автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты

На правах рукописи

Панов Максим Владимирович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОСТА С УТИЛИЗАЦИЕЙ ИЗБЫТОЧНОЙ ТЕПЛОТЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

005008862

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОЕВ £

Москва-2012

005008862

Работа выполнена в. Федеральном государственном бюджетное образовательном учреждении высшего профессионального образованш «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПС БГСХА)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лумисте Елена Геннадьевна .

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мирзоянц Юрий Ашотович кандидат технических наук, доцент Панов Андрей Иванович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»

Защита состоится «27» февраля 2012 в 1300 на заседанш диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГОУ ВПО МГАУ по адресу 127550, г. Москва, Лиственничная аллея, дом 16а, корп.З, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ. Автореферат разослан «23» января 2012 и размещен на сайте ФГБОУ ВПО МГА (www.msau.ru) «23» января 2012 и на сайте Высшей аттестационной комисси (http://vak.ed.gov.ru/)

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

А.Г. Левшин

Актуальность темы. В последнее десятилетие вновь возрос интерес к компостам как к доступному по стоимости органическому удобрению. Это имеет особую значимость для крестьянских (фермерских) хозяйств, садоводческих обществ и личных подсобных хозяйств (частных подворий). Компостирование решает и такую важную экологическую задачу, как утилизация растительных ■ материалов, оставшихся после скармливания животным, обкашивания территории хозяйств от сорных растений и прополки полеводческих участков, а также пожнивных остатков, обрези плодовых, декоративных деревьев и кустарников, опавшей листвы и пр. Для снижения трудоемкости компостирования и риска профессиональных заболеваний, вызванных патогенной микрофлорой, необходимо максимально механизировать все процессы в соответствии с технологией высокого уровня - перемешивание сырья, аэрацию, увлажнение и выгрузку готового компоста, что позволит минимизировать контакт человека с растительными материалами при их ферментативном разложении.

В связи с этим разработка установки для компостирования растительных материалов, сочетающей в себе надежность, малую металлоемкость, простоту монтажа, демонтажа, эксплуатации и относительно низкую стоимость, является актуальной.

Цель работы. Разработка и обоснование параметров установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты.

Объект исследования. Технологический процесс компостирования, экспериментальная установка для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты, выделяющейся при разложении растительных материалов.

Методы исследования. В работе использовались следующие методы: анкетного опроса экспертов; проектно-конструкторские; физические; вероятностно-статистические; аналого-цифровые; математического и биохимического анализа; приборного контроля.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса компостирования. Получены критериальное уравнение для нахождения числа патогенных микроорганизмов на термофильной стадии приготовления компоста, уравнение температуры поверхности укрывного материала и функциональные зависимости для определения режимных параметров установки с учетом ее конструктивных особенностей.

Практическая ценность работы. Разработаны принципиально новые устройства, защищенные патентами на полезные модели: контейнер для растительных материалов и приточно-вытяжная установка для полу-

чения органического удобрения с утилизацией избыточной теплоты (патенты № 99864, № 102174, № 107893, № 107894, № 111966, № 111967).

Результаты исследования компостирования растительных материалов в механизированной установке мо1уг служить основанием для получения качественного органического удобрения в более короткие сроки (до 3 месяцев) по сравнению с немеханизированными приемами, а также снижения риска профессиональных заболеваний у работников растениеводства, контактирующих с компостом в процессе его приготовления-.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) Теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы получения компоста.

2) Математическая модель процесса получения компоста и результаты экспериментальных исследований.

.^. 3) Результаты анализа физико-химических и технологических свойств компостируемого материала, характеристики процесса и качественные показатели компоста.

4) Конструктивно-режимные параметры установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты, её техникоэкономическая оценка.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная технология компостирования с использованием механизированной установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты внедрена в ТНВ «Возрождение» Рогнеденского района Брянской области и КФХ «Ягодное» Выгоничского района Брянской области.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях:

1) Научно-практическая конференция «Проблемы энергетики, природопользования, экологии», 2011, г. Брянск, Брянская ГСХА.

2) Международный молодежный форум «Инновации 2010. Современ-

ное состояние и перспективы развития инновационной экономики», 2011, Брянский ГТУ, г. Брянск. ........

3) Межвузовская научно-техническая конференция «Конструирование, использование и надёжность машин сельскохозяйственного назначения», 2009-2011 г.г., г. Брянск, Брянская ГСХА.

......4) Международная научно-практическая конференция «Социальноэкономический потенциал сельских территорий: приоритетные направления формирования и реализации», 2011, г. Орёл, ОрёлГАУ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях, указанных в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Минобразования и науки РФ», по результатам исследований получено шесть патентов на полезную

модель (№ 99864, № 102174, № 107893, № 107894, № 111966, № 111967), опубликованных в бюллетенях «Изобретения, полезные модели» № 33 от 27.11.2010,№5 от20.02.2011,№25 от 10.09.2011 и № 1 от 10.01.2012.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 159 наименований и 11 приложений. Основной текст изложен на 177 страницах и включает 90 рисунков, 14 таблиц.

............ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается значимость компостов для получения хорошего урожая, отмечается высокая трудоемкость немеханизированных приемов компостирования и наличие патогенных микроорганизмов, способных вызывать аллергические реакции, грибковые и другие заболевания у персонала, занятого в производстве компостов; обосновывается актуальность работы, формулируется цель и основные задачи работы.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» проанализированы основные научные направления по компостированию растительных материалов. Особо выделяется направление, связанное с учетом рисков, которые могут иметь место при компостировании, сформулированное в работах Марфениной O.E., Шаланды А.В., Иванова А.Е., Покровской С.Ф. и др.

На основании анализа результатов исследований Гаевского Э.М., Маслова B.C., Мамченко И.П., Ковалёва Н.Г., Кукты Г.М., Макарова Ю.И., Мурусидзе Д.Н., Кобы В.Г., Брагинца Н.В., Некрашевича В.Ф., Мельникова С.В., а также классификации устройств, ускоряющих процесс приготовления компоста и повышающих его качество, выявлено перспективное направление в разработке и создании механизированной малогабаритной установки для компостирования растительных материалов. Изучены возможности и варианты утилизации избыточной теплоты, выделяющейся при разложении растительных материалов.

