“Повышение экологической безопасности молочных ферм путём минимизации и утилизации навозосодержащих стоков доильных залов”

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристи- ка работы. Сформулированы цель и положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» проанализи- ровано влияние НСДЗ на состояние экологической обстановки вокруг ферм КРС. Рассмотрены состав и свойства НСДЗ, возможные пути снижения их количе- ства. НСДЗ имеют сложный химический состав и являются эпидемически опас- ными, в связи с чем современные сельхозпроизводители должны стремиться к уменьшению их выхода и при дальнейшем использовании предварительно подго- тавливать. Для уменьшения выхода НСДЗ могут быть предприняты организаци- онные, технические и технологические способы, каждый из которых характери- зуется взаимодействием различных факторов. Одним из способов сокращения количества образующихся НСДЗ может быть оптимизация технологических и планировочных решений на стадии концептуального проектирования ферм.
Проанализированы технологии подготовки навозосодержащих стоков к ис- пользованию, подробно рассмотрены технологии удобрительного полива, суще- ствующие в России и за рубежом, представлены результаты патентного поиска.
Существующие технологии обеззараживания навозосодержащих стоков можно классифицировать на биологические, химические, физические и меха- нические. Анализ которых показал, что известные методы и средства не поз- воляют достичь требований, предъявляемых к органическим удобрениям на основе отходов животноводства по микробиологическим показателям, либо их высокая стоимость не оправдывает свое существование.
Утилизация НСДЗ в теплицах наиболее приемлемое решение, учитывая, что использование стоков в открытом грунте имеет ряд ограничений. Теплицы – ёмкие потребители жидких удобрений, их микроклимат наиболее благоприя- тен для усвоения всех питательных веществ растениями, и что особенно важ- 6
но, эксплуатируются практически круглый год. Удобрительные поливы НСДЗ имеют ряд преимуществ перед применением минеральных удобрений, а ис- пользование систем внутрипочвенного внесения является экологически без- опасной технологией и исключает контакты со стоками людей, животных, а также надземной части растений, устраняет специфические запахи. При гра- мотно составленном культурообороте и правильном расчёте требуемой пло- щади прифермской теплицы, можно достичь полной утилизации НСДЗ.
От водно-физических свойств почвы, конструктивных параметров внут- рипочвенных трубопроводов, пьезометрического напора, нормы внесения зави- сит равномерность распределения НСДЗ по длине трубопровода, а, следова- тельно, и урожайность выращиваемых растений. Учитывая, что нет четких ре- комендаций по вопросам утилизации НСДЗ путем внесения их в теплицах, тре- буется более глубокое изучение и исследование этого процесса.
Совокупность нерешенных вопросов позволила обосновать выше приведенные задачи исследования.
Во второй главе «Методы количественной оценки навозосодержащих стоков доильного зала. Обоснование параметров системы внутрипочвенного внесения» выявлены факторы, влияющие на выход НСДЗ. На их основе разработана методика, согласно которой удельное количество НСДЗ, образующихся из воды, затрачиваемой на мытье пола в доильном зале, раствора для обработки копыт и экскрементов, оставляемых коровами в доильном зале, можно рассчитать по формуле:
Yуд=mсут+2•Vван. qд+Км.п.•Vв•(Sп.п.+Sсан.зоны+Sд.з.); (1) •
Q 7 Gгр. • nгр
где mсут. – среднесуточное 3 количество экскрементов, оставляемых
в доильном зале одной коровой, м ;
Vван. – объем воды в одной ванне для обработки копыт, л;
Q – количество животных, после которых меняется раствор для
обработки копыт, гол.;
qд – количество дней обработки копыт в неделю; 2
Vв – количество воды, расходуемой на регулярную уборку пола, л/м ; Sп.п., Sсан. зоны, Sд.з – площадь мытья, 2соответственно, преддоильной
площадки, санитарной зоны, доильного зала, м ;
Км.п. – количество моек пола, раз;
Gгр. – размер технологической группы, гол.;
nгр. – количество технологических групп, которое можно обслужить на
доильной установке за планируемую продолжительность разового доения. Выражение (1) можно преобразовать для различных типов доильных установок подставив зависимости, позволяющие определить Sп.п., Sд.з и nгр.. Полу- ченные модели позволяют на стадии проектирования определить удельное коли- чество НСДЗ и сравнить их для различных вариантов заданных параметров при
условии знания всего множества необходимых коэффициентов и переменных. Получена модель на основе нечетко-возможностного метода, описываю- щая знания и опыт эксперта по данному вопросу и позволяющая учесть факто- 7

ры: размер технологической группы (X1), размер доильной установки (X2), коли- чество моек пола (X3), тип доильной установки (Х5), а также способ уборки пола (Х6), уровень качества работы персонала (Х7), которые сложно оценить формали- зованными методами, подразумевающими математический расчет:
Yуд = 8,313 – 1,094∙Х1 – 0,625∙Х2 – 2,031∙Х3 – 0,547∙Х5 – 0,703∙Х6 – 0,625∙Х7 – – 0,234∙Х5∙Х3 +0,234∙Х6∙Х7 +0,234∙Х1∙Х5∙Х2 +0,234∙Х1∙Х5∙Х3 + 0,234∙Х1∙Х2∙Х6
Разработаны методика и алгоритм (рисунок 1) расчёта площади при- фермской теплицы для утилизации НСДЗ. На основе алгоритма разработана программа ЭВМ, позволяющая определить площадь теплицы Sтепл для полной утилизации стоков, а также дозы дополнительного внесения удобрений N, P, K и количество поливной воды Vв на полученную площадь в зависимости от выращиваемой культуры.
