«ИНСТИТУТ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ …

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

«ИНСТИТУТ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА»

На правах рукописи

Шалавина Екатерина Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА

ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И

ФОРМИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.20.01 – «Технологии и средства механизации сельского

хозяйства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель –

кандидат технических наук, доцент

БРЮХАНОВ

АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

Санкт-Петербург - 2015

2

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................................................... 4

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 ............................................................................................................. 83

3

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 ИССЛЕДОВАНИЙ87

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

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Пример расчета распределения массы при первичной седиментации ........ 139

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Экспериментальные данные................................................................................... 143

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Патент №139469 ........................................................................................................ 149

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Патент №145378 ........................................................................................................ 150

ПРИЛОЖЕН ИЕ 5. Акт внедрения ........................................................................................................... 151

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Диплом ........................................................................................................................ 152

4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В Северо-Западном Федеральном

Округе расположено более 600 крупных животноводческих предприятий,

включающих свиноводство, птицеводство и крупный рогатый скот (КРС). Эти

предприятия занимают суммарно более 5 миллионов гектар

сельскохозяйственных угодий, в них содержится более 920 тысяч голов КРС,

около 520 тысяч свиней и более 30 миллионов голов птицы.

Одним из положений стратегии социально-экономического развития

Северо-Западного Федерального Округа на период до 2020 года является развитие

агропромышленного комплекса, в котором свиноводство является одним из

приоритетных направлений. Основным направлением будет увеличение объема

производства сельскохозяйственной продукции, необходимой для

импортозамещения и, в итоге, для обеспечения продовольственной безопасности.

Ленинградская область является одним из лидеров по производству

животноводческой продукции в СЗФО; на нее приходится более 150 тысяч голов

свиней. Начиная с 2004 года, в Ленинградской области наблюдается устойчивый

рост поголовья свиней.

Развитие свиноводства на промышленной основе привело к резкому

увеличению образующегося на свинокомплексах жидкого свиного навоза.

Кроме того, вследствие сброса недостаточно очищенных

сельскохозяйственных стоков практически повсеместно происходит загрязнение

водных объектов и всей окружающей среды. Применение навоза в свежем виде в

качестве удобрения приводит не только к загрязнению окружающей среды, но и к

заражению сельскохозяйственных культур болезнетворными микробами [1].

На крупных свиноводческих комплексах с поголовьем более 10000 голов

образуется в сутки более 115 тонн жидкого свиного навоза, который необходимо

перерабатывать в соответствие с различными технологиями, отвечающими

нормам технологического проектирования. Однако на многих животноводческих

комплексах отсутствует в достаточной степени надежное и

5

высокопроизводительное оборудование, необходимое для переработки всего

образующегося жидкого свиного навоза.

Вследствие этого не все крупные животноводческие комплексы получают

конечные продукты переработки навоза, удовлетворяющие агротехнологическим

и санитарным требованиям [2, 3]. При этом экологический ущерб (на примере

Ленинградской области) может составить 4,5 миллиарда рублей в год.

Вопрос повышения эффективности переработки жидкого свиного навоза

является актуальным, а существующая проблема еще не 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

технологий переработки жидкого свиного навоза в промышленных масштабах.

Результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы

при разработке рекомендаций, проектных предложений и проектов для

конкретных хозяйств, при строительстве новых и модернизации действующих

животноводческих комплексов.

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:

6

- 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 получены необходимые значения коэффициентов для

расчета технологических параметров;

- обоснована технологической 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 свиноводческом

комплексе «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.

7

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 статьях, 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.

8

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПОДОТРАСЛИ СВИНОВОДСТВА

Повышение эффективности сельскохозяйственного производства – одна из

важнейших экономических проблем, от решения которой зависит

продовольственная безопасность страны и уровень жизни населения. В

современных условиях развития сельского хозяйства важным становится выбор

наиболее эффективных производств. В этой связи особую значимость имеет

свиноводство как наиболее распространенная и традиционная для России отрасль

с большими потенциальными возможностями.

В 90-е годы в отрасли произошли негативные изменения: резко сократились

поголовье свиней в сельхозпредприятиях, которое начало увеличиваться только в

2000-е годы [4, 5]. Динамика изменения среднегодового поголовья свиней в

СЗФО (по состоянию на 1 декабря) представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Динамика изменения среднегодового поголовья свиней в

сельскохозяйственных предприятиях СЗФО

Северо-Западный федеральный округ занимает важное место в

экономической жизни России, как по своему географическому положению, так и

вследствие особой специфики экономики. Эта специфика в первую очередь

определяется тем, что промышленное производство в округе в равной степени

0,200,400,600,800,

1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000,

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

тыся

ч го

ло

в

годы

9

развито как в высокотехнологичных отраслях (машиностроение, химия, пищевая

и легкая промышленность), так и в отраслях сырьевого характера (нефть, лес,

рыбная промышленность, сельское хозяйство).

Более 27% сельскохозяйственной продукции СЗФО приходится на

Ленинградскую область.

За последние десятилетия свиноводство Ленинградской области претерпело

большие изменения.

В 1990 году поголовье свиней в сельхозпредприятиях составляло 551 тыс.

голов, к 1999 году сократилось до 92,2 тыс. голов, а в 2005 году насчитывалось

33,6 тыс. голов. В 2004 -2005 годах поголовье достигло минимума, а с 2006 года

наблюдалась тенденция роста поголовья свиней. За период с 2005 года поголовье

увеличилось более чем в 4 раза и составило 146,6 тыс голов в 2009 году [6].

Однако после 2012 года рост поголовья замедлился и к концу 2014 года поголовье

свиней составило 191,7 тыс. голов, всего 100,5% к уровню 2013 года. Динамика

изменения среднегодового поголовья свиней в Ленинградской области

представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Динамика изменения среднегодового поголовья свиней в

сельскохозяйственных предприятиях в Ленинградской области

Развитие агропромышленного комплекса, предусмотренное стратегией

развития до 2020 года, несомненно, вызовет в ближайшем будущем рост

0,

100,

200,

300,

400,

500,

600,

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

тыся

ч го

ло

в

годы

10

поголовья свиней в Ленинградской области, а это в свою очередь еще больше

обострит проблему повышения эффективности переработки свиного навоза.

В 2012 году закончилась реализация программы «Развитие свиноводства в

Российской Федерации на 2010-2012 годы». Результатом программы стало

увеличение производства свинины до 2,7 млн. тонн. 10 августа 2011 года был

подписан приказ Минсельхоза РФ № 267 «Об утверждении стратегии развития

мясного животноводства в Российской Федерации до 2020 года». Разработан

проект отраслевой программы «Развитие свиноводства в 2010-2015 годы и на

период до 2020 года». Целью данной программы является создание в

Ленинградской области благоприятных условий для развития свиноводства,

повышения его конкурентоспособности и обеспечение на этой основе роста

объемов реализации высококачественной свинины на продовольственном рынке

региона.

1.2 ИСТОЧНИКИ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СВИНОВОДЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

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:

1. 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.

11

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).

Таблица 1.

Коды навоза и помета по федеральному классификационному каталогу отходов

(ФККО)

Код Наименование Класс

опасности

1310010103013 Навоз от свиней свежий 3

1310010103004 Навоз от свиней перепревший 4

Химические свойства жидкого свиного навоза определяются содержанием

питательных веществ (азот, фосфор, калий и микроэлементы). Усредненный

химический состав свиного навоза, полученный по результатам исследований в

ГНУ СЗНИИМЭСХ (ИАЭП) за 2010-2015 годы представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Усредненный химический состав свиного навоза (2010-2015 годы)

Влажность,

%

Общий

азот, %

Азот

аммонийный,

%

Азот

нитратный,

%

Фосфор

общий, %

Зольность

на сухое

вещество,

%

94 0,55 0,18 0,0115 0,14 19

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,

12

получаемого при бесподстилочном содержании животных [8]. В процессе

исследований был получен усредненный химический состав жидкого свиного

навоза, представленный в таблице 3.

Таблица 3.

Усредненный химический состав свиного навоза (1973-1975 годы)

Влажность,

%

Общий

азот, %

Азот

аммиачный,

%

Фосфор

общий, %

97 0,16 0,07 0,035

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

13

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.

1.3 АНАЛИЗ СИСТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКОГО СВИНОГО НАВОЗА

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.

14

1.3.1 ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА МЕТОДОМ

ДЛИТЕЛЬНОГО ВЫДЕРЖИВАНИЯ И ВНЕСЕНИЯ НА ПОЛЯ

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).

ТРАНСПОРТИРОВКА

И ЗАГРУЗКА

ЖИДКОГО НАВОЗА

ПЕРЕРАБОТКА

МЕТОДОМ

ДЛИТЕЛЬНОГО

ВЫДЕРЖИВАНИЯ

ВЫГРУЗКА

ЖИДКОГО

ОРГАНИЧЕСКОГО

УДОБРЕНИЯ И


ВНЕСЕНИЕ

ЖИДКОГО


УДОБРЕНИЯ НА

ПОЛЯ

ОБРАЗОВАНИЕ

НАВОЗА

Рисунок 3 – Блок-схема технологии переработки навоза методом длительного

выдерживания и внесения на поля (1 техн. в таблице 10)

Технико-экономические показатели технологии представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Технико-экономические показатели

Показатель Значение

Масса сохраненного общего азота на 1 м3 образованного навоза, кг/м

3 4,5

Масса сохраненного общего фосфора на 1 м3 образованного навоза, кг/м

3 1

Удельные капитальные затраты за год, тыс. руб./т 2,37

Удельные эксплуатационные затраты за год, тыс. руб./т 0,13

Преимущества:

1. широкий диапазон влажности навоза;

2. технология содержит всего 5 технологических операций;

3. отсутствие постоянного контроля квалифицированным персоналом за

процессом переработки;

4. простота конструкции навозохранилища.

Недостатки:

1. значительные площади сельскохозяйственных угодий для внесения

полученного жидкого органического удобрения;

15

2. значительные капитальные затраты на постройку навозохранилищ;

3. большие сроки переработки.

1.3.2 ТЕХНОЛОГИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НАВОЗА НА ФРАКЦИИ С

ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ПЕРЕРАБОТКОЙ ТВЕРДОЙ И ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ

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.


Переработка твердой фракции осуществляется методом пассивного

компостирования.

Таблица 5.



Масса сохраненного общего азота на 1 м3 образованного навоза, кг/м

3 3,5

Масса сохраненного общего фосфора на 1 м3 образованного навоза, кг/м

3 0,9



16


НАВОЗА

ГРУБОЕ

РАЗДЕЛЕНИЕ НА

ФРАКЦИИ

ТВЕРДАЯ ФРАКЦИЯ

ЖИДКАЯ ФРАКЦИЯ

ПЕРЕРАБОТКА МЕТОДОМ

ДЛИТЕЛЬНОГО

ВЫДЕРЖИВАНИЯ


И ЗАГРУЗКА

ЖИДКОГО НАВОЗА

ПРОМЕЖУТОЧНОЕ

ХРАНЕНИЕ

ВЫГРУЗКА И

ТРАНСПОРТИРОВКА ЖИДКОГО

ОРГАНИЧЕСКОГО УДОБРЕНИЯ

ВНЕСЕНИЕ ЖИДКОГО


УДОБРЕНИЯ


МЕТОДОМ

АКТИВНОГО

КОМПОСТИРОВАНИЯ

ПОГРУЗКА И

ТРАНСПОРТИРОВКА ТВЕРДОГО

ОРГАНИЧЕСКОГО УДОБРЕНИЯ

ВНЕСЕНИЕ

ТВЕРДОГО


УДОБРЕНИЯ

ТРАНСПОРТИРОВКА И

ЗАГРУЗКА ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ

ТРАНСПОРТИРОВКА И

ЗАГРУЗКА ТВЕРДОЙ ФРАКЦИИ


МЕТОДОМ

ПАССИВНОГО

КОМПОСТИРОВАНИЯ


МЕТОДОМ

БИОФЕРМЕНТАЦИИ В

УСТАНОВКЕ

КАМЕРНОГО ТИПА


МЕТОДОМ

БИОФЕРМЕНТАЦИИ В

УСТАНОВКЕ

БАРАБАННОГО ТИПА

Рисунок 4 - Блок – схема технологии разделения навоза на фракции с

последующей переработкой твердой и жидкой фракции (2 техн. в таблице 10)

Преимущества:

1. не требуется влагопоглощающий материал при компостировании и

биоферментации;

2. уменьшение объемов навозохранилищ (и, соответственно, затрат) за счет

выделения твердой фракции;

3. простота технологии.


1. наличие сельхозугодий с соответствующими культурами для внесения

твердого и жидкого органического удобрения;

2. наличие технических средств и технологического оборудования для

внесения двух видов органического удобрения;

3. высокие капитальные затраты.

17

1.3.3 ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА

Технологии глубокой переработки свиного навоза включают в себя

многостадийные процессы, на каждом из которых происходит понижение

концентрации питательных веществ (общего азота и общего фосфора) в

очищаемой жидкости и концентрация этих веществ в получаемом твердом

органическом удобрении. Существует несколько технологий глубокой

переработки. Пример многостадийных технологий представлен на

свинокомплексе с выходом навоза 150 т/сутки и влажностью навоза 93,4% [18].

Технология переработки свиного навоза с использованием шандорных

отстойников

Жидкий свиной навоз со свинокомплекса по трубопроводу подается в

приемный резервуар сепаратора. После сепаратора жидкая фракция по

трубопроводу подается в шандорные отстойники (отстойники заполняются

поочередно). Жидкая фракция находится в шандорных отстойниках 6 месяцев (до

полного отхода осветленной жидкости). После шандорного отстойника

осветленная жидкость подается по трубопроводу в накопители. Осадок из

шандорного отстойника и твердая фракция после сепаратора транспортируются

на бетонированную площадку для дальнейшего обеззараживания методом

пассивного компостирования.

В накопителях осветленная жидкость находится холодное время года (с

октября по апрель). В апреле начинается поступление осветленной жидкости в

каскад биологических прудов: пруд деаммонификатор, водорослевый пруд,

рачковый пруд, рыбоводный пруд, пруд чистой воды. После биологических

прудов очищенная жидкость поступает в водоемы (рисунок 5).

18

СВИНОКОМПЛЕКС СЕПАРАТОР

БЕТОНИРОВАННАЯ

ПЛОЩАДКА

ШАНДОРНЫЙ

ОТСТОЙНИК

(6 мес)

Свиной навоз

150 т/сутки

влажность

93,4%

Твердая фракция

24,4 т/сутки

влажность 71,6%

Жидкая фракция

125,6 т/сутки


Ячейка сита

0,25 мм

Объем 23000 куб м

(3 отстойника по

7700 куб м)

Размеры

20х80 метров

НАКОПИТЕЛЬ

ОСВЕТЛЕННОЙ

ЖИДКОСТИОсветленная

жидкость

107,6 т/сутки

влажность 99%


(2 накопителя по

11000 куб м)

ПРУД

ДЕАММОНИФИ

КАТОРОбъем 4000 куб м

В теплое

время года

(165 суток)

ВОДОРОСЛЕВЫЙ

ПРУД

Объем 10000

куб м

РАЧКОВЫЙ

ПРУД

Объем 10000

куб м

РЫБОВОДНЫЙ

ПРУД


ПРУД

ЧИСТОЙ ВОДЫ

39000 тонн в

год

Водоем

Поля

Осадок

18 т/сутки

влажность

85%10800 тонн в

год


Рисунок 5 - Балансовая схема технологии переработки навоза с использованием

шандорных отстойников (3 техн. в таблице 10)


Таблица 6.



Масса сохраненного общего азота за на 1 м3 образованного навоза, кг/м

3 2

Масса сохраненного общего фосфора за на 1 м3 образованного навоза, кг/м

3 0,8



Данная технология широко использовалась в 1990-х годах и была внедрена

на свинокомплексах Новгородской области [19].

Технология переработки свиного навоза в аэротенках

В аэротенках осуществляется биологическая очистка свиного навоза

искусственным образом [20]. Проектирование сооружений искусственной

биологической очистки жидкой фракции рекомендуется при недостатке площадей

сельскохозяйственных угодий для внесения и неблагоприятных климатических

условий при соответствующем технико-экономическом обосновании по

согласованию с территориальными органами государственного экологического

контроля, ветеринарного и санитарного надзора [21].

19

Технология переработки свиного навоза в аэротенках с использованием узла

флокуляции



трубопроводу подается в первичные вертикальные отстойники. Из первичного

отстойника осветленная жидкость самотеком попадает в аэротенк.

Осадок из первичных отстойников подается на сепаратор после узла

флокуляции. Обезвоженный осадок и твердая фракция свиного навоза

транспортируются на бетонированную площадку для дальнейшего

обеззараживания методом пассивного компостирования. Осветленная жидкость

после сепаратора по трубопроводу подается для биологической очистки в

аэротенк.

Осветленная жидкость из аэротенка вместе с активным илом самотеком

поступает во вторичные отстойники. Активный ил из вторичного отстойника по

трубопроводу возвращается в аэротенк, очищенная жидкость по трубопроводу

подается в полевые хранилища. В теплое время года (с апреля по октябрь)

осуществляется спуск жидкости на поля орошения или поля фильтрации (рисунок

6).

СВИНО-

КОМПЛЕКССЕПАРАТОР


ПЛОЩАДКА


150 т/сутки

влажность

93,4%

Твердая

фракция

24,4 т/сутки

влажность

71,6%

Жидкая

фракция

125,6 т/сутки

влажность

96,1%


0,25 мм

Поля

орошения

или

поля

фильтрации

Поля

ПЕРВИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК

СЕПАРАТОР

БАК

ФЛОКУЛЯ

НТА

Твердая

фракция

20 т/сутки

влажность

80%

Осветленная

жидкость

50 т/сутки

влажность

97%

Осадок

75,6 т/сутки

влажность

92%

Жидкая

фракция

55,6 т/сутки

влажность

95%

АЭРОТЕНК


(2 отстойника

по 70 куб м) Объем 120 куб м

ВТОРИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК


жидкость и

активный ил

120 т/сутки



60 куб м)


жидкость

100 т/сутки

влажность

98%

Избыточн

ый

активный

ил

10 т/

сутки

Размеры

20х60 метров

ПОЛЕВОЕ

ХРАНИЛИЩЕ


(2 хранилища по

15000 куб м)

11300 тонн в год



узла флокуляции (4 техн. в таблице 10)

20


Таблица 7.




3 3,3


3 0,87



Данная технология также широко использовалась в 1990-х годах и была

внедрена на свинокомплексе «Новгородский» [22].

Технология переработки свиного навоза в аэротенках с использованием

коагулятора



трубопроводу подается в первичные вертикальные отстойники. Из первичного

отстойника осветленная жидкость подается в коагулятор. Твердая фракция

транспортируется на бетонированную площадку. Осадок из первичных

отстойников транспортируется в осадкоуплотнитель.

Из коагулятора жидкость по трубопроводу подается в отстойник

коагулированной жидкости, из которого осветленная жидкость по трубопроводу

подается в аэротенк 1 ступени, а осадок транспортируется в осадкоуплотнитель.

Из осадкоуплотнителя осветленная жидкость по трубопроводу подается в

аэротенк 1 ступени, а обезвоженный осадок транспортируется на бетонированную

площадку для обеззараживания методом пассивного компостирования.

Очищенная жидкость с активным илом из аэротенка 1 ступени самотеком

поступает во вторичный отстойник 1 ступени. Активный ил по трубопроводу

возвращается в аэротенк 1 ступени. Осветленная жидкость по трубопроводу

подается в аэротенк 2 ступени.

Из аэротенка 2 ступени очищенная жидкость и активный ил самотеком

поступают во вторичный отстойник 2 ступени. Активный ил по трубопроводу

21

возвращается в аэротенк 2 ступени. Осветленная жидкость по трубопроводу

подается в полевые хранилища. Из полевых хранилищ в теплое время года (с

апреля по октябрь) осуществляется сброс очищенной жидкости на поля

фильтрации (рисунок 7).

СВИНО-



ПЛОЩАДКА


150 т/сутки



24,4 т/сутки


Жидкая

фракция

125,6 т/сутки

влажность

96,1%


0,25 мм

Поля

ПЕРВИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК


жидкость

50 т/сутки


Осадок

75,6 т/сутки


АЭРОТЕНК

1 СТУПЕНИ



70 куб м)


ВТОРИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК

1 СТУПЕНИ

Ос

ве

тл

ен

на

я

жи

дко

ст

ь и

акт

ив

ны

й и

л

11

0 т

/су

тки


(2 отстойника

по 60 куб м)


жидкость

100 т/сутки


Изб

ыт

оч

ны

й

акт

ив

ны

й и

л

10

т/с

ут

ки

ОСАДКОУПЛОТНИТЕЛЬ

КОАГУЛЯТОР

ОТСТОЙНИК

КОАГУЛИРОВАННОЙ

ЖИДКОСТИ

Коагулированная

жидкость

50 т/сутки

Осадок

10 т/сутки


жидкость

40 т/сутки


Осветленная жидкость

60 т/сутки

АЭРОТЕНК

2 СТУПЕНИ

ВТОРИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК

2 СТУПЕНИ

Объем 110

куб м

Осветленная жидкость

и активный ил

110 т/сутки

Изб

ыт

оч

ны

й

акт

ив

ны

й и

л

10

т/с

ут

ки

Осадок

25,6 т/сутки

Размеры

20х70 метров

Поля

орошения

или

поля

фильтрацииОсветленная

жидкость

96 т/сутки

ПОЛЕВОЕ

ХРАНИЛИЩЕ


(2 хранилища по

15000 куб м)

35040 тонн в

год



коагулятора (5 техн. в таблице 10)


Таблица 8.




3 2,9


3 0,81



Данная технология широко использовалась в 1980-х годах и была

реализована на свинокомплексе «Новый свет» [23, 24].

