Теоретико-технологические подходы к переработке жидких органических отходов Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

Теоретико-технологические подходы к переработке жидких органических отходов

АМ.Бондаренко, д.т.н, профессор, Л.С.Качанова, к.т.н, Азово-Черноморский инженерный институт- филиал ФГБОУ ВО Донской ГАУ

Технологии содержания животных и птиц предусматривают получение твёрдого (подстилочного) навоза (помёта), полужидкого и жидкого навоза (помёта). Существуют разные технологии удаления из технологических помещений навоза и помёта различной консистенции, их накопления и переработки [1 — 3]. Имеющиеся технологии реализуются, как правило, с учётом региональных и климатических особенностей в местах расположения животноводческих и птицеводческих предприятий [4, 5]. Все известные технологии имеют свои достоинства и множество недостатков, которые не позволяют в полной мере их применять для переработки навоза (помёта) в качестве органического удобрения.

Материал и методы исследования. Одной из проблемных задач, несмотря на проведённые многочисленные исследования, является переработка жидкого навоза (помёта) в жидкие органические удобрения и их использование в растениеводстве [6 — 8].

Наиболее перспективным приёмом переработки жидкого навоза и помёта является разделение на твёрдую и жидкую фракции с последующей доводкой их до производства твёрдых и жидких органических удобрений. Реализация данных технологий сопровождается наборами специализированных машин

и оборудования, имеющих различную производительность, металлоёмкость, мощностные показатели [1 — 3, 8]. Основным недостатком, сдерживающим широкое внедрение данных технологий, является отсутствие должного технологического контроля над процессами уборки навоза (помёта), его транспортирования к местам складирования и производства органических удобрений в их традиционном понимании (содержание N Р, К в них относительно низкое, что требует внесения их с дозами от 40 до 60 т/га). Затраты, связанные с подготовкой и внесением органических удобрений, являются значительными и не окупаются прибавками урожайности выращиваемых сельскохозяйственных культур.

Одним из важных аспектов производства высококачественных органических удобрений является использование биологически активных добавок, разновидностью которых на юге России является разработанная ростовским учёным П.И. Короленко а-добавка, применение которой способствует ускорению процессов обеззараживания навозной массы путём быстрого её нагрева и насыщению её биологически активными компонентами. Вступая в контакт с микрофлорой почвы, они способствуют наращиванию в ней органического вещества и переводу стабильных форм К, Р, К в подвижные, доступные корневой системе растений [9].

Цель данного исследования — разработка технологии переработки жидкого навоза (помёта) в концентрированные жидкие органические удобрения.

При проведении исследования были применены следующие методы: системный анализ и экономико-математические методы моделирования рассматриваемого технологического процесса.

Результаты исследования. Положительные результаты получены при разработке технологии производства жидких концентрированных удобрений (ЖКОУ) с использованием биологически активной а-добавки (БД). В Азово-Черноморском инженерном институте ФГБОУ ВО «Донской ГАУ» разработаны два варианта производства ЖКОУ: на стационарном смесителе и с применением мобильного смесителя для производства и внесения в почву ЖКОУ [2, 8, 10].

Наиболее технологичным и производительным является стационарный смеситель компонентов для производства ЖКОУ. На рисунке 1 представлена схема технологического процесса производства ЖКОУ на стационарном смесителе. Жидкий навоз (помёт) из навозохранилища (помётохранилища) 1 посредством насосной станции 2 подаётся по трубопроводной магистрали в ёмкость 11 для производства ЖКОУ в количестве 3/4 её объёма. Одновременно из ёмкости для приготовления биологически активной а-добавки 13 она насосом 14 подаётся по программе в ёмкость 11 в количестве 50 л на 1000 л жидкого навоза (помёта). При этом открытыми являются задвижки 5 и 4.

После подачи компонентов насосом 12 производится гидравлическое перемешивание в ёмкости органической массы в течение 45 — 60 мин. По истечении указанного срока перекрывается задвижка 8 и открывается задвижка 9. Посредством

насоса 12 производится выгрузка ЖКОУ в ёмкость технологической машины, которая транспортирует и вносит их на поля дозами от 1 до 4 м3/га.

Для бесперебойной работы стационарного пункта в зависимости от потребности предприятия устанавливаются от 3 до 5 ёмкостей с объёмом 25 — 30 м3. Каждая ёмкость оснащается собственным насосом для гидравлического перемешивания и выгрузки ЖКОУ.

Функциональная схема стационарного смесителя для производства ЖКОУ показана на рисунке 2. Входным параметром блока I является объём поступающего из навозохранилища (помётохранилища) жидкого навоза (помёта) (Ун(п)).

Внутренними параметрами являются диаметр трубопроводной магистрали ^^у^ и марка насоса для подачи жидкого навоза (помёта) (МН).

Входным параметром блока II является объём подаваемой биологически активной добавки (УБД). Внутренними параметрами являются диаметр трубопровода для подачи биологически активной добавки ^ марка насоса (МН'), модель погрузчика (МП) в случае подачи продукта в сыпучем виде.

