Сапропель для рекультивации пустующих или заброшенных земель
Текст: Г. Н. Косьяненко, естествоиспытатель, академик Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы; С. М. Штин, канд. техн. наук, горный инженер, доц., Московский горный институт, заслуженный работник Минтопэнерго России
Применение донных осадков пресноводных озер для рекультивации пустующих или заброшенных земель можно считать одним из перспективных и доступных способов восстановления агрохимических свойств почвы. Более того, благодаря богатому составу сапропели возможно использовать в разных отраслях сельского хозяйства.
Типичные органоминеральные донные отложения накапливаются в пресноводных озерах постоянно, демонстрируя прогрессирующий характер. Сапропелевые ресурсы в зоне неустойчивого земледелия велики и нуждаются в грамотном применении.
СОХРАНИТЬ ВЕЩЕСТВА
Свойства озерных отложений определяются тремя главными составляющими: вода, зольная часть — карбонаты, фосфаты, кремнезем, соединения железа и другие, а также органические вещества (ОВ) сложного и неоднородного состава. Естественная влажность составляет 84–96%, в среднем 88,4%. Чем больше органики содержится в этих осадках, тем выше оказывается их влажность и ценность. По этой причине при производстве органоминеральных удобрений на основе сапропелей важно сохранить все обозначенные компоненты, особенно жидкость, имеющую высокую минерализацию и повышенное содержание макро- и микроэлементов.
Вода является средой для развития микробиологических и связанных с ними физико-химических процессов в сапропелях, что приводит к накоплению в них ряда веществ. Развитая удельная поверхность отложений способствует химическому взаимодействию жидкости с твердой фазой и насыщению ее растворимыми органическими и минеральными компонентами. В связи с этим для сохранения питательных веществ в сапропель естественной влажности необходимо вводить наполнители, содействующие перераспределению влаги и дополняющие его качественные показатели. На учете обозначенных свойств донных осадков и построена технология производства органоминеральных удобрений. Она позволяет обеспечивать их целевую направленность путем ввода наполнителей, содержащих минеральные или органические добавки для использования в конкретных условиях, в частности цеолит, сухой карбонатный сапропель, шлак, фосфор, калий, азот. Оптимальный компонент был найден — верховой торф, приведенный механическим путем в определенное физическое состояние.
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
Задачей технологии является получение высококачественного сапропелевого удобрения со стабильными физико-химическими свойствами, не уступающего по питательным характеристикам сырому осадку, с регулируемой влажностью при непрерывном технологическом процессе «месторождение — готовая продукция». При этом для снижения естественного уровня воды без ее удаления используется верховой высушенный и диспергированный торф с размером частиц до 100 мкм и влажностью до 30–40%. Данный показатель в готовом сырье определяется не временем сушки, а соотношением торфа и сапропеля, подаваемых на смешивание. Получаемый материал содержит 100% питательных веществ обозначенных компонентов.
Физический смысл технологии заключается в том, что влажный осадок имеет мелкодисперсную структуру с размером частиц менее 5 мкм и находится в желеобразной консистенции. Измельченный сухой торф обладает пылеватой структурой, где включения не превышают 100 мкм. Смешивание обеспечивает получение однородного мелкозернистого продукта. Размер частиц составляет до 1 мм. Рассыпчатость зерен обусловлена тем, что компоненты торфа предельно малы и максимально гигроскопичны. Из-за небольших размеров они плотнее вступают в контакт с сапропелем, поглощая при этом часть связанной воды и образуя крупные зерна. Набухшие частицы не позволяют донным отложениям слипаться, за счет чего создается рыхлое, сыпучее удобрение. Насыпной вес продукта равен примерно 0,5–0,6 т/куб. м, формируется «воздушная» структура, что при внесении в почвенный слой обеспечивает аэрацию. Мелкозернистая и однородная фракция удобна в применении не только механизированным способом в промышленных объемах, но и на приусадебных участках вручную. Готовый материал характеризуется высокой влагоемкостью. За счет простоты технологического процесса и независимости от погодных условий достигается высокая производительность с возможностью выпуска удобрений на одной линии до 2000 т в месяц с отгрузкой в кратчайшие сроки. Готовое сырье поставляется потребителю в день добычи сапропеля.
