Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса и задачи исследования...
1.1. Значение органического удобрения в сельскохозяйственном производстве 9
1.2. Агротехнические требования к приготовлению компоста 14
1.3. Существующие технологии приготовления компоста 16
1.4. Обзор существующих средств для разделения щепы на фракции
1.5. Анализ исследований процесса приготовления компоста 37
1.6. Цель и задачи исследования 40
ГЛАВА 2. Теоретические основы компостирования отходов животноводства и деревообработки
2.1. Модели функционирования системы компостирования отходов животноводства и деревообработки 41
2.2. Уравнение теплового баланса при компостировании навоза и отходов деревообработки
2.3. Вывод 51
ГЛАВА 3, Программа и методика исследования
3.1. Объект и программа экспериментальных исследований 59
3.2. Общая методика экспериментальных исследований, описание оборудования, измерительных приборов
3.3. Температурный режим и теплофизические параметры бурта компоста
3.4. Методика определения агрохимических свойств готового компоста
3.5. Лабораторная установка для сепарации отходов деревообработки
3.6. Методика обработки экспериментальных данных 74
ГЛАВА 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований...
4.1. Температурный режим бурта компоста 77
4.2. Определение удельного тепловыделения при биотермическом разложении органического вещества компоста
4.3. Результаты планирования эксперимента 89
4.4. Рациональные параметры дискового сепаратора 95
4.5. Результаты агрохимических анализов 97
4.6. Результаты полевых опытов и экологические аспекты 102
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность результатов исследований.
5.1. Исходные данные для расчета экономической эффективности результатов исследования 108
5.2. Производственныс испытания 110
5.3. Методика расчета экономической эффективности 111
5.4. Расчет показателей эффективности результатов исследований... 116
Основные выводы 120
Литература 122
Приложение 137
- Значение органического удобрения в сельскохозяйственном производстве
- Модели функционирования системы компостирования отходов животноводства и деревообработки
- Объект и программа экспериментальных исследований
- Температурный режим бурта компоста
- Исходные данные для расчета экономической эффективности результатов исследования
Введение к работе
Актуальность темы. Повышение плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур было и остается одной из важнейших проблем сельскохозяйственного производства. Одним из основных источников повышения урожайности сельскохозяйственных культур является использование органических удобрений, полученных из отходов КРС и деревообработки. Их неполное использование в связи с ростом стоимости минеральных удобрений наряду с экологическими проблемами приводит к снижению плодородия почв, повсеместной потере гумуса.
При компостировании навоза крупного рогатого скота с опилками и другими отходами деревообработки получаются органоминеральные удобрения, которые способствуют обогащению почвы не только элементами питания, но и микрофлорой, и являются стабилизатором биологической активности почвы, улучшают ее агрофизические и агрохимические свойства.
У существующих способов и методов переработки навоза КРС и отходов деревообработки - недостаточная производительность используемого оборудования, сложный технологический процесс, и высокая себестоимость.
В связи с этим, возникает необходимость усовершенствования технологий и технических средств приготовления компоста из навоза КРС и отходов деревообработки, это при том, что на территории Забайкалья скопилось огромное количество отходов деревообработки (опилки, кора, щепа и др.), что позволит получить качественное, причем дешевое, органическое удобрение. Кроме того, при использовании данной технологии будут разрешены обострившиеся экологические проблемы.
Цель работы и задачи исследования.
Обоснование и разработка технологии утилизации навоза КРС компостированием в термофильном режиме с использованием отсортированных отходов деревообработки.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: 1. Разработка динамической модели процесса приготовления компоста из
навоза КРС и отходов деревообработки.
Обоснование технологии приготовления компоста в термофильном режиме с использованием отсортированных отходов деревообработки.
Разработка и изготовление опытного образца дискового сепаратора для сортировки отходов деревообработки.
Производственные испытания предлагаемой технологии и определение ее экономической эффективности.
