автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технологии и технические средства систем подготовки и утилизации животноводческих стоков



'JL,

(

М-*

Министерство сельского хозяйства и продовольствия РФ

Научно-исследовательский институт

по сельскохозяйственному использованию сточных вод

Меркурьев Владимир Степанович кандидат технических наук

Технологии и технические средства систем подготовки и утилизации животноводческих стоков

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 05.20.01 -Механизация сельскохозяйственного производства

Научный консультант -доктор технических наук, профессор, академик МАЭГТ, Д.П.Гостищев

(НИИССВ "Прогресс")

Купавна - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Общая характеристика работы.......................................................................5

Глава I. Современный уровень машинных технологий и технических

средств систем подготовки и утилизации животноводческих стоков 1.1. Требования к машинным технологиям и техническим средствам систем подготовки и утилизации животноводческих стоков.......................................................................................................................

1.2. Состояние вопроса использования животноводческих стоков и

анализ машинных технологий для их внесения...............................................И

1.3. Анализ технических средств систем подготовки.............................................Щ

1.4. Анализ технических средств систем утилизации.............................................2Ъ

Глава 2. Основы теории и гидравлический расчет технических средств

систем подготовки животноводческих стоков.

2.1. Определение скорости осаждения твердых частиц животноводческих стоков в отстойниках.............................................................................................28

2.2. Определение скорости водовоздушной смеси в устройствах для аэрирования животноводческих стоков............................................................31

2.3. Математическое моделирование кислородного режима в аэротенках

и циркуляционных окислительных каналах.....................................................33

2.4. Определение времени перемешивания животноводческих стоков

в на копиТелЯХ .........................................................................................44

Глава 3. Теория и гидравлический расчет технических средств систем утилизации животноводческих стоков.

3.1. Обоснование экологически безопасных способов орошения......................55

3.2. Определение фильтрационного расхода водозаборного

устройства..............................................................................................................59

3.3. Определение силы динамическогро давления на чувствительный

элемент устройства для управления насосными агрегатами..............62

3.4. Определение времени опорожнения емкости в гидравлическом реле времени...........................................................................................................*65

3.5. Математическое м оделирование гидравлического удара................68

3.6. Защита напорных трубопроводов от гидравлического удара.........72

Глава 4. Разработка технологии и технических средств систем

подготовки и утилизации животноводческих стоков.

4.1. Технология подготовки животноводческих стоков...............................78

4.2. Песколовки.....................................................................................................78

4.3. Устройство для разделения навоза на фракции.....................................84

4.4. Устройства для фильтрации жидкой фракции стоков...........................93

4.5 Устройство для автоматического регулирования уровня осадка

в очистных сооружениях...........................................................................101

4.6. Дренажная система.....................................................................................104

4.7. Циркуляционный окислительный канал................................................106

4.8. Аэраторы.......................................................................................................108

4.9. Биологические оксидационные контактные стабилизационные пруды..............................................................................................................112

4.10. Устройство для перемешивания животноводческих стоков в накопителях...................................................................................................125

4.11. Подготовка животноводческих стоков в

фермерских хозяйствах...............................................................................128

4.12. Технологии орошения и технические средства

для их реализации........................................................................................136

4.13. Водозаборные устройства животноводческих

стоков...............................................................................................................140

4.14. Устройство для управления насосными агрегатами

и реле ровня.................................................................................................141

4.15 Гасители гидравлических ударов............................................................144

4.16. Гидр авлические реле времени...................................................................147

4.17. Дождевальный шлейф................................................................................151

4.18. Фреза для нарезки поливных борозд......................................................154

Глава 5. Экспериментальные исследования технических средств систем подготовки и утилизации животноводческих стоков. .

5.1. Описание экспериментальных установок н методика исследования..................................................................................................157

5.2. Измеряемые величины, измерительные приборы и погрешность измерения......................................................................................................172

S. à. Результаты испытаний............................................................................... 185

Глава 6. Меодика расчета технических средств систем подготовки и утилизации животноводческих стоков и экономическая эффективность их применения

6.1. Расчет технических средств системы подготовки

животноводческих стоков.............................................................................247

6.2. Расчет технических средств систем утилизации животноводческих стоков.............................................................................................................258

6.3. Расчет экономической эффективности от использования технических средств системы подготовки утилизации

животноводческих стоков........................................................................267

Общие выводы и рекомендации...............................................................TMd

Список использованной литературы.......................................................273

Приложения

Примеры расчета технических средств систем подготовки и утилизации животноводческих стоков.........................................................306

Бизнес-плам изготовление устройства для гашения гидравлических

ударов и устройства для управления насосными агрегатами.................323

Акты использования технических средств на сельскохозяйственных объектах................................................................................................................341

