Введение к работе
Актуальность темы исследования Неэффективное использование ютевдналъных ресурсов отходов животноводства и птицеводства является ідноіі m основных причин значительного падения плодородия почв. Анализ голожснпя в животноводстве в период реформирования сельского хозяйства [оказывает, что использование навоза в качестве органических удобрений ократилось в 1999 году до 17% к уровню 1990 года., т.е. более чем в 5 раз. и оставило 0.5 т в расчете на геїсгар паппиг. Резкое сокращение поступления ірганических веществ в почву приводит к снижению ее биологической активности и торможению образования ферментов, которые являются продук-ами обмена органической жизни и основой взаимной регуляции. В минеральном питании растений, являющемся основой сельскохозяйственного производства в последние десятилетня, как раз не хватает ферментов, а это [риводит к все более низкой усвояемости минеральных удобрений. Так, за юследние 30-40 лет потребность в минеральных азотных и фосфорных удобрениях в расчете на гектар выросла более чем в 2 раза (на примере выращи-;ання пшеницы).
В настоящее время в России совершенно неудовлетворительно поставки учет выхода и использования навоза. Потери физической массы навоза ю данным сгатотчетности достигают 70 %. Особое беспокойство вызывают [отери органического вещества и биогенных элементов группы NPK в провесе движения навоза от животного до растения. По данным различных ав-оров потери азота достигают 70%, фосфора и калия 40-50 %.
Указанные недостатки в использовании отходов животноводства и птицеводства приводят к ощутимым потерям в сельскохозяйственном произ-одстве: потенциальный недобор урожая в Нечерноземной зоне оценивается . 4,5 млн т в пересчете на зерно, а ущерб окружающей среде определяется в ,4 млрд руб.
Причинами сложившегося положения являются:
несовершенство применяемых систем удаления, подготовки навоза и несения органических удобрений в почву, не обеспечивающих сохранность t эффективное использование питательных веществ растениями;
отсутствие в стране организационных форм управления системой кологической безопасности сельского хозяйства в целом;
низкий уровень учета производства и применения навоза и помета в ачестве органических удобрений;
отсутствие материальной заинтересованности сельских товаропроиз-одителей в производстве экологически чистой сельскохозяйственной продукции;
- отсутствие метода комплексной эколого-экономичсской оценки тех
нологий и технических средств утилизации навоза, оптимизации их парамет
ров и режимов их функционирования.
Таким образом, обоснование и разработка новых технологий и технических средств по производству экологически безопасных биологически активных органических удобрений, оптимизация параметров к режимов их функционирования является одной ю основных проблем животноводческих предприятий и определяет актуальность данного исследования.
Научные исследования,, отраженные в научном докладе, выполнялись в соответствии с государственными научно-техническими программами 0.51.531 (1971-1975гг.), 24 (местная тематика 1976-1980 гг.), 0. 51.01 "Воспроизводство почвенного плодородия"(1981-1985 гг.), государственной НТП 0.51.02, О.Сх 11, Постановление ГКНТ №364 от 05.08.86 г.. Программа 5.4.2 (НТП СЭВ).(1985-1990 гг.), региональными НТП 5.Р 02 "Механизация и автоматизация животноводства» (1991-1995 гг.) и 8Р 03.03, задание 03.03.02.01 «Разработать безотходную ресурсосберегающую технологию утилизации навоза с использованием механизированной линии переработки подстилочного навоза и помета в биологически активные органические удобрения и «Разработать концепцию и основные принципы обеспечения экологической безопасности при производстве продукции животноводства и дать предложения по их реализации», являющихся составной частью Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 1996-2000 гг.
Цель и задачи исследований.
Цель исследований - повышение эффективности использования отходов животноводства и птицеводства путем обоснования и разработки новых экологически безопасных технологий и технических средств превращения навоза и помета в биологически активные органические удобрения.
Задачи исследований:
провести анализ практически применяемых технологий утилизации навоза, выявить их основные недостатки и определить пути дальнейшего совершенствования;
разработать экономико-математическую модель системы «ферма -сооружения обработки и хранения навоза - почва»;
разработать математические модели производства биологически активных органических удобрений из навоза и помета;
обосновать технологические и экологические параметры новых экологически безопасных технологий переработки отходов животноводства и птицеводства в высококачественные органические удобрения;
создать и исследовать эксперименталыгыс образцы оборудования но обезвоживанию навоза и его осадков, по ферментации органических смесей из навоза и помета на площадках и в закрытых сооружениях.
