Энергетический потенциал использования вентиляционных выбросов коровника в прифермской теплице

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России.

УДК 636.551:631.3: 631.8

ЕЕ. ХАЗАНОВ, д-р техн. наук С.Г. ХАЗАНОВА, канд. техн. наук

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ КОРОВНИКА В ПРИФЕРМСКОЙ ТЕПЛИЦЕ

Расчетно-аналитическим методом показано, что содержащиеся в вентиляционных выбросах коровника углекислый газ и аммиак могут быть использованы для подкормки растений в теплицах. При этом эффективность использования растениями удобрений повышается на 16,8%, удельный расход минеральных удобрений снижается на 8,86%, а коэффициент энергетической эффективности внесенных удобрений увеличивается на 25,3%. Энергетический потенциал газообразных выделений одной коровы за стойловый период составляет 21250 МДж.

Предыдущими исследованиями [1] установлено, что совмещение животноводческих помещений с культивационными сооружениями создаёт благоприятные условия для объединения технологических циклов животноводства и растениеводства, так как позволяет экономить тепло и использовать содержащиеся в вентиляционных выбросах углекислый газ и аммиак для подкормки растений в защищенном грунте. Это позволяет полностью удовлетворить потребность растений в углекислотном и в значительной мере в азотном питании.

Из проведенного анализа трёх рассмотренных способов утилизации вентиляционных выбросов коровника [2] следует, что наиболее эффективным и безопасным является способ подачи этих выбросов в подпочвенный слой прифермской теплицы. Согласно этому способу воздух из животноводческого помещения, содержащий примеси углекислого газа, аммиака и сероводорода, при вентиляции пропускается через систему аэрационного дренажа в почвенный слой теплицы, который представляет собой водяной скруббер с органическим наполнителем.

Рассчитано, что для поглощения газообразных выделений одной коровы с удоем 15 кг и массой 600 кг [3], объём почвенного слоя

113

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2001. Вып. 72.

для теплиц высотой 2,5 м выбирается из условия поглощения углекислого газа и составляет 9,1 м3/гол , а для теплиц высотой 4,5 м объём почвенного слоя выбирается из условия поглощения выделений аммиака и составляет 8,6 м3/ гол. При толщине почвенного слоя 0,25 м удельная площадь культивационного сооружения соответственно равна 36,5 и 34,4 м2/гол.

Определим энергетическую эффективность газообразных выделений одной коровы массой 600 кг. Примем подпочвенной способ подачи вентиляционных выбросов в грунтовую теплицу площадью 36,5 м2 с толщиной почвенного слоя 0,25 м, в которой выращивают две основные культуры: огурец и томат. Урожайность огурца -16-18 кг/м2, томата - 6-7 кг/м2 [4].

Известно [5], что за счет дополнительной подкормки растений углекислым газом урожайность повышается на 10%. Таким образом, урожайность огурцов в новом варианте составит 18,7 кг/м2, томатов -6, 6 кг/м2. Общий сбор урожая в расчетной теплице: в базовом варианте:

огурцов - 17-36,5=620,5 кг, томатов - 6-36,5=219 кг; в новом варианте:

огурцов - 18,7-36,5= 682,6кг, томатов - 6,6-36,5= 240,9кг.

В качестве базы для сравнения примем внесение удобрений традиционным путём, допуская, что в обоих вариантах внесение азотных удобрений (аммиака) и углекислого газа не повлияет на качество продукции и не изменит её химического состава. Не учитываем также микробиологические и химические изменения, которые могут происходить в почвенном слое при аэрации его воздухом, содержащим примеси углекислого газа и аммиака, так как этот вопрос требует проведения специальных исследований.

Нормы внесения удобрений под основную заправку и в последующие подкормки принимаются согласно литературным данным [6, 7,] и приведены в табл.1.

114

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России.

Таблица 1.

