Математическая модель технологии глубокой переработки жидкой фракции свиного навоза

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

РАЗДЕЛИ. ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕХАНИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА

УДК 631.862

Е.В. ШАЛАВИНА; А.Ю. БРЮХАНОВ, канд. техн. наук

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОЕИИ ЕЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ СВИНОЕО НАВОЗА

Описаны этапы технологии биологической очистки жидкой фракции свиного навоза, построены математические зависимости распределения общего азота, общего фосфора и массы от времени на каждом из этапов, разработана математическая модель, целевой функцией которой является максимизация эколого-экономического показателя.

Ключевые слова: математическая модель; обращение с навозом; экологоэкономический показатель

E.Y. SHALAYINA; A.Y.BRIUKHANOV, Cand Sc

MATHEMATICAL MODEL OF ADVANCED PROCESSING OF LIQUID FRACTION OF PIG MANURE

Biological treatment stages of liquid fraction of pig manure are described; mathematical relations of distribution of total nitrogen, total phosphorus and weight versus time on each stage are shown; a mathematical model has been created, the performance function of which is maximization of the eco-economic factor.

Keywords: mathematical model; manure management; eco-economic factor

Биологическая очистка жидкой фракции свиного навоза представляет собой многостадийный, сложный процесс, связанный с множеством изменений, протекающими внутри жидкости, как под воздействием физических средств, так и внутренних биолого-

103

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

химических процессов. Изучение их взаимодействия требует декомпозиции процессов путем разработки общей модели, учитывающей взаимосвязь и взаимодействие процессов, а также моделей протекания отдельных операций и процессов [1, 2, 3].

В качестве основной математической модели для обоснования технологий, процессов и технических средств в очистке жидкой фракции свиного навоза предложена многоуровневая модель, имеющая трехступенчатую иерархическую структуру, состоящую из следующих уровней:

1. Модели отдельных технологических вариантов: применение циклических отстойников.

2. Технологические операции, представленные как совокупность взаимоувязанных моделей третьего уровня: первичная седиментация, аэрация с вторичной седиментацией, длительное выдерживание.

3. Модели отдельных явлений: потери по массе, потери питательных веществ (общего азота и общего фосфора); могут быть записаны в виде формул.

Такой подход позволил учесть основные особенности технологии переработки свиного навоза как в разрезе технологии и технических средств, так и качественных, количественных и экологических показателей получаемого органического удобрения. Формирование зависимостей выполнялось последовательно от более низкого уровня к более высокому (рис. 1).

Технология биологической очистки состоит из ряда операций: первичная седиментация, аэрация с вторичной седиментацией, длительное выдерживание.

104

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

1 Уровень. Модели технологических вариантов

Циклические

отстойники

2 Уровень. Модели технологических операций

Первичная седиментация

I

чная

тация

Аэрация

I

Вторичная

седиментация

Т

Длительное j

выдерживание

3 Уровень. Модели отдельных явлений

Потери по Потери азота

массе и фосфора

Рис. 1. Общая структурная модель технологии переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников

Основными выходными показателями модели являлась продолжительность выполнения операции (первичная седиментация, аэрация с вторичной седиментацией, длительное выдерживание), поскольку от ее значения зависит точность выполнения операции и качество получаемого органического удобрения.

Качественные показатели, выражаемые в основном в физических и биологических потерях, оценивают технологическое совершенство операций и, в свою очередь, зависят от продолжительности выполнения операции. Таким образом, в общем виде задача оптимизации отдельной операции состояла в определении режима работы состава машин и оборудования, обеспечивающих оптимальность функции цели.

105

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

Изменение параметров модели путем изменения режимов работ отдельных операций или машин обеспечивал перебор технологических вариантов.

Технология биологической очистки жидкой фракции свиного навоза является многооперационной, в которой каждая последующая операция зависит от предыдущей, и растянута во временном интервале [4].

