Особенности системы технологий и машин для комплексной механизации процессов уборки и подготовки навоза к использованию

УДК 631.22.018.002.8+631.86

ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЙ И МАШИН ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ УБОРКИ И ПОДГОТОВКИ НАВОЗА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ

П.И. Гриднев, Т.Т. Гриднева

На основе анализа состояния с производством технических средств для уборки и подготовки навоза к использованию, их технического уровня определены зоны применения различных технологий утилизации навоза. Определена потребность в технических средствах для уборки навоза и подготовки его к использованию.

Ключевые слова: органические удобрения, мобильные и стационарные технические средства, биотермическая стабилизация, компостирование, механическое разделение, анаэробное сбраживание.

Мировой и отечественный опыт решения проблемы утилизации навоза свидетельствует о том, что эффективность данного процесса зависит от очень большого количества влияющих факторов: это и объемы производства, и природно-климатические особенности зон расположения животноводческих предприятий, и особенности применяемых технологий и технических средств, и экологические требования по защите окружающей среды, и так далее. От изменения этих факторов зависят затраты на реализацию той или иной технологии утилизации навоза.

В настоящее время для условий нашей страны наиболее перспективным направлением решения проблемы является использование навоза в качестве сырья для производства органических удобрений. В этом случае эффективность предлагаемых технологий зависит от количества получаемых органических удобрений, урожайности сельскохозяйственных культур, объемов производства дополнительной продукции (биогаз, белковые добавки в корм и т.д.).

Выбор технологий и комплектов технических средств для систем утилизации навоза должен производиться на основе комплексной оценки всех влияющих факторов по всем операциям, от уборки навоза из помещений до внесения органических удобрений в почву. Методика подобной оценки изложена в ряде публикаций [1, 2].

В России в последние годы из-за диспаритета цен на минеральное сырье, энергоносители, промышленную продукцию и продукцию животноводства хозяйства всех форм собственности из-за отсутствия финансовых ресурсов не имеют возможности применять эффективные системы уборки и подготовки навоза к использованию, затраты на создание и эксплуатацию которых не окупа-

ются возможной прибавкой урожая сельскохозяйственных культур от применения органических удобрений. Применяемые технологии и технические средства не обеспечивают полную сохранность навоза, производство органических удобрений с заданными физико-химическими характеристиками, позволяющими применять перс-пективные системы внесения их в почву (дифференцированные, локальные, многофункциональные агрегаты), не механизируют внесение подстилки и очистку стойл, не в полной мере соответствуют экологическим требованиям.

Суммарная упущенная экономическая выгода неполного использования удобрительных ресурсов навоза оценивается примерно в 165,0 млрд руб. В большинстве регионов страны наблюдается значительное снижение плодородия почв, кроме того животноводческие предприятия несут существенные убытки за размещение неиспользованного навоза до 80,0-85,0 млрд руб. [1].

На животноводческих предприятиях России для уборки навоза из помещений применяются мобильные агрегаты, стационарные технические средства (различные модели транспортеров и скреперных установок) и гидравлические системы непрерывного и периодического действия. Доля навоза, убираемого из помещений мобильными тракторными агрегатами, в общем объеме навоза не превышает 2,5-3,0%. Этот навоз не содержит ограничений по количеству и геометрическим размерам отдельных включений подстилки, т.е. подобная технология может обеспечить получение высококачественного подстилочного навоза. Однако применяется отмеченная технология крайне редко и в основном на фермах по производству молока и выращиванию нетелей.

В последние годы технологии содержания животных на глубокой подстилке получают распространение и при производстве свинины. В то же время применение этой технологии сдерживается отсутствием эффективных средств внесения подстилки в стойла, а также надежной техники для уборки навоза с длинноволокнистой подстилкой.

Известные технологии внесения подстилки в стойла различными техническими средствами из кормового прохода допускают загрязнение помещения выхлопными газами, создают сквозняки, засоряют кормушки и поилки, поэтому практически во всех хозяйствах внесение подстилки осуществляется вручную.

