CC BY
27
УДК 631.22.018
СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ МЕХАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ УБОРКИ И ПОДГОТОВКИ НАВОЗА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
П.И. Гриднев, доктор технических наук, зам. директора
Т.Т. Гриднева, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства
E-mail: [email protected]
Аннотация. Рассмотрен вопрос повышения эффективности использования машин и технологий для механизации процессов уборки навоза из производственных помещений и подготовки его к использованию. Определена основная причина неэффективности применяемых технологий, заключающаяся в неправильном подходе к выбору возможных технологических и технических решений, не учитывающих такие важные моменты как природно-климатические особенности зон расположения животноводческих предприятий, имеющиеся ресурсы, наличие в необходимом количестве пахотных площадей для утилизации навоза. Выполнен подробный анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации систем переработки органических отходов в анаэробных условиях, сделаны выводы, позволяющие новым проектам наилучшим образом вписаться в социально-экономическую и экологическую среду района постройки. Рекомендованы технологии для утилизации навоза в условиях низкого и высокого уровня стояния грунтовых вод. Рассмотрены технологии уборки и подготовки навоза к использованию для всего размерного ряда предприятий по производству молока, говядины и свинины. Представлена технологическая потребность сельского хозяйства страны в основных технических средствах для уборки и подготовки навоза к использованию. Ключевые слова: технологии уборки и подготовки навоза к использованию, машины и оборудование для удаления и переработки навоза.
Введение. Во всем мире эффективность производства продукции животноводства в значительной мере зависит от применяемых технологий уборки и подготовки навоза к использованию. В настоящее время с ростом требований по защите окружающей среды от загрязнения отходами производства это влияние усиливается, а в исключительных случаях становится определяющим и приводит к закрытию действующих предприятий [1].
Методология и результаты анализа. Отечественными учеными создан целый ряд машин и оборудования для механизации процессов уборки и подготовки навоза к использованию, машиностроителями освоено их производство. Однако применение их в производстве не всегда оказывается эффективным. Основная причина кроется в том, что зачастую неправильно подходят к выбору возможных технологических и технических решений, не учитываются такие важные моменты, как природно-климатические особенности зон расположения животноводческих предприятий, имеющиеся ресурсы, на-
личие в необходимом количестве площадей пашни для утилизации навоза и т.д. Кроме того, в существующей практике проектирования систем уборки и подготовки навоза к использованию не учитывается влияние применяемых технологий на изменение плодородия почв. Это - одна из причин повсеместного резкого снижения содержания гумуса в почвах России [2].
Учитывая вышеизложенное требование необходимости учета зональных особенностей для выбранной технологии на стадии проектирования объекта, основное требование к системам уборки навоза формулируется следующим образом: получить на выходе с животноводческого предприятия навоз с минимально возможной влажностью, т.е. максимально сократить попадание воды в экскременты животных.
Не менее важным моментом является использование подстилки при содержании животных с одновременным внесением компонентов, предотвращающих выделение вредных газов из навоза. Внесение подстилки по-
зволяет повысить концентрацию сухого вещества в навозе и создать более благоприятные условия по параметрам микроклимата в животноводческих помещениях. В качестве подстилки традиционно рекомендуется использовать солому в измельченном виде, опилки, торф, твердую фракцию навоза, прошедшую специальную подготовку (при условии дополнительного обоснования экономической целесообразности). Таким образом, можно констатировать, что в регионах, обеспеченных ресурсами влагопоглощаю-щих материалов, на всех типах животноводческих предприятий надо шире применять технологии содержания животных на подстилке, в том числе и на глубокой подстилке.
Уборка из помещений подстилочного навоза может осуществляться стационарными транспортерами, скреперными установками или мобильными агрегатами. Мобильные агрегаты для уборки подстилочного навоза чаще всего используются на предприятиях при беспривязном содержании животных и содержании на глубокой подстилке. Подобные технологии необходимо применять в регионах с высоким стоянием грунтовых вод, пересеченным рельефом местности, легкими типами почв, допускающими фильтрацию жидкой фракции навоза в грунтовые воды.
В регионах с низким стоянием грунтовых вод и плохо промывными почвами допускается использование подготовленного полужидкого или жидкого навоза (карантиниро-вание, длительная выдержка, аэробная ферментация) для поверхностного внесения под запашку или в системах орошения после соответствующего разбавления его технической водой. В системах орошения рекомендуется использовать и жидкую часть после разделения исходного навоза на фракции. Таким образом, уборку бесподстилочного навоза целесообразнее осуществлять стационарными техническими средствами или мобильными агрегатами. Чаще всего эти решения применяются на предприятиях по производству молока, выращиванию нетелей, откорму КРС, на племенных репродукторных свинофермах. На остальных типах свиноводческих ферм допускается применение гид-
равлических систем уборки навоза с минимальным разбавлением экскрементов животных технической водой.
