Повышение эффективности использования вентиляционных выбросов коровников путем оптимизации параметров системы их утилизации в культивационных сооружениях
На правах рукописи
МИРОНОВ ВЯЧЕСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ КОРОВНИКОВ ПУТЕМ
ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ИХ УТИЛИЗАЦИИ
В КУЛЬТИВАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЯХ
Специальность 05.20.01 –
Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2011
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Северо Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук.
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Гордеев Владислав Владимирович
Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор Вагин Борис Иванович – доктор технических наук, профессор Афанасьев Вячеслав Николаевич
Ведущая организация – Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии)
Защита состоится 2 февраля 2012 года в 900 часов на заседании диссертацион ного совета Д 006.054.01 при Государственном научном учреждении Северо Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3, факс (812) 466-56-66, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии
Автореферат разослан 23 декабря 2011 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Животноводческие фермы, так же, как и промыш ленные предприятия, являются загрязнителями природы. Опасность для окру жающей среды, здоровья человека и животного представляют вентиляционные выбросы. Ежегодно вентиляционный воздух животноводческих ферм РФ не прерывно выносит в наружную атмосферу 39 млрд м3 углекислого газа, 1,8 млрд м3 аммиака, 700 тыс. м3 сероводорода, 82 тыс. т пыли, патогенную микрофлору, образующиеся внутри помещений, что ухудшает экологическую ситуацию, как в локальном, так и планетарном масштабе.
Из вентиляционных выбросов животноводческих помещений наиболее опасен углекислый газ, повышенное содержание которого в атмосфере Земли приводит к потеплению климата вследствие парникового эффекта.
Основное количество выбрасываемого углекислого газа и аммиака среди сельскохозяйственных животных и птицы Российской Федерации приходится на фермы крупного рогатого скота (КРС).
Проблема снижения интенсивности выброса в атмосферу вредных ве ществ, образующихся в животноводческих помещениях, является актуальной задачей, чему и посвящена настоящая диссертационная работа.
Проводимые нами исследования направлены на обеспечение экологиче ской безопасности молочных ферм путем использования вентиляционных вы бросов в замкнутом цикле предприятия, состоящего из животноводческой фер мы и культивационного сооружения.
Проведенные исследования являются составной частью работ, выпол няемых в ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии по программе фундамен тальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению АПК РФ на 2006-2010 г.г. по заданию 09.01.03 «Разра ботать машинные наукоемкие технологии конкурентоспособных приоритет ных групп продукции животноводства», № госрегистрации 01200852549.
Цель исследования. Повышение эффективности использования венти ляционных выбросов коровников.
Предмет исследования. Технологический процесс и технические сред ства удаления и утилизации вентиляционных выбросов на фермах КРС.
Научная новизна работы состоит в обосновании закономерностей процесса удаления вентиляционных выбросов коровников и подачи их в куль тивационные сооружения.
Практическую значимость работы составляют:
- технологическая схема утилизации вентиляционных выбросов коров ников в культивационных сооружениях;
- блок-схема алгоритма расчета площади прифермской теплицы;
- научно-обоснованные оптимальные параметры системы утилизации вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях;
- устройство для очистки воздуха животноводческого помещения (па тент № 2419282).
Разработанное в результате исследований устройство утилизации вен тиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях позволя ет снизить выбросы в окружающую среду, при этом сократить вегетационный период выращиваемых культур в среднем на 4,3 дня и расход минеральных удобрений. Расчетный экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства утилизации вентиляционных выбросов коровника на 100 коров со шлейфом в культивационные сооружения составляет 112,79 тыс. руб. в год.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до ложены и обсуждены на:
- научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГОУ ВПО СПбГАУ (Санкт-Петербург – Пушкин, в 2008 – 2010 гг.);
- Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии использования торфа в сельском хозяйстве» (ГНУ ВНИИОУ Рос сельхозакадемии, 2010 г.);
- Международной научно-практической конференции «Научно технический прогресс в животноводстве – инновационные технологии и мо дернизация в отрасли» (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2011 г.);
- VII Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения» (ГНУ СЗНИИ МЭСХ Россельхозакадемии, 2011 г.).