Стационарные технические средства (скребковые транспортеры, скреперные установки, шнеки и т.д.) обеспечивают качественную уборку как бесподстилочного, так и навоза с подстилкой в виде опилок, торфа, измельченной соломы и применяются на всех типах ферм. При этом количество вносимой подстилки не должно превышать 2-3 кг/сутки на одну условную голову, т.е. влажность получаемого навоза находится в пределах 85-92%. Известные системы уборки навоза на основе стационарных технических средств отличаются высокими затратами труда на внесение подстилки и уборку навоза из стойл - до 29 чел. ч/гол. в год.

Важными показателями оценки качества и эффективности применения технических средств уборки навоза из помещений являются удельные энерго- и металлоемкость, полнота уборки навоза, наработка на отказ, затраты труда на техническое обслуживание и текущий ремонт, срок службы.

По удельным энерго- и металлоемкости лучшие показатели имеет конвейер навозоуборочный поперечный КНП-10 - 0,4 кВт.ч/т и 200 кг.ч/т. Скребковые транспортеры типа ТСН и скреперные установки типа УС имеют соответственно 1,0-1,6 кВт.ч/т и 378-315 кг.ч/т. Получившие в последнее время широкое распространение шнековые транспортеры уступают вышеназванным техническим средствам (1,75-3,5 кВт.ч/т и 512,5-612,5 кг.ч/т), но зато значительно превосходят их по наработке на отказ (первые имеют наработку на отказ 50-500 ч., а шнековые транспортеры 2000 ч.). Затраты труда на ТО и ТР по первой группе машин составляют 0,1-0,4 чел.ч/ч, а по шнековым транспортерам 0,02-0,04 чел.ч/ч. Скребковые транспортеры и скреперные установки имеют фактический срок службы от 3 до 5 лет, шнековые транспортеры - не менее 15 лет. Кроме того, шнековые транспортеры превосходят все технические средства для уборки навоза по такому важному показателю, как полнота уборки навоза из помещений (98% вместо 93-96%).

К числу важнейших недостатков стационарных технических средств уборки навоза следует отнести:

- использование при транспортировании принципа волочения, приводящего к увеличению затрат энергии на выполнение процесса;

- многократное технологически необоснованное перемешивание навозной массы;

- технологически несовершенная траектория перемещения навозной массы;

- возможность перегрузки транспортирующих средств.

В этой связи представляется перспективным направление по созданию технических средств, работающих на принципах порционности забора навоза, транспортировки его к точке выгрузки кратчайшим путем, исключающим многократное перемешивание.

Анализ основных технико-экономических показателей различных технологических и технических решений для механических систем уборки навоза показал, что значительно повысить эффективность процесса возможно за счет совершенствования конструкции штанговых транспортеров [6].

К основному достоинству штанговых транспортеров следует отнести минимизацию пути транспортирования навоза к точке выгрузки, а следовательно, и объема выполняемых работ. На ферме в 100 коров суточный объем работ по удалению навоза транспортером типа ТСН-160 составляет 428,0 т.м., шнековым транспортером 487,4 т.м., а штанговым - 209,8 т.м.

При беспривязном содержании животных возникает необходимоть уборки навоза из каналов шириной до 3,5 м. Для механизации данного процесса

предлагается использовать скреперную установку с гидравлическим приводом, пошаговым перемещением скрепера по длине продольного канала. От одной гидравлической станции может быть осуществлен привод до четырех контуров, т.е. может быть осуществлена уборка навоза из восьми каналов. Установленная мощность привода гидростанции 3 кВт, длина продольного канала до 150 м, тип тяговой штанги - полоса или профильная труба. Установка работает в автоматическом режиме, что особенно важно на молочных фермах, где возникает необходимость уборки навоза не реже 6 раз в сутки. По основным технико-экономическим показателям установка не уступает лучшим зарубежным аналогам, а по стоимости в 2-2,5 раза дешевле, наработка на отказ больше на 15-20%, материалоемкость меньше на 10-25%.

