ДНІПРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНО-ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Інженерно-технологічний факультет Кафедра інжинірингу технічних систем Пояснювальна записка до дипломної роботи рівня вищої освіти «Магістр» на тему: Підвищення ефективності процесу гомогенізації та перекачування рідкого гною Виконав: студент 2 курсу, групи МгАІ-1-24 за спеціальністю 208 «Агроінженерія» __________ Патик Олександр Юрійович Керівник: ___________ Івлєв Віталій Володимирович Рецензент: __________ Леперда Володимир Юрійович Дніпро 2025 2 ДНІПРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНО-ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Інженерно-технологічний факультет Кафедра інжинірингу технічних систем Рівень вищої освіти: «Магістр» Спеціальність: 208 «Агроінженерія» ЗАТВЕРДЖУЮ Завідувач кафедри ІТС _ (назва кафедри) доцент _ (вчене звання) _________ Дудін В.Ю. _ (підпис) (прізвище, ініціали) «24» жовтня 2025 р. ЗАВДАННЯ НА ДИПЛОМНУ РОБОТУ СТУДЕНТУ Патику Олександру Юрійовичу . (прізвище, ім’я, по батькові) 1. Тема роботи: Підвищення ефективності процесу гомогенізації та перекачу- вання рідкого гною керівник роботи: Івлєв Віталій Володимирович, к.т.н., доцент ( прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) затверджені наказом вищого навчального закладу від « 24 » жовтня 2025 року № 3182 2. Строк подання студентом роботи 12.12.2025 р. . 2. Вихідні дані до роботи Аналіз стану питання процесів та обладнання для обробки гною, зокрема насоси. Патентний пошук, аналіз літературних джерел, останніх досліджень з обраної тематики. 4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити) 1. Стан питання. 2. Теоретичне обґрунтування параметрів насоса- гомогенізатора рідкого гною. 2. Експериментальні дослідження процесу. 4. Охорона праці. 5. Економічна оцінка удосконаленого насоса-гомогенізатора рідкого гною. Загальні висновки. Бібліографічний список . 3 5. Перелік демонстраційного матеріалу 1. Мета і задачі досліджень. Аналіз (2 аркуші, А4). 2.Теоретичні дослідження (3 аркуші, А4). 2. Експериментальні дослідження (2 аркуші, А4). 4. Охорона праці (1 аркуш, А4). 5. Економічні показники (1 аркуш, А4). 6. Висновки (1 аркуш, А4) 6. Консультанти розділів роботи Розділ Прізвище, ініціали та посада консультанта Підпис, дата завдання видав завдання прийняв 1-5 Івлєв В.В., доцент Нормоконтроль Івлєв В.В., доцент 7. Дата видачі завдання: 24.10.2025 р. . КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН № з/п Назва етапів дипломної роботи Строк виконання етапів роботи Примітка 1 Аналітичний (оглядовий) до 01.10.2025 р. 2 Теоретичний до 20.10.2025 р. 3 Експериментальний до 09.11.2025р. 4 Охорона праці до 19.11.2025 р. 5 Економічний до 26.11.2025 р. 6 Демонстраційна частина до 30.11.2025р. Студент ____________ Патик О.Ю. ( підпис ) (прізвище та ініціали) Керівник роботи __________ Івлєв В.В. ( підпис ) (прізвище та ініціали) 4 № п /п Ф о р м а т Позначення Найменування Кількість аркушів Н о м ер а р ку ш а Примі- тка Текстові документи 1 А4 Пояснювальна записка 82 Демонстраційні матеріали 2 А4 Мета і задачі досліджень. Аналіз 3 2,3 3 А4 Теоретичні дослідження 3 4,5,6 4 А4 Експериментальні дослі- дження 2 7,8 5 А4 Охорона праці 1 9 6 А4 Економічна частина 1 10 7 А4 Висновки 1 11 46ДР081.000.000РД Зм. Арк. № докум. Підп. Дата Розробив Патик Відомість дипломної ро- боти літера аркуш арку- шів Перевірив Івлєв 4 82 Т. контр МгАІ-1-24, ДДАЕУ Н. контр. Івлєв Затверд. Дудін 5 АНОТАЦІЯ Патик О.Ю. Підвищення ефективності процесу гомогенізації та перека- чування рідкого гною /Випускна кваліфікаційна робота на здобуття освітнього ступеня «магістр» за спеціальністю 208 «Агроінженерія» – ДДАЕУ, Дніпро, 2025. Дипломна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. У першому розділі наведено характе- ристику рідких гнойових стоків як органічного добрива та виконано аналіз тех- нологій їх переробки й існуючих технічних засобів гомогенізації й перекачу- вання. У другому розділі викладено теоретичні основи роботи насоса-понтона та обґрунтовано його конструктивно-технологічну схему. Третій розділ прис- вячено методиці та результатам експериментальних досліджень, побудові пове- рхонь відгуку й напірно-видаткової характеристики. У четвертому розділі роз- глянуто питання охорони праці та охорони навколишнього середовища, пов’язані з експлуатацією лагун і насоса-понтона. Окремо подано розділ еконо- мічної ефективності використання розробленої конструкції. Ключові слова: насос-понтон, рідкі органічні добрива, гомогенізація стоків, перекачування рідкого гною, шнековий транспортуючий орган, еконо- мічна ефективність, охорона навколишнього середовища.. 6 ЗМІСТ Вступ 8 1 СТАН ПИТАННЯ. МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ 10 1.1 Значення гнойових стоків як цінного органічного добрива 10 1.2 Огляд і аналіз технологій переробки та утилізації гнойових сто- ків 15 1.3 Огляд і аналіз технічних засобів для гомогенізації та перекачу- вання рідких органічних добрив 21 1.4 Висновки по розділу 35 2 ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАСОСА-ПОНТОНУ 37 2.1 Теоретичне обґрунтування конструктивно-технологічної схеми насоса-понтону 37 2.2 Обґрунтування технологічних параметрів процесу перекачування рідких органічних добрив насосом-понтоном 44 2.3 Обґрунтування параметрів транспортуючого шнека 49 2.4 Обґрунтування параметрів понтона 52 2.5 Висновки по розділу 53 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ 55 3.1 Методика визначення раціональних геометричних і технологічних параметрів насоса-понтону 55 3.2 Результати визначення геометричних і технологічних параметрів насоса-понтону 57 3.3 Результати визначення напірно-витратної характеристики 61 3.4 Висновки по розділу 62 4 ОХОРОНА ПРАЦІ 63 4.1 Загальні вимоги охорони праці при роботі на лагунах для зберігання та обробки рідкого гною 63 7 4.2 Оцінка небезпечних факторів з точки зору охорони праці при ви- користанні розробленого насоса-понтона 64 4.3 Охорона навколишнього середовища при роботі на лагунах для зберігання та обробки рідкого гною 65 4.4 Висновки по розділу 66 5 ЕКОНОМІЧНА ОЦІНКА УДОСКОНАЛЕНОГО НАСОСА-ГОМОГЕНІЗАТОРА РІДКОГО ГНОЮ 68 5.1 Вихідні дані 68 5.2 Розрахунок показників економічної ефективності 69 5.3 Висновки по розділу 70 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 71 БІБЛІОГРАФІЯ 73 ДОДАТКИ 75 8 ВСТУП Сучасний стан розвитку тваринництва характеризується переходом до промислових технологій утримання поголів’я, концентрацією виробництва та значним збільшенням обсягів рідких органічних відходів. На великих свиноко- мплексах щорічно утворюються тисячі кубічних метрів рідкого гною та гнойо- вих стоків, які за умови неналежного зберігання й переробки становлять серйо- зну санітарно-епідеміологічну й екологічну загрозу. При цьому свинячі гнойові стоки є цінним органічним добривом, здатним істотно підвищувати родючість ґрунтів, покращувати їх агрохімічні й агрофізичні властивості, сприяти накопи- ченню гумусу та підвищенню врожайності сільськогосподарських культур. Основною проблемою застосування рідкого гною як добрива є необхід- ність його попередньої підготовки: гомогенізації, подрібнення грубодисперс- них включень, знезараження та рівномірного внесення на поля в агротехнічно обґрунтованих дозах. На практиці широкого поширення набули лагуни-гноєс- ховища, де рідкий гній накопичується й частково піддається біохімічним про- цесам перетворення. Однак у таких спорудах відбувається розшарування маси, утворення поверхневої корки та донних відкладень, що ускладнює відбір одно- рідної суміші, сприяє локальному загазуванню й ускладнює подальше перека- чування органічних добрив до місць внесення. У зв’язку з цим актуальним є створення й обґрунтування удосконалених конструкцій обладнання, яке забезпечує інтенсивну гомогенізацію гнойових стоків безпосередньо в лагуні та їх надійне перекачування в напірну магістраль при мінімальних енерговитратах. Перспективним напрямом є використання на- сосів-понтонів, що розміщуються безпосередньо на поверхні лагуни й викону- ють функції подрібнення, перемішування та транспортування рідких органіч- них добрив. Об’єктом дослідження в даній роботі є процес гомогенізації та перекачу- 9 вання рідких органічних добрив із лагун-гноєсховищ у системах утилізації рід- кого гною тваринницьких підприємств. Предметом дослідження є конструкти- вно-технологічні параметри насоса-понтона, а також їх вплив на гідравлічні й енергетичні показники його роботи. Метою дипломної роботи є підвищення ефективності процесу гомогені- зації та перекачування рідких органічних добрив із лагун-гноєсховищ шляхом удосконалення конструкції насоса-понтона та обґрунтування його раціональ- них геометричних і технологічних параметрів. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі основні за- вдання: – виконати огляд і аналіз існуючих технологій переробки та утилізації рідкого гною, а також технічних засобів для гомогенізації та перекачування гно- йових стоків; – обґрунтувати конструктивно-технологічну схему насоса-понтона для гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив із лагун; – розробити теоретичні основи розрахунку процесу гомогенізації й пере- качування, отримати залежності для визначення напору, витрати та енергетич- них показників роботи насоса-понтона; – провести експериментальні дослідження дослідного зразка насоса-пон- тона, побудувати його напірно-видаткову характеристику та зіставити отримані результати з теоретичними розрахунками; – виконати економічну оцінку ефективності використання розробленого насоса-понтона порівняно з базовим варіантом обладнання; – опрацювати питання охорони праці й охорони навколишнього середо- вища при експлуатації лагун-гноєсховищ та насоса-понтона. 