разработать методику расчета экологически безопасных технологий и технических средств переработки навоза и помета в биологически активные органические удобрения;
разработать и внедрить в практику индивидуального и типового проектирования и работы животноводческих предприятии: нормативные документы, инструкции, методические рекомендации, новые технологические, технические решения и оборудование, повышающие эффективность использования потенциальных ресурсов навоза и помета.
Научную новизну работы составляют:
в практику индивидуального и типового проектирования и работы животноводческих предприятий системный подход к рассмотрению, анализу эколого-экономической и знергетігческой оцешсе существующих и новых технологий и технических средств производства органических удобрений го навоза и помета;
математические модели производства биологически активных органических удобрений путем экзотермической обработки отходов на открытых площадках и в закрытых сооружениях;
математические модели комплексных затрат и энергоемкости про-дукцни переработки навоза и помета:
новый метод и технические средства переработки навоза и помета в полнокомпонентные органоминеральные органические удобрения заданного состава;
методика технологического расчета экологически безопасных технологий и технических средств переработки навоза и помета в биологически іктивньїе органические удобрения.
Практическую ценность диссертации представляют:
конструктішно-технологические решения и методы технологических г инженерных расчетов для проектирования предприятий по производству )рганических удобрений;
исходные требования и технические задания на новое оборудование;
рекомендации по совершенствованию технологий и технических :редств превращения навоза и помета в биологически активные органические добрешш;
индавидуатьные и типовые проекты сооружений по переработке от-:одов животноводческих предприятий;
научные концепции развития технологий и средств по переработке отходов и охране окружающей среды животноводческих предприятии;
- книги и рекомендации по технологиям и механизации производства
добрений из навоза и помета, включающие теоретические положения и
[рактические результаты данной работы.
Таким образом, научно-техническая продукция, созданная в процессе йботы над диссертацией, доведена до состояния, пригодного для внедрения, сгироко используется в производстве, что дает народному хозяйству значи-
тельный экономический эффект и способствует повышению качества подготовки специалистов сельского хозяйства.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований,
обобщенные в диссертации, использованы при формировании Общесоюзной
системы маниш: на 1976...1980 гг. было включено 2 наименований машин
(позиции: Ж 15.08, Ж 15.18); на 1981...1990 гг. включено 5 наименований
машин (позиции: Ж 15.08, Ж 15.20, Ж 15.21, Ж 15.24, Ж 15.32); на
1990...2005 гг. включено 5 наименований машин (позиции: Ж 15.2.13, Ж 15.2.16, Ж 15.2.12, и Р 28.27, Р 28.28).
На основании результатов выполненных исследований совместно с гаститутом-координатором (ВНИИМЖ) и другими институтами разработаны и утверждены в установленном порядке зоотехнические (исходные) требования на следующее технологическое оборудование:
механизированная линия переработки навоза и помета в биологически активные органические удобрения;
ферментатор для цеха по производству биологически активного субстрата на основе торфа;
комплект оборудования для приготовления торфонавозных смесей на фермах КРС:
стационарная установка для приготовления компостов;
смеситель-аэратор для приготовления компостов:
отстойник -сгуститель с механической выгрузкой осадков;
ленточный вакуум-фильтр для обезвоживания осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила;
аэратор пневмомеханический для очистки сточных вод;
струйный аэратор для очистки сточных вод:
- аппарат биологической фильтрации навозосодержащих сточных вод;
В соответствии с исходными требованиями и техническими заданиями
ВНИИживмашсм, Запорожским КТИСМом, ГСКб г.Умань, заводом "Рожн-щеферммаш", НПО "Нечерноземагромаш", с участием автора созданы опытные образцы оборудования, которые успешно прошли приемочные государ-стветше или межведомственные испытания и поставлены или рекомендованы к постановке на производство:
отстошпгк-сгуститель с механической выгрузкой осадка ООС-25;
аэратор пневмомеханический для очистки сточных вод ОПН-24;
смеситель-аэратор для гпнгготовления компостов СА-100;
струйный аэратор для очистки сточных вод;
- ферментатор для цеха по производству биологически активного суб
страта на основе торфа.