22

Технология переработки свиного навоза в аэротенке с использованием

циклических отстойников



трубопроводу подается в циклические первичные отстойники. Из первичного

отстойника осветленная жидкость по трубопроводу подается в аэротенк.

Твердая фракция после сепаратора транспортируется на бетонированную

площадку. Осадок из циклических отстойников обеззараживается в

навозохранилище методом длительного выдерживания.

Из аэротенка очищенная жидкость и активный ил по трубопроводу

попадают во вторичный отстойник. Из вторичного отстойника часть активного

ила по трубопроводу возвращается в аэротенк, а избыточный активный ил

обеззараживаются методом длительного выдерживания.

Осветленная жидкость из вторичного отстойника по трубопроводу подается

в полевые хранилища.

Из полевых хранилищ в теплое время года (с апреля по октябрь)

осуществляется сброс очищенной жидкости на поля фильтрации (рисунок 8).

ПОЛЯ

СВИНО-



ПЛОЩАДКА


150 т/сутки

влажность

93,4%


21,1 т/сутки


Жидкая

фракция

128,9 т/сутки

влажность

96,1%


0,25 мм

ПЕРВИЧНЫЙ

ЦИКЛИЧЕСКИЙ

ОТСТОЙНИК

2 отстойника

по 940 куб м


жидкость

674,3 т/7суток


Осадок

225,6 т/7суток


АЭРОТЕНК


ВТОРИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК

Очищенная

жидкость и


720 т/7суток

Активный ил

50 т/7суток

Избыточный


20 т/7суток

Очищенная

жидкость

650 т/7суток

ПОЛЯ

ФИЛЬТРАЦИИ

ПОЛЕВОЕ

ХРАНИЛИЩЕ

2 хранилища

по 10000 куб м

Размеры

20х50 метров

Объем 735

куб мНАВОЗОХРАНИЛИЩЕ

5776

тонн в год

3 хранилища

по 5000 куб м

10550

тонн в год

Рисунок 8 - Балансовая схема технологии переработки навоза в аэротенке с

использованием циклических отстойников (6 техн. в таблице 10)

23


Таблица 9.




3 3,6


3 0,92



Данная технология была разработана в ИАЭП. Получен патент на полезную

модель № 139469 «Устройство биологической очистки жидкой фракции свиного

навоза и навозосодержащих стоков» [25].

Преимущества технологий глубокой переработки:

1. жидкий свиной навоз очищается до норм ПДК сброса на поля фильтрации

или в водоемы, что позволяет увеличить объем очищенной воды, пригодной

для дальнейшего использования в хозяйственно-бытовых нуждах [26];

2. все питательные элементы (общий азот и общий фосфор) концентрируются

в небольшом объеме твердого органического удобрения (из твердой

фракции навоза, осадка отстойников и избыточного активного ила) [27].


1. значительные площади, задействованные под очистные сооружения;

2. необходимость постоянного контроля за процессом очистки

высококвалифицированным персоналом;

3. большие капитальные затраты;

4. необходимость обогрева оборудования при отрицательной температуре

воздуха.

1.3.4 ЗАРУБЕЖНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКОГО

СВИНОГО НАВОЗА

Был проведен анализ состояния технологий переработки жидкого свиного

навоза в других станах. В Бельгии, Канаде, Таиланде преобладает технология

24

глубокой переработки свиного навоза в аэротенках с обеззараживанием твердой

фракции методом усушки под солнечными лучами (рисунок 9) [28, 29, 30].

Рисунок 9 – Технология переработки свиного навоза в Бельгии, Канаде,

Таиланде

Жидкий свиной навоз подается на сепаратор, после которого жидкая

фракция поступает в отстойник, а твердая фракция направляется на сушку.

Жидкая фракция свиного навоза поступает в аэротенк. Избыточный активный ил

и осадок из отстойника поступают вместе с исходным навозом на сепаратор,

очищенная жидкость поступает в блок конденсации, из которого

концентрированный твердый продукт поступает на сушку. При этом происходит

эмиссия газов в атмосферу. Высушенная и обеззараженная твердая фракция

вносится на поля.

Особенностью технологии является то, что блок «обработка осадка»,

подразумевает под собой высушивание образовавшихся твердых фракций на

гидроизолированной площадке под лучами солнца. При этом наблюдается

значительное улетучивание аммонийного азота в атмосферу [31].

Преимуществом данной технологии является максимальное

перераспределение питательных веществ в твердое органическое удобрение,

25

вносимое на поля. Недостатком являются большие (до 60%) потери аммонийного

азота в атмосферу во время сушки.

В США, Японии, Белоруссии и Австралии преимущественно используются

технологии глубокой переработки с использованием станций флокуляции и

коагуляторов (рисунки 10, 11) [32, 33, 34, 35, 36].

Рисунок 10 – Схема технологии с использованием коагулятора

Жидкий свиной навоз со свинокомплекса поступает в подземное

навозохранилище, из которого поступает в первичный гравитационный

отстойник. Осветленная жидкость из первичного гравитационного отстойника

подается в осветлитель. После осветлителя жидкость поступает в первый

накопитель, в котором осуществляется коагуляция. Коагулированная жидкость

поступает на фильтрующие секции. Осадок из первичного гравитационного

отстойника, из осветлителя и фильтрат транспортируются на

гидроизолированную площадку для обеззараживания методом пассивного

компостирования. Отфильтрованная жидкость поступает во второй и третий

накопители для дальнейшей доочистки перед спуском в водоем [37].

Рисунок 11 – Схема технологии с использованием станции флокуляции

26

Жидкий свиной навоз со свинокомплекса гидравлическим транспортом

доставляется к месту предварительной очистки (решетки или песколовки).

Осветленная жидкость самотеком после станции флокуляции поступает на

основную обработку (первичный отстойник), из которого жидкость самотеком

поступает в аэротенк. Осадки из песколовки и с решеток, осадок из первичного

отстойника и избыточный активный ил обеззараживаются методом анаэробного

сбраживания, после чего вносятся на поля в качестве органических удобрений.

Очищенная жидкость после дезинфекции сбрасывается в открытые водоемы.

Анализ технологий переработки жидкого свиного навоза показал, что

разработанных технологий много, они активно используются. Однако каждая

технология имеет свои технико-экономические показатели и критерии

применимости для конкретного хозяйства.

Зарубежные технологии переработки жидкого свиного навоза в условиях

СЗФО неприменимы, так как не проходят критерий природно-климатических

условий.

Таким образом, были изучены основные технологии переработки жидкого

свиного навоза в России и зарубежом; выделены основные технологии,

приемлемые для использования в СЗФО:

1. технология переработки навоза методом длительного выдерживания и

внесения в почву;

2. технология разделения навоза на фракции с последующей переработкой

твердой и жидкой фракции;

3. технология переработки навоза с использованием шандорных

отстойников;

4. технология переработки навоза с использованием узла флокуляции;

5. технология переработки навоза с использованием коагулятора;

6. технология переработки навоза с использованием циклических

отстойников.

27

Сводные данные по данным технологиям представлены в таблице 10.

Таблица 10

Сводные данные

Показатель 1 техн. 2 техн. 3 техн. 4 техн. 5 техн. 6 техн.

Масса сохраненного общего азота за

на 1 м3 образованного навоза, кг/м

3

4,5 3,5 2 3,3 2,9 3,6

Масса сохраненного общего фосфора

за на 1 м3 образованного навоза,

кг/м3

1 0,9 0,8 0,87 0,81 0,92

Удельные капитальные затраты за

год, тыс. руб./т 2,37 2,98 4,93 3,99 4,6 4,31

Удельные эксплуатационные затраты

за год, тыс. руб./т 0,13 0,23 0,45 0,97 0,66 0,39

Как видно из таблицы 10, по ряду показателей есть существенные

отклонения (до 50%), следовательно, целесообразно выбирать технологии с

учетом конкретных условий хозяйства. При этом, наиболее экономически и

экологически выгодной является технология №1, однако она требует

максимальное количество земельных угодий, что в реальных условиях

встречается крайне редко.

В соответствие с вышесказанным, возникает необходимость в

обоснованном выборе технологии для конкретного хозяйства [38].

1.4 РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА

ДЛЯ КОНКРЕТНОГО СВИНОВОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Основной проблемой рационального выбора технологий является

многокритерийность отбора. В зависимости от выбора технологии значительно

меняются удельные капитальные и эксплуатационные затраты на реализацию

данной технологии, меняется масса полученного органического удобрения и его

питательная ценность.

В зависимости от объема органического удобрения и массы сохраненного

общего азота рассчитывается площадь земельных угодий, необходимая для

внесения всего полученного органического удобрения.

28

Необходимо также учитывать и состояние земельных угодий. Избыточная

доза внесения жидкого органического удобрения может привести к

переувлажнению почвы, образованию потоков сточных вод на поверхности поля,

фильтрации навозной жижи через слой почвы, к вымыванию питательных

элементов из почвы и угрозе загрязнения открытых водных источников и

грунтовых вод.

Жидкий навоз рекомендуется вносить в почву в вегетационный период для

максимального поглощения растениями жидкости и питательных веществ [16].

Однако использование его ограничивается природно-климатическими условиями,

сезоном года и видом культур.

Климат Ленинградской области неустойчивый и влажный. Годовой ход

средней температуры воздуха для Ленинградской области представлен на рисунке

12 (усредненные данные за 2010-2014 годы).

Рисунок 12 – Годовой ход средней температуры воздуха в Ленинградской

области

Ленинградская область по своему географическому местоположению

попадает в зону избыточного увлажнения. Выпадение осадков определяется

главным образом интенсивностью циклонической деятельности. В течение года

осадки выпадают неравномерно: большая их часть (67%) приходится на теплый

период и только 33% - на холодный [39]. В среднем за год выпадает 636 мм

осадков. Распределение среднегодового количества осадков по месяцам

представлено на рисунке 13 (усредненные данные за 2010-2014 годы).

29

Рисунок 13 –Годовое распределение месячных сумм осадков в

Ленинградской области

Как видно из рисунка 12 в начале весеннего периода внесения органических

удобрений, средняя температура воздуха отрицательная, соответственно внесение

жидкого органического удобрения на промерзлую почву нецелесообразно. Из

рисунка 13 видно, что весь вегетационный период в Ленинградской области

выпадает большое количество осадков.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время в Ленинградской

области большинство свиноводческих хозяйств не имеют достаточного

количества земельных угодий для внесения органических удобрений, при этом

47% всех хозяйств имеют удаленность более 15 км (рентабельный радиус

транспортировки жидких органических удобрений) от сельскохозяйственных

предприятий, занимающихся растениеводством (рисунок 14). У многих

свиноферм нет согласования об использовании навоза с сельскохозяйственными

предприятиями, занимающимися растениеводством.

30

Рисунок 14 – Распределение хозяйств Ленинградской области

Получается, что с одной стороны – со свинокомплексов образуются

большие объемы жидкого навоза (которые могут быть переработаны в ценное

органическое удобрение), с другой стороны – влажность данного удобрения и

климатические условия Ленинградской области не позволяют его рационально

использовать.

Только 20% свиноводческих предприятий имеют достаточное количество

земельных угодий для внесения всего образованного органического удобрения,

расположенных в радиусе 15 км от самого предприятия.

В условиях сложившейся ситуации требуется максимальное использование

всех компонентов жидкого навоза с понижением влажности и увеличением

концентрации питательных веществ вносимого на поля удобрения. Это

направление заложено в современных технологических схемах по глубокой

переработке жидкого навоза.

31

В результате технологий глубокой переработки жидкого свиного навоза

образуется высококонцентрированное твердое органическое удобрение и

очищенная жидкость, пригодная для дальнейшего использования на полях

орошения или полях фильтрации.

На основании проведенного анализа была разработана схема технологий

переработки жидкого свиного навоза, применимых в СЗФО (рисунок 15).

НАВОЗ

СЕПАРАЦИЯ

ДЛИТЕЛЬНОЕ

ВЫДЕРЖИВАНИЕ

УДОБРЕНИЕ


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ТВ.

ФРАКЦИЯ

КОМПОСТИРОВАНИЕ,

БИОФЕРМЕНТАЦИЯ


ГЛУБОКАЯ ПЕРЕРАБОТКА

ША

НД

ОР

НЫ

Е

ОТ

СТ

ОЙ

НИ

КИ

+

БИ

ОЛ

ОГ

ИЧ

ЕС

КИ

Е

ПР

УД

Ы

СТ

АН

ЦИ

Я

ФЛ

ОК

УЛ

ЯЦ

ИИ

+ 2

СТ

УП

ЕН

И

АЭ

РО

ТЕ

НК

ОВ

И

ОТ

СТ

ОЙ

НИ

КО

В

КО

АГ

УЛ

ЯТ

ОР

+ 2

СТ

УП

ЕН

И

АЭ

РО

ТЕ

НК

ОВ

И

ОТ

СТ

ОЙ

НИ

КО

В

ЦИ

КЛ

ИЧ

ЕС

КИ

Е

ОТ

СТ

ОЙ

НИ

КИ

+ 1

СТ

УП

ЕН

Ь

АЭ

РО

ТЕ

НК

ОВ

И

ОТ

СТ

ОЙ

НИ

КО

В

2

1

Ж.

ФРАКЦИЯ

УДОБРЕНИЕ

ТВ.

ФРАКЦИЯ

Ж.

ФРАКЦИЯ

ДО

ОЧ

ИС

ТК

А

ПОЛЯ ОРОШЕНИЯ

ПОЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ

ГОРОДСКИЕ ОЧИСТНЫЕ

СООРУЖЕНИЯ

ОЧИЩЕННАЯ

ЖИДКОСТЬ


Рисунок 15 – Технологии переработки свиного навоза

32

Согласно схеме, переработка свиного навоза может идти по двум

направлениям:

1. образовавшийся свиной навоз перерабатывается в органическое

удобрение методом длительного выдерживания в хранилище, после чего

удобрение вносится на поля сельхозпредприятия или передается третьим

лицам для реализации;

2. разделение навоза на фракции с последующим обеззараживанием твердой

фракции (пассивное компостирование, активное компостирование,

биоферментация в установке барабанного или камерного типа) и

переработкой жидкой фракции (длительное выдерживание или глубокая

переработка).

Глубокая переработка включает в себя:

- седиментацию жидкой фракции в шандорных отстойниках с последующей

биологической очисткой осветленной жидкости в рыбоводно-биологических

прудах;

- добавление в жидкую фракцию флокулянтов с последующей

двухступенчатой очисткой жидкости в аэротенках;

- коагулирование жидкой фракции свиного навоза с последующей

двухступенчатой очисткой жидкости в аэротенках;

- седиментацию жидкой фракции в циклических отстойниках с последующей

биологической очисткой осветленной жидкости в аэротенке.

Твердая фракция, образовавшаяся в результате глубокой переработки

жидкой фракции свиного навоза, обеззараживается (компостированием активным

или пассивным, биоферментацией в установке барабанного или камерного типа).

Жидкая фракция, образовавшаяся в результате глубокой переработки, подлежит

доочистке (на полях орошения, полях фильтрации или городских очистных

сооружениях), после чего может быть реализована.

Проведенный экономический анализ технологий глубокой переработки (для

свиноводческого хозяйства Ленинградской области с выходом навоза 150

33

тонн/сутки) показывает, что по экономическим показателям (капитальные и

эксплуатационные затраты) наиболее выгодной является технология с

применением циклических отстойников (таблица 11).

Таблица 11

Экономическое сравнение технологий глубокой переработки

№ Технология Капитальные

затраты, тыс. руб.

Эксплуатационные

затраты, тыс. руб.

1 переработки свиного навоза с использованием

шандорных отстойников 269917 24637


узла флокуляции 218452 53107


коагулятора 251850 36135


циклических отстойников 235972 21352

Описанные технологии (за исключением технологии с использованием

циклических отстойников) были ранее изучены. Учитывая, что расчет

экономических показателей показал преимущество технологии переработки

свиного навоза с использованием циклических отстойников, необходимо

разработать программу и методику исследования технологии, по полученным и

оцененным, в соответствие со статистическим анализом, данным, построить

математическую модель, реализовать ее в программу с целью нахождения

оптимальных режимов работы технологии на каждой стадии ее реализации.

Для рационального выбора технологии переработки жидкого свиного

навоза необходимо разработать математическую модель выбора с учетом

обоснованных критериев. Модель должна позволять оценить эколого-

экономическую эффективность предприятия, рассчитать массы сохраненных

питательных элементов (общего азота и общего фосфора), позволяющих

повышать урожайность сельскохозяйственных культур и улучшать качество

почвы.

34

1.5 КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНОЛОГИЙ

Для оценки вышеописанных технологий, рационального выбора технологий

переработки свиного навоза и принятия оптимального решения, необходимо

учитывать специфику свиноводческого предприятия и проводить отбор с учетом

критериев.

В общем случае с помощью критерия можно оценивать качества как

желательные (например прибыль, производительность, надежность), так и

нежелательные (затраты, расход материала или простои оборудования). Тогда в

первом случае стремятся к максимизации критерия, а во втором – к его

минимизации [40].

При переработке жидкого свиного навоза ограничениями выбора

технологии являются:

1. имеющаяся электрическая мощность предприятия;

2. наличие земельных угодий для внесения органического удобрения;

3. имеющаяся площадь для размещения строительной части и оборудования

в соответствие с технологией.

Также важным показателем является эколого-экономический эффект

предприятия, включающий в себя прибыль от реализации полученного урожая к

затратам на сохранение питательных веществ во вносимом под этот урожай

органическом удобрении [41, 42]. При этом экономический эффект заключается в

эффективности использования органического удобрения, а экологический – в

максимальном сохранении питательных веществ в удобрении.

Для рационального выбора технологии переработки свиного навоза в

качестве критериев оценки целесообразно выбрать:

1. экономический показатель (приведенные затраты);

2. экологический показатель (масса сохраненного общего азота и фосфора в

полученном органическом удобрении).

35

1.6 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате проведенного анализа установлено, что, во многих хозяйствах

крайне необходимо провести модернизацию технологической базы переработки

свиного навоза. Это связано с неудовлетворительной работой хозяйств в области

утилизации навоза, что может привести к интенсивному загрязнению

окружающей среды. Рациональный выбор адаптивных технологий должен

обеспечивать экологическую безопасность производства, повышения

эффективности использования органических удобрений.

Ввиду многообразия факторов, влияющих на производственные процессы в

животноводстве, проблема может быть решена с помощью математического

аппарата и применения ПЭВМ.

Исходя из вышесказанного, возникает необходимость разработки таких

методов формирования технологий, которые учитывали бы условия реализации

технологий и их изменчивость.

Проведенный анализ состояния вопроса позволил, в соответствии с

поставленной целью, определить и сформулировать задачи исследований:

1. провести теоретические исследования технологий переработки свиного

навоза;

2. разработать методику автоматизированного выбора технологий

переработки свиного навоза, для условий конкретного хозяйства;

3. разработать математическую модель выбора технологий переработки

свиного навоза с учетом условий конкретного хозяйства и критериев

обеспечения экологической безопасности;

4. разработать математическую модель описания отдельных процессов

технологии глубокой переработки свиного навоза в аэротенке с

использованием циклических отстойников и получить необходимые

значения коэффициентов для расчета технологических параметров;

5. разработать порядок расчета критериев выбора адаптивных технологий;

36

6. разработать алгоритм выбора адаптивных технологий переработки

свиного навоза;

7. создать программу ЭВМ формирования и оценки адаптивных

технологий переработки свиного навоза;

8. провести эколого-экономическую оценку выбранной адаптивной

технологии на примере конкретного хозяйства.

37

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПО ФОРМИРОВАНИЮ

МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ

ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА

2.1 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЙ

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

38

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.

В общем случае задача линейного программирования имеет вид [47]:

минимизировать (максимизировать) функцию

𝐿 = 𝐶𝑖 ∙ 𝑋𝑖𝑛𝑖=1 (1)

при ограничениях

𝐴𝑗𝑖 ∙ 𝑋𝑖 = 𝐵𝑗 , 𝑗 = 1,2,… . ,𝑛

𝑛

𝑖=1

𝐷𝑗𝑖 ∙ 𝑋𝑖 ≤ 𝐵𝑗 , 𝑗 = 𝑛 + 1,𝑛 + 2,… . ,𝑛

𝑛

𝑖=1

𝑋𝑖 ≥ 0

Где L – линейная функция;

𝑋𝑖 - элемент решения (переменная);

𝐶𝑖 - коэффициент целевой функции;

𝐴𝑗𝑖 , 𝐷𝑗𝑖 - коэффициенты при расчетных величинах;

𝐵𝑗 - производственные ресурсы i-го вида.

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

39

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 = 𝐾𝑖 → 𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖=1 (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:

min)( sx

XQ , max)( sx

XQ (3)

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:

)()(),()( 21 XКХКХКХК nм (4)

Задача сводится к одновременному поиску экстремума по К критериям:

)1()( niextrXKsx

i

(5)

40

Решение данной задачи возможно при одновременном определении

состояния {X*}. При этом задача многокритериальной оптимизации записывается

в виде следующей последовательности:

)1(* niXKХK isx

i

(6)

При этом значение Х1 является строго более предпочтительным, чем

состояние Х2 если К(Х1)<К(Х2).

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.

41

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.

Одной из основных задач при проведении исследований по механизации

процессов сельскохозяйственного производства является получение достоверных

статистических моделей (решение задачи идентификации), их исследование и

42

оптимизация применительно к конкретным критериям или условиям

производства. Для решения задачи идентификации, применительно к

динамическим системам, используются различные эвристические методы, однако

универсального математического аппарата, подобного методу наименьших

квадратов до сих пор не разработано. При практических расчетах используются

различные методы и алгоритмы, имеющие существенное отличие. При этом все

эти задачи имеют общее свойство, состоящее в том, что они относятся к классу

поисковых задач конечного количества переменных в заданном пользователем

гиперпространстве.

