Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Анализ состояния подотрасли свиноводства 8
1.2 Источники негативного воздействия свиноводческих комплексов на окружающую среду 10
1.3 Анализ систем переработки жидкого свиного навоза 13
1.3.1 Технология переработки свиного навоза методом длительного
выдерживания и внесения на поля 14
1.3.2 Технология разделения навоза на фракции с последующей переработкой твердой и жидкой фракции 15
1.3.3 Технологии глубокой переработки свиного навоза 17
1.3.4 Зарубежные технологии переработки жидкого свиного навоза 23
1.4 Рациональный выбор технологии переработки навоза для конкретного свиноводческого комплекса 27
1.5 критерии оценки технологий 34
1.6 краткие выводы и задачи исследования 35
Глава 2. Теоретические предпосылки по формированию методики автоматизированного выбора технологии переработки свиного навоза 37
2.1 Обоснование методов исследования и оптимизации технологий 37
2.2 Общее описание математической модели автоматизированного выбора
Технологий 42
2.3 Методика определения технологических параметров линий Переработки свиного навоза 48
2.3.1 Определение количества образующегося навоза 48
2.3.2 Определение технических параметров операций по переработке свиного навоза 51
2.3.3 Расчет экономических показателей 53
2.3.4 Расчет экологических показателей 60
2.3.5. Расчет эколого-экономических показателей 61
2.4 Теория рассмотрения процесса седиментации твердых частиц применительно к осветлению жидкой фракции свиного навоза, подобие лабораторных и промышленных установок 64
2.5 Описание математической модели технологии переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников 71
2.6 Определение оптимальной площади поверхности первичного циклического вертикального отстойника 74
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований технологии переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников
3.1 Программа экспериментальных исследований 83
3.2 Объект исследований 83
3.3 Определение расхода воздуха и выбор воздуходувного устройства 84
3.4 Методика проведения лабораторных экспериментальных исследований
3.4.1 Определение режимов работы элементов технологии 87
3.4.2 Определение поправочного коэффициента при седиментации жидкой
фракции свиного навоза 90
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и разработка математических моделей 92
4.1 Результаты исследования режимов работы элементов технологии 92
4.1.1 Результаты исследований первичной седиментации 93
4.1.2 Результаты исследований аэрации 96
4.1.3 Результаты исследования вторичной седиментации 100
4.1.4 Результаты исследования длительного выдерживания 103
4.2 Разработка математической модели технологии переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников 105
4.3 Результаты определения поправчного коэффициента 110
4.4 Программа автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза 111
4.5 Результаты работы программы на примере свинокомплекса ленинградской области 116
Глава 5. Эколого-экономическая эффективность использования технологии переработки жидкого свиного навоза в аэротенке с использованием
Циклических отстойников 122
Общие выводы 126
Список литературы 128
- Технология разделения навоза на фракции с последующей переработкой твердой и жидкой фракции
- Определение технических параметров операций по переработке свиного навоза
- Методика проведения лабораторных экспериментальных исследований
- Результаты исследования вторичной седиментации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В Северо-Западном
Федеральном Округе расположено более 600 крупных
сельскохозяйственных предприятий, занимающихся животноводством, включающих свиноводство, птицеводство и крупный рогатый скот; занимающих суммарно более 5 миллионов гектар сельскохозяйственных угодий. В этих хозяйствах содержится более 920 тысяч голов КРС, около 520 тысяч свиней и более 30 миллионов голов пт ицы.
Развитие свиноводства на промышленной основе приводит к резкому увеличению образующегося на свинокомплексах жидкого свиного навоза. Ленинградская область является одним из лидеров по производству животноводческой продукции в СЗФО; за 2014 год масса образованного свиного навоза в ней составила более 650 тыс. тонн.
В настоящее время вследствие сброса недостаточно очищенных промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных стоков, а также поступления загрязнений с рассредоточенным стоком с водосборных территорий практически повсеместно происходит загрязнение водных объектов и всей окружающей среды. Применение же навоза в свежем виде в качестве удобрения приводит к риску загрязнения окружающей среды и заражению сельскохозяйственных культур болезнетворными микробами.