Исходя из цели работы, анализа состояния вопроса и патентного поиска, поставлены следующие задачи исследований: разработать перспективную схему малогабаритной установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты; провести теоретический анализ процесса компостирования и его влияния на организм человека, обосновать конструктивно-режимные параметры установки; в лабораторных условиях определить свойства растительного сырья, оптимальные условия протекания процесса компостирования и качество компоста; экспериментальным путем проверить достоверность теоретических исследова-

ний, оценить работоспособность механизированной установки и экономически обосновать ее использование в производственных условиях.

Во второй главе «Теоретическое обоснование конструктивнотехнологической схемы устройства для приготовления компоста с битер-ным ворошителем» дано обоснование и описание схемы установки для приготовления компоста, выведены зависимости распределения температуры в растительной массе на термофильной стадии компостирования, на поверхности укрывного материала и критериальное уравнение для определения числа микроорганизмов на термофильной стадии приготовления компоста; разработана математическая модель процесса компостирования и получено выражение для определения конечной массы компоста; теоретически обоснованы конструктивно-режимные параметры установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты.

Выявлено, что термофильная фаза компостирования является ведущей и обеспечивает активизацию жизнедеятельности микроорганизмов, многие из которых являются опасными для человека. Число патогенных микроорганизмов N (1/кг) в конце термофильной фазы зависит от следующих факторов: температуры компостной массы tK (°С); температуры воздуха /в (°С); водородного показателя (кислотности) pH; влажности <р (%); числа патогенов в начале термофильной фазы N0 (1/кг). На основании этого выведено критериальное уравнение для определения числа микроорганизмов в конце термофильной фазы с учетом поправочных коэффициентов

N = Rn N0^----------------------------j--------Г, (1)

А-[т + - (exp [-гг] - -) + 40] г г

.....где Rn — поправочный коэффициент, вводимый при планировании

эксперимента; y/i, щ Уз - коэффициенты, получаемые в результате эксперимента.

Для построения математической модели процесса компостирования использовали теорию подобия. На первом этапе произвели выбор факторов, влияющих на процесс приготовления компоста: кислотность (pH); температура слоя (/, К); влажность (р,%); масса закладываемого растительного сырья (пг0, кг); масса получаемого компоста (/и, кг); температура воздуха внутри компостного бурта (tm, К); температура наружного воздуха (tHe, К); время протекания процесса (т, с); скорость реакции (vP, 1/с); плотность сухой компостной массы (рсух, кг/м3); плотность влажной компостной массы (рвл, кг/м3).

На втором этапе составили критериальное уравнение (2) для определения конечной массы компоста, которое и представляет собой мате-

матическую модель процесса компостирования

т = та ■ {pH ■ (р)а1

Л

“з

V

( „ Л «5 ( п \

. г сух

\}ев у ^ Рвл /

Анализ технологий компостирования показал, что для приготовления качественного компоста необходимы периодическая аэрация, увлажнение и перемешивание растительного сырья. Рабочий процесс перемешивания компонентов при компостировании растительных материалов происходит в сложных условиях: масса неоднородна по составу (размеры частиц, плотность составляющих компостируемой массы), сопротивление частиц отрыву неодинаково. Выявленные требования легли в основу разработки конструктивно-технологической схемы установки для приготовления компоста с перемешивающим устройством - ворошителем. Выбранный нами на основе проведенного анализа ворошитель следует отнести к ротационным, рабочий орган которых - битер (рис. 1). Установка для приготовления компоста представляет собой контейнер из перфорированных металлических листов, в боковых стенках которого закреплен горизонтальный вал с ворошителем битерного типа. Чтобы максимально сократить поверхностную зону компоста, которая подвержена перепадам температуры, и повысить качество получаемого компоста, рекомендуется использовать утепленную емкость (приямок), в которую помещается контейнер с органическим материалом. Сверху ёмкость накрывается черной полиэтиленовой плёнкой (рис. 2).

[!т 1шт

1 - палец ворошителя, 2 - вал ворошителя,

3 - растительная масса

I - слой полиэтиленовой пленки,

2 - слой льда; 3 - слой снега,

4 - контейнер с компостом,

5 - утеплитель

Рисунок 1 - Конструктивные Рисунок 2 - Схема к определению тем-параметры установки пературы укрывного материала

Для определения влияния погодных условий на процесс компостирования рассмотрен вариант функционирования предлагаемого устройства для зимнего периода. Так как на поверхности пленки в зимнее время под слоем снега будет образовываться слой льда, уравнение теоретически полученной температуры поверхности пленки на компостном бурте в окончательном виде имеет вид

1 ПС1.°9 Ас-2) . h

■ tл = t2----------------------------------------- -(t, ~t2),(3)

.............. 3 2 2,23(1 + 0,0037-0(1-0,0063-О-/гс

где t - температура наружного воздуха, °С; t] - температура поверхности снега, °С; - температура границы снег-лед, °С; t} - темпера-

тура поверхности пленки, °С; h - высота снежно-ледяного покрова, м; h = hc + Ил (рис. 2).

Снег удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к теп-лоизоляторам (стационарное температурное поле внутри изолятора, приводящее к граничной температуре t3 = const; низкая теплопроводность за счет наличия воздуха; стойкость к ветровым нагрузкам), поэтому процесс приготовления компоста в устройстве в зимнее время года можно считать независящим от внешних климатических условий.

На процесс перемешивания битерным рабочим органом (ворошителем) существенное влияние будут оказывать параметры битера - количество пальцев, длина, диаметр, частота вращения вала ворошителя, диаметр битера.

Длина пальца ворошителя 1пал (рис.1), определяется по выражению 188-107yg[l + 0,0337-fc+0,000221-Г* f_______________________, (4)

•0 + 4,5 <ртв4)2

я3 (-0,0889 Re3+7,6667 Re2) • р]

Рср Рв

где /? - коэффициент, зависящий от уровня заполнения контейнера растительным материалом, Вт-с; tc - температура растительного сырья, °С; рср - плотность сухой растительной массы, кг/м3; рв - плотность воды, кг/м3; у/ - влагосодержание, доли единиц; <ртд,ф - дисперсность твердой фазы, %; Re - число Рейнольдса.

Диаметр пальца ворошителя dncm будет равен

d=

19. f ,п.1 . (О .2 ' Я ' Поб ' Кач о N

Уст г *пал V раб.псп ~ бок.пал *

3-g

пал .

