию навоза. Технологическая линия по утилизации навоза должна быть рассчитана и согласована с соответствующими инстанциями (Россельхознадзор, Роспри-роднадзор и т. д.) на этапах проектирования, строительства и реконструкции. Несоблюдение данных требований может привести к высоким штрафам и задержкам в реализации проектов.
Процесс обращения и утилизации навозных стоков регламентируется такими документами, как РД-АПК (методические рекомендации по технологическому проектированию ветеринарных объектов для животноводческих, звероводческих, птицеводческих предприятий и крестьянских (фермерских) хозяйств), РД-АПК 1.10.15.02-17 (методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта), санитарные правила к генеральным
планам ферм (СП 19.13330.2011), а также «Санитарные и ветеринарные правила для молочных ферм колхозов, совхозов и подсобных хозяйств» от 1986 года. В данной статье не будут рассматриваться технологии получения метана или другой биологической обработки/очистки навозных стоков, так как в любом случае конечным или основным процессом будет процесс разделения на фракции. Также не будет рассматриваться технология очистки жидкой фазы для сброса в водоемы, так как в России одни их самых строгих требований к воде после очистки и экономически невыгодно иметь подобные очистные сооружения.
На животноводческих комплексах обычно применяют гидравлические системы удаления навоза - так называемый гидросмыв. При использовании гидросмывной системы происходит увеличение объема навоза до пяти раз. При этом влажность навоза составляет порядка 96-98 % [2].
Таблица - Содержание питательных веществ в свином навозе, % (по данным ВИУА)
Показатель Сухое вещество Азот общий Азот аммиачный Фосфор Р2О5 Калий К2О
Жидкий навоз 1,4-5,4 0,16-0,24 0,06-0,13 0,03-0,16 0,08-0,14
Осадок 13,0-26,0 0,30-0,47 0,04-0,11 0,13-0,16 0,09-0,15
Жидкая фракция 1,0-1,8 0,07-0,17 0,05-0,06 0,07-0,09 0,06-0,07
В таблице приводятся данные по содержанию питательных веществ в свином навозе и в жидкой и твердой фракциях.
Исследованиями гранулометрического состава жидкой фракции свиного навоза с помощью набора сит установлено, что в нем содержится 97 % частиц размером 0,375 мм и менее, в том числе 82 % частиц размером 0,125 мм и меньше. Отделение твердой фазы из фильтрата осуществляется его гравитационным отстаиванием [3].
Разделение на фракции определяется как процесс сепарации, и существует три технологических решения:
1. Гравитационное разделение.
2. Фильтровальное разделение.
3. Центробежное разделение.
Каждое из вышеупомянутых решений отличается по стоимости и эффективности.
Рассмотрим поподробнее каждую технологию.
Гравитационное разделение. Данная технология представляет собой несколько горизонтальных отстойников, так называемых лагун. Навозные стоки после предварительной механической очистки от крупных включений попадают в буферную емкость и далее с помощью фекальных насосов перекачиваются в лагуны. По мере заполнения лагун навозными стоками происходит гравитационное расслаивание (седиментация) - более тяжелые твердые фракции осаждаются на дно. Осветленная жидкая фракция перекачивается в следующую лагуну
для повторения процесса седиментации. После заполнения твердой фракции первой лагуны (влажность до 85-90 %) ее необходимо опустошить и твердую фракцию вывести на поле в виде удобрений. Жидкая часть также вносится на поля какудобрение.
Использование горизонтальных отстойников характеризуется: низкой степенью разделения, высокой влажностью осадка, низкой скоростью разделения, высокой стоимостью строительства, трудоемкостью процесса промывки дренажной системы; необходимостью больших площадей под строительство, периодичностью работы, необходимостью присутствия человека, возможностью разделения навоза только с гидравлической крупностью частиц 0,5-0,1 мм/с, отсутствием обеззараживания твердой фракции и потерями до 30 % азота и органического вещества.
Экономически это самый доступный вариант, но временные затраты очень высоки и эффективность такой технологии минимальная. Осадок в лагуне достаточно сложно технически извлекать и транспортировать на поля. Процесс брожения навозных стоков в лагунах протекает непрерывно с выделением как неприятных, так и токсичных газов и может вызвать недовольство местного населения и последующие проверки надзорных органов.
Фильтровальное разделение. Данная технология базируется на применении фильтровального оборудования - процесс отделения твердых веществ от жидкости происходит при разности
давлений перед фильтрующей средой и за ней. Для обезвоживания (сепарации) навозных стоков с помощью этой технологии обычно используют различные вибросита, вакуум-фильтры и фильтр-прессы. Самое распространенное на данный момент фильтровальное оборудование -это шнековые прессы (дегидраторы).