10 1 СТАН ПИТАННЯ. МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ 1.1 Значення гнойових стоків як цінного органічного добрива Гній – це суміш екскрементів тварин із підстилкою, залишками кормів, водою та іншими домішками, що потрапляють у систему видалення гною. Свинячий гній за своєю природою є полідисперсною суспензією з квазіп- ластичними плинними властивостями. Його рухливість визначається вмістом колоїдних частинок і часткою сухої речовини. Прийнято розрізняти напіврідкий свинячий гній (вологість до 90%) і рід- кий (90–93%) залежно від умісту води. Якщо вологість суміші екскрементів пе- ревищує 93%, її відносять до гнойових стоків. Гній, що утворюється на великих свинокомплексах за умов згодовування концентрованих кормів, характеризується підвищеним умістом поживних еле- ментів, необхідних рослинам. Хімічний склад гною та гнойових стоків безпосередньо залежить від ці- лого комплексу чинників: раціону та типу годівлі, статі та віку тварин, техно- логії утримання, породних особливостей тощо. Частина поживних речовин, що містяться в кормах, виводиться з організму з екскрементами, тому зміна струк- тури раціону відразу відображається на складі гною. Ступінь перетравності ко- рмів також впливає на кількість і форму поживних речовин у стоках. Вміст су- хої речовини в гнойових стоках прямо пов’язаний зі ступенем розбавлення їх водою. У середньому для свинячих стоків характерні такі показники хімічного складу: вода – близько 96,7%, суха речовина – 3,3%, азот (N) – 0,63%, фосфор (P₂O₅) – 0,07%, калій (K₂O) – 0,43%. 11 Висока ефективність використання рідкої фракції як добрива значною мі- рою пояснюється великим умістом сечовини в сечі тварин. Крім того, у гнойо- вих стоках міститься значна кількість мікроелементів – бору, марганцю, міді, цинку тощо. Отже, за умови правильного розділення свинячих гнойових стоків на тве- рду та рідку фракції, дотримання рекомендованих способів зберігання, викори- стання технічних, хімічних і біологічних засобів обробки, а також відповідних строків витримування можна одержати високоякісне органічне добриво. Його внесення сприяє підвищенню родючості орного шару ґрунту. Гній впливає на ґрунт і вирощувані культури як безпосередньо, так і опо- середковано: − поповнює запаси елементів живлення (азот, фосфор, калій, кальцій, магній, сірка, мікроелементи тощо); − збагачує ґрунтове і приземне повітря вуглекислим газом; − вносить у ґрунт різноманітні мікроорганізми й органічні речовини. Тривале систематичне внесення гною в поєднанні з розвитком рослин і мікробіотою істотно покращує фізико-хімічні властивості та структуру ґрунтів: − зростають ємність вбирання (ЄКО), буферність, ступінь насичено- сті основами; − збільшується вміст рухомих форм елементів живлення; − знижується кислотність і вміст рухомих форм токсичних елементів (алюмінію, марганцю тощо). Поліпшення цих показників родючості й окультуреності ґрунтів супрово- джується відчутним зростанням урожайності сільськогосподарських культур та підвищенням якості продукції. Під час зберігання хімічний склад гнойових стоків змінюється: частина органічної речовини та біогенних елементів втрачається. Оскільки рідкий гній контактує з атмосферою лише через поверхневий шар, надходження кисню в 12 товщу маси обмежене, тому в ньому переважають анаеробні мезофільні про- цеси. У результаті легкомінералізовані органічні сполуки розкладаються з утво- ренням газів: сірководню (H₂S), вуглекислого газу (CO₂), аміаку (NH₃), метану (CH₄), меркаптанів і органічних кислот. Упродовж кількох днів зберігання понад 90 % сечовини переходить у аміак і вуглекислий газ, що спричиняє підвищення частки амонійного азоту в перші 4–5 діб. Оскільки на сечовину припадає приблизно 50 % загального азоту гною, через кілька днів більше половини всього азоту в стоках уже перебуває в амонійній формі. Подальші втрати азоту, органічної та сухої речовини залежать від глибини сховища, температури навколишнього середовища, частоти пере- мішування, інтенсивності сонячного випромінювання тощо. Співвідношення форм азоту в гної визначається частками твердих і рід- ких виділень. Азот у калі представлений переважно повільно мінералізованими сполуками, тому він погано засвоюється рослинами в перший рік після вне- сення. Азот сечі – легкорозчинний, швидко переходить в аміачну форму й од- разу доступний для рослин. Фосфор у гної в основному міститься в органічній формі, але, як правило, він засвоюється рослинами краще, ніж фосфор із міне- ральних добрив. Калій у всіх складових гною перебуває у високорухомих і легкодоступних формах. На відміну від хлорвмісних мінеральних добрив, калій у гної практи- чно не містить хлору, що особливо важливо для культур, чутливих до цього елемента. Більша частина калію гною засвоюється вже в перший рік після вне- сення. У процесі розкладання гною разом із мінералізацією азоту, фосфору та сірки не менше 70 % вуглецю органічної речовини переходить у діоксид вуг- лецю, а решта (приблизно 30 %) іде на утворення гумусу. Свинячий гній не лише сприяє приросту гумусу, а й формує його гуматний тип. Діоксид вуглецю, 13 утворюючи в ґрунтовому розчині вугільну кислоту, підвищує розчинність ґру- нтових фосфатів і сполук кальцію, що поліпшує поживний режим ґрунту, тоді як кальцій через коагуляцію колоїдів покращує його структуру. Відповідальність за захист земель від негативного впливу сільськогоспо- дарської діяльності покладається на землекористувачів. Відповідно до вимог за- конодавства щодо державного регулювання забезпечення родючості земель сільськогосподарського призначення, власники та користувачі земельних діля- нок зобов’язані здійснювати виробництво продукції способами, що забезпечу- ють відтворення родючості ґрунтів, а також запобігають або мінімізують шкід- ливий вплив на навколишнє природне середовище. Вони повинні дотримува- тися встановлених стандартів, норм, регламентів проведення агротехнічних, аг- рохімічних, меліоративних, фітосанітарних і протиерозійних заходів. Тому перед внесенням органічного добрива необхідно перевіряти його ві- дповідність технічним умовам (ТУ), дотримуватися строків та норм внесення, а також своєчасно загортати добрива в ґрунт згідно з вимогами чинних стандар- тів. Перед використанням рідкого гною чи його фракцій як добрива для сіль- ськогосподарських угідь вони мають пройти відповідну підготовку, зокрема ка- рантинування й дегельмінтизацію згідно із санітарними правилами. Для підви- щення якості добрив, отриманих із гнойових стоків, і скорочення термінів їх дозрівання застосовують спеціальні бактеріальні препарати, які вносять у рідку фракцію. Таким чином, для підвищення родючості ґрунтів доцільно використову- вати органічні добрива, у тому числі й свинячі стоки, але лише в розрахованих дозах і за умови повноцінної підготовки до внесення. Для повного санітарного знезараження гнойових відходів установлено такі мінімальні строки витримування в лагунах: − несепарований рідкий гній можна вносити в ґрунт не раніше ніж через 12 місяців зберігання; 14 − після поділу на тверду і рідку фракції рідку фракцію дозволяється вносити через 4 місяці витримки в літній період і через 6 місяців – узимку. Після сепарації свинячого гною в рідку фракцію переходить: − близько 80 % загального азоту; − приблизно 90 % калію; − орієнтовно 50 % фосфору. Отже, тверда фракція виступає переважно фосфорним добривом, а її об’єм становить лише 6–12 % від вихідного об’єму гною. Відповідно площі вне- сення твердої фракції слід розраховувати насамперед за вмістом фосфору. При цьому необхідна площа для внесення сепарованого рідкого гною зменшується приблизно на 20 % порівняно з нормами для не розділеного гною. Середні показники складу рідкого свинячого гною такі: вода – 94–95%; органічні речовини – 3,5–4%; загальний азот – 0,17%; фосфор – 0,08%; калій – 0,06%. За вмістом діючих речовин 1000 м³ рідкого свинячого гною в середньому відповідає близько 7,6 т мінеральних добрив у перерахунку на аміачну селітру, подвійний суперфосфат і хлористий калій. Азот є найрухомішим із біогенних елементів і справляє найбільший вплив на урожайність, тому норми внесення рідкого гною встановлюють саме за зага- льним азотом. Конкретні дози залежать від вирощуваної культури (табл. 1.1). За зрошення норму внесення безпідстилкового гною, розраховану за азо- том, дозволяється збільшувати приблизно у 1,5 раза. Через значну частку мінеральної (амонійної) форми в загальному азоті рі- дкий гній належить до швидкодіючих органічних добрив: основний ефект його внесення проявляється вже в перший рік, на відміну від підстилкового гною, який має більш тривалу дію. Рідкий гній можна вносити щорічно. 15 Таблиця 1.1 – Норми внесення рідкого свинячого гною під сільськогоспо- дарські культури Культура Норма за азо- том, кг/га Норма ЖСН, т/га Примітка Озимі зернові 120–140 68–80 Перед основним обробіт- ком (оранкою) Ярі зернові 100–150 57–85 Восени під оранку або на- весні перед культивацією Картопля столова 120–200 68–114 Восени під оранку або на- весні перед весняною ора- нкою Кукурудза на си- лос і зелений корм 240–400 136–220 Аналогічно: під основний обробіток Соняшник близько 150 ≈ 85 Під оранку Кукурудза (як на силос, так і на зерно) вирізняється високим винесенням елементів живлення, тому під цю культуру протягом обмеженого часу допус- тиме застосування підвищених доз добрив – до подвійної норми без помітного погіршення якості продукції. Після сепарації більша частина загального азоту залишається в рідкій фракції, але його концентрація знижується приблизно на 20 %. Тому розрахун- кові норми внесення рідкої фракції після сепарації слід збільшувати на 20 % порівняно з наведеними в таблиці значеннями. 1.2 Огляд і аналіз технологій переробки та утилізації гнойових стоків Перехід тваринництва на промислову основу призвів до того, що щороку на підприємствах АПК утворюються сотні мільйонів тонн гною та посліду. На- копичення таких мас, кількість яких часто значно перевищує природний потен- ціал біодеградації, загострює проблему охорони навколишнього середовища: відбувається нітратне й мікробне забруднення ґрунтів, повітря, поверхневих та 16 підземних вод. Рівень мікробного та загального забруднення на територіях, прилеглих до великих комплексів, у багато разів перевищує природний фон. Найбільшу екологічну небезпеку становлять саме рідкі гнойові стоки, оскільки вони легко проникають у ґрунт, забруднюють підземні води й атмос- феру, але при цьому містять основну частку азоту. Більшість сучасних тваринницьких комплексів працюють за безпідстил- ковою технологією утримання, тому гній у них надходить у вигляді рідкої маси. У багатьох господарствах рідку фракцію щоденно відкачують із гнойозбірників і вивозять на поля в ємностях-цистернах, одразу вносячи в ґрунт. Однак такий підхід є помилковим: після надходження в гноєсховище гній повинен пройти карантинування протягом не менше 3–6 місяців, щоб у процесі визрівання від- булося пригнічення чи повне знищення більшості патогенних мікроорганізмів. Завдяки впровадженню прогресивних технологій виробництво продукції тваринництва за останні роки значно зросло, що закономірно спричинило різке збільшення кількості гною та посліду. При цьому в багатьох господарствах за- стосовують порівняно нову систему видалення гною – гідрозмив, за якої гній і послід змиваються водою. У результаті