Повышение эффективности молочных ферм путем совершенствования технологии подготовки и использования навозосодержащих стоков
На правах рукописи
Гордеева Татьяна Ивановна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОЛОЧНЫХ ФЕРМ
ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ПОДГОТОВКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
НАВОЗОСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ
Специальность 05.20.01 –
«Технологии и средства механизации сельского хозяйства»
Автореферат диссертации на соискание ученой
степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2006
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Се веро-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохо зяйственных наук»
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, Хазанов Евгений Ефимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Афанасьев Вячеслав Николаевич доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Вагин Борис Иванович
Ведущая организация – Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного исполь зования мелиорированных земель (ВНИ ИМЗ)
Защита состоится “ 6_ ” июля 2006 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета К 006.054.01 в ГНУ СЗНИИМЭСХ Россель хозакадемии по адресу: 196625, г. Санкт-Петербург, Тярлево, Фильт ровское шоссе, 3, ауд. 201.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.
Автореферат разослан “ 30_ ” мая 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблемы обращения с отходами произ водства и потребления в настоящее время занимают одно из цен тральных мест в области охраны окружающей среды и здоровья лю дей. В последнее время произошло резкое увеличение антропогенной нагрузки на биосферу, в том числе и в зоне деятельности животновод ческих предприятий. Согласно Европейскому статистическому Агент ству по охране окружающей среды, ежегодно в Европе образуется млн. т отходов сельского хозяйства.
Индустриализация производства молока привела к необходимо сти утилизации больших объемов экологически опасных стоков до ильных залов, имеющих сложный химический состав и характери зующихся большой загрязненностью.
Используемые методы очистки стоков не достаточно эффектив ны, поскольку результаты очистки либо не отвечают принятым нор мам, либо неоправданно дороги. Миллионы кубометров стоков выво зятся на поля круглый год, зачастую без какой-либо предварительной очистки, тем самым, вызывая загрязнение почв, атмосферного возду ха, поверхностных и грунтовых вод органическими веществами, соз давая угрозу распространения возбудителей инфекционных заболева ний общих для человека и животных (так называемых зоонозов). По этому проблема экологической защиты окружающей среды от навозо содержащих стоков доильных залов как никогда актуальна и требует поиска безопасного способа утилизации стоков.
Устойчивость экосистемы обусловлена тем, что отходы одних организмов становятся пищей или «сырьем» для других. Поэтому именно на этот принцип устойчивости экосистемы необходимо опи раться при поиске решения безопасной утилизации стоков, т. е. произ водство должно быть безотходным.
Цель исследования. Повышение эффективности и экологиче ской безопасности молочных ферм путем использования навозосо держащих стоков в замкнутом цикле предприятия.
Объект исследования. Навозосодержащие стоки доильных за лов (НСДЗ) молочных ферм Северо-Западного региона.
Методы исследования. Исследования проводили с применени ем общеизвестных и вновь разработанной методик, теории планиро вания экспериментов, физических моделей и методов математической статистики.
Достоверность результатов. Достоверность результатов под тверждается соблюдением современных методик исследований и хо рошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, положительным результатом производственной проверки.
Научная новизна работы.
Проведенные исследования позволили получить:
- кривые кинетики осветления стоков доильных залов, отра жающие седиментационные свойства взвешенных веществ навозосо держащих стоков;
- математические модели, учитывающие влияние параметров режима аэрации на стабильность стоков и содержание питательных веществ;
- оптимальные параметры режима аэрации при подготовке сто ков, позволяющие провести их стабилизацию при минимальной поте ре аммиачного азота;
- рекомендуемые концентрации питательных веществ раствора на основе навозосодержащих стоков для различных видов цветочных культур.
Предложенный способ утилизации стоков доильных залов мо лочных ферм признан изобретением, что подтверждено положитель ным решением о выдаче патента.
Практическая ценность исследования. Разработанная в ре зультате исследований технология подготовки и использования наво зосодержащих стоков для удобрительного полива растений в защи щенном грунте позволяет повысить урожайность выращиваемых культур на 15-27%, сократить расход минеральных удобрений на 80% и предотвратить загрязнение окружающей среды. Эколого экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии ис пользования НСДЗ в замкнутом цикле предприятия на 400 коров со ставляет 12463,19 тыс. руб. в год.
Реализация результатов. Разработанная технология подготов ки и использования питательного раствора на основе навозосодержа щих стоков доильного зала используется в проектах новых молочных ферм.
Апробация работы. Основные положения диссертационной ра боты доложены и обсуждены:
- на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов (СПбГАУ, СПб, 2004, 2005 гг.);
- на международной научно-практической конференции «Эко логия и сельскохозяйственная техника» (ГНУ СЗНИИМЭСХ, СПб, 2005 г.);
- на международной научной конференции «Проблемы интен сификации продукции животноводства с учетом охраны окружающей среды и стандартов ЕС» (IBMER, Варшава, 2005 г.).