Вопрос повышения эффективности переработки жидкого свиного навоза является актуальным, а существующая проблема еще недостаточно решена, поэтому нуждается в дальнейшей разработке.
В связи с этим целесообразно провести анализ современного состояния и тенденций развития технологий по переработке жидкого навоза. На основе проведенного анализа разработать математическую модель и алгоритм выбора адаптивных технологий переработки жидкого свиного навоза в промышленных масштабах.
Для решения этих задач применены оптимизационные методы, обеспечивающие переработку навоза при минимальных затратах и максимальном сохранении питательных веществ в конкретных условиях сельхозпроизводителя.
Цель исследования. Повышение эффективности переработки
свиного навоза и повышение экологической безопасности
сельскохозяйственного производства путем оптимизации
технологических процессов и формирования адаптивных технологий.
Объект исследования. Технологии и технические средства переработки свиного навоза.
Методика исследования. При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, так и частные методики исследования с обработкой данных на персональном компьютере с использованием программных пакетов STATGRAPHICS Centurion XV, Microsoft Office Excel 2007 и AutoCad-2015.
Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:
- разработана методика автоматизированного выбора технологий
переработки свиного навоза, для условий конкретного хозяйства;
- разработана математическая модель выбора технологий
переработки свиного навоза с учетом условий конкретного хозяйства и
критериев обеспечения экологической безопасности;
- разработана математическая модель описания отдельных
процессов технологии глубокой переработки свиного навоза в аэротенке
с использованием циклических отстойников и полученные необходимые
значения коэффициентов для расчета технологических параметров;
- обоснована технологическая схема устройства биологической
очистки жидкой фракции свиного навоза (патент №139469 РФ);
- разработан порядок расчета критериев выбора адаптивных
технологий;
- разработан алгоритм выбора адаптивных технологий переработки
свиного навоза.
Практическая значимость. На основании проведенных
исследований обоснована технологическая схема устройства
биологической очистки жидкой фракции свиного навоза (патент №139469 РФ). Разработана программа автоматизированного выбора адаптивных технологий переработки свиного навоза с оценкой их экологической эффективности. Предложенные методы и алгоритмы диссертационной работы использованы при разработке проектных предложений по созданию сооружений по транспортировке, разделению, хранению, подготовке и использованию жидкой и твердой фракции навоза на ООО «Животноводческий комплекс «БОР».
Достоверность научных положений подтверждается
результатами экспериментальных исследований, полученными с
использованием современных измерительных устройств, при
достаточном количестве повторностей опытов. Опытные данные обработаны с использованием методов математической статистики.
Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено
и обсуждено на научных конференциях молодых ученых в Санкт-
Петербургском государственном аграрном университете и
Всероссийском научно - исследовательском институте механизации животноводства в 2013, 2014 и 2015 годы.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК. Получены 2 патента РФ на полезные модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза, для условий конкретного хозяйства;
математическая модель выбора технологий переработки свиного навоза с учетом условий конкретного хозяйства и критериев обеспечения экологической безопасности;
- математическая модель описания отдельных процессов
технологии глубокой переработки свиного навоза в аэротенке с
использованием циклических отстойников и полученные необходимые
значения коэффициентов для расчета технологических параметров;
- технологическая схема устройства биологической очистки
жидкой фракции свиного навоза (патент №139469 РФ);
- порядок расчета критериев выбора адаптивных технологий;
алгоритм выбора адаптивных технологий переработки свиного навоза;
программа автоматизированного выбора адаптивных технологий переработки свиного навоза с оценкой их экологической эффективности.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 105 наименований и 6 приложений. Текстовая часть работы содержит 152 страницы машинного текста, 17 таблиц и 57 рисунков.
Технология разделения навоза на фракции с последующей переработкой твердой и жидкой фракции
В начале 1970 годов в СССР было развернуто масштабное строительство животноводческих комплексов промышленного типа по выращиванию и откорму свиней. Создание таких животноводческих комплексов обеспечивало широкую автоматизацию и электрификацию труда; содержание животных осуществлялось без применения подстилки. Это повлекло за собой образование значительных объемов отходов, являющихся источниками негативного воздействия на окружающую среду.