ВЫДЕРЖАТЬ ПРОПОРЦИИ
Производимая продукция является экологически чистой, так как на всем протяжении технологической цепи исключается внешнее воздействие. Добываемый сапропель извлекается из внутренней части залежи, и дальнейшее транспортирование до герметичного накопителя осуществляется по трубопроводу. Для смешивания материал подается насосом с дозатором. Заготовленный верховой торф проходит температурную обработку и диспергирование, что уничтожает патогенные включения. Готовое сырье поступает в герметичную тару. Данная технология позволяет строго выдерживать пропорции смешиваемых компонентов согласно их исходным влажностям. Несмотря на то что используется высушенный торф со стабильным содержанием воды порядка 30–40%, соответствующий показатель у сапропеля может колебаться в зависимости от глубины разрабатываемого слоя в залежи. Влажность готового продукта регулируется за счет установления пропорции частей с учетом того, что при поступлении в накопительную емкость происходит перемешивание и усреднение отложений. Технология обеспечивает быстрое непрерывное получение готового продукта влажностью от 55 до 65%.
Для повышения качества удобрения сапропель при необходимости очищается от посторонних включений перед смешиванием с торфом. При таком способе не требуется больших площадок для хранения, исключается контакт с открытым воздухом и вымораживание в зимних условиях.
Внедрение нового типа поточной технологии получения органоминерального удобрения на основе озерных отложений, разрабатываемых способом гидромеханизации, позволяет создавать высококачественный продукт со стабильными свойствами и регулируемой влажностью при непрерывном ускоренном процессе. Методика является безотходной, автоматизированной и экологически чистой с точки зрения как ведения добычи, так и выпускаемого сырья. Технология прошла систему добровольной сертификации экологического и биодинамического хозяйствования. Следовательно, производство вне хозяйственных средств предприятия соответствует требованиям стандартов «Об экологическом сельском хозяйстве, экологическом природопользовании» и маркировке экологической продукции. Фитосанитарная сертификация подтверждает, что растительные продукты, произведенные по рассматриваемой методике, проанализированы согласно существующим официальным процедурам, признаны свободными от карантинных организмов и отвечают действующим правилам.
РЯД ФУНКЦИЙ
Гуминовые удобрения на основе органических сапропелей способны выступать как абиотический фактор влияния на окружающую среду. Гуминовые вещества (ГВ) отложений представляют собой комплекс молекул с высокой молекулярной массой, которые образуются в результате трансформации на промежуточных фазах минерализации отмирающих организмов и являются макрокомпонентом органического вещества почвенных и водных экосистем. ГВ составляют от 50 до 90% органического вещества сапропелей и неживой материи. Их общепринятая классификация основана на различии в растворимости в кислотах и щелочах. В соответствии с ней ГВ подразделяются на три составляющие: гумин — неизвлекаемый остаток, нерастворимый во всем диапазоне pH, гуминовые кислоты — фракция, растворимая при pH > 2, фульвокислоты — часть, растворимая во всем диапазоне pH. Гуминовые вещества обладают детоксикационной активностью, способностью к увеличению питательной базы для биообъектов, протекторной активностью, включаются в процессы самоочищения водоемов. Они выступают важным компонентом экологических систем, принося пользу всем элементам.
Среди важнейших биохимических и экологических функций гуминовых веществ можно выделить несколько. Первая — аккумулятивная, отражающая способность накапливать долгосрочные запасы всех элементов питания, углеводов, аминокислот в разных средах. Транспортная функция отвечает за образование органоминеральных соединений с металлами и микроэлементами, которые активно мигрируют в растения. Регуляторная способность проявляется в том, что ГВ формируют окраску почвы и регулируют минеральное питание, катионный обмен, буферность и окислительно-восстановительные процессы. Протекторная функция заключается в том, что путем сорбции предотвращается поступление токсичных элементов и радионуклидов в растения. Совмещение всех этих характеристик обеспечивает повышенные урожаи и необходимое качество сельхозпродукции.
Важно подчеркнуть положительный эффект гуминовых веществ при неблагоприятных условиях воздействия среды — низких и высоких температурах, недостатке влаги, засолении, скоплении ядохимикатов, наличии радионуклидов. Неоспорима роль ГВ и как физиологически активных элементов: они изменяют проницаемость клеточных мембран, повышают активность ферментов, стимулируют процессы дыхания, образования белков и углеводов, увеличивают содержание хлорофилла и продуктивность фотосинтеза, что, в свою очередь, создает предпосылки получения экологически чистой продукции.