На защиту выносятся:
- технология подготовки и использования навозосодержащих стоков доильных залов для подкормки оранжерейных культур;
- зависимости качественных показателей стоков от режимов процесса отстаивания и аэрации при их подготовке;
- результаты исследований влияния питательного раствора на основе навозосодержащих стоков доильных залов на развитие различ ных видов цветочных культур;
- эколого-экономическая эффективность использования навозо содержащих стоков доильных залов в замкнутом цикле предприятия.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста и содержит 14 таблиц, 17 ри сунков. Состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка лите ратуры из 128 наименований, из которых 6 на иностранном языке и 13 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные положения диссертации.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования»
представлены последствия влияния сброса НСДЗ на состояние эколо гической обстановки вокруг молочных комплексов. Проанализирова ны методы и средства утилизации подобных стоков в России и зару бежом, представлены результаты патентного поиска и маркетинговых исследований.
Все существующие технологии можно классифицировать как биологические, химические, физические и механические методы об работки. Анализ этих методов показал, что пока ни один из них не от вечает санитарно-эпидемиологическим нормам, предъявляемым к очищенным стокам.
С другой стороны НСДЗ являются ценным органическим удоб рением, содержащим основные питательные вещества в легкоусвояе мой форме. Поэтому наиболее безопасная технология утилизации сто ков заключается в объединении животноводства с растениеводством в рамках одного предприятия. Так как в условиях открытого грунта су ществует ряд ограничений на применение подобных стоков (внесение только в теплый период года, обеспечение безопасности в отношении кормовых культур и др.), то предлагается использовать для этих целей культивационные сооружения, эксплуатируемые круглый год, а в ка честве растений – цветочные культуры.
С учетом изложенного и в соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:
- теоретически и экспериментально обосновать технологию под готовки питательного раствора для оранжерейных культур на основе НСДЗ;
- разработать технологию подкормки оранжерейных культур пи тательным раствором на основе НСДЗ;
- провести экспериментальные исследования по влиянию пита тельного раствора на основе НСДЗ на различные цветочные культуры;
- провести производственную проверку и определить эколого экономическую эффективность использования предлагаемой техноло гии безопасной утилизации НСДЗ.
Во второй главе «Теоретические предпосылки к созданию эко логически безопасных молочных ферм» рассмотрено влияние технологических схем доения коров и удаления НСДЗ на их количест во и химический состав. Согласно нормам технологического проекти рования для предприятий крупного рогатого скота потребление воды на технологические нужды зависит от уровня молочной продуктивно сти и от применяемой технологии доения. По данным исследований ученых и практики молочных комплексов в среднем в сутки при двух разовом доении расходуется около 15 л/гол воды на технологические нужды (Приекулис Ю.К., Зуйс В.О., 2005). Стоки доильных залов, кроме технологической воды, включают в себя экскременты живот ных и моющие средства. Суточный объем стоков фермы составляет:
Vобщ = (V тех + V экс + V м ) n г, л, (1) где Vтех – объем воды на технологические нужды, л;
Vэкс – объем экс крементов животных, входящих в состав стоков доильных залов (2-3% от среднесуточного выхода), л;
Vм – объем моющих средств, л, nг – поголовье дойных коров, гол.
Обоснованы основные требования к составу питательного рас твора на основе НСДЗ. Необходимо, чтобы в питательном растворе отсутствовали возбудители инвазионных и инфекционных болезней, жизнеспособные семена сорных растений, должно быть нормализова но количество биогенных и других веществ, способных оказать влия ние на жизнедеятельность оранжерейных культур. Требования, предъ являемые к химическому составу питательного раствора, диктуются потребностями грунтов и растениями, которые на них выращивают.
Если концентрация питательных элементов в стоках превышает дозы для конкретной культуры, эти стоки должны быть дополнительно раз бавлены водой. А если основных элементов питания в стоках доиль ных залов недостаточно, то требуется восполнение этого недостатка за счет минеральных удобрений.
Представлено обоснование технологической схемы подготовки НСДЗ. Прежде всего, необходимо удалить взвешенные вещества и примеси, которые содержатся в навозосодержащих стоках и негативно влияют на подачу питательного раствора в оранжереи. В стоках через определенный промежуток времени начинаются естественные про цессы загнивания, что отрицательно влияет на качество питательного раствора, поэтому необходимо его стабилизировать. Возникающие проблемы могут быть решены с помощью применения аэрации с предварительным удалением примесей методом отстаивания.