Изучив методы математического моделирования и подходы к созданию

моделей, целесообразно:

- для оптимального выбора технологии переработки свиного навоза

использовать статическую модель с оптимизацией по Парето, так как данный вид

модели позволяет работать с огромными массивами достоверных величин;

- для описания технологии и всех ее технологических операций

использовать статистическую (имитационную модель) в связи с недостатком

начальных данных для определения требуемых коэффициентов; с учетом

сложности процесса переработки навоза, предпочтительнее многоуровневая

модель.

2.2 ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЙ

Разработка методологических основ и методов автоматизированного выбора

технологий переработки свиного навоза представляет собой сложную

многоплановую задачу.

При выборе технологий переработки свиного навоза наиболее эффективно

исходить из условия биологического оборота питательных веществ,

заключающегося в получении экскрементов от животных, нормализации их

состава, обеспечивающей активизацию почвенной микрофлоры и питание

43

сельскохозяйственных растений, при активном влиянии на систему внешних

воздействий.

Внешними воздействиями являются хозяйственные условия, применяемые

технологии, состоящие из процессов и операций, а также технические средства

для выполнения операций.

Для формирования любой технологии необходимо принять следующие

предпосылки:

- на всех этапах воздействия в качестве предмета труда выступает один и

тот же продукт – экскременты свиней, физико-механические,

микробиологические, агрохимические и санитарно-гигиенические свойства

которых изменяются целенаправленно в сторону требуемых почвой конечных

показателей;

- начальное состояние предмета труда - экскрементов для всех видов

органических удобрений имеет один и тот же вектор состояния, определяемый

направленностью свиноводческого предприятия и системой удаления

экскрементов;

- очищенная жидкость (в технологиях глубокой переработки) по своему

химическому составу не превышает предельно допустимые концентрации (ПДК)

веществ для сброса на рельеф или в открытые водоемы;

- вид удобрения, получаемого в процессе переработки экскрементов,

определяется агрохимическими, физико-механическими, санитарно-

гигиеническими и другими требованиями растений, почвенной микрофлоры, а

также экологическими требованиями внешней среды.

Экскременты свиней под воздействием операций, технологических

процессов и технологий переработки навоза преобразуются в органические

удобрения и очищенную жидкость в соответствии с фазами их превращений [52].

Для описания такой системы в виде информационной модели может быть

использована структурно-параметрическая схема функционирования технологии,

представленная на рисунке 16.

44

Рисунок 16 - Структурная схема многомерного многозвенного технологического

процесса

Пусть исследуемый процесс состоит из n многомерных операций. На входе

процесса действуют случайные величины Х0 а выход первого процесса имеет

случайные величины Х1 , являющиеся входами для другого процесса и так далее.

Выход всего технологического процесса характеризуется случайными

величинами Хn [53].

На качество готовых органических удобрений и получаемой очищенной

жидкости влияют не только параметры исходного материала, но и параметры

технических средств. На каждой операции действуют случайные факторы Z1, Z2 и

т.д.

Плотности вероятности всех случайных величин и их совместных

распределений нормальны.

Математическое ожидание любого из выходов определяется на основании

многопараметрического уравнения:

Операция 1

Операция n-1

Операция n

…

Z1(1) Z1

(2) Z1(s)

Xn-1(1)

Xn-1(2)

.

.

.

X0(с)

X1(1)

X1(2)

X2(d)

…

Zn(2) Zn

(w)

Xn-1(p)

X0(2)

X0(1) Xn-1

(1)

Xn-1(2)

.

.

.

…

.

.

.

Xn-1(p)

Zn(1)

Xn(1)

Xn(2)

Xn(q)

.

.

.

Zn-1(1) Zn-1

(2) Zn-1(v)

45

s

h

w

v

v

nv

h

h

p

l

l

nl

c

i

i

i

v

n

hl

n

i zzdxfxaAZZXXМ1 1

)()(

1

1

1

1

0

)(

11

)(

1 ......,...,;,..., (7)

Коэффициенты уравнений должны быть определены на основании

моделирования на ПЭВМ по математическим моделям.

Выход системы определяет векторная функция Хn , которая включает

экономические, технико-экономические, энергетические и экологические

показатели эффективности функционирования системы.

Модель многоуровневого процесса технологического проектирования с

пороговыми отборами решений на каждом уровне характеризуется высокой

эффективностью, так как пользователь на каждом этапе проектирования имеет

возможность отобрать несколько вариантов наиболее близких к наилучшему

варианту. На последней стадии проектирования выбирается один окончательный

вариант, который, по мнению пользователя, основываясь на его квалификации и

компетентности, соответствует критерию качества.

Процесс проектирования включает в себя следующие, последовательно

осуществляемые шаги:

1. обследование хозяйства, для которого выбирается технология;

2. сбор и классификация исходных данных о производственных

условиях;

3. сравнение исходных данных с ограничениями применимости

технологии, содержащихся в блоке баз данных ПЭВМ;

4. принятие решения о возможности выбора технологии с заданными

выходными параметрами для условий данного хозяйства.

Алгоритмы выбора рациональных вариантов технологических процессов

составлены в форме импликаций.

Научная основа формирования технологий - метод проектирования

технологий и средств, имеющих наибольшую эффективность в заданных

условиях, основанный на математической модели или иерархии моделей,

адекватно описывающий проектируемый процесс, позволяющий с помощью

46

современных вычислительных средств совместить процессы постановки и

решения задачи.

Для выбора оптимальной технологии переработки свиного навоза

применены методы, которых на сегодняшний день большое множество и которые

имеют только модельные примеры [54, 55].

Порядок автоматизированного выбора оптимальной технологии

переработки свиного навоза представим в виде схемы (рис.17). Схема

представляет собой наглядное пособие пошагового выполнения процессов. Блок

«данные предприятия» включает в себя информацию о производственных

факторах, ресурсах и технико-технологические характеристики. Блок «база

данных» содержит нормативно-справочный материал банка знаний и материал

базы данных технических средств и оборудования. Блок «ограничения» содержит

критерии выбора оптимальной технологии с учетом индивидуальных

возможностей предприятия.

РАСЧЕТ СУТОЧНОГО ВЫХОДА СВИНОГО НАВОЗА

И ЕГО ВЛАЖНОСТИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОБЩИХ АЗОТА И

ФОСФОРАОГРАНИЧЕНИЯ

ПЛОЩАДЬ

ЗЕМЕЛЬНЫХ

УГОДИЙРАСЧЕТ ЭКОЛОГО-

ЭКОНОМИЧЕСКОГО

ПОКАЗАТЕЛЯ

ОЦЕНКА

ПРИЕМЛИМОСТИ

БАЗОВЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ

БИОГЕНОВ ПО

БАЗОВЫМ

ТЕХНОЛОГИЯМ

ДОСТУПНЫЕ

ДЕНЕЖНЫЕ

СРЕДСТВА

ОЦЕНКА

ПОЛУЧЕННЫХ

ЗНАЧЕНИЙ

ВЫБОР АДАПТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ОГРАНИЧЕНИЕ

ПО ЭНЕРГОПОТ-

РЕБЛЕНИЮ

ДАННЫЕ

ПРЕДПРИЯТИЯ

СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ

ПРЕДПРИЯТИЯ

ПОГОЛОВЬЕ

ЖИВОТНЫХ

ТЕХНОЛОГИЯ

СОДЕРЖАНИЯ

ЖИВОТНЫХ

ТЕХНОЛОГИЯ

НАВОЗОУДАЛЕНИЯ

БАЗА ДАННЫХ

УДАЛЕННОСТЬ

ЗЕМЕЛЬНЫХ

УГОДИЙ ОТ

ЖИВОТНОВОДЧЕ

СКОГО

КОМПЛЕКСА

Рисунок 17 – Схема автоматизированного выбора оптимальной технологии

переработки свиного навоза

47

На первом этапе, используя полученные данные предприятия, с

использованием коэффициентов из базы данных, рассчитывается суточный выход

свиного навоза с предприятия и его влажность. Рассчитываются начальное

содержание общего азота и общего фосфора в поступившем свином навозе.

На втором этапе рассчитываются экономические, экологические и эколого-

экономические показатели. Идет сравнение расчетных показателей с учетом

указанных критериев (ограничений).

На третьем этапе осуществляется выбор оптимальных технологий методом

Паретро.

Оптимальность по Парето — такое состояние системы, при котором

значение каждого частного показателя, характеризующего систему, не может

быть улучшено без ухудшения других.

Таким образом: «Всякое изменение, которое никому не приносит убытков, а

некоторым людям приносит пользу (по их собственной оценке), является

улучшением». Значит, признаѐтся право на все изменения, которые не приносят

никому дополнительного вреда.

Ситуация, когда достигнута эффективность по Парето — это ситуация,

когда все выгоды от обмена исчерпаны.

В качестве критериев оценки выбраны: экономический показатель (сумма

удельных капитальных затрат (УДК) и удельных эксплуатационных затрат

(УДЭ)) и экологический показатель (сумма масс сохраненных общего азота и

общего фосфора в полученном органическом удобрении).

Для реализации автоматизированного выбора технологий переработки

свиного навоза в электронную программу было выбрано WEB-программирование

(PHP и СУБД MySQL). Выбор основывался на возможности данного вида

программирования расширять приложения и интегрировать их в более сложные

системы (масштабируемость) и на модифицируемости (возможности изменения)

[56]. Также достоинством является то, что разрабатываемая информационная

система допускает единовременную работу нескольких пользователей, так как

48

использование программы возможно сразу с нескольких компьютеров,

подключенных в общую сеть. При этом обеспечивается кроссплатформенность,

то есть на компьютерах сети полноценное использование разрабатываемой

программы не ограничивается какой-то определенной операционной системой

(могут быть использованы любые операционные системы: Windows, Linux, Unix).

Более того, не обязательно, чтобы аппаратные средства компьютера

соответствовали стандартам IBM PC, достаточно лишь, чтобы на компьютере был

установлен браузер, что на современных пользовательских операционных

системах происходит (установка браузера) по умолчанию, в Windows – это

Internet Explorer [57, 58, 59].

Также к плюсам программы можно отнести наглядный графический

пользовательский интерфейс и гибкость (разделение алгоритма на формулы и

методики расчета; разделение данных за счет хранения в базе данных). Гибкость

проявляется в том, что возможно без участия программиста добавлять, изменять и

удалять данные, содержащиеся в БД (характеристики технологий, операций и

технических средств), что делает программу более изменяемой (относительно

данных), т.е. в уже готовую программу пользователь-эксперт (не программист!)

может вносить изменения, корректировать данные.

2.3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ЛИНИЙ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА

2.3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ НАВОЗА

Пусть Ej – поголовье j-ой половозрастной группы свиней, гол;

fj – выход экскрементов с j-ой половозрастной группы, т.

Тогда выход навоза со свиноводческой фермы за сутки Qс, т рассчитывается

по формуле:

𝑄с = 𝐸𝑗 ∙ 𝑓𝑗 + 𝑑𝑗 (8)

Где dj – расход воды на технологические нужды на j-ю половозрастную

группу на 1 голову, т;

49

Практика проектирования показывает, что в настоящее время основной

способ удаления навоза из свинарника – самосплав. При использовании

самосплавной системы навозоудаления, животные содержатся на решетчатых

полах. При содержании свиней на полностью щелевом (решетчатом) полу

подстилка не применяется (в соответствии с НТП-АПК 1.10.02.001-00).

При отсутствии данных по поголовью в каждой половозрастной группе, при

законченном цикле производства выход навоза со свиноводческого хозяйства за

сутки Qзц, т рассчитывается по формуле:

𝑄зц = 8,48 ∙ 𝐸 ∙1

1000 (9)

Где E – общее количество свиней на предприятии, гол.

Число 8,48 – укрупненный коэффициент для расчета выхода навоза со

свинокомплекса при законченном цикле производства [60].


репродукторном типе хозяйства выход навоза со свиноводческого хозяйства за

сутки Qр, т рассчитывается по формуле:

𝑄р = 7,45 ∙ 𝐸 ∙1

1000 (10)

Где число 7,45 – укрупненный коэффициент для расчета выхода навоза со

свинокомплекса при репродукторном типе хозяйства [60].


откормочном типе хозяйства (откормочное поголовье до 70 кг) выход навоза со

свиноводческого хозяйства за сутки Qотк1, т рассчитывается по формуле:

𝑄отк1 = 9,5 ∙ 𝐸 ∙1

1000 (11)

Где число 9,5 - укрупненный коэффициент для расчета выхода навоза со

свинокомплекса при откормочном типе хозяйства (откормочное поголовье до 70

кг) [60].


откормочном типе хозяйства (откормочное поголовье более 70 кг) выход навоза

со свиноводческого хозяйства за сутки Qотк2, т рассчитывается по формуле:

50

𝑄отк2 = 11 ∙ 𝐸 ∙1

1000 (12)

Где число 11 - укрупненный коэффициент для расчета выхода навоза со

свинокомплекса при откормочном типе хозяйства (откормочное поголовье более

70 кг) [60].

Расчетные среднесуточные количества экскрементов от одного животного

разных половозрастных групп взяты из РД-АПК 1.10.15.02-08 [16]. Нормы

потребления воды на одну голову – мытье кормушек, уборка помещений,

приготовление кормов, взяты из ВНТП-Н-097 [61]. Расход воды на

технологические нужды для различных половозрастных групп животных взяты из

НТП-АПК 1.10.02.001-00 (с учетом того, что не вся технологическая вода

попадает в навозные стоки) [62].

Соотношения половозрастных групп на предприятии для определения

укрупненный коэффициент расчета выхода навоза со свинокомплекса

определялось на основании [63].

Значения выхода навоза при различных мощностях свиноводческих

комплексов (законченный цикл производства, система удаления навоза –

самосплав) рассчитаны в соответствие с представленной выше методикой (табл.

12) с учетом технологической воды для промывки секций и систем удаления

навоза.

Таблица 12

Выход навоза со свинокомплексов различной мощности

Мощность фермы, гол Выход навоза за год, т

6000 24637

12000 49275

27000 110869

54000 221738

108000 443475

51

2.3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИЙ

ПО ПЕРЕРАБОТКЕ СВИНОГО НАВОЗА

К процессу приготовления органических удобрений из навоза относятся

операции по разделению навоза, его стабилизации или обработки полученных

фракций (флокуляция, коагуляция), возможна доочистка в биологических прудах.

Целесообразность разделения жидкого навоза и навозных стоков на

фракции независимо от мощности предприятия в каждом конкретном случае

должна быть дополнительно определена, исходя из их влажности, а также

требований к дальнейшей обработке, хранению и использованию.

При разделении навоза на фракции масса каждой фракции определяется по

формулам [13]:

,WW

)WW(mm

21

2исхисх1

(13)

1исх2 mmm , (14)

Где mИСХ, m1, m2 – соответственно масса исходного навоза и его

фракций, кг;

WИСХ, W1, W2 – влажность исходного навоза и его фракций, %.

Для повышения эффективности выделения сухих веществ в некоторых

случаях вводят в жидкую фракцию высокомолекулярный полиэлектролит –

флокулянт из расчета 3,0 – 4,0 кг сухого порошка на 1т сухих веществ навоза.

Сухой порошкообразный флокулянт перед поступлением в жидкую фракцию

навоза растворяется в воде с помощью автоматической станции приготовления

концентрированного раствора флокулянта. Расход воды на приготовление

раствора флокулянта составляет 1 м3 на 1 кг сухого порошка.

Содержание NPK в готовом удобрении определяется по формуле:

)W100(М

)W100(МK)f1(K

KK

CMCMсмjобр

jобрj

, (15)

где обр

jf - потери NPK в процессе обработки навоза, в долях

единицы;

52

МК – масса готового удобрения, кг.

Внесение в почву. Содержание NP в удобрениях, поступивших в почву:

удобрj

внj

внсj K)f1(K , (16)

где внjf - потери NP в процессе внесения удобрения в почву, в

долях единицы.

Площадь внесения удобрений определяется питательным элементом,

дающим максимальную величину площади [64, 65]:

maxKПВУ100

100KK)W01,01(G1000S

Пjjjпл

внj

удjудуд

j

(17)

где Gуд – масса органических удобрений, кг;

внjK – коэффициент использования NPK из удобрений;

Вj – вынос NP урожаем картофеля;

Упл – планируемый урожай картофеля;

Пj – содержание питательных элементов в почве кг/га;

КПj – коэффициент использования питательных веществ из

почвы.

При седиментации жидкой фракции в вертикальных отстойниках,

происходит перераспределение массы между осветленной жидкостью и осадком

(активным илом, в случае вторичного отстойника). Масса осадка определяется по

формуле:

Мос = 𝑎𝑏 ∙ Мжф (18)

Где ab – доля осадка в вертикальном отстойнике. Значение коэффициента

различно для каждой из технологий. Для технологии глубокой переработки в

аэротенке с использованием циклических отстойников, данный коэффициент

определяется экспериментально.

Естественную биологическую очистку очищенного свиного навоза следует

осуществлять в биологических прудах различных типов и конструктивного

53

исполнения: анаэробно-аэробных; с естественной и искусственной аэрацией;

одно- и многоступенчатых; БОКС-прудах.

Биологические пруды рекомендуется применять:

- для доочистки жидкой фракции навоза, прошедшей биологическую

очистку;

- в качестве самостоятельных сооружений для естественной биологической

очистки жидкой фракции навозных стоков и сточных вод с доильных площадок

при круглогодовой работе в районах со среднегодовой температурой воздуха

выше 10°С либо в летний период (накопление в зимний период);

Нагрузку по БПК на анаэробные пруды следует принимать 330-560 кг/га в

сутки при глубине прудов 3,5-6 м. Их очистка должна проводиться не реже

одного раза в три года.

В аэробных прудах ведущая роль по переработке органических веществ

принадлежит одноклеточным водорослям (фитопланктону), которые, в основном,

обеспечивают пруды кислородом. Оптимальной концентрацией загрязнения

поступающей жидкой фракции по БПК для аэробных прудов следует считать 200-

300 мг/л.

В очищенной жидкости содержание растворенного кислорода следует

принимать до 6 мг/л, БПК5 - 10-15 мг/л [66, 67, 68, 69].

2.3.3 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Расчет экономических показателей ведется с учетом затрат и выхода навоза

за год. Экономические показатели включают в себя капитальные и

эксплуатационные затраты на реализацию технологии переработки свиного

навоза.

Капитальные затраты

Капитальные затраты на оборудование и строительную часть

рассчитываются:

54

- Стоимость оборудования, Zоб , тыс. руб.

𝑍об = 𝑍𝑜б𝑖*пi (19)

Где Zобi – стоимость i-ого наименования оборудования, тыс. руб.

пi – количество i-го оборудования, шт.

- Стоимость строительной части Zстр, тыс. руб.

𝑍стр = 𝑍стр𝑟 ∗ 𝑛𝑟 (20)

Где Zстрr – стоимость r-го наименования строительной части, тыс. руб.

nr – количество r-го оборудования, шт.

Удельные капитальные затраты УДК, тыс.руб/т определяются по формуле:

УДК =𝑍об+𝑍стр

𝑄∙365 (21)

Где Q – суточный выход свиного навоза с предприятия, т.

Расчет стоимости требуемого оборудования осуществляется, исходя из

требуемого количества данного оборудования, и рассчитывается по формуле:

𝑛𝑖 =Ор

В1∙См∙Дн (22)

Где Ор – объем работ за год, т.

В1 – производительность i-го оборудования за 1 час, т.

См – продолжительность рабочей смены, ч

Дн – количество дней в году, которое работает i-е оборудование, сут.

К строительной части относятся:

- прокладка трубопровода;

- постройка здания под оборудование (сепараторы, насосы, воздуходувки);

- постройка навозохранилища;

- создание шандорных отстойников;

- создание рыбоводно-биологических прудов;

- создание полей фильтрации;

- постройка бетонированной площадки.

55

Расчет капитальных затрат на прокладку трубопровода осуществляется по

формуле:

𝑍т = 𝑅 ∙ 𝑎 (23)

Где R – дальность транспортировки свиного навоза по трубопроводу, м

а – стоимость прокладки 1 метра трубопровода, тыс руб

Расчет капитальных затрат на постройку здания под оборудование

рассчитывается по формуле:

𝑍зд = 𝑏 ∙ 𝑑𝑙 ∙ 𝑠𝑕 ∙ 𝑣𝑠 (24)

Где 𝑏 - стоимость постройки 1 м3 здания, тыс руб (зависит от материала; для

кирпичного здания, стоимость постройки 1м3 составляет 6 тыс руб.)

𝑑𝑙 - длина здания, м

𝑠𝑕 - ширина здания, м

𝑣𝑠 - высота здания, м

Габаритные размеры здания рассчитываются с учетом габаритных размеров

оборудования, количества оборудования и требуемых технологических проходов.

Расчет капитальных затрат на постройку навозохранилища

В соответствие с РД-АПК 1.10.15.02-08 количество секций хранилищ

должно быть не менее двух, в целях совмещения процессов карантинирования и

выдерживания навоза. Глубина навозохранилища должна быть не более 5м,

ширина – не менее 18м. Соотношение ширины и длины 1:3.

Исходя из того, что выход навоза с предприятия за сутки равен Q, при

плотности навоза 𝜌нп ,т/м3, суточный объем навоза V, м

3 составит:

𝑉 =𝑄

𝜌нп (25)

Обозначим время длительного выдерживания навоза через tв, сутки, тогда

объем одного навозохранилища V1 равен:

𝑉1 =𝑉∙𝑡в

2 (26)

56

Обозначив ширину навозохранилища shн, м, исходя из формулы, получим

выражение для определения габаритных размеров навозохранилища (для

подстилочного навоза):

𝑠𝑕н ∙ 𝑑𝑙н ∙ 𝑣𝑠н =𝑉∙𝑡в

2

𝑠𝑕н = 𝑉∙𝑡в

12 (27)

Длина навозохранилища dlн, м в 3 раза [16] больше его ширины,

следовательно:

𝑑𝑙н = 3 ∙ 𝑉∙𝑡в

12 (28)

Глубина навозохранилища – vsн, м.

