автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности переработки свиного навоза путем оптимизации технологических процессов и формирования адаптивных технологий

На правах рукописи

Шалавина Екатерина Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНОГО НАВОЗА ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ФОРМИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

" 7 ОКТ 2015

Санкт-Петербург - 2015

005562960

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП).

Научный руководитель: Брюханов Александр Юрьевич

кандидат технических наук, доцент, заведующий отделом инженерной экологии сельскохозяйственного производства ИАЭП Официальные оппоненты: Ковалев Николай Георгиевич

доктор технических наук, научный руководитель ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мелиорированных земель», академик РАН Марченко Николай Михайлович доктор технических наук, профессор, заведующий отделом разработки технологий точного земледелия ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства»

Защита состоится « 20 » ноября 2015 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2 (СПбГАУ, 2-й учебный корпус, ауд. 2.719).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный у ниве рситет».

Автореферат разослан «23» сентября 2015 г.

Автореферат размешен на сайтах: ht t р У/ va k2. е d. цо v. г и, http://spbgau.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессо

Смирнов

Василий Тимофеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В Северо-Западном Федеральном Округе расположено более 600 крупных сельскохозяйственных предприятий, занимающихся животноводством, включающих свиноводство, птицеводство и крупный рогатый скот; занимающих суммарно более 5 миллионов гектар сельскохозяйственных угодий. В этих хозяйствах содержится более 920 тысяч голов КРС, около 520 тысяч свиней и более 30 миллионов голов шицы.

Развитие свиноводства на промышленной основе приводит к резкому увеличению образующегося на свинокомплексах жидкого свиного навоза. Ленинградская область является одним из лидеров по производству животноводческой продукции в СЗФО; за 2014 год масса образованного свиного навоза в ней составила более 650 тыс. тонн.

В настоящее время вследствие сброса недостаточно очищенных промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных стоков, а также поступления загрязнений с рассредоточенным стоком с водосборных территорий практически повсеместно происходит загрязнение водных объектов и всей окружающей среды. Применение же навоза в свежем виде в качестве удобрения приводит к риску загрязнения окружающей среды и заражению сельскохозяйственных культур болезнетворными микробами.

Вопрос повышения эффективности переработки жидкого свиного навоза является актуальным, а существующая проблема еще недостаточно решена, поэтому нуждается в дальнейшей разработке.

В связи с этим целесообразно провести анализ современного состояния и тенденций развития технологий по переработке жвдкого навоза На основе проведенного анализа разработать математическую модель и алгоритм выбора адаптивных технологий переработки жидкого

свиного навоза в промышленных масштабах.

Для решения этих задач применены оптимизационные методы, обеспечивающие переработку навоза при минимальных затратах и максимальном сохранении питательных веществ в конкретных условиях

сельхозпроизводителя.

Цель исследования. Повышение эффективности переработки свиного навоза и повышение экологической безопасности сельскохозяйственного производства путем оптимизации

технологических процессов и формирования адаптивных технологии.

Объект исследования. Технологии и технические средства переработки свиного навоза.

Методика исследования. При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, так и частные методики исследования с обработкой данных на персональном компьютере с использованием программных пакетов STATGRAPHICS® Centurion XV, Microsoft Office Excel 2007 и AutoCad-2015.

Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:

- разработана методика автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза, для условий конкретного хозяйства;

разработана математическая модель выбора технологий переработки свиного навоза с учетом условий конкретного хозяйства и критериев обеспечения экологической безопасности;

- разработана математическая модель описания отдельных процессов технологии глубокой переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников и полученные необходимые значения коэффициентов для расчета технологических параметров;

- обоснована технологическая схема устройства биологической очистки жидкой фракции свиного навоза (патент №139469 РФ);

- разработан порядок расчета критериев выбора адаптивных технологий;

- разработан алгоритм выбора адаптивных технологий переработки свиного навоза.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований обоснована технологическая схема устройства биологической очистки жидкой фракции свиного навоза (патент №139469 РФ). Разработана программа автоматизированного выбора адаптивных технологий переработки свиного навоза с оценкой их экологической эффективности. Предложенные методы и алгоритмы диссертационной работы использованы при разработке проектных предложений по созданию сооружений по транспортировке, разделению, хранению, подготовке и использованию жидкой и твердой фракции навоза на ООО «Животноводческий комплекс «БОР».

Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований, полученными с использованием современных измерительных устройств, при достаточном количестве повторностей опытов. Опытные данные обработаны с использованием методов математической статистики.

Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено и обсуждено на научных конференциях молодых ученых в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете и

Всероссийском научно - исследовательском институте механизации

животноводства в 2013, 2014 и 2015 годы.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК. Получены 2 патента РФ на полезные модели.

Основные полояхния, выносимые на защиту:

- методика автоматизированного выбора технологии переработки свиного навоза, для условий конкретного хозяйства;

- математическая модель выбора технологий переработки свиного навоза с учетом условий конкретного хозяйства и критериев обеспечения

экологической безопасности;

- математическая модель описания отдельных процессов технологии глубокой переработки свиного навоза в аэрогенке с использованием циклических отстойников и полученные необходимые значения коэффициентов для расчета технологических параметров;

- технологическая схема устройства биологическои очистки жидкой фракции свиного навоза (патент №139469 РФ);

- порядок расчета критериев выбора адаптивных технологии;

- алгоритм выбора адаптивных технологий переработки свиного

таВ03а-; программа автоматизированного выбора адагтгивных технологий переработки свиного навоза с оценкой их экологической эффективности.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав общих выводов, списка литературы из 105 наименований и 6 приложений. Текстовая часть работы содержит 152 страницы машинного текста, 17 таблиц и 57 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ исследований, изложенных в работах Н.Г. Ковалева, Н М Марченко, В.Н. Афанасьева, В.И. Яблочкова, Ю.А. Кирова А.И. Мацнева, В.П. Коваленко, П.А. Фурсина и других ученых по разработке и формированию адагтгивных технологий переработки свиногонавоза

Рассмотрены вопросы эколог теской безопасности

животноводческих комплексов, которые свидетельствуют об особой важности решений вопросов переработки образующегося навоза. Сделан обзор методов выбора оптимальных решений в различных отраслях сельскохозяйственного производства. Для комплексной оценки сложных

технических систем применяются оптимизационные методы на основе нескольких критериев. В рассматриваемой проблеме выбраны экономический и экологический критерии.

Проведенный анализ состояния вопроса позволил, в соответствии с поставленной целью, определить и сформулировать задачи исследований:

- провести теоретические исследования технологий переработки свиного навоза;

- разработать методику автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза, для условий конкретного хозяйства;

разработать математическую модель выбора технологий переработки свиного навоза с учетом условий конкретного хозяйства и критериев обеспечения экологической безопасности;

- разработать математическую модель описания отдельных процессов технологии глубокой переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников и получить необходимые значения коэффициентов для расчета технологических параметров;

- разработать порядок расчета критериев выбора адаптивных технологий;

разработать алгоритм выбора адаптивных технологий переработки свиного навоза;

- создать программу ЭВМ формирования и оценки адаптивных технологий переработки свиного навоза;

- провести эколого-экономическую оценку выбранной адаптивной технологии на примере конкретного хозяйства.

Во второй главе «Теоретические предпосылки по формированию методики автоматизированного выбора технологий переработки свиного навоза» обоснованы методы моделирования и оптимизации технологий, описаны разрабатываемые математические модели.

Для автоматизированного выбора адаптивных технологий был разработан алгоритм, который позволяет оценивать технологии переработки свиного навоза по экономическим и экологическим критериям (рис. 1).

Схема представляет собой наглядное пособие пошагового действия при выборе адаптивных технологий. Блок «данные предприятия» включает в себя информацию о производственных факторах, ресурсах и технико-технологических характеристиках. Блок «база данных» содержит нормативно-справочный материал, данные технических средств и оборудования. Блок «ограничения» содержит данные о доступных ресурсах предприятия для реализации технологии.

ОГРАНИЧЕНИЕ ПО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЮ

' ОЦЕНКА 4 ПРИЕМЛИМОСТИ

БАЗОВЫХ . ТЕХНОЛОГИЙ .

