Способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле Российский патент 2019 года по МПК A01C3/00 

Способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле

Изобретение относится к области сельского хозяйства (агроинженерная экология) и предназначено для прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства, что необходимо для оценивания уровня экологической безопасности функционирования животноводческих предприятий, оценки потенциала модернизации существующих предприятий, а также выбора рациональных технологий утилизации отходов животноводства для создаваемых предприятий.

Известен метод меченых атомов – стабильных и радиоактивных изотопов (Нарушева Е.А.. Методы исследований в агрохимии: краткий курс лекций для аспирантов направления подготовки 35.01.06 Сельское хозяйство. ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2014. – с.68-71), основанный на анализе концентраций изотопов-индикаторов и изотопов-носителей в химических и биологических процессах. По соотношениям изотопов-индикаторов между собой оценивается содержание изотопов-носителей в различных объектах исследований, в том числе, потери (сохранность) азота в почве и растениях. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов. В азоте воздуха содержится 99,635% атомов азота-14 и 0,365% атомов азота-15. В почвах содержание азота с массой 15 колеблется от 0,365% до 0,373%. В агрохимических исследованиях используют меченые соединения, в которых содержание азота-15 более 10%. Прослеживая путь изотопа-индикатора (азота-15) можно судить о поведении изотопа-носителя (азота-14), о его распределении между азотистыми соединениями в системе удобрение – почва – растение. Потери (сохранность) азота определяется путём анализа избытка атомного процента – разности между обогащением азота-15 образца и естественным природным содержанием азота-15, которое определяется в исходном образце.

Недостатками данного способа являются техническая техническая сложность выполнения способа и возможность определения сохранности азота только после утилизации (невозможность прогнозировать значение сохранности азота).

Известен способ прогнозирования значений потерь азота при переработке отходов животноводства по справочным данным, в зависимости от технологии переработки (РД-АПК 1.10.15.02-17 Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта. Москва, 2017, с.104-105). В зависимости от применяемой технологии переработки за прогнозируемый уровень сохранности азота принимается соответствующее среднее справочное значение.

Недостатком известного способа является низкая достоверность (точность), поскольку не принимаются во внимание характеристики исходного отхода и особенности хранения и внесения после переработки.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является прогнозирование значений потерь азота при переработке жидких отходов животноводства по формуле:

Y = 47,23 +8,73 х₁+3,95 х₂+7,67 х₃+2,95 х₄+5,08 х₅ -

3,42 х₁х₄+5,02 х₂х₃ -5,02 х₂х₅-1,3 х₃х₄ +1,83 х₃х₆+2,42 х₅х₆

+2,89х₁х₂х₃+1,3х₁х₂х₆-1,36х₁х₃х₆ +1,36х₂х₃х₅

где X₁ - коэффициент эффективность технологии переработки, выражает

уровень сохранности азота в процентном соотношении на этапе переработки.

X₂–коэффициент эффективности технологии хранения, выражает

уровень сохранности азота в процентном соотношении на этапе хранения.

X₃ - коэффициент эффективности технологии внесения удобрения в почву.

X₄ - коэффициент влажности перерабатываемого материала, %содержания воды.

X₅ - соотношения углерода к азоту в перерабатываемомматериале.

X₆ – коэффициентэффективности (качества) работы персонала.

Данная формула была получена в результате логико-лингвистического моделирования на основе теоретических положений и экспертных оценок (Брюханов А.Ю., Спесивцев А.В., Субботин И.А. Оценка экологической безопасности на основе логико-лингвистического моделирования процессов утилизации жидкого навоза // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 86. С. 129-139.)

Недостатками известного способа является возможность применения способа только для отходов животноводства с содержанием воды более 92% и низкая достоверность (точность)прогноза, поскольку данные формулы были получены на основе теоретических положений и экспертных оценок без адаптации к реальным экспериментальным значениям.

Задачей заявляемого способа является повышение достоверности прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле и получение возможности прогнозировать уровень сохранности азота для отходов с содержанием воды менее 92%.

