автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности использования навоза путем автоматизированного проектирования вариантов технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву

г

На правах рукописи

БРЮХАНОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАВОЗА

ПУТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АРИАНТОВ 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

003473524

Работа выполнена в Государственном научном учреждени «Северо-Западный научно-исследовательский институт механиза ции и электрификации сельского хозяйства Российской академи 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 Россельхо-закадемии по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильт-ровское 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 v г

диссертационного совета —- Черей Н. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как указывает отечественный и зарубеж-ый опыт эксплуатации животноводческих предприятий, обеспе-ение благоприятной экологической обстановки в районах их рас-оложения определяется рядом факторов, среди которых основной эффективность применяемых технологий удаления, обработки, ранения и использования навоза.

В последние годы большой объем неиспользованного навоза риводит к его накоплению на территориях предприятий, интен-ивному засорению семенами сорной растительности, потере в на-озе питательных веществ и его органической массы. Это обстоя-ельство связано с неудовлетворительным состоянием материаль-о-технической базы хозяйств, отсутствием адаптивных вариантов ехнологий переработки навоза, что ведет к увеличению себестои-юсти органических удобрений. Повышение эффективности ис-ользования навоза достигается при помощи научно-обоснованных 1етодов формирования рациональных вариантов машинных техно-огий приготовления органических удобрений и их внесения в очву. Для решения этих задач могут быть применены оптимиза-ионные методы, обеспечивающие получение органических удоб-ений при минимальных затратах в конкретных условиях сельхоз-оваропроизводителя.

Цель исследований - повышение эффективности использова-ия навоза и обеспечения экологической безопасности сельскохо-яйственного производства путём разработки методологических снов автоматизированного формирования адаптивных машинных ехнологий приготовления органических удобрений и их внесения 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;

I

<и

I I *

■ метод автоматизированного проектировани машинных технологий производства органиче ских удобрений с элементами экспертной оцен ки;

Практическую значимость имеют:

■ сформированные базы данных по технология и техническим средствам производства орган ческих удобрений на основе навоза;

■ программа формирования машинных техноло гий получения органических удобрений с оце кой их экологической эффективности.

Реализация результатов исследования.

Предложенные методы и алгоритмы использовались при р; работке «программы обеспечения экологически безопасного прои водства сельскохозяйственной продукции» для ряда животноводч ских предприятий Лужского района Ленинградской области; дл разработки промышленной технологии переработки помета в удобр ние по Государственному контракту «Разработка микробиологическо технологии производства экологически безопасных биологическ удобрений на основе отходов птицеводства» № 02.515.11.5102 на 2009 г. с Федеральным агентством по науке и инновациям.

Апробация работы. Основное содержание диссертации дол жено и обсуждено на научных конференциях профессорск преподавательского состава и аспирантов в Санкт-Петербургско Государственном аграрном университете и Всероссийском научн исследовательском и Проектно-технологическом институте мех низации животноводства в 2006, 2007 и 2009 г.г.,

Публикации. Основные положения диссертации опубликов ны в 6 печатных статьях, в том числе в журнале, рекомендованны ВАК.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и определена ель исследований.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» ассмотрены состояние, перспективы переработки и использования авоза. Представлен анализ существующих технологий переработ-и навоза в органические удобрения. Рассмотрены вопросы эколо-ической безопасности животноводческих комплексов. Сделан обор методов выбора оптимальных решений в различных отраслях ельскохозяйственного производства.

На основе обзора и анализа состояния вопроса сформулиро-аны 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 етодики автоматизированного проектирования машинных техно-огий производства органических удобрений из навоза» представ-ен принцип формирования методики выбора технологий и техни-еских 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 модел может быть использована структурная схема многомерного много звенного технологического процесса, представленная на рис. 1.

г,® г/5) г^м

Рис. 1. Структурная схема многомерного многозвенного технологического процесса.

Изучение сложных систем требует применения самых разно образных методов исследования операций. В ряде случаев роль че ловека, принимающего решения в системе, невозможно достаточн точно описать, так что удается выразить в явном виде его функци с помощью модели. Этот вид моделирования носит название one рационных игр. Таким образом, при выборе элементов технологи переработки навоза, необходима экспертная оценка специалиста.