Зная габаритные размеры навозохранилища, можно рассчитать капитальные

затраты на его строительство Pнав (тыс. руб.):

𝑃нав = 𝑠𝑡н1 ∙ 𝑑𝑙н ∙ 𝑠𝑕н + 𝑠𝑡н2 ∙ 2 ∙ 𝑑𝑙н ∙ 𝑣𝑠н + 𝑠𝑡н2 ∙ 2 ∙ 𝑠𝑕н ∙ 𝑣𝑠н (29)

Где Stн1 – стоимость квадратного метра основания навозохранилища, тыс.

руб.;

Stн2 – стоимость квадратного метра боковой стенки навозохранилища, тыс.

руб.

Расчет капитальных затрат на создание шандорных отстойников

осуществляется по формуле:

𝑍ш = с ∙ 𝑑𝑙 ∙ 𝑠𝑕 ∙ 𝑣𝑠 ∙ 𝑘 (30)

Где с - стоимость постройки 1 м3 шандорного отстойника, тыс руб

𝑑𝑙 - длина отстойника, м

𝑠𝑕 - ширина отстойника, м

𝑣𝑠 - высота отстойника, м

k – количество шандорных отстойников, шт

Количество шандорных отстойников рассчитывается исходя из суточной

массы навоза.

57

Расчет капитальных затрат на создание рыбоводно-биологических прудов

осуществляется по формуле:

𝑍рп = 𝑑 ∙ 𝑑𝑙 ∙ 𝑠𝑕 ∙ 𝑣𝑠 ∙ 𝑘 (31)

Где 𝑑 - стоимость постройки 1 м3 пруда и стоимость его заселения

(водоросли, рачки, рыбы и т.п.), тыс руб

𝑑𝑙 - длина пруда, м

𝑠𝑕 - ширина пруда, м

𝑣𝑠 - высота пруда, м

k – количество прудов одного вида, шт

Количество линий рыбоводно-биологических прудов рассчитывается

исходя из имеющихся площадей земельных угодий. Стоимость одной линии

рыбоводно-биологических прудов рассчитывается отдельно для каждого пруда

(пруд деаммонификатор, водорослевый пруд, рачковый пруд, рыбоводный пруд,

пруд чистой воды). Размеры каждого пруда рассчитываются исходя из суточной

массы очищаемой жидкости.

Расчет капитальных затрат на создание полей фильтрации осуществляется


𝑍рп = 𝑒 ∙ 𝑑𝑙 ∙ 𝑠𝑕 ∙ 𝑣𝑠 ∙ 𝑘 (32)

Где 𝑒 - стоимость подготовки 1 м2 поля фильтрации, тыс руб

𝑑𝑙 - длина поля фильтрации, м

𝑠𝑕 - ширина поля фильтрации, м

Размеры поля фильтрации рассчитываются исходя из поступающей

суточной массы жидкости для доочистки и концентрации веществ (общий азот и

общий фосфор) в этой жидкости.

Расчет капитальных затрат на постройку бетонированной площадки

Примем:

- расстояния между крайними буртами и краем бетонированной площадки

r1, м

58

- расстояние между буртами r2, м

Величины технологических проездов выбираются исходя из габаритов

используемой техники. Ширина бурта принимается 6м, высота 3м, длина

произвольная.

С учетом рыхлой укладки в бурты с плотностью смеси 𝜌c, объем смеси

равен:

𝑉с =Мс

𝜌с (33)

Где Мс – масса компостируемой смеси за год, т

𝜌с - плотность компостной смеси, кг/м3.

Приняв длину бурта dlб, м, получим длину площадки компостирования dlк:

𝑑𝑙к = 𝑑𝑙б + 2 ∙ 𝑟1 (34)

Количество буртов Kб, шт рассчитывается исходя из объема

компостируемой смеси Vс и определяется по формуле:

Кб =Мс

1

2∙6∙3∙𝑑𝑙б

(35)

Размер хранения смеси перед укладкой в бурты определяется

индивидуально исходя из размеров используемого мобильного транспорта и

времени накопления.

Ширина площадки компостирования shк, м равна:

𝑠𝑕к = 6 ∙ Кб + 𝑟2 ∙ Кб − 1 + 2 ∙ 𝑟1 (36)

Зная габаритные размеры площадки компостирования, можно определить

затраты Рк на ее постройку:

Рк = 𝑠𝑡б ∙ 𝑠𝑕к ∙ 𝑑𝑙к (37)

Где stб – стоимость строительства 1 м2 площадки, тыс. руб.

Эксплуатационные затраты

Эксплуатационные затраты определяются как сумма затрат на

амортизацию, затрат на ТР и ТО, заработной платы обслуживающему персоналу,

59

затрат на электроэнергию, затрат на топливо, затрат на покупку расходных

материалов (флокулянты, планктон для заселения биологических прудов):

1 Амортизация ZA,тыс. руб. определяется по формуле:

𝑍𝐴 = КАс ∙ 𝑍стр + КАо ∙ 𝑍об (38)

Где КАс – коэффициент отчислений на строительную часть, бр;

КАо – коэффициент отчислений на оборудование, бр;

2 Текущий ремонт и ТО ZT, тыс. руб. определяются по формуле:

𝑍𝑇 = Кт ∙ 𝑍об (39)

Где Кт – коэффициент отчислений на ТО и ТР, бр.

3 Заработная плата работникам Zз,тыс. руб. определяется по формуле:

𝑍з = з ∙ 𝑢 ∙ 12 (40)

Где з – заработная плата одному работнику в месяц, тыс. руб.;

u – необходимое количество работников, чел.

4 Затраты на электроэнергию Zэ,тыс. руб. определяются по формуле:

𝑍э = 𝑍э𝑖 ∙ 𝑛𝑖 (41)

Где Zэi – затраты на электроэнергию i-го оборудования, тыс. руб.

𝑍э𝑖 =эл∙См∙Дн

1000∙ 𝑘𝑧 (42)

Где эл – стоимость 1 кВт/час электроэнергии, рубли;

См – продолжительность рабочей смены, часы;

Дн – количество дней в году, которое работает i-ое оборудование,

сутки;

Kz – коэффициент загрузки i-ого оборудования, бр.

Коэффициент загрузки Kz определяется по формуле:

𝐾𝑧 =Ор

В1∙См (43)

Где Ор – объем работ за сутки, т. (При транспортировке объем работ за

сутки равен выходу навоза/помета с предприятия за сутки).

В1 – производительность i-го оборудования за 1 час, т.

60

Производительность оборудования за 1 час определяется для каждого

наименования техники индивидуально, исходя из заданных работ, дальности

транспортирования, сложности операций.

5 Затраты на топливо Zтп, тыс. руб. определяются по формуле:

𝑍тп = Пм ∙ Рт ∙ См ∙ Дн ∙ 𝑠𝑡 топл ∙ 𝐾𝑧 (44)

Где Пм – потребляемая мощность i-го оборудования, кВт/час;

Рт – расход топлива i-го оборудования, кг/кВт*час;

st топл– стоимость литра топлива для i-го оборудования, тыс.руб.

Удельные эксплуатационные затраты УДЭ, тыс. руб. определяются по

формуле:

УДЭ =𝑍𝐴+𝑍𝑇+𝑍з+𝑍э+𝑍тп+𝑍рм

𝑄∙365 (45)

Где Zрм – стоимость расходных материалов на год, тыс. руб.

Приведенные затраты

Zпр=УДК+УДЭ (46)

2.3.4 РАСЧЕТ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Основными экологическими показателями при переработке свиного навоза

являются массы сохраненных питательных веществ в получаемом органическом

удобрении (общий азот и общий фосфор).

Потери питательных веществ (общих азота и фосфора) на стадии

технологий рассчитываются по формуле:

𝐿𝑖 = 𝑁𝛼𝑖 ∗ 𝑀𝑖 −𝑁𝛼 𝑖+1 ∗ 𝑀 𝑖+1 (47)

где Li – потери на стадии,

i – номер стадии,

𝑁𝛼𝑖– содержание общего азота или фосфора в веществе до i –ой стадии, г/кг;

𝑁𝛼 𝑖+1 - содержание общего азота или фосфора в веществе после i –ой

стадии; г/кг;

61

𝑀𝑖 – масса вещества до i –ой стадии , кг;

𝑀 𝑖+1 - масса вещества после i –ой стадии; кг;

α – вид питательного вещества (общий азот или общий фосфор)

Потери веществ на всех стадиях технологии рассчитываются по формуле:

𝐿𝑗 = 𝐿𝑖 (48)

где 𝐿𝑖 – сумма потерь на всех стадиях, предусмотренных

технологией переработки свиного навоза.

Li рассчитывается для каждой стадии отдельно по формуле (47).

За исходные данные для расчета принимают содержание общего азота и

фосфора в образовавшемся свином навозе. Данные могут быть взяты из

нормативных документов либо из результатов анализов.

Масса сохраненных питательных веществ в органическом удобрении

определяется по формуле:

𝑀𝑁𝑃 = 𝑀𝑁 + 𝑀𝑃 = 𝑀𝑁1 − 𝐿𝑁 + 𝑀𝑃1 − 𝐿𝑃 (49)

Где 𝑀𝑁 - масса сохраненного общего азота в органическом удобрении, т

𝑀𝑃 – масса сохраненного общего фосфора в органическом удобрении, т

𝑀𝑁1 - масса общего азота в свином навозе, т

𝐿𝑁 - потери общего азота на всех стадиях технологии, т

𝑀𝑃1 - масса общего фосфора в свином навозе, т

𝐿𝑃 - потери общего фосфора на всех стадиях технологии, т.

2.3.5. РАСЧЕТ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

По методу долевого участия удобрений в формировании урожая

рассчитывают прибавку урожая:

уфп ДУУ /100 (50)

где пУ - прибавка урожая (с 1 га или всей площади), ц з.е.;

62

фУ - фактическая урожайность или весь валовый сбор в

растениеводстве, ц з.е.;

уД - доля влияния органических удобрений на урожайность

сельскохозяйственных культур, %.

Числовые значения прибавки урожая и доли участия удобрений можно

определить из нормативно-справочной литературы в соответствии с количеством

внесенных с ними питательных веществ [70].

Стоимость прибавки урожая, полученной за счет применения органических

удобрений, определяется из равенства [71, 72]:

ЦУС пп (51)

где пС - стоимость прибавки урожая с 1 га или всей площади, руб.;

Ц – цена за 1 ц прибавки урожая, руб.

Чистый доход, полученный от использования органических удобрений,


еп ССЧ (52)

где Ч - чистый доход, руб.;

пС - стоимость прибавки урожая со всей площади (где использовались

органические удобрения), руб.;

еС -себестоимость прибавки урожая от удобрений, руб.

В качестве показателя затрат на сохранение питательных веществ

выступают удельные капитальные и эксплуатационные затраты на сохранение

общих азота и фосфора.

𝐾𝑠𝑝𝑣𝑗 = 𝑍𝑠𝑖+𝑍𝑜 𝑖+𝑍𝑚 𝑖 𝐾𝑜𝑝𝑖=1

𝑀𝑂𝑃𝑉𝐺 −𝐿𝑗 𝐸𝑠𝑝𝑣𝑗 =

𝐸𝑠𝑝𝑣𝑔𝑗

𝑀𝑂𝑃𝑉𝐺 −𝐿𝑗 (53)

где Kspvj – кап. затраты на сохранение питательных веществ при j-й

технологии, тыс. руб;

MOPVG – масса образовавшихся питательных веществ в год , т;

63

Lj – масса потерь питательных веществ в год при j-й технологии, т;

i – номер операции;

Kop - количество операций в технологии;

Zsi - суммарные капитальные затраты на сооружения для i-ой операции, тыс

руб;

Zoi - суммарные капитальные затраты на оборудование для i-ой операции,

тыс руб;

Espv – эксплуатационные затраты на сохранение питательных веществ тыс

руб;

Espvgj – эксплуатационные затраты на сохранение питательных веществ для

производства требуемой мощности тыс руб.

В качестве обобщенного эколого-экономического показателя (Кээ) выбрано

отношение чистого дохода от продажи прибавки урожая к затратам на сохранение

питательных веществ, внесенных под полученный урожай, и определяется по

формуле:

spvjE

spvjK

ЧКээ

(54)

Таким образом, критерии для оценки технологий переработки свиного

навоза:

- экономический (приведенные затраты Zпр);

- экологический (масса сохраненного азота и фосфора в полученном

органическом удобрении MNP).

Нахождение оптимальной технологии будет определяться методом Парето

оптимизации.

64

2.4 ТЕОРИЯ РАССМОТРЕНИЯ ПРОЦЕССА СЕДИМЕНТАЦИИ

ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОСВЕТЛЕНИЮ

ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ СВИНОГО НАВОЗА, ПОДОБИЕ

ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК

Для разработки математической модели переработки свиного навоза в

аэротенке с использованием циклических отстойников будет проведен

эксперимент на лабораторной установке. Для подтверждения возможности

использования полученных математических зависимостей на промышленной

установке, докажем, что осаждение частиц жидкой фракции свиного навоза

является свободным и не зависит от формы сосуда; определим порядок расчета

коэффициента подобия.

Жидкая фракция свиного навоза состоит из воды, грубодисперсных частиц

(совокупность которых образует взвешенные вещества), коллоиднорастворенных

и истиннорастворенных примесей. Такую жидкость с взвесями принято называть

суспензиями. Основная масса грубодисперсных примесей рассматриваемой

суспензии имеет плотность, превышающую плотность среды, в которой они

находятся; меньшая часть имеет плотность сравнимую и меньшую по сравнению

с плотностью среды. Под действием сил гравитации тяжелые примеси оседают, а

легкие всплывают.

Оседание твердых частиц в жидкой среде теория рассматривает как

свободное и стесненное. Расчет скорости стесненного осаждения твердых частиц

суспензии относительно стенок аппарата (отстойника – неподвижная система

координат) осуществляется по формулам [73]:

При 𝜀 > 0,7

𝑤ос.ст. = 𝑤ос ∙ 𝜀2 ∙ 10−1,82∙ 1−𝜀 (55)

При 𝜀 ≤ 0,7

𝑤ос.ст. = 𝑤ос ∙0,123 ∙𝜀3

1−𝜀 (56)

Где 𝑤ос.ст. - скорость стесненного осаждения частиц относительно стенок

сосуда (относительно неподвижной системы координат), м/с; 𝑤ос - скорость

65

свободного осаждения наименьших частиц, м/с; 𝜀 = 𝑉ж/ 𝑉ж + 𝑉т - объемная доля

жидкости в суспензии (порозность); 𝑉ж – объем жидкости в суспензии, м3; 𝑉т –

объем твердых частиц в суспензии, м3.

Следовательно, скорость осаждения является функцией порозности.

Необходимо определить, влияет значение прозорности на скорость осаждения при

седиментации жидкой фракции свиного навоза или нет.

Влажность жидкой фракции свиного навоза по результатам

экспериментальных данных составила 96,1%. Следовательно, массовая доля

жидкости в суспензии составляет 0,961. Обозначим ее через 𝜀м.

𝜀м =𝑚ж

𝑚ж+𝑚т (57)

1

𝜀м

=𝑚ж + 𝑚т

𝑚ж

= 1 +𝑚т

𝑚ж

= 1 +𝜌т ∙ 𝑉т

𝜌ж ∙ 𝑉ж

𝑉т

𝑉ж

= 1

𝜀м

− 1 ∙𝜌ж

𝜌т

𝜀 =𝑉ж

𝑉т + 𝑉ж

1

𝜀=

𝑉т + 𝑉ж

𝑉ж

= 1 +𝑉т

𝑉ж

1

𝜀= 1 +

1

𝜀м

− 1 ∙𝜌ж

𝜌т

𝜀 =1

1+ 1

𝜀м−1 ∙

𝜌ж

𝜌т

= 0,98 (58)

Где 𝑚ж – масса жидкости в суспензии, кг; 𝑚т – масса твердых частиц в

суспензии, кг; 𝜌ж - плотность жидкости, кг/м3; 𝜌т - плотность твердых частиц,

кг/м3.

Средняя плотность твердых частиц в жидкой фракции свиного навоза

составляет 2600кг/м3 [74].

Свободное осаждение наблюдается при объемных долях твердых частиц в

суспензии меньше 0,1 [75]. В нашем случае, объемная доля твердых частиц

составляет 0,02, следовательно, можно говорить о свободном осаждении.

66

В условиях свободного осаждения характеристики осаждения не зависят от

геометрических параметров емкости, в которой осуществляется седиментация,

следовательно:

𝑅𝑒 = 𝑓(𝐴𝑟) (59)

Где 𝑓 - некоторая универсальная функция, представленная, к примеру,

графически [73];

𝑅𝑒 - критерий Рейнольдса

𝑅𝑒 =𝑤ос∙𝜌с∙𝑑

𝜇 (60)

𝐴𝑟 - критерий Архимеда

𝐴𝑟 =𝑑3∙ 𝜌т−𝜌с ∙𝜌с∙𝑔

𝜇2=

𝑅𝑒 2

𝐹𝑟∙𝜌т−𝜌с

𝜌с (61)

𝐹𝑟 – критерий Фруда

𝐹𝑟 =𝑤ос

2

𝑑∙𝑔 (62)

𝑑 – диаметр твердой частицы, м; 𝜌с – плотность твердых частиц и среды,

кг/м3; 𝜇 – динамический коэффициент вязкости среды, н сек/м

2; 𝑔 – ускорение

силы тяжести, м/сек2.

Для получения расчетной формулы скорости свободного осаждения

твердых частиц в жидкой фракции свиного навоза раскрываем значения

критериев в формуле (58) и решаем ее относительно скорости свободного

осаждения 𝑤ос.

𝑤ос∙𝜌с∙𝑑

𝜇= 𝑓(

𝑑3∙ 𝜌т−𝜌с ∙𝜌с∙𝑔

𝜇2) (63)

Следует отметить, что при седиментации жидкой фракции свиного навоза в

циклическом отстойнике, основной силой, действующей на твердые частицы,

является сила тяжести. Это объясняется тем, что жидкая фракция свиного навоза

осаждается в состояние покоя (без воздействия внешних сил) в течение

нескольких суток.

67

Все представленные критерии в условиях свободного осаждения зависят

лишь от физических свойств среды: вязкость среды, диаметр частиц, плотность

среды и частицы. Следует также учитывать, что ускорение силы тяжести 𝑔

одинаково для всех случаев, так как седиментация осуществляется в естественных

условиях. Следовательно, при свободном осаждении жидкой фракции свиного

навоза форма стенок сосуда, в котором происходит осаждение, на ход осаждения

не влияет. Поэтому при проектировании промышленных отстойников их

геометрическая форма выбирается с инженерной целесообразностью и условиями

сельскохозяйственного предприятия.

Для исследования технологии переработки свиного навоза в аэротенке с

использованием циклических отстойников, будет собрана лабораторная

установка, состоящая из первичного вертикального отстойника, аэротенка,

вторичного вертикального отстойника, хранилища секционного типа.

Полученные на модели результаты опытных исследований обобщатся и

перенесутся на промышленную установку в соответствие с законами подобия,

которые устанавливают определенные соотношения между геометрическими

размерами, кинематическими и динамическими характеристиками потоков в

модели и промышленной установке.

1. Геометрическое подобие

При выводе коэффициента подобия акцент делается на геометрические

размеры лабораторной модели и промышленного образца. С учетом того, что

седиментация жидкой фракции свиного навоза является свободным осаждением,

форма и размеры стенок сосуда не влияют на ход осаждения (при условии, что

размеры сосуда много больше размеров твердых частиц).

2. Кинематическое подобие

При выводе коэффициента подобия учитывается, что отрезки времени, при

которых происходит процесс в лабораторной модели и в промышленном образце,

должны быть пропорциональны. Другими словами, если в первом потоке

(промышленный образец) частицы проходят путь L1 за время t1, то во втором потоке

68

(модели) – путь L2 за t2. Причем, отрезки L1 и L2 должны быть геометрически

подобны, а отношение 2

1

t

t должно быть одинаковым для сходственных точек

обоих потоков.

Учитывая, что закон распределения частиц одинаков при любых формах и

размерах стенок сосуда, данное условие кинематического подобия будет

выполняться.

3. Динамическое подобие

В динамически подобных потоках отношение одноименных сил в

сходственных точках в натуре и на модели постоянны, т.е.

const2

1 рkP

P (64)

где Р – любая сила, в том числе и равнодействующая; kр –масштабный

коэффициент, или масштаб сил.

К силам, действующим в потоке жидкости, можно отнести: силы

внутреннего трения жидкости, силы тяжести, силы поверхностного натяжения и

др.

Обозначим действующие в сходственных точках натурного и модельного

потоков силы Р1 и Р2 соответственно. По основному уравнению динамики,

известному из теоретической механики, сила равна произведению массы на

ускорение:

maP ( 6 5 )

Где m – масса жидкости, а – ускорение. Учитывая, что масса равна

произведению плотности 𝜌на ее объем W:

Wm (66)

Где 3LW , тогда:

3Lm ( 6 7 )

69

Ускорение определяется приращением скорости t

в единицу времени t,

т.е. 2ta

.

Следовательно:

43 2 2

2 2P ma

t t

. (68)

Таким образом, для динамического подобия необходимо, чтобы силы

находились в соотношении

2 22 21 1 1 1

2 22 2 2 2

Pk k k kp р vP

. (69)

Выражение (69) является математическим выражением общего закона

динамического подобия, впервые сформулированным Ньютоном.

Преобразуем выражение (69) к виду

1 2 idem2 2 2 2

1 1 1 2 2 2

P P

. (70)

Следовательно, Ne2 2P

– критерий Ньютона. Критерий Ньютона

является обобщенным критерием динамического подобия механических систем

[75].