Новизна разработок защшцена 20 авторскими свидетельствами на изобретения.
На основе новых технологических решений, машин и их комплектен совместно с Владимирским 1ЩТЭПСельхозом,ГИПРОНИИсельхозом. ВНИИМЖем разработаны типовые проекты "Площадки для приготовления 5.
10, 20 тыс. т компостов в год" (т. п. 801-9-19.84. 801.-9-20.84, 801-9-21.84; «Цеха для приготовления 100, 200 тыс. т компостов в год» (т.п. 817-231.85. 817-232.85).
Кроме этого, результаты выполненных исследований реализованы:
в индивидуальных проектах очистных сооружений для свинокомплекса "Спутник" Леюшградской области по воспроизводству, выращиванию и откорлгу 216 тыс. свиней в год;
свинооткормочном комбинате на 150 тыс. свиней в год и двух репро-дукторных свинофермах на 70 тыс. поросят в год каждая в объединении свиноводческих совхозов "Новый свет" Ленинградской области;
свинокомплексе "Восточный" Ленинградской области по воспроизводству, выращиванию и откорму 108 тыс. свиней в год;
свинокомплексе "Спутник" Ленинградской области по воспроизводству, выращиванию н откорму 216 тыс. свиней в год;
двух племенных репродукторных свинофермах на 20 тыс. поросят в год каждая, в совхозах "Спиринский" и "Дружба" Ленинградской области;
площадка компостирования помета на птицеводческом объединении « Синяшшское»;
площадка компостирования осадков на свинокомплексе «Восточный» Ленинградской области по воспроизводству, выращиванию и откорму 108 тыс. свиней в год;
комплекс сооружений для анаэробной переработки навоза на свиноферме отделения «Ириновка» совхоза «Романовка»;
Основные положения и выводы, сформуліфованньїе по результатам исследований, использованы и реализованы в «Общесоюзных нормах технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета» ОНТП 17-81, ОНТП 17-86, в отраслевых стандартах «Испытание сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для переработки и обеззараживания жидкого навоза. Программы и методы испытаний» ОСТ 10.20.8-86, «Установки для метанового сбраживания. Программа и методы испытаний». ОСТ 10.20.1-87, в «Инструкции по лабораторному контролю очистных сооружений на животноводческих комплексах». Часть І, П и III, в методических рекомендациях по разработке и внедрению новых и совершенствованию существующих технологий и оборудования для удаления, переработки и использованию навоза на предприятиях по производству молока, свинины и яиц и обеспечению охраны окружающей среды.
Основные положения, выносимые па защиту:
экономико-математическую модель системы «ферма- сооружения обработки и хранения навоза -почва»;
математические модели производства биологически, активных органических удобрений из навоза и помета;
новые экологически безопасные технологии и технические средства переработки отходов животноводства и птицеводства в высококачественные органические удобрения;
методика и компьютерные программы эколого-экономической оценки существующих и новых технологий и технических средств производства органических удобрений;
методика расчета экологически безопасных технологий и технических средств переработки навоза и помета в биологически активные органические удобрения;
нормативные документы, инструкции, методические рекомендации, новые технологические, технические решения и оборудование, повышающие эффективность использования потенциальных ресурсов навоза и помета предназначеїшьіе для іщдивидуального и типового проектирования и работы животноводческих предприятий;
математические модели энергоемкости продукции производства органических удобрений из отходов животноводства и птицеводства;
новые конструктивно-технатогические схемы и оборудование, защищенные авторскими свидетельствами и прошедшие приемочные государственные межведомственные испытания.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях РАСХН и МСХиП РФ "Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России" (г.Москва, 1995 и 1997 гг.), на советско-чехословацком симпозиуме по копрологическим аспектам промышленного животноводства (Ужгород, 1985 г. Костелец над Орлицей 1990 г.) на международных конференциях "Проблемы механизации и автоматизации животноводства" и «Новые технологии и технические средства - основа восстановления отечественного животноводства» (г. Подольск,
-
1999 г.); IV международной научной конференции "Проблемы охраны окружающей среды при интенсификации производства продукции животноводства" (г.Варшава, 1997, 1998, 1999 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (г.Пушкин 1998,
-
и2000 гг.), на научно-практической конференции "Экология и сельскохозяйственная техника" (СПб-Павловск, 1998 и 2000 гг.), на НТС Госагро-прома НЗ РСФСР (г.Москва, 1988 г.); на Всероссийском совещании "Интенсификация животноводства и кормопроизводства в Нечерноземной зоне РСФСР" (г.Йошкар-Ола, 1986 г.); на Бюро отделения механизации ВАСХ-НИЛ (гМосква, 1984 г.); на НТС МСХ СССР (г.Москва 1979 г.), на сессіш Отделения ВАСХНИЛ по Нечерноземной зоне РСФСР (г.Горький, 1981 г.), на научно-производственном совещании по биологическим методам переработки жидкого навоза (Киев 1985 г.), на Всесоюзной научно-практической конференции «Механизация и автоматизация технологических процессов в агропромышленном комплексе» (Новосибирск 1989 г.), многократно демонстрировались на различных выставках, отмечены 4 медалями ВДНХ.