При механических системах уборки подстилочного навоза из помещений транспортировку его к местам хранения или переработки осуществляют мобильными агрегатами или стационарными пневматического типа УТН-Ф-20, УТН-Ф-10. Для транспортирования бесподстилочного навоза к местам хранения или переработки используют насосы, в основном отечественного производства, НЖН-Ф-200А, НЦИ-Ф-100, НЦН-Ф-100/30, НЦН-Ф-80/30, НЦВ-Ф-2. Применяется также и целый ряд насосов зарубежных фирм, стоимость которых в 22,5 раза выше отечественных.

Из технологий подготовки навоза к использованию наибольшее распространение в России и во многих странах Европы получили: компостирование; гомогенизация; естественное и механическое разделение навоза на фракции; биологическая очистка жидкого навоза и стоков. Проводятся экспериментальные работы по применению технологий анаэробного сбраживания [3], интенсивной аэробной ферментации [4], производства вермикультур и т.д.

В России большое распространение получили технологии компостирования на открытых площадках с использованием бульдозеров, козловых кранов, погрузчиков непрерывного действия, мобильных агрегатов с боковой выгрузкой навоза, требующих высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Кроме того, в этих технологиях не соблюдаются экологические требования, качество получаемого компоста низкое.

Перспективной, устраняющей недостатки существующих следует считать технологию и комплект оборудования для получения компостной смеси в процессе уборки навоза из животноводческих помещений, обеспечивающую эффективное производство органических удобрений и более полное использование удобрительных ресурсов навоза [1]. При ее применении обеспечивается круглогодичное производство компостной смеси с дозированной подачей компонентов, регулируемым качеством смешивания и получение высококачественной компостной смеси на выходе из животноводческого помещения. При этом в два раза сокращается количество выполняемых операций. Энергоемкость процесса и издержки производства компостов снижаются в 1,5-2,0 раза, отпадает необходимость в строительстве дорогостоящих навозохранилищ, обеспечивает-

ся ритмичное круглогодичное производство органических удобрений, создаются условия для экологически безопасного производства органических удобрений, на 20-25% увеличивается количество и улучшается качество производимых удобрений.

Учитывая, что процесс биотермической стабилизации в буртах достаточно длителен по времени (2-3 месяца и более) и протекает не всегда эффективно из-за недостатка кислорода в компостной смеси, обосновано предложение по сокращению сроков биотермического созревания до 10 суток за счет интенсивного насыщения компостной смеси кислородом воздуха. При этом готовый продукт является ценным экологически чистым органическим удобрением, качественные характеристики которого значительно выше, чем у компоста, полученного традиционным способом.

Технология аэробной ферментации органических отходов животноводства прошла успешную апробацию на ряде животноводческих объектов России и стран СНГ. При этом используются как технология американской фирмы «Bюferm», так и отечественные. Однако при использовании данной технологии расход влагопоглощающих материалов в 4-5 раз больше, чем при обычном компостировании. Поэтому ее целесообразно использовать в хозяйствах, обеспеченных в достаточном количестве влагопоглощающими материалами и имеющих спрос на дорогое, но высококачественное органическое удобрение.

Одним из новых, перспективных направлений подготовки к использованию полужидкого навоза является технология производства комплексных орга-но-минерально-бактериальных удобрений. Технология производства нового типа комплексного удобрения базируется на принципах ротационного гранулирования, основанного на способности массы навоза формироваться и склеиваться при влажности 50-60% и предусматривает дозирование минеральных и других компонентов непосредственно в процессе приготовления компостной смеси и дальнейшую ее стабилизацию.

При дефиците влагопоглощащих материалов подготовку навоза к использованию целесообразно осуществлять путем биотермической стабилизации. Принципиальная схема предлагаемой технологии разработана на основе исследований ГНУ ВНИИМЖ, ГНУ СЗНИИМЭСХ и других НИИ [1].

Исходный навоз при этом последовательно проходит через измельчитель органических включений, аппарат вихревого слоя и подается в камеру стабилизации, где нормированно насыщается кислородом воздуха. Интенсивность подачи воздуха должна быть в пределах 0,4-0,5 л/мин. кг с.в., влажность навоза 90-95%, доза суточной загрузки 10-20%. Ограждающие поверхности танка для биотермической стабилизации навоза должны иметь теплоизоляцию, обеспечивающую потери теплоты в окружающую среду не более 10% от теплоты разложения беззольного вещества.