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

70

осуществляется по критерию Фруда, в основное уравнение динамического

подобия (64) вместо силы Р надо подставить значение силы тяжести:

gmgP 3 , (71)

Где 3m – масса жидкости; g – ускорение силы тяжести.

Запишем уравнение (64) с учетом формулы (71)

2 2 31 1 1 1 1 1

2 2 32 2 2 2 2 2

g

g

2 21 2 idem

1 1 2 2g g

. (72)

Выражение (72) называется законом подобия Фруда, а 2

Fr g

– критерием

Фруда.

Динамическое подобие потоков обеспечивается равенством критерия

Фруда на натуре и модели 21 rr FF и при условии, что ggg 21 :

2 2

1 2

. (73)

Из соотношения (73) определим масштаб скоростей:

22 1 1

222

kv

. ( 7 4 )

Отсюда kkv 2 или 5,0

kkv .Аналогично можно получить масштабы других

физических величин.

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.

71

При использовании полученных экспериментальным путем данных на лабораторной

установке для проектирования промышленных установок, необходимо ввести

рассмотренные выше коэффициенты подобия 𝑘𝑙 ,𝑘𝜐 .

2.5 ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИИ

ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА В АЭРОТЕНКЕ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛИЧЕСКИХ ОТСТОЙНИКОВ

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.

72

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

1 Уровень. Модели технологических вариантов

Циклические

отстойники

2 Уровень. Модели технологических операций

Первичная

седиментация

Вторичная

седиментацияАэрация

Длительное

выдерживание

3 Уровень. Модели отдельных явлений

Потери по

массе

Потери азота

и фосфора

Рисунок 18 - Общая структурная модель технологии переработки свиного навоза

в аэротенке с использованием циклических отстойников

73

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.

Технология глубокой переработки состоит из ряда операций: первичная

седиментация, аэрация с вторичной седиментацией, длительное выдерживание.

Целевой функцией является максимизация эколого-экономического

показателя Кээ, рассчитываемого по формуле (54), при определенных

ограничениях ti, Q, N, P:

Кээ𝑁 → 𝑚𝑎𝑥 –по азоту (75)

Кээ𝑁 = 𝑓(𝑋1𝑖,𝑋2𝑖,𝑋3𝑖)

X1i – перераспределение массы на i-ой технологической операции, тонны

X2i – перераспределение азота на i-ой технологической операции, тонны

X3i – перераспределение фосфора на i-ой технологической операции, тонны

𝑋1𝑖 = 𝑓(𝑡𝑖,𝑄), 𝑄 ∈ 50, 300 (76)

𝑋2𝑖 = 𝑓(𝑡𝑖,𝑁,𝑄), 𝑄 ∈ 50, 300 ,𝑁 ∈ 2000,6000

𝑋3𝑖 = 𝑓(𝑡𝑖,𝑃,𝑄), 𝑄 ∈ 50, 300 ,𝑃 ∈ 500,1500

74

Где ti – время i-ой технологической операции

i=1 – технологическая операция первичной седиментации

i=2 – технологическая операция аэрации (21) с вторичной седиментацией (22)

i=3 – технологическая операция длительного выдерживания

𝑡1 ∈ 1; 9 , сутки

𝑡21 ∈ 1; 21 , сутки

𝑡22 ∈ 1; 6 , часы

𝑡3 ∈ 0; 6 , месяцы

Q – масса суточного выхода жидкой фракции свиного навоза, тонны

N – содержание азота в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг

P – содержание фосфора в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг

Математическая модель позволяет проанализировать возможность

адаптации технологии, определить основные управляющие факторы, а также

возможные границы изменения показателей технологии при практической

реализации.

Для реализации и наполнения математической модели необходимо провести

исследования с целью получения данных о характеристиках перерабатываемой

жидкой фракции свиного навоза на каждой стадии технологии.

2.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ

ПЕРВИЧНОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА

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.

75

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.

Также при расчете вертикальных отстойников учитывается, что площадь

зоны осаждения должна соответствовать максимальному значению [80].

Одним из методов определения площади осаждения является расчет ее

через скорости свободного и стесненного осаждения с учетом содержания

твердых частиц в суспензии, осадке и осветленной жидкости (в долях) с

применением формулы Стокса [81]. Однако содержание твердых частиц в

76

исходной суспензии, осадке и осветленной жидкости для свиного навоза

меняются в значительных диапазонах. Средние значения для них по всем

свинокомплексам получить невозможно.

Другим методом определения площади осаждения является расчет ее через

радиус вертикального отстойника. При этом при расчете пренебрегают

взвешивающей составляющей скорости потока [82].

Радиус первичного вертикального отстойника определяется по формуле

[83]:

𝑅 = 𝑞𝑚𝑎𝑥

𝑛1∙𝑘∙𝜋∙(𝑢−𝜔)∙1

1000

(77)

Где 𝑞𝑚𝑎𝑥 – максимальный расход сточных вод, м3/с

𝑛1 - количество первичных вертикальных отстойников, шт

𝑘 - коэффициент использования объема отстойника (для

промышленных стоков в вертикальном отстойнике принимается 0,35)

𝑢 - гидравлическая крупность, мм/с.

𝜔 - вертикальная турбулентная скорость, мм/с.

Максимальный расход сточных вод определяется с учетом общего

коэффициента неравномерности Kmax. Для промышленных бытовых стоков он

принимается равным от 1,58 до 2,5 [77, 83].

При скорости осаждения части суспензии в первичном вертикальном

отстойнике менее 15 мм/с, вертикальной турбулентной скоростью можно

пренебречь [84].

Скорость осаждения частиц взвеси в отстойнике (гидравлическая

крупность) в мм/с определяется по формуле [85]:

𝑢 =𝑘∙𝐻

𝛼∙𝑡∙

𝑕

𝑘∙𝐻 𝑛− 𝜔 (78)

Где Н – глубина проточной части вертикального отстойника, мм

𝛼 – коэффициент, учитывающий влияние температуры суспензии на

ее вязкость

77

t – продолжительность отстаивания (секунды) в цилиндре со слоем

воды h, соответствующая заданному эффекту осветления

n – эмпирический коэффициент, зависящий от свойств взвеси; для

структурных тяжелых взвесей принимается 0,6

𝜔 - вертикальная турбулентная скорость, мм/с.

Коэффициент, учитывающий влияние температуры на ее вязкость [86]


𝛼 =𝜇л

𝜇п (79)

Где 𝜇л – вязкость суспензии при выбранной температуре в лабораторных

условиях

𝜇п - вязкость суспензии при выбранной температуре в промышленных

условиях

Для промышленных стоков при температуре воды 200 С равен 1.

Тогда с учетом всего вышеперечисленного радиус первичного

вертикального отстойника будет равен:

𝑅 = 𝑞𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝐾𝑚𝑎𝑥

𝑛1∙𝑘∙𝜋∙𝑘∙𝐻

𝛼∙𝑡∙∙

1

1000∙

𝑕

𝑘∙𝐻 𝑛 (80)

Несмотря на то, что процесс стесненного и свободного осаждения изучался

многими исследователями, в настоящее время отсутствуют уравнения,

позволяющие рассчитать скорость стесненного осаждения с учетом всех

влияющих на нее факторов. Для определения скорости стесненного осаждения

чаще всего предлагается вносить поправочные коэффициенты в уравнение

скорости свободного осаждения [87].

Все коэффициенты в руководящих документах и справочниках указаны для

основных видов хозяйственно-бытовых стоков. Также представленные формулы

не учитывают действительных условий отстаивания: осаждения в стесненных

условиях, агломерацию, изменение формы и плотности частицы в процессе ее

78

осаждения. Особенно велико значение агломерации при отстаивании сточных

вод, содержащих примеси органического происхождения (например, жидкая

фракция свиного навоза) [88]. Формула никаким образом не учитывает

микробиологический фактор. Отличительной же особенностью жидкой фракции

свиного навоза от хозяйственно-бытовых стоков является особенность

разложения, вследствие чего изменяется гранулированный состав частиц жидкой

фракции (меняется гидравлическая крупность частиц за счет увеличения их

гидратной оболочки), и образуются пузырьки газа в процессе седиментации.

Следовательно, при седиментации в отстойнике жидкой фракции свиного навоза

формула (59) не применима. Поэтому введем поправочный коэффициент 𝛽

(поправка изменения свойств осаждающейся пульпы от времени), учитывающий

особенности жидкой фракции свиного навоза.

Значение поправочного коэффициента 𝛽, учитывающего изменение свойств

жидкой фракции свиного навоза вследствие биохимических процессов, является

функцией времени:

𝛽 = 𝑓(𝑡) (81)

Изначально поправочный коэффициент вводится в формулу (80). С учетом

𝛽 формула будет иметь вид:

𝑅 = 𝛽 ∙ 𝑞𝑚𝑎𝑥

𝑛1∙𝑘∙𝜋∙(𝑢−𝜔)∙1

1000

(82)

Модификацией формулы с учетом поправочного коэффициента 𝛽 является

формула:

𝑅 = 𝛽 ∙ 𝑞𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝐾𝑚𝑎𝑥

𝑛1∙𝑘∙𝜋∙𝑘∙𝐻

𝛼∙𝑡∙∙

1

1000∙

𝑕

𝑘∙𝐻 𝑛 (83)

Следовательно, радиус первичного вертикального отстойника обратно

пропорционален корню из скорости осаждения частиц в отстойнике

(гидравлической крупности):

𝑅~1

𝑢 (84)

79

Для определения кинетики влияния разложения на процесс седиментации

определим значения коэффициента 𝛽 в разные промежутки времени. При этом

для исходной пульпы (жидкая фракция свиного навоза, непосредственно после

сепарации) значение поправочного коэффициента будет равно 1. Для жидкой

фракции свиного навоза, хранившейся некоторое время t с момента

сепарирования до начала седиментации, значение поправочного коэффициента 𝛽

будет отличным от 1.

Поправочный коэффициент 𝛽 является корнем из отношения радиуса

отстойника с жидкой фракцией свиного навоза, хранившейся некоторое время t до

седиментации к радиусу отстойника с жидкой фракцией свиного навоза,

помещенной в отстойник сразу же после сепарации. Учитывая, что расход жидкой

фракции свиного навоза постоянен, получаем, что коэффициент 𝛽 является

корнем из отношения скорости осаждения (гидравлической крупности) исходной

пульпы к скорости осаждения пульпы, хранившейся некоторое время t. Формула

для расчета коэффициента:

𝛽𝑡 = 𝑢0

𝑢𝑡 (85)

Где 𝑢0 – скорость осаждения исходной пульпы, мм/с;

𝑢𝑡 - скорость осаждения t-часовой пульпы, мм/с;

t – время хранения исходной пульпы (жидкой фракции свиного

навоза, непосредственно после сепарации) до момента помещения ее в отстойник,

часы.

Экспериментально определив поправочные коэффициенты, получим

графическую зависимость коэффициента от времени выдерживания жидкой

фракции свиного навоза до подачи ее в первичный отстойник.

Подставив в формулу (83) значения коэффициентов, приняв средний по

Ленинградской области расход жидкой фракции свиного навоза за сутки 100 м3,

80

определим зависимость радиуса вертикального отстойника от поправочного

коэффициента.

𝑅 = 5,2 ∙ 𝛽1

𝐻0,2 ∙ (86)

Конструктивными особенностями первичных вертикальных отстойников

предусмотрено, что рабочая глубина отстойника пропорциональна его радиусу.

Из источников известно, что диаметр вертикального отстойника не должен

превышать его рабочую глубину более чем в 3 раза [89]. С другой стороны, при

рассмотрении осаждения суспензии в вертикальном отстойнике существует, так

называемый, пробковый характер движения, при котором каждая «порция»

суспензии, поступившей в отстойник, движется вслед за предыдущей и перед

последующей «порцией». В действительности нельзя избежать перемешивания

воды в направлении движения потока. Движение будет приближено к пробковому

только при определенном соотношении геометрических размеров отстойника: в

вертикальном – при соотношении глубины воды к диаметру не менее 0,5 [90].

Определим зависимости радиуса вертикального отстойника от значения

поправочного коэффициента при:

1. D<3H, следовательно, R<1,5H; H>R/1,5

𝑅 < 5,2 ∙ 𝛽 ∙1

𝑅

1,5

0,2 (87)

𝑅 < 4,2 ∙ 𝛽56

2. H>0,5D, следовательно H>R

𝑅 > 5,2 ∙ 𝛽 ∙1

𝑅0,2 (88)

𝑅 > 3,9 ∙ 𝛽56

Зная значение поправочного коэффициента по графику 1 определим

диапазон радиусов для первичного вертикального отстойника. При этом следует

учитывать, что для любых суспензий радиус первичного отстойника должен

находиться в пределах от 2 до 4,5 метров [91, 92, 93]. Графические зависимости

81

радиуса первичного вертикального отстойника от поправочного коэффициента

представлены на рисунке 19 [94].

Рисунок 19 - Зависимости радиуса первичного вертикального отстойника от

поправочного коэффициента

При использовании отстойника не с круглым сечением, а с квадратным,

идет перерасчет на размер боковой стенки L с учетом площади поверхности

отстойника:

𝑆 = 𝜋 ∙ 𝑅2 = 𝐿2 (89)

𝐿 = 𝑅 ∙ 𝜋 (90)

Обобщая материалы главы, можно сделать следующие выводы:

1 Для формирования адаптивных технологий переработки свиного навоза

разработан алгоритм, позволяющий оценивать технологии в виде

взаимосвязанных подсистем. Такой подход позволяет последовательно решать

задачу оптимизации.

82

2 При теоретическом исследовании процесса седиментации жидкой фракции

было установлено, что объемная доля твердых частиц составляет 0,02,

следовательно, можно говорить о свободном осаждении. При этом, какой бы

закон осаждения частиц при седиментации не был выбран, все представленные

выше критерии в условиях свободного осаждения зависят лишь от физических

свойств среды: вязкость среды, диаметр частиц, плотность среды и частицы.

Следует также учитывать, что ускорение силы тяжести 𝑔 одинаково для всех

случаев, так как седиментация осуществляется в естественных условиях.

Следовательно, при свободном осаждении жидкой фракции свиного навоза

форма стенок сосуда, в котором происходит осаждение, на ход осаждения не

влияет. Для возможности использования математических зависимостей,

полученных на лабораторной установке, для расчета промышленной установки

переработки свиного навоза, был определен порядок расчета коэффициента

подобия.

3 С целью определения оптимальных режимов работы каждого элемента

технологии глубокой переработки жидкой фракции свиного навоза в аэротенке

с использованием циклических отстойников, была построена математическая

модель данной технологии.

4 Предложенная математическая модель автоматизированного выбора

технологий позволяет с учетом критериев и, используя метод Парето,

выбирать оптимальную адаптированную технологию переработки свиного

навоза для конкретного сельскохозяйственного предприятия.

5 Предложенная математическая модель технологии глубокой переработки

свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников

позволяет оценивать технологический процесс, как в координатах времени, так

и в разрезе каждой технологической операции.

6 Получены формулы расчета оптимальной площади поверхности циклического

отстойника с учетом времени нахождения в нем жидкой фракции свиного

навоза.

83

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА В

АЭРОТЕНКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛИЧЕСКИХ ОТСТОЙНИКОВ

3.1 ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью экспериментальных исследований являлось определение

оптимальных режимов работы каждого из элементов технологии глубокой

переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических

отстойников.

Программой исследований в лабораторных условиях предусмотрено:

1 Определение химического состава (общие азот и фосфор) жидкого свиного

навоза и продуктов, из него полученных, для хозяйств Ленинградской области.

2 Определение потерь общих азота и фосфора и потерь массы на каждом этапе

технологии.

3 Построение кривых кинетики осветления жидкой фракции свиного навоза,

отражающих седиментационные свойства взвешенных частиц.

4 Построение кривых перераспределение массы и общего азота и фосфора на

разных этапах технологии.

5 Определение зависимости коэффициент 𝛽 (поправка изменения свойств

осаждающейся пульпы от времени) от времени отстаивания.

3.2 ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования являлся технология глубокой переработки жидкой

фракции свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников.

84

3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ВОЗДУХА И ВЫБОР

ВОЗДУХОДУВНОГО УСТРОЙСТВА

При проведении лабораторных исследований, с целью получения

оптимальных режимов работы элементов технологии, необходимо рассчитать

требуемое количество воздуха, подаваемое в аэротенк, и подобрать компрессор.

Аэрация жидкой фракции свиного навоза осуществляется в аэротенках,

объединяющихся в обширную группу биологических окислителей. Их принцип

действия основан на минерализующей способности активного ила,

представляющего собой суспензию аэробных организмов. Для нормальной

жизнедеятельности микроорганизмов в аэротенке необходимо поддерживать

определенную для каждой суспензии концентрацию кислорода. Следовательно,

необходимо определить расход воздуха для системы биологической очистки.

Удельный расход воздуха для работы аэротенков производится согласно

СНиП 2.04.03-85, п.6.157 по формуле:

)(

)(

321 OaT

exenOair

CCKKKK

LLqq

(91)

qO - удельный расход кислорода воздуха, мг на 1 мг снятой БПКполн,

принимаемый при очистке до БПКполн 15-20 мг/л - 1,1, при очистке до БПКполн

свыше 20 мг/л - 0,9;

K1 - коэффициент, учитывающий тип аэратора;

K2 - коэффициент, зависимый от глубины погружения аэраторов ha;

KT - коэффициент, учитывающий температуру сточных вод;

K3 - коэффициент качества воды;

Ca - растворимость кислорода воздуха в воде, мг/л;

CO - средняя концентрация кислорода в аэротенке, мг/л;

Len - БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды (с учетом снижения БПК при

первичном отстаивании), мг/л;

Lex - БПКполн очищенной воды, мг/л;

85

Основными характеристиками компрессора являются производительность,

давление, объем ресивера, время заполнения/истечения. Рассчитав полное время

цикла компрессора (время заполнение ресивера до верхнего значения давления P2

и время его истечения до нижнего значения P1), при определенном значении

потребности аэротенка в воздухе, можно подобрать компрессор, который

обеспечит рациональный энергосберегающий режим работы для системы

биологической очистки жидкой фракции свиного навоза.

Температура воздуха в ресивере T2 в сжатом состоянии (при давлении в

ресивере P2) определяется по уравнению адиабаты. В паспорте компрессора

указаны значения давления избыточного относительно атмосферного,

следовательно, при расчете необходимо каждое из давлений увеличить на 1*105

Па. В формулах используется абсолютное давление.

0,3

1

2

12P

PT

Т

(92)

Где k – показатель адиабаты, равный для двухатомного газа 1,4

Р2– верхняя граница давления воздуха в ресивере, Па

Р1– нижняя граница давления воздуха в ресивере, Па

Т1– температура воздуха в ресивере при нижней границе давления Р1, К

Температура воздуха в ресивере при нижней границе давления Р1 равна: 0,3

0

1

01P

PT

Т

(93)

Где Т0 - температура окружающей среды, К

Р0 - давление в окружающей среде, Па

Тогда формула примет вид:

0,3

0

2

02P

PT

Т

(94)

Масса воздуха в ресивере m2 при его полном заполнении при давлении P2

определяется с помощью уравнения Менделеева – Клапейрона, выражая Т2 по

формуле (94):

86

0

3,0

0

7,0

2

2TR

PVPm

(95)

Масса воздуха в ресивере m1 (кг) при нижней границе давления P1 равна:

0

3,0

0

7,0

1

1TR

PVPm

(96)

Где R - универсальная газовая постоянная; - средняя молекулярная масса

воздуха, деленная на 1000 (0,029); V – объем ресивера, м3.

Масса полезного воздуха (идущего из ресивера в аэротенк) определяется по

формуле:

0

7,0

1

7,0

2

3,0

0

12

)(

TR

PPPVmmmп

(97)

Определим объем полезного воздуха:

0

7,0

1

7,0

2

3,0

0

0

0

)(

P

PPPVT

R

Р

mV п

п

(98)

Время истечения полезного воздуха из ресивера (в секундах) определяется


тт

п

истWP

PPPV

W

Vt

60)(60

0

7,0

1

7,0

2

3,0

0

(99)

Время заполнения ресивера (в секундах) определяется по формуле:

тнтн

п

запWWP

PPPV

WW

Vt

60)(60

0

7,0

1

7,0

2

3,0

0

(100)

Где Wн – производительность компрессора на выходе, м3/мин

Wт– требуемое количество воздуха, подаваемого в систему, м3/мин

Для бесперебойной работы компрессора время заполнения ресивера tзап

должно быть в 1,3 раза меньше времени его истечения tист [95]. На основании

проведенного расчета, был выбран компрессор РК102-10-50.

87

3.4 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.4.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИИ

Схема исследуемой технологии представлена на рисунке 20.

СВИНОКОМПЛЕКС СЕПАРАТОРБЕТОНИРОВАННАЯ

ПЛОЩАДКА

АЭРОТЕНК

ТВЕРДАЯ

ФРАКЦИЯСВИНОЙ

НАВОЗ

ЖИДКАЯ

ФРАКЦИЯ

ОСВЕТЛЕННАЯ

ЖИДКОСТЬ

ХРАНИЛИЩЕОСАДОК

ОРГАНИЧЕСКОЕ

УДОБРЕНИЕ

ОРГАНИЧЕСКОЕ

УДОБРЕНИЕ

ДООЧИСТКА НА

ПОЛЯХ

ФИЛЬТРАЦИИ

ИЗБЫТОЧНЫЙ

АКТИВНЫЙ ИЛ

ВТОРИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК

ОЧИЩЕННАЯ

ЖИДКОСТЬ

ПЕРВИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК

ПЕРВИЧНЫЙ

ОТСТОЙНИК

Рисунок 20 – Блок-схема технологии

Исследования проводились на свинокомплексе «БОР» Ленинградской

области и в лабораторных условиях (ИАЭП). На свинокомплексе отбирались

пробы исходного свиного навоза (проба №1), твердой и жидкой фракций свиного

навоза (проба №2 и проба №3), органического удобрения, полученного методом

пассивного компостирования (проба № 9) для определения влажности и

содержания общего азота и фосфора. Жидкая фракция свиного навоза после

сепаратора транспортировалась в лабораторию, где исследовались остальные

стадии технологии (первичная и вторичная седиментация, аэрация и длительное

выдерживание). На каждой стадии технологии замерялась масса свиного навоза и

продуктов, из него полученных.