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируется 1634 комплекса, в том числе молочных - 1127, по откорму свиней - 295 и крупного рогатого скота 202, построенных до 1990 года. Несмотря на сокращение поголовья скота объем бесподстилочного навоза составляет 600 млн. м3, из них 300 млн. м3 жидкого навоза и навозных стоков. В связи с резким снижением внесения минеральных удобрений (10... 12 кг на га) роль органических удобрений в современном земледелии значительно возрастает. Однако возможности существующих технологий и технических средств ограничены ввиду недостаточной разработки теоретических основ и их конструкций и не обеспечивают полное использование органических удобрений, что приводит к загрязнению поверхностных водоисточников, грунтовых вод и почвы в местах расположения комплексов. Поэтому использование органических удобрений на основе разработки и внедрения перспективных машинных технологий и технических средств систем подготовки и утилизации, обеспечивающих строгое соблюдение хозяйственно-биологического круговорота веществ в земледелии, высокую их окупаемость при сохранении экологически чистой окружающей среды, является актуальной проблемой сельскохозяйственного производства.

Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в соответствии с государственными научно-техническими программами на 1985...1990 годы 0.85.01 "Разработать и внедрить научно-технические мероприятия по водообеспечению народного хозяйства и рациональному использованию и охране водных ресурсов", Республиканской (Федеральной) целевой научно-технической программой на 1992... 1995 годы "Разработать и освоить высокоэффективные ресурсосберегающие технологии и технические средства по воспроизводству плодородия почв для возделывания сельскохозяйственных культур на мелиорированных землях и сельскохозяйственному водоснабжению, обеспечивающие получение экологически безопасной продукции, охрану окружающей среды, интенсивное развитие производства и улучшение социально-бытовых условий жизни на селе".

Цель исследований - разработка технологий и технических средств, обеспечивающих экологически безопасное использование животноводческих стоков в сельском хозяйстве.

Объекты исследований - системы подготовки и утилизации стоков животноводческих комплексов.

Методика исследований - определение гидравлических характеристик новых технических средств систем подготовки и утилизации животноводческих стоков

проводили по общепринятым методикам. Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики. Исследования проводили на моделях, макетных и натурных образцах в производственных условиях.

Основные научные результаты:

- алгоритмы и программы расчета кислородного режима в отстойниках и циркуляционных окислительных каналах, позволяющие определять оптимальные условия обеззараживания животноводческих стоков в них;

- алгоритмы и программы расчета гидравлического удара, позволившие обосновать параметры гасителей, обеспечивающих эффективную защиту напорных трубопроводов от резкого повышения давления.

Оригинальность технологических и конструктивных решений защищена 25 авторскими свидетельствами и патентами.

Научную новизну составляют:

- зависимость скорости осаждения взвешенных веществ жидкого навоза свиней влажностью 92 < < 96,5% и плотностью 1014 < % < 1030 кг/м3 в вертикальных отстойниках в непроточном режиме, послужившая основой для разработки технологии очистки стоков, повышающей ее эффективность на 70...75%;

- аналитическая зависимость для определения силы динамического давления на чувствительный элемент устройства для управления насосными агрегатами, позволяющая использовать напорные трубопроводы в качестве каналов связи.

- зависимость времени воздействия силы приложенной извне на донные отложения в накопителе животноводческих стоков при его очистке;

- алгоритмы и программы расчета кислородного режима в 'аз.ротв^ках и циркуляционных окислительных каналах, позволяющие определять оптимальные условия обеззараживания животноводческих стоков в них;

- алгоритмы и программы расчета гидравлического удара, позволяющие обосновать основные параметры гасителей.

Практическую ценность имеют:

- технология разделения стоков, обеспечивающая удаление тонкодисперсных взвешенных веществ (а.с. №№ 1753976, 1748694, пат. №2073402, 2093645);

- конструктивная схема дренажной системы иловой площадки, обеспечивающая обезвоживание осадка (пат. №2091337);

- конструктивные схемы и основные параметры аэраторов и распределительного устройства, позволяющие полностью использовать кислород воздуха при обеззараживании животноводческих стоков (а.с. №1733403, пат. №2090520, 2094390);

конструктивные схемы биологических оксидационных контактных стабилизационных прудов, обеспечивающих обеззараживание стоков (а.с. № 1701648, пат. № 2078057, 2083507);

- конструктивная схема и основные параметры устройства для перемешивания стоков в накопителе (пат. № 2085065);

- конструктивная схема устройства, обеспечивающая забор животноводческих стоков из осветленного среднего слоя в накопителях (пат. № 2100919);

- конструктивная схема устройства, обеспечивающая использование напорных трубопроводов в качестве каналов связи для управления насосными агрегатами (а.с. № 1071811);

