Обоснование производства комплексных органоминеральных удобрений на основе отходов животноводства

Технологии и технические средства механизированного производства кормов и продукции животноводства.

• обеспечение комфортных условий содержания подсосных маток с поросятами-сосунами, поросятами-отьёмышами и откорма свиней с применением компьютеризированного оборудования для обеспечения микроклимата;

• создание миниинтегрированного предприятия, обеспечивающего частичное приготовление комбикормов, производство, убой, разделку, упаковку и реализацию свинины.

Получено 14.05.2003.

УДК 631.22.01

ДА. МАКСИМОВ, канд. техн. наук;

Н.Г. КИСЕЛЕВ

ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА КОМПЛЕКСНЫХ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

Предложена технология переработки органических отходов с получением гранулированных органоминеральных удобрений. Определены основные параметры гранулятора и получаемых удобрений.

Северо-Западная зона РФ характеризуется природноклиматическими условиями, при которых одним из наиболее эффективных направлений сельскохозяйственной деятельности является производство продукции животноводства. Отечественный и мировой опыт развития производства показал перспективность укрупнения животноводческих предприятий, что обусловлено экономическими и технологическими факторами. Но наряду с этим встают проблемы, связанные с концентрацией животных на ограниченной территории. Образующиеся в этом случае большие объемы органических отходов требуют регулярной переработки и утилизации.

Произошедшее снижение поголовья в реформенный период вызвало уменьшение выхода навоза более чем в 2 раза, а его применение в качестве удобрений сократилось еще более - в 8 раз [1]. Уменьшение обьемов применения удобрений, однако, не привело к ослаблению в соответствующих пропорциях вредного влияния на природную

75

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2003. Вып. 75.

среду, поскольку сохранились основные причины загрязнения — это нарушение регламентов хранения, транспортировки и применения.

Существующие технологические решения не позволяют утилизировать весь производимый навоз и помет. В результате, происходит их накопление из года в год вокруг животноводческих и птицеводческих предприятий, загрязнение окружающей территории, водоемов, грунтовых вод и атмосферы.

В то же время отходы животноводства являются одним из основных источников органических удобрений, позволяющих повысить уровень плодородия почв, что особенно важно для почв СевероЗападной зоны РФ, имеющих низкое естественное плодородие, но достаточную влагообеспеченность. Поэтому удобрения в зоне могут обеспечивать до 75% прироста урожайности сельскохозяйственных культур. Учитывая это, основное направление применения отходов животноводства в Северо-Западной зоне - использование их в качестве удобрений, повышающих плодородие почв.

В настоящее время в ряде хозяйств Северо-Западной зоны навоз подвергается смешиванию с торфом и используется в виде компо-стов, в остальных - навоз вывозят на поля без предварительного компостирования. Это происходит вследствие отсутствия материальнотехнической базы: площадок и навозохранилищ, отвечающих природоохранным требованиям. Для компостирования, в основном, используются грунтовые площадки, расположенные на полях или в непосредственной близости от ферм.

Использование навоза и помета в непереработанном виде имеет ряд недостатков, снижает потенциальные возможности их как удобрений и оказывает негативное воздействие на окружающую среду. К основным недостаткам можно отнести: высокую влажность, низкое содержание питательных элементов группы NPK, наличие семян сорняков, патогенной микрофлоры, яиц и личинок гельминтов. Поэтому необходима предварительная подготовка навоза и помета перед использованием в качестве удобрений.

Цель всех процессов переработки отходов животноводства состоит в том, чтобы полностью вернуть продукты их переработки в виде органических удобрений в окружающую природу, не только не нанося ей ущерба, но и оказывая многостороннее положительное воздействие на все агрономически важные функции почвы и позволяя

76

Технологии и технические средства механизированного производства кормов и продукции животноводства.

вовлечь в хозяйственно-биологический круговорот элементы минерального питания и органического вещества, отчуждаемые с урожаем.

