автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Режимы обработки бесподстилочного свиного навоза в отстойниках с фильтрами

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПЕТРЕНКО ИВАН МИХАЙЛОВИЧ

Дъ удК 631.86:628.473

РЕЖИМЫ ОБРАБОТКИ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО СВИНОГО НАВОЗА В ОТСТОЙНИКАХ С ФИЛЬТРАМИ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.П. Коваленко

Краснодар, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕЩЕНИЕ .............................................. 5

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ......... 7

1.1. Состав и свойства бесподстилочного свиного

7

навоза ............................................ '

1.2. Состав и свойства соломы .......................... 17

1.3. Анализ технологий разделения жидкого навоза и навозных стоков в отстойниках с фильтрующими элементами ........................................ 22

1.4. Анализ исследований процесса разделения навоза тонкослойным отстойником .......................... 26

1.5. Анализ исследований процесса разделения навоза фильтрованием ..................................... 41

1.6. Выводы ............................................ 44

1.7. Цель и задачи исследования........................ 47

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ НАВОЗА

В ОТСТОЙНИКЕ С ФИЛЬТРУЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ................. 48

2.1. Изучение характера выделения тонкодисперсных

частиц из бесподстилочного свиного навоза.......... 48

2.2. Определение производительности тонкослойного отстойника .............................................58

2.3. Определение эффективности работы тонкослойного отстойника ............................:...........

2.4. Обоснование параметров фильтрующих элементов отстойника ................. ....................... 69

2.5. Определение периода обезвоживания осадка в отстойнике ........................................ 77

2.6. Выводы ............................................ 79

с.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТМЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 80

3.1. Программа экспериментального исследования..----.. 80

3.2. Методика определения влияния расхода бесподстилочного навоза на гидравлическую крупность частиц, задерживаемых тонкослойным отстойником ......................................

3.3. Методика определения глубины потока навоза в тонкослойном отстойнике ........................... 86

3.4. Методика определения эффективности разделения навоза тонкослойным отстойником .................• 88

3.5. Методика определения параметров и режимов

работы фильтрующих элементов .....................

3.6. Методика определения эффективности разделения навоза тонкослойным отстойником с фильтрующими элементами ....................................... 90

3.7. Методика проведения производственной проверки отстойника с фильтрующими элементами ..... ........ 91

3.8. Методика обработки экспериментальных данных и оценка погрешностей измерений .................... 94

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ

АНАЛИЗ ................................................ 96

4.1. Определение влияния расхода бесподстилочного навоза на гидравлическую крупность частиц, задерживаемых тонкослойным отстойником ........... 96

4.2. Определение глубины потока навоза в тонкослойном отстойнике ......................... 98

4.3. Определение эффективности разделения навоза тонкослойным отстойником ......................... 100

С.

4.4. Определение параметров и режимов работы фильтрующих элементов отстойника ............... Ю

4.5. Определение эффективности разделения навоза тонкослойным отстойником с фильтрующими элементами ..................................... 1С

4.6. Результаты производственной проверки отстойника

с фильтрующими элементами ...................................1ио

4.7. Выводы .............................................................................П7

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 119

5.1. Технологический расчет отстойника с фильтрующими элементами ...........................119

5.2. Технико-экономическая оценка результатов исследования ...................................

5.3. Выводы..................................................................................13?

ОБЩИЕ вывода И ПРЕДЛОЖЕНИЯ .......................................139

ЛИТЕРАТУРА ..........................................................................................144

ПРЙШЖЕНЙН .................................................156

ВВЕДЕНИЕ

На свиноводческих предприятиях страны и Северо-Кавказского региона широко применяют бесподстилочное содержание животных, при котором получают бесподстилочный навоз различной влажности, содержащий значительное количество питательных веществ, но вместе с тем являющийся источником загрязнения окружающей среды.

Применяемые машинные технологии обработки бесподстилочного свиного навоза весьма энергоемки, требуют надежного энергоснабжения и высоких эксплуатационных затрат. Безмашмнные технологии обработки беешдстилочного евиного навоза в отстойниках-накопителях, а также в отстойниках с фильтрующими элементами менее энергоемки, но требуют больших капитальных затрат, постоянного обслуживания, сложны в эксплуатации, имеют длительный цикл об -работки, не обеспечивают получение конечных продуктов, пригод -ных для непосредственного использования в качестве органического удобрения, из-за содержания в образующемся осадке болезне -творных микроорганизмов, яиц и личинок гельминтов, семян сор -ных растений, а также большой загрязненности взвешенными ве -ществами жидкой фракции, затрудняющими использование ее на удобрительно-оросительные цели / I, 5, 7, 19, 87 /.