Pna*-K-no6

(5)

где/„ - коэффициент сопротивления движению пальца ворошителя, Н; р - средняя плотность растительного материала, кг/м3; 1пал - длина пальца, м; 5раб,„ач - площадь рабочей поверхности пальца, м2; 86ок.па, -

площадь боковой поверхности пальца, м ; рпса ~ плотность материала пальца, кг/м3; поб - число оборотов вала ворошителя, об/мин.

Шаг пальцев ворошителя 1итш является функцией четырех переменных - частоты вращения поб, высоты заполнения контейнера растительным материалом Н3, длины пальца 1„а1 и дисперсности твердой фазы

Фтв.ф

1344 -n2jj

/.,..=-

,(1 + 4,5 ^т8.0)-иоб-а-Я3-/п2а,

ß

(6)

где Р - коэффициент, зависящий от уровня заполнения контейнера растительным материалом, Вт-с; а - сторона контейнера, м; ?;сист - коэффициент вязкости системы, Па-с.

Производительность установки по готовой продукции определяется массой получаемого компоста (2) в зависимости от основных факторов компостирования. Производительность установки по перемешиванию определяется с учетом «мертвых зон», т.е. не захватываемых пальцем ворошителя участков (рис. 1) ...

^пая

Л«3 \р„^+хлк+х))х(к+

М = 2п leaivep

2

+А \pH0+zAh+l„a,+x))xdx

(7)

где pi - коэффициент, учитывающий «мертвые зоны»; pi = 0,92....0,98; а3 - коэффициент заполнения контейнера растительным материалом; а3 = 1, если материал заполнен до уровня вала, а3 = 1...2, если высота слоя растительного материала выше уровня вала; а - сторона контейнера, м; х - расстояние от оси вала до растительного материала, м; b -минимальное расстояние от оси вала до компостируемого материала, если материал заполнен ниже оси вала, м; b = 0, если поверхность материала расположена выше оси вала; р„ - насыпная плотность компостируемой массы, зависящая от фазы компостирования, кг/м3; Хк - коэффициент насыпной плотности, зависящий влажности компостной массы, м'1; %к =

0,05...0,1 м'1; Р2 - коэффициент сцепления, имеющий вероятностный смысл и зависящий от физико-механических свойств компостного материала; Дг=0,5...0,8; 1пт - оптимальная длина пальца ворошителя, м; 1вац -длина вала ворошителя, ограниченная стенками контейнера, м; vep - цикличность смены компостной массы (фиксированного объема) в процессе ворошения с'1; vep = 4-п, где п - число оборотов вала ворошителя, с'1.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» описаны лабораторная и экспериментальная установки (рис.

3), приведены общая программа и частные методики исследований, подобраны приборы и оборудование. Программой предусматривались лабораторные, лабораторно-полевые и производственные исследования.

вид А

8 - труба аэрации, 9 - перфорированные трубы,

10 - труба увлажнения, 11 - форсунки

Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки для приготовления компоста

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с поставленными задачами. На первом этапе для выявления значимых факторов компостирования применяли опрос экспертов с последующей обработкой анкет и построением априорной диаграммы. Оценка согласованности мнений специалистов проводилась по коэффициенту конкорда-ции, значимость которого устанавливалась с помощью критерия Пирсона.

На втором этапе для определения влияния технологических приемов (ворошение, аэрация, увлажнение) на процесс компостирования были проведены лабораторные опыты с использованием различного растительного материала при его закладке в маломерные емкости (10 л) и полевые опыты с использованием компостера простейшего типа без механизации операций.

В ходе исследований применялись следующие приборы: цифровой термометр Ш1-Т 325, цифровой многоканальный самописец «РкэЬ-11есогс1ег-2-1 бКТС-ББ», цифровой термоанемометр ТКА-ПКМ/50, рН-метр-милливольтметр pH-150 МА, цифровой микроскоп Л-ОРТЮБ

DIGITAL, тахометр электронный ТЭ-Д.

На третьем этапе с помощью механизированной экспериментальной установки проверили достоверность теоретических исследований, математическую модель компостирования и конструктивно-режимные параметры компостария. Для построения математической модели использовали теоремы подобия и методы математической статистики (выборочного, регрессионного анализа). Скорость реакции определяли по содержанию кислорода в пробах воды до увлажнения и доли кислорода во влаге растительной массы после увлажнения. Количество кислорода во влаге растительного материала определяли по методу Винклера. Адекватность построенной математической модели процесса компостирования в виде системы уравнений регрессии проверяли по критерию Фишера-Снедекора (f - критерию).

Смешивающую способность ворошителя оценивали выявлением «мертвых зон» по высоте слоя под пальцем и между пальцами при различных длинах, диаметрах пальца и числе оборотов вала ворошителя. Равномерность перемешивания в экспериментальной установке исследовали на окрашенных в пять различных цветов древесных частицах с последующим вычислением коэффициента вариации, принимая каждый цвет контрольным поочередно. ,

Для выбора удерживающей пружины створок днища установки использовали программу KoMnac-3D, приложение Компас-SPRING. Для определения снеговых и ветровых нагрузок на установку применяли компьютерную программу NormCAD.

Изгибающий момент, действующий на вал двигателя, определяли, используя методику электротензометрирования.

Качественные показатели компоста оценивали по методике биотестирования с высевом семян редиса. Для отбора проб использовали метод квартования.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» методом априорного отсеивания определены доминирующие факторы, влияющие на процесс компостирования, и конструктивнорежимные параметры установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты.

..... Лабораторными исследованиями были уточнены физикомеханические, химические и технологические свойства растительной массы и установлено их влияние на процесс компостирования. В опытах использовали листовой опад, скошенную газонную траву и сорные растения, обрезь плодовых деревьев и кустарников с размерами частиц от 10 до 50 мм. Экспериментально установлено влияние регулярного перемешивания (ворошения) компостируемого материала на равномерный про-

грев и доступ кислорода к сырью. При ворошении один раз в 6 суток высокая температура (выше 50°С) поддерживалась на протяжении 10 недель, что ускоряет процесс разложения растительного материала.

На основании результатов априорного отсеивания факторов, влияющих на однородность перемешивания, в качестве значимых рассматривались: частота оборотов вала ворошителя, длина, диаметр и шаг пальцев, длина частиц обрези. Высокая степень согласованности мнений экспертов подтверждена коэффициентом конкордации ^-0,43).