ОЦЕНКА ПОЛУЧЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ

ДАННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ

ПОГОЛОВЬЕ ЖИВОТНЫХ

ТЕХНОЛОГИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЖИВОТНЫХ

ТЕХНОЛОГИЯ НАВОЗОУДАЛЕНИЯ

Рисунок 1

РАСЧЕТ СУТОЧНОГО ВЫХОДА СВИНОГО НАВОЗА И ЕГО ВЛАЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОБЩИХ АЗОТА И ФОСФОРА

1

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ БИОГЕНОВ ПО БАЗОВЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ - РАСЧЕТ ЭКОПОГО■ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ

БАЗА ДАННЫХ

ВЫБОР АДАПТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ОГРАНИЧЕНИЯ

ПЛОЩАДЬ ЗЕМЕЛЬНЫХ УГОДИЙ

ДОСТУПНЫЕ ДЕНЕЖНЫЕ СРЕДСТВА

Схема алгоритма выбора адаптивных технологий

УДАЛЕННОСТЬ ЗЕМЕЛЬНЫХ УГОДИЙ О г ЖИВОТНОВОДЧЕ

СКОГО КОМПЛЕКС Л

В качестве оценки технологий выбраны следующие критерии: 1 приведенные затраты на реализацию технологии

гпр=УДК+УДЭ (1)

где УДК - удельные капитальные затраты, тыс. руб./г; УДЭ удельные эксплуатационные затраты,тыс. руб./т.

2. масса сохраненных питательных веществ в полученном

органическом удобрении (общего азота и общего фосфора)

Мыр = Мц + МР = МЫ1 + МР1 - 1Р (2)

где Мм - масса сохраненного общего азота в органическом удобрении, т; МР - масса сохраненного общего фосфора в органическом удобрении' т; МЫ1 - масса общего азота в свином навозе, т; - потери общего азота на всех стадиях технологии, т; МР1 - масса общего фосфора в свином навозе, т; 1Р - потери общего фосфора на всех стадиях технологии, т.

Для многокритериальной оценки технологии выбран метод

Парето-оптимизации.

Как показал проведенный анализ, одной из перспективных технологий переработки навоза является технология его глубокой переработки, которая реализована различными технологическими

элементами. Наименее изученной является технология глубокой переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников. Для определения оптимальных режимов работы данной технологии была разработана математическая многоуровневая модель, имеющая трехступенчатую иерархическую структуру, состоящую из следующих уровней (рис. 2):

1. моделирование 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. моделирование отдельных показателей: потери по массе, потери питательных веществ (общего азота и общего фосфора).

Модель процесса глубокой переработки свиного навоза

1 Уровень. Модели технологических вариантов

Циклические отстойники

2 Уровень. Модели технологических операций

Первичная седиментация

Аэрация

Длительное выдерживание

т

Вторичная седиментац ия

и

3 Уровень. Модели отдельных явлений

Потери по массе

Потери азота и фосфора

Рисунок 2 - Схема модели глубокой переработки

Целевой функцией является максимизация эколого-экономического показателя Кээы при определенных ограничениях ti, Q, N, Р. Данный показатель учитывает одновременно как экономические, так и экологические показатели.

Кээм —> тсис -по азоту (3)

Кээ„ = fiXli.X2i.X30 =

*--(4)

Ч = С„-Се = /(Хи) (5)

__ЕтиП! Г/ Т/О * V) .Л

(6) (V)

Е _ = /СХ21,Х31)

Щрус-Ч

Где Ч - чистый доход, тыс. руб; С„ - стоимость прибавки урожая со всей площади (где использовались органические удобрения), тыс. руб.; Се - себестоимость прибавки урожая от удобрений, тыс. руб.; Кзт! - кап. затраты на сохранение питательных веществ при ]-й технологии, тыс. руб; М0РЮ - масса образовавшихся питательных веществ в год, т; I, - масса потерь питательных веществ в год при ]-и технологии, т; / - номер технологической операции; Кор - количество технологических операций в технологии; - суммарные капитальные затраты на сооружения для 1-ой технологической операции, тыс руО, /о; - суммарные капитальные затраты на оборудование для ьои технологической операции, тыс. руб.; - эксплуатационные затраты

на сохранение питательных веществ для производства требуемой

мощности тыс. руб. „

ХП- перераспределение массы на ¡-ой технологической операции,

тонны Х21- перераспределение азота на ¡-ой технологической операции, тонны! Х31 - перераспределение фосфора на 1-ой технологической операции, тонны

XI! = /(£¿,<2), <2 е [50.300] 8)

Х2; = (}), <2 6 [50,300],N е [2000,6000] (9) ХЗс = №,Р.(2), <3 е [50,300],Р 6 [500,1500] (10) Где И - время ¡-ой технологической операции при: I 1 технологическая операция первичной седиментации; ь-2 -технологическая операция аэрации с вторичной седимептациеи; 1-3 технологическая операция длительного выдерживания.

