WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Повышение эффективности использования навоза путем автоматизированного проектирования вариантов технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву.

На правах рукописи

БРЮХАНОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАВОЗА ПУТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ И ИХ ВНЕСЕНИЯ В ПОЧВУ.

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук».

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник
Афанасьев Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Калюга Василий Васильевич;

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Мороз Александр Карпович

Ведущая организация – Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства Российской академии сельскохозяйственных наук»

Защита состоится 9 июля 2009 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3., факс (812) 466-56-66, E-mail: niokr@sznii.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Черей Н. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как указывает отечественный и зарубежный опыт эксплуатации животноводческих предприятий, обеспечение благоприятной экологической обстановки в районах их расположения определяется рядом факторов, среди которых основной — эффективность применяемых технологий удаления, обработки, хранения и использования навоза.

В последние годы большой объем неиспользованного навоза приводит к его накоплению на территориях предприятий, интенсивному засорению семенами сорной растительности, потере в навозе питательных веществ и его органической массы. Это обстоятельство связано с неудовлетворительным состоянием материально-технической базы хозяйств, отсутствием адаптивных вариантов технологий переработки навоза, что ведет к увеличению себестоимости органических удобрений. Повышение эффективности использования навоза достигается при помощи научно-обоснованных методов формирования рациональных вариантов машинных технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву. Для решения этих задач могут быть применены оптимизационные методы, обеспечивающие получение органических удобрений при минимальных затратах в конкретных условиях сельхозтоваропроизводителя.

Цель исследований – повышение эффективности использования навоза и обеспечения экологической безопасности сельскохозяйственного производства путём разработки методологических основ автоматизированного формирования адаптивных машинных технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву.

Научную новизну работы составляют:

  • методика определения технологических параметров сооружений и машин, необходимых для обеспечения экологически безопасной переработки навоза в органические удобрения;
  • алгоритм формирования машинных технологий;
  • метод автоматизированного проектирования машинных технологий производства органических удобрений с элементами экспертной оценки;

Практическую значимость имеют:

  • сформированные базы данных по технологиям и техническим средствам производства органических удобрений на основе навоза;
  • программа формирования машинных технологий получения органических удобрений с оценкой их экологической эффективности.

Реализация результатов исследования.

Предложенные методы и алгоритмы использовались при разработке «программы обеспечения экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции» для ряда животноводческих предприятий Лужского района Ленинградской области; для разработки промышленной технологии переработки помета в удобрение по Государственному контракту «Разработка микробиологической технологии производства экологически безопасных биологических удобрений на основе отходов птицеводства» № 02.515.11.5102

на 2009 г. с Федеральным агентством по науке и инновациям.

Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено и обсуждено на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в Санкт-Петербургском Государственном аграрном университете и Всероссийском научно-исследовательском и Проектно-технологическом институте механизации животноводства в 2006, 2007 и 2009 г.г.,

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных статьях, в том числе в журнале, рекомендованным ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 101 наименования и 4 приложений. Текстовая часть работы содержит 148 страниц машинного текста, 14 таблиц и 31 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и определена цель исследований.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены состояние, перспективы переработки и использования навоза. Представлен анализ существующих технологий переработки навоза в органические удобрения. Рассмотрены вопросы экологической безопасности животноводческих комплексов. Сделан обзор методов выбора оптимальных решений в различных отраслях сельскохозяйственного производства.

На основе обзора и анализа состояния вопроса сформулированы следующие задачи исследований:

  • обосновать основные принципы формирования машинных технологий и разработать метод проектирования технологических линий переработки навоза;
  • разработать методику формирования машинных технологий с использованием ПЭВМ;
  • сформировать базы данных по технологиям и техническим средствам переработки навоза;
  • обосновать выбор модельных (типичных) хозяйств;
  • обосновать критерии оценки технологий и технических средств переработки навоза;
  • разработать алгоритм выбора технологий и технических средств переработки навоза;
  • апробировать разработанную методику автоматизированного выбора технологий и технических средств переработки навоза и оценить её эффективность.

Во второй главе «Теоретические предпосылки формирования методики автоматизированного проектирования машинных технологий производства органических удобрений из навоза» представлен принцип формирования методики выбора технологий и технических средств производства органических удобрений.

Экскременты животных под воздействием операций, технологических процессов и технологий преобразуются в органические удобрения в соответствии с фазами их превращений.

Для описания такой системы в виде информационной модели может быть использована структурная схема многомерного многозвенного технологического процесса, представленная на рис. 1.

 Структурная схема многомерного многозвенного технологического-0

Рис. 1. Структурная схема многомерного многозвенного технологического процесса.