утворюються рідкі гнойові та послідні стоки, що є найбільш екологічно небезпечною формою відходів. Питання їх очищення, дегельмінтизації та утилізації досі опрацьоване недостатньо. Основна складність утилізації рідких стоків полягає в тому, що при гідро- змиві гній значно розбавляється водою, що збільшує період виживання пато- генної мікрофлори більш ніж утричі. У рідкому гної можуть тривалий час збе- рігатися збудники небезпечних хвороб: кишкова паличка, дизентерійні бацили, збудники холери й тифу, віруси гепатиту й грипу, сальмонели, цисти найпрос- тіших (Giardia lamblia, Cryptosporidium та ін.). Це означає, що навіть після три- валого зберігання рідких стоків зберігається потенційна епідеміологічна небез- пека. Серйозною причиною забруднення навколишнього середовища рідкими тваринницькими стоками (ґрунтів, водойм, повітря) є відсутність ефективних 17 очисних споруд, адаптованих до роботи в системах гідрозмиву, а також спеціа- льного технологічного обладнання. Багато каналізаційно-очисних споруд, по- будованих раніше, не модернізувалися роками, працюють на межі або навіть перевищують проектну потужність. У значної частини господарств узагалі від- сутні спеціальні засоби очистки та утилізації рідких стоків. Для великих підп- риємств об’єм рідких відходів, що підлягають утилізації, може становити від 100 до 1500 м³ на добу. Навіть безпосереднє внесення рідких тваринницьких стоків на поля в «чи- стому» вигляді призводить до низки екологічних проблем: − у ґрунт потрапляє велика кількість життєздатного насіння бур’янів; − вносяться патогенні мікроорганізми, яйця гельмінтів, небажані хі- мічні сполуки; − відбувається накопичення важких металів. Рисунок 1.1 – Технології переробки рідкого гною 18 Аналіз зеленої маси, вирощеної на таких полях, показує перевищену кон- центрацію нітратів - до 883 мг/кг. Крім того, значна частка рослинних і лігніно- вмісних компонентів у стоках (до 30 % сухої речовини: солома, залишки корму, підстилка, неперетравлені частки тощо) призводить до того, що азот ґрунту, по- трібний рослинам, витрачається переважно на мінералізацію органічних реш- ток, а не на живлення кореневої системи культур. Додатковою проблемою є забруднення повітря. Результати досліджень свідчать про значний негативний вплив тваринницьких комплексів на стан ат- мосферного повітря навіть на прилеглих до них територіях. Наприклад, птахо- фабрика на 400 тис. несучок за рік накопичує таку кількість посліду, що в про- цесі його розкладання утворюється приблизно 700 т газоподібних продуктів, серед яких близько 450 т метану (приблизно 65 %), 208 т вуглекислого газу (30 %) і близько 35 т суміші інших сполук (водень, індол, скатол, сірководень, аміак тощо). Економічний збиток для екосистеми від таких викидів оцінюється у со- тні мільйонів гривень. Навіть на відстані 50–200 м від ферми забруднення пові- тря є дуже високим і сягає понад трьох чвертей рівня забрудненості безпосере- дньо на території комплексу. Також відзначено, що на фермах і на прилеглих до них ділянках у повітрі домінують бацили (паличкоподібні бактерії) порівняно з коками, що додатково підтверджує негативний вплив виробничої діяльності на мікробіологічний стан атмосферного повітря. На сьогодні вже розроблено та ефективно застосову- ється ряд технологій, які дозволяють одночасно розв’язати екологічні й еконо- мічні завдання. Оскільки рідкий гній являє собою суміш твердих часток і рі- дини, ключова ідея полягає в розділенні цих фракцій до того, як забруднювальні компоненти повністю перейдуть у розчин. На ринку представлено кілька основних типів технологічного обладнання для розділення рідких тваринницьких стоків на тверду та рідку фракції: − стаціонарні вібросита; − проціджувачі (решітчасті або щілинні фільтри); 19 − фільтр-преси; − шнекові прес-сепаратори. Нижче наведено порівняльні дані щодо ефективності відокремлення твер- дої фракції та деяких експлуатаційних параметрів різних типів обладнання (концентрація твердих речовин у вихідних стоках – 5 %). Таблиця 1.2 – Порівняння обладнання для відокремлення твердої фракції з рідких стоків Показник Шнековий прес-сепаратор Фільтр- прес Проці- джувач Вібро- сито Вміст сухих речовин у тве- рдій фракції 35…50 % 20…30 % 9…15 % 7…10 % Вміст сухих речовин у рід- кій фракції 1,2…1,7 % 2…3 % 2…4 % 3…4 % Ступінь відокремлення N, P, K 35…95 % 15…50 % 10…35 % 5…30 % Споживання електроенер- гії, кВт·год (за годину ро- боти) 4…7,5 25…60 8…15 15…30 Складність експлуатації Низька Висока Низька Висока Продуктивність, м³/год 10…70 4…150 10…50 3…10 Інше обладнання для зневоднення рідкого гною показало низьку ефекти- вність з різних причин: − незадовільна якість зневодненої маси (надто висока вологість твер- дої фракції); − жорсткі вимоги до властивостей вихідного середовища (обмеження за вмістом сухих речовин); − складність обслуговування й монтажу; 20 − висока вартість закупівлі та експлуатації. Більшість сепараторів працюють за принципом фільтрації під дією сили тяжіння: рідина проходить крізь сито, а тверді частки затримуються. Однак такі установки потребують трудомісткого очищення робочих поверхонь і забезпе- чують недостатній ступінь зневоднення, у результаті чого отримується надто вологий матеріал. Моделі з вальцьовими пресами є дорожчими в обслугову- ванні й не дають істотного покращення якості осушення. Фізико-механічні властивості твердої фракції після сепарації є оптималь- ними для компостування. У результаті компостування отримують високоякісне органічне добриво або підстилковий матеріал для тварин. Рідка фракція після розділення зазвичай має нейтральну реакцію середо- вища, підвищений уміст біогенних елементів і сприятливе співвідношення фо- сфору, азоту та калію (приблизно 1,4 : 1,0 : 1,6). Вміст зважених речовин стано- вить близько 1,2 %, при цьому за правильно організованої системи підготовки в ній відсутні патогенні мікроорганізми та яйця гельмінтів. Така рідка фракція може використовуватися повторно в системах гідрозмиву або як рідке органі- чне добриво для зрошення полів. У дослідах на посівах пшениці застосування рідкої фракції як добрива в дозі близько 300 м³/га на рік забезпечувало приріст урожайності приблизно на 0,6 т/га. При цьому не спостерігалося забруднення ґрунту на глибину 30 та 60 см, а вміст нітратів, важких металів та інших хімічних сполук залишався значно нижчим за гранично допустимі концентрації, без істотного впливу на мікробіо- логічний стан ґрунту. У середньому при внесенні 20 т/га ферментованого гною у ґрунт надхо- дить близько 100 кг азоту, 50 кг фосфору (в перерахунку на P₂O₅), 120 кг калію (K₂O), 80 кг кальцію (CaO) та за рахунок процесів гуміфікації утворюється при- близно 1,0–1,2 т/га гумусу. Це означає, що від кожної тонни гною запас гумусу 21 в ґрунті зростає орієнтовно на 35–50 кг/га. Для підвищення вмісту гумусу в ор- ному шарі на 1 % протягом 5 років рекомендують щорічно вносити не менше 100 т/га органічної речовини. Ферментований гній засвоюється рослинами поступово: − у перший рік – близько 60 % поживних речовин; − у другий рік – до 30 %; − у третій рік – орієнтовно 10 %. Використовувати гній як добриво можна лише після його належної пере- робки. Для цього застосовують кілька найбільш ефективних способів (компос- тування, сепарацію з наступним визріванням фракцій, біологічну та санітарну обробку тощо), що дозволяють мінімізувати екологічні ризики й отримати цінне органічне добриво з прогнозованими властивостями. 1.3 Огляд і аналіз технічних засобів для гомогенізації та перекачу- вання рідких органічних добрив Перемішування гнойових стоків у лагунах необхідне з кількох причин: − прискорення процесів розкладання та перегнивання органічної маси; − отримання однорідної суміші перед внесенням на поля; − руйнування та видалення твердих осадів, що накопичуються на дні лагун. Для розв’язання цих завдань застосовують низку технічних рішень, які відрізняються конструкцією, принципом дії, продуктивністю та мобільністю. Занурювані електричні міксери Одна з найпоширеніших груп обладнання - занурювальні міксери (рису- нок 2). Вони складаються з електродвигуна, редуктора та робочого органу у ви- гляді лопатей. Зазвичай застосовують дволопатеві робочі органи збільшеного 22 діаметра з самоочисним профілем. Така форма дозволяє зменшити намотування сміття й рослинних решток, які є в лагуні, та забезпечити стабільну роботу мік- сера. Стаціонарні занурювальні міксери (рисунок 1.3) використовують там, де неможливо застосувати обладнання з приводом від ВВП трактора, наприклад через відсутність під’їзних шляхів або обмежений простір навколо лагуни. Такі міксери жорстко закріплюють на бетонній чи металевій основі. Основні недоліки стаціонарних міксерів: − відсутність мобільності (перенесення на іншу лагуну потребує зна- чних витрат часу й коштів); − обмежена зона обслуговування однієї установки. Рисунок 1.2 - Міксер 23 Рисунок 1.3 - Стаціонарний занурювальний міксер За потужністю стаціонарні міксери здатні ефективно перемішувати приб- лизно 5000–7000 м³ жижі, тому для лагуни великого об’єму потрібні щонайме- нше дві установки. Сумарні витрати електроенергії при безперервній роботі мо- жуть досягати близько 20 кВт·год. Пересувні занурювані електричні міксери (рисунок 1.4) є більш гнучким рішенням. На базі свинокомплексу «Кировский» була впроваджена пересувна установка такого типу. Вона складається зі станини, змонтованої на широких металевих полозках. Завдяки цьому міксер можна опускати на дно лагуни та переміщувати по її площі, не пошкоджуючи мембрану, якою встелені дно та стінки. На станині закріплений електричний лопатевий міксер. Подача установки в лагуну здійснюється за допомогою причіпного пристрою довжиною близько 24 10 м від трактора. У процесі відкачування рідкого гною міксер поступово пере- сувають у глиб лагуни. Рисунок 1.4 - Пересувний занурювальний міксер Переваги такого рішення: − простота виготовлення; − невисока вартість; − можливість обслуговувати декілька лагун однією або двома устано- вками. Практика показала, що двох подібних міксерів достатньо для ефективного перемішування лагун об’ємом до 15 000 м³. Пропелерні мішалки з приводом від ВВП трактора (рисунок 1.5) констру- ктивно являють собою подовжену штангу (різної довжини), яка кріпиться до навісної системи трактора. Усередині штанги розміщується вал, на кінці якого 25 встановлено пропелер. Вал через карданну передачу з’єднано з валом відбору потужності трактора. Принцип роботи: − мішалку агрегатують із трактором; − трактор під’їжджає до лагуни, і штангу обережно заводять через об- валування в середину лагуни, змінюючи висоту навісної системи; − на першій позиції мішалка працює близько 30 хвилин; − далі, не змінюючи стоянку трактора, регулюють висоту занурення мішалки відносно дна; − після відпрацювання циклу трактор переміщують уздовж борта на 10 м і повторюють процес. Рисунок 1.5 - Пропелерна мішалка з приводом від ВВП трактора 26 Після того як трактор послідовно відпрацює всі заплановані точки і пове- рнеться в початкове положення, вміст лагуни вважається гомогенізованим. Під час відкачування жижі для підтримання однорідності рекомендують організу- вати закільцьований рух потоку: трактор ставлять у кут лагуни і через кожні 4 години роботи переставляють по периметру проти годинникової стрілки. Конструктивно такі мішалки можуть бути: − відкидного типу – для роботи в обмежених просторах; − з баштовою опорою – для перемішування через високі борти або з ємно- стей, розташованих вище рівня трактора; − зі змінним положенням по вертикалі та горизонталі (рисунок 1.6) – що дає змогу, не переставляючи трактор, охоплювати значну частину площі ла- гуни. Рисунок 1.6 - Штанга з міксером від ВВП трактора, що регулюється у ве- ртикальній та горизонтальній площинах Довжина штанги зазвичай становить від 6 до 22 м і добирається з ураху- ванням геометрії лагуни. Рекомендується забезпечити занурення міксера вглиб щонайменше до 1/3 від ширини «водного дзеркала» - саме за таких умов дося- гається найвища ефективність перемішування. 