Получение качественных органических удобрений с заданными свойствами возможно только на стационарных установках закрытого типа. Основой таких установок является биореактор периодического или непрерывного действия. Биореактор полностью изолирован от внешних условий. Технологический процесс, протекающий в нем, легко поддается контролю и позволяет получить конечный продукт с заданными свойствами.

В институте разработана механизированная линия превращения подстилочного помета в биологически активные органические удобрения (рис.1). Линия обеспечивает: дозированную подачу помета и минеральных добавок, их смешивание и ферментативную биотермическую обработку в биореакторе барабанного типа [2].

Рис. 1 Технологическая схема производства компостов:

1 - емкость для бесподстилочного навоза и помета; 2 - транспортер-дозатор; 3 - дозатор влагопоглощающего материала; 4 - бункеры-дозаторы для микродобавок; 5 - транспортер-смеситель; 6 - биореактор; 7 - вентилятор; 8 - электрокалорифер; 9 - виброгрохот; 10 - отгружающий транспортер; 11 - тележка-буртоукладчик;

12 - площадка хранения компостов; 13 - система утилизации газового выброса

Существенным недостатком технологии активной ферментации в установках закрытого типа является высокая себестоимость получаемых удобрений (0,8 - 1,5 тыс. руб./т). Дозы внесения остаются значительными 10 - 20 т/га, и применение их с помощью имеющихся

77

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2003. Вып. 75.

средств механизации только в разброс экономически не оправдывается.

Приобретает особое значение разработка и использование более эффективных и рациональных технологий и технических средств производства и применения органических удобрений. Приоритет имеет разработка комплексных органоминеральных удобрений, включающих основные компоненты питания растений в соотношении, соответствующем биологическим особенностям растений и уровню плодородия почвы. Дозы внесения таких удобрений значительно снижаются, но остаются трудности, связанные с хранением и внесением этих удобрений из-за их физико-механических свойств.

Гранулирование удобрений, в том числе комплексных, обеспечивает улучшение их физических и агрохимических свойств. Они сохраняют сыпучесть, меньше слеживаются при хранении, не пылят, легко рассеиваются и обеспечивают равномерное внесение, что позволяет обеспечить их применение, приближенное к растениям (припо-севное, местное, локальное внесение).

Питательные вещества гранулированных удобрений с большей эффективностью используются растениями, так как медленнее поступают в почвенный раствор и в меньшей степени деградируют в почве вследствие небольшой поверхности контакта с нею. Благодаря этому не только уменьшается поглощение питательных веществ почвой, но и улучшается процесс поступления их в растения [3].

Выбор аппаратуры для проведения процессов гранулирования определяется механизмом гранулообразования. Конструкция гранулятора должна быть такой, чтобы в нем можно было обрабатывать как можно больше материала с наименьшими затратами, т.е. требуемое качество продукта должно обеспечиваться при максимальной удельной производительности. При этом особое внимание следует уделять стабильной работе аппарата, конструкцию которого обуславливают особенности гранулируемых продуктов.

Технологический процесс получения полнокомпонентных гранулированных органоминеральных удобрений состоит из следующих основных стадий: компостирование (предпочтительна биоферментация в закрытых установках); смешивание компоста с минеральными добавками; прессование; сушка и сортировка готового продукта. Определяющей стадией этого технологического цикла является операция непрерывного прессования.

78

Технологии и технические средства механизированного производства кормов и продукции животноводства.

В технологии приготовления гранулированных органических удобрений могут найти применение два метода гранулирования - за счет движения качения (окатывание) и прессованием. Метод окатывания, имея большую производительность и малую энергоемкость, в то же время требует особо тонкого, нулевого помола. Кроме того, в процессе скатывания при производстве органоминеральных удобрений происходит расслоение смеси. В результате нарушается ее однородность, компоненты классифицируются по фракциям с одинаковой плотностью, и получающиеся гранулы имеют разнородный состав. Применение шнекового прессующего органа может обеспечить малый размер гранул, их однородный состав и водоустойчивость при условии высушивания после прессования.

