Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Приемы обезвоживания и процессы минерализации сапропелей

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Приемы обезвоживания и процессы минерализации сапропелей"

На щзавах рукописи

;

□ УЗА

Керечанина Елена Дьердьевна

ПРИЕМЫ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛИЗАЦИИ САПРОПЕЛЕЙ (на примере сапропелей Псковской области)

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

-1 окт

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Великие Луки - 2009

003478468

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Иванова Тамара Александровна

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, Банкин Михаил Петрович кандидат биологических наук, Орлова Наталья Евгеньевна

Ведущая организация: ОАО Всероссийский научно-исследовательский институт торфяной промышленности

Защита диссертации состоится «28» октября 2009 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 при ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт РАСХН по адресу:

195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр. 14, тел./факс (812) 534-19-00

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно исследовательского института

Автореферат разослан «21» сентября 2009 г. Ученый секретарь

диссертационного совета . . .

доктор биологических наук 6 ■ , " Е.В. Канаш

Общая характеристика работы

Актуальность. В последние годы почти во всех регионах страны в земледелии складывается отрицательный баланс гумуса.

Длительное использование пахотных земель без внесения достаточных доз удобрений сопровождается их истощением.

Большое влияние на повышение плодородия почв оказывают органические удобрения, например, навоз. Однако объемы навоза в связи с уменьшением поголовья животных резко сократились, и остро встала проблема поиска нетрадиционных местных удобрений, например, сапропелей.

На территории России насчитывается около 3 млн. озер, запасы сапропеля в которых оцениваются приблизительно в 250 млрд.м3. Работы по разведке и оценке запасов сапропелей ведутся во многих регионах РФ и в Псковской обл.

В Псковской области насчитывается более 3700 озер, которые занимают около 6% ее площади. Некоторые озера, заполненные на 70-95% сапропелем, вымирают.

Однако, несмотря на большие запасы, их разностороннюю ценность, до настоящего времени сапропели используются очень мало. Это связано с тем, что различные условия формирования водоемов, наличие специфических свойств сапропелей и недостаточный уровень технологических разработок требуют создания разномодульных комплексов добывающего и перерабатывающего оборудования.

Чрезвычайно важной проблемой в технологии добычи является обезвоживание, так как сапропели являются гидрофильньми органо-минеральными илистыми отложениями, которым свойственна низкая фильтрация и испарение. Как известао у сапропеля намытого в отстойники, вследствие кольматации пор подстилающего дна, фильтрация влаги практически прекращается. Литературных данных по интенсификации обезвоживания сапропелей очень мало, они зачастую противоречивы, недостаточно изучены и разработаны.

Из известных способов можно выделить: осаждение сапропелевой пульпы в отстойниках, комплексная обработка пульпы во взаимно перпендикулярных магнитных и электрических полях, электроосмос и многие другие. (Э.Г.Кшондзер, 1987, В.В.Морозов, 1993, Г.В.Макаров, 1996, В.Н.Фомин, 2000).

Однако эти способы достаточно дорогостоящие, требуют сложного аппаратурного оформления и вполне очевидна необходимость дальнейшего комплексного изучения механизма обезвоживания.

Таким образом, разработка рациональных приемов добычи и последующего обезвоживания сапропелей является чрезвычайно важной задачей. Освоение сапропелевых зарастающих озер целесообразно и с позиций охраны окружающей среды.

Актуальность исследований - изучение и выявление наиболее целесообразных режимов обезвоживания и разработка оптимальных технологических приемов, изучение процесса минерализации сапропелей в полевых условиях, исследование динамики физико-химических свойств модифицированных сапропелей.

Дель и задачи исследований. Исходя из состояния изученности и важности данной проблемы, основной целью настоящего исследования является изучение механизма процессов обезвоживания и минерализации сапропелей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) изучение валового и агрохимического состава сапропелей;

2) разработка методов интенсификации обезвоживания сапропелей под воздействием электромагнитных и низкотемпературных полей;

3) исследование процесса динамики физико-химических свойств исходных и модифицированных сапропелей при минерализации в лабораторных и полевых условиях данного региона.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования сапропелей 6 озер Великолукского района Псковской области различной заболоченности и проточности. Изучен механизм обезвоживания сапропелей при низких

температурах окружающей среды и в физических полях. Разработаны условия модифицирования 'сапропелей и выявлены закономерности минерализации исходных сапропелей и смесей на их основе.

Практическая значимость. По результатам комплексных исследований установлены оптимальные режимы обезвоживания, разработаны приемы модификации сапропелей и выявлено влияние минеральных добавок на процесс минерализации сапропелей. Проведенные исследования позволили разработать практические рекомендации по применению сапропелей в сельском хозяйстве.

Апробация работы. Основные положения диссертации ежегодно докладывались на научно-практических конференциях г.Санкт-Петербурга, 2004 г; г.Мичуринска, 2006 г, на научных конференциях: г.Новосибирска, 2005 г, г.Москвы МСХА им. Тимирязева, 2005, 2006 г, г.Уфа, 2006 г, на научных конференциях Великолукской ГСХА, 2004 - 2009 гг.