Изучение сложных систем требует применения самых разнообразных методов исследования операций. В ряде случаев роль человека, принимающего решения в системе, невозможно достаточно точно описать, так что удается выразить в явном виде его функцию с помощью модели. Этот вид моделирования носит название операционных игр. Таким образом, при выборе элементов технологий переработки навоза, необходима экспертная оценка специалиста.

Важным этапом формирования машинной технологии производства и использования органических удобрений является определение технологических параметров линий переработки навоза, количества и качества органических удобрений. Цель расчета заключается в том, чтобы определить объем и характеристики образующегося навоза, потребность во влагопоглощающем материале, объем и качество органических удобрений, размер площадей для экологически безопасного их использования.

При определении качества полученных органических удобрений важной характеристикой является наличие питательных веществ, которое определяется следующим выражением:

(1)

где j и i – вид навоза и влагопоглощающего материала соответственно;

- содержание питательных веществ в готовом удобрении, %;

- потери NPK в процессе обработки навоза, в долях единицы;

- содержание питательных веществ в смеси навоза с влагопоглощающим материалом, %;

МСМ и WСМ – масса и влажность смеси, т и %;

Мк и WК – масса и влажность готового удобрения, т и %.

Количество питательных веществ, поступивших в почву, определим по формуле:

(2)

- количество питательных веществ, поступивших в почву, %;

- потери NPK при внесении, в долях единицы;

Поскольку определение технологических характеристик связано с большим количеством вычислений, расчет целесообразно выполнять на ПЭВМ. На рис. 2 показана схема автоматизированной системы формирования машинных технологий производства органических удобрений, в которую входят алгоритмы по расчету технологических параметров линий переработки навоза и характеристик полученных органических удобрений.

 Схема автоматизированной системы формирования машинных технологий-8

Рис. 2. Схема автоматизированной системы формирования машинных технологий производства органических удобрений.

Для выбора технических средств разработан ряд алгоритмов, которые позволяют выбрать наиболее эффективный комплекс машин для заданных условий. На рис. 3 приведен алгоритм оценки эффективности технических средств для транспортировки и внесения органических удобрений.

 Алгоритм выбора оптимального состава технических средств для-9

Рис. 3. Алгоритм выбора оптимального состава технических средств для транспортировки и внесения органических удобрений.

Критериями оценки, а, следовательно, и выбора технологий, служат технико-экономические, энергетические и экологические показатели.

Важнейшим критерием является показатель экологической безопасности применяемых технологий и комплексов машин. На современном этапе в качестве коэффициента экологической безопасности предлагается использовать отношение объема питательных веществ, доведенных до растения, к объему NPK в навозе, выходящем с фермы.

, (3)

где Кэкб – коэффициент экологической безопасности;

Q1NPK – сумма питательных веществ (NPK) доведенных до растения, %

QNPK - сумма питательных веществ (NPK) в свежем навозе, %.

Сформированные машинные технологии оцениваются по методу Парето. В качестве критерия может быть использован показатель, определяемый величиной затрат, приходящихся на единицу объема питательных веществ, доведенных до растения:

(4)

где Зуд.к - величина затрат на единицу объема питательных веществ, доведенных до растения, руб/т;

Зуд – удельные приведенные затраты (на 1 т произведенных органических удобрений), руб/т.

В качестве дополнительного критерия мы предлагаем ввести понятие экологического эффекта от повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий (или от предотвращения ее снижения), который определяется по формуле:

(5)

где Эзпр - эффект от повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий, руб.;

Q1, Q2 - годовой объем продукции с единицы земельных угодий до и после проведения мероприятий, руб/га;

Sз - площадь, на которую распространяется действие средозащитных мероприятий, га.

Нахождение рациональных вариантов машинных технологий представлено методом Парето. При Парето-оценке «предпочтения» лиц принимающих решение (ЛПР) выражаются так: вариант x предпочтительнее x тогда и только тогда, когда оценка f(x) первого варианта строго больше (меньше) оценки f(x) второго варианта, где f заданная числовая функция, определённая на множестве X и называемая целевой функцией или критерием оптимальности.

Расчет выполняется до тех пор, пока не будет определен предпочтительный вариант машинной технологии приготовления органических удобрений и их внесения в почву, более стабильный в заданных условиях.

В третьей главе «Разработка методики проектирования технологий производства органических удобрений из навоза» освещены вопросы методики получения и обработки исходной информации, выбора информационного обеспечения и пошаговой процедуры проектирования технологий приготовления и внесения органических удобрений.

В наших условиях применен экспериментально-статистический метод, то есть метод машинного эксперимента без вмешательства в характер протекания процессов.