При оценке смешивающей способности ворошителя выявлено, что наименьший размер «мертвых зон» для различных длин пальцев образуется при 16 об/мин вала ворошителя и диаметрах пальца от 20 до 25 мм. Определены экспериментальные зависимости размера «мертвой зоны» от параметров ворошителя при оптимальных оборотах вала ворошителя (рис. 4).

50

-10

190 200 210 220 230 2*0

длина пальца, мм

а

t

!

Сз

1

«Ci

Рисунок 4 - Зависимость высоты слоя под пальцем (а) и между пальцами (б) от длины пальца ворошителя

Определена вероятность захвата растительного материала пальцем экспериментального (0,5x0,5x0,5) ворошителя у, она равна 0,9. Найден доверительный интервал для шага пальцев: 119 < /Ш№и < 123, при этом оптимальный шаг пальцев составляет 1шпал = 121 мм. Найден доверительный интервал для длины пальца, он равен 210</па1<220, при этом среднее значение длины пальца из интервала равно 215 мм. Получено экспериментальное уравнение для определения диаметра пальцев в зависимости от их шага dna-r 0,86-/ИШ) - 83,97, на основании которого оптимальный

диаметр пальца составляет 20 мм. ^

Исследование влияния материала покрытий пальцев ворошителя показало, что достижение требуемой однородности смеси за более короткое время происходит при насадках из рифленой резины, что является основанием рекомендовать их использование для сокращения времени перемешивания и экономии электроэнергии. Установлено, что наиболее однородное перемешивание в контейнере с ворошителем достигается вдвое быстрее, чем при ручной перебивке компоста (рис.5).

бремя перемешивания, мин —синий —зеленый —коричневый -в— оранжеВый

а

^ 100' «А

^ о? 80 -С ¿п

^ сз Ьи § ^ ьо-$ 0| | § 20- ^ п-

с: 0 Л

¿7 5" 10 15 20... 25

Время перемешивания, мин................

коричнебый зеленый синий -®- орпнжЕдый

б

а - механическое перемешивание, б - ручное перемешивание

Рисунок 5 - Зависимость степени однородности перемешивания от вида перемешивания и времени перемешивания

Динамика изменения параметров, характеризующих процесс компостирования в устройстве с ворошителем, представлена на графиках (рис. 6, 7).

бремя, суп7

Рисунок 6 — Зависимость изменения кислотности от длительности компостирования

-температура среанего слоя компостной массы

- 6/шхноеть

-температура наружного боздуха

- температура баз ¡уха Внутри 5урта

Бремя, суш

Рисунок 7 - Влажностно-температурные характеристики компостирования

Анализируя рисунки 6 и 7, можно сделать вывод, что кислотность на 55-е сутки компостирования в установке достигает значения 7,6 - это означает, что среда становится нейтральной и соответствует готовому компосту, максимальный разогрев массы (при влажности 62%) наблюдается уже на 20-е сутки от начала компостирования, т. е. быстрее, чем при

полевом опыте с ручной перебивкой компоста при тех же температурах окружающей среды.

В соответствии с экспериментальными данными была составлена математическая модель для определения массы компоста на трех основных фазах компостирования - мезофильной тМф, термофильной тТф и фазе созревания тфс.

тмФ ~ 1 т0мф (pH -(р)

ч-0,02

-273]

1С+273; при. ..72 ч(3 сут) < г < 168 ч( 7 сут)

У+273>] 0,74 /■

и+27э] Ч

Рсух

Рвя

0,16

ПТф '

= 0,3 т„ф(рН-<р)“°'33(г,-и)-

0,02 # (/°+ 273^1 -0,51 [Ч/

[С + 273^ 1 А. у

-0,38

,(8)

при... 192ч(8 сут) < г < 720 ч(30 сут)

тФс - 0>71 т0фс(рН-(р)

-0,07

чС+273.

-0,7

г +273 /1 + 273

при... 744ч(31 су/я) < г < 2160 ч(90 сут) где томф, тотф, тофс - массы растительного сырья на начальном этапе фаз компостирования.

Начальная фаза компостирования (лаг-фаза) ввиду практически не-изменяющихся параметров температуры, влажности, плотности и кислотности нами не учитывалась. Данная математическая модель позволяет определять качество компоста, так как имеет временной интервал фаз компостирования. Адекватность модели подтверждена критерием Фише-ра-Снедекора - для каждого уравнения регрессии данной модели справедливо неравенство {< £ф(а; си; аг).

На основании теоретических и экспериментальных данных были построены зависимости мощности и производительности установки от уровня заполнения контейнера и частоты вращения вала ворошителя (рис. 8, 9).

.....Расхождение теоретических и экспериментальных данных составляет не более 9 %. Аппроксимация значений производительности дает линейную функцию, как в теории, так и в эксперименте. Оптимальное значение энергоемкости по перемешиванию равно 1030 Вт с/кг для теоретических значений и 1070 Вт с/кг для экспериментальных при частоте вращения вала ворошителя 16 об/мин.

§

5Т

I

О; Е|

§ Чз & о?

.э ^

^ а; «са 5

§ I *»■ §. Г

уроОень заполнения контейнера, %

—♦— теоретические значения -*— экспериментальные значения Рисунок 8 - Зависимость мощности, развиваемой пальцем ворошителя, от уровня заполнения контейнера

число оборотоб Нала борошителя об/мин

теоретические значения для производственной установки -»-экспериментальные значения для производственной установки

Рисунок 9 - Зависимость производительности установки от частоты вращения вала ворошителя ........................

В ходе экспериментальных исследований в соответствии с методикой были оценены свойства образцов компоста, полученного в лабораторных и полевых компостерах, а также в установке для компостирования (компостарии). У компоста, полученного в компостарии, угол естественного откоса составлял 35 град., что характеризует его сыпучесть и

способность свободно просыпаться через отверстия, не образуя свода. Насыпная плотность составила 205 кг/м3, что соответствует плотности высококачественного компоста из листового опада. Компост, полученный в экспериментальной установке с ворошителем, имел максимальный размер частиц 8 мм, что отвечает требованиям, предъявляемым к размерным характеристикам готового компоста.