О - масса суточного выхода жидкой фракции свиного навоза, тонны N - содержание общего азота в жидкой фракции свиного навоза, мг/кг;' Р - содержание общего фосфора в жидкой фракции свиного

навоза, мг/кг т

Численные значения коэффициентов (формулы 8, У, Ш) для математической модели получены из эксперимента на лабораторной установке С целью подтверждения применимости полученных

коэффициентов для установок любой формы, было доказано, что осаждение жидкой фракции свиного навоза является свободным. При этом, уравнения движения жвдкости включают в себя только коэффициенты свойств твердых частиц и самой жвдкости, но никаким образом не зависят от геометрических параметров установки. При использовании полученных экспериментальным путем данных на лабораторной установке для проектирования промышленных установок, был выведен порадок расчета коэффициентов подобия к^ку.

Для разработки математической модели данной технологии, определена взаимосвязь между размерами первичного циклического отстойника и временем седиментации в нем свиного навоза.

Существуют несколько инженерных методик расчета первичных вертикальных отстойников, однако, все они предложены для хозяйственно-бытовых стоков или стоков предприятий химической промышленности. Одной из особенностей состава свиного навоза (в частности жидкой фракции свиного навоза) является высокое содержание питательных веществ (общего азота, нитратного азота, аммонийного азота, общего фосфора), что вызывает бурное развитие микрофлоры и связанных с этим процессов.

Общепринятая формула для вычисления радиуса первичного отстойника, а именно:

не учитывает действительных условий отстаивания: агломерацию, изменение формы и плотности частицы в процессе ее осаждения, также никаким образом не учитывает микробиологический фактор. Как указано выше, особенностью жцдкой фракции свиного навоза по сравнению с хозяйственно-бытовыми стоками является характер процессов разложения, вследствие чего изменяется дисперсный состав частиц жцдкой фракции (меняется гидравлическая крупность частиц за счет увеличения их гидратной оболочки), и образуются пузырьки газа во время процесса седиментации. Следовательно, для описания седиментации жидкой фракции свиного навоза в отстойнике в формулу (11) необходимо ввести поправочный коэффициент. В качестве такого коэффициента предложен поправочный коэффициент /?, учитывающий изменения свойств осаждающейся жидкой фракции свиного навоза от времени:

(И)

Где и0 - скорость осаждения исходной жидкой фракции свиного навоза, мм/с;

- скорость осаждения ^часовой жидкой фракции свиного навоза, мм/с;

^ - время хранения исходной жидкой фракции свиного навоза, непосредственно после сепарации до момента начала седиментации, часы.

Были выведены зависимости радиуса первичного отстойника от поправочного коэффициента (рис. 3).

Полученные данные по результатам моделирования и коэффициент, учитывающий площадь поверхности первичного отстойника входят в модель автоматизированного выбора адаптивных технологий.

от поправочного коэффициента

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» целью экспериментальных исследований являлось определение оптимальных режимов работы каждого из элементов технологии глубокой переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников (рис. 4).

Исследования проводились в ООО «Животноводческий комплекс «БОР» Ленинградской области и в лабораторных условиях (ИАЭП).

Лабораторная установка состояла из моделей первичных циклических отстойников, аэротенка, вторичного отстойника,

хранилища секционного типа. Пробы свиного навоза, твердой и жидкой фракций свиного навоза и органического удобрения отбирались на ООО «Животноводческий комплекс «БОР», в которых определялись влажность и содержание общего азота и фосфора. Жидкая фракция использовалась для проведения процесса на лабораторной установке^ Процесс аэрации проводился в следующих условиях: расход воздуха - 30

Во время эксперимента осуществлялся сбор исходных данных и фиксировались результаты по следующим показателям: длительность технологической операции t (сутки), содержание общего азота N (мг/кг), содержание общего фосфора Р (мг/кг), масса перерабатываемого навоза

m (тонны).