Научная новизна работы:
разработана математическая модель биотермического процесса приготовления компоста из навоза и отходов деревообработки;
обоснованы параметры и режимы компостирования навоза КРС с древесными отходами;
разработана конструкция дискового сепаратора для разделения отходов.
Техническая новизна работы подтверждена двумя патентами РФ.
Методика исследования предусматривает применение методов прикладной математики и математического анализа при проведении теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились с учетом соответствующих стандартов и методов планирования многофакторного эксперимента. Обработка данных проводилась методами математической статистики.
Практическая значимость:
- разработаны рекомендации по технологии производства компоста из на
воза КРС и отходов деревообработки.
Объект исследования - технологический процесс приготовления компоста из навоза и древесных отходов.
Предмет исследования - закономерности взаимодействия компоста с рабочими органами системы машин.
Апробация. Результаты исследований докладывались на заседаниях технических советов Министерства сельского хозяйства Республики Бурятия и Бурятской ГСХА; на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Бурятской ГСХА (с 1989 по 2006 г.); региональных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы АПК и
5 механизации сельского хозяйства» в 2001, 2002 гг., международной научно-практической конференции БГСХА «Агроинженерная наука: проблемы и перспективы развития» в 2005 г., научно-практических конференциях ВСГТУ в 2001 г. и БГУ в 2002 г.
Реализация результатов исследования:
внедрена технология приготовления компоста из отходов деревообработки и навоза КРС в ООО «Сельхозпроизводители Бурятии», СПК «Байкало-Кударинский» и СПК «Твороговский» Кабанского района Республики Бурятия;
рекомендована методика по применению технологии утилизации навоза КРС и отходов деревообработки в хозяйствах Республики Бурятия.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 9 работ общим объемом в 13,1 п.л., в том числе две монографии и 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Она включает 17 таблицы, 37 рисунков, 3 приложения. Список литературы включает 154 наименования, из них 8 на иностранных языках.
Значение органического удобрения в сельскохозяйственном производстве
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что для воспроизводства и систематического повышения плодородия почв, а также роста продуктивности сельскохозяйственных культур следует применять органические удобрения: различные виды навоза, птичий помет, излишки соломы, торф, лигнин, сапропель, зеленые удобрения и другие [43,44].
С внесением органических удобрений улучшается микробиологическая деятельность в почве, так как при этом в нее поступают микроорганизмы и органические вещества. Органические удобрения улучшают физические свойства почвы, поглотительную способность, буферность и другие показатели, характеризующие ее плодородие [43,44,48].
В процессе производства продукции животноводства и птицеводства наблюдается концентрация животных и птицы, при этом структура и качество органических удобрений изменились. Значительно сократилась доля наиболее ценного подстилочного навоза, которая теперь составляет только 25 % общей массы удобрений, так как большая часть соломы используется на корм, а применение механизированных средств для уборки навоза и помета резко сократило использование соломы на подстилку. В свою очередь на фермах отсутствуют высокоэффективные механизированные технологии производства органических компостов с использованием древесных отходов, соломы и торфа. На долю компостов приходится около 30 % общего объема производимых органических удобрений [23]. Одновременно увеличился выход бесподстилочного полужидкого, жидкого навоза и навозных стоков. По содержанию сухого вещества и коэффициентам воспроизводства гумуса различные удобрения неравноценны. Бесподстилочный полужидкий и жидкий навоз, навозные стоки содержат сухого вещества соответственно 7 - 10, 3 - 7 и менее 3 % и по влиянию на воспроизводство гумуса почвы эквивалентны примерно 0,5, 0,25 и 0,1 ед. подстилочного навоза. Торфонавозные компосты накапливают гумуса в почве на 15 - 20% больше обычного навоза [43,44]
Наукой и практикой установлено, что внесение свежего навоза не дает должного эффекта в первый год, так как требуется длительное время для раз вития микроорганизмов на начальном этапе, которые разлагают свежее орга ническое вещество помета на элементы в доступной форме питания для расте ний. В период выдерживания навоза в хранилищах в нем происходит сложный биохимический процесс. Под действием микроорганизмов значительное коли чество органического вещества в помете разрушается. Особенно большие по тери органического вещества были выявлены при рыхлом хранении на воза крупного рогатого скота.