В регионах с минимальной температурой до -15оС, влажностью исходного навоза не ниже 92% и возможностью его круглогодичного использования в качестве удобрения допустимо применение технологии анаэробного сбраживания. При этом следует отметить, что решение проблемы экологической безопасности производства продукции животноводства возможно только при одном непременном условии - каждое предприятие должно быть обеспечено в необходимом объеме площадями для утилизации навоза в виде органических удобрений.
Отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что с целью интенсификации процесса распада беззольного вещества в камере сбраживания необходимо обеспечить равномерное температурное поле и сохранение концентрации анаэробных бактерий, исключить возможность расслоения сбраживаемой массы и резких колебаний давления. Для повышения выхода биологического газа к навозу нередко добавляют другие компоненты в виде зерна, жома, силоса, боенских отходов и т.д. [3-5].
К сожалению, по литературным данным невозможно объективно оценить изменение стоимости применяемого при этом технологического оборудования и качества получаемого органического удобрения. В качестве примера выполнен расчет теплоэнергетических показателей биоэнергетической установки применительно к свиноводческому комплексу на 34 тыс. свиней Байцуры в Белгородской области (таблица 1). Технология и оборудование поставлены фирмой «Маха» (Германия).
Расход теплоты на осуществление процесса переработки органических отходов в анаэробных условиях при термофильном режиме с учетом КПД нагревательных установок и потерь в окружающую среду, соответственно изменяющихся от 0,8 до 0,5% и от 5 до 20%, составит в суммарном эквиваленте от 5,5 до 16,7 МВт-ч. Расчеты показывают, что устойчивое производство товарно-
го биогаза возможно только при условии достижения степени распада беззольного вещества более 25%, в противном случае энергии может не хватить даже для осуществления процесса. Из общего выхода биогаза в качестве товарного может быть использовано в среднем по году не более 40% или 6,27 Гкал. При КПД генерирующих установок 0,7 возможная выработка электроэнергии составит до 5,1 МВт.ч. Из этого количества электроэнергии примерно 1,0 МВт.ч будет использован на собственные нужды (приводы насосов, измельчителя, перемешивающих устройств и т.д.).
На реализацию остается 4,1 МВт.ч, и годовой выход товарной электроэнергии составит 1490,1 МВт.ч. При стоимости строительной части в 150 млн руб. и технологического оборудования на уровне 50% от нее, ежегодные эксплуатационные затраты, включая амортизационные отчисления, зарплату обслуживающего персонала, содержание лаборатории, приобретение материалов и т.д., составят не менее 54 млн руб. Если все эти затраты отнести на товарную электроэнергию, то ее себестоимость составит 36,2 руб/кВт.ч, что достаточно хорошо коррелируется с результатами исследований ученых Дании [6].
2) - степень распада беззольного вещества 20-40%;
3) - теплотворная способность от 10,45 до 20,9 Гкал
Анализ выполненных расчетов, отечественного и зарубежного опыта эксплуатации систем переработки органических отходов в анаэробных условиях позволяет сделать следующие выводы: применительно к условиям сельскохозяйственного производства основным сырьем для его переработки может быть навоз животных; собственник технологии переработки органических отходов в анаэробных условиях должен быть владельцем животноводческого предприятия, к условиям которого приспособлена данная технология; предприятию необходимо иметь земельные угодья для утилизации сброженного навоза [3,4].
При привязке проекта переработки органических отходов в анаэробных условиях необходим строгий контроль: кислотности перерабатываемой смеси при добавлении свекловичного жома и кукурузного силоса в качестве дополнительного сырья; объема перерабатываемого сырья, стабильности сбыта произведенных удобрений; максимально полного использования побочных продуктов деятельности биогазовой установки (теплоты, электроэнергии, углекислого газа); за удобством расположения установки относительно источников сырья и мест утилизации готовой продукции. Только в этом случае проект наилучшим образом впишется в социально-экономическую и экологическую среду района, избежит участи объектов, построенных в Струнино Владимирской обл. и Ореховым в Белгороде. Эти проекты не могут выйти на проектные показатели, в основном, из-за нерешенности вопроса утилизации производимых органических удобрений.