В общих чертах технологическая схема сепарации с помощью шнекового пресса состоит из следующих элементов - буферная/гомогенизирующая емкость с мешалкой и фекальным насосом, в которую подаются навозные стоки
из помещений с животными, собственно сам шнековый пресс, горизонтальные отстойники, для выдержки жидкой фракции, и площадка с твердым покрытием для хранения и компостирования твердой фракции.
Шнековый пресс представляет собой механическую конструкцию, в которой разделение и последующий отжим (прессование) твердой фракции производится при помощи шнека и сита, что позволяет выдавливать не только всю свободную жидкость, но и часть связанной влаги из твердых составляющих (рис. 1).
Зона сгущения Рисунок 1 - Эскиз шнекового пресса в разрезе
Навозные стоки из буферной емкости, оснащенной мешалкой, подаются на шнековый сепаратор с помощью фекального насоса, обычно центробежного. Жидкая и твердая фазы разделяются в прессе при помощи сита и шнека. Жидкая фаза перекачивается в карантирую-щие лагуны для выдерживания согласно регламентирующих документов [4]. Твердая фракция транспортируется на площадку с твердым покрытием, где буртуется и проходит процесс компостирования и обеззараживания. Во время хранения твердой фракции на площадке необходимо контролировать ее температуру, так как биологические процессы приводят к ее росту. Возможно самовозгорание буртов и потеря питательной ценности твердой фракции как удобрения.
Работа шнекового пресса характеризуется достаточно низкой влажностью твердой фракции на выходе, низким потреблением электроэнергии, но низким коэффициентом задержания (определяется проходным сечением сита). Взвешенные частицы, имеющие размер менее размера ячейки/просвета сита, уходят в жидкую фазу.
Низкий коэффициент задержания приводит к достаточно быстрому заиливанию карантиру-ющих лагун и отводящих трубопроводов и потере ими полезной емкости. Это в свою очередь требует трудоемкой очистки лагун с помощью средств механизации. Из-за этого можно использовать только лагуны с твердым покрытием, требующие высоких капитальных вложений при строительстве.
В течение года обычно приходится производить техническое обслуживание шнекового пресса по замене сита (собственно фильтровальный элемент) и шнека.
Достоинством данной технологии является сравнительно низкое удельное энергопотребление, большое количество производителей, в том числе отечественных, и низкие требования к квалификации персонала.
К недостаткам можно отнести низкий коэффициент задержания при сепарации и, как следствие, повышенные требования к хранилищу жидкой фазы и необходимости его очищать. Большее содержание взвешенных частиц в фильтрате также приведет к более активному процессу биологического брожения. То же самое относится к отводящим трубопроводам -заиливание периодически требует очистки и обслуживания, иногда очистка трубопроводов становится очень дорогой и ресурсоёмкой процедурой. Также к недостаткам данной технологии относится невозможность автоматизации и контроля рабочих параметров.
Центробежное разделение. Центробежной сепарацией называют процессы разделения разнородных фаз в центрифугах, в основе которых лежит процесс разделения под действием центробежных сил и разницы плотностей фаз.
Так как данная технология базируется на использовании центробежной силы, то минимальный размер твердых частиц, поддающихся отделению, доходит до 5 мкм. Этим объясняется высокий коэффициент задержания.
При сепарации навоза не применяется раствор флокулянта, так как это усложнит процесс внесения в почву фракций в виде удобрения. Использование флокулянта может кратно увеличить коэффициент задержания, но требует подбора соответствующей марки реагента.
Разделение навозных стоков происходит в цилиндрическом горизонтальном барабане
ВкеквариальныИ ■ ГрарНЫй ВеСТНИК
научно-практический /^Ъ „г г
журнал I Ж СеВеРНОГО Кавказа
центрифуги, дополнительно оснащенном шне-ковым транспортером (рис. 2). Навозные стоки подаются внутрь устройства через подающую трубу внутрь полого шнека в приемную камеру. Под воздействием центробежных сил твердые частицы осадка оседают на стенках барабана и после перемещаются в его коническую часть с помощью шнека, где происходит обезвоживание и выгрузка в шахту для обезвоженной твер-
дой фазы. Жидкая очищенная фаза перетекает в противоположную сторону и свободно перетекает в выгружную шахту и перекачивается в лагуны.
Технологическая линия практически не отличается от предыдущего фильтровального разделения, но сама сепарация производится с помощью декантерной центрифуги со сплошной стенкой (рис. 3).