Положения, выносимые на защиту:
- обоснование выбора способа и технических средств утилизации вен тиляционных выбросов коровников;
- алгоритм расчета площади прифермской теплицы для утилизации вен тиляционных выбросов коровников;
- математические модели поглощениия углекислого газа и аммиака в за висимости от параметров системы утилизации вентиляционных выбросов;
- оптимальные параметры системы утилизации вентиляционных выбро сов коровников;
- экономическая эффективность использования вентиляционных выбро сов коровников в замкнутом цикле предприятия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ общим объемом 2,9 печатных листа, в том числе 5 в изданиях, рекомендован ных ВАК РФ, получен патент Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 стра ницах машинописного текста и содержит 24 таблицы, 55 рисунков. Состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка литературы из 93 наименований, из которых 9 на иностранных языках и 10 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы. Сформулированы цель и положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» рассмот рено влияние вентиляционных выбросов на состояние экологической обста новки как внутри, так и вокруг ферм КРС. Рассмотрен состав и свойства венти ляционных выбросов, образующихся в животноводческом помещении. Про анализированы способы очистки воздуха животноводческих ферм, сущест вующие в России и за рубежом, представлены результаты патентного поиска.
Значительный вклад в решение проблемы в области механизированных технологий охраны окружающей среды на животноводческих фермах и ком плексах внесли Хазанов Е.Е., Максимов Н.В., Афанасьев В.Н., Козлова Н.П., Скуратов В.Б., Новиков Н.Н., Самарин В.А., Самарин Г.Н. и др.
Все существующие способы очистки вентиляционного воздуха можно классифицировать на механические, электростатические, биологические, сорбционные, каталитические, химические. Анализ этих методов показал, что все способы крайне дороги в обслуживании, а присутствие веществ, исполь зуемых в установках, опасно для организма человека и животных.
В воздухе животноводческих помещений содержатся углекислый газ (СО2), аммиак (NН3), сероводород (Н2S), клоачные газы и другие токсические продукты гниения и брожения органических веществ (скатол, инертол, меркаптан и др.).
Было выявлено, что содержащиеся в воздухе примеси углекислого газа, аммиака и сероводорода обладают высокой растворимостью в почвенной влаге, вступают в химические соединения с почвенными компонентами, тем самым, удобряя почвенный субстрат.
Поэтому проблему обеспечения экологической безопасности животно водческих ферм КРС следует решать путем сочетания фермы с промышлен ным растениеводством таким образом, чтобы отходы этих неразрывно связан ных отраслей утилизировались с наибольшим эффектом в замкнутом цикле предприятия. Наиболее близок к промышленному растениеводству защищен ный грунт - теплицы. Площадь теплиц используется весьма интенсивно почти круглый год. Если связать фермы и теплицы, то можно сократить выброс вред ных веществ в атмосферу, снизить нерациональные потери тепловой энергии. В качестве растений целесообразно использовать цветочные культуры, так как к ним не предъявляются жесткие санитарные требования.
С учетом изложенного и в соответствии с поставленной целью сформу лированы следующие задачи исследования:
- разработать устройство для утилизации вентиляционных выбросов ко ровников в культивационных сооружениях;
- теоретически и экспериментально обосновать параметры системы утили зации вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях;
- определить площадь теплицы для утилизации вентиляционных выбросов;
- провести экспериментальные исследования по утилизации вентиляци онных выбросов коровников в культивационных сооружениях и определить оптимальные параметры системы;
- определить экономическую эффективность использования предлагае мой системы утилизации вентиляционных выбросов коровников в культиваци онных сооружениях.
Во второй главе «Теоретические исследования процесса утилизации вентиляционных выбросов коровников с подачей их в культивационные со оружения под цветочные культуры» обоснована технологическая схема утили зации вентиляционных выбросов коровников в культивационные сооружения для подпочвенной подкормки растений. Для описания системы утилизации вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях была составлена информационная модель, на основе анализа которой выявлены наи более значимые факторы установки: глубина залегания и шаг перфорации трубопровода.
Обоснован выбор цветочных культур закрытого грунта при подпочвен ной подаче вентиляционных выбросов и технология их выращивания. Венти ляционные выбросы коровников в отличие от атмосферного воздуха отличают ся повышенным содержанием углекислого газа. Поэтому целесообразно ис пользовать цветочные культуры, на питание которых существенное влияние оказывает концентрация углекислого газа, это, прежде всего, выращиваемые на срез: роза, каллы, а также некоторые рассадные культуры, например, бархатцы, петунья. В качестве почвогрунта для цветочных культур используется торф – это один из самых распространенных в России субстратов.
Обоснованы параметры работы установки утилизации вентиляционных выбросов в культивационных сооружениях. На рис. 1 показана схема утилиза ции вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях для подпочвенной подкормки растений.