Предложенная технология подготовки питательного раствора на основе НСДЗ (рис.1) заключается в следующем. Из доильного зала по сливному коллектору стоки самотеком поступают в приемный резер вуар, который служит для их накопления и кратковременного хране ния. Затем при помощи насосной станции стоки перекачиваются в от стойники, где происходит осаждение взвешенных веществ и удаление жировых включений. Осадок, образовавшийся при отстаивании, по ступает на центрифугу для обезвоживания и дальнейшего компости рования, освобожденная при этом жидкость с осветленными стоками поступает в карантинные емкости, где они хранятся в течение 6-ти суток, что соответствует инкубационному периоду инфекционных болезней. При благополучии комплекса по инфекционным заболева ниям, осветленную часть стоков перекачивают на биологическую об работку в аэротенк для дезодорации и стабилизации. После биологи ческой обработки навозосодержащие стоки хранятся в промежуточ ной емкости и, по мере необходимости, поступают в теплицы для кор ректировки химического состава по основным элементам питания и подачи растениям в качестве питательного раствора. В периоды покоя растений подкормки практически не проводят, поэтому для временно го хранения НСДЗ предусматривается пруд-лагуна.
Рис. 1. Технологическая схема подготовки навозосодержащих стоков доильных залов.
Одним из важных показателей работы отстойников является эф фект задержания в них взвеси сточных вод. С этой точки зрения, наи лучшим типом следует считать горизонтальный отстойник, в котором гидродинамические условия выпадения взвеси более выгодны, чем в радиальном и вертикальном отстойниках. Горизонтальный отстойник, в виду небольшой глубины, не имеет ограничений по использованию в местах с высоким стоянием грунтовых вод. Основным условием рас чета первичных отстойников является обеспечение задержания в них агломераций взвеси, гидравлическая крупность которых не меньше расчетной условной гидравлической крупности. Учитывая этот факт, для описания кинетики отстаивания НСДЗ использовали проинтегри рованную математическую модель, полученную Гудзоном для бидис персных систем, в которых крупные хлопья поглощают мелкие частицы:
( ) Ct = K 0 (Cln + Cn )G0 exp K i t I Cln Cn H set Gs, мг / л z (2) где Сt – остаточная концентрация взвешенных веществ после отстаи вания в течение t часов, мг/л;
C1n – начальная концентрация взвешен ных веществ, мг/л;
Сn – доза добавленного ила или другого флокулян та, мг/л;
К0, Кi – эмпирические коэффициенты;
G0, Gs – градиенты скорости, определяющие условия перемещения сточной воды соот ветственно до и в процессе отстаивания;
I – объемный индекс, харак теризующий седиментационные свойства ила или другого флокулян та;
Hset – глубина отстойного сооружения, м;
– кинематическая вяз кость сточной воды, Н·с/кг.
Обобщение результатов исследований, выполненных многими учеными в этой области, показало, что отсутствует удовлетворительная корреляция между содержанием оседающих веществ и концентрацией взвешенных веществ в поступающей сточной воде. Объективно суще ствующему широкому диапазону изменения содержания оседающих веществ соответствует широкая гамма кривых кинетики осветления сточных вод, отражающая многообразие встречающихся седиментаци онных свойств взвешенных веществ. Поэтому необходимо провести эксперименты по отстаиванию НСДЗ и по результатам построить кри вые, которые будут использоваться при расчете отстойников.
Объем первичных отстойников зависит от поголовья дойных ко ров на ферме и от количества взвешенных веществ в образовавшихся стоках:
V n t отс м3, (3) W рас = ст, 1000 tфакт где Vст – объем стоков от одной коровы в сутки, л;
tотс – время отстаи вания, необходимое для достижения заданного эффекта осветления, ч;
tфакт – фактическое время работы отстойника, ч.
Стабилизация и дезодорация стоков, осуществляемая посредст вом аэрации не должны приводить к существенным потерям азота, так как это обесценит сток как удобрение, и в то же время должны быть достаточными для изъятия основных веществ, способствующих гние нию стоков.
Наиболее рациональной в конструктивном отношении гидрав лической схемой функционирования аэротенка следует считать схему с одинаковой нагрузкой по всему объему сооружения (аэротенк отстойник модификации смесителя), обеспечивающей относительное постоянство условий, в которых находится сточная жидкость, что по зволит свести к минимуму возможность проскока неочищенной жид кости. Кроме того, аэротенки-смесители более эффективны для снятия основной массы загрязнений при более низкой степени очистки (т.е.
для частичной очистки стоков), что соответствует требованиям нашей технологии. Вид аэрации – пневматический, так как он обеспечивает максимальную растворимость кислорода воздуха в воде.
Стабильность стоков характеризуется концентрацией БПК, по этому длительность аэрации с целью стабилизации стоков определя ется выражением:
Len Lex, ч, (4) t atm = ai (1 s ) где Len, Lex – БПКполн соответственно поступающих в аэрационное со оружение и очищенных стоков, мг/л;
ai – доза ила, выражаемая в г/л;
s – зольность ила, доли единицы;
- удельная скорость окисления, мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч.
Вместимость самого аэротенка (его объем) определяется как:
Watm = t atm qw, м3, (5) где qw – расчетный расход сточных вод, м3/ч.