По результатам проведенных исследований [5], были получены математические зависимости для распределения массы, общего азота и общего фосфора от времени для каждой технологической операции. Данные были обработаны методом математической статистики в программе STATGRAPHICS Centurion XV. На рисунках 2, 3 представлены распределения общего азота для технологических операций.

Plot of Fitted Model Col_2 = 50.87 ♦ 11,6755*ln<CoM)

г 4 в 8 ю сутки

СОМ

2. Процент массы общего азота в осадке

%

80

80

о' 40 о

20

j.

о

Рис.

о

106

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

Plot of Fitted Model

Col_11 = sqrt

%

Рис. 3. Процентное содержание распределения массы общего азота в очищаемой жидкости

На основе полученных зависимостей была разработана математическая модель технологии переработки жидкой фракции свиного навоза.

XI

< Х2х = ХЗ! =

ч

100

N-Q

100 Р • Q 100

• 10“6-

Ml

Xl2 = Ml - —— •

X2? =

100

(М2 - L2) . r o,Q9

e ' tn

X3o =

М3

Too

100

(7,5+ 1,6- lnt22)z

( Ml-XI,

Xl3 = Xl± +-r--£ - L4

X22

‘ X23 = X2± + —£ - L5

X32

X33 =X3, +—--L6

v i 1 2

где:

107

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

Q - суточный выход жидкой фракции свиного навоза со свинокомплекса, т

N - содержание общего азота в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг

Р - содержание общего фосфора в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг

XI - распределение массы жидкой фракции в зависимости от времени технологической операции, т;

X2i - распределение массы общего азота в зависимости от времени технологической операции, т;

X3i - распределение массы общего фосфора в зависимости от времени технологической операции, т;

tl - время седиментации, сут tl Е [1,7]

t21 - время аэрации, сут t21 Е [1,28]

t22 - время вторичной седиментации, ч t22 Е [1,6] t3 - время длительного выдерживания, мес t3 Е [0,6]

Потери по массе, общего азота и общего фосфора на стадии первичной седиментации не превысили 2%, при расчете мы ими пренебрегаем.

t21 = 28 - tl

LI =

Q —Х1г + A • 1(Г3 + t21  0,2 • 10“3

•

100

L2 = М2 •

e

2,4+1,5-ln t3

100

108

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

LI, L4 - потери массы жидкой фракции на стадиях аэрации и длительного выдерживания, т;

L2 - потери общего азота при аэрации, т;

Max L3=0,04% от массы общего фосфора попавшей в аэротенк, поэтому потерями общего фосфора пренебрегаем;

L5, L6 - потери общего азота и фосфора на стадии длительного выдерживания, т.

А - масса изначально добавленного активного ила в аэротенке, кг. За каждые сутки осуществляется прирост активного ила на 0,2 кг;

Ml - масса очищенной жидкости и активного ила после аэрации, т;

М2 - масса общего азота в очищенной жидкости и активном иле после аэрации, т;

m2 - масса изначально добавленного общего азота (с активным илом), т;

М3 - масса общего фосфора в очищенной жидкости и активном иле после аэрации, т;

m3 - масса изначально добавленного общего фосфора (с активным илом), т.

Целевыми функциями являются эколого-экономические показатели по фосфору и азоту (%). Прибылью является прибавка урожая (в денежном эквиваленте) за счет внесения полученного органического удобрения; затратами - затраты на сохранение питательных веществ (общего азота и общего фосфора) в получаемом органическом удобрении. При этом, затраты на сохранение питательных веществ включают в себя удельные капитальные и

M1 = (Q-X11+A- 1(Г3 + til  0,2 • 10“3) - L1

М2 =

М3

109

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

эксплуатационные затраты на реализацию технологии с учетом масс сохраненных питательных веществ (общих азота и фосфора).

v Пр

Yn = —-> max

3N

v Пр

YP = —-> max

3P

Для определения оптимальных режимов работы технологии, разработанная математическая модель была реализована в программе Excel (рис. 4).