Важным этапом формирования машинной технологии произ водства и использования органических удобрений является опреде ление технологических параметров линий переработки навоза, ко личества и качества органических удобрений. Цель расчета заклю чается в том, чтобы определить объем и характеристики образую щегося навоза, потребность во влагопоглощающем материале, объ ем и качество органических удобрений, размер площадей для эко логически безопасного их использования.

При определении качества полученных органических удобре-ий важной характеристикой является наличие питательных ве-еств, которое определяется следующим выражением:

где ^ и I - вид навоза и влагопоглощающего материала соот-етственно;

^удоор _ содержание питательных веществ в готовом удобре-ии, %;

/°бр - потери №>К в процессе обработки навоза, в долях еди-

ицы;

К"' - содержание питательных веществ в смеси навоза с вла-

опоглощающим материалом, %;

Мсм и У?см~ масса и влажность смеси, т и %; Мк и й^- масса и влажность готового удобрения, т и %. Количество питательных веществ, поступивших в почву, оп-еделим по формуле:

К™ - количество питательных веществ, поступивших в почву, %; - потери ИРК 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.

удобр _ /1 _ г обр

Л ~~ ^ 1

К<*Мш(Ж-\Усм) М¿.(100 -IV к)

(1)

(2)

с

Паспорт предприяпя

V ( Базы данных ^

Зона размещения.

А

Вид животных и технолога их содержания.

IX А !—£

Поголовье.

А

Технология уборки нсгоза Промежуточное хранение. Транспортировка («месту хранения/переработки). Обработка навоза.

Хранение. Внесение в почву.

01

А15

БП5

А14

03

БПЗ

БП

А1 *

А2

БП1

& в-

&

У

Зона размещения

Б2; Тип фермы и выход навоза. :

БЗ

Технолошя содержания ,

Б4

Перечень технолога!):

Б5

Б6 , Перечень технических средств'

Б7

Перечень сооружений необходимых для функционирования техн. Процесса

БП2

02

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

Для выбора технических средств разработан ряд алгоритмов, оторые позволяют выбрать наиболее эффективный комплекс ма-ин для заданных условий. На рис. 3 приведен алгоритм оценки ффективности технических средств для транспортировки и внесе-ия органических удобрений.

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 безо-

пасности предлагается использовать отношение объема питательных веществ, доведенных до растения, к объему ИРК в навозе, выходящем с фермы.

К экб —

<2 ИРК О-КРК

(3)

где Кэкб - коэффициент экологической безопасности;

О'ырк - сумма питательных веществ (ТЧРК) доведенных до растения, %

Отк - сумма питательных веществ (КРК) в свежем навозе, %.

Сформированные машинные технологии оцениваются по методу Парето. В качестве критерия может быть использован показатель, определяемый величиной затрат, приходящихся на единиц 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:

Э3.пр={й2~й^г (5)

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

0.1, 0.2- годовой объем продукции с единицы земельных угодий до и после проведения мероприятий, руб/га;

S3 - 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 х' предпочтительнее х" 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 90%; полужидкий, получаемый при применении санитарной нормы подстилки 3-5 кг на голову в сутки влажностью 85-88%, и твердый (подстилочный), получаемый при содержании животных на глубокой подстилке, влажностью ниже 15%.

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 -

Рис. 4. Схема алгоритма формирования машинных технологий.

ния, можно выделить две технологии: компостирование с влаго-поглощающим 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. из-мер. Направление экстре мума Технология

1 2 3 4 5 б 7 8 9 Ю п 12 13

Затраты с учетом Кзк6 тыс. руб./т 1ШП 1 86'1 | 2,02 г-.—1 1,78 -Ом'' 1-4 \ 1,63 ЧО < 1,56 '■К-со 4,75

Экологический эффект от повышения плодородия земли тыс. руб. тах | 9600 | о 00 г- 1 10320 1 | 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-кономические, энергетические и экологические показатели. Стои-остные показатели при проведении обоих этапов исследований риняты в ценах на 1 февраля 2009 года.

Расчет произведен по количеству полученных органических добрений 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 (К,к б) %/% 0,68 0,45

7 Затраты с учетом Кжб 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 техноло-

гии 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 A.B., к.т.н., Брюханов А.Ю. Обоснование метода подготовки свиного навоза для использования в качестве органического удобрения. Сб. Аг-роэкологические 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.: СЗНШМЭСХ, 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

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Состояние и перспективы переработки и использования ' ! ' \ навоза в России.