В природно-климатических зонах России с минимальной температурой не ниже -15оС, где одновременно с производством из навоза высококачествен-

ных органических удобрений возникает необходимость производства из него биогаза, целесообразно применять технологию анаэробного сбраживания, разработанную учеными и специалистами ГНУ ВИЭСХ, ГНУ ВНИИМЖ, ВНИИ-КОМЖ и других НИИ.

По предлагаемой технологии исходный навоз предварительно нагревается до температуры выбранного режима переработки и подается в камеру сбраживания. Под воздействием анаэробных микроорганизмов в камере сбраживания протекает процесс разложения беззольного вещества с выделением биологического газа, содержащего до 65-70% метана. Выделившийся биологический газ собирается в газгольдер и затем используется для поддержания температуры сбраживания и на технологические нужды животноводческого предприятия. Оптимальная влажность исходного навоза для сбраживания 90-92%, доза суточной загрузки - 12-15%, кислотность навоза должна быть нейтральной. При этих режимах за время сбраживания достигается 30-35% степень распада беззольного вещества. Удобрительные свойства сброженного навоза, по сравнению с исходным, за счет увеличения доли азота в аммиачной форме повышаются. Прибавка урожая сельскохозяйственных культур достигает 17-25%. На осуществление процесса расходуется до 50% получаемого биогаза. Предлагаемая технология позволяет, по сравнению с ранее известными, в 1,7-2,0 раза сократить капитальные и эксплуатационные затраты, снизить энергоемкость процесса на 25-40%, трудозатраты - в 1,5-1,7 раза.

При гидравлических системах уборки подготовку жидкого навоза и стоков к использованию рекомендуется осуществлять путем механического разделения на фракции с использованием отечественных фильтрующих центрифуг производительностью до 80 т/ч, а также ряда импортных установок прессующего типа.

Следует отметить, что при сопоставимости затрат на выгрузку твердой фракции, систему управления процессом, строительство сооружений, затраты на приобретение импортного оборудования для цеха разделения навоза на фракции применительно к свинокомплексу на 24 тыс. голов в 4,3 раза больше, чем отечественного (6088,2 тыс. руб. вместо 1400,0 тыс. руб.).

В регионах с высоким уровнем стояния грунтовых вод, не допускающих использование жидкой фракции в системах орошения, рекомендуется к применению технология биологической очистки, которая применима только на свиноводческих предприятиях. Для повышения эффективности работы аэротенков и в целом биологической очистки ГНУ ВНИИМЖ предложена усовершенствованная технология глубокого выделения взвешенных веществ из жидкой фракции навоза, основанная на использовании отходов цементного производства и активизации биологических процессов за счет воздействия магнитных полей. Жидкая фракция, прошедшая биологическую очистку, может быть использована при рециркуляции для заполнения навозных каналов или, при необходимости, сбрасываться в открытые водоемы.

В заключение следует отметить, что имеющиеся отечественные разработки позволяют решить проблему утилизации навоза на основе производства органических удобрений. Для создания эффективных систем утилизации навоза необходимо организовать производство технологических средств, номенклатура и объем поставок которых обоснованы с учетом положений «Стратегии машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства на период до 2020 г.», «Доктрины продовольственной безопасности страны в 2020 г.» (таблица 1).

Таблица 1. Потребность в технических средствах для уборки и подготовки навоза

к использованию

Наименование технического средства Потребность, тыс. шт. Ежегодная амортизация, тыс. шт.