Исходные данные

Q Масса суточного выхода жидкой фракции свиного навоза, тонны 125

N Содержание азота в жидкой фракции, мг/кг 3500

Р Содержание фосфора в жидкой фракции, мг/кг 1030

tl длительность технологической операции первичной седиментации, сутки 7

Выходные данные

азот фосфор

Y Эко/юго-экономический показатель, тыс руб 15603 18230

Масса органического удобрения в год, тонны 7264,35

Масса очищенной жидкости в год, тонны 30680,74

потери общего азота, тонны 63,88

потери общего фосфора, тонны 14,1

Рис. 4. Исходные и выходные данные при определении оптимальных режимов

работы технологии

Полученная математическая модель позволяет проанализировать возможность адаптации технологии, определить основные управляющие факторы (режимы работы), а также возможные границы изменения показателей технологии при практической реализации. Модель позволяет получать результаты с точностью 96% с коэффициентом корреляции 0,98.

Разработанная математическая модель включает в себя отдельное моделирование процесса, происходящего с жидкой

по

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

фракцией свиного навоза на каждой стадии технологии (первичная седиментация, аэрация, вторичная седиментация и длительное выдерживание). Математическая модель также учитывает потери по массе на каждой из технологических операций и потери общего азота и общего фосфора.

В результате исследования технологии были найдены ее оптимальные режимы работы для каждой технологической операции:

1. Длительность первичной седиментации - 7 суток;

2. Длительность технологической операции аэрации - 21 сутки;

3. Длительность технологической операции вторичной седиментации - 4 часа.

При данных режимах работы (для выхода жидкой фракции свиного навоза с комплекса 125 т/сутки) за год, получено 7264 тонны твердого органического удобрения, 30681 тонну очищенной жидкости. При этом потери общего азота составили 64 тонны, а потери общего фосфора - 14 тонн.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брюханов А.Ю. Повышение эффективности использования навоза путем автоматизированного проектирования вариантов технологий приготовления органических удобрений и внесения их в почву: Автореф. дне. канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 2009. -19с.

2. Уваров Р.А., Слободянюк П.А. Анализ интенсивных технологий переработки навоза, помета // Материалы международного конгресса: Перспективы инновационного развития агропромышленного комплекса и сельских территорий: Изд-во «ЭФ-Интернешнл», Санкт-Петербург. 2014. С.52-53.

3. Maximov D.A., Bryukhanov A.Y., Subbotin I.A., Vasilyev E.V. Selecting manure management technologies to reduce ammonia emissions from big livestock farms in the northwestern federal district of Russia // Ammonia workshop 2012 Saint Petersburg: Abating ammonia emissions in the UNECE and EECCA region K.W. Van der Hoek (editor), RIVM, N.P. Kozlova (editor), SZNIIMESH. 2012. C. 161-168.

ill

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

4. Брюханов А.Ю., Оглуздин А.С., Шалавина Е.В. Биоконверсия свиного навоза в органическое удобрение методом биологической очистки //Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. ВНИИМЖ расхн - М., 2014. №3(15). С. 164-167.

5. Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Потери биогенов при биологической очистке жидкой фракции свиного навоза // Сборник научных статей: материалы международной научно-практической конференции на тему: «Инновация - основа развития сельского хозяйства», посвященная 20 - летию Конституции Республики Таджикистан. Душанбе. 2014. С.289-294.

УДК 631.862 Э.В. ВАСИЛЬЕВ

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПАССИВНОЕО КОМПОСТИРОВАНИЯ

Были проведены исследования технологии пассивного компостирования куриного помета в смеси с торфом; определены содержания азота и фосфора на каждой из стадий технологии; рассчитаны потери биогенов.

Ключевые слова, экология; потери биогенов; помет, компостирование

E.Y. VASILEV

RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDY OF PASSIVE COMPOSTING

The technology of passive composting of poultry manure mixed with peat was studied; the nutrient content of manure was determined before and after each operation and formed the basis for nutrients loss calculation.

Keywords, ecology; nutrients loss; poultry manure; composting

112