При естественной вентиляции в животноводческое помещение воздух поступает и удаляется из него благодаря разной плотности воздуха внутри по мещения и вне его, то есть при нагревании воздух расширяется, становится более легким, поднимается вверх и удаляется из коровника, в результате чего в помещении образуется разряжение и поступает свежий воздух. На пути выхода этого воздуха устанавливаем перфорированные воздуховоды под коньком крыши, где создается разряжение с помощью всасывающего вентилятора, рас положенного в вентиляционном помещении. Благодаря этому разряжению теп лый загрязненный воздух из животноводческого помещения поступает в пер форированный воздуховод и вентилятором нагнетается в теплицу, где распо ложены растения. При этом воздух из животноводческого помещения подают в теплицу с помощью перфорированных трубопроводов аэрационного дрена жа, уложенных на глубину от 10 до 25 см от поверхности почвы в зависимо сти от выращиваемой культуры. В том случае, когда температура ниже тре буемой для оптимального роста растений подключают нагреватель (например, Рис. 1. Схема утилизации вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях 1 - животноводческое помещение;
2 – воздуховод;
3 – фильтр;
4 – нагреватель (электрокалорифер);
5 – всасывающий вентилятор;
6 – теплица;
7 – перфорированный трубопровод.
электрокалорифер) и регулируют температуру подаваемого воздуха в почву на уровне оптимальной для растений. Для очистки поступающего из животновод ческого помещения в теплицу воздуха от пыли установлен фильтр, находящий ся в воздуховоде между животноводческим помещением и теплицей.
Почва с проложенными в ней трубопроводами представляет собой по своей сути водяной скруббер с органическим наполнителем. Обладая высокой растворимостью, содержащиеся в воздухе примеси углекислого газа, аммиака и сероводорода растворяются в почвенной влаге, вступают в биохимические ре акции с почвенными компонентами и являются подкормкой для растений.
Образующаяся в почвенном растворе углекислота нейтрализуется по глощенными основаниями Са, Мg, Nа, а также карбонатами Са и Мg. Часть газа диффундирует с воздухом через почвенный слой в воздушное пространст во теплиц. Растения усваивают СО2 не только из воздуха, но и при помощи корневой системы (до 25% того количества, что усваивают листья в газообраз ном, растворенном состоянии или в виде углекислой соли).
Аммиак, растворяясь в почвенной влаге, преобразуется в аммонийный азот NH4, который растения поглощают интенсивнее, чем нитратный – NО3.
При этом содержание аммонийной формы азота должно быть не более 30% от общего его количества в почве. В зависимости от условий растения используют от 50 до 75% внесенного в почву азота, 10-35% азота теряется на денитрифика цию и 10-15% поглощается микроорганизмами почвы, которые превращают азот в органическое вещество.
Сероводород, растворяясь в почвенном растворе, в присутствии воздуха и под воздействием бактерий преобразуется в сульфаты, которые извлекаются из почвы растениями, образуя белковые вещества, содержащие серу. Таким образом, подача примесей сероводорода в подпочвенный слой способствует обогащению почвы усвояемыми для растений компонентами серы.
Использование предлагаемой системы утилизации вентиляционных вы бросов в культивационных сооружениях сводит к минимуму выброс вредных газов в атмосферу.
Согласно технологии выращивания растений в теплице плотность раз мещения их на единицу объема помещения есть величина постоянная. Поэтому воздух из коровника по длине теплицы необходимо подавать равномерно. При этом скорость выпуска воздуха из отверстий перфорированного воздуховода должна быть одинаковой по длине для обеспечения возможности поддержания равномерного аэродинамического режима вентиляции.
При подборе вентиляторов нужно знать требуемую подачу и полное давление, которое должен развивать вентилятор.
Подачу вентилятора Qв (м3/ч) принимаем по значению расчетного воз духообмена Q с учетом подсосов воздуха в воздуховодах и определяем по формуле:
273 tвв (1) Q Q, в п 273 tп где кn – поправочный коэффициент на подсосы воздуха в воздуховодах;
tвв – температура воздуха проходящего через вентилятор, °С;
tп – температура воздуха в рабочей зоне помещения, °С.