Выделение загрязняющих веществ в окружающую среду на свинокомплексе происходит: При процессах содержания, выращивания, откорма и воспроизводства свиней; 2. При сжигании туш павших животных в крематории; 3. При удалении и переработке жидкого свиного навоза; 4. При производстве мясопродуктов на бойне. Основным источником негативного воздействия на окружающую среду является навоз. При необоснованном выборе технологии переработки и неправильном использовании навоза, данный отход производства может представлять угрозу окружающей среде [7]. Опасность данного продукта подтверждена утвержденным федеральным классификационным каталогом отходов (Приказ №445 от 18 июля 2014 года, таблица 1).
В 1973-1975 годах Научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства Северо - Запада (НИПТИМЭСХ) совместно с Ленинградским инженерно – строительным институтом (ЛИСИ) проводили исследования по разработке и внедрению высокоэффективных технологий использования жидкого свиного навоза, получаемого при бесподстилочном содержании животных [8]. В процессе исследований был получен усредненный химический состав жидкого свиного навоза, представленный в таблице 3.
Как видно из представленных таблиц 2 и 3, химический состав свиного навоза существенно поменялся за 40 лет. Содержание общего азота увеличилось с 0,16 % до 0,55 %, а содержание общего фосфора увеличилось с 0,035 % до 0,14 %. При этом влажность жидкого свиного навоза уменьшилась на 3 % [9]. Увеличение содержания общего азота и фосфора в навозе при нерациональном его использовании приводит к существенному загрязнению окружающей среды.
Животноводческие комплексы стали не только потенциальными, но и реальными источниками загрязнения окружающей среды и отказ в работе хотя бы одного ответственного элемента сложной системы переработки жидкого навоза может привести к значительному эколого-экономическому ущербу [10, 11].
О масштабах нагрузок свидетельствуют следующие данные: на свинокомплексах по выращиванию и откорму 108 тыс. голов свиней в год ежечасно в атмосферу выбрасывается 159 кг аммиака, 14,5 кг сероводорода, 25,9 т пыли, 1,5 млрд ед. микроорганизмов. Из атмосферы продукты загрязнения попадают с осадками в почву, водоемы в радиусе до 15 км. На расстоянии 80 м от свинокомплекса количество микробов может достигать 30 тыс. шт. на 1 м3 воздуха. В откормочных свинарниках за 1 мин на 1 см2 оседает до 200 пылевых частиц. При этом, они могут действовать как аллергены, вызывая экзему, астму, общую аллергию [12, 13].
Чаще всего зоны размещения крупных животноводческих комплексов оцениваются как экологически неблагоприятные. Уровень заболеваемости населения, проживающего в этих районах, в 1,6 раза превышает средний по стране [14, 15]. В настоящее время только в Ленинградской области расположено 11 крупных свиноводческих хозяйств, с которых за год образуется 629,4 тысячи тонн жидкого навоза. Для увеличения эффективности использования навоза и повышения качества получаемого органического удобрения, навоз необходимо перерабатывать, используя имеющиеся перспективные технологии. При этом необходимо использовать научно-обоснованные методы, позволяющие оценивать объемы производства, экономическую и экологическую эффективность.
Существует множество технологий переработки свиного навоза. Выбор конкретной технологии зависит от ограничений сельскохозяйственного предприятия (доступная электрическая мощность, имеющиеся земельные угодья…), также существенное значение оказывают и природно-климатические условия. Каждая из технологий является последовательностью технологических операций по переработке навоза. Существуют технологии, согласно которым весь образующийся навоз перерабатывается в жидкое органическое удобрение. Есть перечень технологий, на выходе которых образуются два вида органических удобрений: твердое и жидкое. В условиях дефицита земельных угодий для внесения получаемого органического удобрения, существуют технологии глубокой переработки, в результате которых получается твердое концентрированное органическое удобрение и очищенная жидкость. Следовательно, необходимо учитывать все условия для выбора технологии для конкретного сельскохозяйственного предприятия.
Данная технология широко применяется в настоящее время в подавляющем большинстве хозяйств России. Согласно технологии, жидкий свиной навоз со свинокомплекса транспортируется в навозохранилище, в котором происходит обеззараживание методом длительного выдерживания (12 месяцев) [16]. Полученное жидкое органическое удобрение вносится на поля (рисунок 3).