Анализ работ по разделению различных суспензий, к которым относится и бееподстилочный свиной навоз, безмашинным способом показывает, что эффективность обычных ( глубоких) отстойников можно повысить путем организации режима тонкослойного осажде -шя неоднородных сред. Кроме того, повышения эффективности отстойников можно достичь путем совмещения операций заполнения секций навозом, его отстаивания, непрерывного отвода образо -вавшейся при отстаивании осветленной жидкости.

Существенные отличия реологических свойств бесподстилочно -го свиного навоза от других суспензий, на которых проводились исследования по тонкослойному осветлению, не позволили использовать известные наработки для организации процесса обработки на -воза. Кроме того, оборудование отстойника фильтром обусловило проведение дополнительных исследований по организации процесса фильтрования образовавшейся при отстаивании осветленной жидкое -ти. В связи с этим возникла необходимость настоящего иселедова -ния.

Работа выполнялась в соответствии с планом ММР Кубанского государственного аграрного университета по теме 8 " Разработать и внедрить энергосберегающие, экологически чистые технологии и комплексы машин в растениеводстве и животноводстве11 № гос.ре -гистрацш 01960009007.

На защиту выносятся:

1. Закономерности процесса разделения бесподстилочного свиного навоза в тонкослойном отстойнике.

2. Параметры и режимы работы фильтрующих элементов на раз -делении бесподстилочного свиного навоза.

3. Режимы разделения бесподстилочного свиного навоза в отстойнике, оборудованном соломенным фильтром.

4. Результаты производственной проверки работы отстойника, оборудованного соломенным фильтром.

5. Показатели технико-эконошчеекой оценки результатов исследования .

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ I ЗАД&Чй ИССМЩОВАШШ

I.I. Состав и свойства бесподстшючного евиноpg навоза

На свиноводческих фермах и комплексах широко применяют /28, 61,68 / беснодстилочное содержание животных, жри котором полу -чают бесподстшючный навоз, состав и свойства которого сущест -венно отличаются от подстилочного навоза /8, II, 15, 17, 29, 40 , 66 , 67 , 73, 75, 77 , 79 , 86 , 87, 107 /.

В состав бесподстилочного навоза входят экскременты живот -ных (смесь кала и мочи), вода, остатки кормов, продукты износа иолов и кошт, другие механические включения. Механические включения обычно составляют небольшую часть бесподстилочного навоза. Определяющим является соотношение между количеством экекремен -тов и добавляемой в них воды. В зависимости от влажности бес -подстилочный навоз но ГОСТ 20432-83 подразделяют на полужидкий 88 =sV\Z^92 %, жидкий 92^ W ^.$7 % и навозные стоки W>97 %.

Выход бесподстилочного навоза изменяется в широких пределах и зависит от способов содержания свиней на фермах и комплексах, ввдов и половозрастных груш животных, типов и способов кормления, степени концентрации производства Стабл.1.1) / 29 /.

Средняя влажность экскрементов свиней на комплексах с замкнутым производственным циклом при кормлении полнорационными концентрированными кормами составляет 88,1 %, при кормлении многокомпонентными кормосмесями - 90,6 %.

Примерное количество бесподстилочного навоза (т), получаемого на животноводческой ферме или комплексе за сутки, можно определить / 29 / по формуле:

т \ П '

тн=У irruL+rngL + mfa) Ш > (1Л)

L-1

рде П7Э1 - суточный выход экскрементов от одного животного (принимают но таблице 1.1), кг;

ШвС ~ суточное количество воды, добавляемое в систему

навозоудаления в расчете на одно животное, прини -мают равным: 0,2...О,5 - при самотечной системе; 2,0...2,5 - при смывной системе с сухой очисткой полов; 5,0...6,0 - при смывной системе с мойкой полов / 8 /, кг;

т8к1~ количество механических включений, поступающих в систему навозоудаления в сутки в расчете на одно животное производственной группы ( для свиновод -ческих комплексов и ферм принимают равным 0,002... 0,010), кг;

Т1 ¿, - количество животных, находящихся в одной производственной группе (принимается в соответствии с оборотом стада), гол.;

/71 - число производственных групп животных на ферме или комплексе.

Как видно из таблицы 1.2 выход бесподстилочного навоза в значительной степени зависит от применяемой на животноводческом предприятии системы удаления навоза из помещений. В свою оче -редь, эта система во многом определяется технологией содержа -ния и кормления животных.