ОТРАЗИТЬСЯ НА УРОЖАЕ
Гумусированные почвы отличаются большим содержанием физиологически активных элементов. Гумус активизирует биохимические и физиологические процессы, ускоряет обмен веществ, способствует усиленному поступлению компонентов питания, что сопровождается повышением объемов и качества урожая. Коэффициент корреляции содержания гумуса в почве и продуктивности составляет 0,7–0,8. Увеличение количества этого вещества на дерново-подзолистых угодьях на 1%, в пределах его изменения от 1,5 до 2,5–3%, повышает урожайность зерна озимой ржи и ячменя на 10–15 ц/га. Еще более существенна его роль при применении химических удобрений, чья эффективность в этом случае возрастает в 1,5–2 раза. Однако необходимо помнить, что они вызывают усиленное разложение гумуса, что приводит к снижению его концентрации.
Практика современного сельскохозяйственного производства показывает, что повышение содержания гумуса является одним из основных показателей окультуривания почв, особенно в процессе восстановления пахотных земель. При низком уровне гумусовых запасов внесение одних минеральных удобрений не приводит к стабильному повышению плодородия угодий. Более того, применение высоких доз туков на бедных органическим веществом территориях часто сопровождается неблагоприятным воздействием на их почвенную микро- и макрофлору, накоплением в растениях нитратов и других вредных соединений, а во многих случаях и снижением урожая.
АККУМУЛЯТОР ОРГАНИКИ
Гуминовые кислоты представляют собой продукт естественной биохимической трансформации органического вещества в биосфере. Они являются основной частью гумуса, играют ключевую роль в круговороте элементов в природе и поддержании почвенного плодородия. Гуминовые кислоты как часть гумуса встречаются практически на всех типах почв. Они входят в состав твердых горючих ископаемых, а также торфа и сапропеля. Однако в естественном состоянии эти соединения малоактивны и практически полностью находятся в нерастворимой форме. Физиологически активными являются лишь соли — гуматы, образуемые кислотами с щелочными металлами, в частности калием.
Гуминовые кислоты имеют разветвленную молекулярную структуру, включающую большое количество функциональных групп и активных центров. Формирование этих природных соединений происходит под воздействием физико-химических процессов, протекающих в почве. Источниками синтеза служат растительные и животные остатки, а также продукты жизнедеятельности почвенной микрофлоры. Таким образом, гуминовые кислоты являются аккумуляторами органического вещества почвы — аминокислот, углеводов, пигментов, биологически активных веществ и лигнина. Кроме того, в них концентрируются ценные неорганические компоненты: элементы минерального питания — азот, фосфор, калий, а также микроэлементы — железо, цинк, медь, марганец, бор, молибден и так далее. Под влиянием естественных процессов все они включаются в единый молекулярный комплекс гуминовых кислот. Многообразие исходных составляющих обусловливает сложную молекулярную структуру и, как следствие, широкий спектр физических, химических и биологических воздействий на почву и растение.
ВЛИЯНИЕ НА ПОЧВУ
Механизм влияния гуминовых веществ на физические свойства полей меняется в зависимости от их типа. На тяжелых участках обеспечивается взаимное отталкивание глинистых частиц за счет удаления избыточных солей и разрушения компактной трехмерной структуры глины. В результате земля становится более рыхлой, из нее легче испаряется излишняя влага, улучшается поступление воздуха, что облегчает дыхание и продвижение корней. При внесении в легкие почвы гуминовые вещества обволакивают и склеивают минеральные частицы, способствуя созданию ценной водопрочной комковато-зернистой структуры. Возрастают воздухопроницаемость, водопропускная и водоудерживающая характеристики почвы. Названные особенности обусловлены способностью гуминовых кислот к гелеобразованию. Удержание жидкости происходит за счет формирования водородных связей между молекулами воды и заряженными группами ГВ, а также адсорбированными на них ионами металлов. В результате испарение снижается в среднем на 30%, что приводит к повышению усвоения влаги растениями на аридных и песчаных участках. Гуминовые вещества также окрашивают почву в темный цвет. Это особенно важно для районов с холодным и умеренным климатом, поскольку возрастает способность поглощения и накопления солнечной энергии. В результате температура почвы увеличивается.