При биотестировании образцов компоста рост растений редиса и окрашивание листочков отслеживалось на протяжении семи дней, после чего исследовалась корневая система. В пробах компоста, приготовленного без перемешивания и аэрации, всходы появились позже, растения развивались медленнее, а выращенные на компосте, приготовленном в установке с ворошителем, имели более насыщенный зеленый цвет листочков и более развитую корневую систему по сравнению с контрольными образцами. Химический анализ компоста, выполненный в Центральной учебно-научной испытательной лаборатории Брянской государственной сельскохозяйственной академии, подтвердил его качество.

В пятой главе «Производственные испытания. Отработка технологии. Внедрение. Экономическая эффективность» приведены результаты производственных испытаний установки для приготовления компоста из растительных материалов, описаны технологии получения компоста с утилизацией избыточной теплоты, образующейся при разложении растительного сырья, при полной или частичной механизации операций.

Подобрано вспомогательное оборудование и определены размерные характеристики производственного образца установки для приготовления компоста. Рассмотрены потери предприятия, складывающиеся из затрат на предоставление дополнительного отпуска и доплаты за неблагоприятные и тяжелые условия труда, а так же потери от заболеваемости работников, занятых приготовлением компоста традиционными немеханизированными способами. Рассчитаны затраты на материалы, изготовление и эксплуатацию установки для компостирования. Проведена сравнительная оценка стоимости готового компоста, приготовленного в экспериментальной установке, и различных видов промышленных компо-стов.

Основные результаты экономической эффективности отражены в выводах. .........

Общие выводы и рекомендации

1. Анализ существующих технологических приемов компостирования органики показал, что процесс протекает, как правило, в четыре фазы, причем стремительный рост грибков отмечается во второй, а появле-

ние термофильных бактерий - в третьей фазе. Смесь для компоста должна готовиться из равных частей углерод- и азотсодержащих субстратов, которые должны быть тщательно перемешаны, увлажнены (50 - 60 %) и снабжены кислородом (16 - 18,5 %). Температура в компостируемой массе не должна подниматься выше 65 °С. Размер частиц должен находиться в пределах 15-50 мм.

2. Изучение конструкций существующих устройств для приготовления компоста позволило выявить перспективное направление - компостирование в механизированной установке с теплоутилизацией, позволяющей облегчить труд и снизить риски профессиональных заболеваний у работников, а так же направлять для дальнейшего использования избыточную теплоту, выделяющуюся при разложении органики.

3. Теоретическое исследование процесса компостирования и рабочего процесса установки с ворошителем позволили получить критериальное уравнение для определения числа патогенных микроорганизмов (1); математическую модель для нахождения конечной массы компоста (2); уравнение температуры на поверхности укрывного материала (3); определить конструктивные размеры установки с ворошителем (4, 5, 6) и ее производительность(7).

4. Разработаны методики для определения шага, оптимального числа, длины и диаметра пальцев ворошителя, производительности установки с учетом «мертвых зон» и равномерности перемешивания компонентов, а также определения конечной массы компоста.

5. Экспериментально подтверждено влияние физико-механических и технологических свойств растительных материалов и конструктивнорежимных параметров установки на эффективность процесса компостирования.

6. Изучены различные технологические приемы компостирования, определена динамика изменения температуры и доказано, что без ворошения и аэрации высокая температура (58 °С) держится не более суток, тогда как с ворошением и аэрацией высокая температура (64 °С) сохраняется семь суток, что важно для ферментативного разложения. Выявлен характер оседания растительного сырья - без ворошения оно существенно слеживается, что затрудняет проникновение кислорода воздуха в толщу материала и, как следствие, увеличивает срок разложения и может вызывать гниение, особенно в середине бурта. Ворошение через шесть суток приводит к более высокому разогреву растительной массы.

7. Экспериментально определены размеры участков, не захватываемых пальцами ворошителя, они составляют 10 % от всего объема, или

0,0125 м3. Получены экспериментальные уравнения высоты слоя под пальцем и между пальцами в зависимости от длины пальца ворошителя

при оборотах электродвигателя 16 об/мин и диаметре пальца 20 мм (рис.

4).

8. Разработана экспериментальная математическая модель компостирования в установке (8), позволяющая определить массу компоста на каждой фазе процесса. Отмечена хорошая сходимость теоретических и экспериментальных значений (до 9 %).

9. Разработана экспериментальная установка для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты. Определены размерные и режимные параметры производственной установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты с объемом контейнера 1 м3: длина пальцев ворошителя 460 мм, при шаге 128 мм и диаметре пальца 26 мм, число пальцев ворошителя 8 шт., диаметр вала ворошителя 50 мм. Расчетная мощность двигателя на привод ворошителя - 1,1 кВт. Диаметр приточной трубы аэрации 110 мм, диаметр трубы воздухоотведения 110 мм, диаметр перфорированных труб аэрации 50 мм, мощность насоса для подачи воздуха 120 Вт, длина элементов приточной трубы 0,5 м, 1,5 м, длина трубы аэрации 0,8 м, длина трубы воздухоотведения 1,5 м, мощность насоса для подачи воды в систему орошения 225 Вт, конусные форсунки типа КФ 3,3120, диаметр приточной трубы орошения 0,2 м, длина приточной трубы орошения 1,5 м.

10. Испытания установки для приготовления компоста подтвердили

ее работоспособность и эффективность. Зрелый компост получен в кратчайшие сроки (3 мес.) при ворошении в течение 10 минут через каждые 6 суток. Качество компоста подтверждено биотестированием, химическим анализом, определением физических и технологических свойств - угол естественного откоса составил 36°, насыпная плотность от 180 до 260 кг/м3, максимальный размер частиц до 18 мм, что соответствует требованиям ГОСТ. .....

11. Производственные испытания и расчет экономической эффек-

тивности показали, что за счет механизации основных процессов и снижения риска профессиональных заболеваний можно сократить потери предприятия на доплаты (с 8 до 4%) и дополнительный отпуск (с 8 до 4 дней) за неблагоприятные условия труда, на выплаты по заболеваниям (с

7 до 3 %), повысить производительность труда (на 6%), тем самым получив экономический эффект 20840,58 руб. ...............................