Дополнительно проводились исследования по седиментации свиного навоза с целью определения поправочного коэффициента ß.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и разработка математических моделей» представлены результаты исследований функционирования каждого из элементов технологии и описаны разработанные математические модели.

Для полученных в ходе исследований результатов произведена статистическая обработка общепринятыми методами математической статистики Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью программных пакетов STATGRAPHICS Centurion XV и Microsoft Office Excel 2007.

В ходе исследований были получены математические зависимости распределения массы вещества, массы общего азота и общего фосфора от длительности технологической операции. В качестве примера представлены зависимости для технологической операции первичной седиментации (рис. 5, 6). Исследования проводились в трехкратной повторности.

На основе полученных экспериментальным путем зависимостей, была разработана математическая модель.

X. сутки

Рисунок 5 - Процент массы осадка У к массе жидкой фракции в зависимости от времени X У = 52,14- 10,75*1пХ

0 2 4 6

X сутки

Рисунок 6 - Процент массы общего азота в осадке У в зависимости от

времени X У=50,87+11,67 * 1пХ

= 100' (52Д4 ~ Ю.75- 1п С1)

Х2г=^- 1СГ6 ■ (50,87 + 11,67 • 1п С1) •

ХЗг = 1(Г6- (59,9 + 14,1 ■ 1п П) 1 100

XI, = М1

м 1

Х2? =

(102,5 -39,5- -Ш2) 100 у

Х33 = ^-(7,5+ 1,6 • 1п (22)2

( „„ M1-X12

Xl3 =Xlx +— • X23=X2x + X-f~LS (14)

X33 = X3x + — -L6 v 3 1 2

Где: L - потери массы на этапе технологической операции, т; М -масса навоза на этапе технологической операции, т.

С помощью модели были оптимизированы режимы работы технологических процессов: время первичной седиментации tl — 7 суток; время аэрации t21- 7 суток; время вторичной седиментации t22 - 4 часа. При данных режимах обеспечивается получение твердого органического удобрения (40% от массы исходного свиного навоза) и очищенная жидкость для спуска на поля фильтрации с характеристиками: ЫобшИОООмг/кг, Робщ=13мг/кг.

Были проведены эксперименты по определению поправочного коэффициента в зависимости от времени хранения жидкой фракции свиного навоза перед первичной седиментацией (рис. 7).

О J-—-

123456789 10 11

Время хранения, сутки

Рисунок 7 - Зависимость значения коэффициента от времени хранения жидкой фракции свиного навоза

Зная точное время хранения жидкой фракции свиного навоза, по графику (рис. 7) определяется значение коэффициента, после чего по графику (рис. 2) определяются пределы значений радиуса первичного отстойника.

С учетом проведенных теоретических и экспериментальных исследований, была разработана программа автоматизированного выбора адаптивных технологий с учетом условий сельхозпроизводителя (рис. 8). Анализ результатов показал, что точность выбора технологии составила 90%.

: е.

щрр 11

Выберите спгиилли ыиию свнноволч«кого проирня I ия

Зоагкшш* о«!--: » Опори

Выберите систем?" удаления иавом

Гклхол.-» Сжиоепда»: •

. ^-мвкт-.- 'Угктаиааиа»ом «да-» . г.^-валйл С*«*«»в» аомямян*

'наФччвЦ. * П|У«хяпвмпб «а»

Рисунок 8 - Интерфейс программы выбора адаптивных технологий

В пятой главе «Эколого-экономическая эффективность» произведен расчет эколого-экономической эффективности предлагаемой технологии переработки жидкого свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительные экономические показатели (за год)

Показатель Базовая Новая

технология технология

Капитальные затраты, тыс. руб. 198195 210240

Удельные капитальные затраты, тыс. руб./т 3.63 3.84

Затраты труда, ч-час/т 6 1,8

Затраты на электроэнергию, руб/т 10 96

Затраты на топливо, тыс. рубУт 0,11 0.08

Эксплуатационные затраты, тыс. руб. 26828 14783

Удельные эксплуатационные затраты, тыс. руб./т 0.49 0.27

Экологический эффект от повышения 970 1030

плодородия земли, руб/т

Приведенные затраты, тыс. руб./т 4,12 4.11

Экологический показатель, т 278.9 336.4

Базовая технология — переработка свиного навоза методом длительного выдерживания с последующим внесением жидкого

органического удобрения на поля (дальность транспортировки - до 50 км). Новая технология - переработка жидкого свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников.