По природе гуминовые кислоты являются полиэлектролитами. Вместе с органическими и минеральными частицами почвы они образуют поглощающий комплекс. Обладая большим количеством функциональных групп, кислоты способны адсорбировать и удерживать на себе поступающие питательные вещества, макро- и микроэлементы, которые не связываются почвенными минералами и не вымываются водой, находясь в доступном для растений состоянии. Внесение ГВ увеличивает буферную емкость земель, то есть способность поддерживать естественный уровень рН даже при избыточном поступлении кислых или щелочных агентов. Комплексное влияние ГВ на почву демонстрирует протекторные свойства — необратимое связывание тяжелых металлов и радионуклидов, что особенно актуально в условиях повышенной техногенной нагрузки. Соединения свинца, ртути, мышьяка, никеля и кадмия, выделяющиеся при сжигании каменного угля, работе металлургических предприятий и электростанций, попадают в почву из атмосферы в виде пыли и золы, а также с выхлопными газами автотранспорта. В результате образуются нерастворимые малоподвижные соединения, которые выводятся из круговорота веществ и не попадают в сельскохозяйственную продукцию. Угодья становятся более устойчивыми к техногенному загрязнению.
ПЕРЕЙТИ К РАСТЕНИЯМ
Гуматы, в отличие от свободных гуминовых кислот, являются водорастворимыми подвижными соединениями. Адсорбируя питательные вещества и микроэлементы, они способствуют их перемещению из почвы в растения. При этом в пахотном слое в 1,5–2 раза возрастает содержание подвижного фосфора, в 2–2,5 раза — обменного калия и усваиваемого азота. Все микроэлементы, являясь переходными металлами, кроме бора и йода, образуют с гуматами подвижные хелатные комплексы, легко проникающие в растения, что обеспечивает их усвоение. В процессе потребления воды культурами растворимые гуматы металлов близко подходят к клеткам корня. Отрицательный заряд корневой системы превышает такую же характеристику гуматов, что ведет к отщеплению ионов металлов от молекул гуминовых кислот и их поглощению клеточной мембраной.
Гуминовые кислоты являются источниками доступных фосфатов и углерода для микроорганизмов. Молекулы этих веществ способны образовывать крупные агрегаты, на которых активно развиваются колонии микроорганизмов, разлагающих труднорастворимые минеральные и органические соединения фосфора. Численность аммонифицирующих бактерий возрастает в 3–5 раз, в отдельных случаях — до 10 раз, а количество нитрифицирующих микроорганизмов увеличивается в 3–7 раз. За счет улучшения условий жизнедеятельности свободноживущих бактерий почти в 10 раз повышается их способность к фиксации молекулярного азота из атмосферы. В результате почва обогащается доступными питательными элементами. При разложении органического вещества образуется большое количество органических кислот и углекислоты. Под их воздействием труднодоступные минеральные соединения P, Ca, R, Mg переходят в доступные для растения формы.
ОБЩЕЕ РАЗВИТИЕ
Гуминовые вещества повышают активность всех клеток растения, улучшают физико-химические свойства протоплазмы, интенсифицируют обмен веществ. Как следствие, ускоряется деление клеток, всасывание влаги, развивается корневая система. Увеличение биомассы ведет к усилению фотосинтеза и накоплению растениями углеводов.
Гуматы являются неспецифическими активаторами иммунной системы, что значительно повышает устойчивость культур к заболеваниям. Эффективным способом считается замачивание семян в растворах ГВ в целях профилактики инфекций и в особенности корневых гнилей. Помимо этого они улучшают резистентность растений к неблагоприятным факторам внешней среды: экстремальным температурам, переувлажнению, сильному ветру, а также способствуют возрастанию всхожести, энергии прорастания, стимулируют развитие проростков. Кроме того, данные соединения усиливают проницаемость мембраны клеток корня. В результате облегчается проникновение питательных веществ и микроэлементов из раствора в виде комплексов с гуматами. Развитие корневой системы закрепляет растения в почве, они становятся более устойчивыми к ветрам, смыву из-за обильного выпадения осадков и эрозионным процессам. Особенно это актуально для культур со слабой корневой системой: яровой пшеницы, ячменя, овса, риса, гречихи. Метод позволяет усиливать синтез аминокислот, сахаров, витаминов. Выделяемые корнями органические кислоты, например угольная, яблочная и другие, активно воздействуют на почву, увеличивая доступность питательных компонентов и микроэлементов.