Данная технология широко применяется в настоящее время в Ленинградской области и в СЗФО. Согласно технологии, жидкий свиной навоз со свинокомплекса транспортируется к сепаратору, на котором осуществляется разделение навоза на твердую и жидкую фракции. Жидкая фракция обеззараживается методом длительного выдерживания (6 месяцев в весенне-летний период, 9 месяцев – в период осеннего накопления) [16]. Твердая фракция перерабатывается одним из предложенных методов: активное компостирование, пассивное компостирование, биоферментацией в установках камерного типа, биоферментацией в установках барабанного типа (рисунок 4). Полученное органическое удобрение вносится на поля.
Переработка методом пассивного компостирования происходит путем выдерживания смеси в буртах [17]. Активное компостирование в буртах осуществляется методом искусственной аэрации. Переработка твердой фракции в биоферментаторе камерного и барабанного типа осуществляется 7 и 3 суток соответственно. При этом твердая фракция навоза регулярно аэрируется. Технико-экономические показатели технологии представлены в таблице 5. Переработка твердой фракции осуществляется методом пассивного компостирования.
Определение технических параметров операций по переработке свиного навоза
В зависимости от характера изучения технологических процессов применяются различные математические методы исследования.
Наличие множества технологий и технических средств, предназначенных для переработки жидкого свиного навоза, а также различных возможностей свинокомплексов привели к необходимости разработки методов формирования рациональных, наиболее эффективных и адаптированных для заданных условий технологий.
Все математические модели можно условно разделить на два типа: аналитические и статические. Основные количественные показатели действий (технологических операций) связываются аналитическими зависимостями. Система уравнений и служит аналитической моделью. При разработке статистических моделей (имитационные модели, модель Монте-Карло) исходят из того, что производственные действия носят случайный характер, и они подчиняются законам распределения случайных величин (статистические модели позволяют исследовать систему любого типа). Учет вероятностной природы процессов, нелинейности, динамики позволяет сделать статистическую модель адекватной действительности и осуществлять так называемый натурный эксперимент в ускоренном масштабе времени при ее исследовании.
Для нахождения оптимальных решений используются следующие аналитические методы: метод Парето, линейное и нелинейное программирование, использование неопределенных множителей Лагранжа и т.п. [43, 44, 45, 46].
При использовании методов линейного программирования поставленная задача описывается системой линейных уравнений. Это позволяет получить довольно высокую точность. Наиболее распространенный метод решения задач линейного программирования – симплексный метод, также называющийся метод последовательного улучшения плана. Он позволяет найти решение любой задачи линейного программирования, проделав ограниченное количество шагов. При этом каждый из шагов является алгебраическим преобразованием, производимым по установленным правилам.
Методы нелинейного программирования применяют для решения оптимальных задач с нелинейными функциями цели. Нелинейное программирование объединяет группу численных методов, таких как градиентные методы, методы случайного поиска и д.р. [48]. Среди этих методов наиболее разработано квадратичное программирование. Этот метод применяется при решении планово-экономических задач на минимум (максимум) квадратичной функции при линейных ограничениях.
Отдельной разновидностью математических методов реализации модели является динамическое программирование. Его используют при решении задач, в которых анализируемые переменные рассматриваются в динамике, а решение их определяется в зависимости от изменения целевой функции во времени [49]. В таких задачах надо отыскать максимум линейной целевой функции при определенных ограничениях. При выполнении операции, состоящей из m шагов, каждый из которых характеризуется показателем Ki (выигрышем). Функция максимизации (минимизации) имеет вид: Коб = і Kt - max (2)
Нахождение рациональных вариантов машинных технологий может быть представлено методом Парето. Определение эффективности применения выбранной технологии можно осуществить по одному или по нескольким критериям одновременно. Данный класс задач может быть записан в виде следующей оптимизационной задачи: Q(X) - mm , Q(X) - max (3) XGS XGS где Q(X) - скалярная функция, критерий оптимизации; s - множество допустимых состояний Х. Остальные критерии в этом случае используются в качестве ограничений. На практике чаще возникают задачи одновременной оптимизации по нескольким критериям.
Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной приводит к огрублению решения. При этом большую сложность представляет введение ограничений и определение весовых коэффициентов на основе экспертной оценки. Одновременный учет множества критериев возможен в задачах многокритериальной оптимизации, в которых критерий оптимизации Км(Х) является не скаляром, а вектором: Рассмотрение сложных целенаправленных процессов, на основе применения математических и количественных методов для обоснования принимаемых решений, является предметом теории исследования операций. Цель - выбор решений, которые по тем или иным соображениям предпочтительнее остальных. Для применения количественных методов исследования всегда требуется математическая модель. Оценка решения во многом зависит от количественного показателя - критерия оценки.
Основу статических методов составляет изображение явлений и процессов с помощью случайных событий и их поведений, которые описываются соответствующими вероятностными характеристиками и статическими закономерностями.
Статистическое исследование стохастических процессов имеет два подхода. Первый - регрессионный и корреляционный анализ второй - планирование многофакторного эксперимента. Регрессионный анализ проявляется в процедурах сглаживания и механизмах усреднения. Корреляционный анализ оценивает тесноту связи между результативным признаком (зависимой переменной) и факторными признаками. Регрессионный анализ определяет соответствующие параметры связи, форму связи и оценивает достоверность ее существования для выбранного уравнения регрессии.
В сложных объектах выходные параметры зависят от многочисленных внутренних параметров и внешних воздействий. Использование многофакторного эксперимента (МФЭ) дает возможность достаточно просто строить математические модели таких объектов. В основу методологии МФЭ положена концепция системного подхода, предполагающая изучение состояния или поведения объекта при одновременном изменении большого числа факторов.
Полный факторный эксперимент сводится к следующему: выбор математической модели, построение плана, расчет коэффициентов регрессии и оценка их значимости, анализ решений.
Для принятия решений применяют формализованные и неформализованные методы. При неформализованных методах человек принимает решения вообще без всяких обоснований, руководствуясь так называемым здравым смыслом, опытом или интуицией. Принятие формализованных решений – это творчество, такие решения принимаются по четким рекомендациям. Эти решения принимаются на основе двух основных методов: логическом моделировании и оптимизации.
При логическом моделировании используются так называемые правила, которые составляют высококвалифицированные специалисты, а применяют правила пользователи, принимающие решения. Правила определяют, что надо делать в тех или иных случаях. Такие правила являются хорошей подсказкой при принятии решений исполнителями более низкой квалификации.
Принятие оптимальных решений с использованием ПЭВМ имеет два существенных преимущества: дает быстрый ответ на поставленный вопрос и предоставляет возможность широкого экспериментирования, осуществить которое на реальном объекте зачастую просто не возможно [50, 51].
Вопросам принятия решений на основе математических моделей посвящена многочисленная литература, в том числе фундаментальные работы советских ученых А.Г. Аганбегяна, Е.С. Вентцель, Л.В. Канторовича, Н.Н. Моисеева, Г.С. Поспелова, Н.П. Федоренко, Д.Б. Юдина и др.
Методика проведения лабораторных экспериментальных исследований87
В динамических исследованиях во многих случаях оказывается невозможным найти количественные оценки действующих внешних сил, а следовательно, и их равнодействующей. Поэтому при исследованиях гидравлических явлений часто выделяют только одну силу, а действием остальных пренебрегают. В этом случае применяют частные критерии Рейнольдса, Фруда, Вебера и др.
При седиментации жидкой фракции свиного навоза (при отсутствии действия на систему сторонних сил), движение жидкости преимущественно обусловлено действием силы тяжести. В данном случае моделирование осуществляется по критерию Фруда, в основное уравнение динамического подобия (64) вместо силы Р надо подставить значение силы тяжести:
На основании сказанного выше можно заключить, что осаждение жидкой фракции свиного навоза в отстойнике является свободным. При этом, уравнения движения жидкости включают в себя только коэффициенты свойств твердых частиц и самой жидкости, но никаким образом не зависят от параметров отстойника. Следовательно, математические зависимости распределения частиц жидкой фракции свиного навоза одинаковы как для горизонтальных, так и вертикальных отстойников. При использовании полученных экспериментальным путем данных на лабораторной установке для проектирования промышленных установок, необходимо ввести рассмотренные выше коэффициенты подобия
Для реализации алгоритма выбора и оценки адаптивных технологий переработки свиного навоза, необходимо определить оптимальные режимы работы элементов технологии, с целью нахождения требуемых для расчетов коэффициентов.