Комплект шнековых транспортеров (типоразмерный ряд) 30,0 3,0

Штанговый транспортер (типоразмерный ряд) 41,0 4,1

Транспортер с круглозвенным типом цепи (типоразмерный ряд) 10,0 1,5

Автоматизированная скреперная установка (типоразмерный ряд) 23,0 2,3

Установка скреперная с цепным контуром 5,0 0,75

Установка для транспортирования навоза из помещений 3,0 0,45

в хранилище

Насос погружной для жидкого навоза (типоразмерный ряд) 9,5 1,4

Насос для полужидкого навоза (типоразмерный ряд) 6,3 0,9

Навесное оборудование для уборки навоза к тракторам класса 0,6-0,9 0,6 0,09

Комплект оборудования для гидравлических систем уборки навоза 0,5 0,05

Комплект машин для производства компостных смесей 13,1 2,1

Комплект машин для производства компостных смесей 5,7 0,9

в процессе уборки навоза из помещений

Установка для обезвоживания навоза 0,2 0,03

Установка для разделения навоза на фракции прессующего типа 0,3 0,04

Комплект оборудования для биотермической стабилизации навоза 0,4 0,06

Комплект оборудования для интенсивной ферментации 0,3 0,04

компостных смесей

Комплект оборудования для анаэробного сбраживания (типоразмерный ряд) 0,22 0,033

На первом этапе для создания экологически безопасных предприятий по производству продукции животноводства необходима Государственная поддержка на реализацию мероприятий по защите окружающей среды от загрязнения, по сохранению и увеличению плодородия почв. Дальнейшее совершенствование систем уборки и подготовки навоза к использованию должно предусматривать максимальное сокращение поступления в навоз воды, минимизацию количества выполняемых операций, оптимизацию транспортных потоков, обеспечение требований по гигиене и экологической безопасности, максимальную утилизацию СО2 и МИ3.

Исследования по этим направлениям проводятся учеными Белоруссии (БелНИМСХ), России (ВИЭСХ, ВНИИМЖ, СЗНИИМЭСХ), Польши и других стран. Их результаты позволят разработать новые принципы построения экологически безопасных систем уборки и подготовки навоза к использованию, научные основы проектирования технологий и комплектов машин нового поколения, типовые решения и новые многофункциональные технические средства для технологического и технического переоснащения систем уборки и подготовки навоза к использованию, обеспечивающие сокращение потерь питательных элементов на 50-70%, номенклатуры технических средств на 15-20%, энергоемкости и материалоемкости процессов в 1,5-2 раза, потребность в минеральных удобрениях на 30-40%, повысить эффективность использования удобрений в 1,3-1,7 раза, предотвратить загрязнение окружающей среды. Расчеты показывают, что применение удобрений нового поколения позволит в условиях России обеспечить дополнительное производство 18-20 млн т зерна в год.

Литература:

1. Повышение эффективности функционирования технических систем подготовки навоза к использованию / П.И. Гриднев [и др.]. М.: Росинформагротех, 2000. 80с.

2. Гриднев П.И. Механико-технологическое обоснование эффективного функционирования технических систем подготовки навоза к использованию: автореф. дис. ... д.т.н. М., 1997.

3. Афанасьев В.Н. Обоснование и разработка технологий и технических средств для производства экологически безопасных, биологически активных удобрений на основе отходов животноводства и птицеводства: дис. ... д.т.н. С-Пб-Пушкин, 2000.

4. Ковалев Н.Г., Рабинович Г.Ю., Сульман Э.М. Экспрессная биоферментация органического сырья при различных соотношениях навоза с торфом // Вестник РАСХН. 1999. №5. С. 71-73.

5. Вейнло В.Э., Куйв М.Я., Каар П.Э. Проектирование систем и рабочих органов удаления подстилочного навоза в коровниках // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2000. №9. С. 13-15.

6. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Основные направления совершенствования технологий и технических средств для уборки навоза из помещений и подготовки его к использованию // Техника и оборудование для села. 2012. №3. С. 20-24.

Гриднев Павел Иванович, доктор технических наук, заместитель директора Гриднева Татьяна Трофимовна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Тел. (8499) 666-51-18 E-mail: vniimzh@mail.ru

Based on the analysis of the production of means for cleaning and preparation of manure to use, their technical proficiency defined area of application of various technologies manure. Identified the need for technical equipment for manure handling and preparing it for use.

Keywords: erganic fertilizers, mobile and stationary technical means biotermicheski stabilization, composting, mechanical separation, anaerobic digestion.