567
(2)
Начало 2
Да
Нет
Да
9
Да
Ввод исходных данных
2
Определение годовой нормы внесения НСДЗ по каждому биогенному элементу
МN, МР, МК
Рисунок 1 – Блок-схема алгоритма расчета площади прифермской теплицы
Исходные данные для расчета площади прифермской теплицы: годовой объем стоков; плановый урожай сельскохозяйственных культур; содержание азота, фосфора и калия в урожае и стоках; коэффициенты, учитывающие усвоение азота, фосфора и калия урожаем; количество поливов в год; объем влаги в 1 м3 объема расчетного слоя почвогрунта при влажности, соответству- ющей наименьшей влагоёмкости и перед поливом; коэффициент неравномер- ности пространственного перераспределения влаги в расчетном слое почвогрунта; расчетная высота контура увлажнения.
8
9
10 11
11
Нет
12
8
Определение годовой увлажнительной нормы Мв
9 Производится проверка: Мв < МС 10 10 3 Производится проверка: МN ≤МР,МN ≤МК Присвоение значения: МС = М 11 Присвоение значения: Мв = М Определение площади теплицы для полнойутилизацииНСДЗ Sтепл. Определение дополнительных доз внесения удобрений N, Р, К и воды Vв Определение дополнительных доз внесения удобрений N, Р, К 15 Печать результатов 4 Производится проверка: МР ≤ МК Нет 15 15 Конец 5 Присвоение значения годовой нормы внесения НСДЗ, рассчитанной по азоту МN за норму внесения НСДЗ Мс 38 48 13 Присвоение значения годовой нормы внесения НСДЗ, рассчитанной по калию МК за норму внесения НСДЗ Мс 7 Присвоение значения годовой нормы внесения НСДЗ, рассчитанной по фосфору МР за норму внесения НСДЗ Мс В соответствии с алгоритмом первоначально рассчитывается годовая норма внесения стоков МN, МP, МK по каждому биогенному элементу и прини- мается равная минимальному значению из полученных величин (Мс). Недо- стающие количества внесения других элементов восполняются удобрениями. Также рассчитывается увлажнительная поливная норма Мв, которая сравнивается с наименьшей нормой внесения стоков Мс, определенной по био- генным элементам, и для расчета площади теплицы принимается минимальная из них (М). Далее определяем требуемую площадь теплицы Sтепл. для полной утилизации НСДЗ, дозы дополнительного внесения удобрений на полученную площадь в пересчете на действующее вещество N, P, K для каждого биогенного элемента, объем воды для увлажнительного полива Vв. На основе эффективности и экономичности процесса, сохранения в сто- ках максимально возможного количества питательных элементов, обоснован выбор технологической схемы подготовки НСДЗ для использования в теплице в качестве питательного раствора. Однако проведенные исследования показа- ли, что подготовленные по данной технологии НСДЗ требованиям к органиче- скому удобрению на основе отходов животноводства (ГОСТ 53117-2008) не всегда удовлетворяют по содержанию колиформных бактерии и энтерококков, их содержание может достигать 1000 ед./г и более, что недопустимо при ис- пользовании стоков в теплицах. В связи с этим предлагаем усовершенствовать технологию добавлением в НСДЗ на последнем этапе биологической очистки (после карантинирования, отстаивания и аэрации) сильного по своим дезинфицирующим свойствам и экологически безопасного анолита нейтраль- ного электрохимически активированного (далее анолит АНК) с тщательным перемешиванием и выдерживанием их до полного обеззараживания (патент на полезную модель No 142531 РФ). Разработана информационная модель внутрипочвенного внесения НСДЗ в теплице и определены наиболее значимые факторы: напор подаваемых НСДЗ, диаметр трубопровода, диаметр и шаг перфорации, равномерность внесения НСДЗ по длине трубопровода. Важнейшие элементы техники полива, такие как единичная норма, про- должительность ее подачи, расчетный удельный расход и напор, определяем по методикам, используемым для определения технологических и технических параметров систем внутрипочвенного орошения. Для расчёта конструктивных параметров трубопроводов используем известные формулы, применяемые в гидравлике, с учётом