Как следует из приведенных в таблице данных, новая технология обладает рядом преимуществ по отношению к используемой (базовой). Эксплуатационные затраты на производство 1 т органического удобрения сокращаются в 1,8 раз, затраты труда в 3,3 раза, затраты на топливо - в 1,4 раза. Новая технология имеет более высокии экологический показатель по отношению к базовой технологии за счет уменьшения потерь питательных веществ в 1,2 раза. Несмотря на более высокие затраты электроэнергии в новой технологии, она обеспечивает существенный экологический эффект за счет высокого сохранения питательных веществ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Согласно стратегии развития сельскохозяйственного комплекса до 2030 года, планируется увеличение производства свинины на 30%. Такое увеличение объема производства приведет к образованию на одном свинокомплексе от 200 т/сутки жидкого навоза, который необходимо перерабатывать и вовлекать в замкнутый цикл сельскохозяйственного производства, чтобы обеспечить экологическую безопасность.

2. Анализ промышленного свиноводства показал, что оно часто не связано с растениеводческими предприятиями, на поля которых можно вносить полученное жидкое органическое удобрение. В связи с этим, актуальным направлением утилизации свиного навоза является его глубокая переработка. При использовании таких технологий образуется твердое концентрированное органическое удобрение (40-50% от массы исходного навоза) и очищенная жидкость (50-60% от массы исходного навоза), пригодная для спуска на поля фильтрации.

3. Система глубокой переработки свиного навоза описана трехуровневой математической моделью. Нижний уровень - модель отдельных явлений (потери по массе и потери общего азота и фосфора), средний уровень - модель технологических операций (первичная седиментация, аэрация, вторичная седиментация, длительное выдерживание), верхний уровень - модель технологических вариантов (циклические отстойники). Формирование зависимостей выполняется последовательно от более низкого уровня к более высокому. Целевой функцией выбран эколого-экономический показатель по общему азоту Кээм, представляющий собой отношение чистого дохода Ч от продажи

прибавки урожая к затратам на сохранение питательных веществ в органическом удобрении.

4. Разработана программа и методика исследований технологии глубокой переработки свиного навоза и получены показатели, необходимые для расчетов. Основными из них являются оптимальные режимы работы технологических процессов: время первичной седиментации tl — 7 суток; время аэрации t21— 7 суток; время вторичной седиментации t22 - 4 часа. При данных режимах обеспечивается получение твердого органического удобрения (40% от массы исходного свиного навоза) и очищенная жидкость для спуска на поля фильтрации с характеристиками: Noo щ= 1000м г/кг, Робщ=13мг/кг. Полученные в результате исследований математические зависимости могут быть использованы для отстойников любой формы, так как процесс седиментации в отстойнике характеризуется свободным осаждением. Для возможности использования математических зависимостей, полученных на лабораторной установке, для расчета промышленной установки переработки свиного навоза, был определен порядок расчета коэффициентов подобия.

5. Разработан порядок расчета критериев для выбора адаптивных технологий переработки свиного навоза. В качестве критериев выбраны экономический (приведенные затраты Znp) и экологический (масса сохраненных питательных веществ MNP) показатели. Для оценки и принятия решения по выбранным двум критериям использован метод Парето-оптим изации.

6. На основе теоретических и экспериментальных данных разработана математическая модель формирования адаптивных технологий, а на ее основе — алгоритм. Алгоритм выбора адаптивных технологий реализован с помощью WEB-программирования на языке PHP и СУБД MySQL. Анализ результатов показал, что точность выбора технологии составила 90%.

7. На примере ООО «Животноводческий комплекс «Бор» Ленинградской области, программой выбрана адаптивная технология переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников, позволившая по сравнению с используемой технологией сократить затраты труда в 3,3 раза, затраты на топливо - в 1,4 раза и УДЭ в 1,8 раз. При этом расчетный эколого-экономический эффект от внедрения технологии составит 5936 тысяч рублей в год.