Публикации. Основные материалы исследований обобщены и изложены в 2 книгах, общим объемом более 35 и.л., написанных в соавторстве, и 99 публикациях, общим объемом около 70 п.л., в том числе патент России. 20 авторских свидетельств на изобретения, 16 рекомендаций и две научные кон-
цепцин. Прошли государственную регистрацию 11 научных отчетов по выполненным НИР. В работах, выполненных в соавторстве, по взаимному согласию авторам принадлежат равные доли.
Общая программа и методика исследований.
В качестве объекта (предмета) исследований приняты базовые и опытные технологии переработки навоза и помета на свинокомплексах, фермах КРС и птицефабриках, экспериментальное и серийное оборудование для удаления, переработки навоза, хранения, погрузки, транспортировки органических удобрений в почву, подстилочные материалы, экскременты'животных и птицы, минеральные и органические добавки, специальная микробная масса.
Программой исследований предусматривалось решение следующих задач:
с использованием системного подхода проанализировать базовые и опытные технологии утилизации навоза и разработать математическую модель «ферма - сооружения обработки и хранения навоза - почва»;
провести эколого-экономическое обоснование наиболее рациональных экологически безопасных систем производства высокоэффективных органических удобрений из навоза и помета;
исследовать тепловой режим биоконверсного разложения органического вещества в аэробных условиях;
ооосновать технологические экономические и экологические критерии готовности органических удобрений с учетом требований почвы и растений;
разработать математические модели экзотермической обработки органических отходов на открытых площадках и закрытых сооружениях
определить физико-механические, теплофизичеекие, агрохимические и санитарно-гигиенические свойства экскрементов, подстилочного, полужидкого, жидкого навоза, а также его осадков;
провести испытания технологической линии дозированной подачи и смешивания компонентов компостных смесей, укладки их в бурты и периодического перемешивания смеси на площадках приготовления компостові
обосновать конструкцию механизированной линии переработки навоза и помета в экологически безопасные биологически активные органические удобрения в закрытых сооружешмх, изготовить опытный образец и проверить линию в производственных условиях, установить параметры и режимы ее работы;
проверить в производственных условиях качество функционирования экспериментальных и опытных установок и технологических линий;
разработать методику технологического расчета экологически безопасных технологий и технических средств переработки навоза и помета в биологически активные органические удобрения.
Для проведения экспериментальных исследований были созданы специальные стенды и установки для определения физико-механических и теп-лофизических свойств подстилочного, полужидкого и жидкого навоза, а так-
же их смесей с влагопоглощаюышми добавками; по определению их тепловыделения при биохимической переработке, параметров и режимов работы устройств по механической выгрузке осадков го отстойников, режимов обезвоживания осадков на центрифугах с применением флокулянтов. режимов функционирования бноферментатора и др.