Расчетное полное давление Рв (Па), которое должен развивать вентиля тор, определяют по формуле:
(2) Рв 1,1 Rl Z Pд.вых Рк РС, где 1,1 – коэффициент запаса давления на непредвиденные сопротивления;
Rl Z – потери давления на трение и в местных сопротивлениях, Па;
R – удельная потеря давления на трение, Па/м;
l – длина участка воздуховода, м;
Z Pд – потеря давления в местных сопротивлениях участка воздуховода, Па;
– сумма коэффициентов местных сопротивлений;
Pд – динамическое давление потока воздуха, Па;
– скорость движения воздуха в трубопроводе, м/с;
– плотность воздуха в трубопроводе, кг/м3;
Рд.вых – динамическое давление на выходе из сети, Па;
Рк – сопротивление калориферов, Па;
РС – сопротивление субстрата, Па;
Равномерное распределение воздуха по длине перфорированного трубопро вода при помощи перфорированного воздуховода постоянного сечения обеспечи вается за счет различных по площади его воздуховыпускных отверстий.
Диаметр перфорированного трубопровода находим:
4 Qв (3) D,м Для определения площади последнего по ходу воздуха отверстия пользу емся формулой:
Q1 (4), м f 3600 n где Q1 – расход воздуха через рассчитываемый трубопровод, м3/ч;
n – число отверстий трубопровода;
1 – скорость воздуха на выходе из отверстий.
Диаметр отверстия равен:
f1, (5) d Площадь i-го отверстия:
f i Аi f1, (6) Коэффициент Аi находят по формуле:
Ai. (7) i 1 f 1 F где 0, 65 - коэффициент расхода;
F – площадь сечения воздуховода, м2.
Отверстия в перфорированных трубопроводах при сборке системы ути лизации вентиляционных выбросов должны быть направлены вниз для устра нения их забивания торфом. Перфорированный трубопровод укладывается в слой дренажа посередине между рядами растений. Глубина заложения трубо провода зависит от выращиваемой культуры.
Требуемая площадь прифермской теплицы рассчитывается из условия утилизации вентиляционных выбросов животноводческого помещения для поддержания в нем требуемых параметров воздушной среды. На рис. 2 пока зана блок-схема алгоритма расчета площади прифермской теплицы.
Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета площади прифермской теплицы Входными параметрами блок-схемы алгоритма расчета площади при фермской теплицы являются:
qCO - количество углекислоты, выделяемое одной коровой, л/ч;
ГЦ – количество животных на ферме, голов;
Cд _ СО – допустимое содержание углекислоты в воздухе, л/м ;
C атм _ СО2 – содержание углекислоты в наружном воздухе, л/м ;
GW – количество водяных паров, выделяемых одной коровой, г/ч;
к – коэффициент, показывающий изменение количества выделяемых во дяных паров в зависимости от температуры воздуха внутри помещения;
GД – добавочное количество водяных паров, выделяемых всеми живот ными, при относительной влажности 80-85%;
GИСП – количество влаги, испаряющееся с кормушек, поилок, пола и др.
ограждений, г/ч;
dВ и dН – влагосодержание внутреннего и наружного воздуха, г/кг;
НВ - объемный вес наружного воздуха, кг/м3;
C К _ СО – допустимое содержание углекислоты в воздухе, л/м ;
П – норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м2ч;
ТП – время дополнительной подкормки растений углекислым газом в те чение светлого периода суток – 10-12 ч;
G' – содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческо го помещения, образующегося в течение суток, кг;
ТВ – вегетационный период выращивания растений в теплице, дней;
П' – потребление азота одним растением за период вегетации (ТВ дней), кг/шт.;
n – количество растений, произрастающих на 1 м2 теплицы, шт./м2.
Из расчета количества углекислоты, выделяемой всеми животными, на ходящимися в помещении, и общего выделения водяных паров находим коли чество воздуха, которое необходимо удалить из помещения для поддержания в нем углекислого газа и влаги в пределах нормы.
Если количество воздуха, рассчитанного по влаге, получается больше, чем по углекислому газу, тогда относительную влажность воздуха необходимо снизить общеизвестными методами.
Площадь теплицы рассчитывается из условия поглощения углекислого газа и аммиака почвой и растениями.
Для этого проводим расчет площади теплицы по углекислому газу, исхо дя из количества углекислого газа, удаляемого из животноводческого помеще ния, и в зависимости от нормы и времени дополнительной подкормки растений углекислым газом.
Площадь теплицы по аммиаку рассчитывается исходя из его концентрации в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, вегетационного пе риода выращивания растений и потребления азота растениями на 1 м2 теплицы.