Согласно технологии жидкая фракция свиного навоза после сепаратора через

отверстие 1 подавалась в лабораторную модель первичного вертикального

циклического отстойника. Чертеж лабораторной модели вертикального

отстойника представлен на рисунке 21.

88

По технологии, предусмотрено 2 отстойника, работающих циклическим

образом: пока один отстойник наполняется (9 суток), во втором происходит

седиментация. На 10 сутки через выходное отверстие, оборудованное шаровым

краном 2, удалялся осадок (исследования проводились для времени седиментации

от 1 до 9 суток). Осветленная жидкость подавалась в лабораторную модель

аэротенка (исследования проводились для времени аэрации от 1 до 21 суток),

представленную на рисунке 22. Отбиралась осветленная жидкость для анализа

(проба №5). Осадок (проба №4) откачивался и обеззараживался методом

длительного выдерживания в лабораторной модели хранилища секционного типа,

после чего использовался в качестве органического удобрения (проба № 8).

Осветленная жидкость из лабораторной модели аэротенка подавалась в

лабораторную модель вторичного отстойника, процесс седиментации в котором

шел 7 часов (исследования проводились для времени вторичной седиментации от

1 до 7 часов). Далее осветленная очищенная жидкость (проба №6) пригодна для

доочистки на полях фильтрации. Избыточный активный ил из лабораторной

модели вторичного отстойника (проба №7) возвращался в лабораторную модель

аэротенка.

Отбор проб осуществлялся трехкратно в соответствии с ГОСТ Р 54519-

2011. Временной интервал от момента отбора пробы до начала ее анализа не

превышал 24 часов. В отобранных пробах определялись общий азот N, общий

фосфор P, замерялись массы М навоза и продуктов, из него полученных.

Воздух из компрессора подавался через систему аэрации в лабораторную

модель аэротенка. Количество подаваемого воздуха – 30 л/мин, замеряемое

ротаметром. Доза активного ила в аэротенке равна 6г/л.

Размеры лабораторной модели первичного циклического отстойника

выбраны в соответствии со справочными материалами по проектированию и

строительству сооружений очистки сточных вод и ранее проведенными

исследованиями [73, 75, 76, 80, 83, 84, 85, 91].

89

1 – входное отверстие с крышкой для жидкой фракции, 2 – кран шаровый для

спуска осадка

Рисунок 21 – Лабораторная модель первичного вертикального циклического

отстойника (размеры в мм)

Рисунок 22 – Лабораторная модель аэротенка (размеры в мм)

90

Вторичный отстойник для седиментации активного ила по конструкции

аналогичен первичному отстойнику – рисунок 21. Лабораторная модель

хранилища секционного типа представляет собой куб со стороной 300 мм [96].

3.4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВОЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ПРИ

СЕДИМЕНТАЦИИ ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ СВИНОГО НАВОЗА

Дополнительно проводились исследования по седиментации свиного навоза

в мерных цилиндрах с целью определения коэффициента 𝛽 [97].

Были заполнены 2 цилиндра жидкой фракцией свиного навоза сразу после

сепарирования до отметки 500 мл. При замерах высоты слоев особое внимание

уделялось слою с осветленной жидкостью и слою с осевшими веществами.

Первые сутки, в момент активного оседания, измерялись высоты слоев

каждый час с 9.00 до 17.00. Далее переходили на измерения 1 раз в 12 часов.

Каждый день делали записи в таблице данных о высотах слоев (слой со

всплывшими веществами, слой с осветленной жидкостью и слой с осевшими

веществами). После завершения седиментации жидкой фракции (уровень осадка

остается неизменным), проводились замеры по вертикальной шкале, нанесенной

на цилиндр (в миллилитрах).

Проводились аналогичные действия для жидкой фракции свиного навоза

возрастом 1, 2, 3, 4, 5, 10 суток. Результаты исследований заносились в журнал

испытаний.

Схематический рисунок цилиндра с жидкой фракцией свиного навоза

представлен на рисунке 23.

Значение поправочного коэффициента 𝛽, учитывающего изменение свойств

жидкой фракции свиного навоза вследствие биохимических процессов, является

функцией времени:

𝛽 = 𝑓(𝑡) (101)

91

Вертикальная

шкала

Слой со

всплывшими

веществами

Слой с

осветленной

жидкостью

Слой с

осевшими

веществами

500

400

300

200

100

Рисунок 23 - Цилиндр с жидкой фракцией свиного навоза

Формула для расчета коэффициента:

𝛽𝑡 = 𝑢0

𝑢𝑡 (102)

Где 𝑢0 – скорость осаждения жидкой фракции свиного навоза сразу после

сепаратора, мм/с;

𝑢𝑡 - скорость осаждения t-суточной жидкой фракции свиного навоза, мм/с;

t – время хранения жидкой фракции свиного навоза сразу после сепарации

до момента помещения ее в отстойник, сутки.

𝛽0 = 𝑢0

𝑢0= 1

𝛽1 = 𝑢0

𝑢1

𝛽2 = 𝑢0

𝑢2 ……………….𝛽20 =

𝑢0

𝑢20

Рассчитав значения поправочных коэффициентов, построим графическую

зависимость, соответствующую функции (80).

Зная поправочный коэффициент, уточним площадь поверхности первичного

отстойника [98].

92

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

4.1 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ

ТЕХНОЛОГИИ

Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований

была собрана в ИАЭП. Общий вид технологической схемы представлен на

рисунке 24.

1 – приемный резервуар сепаратора; 2 – мешалка; 3 – сепаратор; 4 – первичные циклические

отстойники; 5 – аэротенк; 6 – вторичный отстойник; 7 – полевое хранилище очищенной

жидкости; 8 – поля фильтрации; 9 – хранилище для длительного выдерживания осадка и

избыточного активного ила; 10 – бетонированная площадка компостирования; 11 – земельные

угодья для внесения органического удобрения.

Рисунок 24 – Технологическая схема исследуемой технологии

Жидкая фракция свиного навоза помещалась в первичные вертикальные

отстойники. Из отстойников осветленная жидкость транспортировалась в

аэротенки. Осадок помещался в хранилище секционного типа, в котором

перерабатывался в органическое удобрение методом длительного выдерживания.

Из аэротенка очищенная жидкость и активный ил транспортировались во

вторичные вертикальные отстойники, очищенная жидкость из которых пригодна

93

для доочистки на полях фильтрации. Активный ил возвращался в аэротенки [99,

100].

Полученные данные были обработаны методом математической статистики

в программе STATGRAPHICS® Centurion XV. Были построены математические

зависимости. Полный статистический анализ для функции распределения массы

при первичной седиментации представлен в приложении 1. Исследования

проводились в трехкратной повторности.

Полученные математические зависимости использовались при разработке

математической модели переработки свиного навоза в аэротенке и

использованием циклических отстойников.

4.1.1 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРВИЧНОЙ СЕДИМЕНТАЦИИ

Три лабораторные модели первичных вертикальных отстойников были

заполнены жидкой фракцией свиного навоза по 11 килограмм в каждый (рисунок

25). Было определено начальное содержание общего азота в жидкой фракции

свиного навоза – 3500 мг/кг и общего фосфора – 1029 мг/кг.

Рисунок 25 – Лабораторные модели первичных вертикальных отстойников

94

В лабораторных моделях жидкая фракция отстаивалась 9 суток. Ежедневно

фиксировалась температура окружающего воздуха. За время проведения

эксперимента максимальная температура воздуха составила +150С, минимальная

+130С. Лабораторные модели первичных отстойников размещались в закрытом

помещении. Каждые сутки отбирались пробы осветленной жидкости и осадка для

определения влажности, общего азота и общего фосфора. Определялось

распределение массы жидкой фракции между осветленной жидкостью и осадком.

Результаты исследований заносились в журнал испытаний (рисунок 26).

Рисунок 26 – Отбор проб

Результаты представлены на рисунках 27, 28, 29. Табличные данные

представлены в приложении 2.

95

Рисунок 27 – Процент массы осадка Y к массе жидкой фракции в зависимости от

времени Х

Y = 52,14 – 10,75*lnX

Рисунок 28 – Процент массы общего азота в осадке Y в зависимости от времени Х

Y=50,87+11,67*lnX

96

Рисунок 29 – Процент массы общего фосфора в осадке Y в зависимости от

времени Х

Y=59,9+14,11*lnX

4.1.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ АЭРАЦИИ

Осветленная жидкость из лабораторной модели вертикального отстойника и

активный ил помещались в лабораторную модель аэротенка (рисунок 30).

Аэрирование осуществлялось 21 сутки. Ежедневно фиксировалась температура

окружающего воздуха. За время проведения эксперимента максимальная

температура воздуха составила +170С, минимальная +15

0С. Лабораторные модели

аэротенков размещались в закрытом помещении. Каждые сутки отбирались

пробы очищенной жидкости и активного ила (рисунок 31). Определялось

соотношение масс между очищаемой жидкостью и активным илом.

В аэротенк было помещено 5 кг активного ила, количество подаваемого в

аэротенк воздуха – 30л/мин. Количество подаваемого воздуха замерялось

ротаметром. Воздух в аэротенк подавался компрессором в соответствии с

проведенным расчетом через систему аэрации (рисунок 32). С целью исключения

попадания масла от компрессора в аэрируемую жидкость, был установлен

воздушный фильтр (рисунок 33).

97

Рисунок 30 – Лабораторная модель аэротенка и ротаметр

Рисунок 31 – Отбор пробы из лабораторной модели аэротенка

98

а) б)

Рисунок 32

а) система аэрации; б) компрессор для подачи воздуха

Рисунок 33 – Воздушный фильтр

99

Результаты представлены на рисунках 34, 35, 36. Табличные данные


Рисунок 34 - Процентное соотношение потерь массы осветленной жидкости и

активного ила Y в зависимости от времени Х

Y=0,39+2,45*X

Рисунок 35 - Процентное содержание распределения массы общего азота в

очищаемой жидкости (осветленная жидкость и активный ил) Y в зависимости от

времени Х

Y=sqrt(-1387,13+1828,54*sqrt(X))

100

Рисунок 36 - Процентное содержание распределения массы общего фосфора в

очищаемой жидкости (осветленная жидкость и активный ил) Y в зависимости от

времени Х

Y=(5,69+1,43*ln(X))^2

4.1.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВТОРИЧНОЙ СЕДИМЕНТАЦИИ

После лабораторной модели аэротенка очищенная жидкость и активный ил

подавались в лабораторную модель вторичного отстойника (рисунок 37).

Вторичная седиментация осуществлялась 6 часов. Каждый час отбирались

пробы очищенной жидкости и активного ила. Определялось соотношение по

массе между активным илом и очищенной жидкостью. Результаты вторичной

седиментации представлены на рисунках 38, 39, 40. Табличные значения


101

Рисунок 37 – Лабораторные модели вторичных вертикальных отстойников

Рисунок 38 - Процентное соотношение массы осевшего активного ила Y к массе

очищаемой жидкости с активным илом в зависимости от времени Х

Y=102,46-39,47*sqrt(X)

102

Рисунок 39 - Процентное соотношение массы азота в активном иле Y к массе

азота в очищенной жидкости и активном иле в зависимости от времени Х

Y=exp(4,46-0,09/X)

Рисунок 40 - Процентное соотношение массы фосфора в активном иле Y к массе

фосфора в очищенной жидкости и активном иле в зависимости от времени Х

Y=(7,46+1,6*ln(X))^2

103

4.1.4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ВЫДЕРЖИВАНИЯ

После лабораторной модели первичного вертикального отстойника осадок

подавался в лабораторную модель хранилища секционного типа (рисунок 41).

Длительное выдерживание осуществлялось 6 месяцев. Каждые 2 месяца

отбиралась проба осадка для определения общего азота и общего фосфора.

Замерялась масса осадка. Результаты длительного выдерживания представлены на

рисунках 42, 43, 44. Табличные значения представлены в приложении 2.

Рисунок 41 – Лабораторная модель хранилища секционного типа

Ежедневно фиксировалась температура окружающего воздуха. За время

проведения эксперимента максимальная температура воздуха составила +170С,

минимальная +200С. Лабораторные модели хранилищ секционного типа

размещались в закрытом помещении.

104

Рисунок 42 - Процентное соотношение потери массы выдерживаемого осадка Y к

изначальной массе осадка в зависимости от времени Х

Y=exp(2,39+1,51*ln(X))

Рисунок 43 - Процентное соотношение потери массы общего азота в

выдерживаемом осадке Y к изначальной массе общего азота в осадке в

зависимости от времени Х

Y=0,33+1,35*X^2

105

Рисунок 44 - Процентное соотношение потери массы общего фосфора в

выдерживаемом осадке Y к изначальной массе общего фосфора в осадке в

зависимости от времени Х

Y=-0,04+0,89*X^2

4.2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИИ

ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА В АЭРОТЕНКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЦИКЛИЧЕСКИХ ОТСТОЙНИКОВ

На основе полученных экспериментальным путем математических

зависимостей была разработана математическая модель.

𝑋11 =

𝑄

100∙ 52,14 − 10,75 ∙ ln 𝑡1

𝑋21 =𝑁∙𝑄

100⋅ 10−6 ⋅ 50,87 + 11,67 ⋅ ln 𝑡1

𝑋31 =𝑃⋅𝑄

100∙ 10−6 ∙ 59,9 + 14,1 ⋅ ln 𝑡1

(103)

Где:

Q – суточный выход жидкой фракции свиного навоза со свинокомплекса,

тонны

N – содержание общего азота в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг

P – содержание общего фосфора в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг

Х11 – масса осадка в зависимости от времени первичной седиментации, т

106

Х21 – масса общего азота в осадке в зависимости от времени первичной

седиментации, т

Х31 – масса общего фосфора в осадке в зависимости от времени первичной

седиментации, т

t1 – время первичной седиментации, сутки 𝑡1 ∈ 1, 9

Потери по массе, общего азота и общего фосфора на стадии первичной

седиментации не превысили 2%, при расчете мы ими пренебрегаем.

Были получены зависимости масс веществ от времени технологической

операции и потери питательных веществ.

𝐿1 =𝑄−𝑋11+𝐴⋅10−3+𝑡21∙0,2⋅10−3

100⋅ 0,4 + 2,45 ∙ 𝑡21 (104)

𝑀1 = 𝑄 − 𝑋11 + 𝐴 ⋅ 10−3 + 𝑡21 ∙ 0,2 ⋅ 10−3 − 𝐿1 (105)

L1 - потери массы осветленной жидкости и активного ила при аэрации, т

M1 – масса очищенной жидкости и активного ила после аэрации, т

A – масса изначально добавленного активного ила в аэротенке, кг

За каждые сутки осуществляется прирост активного ила на 0,2 кг

t21 – время аэрации, сутки 𝑡21 ∈ 1, 21

𝑡21 = 21 − 𝑡1

М2 =𝑁∙𝑄∙10−6+𝑚2−𝑋21

100⋅ −1387,13 + 1828,5 ⋅ 𝑡21 (106)

𝐿2 = 𝑀2 ⋅ 0,4 + 2,1 ∙ 𝑡21 (107)

М2 – масса общего азота в очищенной жидкости и активном иле после

аэрации, т

L2 – потери общего азота при аэрации, т

m2 – масса изначально добавленного общего азота (с активным илом), т

t22 – время вторичной седиментации, часы 𝑡22 ∈ 1, 7

107

𝑋12 = 𝑀1 −

𝑀1

100∙ 102,5 − 39,5 ∙ 𝑡22

𝑋22 = 𝑀2−𝐿2

100∙ 𝑒4,5−

0,09

𝑡22

𝑋33 =𝑀3

100∙ 7,5 + 1,6 ∙ ln 𝑡22 2

(108)

X12 – масса очищенной жидкости, т

Х22 – масса общего азота в активном иле, т

Х32 – масса общего фосфора в активном иле, т

𝑀3 =𝑃∙𝑄∙10−6+𝑚3−𝑋31

100∙ 5,7 + 1,4 ∙ ln 𝑡21 2 (109)

М3 - масса общего фосфора в очищенной жидкости и активном иле после

аэрации, т

m3 - масса изначально добавленного общего фосфора (с активным илом), т

Max L3=0,04% от массы общего фосфора попавшей в аэротенк, поэтому

потерями общего фосфора пренебрегаем.

𝐿4 = 𝑋11 +𝑀1−𝑋12

2 ∙

𝑒2,4+1,5∙ln 𝑡3

100 (110)

𝐿5 = 𝑋21 +𝑋22

2 ∙

0,3+1,3∙𝑡32

100 (111)

𝐿6 = 𝑋31 +𝑋32

2 ∙

−0,04+0,9∙𝑡32

100 (112)

L4 - потери по массе осадка при длительном выдерживании, т

t3 – время длительного выдерживания, месяцы 𝑡3 ∈ 0, 6

L5 – потери общего азота при длительном выдерживании, тонны

L6 - потери общего фосфора при длительном выдерживании, тоны

108

𝑋13 = 𝑋11 +

𝑀1−𝑋12

2− 𝐿4

𝑋23 = 𝑋21 +𝑋22

2− 𝐿5

𝑋33 = 𝑋31 +𝑋32

2− 𝐿6

(113)

Х13 – масса выдержанного осадка (готового органического удобрения), т

X23 – масса общего азота в выдержанном осадке (готовом органическом

удобрении), т

X33 – масса общего фосфора в выдержанном осадке (готовом органическом

удобрении), т

Целевой функцией является эколого-экономический показатель по азоту

Кээ𝑁. 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).

max

spvjE

spvjK

ЧКээN (114)

Данная математическая модель была реализована в программе Excel

(рисунок 45).

109

Рисунок 45 – Интерфейс программы

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

110

органического удобрения, 30681 тонну очищенной жидкости. При этом потери

общего азота составили 64 тонны, а потери общего фосфора – 14 тонн.

4.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПРАВЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА

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.

111

Рисунок 47 – 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.

4.4 ПРОГРАММА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЙ

ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА

Согласно схеме автоматизированного выбора технологий (рисунок 17)

пользователь вводит в программу значения исходных данных по

свиноводческому хозяйству (рисунок 48).

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

По

пр

авл

чны

й к

оэф

фи

ци

ен

т, Б/Р

Время хранения, сутки

112

Рисунок 48 - Интерфейс ввода исходных данных

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.

Далее необходимо указать поголовье свиней на комплексе (рисунок 49).

Рисунок 49 – Интерфейс ввода данных о поголовье свиней

113

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.

Рисунок 50 – Сравнение расчетных значений и введенных пользователем

На следующем шаге, пользователю необходимо указать параметры,

необходимые для первичного отбора технологий (рисунок 51).

114

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.

На следующем шаге, пользователю выводится таблица с экономическими,

экологическими и эколого-экономическими показателями (рисунок 52).

115

Рисунок 52 – Таблица с рассчитанными экономическими и экологическими

показателями

В таблице представлены полученные расчетные значения по всем шести

базовым технологиям. Следующим шагом рассчитываются экономический и

экологический показатель для каждой из технологий. Полученные значения

показателей сравниваются с указанными пользователем критериями (рисунок 51).

При первичном отборе технологий, отсеиваются технологии, у которых:

1. необходимая мощность технологии превышает доступную

электрическую мощность предприятия;

2. имеющихся земельных угодий недостаточно для внесения всего

получаемого органического удобрения;

3. недостаточно площади для установки требуемого оборудования.

Из оставшихся технологий выбираются оптимальные методом Парето по

двум критериям.

116

Согласно аксиоме Парето: если оценка одного из двух вариантов не хуже

оценки второго варианта по всем компонентам, причѐм по крайней мере по одной

из них – строго лучше, то первый вариант предпочтительнее второго, т.е.

xxxfxfmkmixfxfXxx Xkkii )()(:,...,2,1;,...2,1),()(,, (115)

Аксиома исключения: вариант, не выбираемый в какой-либо паре, не должен

оказаться среди выбранных и из исходного множества возможных вариантов, т.е.

)(,, XCxxxXxx X (116)

Принятие сформулированных выше двух аксиом даѐт возможность

установить фундаментальный принцип многокритериального выбора – принцип

Эджворта-Парето: при выполнении аксиомы Парето и аксиомы исключения для

любого множества выбираемых вариантов C(X) имеет место включение C(X)

Pf(X).

Здесь через Pf(X) обозначено множество парето-оптимальных вариантов

(рисунок 53).

Рисунок 53 – Выбор технологий

4.5 РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ НА ПРИМЕРЕ

СВИНОКОМПЛЕКСА ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

С помощью автоматизированного выбора технологий (программа ЭВМ),

была подобрана оптимальная технология переработки жидкого свиного навоза

для свинокомплекса «БОР» Ленинградской области. Исходные данные

предприятия представлены в таблице 13.

117

Таблица 13

Исходные данные предприятия

Выход свиного навоза в сутки 150 тонн

Влажность навоза 93,4%

Доступная электрическая мощность 200 кВт

Земельные угодья для внесения органических удобрений в

радиусе 15 км 1280 га

На основании работы программы (рисунок 53) в соответствие с

выбранными критериями и возможностями самого свинокомплекса, наиболее

адаптированной технологией переработки является технология переработки

свиного навоза в аэротенке с использованием первичных циклических

отстойников. Программой было подобрано необходимое для реализации

технологии оборудование, рассчитано его количество и размеры (для отстойников

и аэротенков). Также были даны требования к размерам строительных частей

(навозохранилища, бетонированная площадка). Элемент ситуационного плана

свинокомплекса «БОР» представлен на рисунке 54.