Поставленная задача решается за счет того, что способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле содержащий отбор пробы исходного отхода, в которой определяют: содержание воды термостатно-весовым методом, содержание общего азота методом Кьельдаля, содержание общего углерода методом Тюрина, определяют уровень сохранности азота на всём технологическом цикле по формуле.

Новые существенные признаки:

1. Для жидких отходов (содержание воды более 92%).

Y₁ = 40,31 +6,27х₁ +3,7х₂ +4,72х₃ +1,38х₄ +5,21х₅ -5,94х₁х₄ +1,57х₂х₃ +2,15х₂х₄ – 4,81х₂х₅;

2. Для твёрдых и полужидких отходов (содержание воды 92% и менее)

Y₂ =44,83 +4,71x₁ +4,25x₂ +6,72x₃ +1,75x₄ +1,93x₅– 1,75x₁x₂ +2,63x₂x₃ –3,86x₂x₅ +2,63x₃x₄ +1,52x₁x₂x₄ +2,07x₁x₃x₄ +3,28x₂x₃x₄;

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности (точности) прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле (включая операции переработки, хранения, транспортировки и внесения в почву в качестве удобрения),полученные в ходе апробации способа прогнозируемые значения оказались близки фактическим значениям, определённым балансовым методом на основе приборных измерений – погрешность составила менее 10 % и возможность прогнозирования уровня сохранности азота для отходов с содержанием воды менее 92%.

Способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле (включая операции переработки, хранения, транспортировки и внесения в почву в качестве удобрения) реализуется путём отбирают пробу исходного отхода, определяют параметры исходного отхода: содержание воды, содержание общего азота (N), содержание общего углерода (C), соотношение углерода к азоту (C:N), определяют технологические факторы, Анализ пробы исходного отхода определяют принятыми агрохимическими методами: азот определяют методом Кьельдаля, углерод - методом Тюрина, содержание воды (влажность) определяют термостатно-весовым методом. Значения технологическихфакторных переменных в стандартизованном виде определяют путём выбора из таблиц соответствия (Таблица 1, Таблица 2, Таблица 3).

Таблица 1

Таблица соответствия технологии переработки уровню сохранности азота (переменная X₁)

Технология переработки Уровень сохранности азота в стандартизованном виде Переработка в отстойниках с последующей аэрацией -1,00 Переработка в отстойниках с последующей очисткой в рыбоводно-биологических прудах -0,25 Длительное выдерживание жидких отходов (без формирования покрытия) 0,00 Длительное выдерживание жидких отходов (без формирования покрытия) 0,25 Длительное выдерживание в хранилищах закрытого типа 0,40 Сепарация с последующим хранением и компостирование 0,50 Анаэробное сбраживание (биогаз) 1,00 Длительное выдерживание твердых отходов -1,00 Пассивное компостирование -0,50 Активное компостирование 0,25 Переработка в биореакторе камерного типа 0,75 Переработка в биореакторе барабанного типа 1,00

Таблица 2

Таблица соответствия технологии хранения уровню сохранности азота (переменная X₂)

Технология хранения Уровень сохранности азота в стандартизованном виде Хранение жидких отходов в хранилищах открытого типа без крыши или других элементов защиты от атмосферных осадков -1,00 Хранение жидких отходов в хранилищах открытого типа с крышей или другим конструктивным элементом защиты от атмосферных осадков -0,50 Хранение жидких отходов в хранилищах закрытого типа 1,00 Хранение твердых отходов на полевых площадках -1,00 Хранение твердых отходов на гидроизолированных площадках без укрывных материалов -0,25 Хранение твердых отходов на гидроизолированных площадках с укрывными материалами 0,50 Хранение твердых отходов на крытых гидроизолированных площадках 1,00

Таблица 3

Таблица соответствия технологии внесения в почву уровню сохранности азота (переменная X₃)

Технология внесения в почву Уровень сохранности азота в стандартизованном виде Простой слив -1,00 Разбрызгивание -0,75 Внесение шланговыми системами -0,25 Поверхностное внесениежидкого удобрения с последующей одновременной запашкой 0,75 Внутрипочвенное внесение жидкого удобрения 1,00 Разбрасывание твёрдого удобрения без запашки или с запашкой более, чем через сутки -1,00 Разбрасывание твёрдого удобрения с запашкой в течение суток -0,75 Разбрасывание твёрдого удобрения с запашкой в течение 4 часов 0,00 Разбрасывание твёрдого удобрения с одновременной культивацией 0,50 Разбрасывание твёрдого удобрения с одновременной запашкой 0,75 Разбрасывание твёрдого удобрения с глубокой запашкой (с переворотом пласта) 1,00

