CC BY
29
УДК 628.356.1 Б01 10.24411/2078-1318-2019-11152
Аспирант М.И. ФАЙЗУЛЛИН
(ИжГСХА, [email protected])
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАКРЫТОГО КОМПОСТИРОВАНИЯ ПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА МЕТОДОМ ИСКУССТВЕННОЙ АЭРАЦИИ
Развал СССР усугубил проблему утилизации отходов животноводческих ферм, она всегда являлась острой. В Российской Федерации во всех категориях хозяйств насчитывается около 20 млн голов крупного рогатого скота, свиней - более 17 млн, овец - 21 млн, птицы -около 450 млн. Сегодня более 2 млн га земли занято под хранение навоза. Отходами животноводства покрыта площадь, равная почти половине территории Московской области. И этот ресурс представляет реальную экологическую угрозу, вместо того, чтобы работать на плодородие почв и высокие урожаи [1]. Перспективной и энергоэффективной технологией является искусственная вентиляция навозного бурта (метод принудительной аэрации навоза при компостировании). Насыщение внутренних объёмов навозного бурта кислородом обеспечивает ускоренное развитие аэробных бактерий, в процессе жизнедеятельности которых происходит интенсивное нагревание продукта вплоть до температур 60-70 °С. За счёт этого происходит уничтожение болезнетворной микрофлоры и самообеззараживание навоза в течение 1 -2 месяцев. Проблема переработки и утилизации отходов животноводства исключительно актуальна во многих странах мира [2].
Цель исследования - выявить влияние управляемых факторов на процесс нагрева навозного бурта в результате его искусственной аэрации.
Задачи исследования.
1. Получить уравнение математической модели, описывающее зависимость температуры навоза (соломонавозной смеси) при искусственной аэрации от трех факторов: относительной влажности, числа обработки в день и числа обработки в неделю.
2. Выявить влияние управляемых факторов на этот процесс.
3. Научно обосновать предлагаемые технические решения, методы и режимы утилизации и/или переработки отходов.
Материалы, методы и объекты исследования - общие и частные методики планирования многофакторного эксперимента.
Результаты исследования. Большинство технологий имеет ограниченное применение в холодное время года или связаны с применением дорогостоящего оборудования, или требуют большого объёма капитальных затрат [3-5].
Самый простой способ решения проблем - компостирование, которое позволяет на выходе получить ценное органическое удобрение, пригодное для непосредственного внесения в почву или её рекультивации. Однако этот метод требует значительной временной (до полугода) выдержки навоза / помета.
Известен перспективный метод компостирования с ускоренной аэробной ферментацией [2, 4, 5].
Для этого нами предлагается установка ускоренного компостирования, (рис. 1).
Лабораторная установка представляет собой компрессор, при помощи которого сквозь толщу навоза нагнетается воздух. Это приводит к развитию аэробных и термофильных бактерий, нагреванию навоза внутри бурта и ускоренной ферментации.
Использовался свежий подстилочный навоз крупного рогатого скота (соломонавозная смесь). После закладки навоза в ящики, снимаются показатели температуры. Предложена схема расположения контрольных точек для съёма показателей температуры на каждом уровне, а также разработана матрица планирования эксперимента, интервалы и уровни варьирования факторов (табл. 1-3) [4, 5].
В качестве управляемых факторов, влияющих на процесс ферментации навоза, были выбраны влажность исходного навоза (соломонавозной смеси) Ж (%), число обработок в
сутки N1 и число обработок в неделю N2. Интервалы и уровни варьирования факторов представлены в табл. 1 [5].
Рис. 1. Внешний вид установки для искусственной аэрации навоза Таблица 1. Интервалы и уровни варьирования управляемых факторов
Уровни Интервалы варьирования
Факторы нижний (-1) нулевой (0) верхний (+1)
Х\ - относительная влажность соломонавозной смеси Ж, % 67 77 87 10
Х2 - число обработок в сутки, раз 1 2 3 1
Хз - число обработок в неделю, раз 1 2 3 1
При исследовании навоза влажность изучаемых материалов определялась в соответствии с ГОСТ 26713-85 «Метод определения влаги и сухого остатка» [6]. Массовую долю влаги в процентах вычисляли по формуле:
ш, - т
X = —--- ,
ш
где Ш1 - масса чашки (бюкса) с навеской до высушивания, г; Ш2 - масса чашки (бюкса) с навеской после высушивания, г; ш - масса навески, г. В табл. 2 приведены исследования влажности навоза.