Инвестиции в биогазовые установки относятся к долгосрочным капиталовложениям. Во всем мире строительство их осуществляется с использованием государственных дотаций в размере до 50% от сметной стоимости. Использование биологического газа для производственных целей возможно только после предварительной очистки его до состава, близкого к природному. Приемлемая рентабельность данного процесса достигается лишь при производительности установок более 250 м3/ч биологического газа.
Таблица 1. Расчет теплоэнергетических показателей биоэнергетической установки _свиноводческого комплекса_
Наименование показателей Значение показателей
Суточная доза загрузки, т: навоза1-1 силоса 100 20
Содержание беззольного вещества в суточной дозе загрузки, кг 9500
Суточный выход биогаза, м3 1900-3800
Энергоемкость суточного выхода биогаза2), кВт.ч 12151-24302
Расход энергии на осуществление процесса3-, кВт.ч 5494-16744
Теоретически возможный объем выработки электроэнергии, кВт.ч 7108
Годовые эксплуатационные затраты, млн руб. 54
Себестоимость производства электроэнергии, руб/ кВт.ч 36,2
1) - влажность навоза 94%;
Недостатком подавляющего большинства эксплуатируемых биогазовых установок различного типа является то, что у них поддержание заданного температурного режима обеспечивается за счет высокого расхода высоколиквидных видов топлива. Основная причина этого кроется в отсутствии систем утилизации теплоты сброженного материала и низкого КПД систем нагрева исходного материала. Кроме того, для условий России в зимние периоды года увеличиваются потери теплоты в окружающую среду через ограждающие поверхности камер сбраживания, усложняется работа систем транспортирования исходного и сброженного материалов.
В соответствии со Стратегией машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства на период до 2020 г., доктриной продовольственной безопасности страны в 2020 г. поголовье коров в сельхозорганизациях прогнозируется на уровне 6,3 млн гол., из них 4,1 млн гол. будут содержаться на привязи, 1,6 млн гол. - на беспривязном и 0,6 млн гол. - на комбинированном содержании. В коллективных и фермерских хозяйствах прогнозируется поголовье коров на уровне 1,2 млн гол., половина из которых будет содержаться на привязи, а вторая - на беспривязном содержании.
При привязном и комбинированном содержании коров (5,3 млн гол.) уборку навоза целесообразно производить стационарными техническими средствами (шнеки, штанговые транспортеры, транспортеры типа ТСН). При этом допускается использование косметической подстилки в виде опилок, торфа, измельченной соломы из расчета 2 кг на голову в сутки. Годовой выход навоза влажностью около 92% составит 110 млн т. Подготовку его к использованию целесообразно осуществлять методом компостирования, допускается применение анаэробного сбраживания и биотермической стабилизации.
При беспривязном содержании коров примерно 300 тыс. голов будут на глубокой подстилке. Годовой выход навоза влажностью 70-75% составит около 7,7 млн т, в нем интенсивно развивается биотермический процесс, за счет чего достигается получение
высококачественных удобрений. Уборка подстилочного навоза из помещений осуществляется мобильными техническими средствами. Остальные 1,9 млн гол. будут содержаться без использования подстилки или с косметической подстилкой из расчета 1 кг в сутки на голову. Годовой выход навоза влажностью около 92% составит 39 млн т. Уборку навоза при этой технологии целесообразно производить скреперными установками, допускается применение мобильных технических средств. Подготовку к использованию навоза рекомендуется осуществлять по технологиям компостирования, биотермической стабилизации, механического разделения на фракции, анаэробного сбраживания.
Поголовье крупного рогатого скота на выращивании и откорме в сельхозорганиза-циях по прогнозу составит около 10 млн гол. Из них около 1 млн гол. будет содержаться на глубокой подстилке с образованием навоза влажностью 70-75%. Из помещений навоз убирается мобильными агрегатами, годовой выход его составит примерно 14 млн т. Дальнейшая подготовка его к использованию сводится к выдержке в течение определенного периода для биотермического созревания. Пять миллионов голов КРС будут содержаться без привязи с уборкой навоза скреперными установками, четыре миллиона - на привязи с уборкой навоза шнековыми или штанговыми транспортерами. Допускается использование транспортеров типа ТСН-160. От этого поголовья КРС в год будет получаться примерно 76 млн т навоза влажностью 92-94%. Подготовку к использованию данного типа навоза рекомендуется осуществлять методами компостирования, биотермической стабилизации, механического разделения навоза на фракции, анаэробного сбраживания.