Рисунок 2 - Эскиз декантера в разрезе:
1 - подающая труба; 2 - камера приемная; 3 - барабан со сплошной стенкой; 4 - шнек; 5 - зона осаждения; 6 - выгружные окна твердой фазы; 7 - выгружные окна жидкой фазы; 8 - шахта выгрузки жидкой фазы;
9 - шахта выгрузки твердой фазы
Жидкая фаза после сепарации отводится самотеком.
Твердая фаза транспортируется из помещения, где установлен декантер, на площадку хранения обычно с помощью шнекового транспортера. Использование декантерной центрифуги для сепарации навоза обладает сравнительно большей удельной энергоемкостью по сравнению с ранее описанными методами. Требует обучения операторов.
Использование декантер-ной центрифуги отлично зарекомендовало себя во многих свиноводческих хозяйствах и показало свою экономическую целесообразность.
Поэтому еще на этапе проектирования необходимо получить предложения от производителей декантерных центрифуг на запланированный суточный объем навозных стоков.
С поставщиком обязательно согласовать комплектацию шкафом управления в герметичном исполнении, так как выделяемый при брожении навоза сероводород является крайне коррозионным газом и очень быстро выводит из строя незащищенные медные проводники и электронные модули.
Рисунок 3 - Технологическая схема сепарации навоза
На рисунке 3 изображена принципиальная упрощенная схема технологической линии по разделению навоза на фракции с помощью де-кантерной центрифуги.
После выбора поставщика необходимо с проектантом согласовать возможность доступа к узлам и элементам линии отведения жидкой фазы для обслуживания. Со временем в линиях отведения жидкой фазы будет происходить кристаллизация минерала струвита (фосфат магния аммония - фосфатный минерал с формулой: NH4MgPO4■6H2O) [5]. Неконтролируемый рост минерала может привести к невозможности управлять элементами гидравлической системы и значительно снизить пропускную возможность трубопроводов вплоть до полной блокировки просвета и невозможности дальнейшей эксплуатации.
Де факто подающие насосы для декантеров используют эксцентриковые одновинтовые. Они максимально надежны при перекачивании абразивных сред с высоким содержанием твердой фазы. При проектировании обязательно согласовать с проектантом расположение подающего насоса (винтового) в приямке у буферной емкости. Данное расположение в умеренных и холодных зонах исключит обмерзание насоса в зимнее время и невозможность нормального пуска. В теплых регионах достаточно использование полупогружного насоса с использованием подъемного механизма для сервисного обслуживания. В случае невозможности расположения в приямке насос (полупогружной винтовой) должен быть накрыт термическим кожухом для защиты от обмерзания.
Процесс компостирования твердой фазы на бетонной площадке требует обязательного регулярного контроля температуры или систематическое ворошение, чтобы исключить самовозгорание и потерю питательной ценности как удобрения. Поэтому необходимо периодическое ворошение с помощью фронтального погрузчика или иного подходящего механизма.
После карантизации жидкая фаза вносится на поля внутрипочвенным способом. Данный метод снижает неприятные запахи на полях после внесения и увеличивает плодородность.
Ввиду высокого коэффициента задержания более 60 % твердых включений (сухих веществ) улавливаются и уходят в твердую фазу.
На рисунке 4 показан внешний вид свиного навоза до сепарации, обезвоженная фаза и жидкая фаза.
Лабораторные исследования продуктов разделения также показали, что минеральные растворенные вещества при центробежном разделении переходят в твердую фазу.
Высокий коэффициент задержания значительно снижает процессы сбраживания и соответственно выделение аммиака и сероводорода при карантизации твердой и жидкой фаз. Выделение неприятных запахов при использовании данной технологии намного меньше по сравнению с остальными методами.
Рисунок 4 - Исходный навоз, твердая и жидкая фазы после сепарации
Низкая влажность твердой фазы позволяет значительно облегчить и сократить процесс компостирования и дальнейшего использования в виде удобрения.
На рисунке 5 изображено показание влажности навоза до сепарации (измерено с помощью прибора Sartorius МА45).
Рисунок 5 - Исходная влажность навоза перед сепарацией
На рисунке 6 изображены пробирки после трех минут центрифугирования в лабораторной центрифуге для определения объемного процентного содержания сухих веществ (СВ) в исходном навозе (правая пробирка 10 % СВ по объему) и в фугате после сепарации (левая пробирка 4 % СВ по объему). Из этого следует, что коэффициент задержания составляет порядка 60 % без применения флокулянта.