В блоке III происходит перемешивание компонентов смеси. Входными параметрами являются: вид навоза (помёта) (Вн(п) (свиной, КРС, птичий), плотность подаваемого продукта (р), влажность содержание в навозе азота фосфора (Р), калия (К), вид а-добавки (ВД), содержание в а-добавке биологически активных элементов, в том числе азота (№), фосфора (Р') и калия (К'), доза биологической добавки (Дбд). Внутренними параметрами являются диаметр трубопровода (ё''тру6), масса перемешивае-

БД

концентрат^ 13 14

со склада 6

ЖКОУ

I I в технологическую

т

на поле

Рис. 1 - Схема стационарного смесителя для приготовления ЖКОУ:

1 — навозохранилище (помётохранилище); 2 — насосная станция; 3 — трубопроводная магистраль; 4 — 10, 18 — электронные задвижки; 11 — ёмкость для производства ЖКОУ; 12 — насос для перемешивания компонентов и выгрузки ЖКОУ в технологическую машину; 13 — ёмкость для приготовления биологической добавки; 14 — насос для перемешивания и подачи биологической добавки для производства ЖКОУ; 15 — мобильный смеситель для производства и внесения ЖКОУ; 16 — трубопроводная магистраль для подачи БД; 17 — трубопроводная магистраль для перемешивания компонентов и выгрузки ЖКОУ

КУ

N„, Pn, К

Вн(п)

1 р, т/м3

Ун(п), м3 ,,, 0/

-—-► Подача ЖН (П) -

N, P, К

Qi Джн(П), м3/час

111

Перемешивание компонентов

Убд, м

11

Подача БД

Q2

ВД N'i, P'i, K'i

дбд, т/м3

q3

С К

Wskoy, %

Р'жкоу, т/м

N''2, Р''2, К''2

ТЗ

1V W»koy, % _ V Транспортирование и внесение

Выгрузка в технологическую р'жкоу, т/м3

машину ЖКОУ

Q4 N''2, Р''2, К''2 Q5

СОВ

Ус.-х.

Рис. 2 - Функциональная схема стационарного смесителя для производства и внесения ЖКОУ

мых продуктов (МП), время перемешивания ^пер), марка центробежного насоса для перемешивания и последующей выгрузки ЖКОУ (МЫ").

Для блока IV входными параметрами являются влажность жидкого концентрированного органического удобрения ^ЖОУ), его плотность (рЖКОУ), содержание азота (К''), фосфора (Р'') и калия (К''). Внутренние параметры аналогичны параметрам блока III.

Блок V представляет транспортно-технологи-ческую машину. Входными параметрами являются влажность жидкого концентрированного удобрения ^ЖОУ), его плотность (рЖКОУ), содержание азота (К''), фосфора (Р'') и калия (К''). Выходными параметрами блока V, характеризующими работу стационарного смесителя, являются содержание органического вещества в почве (СОВ), урожайность выращиваемых сельскохозяйственных культур (Ус.-х.). Внешними факторами выступают климатические условия (КУ), содержание в почве азота (Кп), фосфора (Рп) и калия (Кп).

В общем виде производительность стационарного смесителя характеризуется выражением:

вес=са+ш < & < а < а, (1)

где Осе — производительность стационарного смесителя, м3/ч;

О], О? О& Оз —производительность соответственно блоков I—V, м3/ч.

Производительность блока I характеризуется производительностью насоса для подачи жидкого навоза из навозохранилища ^н). Тогда этот показатель можно определить по формуле:

Qi = QH = 3600.

i2 труб

4

рн .y-v,,,

(2)

рн — плотность навоза, кг/м3; у — коэффициент наполнения трубопроводной магистрали;

ин — осевая скорость движения навоза по трубопроводной магистрали, м/с.

Производительность блока II определяется как производительность насоса для подачи биологической добавки в ёмкость (ОБД):

П ■ (d б )2

q 2 = дбд = 3600 —^^

4

■РБД - YиБД , (3)

где d'труб — диаметр трубопровода для подачи биологической добавки, м;

рБД — плотность биологической добавки, кг/м3;

Производительность блока III зависит от времени перемешивания ^пер) компонентов. Экспериментально установлено, что ^ = 45 — 60 мин. или ^ер = (0,75 - 1,0) час.

Тогда производительность насоса на перемешивании компонентов (Q'„a) составит:

0 75 ■ Vcc

Q3 = QL = . (4)

t пер

Производительность блока IV определяется производительностью насоса 12 (рис. 1) (Q'„ac) на выгрузке ЖКОУ и может быть рассчитана по выражению:

Q4 = Q1 = 3600

П- (dmру6 )2 4

- ржкоу - У - ижкоу , (5)

где й"тру6 — диаметр трубопроводной магистрали для выгрузки ЖКОУ, м; РжкоУ— плотность ЖКОУ, кг/м3; иЖКОУ— осевая скорость движения ЖКОУ на

где d 6 — диаметр трубопроводной магистрали, трубопроводной магистрали, м/с.