Необходимое оборудование для реализации технологии и его

характеристики представлено в таблице 14. Необходимые элементы строительной

части и их характеристики представлены в таблице 15.

Таблица 14

Необходимое оборудование

№ Наименование Характеристика Количество

1 Насос Производительность – 50 т/час

Потребляемая мощность – 5,5 кВт/час 4 шт

2 Сепаратор Производительность – 15 т/час

Потребляемая мощность – 4кВт/час 1 шт

3 Мешалка Потребляемая мощность – 5,5 кВт/час 1 шт

118

Продолжение таблицы 14

4

Первичный

циклический

отстойник

(рисунок 55) с

крышкой

Габаритные размеры одного отстойника –6,5х50х3 м

Отвод осветленной жидкости – по трубе диаметром 150

мм (на глубине 2,08 м) с помощью насоса

производительностью 100 т/час

Выгрузка осадка – 3 горизонтальных шнека длиной 50 м

с диаметром винта 500 мм и 3 вертикальных шнека

длиной 6 м с диаметром винта 500 мм.

Работу шнековых конвейеров обеспечивают мотор -

редукторы мощностью 5 кВт.

2 шт

5 Фронтальный

погрузчик Объем ковша не менее 3 м

3 2 шт

6 Трактор Класс тяги – 1,4 – 2,0 2 шт

7 Прицеп Грузоподъемность 10 тонн 2 шт

8 Прицеп-

разбрасыватель Грузоподъемность 10 тонн 2 шт

9

Аэротенк

двухсекционный

(рисунок 56)

Размеры одной секции – 3х50х3 м

Воздуходувки – 2 шт

Аэраторы мелкопузырчатые с шагом 100 мм

Отвод очищенной жидкости и активного ила по

трубопроводу диаметром 150 мм с помощью насоса


1 шт

10

Вторичный

отстойник

(рисунок 57)

Габаритные размеры – 5,1х50х3 м

Отвод очищенной жидкости – по трубе диаметром 150

мм (на глубине 2,6 м) с помощью насоса


Выгрузка активного ила – по 3-м трубам диаметром 150

мм с помощью 3-х насосов производительностью 100

т/час.

1 шт

119

Рисунок 54 – Элемент ситуационного плана

120

Рисунок 55 – Первичный циклический отстойник

Рисунок 56 – Двухсекционный аэротенк

121

Рисунок 57 – Вторичный отстойник

Таблица 15

Необходимые элементы строительной части

№ Наименование Характеристика

1

Бетонированная площадка

для пассивного

компостирования твердой

фракции свиного навоза

Габаритные размеры площадки – 110х125 м

Величина технологических проездов между буртами –

5 м

Величина технологических проездов между краем

площадки и буртом – 10 м

2

Бетонированное хранилище

для длительного

выдерживания осадка и

избыточного активного ила

Необходимо 3-и бетонированных хранилища

Размеры одного хранилища – 33х50х3 м

Одна из стенок хранилища имеет пологий склон для

заезда мобильного транспорта с целью выгрузки

полученного твердого органического удобрения

3

Бетонированные хранилища

для накопления очищенной

жидкости в период с октября

по апрель

Используются имеющиеся бетонированные хранилища

объемом 10000 м3 каждый

4 Поля фильтрации 42,5 га

Данные решения положены для подготовки проектных предложений к

созданию сооружений по транспортировке, разделению, хранению, подготовке и

использованию жидкой и твердой фракции навоза на свинокомплексе ООО

«Животноводческий комплекс Бор» Ленинградской области.

122

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКОГО СВИНОГО

НАВОЗА В АЭРОТЕНКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛИЧЕСКИХ

ОТСТОЙНИКОВ

Расчет эколого-экономической эффективности предлагаемой технологии

переработки жидкого свиного навоза в аэротенке с использованием циклических

отстойников выполнен на основании показателей, полученных при оценке

действующей на свинокомплексе технологии и показателей, заложенных в проект

«Проектные предложения по созданию сооружений по транспортировке,

разделению, хранению, подготовке и использованию твердой и жидкой фракции

навоза на свинокомплексе «БОР». Источниками экономической эффективности

являются: повышение урожайности сельскохозяйственных культур за счет

внесения на поля высококонцентрированного твердого органического удобрения;

уменьшение эксплуатационных затрат за счет снижения затрат на топливо при

транспортировке жидких органических удобрений.

При расчете применялась методика определения экономической

эффективности технологий и сельскохозяйственной техники [104, 105].

Исходные данные:

- выход жидкого свиного навоза со свинокомплекса – 150 т/сутки (54750

т/год);

- влажность жидкого свиного навоза – 93,4%.

Технология

Базовый вариант – Свиной навоз по трубопроводу подается на сепаратор.

Жидкая фракция свиного навоза обеззараживается методом длительного

выдерживания в бетонированных навозохранилищах 9 месяцев, твердая фракция

обеззараживается методом пассивного компостирования. Полученное жидкое

органическое удобрение вносится на поля сельскохозяйственного предприятия,

занимающегося растениеводством, расположенного на удалении до 50 км от

123

свинокомплекса, твердое органическое удобрение вносится на собственные

земельные угодья.

Новый вариант – Свиной навоз по трубопроводу подается на сепаратор.

Жидкая фракция свиного навоза подлежит биологической очистке; полученное

твердое органическое удобрение вносится на собственные поля; очищенная

жидкость (60% от массы исходного навоза) спускается на поля фильтрации.

Состав машин и оборудования

Базовый вариант – бетонированные навозохранилища; трактора класса тяги

1,4-2,0; бочки для внесения жидкого органического удобрения.

Новый вариант – первичные циклические отстойники; аэротенк; вторичный

отстойник; бетонированная площадка; бетонированные хранилища; поля

фильтрации.

В таблице 16 приведены исходные данные для расчета экономической

эффективности.

Таблица 16

Исходные данные

Показатель Числовое значение показателей, тыс. руб. Основание для выбора

значений показателей Базовый вариант Новый вариант

Сепаратор 2500 2500 Маркетинговый

анализ

Бетонированная

площадка 48125 48125 Расчет

Фронтальный

погрузчик (объем

ковша не менее 3м3)

2100 2100 Маркетинговый

анализ

Трактор (класс тяги

1,4-2,0) 1800 1800

Маркетинговый

анализ

Прицеп

(грузоподъемность 10

тонн)


анализ

Прицеп-

разбрасыватель

(грузоподъемность 10

тонн)


анализ

124

Продолжение таблицы 16 Насос

(производительностью

50 т/час)


анализ

Бетонированные

навозохранилища (для

выдерживания жидкой

фракции навоза)

91250 - Расчет

Машина для внесения

жидкого

органического

удобрения (15

тонн/час)

2000 - Маркетинговый

анализ

Первичный

циклический

отстойник

- 5250 Расчет

Аэротенк - 2500 Расчет

Вторичный отстойник - 2000 Расчет


хранилища (для

длительного

выдерживания осадка

и избыточного

активного ила)

- 25550 Расчет


емкости для хранения

очищенной жидкости

- 34000 Расчет

Поля фильтрации (1

га) - 1200


анализ

Электроэнергия (за 1

кВт/ч) 5,5*10

-3 5,5*10

-3


анализ

Топливо 0,04 0,04 Маркетинговый

анализ

При базовой технологии переработки жидкого свиного навоза

осуществляется транспортировка полученного органического удобрения на поля,

при этом дальность транспортировки составляет до 50 км. Данный подход требует

значительного количества мобильного транспорта для транспортировки, чтобы

уложиться в агротехнические сроки для внесения органического удобрения. При

этом обеззараживание более 40000 тонн жидкого свиного навоза сопровождается

значительным выделением аммиака (10 мг/м3).

Новая технология позволит сократить выбросы аммиака и затраты на

топливо при транспортировке.

125

Сравнительные показатели базового и нового вариантов переработки

жидкого свиного навоза представлены в таблице 17.

Таблица 17

Сравнительная эколого-экономическая оценка (за год)

Показатель Базовая технология Новая технология

Капитальные затраты, тыс.

руб. 198195 210240

УДК, тыс. руб./т 3,63 3,84

Затраты труда, ч-час/т 6 1,8

Затраты на электроэнергию,

руб/т 10 96

Затраты на топливо, тыс.

руб./т 0,11 0,08

Эксплуатационные затраты,

тыс. руб. 26828 14783

УДЭ, тыс. руб./т 0,49 0,27

Экологический эффект от

повышения плодородия земли,

руб/т

970 1030

Приведенные затраты, тыс.

руб./т 4,12 4,11

Экологический показатель, т 278,9 336,4

Как следует из приведенных в таблице данных, новая технология обладает

рядом преимуществ по отношению к используемой (базовой). Эксплуатационные

затраты на производство 1 т органического удобрения сокращаются в 1,8 раз,

затраты труда в 3,3 раза, затраты на топливо – в 1,4 раза. Новая технология имеет

более высокий коэффициент экологической безопасности, благодаря чему

обеспечивает экологический эффект в 1,1 больше базовой технологии.

Несмотря на высокую энергоемкость органических удобрений новой

технологии, коэффициент энергетической эффективности их выше единицы, что

обусловлено наряду с ростом урожая повышением энергопотенциала почвы, то

есть обогащения ее гумусом.

126

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Согласно стратегии развития сельскохозяйственного комплекса до 2030

года, планируется увеличение производства свинины на 30%. Такое

увеличение объема производства приведет к образованию на одном

свинокомплексе от 200 т/сутки жидкого навоза, который необходимо

перерабатывать и вовлекать в замкнутый цикл сельскохозяйственного

производства, чтобы обеспечить экологическую безопасность.

2. Анализ промышленного свиноводства показал, что оно часто не связано с

растениеводческими предприятиями, на поля которых можно вносить

полученное жидкое органическое удобрение. В связи с этим, актуальным

направлением утилизации свиного навоза является его глубокая

переработка. При использовании таких технологий образуется твердое

концентрированное органическое удобрение (40-50% от массы исходного

навоза) и очищенная жидкость (50-60% от массы исходного навоза),

пригодная для спуска на поля фильтрации.

3. Система глубокой переработки свиного навоза описана трехуровневой

математической моделью. Нижний уровень – модель отдельных явлений

(потери по массе и потери общего азота и фосфора), средний уровень –

модель технологических операций (первичная седиментация, аэрация,

вторичная седиментация, длительное выдерживание), верхний уровень –

модель технологических вариантов (циклические отстойники).

Формирование зависимостей выполняется последовательно от более

низкого уровня к более высокому. Целевой функцией выбран эколого-

экономический показатель по общему азоту КээN, представляющий собой

отношение чистого дохода Ч от продажи прибавки урожая к затратам на

сохранение питательных веществ в органическом удобрении.

4. Разработана программа и методика исследований технологии глубокой

переработки свиного навоза и получены показатели, необходимые для

расчетов. Основными из них являются оптимальные режимы работы

127

технологических процессов: время первичной седиментации t1 – 7 суток;

время аэрации t21– 7 суток; время вторичной седиментации t22 – 4 часа.

При данных режимах обеспечивается получение твердого органического

удобрения (40% от массы исходного свиного навоза) и очищенная жидкость

для спуска на поля фильтрации с характеристиками: Nобщ=1000мг/кг,

Робщ=13мг/кг. Полученные в результате исследований математические

зависимости могут быть использованы для отстойников любой формы, так

как процесс седиментации в отстойнике характеризуется свободным

осаждением. Для возможности использования математических

зависимостей, полученных на лабораторной установке, для расчета

промышленной установки переработки свиного навоза, был определен

порядок расчета коэффициентов подобия.

5. Разработан порядок расчета критериев для выбора адаптивных технологий

переработки свиного навоза. В качестве критериев выбраны экономический

(приведенные затраты Zпр) и экологический (масса сохраненных

питательных веществ MNP) показатели. Для оценки и принятия решения по

выбранным двум критериям использован метод Парето-оптимизации.

6. На основе теоретических и экспериментальных данных разработана

математическая модель формирования адаптивных технологий, а на ее

основе – алгоритм. Алгоритм выбора адаптивных технологий реализован с

помощью WEB-программирования на языке PHP и СУБД MySQL. Анализ

результатов показал, что точность выбора технологии составила 90%.

7. На примере свинокомплекса «Бор» Ленинградской области, программой

выбрана адаптивная технология переработки свиного навоза в аэротенке с

использованием циклических отстойников, позволившая по сравнению с

используемой технологией сократить затраты труда в 3,3 раза, затраты на

топливо – в 1,4 раза и УДЭ в 1,8 раз. При этом расчетный эколого-

экономический эффект от внедрения технологии составит 5936 тысяч

рублей в год.

128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яковлев С.В., Демидов О.В., Швецов В.Н. Очистка сточных вод

предприятий агропромышленного комплекса. // Водоснабжение и

санитарная техника. 1985. №7.

2. Овцов Л.П. Надежность мелиоративных систем при утилизации навозных

стоков с учетом окружающей среды. М.: Прогресс, 2001. 96с.

3. Ковалев А.А. Технология и технико-энергетическое обоснование

производства биогаза в системах утилизации навоза на животноводческих

фермах: Докторская диссертация. М., 1998

4. Кузьмина Т.Н. Опыт реконструкции свиноводческих предприятий. М.:

Росинформагротех, 2009. 56с.

5. Комлацкий Г.В., Нестеренко М.А. Стратегия управления инновационным

развитием свиноводства // Проблемы современной экономики. 2010. №4.

6. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. –

Режим доступа: http://www.gks.ru/ (дата обращения: 19.01.2015).

7. Домашенко Ю.Е., Суржко О.А. Ресурсо - экологические аспекты снижения

воздействия на природную среду животноводческих отходов //

Окружающая среда и здоровье: сб. статей IV Всероссийской научно -

практической конференции. 2007. №1. С. 74-76

8. Тема – задание 41, проблема 0.51.531, постановление ГКСМ СССР по науке

и технике от 19.12.1973, №353

9. Электронный ресурс: http://eco.sznii.ru/szniimesh/history.html

10. Ворошилов Ю.И.. Животноводческие комплексы и охрана окружающей

среды. М.: Агропромиздат, 1991. 205 с.

11. Ворошилов Ю.И. Очистка, утилизация и влияние на природную среду

сточных вод животноводческих комплексов. М.: ВНИИТЭИСХ, 1979. 58с.

http://www.gks.ru/

http://eco.sznii.ru/szniimesh/history.html

129

12. Kaarina Ringstad, Johan Malgeryd, Lena Rodhe, Goran Carlson. By JTI at the

request of Alfa Laval Agri. Swedish Institute of Agricultural Engineering. 1994.

62 с.

13. Морозов Ю.Л. Гольберг В.П. Методические рекомендации по технико -

экономическим расчетам для животноводства Нечерноземной зоны РСФСР.

Л.: НИПТИМЭСХ НЗ, 1986. 80 с.

14. Gasser J., Penny A. The value of ureanitrite and ureaphosphate// Journ. Agric.

Science 1967. №1. P. 69-74.

15. Gouny R. Advances in fertilizer technology// Agric. Chemicals. 1971. - №3. P.

26-31.

16. РД-АПК 1.10.15.02-08 Методические рекомендации по технологическому

проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и

помета. М., 2008, 97с.

17. Ворошилов Ю.И. Современная технология обработки отходов

животноводства и охраны природы. М.: Высшая школа, 1984. 47с.

18. Шалавина Е.В. Выбор наилучшей доступной технологии переработки

жидкой фракции свиного навоза // Инновации в сельском хозяйстве. 2014.

№3 (8). С. 179-183.

19. Технико-экономический доклад «Разработка и внедрение проекта

технологии переработки отходов животноводческих ферм, отработанных

грунтов теплиц, перерабатывающих предприятий в органическое

удобрение». Москва. 1991 год

20. Кенгуров А.Я. Лабораторный практикум по водоочистным сооружениям на

животноводческих фермах: учебное пособие для средних сельских

профессионально – технических училищ. М.: Высшая школа, 1983. 102с.

21. Юрьев Б.Т., Пулина И.Я. Очистка сточных вод с помощью активного ила:

обзорная информация. Рига.: ГПКЛ ССР, 1984. 96с.

22. Технико-экономическое обоснование реконструкции очистных сооружений

свинокомплекса совхоза «Новгородский». Пушкин. 1991 год

130

23. Разработать и внедрить методы и средства повышения эффективности

очистки навозных стоков. Пушкин. 1986 год

24. Информационное письмо «Очистка сточных вод в аэротенках – отстойниках

АКХ» - академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, 1959г.

25. Шалавина Е.В., Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Субботин И.А. Устройство

биологической очистки жидкой фракции свиного навоза и

навозосодержащих стоков // Патент РФ№139469

26. Денисов Ю.А. Аэробная биологическая очистка активным илом сточных

вод агропромышленного сектора: автореферат к диссертации канд. т.н.

Москва, 1992. 47с

27. Семченко А.И., Рязанцев В.П. Пути решения переработки сточных вод

животноводческих ферм промышленного типа: обзорная информация. М.:

ВНИИТЭИ 1979. 205с.

28. E. Smet, J. Debruyne, J. Deckx, S. Deboosere Manure treatment according to the

Trevi concept // Forum for Applied Biotechnology, September 2003

29. Optimized Gravitational Settling of Hog Manure Solids: Engineering and Design

Study, DGH Engineering Ltd. 12 Aviation Boulevard, St. Andrews, Manitoba

R1A 3N5 October 2013

30. Application of effective microorganisms for swine waste treatment. S.

Chantsavang, C. Sinratchatanun National Swine Research and Training Center,

Kasetsart university Bangkok, Thailand

31. ikechukwu vincent agomoh chemically-enhanced gravitational solid-liquid

separation for the management of phosphorus in liquid swine manure October,

2012

32. P. Singh, M. Gamal El−Din, D. Bromley, K. Ikehata ALUM SETTLING AND

FILTRATION TREATMENT OF LIQUID SWINE MANURE 2006 American

Society of Agricultural and Biological Engineers ISSN 0001−2351 Vol. 49(5):

1487−1494

33. HLTHMAN, volume 20, part 8, chapter 2

131

34. EM for Wastewater Treatment at Miyata Hog Farm A summary prepared by

EMRO Tokyo Office February 2004 Wastewater Consulting by Yamamoto

Takezo of Mami Corporation

35. A.N. KAVGARENJA I. NIEDZIÓŁKA, W. TANAŚ ИЗЫСКАНИЕ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО СПОСОБА УТИЛИЗАЦИИ НАВОЗНЫХ

СТОКОВ Akademia Rolnicza w Lublinie

36. Dr. Fahid Rabah Lecture 4: Sedimentation Islamic University of Gaza

‐Environmental Engineering Department

37. A feed and waste management structure designed to improve water quality.

Funding for this project has been provided by the Illinois Environmental

Protection Agency, Bureau of Water; Section 319 program, agreement number

3190203. Technical assistance provided by USDA NRCS. Document prepared by

the Southwestern Illinois RC&D, Inc. The Southwestern Illinois RC&D,

Inc./NRCS is an equal opportunity provider and employer. Document printed on

recycled material. Cover drawing sketch: Jenny Reiman

38. Шалавина Е.В., Афанасьев В.Н. Технологические и технические решения

проблемы переработки навоза свиноводческих комплексов // Вестник

Всероссийского научно-исследовательского института механизации

животноводства. 2013. № 4 (12). С. 146-153.

39. Электронный ресурс: http://meteoinfo.ru/

40. Курицкий Б.Я. Оптимизация вокруг нас. - Л.: Машиностроение. Ленингр.

отделение, 1989. 144 с.,

41. Афанасьев В.Н. "Обоснование и разработка технологий и технических

средств для производства экологически безопасных, биологически

активных удобрений на основе отходов животноводства и птицеводства".

Дисс. в виде научн. доклада, д-р техн. наук 05.20.01.- СПб-Пушкин, 2000.-

62с.

http://elibrary.ru/contents.asp?issueid=1215686




http://elibrary.ru/contents.asp?issueid=1215686&selid=20807865

http://meteoinfo.ru/

132

42. Практическое руководство для сельскохозяйственных предприятий по

охране окружающей среды /В.Н. Афанасьев, П.А. Суханов, А.В. Афанасьев,

Д.А. Максимов, А.Ю. Перцович. /Под ред. В.Н. Афанасьева. – СПб.:

СЗНИИМЭСХ, 2005. – 272 с.

43. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Г. Выбор вариантов: основы теории. М.:

Наука, гл. ред. физ. мат. литературы, 1990. 240с.

44. Акоф Р., Сасиени М. Основы исследования операций. Пер. с англ. М.: Мир,

1971. 534с.

45. Валге А.М. Обработка экспериментальных данных и моделирование

динамических систем при проведении исследований по механизации

сельскохозяйственного производства. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2002. 174с.

46. Валге А.М. Повышение эффективности работы сельскохозяйственной

техники путем моделирования процессов на стадии исследования и

разработки технологий и машин. Дисс. на соискание уч. степ. докт. техн.

наук. СПб.: СПБГАУ, 2000. 300с.

47. Гусаков В.Г., Вахрушев М.К., Зюзин В.Л. Алгоритмы решения некоторых

экстремальных задач на малых ЭЦВМ. Л.: ЛСХИ, 1975. 86с.

48. Таха Х. Введение в исследование операций Ч.2. М.: Мир, 1985. 496с

49. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972. 532с.

50. Комаров Б.А. Системный подход к проектированию механизированных

технологий для животноводства. // Механизация и электрификация

сельского хозяйства, 1998, №5, с. 24 – 29.

51. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0 – СПб.:

BHV – СПб.: 1997. – 384 с.

52. Афанасьев А.В. Повышение эффективности производства удобрений путем

оптимизации параметров двухстадийной биоферментации навоза и помета.