Основной целью процесса грануляции является получение непылящих, неслеживающихся однородных удобрений, которые можно равномерно и без затруднений вносить в почву обычными машинами для внесения минеральных удобрений. Идеальный продукт состоит из зерен одинакового химического состава, соответственно обеспечивающих равномерное распределение питательных элементов в почве.

Исходя из приведенных требований, производимые гранулы должны удовлетворять следующим физико-механическим и агротехническим требованиям: диаметр гранул - 5 - 8 мм; разрушение гранул до размера 1 мм при смешивании не выше 5 %. Доза внесения получаемых полнокомпонентных удобрений должна составлять 1 - 3 т/га.

В простейшей, но достаточно общей форме процесс уплотнения дисперсионного материала может быть выражен таким дифференциальным уравнением [4]:

de

Р ( 1 1 ^

L [(Рв + РУ +(р + Р)” , ,

где L - величина, характеризующая жесткость сыпучего тела; е - относительная деформация;

Рс - начальное уплотнение, Па;

Р6. - предел несущей способности, Па;

Р - давление прессования, Па; m и п - показатели степени.

79

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2003. Вып. 75.

Решим это уравнение для условий компрессии, т. е. сжатии при невозможности бокового расширения (Ps ^ да), и выразив относительную деформацию е через коэффициент пористости при помощи зависимости геометрического характера.

е =

£ -£

1 + £ ’

где £с - коэффициент пористости, отвечающий давлению Рс, т. е. начальный коэффициент пористости;

£ - коэффициент пористости, отвечающий любому давлению Р.

Значение относительной плотности материала s определим по формуле:

£ = О”--------1

/(1 - W) ’

где рт - плотность твердой фазы, кг/м3;

у - насыпная плотность материала, кг/м3; W - относительная влажность в долях.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что показатель n ~ 1 поэтому решение уравнения будет в логарифмической зависимости:

£ = С - Aln

где А, С - параметры, определяемые из опыта. Зависят от свойств прессуемого материала.

В результате экспериментальных исследований определено, что основное влияние на пористость имеет состав органоминерального удобрения и создаваемое давление. Построение модели осуществляли методами нелинейной регрессии. В результате получены два уравнения регрессии в зависимости от состава органоминерального удобрения.

D > 2 £ =2,951-0,477*ln

80

Технологии и технические средства механизированного производства кормов и продукции животноводства.

D< 2 е =1,898-0,338*ln

где D - доза внесения исследуемого органоминерального удобрения, т/га. Определяется объемом минеральных компонентов в удобрении.

Для определения производительности прессующего аппарата необходимо определение скорости истечения обрабатываемого материала из канала матрицы. Скорость истечения зависит от давления создаваемого прессующим органом, геометрических параметров матрицы и свойств прессуемого материала.

Предположим, что в области высоких давлений вязкопластичное тело ведет себя как идеальная жидкость. В этом случае увеличение давления приводит к пропорциональному увеличению скорости течения. Принимая, что движение материала в канале ламинарное, скорость истечения материала из канала матрицы v можно определить из уравнения:

v = 1 2 f Р p e d +^-a f Af>£l e d -1

1 Ужг V Я V JJ

где v - скорость истечения, м/с

ужг - плотность получаемого жгута, кг/м3;

С - коэффициент бокового распора материала; fM - коэффициент трения смеси по материалу матрицы; Ра - адгезионное давление материала, Па; d - диаметр канала, м; l - длина канала, м.

Часовая производительность матрицы по сырому продукту может быть определена из уравнения:

Q=3,6 s v Ужг,

где Q - производительность пресса, т/ч;

s - площадь живого сечения матрицы, м2.

5 =z п D 2 /4,

где z - количество каналов матрицы.

81

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2003. Вып. 75.

Часовую производительность матрицы по сухому продукту можно определить из уравнения:

Qcyx=Q

где Qcух - производительность пресса по сухим изделиям, т/ч;

Wcyx - относительная влажность сухого продукта в долях.

Полученные в результате теоретических предпосылок формулы содержат ряд эмпирических коэффициентов, которые требуют экспериментального определения. Поэтому, чтобы иметь конкретные величины для расчетов, в задачу экспериментального исследования входило определение основных физико-механических и реологических свойств смеси, а также постоянных коэффициентов, входящих в полученные теоретические зависимости.

