Исследование процесса переработки полужидкого навоза в высококачественные органические удобрения

Урожайность сельскохозяйственных культур зависит от плодородия почвы, характеризуемого содержанием в ней органического вещества и его основной составляющей – гумуса. В соответствии с Федеральной целевой государственной программой «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006–2010 годы и на период до 2012 года» предусматривается выделение средств на защиту почв от водной и ветровой эрозии, предотвращение выбытия из сельскохозяйственного оборота сельскохозяйственных угодий и др.

Ресурсное обеспечение поддержания почвенного плодородия за счёт привлечения софинансирования из бюджетов субъектов РФ и местных бюджетов в 2009 году составило: по РФ – 90,6%, по Южному федеральному округу – 68,8%, что оказалось самым низким из всех субъектов Российской Федерации [1].

Решающее влияние на повышение плодородия почвы оказывают органические удобрения, среднее содержание N, P, K в которых составляет, соответственно: 0,62; 0,34 и 0,64%. Основой органических удобрений является навоз от животноводческих предприятий.

После 1990 года по ряду причин пошло резкое снижение поголовья скота в Российской Федерации. Относительное выравнивание динамики поголовья скота в хозяйствах всех категорий началось с 2005 года. Поголовье крупного рогатого скота в 2005 году в РФ составило 21,6 млн голов (в том числе коровы – 9,5 млн голов), а в 2009 году – 20,7 млн голов (в том числе коровы – 9,0 млн голов). Поголовье свиней в 2005 году составило 13,8 млн голов, в 2009 году – 17,3 млн голов. В Ростовской области произошло снижение поголовья животных (2009 год к 2008 году): КРС – до 5%, коров – до 5%, свиней – свыше 10% [1].

На указанных животноводческих предприятиях, в зависимости от технологий содержания животных, производятся жидкий, полужидкий и подстилочный навоз. Анализ результатов паспортизации животноводческих предприятий Южного федерального округа показал, что основными объектами производства полужидкого навоза являются предприятия крупного рогатого скота и свиноводческие. Выход полужидкого навоза (влажностью 86–92%) составляет 30% от общего выхода навоза [2].

Полужидкий навоз, являясь ценным источником питательных элементов (N, P,

K), по своим физико-механическим свойствам значительно отличается от традиционных подстилочного и жидкого навоза. С одной стороны, использование полужидкого навоза сдерживается отсутствием высокопроизводительных и надежных машин для его погрузки, транспортировки и внесения на поля.

С другой стороны, вынужденное накопление больших объемов полужидкого навоза в навозохранилищах различного типа (как правило, не оборудованных согласно требованиям), являются основным источником загрязнения окружающей среды [2].

Цель данной работы – исследование процесса переработки полужидкого навоза путём разработки инновационной технологии производства из него высококачественных органических удобрений.

В задачи исследования входили анализ систем производства и использования органических удобрений, математическая модель производства и использования органических удобрений на основе полужидкого навоза.

Рассматривая производство сельскохозяйственной продукции как систему обеспечения безопасности России, выделим одну из важнейших её составляющих – подсистему производства и использования органических удобрений (рис. 1).

Подсистема включает блоки производства органических удобрений и их использования. Процесс функционирования указателей подсистемы и входящих в неё блоков складывается из двух частей: собственно технологического процесса и процесса технологического и организационного управления.

Рис. 1. Подсистема производства и использования органических удобрений

На основе представленной подсистемы была разработана структурная схема подсистемы «Навоз – органическое удобрение – поле – дополнительный урожай» [2, 3], из которой выделили схему техноло- гического процесса производства и использования полужидких органических удобрений (рис. 2).

Согласно представленной схеме, полужидкий навоз (ПН) от фермы подается на навозохранилище, где он накапливается и хранится. Существует два варианта использования ПН. По первому варианту, после обеззараживания навоз трансформиру- ется в полужидкое органическое удобрение (ПОУ), которое перемешивают и грузят в транспортно-технологическую машину (ТММ 1), транспортируют и вносят на поле.