Нормы расхода минеральных удобрений на 1 га теплиц под зимне-весеннюю культуру огурца и осеннюю культуру томата и их энергосодержание

Удобрения Энерге- тический эквива- лент Огурец Томат

Коли- чество Энерго- затраты Коли- чество Энерго- затраты

МДж/кг кг МДж кг МДж

Аммиачная селитра 27,6 600 16560 200 5500

Мочевина 36,8 400 14720 100 3680

Кальциевая селитра 13,6 500 6800 500 6800

Калийная селитра 3,5 1000 3500 500 1750

Аммофос 30,9 200 6180 100 3090

Растворин 10-5-20 22,7 - - 1500 34050

Растворин 20-6-10 22,7 2000 45400 - -

Калий сернокислый 4,2 1000 4200 500 2100

Магний сернокислый 4,2 1500 6300 1000 4200

Суперфосфат двойной 6,4 800 5120 500 3200

Доломитовая мука 1,7 2000 7600 1000 2800

Итого минеральных удобрений 10000 116380 5900 68190

На основании данных табл. 1 определена потребность удобрений (базовый вариант), применительно к теплице площадью 36,5м2 при выращивании только культуры огурца - 29,93 кг. Энергетический потенциал этих удобрений составляет 421,79 МДж. Аналогично можно рассчитать энергетический потенциал удобрений при выращивании томата, зеленных, цветов и т.д. применительно к любому севообороту.

В новом варианте аммиак и углекислота, содержащиеся в вентиляционных выбросах коровника (1,52 кг), заменяют мочевину (1,46 кг), энергосодержание которой равно 50,73 МДж. Энергетический эквивалент выбросов в данном случае может быть принят равным эквива-

115

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2001. Вып. 72.

ленту местного органического удобрения, т.е. 0,4 МДж/кг [8] и составляет 0,61 МДж.

Таким образом, в новом варианте расходуется почти столько же минеральных удобрений - 29,99 кг. Но энергосодержание этих удобрений составляет 371,67 МДж, что на 11,9% меньше, чем в базовом варианте.

Расход удобрений на единицу продукции определяется по выражению g=H /М, где g - удельный расход минеральных удобрений, кг/ц; Н - количество внесённых удобрений (кг); М - урожай (ц). Для данного примера:

- в базовом варианте: g(5 = 29,93/620,5 = 4,82 кг/ц,

- в новом варианте: gK = 29,99/682,6 = 4,39 кг/ц.

Отсюда следует, что в новом варианте удельный расход удобрений на выращивание огурца снижается на 0,427 кг/ц или 8,86%.

По данным выноса элементов минерального питания растениями огурца за период вегетации [7] при выращивании на почвенном грунте, в табл. 2 приведены расчетные данные по выносу элементов питания растениями огурца.

Таблица 2.

Вынос элементов минерального питания культурой огурца за период вегетации на площади 36,5 м2

Элементы Вынос на 10 Базовый Новый вари-

питания кг плодов, г вариант, кг ант, кг

N общий 33,4 2,072 2,280

Р2О5 12,1 0,751 0,826

К2О 63,0 3,309 4,300

СаО 45,9 2,848 3,133

MgO 7,8 0,464 0,532

Всего 9,444 11,071

По данным расчетов и табл. 2 определим коэффициенты использования удобрений для базового (Кб) и нового (Кн) вариантов:

Кб= Ппб/ Мб;

Кн = Ппн/Мн,

где Ппб, Ппн - потребление растениями элементов минерального питания соответственно в базовом и новом варианте, кг; Мб, Мн

116

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России.

- внесение элементов питания соответственно в базовом и новом вариантах, кг.

Тогда: Кб=9,444/29,93=0,316 кг/кг;

Кн=11,07/29,99=0,369 кг/кг.

Отсюда следует, что за счёт дополнительной подкормки углекислым газом, эффективность использования растениями удобрений повышается на 0,053 кг/кг, что составляет 16,8%.

Коэффициент энергетической эффективности внесенных удобрений определим по выражению:

R =

НуАу

где: Ну - урожай, кг; Ау-энергетический эквивалент, Мдж/кг.

Для огурцов примем Ay =1,3 МДж/кг; сумма энергетических затрат (ХЕО в нашем примере берется только по удобрениям. Тогда коэффициенты энергетической эффективности для базового и нового вариантов соответственно равны:

Re = (620,5-1,3)/421,79 =1,9; Ян = (682,6-1,3)/371,67= 2,38,

откуда следует, что коэффициент энергетической эффективности в новом варианте увеличился на 2,38 - 1, 9 = 0,48, что составляет 25,26%.