Результаты экспериментальных исследований с различными образцами органоминеральных смесей позволили установить минимальное давление создаваемое гранулятором - не менее 2,5 МПа.

Коэффициент трения органоминеральной смеси по металлу и коэффициент бокового распора определяли в условиях больших давлений на специально созданной установке. Были получены следующие результаты:

fM = 0,31 + 0,01; g = 0,64 + 0,01.

Получение качественных гранул обеспечивается выдержкой спрессованного монолита под давлением для протекания в нем релаксационных процессов. Время выдержки смеси под давлением и, соответственно, скорость проталкивания ее по каналам матрицы определяется скоростным режимом пресса и длиной канала прессования.

Расчеты, проводимые по полученным зависимостям с учетом полученных коэффициентов, показали высокую зависимость процесса прессования от длины канала матрицы и адгезионного давления материала. Результаты расчетов представлены на рис. 2.

82

Технологии и технические средства механизированного производства кормов и продукции животноводства.

0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03 l :

Рис. 2 Зависимость скорости истечения v материала из канала матрицы от его длины l и адгезионного давления:

Ра;=100 Па; Ра2=30 Па

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволили сделать следующие выводы :

1. Разработка гранулированных органоминеральных удобрений для локального внесения в почву перспективна. Диаметр получаемых гранул должен составлять 5-8 мм, доза внесения получаемых удобрений - 1-3 т/га.

2. Получение гранул, удовлетворяющих физико-механическим и агротехническим требованиям, возможно с применением шнекового прессующего органа.

3. Минимальное давление, создаваемое гранулятором, должно быть не менее 2,5 МПа. Длина канала матрицы должна быть в пределах 20 - 30 мм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агропромышленный комплекс России. - М.: Информагро-тех, МСХиП, 2000.

2. Провести НИР по созданию механизированной линии превращения навоза и помета в биологически активные органические удобрения и выдать исходные требования на ее разработку. Отчет о НИР (промежуточ.) / НИПТИМЭСХ НЗ РФ; Руководитель В.Н. Афанасьев. - 8РТ1; № ГР 01970000345; Инв. № 02.9.80 004978. - СПб., 1997.

83

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2003. Вып. 75.

3. Вирясов Г.П. Комплексные гранулированные удобрения на основе торфа. - Минск: Наука и техника, 1988. - 160 с.

4. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. - М.: Стройиздат, 1977.

Получено 15.04.03

УДК 630.160.22: 621.928 А.В. ДИМИТРИЕВ

КОМПОНЕНТЫ СУБСТРАТА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ПОЧВ И УЛУЧШЕНИЕ ИХ СРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Дано обоснование необходимости регенерации почв, загрязненных пестицидами, биологическими субстратами. Дан анализ различных компонентов, предлагаемых для получения указанных субстратов с целью выбора наиболее эффективных.

Регенерация сельскохозяйственных земель подтверждает известный принцип надежности, выдвинутый Гейлем [1], который утверждает, что благодаря огромному катаболическому потенциалу микрофлоры, любое органическое вещество, попавшее в почву, разлагается до элементарных соединений и включается в естественный круговорот. Этот потенциал обусловлен огромным разнообразием метаболических путей, мутабельностью и адаптивностью почвенных микроорганизмов, прежде всего бактерий.

Пестициды являются эффективным средством защиты растений от вредителей, болезней и сорняков. Для иллюстрации достаточно отметить, что в индустриально развитых странах пестицидами обрабатывается от 70% до 100% сельскохозяйственных угодий. Причем, в зависимости от климатических условий и прогнозируемого развития болезней, сорняков и вредителей, эта обработка производится многократно. Наряду с положительным действием применения пестицидов (увеличение урожайности, снижение себестоимости производства сельскохозяйственной продукции) существует отрицательные последствия такой деятельности. Обработанные пестицидами почвы занимают огромные площади, которые являются источником загрязнения 84