Поголовье свиней в сельхозорганизациях на 2020 г. прогнозируется на уровне 18 млн гол., из них примерно 30% будет содержаться на крупных свиноводческих комплексах, 40% - на фермах 3,0-24,0 тыс. гол., 15% - в фермерских хозяйствах. На крупных свиноводческих комплексах и в 70% предприятий размером 3,0-24,0 тыс. гол. животные будут содержаться на решетчатых полах с гидрав-
лическими системами уборки навоза влажностью примерно 96%. Годовой объем навоза составит 33,5 млн т. Подготовку его к использованию рекомендуется осуществлять на основе механического разделения на фракции. В особых случаях, при отсутствии возможности использования его в системах орошения, допускается применение биологической очистки жидкого навоза. Поголовье примерно в 4,4 млн голов будет содержаться при механических системах уборки навоза с использованием шнековых и штанговых транспортеров, транспортеров типа ТСН. В этих технологиях предусматривается применение косметической подстилки. Годовой выход навоза влажностью 90-92% составит примерно 9,6 млн т. Готовить его к использованию рекомендуется методами компостирования, биотермической стабилизации, анаэробным сбраживанием. Четыреста тысяч голов свиней будут содержаться на глубокой подстилке с образованием навоза влажностью примерно 70-75% в объеме 2,5 млн т в год. Уборка навоза из помещений будет осуществляться мобильными агрегатами, подготовка к использованию сведется к хранению на полевых площадках до внесения.
Во всех рассмотренных случаях при содержании животных на глубокой подстилке доставка ее в животноводческие помещения осуществляется мобильными техническими средствами, распределение по поверхности помещения - вручную. Ручной труд, как правило, используется на внесении обновляемой и косметической подстилки. При отсутствии в помещении животных допускается механизированный способ внесения подстилки в стойло из кормовых проходов, в т.ч. с одновременным измельчением соломы.
Производство компостных смесей осуществляют либо на площадках с использованием мобильных и стационарных технических средств, либо в процессе уборки навоза из помещений. Последние технологии применяются в случае использования для транспортировки по поперечному каналу шнеко-вых транспортеров. Дальнейшую подготовку к использованию компостных смесей производят на открытых площадках с применени-
ем специальных аэраторов или методом интенсивной твердофазной ферментации в специальных сооружениях при регулируемом насыщении массы кислородом [7, 8]. Для механического разделения на фракции жидкого навоза и стоков используются установки фильтрующего или прессующего типа.
На основании вышеизложенного, а также учитывая предполагаемый типаж животноводческих предприятий, особенности природно-климатических зон России, предполагаемые ресурсы влагопоглощающих материалов, определена технологическая потребность в технических средствах для уборки и подготовки навоза к использованию (табл. 2).
Выводы:
1. Отечественными учеными созданы, а машиностроителями организовано производство технических средств уборки и подготовки навоза к использованию, на основе которых могут быть реализованы экологически безопасные системы утилизации навоза.
2. Существующая практика выбора возможных вариантов технологических и технических решений по системам уборки и подготовки навоза к использованию не учитывает влияние их на окружающую среду, на изменение плодородия почв, что не позволяет сельхозтоваропроизводителям иметь материальную заинтересованность в создании высокоэффективных систем утилизации навоза.
3. В соответствии со Стратегией развития предприятий по производству продукции животноводства на период до 2020 г. расчетным путем определен объем и вид ежегодно образующегося навоза, технологическая потребность в технических средствах для уборки и подготовки навоза к использованию.
4. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации предприятий по производству продукции животноводства показал, что создание эффективных, экологически безопасных систем утилизации навоза возможно путем производства на его основе органических удобрений, наличия оптимально расположенных площадей для его использования, государственных дотаций на создание технологий утилизации навоза для поддержания необходимого уровня плодородия почв.