Приведенные расчеты показывают, что преимущества нового варианта питания растений по энергетическим показателям получены за счет повышения урожайности вследствие улучшения минерального питания растений, так как общие энергозатраты по расходу удобрений в обоих вариантах соизмеримы.

При замене только одного вида азотного удобрения, а именно мочевины на аммиак и углекислоту вентиляционных выбросов, удельные энергозатраты на единицу продукции сокращаются с 421,79/620,5 =0,68 МДж/кг до 371,67/682,6 = 0,54МДж/кг, т.е. на 0,13МДж/кг, что составляет 20,5%.

Согласно методике [8] энергетический эквивалент аммиака (жидкого), применяемого в качестве удобрения традиционным путём,

117

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2001. Вып. 72.

равняется 65,6 МДж/кг, тогда как энергетический потенциал аммиака, выделяемого одной коровой в течение суток, составляет: 6,6-10-3-65,6 = 0,43 МДж, а в год - 0,43-365 = 156,95 МДж.

Так как аммиак поступает в теплицу вместе с углекислым газом, то энергетический потенциал этих двух компонентов можно приравнять к потенциалу углеаммиантов, энергетических эквивалент которых равен А = 23,2 МДж/кг [8]. Одна корова в течение суток выделяет 5,47 кг углекислого газа. Тогда энергосодержание СО2 и аммиака, получаемых из коровника в течение суток, равно: (5,47+0,0066)-23,2=127,06 МДж, а за год - 127,06-365=46375,85 МДж.

В общем виде энергетический потенциал вторичных ресурсов, используемых в качестве удобрений в защищенном грунте, можно представить в виде следующего выражения:

Е = (GC02 + Gn^^NKA,

где: GCO2— углекислый газ, выделяемый одним животным в течение суток, кг; GNH3 количество аммиака, получаемого в помещении с одним животным в течение суток, кг; Тп — период подкормки растений в теплицах (в нашем примере равен 223 суток); N — количество животных на ферме (в нашем примере —1); К — коэффициент, учитывающий эффективность поглощения удобрений; для почвенных теплиц К = 50 ...75%; А — энергетический эквивалент вторичных ресурсов (в нашем примере — 23,2 МДж/кг).

Тогда, энергетический потенциал аммиака и углекислого газа, выделяемых одной коровой за стойловый период, равен:

Е1К = 127,06-223-0,75=21250 Мдж.

Таким образом, за счет дополнительной подкормки растений углекислым газом эффективность использования растениями удобрений повышается на 9,8%. При этом удельный расход минеральных удобрений на единицу продукции снижается на 0, 427 кг/ц или на 8,86%. Коэффициент энергетической эффективности внесенных удобрений увеличивается на 25,3%. Энергетический потенциал газо-

118

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России.

образных выделений одной коровы (аммиака и углекислого газа) за стойловый период составляет 21250 Мдж.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хазанов Е.Е. Обоснование параметров безотходной молочной фермы-теплицы// Экология и сельскохозяйственная техника: Материалы 2-ой научно-практической конференции, Санкт-Петербург 25-27 апреля 2000 г. - СПб-Павловск: СЗНИИМЭСХ- 2000.- Т.2.- С. 194-198.

2. Хазанов Е.Е. Ферма-теплица// Механизация и электрификация сельского хозяйства - 1999. - № 1 - С.15-17.

3. Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота. ОНТП 1-89/Госагропром СССР - М., 1989. - 118 с.

4. Общесоюзные нормы технологического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады (ОНТП-СХ.10-85). - М., 1985.

5. Углекислотная подкормка растений защищенного грунта. Рекомендации. -М.: Росагропромиздат, 1986. -32 с.

6. Смирнов Н.А. Пособие для овощеводов тепличных хозяйств. - М.: Россельхозиздат, 1977. - 251 с.

7. Овощеводство защищенного грунта/Под. ред. С.Ф. Ващенко. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Колос, 1984 - 272 с.

8. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. Часть 11: Нормативносправочный материал. - М, 1998. - 251с.

Получено 27.04.01.

119