При этом окончательная площадь теплицы принимается по максималь ному значению полученных площадей, рассчитанных по аммиаку или углеки слому газу.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследо ваний» изложены программа и методика проведения опытов, оборудование и приспособления, применяемые при экспериментальных исследованиях, пред ставлена методика обработки экспериментальных данных.
Программа экспериментальных исследований предусматривала следующее:
- определение параметров системы утилизации вентиляционных выбросов;
- определение влияния глубины залегания и шага перфорации трубопро вода на поглощение вентиляционных выбросов почвенным субстратом, расте ниями и развитие цветочных культур в культивационных сооружениях;
- оптимизация параметров системы утилизации вентиляционных выбросов;
- оценка эффективности использования вентиляционных выбросов ко ровников в культивационных сооружениях.
Для проведения экспериментальных исследований и решения поставлен ных задач была изготовлена теплица и установлена на территории фермы (рис. 3).
Рис. 3. Экспериментальная теплица Теплица была разделена на две части - опытную и контрольную. Внутри теплицы располагались камеры с разными вариантами факторов. Каждая опыт ная камера представляла собой деревянный каркас, покрытый газонепроницае мым экраном из светопрозрачного материала. Экраны были установлены таким образом, чтобы их можно было легко открывать при посадке растений и сборе урожая и закрывать на период проведения опыта, не повреждая подводящие шланги. На дне камер установлены поддоны с лотками для выращивания рас тений. В лотках с субстратом на установленную глубину в слой дренажа про ложен перфорированный полиэтиленовый трубопровод. Коровник с теплицей соединен воздуховодом, по которому компрессором закачивали воздух из ко ровника (вентиляционные выбросы) через подводящие шланги в перфориро ванные полиэтиленовые трубопроводы, расположенные в каждой камере.
Технологическая схема подачи вентиляционных выбросов в культиваци онное сооружение была выбрана с учетом простоты изготовления и эксплуата ции установки.
Экспериментальные исследования проведены в соответствии с общепри нятыми методиками с использованием планирования 2х факторного экспери мента по трех уровневому плану Бокса-Бенкина.
При планировании эксперимента рассматривали два наиболее значимых и линейно независимых фактора: глубина залегания h, (м) и шаг перфора ции р, (м) трубопровода. Предельные значения этих факторов установили в результате проведения предварительных опытов и анализа литературных ис точников (табл.).
Таблица Уровни факторов и интервалы варьирования Кодовое Обозна- Интервал Уровни Факторы обозна- варьирова- варьирования чение чение ния – 0 + Глубина залегания h X1 0,05 0,1 0,15 0, трубопровода, (м) Шаг перфорации р X2 0,02 0,02 0,04 0, трубопровода, (м) Задача сводилась к нахождению максимального прироста зеленой массы на единицу вегетационного периода при оптимальных параметрах работы обо рудования.
В исследованиях использовали рассаду цветочных культур бархатцев.
Данные, полученные в результате опытов, обрабатывались с использова нием программы Statgraphics Centurion XV.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты исследований утилизации вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях.
По данным проведенных экспериментальных исследований были полу чены математические модели: поглощения аммиака NH3 и углекислого газа CO2 почвенным субстратом и растениями;
биометрических показателей (высо ты l, массы m и количества цветоносов и бутонов q) растений от рассматривае мых факторов: р – шаг перфорации, h – глубина залегания трубопровода.
NH3 = 64,333 + 13,0 h - 4,0 p - 1,666 h2;
(8) CO2 = 43 + 9,833 h - 1,666 p - 2,5 h2+ 1,0 p2;
(9) 2 l= 27,796 + 0,606 h + 0,285 p + 0,166 h + 1,631 p ;
(10) 2 m = 67,286 + 1,348 h - 1,661 p + 3,585 h + 4,405 p ;
(11) 2 q = 3,977 - 1,383 h + 0,883 h + 0,25 h p + 0,383 p. (12) Рассмотрев значения коэффициентов уравнений можно сделать вывод, что наибольшее влияние на поглощение почвенным субстратом, растениями аммиака и углекислого газа оказывает глубина залегания трубопровода. По глощение повышается с увеличением глубины залегания трубопровода и уменьшением шага перфорации.
Наибольшее влияние на высоту, количество цветоносов и бутонов расте ний оказывает глубина залегания трубопровода.
Наибольшее влияние на массу оказывает шаг перфорации трубопровода.
По уравнениям регрессии построены поверхности откликов в трехмер ном изображении: NH3=f(h,p);
CO2=f(h,p);
l=f(h,p);
m=f(h,p);
q=f(h,p) представ ленные на рис. 4.