особенностей гидротранспорта стоков по трубам. В работе приведена методика расчета равномерности распределения НСДЗ по длине внутрипочвенного трубопровода. В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследо- ваний» изложены программы и методики, оборудование и приспособления, применяемые при экспериментальных исследованиях, представлена методика обработки экспериментальных данных. Программа теоретических исследований заключалась в разработке мате- матических моделей удельного выхода НСДЗ и оптимизации технологических параметров фермы и доильного зала по критерию минимального выхода НСДЗ для использования на стадии концептуального проектирования ферм КРС. Программа исследований в лабораторных и производственных условиях предусматривала следующее: - определение физико-механических (содержание сухих и взвешенных веществ), химических (рН и содержание питательных веществ) и микробиоло- гических показателей НСДЗ; - определение основных конструктивных параметров системы внесения (диаметр трубопровода, шаг перфорации) и режимов подачи НСДЗ (норма внесения и др.); изучение влияния величины напора H (м) НСДЗ, подаваемых в внутрипочвенный трубопровод, и диаметра d (мм) его перфорации а на рост и развитие цветочных культур, а также определение оптимальных значений исследуемых параметров; – сравнительные исследования внутрипочвенного и поверхностного вне- сения навозосодержащих стоков доильных залов в качестве подкормки под цветочные культуры в теплицах; - обработку НСДЗ до достижения требований, удовлетворяющих ГОСТ 53117-2008 («Удобрения органические на основе отходов животноводства»); - исследование влияния НСДЗ, обработанных анолитом типа АНК, на развитие и урожайность цветочных культур. Для разработки математических моделей из всего множества возмож- ных значений Yуд используя выражение (1), данные нормативных документов и среднестатистических методов ведения хозяйства, выбрано подмножество расчетных значений только в 27 точках, задаваемых матрицей плана второго порядка Бокса-Бенкина (STATGRAPHICS). Границы значений факторов (таблица 1) выбирали, основываясь на мнении экспертов в области проектиро- вания и специалистов животноводческих хозяйств, а также информации, полученной из литературных источников. Таблица 1 – Факторы и их уровни для разных типов доильных установок Кодовое Уровни факторов Факторы обозна- «Елочка» «Параллель» «Карусель» чение –1 0 +1 –1 0 +1 –1 0 +1 Размер технологической груп- пы Gгр., гол. Размер доильной установки Nпост., количество постов Количество моек пола Км.п., раз Время разового доения tд., ч Х1 180120 60 180 120 60 300180 60 Х2 40 30 20 60 40 20 90 55 20 Х3 3 2 1 3 2 1 3 2 1 Х4 3,5 5 6,5 3,5 5 6,5 3,5 5 6,5 При исследованиях НСДЗ использовались среднесуточные пробы хозяйств Ленинградской области, которые отбирались равными порциями после каждой дойки в месте, где не оседают взвешенные вещества. Для определения химическо- го и физико-механического состава, санитарно-гигиенических и ветеринарных, микробиологических (общих колиформных и термотолерантных колиформных бактерий) и паразитологических (возбудителей кишечных инфекций, яиц и личи- нок гельминтов, цист кишечных простейших) показателей пробы направляли в аккредитованные специализированные лаборатории г. Санкт-Петербург. При проведении исследований НСДЗ предварительно подготавливали – отстаивали в течение 2 ч., аэрировали (объем подачи воздуха 9,3 м3/(ч·м3)) продолжительностью 2 ч., в исследованиях с растениями – добавляли супер- фосфат простой из расчета 1 г на литр НСДЗ. Лабораторная установка (рисунок 2) для внесения НСДЗ включала наполненные субстратом 4 пластиковые лотки 3, установленные на поддоны 1. Рисунок 2 - Схема и общий вид лабораторной установки В лотках с почвенным субстратом на глубину 0,1 м уложен полиэтиле- новый трубопровод 5 с внутренним диаметром 16 мм и соответствующим диаметром перфорации, на конце установлена заглушка 2. Трубопровод