Так как стоки в аэротенк поступают из карантинных емкостей периодически, то расчетный расход стоков qw аэротенка будет рав няться среднечасовому расходу стоков из карантинной емкости. Тогда формула (5) примет вид:
n V Watm = t atm c ст, м, (6) 1000 t о где nс – количество суток, в течение которых происходит накопление стоков в одной карантинной емкости (в разрабатываемой технологиче ской линии равное 3);
to – время опорожнения карантинной емкости, ч.
Учитывая специфику состава и свойств НСДЗ и ориентируясь на сохранение их удобрительных качеств должны быть проведены экс периментальные исследования, в результате которых следует опреде лить соответствующие режимы аэрации с целью стабилизации и дезо дорации стоков.
Изложена технология выращивания оранжерейных культур и конструктивные параметры культивационных сооружений. В качестве цветочных культур для подкормки питательным раствором на основе НСДЗ рекомендуется использовать культуры, основу питания которых составляет органическое удобрение, это, прежде всего, выращиваемые на срез роза, каллы, примула, альстремерия, гиппеаструм и др. Наибо лее рентабельными и менее трудоемкими в процессе ухода и выращи вания считаются розы и каллы. Приведена схема растворного узла для корректировки питательного раствора по элементам питания и ки слотности. Предложена формула определения полезной площади теп лиц, обеспечивающей полную утилизацию НСДЗ:
365 q,м, (7) S= Q где q – количество питательного раствора на основе навозосодержа щих стоков доильного зала, получаемого после технологической под готовки, л/сутки;
Q – норма расхода питательного раствора в течение периода вегетации л/м2 в год.
В работе рекомендована система внутрипочвенного орошения, обеспечивающая подачу питательного раствора на глубину 10-15 см.
При этом снижаются потери азота, улучшается водо- и воздухопрони цаемость почвы вследствие отсутствия корки на ее поверхности. Ув лажнители выполнены из полиэтиленовых труб диметром 40 мм, по дача стоков осуществляется через щелевую перфорацию шириной 1,5 мм, длиной 40 мм по периметру трубы. Данный способ рассчитан на использование сточных вод, близких по механическому составу к нашему питательному раствору. Приведены соответствующие гидрав лические расчеты.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа и методика проведения лабора торных опытов по подготовке и использованию НСДЗ в качестве пи тательного раствора, оборудование и приспособления, применяемые при экспериментальных исследованиях, методика обработки опытных данных.
Программа исследований предусматривала решение следующих вопросов:
1. Определение химического состава навозосодержащих стоков доильных залов различных хозяйств Ленинградской области.
2. Определение зависимости эффекта осветления стоков от на чальной концентрации взвешенных веществ и времени отстаивания.
3. Построение кривых кинетики осветления стоков доильных за лов, отражающих седиментационные свойства взвешенных веществ навозосодержащих стоков.
4. Определение основных параметров процесса аэрации.
5. Отработка технологии подкормки цветочных культур.
6. Исследование влияния навозосодержащих стоков на рост, раз витие и урожайность различных видов растений.
7. Определение оптимальной концентрации навозосодержащих стоков для подкормки цветочных культур.
Эксперименты по отстаиванию стоков проводили для различных концентраций по взвешенным веществам в мг/л: 8000, 6000, 4000, 2000, обеспечивая тем самым интервал варьирования – 2000 мг/л.
Проведены четыре серии однофакторных экспериментов с варьируе мым параметром – интервалом времени, в течение которого происхо дит осаждение взвешенных частиц: через 5, 15, 30, 60, 90, 120 и 180 минут. Отстаивание более 3 часов приводит к нарушению дина мики режима: влажность осадка возрастает, т.к. он начинает бродить с выделением газов, что препятствует его уплотнению, осаждению взвешенных частиц и снижает эффект осветления стоков. Для иссле дования процесса отстаивания применяли прозрачные цилиндры с мерной шкалой, диаметром 120 мм и высотой 500 мм. Зная количество исходной взвеси, устанавливали эффект осветления стоков в процен тах. По полученным экспериментальным данным построили графиче ские зависимости эффекта осветления стоков доильных залов от про должительности их отстаивания в лабораторных сосудах.
При исследовании процесса аэрации применялся план полного факторного эксперимента 32. В качестве входящих факторов приняты:
скорость подачи воздуха в аэрируемые стоки в м3/(ч·м3) и время пода чи в ч. Время аэрации зависит от скорости окисления загрязняющих веществ. Максимальная скорость окисления для подобных стоков ко леблется от 140 до 400 мг/(г·ч), что соответствует расчетному времени аэрации от 3 до 6 часов. Для установления значений скорости подачи воздуха в НСДЗ определили удельный расход воздуха по формуле:
qo (Len Lex ) (8) qair =, K1 K 2К 3 K m (C a Co ) где qo – удельный расход кислорода, мг на 1 мг снятой БПКполн, при нимаемый при очистке БПКполн 20 мг/л равным 0,9;
К1 – коэффици ент, учитывающий тип аэратора;
К2 – коэффициент, зависящий от глубины погружения аэратора ha;
Кm – коэффициент, учитывающий температуру сточных вод и принимаемый равным 1 при tw = 200 C;
Са – растворимость кислорода воздуха в воде;
Со – средняя концен трация растворенного кислорода в иловой смеси в аэротенке, мг/л;
может приниматься от 0,5 до 2 мг/л.