По материалам исследований опубликовано 11 печатных работ, в которых изложены основные результаты, в том числе в реферируемом журнале «Земледелие».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству. Работа изложена на 108 страницах, содержит 16 таблиц, 27 рисунков. Список литературы включает 170 источников, в том числе - 8 иностранных

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 Обзор литературы

В главе рассматриваются вопросы о способах и средствах добычи, переработки сапропелей и их использования в народном хозяйстве. Даны характеристики различных способов обезвоживания сапропелей, их преимущества и недостатки.

2 Объекты исследования

Диссертационная работа основана на лабораторных и полевых исследованиях проведенных за период 2004-2008 гг. на участке площадью 10x10 м2 земель

Шелковской волости Великолукского района и в лабораториях кафедр физики и химии Великолукской государственной сельскохозяйственной академии.

Для исследований были выбраны сапропели из 6 различных по проточно-сти и заторфованности озер Псковской области Великолукского района. Образцы этих сапропелей отобраны тростевым буром с различных глубин в пяти конвертно-образных точках акватории озер.

Исследуемые сапропели разделены по внешним признакам на 4 вида: смешанноводорослевый - из озер Бельковское, Мелкое и Купуйское; железистый - из озера Сосновское; известковистый - из озера Бор-Лазавское; песчанистый - из озера Псово.

Анализы сапропелей и почвы выполнялись в трехкратной повторности с использованием типовых методик, принятых в агрохимической службе Севера-Запада РФ. Статистическая обработка полученных данных выполнялась дисперсионным и разностным методами с использованием микро-ЭВМ и персонального компьютера.

3 Условия и методика исследований

1. Обезвоживание при влиянии низких температур.

Суть метода заключалась во влияние низких температур на процесс водоотдачи сапропелей в лабораторных - в морозильной камере и в полевых условиях (методика разработана нами впервые). В основе данного метода лежал механизм разделения удаленной влаги на три составляющие: испарением, фильтрации и совместным их действием.

2. Обезвоживание сапропелей в лабораторных условиях в электрических полях, при переменном и постоянном токе.

Суть метода заключалась в исследовании фильтрации влаги при горизонтальном и вертикальном расположении электродов. Влага удалялась через отверстия электродов.

3. Лабораторный метод минерализации сапропелей. В основе метода лежало определение массы выделившегося СОг.

4. Метод изолированных проб в лабораторных и в полевых условиях.

Сущность метода заключалась в закладке тканых капсул емкостью 100 г с исходным и модифицированным сапропелем в пахотном и подпахотном горизонтах почвы на срок 3 месяца. В качестве модификаторов использованы природные материалы: древесные опилки, древесная зола и мелкозернистый песок. Соотношение компонентов 95:5 масс %.

Изучение валового и агрохимического состава определяли по типовым методикам (ГОСТ. - 26207 - 91).

Групповой состав сапропелей определяли по методу Шатихиной Т.А. (применительно к торфу).

4 Результаты исследований

Обезвоживание при влиянии низких температур.

Объектом исследования являлся смешанноводорослевый сапропель исходный и модифицированный, в одном случае гипсом, в другом - двойным суперфосфатом.

Исследования проводили зимой в полевых условиях.

Обобщая полученные результаты можно сделать вывод, что исходный смешанноводорослевый сапропель обезвоживался плохо, худшие результаты получены при испарении (4,6±0,2)%, за счет фильтрации сапропель обезвоживался лучше (8,0±0,2)%, хотя этот показатель также свидетельствовал о низкой водоотдаче. Суммарные потери влаги составили всего (12,0±0,4)%. Это и понятно, поскольку смешанноводорослевый сапропель - низкозольный (34%), отличающийся высокой водоудерживающей способностью (влажность 93%).

Что касается модифицированных сапропелей видно (рис.1), что обезвоживание композиций проходило интенсивнее. Вырисовывается такая же закономерность: наименьшее снижение влажности наблюдалось при испарении (от 7 до 10%), при фильтрации - потери влаги возросли от 10 до 13%. При одновременном обезвоживании суммарные потери увеличились с 17 до 23% (рис.1).

Таким образом, композиции обезвоживались в среднем в 1,5-2 раза лучше, чем исходный сапропель.

Из двух исследуемых электролитов наиболее активным оказался двойной суперфосфат.