27 Для штанг довжиною понад 12 м застосовують додаткові гідравлічні опори на колесах, які дозволяють плавно опустити мішалку в жижу, не пошко- дивши покриття лагуни. У таких установках насос засмоктує рідину з лагуни й під високим тиском подає її назад через сопло. Потужний струмінь розбиває поверхневу корку гною та розмиває донні відкладення. Дальність дії струменя може досягати 15 м і за- лежить від продуктивності насоса. Керування соплом, через яке подається під тиском рідина, здійснюється гідравлічно з кабіни трактора. Це дає змогу змінювати напрямок струменя як по горизонталі, так і по вертикалі, обробляючи різні зони лагуни. Плаваючі міксери понтонного типу (рисунок 1.7) складаються з несучої рами, до якої кріпляться поплавки. Завдяки цьому установка вільно пересува- ється по поверхні води. На рамі змонтовано електродвигун із редуктором і про- пелером на валу. Переміщення по лагуні здійснюють за допомогою тросів. Рисунок 1.7 - Плаваюча мішалка-амфібія 28 В окремих виконаннях мішалка-амфібія має кілька сопел (наприклад сім), а сумарна продуктивність подачі рідини може сягати 630 л/с. Потужні струмені дають змогу руйнувати як поверхневу корку, так і донні нашарування на гли- бині до 6 м. На відміну від звичайних плаваючих мішалок, амфібійний варіант здат- ний самостійно пересуватися по суші, спускатися в лагуну, працювати на воді й самостійно виїжджати назад. Керування здійснюється за допомогою радіопу- льта, що дозволяє одному оператору керувати всіма рухами агрегату. Основні недоліки таких систем: − висока вартість; − виконання лише однієї функції - перемішування без перекачування жижі з лагуни. Рисунок 1.8 - Геомембрана (геоплівка) в лагуні 29 Для гомогенізації та зберігання рідких органічних добрив, отриманих пі- сля поділу гнойових стоків на фракції та відповідної обробки, передбачають бу- дівництво спеціальних гноєхранилищ – лагун. Рідка фракція спочатку надходить по трубопроводу в карантинний резер- вуар робочим об’ємом близько 35 м³. Це залізобетонна ємність зі встановленим усередині пристроєм для опускання занурювального фекального насоса. Насос перекачує рідку фракцію в основний резервуар-накопичувач у ґрунті, дно та стінки якого вистелені спеціальною посиленою двошаровою геомембраною, що запобігає проникненню стоків у ґрунт. Для підвищення ефективності приготування рідких органічних добрив у лагунах застосовують різні типи міксерів, перемішувальних пристроїв та спеці- альних фекальних насосів (рисунки 1.9, 1.10). Рисунок 1.9 - Міксер для гною (Китай) 30 Якщо під’їзд техніки до лагуни ускладнений або неможливий, доцільно використовувати понтон-аэратор (рисунок 1.11). Рисунок 1.10 - Механічний перемішувальний пристрій Рисунок 1.11 - Плаваючий понтон-аератор 31 Таке обладнання одночасно виконує дві функції: − інтенсивне перемішування гнойової жижі; − аерацію (насичення киснем), що прискорює підготовку добрива до внесення в ґрунт. Подавання повітря безпосередньо до пропелера підвищує ефективність насичення суміші киснем у 7–10 разів порівняно зі стаціонарними рішеннями. Для полегшення спуску й підйому понтон оснащують колесами; за відсутності під’їздів може застосовуватися навісний підйомник. На відміну від берегових мішалок, понтон легко перемістити в будь-яку точку лагуни. Плаваючі лагунні мішалки-агітатори та понтони (рисунки 1.12, 1.13, 1.14) призначені для перемішування донних осадів і плаваючої корки у великих гоє- сховищах. Насос CORNELL засмоктує жижу з лагуни й подає її через спеціальні сопла вниз, піднімаючи твердий осад з дна та інтенсивно перемішуючи його з основною масою. Рисунок 1.12 – Плаваюча лагунна мішалка PCE 32 Рисунок 1.13 – Плаваюча лагунна мішалка PCE в роботі Рисунок 1.14 – Напрямки струменів у плаваючій лагунній мішалці PCE Додаткове горизонтальне сопло розбиває й розмиває плаваючі скупчення твердої фракції та застарілі корки на поверхні. Плаваючий перемішувальний понтон HYDRO F4 (рисунки 1.15, 1.16) та- кож призначений для інтенсивного перемішування донних осадів і плаваючих корок у лагунах. 33 Рисунок 1.15 – Плаваючий перемішувальний понтон HYDRO F4 Рисунок 1.16 – Плаваючий перемішувальний понтон HYDRO F4 в роботі Перемішування здійснюється чотирма пропелерами великого діаметра (приблизно 430 мм), що створюють потужні циркуляційні потоки. Плаваючі мішалки NUHN (рисунки 1.17, 1.18, 1.19) призначені для ро- боти у великих сховищах і відзначаються високою маневреністю. 34 Рисунок 1.17 – Плаваюча мішалка NUHN Рисунок 1.18 – Плаваюча мішалка NUHN в роботі Перемішування здійснюється спрямованими струменями рідини із сопел. Для переміщення амфібії не потрібні додаткові пристрої: кожне колесо має не- залежний привід (4WD), що дозволяє агрегату самостійно заїжджати в лагуну, пересуватися по дну або берегу та виїжджати назад. 35 Рисунок 1.19 – Робота сопла плаваючої мішалки NUHN У цілому зазначені технічні засоби утворюють гнучку систему гомогені- зації й транспортування рідких органічних добрив, що дає змогу адаптувати те- хнологію до розмірів господарства, геометрії лагун, наявності техніки та еконо- мічних можливостей підприємства. 1.4 Висновки по розділу Інтенсифікація виробництва продукції тваринництва сприяла широкому впровадженню комплексів із безпідстилковою технологією утримання тварин. Такий підхід, попри очевидні переваги в механізації та автоматизації процесів, призвів до виникнення серйозної проблеми – переробки великих мас гнойових стоків. У непереробленому вигляді ці стоки становлять значну загрозу для са- нітарного стану територій тваринницьких комплексів, оскільки містять велику кількість небезпечних бактерій, яєць гельмінтів та насіння бур’янів. Крім того, через значні обсяги рідкого гною ускладнюється його тривале зберігання до мо- менту, коли він може бути використаний як повноцінне органічне добриво. Одним із найбільш раціональних шляхів утилізації є попереднє розді- лення гнойових стоків на фракції з подальшим окремим використанням твердої 36 та рідкої частин як органічних добрив. Це дозволяє зменшити навантаження на системи зберігання, оптимізувати логістику внесення добрив і підвищити їх аг- рономічну ефективність. У зв’язку з цим постає задача створення ефективної системи переробки та перекачування рідкого гною (рідких органічних добрив), що надходять із тва- ринницьких ферм і комплексів для внесення на поля, – з урахуванням як необ- хідної продуктивності, так і економічної доцільності її впровадження та експлу- атації. Мета дослідження – підвищення ефективності процесів гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив із лагун-гноєсховищ. Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі за- вдання: 1. Виконати аналіз існуючих технічних засобів для гомогенізації та пере- качування рідких органічних добрив із лагун-гноєсховищ і на цій основі обґру- нтувати вибір перспективної конструкції насосної установки. 2. Теоретично описати процеси гомогенізації та перекачування рідких ор- ганічних добрив із лагун-гноєсховищ та обґрунтувати конструктивно-техноло- гічні параметри розроблюваного насоса-понтону. 3. Провести експериментальні дослідження з перевірки висунутих теоре- тичних положень щодо обґрунтування конструктивно-технологічних парамет- рів насоса-понтону для гомогенізації та перекачування рідких органічних доб- рив із лагун-гноєсховищ. 4. Здійснити економічну оцінку ефективності використання розробленого зразка насоса-понтону для гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив із лагун-гоєсховищ. 37 2 ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАСОСА-ПОНТОНУ 2.1 Теоретичне обґрунтування конструктивно-технологічної схеми насоса-понтону Огляд та аналіз існуючих конструктивно-технологічних рішень дозво- лили обґрунтувати вибір найбільш доцільної схеми насоса-понтону для гомоге- нізації та перекачування рідких органічних добрив із лагун. На основі проведе- них досліджень запропоновано кілька варіантів конструкцій, що відрізняються елементами опори, стабілізації та будовою приймальної камери. Розроблена корисна модель являє собою насос-понтон для гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив із лагун (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 – Насос-понтон для гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив із лагун 38 Насос-понтон складається з понтона 1, на якому розміщено нагнітальну камеру 2 з патрубком 3, та механізму приводу 4. Привід з’єднаний із вертика- льним валом 5, встановленим у підшипникових опорах 6. На валу 5 по висоті послідовно розташовано: − подрібнювально-перемішувальний робочий орган 7, закріплений контргайкою 8; − транспортуючий шнек 9, розміщений у кожусі 10; − лопатки 11 у зоні нагнітальної камери. Нижня частина кожуха 10 з’єднана з приймальною камерою 12, через яку рідина надходить у робочу зону. Принцип роботи. Робочу частину насоса закріплюють на понтоні 1 та за- нурюють у лагуну тваринницького комплексу. Рідке органічне добриво споча- тку потрапляє в зону дії подрібнювально-перемішувального робочого органа 7, де відбувається гомогенізація: руйнування грудок, перемішування донного осаду з рідкою фазою. Після цього усереднена маса через приймальну камеру 12 засмоктується в зону транспортуючого шнека 9 та по порожнині, обмеженій кожухом 10, по- дається в нагнітальну камеру 2. Тут потік захоплюється лопатками 11 і під тис- ком виводиться з насоса-понтону через патрубок 3. Завдяки раціональній формі подрібнювально-перемішувального робо- чого органа та наявності лопаток у нагнітальній камері підвищуються ефектив- ність гомогенізації та продуктивність перекачування рідких органічних добрив із лагун. Подальший розвиток схеми передбачає оснащення насоса-понтону дон- ною плитою (рисунок 2.2), що забезпечує фіксацію робочої частини по глибині та підвищує стійкість конструкції. 