Модели функционирования системы компостирования отходов животноводства и деревообработки
При компостировании (аэробной ферментации) органических материалов протекает огромное число реакций, необходимых для роста, размножения и поддержания жизнедеятельности микроорганизмов. Большинство реакций носит ферментативный характер. Для нормального протекания всех реакций необходимы контроль и регулирование процесса ферментации. Это осуществляется определенным соотношением органического материала в компостируемой смеси, его влажностью, достаточной аэрацией, однородностью смеси и т.д. Оперативное управление микробиологическими процессами осуществляется на основе знаний массо- и теплообмена в процессе.
Для роста и размножения микроорганизмов необходимы питательные вещества, удовлетворяющие их потребности в структурных элементах и энергии. Основные химические элементы необходимые микроорганизмам в боль7 ших количествах, это углерод, азот, кислород и водород. Кроме этого, им также необходимы и микроэлементы.
Для детального исследования сложных технологических процессов при ко.мпостировании органических материалов наиболее приемлемым является системный подход к анализу процесса с использованием метода математического моделирования. Учитывая сложность технологического процесса со многими входными воздействиями, изменяющимися случайным образом во времени при создании математической модели, удобнее оптимизацию параметров процесса произвести по каждой технологической линии, представленной в целом в процессе. То есть необходимо разработать блочную модель, которая дает возможность при сохранении основного костяка модели дополнять ее отдельными блоками по мере выявления различных факторов, в различных технологических линиях влияющих на конечный выходной параметр.
Для построения динамической модели компостирования органических материалов примем два допущения:
1. Концентрация органических материалов компостной смеси, влажность, соотношение углерода к азоту, аэрация, габаритные размеры бурта по всему поперечному и продольному сечению постоянны.
2. Изменения параметров окружающей среды в период постановки опыта считать незначительными.
Объект и программа экспериментальных исследований
В программу экспериментальных исследований входили: агрохимические анализы исходного навоза, щепы, опилок и компоста из них; измерение температуры бурта компоста от начала закладки до внесения; определение теплофи-зических параметров бурта компоста; почвенные анализы по степени накопле-ния гумуса и основных элементов питания растений при различных дозах внесения компоста; установление влияния различных доз компоста на урожайность сельскохозяйственных культур..
Объектом исследования являются физиологические процессы, протекающие в реальном бурте (навоз КРС. с влажность до ...91% в смеси с древесными опилками влажностью 35...40%) с учетом внешних физических воздействий среды, которые невозможно смоделировать в условиях лаборатории. Поэтому основные теоретические разработки по технологии изготовления компоста на открытой площадке проверялись на типовом оборудовании и экспериментальной установке. Полученные результаты сравнивались с результатами существующих технологий.
Экспериментальные исследования проводились с целью: подтверждения целесообразности приготовления компоста из полужидкого навоза и отсортированных отходов деревообработки; рационального выбора соотношения компонентов; оценки внесения отдельных управляющих и возмущающих факторов па протяжении технологического процесса; правильности выбора количества и места расположения датчиков температуры; определить основные параметры дискового сепаратора для сортирования отходов деревообработки.
Поскольку предметом исследования является изучение возможности управления физиологическими процессами в бурте, то программой исследования предусмотрено следующее:
1) исследование технологического процесса компоста в реальных условиях хозяйств на имеющемся типовом оборудовании;
2) разработка экспериментальных установок для осуществления технологии приготовления компоста из полужидкого навоза и отходов деревообработки;
3) исследования технологического процесса компоста на экспериментальной установке и исследование тепловых процессов, протекающих в бурте в период осень - зима - весна.
class4 Результаты и анализ экспериментальных исследований. class4 ..