12. Себестоимость компоста, приготовленного в установке, составляет 25 руб./кг, что в 1,2 раза дешевле по сравнению с промышленными образцами. Общая стоимость установки, включающая затраты на материалы и изготовление (монтаж), составляет 18553 руб. Срок окупаемости затрат на создание и применение установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты - 0,8 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Панов, М.В. Теоретическое исследование процесса теплопровод-

ности на поверхности устройства для приготовления компоста и утилизации тепла [Текст]/ Е.Г. Лумисте, М.В. Панов // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. -Брянск: Брянская ГСХА, 2011. с. 51-55. • .

2. Панов, М.В. Анализ профессионального риска в процессе приготовления компоста / Е.Г. Лумисте, М.В, Панов // Социальноэкономический потенциал сельский территорий: приоритетные направления формирования и реализации. - Орёл : Орёл ГАУ, 2011. с. 281-285.

3. Панов, М.В. Выявление доминирующих факторов при компости-

ровании на этапе планирования эксперимента / М.В. Панов // Проблемы энергообеспечения, информатизации и автоматизации безопасности и природопользования в АПК. - Брянск : Брянская ГСХА, 2011 с 112-118 ISBN-978-5-88517-201-1. . '

4. Панов, М.В. Приточно-вытяжная установка для приготовления

компоста и утилизации теплоты [Текст] / КГ. Лумисте, М.В. Панов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — М. •’Москва 2011. №9, с. 23-24. ' ’

5.Панов, М.В. Устройство для приготовления компоста /КГ. Лу-

мисте, М.В. Панов // Сельский механизатор. - М. : Москва 2011 №10 с 26-27. ’ ‘ '

6. Панов, М.В. Пат. №99864 Российская Федерация, МПК F28F 13/00, A01F 25/22. Приточно-вытяжная установка с теплоутилизато-ром [Текст]/ Панова Т. В., Лумисте К. Г., Панов М. В. ; заявитель и па-

■ тентообладателъ ФГОУВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия". -№ 2010129393/02, заявл. 15.07.10; опубл. 27.11.10 Бюл. № 33.-2 с.: ил. ’

7. Панов, М.В. Пат. №102174 Российская Федерация, МПК A01F 25/14. Контейнер для растительных материалов [Текст] / Лумисте Е. Г., Панова Т. В., Панов М. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия". - № 2010121260/21; заявл. 25.05.10; опубл. 20.02.11, Бюл. №5. -2 с. : ил.

8. Панов, М.В. Пат. №107893 Российская Федерация, МПК АО 1F 25/14. Контейнер для растительных материалов [Текст] / Лумисте Е. Г., Панова Т. В., Панов М. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия". - № 2011112560/13; заявл. 01.04.2011; опубл. 10.09.2011, Бюл. №25. -2 с.: ил.

9. Панов, М.В. Пат. №107894 Российская Федерация, МПК АО 1F

25/22, Р28Р 25/00, Р28Р 13/00. Приточно-вытяжная установка для получения органического удобрения и утилизации тепла [Текст] / Лумисгпе Е. Г., Панова Т. В., Панов М. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия". - № 2011109270/13; заявл. 11.03.2011; опубл. 10.09.2011, Бюл. №25.-2 с. : ил.

10. Панов, М.В. Пат. N9111966 Российская Федерация, МПК АО 1F 25/00. Контейнер с ворошителем для приготовления компоста [Текст] / Лумисте Е. Г., Панова Т. В., Панов М.-В., Шмигиртов С.Н. ;■ заявитель и патентообладатель ФГОУВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия". - N9 2011128828/13 ; заявл. 12.07.2011; опубл. 10.01.2012 Бюл. № 1. - 2 с.: ш,

11. Панов, М.В. Пат. N2111967 Российская Федерация, МПК АО 1Б 29/00. Измельчитель древесно-растительных отходов [Текст]/Лумисте Е. Г., Панова Т. В., Панов М. В., Шмигирилов С.Н. Лумисте К. О. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО "Брянская государственная сельскохозяйственная академия". - N92011128830/13 ; заявл. 12.07.2011; опубл. 10.01.2012 Бюл. N91. —2с.; гп.

На правах рукописи

Панов Максим Владимирович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОСТА С УТИЛИЗАЦИЕЙ ИЗБЫТОЧНОЙ ТЕПЛОТЫ

Подписано к печати 6.01.2012 г. Формат 60X84 74. Бумага печатная. Усл.пл. 1,0. Тираж 100 экз. Изд. № 2100.

дательство Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 43365, Брянская обл., Выгоничский р-он, с. Кокино, Брянская ГСХА

61 12-5/1522

ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет

им. В.П. Горячкина»

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОСТА С УТИЛИЗАЦИЕЙ ИЗБЫТОЧНОЙ ТЕПЛОТЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства (

На правах рукописи

Панов Максим Владимирович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Елена Геннадьевна Лумисте

Москва 2011

Содержание

Введение 5

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 10

1.1 Виды и фазы компостирования 10

1.1.1 Понятие о компостировании 10

1.1.2 Стадии компостирования 12

1.1.3 Факторы, влияющие на процесс компостирования 14

1.1.4 Приемы и способы ускорения созревания и повышения качества компоста 15

1.2 Опасные и вредные факторы компостирования 18

1.2.1 Анализ производственно-обусловленной и профессиональной заболеваемости в АПК 18

1.2.2 Биологическая опасность как фактор риска 20

1.3 Технологии компостирования 22

1.3.1 Оптимальные условия компостирования 22

1.3.2 Технологические приемы компостирования 23

1.4 Энергосберегающее оборудование для компостирования 25

1.4.1 Классификация установок для компостирования 25

1.4.2 Устройства, повышающие качество компоста 27

1.5 Утилизация избыточных тепловыделений в процессе хранения растительных материалов 30

1.5.1 Технические и технологические способы предотвращения самовозгорания 30

1.5.2 Классификация установок для утилизации теплоты 31

1.5.3 Варианты использования теплоты, выделяющейся при разложении органики 33

1.6 Цель и задачи исследования 3 5

2 Теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы устройства для приготовления компоста с битерным ворошителем 37

2.1 Распределение температуры на термофильной фазе компостирования и прогнозирование числа патогенных бактерий 37

2.2 Определение конечной массы компоста 41

2.3 Теоретическое исследование процесса теплопроводности на поверхности устройства для приготовления компоста 47

2.4 Теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров устройства для приготовления компоста 51