0,9 (1500 1000 ) q air = = 60,03 м 3 / м 3.
1,6 0,9 1 0,7 (9,4 2,0) Разделив удельный расход воздуха на время аэрации, получим скорость подачи воздуха:
60, Vair min = = 9,89 м 3 /(ч м 3 );
60, Vair max = = 19,59 м 3 /(ч м 3 ).
Для удобства регулирования скорости подачи воздуха в ходе эксперимента, полученные параметры были округлены до целых зна чений – от 10 до 20 м3/(ч·м3).
Время аэрации от 3 до 6 часов при трехуровневом варьировании фактора изменяли с интервалом варьирования в 1,5 часа. Скорость подачи воздуха изменяли от 10 до 20 м3/(ч·м3) с интервалом варьиро вания 5 м3/(ч·м3). Для проведения эксперимента была составлена план матрица с переводом натуральных значений факторов в безразмерные величины, для исключения влияния случайных факторов на результа ты эксперимента провели рандомизацию, используя таблицу случай ных чисел.
Аэрацию навозосодержащих осветленных стоков проводили в этих же цилиндрах с использованием аэрационного устройства (аэра тора). Аэратор представляет собой уменьшенную модель погружного пневматического мелкопузырчатого аэратора. Рабочий орган пористо го аэратора - фильтросная пластина, изготовленная из дробленого ша мота, связанного смесью жидкого стекла с мелкой шамотной пылью.
Воздух нагнетается в фильтрос с помощью компрессора «BOYU» мо дели S-1000. Компрессор имеет регулировку режимов подачи, позво ляющую изменять скорость подачи в пределах интервала варьирова ния.
После отстаивания и аэрации стоки корректировали по содержа нию питательных элементов в соответствии с потребностями расте ний. Для уменьшения потерь азота в виде аммиака при подкормках растений в стоки добавляли суперфосфат (0,3-0,5% суперфосфата от объема стока). Содержащийся в суперфосфате сульфат кальция позво лил нейтрализовать вредное действие каустической соды. Сульфат кальция при взаимодействии с карбонатом натрия образует нейтраль ную хорошо растворимую соль (Na2SO4), доступную для растений.
Лабораторные опыты по исследованию влияния питательного раствора на растения проводили на рассаде цветочных культур: астры, агератума, бархатцев. Любые цветочные культуры в зависимости от особенностей их физиологии требуют разное количество удобрений.
Поэтому, основываясь на агротехнических требованиях к питанию и учитывая вынос питательных веществ цветочными культурами, были установлены концентрации питательного раствора 0,1-0,2 %. При этом концентрация аммиачного азота (NH4) в питательном растворе на ос нове НСДЗ составила 75-175 мг/л. Так как в однофакторном экспери менте число уровней должно быть не менее пяти, то установили сле дующие уровни варьирования аммиачного азота в мг/л: 75, 100, 125, 150, 175. При данных концентрациях норма полива составила (2,8 л/м2).
Все опыты по исследованию питания растений проводили в сравнении с контролем, в качестве которого использовали питатель ный раствор Родникова Н.П.
Для проведения лабораторных опытов использовали установку «Зеленя», представляющую собой конструкцию стеллажного типа в пять ярусов, на каждом из которых размещено по три лотка с расса дой. Над четырьмя нижними ярусами расположены светильники с люминесцентными лампами. Сеянцы цветов выращивали согласно общеизвестным методикам (Юскевич Н.Н., Борисенко Т.П., Пале ева Т.В.). Как только рассада достаточно хорошо приживалась, начи нали подкормку подготовленными навозосодержащими стоками по запланированной схеме. Подкормку проводили каждые 10 дней в те чение развития рассады до появления первых цветоносов, а у бархат цев подкормку продолжали и во время первого цветения. Опыт про водили в трехкратной повторности, в каждую из которых входило по 25 растений. Растения подкармливали навозосодержащими стоками преимущественно подпочвенным способом, чтобы избежать потерь аммиачного азота и предотвратить распространение неприятного за паха. Через пять – шесть недель с момента пикировки производили биометрические замеры рассады и обрабатывали результаты опытов.