м;

1 5 £ 5 5 я

Агрегат 2

f

1 Ёмкость 3

Емкость 2 _ _ _ _

Емкость 1 _ _

е I □ еремешкв айне

Подача БД

Подача Н (П) — — _ _

| I □ еремешкв айне

Подача БД _

Подача Н (П) _ — _ _ _

g i □ еремешкв айне

Подача БД

Подача Н (П) _

0 60 120 ISO 240 Т цп=7,2 часа 300 360 420 480

ТЦчае=7 часов

Тц =8,2 часа

396 м3/см

Рис. 3 - Циклограмма технологического процесса производства жидких концентрированных удобрений на стационарном смесителе

На основе анализа работы функциональной схемы разработана циклограмма выполнения производственных операций на стационарном смесителе при производстве ЖКОУ с тремя ёмкостями по 30 м3 каждая, производительностью 396 м3/см готового продукта (рис. 3).

Для реализации данного технологического процесса требуется: насосная станция для подачи жидкого навоза; три технологические ёмкости по 30 м3 каждая; три центробежных насоса для перемешивания и выгрузки компонентов; участок подготовки биологически активной добавки с ёмкостью 5 м3 и центробежным насосом для её приготовления и подачи в технологические ёмкости; система магистральных трубопроводов и задвижек.

Для транспортировки и внесения на поля указанного суточного объёма ЖКОУ потребуется до 18 поездок в смену. Наиболее рационально, исходя из данных циклограммы, иметь три агрегата с цистернами ёмкостью по 22 м3, снабжёнными штанговыми распределительными системами, позволяющими вносить ЖКОУ в дозах до 4 м3/га. Подобные машины для внесения жидких органических удобрений производятся фирмами «Fliegl» (Германия), «Sodimac» (Франция), «Pichon» (Франция) и др.

Выводы. Из вышеизложенного следует, что основными технологическими аспектами производства жидких концентрированных удобрений являются функциональные взаимодействия технологических операций (блоков) с учётом режимных и конструктивных параметров машин и оборудования, способствующие повышению выходных параметров разработанной функциональной схемы: содержанию органического вещества в почве и урожайности выращиваемых сельскохозяйственных культур.

Согласно разработанной циклограмме в смену при наличии трёх технологических ёмкостей по 30 м3 каждая можно получить 396 м3 ЖКОУ, вне-

сение которых дозой 4 м3/га позволит вносить их в почву на площади до 100 га. При этом время на производство ЖКОУ составляет 7,2 час. в смену, время внесения — 7,0 час. в смену и сменное время технологического цикла — 8,2 час.

Важным аспектом при переработке жидкого навоза по предложенной технологии является улучшение экологической обстановки в местах их накопления.

Литература

1. Бондаренко А.М., Качанова Л.С. Технологии и технические средства производства и применения органических удобрений: монография. Зерноград, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2016. 224 с.

2. Еськов А.И. Справочная книга по производству и применению органических удобрений /А.И. Еськов, М.Н. Новиков, С.И. Лукин [и др.]. Владимир: ВНИПТИОУ, 2001. 496 с.

3. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах М.: Агропромиздат, 1989. 160 с.

4. Шигапов И.И. Модель биотехнической системы процесса уборки, транспортировки и переработки навоза // Аграрная наука. 2017. № 3. - С. 27 - 31.

5. Друзьянова В.П. Ресурсосберегающая технология утилизации бесподстилочного навоза в условиях Республики Саха (Якутия) // Аграрный вестник Урала. 2008. № 1. — С. 63 — 64.

6. Шигапов И.И., Губейдуллин Х.Х. Современные технические средства для уборки навоза в АПК // Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: матер. VI Междунар. науч.-практич. конф. Ульяновск, 2015. С. 127 — 129.

7. Друзьянова В.П., Коновалов В.И. Экологический способ получения биоудобрений в условиях Республики Саха (Якутия) // Земельные и водные ресурсы: мониторинг эколого-экономического состояния и модели управления: матер. междунар. науч.-практич. конф., посвящ. 10-летию Института землеустройства, кадастров и мелиорации. Улан-Удэ, 2015. С. 210 — 214.

8. Семенихин А.М., Бондаренко А.М. и др. Механизация и технология животноводства. Линии удаления, транспортирования, подготовки к применению навоза и производства органических удобрений: учебное пособие. Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008. 141 с.

9. Короленко П.И. Агровит-Кор. Агротехнологии. ООО НПО «Нооэкосфера». Ростов-на-Дону, 2008. 66 с.

10. Переработка навоза крупного рогатого скота в высококачественные органические удобрения в СПК (колхоз) «Колос» Матвеево-Курганского района Ростовской области. Отчёт о научно-исследовательской работе по договору № 346 от 5 июня 2013 г. / Бондаренко А.М., Качанова Л.С. [и др.]. Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2013. 116 с.