1.2. Проблемы экологической безопасности животноводческих ферм и комплексов.

1.3. Характеристика существующих технологических и технических решений по подготовке навоза.

1.4. Экологические требования к сельскохозяйственным предприятиям.

1.5. Обзор методов выбора оптимальных решений.

1.6. Критерии оценки технологий и технических средств.

1.7. Краткие выводы. Цель и задачи исследования.

12. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ.

2.1. Обоснование методики автоматизированного формирования технологий переработки навоза.

2.2. Условия функционирования технологического процесса приготовления органических удобрений из навоза.

2.3. Методика определения технологических параметров линий переработки навоза в органическое удобрение.

2.3.1. Определение количества и качества навоза.

I 2.3.2. Определение технологических параметров операций по переработке навоза в органическое удобрение.

2.3.3. Выбор типа хранилища для навоза.

2.4. Методика выбора способов и средств механизации.

2.5. Определение перечня перспективных технологических решений по переработке навоза в органическое удобрение.

2.6. Сравнительная оценка вариантов технологий приготовления органических удобрений из навоза.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗ

ВОДСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ ИЗ НАВОЗА.

3.1. Методика получения исходной информации.

3.2 Методика обработки исходной информации.

3.3. Информационное обеспечение систем автоматизированного проектирования технологических процессов.

3.4. Представление пошагового процесса моделирования технологий приготовления органических удобрений из навоза.

4. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Анализ и выбор технологии переработки навоза в органическое удобрение.

4.2. Оценка рассмотренных вариантов технологий производства органических удобрений из навоза КРС.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСЬ

I СПРОЕКТИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ.

Опыт зарубежного и отечественного земледелия убедительно свидетельствует о ведущей роли органических удобрений в воспроизводстве плодородия почв, получении высоких урожаев сельскохозяйственных культур, повышении продуктивности животноводства.

Однако, начиная с 90-х годов, наблюдается резкое сокращение объемов использования-органических удобрений. За последние 10 лет оно снизилось в 10 раз. С 1994 года возрастает дисбаланс объемов выхода навоза (помета) с животноводческих предприятий и объемов их внесения на поля. В последние годы объем неиспользованного навоза достиг 140 млн. т, что приводит к его накоплению на территориях предприятий, интенсивному засорению семенами сорной растительности, потере питательных веществ и его органической массы-и, наконец, загрязнению окружающей среды [34].

Игнорирование экологического подхода к утилизации навоза обуславливает опасное загрязнение грунтовых и поверхностных вод, воздушного бассейна, почв, рост заболеваемости животных и населения.

Поэтому при реализации планов развития животноводства, предусмотренных приоритетным национальным планом «Развитие АПК», необходимо стремится к гармонизации экономических интересов и требований охраны окружающей среды при использовании навоза в качестве органического удобрения [27, 61].

Обследование хозяйств Ленинградской области показало, что большинство хозяйств имеют устаревшую, находящуюся в неудовлетворительном состоянии материально-техническую базу, обслуживающий персонал низкой квалификации, слабую обеспеченность средствами технологического контроля, нарушения технологического регламента хранения, транспортировки и внесения органических удобрений.

Все это обуславливает необходимость совершенствования? существующих технологий переработки: и использования навоза, а также создание новых технологий и комплексов ■ машину отвечающих современным технологиям производства сельскохозяйственной продукции с учетом различных типов товаро-'производителей и форм: организации труда экологическим? требованиям, т.е. обеспечение гарантии минимального загрязнения? окружающей! среды, получение экологически безопасных продуктов питания человека и кормов животных.

Одной из. наиболее трудных задач, которые могут возникнуть при- проектировании технологических линий; является; задача комплектованиям современными? техническими» средствами и сооружениями,, предназначенными-; для выполнения всех необходимых операций.

Для принятия* решений^ применяют неформализованные и формализованные методы. Не формализовано человек принимает решения вообще без всяких 'обоснований,, руководствуясь так. называемым здравым смыслом, опытом или интуицией. Формализованные решения принимаются по»четким: рекомендациям. Принятие формализованных решений базируется на двух основных методах: логическом моделировании и оптимизации.

При логическом моделировании используются правила, которые определяют, что надо делать в: тех-или иных случаях.