Производственную проверку проводили на розах и каллах в ти повой блочной теплице. В контрольном варианте растения подкарм ливали минеральными удобрениями, используемыми в тепличном хо зяйстве, а именно сульфатом калия. С учетом оптимального содержа ния питательных элементов в почвогрунтах концентрация питательно го раствора на основе навозосодержащих стоков по азоту составила 300 мг/л, поливная норма для роз составляла 6,5 л/м2, а для калл – 5,5 л/м2. Для снижения потерь азота и повышения содержания доступ ного фосфора к стокам во время их подготовки добавляли суперфос фат простой из расчета 1 г удобрения на литр стока. Подкормку наво зосодержащими стоками осуществляли подпочвенно на глубину см. Каждый опыт проводили в трехкратной повторности. В каждой повторности по 50 кустов роз и калл. Оценку эффективности исполь зования стоков в качестве подкормки цветочных культур осуществля ли по количеству цветоносов на срез.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследова ний» представлены результаты химического анализа НСДЗ различных молочных комплексов Ленинградской области, которые подтвержда ют, что стоки в течение дня и времени года непостоянны по своему составу, и при необходимости их надо корректировать добавлением недостающих элементов питания.
Представлены результаты опытов по отстаиванию стоков и по лученные на их основе кривые кинетики выпадения взвешенных ве ществ. По полученным кривым рассчитывали значение гидравличе ской крупности u0, мм/с, используя соответствующий показатель сте пени в седиментационном подобии для соблюдения равенства эффек тов осветления в модели и натуре n. Далее по методике, описанной в главе 2, вычисляли необходимую продолжительность отставания сто ков tотс, объем отстойника Wрасч и, выбирая его параметры из типораз мерного ряда, рассчитывали среднюю скорость потока в горизонталь ном отстойнике ср, вертикальную составляющую турбулентной пуль сации. С учетом поправок на вертикальную составляющую турбу лентной пульсации в производственных условиях определяли факти ческую гидравлическую крупность задерживаемых взвешенных ве ществ uфакт и рассчитывали фактическое время отстаивания в произ водственных условиях tфакт, фактический объем отстойника Wфакт и соответствующие ему параметры.
Представлены результаты эксперимента по аэрации (стабилиза ции) НСДЗ. Обработку экспериментальных данных проводили с ис пользованием статистической графической системы STATGRAPHICS Plus for Windows, в результате которой были получены математиче ские модели зависимости концентрации аммиачного азота (9) и БПК (10) от скорости подачи воздуха в НСДЗ и времени аэрации, где фак торы представлены в кодированном виде:
КNH4 = 245,33-15,17Х1+5,5Х12 -6,5Х1·Х2-27,67Х2 (9) LБПК = 1066,44-130,17Х1+108,83Х12-148,17Х2+81,83Х22-43,0Х1·Х2 (10) По уравнениям регрессии построены поверхности отклика в трехмерном изображении и контуры сечения поверхностей отклика (рис. 2).
Описано решение компромиссной задачи на основе полученных математических моделей при условии, что значение БПК5 должно быть 1000 мг/л, а значение концентрации аммиачного азота NH4 мак симальным. В результате решения были получены следующие значе ния входящих факторов: Vair= 17,0 м3/(ч·м3), tatm= 4,8 ч. При этом кон центрация БПК5= 1000 мг/л, а NH4= 233 мг/л.
Представлены результаты эксперимента по исследованию влия ния НСДЗ на рост, развитие и урожайность цветочных культур. По этим результатам определили зависимость биометрических показате лей рассады цветочных культур от концентрации аммиачного азота в питательном растворе (рис. 3.).
Наилучшие показатели для рассады агератума наблюдались при подкормке питательным раствором с концентрацией NH4 = 125 мг/л, сами исходные стоки при этом имели концентрацию 286 мг/л, что со ответствует их расходу в количестве 1,2 л/м2. При этом прибавка по количеству стеблей составила 14 %, по высоте растений - 27 % по сравнению с контролем.
БПК 0, 930 0, -1 -0, -0,6 -0,2 0,2 -0,6 Х 0,6 1 - Х 1 БПК 930, 0,6 990, 1050, 0,2 1110, Х 1170, -0,2 1230, 1290, -0,6 1350, 1410, -1 1470, -1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 1530, Х Рис.2. Поверхность отклика в трехмерном изображении по уравнению (10) и контуры сечения поверхности отклика.
Для рассады астры наилучшие биометрические показатели за фиксированы при концентрации NH4=150 мг/л, расход исходных сто ков при этом составил 1,7 л/м2. Прибавка по количеству стеблей со ставила 61 %, по высоте растений - 45 % по сравнению с контролем.
Для рассады бархатцев наилучшие биометрические показатели растений соответствовали питательному раствору с концентрацией NH4 = 125 мг/л, расход исходных стоков составил 1,2 л/м2. Прибавка по количеству стеблей составила 10 %, по высоте растений - 13 %, по количеству цветоносов - 26 % по сравнению с контролем.