а б г в Рис. 4. Поверхности отклика в трехмерном д изображении, показывающие влияние глу бины залегания и шага перфорации трубо провода на: поглощение аммиака (а), угле кислого газа (б) почвенным субстратом и растениями;
биометрические показатели (высоту (в), массу (г) и количество цвето носов и бутонов (д)) растений Исследование процесса утилизации вентиляционных выбросов коровни ков показало, что при подаче их в культивационное сооружение через почвен ный субстрат снижается содержание аммиака в воздухе в среднем с концентра ции 4-12 мг/м3 до 0-8 мг/м3 (на 45-78%) и углекислого газа с 0,06-0,12% до 0,03 0,09% (на 30-52%), что способствует снижению выбросов вредных веществ от животноводческих помещений в окружающую среду.
Исследования показали, что внутрипочвенная подача вентиляционных выбросов коровника в культивационные сооружения обеспечила повышение урожайности цветоносов и бутонов бархатцев в среднем на 137% по сравне нию с контролем, максимум получен при глубине залегания трубопровода – 0,1 м и шаге перфорации – 0,02 м, увеличение высоты на 24%, максимум по лучен при глубине залегания трубопровода – 0,2 м и шаге перфорации – 0,06 м и увеличение массы на 33%, максимум получен при глубине залегания трубо провода – 0,2 м и шаге перфорации – 0,02 м (рис. 5).
В опытных вариантах наблюдается уменьшение периода вегетации в среднем на 4,3 дня по сравнению с контролем.
а б Рис. 5. Рассада бархатцев: а) опытный вариант;
б) контроль Рациональность подачи вентиляционных выбросов коровников через почвенный субстрат с целью повышения урожайности растений определяется, прежде всего, коэффициентом энергетической эффективности который опреде ляется по выражению:
Н у Ау. (13) R Е i где Нy - урожай, кг;
Аy – энергетический эквивалент, МДж/кг;
Ei – сумма энергетических затрат (берется только по удобрениям).
Преимущества нового варианта питания растений по энергетическим по казателям получены за счет повышения урожайности вследствие улучшения минерального питания растений.
Использование вентиляционных выбросов коровника для повышения плодородия почвенного субстрата теплицы и урожайности, выращиваемых в ней растений позволило увеличить при данных условиях коэффициент энерге тической эффективности теплицы с 1,35 до 1,7, т.е. на 25,2%.
Для нахождения оптимальных параметров системы утилизации вентиля ционных выбросов коровников в культивационных сооружениях использовали нелинейное программирование, позволяющее в зависимости от поставленной задачи находить оптимальные значения факторов.
Решение задачи оптимизации записывается в следующем виде:
K пр f X 1, Х 2 max;
(14) NH 3 f X 1, Х 2 max;
СО2 f X 1, Х 2 min;
0, 02 X 1 0, 06;
0,1 X 2 0, 2.
где Kпр. – биометрические показатели растений;
NH3 и CO2 - поглощение почвенным субстратом и растениями соот ветственно аммиака и углекислого газа;
Х1 – глубина залегания трубопровода, h м;
Х2 – шаг перфорации трубопровода, р м.
Решение задачи оптимизации параметров работы установки выполнялось на ЭВМ в программе Statgraphics Centurion XV.
В результате решения получили: глубина залегания трубопровода – 0,112 м и шаг перфорации трубопровода – 0,021 м.
По окончании опыта для оценки влияния вентиляционных выбросов ко ровников на изменение питательного состава торфогрунта, был проведен агро химический анализ. В результате чего получили, что лучшие показатели по максимальному содержанию показателей NPK имеет камера с глубиной зале гания трубопровода h = 0,1 м. Наибольшее увеличение произошло по оксиду калия (К2О) - в 2,3 раза (на 132%), оксид фосфора (P2O5) увеличился в 1,3 раза (на 31%) и аммонийный азот (N-NH4) – в 2,2 раза (117%) по сравнению с контролем.
Как следует из результатов исследований, подача вентиляционных вы бросов в культивационные сооружения позволит снизить выброс вредных ве ществ от животноводческих помещений в окружающую среду, при этом повы сить урожайность цветов, плодородие субстрата и, как следствие, сократить расход минеральных удобрений при выращивании растений.