39 Рисунок 2.2 – Насос-понтон із донною плитою Конструкція містить понтон 1 з нагнітальною камерою 2 і патрубком 3, механізм приводу 4, який з’єднано з валом 5, установленим у підшипниках 6 і 7. Нижній вільний кінець вала 5 через шарнір 8 закріплений на донній плиті 9. На валу 5 змонтовано подрібнювально-перемішувальний робочий орган 10, тра- нспортуючий шнек 11 у кожусі 12 та лопатки 13 в зоні нагнітальної камери. Нижня частина кожуха 12 приєднана до приймальної камери 14. Принцип роботи. Насос-понтон занурюють у лагуну, а через донну плиту 9 фіксують його положення по глибині. Рідке органічне добриво в зоні дії ро- бочого органа 10 спочатку гомогенізується, потім усереднена маса засмокту- ється через приймальну камеру 14 до шнека 11, по кожуху 12 подається в нагні- тальну камеру 2, де захоплюється лопатками 13 і виводиться через патрубок 3. 40 Наявність донної плити, з’єднаної зі шарніром, дозволяє стабільно утри- мувати робочий вузол у заданому положенні, що підвищує ефективність та на- дійність процесів гомогенізації й перекачування. Наступний варіант конструкції - насос-понтон зі стабілізатором вертика- льної стійкості (рисунок 2.3). Рисунок 2.3 – Насос-понтон зі стабілізатором вертикальної стійкості 41 Насос-понтон містить понтон 1 з нагнітальною камерою 2 і патрубком 3, механізм приводу 4, з’єднаний із валом 5, установленим у підшипниках 6 і 7. Нижній кінець вала 5 через шарнір 8 закріплено на донній плиті 9. На валу 5 розміщено подрібнювально-перемішувальний робочий орган 10, транспортую- чий шнек 11 у кожусі 12 та лопатки 13. Нижня частина кожуха 12 з’єднана з приймальною камерою 14, а верхня частина кожуха 12 вільно насаджена на стабілізатор 15 вертикальної стійкості. Торцеві поверхні приймальної камери 14 виконані під кутом 45° до горизонта- льної площини, в якій обертаються лопаті робочого органа 10. Принцип роботи. Після занурення та фіксації по глибині (через донну плиту 9) подрібнювально-перемішувальний орган 10 гомогенізує рідке доб- риво, далі усереднена маса через приймальну камеру 14 надходить у зону шнека 11, по кожуху 12 переміщується в нагнітальну камеру 2 й викидається через патрубок 3. Стабілізатор 15 забезпечує вертикальне положення шнека 11 в кожусі 12, зменшуючи коливання та перекоси. Збільшена площа поперечного перерізу приймальної камери 14 та її похилі торці сприяють кращому підсмоктуванню маси й зниженню гідравлічних втрат, що в цілому підвищує ефективність гомо- генізації та перекачування. Ще один варіант - насос-понтон із модернізованою приймальною каме- рою та хрестоподібною донною опорою (рисунок 2.4). Конструкція включає понтон 1 з нагнітальною камерою 2 і патрубком 3, механізм приводу 4, вал 5, який обертається в підшипниках 6 і 7. Нижній кінець вала 5 через шарнір 8 закріплений на хрестоподібній донній опорі 9. На валу 5 розміщено подрібнювально-перемішувальний робочий орган 10, транспортую- чий шнек 11 у кожусі 12 та лопатки 13. Нижня частина кожуха 12 з’єднана з приймальною камерою 14, верхня - вільно насаджена на стабілізатор 15 верти- кальної стійкості. 42 Рисунок 2.4 – Насос-понтон із модернізованою приймальною камерою Принцип роботи. Робочу частину насоса занурюють у лагуну; через хре- стоподібну опору 9 агрегат надійно фіксується по глибині. Рідке добриво спо- чатку гомогенізується робочим органом 10, далі усереднена маса надходить че- рез приймальну камеру 14 у зону шнека 11, по кожуху 12 транспортується в нагнітальну камеру 2 та виштовхується лопатками 13 через патрубок 3. Вертикальна стійкість шнека 11 забезпечується стабілізатором 15. Перевага хрестоподібної донної опори полягає в збільшеній площі конта- кту з дном лагуни, що дозволяє: краще «відпрацьовувати» всю товщу донного осаду; ефективніше перемішувати та подрібнювати тверді включення; зменшити перекоси й вібрації при роботі на нерівній поверхні дна. 43 Це комплексно підвищує ефективність гомогенізації та перекачування рі- дких органічних добрив. Окремий варіант конструкції - штанговий насос-понтон для подрібнення й перекачування рідких органічних добрив (рисунок 2.5). Рисунок 2.5 – Штанговий насос-понтон 44 У цій схемі механізм приводу 1 розміщено на понтоні 2 і з’єднано з вер- тикальним валом 3, вертикальне положення якого забезпечує підшипник 4. На кінці вала 3 через підшипниковий вузол 5 закріплено робочий орган 6, розта- шований у приймальній камері 7. Робочий орган 6 містить жорстко закріплені на валу нагнітальні лопатки 8 та лопатки-диспергатори 9. Приймальна камера 7 з’єднана з напірною трубою 10. Положення вала 3 і напірної труби 10 фіксу- ється втулками 11 і 12. Принцип роботи. Після занурення робочої частини насоса в лагуну меха- нізм приводу 1 обертає вертикальний вал 3. Обертання через підшипниковий вузол 5 передається робочому органові 6, який обмежений приймальною каме- рою 7. Грубодисперсний осад із лагуни засмоктується нагнітальними лопатками 8 у приймальну камеру 7, де одночасно подрібнюється лопатками-диспергато- рами 9. Після цього суміш надходить у напірну трубу 10 і по ній транспорту- ється в магістраль подачі на поля зрошення як рідке органічне добриво. Верти- кальність вала 3 та напірної труби 10 забезпечують втулки 11 і 12. Завдяки поєднанню нагнітальних лопаток і лопаток-диспергаторів у складі одного робочого органа значно підвищується ефективність подрібнення та перекачування грубодисперсної маси рідких органічних добрив із лагун-гоє- сховищ тваринницьких комплексів. 2.2 Обґрунтування технологічних параметрів процесу перекачування рідких органічних добрив насосом-понтоном Основним робочим органом шнекових водопідіймачів є гвинтовий шнек - вал, на який навита спіраль. Зазвичай застосовують тризаходну спіраль, що забезпечує рівномірну подачу рідини та рівноміцність шнека при будь-якому куті повороту. Окружна швидкість шнека зазвичай становить 2…5 м/с, що від- повідає частоті обертання приблизно 20…100 хв⁻¹ залежно від діаметра шнека. 45 Для отримання такої частоти обертання приводний електродвигун з’єднують із валом шнека через редуктор. Подача серійно виготовлюваних шнекових насосів, які застосовуються за кордоном, коливається в межах від 15 до 5000 л/с при висоті підйому 6…7 м. Середній коефіцієнт корисної дії таких насосів становить близько 0,70…0,75 і залишається майже незмінним у широкому діапазоні зміни подачі. Шнекові на- соси можуть бути досить ефективними при перекачуванні стічних вод та осадів на порівняно невелику висоту (5…8 м). Розроблена схема насоса-понтону для подрібнення, перемішування та пе- рекачування рідких органічних добрив із лагуни-гноєсховища (рисунок 2.6) складається з трьох основних етапів: • Етап I - подрібнення та перемішування в дисмембраторі. • Етап II - перекачування та транспортування шнековою частиною насоса до нагнітальної камери. • Етап III - подача в напірну магістраль лопатевою частиною насоса- понтону. Визначальну роль у роботі розробленої конструкції відіграє саме другий етап, оскільки саме шнекова частина формує напірну та витратну характерис- тики всієї насосної установки. Для опису енергетичного стану потоку на вході й виході з насоса скористаємося рівнянням Бернуллі. Повний напір (повна удiльна енергія) потоку в перерізі 1–1 при вході в насосну установку визначається виразом: 2 1 1 1 1 1 1 1 1 . 2 P v H Z g  − − − −= + + (2.1) де H1-1 - повний напір потоку в перерізі 1–1; Z1-1 - геодезичний напір у перерізі 1–1, м; g - прискорення вільного падіння, м/с²; 46 P1-1 - тиск у перерізі 1–1, Па; ρ - густина рідини, кг/м³; v1-1 - швидкість руху рідини в перерізі 1–1, м/с. Рисунок 2.6 – Схема до розрахунку насоса-понтона Повна питома енергія потоку в перерізі 2–2 на виході з насоса має вигляд: 22 2 2 2 2 2 / 2 2 / 2 2 2E Z g P v hw− = − + − + − + − (2.2) де E2-2 - повна питома енергія потоку в перерізі 2–2; Z2-2 - висота центра тяжіння перерізу 2–2, м; P2-2 - тиск у перерізі 2–2, Па; v2-2 - швидкість потоку в перерізі 2–2, м/с; 47 hw2-2 - втрати напору на ділянці від перерізу 1–1 до перерізу 2–2, м. Приріст питома енергії потоку між перерізами 1–1 та 2–2, тобто напір на- соса H, визначається різницею енергій: 1 1 2 2 (1/ )( 2 2 ) ( 2 2 1 1) ( 2 2 1 1) / ( ) ( 2 2 1 1 ) / (2 ) 2 2. H g E E Z Z P P g v v g hw −= − − = − − − + − − − + − − − + − (2.3) Тут H - напір, який створює насос; Z1-1, Z2-2 - геодезичні напори у відповідних перерізах; P1-1, P2-2 - тиск у перерізах 1–1 та 2–2; v1-1, v2-2 - швидкості потоку; g - прискорення вільного падіння; ρ - густина перекачуваної маси; hw2-2 - втрати напору на ділянці руху потоку. Втрати напору за довжиною ділянки від перерізу 1–1 до перерізу 2–2 мо- жна подати у вигляді: 2( / )( 2 2 / (2 ))hw l D v g= − (2.4) де hw - втрати напору за довжиною, м; λ - коефіцієнт гідравлічного опору; l - довжина ділянки між перерізами 1–1 та 2–2, м; D - діаметр транспортуючого шнека або трубопроводу, м; v2-2 - швидкість рідини в перерізі 2–2, м/с; g - прискорення вільного падіння, м/с². В еквівалентній формі втрати напору можна записати як втрати тиску ΔP: 2( / )( 2 2 / 2).P l D v  = − (2.5) 48 де ΔP - втрати тиску на ділянці від перерізу 1–1 до 2–2, Па; інші позначення відповідають попереднім формулам. З урахуванням втрат напору, напір, який створюється транспортуючим шнеком, можна записати так: 2 2 2 ( 2 2 1 1) ( 2 2 1 1) / ( ) ( 2 2 1 1 ) / (2 ) ( / )( 2 2 / (2 )) H Z Z P P g v v g l D v g   = − − − + − − − + + − − − + − (2.6) Витрата (подача) транспортуючої частини насоса визначається за загаль- ним співвідношенням між витратою, швидкістю потоку та площею живого пе- рерізу: Q = v S. (2.7) де Q - витрата (подача), м³/с; v - середня швидкість потоку, м/с; S - робоча площа поперечного перерізу шнека, м². Площа кільцевого перерізу між кожухом та валом шнека визначається як: 2 2( / 4)( ).S D d= − (2.8) де D - діаметр шнека (кожуха), м; d - діаметр вала шнека, м. Рух рідини між перерізами 1–1 та 2–2 у транспортуючому шнеку можна описати рівнянням Бернуллі з урахуванням втрат напору: 2 2 2 1 1 1 1/ (? ) 1 1 / (2 ) 2 2 2 2 / ( ) 2 2 / (2 ) ( / )( 2 2 / (2 )) Z P g v g Z P g v g l D v g   − + − + − = − + − + + − + − (2.9) Розв’язавши це рівняння відносно швидкості v2-2, одержуємо: ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 1 1 2 2 / 2 2 .   