Производственная проверка на розах и каллах в тепличном хо зяйстве учебно-экспериментальной базы Ленинградского государст венного Университета им. А.С. Пушкина показала, что подкормка пи тательным раствором на основе НСДЗ положительно влияет на рост и развитие цветочных культур, обеспечивая при этом повышение сбора цветов розы на 27% по сравнению с контролем (в контроле 170 шт/м2), а цветов калл – на 15% (в контроле 90 шт/м2).
25 кол-во стеблей, шт./растение 24 3, высота растений, см.
23 3, 22 3, 21 3, 20 3, 19 3, 18 3, 48 75 100 125 150 концентрация NH4, мг/л а) 9 4, кол-во стеблей, шт./растение 8 3, высота растений, см.
7 3, 6 3, 5 48 75 100 125 150 концентрация NH4, мг/л б) 11 1, 10 1, кол-во цветоносов, шт./растение кол-во стеблей, шт./растение 9 1, высота растений, см;
8 1, 7 1, 6 1, 5 1, 4 48 75 100 125 150 концентрация NH4, мг/л в) Рис. 3. Графические зависимости влияния концентрации пита тельного раствора на основе навозосодержащих стоков на биометри ческие показатели рассады: а) агератума, б) астры, в) бархатцев высота растений, см. кол-во стеблей, шт./растение кол-во цветоносов, шт./растение В пятой главе «Эколого-экономическая эффективность ис пользования навозосодержащих стоков в замкнутом цикле предпри ятия» приведены результаты расчетов эффективности использования предлагаемой технологии утилизации НСДЗ на примере молочной фермы с поголовьем 400 дойных коров. В качестве базового варианта принят повсеместно применяемый способ утилизации НСДЗ путем поверхностного внесения на поля в течение года. Источниками эф фекта выступают: экономия затрат на подготовку (утилизацию) сто ков, экономия затрат на удобрения, прибыль от прибавки урожая цве точных культур, экономия платы за сброс загрязняющих веществ в окружающую среду.
Прибыль от реализации дополнительного урожая цветов соста вила 12197,25 тыс. руб., платежи за сброс загрязняющих веществ со ставили бы для хозяйства (по NH4, P, K, Ca, Mg, взвешенные вещест ва, БПКполн) 126,2 тыс. руб., экономия удобрений составила 77,18 тыс. руб., экономия на подготовку (утилизацию) стоков – 62,6 тыс. руб. В целом расчетный эколого-экономический эффект предлагаемой технологии использования НСДЗ в замкнутом цикле предприятия на 400 коров составляет 12463,19 тыс. руб. в год.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Технологическая линия подготовки и использования навозо содержащих стоков доильных залов для подкормки цветочных расте ний в защищенном грунте должна включать в себя: резервуар для приема сточных вод, отстойник, центрифугу для обезвоживания осад ка навозосодержащих стоков, карантинные емкости, аэротенк отстойник, емкость для промежуточного хранения очищенных стоков, пруд-накопитель для временного хранения стоков, насосные станции, узел корректировки химического состава.
2. Из анализа полученных кривых кинетики осветления стоков доильных залов следует, что при изменении количества взвешенных веществ от 2000 до 8000 мг/л эффект осветления повышается от 17, до 57,5%. Для наиболее часто встречающейся концентрации взвешен ных веществ стоков – 6000 мг/л период отстаивания в потоке состав ляет 3 часа. При этом объем первичного отстойника для фермы с по головьем в 400 дойных коров должен быть не менее 10 м3.
3. Экспериментальным путем получены оптимальные параметры режимов процесса аэрации, позволяющие провести стабилизацию и дезодорацию стоков с минимальными потерями аммиачного азота.
Показатели этих режимов: время аэрации - 4,8 часа, скорость подачи воздуха - 17,0 м3/(ч·м3).
4. Для утилизации стоков доильных залов посредством подкор мок целесообразно использовать культуры, которые не употребляются в пищу, так как к пищевым культурам предъявляются жесткие сани тарные требования. Поэтому предлагается использовать оранжерей ные культуры, положительно реагирующие на органические удобре ния повышением сбора цветов, что позволяет не только утилизировать стоки, но и получать существенную прибыль от реализации оранже рейных культур. Цветочные культуры, основу питания которых со ставляет органическое удобрение, это, прежде всего, выращиваемые на срез роза, каллы, примула, альстремерия, гиппеаструм, а также не которые рассадные культуры (тагетис, агератум, астры).
5. Необходимо вести контроль и корректировку содержания в стоках основных элементов питания (азот, фосфор, калий) и микро элементов. Если концентрация питательных элементов в стоках пре вышает дозы для конкретной культуры, эти стоки должны быть раз бавлены водой. Если внесение основных элементов питания со стока ми доильных залов недостаточно, то восполнение этого недостатка необходимо произвести за счет минеральных удобрений для чего в составе линии подготовки предусматривается узел корректировки.
Для уменьшения потерь азота в виде аммиака при подкормках расте ний в стоки необходимо добавлять суперфосфат в соотношении 0,3 0,5% от объема стока.