Перспективы дальнейшей разработки темы на основе предложенного

метода и разработанного алгоритма целесообразно разработать модель

выбора адаптивных технологий переработки навоза КРС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1. Шалавина Е.В., Субботин И. А., Васильев Э.В. Исследование седиментации свиного навоза, его жидкой фракции и навозосодержащих стоков // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2014. № 1(25). С. 152-156.

2. Волков А.Н., Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В. Определение размеров первичного вертикального отстойника жидкой фракции свиного навоза//Техника в сельском хозяйстве. 2014. №3. С.31-32.

3. Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Алгоритм принятия решений при выборе машинных технологий биоконверсии отходов животноводства // Вестник АПК Ставрополья. 2015. №1 (17). С. 366-370.

4. Максимов Д.А., Брюханов А.Ю., Субботин И.А., Васильев Э.В., Шалавина Е.В., Козлова Н.П. Методика принятия решения об экологически безопасном размещении сельхозпредприятия // Техника

в сельском хозяйстве. 2014. №5. С. 24-26.

5. Васильев Э.В., Шалавина Е.В., Оглуздин А. С. Повышение эколого-экономической эффективности процесса использования жидкого органического удобрения в условиях северо-западного региона // Теоретический и научно-практический журнал «Кишоварз» (Земледелец).- 2014. Т. 1. С. 31-33.

6. Шалавина Е.В., Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Субботин И.А. Устройство биологической очистки жидкой фракции свиного навоза и навозосодержащих стоков//патент России№139469. 06.11.2013.

7. Устройство для утилизации газов, образующихся в биореакторах переработки органических отходов / Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Козлова Н.П., Максимов Н.В., Шалавина Е.В. / Патент на полезную модель №145378. Дата приоритета: 11.03.2014

8. Афанасьев В.Н., Шалавина Е.В. Технологические и технические решения проблемы переработки навоза свиноводческих комплексов// Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства.-2013. №4(12). С.146-153.

9. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В. Методический подход к выбору и проектированию отстойников жидкой фракции свиного навоза // Инновации в сельском хозяйстве. 2013. № 2 (4). С. 17-21.

10. Брюханов АЛО., Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Методика укрупненной оценки суточного и годового выхода навоза/помета // Молочнохозяйственный вестник. 2014. № 1 (13). С. 78-85.

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

12.Брюханов А.Ю., Максимов Д.А., Васильев Э.В., Шалавина Е.В., Субботин И.А, Козлова Н.П. и др. Рекомендации по обоснованию экологически безопасного размещения и функционирования животноводческих и птицеводческих предприятий // Промышленная полигика в РФ. 2014. - №7-9. - С. 32-38.

13. Шалавина Е.В. Повышение энергоэффективности глубокой переработки жидкого свиного навоза // Труды международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. 2014. Т. 3. С. 247-251.

14.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 развотия сельского хозяйства», посвященная 20 - летию Конституции Республики Таджикистан. Душанбе. 2014. С.289-294.

15. Шалавина Е.В. Выбор наилучшей доступной технологии переработки жидкой фракции свиного навоза // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №3 (8). С. 179-183.

16. Васильев Э.В., Шалавина Е.В. Порядок выбора машинных технологий биоконверсии отходов животноводства на примере птицефабрики // Проблемы механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства: сб. науч. тр. по материалам заочн. Межд. научно-практич. конф. (15 декабря 2014) ФБГНУ ВНИМС. Рязань, 2014. С. 212-219.

17.Шалавина Е.В. Брюханов АЛО. Математическая модель технологии глубокой переработки жидкой фракции свиного навоза // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. №86. С. 103-112

18.Брюханов АЛО., Шалавина Е.В. Анализ образования и накопления животноводческих отходов в Ленинградской области ^ // Экологические проблемы использования органических удобрений в земледелии - Сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Владимир. ФГБНУ ВНИИОУ, 8-10 июля. 2015. С.310-317.

Подписано в печать 15.09.2015 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Тираж 100 экз. Заказ №183 Отпечатано на ризографе в типографии ИАЭП 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, 3