уложен посередине лотка параллельно рядам растений. Над лотками на высоте 1,8 м расположены светильники с лампами ДНАЗ-400 9, обеспечивающие равномерное освещение 8000 лк продолжитель- ностью 14 часов в сутки. Управление освещением осуществлялось с помощью программного реле времени ПИК-2 10. Регулировку напора проводили установлением резервуара 7 на соответствующую высоту. Подача НСДЗ из резервуара 8 в трубопровод осуществлялась через кран 6 по гибким трубам из расчета нормы внесения. Основные параметры лабораторной установки для внесения НСДЗ рассчитаны по приведенной во 2 главе методике. На лабораторной установке проведены исследования по изучению влия- ния величины напора H (м) подаваемых НСДЗ и диаметра d (мм) перфорации внутрипочвенного трубопровода на рост, развитие и урожайность цветочных культур – бархатцев (таблица 2) в соответствии с общепринятыми методиками с использованием планирования 2х факторного эксперимента по трех уровне- вому плану Бокса-Бенкина. Задача сводилась к нахождению значений факто- ров, дающих максимальные биометрические показатели (высоту l, массу m и количество цветоносов q) растений за единицу вегетационного периода. Данные, полученные в результате исследований, обрабатывались с использованием программы Statgraphics Centurion XV. 11 Таблица 2 - Уровни факторов и интервалы варьирования Факторы Кодовое Обозна- Интервал Уровни варьирования обозначение чение варьирования – 0 + Напор НСДЗ, м x1 H 1 0,2 1,2 2,2 Диаметр перфорации трубопровода, мм x2 d 0,5 2 2,5 3 Сравнительные исследования внутрипочвенного и поверхностного внесе- ния НСДЗ проводили на цветочной культуре – бархатцы в двух эксперименталь- ных теплицах. В варианте с внутрипочвенным внесением параметры трубопрово- да были взяты оптимальными, полученными по результатам двухфакторного экс- перимента. Внесение НСДЗ из расчета 2,8 л/м2 проводили 1 раз в 10 дней в тече- ние развития растений до обильного цветения. Количество НСДЗ и воды в обоих вариантах было одинаковым. После каждой подкормки проводили биометриче- ские измерения (высота растений, количество цветов). Заканчивали опыт уборкой урожая: снятием зеленой массы и проведением соответствующих измерений. Исследования в производственных условиях, которые заключались в сравнении поверхностного и внутрипочвенного способов внесения НСДЗ с подкормками минеральными удобрениями, применяемыми в теплице, и изуче- нии влияния глубины залегания трубопровода h (мм) и диаметра его перфора- ции d (мм) на рост и урожайность цветочных культур, проводили на розах в тепличном хозяйстве учебно-экспериментальной базы ЛГУ им. А.С. Пушкина. Удобрительные поливы НСДЗ осуществляли один раз в 10 дней по внутрипоч- венному трубопроводу, уложенному между двумя соседними рядами растений посередине параллельно рядам (рисунок 3). Подача НСДЗ из емкости в трубо- провод осуществлялась по гибким трубам самотеком из расчета 6,5 л/м2. Оцен- ку эффективности внут- рипочвенного способа внесения НСДЗ в качестве подкормки осуществляли по количеству роз на срез. Определение коли- чества анолита АНК, не- обходимого для обработ- ки НСДЗ (патент на по- лезную модель No 142531 РФ) для достижения требований, удовлетворяющих ГОСТ 53117-2008 («Удобрения органические на основе отходов животновод- ства»), проводили в лабораторных условиях. Для приготовления анолита АНК использовали раствор хлорида натрия класса ХЧ в водопроводной воде кон- центрацией 6 г/л и установку СТЭЛ-Компакт. Обработку исходного раствора вели при токе 8,5 А и напряжении 12 В. Исследуемые образцы НСДЗ (рН=7,19) и НСДЗ после аэрации разбавляли анолитом АНК (рН=3,9) в следу- ющих соотношениях: 50:1, 20:1, 10:1, 5:1 и 2:1. Для смешивания использовали 12 Рисунок 3 - Проведение исследований в производственных условиях реакционные емкости из стекла объемом 250 мл. Каждый вариант опыта про- водили в трехкратной повторности. В контрольном варианте стоки разбавляли в этой же пропорции дистиллированной водой (рН=6,5). По полученным данным построены графические зависимости: общих и тер- мотолерантных колиформных бактерии в НСДЗ от количества добавленного ано- лита АНК; уровня рН в зависимости от продолжительности их взаимодействия. Для исследования влияния подготовленных и обеззараженных анолитом АНК навозосодержащих стоков на урожайность растений использовали лабора- торную установку (см. рисунок 2) с оптимизированными параметрами, получен- ными при реализации двухфакторного эксперимента. Контрольный вариант – внутрипочвенное внесение питательного раствора Н.