Таблица 2. Исследования влажности навоза в экспериментальных ящиках
Показатели Свежий навоз Полуперепревший навоз (контрольный ящик) Перепревший навоз (экспериментальный ящик)
Влажность, % 87,23 72,87 65,15
Расчётное среднесуточное количество и влажность экскрементов от одного животного крупного рогатого скота представлено в табл. 3.
Таблица 3. Среднесуточное количество и влажность экскрементов
Половозрастные группы животных Показатели Состав экскрементов
экскременты в том числе
кал моча
КРС Масса, кг 47,5 32,5 15
Влажность, % 87,2 84,1 94,55
На активность развития микробиологического синтеза в компосте большое влияние оказывает влажность смешанной массы, которая зависит от степени однородности перемешивания и размеров частиц компонентов. Для подстилки использовали солому в виде резки длиной от 8 до 15 см [7].
Готовые компосты должны иметь влажность 55-70 %.
Матрица планирования и результаты экспериментов представлены в табл. 4.
Таблица 4. Матрица планирования эксперимента
№ опыта Относительная влажность соломонавозной смеси Х1, % Число обработок в сутки Х2, раз Число обработок в неделю Хз, раз Температура навоза У, %
1 -1 0 1 54,5
2 -1 1 0 53,0
3 0 0 0 58,5
4 0 -1 0 63,0
5 -1 -1 -1 18
6 0 0 0 59,5
7 1 0 -1 55,0
8 1 0 1 62,5
9 0 1 1 54,0
10 -1 0 -1 50,5
11 0 1 -1 61,5
12 1 1 0 66,0
13 1 -1 1 68,0
14 0 -1 1 63,5
15 0 1 0 55,5
Схема расположения контрольных точек на каждом уровне представлена в табл. 5.
Таблица 5. Схема расположения контрольных точек
а = 12,5 см (0,125 м)
Ь = 25 см (0,250 м)_
с = 37,5 см (0,375 м)_
Уровни по высоте над свободной поверхности
В ящики однократно подается воздух в объеме 180-190 л (один цикл работы компрессора) и снова производятся замеры температуры.
В табл. 6 приведены значения температуры в контрольном ящике без обдувки воздухом.
1 2
5
3 4
Контрольные точки на каждом уровне
Таблица 6 Температурное поле в контрольном ящике 1 с навозом, °С
уровень 1 2 3 4 5
а 45,5 47,0 48,0 47,0 50,5
Ь 44,0 45,0 46,0 43,5 51,0
с 45,0 45,0 48,0 44,0 53,0
В табл. 7 приведены значения температуры в толще навоза для контрольных точек до и после однократной обработки воздухом.
Таблица 7 Температурное поле в экспериментальном ящике с навозом, °С
^^^^-^^точка уровень ^^^^^^ 1 2 3 4 5
а 50,5 51,0 50,5 50,5 51,0
50,0 50,0 50,0 50,0 52,5
Ь 49,0 49,5 50,5 51,0 54,0
49,0 49,5 50,5 50,5 56,0
с 50,0 50,5 51,0 50,0 58,0
50,0 50,5 51,0 51,0 58,5
Примечание: в числителе указаны температуры до обработки, в знаменателе - после однократной обработки воздухом через 15 мин. после обработки
Выводы. Таким образом, анализ данных показывает, что температурное поле имеет градиент по объему навозного бурта. Во всех случаях центральная часть кучи имеет более высокую температуру (в среднем на 4-11°С), чем навоз, лежащий по краям ящика. Кроме того, верхний слой навоза, контактирующий с окружающей средой, имеет более низкую температуру, по сравнению со слоями, лежащими ниже. Это объясняется тепло- и влагообменом поверхностного слоя с окружающей средой, что приводит к снижению температуры поверхностного слоя.