Глубокая переработка свиного навоза представляет собой многостадийный, сложный процесс, связанный с множеством изменений, протекающими внутри жидкости, как под воздействием физических средств, так и внутренних биолого-химических процессов. Изучение их взаимодействия требует декомпозиции процессов путем разработки общей модели, учитывающей взаимосвязь и взаимодействие процессов, а также моделей протекания отдельных операций и процессов.
В качестве основной математической модели для обоснования технологий, процессов и технических средств в переработке свиного навоза предлагается многоуровневая модель, имеющая трехступенчатую иерархическую структуру, состоящую из следующих уровней: 1. Модели отдельных технологических вариантов: применение циклических отстойников. 2. Технологические операции, представленные как совокупность взаимоувязанных моделей третьего уровня: первичная седиментация, аэрация с вторичной седиментацией, длительное выдерживание. 3. Модели отдельных явлений: потери по массе, потери питательных веществ (общего азота и общего фосфора). Они могут быть записаны в виде формул.
Такой подход позволяет учесть основные особенности технологии переработки свиного навоза как в разрезе технологии и технических средств, так и качественных и количественных показателей получаемого органического удобрения и очищенной жидкости. Формирование зависимостей выполняется последовательно от более низкого уровня к более высокому. Общая структурная модель технологии переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников представлена на рисунке 18. Модель процесса глубокой переработки свиного навоза Общая структурная модель технологии переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников Основными выходными показателями модели являются продолжительность выполнения операции (первичная седиментация, аэрация с вторичной седиментацией, длительное выдерживание), поскольку от ее значения зависит точность выполнения операции и качество получаемого органического удобрения и очищенной жидкости.
Качественные показатели, выражаемые в основном в физических и биологических потерях, оценивают технологическое совершенство операций и, в свою очередь, зависят от продолжительности выполнения операции. Таким образом, в общем виде задача оптимизации отдельной операции состоит в определении состава машин и оборудования, обеспечивающих оптимальность некоторой функции цели.
Технологии глубокой переработки свиного навоза являются многооперационными, в которых каждая последующая операция зависит от предыдущей, и растянута во временном интервале.
При внедрении технологии глубокой переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников в производство, необходимо определить взаимосвязь между размерами отстойника и временем седиментации в нем свиного навоза. Существуют несколько инженерных методик расчета первичных вертикальных отстойников, однако, все они предложены для хозяйственно-бытовых стоков или стоков предприятий химической промышленности. Особенностью же состава сточных вод свинокомплексов (в частности жидкой фракции свиного навоза) является высокое содержание питательных веществ (общего азота, нитратного азота, аммонийного азота, общего фосфора), высокое содержание БПК и ХПК, неоднородность суспензии и значительное количество взвешенных частиц различного диаметра [76].
Расчет отстойников, кроме вторичных после биологической очистки, надлежит производить по кинетике выпадения взвешенных веществ с учетом необходимого эффекта осветления [77]. Для этого необходимо провести поисковые исследования для определения требуемого времени осаждения жидкой фракции в первичном вертикальном отстойнике.
Для промышленных стоков разного вида химических производств установлены средние значения плотностей и размеров осаждаемых частиц, поэтому для этого вида стоков применима методика расчета первичных отстойников через критерий Архимеда и число Рейнольдса [78]. Жидкая фракция свиного навоза не имеет усредненного химического состава. Для каждого животноводческого комплекса он уникален и зависит от системы навозоудаления, системы содержания животных, рациона кормления и др. Кроме того, не полностью выяснены механизмы процессов превращения химических элементов, содержащихся в навозе [79]. Поэтому данная методика расчета в нашем случае не может быть применена.