Таблица 2. Технологическая потребность сельского хозяйства страны в основных технических средствах _для уборки и подготовки навоза к использованию (тыс. шт.)_
Наименование технического средства Технологическая потребность Ежегодное выбытие
Комплект шнековых транспортеров (типоразмерный ряд) 30,0 3,0
Штанговый транспортер (типоразмерный ряд) 41,0 4,1
Транспортер с круглозвенным типом цепи (типоразмерный ряд) 10,0 1,5
Автоматизированная скреперная установка (типоразмерный ряд) 23,0 2,3
Установка скреперная с цепным контуром (типоразмерный ряд) 5,0 0,75
Установка для транспортирования навоза из помещений в хранилище 3,0 0,45
Насос погружной для жидкого навоза (типоразмерный ряд) 9,5 1,4
Насос для полужидкого навоза (типоразмерный ряд) 6,3 0,9
Навесное оборудование для уборки навоза к тракторам класса 0,6-0,9 0,6 0,09
Комплект оборудования для гидравлических систем уборки навоза 0,5 0,05
Комплект машин для производства компостных смесей 13,1 2,0
Комплект машин для производства компостных смесей в процессе уборки навоза из помещений 5,7 0,9
Установка для обезвоживания навоза 0,2 0,03
Установка для разделения навоза на фракции прессующего типа 0,3 0,04
Комплект оборудования для биотермической стабилизации навоза 0,4 0,06
Комплект оборудования для интенсивной ферментации компостных смесей 0,3 0,04
Комплект оборудования для анаэробного сбраживания (типоразмерный ряд) 0,22 0,033
Литература:
1. Об охране окружающей среды: Ф3 от 10.01.02. №7.
2. Сычёв В.Г. Динамика изменения, пути воспроизводства и совершенствование методов оценки плодородия почв Европейской части России: автореф. дис. д. с.-х. н. Курск, 2000. 46 с.
3. Лукьянов А. Белгород. URL: http://portal-energo.ru
4. Ökonomische Ваш1ейи^ von Schadgasemission bei der Milcherzeugung // Agrarwirtschaft 45. 1996. H.2.
5. Процесс производства биогаза, его достоинства и недостатки. URL: http://... otherreferats.allbest. ru
6. Посещение биогазовых установок Дании 21-26.02. 2004. URL: http://Esco-ecosys.ru
7. Миронов В.В. Исследование процесса приготовления органических удобрений в аэрационном биореакторе // Механизация и электрификация с. х. 2006. №5.
8. Влияние активной аэрации на интенсивность протекания биотермических процессов в компостируемой смеси / Хмыров В.В. и др. // Вестник ТГТУ. 2002. Ч.4.
Literatura:
1. Ob ohrane okruzhayushchej sredy: F3 ot 10.01.02. №7.
2. Sychyov V.G. Dinamika izmeneniya, puti vosproizvod-stva i sovershenstvovanie metodov ocenki plodorodiya pochv Evropejskoj chasti Rossii: avtoref. dis. d. s.-h. n. Kursk, 2000. 46 s.
3. Luk'yanov A. Belgorod. URL: http://portal-energo.ru
4. Ökonomische Baurteilung von Schadgasemission bei der Milcherzeugung // Agrarwirtschaft 45. 1996. H.2.
5. Process proizvodstva biogaza, ego dostoinstva i nedo-statki. URL: http://...otherreferats.allbest.ru
6. Poseshchenie biogazovyh ustanovok Danii 21-26.02. 2004. URL: http://Esco-ecosys.ru
7. Mironov V. V. Issledovanie processa prigotovleniya or-ganicheskih udobrenij v aehracionnom bioreaktore // Me-khanizaciya i ehlektrifikaciya s. h. 2006. №5.
8. Hmyrov V.V., Mironov V.V. Vliyanie aktivnoj aehracii na intensivnost' protekaniya biotermicheskih processov v kompostiruemoj smesi // Vestnik TGTU. 2002. CH.4.
THE PROCESSES OF MANURE CLEANING AND PREPARATION MECHANIZATION'S DEVELOPMENT STRATEGY
P.I. Gridnev, D. E., Doctor of technical Sciences, Deputy Director T.T. Gridneva, candidate of technical Sciences, leading researcher. FGBNU All-Russian research Institute of animal husbandry mechanization
Abstract. The machines use and technologies mechanization of manure processes from industrial premises and prepare it for using' s efficiency increase question is discussed. The applied technologies' inefficiency main reason, contains with the selection's possible technological and technical solutions wrong approach, not taking into account such important aspects as livestock enterprises' zones of location's natural and climatic characteristics, the available resources, the arable lands for the manure utilization availability necessary amount is defined. The domestic and foreign experience in the organic waste operation system recycling in anaerobic conditions detailed analysis is performed, the findings, allowing new projects to fit best into the socio-economic and ecological environment of the district buildings is done. The manure recycling of under conditions of low and high groundwater levels technologies are recommended. The manure clinging and preparation technologies to use them for the milk, beef and pork production all sizes' enterprises are examined. The state agriculture technology needs in the main technical tools for cleaning and preparation of manure for use are presented.
Keywords: мanure cleaning and preparation for use technology, the manure removing and recycling's machines and equipment.