Автореф. дис…канд. техн. наук. - Санкт-Петербург- Пушкин, 2000. – 23 с.

133

53. Брюханов А.Ю. Повышение эффективности использования навоза путем

автоматизированного проектирования вариантов технологий приготовления

органических удобрений и их внесения в почву. СПб., 2009. 191с.

54. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций.-М.: Наука. 1971.-

156с., Завалишин Ф.С., Манцев М.Г. Методы исследований по механизации

сельскохозяйственного производства. М.: Колос, 1982. – 231 с.

55. Нагирный Ю.П. Детерминированные модели принятия решений. //

Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2000, №4, с. 10-13.

56. Андерсон Э., Джамса К., Кинг К. Эффективный самоучитель по

креативному Web-дизайну. 2005.

57. Кузнецов, Симдянов - PHP5 на примерах http://depositfiles.com/files/3240960

58. Мазуркеич А. PHP. Настольная книга программиста http://depositfiles.com

/files/3241089

59. Орлов А.А. PHP. Полезные приемы http://depositfiles.com/files/3241143

60. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Методика укрупненной

оценки суточного и годового выхода навоза/помета //

Молочнохозяйственный вестник. 2014. № 1 (13). С. 78-85.

61. Нормы расходов воды потребителей систем сельскохозяйственного

водоснабжения ВНТП – Н – 97.

62. Нормы технологического проектирования свиноводческих ферм

крестьянских хозяйств. НТП-АПК 1.10.02.001-00.

63. Хазанов Е.Е., Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Модернизация молочных ферм /

Е.Е. Хазанов, В.В. Гордеев, В.Е. Хазанов. – СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ

Россельхозакадемии, 2008.

64. Морозов Ю.Л. Гольберг В.П. Нормативно-справочный материал для

проведения технико-экономических расчетов применительно к

сельскохозяйственному производству Нечерноземной зоны РСФСР. – Л.:

НИПТИМЭСХ НЗ, 1984. – 82 с.

http://depositfiles.com/files/3240960

http://depositfiles.com/

http://depositfiles.com/files/3241143



134

65. Морозов Ю.Л. Гольберг В.П. Определение экономической эффективности

использования в сельском хозяйстве капитальных вложений и новой

техники (методические рекомендации). – Л.: НИПТИМЭСХ НЗ, 1984. – 84

с.

66. ГН 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических

веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-

бытового водопользования

67. СанПиН 2.1.7.573-96 Гигиенические требования к использованию сточных

вод и их осадков для орошения и удобрения

68. СанПиН 2.1.5.980-02 Гигиенические требования к охране поверхностных

вод

69. СанПиН 2.1.5.9 1059-01Гигиегические требования к охране подземных вод

от загрязнения

70. Еськов А.И., Новиков М.Н. и др. Справочная книга по производству и

применению органических удобрений – ВНИПТИОУ, Владимир , 2001.-

495с.

71. Шпилько А.В., Драгайцев В.И., Тулапин П.Ф. и др. Методика определения

экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной

техники. – М.: ВНИИЭСХ, 1998. – 220 с.

72. Шпилько А.В., Драгайцев В.И., Тулапин П.Ф. и др. Методика определения

экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной

техники. Часть 2. Нормативно-справочный материал. – М.: ВНИИЭСХ,

1998. – 250 с.

73. Справочник химика. Второе издание. Том 5. С. 432

74. Помытько П.П., Синдеев А.П. Удаление, обработка и использование

навозных стоков крупных животноводческих комплексов. Сборник научных

трудов «Механизация удаления, обработки и использования навоза».

Подольск.: 1983, С.9.

75. Корнеев С.Д. Гидрогазодинамика. Курс лекций. М.: 2011, 220с.

http://base.garant.ru/70414724/#block_42

http://base.garant.ru/70414724/#block_42

135

76. Яковлев С.В. Биологическая очистка производственных сточных вод:

процессы, аппараты и сооружения. М,: Стройиздат, 1985. 208с.

77. СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения. М. 1986г.

78. Методические указания. Томск.: издательство Томского государственного

университета систем управления и радиоэлектроники, 2009. 45с.

79. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В. Обоснование использования

отходов в качестве вторичного материального ресурса в

сельскохозяйственном производстве: учебное пособие. Нижний Новгород.:

ВВАГС, 2009. 178с.

80. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: учебное пособие для вузов. М.:

МГУ, 1996. 680с.

81. Математическое моделирование процессов очистки сточных вод и

обработки осадков на городских очистных сооружениях

канализации/Мусаелян С.М., Потоловский Р.В., Сахарова Н.А., Радченко

О.П. //Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер. Политематическая. 2012. №1

82. Демура М.В. Проектирование тонкослойных отстойников. Киев.:

Будивельник, 1981. 52с.

83. Ласков Ю.М. Примеры расчета канализационных сооружений: учебное

пособие для вузов. М.: ИД Альянс, 2008. 255с.

84. Харламов В.К., Козюлина Е.В. Расчет очистных сооружений сточных вод и

промышленных предприятий: учебное пособие. Иваново.: Издательство

Ивановского государственного энергетического университета имени В.И.

Ленина, 2009. 96с.

85. Курганов А.М., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам

систем водоснабжения и канализации. Л.: Стройиздат, 1973. 623с.

86. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы: учебное пособие.

Пенза.: издательство государственного университета, 2004. 102с.

87. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической

промышленности. Л.: Химия, 1977. 464с.

136

88. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки

производственных сточных вод. М.: Стройиздат. 1977. 204с.

89. Бацанов И.Н., Лукъяненков И.И. Уборка и утилизация навоза на

свиноводческих комплексах. М.: Россельхозиздат, 1977. 160с.

90. Электронный ресурс:

http://edu.dvgups.ru/METDOC/ITS/GIDRA/TEOR_OS_O_V/METOD/UP_1/fra

me/frame_tema2_1.htm

91. Канализация населенных мест и промышленных предприятий: справочник

проектировщика / Лихачев Н.И., Ларин И.И., Хаскин С.А. и др. М.:

Стройиздат, 1981. 639с.

92. Очистка промышленных сточных вод / Когановский А.М., Кульский Л.А.,

Сотникова Е.В., Шмарук В.Л. Киев.: Техника, 1974. 257с.

93. Мельников С.В., Калюга В.В. Афанасьев В.Н. Технологическое

оборудование свиноводческих комплексов. М.: Россельхозиздат, 1979. 175с.

94. Волков А.Н., Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В. Определение размеров

первичного вертикального отстойника жидкой фракции свиного навоза //

Техника в сельском хозяйстве. М. 2014. №3. С.31-32.

95. Шалавина Е.В. Повышение энергоэффективности глубокой переработки

жидкого свиного навоза // Труды международной научно-технической

конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве.

2014. Т. 3. С. 247-251

96. Брюханов А.Ю., Оглуздин А.С., Шалавина Е.В. Биоконверсия свиного

навоза в органическое удобрение методом биологической очистки //Вестник

Всероссийского Научно-Исследовательского Института механизации

животноводства. ВНИИМЖ РАСХН – М., 2014. № 3 (15). С. 164-167.

97. Шалавина Е.В., Брюханов А.Ю. Методический подход к выбору и

проектированию отстойников жидкой фракции свиного навоза // Инновации

в сельском хозяйстве. 2013. №2(4). С.17-21

http://edu.dvgups.ru/METDOC/ITS/GIDRA/TEOR_OS_O_V/METOD/UP_1/frame/frame_tema2_1.htm

http://edu.dvgups.ru/METDOC/ITS/GIDRA/TEOR_OS_O_V/METOD/UP_1/frame/frame_tema2_1.htm








137

98. Шалавина Е.В., Субботин И. А., Васильев Э.В. Исследование седиментации

свиного навоза, его жидкой фракции и навозосодержащих стоков // Вестник

Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2014. №

1(25). С. 152-156.

99. Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Потери биогенов при биологической очистке

жидкой фракции свиного навоза // Сборник научных статей: материалы

международной научно-практической конференции на тему: «Инновация –

основа развития сельского хозяйства», посвященная 20 - летию

Конституции Республики Таджикистан. Душанбе. 2014. С.289-294.

100. Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Изменение содержания азота и

фосфора в жидкой фракции свиного навоза при биологической очистке //

Технологии и технические средства механизированного производства

продукции растениеводства и животноводства. 2014. №85. С. 166-170.

101. Эпов А.Н., Березин С.Е., Баженов В.И. Очистка сточных вод

животноводческих комплексов // Промышленное и племенное

свиноводство. 2005. №5. С. 32-34

102. Афанасьев В.Н., Хазанов Е.Е., Коган С.Г. Результаты проверки линии

утилизации навоза // Научные труды: Экономика, организация, технология

и механизация и автоматизация производства продуктов животноводства.

Применение электроэнергии в сельскохозяйственном производстве.

Ленинград, 1974. С. 71-79

103. Афанасьев В.Н., Афанасьев А.В., Самсонов А.Н. Технологические

решения по утилизации навоза на животноводческих фермах при

отсутствии сельскохозяйственных угодий // Вестник Всероссийского

научно-исследовательского института механизации животноводства. 2009.

Т. 20. № 3. С. 150-155.

104. Методика определения экономической эффективности технологий и

сельскохозяйственной техники. Официальное издание Министерства





138

сельского хозяйства и продовольствия РФ. М.: ГП УСЗ Минсельхозпрома

РФ, 1998. 220С.

105. Методические указания по определению экономической

эффективности удобрений и других средств химизации, применяемых в

сельском хозяйстве. М.: Колос, 1979. 32с.

139

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Пример расчета распределения массы при первичной

седиментации

Расчет ведется по массе исходной жидкой фракции, перешедшей в осадок

(его процентного содержания). Максимальные потери по массе на стадии

первичной седиментации составили не более 1%, поэтому мы ими пренебрегаем.

Оценка математического ожидания

𝑦 𝑘

= 𝑦𝑖𝑘

3

Где 𝑦 𝑘 – математическое ожидание массы осадка на k-ые сутки

седиментации

𝑦𝑖𝑘 – масса осадка в i-ом эксперименте на k-ые сутки седиментации

3– число степеней свободы

Таблица 1

Математические ожидания распределения массы

𝑦 0 𝑦

1 𝑦

2 𝑦

3 𝑦

4 𝑦

5 𝑦

6 𝑦

7 𝑦

8 𝑦

9

100 60 44,3 37,7 35,7 34,3 31,6 29,7 30 30

Оценка среднеквадратичного отклонения

𝜍𝑘 = 𝑦𝑖𝑘 − 𝑦 𝑘 2

2

Где 𝜍𝑘 - среднеквадратичное отклонение для k-ых суток седиментации

Таблица 2

Среднеквадратичные отклонения распределения массы

𝜍0 𝜍1 𝜍2 𝜍3 𝜍4 𝜍5 𝜍6 𝜍7 𝜍8 𝜍9

0 2 1,5 0,6 0,6 0,6 0,58 0,58 0 0

По полученным результатам в программе STATGRAPHICS® Centurion XV

была построена зависимость, представленная на рисунке 1.

140

Рисунок 1 – Процент массы осадка к массе жидкой фракции

Col_2 = 52,14 – 10,75*ln(Col_1)

141

Выбор отображения функции процентного соотношения массы слоя с осевшими

веществами к массе жидкой фракции от времени седиментации

Comparison of Alternative Models

Model Correlation R-Squared

Squared-Y logarithmic-X -0,9928 98,57%

Logarithmic-X -0,9907 98,15%

Reciprocal-Y square root-X 0,9859 97,20%

Square root-Y logarithmic-X -0,9812 96,28%

Multiplicative -0,9651 93,14%

Logarithmic-Y square root-X -0,9636 92,86%

Squared-Y reciprocal-X 0,9589 91,94%

Reciprocal-Y 0,9230 85,19%

Square root-X -0,9180 84,28%

Reciprocal-Y logarithmic-X 0,9159 83,88%

Reciprocal-X 0,9102 82,85%

Square root-Y reciprocal-X 0,8748 76,53%

Squared-Y square root-X -0,8625 74,39%

Exponential -0,8600 73,97%

S-curve model 0,8327 69,33%

Square root-Y -0,8207 67,35%

Reciprocal-Y squared-X 0,7903 62,46%

Linear -0,7788 60,65%

Double reciprocal -0,7369 54,30%

Logarithmic-Y squared-X -0,7042 49,59%

Squared-Y -0,6982 48,75%

Square root-Y squared-X -0,6561 43,04%

Squared-X -0,6079 36,96%

Double squared -0,5213 27,17%

Double square root <no fit>

Logistic <no fit>

Log probit <no fit>

142

Статистический анализ функции процентного соотношения массы слоя с

осевшими веществами к массе жидкой фракции от времени седиментации

Simple Regression - Col_2 vs. Col_1 Dependent variable: Col_2

Independent variable: Col_1

Logarithmic-X model: Y = a + b*ln(X)

Coefficients

Least Squares Standard T M.A.D.

Parameter Estimate Error Statistic P-Value Estimate

Intercept 52,1446 1,09005 47,8369 0,0000 51,3148

Slope -10,7539 0,522303 -20,5894 0,0000 -10,5719

Analysis of Variance

Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value

Model 4260,13 1 4260,13 423,92 0,0000

Residual 80,3942 8 10,0493

Total (Corr.) 4340,52 9

Correlation Coefficient = -0,990696

R-squared = 98,1478 percent

R-squared (adjusted for d.f.) = 97,9163 percent

Standard Error of Est. = 3,17006

Mean absolute error = 1,91141

Durbin-Watson statistic = 2,12863 (P=0,4621)

Lag 1 residual autocorrelation = -0,0953251

Mean absolute deviation = 1,6356

The StatAdvisor

The output shows the results of fitting a logarithmic-X model to describe the relationship between Col_2 and Col_1. The equation of the

fitted model is

Col_2 = 52,1446 - 10,7539*ln(Col_1)

Since the P-value in the ANOVA table is less than 0,05, there is a statistically significant relationship between Col_2 and Col_1 at the

95,0% confidence level.

The R-Squared statistic indicates that the model as fitted explains 98,1478% of the variability in Col_2 after transforming to a Y/(1-Y)

scale to linearize the model. The correlation coefficient equals -0,990696, indicating a relatively strong relationship between the

variables. The standard error of the estimate shows the standard deviation of the residuals to be 3,17006. This value can be used to

construct prediction limits for new observations by selecting the Forecasts option from the text menu.

The mean absolute error (MAE) of 1,91141 is the average value of the residuals. The Durbin-Watson (DW) statistic tests the residuals to

determine if there is any significant correlation based on the order in which they occur in your data file. Since the P-value is greater than

0,05, there is no indication of serial autocorrelation in the residuals at the 95,0% confidence level.

The model has also been fit using a method that is more resistant to outliers than least squares. Using this method, the equation of the

fitted model is:

Col_2 = 51,3148 - 10,5719*ln(Col_1)

143

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Экспериментальные данные

Распределение массы при первичной седиментации

№

экспер

имента

Вид

материала

0

суток

(1)

1

сутк

и

(2)

2

суто

к

(3)

3

суто

к

(4)

4

суто

к

(5)

5

суто

к

(6)

6

суто

к

(7)

7

суто

к

(8)

8

суто

к

(9)

9

суто

к

(10)

1


жидкость, % 0 40 56 62 64 66 69 70 70 70

Осадок, % 100 60 44 38 36 34 31 30 30 30

2


жидкость, % 0 42 57 62 65 66 68 70 70 70

Осадок, % 100 58 43 38 35 34 32 30 30 30

3


жидкость, % 0 38 54 63 64 65 68 71 70 70

Осадок, % 100 62 46 37 36 35 32 29 30 30

Распределение общего азота при первичной седиментации

№

эксперимента

0

суток

(1)

1

сутки

(2)

2

суток

(3)

3

суток

(4)

4

суток

(5)

5

суток

(6)

6

суток

(7)

7

суток

(8)

8

суток

(9)

9

суток

(10)

1 3500 3420 3400 3240 3130 3060 2980 2840 2830 2830

2 3750 3300 3450 3290 3100 3100 2900 2800 2840 2835

3 3400 3500 3330 3250 3200 2990 2950 2820 2830 2830

Распределение общего фосфора при первичной седиментации

№


0

суток

(1)

1

сутки

(2)

2

суток

(3)

3

суток

(4)

4

суток

(5)

5

суток

(6)

6

суток

(7)

7

суток

(8)

8

суток

(9)

9

суток

(10)

1 1029 920 800 710 615 490 370 260 255 253

2 1050 900 825 730 600 470 385 255 255 253

3 1020 940 790 700 635 500 360 260 253 250

144

Потери массы при аэрации, %

1 эксперимент 2 эксперимент 3 эксперимент

0 суток (1) 0 0 0

1 сутки (2) 3,3 3,2 3,1

2 сутки (3) 5,8 5,75 5,9

3 сутки (4) 7,5 7,7 7,4

4 сутки (5) 9,2 9,25 9,3

5 сутки (6) 11,7 11,6 11,9

6 сутки (7) 14,2 14 14,1

7 сутки (8) 16,7 16,85 16,8

8 сутки (9) 20 21 20

9 сутки (10) 23,3 23,2 23,2

10 сутки (11) 26,7 26,75 26,8

11 сутки (12) 27,5 27,4 27,7

12 сутки (13) 30,8 30,7 30,6

13 сутки (14) 32,5 32,2 32,4

14 сутки (15) 35 35 34,9

15 сутки (16) 38,3 38 38,25

16 сутки (17) 40 39,8 40,1

17 сутки (18) 41,7 41,45 41,6

18 сутки (19) 45 45,1 45

19 сутки (20) 45,8 45,6 45,9

20 сутки (21) 49,2 49 49,1

21 сутки (22) 51 50,75 50,8

145

Содержание общего азота при аэрации (очищенная жидкость), мг/кг


0 суток (1) 2840 2900 2850

1 сутки (2) 2640 2590 2650

2 сутки (3) 2400 2400 2350

3 сутки (4) 2150 2100 2140

4 сутки (5) 1900 1850 1930

5 сутки (6) 1700 1780 1800

6 сутки (7) 1450 1400 1450

7 сутки (8) 1300 1250 1300

8 сутки (9) 1250 1300 1350

9 сутки (10) 1220 1200 1300

10 сутки (11) 1170 1100 1200

11 сутки (12) 1165 1140 1150

12 сутки (13) 1150 1175 1130

13 сутки (14) 1100 1150 1125

14 сутки (15) 1100 1130 1110

15 сутки (16) 1090 1100 1050

16 сутки (17) 1090 1080 1040

17 сутки (18) 1080 1060 1100

18 сутки (19) 1065 1067 1010

19 сутки (20) 1045 1030 1040

20 сутки (21) 1030 1025 1030

21 сутки (22) 1000 1000 990

146

Содержание общего фосфора при аэрации (очищенная жидкость), мг/кг


0 суток (1) 260 255 258

1 сутки (2) 230 222 240

2 сутки (3) 190 185 194

3 сутки (4) 170 160 175

4 сутки (5) 140 140 145

5 сутки (6) 100 120 110

6 сутки (7) 60 70 65

7 сутки (8) 50 60 65

8 сутки (9) 48 50 55

9 сутки (10) 44 49 50

10 сутки (11) 42 45 50

11 сутки (12) 41 40 45

12 сутки (13) 38 40 42

13 сутки (14) 33 35 40

14 сутки (15) 32 35 38

15 сутки (16) 29 30 35

16 сутки (17) 26 25 30

17 сутки (18) 24 25 30

18 сутки (19) 22 20 25

19 сутки (20) 19 20 22

20 сутки (21) 15 18 20

21 сутки (22) 13 15 15

147

Распределение массы при вторичной седиментации

№

экспер

имента

Вид материала

0

часов

(1)

1

час

(2)

2

часа

(3)

3

часа

(4)

4

часа

(5)

5

часов

(6)

6

часов

(7)

1 Очищенная жидкость, % 0 32 55 72 85 85 85

Активный ил, % 100 68 45 28 15 15 15


Активный ил, % 100 67 45 29 14 14 14


Активный ил, % 100 66 44 30 16 16 16

Распределение общего азота при вторичной седиментации (очищенная жидкость),

мг/кг

№


0

часов

(1)

1 час

(2)

2 часа

(3)

3 часа

(4)

4 часа

(5)

5

часов

(6)

6

часов

(7)

1 8030 5800 4100 2700 1000 1000 1000

2 7970 5820 4150 2700 1100 1000 1000

3 8000 5815 4090 2650 1050 1050 1000

Распределение общего фосфора при вторичной седиментации (очищенная

жидкость), мг/кг

№


0

часов

(1)

1 час

(2)

2 часа

(3)

3 часа

(4)

4 часа

(5)

5

часов

(6)

6

часов

(7)

1 2450 1800 1300 700 13 13 13

2 2350 1820 1290 690 12 14 10

3 2400 1810 1300 680 20 15 10

148

Масса выдерживаемого осадка, кг

№


0 месяцев

(1)

2 месяца

(2)

4 месяца

(3)

6 месяцев

(4)

1 15 13 10 8

2 1.2 12,9 10,1 8,4

3 14,8 13,2 10,2 8,2

Содержание общего азота в выдерживаемом осадке, мг/кг

№


0 месяцев

(1)

2 месяца

(2)

4 месяца

(3)

6 месяцев

(4)

1 4970 5550 6900 8060

2 4830 5500 6970 8010

3 4900 5580 6910 8040

Содержание общего фосфора в выдерживаемом осадке, мг/кг

№


0 месяцев

(1)

2 месяца

(2)

4 месяца

(3)

6 месяцев

(4)

1 2450 2800 3550 4220

2 2400 2830 3590 4300

3 2490 2810 3500 4260

149

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Патент №139469

150

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Патент №145378

151

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Акт внедрения

152

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Диплом

«ИНСТИТУТ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ …

Documents