- технологии распределения животноводческих стоков поливом по бороздам (а.с. №№ 1664188, 1746947, 1837050) и конструктивная схема фрезы для нарезки и восстановления поливных борозд (пат. № 2090024);

- конструктивные схемы дождевального шлейфа (а.с. №15665422, 1777713) и гидравлического реле времени пат.№2092034), обеспечивающего поочередную работу дождевальных аппаратов;

- конструктивная схема устройства (пат. № 2111405), обеспечивающая защиту напорных трубопроводов от гидравлического удара;

- конструктивная схема устройства (а.с. № 1743513), обеспечивающая удаление от коровников навоза на площадку хранения.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями созданных технических средств и технологий. Адекватность результатов теоретических и экспериментальных исследований достигает 95% от уровня значимости.

Реализация результатов исследований.

Технологии и технические средства, обеспечивающие удаление тонкодисперсных взвешенных веществ из стоков, их обеззараживание в аэротенках, ЦОК и БОКС прудах и распределение на системах утилизации реализованы в ИЦ Союзводпроекте при проектировании систем подготовки и утилизации животноводческих стоков в Нечерноземной зоне РФ, в ГУ Южводпроекте, ОАО Севкавгипроводхозе и ОАО Алтайводпроекте при проектировании систем подготовки и утилизации животноводческих стоков в Алтайском и Ставропольском краях и Ростовской области и используются в хозяйствах Московской, Тульской, Воронежской и Нижегородской областях.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-практических конференциях ВНИИМЖ - 1982, ВИЭСХ - 1987, ТСХА - 1991, 1992, РАСХН - 1995, Научно-практической конференции "Экологически безопасное использование животноводческих стоков в сельском хозяйстве" (Барнаул - 1995), Международной научно-практической конференции "Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования" Пенза - 1996, Международной научно-практической конференции "проблемы охраны окружающей Среды от промышленных, бытовых, биологических и медицинских отходов, осадков сточных вод". Пенза - 1997. Международной научно-практической конференции "Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля" Пенза - 1998.

Результаты работы демонстрировались во Всероссийском выставочном центре 1993, 1994 и 1997, 1998 годах и отмечены двумя медалями "Лауреат ВВЦ".

Публикации. Материалы выполненных исследований опубликованы в 54 печатных работах, в числе которых описания авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав списка литературы, включающего 389 наименований источников, в том числе 30 на иностранных языках, и приложений. Основная часть диссертации содержит 219 страниц машинописного текста, 114 рисунков и 33 таблицы.

На защиту выносятся:

- технологическая схема и основные параметры предварительной сепарации животноводческих стоков в вертикальных отстойниках при непроточном режиме;

- конструктивные схемы и основные параметры очистки животноводческих стоков от тонкодисперсных взвешенных веществ;

- конструктивные схемы и основные параметры сооружений по очистке животноводческих стоков;

- обоснование процесса очистки накопителей от донных отложений;

- конструктивная схема и основные параметры устройства для забора животноводческих стоков из среднего осветленного слоя в накопителе;

- конструктивная схема и основные параметры устройства для управления насосными агрегатами, позволяющего использовать напорные трубопроводы в качестве каналов связи;

- конструктивная схема и основные параметры гасителей гидравлического удара, обеспечивающих защиту напорных трубопроводов от резкого повышения давления;

- технологическая схема полива по бороздам с перемычками, предотвращающая загрязнение почвы за пределами орошаемого поля.

Глава I. СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ МАШИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПОДГОТОВКИ И УТИЛИЗАЦИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ

1.1 Требования к машинным технологиям и техническим средствам систем подготовки и утилизации животноводческих стоков.

Одной из основных задач научно-технического прогресса в области подготовки и утилизации животноводческих стоков является создание совершенных систем с максимальной степенью механизации и автоматизации процесса подготовки и распределения их в соответствии с расчетными нормами и в лучшие агротехнические сроки на ирригационных полях утилизации и обеспечение в любой ландшафно-географической зоне гидрохимического режима, близкого к природному, экологически благоприятному, с допустимыми отклонениями от природных ритмов, составляющих балансов ландшафтов^ бассейнов и круговоротов, при этом регулируя малый, биологический круговорот, необходимо учитывать связь его с большим геологическим круговоротом [ 148].

Системы подготовки животноводческих стоков должны обеспечивать:

- прием и временное хранение навоза с учетом неравномерного его поступления в течение суток;

- карантирование и обеззараживание ( в случае возникновения эпизоотий);

- дегельминтизацию исходного навоза или полученного в процессе обработки исходного навоза;

- максимальное сохранение питательных веществ в исход