В связи с этим необходимо совершенствовать системы удаления навоза, а также предусматривать рациональное сочетание технологий содержания и кормления различных половозрастных групп животных для создания оптимальных условий функционирования предприя -тия при минимальном выходе навоза.

I л

Среднесуточный выход и влажность экскрементов от различных половозрастных групп свиней / 29 /

Выход экскрементов, кг/гол., и их влажность при кормлении полнорационными концкормами : многокомпонентными кормосмесями

Группа животных

:влажность, : 3 :всего » • : кал ♦ * : моча * • ¡влажность,: ♦ 3 : всего : кал * : моча • •

Хряки 89,4 XI,I 4,6 6,5 90,2 15,0 9,0 6,0

Свиноматки:

с поросятами 90,1 15,3 5,7 9,6 90,8 22,0 12,0

супоросные 91,0 10,0 5,1 4,9 91,5 17,0 9,0 8,0

холостые 90,8 8,8 4,5 4,3 91,2 17,0 9,0 8,0

Свиньи на откорме

массой, кг:

более 80 87,5 6,6 2,9 3,7 88,8 17,0 9,0 8,0

40...80 87,0 5,1 2,2 2,9 88,4 7,5 5,0 2,5

до 40 86,6 3,5 1,5 2,0 88,2 7,5 5,0 2,5

Иоросята-о тъемши

массой до 30 кг 86,0 2,4 1,0 1,4 87,5 3,3 2,5 0,8

Таблица 1.2

Ориентировочный выход бесподетилочного навоза на свиноводческих комплексах при различных системах его удаления / 29 /

Животноводческое предприятие

производства, гол .

Самотечная

непрерывного действия

периодического действия

выход,: вл аж -: выход,: вдаж -#/суг.: ность,: м3/сф. : кость, %

• /О ♦ •

гидросмывные установки Iбесканальная система)

вьцод,: влаж-суи;ность,%

смывные насадки в каналах с решетками

выход, :влаж-м8/су,г.:ность,%

Комплекс по выращиванию

и откорму свиней, гол.

в год 12 ООО 150 97,0 К Ю 97,5 22 5 98 300 98,5

То же 24 ООО 300 97,0 3* Ю 97,5 45 0 98 700 98,5

То же 54 ООО 700 97,0 Ш 30 97,5 100 0 98 1400 98,5

То же 108 ООО : [400 97,0 Ш Ю 97,5 200 0 98 2400 ^ з

м о

Состав и свойства бесподстаночного навоза зависят от рациона и типа кормления свиней, их вида, пола и возраста, техноло -гии содержания и кормления, хозяйственного назначения и продуктивности (табл.1.3).

Таблица 1.3 Состав бесподстилочного навоза, % / 29 /

Свиной навоз при кормлении

Наименование показателя

полнорационными концкормами

многокомпонентными кормосме -сями

Сухое вещество Йесок

Органическое вещество Азот общий Фосфор (Р£%) Калий (КрО)

0,27 7,51 0,51 0,27 0,34

7.

0,21 5,78

0,48 0,25 0,42

Содержание еухого вещества в навозе зависит от количества добавляемой в экскременты воды. Содержание органического вещества зависит от вида животных, возраста, типа кормления и сое -тавляет 75...85 % еухого вещества бесподстилочного навоза.

Гранулометрический состав свиного навоза неоднороден и за -висит от половозрастных групп, рациона и типа кормления живот -ных СтаблД.4).

Ери кормлении полнорационными концентрированными кормами свыше 60 % сухого вещества навоза составляют мелкодисперсные частицы (без коллоидных частиц) размером до I мм. При кормлении свиней многокомпонентными кормоемееями количество груб о дисперсных частиц возрастает: примерно 60 % составляют частицы веяичи-

но! более I ш. Доля механических включений в бесподстилочном свином навозе меньше, чем в навозе крупного рогатого скота, и составляет 0,2..Л % от маеси экскрементов.

Таблица 1.4

Усредненные показатели гранулометрического состава свиного навоза / 8 /

частиц, мм

Содержание частиц, % _ _ при ко]эшении__

полнорационными , концкормами

многокомпонент -ними кормосмесями

0,05...0,1 0,1...0,5 0,5...1,0 1,0...2,0 2,0...5,0 Более 5,0

14,9 25,0 23,3 17,8 12,0 7,0

8,0 19,8 14,5 29,8 21,4 6,5

Состав бесподстилочного евиного навоза значительно изменяется при разбавлении его водой (табл.1.5). Пропорционально разбавлению снижается содержание сухого и органического вещества в бесподстилочном навозе, уменьшается его удобрительная ценность.