В пятой главе «Экономическая эффективность использования вентиля ционных выбросов коровников в замкнутом цикле предприятия» приведены результаты расчетов эффективности от применения системы утилизации вен тиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях на при мере коровника с поголовьем 100 коров со шлейфом и теплицы. В качестве базового варианта принят коровник на 100 коров со шлейфом и отдельно стоящая теплица с выращиванием бархатцев. Источниками эффекта выступа ют: экономия затрат на удобрения, прибыль от прибавки урожая цветочных культур, экономия платы за выброс вентиляционных выбросов в окружающую среду.
Прибыль от реализации дополнительного урожая цветов составила 110 тыс. руб., платежи за выброс загрязняющих веществ в атмосферу для хо зяйства составила 0,041 тыс. руб., экономия на приобретение удобрений – 2,75 тыс. руб.
В целом расчетный экономический эффект от применения системы ути лизации вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооруже ниях составил 112,79 тыс. руб. в год, срок окупаемости – 3,5 года с момента реализации первого урожая цветов при подкормке растений вентиляционными выбросами коровника.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. В результате анализа технологий и технических средств утилизации вентиляционных выбросов животноводческих ферм определено, что наиболее перспективный способ утилизации вентиляционных выбросов – подпочвенная подача их в культивационные сооружения с целью подкормки цветочных культур.
2. Разработанный алгоритм расчета площади прифермской теплицы по зволяет определить её площадь для утилизации вентиляционных выбросов в светлое время суток. Рекомендуемая площадь прифермской теплицы составля ет 16,6 м2 на корову.
3. Определены параметры, необходимые для проектирования системы утилизации вентиляционных выбросов коровников в культивационных соору жениях. Для коровника на 100 коров со шлейфом значения данных параметров состовляют: требуемая производительность вентилятора QВ = 10 423 м3/ч, дав ление вентилятора PВ = 2 232 Па, диаметр перфорированного трубопровода D = 0,02 м и ее диаметр отверстий d = 0,0038-0,0081 м.
4. Результаты экспериментальных исследований системы позволили по лучить математические модели: поглощения аммиака и углекислого газа поч венным субстратом и растениями;
биометрических показателей (количества цветоносов и бутонов, массы и высоты) растений от шага перфорации и глу бины залегания трубопровода подачи. На основании анализа полученных мо делей определены оптимальные параметры системы утилизации вентиляцион ных выбросов в культивационные сооружения: глубина залегания трубопрово да h = 0,112 м и шаг перфорации р = 0,021 м.
5. Исследование процесса утилизации вентиляционных выбросов ко ровников показало, что при подаче их в культивационное сооружение через почвенный субстрат снижается содержание аммиака в воздухе в среднем с концентрации 4-12 мг/м3 до 0-8 мг/м3 (на 45-78%) и углекислого газа с 0,06 0,12% до 0,03-0,09% (на 30-52%), что способствует снижению выбросов вред ных веществ от животноводческих помещений в окружающую среду.
6. Производственная проверка внутрипочвенной подачи вентиляцион ных выбросов коровника в культивационные сооружения обеспечила по срав нению с контролем: повышение урожайности цветоносов и бутонов бархатцев в среднем на 137%, увеличение высоты растений на 24% и увеличение массы растений на 33%;
уменьшение периода вегетации в среднем на 4,3 дня;
повы шение плодородия торфогрунта по содержанию К2О - в 2,3 раза (на 132%), P2O5 - в 1,3 раза (на 31%) и N-NH4 – в 2,2 раза (117%).
7. Использование вентиляционных выбросов коровника для повышения плодородия почвенного субстрата теплицы и урожайности, выращиваемых в ней растений позволило увеличить при данных условиях коэффициент энерге тической эффективности теплицы с 1,35 до 1,7, т.е. на 25,2%.
8. Для получения дополнительной прибыли при утилизации вентиляци онных выбросов коровников посредством подкормок целесообразно использо вать цветочные культуры, так как к ним не предъявляются жесткие санитар ные требования, и они положительно реагируют на подкормки углекислым газом повышением урожайности цветов.
9. Расчетный экономический эффект от внедрения предложенной сис темы утилизации вентиляционных выбросов коровника на 100 коров со шлей фом в культивационных сооружениях составляет 112,79 тыс. руб. в год. Ис точниками эффекта являются: экономия затрат на приобретение удобрений, прибыль от прибавки урожая цветочных культур, экономия платы за выброс загрязняющих веществ в атмосферу.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Миронов, В.Н. Производственная проверка влияния вентиляционных выбросов коровников на рост и развитие цветов в культивационных сооруже ниях Текст / В.Н. Миронов, В.В. Гордеев // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. Ежеквартальный научный журнал. 2011. – № 23 – С. 392-397.