6. Для подачи питательного раствора на основе НСДЗ растениям рационально использовать систему внутрипочвенного орошения, по дающую стоки на глубину 10-15 см. Такой способ подачи стока сни жает потери питательных веществ в окружающую среду, позволяет избежать контактов со стоками людей и надземной части растений, улучшает водо- и воздухопроницаемость почвы вследствие отсутствия корки на ее поверхности.
7. Экспериментальным путем получены оптимальные концен трации навозосодержащих стоков (по NH4) для подкормки рассадных и оранжерейных культур. Наилучшие биометрические показатели у рассады агератума, астры бархатцев получены при концентрации пи тательного раствора (по NH4) соответственно: 125 мг/л, 150 мг/л, 125 мг/л с расходом по 2,8 л/м2.
8. Производственная проверка использования стоков в подкорм ку роз и калл в тепличном хозяйстве показала, что подкормка стоками доильных залов с концентрацией (по NH4) 300 мг/л положительно влияет на рост и развитие цветочных культур, обеспечивая при этом повышение сбора цветов розы на 27% по сравнению с контролем, а цветов калл – на 15%, что подтверждается соответствующим актом.
При данной концентрации и норме полива для роз 6,5 л/м2, а для калл – 5,5 л/м2 необходимая площадь теплиц для полной утилизации стоков в течение года составит для роз 26 м2 на корову, для калл – 30 м2 на корову.
9. Расчетный эколого-экономический эффект внедрения разра ботанной технологии утилизации навозосодержащих стоков доильных залов для молочной фермы с поголовьем в 400 дойных коров состав ляет 12463,19 тыс. рублей в год. Источниками эффекта являются: эко номия затрат на подготовку (утилизацию) стоков, экономия затрат на удобрения, прибыль от прибавки урожая цветочных культур, эконо мия платы за сброс загрязняющих веществ в окружающую среду.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. А.Е. Маркова, В.В. Гордеев, Т.И. Петрова, В.Л. Краснова. Ре зультаты опытов по использованию стоков доильных залов при выра щивании растений гидропонным способом. // Технологии и техниче ские средства механизированного производства кормов и продукции животноводства: Сб. науч. тр. – Вып. 75. – СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2003.
– С. 97 – 102.
2. В.Л. Краснова, А.Е. Маркова, Т.И. Петрова, Е.Е. Хазанов. Ре зультаты исследований по утилизации навозосодержащих стоков. // Проблемы интенсификации продукции животноводства с учетом ох раны окружающей среды и стандартов ЕС: Материалы IX междуна родной научной конференции. – Варшава, 2003. – С. 493-495.
3. Т.И. Петрова, В.В. Гордеев, А.Е. Маркова. Результаты лабора торных исследований утилизации стоков доильных залов. // Техноло гии и технические средства механизированного производства продук ции растениеводства и животноводства: Сб. науч. тр. – Вып. 76. – СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ, 2004. – С. 135-143.
4. А.Е. Маркова, Т.И. Петрова, Е.Е. Хазанов. Результаты иссле дований по использованию стоков доильных залов при выращивании цветов в закрытом грунте. // Проблемы интенсификации продукции животноводства с учетом охраны окружающей среды и стандартов ЕС: Материалы X международной научной конференции. – Варшава, 2004. – С. 473-474.
5. Т.И. Петрова, В.В. Гордеев, А.Е. Маркова, Е.Е. Хазанов. Эко логически безопасный способ утилизации навозосодержащих стоков доильных залов. // Экология и сельскохозяйственная техника. Т.3.
Экологические аспекты производства продукции животноводства и электротехнологий: Материалы 4 научно-практической конференции.
– СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005. – С. 114-120.
6. Т.И. Петрова, В.В. Гордеев, В.Л. Краснова. Результаты иссле дования утилизации стоков доильных залов в культивационных со оружениях. // Совершенствование технологических процессов и рабо чих органов машин в животноводстве: Сб. науч. тр. – СПб.: СПбГАУ, 2005. – С.125-131.
7. Т.И. Гордеева, В.В. Гордеев, В.Л. Краснова. Результаты ис следований по утилизации навозосодержащих стоков доильных залов и вредных вентиляционных выбросов в замкнутом цикле предпри ятия. // Проблемы интенсификации продукции животноводства с уче том охраны окружающей среды и стандартов ЕС: Материалы XI меж дународной научной конференции. – Варшава, 2005. – С. 441-444.
8. Т.И. Гордеева. Результаты исследований технологии исполь зования стоков молочных ферм для подкормки растений. // Техноло гии и технические средства механизированного производства продук ции растениеводства и животноводства: Сб. науч. тр. – Вып. 77. – СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2005. - С. 111-115.
Ртп. СПбГАУ Заказ № 122рп Подписано к печати 24 мая 2006 г.
Объем 1,4 печ.л. Тираж 75 экз.