Рис. 3. Блок-схема процесса переработки и использования полужидкого навоза

По второму варианту ПН перемешивается и выгружается в ТТМ 1, которая транспортирует его на площадку компостирования, где по известной технологии [2, 3] готовят компост с заданными физи- ко-химическими показателями с добавлением соломы и минеральных удобрений (МУ). После биотермического обеззараживания компост грузится в ТТМ 2, которой транспортируется и вносится на поле.

В указанной технологии сдерживающим фактором использования ПОУ является отсутствие погрузчика полужидкого навоза с научно обоснованными режимными и конструктивными параметрами рабочих органов, учитывающими физико-механические свойства полужидкого навоза.

На основе анализа проведенных ранее исследований и системного подхода разработаны блок-схема переработки полужидкого навоза в ПОУ (рис. 3) и на её основе составлена математическая модель рассматриваемого процесса. Из анализа схемы (рис. 3) вытекают следующие расчётные зависимости.

Транспортировку полужидкого навоза в навозохранилище можно осуществлять по двум вариантам: накопление навоза в приемном резервуаре, его погрузка в П

210Z Xпіі - X пк — Х i=1                  к где Х – количество навоза, потребного для производства компостов, м3;

Х Пвв ; Х Пов – количество навоза вносимого в почву, соответственно, весной и осенью, м³.

транспортную машину и доставка в навозохранилище; навоз насосами подается непосредственно в навозохранилище.

Тогда количество подаваемого навоза по двум вариантам можно представить в следующем виде: n

I Q пі Х піі j = 1

n ^{1 Q} П2 ^X П2І ^j = 1

— ^X Піі = ⁰ ;    ⁽¹⁾

— ^X П2і = ⁰ ,    ⁽²⁾

где Q П1 , Q П2 – сменная производительность ј -й машины на n -й операции, м³/см;

Х П1i , Х П2i – количество навоза, подаваемого в навозохранилище, м³.

Распределение объемов навоза на компостирование и внесение представим выражением

Пвв ^{- Х}Пов = ⁰ ,                         ⁽³⁾

Выгрузка полужидкого навоза из навозохранилища для производства компостов по месяцам

П1

V I j I Q nij’ X П1«. - X Пк /3 = 0 ^ ,  I={1,2,12},                  (4)

I j = 1

где Q – производительность погрузчика полужидкого навоза на i -й операции в i -м перемещении, м³/ч.

Выгрузку полужидкого навоза из хранилища для весеннего и осеннего внесения в почву представим выражениями П1

1QП13j'X П1 j- XП1 вв = 0 ;(5)

П1

J1QП13j'X П1j- X П1 ов = 0.(6)

Внесение ПОУ весной и осенью можно представить формулами

П3

1 Q П,з Xn3j. - XПзвв = 0 ;(7)

j'=1

П 3

IQn„XП„4 - XПзов = 0.(8)

j' = 1

При производстве компостов распределение соломы на площадке компостирования можно представить выражениями

V I j a

сол ^{1 X} n 5ki‘s

S = 1

' П5

V I j l Q n,,^x

П5j'5

—

—

X сол pk'5 = 0 ^ . ⁽⁹⁾

сол рk'5

= 0 f ,   (10)

I j' = 1

где Х сол – доля потери массы соломы на площадке.

Распределение минеральных удобрений можно представить формулой

П 6

^{V I V} S j I Q n 6j X

П 6j'iS

-a X

^ МУ ^Х П_6В

= 0,   (11)

где α МУ – доля потерь минеральных удобрений.

Или, учитывая, что удобрения предварительно перемешиваются с полужидким наво- зом, получим

'П +Щ

^ ^Q . +_Щ,^Х_№ + n 4) j'i - ^ МУ Х (П б +Щ> = 0 . i = 1

Представленные зависимости являются основой для математического моделирования процессов производства ПОУ и

технологического процесса производства и использования полужидких органических удобрений, блок-схему рассматриваемого

их использования в растениеводстве.

Следовательно, разработанный системный подход и на его основе системный анализ производства и использования органических удобрений на основе полужидкого навоза, позволил разработать схему

процесса и его математическую модель. Для реализации данной технологии необходимо провести исследования технологических параметров погрузчика с учётом физико-механических свойств полужидкого навоза.