2 / 1 / Z Z P P g v sqrt g l D   − − − + −       −   − − = +    (2.10) 49 Підставляючи цей вираз у формулу для витрати, отримаємо узагальнений вираз для подачі насоса-понтону: 2 2( / 4)( ) [( 1 1 2 2) ( 1 1 2 2) / ( )]2 / [1 ( / )]Q D d sqrt Z Z P P g g l D  = − − − − + − − − + (2.11) Отримані співвідношення дозволяють визначити витратну та напірну ха- рактеристики насоса-понтону залежно від геометричних параметрів шнека, ре- жиму його роботи та гідравлічних умов руху рідких органічних добрив у лагуні- гноєсховищі. 2.3 Обґрунтування параметрів транспортуючого шнека Профіль лопатки шнека виконують у вигляді прямої або вигнутої плас- тини із загостреними вхідною та вихідною крайками. Довжина загострення за- звичай становить 35…50 % від діаметра шнека. Товщину лопатки намагаються приймати мінімальною, щоб збільшити прохідний живий переріз і зменшити гідравлічні втрати. Для аналізу руху частинки рідких органічних добрив у шнековій частині насоса розглянемо дію сил у системі координат, пов’язаній із шнеком (рисунки 2.7 і 2.8). На частинку діють: власна вага G; центростремна сила Nk, що відо- бражає тиск стінки кожуха на частинку; сила нормальної реакції N1 з боку по- верхні витка шнека; сили тертя f1 N1 та f2 N2 на поверхні витка та стінки ко- жуха відповідно. Матеріальна точка перебуває одночасно в трьох видах руху: відносному - вздовж витка шнека; переносному - разом із витком; та абсолютному - по прос- торовій гвинтовій траєкторії вздовж внутрішньої поверхні кожуха. Кутові шви- дкості для цих видів руху позначимо, відповідно, як ω1, ω0 та (ω0 - ω1). 50 Рисунок 2.7 – Аналіз сил, що діють на частинку в шнековій частині Рисунок 2.8 – Розгортка похилої площини у вертикальній шнековій частині Осьова складова швидкості руху частинки вздовж витка шнека визнача- ється виразом: v1 = ω1 r tg α. (2.12) 51 де v1 - осьова швидкість частинки, м/с; ω1 - кутова швидкість обертання витка шнека, с⁻¹; r - радіус траєкторії частинки, м; α - кут підйому гвинтової лінії (нахил витка шнека). Із умови рівноваги сил, що діють на частинку на поверхні витка, отриму- ють співвідношення, яке зв’язує радіус руху r, кутові швидкості та коефіцієнти тертя: 2 2 2 2 2 2 2 0 / [( 1 ) ( 1/ 0) 2( 1/ 0) ] / (1 1/ 0) 2[ ( 1/ 0) 1 ]. r g f cos sin sqrtcos cos f cos f sin cos                 = + + − − − − (2.13) де ω0 - кутова швидкість обертання кожуха (або ротора), с⁻¹; f1 - коефіцієнт тертя частинки об виток шнека; f2 - коефіцієнт тертя частинки об стінку кожуха; g - прискорення вільного падіння. Кут β між вектором абсолютної швидкості частинки та осьовим напрям- ком визначається через синус і косинус: 2 2 2[( 1/ 0) ] / ( 1/ 0) 2( 1/ 0) .sin sin sqrtcos cos         = + − (2.14) 2 2 2[(1 1/ 0) ] / ( 1/ 0) 2( 1/ 0) .cos cos sqrtcos cos         = − + − (2.15) Отримані співвідношення описують траєкторію руху частинок по повер- хні витка шнека та стінці кожуха, а також дозволяють підібрати такі значення кутових швидкостей ω0 і ω1, кута підйому α та коефіцієнтів тертя f1, f2, за яких забезпечується стійке транспортування рідких органічних добрив без зависання й утворення застійних зон. 52 2.4 Обґрунтування параметрів понтона Понтон, на якому розміщується насосне обладнання, повинен мати доста- тній запас плавучості та непотоплюваності, щоб забезпечити надійну роботу насоса-понтону в умовах експлуатації. Конструкція понтона розраховується на плавучість при дії навантаження, яке щонайменше вдвічі перевищує його вла- сну вагу разом із обладнанням, за заданої густини рідких органічних добрив у лагуні-гноєсховищі. Запас плавучості характеризується коефіцієнтом, який повинен бути не меншим за 2,0. Його визначають за співвідношенням (2.16): Kзп = b / T ≥ 2,0. (2.16) де Kзп - коефіцієнт запасу плавучості понтона; b - висота зовнішнього борта понтона, м; T - максимальна глибина занурення понтона, м. Глибину занурення понтона T визначають з умови рівноваги сил ваги та виштовхувальної сили, з урахуванням додаткових експлуатаційних наванта- жень. Розрахункова формула має вигляд (2.17): T = (g_f · Gп + Fтр + Qп) / (γр · Vв). (2.17) де gf - коефіцієнт надійності за навантаженням від власної ваги понтона; Gп - вага понтона разом із розміщеним на ньому обладнанням, Н; Fтр - сила тертя ущільнювального затвора об стінку, Н; Qп - додаткове навантаження від маси конденсату чи інших відкладень на поверхні понтона, Н; γр - питомa вага (удільна вага) рідкого органічного добрива, Н/м³ (у роз- рахунках часто приймають γр близько 0,7 т/м³); 53 Vв - об’єм витісненої рідини, м³. Непотоплюваність понтона розуміють як його здатність зберігати плаву- чість і необхідну остійність навіть у разі часткового затоплення окремих відсі- ків через їх розгерметизацію. Для цього елементи плавучості (поплавки, герме- тичні короби тощо) повинні мати достатній запас об’єму. Умова непотоплюва- ності записується у вигляді (2.18): A = Vм / Vф ≥ 1. (2.18) де A - коефіцієнт непотоплюваності понтона; Vм - теоретичний об’єм елементів плавучості понтона (поплавків, коробів та інших герметичних порожнин), м³; Vф - об’єм цих елементів плавучості, який може бути фактично заповне- ний рідиною або зберіганим продуктом у разі аварійного затоплення, м³. Таким чином, дотримання умов щодо запасу плавучості Kзп та коефіціє- нта непотоплюваності A дозволяє забезпечити надійну й безпечну експлуата- цію насоса-понтону в умовах мінливого рівня рідких органічних добрив у лагу- нах-гноєсховищах. 2.5 Висновки по розділу На основі огляду конструкцій запропоновано кілька варіантів насоса-пон- тона (з донною плитою, зі стабілізатором вертикальної стійкості, з модернізо- ваною приймальною камерою, зі штанговим робочим органом), які забезпечу- ють суміщення функцій подрібнення, гомогенізації та перекачування рідких ор- ганічних добрив. Теоретично обґрунтовано енергетичні та гідравлічні параметри процесу перекачування: на основі рівняння Бернуллі та залежностей для втрат напору 54 отримано вирази для напору, швидкості руху суміші в шнековій частині та по- дачі насоса-понтону з урахуванням геометричних параметрів шнека й гідравлі- чних опорів. Розглянуто кінематику руху частинок у шнековій частині насоса-пон- тону, встановлено зв’язок між кутовими швидкостями шнека і кожуха, кутом підйому гвинтової лінії, силами тертя та траєкторією руху частинок, що дає змогу вибирати раціональні конструктивно-режимні параметри шнекового ро- бочого органа. Обґрунтовано основні вимоги до параметрів понтона (запас плавучості, непотоплюваність, глибина занурення), сформовано розрахункові співвідно- шення для визначення допустимого навантаження й геометричних розмірів еле- ментів плавучості з метою забезпечення надійної й безпечної роботи насоса- понтону в умовах змінного рівня рідких органічних добрив у лагуні. 55 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ 3.1 Методика визначення раціональних геометричних і технологічних параметрів насоса-понтону Для визначення раціональних геометричних і технологічних параметрів насоса-понтону в програмі досліджень було передбачено використання теорії багатофакторного планування експерименту. Це дало змогу одночасно врахо- вувати вплив кількох конструктивно-режимних факторів і отримати аналітичну модель, придатну для оптимізації параметрів насоса. Дослідження впливу параметрів транспортуючого шнека на напірно-ви- тратні характеристики насоса-понтону проводилися в виробничих умовах. На підставі попередніх експериментів з вивчення впливу геометричних і режимних параметрів шнека на напір та подачу були відібрані фактори, що ма- ють найбільш істотний вплив. У якості змінних прийнято такі фактори: D – діаметр кожуха транспортуючого шнека, м; L – довжина транспортуючого шнека, м; n – частота обертання вала транспортуючого шнека, об/хв. Серії дослідів реалізовувалися за симетричним некомпозиційним квазі-D- оптимальним планом Песочинського. Як критерій оптимізації обрано напір на- соса-понтону H, оскільки він визначає можливість подавання рідких органічних добрив у нагнітальну магістраль на задану висоту при необхідній витраті. Для аналітичного опису впливу зазначених факторів на критерій оптимі- зації прийнято квадратичну модель рівняння регресії загального вигляду, пара- метр оптимізації y (у нашому випадку – напір H) подається як сума: вільного члена b0; лінійних складових за кожним фактором bi·xi; квадратичних складо- вих bii·xi²; попарних членів взаємодії факторів bij·xi·xj. 56 Рисунок 3.1 – Насос-понтон у зборі Тобто модель має вигляд: y = b0 + b1 x1 + b2 x2 + b3 x3 + b11 x1² + b22 x2² + +b33 x3² + b12 x1 x2 + b13 x1 x3 + b23 x2 x3, де: y – параметр оптимізації (напір насоса-понтону); b0 – вільний член, чисельно дорівнює значенню відгуку при всіх xi = 0 (тобто в центрі плану); bi – оцінки коефіцієнтів регресії, що відповідають впливу i-го фактора; bii – коефіцієнти при квадратичних членах (враховують нелінійність впливу фактора); bij – коефіцієнти, що відображають взаємодію між i-м і j-м факторами; xi – кодування факторів (i = 1, 2, 3), отримане шляхом лінійного перетво- рення натуральних значень D, L, n у безрозмірні інтервали (–1; 0; +1). 57 Такий підхід дозволяє на основі експериментальних даних визначити чи- слові значення коефіцієнтів b0, bi, bii, bij, побудувати поверхні відгуку H(D, L, n) та надалі знайти раціональні (оптимальні) геометричні й технологічні пара- метри насоса-понтону, що забезпечують необхідний напір і витрату при міні- мальних енерговитратах. Загальний вигляд експериментального насоса-понтону приведено на рис. 3.1. 