Принятие: оптимальных решений^ с использованием ПЭВМ; имеет два существенных преимущества: дает быстрый ответ на поставленный вопрос и предоставляет возможность широкого экспериментирования, осуществить которое 1 на реальном объекте зачастую просто не. возможно [46; .47].

Для принятия: оптимального технологического решения: необходимо рассматривать все: многообразие вариантов взаимодействия? элементов? изучаемой системы, и внешней среды. Поэтому при изучении сложных систем сельскохозяйственного производства' следует рассматривать модели; которые выступают в роли абстрактных заменителей реальных систем, отображающих основные принципы, организации и функционирования этих систем. Модели позволяют А охватывать и-изучать все многообразие факторов, влияющих на конечный результат, ставить эксперименты, которые в большинстве случаев-не возможно осуществить в природных условиях или проведение которых требует неоправданно больших затрат времени и средств.

Научно-обоснованный системный подход к определению и принятию решений в, производственных процессах позволяет организовать наши знания и опыт таким образом, что становится возможным по оценочным критериям и, 'прибегнув к математическому моделированию, находить оптимальные варианты технологий. В настоящее время оценка эффективности существующих и разрабатываемых технологий, поточных линий и комплектов* технического оборудования базируются на проведении многовариантных и трудоемких расчетов. Значительное снижение трудоемкости выполнения этих расчетов достигается при использовании математических методов и ПЭВМ.

Основываясь на проведенном литературном анализе, можно сделать вывод, что вопрос повышения эффективности использования навоза является актуальным, а существующая проблема еще не разрешена и, поэтому, нуждается 'в дальнейшей разработке.

В связи с этим целесообразно провести анализ современного состояния и тенденций развития'машинных технологий, а также методов их формирования и оптимизации. На основе проведенного анализа разработать методологические основы и методику автоматизированного формирования машинных технологий переработки навоза в органические удобрения и их внесения в почву.

Результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы при разработке рекомендаций руководителям сельскохозяйственных органов регионов, проектных предложений и проектов для конкретных хозяйств, при Строительстве новых и модернизации действующих животноводческих комплексов и птицеводческих предприятий.

Работа проводилась в отделе 6 «Экологическая безопасность сельскохозяйственного производства» ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 2007 год по теме: «Разработать методологию построения машинных технологий производства и использования органических удобрений на базе отходов животноводства и птицеводства и создать базу данных технических средств для автоматизированного проектирования машинных технологий».

Тема диссертации утверждена Ученым Советом ГНУ СЗНИИМЭСХ Рос-сельхозакадемии и соответствует тематическому плану института.

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.

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. 1

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 со- -хранность питательных веществ, позволяет получить в 1,5 раза больший экологический эффект за счет повышения плодородия почвы по сравнению с используемой в хозяйстве технологией.

1. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов. Основы теории. М.: Наука, 1990, 236 с.

2. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л: Наука, 1980. 288 с.

3. Андерсон Э., Джамса К., Кинг К. Эффективный самоучитель по креативному Web-дизайну. 2005.

4. Анискин В.И. Создание перспективной сельскохозяйственной техники с обеспечением ее экологичности. Инженерная экология, №5. 1995. с. 2038.

5. Артюшин A.M., Державин Л.М. Краткий справочник по удобрениям. -М.: Колос, 1984. 208 с.

6. Афанасьев А.В. Повышение эффективности производства удобрений путем оптимизации параметров двухстадийной биоферментации навоза и помета. Автореф. дис.канд. техн. наук. Санкт-Петербург- Пушкин, 2000. - 23 с.

7. Афендулов К.П., Лантухова А.И. Удобрения под планируемый урожай. -М.: Колос, 1973. 240 с.

8. Бацула А.А., Дегонюк Э.Г., Гамалей В.И. и др. Органические удобрения. Под ред. А.А. Бацулы.-2-е изд., перераб. И доп. К.: Урожай, 1988. -184с.

9. Ю.Березовский Б.А., Барышников Ю.М., Борзенко В.И., Кемпнер JI.M. Многокритериальная оптимизация. Математические аспекты. М.: Наука, 1989, 128 с.

10. П.Бершицкий Ю.И. Оптимизация состава машинно-тракторного парка с использованием целочисленного линецного программирования. //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1999, №1, с. 17-21.

11. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1980. - 136 с.'

12. Благовещенская З.К., Могиндовид JI.C. Потери питательных веществIудобрений в интенсивном земледелии: Обзорн. информ./ВНИИ информ. и техн.-экон. исслед. агропром. комплекса. М., 1987. - 62 с.

13. Блохина E.JI. СУБД Acces 97 планирование структуры базы данных. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2000, №9, с 19-22.

14. Браславец М.Е. Экономико-математические методы в организации и планировании сельскохозяйственного производства. М.: Экономика, 1971. - 358 с.

15. Бровцин В.Н., Валге A.M., Михайленко И.М. Методические рекомендации по математическому моделированию технологических процессов наiоснове экспериментальных данных. Ленинград - Пушкин, НИПТИ-МЭСХНЗРФ, 1988.-33 с.

16. Вабищевич П.Н. Численное моделирование. М.: Из-во Моск. ун-та, 1993. -152 с.

17. Вагнер Г. Основы исследования операции. -М.: Наука, 1972.-68с.

18. Валге A.M. Повышение эффективности работы сельскохозяйственной техники путем моделирования процессов на стадии исследования и разработки технологий и машин. Дисс.д-ра техн. наук: 05.20.01.- СПб-Пушкин, 2000.-262с.

19. Валге A.M. Применение регрессионного анализа при моделировании сельскохозяйственных процессов. // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1987, №8, с. 40-41.

20. Валге A.M., Михайленко И.М., Сафина А.Н. Методические указания по идентификации динамических объектов во временной области (Метод стохастической аппроксимации). Ленинград - Пушкин; НИПТИМЭСХ НЗРФ, 1984.-27 с.i

21. Варюшкина Н.М. Потери питательных веществ из почв и удобрений. -М.: ВНИИТЭИСХ, 1980. 35 с.

22. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработка опытных данных. М.: Колос, 1967. - 159 с.

23. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментальных исследований по обработке опытных данных. М.: Колос, 1973. 199 с.- 25.Волков Г.К. Гигиена крупного рогатого скота на промышленных фермах. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Россельхозиздат, 1987. - 316 с.

24. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций.-М.: Наука. 1971.-156с.

25. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 2012 годы. ФГНУ «Росинформагротех» 296 - 4000 - 2007.

26. Грачев Д.Г., Бабенко Н.В. Смешанные удобрения. М.: Колос, 1970. -159 с.

27. Грищенко В.В., Долгодворов В.Е. Основы программирования урожаев сельскохозяйственных культур. М.: Агропромиздат, 1986. - 56 с.

28. Динамика баланса гумуса на пахотных землях Российской Федерации. Госкомзем России, РосНИИземпроект. М.: 1998. - 60с.

29. Динамика эколого-экономических систем. Новосибирск: Наука, 1981. 224с.

30. Долгов И.А., Большоков С.И., Тимофеев А.В. Статистическое моделирование технологических процессов кормопроизводства. // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1975, №5, с. 9

31. Дьяконова К.В. Роль органического вещества / К.В. Дьяконова // Земледелие. 1988. - №1.

32. Еськов А.И., Новиков М.Н. и др. Справочная книга по производству и применению органических удобрений ВНИПТИОУ, Владимир ,2001.-495с.

33. Журавлев Б.И. Комплексная механизация животноводческих ферм в Нечерноземной зоне. М.: Россельхозиздат, 1976. - 335 с.

34. Зб.Завалишин Ф.С., Манцев М.Г. Методы исследований по механизации сельскохозяйственного производства. М.: Колос, 1982. 231 с.

35. Закон ленинградской области от 6 февраля 2003 года N 5-оз

36. Иванов И.А., Иванова В.Ф. Польза и вред удобрений: Рекомендации по экологически безопасному применению удобрений. Великие Луки, 1993. - 84 с.

37. Капустин Н.М., Зарубин В.М. Автоматизированная система проектирования технологических процессов механосборочного производства. М.: Машиностроение, 1979. - 242 с.

38. Карташов Л.П., Аверкиев А.А., Чугунов А.И., Козлов В.Т. Механизация и электрификация животноводства. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Агро-промиздат, 1987. - 480 с.

39. Клоков Ю.Л. О возможности активных и пассивных методов определения математической модели производства. //Планирование экспериментов. Сб. науч. тр. М.: Наука, 1966. - 156 с.