П. Родникова. В качестве выходных параметров замеряли высоту (l, см) и массу (m, г) растений. В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты исследований по подготовке и внесению НСДЗ в теплицах. По результатам обработки расчетных данных задаваемых матрицей плана второго порядка Бокса-Бенкина получены уравнения регрессии в кодированном виде определения удельного выхода НСДЗ (Yудi) для доильных установок типа: – «Ёлочка» с быстрым выходом: R2=0,998, Yуд1 = 11,867 – 2,367∙X1 + 2,042∙X2 – 4,833∙X3 – 3,442∙X4 – 0,588∙X12 – 0,85∙X1∙X2 + (3) +1,125∙X1∙X3 + 0,975∙X1∙X4 – 0,975∙X2∙X3 – 0,75∙X2∙X4 – 0,638∙X32 + 1,7∙X3∙X4 + 0,6∙X42; – «Ёлочка» с обычным выходом: R2=0,997, Yуд2 = 9,356 – 2,392∙X1 + 1,858∙X2 – 3,633∙X3 – 2,583∙X4 – 0,458∙X12 – 0,85∙X1∙X2 + (4) +1,1∙X1∙X3 + 0,925∙X1∙X4 – 0,925∙X2∙X3 – 0,7∙X2∙X4 – 0,521∙X32 + 1,275∙X3∙X4 + 0,404∙X42; – «Параллель» с одним выходом: R2=0,956, Yуд3 = 8,04 – 1,95∙X1 + 3,1917∙X2 – 3,5∙X3 – 2,325∙X4 – 1,5∙X1∙X2 + 1,702∙X22 – 1,55∙X2∙X3 – 1,275∙X2∙X4; (5) – «Параллель» с двумя выходами: R2=0,954, Yуд4 = 7,593 – 1,942∙X1 + 2,858∙X2 – 3,242∙X3 – 2,142∙X4 – 1,45∙X1∙X2 + 1,515∙X22 – (6) – 1,425∙X2∙X3 – 1,15∙X2∙X4; – «Карусель» с внешним обслуживанием: R2=0,983, Yуд5 = 6,606 – 1,833∙X1 + 2,433∙X2 – 2,967∙X3 – 2,1∙X4 – 1,125∙X1∙X2 + 0,675∙X1∙X3 + (7) + 0,7∙X1∙X4 + 1,727∙X22 – 1,15∙X2∙X3 – 1,075∙X2∙X4 + 1,025∙X3∙X4 + 0,903∙X42; – «Карусель» с внутренним обслуживанием: R2=0,962, Yуд6 = 7,397 – 1,892∙X1 + 0,758∙X2 – 3,383∙X3 – 2,367∙X4 – 1,175∙X1∙X2 + 1,655∙X22 + (8) +1,15∙X3∙X4 + 0,968∙X42. Получены уравнения в кодированном виде для определения максималь- ного поголовья (Gi), которое возможно обслужить на доильной установке: - «Ёлочка»: G1 = 531,111 – 180,0∙X2 + 175,0∙X4 – 60,0∙X2∙X4, - «Параллель»: G2 = 797,778 – 420,0∙X2 + 245,0∙X4 – 120,0∙X2∙X4, - «Карусель»: G3 = 1368,89 – 45,0∙X1 – 820,0∙X2 + 425,0∙X4 – 225,0∙X2∙X4, R2=0,985; (9) R2=0,988; (10) R2=0,993. (11) Расчеты по моделям (1), (2), (3)-(8), построенным на различных методологических основаниях, различаются в пределах погрешностей исходных данных, что позволяет признать модели равноточными. Разработана оптимизационная модель минимизации выхода НСДЗ, основанная на решении компромиссной задачи по полученным уравнениям (3)-(11), и в кодированном виде будет выглядеть: Yудi(X5i)=f(X1, X2, X3, X4)→ min; Gi(X5i)= f(X1, X2, X4); (12) -1≤X1≤ 1; -1≤X2≤ 1; -1≤X3≤ 1; -1≤X4≤ 1 Оптимизационная модель позволяет на этапе концептуального проектирования подобрать технологические параметры фермы и доильного зала с точки зрения минимального выхода НСДЗ, рассчитать количество НСДЗ для оценки объемов требуемых лагун и площади утилизации. Модели определения технологических параметров фермы и доильного зала по критерию минимального выхода навозосодержащих стоков доильного зала апробированы проектными организациями, о чём имеются акты внедрения. Представлены результаты физико-механических, химических и микро- биологических показателей НСДЗ, которые подтверждают, что состав пита- тельных веществ близок к стандартным питательным растворам, применяемым в защищенном грунте и их можно использовать в качестве удобрительных по- ливов, но содержание общих колиформных и термотолерантных колиформных бактерии во много раз превышает допустимое ГОСТом 53117-2008 количество, это свидетельствует о том, что стоки перед их