Фугат (жидкая фаза) после сепарации хранится в пленочных лагунах (рис. 6) [6]. Накопители такого типа представляют собой котлован, откосы и дно которого покрывают мембранным полотнищем. Строительство таких лагун стоит в два с половиной раза дешевле, чем прочие конструкции хранилищ. Пленочные хранили-
В^еква/зтапычьм — грарНЫй ВвСТНИК
научно-практический /Ж * г
журнал _ ГШ СевеР...... Кавказа
ща служат долго, при необходимости их можно легко отремонтировать. Высокий коэффициент задержания декантерных центрифуг позволяет использовать пленочные лагуны, так как осадок, появляющийся со временем, достаточно легко размывается и удаляется. Необходимость в очистке лагун с помощью механизации отпадает. Использование пленочных лагун значительно снижает вложения в капитальное строительство и соответственно общие затраты при строительстве ферм.
Рисунок 6 - Объемное содержание твердой фазы на выходе и входе декантера
Рисунок 7 - Пленочная лагуна
При строительстве подобных лагун необходимо тщательно контролировать сварку швов мембран, так как негерметичность шва приводит к утечкам жидкой фазы под мембрану и вспучиванию мембраны под воздействием выделяемых от брожения газов.
Потребность декантерных центрифуг в сервисном обслуживании и запасных частях минимальна. Обычно это от одного раза в год до одного раза в пять лет, в зависимости от производителя. Из запасных частей обычно производится только замена подшипников барабана и шнека.
Преимущество данной технологии в полной автоматизации процесса и, следовательно, повышении надежности всей технологической линии в целом.
Ввиду интеллектуальной автоматической системы контроля и управления качество обезвоживания практически постоянно.
Соблюдение вышеперечисленных рекомендаций значительно упростит пусконаладку, сократит время вынужденных простоев и время на введение объекта в эксплуатацию.
Использование данной технологии отлично зарекомендовало себя на более чем тридцати свинокомплексах в Курской и Тверской областях. Изначально предприятия использовали для сепарации навоза шнековые прессы, но в течение пяти лет полная стоимость владения шнековым прессом оказалась выше, чем закупка и эксплуатация декантерной центрифуги. Первоначальные вложения в установку сепарации навоза на базе декантера несколько выше по сравнению со шнековым прессом, но расходы на обслуживание самого пресса и мембранных лагун превышают аналогичные расходы при владении декантером. Отказы в работе декантера обычно носят характер постепенных и поэтому легко прогнозируются и диагностируются. Вследствие этого сервисное обслуживание оборудования планируется заранее, минимизируется время простоя оборудования и соответственно минимизируется аварийная работа всего предприятия в целом.
Литература
1. Методические рекомендации по технологическому проектированию ветеринарных объектов для животноводческих, звероводческих, птицеводческих предприятий и крестьянских (фермерских) хозяйств. РД-АПК 1.10.07.01-12. М., 2012. 105 с.
2. Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта, РД-АПК 1.10.15.02-17. М., 2017. 166 с.
3. Ковалёв Н. Г., Глазков И. К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М. : Агропромиздат, 1989. 160 с.
4. ГОСТ Р 53117-2008. Удобрения органические на основе отходов животноводства :
References
1. Methodological recommendations on the technological design of veterinary facilities for livestock, animal husbandry, poultry enterprises and peasant (farm) farms. RD-APK 1.10.07.01-12. M., 2012. 105 p.
2. Methodological recommendations on the technological design of systems for the removal and preparation for the use of manure and manure, RD-APK 1.10.15.02-17. M., 2017. 166 p.
3. Kovalev N. G., Glazkov I. K. Design of manure disposal systems at complexes. M. : Agropromizdat, 1989. 160 p.
4. GOST R 53117-2008. Organic fertilizers based on animal husbandry waste : national Standard of the Russian Federation : official
национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 декабря 2008 г. № 537-ст. М., 2009. 12 с.
5. Абдрахманов Р. Ф. Образование минерала струвит в трубах при транспортировке стоков // Геологический сборник. Информационные материалы. VI. Гидрогеология, геоэкология. 2009. № 8. С. 245-247.
6. Афанасьев В. Н. Обоснование и разработка технологий и технических средств для производства экологически безопасных, биологически активных удобрений на основе отходов животноводства и птицеводства. СПб., 2000. 97 с.
publication : approved and put into effect by Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated December 18, 2008 № 537-art. M., 2009. 12 p.
5. Abdrakhmanov R. F. Formation of the mineral struvite in pipes during the transportation of effluents // Geological collection. Information materials. VI. Hydrogeology, geoecology. 2009. № 8. P. 245-247.
6. Afanasyev V. N. Substantiation and development of technologies and technical means for the production of environmentally safe, biologically active fertilizers based on animal husbandry and poultry waste. SPb., 2000. 97 p.