40. Козловский Е.В., Кривопуст Н.С., Рядных В.В., Догановский М.Г. Организация и механизация работ при централизованном агрохимическом обслуживании сельскохозяйственных предприятий. Л.: Колос, 1979. - 256 с.

41. Колисниченко Д.Н. Самоучитель PHP. М.: Наука и техника, 2007. -640 с.

42. Комаров Б.А. Системный подход к проектированию механизированных технологий для животноводства. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1998, №5, с. 24 29.

43. Кузнецов, Симдянов РНР5 на примерах http://depositfiles.com/files/3240960

44. Курицкий Б.Я. Оптимизация вокруг нас.-JI.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.-144 с.

45. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0 СПб.: BHV - СПб.: 1997.-384 с.

46. Ларри Урман. Основы программирования на РНР http://depositfiles.com /files/3241032

47. Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Попов П.Д. Теория и практика использования органических удобрений / И.Н. Лозановская, Д.С. Орлов, П.Д. Попов. М.: ВО Агропромиздат, 1987.

48. Мазуркеич А. РНР. Настольная книга программиста http://depositfiles.com /files/3241089

49. Медведев Г.А., Тарасенко Н.В. Вероятностные методы исследования экспериментальных систем. М.: Наука, 1967. - 456 с.

50. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводчесих ферм и комплексов. Агропромиздат, ЛО, 1985. -115с.

51. Мельников С.В., Андреев П.В., Базенко В.Ф., Вагин Б.И., Жевлаков П.К., Фаррбман Г.Я. Механизация животноводческих ферм. М.: колос, 1969. - 440с.

52. Морозов Ю.Л. Гольберг В.П. Методические рекомендации по технико-экономическим расчетам для животноводства Нечерноземной зоны РСФСР. Л.: НИПТИМЭСХ НЗ, 1986. - 80 с.

53. Морозов Ю.Л. Гольберг В.П. Нормативно-справочный материал для проведения технико-экономических расчетов применительно к сельскохозяйственному производству Нечерноземной зоны РСФСР. Л.: НИПТИМЭСХ НЗ, 1984. - 82 с.

54. Морозов Ю.Л. Гольберг В.П. Определение экономической эффективности использования в сельском хозяйстве капитальных вложений и новой техники (методические рекомендации). Л.: НИПТИМЭСХ НЗ, 1984. -84 с.

55. Морозов Ю.Л. Гольберг В.П. Определение экономической эффективности использования в сельском хозяйстве капитальных вложений и новой техники (методические рекомендации). Л.: НИПТИМЭСХ НЗ, 1986. -60 с. ,

56. Нагирный Ю.П. Детерминированные модели принятия решений. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2000, №4, с. 10-13.

57. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 207 с.

58. Научно производственный и информационный журнал «Сельскохозяйственные машины и технологии. № 1(2) январь-февраль 2008. 48с.

59. Ногин В.Д. Обобщенный принцип Эджворта-Парето в терминах функций выбора. Сб. тр. ИСА РАН «Методы поддержки принятия решений» Под ред. С. В. Емельянова, А. Б. Петровского. М.: Едиториал УРСС, 2005, С. 43-53.

60. Ногин В.Д. Обобщенный принцип Эджворта-Парето и границы его применимости// Экономика и математические методы, 2005, т. 41, № 3, С. 128-134.64.НТП-17-99

61. Орлов А.А. PHP. Полезные приемы http://depositfiles.com/files/3241143

62. Подиновский В.В. Введение в теорию важности критериев в многокритериальных задачах принятия решений. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007, 64 с.

63. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М.: Наука, 1982. - 255 с.

64. Попов П.Д., Хохлов В.И., Егоров А.А. и др. Органические удобрения: Справочник. М.: Агропромиздат, 1988.

65. Практическое руководство для сельскохозяйственных предприятий по охране окружающей среды /В.Н. Афанасьев, П.А. Суханов, А.В. АфаIнасьев, Д.А. Максимов, А.Ю. Перцович. /Под ред. В.Н. Афанасьева. -СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005. 272 с.

66. Рейбман Н.С. Типовые линейные модели объектов управления. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 264 с.

67. Санитарно эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03.