Средняя температура контрольной кучи навоза (математическое ожидание) составила 46,8°С, при величине доверительного интервала ±2,8°С (с вероятностью 68%).
Средняя температура экспериментальной кучи навоза после однократной обработки в течение дня и 2-кратной обработки в течение недели составила 53,9°С, при величине доверительного интервала ±4,4°С (с вероятностью 68%).
Следует отметить, что при закладке опытов 4 октября 2017 года температура в контрольном ящике в центре кучи составляла 22°С, через час поднялась до 42°С. В это время активно стали работать аэробные группы бактерий, выделяющие значительное количество тепла в процессе своей жизнедеятельности. Экспериментальные ящики с навозом подверглись однократной продувке воздухом и имели температуру несколько ниже - 32-35°С. Естественно, что обдувка кучи холодным воздухом ^в = 7,5°С) несколько снизила температуру, однако не столь существенно, что можно объяснить незначительным объемом прокачиваемого воздуха. На следующий день температура контрольной кучи снизилась до 36°С, а в экспериментальной куче, наоборот, поднялась до 40°С. В контрольной куче уже стал ощущаться недостаток кислорода и аэробные группы бактерий стали угнетаться, заменяясь на анаэробные бактерии, не выделяющие много тепла. В экспериментальной куче жизнедеятельность аэробных бактерий продолжалась. Следует отметить необходимость тщательного укрытия навоза пленкой или другим материалом для защиты от атмосферных осадков и сохранения тепла. В этом случае, а также при достаточном объеме компостируемого материала, доступе воздуха для жизнедеятельности аэробных бактерий можно достичь температуры 60°С и обеспечить обеззараживание навоза и превращение его в компост.
Литература
1. Rob van Haaren Large scale aerobic composting of source separated organic wastes:
A comparative study ofenvironmental impacts, costs, and contextual effects. / Rob van Haaren. -Columbia: Department of Earth and Environmental Engineering Fu Foundation of Engineering and Applied Science Columbia University, 2009. - 71 с.
2. Файзуллин М.И. Особенности распределения поля температур в толще навоза при обработке его воздухом // Инновационный потенциал сельскохозяйственной науки XXI века: вклад молодых учёных-исследователей: материалы Всероссийской научно-практической конференции (24-27 октября 2017 года). [Электронный ресурс] / ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА. - Ижевск: ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА, 2017. - С. 258-263.
3. Мохов А.А., Шакиров Р.Р. Планирование и анализ результатов экспериментального исследования работы машины для приготовления компоста: материалы Международной научно-практической конференции: в 3 томах / ФГБОУ ВО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия. - 2018. - С. 65-70.
4. Иванов А.Г. и др. Перспективная технология утилизации навоза методом ускоренной ферментации // Научно обоснованные технологии интенсификации сельскохозяйственного производства: материалы Международной научно-практической конференции: в 3-х томах / Министерство сельского хозяйства Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия». - 2017. - С. 77-82.
5. Файзуллин М.И. Планирование и анализ результатов полнофакторного эксперимента по обработке навоза воздухом // Инновационные технологии для реализации программы научно-технического развития сельского хозяйства: материалы Международной науч.-прак. конф. в 3-х томах (13-16 февраля 2018 года). - Ижевск, 2018. - С. 185-191.
6. Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта: НТП 17-1999. - Введ. 1999-05-31. - М.: Изд-во НПЦ «Гипронисельхоз», 1999. - 24 с.
7. Абдрахманов Р.К. и др. Обоснование параметров валков соломы и рабочих элементов разравнивателя // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2012. -№3. - С. 64-67.
Literatura
1. Rob van Haaren Large scale aerobic composting of source separated organic wastes:
A comparative study ofenvironmental impacts, costs, and contextual effects. / Rob van Haaren. -Columbia: Department of Earth and Environmental Engineering Fu Foundation of Engineering and Applied Science Columbia University, 2009. - 71 s.