3.2 Результати визначення геометричних і технологічних параметрів насоса-понтону Оптимальне значення напору, який має створюватися насосом-понтоном у нагнітальній магістралі, становить близько H ≈ 72 м при продуктивності Q = 10 м³/год. Після підстановки в рівняння регресії в натуральному (розкодованому) вигляді відповідних значень основних факторів графічно будують поверхні від- гуку. Аналітична залежність зміни напору H від діаметра кожуха транспорту- ючого шнека D та довжини транспортуючого шнека L за частоти обертання шнека n = 700 об/хв має вигляд: H(L; D) = 382,02 + 244,08·S² − 179,43·S + 478,4·D² − 733,76·D, (3.1) На рисунку 3.2 наведено поверхню відгуку H (L; D) за частоти обертання транспортуючого шнека n = 700 об/хв. 58 Рисунок 3.2 – Залежність зміни напору H від діаметра кожуха транспортуючого шнека D та довжини транспортуючого шнека L за час- тоти обертання шнека насоса-понтону n = 700 об/хв Аналітична залежність зміни напору H від діаметра кожуха транспорту- ючого шнека D та частоти обертання шнека насоса-понтону n за сталої довжини транспортуючого шнека L = 0,7 м (у тексті було 0,25 м, але на рисунку 52 фігу- рує 0,7 м) має вигляд: H(n; D) = 627,33 + 0,000546·n² − 0,775·n + 478,4·D² − 733,76·D. (3.2) На рисунку 3.3 наведено поверхню відгуку H(n; D) для довжини транспо- ртуючого шнека насоса-понтону L = 0,7 м. 59 Рисунок 3.3 – Залежність зміни напору H від діаметра кожуха транспор- туючого шнека D та частоти обертання шнека насоса-понтону n за довжини тра- нспортуючого шнека насоса-понтону L = 0,7 м Аналітична залежність зміни напору H від частоти обертання шнека на- соса-понтону n та довжини транспортуючого шнека L за фіксованого діаметра кожуха транспортуючого шнека D = 0,25 м має вигляд: H(n; L) = 377,72 + 0,000546·n² − 0,775·n + 244,08·S² − 179,43·S. (3.3) На рисунку 3.4 показано поверхню відгуку H(n; L) для діаметра кожуха транспортуючого шнека D = 0,25 м. 60 Рисунок 3.4 – Залежність зміни напору H від частоти обертання шнека насоса-понтону n та довжини транспортуючого шнека насоса-понтону L за діа- метра кожуха транспортуючого шнека D = 0,25 м Аналіз поверхонь відгуку, що описують залежність напору H від діаметра кожуха транспортуючого шнека D, довжини транспортуючого шнека L та час- тоти обертання шнека насоса-понтону n, дає змогу підібрати такі параметри, які забезпечать оптимальне значення напору в нагнітальній магістралі. Для забезпечення заданої величини напору необхідно прийняти такі гео- метричні та технологічні параметри насоса-понтону: − діаметр кожуха транспортуючого шнека: D = 0,21…0,24 м; − довжина транспортуючого шнека: L = 0,69…0,74 м; − частота обертання вала транспортуючого шнека: n = 670…730 об/хв. 61 Обрані конструктивні параметри забезпечують ефективний перебіг про- цесу перекачування рідких органічних добрив із лагуни-гноєсховища із зада- ними значеннями напору та витрати. 3.3 Результати визначення напірно-витратної характеристики У результаті проведених експериментальних та розрахункових дослі- джень отримані дані дали змогу побудувати узагальнену напірно-витратну ха- рактеристику запропонованої конструкції дослідного зразка насоса-понтону для гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив (рисунок 3.5). Рисунок 3.5 – Напірно-витратна характеристика запропонованої конс- трукції дослідного зразка насоса-понтону Аналіз отриманої напірно-витратної характеристики дозволив визначити оптимальні експлуатаційні параметри роботи насоса-понтону: − напір, який створюється насосом у магістралі: H = 5,2 м; − коефіцієнт корисної дії: η = 0,66; 62 − потужність на привод насоса: N = 6,2 кВт. 3.4 Висновки по розділу Експериментальні дослідження підтвердили, що найбільший вплив на на- пір насоса-понтону мають діаметр кожуха транспортуючого шнека D, довжина шнека L та частота обертання n, що узгоджується з теоретичними передумо- вами. На основі побудованих поверхонь відгуку H(L, D), H(n, D) та H(n, L) вста- новлено область раціональних параметрів, за яких забезпечується необхідний напір у нагнітальній магістралі H ≈ 72 м при продуктивності Q ≈ 10 м³/год. Визначено оптимальні діапазони геометричних і режимних параметрів транспортуючого шнека: D ≈ 0,21…0,24 м; L ≈ 0,69…0,74 м; n ≈ 670…730 об/хв, що забезпечує стабільну роботу насоса-понтону без кавітаційних явищ і пере- грузки привода. Побудована напірно-видаткова характеристика дослідного зразка пока- зала, що при раціональних параметрах насоса-понтону досягаються значення H ≈ 5,2 м, η ≈ 0,66, N ≈ 6,2 кВт, що свідчить про достатньо високу енергоефекти- вність конструкції. 63 4 ОХОРОНА ПРАЦІ 4.1 Загальні вимоги охорони праці при роботі на лагунах для збері- гання та обробки рідкого гною Лагуни для зберігання та обробки рідкого гною належать до об’єктів під- вищеної небезпеки через поєднання фізичних, хімічних, біологічних та техно- генних факторів. Організація робіт на їх території повинна здійснюватися від- повідно до чинних нормативних документів з охорони праці, промислової без- пеки та виробничої санітарії. До роботи на лагунах допускаються працівники, які пройшли медичні огляди, вступний та цільовий інструктажі, навчання без- печним методам роботи та забезпечені необхідними засобами індивідуального захисту: спецодягом, гумовим взуттям, захисними рукавицями, окулярами або щитком, респіраторами, а за потреби – страхувальними поясами з прив’яззю. Основними небезпечними та шкідливими виробничими факторами є не- безпека падіння в лагуну з подальшим утопленням, виділення токсичних газів (метану, сірководню, аміаку, вуглекислого газу), можливість раптового руйну- вання дамб, бортів чи гідроізоляційної плівки, ризик травмування при роботі з насосно-понтонним та міксерним обладнанням, загроза ураження електричним струмом у разі пошкодження ізоляції чи затоплення електрообладнання, а та- кож біологічний вплив патогенних мікроорганізмів та яєць гельмінтів. Терито- рія лагун повинна бути огороджена й оснащена попереджувальними знаками, а проїзди і проходи до місць обслуговування насоса-понтона – утримуватися в справному стані. Всі технологічні приямки, люки та колодязі мають бути за- криті або огороджені; роботи в темний час доби допускаються лише за наявно- сті достатнього освітлення. Забороняється виконувати роботи у стані алкоголь- ного чи наркотичного сп’яніння, а також при поганому самопочутті. Особливу увагу приділяють небезпеці газоутворення. Перед спуском пра- цівника в заглиблені зони необхідно перевірити повітря газоаналізатором, за 64 потреби – організувати вентиляцію, застосовувати страхувальні пристрої та мати наглядача нагорі. На території лагун забороняється користуватися відкри- тим вогнем і палити, самовільно змінювати розташування обладнання, прово- дити ремонт електроустановок під напругою та на мокрих поверхнях без спеці- альних засобів захисту. 4.2 Оцінка небезпечних факторів з точки зору охорони праці при ви- користанні розробленого насоса-понтона Розроблений насос-понтон працює безпосередньо в акваторії лагуни, тому його експлуатація пов’язана з дією комплексу небезпечних і шкідливих факторів. Найбільш суттєвим є вплив рухомих та обертових частин – вала, тра- нспортуючого шнека, лопатевих і подрібнювальних елементів, які за відсутно- сті огороджень можуть стати причиною захоплення одягу, травм кінцівок або затягування сторонніх предметів. З цією метою передбачають встановлення су- цільних і сітчастих огороджень, блокування пуску при відкритих люках, а та- кож категоричну заборону виконання очищення й ремонту при працюючому приводі. Електробезпека є критично важливою, оскільки обладнання експлуату- ється в зоні підвищеної вологості. Електродвигуни та апаратура повинні мати відповідний ступінь захисту, металеві частини понтона – бути надійно зазем- лені, а живлення здійснюватися через захисні автомати та пристрої захисного відключення. Стан ізоляції кабелів і цілісність оболонок контролюються регу- лярно, експлуатація за наявності пошкоджень не допускається. При роботі біля країв лагуни зберігається небезпека падіння у воду, осо- бливо в умовах вітру, дощу, ожеледиці або забруднення поверхні. Тому робочі майданчики обладнують огородженнями, використовують запобіжні пояси зі страхувальними лініями, застосовують взуття з протиковзною підошвою, а по- 65 близу водного дзеркала розміщують рятувальні засоби. Інтенсивне перемішу- вання гнойових мас насосом-понтоном може супроводжуватися підвищеним виділенням аміаку, сірководню, метану, що створює ризик отруєння. Для зни- ження ризику необхідно виконувати роботи за сприятливих метеоумов, органі- зовувати провітрювання, використовувати респіратори та прилади контролю загазованості і обмежувати час перебування у небезпечній зоні. Біологічний фактор проявляється через можливість контакту з інфікова- ним середовищем. Персонал зобов’язаний працювати у відповідному спецодязі та рукавицях, дотримуватися правил особистої гігієни, не приймати їжу на ро- бочому місці й обов’язково мити руки з дезінфікуючими засобами після завер- шення робіт. Шум і вібрація від роботи насоса-понтона, приводу та шнеків мо- жуть досягати значень, що потребують застосування протишумових навушни- ків та систематичного технічного обслуговування для зменшення вібраційних навантажень. Усі виявлені фактори повинні бути враховані в інструкціях з охо- рони праці для оператора насоса-понтона та у програмі навчання й перевірки знань персоналу. 4.3 Охорона навколишнього середовища при роботі на лагунах для зберігання та обробки рідкого гною Функціонування лагун-гноєсховищ і насосно-понтонного обладнання іс- тотно впливає на стан ґрунтів, поверхневих та підземних вод, а також атмосфе- рного повітря. Екологічну небезпеку становлять фільтрація гноївки через дно та стінки споруди, можливий прорив або перелив лагуни, аварійні розливи при пошкодженні трубопроводів, викиди запахоутворюючих і токсичних газів, на- копичення надлишку біогенних елементів і патогенних мікроорганізмів у на- вколишньому середовищі. Для мінімізації цих ризиків конструкція лагун повинна передбачати на- дійну гідроізоляцію дна та стінок (геомембрани, ущільнені мінеральні шари), 66 регулярний контроль стану дамб і бортів та своєчасний ремонт дефектів. Рівень заповнення лагуни контролюють за допомогою стаціонарних рівнемірів з сиг- налізацією, ведеться облік надходження і відкачки рідких відходів, недопуска- ються переливи через край. Використання рідких органічних добрив на полях повинно відповідати агрохімічним рекомендаціям і санітарним нормам. Дози внесення, строки і спо- соби застосування добрив підбираються так, щоб не допускати надмірного на- копичення нітратів, фосфатів та інших сполук у ґрунті та водоносних горизон- тах. Необхідно витримувати санітарно-захисні зони до житлової забудови, дже- рел питної води, водойм. Перевага надається технологіям внесення з загортан- ням у ґрунт, що зменшує втрати азоту в атмосферу й знижує інтенсивність за- пахів. Викиди газів і запахів з лагун можна зменшити завдяки раціональному режиму гомогенізації, застосуванню біопрепаратів, які прискорюють розкла- дання органічної речовини, та створенню захисних зелених насаджень навколо майданчика. Для локалізації можливих аварійних розливів на підприємстві ма- ють бути запаси сорбентів, ґрунту, піску, розроблено план дій при аваріях із чітким розподілом обов’язків. Важливо здійснювати моніторинг якості ґрунто- вих і поверхневих вод, а також стану ґрунтів у зоні впливу лагуни; у разі вияв- лення перевищень нормативів потрібно коригувати режими роботи, покращу- вати гідроізоляцію та змінювати схеми внесення добрив. Використання насоса- понтона, який забезпечує повноцінну гомогенізацію та контрольовану перека- чку, сприяє зменшенню ризику застійних зон, несанкціонованих переливів і не- рівномірного внесення добрив, що позитивно впливає на екологічний стан до- вкілля. 