68. Свод правил экологически безопасной сельскохозяйственной практики в условиях Ленинградской области России. Часть первая. Содержание крупного рогатого скота и кормопроизводство. Издание 2-ое. СПб. 2007.

69. Семенова П.Я. Бесподстилочный навоз и его использование для удобрения. М.: Колос, 1978.-271 с.

70. Смирнов П.М., Муравин Э.А. Агрохимия. М.: Колос, 1981. - 319 с. 1

71. Статистические материалы и результаты исследований развития агропромышленного производства России. М.: Россельхозакадемии, 2008.

72. Статников Р.Б. Матусов И.Б. Математика и кибернетика в экономике. Словарь-справочник. Изд. 2. М.: Экономика, 1975. 700 с.

73. Степанов М.А. Повышение эффективности молочного животноводства путем разработки методики автоматизированного формирования машинных технологий производства молока. Автореф. дис.канд. техн. наук. -Санкт-Петербург- Пушкин, 2002. 18 с.

74. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. М.: Наука, 1975. - 280 с.

75. Теплицкий М.Г. Математическая модель задачи оптимизации технологических линий. //Экономика и математические методы, 1998, №1, с. 16.

76. Тишкович А.В. Свойства торфа и эффективность его использования на удобрение/ Под ред. С.Г. Скоропанова. Минск: Наука и техника, 1978. -151с.

77. Федеральный закон РФ «Об отходах производства н потребления» от 1998 г. № 89 ФЗ

78. Федеральный закон РФ «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 г №7 ФЗ.

79. Фомин И.М. Автоматизированное проектирование машинной технологии производства картофеля. Основные принципы. Методика. Алгоритмы. Пакет программ. СПб-Пушкин, 1995. - 48 с.

80. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислении (перевод с английского Икрамова Х.Д.). М.: Мир, 1980. - 276 с.

81. Фурулева Н.А., Молчанова Г.И. Методические рекомендации по формированию баз данных в научных исследованиях. СЗНИИМЛПХ, Вологда -Молочное, 1998.-c.4-10

82. Хазанов Е.Е., Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Модернизация молочных ферм. СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2008. - 380с.

83. Хан Д.В. Органоминеральные соединения и структура почв. М.: Наука, 1969. - 144 с.

84. Хлыстунов В.Ф. Методические основы оптимизации систем жизнеобеспечения сельскохозяйственных животных. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 199, №2, с. 9-14.

85. Шалыто А.А. Алгоритмизация и программирование задач логического управления. SWITCH технология. - СПб.: Наука, 1998 - 628 с.

86. Шикин Е.В., Чхартишвили А.Г. Математические методы и модели в управлении: Учеб. Пособие. М.: Дело, 2000. - 440 с.

87. Шпилько А.В., Драгайцев В.И., Тулапин П.Ф. и др. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. -М.: ВНИИЭСХ, 1998. 220 с.

88. Шпилько А.В., Драгайцев В.И., Тулапин П.Ф. и др. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. Часть 2. Нормативно-справочный материал. М.: ВНИИЭСХ, 1998. - 250 с.

89. Bewick W. Michael, Biol M.I. Handbook of organic waste conversion. Trinity College. University of Cambridge// Van Nostrand Reinhold Environmental

90. Engineering Series. Copyright © 1980 by Litton Educational Publishing, Inc. -72 p.

91. Broad F.E. Nitrogen release and carbon loss from soil organic matter during decomposition of added plant residues// Proc. Soil Soc. Amer. 1974. - #12. -P. 246-249.

92. Gasser J., Penny A. The value of ureanitrite and ureaphosphate// Journ. Agric. Science 1967. -#1.- P. 69-74.

93. Gouny R. Advances in fertilizer technology// Agric. Chemicals. 1971. - #3. -P. 26-31.

94. Kaarina Ringstad, Johan Malgeryd, Lena Rodhe, Goran Carlson. By JTI at the request of Alfa Laval Agri. Swedish Institute of Agricultural Engineering. 1994. 62 c.

95. Podinovski V.V. Multicriteria optimization problems involving importance-ordered criteria// Elster K.H. (ed.) Modern mathematical methods of optimization, Berlin, Akademie Verlag, 1993, P. 254-267.

96. Verstraeten L., Livens J. New fertilizer materials// Soil Org. Matter Stud. 1977 - Vol.1.-P. 66-78.