Для проведения комплексных расчетов по системе математических моделей необходима различная нормативно-справочная и техническая информация. Применение системы управления базами данных (СУБД) с перечнем технологий переработки навоза и его внесения, перечнем операций, наименованием и характеристиками технических средств и сооружений позволяет адаптировать технологию к конкретным производственным условиям сельхозтоваропроизводителя.

Программа представляет собой информационную систему, состоящую из СУБД (MySQL) и web-интерфейса (реализован на языке программирования PHP). Программа допускает два режима работы. Первый – служебный (подготовительный) - работа с БД, характеризующих технологии, операции и технические средства (добавление, редактирование и удаление данных). Второй режим – рабочий (основной), непосредственно позволяет оценить характеристики использования технологий (технических средств).

В соответствии с приведенным на рисунке 4 алгоритмом процесс формирования машинной технологии включает в себя следующие, последовательно осуществимые шаги – обследование хозяйства, сбор исходных данных; определение перечня предпочтительных технологий приготовления органических удобрений и их внесения; определение последовательности технологических операций и состава технических средств; принятие решения о возможности проектирования машинной технологии для условий конкретного хозяйства.

В разработанной методике применены следующие методы решения задач: метод экспертной оценки (применен для выбора технологии переработки навоза, предложенных из перечня технологий); метод операционных игр (применен для выбора состава сооружений и технических средств); метод Парето (применен для выбора рационального варианта машинной технологии).

В четвертой главе «Апробация методики и результаты проведенных исследований» в качестве объекта исследований принят ряд типичных для Ленинградской области хозяйств со средним поголовьем 200, 400 и 1000 голов КРС, на которых образуется навоз: жидкий, получаемый при бесподстилочном содержании животных влажностью выше 92%; полужидкий, получаемый при применении санитарной нормы подстилки 3-5 кг на голову в сутки влажностью 85-90%, и твердый (подстилочный), получаемый при содержании животных на глубокой подстилке, влажностью ниже 75%.

Апробация методики формирования машинных технологий проведена в два этапа. На первом этапе исследован перечень технологий получения органических удобрений из навоза и их внесения в почву. Анализируя результаты первого этапа проектирова -

 Схема алгоритма формирования машинных технологий. ния, можно-14

Рис. 4. Схема алгоритма формирования машинных технологий.

ния, можно выделить две технологии: компостирование с влагопоглощающим материалом на прифермских и полевых площадках без аэрации и с использованием аэрации. Данные технологии позволяют добиться хорошего экологического результата с наименьшими по отношению к другим технологиям приведенными затратами. На втором этапе проектирования по результатам полученных данных проведены исследования выбранной технологии по составу технических средств и сооружений. Чтобы определить влияние состава технических средств и сооружений на производственный процесс, спроектированы 12 вариантов выполнения технологии. Полученные результаты сопоставлены с технологией, применяемой в исследуемом хозяйстве. В таблице 1 представлен выбор рациональных вариантов технологии

Таблица 1

Выбор рациональных решений методом Парето.

Критерий (К) Ед. измер. Направление экстремума Технология
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Затраты с учетом Кэкб тыс. руб./т min 1,98 2,02 1,77 1,78 1,69 1,7 1,63 1,61 1,41 1,38 1,56 1,37 4,75
Экологический эффект от повышения плодородия земли тыс.руб. max 9600 9780 10320 10500 11040 11220 15750 15750 16020 16020 16560 16830 5865

В пятой главе «Экономическая эффективность спроектированной технологии» представлена оценка эффективности технологии производства органических удобрений методом компостирования на площадках с использованием измельченной соломы для фермы КРС в 400 голов. Для оценки экономической эффективности спроектированная технология сравнивается с существующей в хозяйстве технологией (вывоз в навозохранилища, хранение, транспортировка и внесение).

В качестве критериев оценки приняты технико-экономические, энергетические и экологические показатели. Стоимостные показатели при проведении обоих этапов исследований приняты в ценах на 1 февраля 2009 года.

Расчет произведен по количеству полученных органических удобрений 10290 т/год и 8100 т/год для спроектированной и используемой технологий соответственно.

Как следует из приведенных в таблице 2 данных, спроектированная технология обладает рядом преимуществ в сравнении с используемой. Эксплуатационные затраты на производство 1 т органического удобрения сокращаются в 1,35 раза, приведенные затраты в 1,85 раза, затраты труда в 1,4 раза, затраты на доведение питательных веществ до растения в 2,8 раза. Спроектированная технология имеет более высокий коэффициент экологической безопасности, благодаря чему обеспечивает экологический эффект в 1,5 больше используемой технологии.