4.4 Висновки по розділу Робота на лагунах для зберігання та обробки рідкого гною є потенційно небезпечною і вимагає суворого дотримання вимог охорони праці, виробничої 67 санітарії та промислової безпеки. Розроблений насос-понтон створює додаткові ризики, пов’язані з дією рухомих механізмів, електрообладнання, можливістю падіння в лагуну, дією токсичних газів і біологічних факторів, однак за умови реалізації комплексу технічних, організаційних і санітарно-гігієнічних заходів ці ризики можуть бути зведені до прийнятного рівня. Застосування екологічно обґрунтованих режимів зберігання, гомогеніза- ції та внесення рідких органічних добрив, належної гідроізоляції та системи мо- ніторингу довкілля забезпечує мінімізацію негативного впливу технології на ґрунти, водні ресурси та атмосферне повітря. У сукупності це створює умови для безпечної та екологічно орієнтованої експлуатації лагун-гноєсховищ і на- соса-понтона в технологічній лінії переробки й використання рідкого гною. 68 5 ЕКОНОМІЧНА ОЦІНКА УДОСКОНАЛЕНОГО НАСОСА-ГОМОГЕНІЗАТОРА РІДКОГО ГНОЮ 5.1 Вихідні дані Економічна оцінка ефективності застосування розробленого насоса-пон- тона для гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив виконується на основі порівняння базового та проектного варіантів обладнання за річними експлуатаційними витратами та приведеними витратами. Як вихідні прийнято однаковий річний обсяг робіт для обох варіантів, а також технічні параметри обладнання, що наведені в таблиці 5.1. Таблиця 5.1 – Вихідні технічні та економічні дані для розрахунку. Показник Одиниця ви- мірювання Позна- чення Базовий варіант Проектний варіант Річний обсяг оброблюва- них рідких добрив т/рік Q 4745 4745 Кількість змін на добу зміна m 1 1 Кількість робочих днів на рік доба D 365 365 Тривалість роботи облад- нання на добу год t 4,0 2,5 Встановлена потужність привода кВт N 2,5 1,55 Кількість обслуговуючого персоналу чол. n 1 1 Вартість обладнання грн В 258 500 323 750 Годинна тарифна ставка з урахуванням премій грн/год f 165 165 Коефіцієнт нарахувань на заробітну плату - κн 1,22 1,22 Вартість електроенергії грн/кВт·год ce 6,0 6,0 Норма амортизації % a 15 15 Норма витрат на ремонт % r 11 11 69 5.2 Розрахунок показників економічної ефективності Таблиця 5.2 наочно демонструє порівняння основних статей річних екс- плуатаційних витрат для базового та проектного варіантів насоса-понтона. Ви- дно, що за всіма складовими (оплата праці з нарахуваннями, ремонт і техобслу- говування, витрати на електроенергію) проектний варіант є економічнішим, не- зважаючи на те, що амортизаційні відрахування в ньому дещо більші через вищу вартість обладнання. Загальна річна економія експлуатаційних витрат становить близько 106,7 тис. грн, що досягається, передусім, за рахунок змен- шення часу роботи обладнання на добу та нижчої встановленої потужності при- вода, а отже – менших витрат на оплату праці й електроенергію. Додаткові ка- пітальні вкладення у проектний варіант порівняно з базовим становлять 65,25 тис. грн і окуповуються орієнтовно за 0,61 року, тобто менше ніж за один виро- бничий сезон. Таблиця 5.2 – Порівняння показників за варіантами Показник Базовий варіант Проектний варіант Оплата праці з нарахуваннями, грн/рік 293 898,00 183 686,25 Амортизаційні відрахування, грн/рік 38 775.00 48 562,50 Ремонт і технічне обслуговування, грн/рік 28 435,00 35 612,50 Витрати на електроенергію, грн/рік 21 900,00 8 486,25 Разом експлуатаційні витрати, грн/рік 383 008,00 276 347,50 Вартість обладнання, грн 258 500.00 323 750.00 Економія експлуатаційних витрат, грн/рік 106 660,50 Додаткові капітальні вкладення, грн 65 250,00 Термін окупності, років 0,612 70 5.3 Висновки по розділу Проведений перерахунок економічних показників з урахуванням актуа- льної вартості електроенергії та рівня оплати праці показав, що впровадження проектного варіанта насоса-понтона дозволяє знизити річні експлуатаційні ви- трати приблизно на 122 тис. грн. Річний економічний ефект за приведеними ви- тратами становить близько 121 тис. грн, а термін окупності додаткових капіта- льних вкладень є надзвичайно малим – менше одного місяця. Це свідчить про високу економічну доцільність застосування розробленої конструкції насоса- понтона в технологічній лінії гомогенізації та перекачування рідких органічних добрив. 71 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ У дипломній роботі теоретично обґрунтовано, розроблено та дослідно пе- ревірено конструкцію насоса-понтона для гомогенізації й перекачування рідких органічних добрив із лагун-гноєсховищ. Показано, що рідкий свинячий гній за умови попередньої підготовки є цінним органічним добривом, але його накопи- чення без переробки створює серйозні санітарно-гігієнічні та екологічні ризики, що зумовлює потребу в удосконаленні технічних засобів для гомогенізації та перекачування. Огляд існуючих міксерів, плаваючих аераторів та інших засобів засвідчив їхню обмежену мобільність, значну енергоємність і недостатню здат- ність одночасно перемішувати, подрібнювати та перекачувати гнойові стоки. Запропоновано конструктивно-технологічну схему насоса-понтона, у якій поєднано занурений подрібнювально-перемішувальний орган, транспортуючий шнек і нагнітальну камеру з лопатками. На основі теоретичного аналізу гідрав- ліки та кінематики руху частинок у шнековій зоні отримано розрахункові зале- жності для визначення напору, витрати та енергетичних параметрів. Викорис- товуючи багатофакторне планування експерименту, побудовано квадратичні регресійні моделі та поверхні відгуку H(L, D), H(n, D), H(n, L), що дозволило встановити раціональні діапазони діаметра кожуха шнека, його довжини та ча- стоти обертання, за яких забезпечується необхідний напір і продуктивність пе- рекачування. Натурні випробування підтвердили працездатність запропонова- ної конструкції й відповідність експериментальних характеристик теоретичним розрахункам. Перерахунок розділу економічної ефективності з урахуванням актуальної вартості електроенергії та сучасного рівня оплати праці показав, що проектний варіант насоса-понтона, незважаючи на більшу вартість обладнання, забезпечує істотне зниження річних експлуатаційних витрат і прийнятний строк окупності додаткових капітальних вкладень. У розділі з охорони праці та охорони навко- лишнього середовища визначено основні небезпечні й шкідливі фактори при роботі на лагунах та з насосом-понтоном, а також наведено комплекс заходів 72 для зниження ризиків травматизму, впливу токсичних газів і негативного впливу на ґрунти, воду й атмосферу. Таким чином, поставлена мета – підвищення ефективності процесу гомо- генізації й перекачування рідких органічних добрив із лагун шляхом удоскона- лення конструкції насоса-понтона – досягнута. Розроблена конструкція є техні- чно обґрунтованою, економічно доцільною та екологічно орієнтованою й може бути рекомендована для впровадження в системах утилізації рідкого гною на тваринницьких підприємствах. 73 БІБЛІОГРАФІЯ 1. Bondarenko, A. M., & Kachanova, L. S. (2012). Tekhnologicheskie aspekty pererabotki navoza v vysokokachestvennye organicheskie udobreniya dlya rastenievodstva [Technological aspects of manure processing into high-quality organic fertilizers for crop production]. 2. Bondarenko, A. M., & Kachanova, L. S. (2014). Perspektivnye tekhnologii proizvodstva vysokokachestvennykh organicheskikh udobreniy v YuFO [Promising technologies for producing high-quality organic fertilizers in the Southern Federal District]. 3. Bondarenko, A. M., & Kachanova, L. S. (2016). Perspektivnye tekhnologii pererabotki navoza v kontsentrirovannye organicheskie udobreniya [Promising technologies for processing manure into concentrated organic fertilizers]. Vestnik MSAU im. V. P. Goryachkina. 4. Council of the European Communities. (1991). Council Directive 91/676/EEC concerning the protection of waters against pollution caused by nitrates from agricultural sources. Official Journal of the European Communities. 5. European Commission. (2024). Protecting waters from pollution caused by nitrates from agricultural sources – Evaluation of the Nitrates Directive. 6. GEA Group. (2024). Lagoon Super Pump – PTO-driven manure pump for homogenization and transfer of liquid manure [Product brochure]. 7. Horizon Europe. (2023). Optimisation of manure use along the management chain to mitigate GHG emissions and minimise dispersion of contaminants. 8. Kirov, Yu. A. (2025). Obosnovanie konstruktivno-tekhnologicheskoy skhemy nasosa-pontona dlya gomogenizatsii i perekachki zhidkikh organicheskikh udobreniy iz lagun-navozokhranilishch [Justification of the structural and technological scheme of a pontoon pump for homogenization and pumping of liquid organic fertilizers from manure lagoons]. CyberLeninka. 74 9. Kitun, A. V., & Shved, I. M. (2023). Issledovanie tekhnologicheskikh parametrov protsessa peremeshivaniya zhidkogo navoza mikserom s konicheskim kozhukhom [Study of technological parameters of liquid manure mixing with a mixer with conical casing]. Protsessy i mashiny agroinzhenernykh sistem, 1(13), 69–78. 10. Kulikova, M. A. (2021). Pererabotka zhidkikh otkhodov svinokompleksov na osnove printsipov nailuchshikh dostupnykh tekhnologiy [Processing of liquid wastes of pig complexes based on best available techniques]. Research Journal of Applied Sciences. 11. Nuhn Industries Ltd. (2024). Floating electric header series manure pump – Mixing and pumping liquid manure from lagoons [Product brochure]. 12. Puck Enterprises. (2024). Even manure application begins with effective agitation [Technical article]. 13. Storth Ltd. (2019). Mega Mix manure (slurry) lagoon mixer pump – Technical specifications [Product brochure]. 14. TWIN Clover Equipment. (2023). Lagoon Agi-Pompe – Lagoon agitation and pumping system for liquid manure [Product brochure]. 15. “A.TOM” (Ukraine). (2019). Mixing pump MPCL 950 TM for closed lagoons – Liquid manure mixing and pumping [Product brochure]. 75 ДОДАТКИ 76 77 78 79 80 81 82