Свойства бесподстилочного навоза в значительной степени определяются его влажностью. I© И.А.Ребиндеру, формы связи влаги с пористой средой подразделяются на три группы: физико-механи -ческая, физико-химическая и химическая связь. К видам влаги, удерживаемой физико-механическими формами связи, относится пленочная, капиллярная и свободная влага / 84 /.

Влага, удерживаемая химической формой связи, может быть нарушена только нагреванием вещества до 120...150 °С. Поэтому при обезвоживании бесподстилочного навоза и продуктов ег© обработки

Таблица 1.5

Состав бесподстилочного свиного навоза / 87 /

# /ч #

Наименование показателя .иМмпш аЛа* Изменение состава при разбавлении водой

Выход от условной головы

массой 500 кг Скг/сут.) 50,0 65,0 75,0 88,0 105,0 130,0 175,0 270,0

Влажность,% 89,5 92,0 93,0 94,0 95,0 96,0 97,0 98,0

Сухое вещество, % 10,5 876543 2

Органическое вещество5,2 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0

Общий азот, % 0,50 0,38 0,33 0,28 0,24 0,19 0,14 0,0095

Аммиачный азот, % 0,36 0,27 0,24 0,20 0,17 0,14 0,10 0,069

Фосфор (Р205), % 0,25 0,19 0,17 0,14 0,12 0,095 0,072 0,048

Калий (К20), % 0,24 0,18 0,16 0,14 0,11 0,09 0,07 0,046

Магний ( М^0), % 0,10 0,076 0,060 0,057 0,047 0,038 0,029 0,019

механическими средствами влага этого вида из обрабатываемого продукта не удаляется.

При механическом способе удаления воды из бесподстилочного навоза и продуктов его обработки сначала происходит интенсивный отвод свободной влаги. С момента превращения обрабатываемого продукта в трехфазную систему и образования внутри осадка ме -ниекев, то есть когда жидкая фаза переходит в форму капилляр -ной и пленочной жидкости, процесс замедляется. Наконец, при достижении определенного содержания капиллярной и пленочной жидкости, минимального для данного материала и данной напряженности силового поля, процесс прекращается. Адсорбционную,часть пленочной и капиллярной влаги также нельзя удалить механичес -ким способом.

Важной характеристикой бесподстилочного навоза является плотность. Исследованиями ВМоСХ установлено, что плотность сухого вещества кала свиней составляет 1,28..Л,32 г/см3, а мочи-1,014..Л,016 г/ш*3. Ери разбавлении экскрементов водой плот -ность жидкой фракции уменьшается и при значительном разбавле -нии приближается к плотности воды. Плотность твердых частиц при этом практически не изменяется.

Различие в плотности твердой и жидкой фракций ведет к рас -елоешш бесподстилочного навоза при хранении (риеЛЛ) / 67 /.

Ме разбавленные водой и хорошо перемешанные экскременты свиней (кривая 3) расслаиваются относительно медленно, что объясняется незначительным содержанием в них свободной влаги. Слой осветленной жидкости составляет здесь 5...6 % после 15 минут отстаивания. С увеличением продолжительности отстаивания высота слоя растет незначительно. Разбавление экскрементов во -дой до влажности 91,5 % (кривая 2) и 95,3 % (кривая I) иитенеи-

фицирует процесс расслоения навоза. Уже через 15 минут отстаивания высота осветленного слоя составляет соответственно 40 и 70 %. При дальнейшем отстаивании осветленный слой практически не увеличивается, лишь уплотняется образовавшийся осадок.

При расчете сооружений для хранения бесподстилочного наво -за, определении конструктивных и режимных параметров перемеши -вающих устройств, транспортировании по трубам важно знать его реологические свойства, которые зависят от консистенции, то есть густоты и вязкости навоза. Густота и вязкость навоза определяют-к.

/о

60

40

20

0

V

¥

\3

18 27 36 45 54 £'Ю?|

Рис.1 Л. Зависимость высоты слоя осветленной жидкости

от продолжительности отстаивания бесподстилочного свиного навоза:

1 - относительная влажность \л/= 95,3 %;

2 -\л/ « 91,5 %; 3 - и/ =88,6 %

ся количественным соотношением твердых частиц и воды в единице объема навоза, а также силами взаимодействия между частицами навоза. Важнейшими характеристиками реологических свойств являются

структурная вязкость ^ и предельное напряжение сдвига С (предел текучести). Указанные характеристики зависят от влаж ~ ноети бесподстилочного навоза, его гранулометр