2.4.1 Процесс ворошения рабочим органом битерного типа 51

2.4.2 Распределение мощности в узлах установки 55

2.4.3 Теоретическое обоснование интервала числа оборотов вала ворошителя 56

2.4.4 Теоретическое обоснование числа пальцев ворошителя 58

2.4.5 Обоснование оптимальной длины пальца ворошителя 61

2.4.6 Теоретическое обоснование оптимального диаметра пальца ворошителя 67

2.4.7 Теоретическое обоснование оптимального шага пальцев ворошителя 70

2.4.8 Теоретическое обоснование производительности установки 74

3 Программа и методика экспериментальных исследований 76

3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований 76

3.2 Описание лабораторной и экспериментальной установок 77

3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 81

3.3.1 Общая методика исследований 81

3.3.2 Методика определения доминирующих факторов компостирования 82

3.3.3 Методика определения свойств компостируемых материалов 84

3.4 Методика определения оптимальных конструктивных и режимных параметров установки для приготовления компоста 89

3.4.1 Выбор значимых факторов 89

3.4.2 Методика определения оптимального диаметра пальца ворошителя 90

3.4.3 Методика определения шага и оптимального числа пальцев ворошителя 91

3.4.4 Методика выбора удерживающей пружины створок днища 95

3.4.5 Методика определения снеговых и ветровых нагрузок на установку для компостирования 96

3.5 Методика определения равномерности перемешивания 97

3.6 Методика определения производительности и энергоемкости установки 100

3.7 Методика определения конечной массы компоста и адекватности математической модели 101

3.8 Методика определения качественных показателей компоста 103

4 Результаты экспериментальных исследований 105

4.1 Результаты априорного отсеивания факторов, влияющих на процесс компостирования 105

4.2 Результаты исследования свойств растительных материалов 108

4.3 Результаты исследования технологических приемов компостирования 111

4.4 Определение конструктивно-режимных параметров установки для приготовления компоста 114

4.4.1 Результат априорного отсеивания факторов 114

4.4.2 Определение длины, шага и оптимального числа пальцев ворошителя 116

4.4.3 Экспериментальное определение оптимального диаметра пальца ворошителя 120

4.4.4 Определение сходимости теоретических и экспериментальных значений конструктивно-режимных параметров 121

4.4.5 Выбор удерживающей пружины створок днища установки 122

4.4.6 Результат определения снеговых и ветровых нагрузок на установку для компостирования 123

4.5 Смешивающая способность ворошителя 125

4.5.1 Определение размера «мертвой зоны» 125

4.5.2 Результаты исследования влияния пальцевых насадок на смешивающую способность 127

4.5.3 Результаты определения смешивающей способности ворошителя 128

4.6 Экспериментальное определение массы компоста и адекватности математической модели 132

4.7 Результаты определения мощности, производительностей и энергоемкости установки по перемешиванию и по готовой продукции 135

4.8 Результаты исследования аэрирования и воздухоотведения 138

4.9 Оценка качества компоста 140

4.9.1 Результаты исследования физико-механических и технологических свойств компоста 140

4.9.2 Результаты оценки качественных показателей компоста 142 5 Производственные испытания. Отработка технологии. Внедрение. Экономическая эффективность 145

5.1 Отработка технологии приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты в условиях хозяйств 145

5.2 Оценка надежности установки для приготовления компоста 150

5.3 Расчет экономической эффективности установки для приготовления компоста 152 Общие выводы и рекомендации 159 Литература 162 Приложение А 178 Приложение Б 182 Приложение В 185 Приложение Г 192 Приложение Д 205 Приложение Е 209 Приложение Ж 214 Приложением 215 Приложение К 216 Приложение JI 219 Приложение М 227

Введение

К органическим удобрениям относятся перегной, торф, навоз, различные компосты, органические отходы городского хозяйства (сточные воды, осадки сточных вод, городской мусор), зеленое удобрение. Они содержат важнейшие элементы питания, в основном в органической форме, и большое количество микроорганизмов, необходимых для получения хорошего урожая.

В последнее десятилетие вновь возрос интерес к компостам как к доступной по стоимости питательной подкормке для растений. Компостирование органики решает и такую важную экологическую задачу, как утилизация растительного материала, оставшегося после скармливания животным, обкашивания территории хозяйств от сорных растений, прополки полеводческих участков, а также пожнивных остатков, обрези плодовых и декоративных деревьев и кустарников, опавшей листвы и пр.

Процесс приготовления компоста является трудоёмким и достаточно вредным для персонала, который в нем участвует. Трудоемкость связана, прежде всего, с необходимостью регулярной перебивки (перемешивания) компоста для выравнивания температуры, влажности и насыщения растительного сырья кислородом. Кроме того, требуется непрерывный контроль изменения основных параметров компостирования: температуры воздуха и органического сырья, влажности, кислотности и содержания кислорода. Нарушение режима компостирования может привести к низкому качеству конечного продукта, отклонению от ГОСТ его основных характеристик, что не позволит его применять как полноценное удобрение.

Анализ зарубежных и отечественных простейших компостеров и механизированных компостариев, насыщенных электроникой, показывает, что их стоимость неприемлема для сельхозпредприятий малых форм собственности и частных подворий. Наличие электроники требует привлечения специали-

стов по обслуживанию сложной техники, что влечет за собой дополнительные расходы и увеличение срока окупаемости затрат.

С другой стороны, компостирование непосредственно связано с жизнедеятельностью микроорганизмов, многие из которых являются патогенными, способными вызывать аллергические реакции, грибковые и другие заболевания у персонала, занятого в производстве компостов.

В целях снижения трудоемкости компостирования, а также риска профессиональных заболеваний, необходимо исключить контакт человека с растительным материалом при его ферментативном разложении, максимально механизировав все процессы по технологии высокого уровня: перемешивание сырья, аэрацию, увлажнение и выгрузку компоста. Для достижения этой цели разработка установки по компостированию растительного материала, которая сочетала бы в себе надежность, малую металлоемкость, простоту монтажа, демонтажа, эксплуатации и относительно низкую стоимость, будет являться актуальной задачей.

Актуальность выбранного направления исследований подтверждается так же тем, что на территории г. Брянска и Брянской области имеется свыше 1600 сельхозформирований различных форм собственности, из них 962 крестьянских (фермерских) хозяйства. В этих организациях работает не менее 83000 человек, труд которых должен быть безопасным и безвредным, в том числе и при компостировании растительного сырья. Кроме того, на территории г. Брянска и Брянской области имеется 451 садоводческое общество, для которых компостирование растительных материалов - это процесс приготовления ценного органического удобрения с минимальными затратами.