внесением в теплицы должны подвергаться предварительному обеззараживанию. По данным проведенных экспериментальных исследований были полу- чены математические модели влияния величины напора x1 НСДЗ, подаваемых в внутрипочвенный трубопровод и диаметра x2 его перфорации на биометриче- ские показатели (высоту l, массу m и количество цветоносов q) растений. l = 22,08 – 0,48∙х2+ 0,65∙х1 – 0,32∙х22 + 0,55∙х2∙х1 – 0,72∙х12, m = 46,6 – 2,62∙ х2+ 2,5∙х1 – 1,45∙х22 – 6,8∙х12, q = 3,8 – 0,55∙х2+ 0,13∙х1 – 0,2∙d∙х1 – 0,5∙х12, R2=0,982; (13) R2=0,986; (14) R2=0,963. (15) По уравнениям регрессии построены поверхности откликов в трехмерном изображении: l=f (H ;d); m=f (H ;d); q=f (H ;d) представленные на рисунке 4. Estimated Response Surface Estimated Response Surface Estimated Response Surface l 22 20 18 2,5 l 19,0 m 19,5 20,0 49 20,5 4421,0 21,5 39 22,0 34 22,5 29 23,0 mq q 29,0 4,4 33,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 2 3,9 2,2 2,5 2 4,4 2,5 2,2 1,7 1,2 0,7 3 d 1,71,20,7 3 d H0,2а H0,2б H0,2в 2,2 1,7 1,2 0,7 3 d Рисунок 4 - Поверхности отклика влияния величины напора H (м) подаваемых навозосодержащих стоков в внутрипочвенный трубопровод и диаметра d (мм) его перфорации на высоту (а), массу (б) и количество цветоносов (в) растений 37,0 3,4 41,0 2,9 45,0 2 2,4 49,0 Анализ полученных данных показал, что наибольшая урожайность по вы- соте (22,4 см), массе (48,4 г) растений и количеству цветоносов (4,2 шт.) получена в варианте при величине напора 1,2 м и диаметре перфорации 2 мм, что больше чем при поверхностном внесении НСДЗ на 11,4 %, 31,2 % и 50 % соответственно. Для нахождения оптимальных параметров системы внутрипочвенного внесения НСДЗ использовали нелинейное программирование и выполняли в программе Statgraphics Centurion XV. Решение задачи оптимизации имеет вид: l=f (х1; х2) → max; m=f (х1; х2) → max; q=f (х1; х2) → max; (16) -1≤х1 ≤1; -1≤х2 ≤1. В результате решения получили: напор подаваемых НСДЗ (H) - 1,41 м и диаметр перфорации (d) - 2,04 мм. Сравнительные исследования внутрипочвенного и поверхностного внесения НСДЗ в экспериментальных теплицах показали, что при внутрипочвенном внесе- нии НСДЗ высота бархатцев в среднем повысилась на 14,3 %, количество цветоно- сов – на 77 %, а масса растений – на 48,3 % по сравнению поверхностным спосо- бом, что доказывает эффективность внутрипочвенного внесения НСДЗ. Результаты исследований в производственных условиях пока- зали положительное влияние внутрипочвенных подкормок НСДЗ на рост и развитие роз, при этом наблюдалось повышение сбора цветов на 18,9 % и увеличе- ние их высоты на 7,2 % по срав- нению с поверхностным внесени- ем и на 26,7 % и 10,4 % соответ- ственно по сравнению с подкорм- ками минеральными удобрения- ми, применяемыми в теплице. Наибольшая урожайность по ко- личеству и длине стебля роз, при различной глубине залегания тру- бопровода, получены в вариантах при диаметре перфорации 2мм (рисунок 5), также как и при лабо- раторных исследованиях. Рисунок 5 - Зависимости количества цветовроз qотдиEаsмtiеmтaрteаdпRеeрsфpоoрnsаeциSиurfda,cмeм q q 68 58 48 38 50 h 100125 150 4 3,5 3 2,5 d Получена математическая модель (17) влияния диаметра перфорации и глубины залегания трубопровода на количество роз q, построена трехмерная по- верхность отклика (рисунок 6). влияния факторов d и h на количество роз 38,0 48,0 58,0 68,0 78,0 Рисунок 6 - Поверхность отклика 15 q = 42,67 – 5,5∙х3 – 2,83∙х4 – 4,0∙х3∙х4 +14,5∙х32, R2 = 0,992. (17) где х3 и х4 – кодированные значения диаметра перфорации и глубины залегания трубопровода. Оптимальные параметры внесения НСДЗ при данных условиях состави- ли по диаметру перфорации d – 2,002 мм и глубине залегания трубопровода h – 111 мм. Представлены результаты по определению степени обеззараживания НСДЗ, изменения их уровня рН в зависимости от степени разбавления аноли- том типа АНК и продолжительности их взаимодействия. Установлено, что до- стичь требований, предъявляемых к органическим удобрениям на основе отхо- дов животноводства по микробиологическим показателям возможно путем до- бавления к предварительно проаэрированным НСДЗ анолита АНК в количестве 10:1 (9,1 %), при этом время использования полученного раствора без дополни- тельной корректировки уровня кислотности составляет не более 16 часов. Исследования показали, что использование НСДЗ, обработанных ано- литом АНК в соотношении 10:1 оказывает положительное влияние на рост растений: высота увеличилась на 14,6 %, а масса - на 35 % по сравнению с питательным раствором Н.