Полученные значения характеристик отхода переводят в стандартизованный безразмерный вид путём следующих преобразований:

Для твердых и полужидких отходов:x₄ = (76-Vp)/16, где Vp – влажность исходного отхода в процентах (процентное содержание воды в отходе);

Для жидких отходов: x₄ = (Vp -95)/3;

x₅ = (CN-20)/10, где CN=C:N – отношение масс углерода к азоту в исходном отходе.

Прогнозируемый уровень сохранности азота при утилизации отходов животноводства определяют по формулам: для жидких отходов (содержание воды в отходе более 92%) Y₁ = 40,31 +6,27х₁ +3,7х₂ +4,72х₃ +1,38х₄ +5,21х₅ -5,94х₁х₄ +1,57х₂х₃ +2,15х₂х₄ – 4,81х₂х₅; для твёрдых и полужидких отходов (содержание воды в отходе менее, либо равно 92%)Y₂ = 44,83 +4,71x₁ +4,25x₂ +6,72x₃ +1,75x₄ +1,93x₅– 1,75x₁x₂ +2,63x₂x₃ –3,86x₂x₅ +2,63x₃x₄ +1,52x₁x₂x₄ +2,07x₁x₃x₄ +3,28x₂x₃x_4,

где x₁ – коэффициент уровеня сохранности азота на этапе переработки;

x₂– коэффициент уровеня сохранности азота на этапе хранения;

x₃– коэффициент уровенясохранности азота на этапе внесения в почву как удобрения;

x₄– коэффициент влажности (содержание воды) перерабатываемого материала;

x₅– коэффициент соотношение углерода к азоту в исходном перерабатываемом материале.

Пример 1. (Исходный отход – помёт влажностью 65%).

Способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства был использован для определения уровня сохранности азота на птицефабрике яичного направления с клеточным содержанием птицы и ленточной системой удаления помёта, расположенной в Ленинградской обл. Был произведён отбор пробы образующегося помёта, проведён лабораторный анализ отобранной пробы помёта: азот был определён методом Кьельдаля, углерод - методом Тюрина, содержание воды (влажность) – термостатно-весовым методом. Были проанализированы используемые на сельхозпредприятии технологии для определения значений технологических факторных переменных путём выбора из таблиц 1, 2, 3 и рассчитано значение отношения углерода к азоту(C:N). Значения C:N и влажности исходного отхода были преобразованы в стандартизованный вид. Значения факторных переменных в натуральном и стандартизованном значениях приведены в Таблице 4.

Таблица 4

Значения факторных переменных и уровня сохранности азота

Факторная переменная Описание фактора Значение в стандартизованном виде X₁ Пассивное компостирование -0,50 X₂ Гидроизолированные площадки -0,25 X₃ Разбрасывание -0,75 X₄ Содержание воды 65% 0,70 X₅ Соотношение углерода к азоту C:N = 15:1 -0,50 Расчётное значение сохранности (Y₂) 35,72 Фактическое значение сохранности 36,44

Подставив исходные данные – значения факторных переменных в стандартизованном виде в полиномиальное уравнение Y₂ = 44,83 +4,71x₁ +4,25x₂ +6,72x₃ +1,75x₄ +1,93x₅–1,75x₁x₂ +2,63x₂x₃ –3,86x₂x₅ +2,63x₃x₄ +1,52x₁x₂x₄ +2,07x₁x₃x₄ +3,28x₂x₃x₄

было рассчитано значение сохранности азота.Рассчитанный по модели результат оказался близок фактическому значению, определённому балансовым методом на основе приборных измерений – погрешность составила 1,98%.

Пример 2.

(Исходный отход – жидкий свиной навоз влажностью 95,4%).

Способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства был использован для определения уровня сохранности азота на свинокомплексе законченного цикла с безвыгульным содержанием животных в групповых станках с общим годовым поголовьем около 100000 голов, расположенном в Ленинградской обл. Был произведён отбор пробы образующегося навоза, произведён лабораторный анализ отобранной пробы навоза: азот был определён методом Кьельдаля, углерод - методом Тюрина, содержание воды (влажность) – термостатно-весовым методом. Были проанализированы используемые на сельхозпредприятии технологии для определения значений технологических факторных переменных путём выбора из таблиц 1, 2, 3 и рассчитано значение отношения азота к углероду (C:N). Значения C:N и влажности исходного отхода были преобразованы в стандартизованный вид. Значения факторных переменных в натуральном и стандартизованном значениях приведены в Таблице 5.

Таблица 5

Значения факторных переменных и уровня сохранности азота

Факторная переменная Описание фактора Значение в стандартизованном виде X₁ Длительное выдерживание в хранилищах закрытого типа 0,40 X₂ Хранение жидких отходов в хранилищах закрытого типа 1,00 X₃ Внутрипочвенное внесение жидкого удобрения 1,00 X₄ Содержание воды 95,4% 0,13 X₅ Соотношение углерода к азоту C:N = 10:1 -1,00 Расчётное значение сохранности (Y₁) 52,55 Фактическое значение сохранности 49,87

Подставив исходные данные – значения факторных переменных в стандартизованном виде в полиномиальное уравнение Y₁ = 40,31 +6,27х₁ +3,7х₂ +4,72х₃ +1,38х₄ +5,21х₅ -5,94х₁х₄ +1,57х₂х₃ +2,15х₂х₄ – 4,81х₂х₅, было рассчитано значение сохранности азота. Рассчитанный по модели результат оказался близок фактическому значению, определённому балансовым методом на основе приборных измерений – погрешность составила 5,39 %.

Изобретение относится к области сельского хозяйства (агроинженерная экология) и предназначено для прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства, что необходимо для оценивания уровня экологической безопасности функционирования животноводческих предприятий, оценки потенциала модернизации существующих предприятий, а также выбора рациональных технологий утилизации отходов животноводства для создаваемых предприятий. Способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле содержит отбор пробы исходного отхода, в которой определяют: содержание воды термостатно-весовым методом, содержание общего азота методом Кьельдаля, содержание общего углерода методом Тюрина, определяют уровень сохранности азота на всем технологическом цикле по формулам. Изобретение позволит повысить достоверность прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле, включая операции переработки, хранения, транспортировки и внесения в почву в качестве удобрения, и обеспечит возможность прогнозирования уровня сохранности азота для отходов с содержанием воды менее и более 92%. 5 табл., 2 пр.

Способ прогнозирования уровня сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле, заключающийся в отборе пробы исходного отхода, определении в ней содержания воды термостатно-весовым методом, общего азота методом Кьельдаля, общего углерода методом Тюрина, уровня сохранности азота на всем технологическом цикле, отличающийся тем, что прогнозируемый уровень сохранности азота при утилизации отходов животноводства на всем технологическом цикле рассчитывают по формулам:

- для жидких отходов (содержание воды в отходе более 92%)

Y₁ = 40,31+6,27х₁+3,7х₂+4,72х₃+1,38х₄+5,21х₅-5,94х₁х₄+1,57х₂х₃+2,15х₂х₄-4,81х₂х₅;

- для твёрдых и полужидких отходов (содержание воды в отходе 92% и менее)

Y₂ = 44,83+4,71x₁+4,25x₂+6,72x₃+1,75x₄+1,93x₅–1,75x₁x₂+2,63x₂x₃–3,86x₂x₅+2,63x₃x₄ +1,52x₁x₂x₄+2,07x₁x₃x₄+3,28x₂x₃x₄,

где независимые переменные представлены в стандартизованном виде:

x₁ – коэффициент применяемой технологии переработки;

x₂– коэффициент применяемого метода хранения;

x₃– коэффициент применяемого метода внесения в почву как удобрения;

x₄– коэффициент влажности (содержания воды) перерабатываемого материала;

x₅– коэффициент соотношения азота к углероду в исходном перерабатываемом материале.