Результаты исследования вторичной седиментации
Целевой функцией является эколого-экономический показатель по азоту Кээ . Прибылью Ч (расчет по формуле 52) является прибавка урожая (в денежном эквиваленте) за счет внесения полученного органического удобрения; затратами - затраты на сохранение питательных веществ Kspvj+ Espvgj (общего азота и общего фосфора) в получаемом органическом удобрении. При этом, затраты на сохранение питательных веществ включают в себя удельные капитальные и эксплуатационные затраты на реализацию технологии с учетом масс сохраненных питательных веществ (общих азота и фосфора).
Полученная математическая модель позволяет проанализировать возможность адаптации технологии, определить основные управляющие факторы (режимы работы), а также возможные границы изменения показателей технологии при практической реализации.
Разработанная математическая модель включает в себя отдельное моделирование процесса, происходящего с жидкой фракцией свиного навоза на каждой стадии технологии (первичная седиментация, аэрация, вторичная седиментация и длительное выдерживание). Математическая модель также учитывает потери по массе на каждой из технологических операций и потери общего азота и общего фосфора.
В результате исследования технологии были найдены ее оптимальные режимы работы для каждой технологической операции. При этом, полученные данные близки к результатам ранее проведенных исследований по очистке стоков [101, 102, 103]. При данных режимах работы (для выхода жидкой фракции свиного навоза с комплекса 125 т/сутки/ 45625 т/год) за год, получено 7264 тонны твердого органического удобрения, 30681 тонну очищенной жидкости. При этом потери общего азота составили 64 тонны, а потери общего фосфора – 14 тонн.
Эксперимент проводился в лаборатории ИАЭП. Седиментацию наблюдали в мерных цилиндрах (рисунок 46) с последующей имитацией в лабораторных условиях.
Рисунок 46 – Исследование седиментации жидкой фракции свиного навоза
По результатам эксперимента была построена математическая зависимость поправочного коэффициента от времени хранения жидкой фракции свиного навоза (рисунок 47). Данные были обработаны методом математической статистики.
Зависимость поправочного коэффициента от времени хранения жидкой фракции свиного навоза Зная время накопления жидкой фракции в первичном отстойнике, по графику, представленному на рисунке 47, можно определить значение поправочного коэффициента. По значению поправочного коэффициента по графику, представленному на рисунке 19, можно определить радиус первичного вертикального отстойника.
Согласно схеме автоматизированного выбора технологий (рисунок 17) пользователь вводит в программу значения исходных данных по свиноводческому хозяйству (рисунок 48). Необходимо указать специализацию свиноводческого предприятия и систему навозоудаления. При выборе «Другая», расчет ведется по нормативным параметрам для самосплавной системы навозоудаления, как наиболее распространенной в СЗФО.
Возможно два варианта ввода данных – общее поголовье или по половозрастным группам. При выборе общего поголовья, расчет выхода навоза со свинокомплекса производится с учетом укрупненных коэффициентов; при указании точного поголовья по половозрастным группам, расчет выхода навоза считается по нормативным данным.
В случае реконструкции уже имеющегося свинокомплекса при наличии данных о суточном выходе навоза и его влажности, эти данные необходимо ввести в нижеуказанные поля (рисунок 49).
Программа рассчитает суточный выход навоза со свинокомплекса и влажность образуемого навоза, сравнивает расчетные данные с введенными пользователем (рисунок 50). В случае расхождения данных более чем на 20%, программа выдает предупреждение об этом, и дальнейший расчет ведется по расчетным данным. В случае попадания введенного значения в область 20%, дальнейший расчет ведется по введенным значениям.
На следующем шаге, пользователю необходимо указать параметры, необходимые для первичного отбора технологий (рисунок 51).
Интерфейс ввода параметров свинокомплекса Пользователю необходимо указать планируемую доступную электрическую мощность предприятия (максимальное значение при условии одновременного включения всего оборудования). Также необходимо указать имеющиеся собственные земельные угодья, которые могут быть задействованы для внесения получаемого органического удобрения. Если у свинокомплекса есть договоренность с растениеводческими предприятиями о внесении получаемого органического удобрения на их поля, то необходимо также указать дополнительные площади земельных угодий.