П. Родникова, что свидетельствует о возможности использования обработанных НСДЗ для подкормки растений. В пятой главе «Эколого-экономическая эффективность использования навозосодержащих стоков доильных залов в прифермской теплице» приведены результаты расчетов эффективности утилизации НСДЗ в теплице от фермы на 640 дойных коров. Источниками экономического эффекта при внедрении разработанной системы внутрипочвенного внесения НСДЗ в существующую теплицу с выращиванием роз выступают: прибыль от прибавки урожайности цветочных культур (6 075,92 тыс. руб.), получаемых за счет использования предлагаемой системы и экономия затрат на минеральные удобрения (97,66 тыс. руб. в год). Срок окупаемости системы внутрипочвенного внесения НСДЗ – 3,3 мес. В целом окупаемость строительства отдельной теплицы (полезной площадью 2281 м2) для утилизации НСДЗ от фермы на 640 дойных коров составляет в среднем 8,9 лет, что в 3,8 раза меньше базовой технологии с хранением и внесением на поля. Расчетный экологический эффект от использования навозосодержащих стоков в прифермской теплице по сравнению с базовой технологией при внесении их на поля заключается в снижении выбросов парникового газа СО2 на 11,1 % от агрегатов для внесения органических удобрений. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. На выход навозосодержащих стоков доильных залов влияют как коли- чественные, так и качественные факторы, которые можно разделить на техноло- гические (размер технологической группы, поголовье дойного стада), техниче- ские (тип и размер доильной установки, оборудование для уборки пола), органи- зационные (время доения, количество моек пола, качество работы персонала). 2. Разработаны математические модели выхода навозосодержащих стоков доильных залов для использования их на стадии концептуального проектирова- ния ферм КРС с применением различных подходов, а именно: на основе методи- ки расчета количественных значений (экскрементов, раствора для обработки ко- пыт, воды от мытья пола) (1), на основе нечётко-возможностного подхода (2), включающего размер технологической группы; размер доильной установки; ко- личество моек пола; тип доильной установки; способ уборки пола; уровень каче- ства работы персонала, а также построения моделей для каждого типа доильной установки на основе матрицы планирования второго порядка Бокса-Бенкина (3)- (8), учитывающих размер технологической группы, размер доильной установки, количество моек пола, время разового доения всего поголовья дойных коров. 3. Разработана математическая модель (12) оптимизации технологических параметров фермы (размера технологической группы, типа и количества постов доильной установки, количества моек пола, времени доения) по критерию мини- мального выхода навозосодержащих стоков доильного зала для концептуального проектирования. Например, при оптимизации технологических параметров фер- мы с поголовьем 600-650 дойных коров при ограничении времени доения, равно- го 5 ч., и двухразовом мытье пола минимальный удельный выход навозосодер- жащих стоков доильного зала (7 л/гол.) будет получен при поголовье 640 коров, размере технологической группы – 64 головы, доильной установке типа «Кару- сель» с внешним обслуживанием с количеством постов – 26, время доения 4,9 ч. 4. Разработаны методика и алгоритм расчёта площади прифермской теплицы для утилизации навозосодержащих стоков доильного зала. На основе алгоритма разработана программа, позволяющая определить площадь теплицы для полной утилизации стоков в зависимости от выращиваемой культуры, а также дозы дополнительного внесения удобрений и количество поливной воды на полученную площадь. Так, для круглогодичной утилизации навозосо- держащих стоков от фермы на 640 дойных коров минимальная полезная площадь прифермской теплицы, при выращивании роз, составляет 2281 м2. 