2. Миронов, В.Н. Вентиляционные выбросы – на подкормку Текст / В.Н. Миронов // Сельский механизатор. – 2011. – № 7. – С. 32-33.
3. Миронов, В.Н. Устройство для очистки воздуха животноводческого помещения Текст / В.Н. Миронов, Т.Ю. Миронова, В.В. Гордеев // Техника в сельском хозяйстве. – 2011. – № 4. – С. 10-12.
4. Миронов, В.Н. Передовые технологии в хозяйстве ленинградской об ласти Текст / В.В. Гордеев, В.В. Шарабарин, В.Н. Миронов // Сельскохозяй ственные машины и технологии. – 2011. – № 4 – С. 43-44.
5. Миронов, В.Н. Роль вентиляционных выбросов коровников в культи вационных сооружениях Текст / В.Н. Миронов // Сельскохозяйственные ма шины и технологии. – 2011. – № 5 – С. 44-46.
публикации в других изданиях:
1. Миронов, В.Н. Методика лабораторных исследований утилизации вентиляционных выбросов коровников Текст / В.В. Гордеев, В.Н. Миронов // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: Сб. науч. тр.
– СПб.: СПбГАУ. - 2009. – С. 285-287.
2. Миронов, В.Н. Перспективы утилизации вентиляционных выбросов ферм КРС Текст / В.В. Гордеев, В.Н. Миронов, Т.Ю. Миронова // Материалы IV международной научно-практической конференции «Вклад молодых уче ных в развитие науки». – Великие Луки: РИО ВГСХА. - 2009. – С. 246-249.
3. Миронов, В.Н. К разработке технологии безопасной утилизации вен тиляционных выбросов коровников Текст / В.Н. Миронов // Материалы меж дународной научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь и инновации – 2009». В 2-х ч. / Гл. ред. А.П. Курдеко. - Горки: Белорусская госу дарственная сельскохозяйственная академия. - 2009. - Ч. 2. - С. 90-92.
4. Миронов, В.Н. Экологически безопасная утилизация вентиляционных выбросов коровников в условиях защищенного грунта Текст / В.В. Гордеев, В.Н. Миронов // Материалы XV международной научной конференции «Про блемы интенсификации продукции животноводства с учетом охраны окру жающей среды и стандартов ЕС». – Варшава: IBMER. - 2009. – С. 208-211.
5. Миронов, В.Н. Исследование подачи вентиляционных выбросов ко ровников в корнеобитаемый слой культивационных сооружений Текст / В.В.
Гордеев, В.Н. Миронов // Технологии и технические средства механизирован ного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. науч. тр.
– Вып. 81 - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. - 2009. – С. 170-174.
6. Миронов, В.Н. Вентиляционные выбросы ферм КРС – источник за грязнения окружающей среды Текст / В.В. Гордеев, В.Н. Миронов // Совер шенствование технологических процессов и рабочих органов машин в живот новодстве: Сб. науч. тр. – СПб.: СПбГАУ. - 2010. – С. 112-114.
7. Миронов, В.Н. Перспективная технология очистки вентиляционных выбросов коровников Текст / В.Н. Миронов // Сборник докладов междуна родной научно-практической конференции «Инновационные технологии ис пользования торфа в сельском хозяйстве». – М.: ГНУ ВНИИОУ Россельхозака демия. – 2010 г. – С. 396-400.
8. Миронов, В.Н. Влияние глубины залегания трубопровода системы по дачи вентиляционных выбросов коровников на питательный состав торфогрун та Текст / В.Н. Миронов // Научно-технический прогресс в животноводстве – инновационные технологии и модернизация в отрасли: Сб. науч. тр. Том 22. Ч. 2 – Подольск.: ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии. – 2011. – С. 246-249.
Патент:
1. Патент на изобретение № 2419282 Российская Федерация, A 01K 1/00, A 01G 9/18. Устройство для очистки воздуха животноводческого помещения / Миронов В.Н., Миронова Т.Ю., Гордеев В.В., Хазанов Е.Е.;
заявитель и патен тообладатель Северо-Западный научно-исследовательский институт механиза ции и электрификации сельского хозяйства. – № 2009138638/21;
заявл.
19.10.2009;
опубл. 27.05.2011, Бюл. №15.
ГНУ СЗНИИМЭСХ Заказ № 267. Подписано к печати 22.12.2011 г.
Объём 1 п.л. Тираж 75 экз.