Для проведения межведомственных н приемочных государственных испытаний на основаншг подготовленных исходных требований и техзадашііі были разработаны и изготовлены опытные образцы следующего оборудования:
механизированная линия переработки навоза и помета в биологически активные органические удобрения:
ферментатор для цеха по производству биологически активного субстрата на основе торфа;
стационарная установка для приготовления кошюстов;
смеситель-аэратор для приготовления компостов;
оборудование механической выгрузки осадков из отстойников;
аэратор пневмомеханический для очистки сточных вод;
- струйный аэратор для очистки сточных вод;
Опытно-производственная проверка и приемочные государственные
испытания перечисленных выше технических средств проводились на свино-
Килі-шіч^лчхіл. wOBau^OB ГЗиСіи-іпют . \^ііуіпЯк . /jpyjiwa > v.IuipHnvKHK , 111»
«Сииявинское» Ленинградской области, птицефабрика «Центральная» Владимирской области.
Наряду с техническими параметрами работы отдельных, машин, оборудования и лишай, определялись технико-экономические показатели работы предприятий.
В процессе исследовании и испытаний использовались методы планирования экспериментов, современная измерительная аппаратура и вычислительная техника. На отдельных этапах исследований проводилось математическое моделирование процессов.
Обработка опытных данных и их графическое оформление выполнены на компьютере с использованием статистического пакета "STATGRAPHICS" версии 2.1 и "EXCEL-97".
Расчеты моделей производились по программам на языке "Visual Basic" (см. приложение к диссертации "Программы для расчета моделей").
Личное участие автора при выполнении диссертации заключается в:
обосновании и формулировке концепций, идей, технологических и технических решений, создании объектов испыташш:
проведении теоретических и экспериментальных исследований;
разработке программ и методик исследований;
формулировке, по результатам исследований, выводов и рекомендаций;
разработке исходных требований и технических '«зданий на новые машины и оборудование, согласование и утверждение !к в установленном порядке;
участии в приемочных государственных испытаниях машин и оборудования, разработанных по результатам исследований;
защите рекомендаций и других разработок на научно-технических советах всех уровней;
участии в разработке ішднвидуальньїх и типовых проектов свиноводческих предприятий;
представлении результатов научных исследований на Всесоюзных, республиканских и международных конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках и ярмарках.
Под научным руководством автора при выполнении отдельных разделов, приняли участие сотрудники лаборатории экологической безопасности животноводства: кандидаты тех. наук Миллер В.В., Яблочков В.И.. Цветков С.А., Сокольников В.А., Харитонов А.Н.. Голышев Д.С, Максимов ДА., Ту-ваев В.Н., Подпорин А.В., Лопес де Гереню В.О., канд. с/х наук Поздеева Е.С., инженеры МарцулевичИ.А., Мельник Г.Г., Вайсберг О.Я., Вяткин А.И., Искра Н.С., Гусинцева Л.П., Афанасьев АВ._ Никольский А.Е.. агроном Павловская Н.А., техники Алексеева Р.Н., Пилнлейко Э.К., Кальченко И.В., а также сотрудники отдела внедрения: инженеры Игнатьев В.М., Крагин В.А.., сотрудники проекгно-технологяческого отдела ОКПТБ Дунаевский В.Ф., Герасимова З.В., Якимович О.Е. Всем им и всему коллективу СЗНИИМЭСХ автор выражает искреннюю благодарность.
Научными основами настоящего исследования явились труды ведущих ученых по фундаментальным и прикладным аспектам технологии и механизации сельскохозяйственного производства академиков Кармановского Л.П., Ковалева Н.Г.. Краснощекова Н.В.. Кряжкова В.М., Липковича Э.И., Рунова Б.А., Сыроватки В.И., Эрнста Л.К., Янковского И. Е. и докторов наук Агеева Л.Е., Алешкина В.Р., Антипина В.Г., Артюшина А.А., Архипчекко И.А., Барсова Н.А., Вагина Б.И., Вайнруба В.И.. Васильева A.M., Гридисва П.И., Гуляева Н.Ф., Дэвидсона Е.И., Калюги В.В., Капустина В.П., Карташо-ва Л.П., Кобы В.Г., Коваленко В.П., Ковалева А.А.,Ковальчука Ю.К., Козловского Е.В., Линшпса Н.К.., Марченко Н..М., Мельникова СВ., Мирного А.Н.. Михеева Г.И., Мтпукова Б.Г., Морозова Н.М.. Николаеева Д.И., Попова В.Д., Рядньшэ В.В, Сечкшга В. С, Скробача В.Ф., Сыслева В. А., Сычугова Н.П., Хазанова Е.Е. и других ученых.