Таблица 2

Сравнительная оценка эффективности спроектированной

технологии в сопоставлении с используемой.

№ п.п. Наименование основных показателей Единицы измерения Спроектированная технология Применяемая технология
1 Эксплуатационные затраты руб/т 215 290
2 Приведенные затраты руб/т 1150 2130
3 Затраты труда чел.
-ч/т
0,62 0,88
4 Металлоемкость кг/т 4,65 4,75
5 Энергоемкость МДж/т 562 437
6 Коэффициент экологической безопасности (Кэк б) %/% 0,68 0,45
7 Затраты с учетом Кэк б руб/т 1690 4750
8 Экологический эффект от повышения плодородия почвы руб/т 1072 724

Несмотря на высокую энергоемкость органических удобрений спроектированной технологии, коэффициент энергетической эффективности их выше единицы, что обусловлено, наряду с ростом урожая, повышением энергопотенциала почвы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

  1. Наиболее опасными объектами сельскохозяйственного производства, оказывающими негативное воздействие на основные компоненты окружающей среды, являются животноводческие фермы и комплексы вследствие сильного разбавления водой (до 3 раз) экскрементов животных, отсутствия операций подготовки навоза (обеззараживание и уничтожение семян сорных растений и неприятного запаха), низкой степени использования навоза как удобрения (не превышающая 30% от выхода навоза), утечки навоза из навозохранилищ из-за недостатка их объемов, больших потерь питательных веществ (до 50%) при движении его от фермы до поля, круглогодичного вывоза жидкого навоза на поля, отсутствия очистки сточных и ливневых вод.
  2. Основой методики автоматизированного формирования машинных технологий переработки навоза является экономико-математическая модель технологического процесса переработки навоза с нахождением рациональных вариантов технологий с помощью метода Парето по одному или по нескольким критериям одновременно с учетом экспертной оценки специалиста.
  3. Разработанный алгоритм формирования машинных технологий переработки навоза включает в себя последовательно осуществляемые шаги – обследование хозяйства, сбор исходных данных; определение перечня предпочтительных технологий переработки и использования навоза; определение последовательности технологических операций и состава технических средств на основе баз данных; принятие решения о возможности проектирования машинной технологии для условий данного хозяйства с участием квалифицированного специалиста.
  4. Основными критериями оценки и выбора технологий являются технико-экономические, энергетические и экологические показатели: приведенные и энергетические затраты, степень использования питательных веществ растениями и степень повышения плодородия почвы.
  5. Сравнительная оценка, проведенная на основании разработанной модели, реализованной в виде компьютерной программы, выявила наиболее эффективную технологию утилизации навоза КРС: компостирование на прифермских площадках в смеси с измельченной соломой, транспортировка на поля с укладкой в бурты, погрузка и внесение.
  6. Реализация спроектированной при помощи программы технологии для конкретной фермы КРС на 400 голов обеспечивает снижение эксплуатационных затрат на производство 1 т органического удобрения в 1,35 раза, приведенных затрат в 1,85 раза, затрат труда в 1,4 раза, затрат на доведение питательных веществ до растений в 2,8 раза, на 34% повышает сохранность питательных веществ, позволяет получить в 1,5 раза больший экологический эффект за счет повышения плодородия почвы по сравнению с используемой в хозяйстве технологией.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

  1. Брюханов А.Ю. Методы расчета вредных выбросов животноводческих ферм. // Сельский механизатор, 2008, №7.
  2. Афанасьев В.Н., д. т. н. Афанасьев А.В., к.т.н., Брюханов А.Ю. Обоснование метода подготовки свиного навоза для использования в качестве органического удобрения. Сб. Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышлен­ного животноводства. Владимир, ВНИПТИОУ, 2006.
  3. Брюханов А.Ю. Методологические подходы и основные принципы оценки экологического ущерба.// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. Науч. тр. – Вып. 78. – СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2006. – с. 13-18.
  4. Афанасьев В.Н., Брюханов А.Ю. Методы подготовки навоза крупных свинокомплексов. Сб. «Ускоренное развитие животноводства», Том 16, часть 3. ВНИИМЖ, 2006.
  5. Брюханов А.Ю. Методика определения воздействия выбросов животноводческих комплексов на атмосферный воздух.// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. Науч. тр. – Вып. 79. – СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2007. – с. 85-88.
  6. Брюханов А.Ю. Методика автоматизированного проектирования технологий и выбора технических средств утилизации навоза и помета.// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. Науч. тр. – Вып. 78. – СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2008. – с. 152-159.

Подписано к печати 27.05.09

Объем 1 печ.л. Тираж 75 экз. Заказ №180

Отпечатано на ризографе СЗНИИМЭСХ



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.