Цель работы - разработка и обоснование параметров установки для приготовления компоста из растительных материалов с утилизацией избыточной теплоты.

Задачи исследования:

- разработать перспективную схему установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты;

- провести теоретический анализ процесса компостирования, его влияния на организм человека и обосновать конструктивно-эксплуатационные

параметры установки;

- в лабораторных условиях определить физико-химические, механические и технологические свойства растительного сырья, оптимальные условия протекания процесса компостирования и качество компоста;

- экспериментальным путем проверить достоверность теоретических исследований, оцепить работоспособность механизированной установки и экономически обосновать ее использование в производственных условиях.

Методы исследования: В работе использовались следующие методы: анкетного опроса; проекгно-конструкторские; физические; вероятностно-статистические; аналого-цифровые; математического и биохимического анализа; приборного контроля.

Объект исследования - Технологический процесс компостирования, экспериментальная установка для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты, выделяющейся при разложении растительных материа-

лов.

Научная новизна: Разработана математическая модель процесса компостирования. Получены критериальное уравнение для нахождения числа патогенных микроорганизмов на термофильной стадии приготовления компоста, функциональные зависимости для определения режимных параметров установки с учетом ее конструктивных особенностей и уравнение температуры поверхности пленки на компостном бурте.

Практическая ценность работы.

Разработаны принципиально новые устройства, защищенные патентами на полезные модели: контейнер для растительных материалов и приточ-но-вытяжная установка для приготовления органического удобрения с утилизацией избыточной теплоты (патенты № 99864, № 102174, №107893,

№107894).

Результаты исследования процесса компостирования растительных материалов в механизированной установке могут служить основанием для приготовления качественного органического удобрения в более короткие сроки (до 3 месяцев), по сравнению с немеханизированными приемами, утилизации избыточной теплоты и ее дальнейшего использования для производственных нужд, а так же снижения рисков профессиональных заболеваний у работников растениеводства.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная технология компостирования с использованием механизированной установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты внедрена в ТНВ «Возрождение» Рогнеденского района Брянской области и КФХ «Ягодное» Выгоничского района Брянской области.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на конференциях:

1) Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии» (2009 г.), МГАУ им. Горячкина, г. Москва.

2) Научно-практическая конференция «Проблемы энергетики, природопользования, экологии» (2011 гг.), г. Брянск, Брянская ГСХА.

3) Межвузовская научно-техническая конференция «Конструирование, использование и надёжность машин сельскохозяйственного назначения» (2009-2011 г.г.), г. Брянск, Брянская ГСХА.

4) Международная научно-практическая конференция «Социально-экономический потенциал сельских территорий: приоритетные направления формирования и реализации» (2011г.), г. Орёл, Орёл ГАУ.

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях, указанных в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий. ВАК Минобразования и науки РФ», по результатам исследований получено четыре патента № 99864, № 02174, № 107893 и № 107894 патента на полезную модель, опубликован-

ных в бюллетене «Изобретения, полезные модели» № 33, 27.11.2010, №520.02.2011 и №2510.09.2011.

Структура и объем диссертационной работы:

Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 159 наименований и 11 приложений. Основной текст изложен на 177 странице и включает 90 рисунков, 14 таблиц.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) Теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы приготовления компоста по технологии высокого уровня.

2) Математическое описание процесса приготовления компоста и результаты экспериментального исследования работоспособности предлагаемого устройства.

3) Результаты анализа физико-химических свойств компостируемого материала, характеристики процесса и качественные показатели компоста.

4) Конструктивно-эксплуатационные характеристики установки для приготовления компоста с утилизацией избыточной теплоты и её технико-экономическая оценка.

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Виды и фазы компостирования

1.1.1 Понятие о компостировании

Согласно ГОСТ Р 53042-2008, компостирование - это биотермический процесс минерализации и гумификации органических отходов, происходящий в аэробных условиях под воздействием микроорганизмов [41].

Применение контроля отличает компостирование от естественно протекающих процессов гниения или разложения [94].

По ГОСТ Р 53116-2008 компостирование относят к способу обезвреживания бытовых, сельскохозяйственных и некоторых промышленных отходов. Компостированию не подлежат больничные отбросы, субпродукты из ветлабораторий и отдельно фекалии. К компосту не допускаются примеси ядохимикатов, радиоактивных, дезинфицирующих и других токсических веществ, а также смолы и гудрона, в количествах, влияющих на процессы гумификации [42].

Обезвреживание отбросов при компостировании происходит в результате гибели большей части патогенных микроорганизмов (кроме споровых форм), яиц гельминтов и личинок мух под влиянием высокой температуры (не ниже 65°) и антагонистического воздействия микроорганизмов, а также вследствие разложения органического вещества отбросов и синтеза под влиянием биологических процессов нового органического вещества гумуса (перегноя), безвредного в санитарном отношении, являющегося хорошим удобрением [4, 22, 26, 33, 75, 92, 93,155, 158].

Процесс компостирования зависит от активности микро- и макроорганизмов (рис. 1.1), которые нуждаются в источнике углерода для получения энергии и биосинтеза клеточного матрикса, а также в источнике азота для синтеза клеточных белков.

Рисунок 1.1 - Микро- и макроорганизмы, участвующие в процессе компостирования

Углерод, который составляет около 50% общей массы микробных клеток, служит источником энергии и строительным материалом для клетки. Азот является жизненно важным элементом при синтезе клеткой белков, нуклеиновых кислот, аминокислот и ферментов, необходимых для построения клеточных структур, роста и функционирования. Потребность в углероде у микроорганизмов в 25 раз выше, чем в азоте. В меньшей степени микроорганизмы нуждаются в фосфоре, калии, кальции и других элементах [4, 8, 22,

26,33,58, 75,92, 93, 156, 159].

Материалы для компостирования с низким значением соотношения углерода к азоту (С:>0, должны быть богаты азотом и белковыми составляющими (скошенная трава, сорняки, сидеральные растения, части растений после сбора урожая, некачественные овощи и фрукты, сено, тростник, камыш, кухонные отходы, навоз), с высоким значением соотноше