Температурный режим бурта компоста
В качестве параметра, характеризующего тепловыделения при биотермическом разложении компоста, нами принята температура разогрева смеси в зависимости от её влажности, от соотношения .ON, условий закладки и времени хранения компоста.
Тепловыделения связаны в основном с концентрацией органического вещества в смеси и соотношения углерода к азоту. Соотношение углерода к азоту зависит от количества влагопоглащающих материалов, вводимых в компост для доведения влажности смеси до 60-70, при которой наиболее интенсивно протекает биотермический процесс. С введением, опилок, соотношение углерода и азота изменяется. На рис.4.1. показан характер изменения соотношения C:N при различных дозах внесения опилок в компост. Увеличение доз опилок (уменьшение объёмного отношения навоза, и опилок) повышает концентрацию органического вещества в компосте (уменьшение отношения C:N). По требованиям к органическим удобрениям и их компонентам соотношение C:N должно быть в пределах (18-20):1 /23/. Увеличение влажности WCM, % компоста снижается Сова интенсифицирует температурный режим компоста. (рис.4.2.), т.к. тепловыделения в основном связаны с разложением высокомолекулярных соединений органического вещества компоста, составным элементом которого является углерод.
На рис.4.3. показана динамика изменения (темп нарастания) температуры разогрева смеси при различных соотношениях C:N. Из характера протекания кривых можно заметить, что при больших значениях C:N темп нарастания тем- І пературы в бурте компоста выше. Так при C:N = 29:1 (кривая 1) температура разогрева смеси достигает своего максимального значения на пятый день, а то- гда как при C:N =12:1 - на 8 день после укладки. Кроме этого, как видим, имеется также разница в максимальных значениях температуры разогрева смеси: 56С при C:N = 20:1 и 510 .npnC:N =12:1.
Температурный режим бурта компоста не однороден по толщине бурта (4.4). С увеличением толщины бурта и его максимальное значение темпа нарастания температуры падает. Связано это с тем, что с увеличением толщины укладки бурта ухудшаются аэрационные свойства бурта. С уменьшением количества поступающего кислорода воздуха в бурт, с увеличением его глубины интенсивность деятельности микроорганизмов по окислению органического вещества компоста ослабевает.
В значительной мере температурный режим зависит от влажности смеси, условий закладки и температуры окружающей среды. Опытами установлено, что максимальное значение температуры разогрева смеси доходит при ее влажности до 65-70% (рис.4.5). При влажности смеси выше 70% темп нарастания температуры по дням и её максимальное значение падают. Такая же картина наблюдается при влажности смеси менее 40%.
Исходные данные для расчета экономической эффективности результатов исследования
Производственные испытания технологии производства компоста из на-воза КРС и отходов деревообработки и расчеты экономической эффективности, проведенные в ООО «Сельхозпроизводители Республики Бурятия», на территории которого расположены молочнотоварная ферма крупного рогатого скота, позволили рекомендовать предлагаемую технологию производства компоста с разработанным дисковым сепаратором во всех хозяйствах Республики Бурятия.
Как видно из представленных данных, расход щепы растет с увеличением её влажности, поэтому для приготовления компоста следует использовать щепу влажностью не более 50%.
Из таблицы 5.1 следует, что суточная потребность в щепе влажностью 45% при влажности навоза 91% составляет, при этом получают 26 т навоза в сутки. В процессе компостирования происходит распад органического вещества и теряется часть влаги, выход готового продукта (компоста) снижается на 10...20% [46] годовой выход готового продукта составит:
Из таблицы 5.1 также следует, что самыми экономичными с точки зрения расхода влаго поглотительного материала являются ком посты влажностью 70%. Целесообразность проведения процессов компостирования на смесях данной влажности подтверждена также результатами экспериментального исследования.