ЦИКЛЫ ПЕРЕРАБОТКИ
Схема производства гуминовых препаратов на основе озерных сапропелей состоит из четырех этапов, завязанных в единый технологический цикл получения товарной продукции. На первом, подготовительном, участке выполняются прием, подготовка, проверка качества исходного сырья, просеивание на вибросите для удаления органических включений, рассевание по фракциям и дальнейшая транспортировка. На втором участке первый цикл переработки материала предусматривает смешивание с технологической водой с последующим измельчением на роторной инерционной мельнице до однородного гранулометрического состава с постоянным контролем качества.
Второй цикл переработки торфяного сырья, выполняющийся на третьем этапе, подразумевает перекачивание фракционной суспензии в кавитационный диспергатор. При этом имеется возможность добавления технологической воды для доведения до нужного соотношения Т:Ж и подачи необходимого количества щелочи в реактор. Под контролем качества фильтрации, дисперсности и прочистки фильтрационных картриджей производится гуминовое удобрение. Из реактора через очистительную станцию материал перекачивается на четвертый участок, где осуществляется третий цикл.
Переработка гуминового концентрата подразумевает накопление готовой продукции в предварительную емкость с возможностью добавления микроэлементов по желанию агрария. Осуществляются контроль их растворения и итоговая оценка комплексного органоминерального состава. Из накопительной емкости продукт разливается в виде концентрата или готового удобрения.
РЕАЛЬНАЯ ПОЛЬЗА
К текущему моменту были разработаны и нашли практическое применение в сельском хозяйстве, экологии и промышленности определенные технологии на основе гуматов калия. Ведется выпуск комплексных органоминеральных удобрений из местного сырья, в частности торфа, для повышения плодородия почв, качества и количества урожая сельхозкультур на территории Ярославской области. До сегодняшнего дня такая возможность отсутствовала. Кроме того, налажено производство органических удобрений на основе птичьего помета, навоза КРС и свиней, обеспечивается развитие семеноводства в регионе. Разработаны технологии выпуска зеленых кормов в промышленных масштабах, комплексных органических удобрений и почвогрунтов из сапропелей, отходов каменного угля и других рудных ископаемых. Также представлены системы оздоровления почв, очистки водоемов, развития рыбоводства на территории области. Подготовлены технологии очищения сточных вод, городских очистных сооружений, свалок и территорий промышленных предприятий от техногенных загрязнений.
ВЕРНУТЬ В ОБОРОТ
Заброшенные сельхозземли являются важнейшим ресурсом как для развития сельского хозяйства в целом, так и для реализации проектов, направленных на улучшение экологической ситуации в регионах. При сохранении существующих тенденций к началу 2030-х годов их площадь может превысить 100 млн га. Основная часть этих территорий утрачена необратимо: для современного сельского хозяйства они непригодны. Однако к земле, которая через определенное время может быть возвращена в оборот, необходим подход, способный перевести ее в ранг экологического землепользования с учетом региональных целей в соответствии с климатическими и почвенными условиями. Как минимум 50 млн га таких территорий восстановимы.
Проведенное специалистами исследование позволило обосновать подход к рекультивации на основе новых технологий, в соответствии с которыми можно выстроить конкретную схему возврата земель сельхозназначения. В первую очередь с учетом перспективных планов развития региона определяется территория, после чего проводится агрохимическая оценка ее состояния. Обозначается потребность в органике для коренного повышения плодородия, подбирается обводненное месторождение сапропелей, строится гидромеханизированное предприятие по производству органоминеральных удобрений, в том числе гуминовых препаратов, в необходимых объемах. Финальная часть подразумевает несколько этапов. Прежде всего осуществляется подготовка полей — вносятся добавки в расчетных количествах 50–100 т/га. Со второго года корректируется состояние пахотных земель на основе гуминовых препаратов. После предусмотрены экологическая сертификация восстанавливаемых участков и ввод их в оборот.