5. Результаты экспериментальных исследований способов утилизации навозосодержащих стоков доильных залов в теплице доказывают эффектив- ность внутрипочвенного внесения: в лабораторных условиях – высота бархат- цев в среднем повысилась на 14,3 % и масса – на 48,3 % по сравнению с поверхностным внесением; в производственных условиях – сбор цветов роз увеличился на 18,9 %, а высота на 7,2 % по сравнению с поверхностным внесением и на 26,7 % и 10,4 % соответственно по сравнению с подкормками минеральными удобрениями, применяемыми в теплице. Получены математические модели влияния величины напора H (м) подава- емых навозосодержащих стоков во внутрипочвенный трубопровод и диамет- ра d (мм) его перфорации на биометрические показатели (высоты, массы и коли- чества цветоносов) растений. Решение компромиссной задачи по критерию мак- симального прироста биометрических показателей позволило определить опти- мальные параметры системы внутрипочвенного внесения навозосодержащих сто- ков доильных залов в теплице: напор – 1,41 м и диаметр перфорации – 2,04 мм. 6. Разработан способ подготовки навозосодержащих стоков доильных за- лов, позволяющий достичь требований ГОСТ 53117-2008 («Удобрения органи- ческие на основе отходов животноводства») по микробиологическим показате- лям. Технологическая линия подготовки навозосодержащих стоков доильных залов на последнем этапе биологической очистки (после карантирования, от- стаивания и аэрации) должна предусматривать добавление в обрабатываемые сточные воды анолита типа АНК с тщательным перемешиванием и выдержива- нием их до обеззараживания (патент на полезную модель No 142531 РФ). Ре- зультаты экспериментальных исследований показали, что для достижения тре- бований, предъявляемых к органическим удобрениям на основе отходов жи- вотноводства по микробиологическим показателям, необходимо добавить к предварительно проаэрированным навозосодержащим стокам доильного зала анолит АНК (рН=3,9), полученным из исходного раствора хлорида натрия кон- центрацией 6 г/л при токе 8,5 А и напряжении 12 В, в пропорции 10:1 (9,1 %). 7. Расчетный экономический эффект для фермы на 640 дойных коров от внедрения разработанной системы внутрипочвенного внесения навозосодер- жащих стоков доильных залов в существующую теплицу составил 6 174 тыс. руб. в год, срок окупаемости – 3,3 мес., а срок окупаемости технологии утили- зации навозосодержащих стоков доильных залов со строительством теплицы и выращиванием роз составляет 8,9 лет, что в 3,8 раза меньше базовой техноло- гии с хранением и внесением на поля. Расчетный экологический эффект от использования навозосодержащих стоков в прифермской теплице по сравне- нию с базовой технологией при внесении их на поля заключается в снижении выбросов парникового газа СО2 на 11,1 % от агрегатов для внесения органиче- ских удобрений. Это позволяет рекомендовать строительство теплиц с исполь- зованием системы внесения навозосодержащих стоков доильных залов в ком- плексе с молочными фермами. Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы. Зави- симости определения технологических параметров фермы и доильного зала по критерию минимального выхода навозосодержащих стоков могут быть ис- пользованы проектными организациями. В дальнейшей перспективе научных исследований продолжить работу в направлении снижения выхода навозосо- держащих стоков доильных залов путём разработки технических и технологи- ческих способов и перспективных методов их подготовки и использования.