2. Fajzullin M.I. Osobennosti raspredeleniya polya temperatur v tolshche navoza pri obrabotke ego vozduhom // Innovacionnyj potencial sel'skohozyaj stvennoj nauki XXI veka: vklad molodyh uchyonyh-issledovatelej: materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii (24-27 oktyabrya 2017 goda). [EHlektronnyj resurs] / FGBOU VO Izhevskaya GSKHA. -Izhevsk: FGBOU VO Izhevskaya GSKHA, 2017. - S. 258-263.
3. Mohov A.A., SHakirov R.R. Planirovanie i analiz rezul'tatov ehksperimental'nogo issledovaniya raboty mashiny dlya prigotovleniya komposta: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii: v 3 tomah / FGBOU VO Izhevskaya gosudarstvennaya sel'skohozyajstvennaya akademiya. - 2018. - S. 65-70.
4. Ivanov A.G. i dr. Perspektivnaya tekhnologiya utilizacii navoza metodom uskorennoj fermentacii // Nauchno obosnovannye tekhnologii intensifikacii sel'skohozyaj stvennogo proizvodstva: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii: v 3-h tomah / Ministerstvo sel'skogo hozyajstva Rossijskoj Federacii; Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Izhevskaya gosudarstvennaya sel'skohozyajstvennaya akademiya». - 2017. - S. 77-82.
5. Fajzullin M.I. Planirovanie i analiz rezul'tatov polnofaktornogo ehksperimenta po obrabotke navoza vozduhom // Innovacionnye tekhnologii dlya realizacii programmy nauchno-tekhnicheskogo razvitiya sel'skogo hozyajstva: materialy Mezhdunarodnoj nauch.-prak. konf. v 3-h tomah (13-16 fevralya 2018 goda). - Izhevsk, 2018. - S. 185-191.
6. Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya sistem udaleniya i podgotovki k ispol'zovaniyu navoza i pomyota: NTP 17-1999. - Vved. 1999-05-31. - M.: Izd-vo NPC «Giproniselhoz», 1999. - 24 s.
7. Abdrahmanov R.K. i dr. Obosnovanie parametrov valkov solomy i rabochih ehlementov razravnivatelya // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - №3. -S. 64-67.
УДК 621.311 (07) Б01 10.24411/2078-1318-2019-11157
Канд. техн. наук С.В. ГУЛИН (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук А.Г. ПИРКИН (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
ОСОБЕННОСТИ БИЗНЕС-ИНЖИНИРИНГА ПРИ СОЗДАНИИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Руководитель любой компании (фирмы), в том числе и в сферах электроэнергетики и электротехнологии, стремится к тому, чтобы его компания функционировала как единый четко отлаженный механизм, а различного рода изменения происходили в ней в направлении повышения ее эффективности четко и без задержек. Такого результата можно достигнуть, если выстроить работу компании с использованием методов универсального инжиниринга.
Метод универсального инжиниринга базируется на том, что цели, задачи, процессы и организационная структура компании сводятся в четкую понятную для всех ее сотрудников систему и каждое организационное или управленческое решение вытекает из видения общего процесса развития компании [1].
Вместе с тем использование инжинирингового подхода позволяет каждому сотруднику организации, создающей и (или) эксплуатирующей сложные электротехнологические системы, четко видеть свое место в общем процессе ее функционирования. В дальнейшем для краткости изложения термин «универсальный инжиниринг» заменим термином «инжиниринг».
Цель исследования - формирование методологии бизнес-инжиниринга в сфере проектирования, создания и эксплуатации сложных электротехнологических систем на примере вегетационных климатических установок (ВКУ). Исходным понятием при изучении бизнес-инжиниринга является бизнес-процесс (БП). БП представляет собой совокупность действий, которые реализуют одну (или несколько) из бизнес-целей компании [2].
Графически бизнес-процесс можно интерпретировать следующим образом (рис. 1).
Рис. 1. К определению бизнес-процесса
Бизнес-процесс отличается от обычного технологического процесса тем, что в нем обязательно участие человека.
Материалы, методы и объекты исследования. Бизнес-инжиниринг (business engineering) представляет собой современную технологию управления, построенную на формальном, точном, полном и всестороннем описании деятельности компании (фирмы) путем формирования ее базовых информационных моделей в тесном взаимодействии с моделью внешней среды.