Время, сутки

Рис.1. Процесс обезвоживания смешанноводорослевого сапропеля и сапро-

пелеминеральных смесей при испарении и фильтрации влаги ■ - исходный сапропель □ - СФОС (сапропель содержит 5% Саз(Р04)г) • - СГИПС (сапропель содержит 5% Са804*2Н20)

а> о к л ч

<В

я я

и

1645 п 1445 -- 1245 -и ? Ю45 -£ 2 845 -

В о

а с о о

0 1 2 3 4 5 Продолжительность, час

Рис. 2. Зависимость изменения величины удельного сопротивления сапропеля при обезвоживании

-----известковистый при постоянном токе--при переменном токе

..«— смешанноводорослевый при постоянном токе -я— песчанистый при постоянном токе -□—при переменном токе

-о— железистый сапропель при переменном токе Установлено, что поведение сапропелей различно при обезвоживании в поле постоянного и переменного тока. Действительно в поле постоянного тока зависимость удельного сопротивления от влажности - линейная. В поле переменно-

го тока вырисовывается скачкообразный рост величины удельного сопротивления с последующим выходом на плато уже за первые 3 часа наблюдений.

Характерно, что из всех образцов интенсивнее обезвоживался известкови-стый сапропель, особенно в поле переменного тока (1499 Ом-м) (рис.2).

При интерпретации данных обезвоживания сапропелей в электрических полях учитывалось абсолютные значения массы потерянной влаги (%).

Электроды в электрическом поле располагались горизонтально и вертикально.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 Время, час

Рис. 3. Динамика водоотдачи исходного сапропеля при воздействии постоянного тока в процессе горизонтальной фильтрации ■ - смешанноводорослевый сапропель А - железистый сапропель • - известковистый сапропель

Как показали исследования (рис.3) за первые 4 часа наблюдений обезвоживание исследуемых образцов проходило интенсивнее. Из всех рассмотренных сапропелей выделялся известковистый, у которого потеря влаги при фильтрации составила 15%. Смешанноводорослевый сапропель обезвоживался немного хуже - 14%. Почти такой же результат получен у железистого сапропеля - 13%.

За весь период опыта общие потери влаги известковистого сапропеля составили (27,3±0,8)%, смешанноводорослевого - (26,0±0,8)%, железистого -(24,2±0,7)%.

Таким образом, интенсивность водоотдачи известковистого сапропеля увеличилась почти на 11% по сравнению с железистым.

Иная картина получена при вертикальной фильтрации. За весь период общие потери влаги составили: (24,4±0,7)%, (22,4±0,6)%, и (23,2±0,7)% соответственно.

Из полученных данных видно, что сапропели обладают фильтрационной анизотропией, что на наш взгляд объясняется слоистым строением сапропелевых отложений.

Характерно, что при фильтрации через 2 слоя термостойких волокон, в отсутствии встряхивания, нагревания и электрического поля, уже в первые часы наблюдений процесс водоотдачи затормаживался вплоть до полного прекращения.

В электрическом поле фильтрация продолжалась в течение всего периода наблюдений. На наш взгляд этому способствовало направленное движение заряженных частиц, что в итоге предотвращало их слипание и осаждение.

Таким образом, в электрическом поле постоянного тока фильтрация влаги протекала интенсивнее, чем в отсутствии электрического поля.

Сравнивая поведение сапропелей в полях постоянного и переменного тока, выявлено, что в переменном поле фильтрация повысилась и значительно (рис.4).

3 4 5 Время, час

Рис. 4. Процесс водоотдачи исходного сапропеля при воздействии переменного тока в процессе горизонтальной фильтрации ■ - смешанноводорослевый сапропель А - железистый сапропель • - известковистый сапропель В переменном поле опыт проводился в такой же последовательности. При горизонтальной фильтрации в течение 4 часов известковистого сапропеля мас-

10

совая потеря влаги составила 29%, смешанноводорослевого - 19% и железистого-16%.

Общая потеря влаги за весь период наблюдений у известковистого сапропеля - (50,4±1,5)%, у смешанноводорослевого - (32,4±0,8)% и у железистого -(30,4±0,8)%.

Анализируя рисунок 4 видно, что фильтрация протекала интенсивнее в первой половине опыта. Из всех исследованных сапропелей, у известковистого получены наилучшие показатели. Так, в переменном поле масса фильтрационной влаги увеличилась на 6-23% по сравнению с массой удаленной влаги в постоянном поле.

На наш взгляд, при постоянном токе такие процессы, как:

- снижение силы тока;

- поляризация, не способствовали, а замедляли фильтрационный отсос.

В переменном поле было обнаружено выделение газов, коррозия электродов, которые могли привести к структурным изменениям субстрата. Надо полагать, что и отсутствие поляризации предотвращало накоплению частиц на электродах. Очевидно, все это сказалось на конечных результатах фильтрации.

Таким образом, обезвоживание сапропелей в переменном поле эффективнее, чем в постоянном. Из исследуемых сапропелей наилучшие результаты получены у известковистого сапропеля, масса удаленной влаги которого повысилась с 27% в постоянном поле, до 50% в переменном. Это и понятно, данный сапропель из всех исследуемых видов отличался наименьшей водоудерживающей способностью и наибольшей зольностью (исходная влажность 77%, зольность 67,5%).

На основании полученных данных самую низкую водоотдачу проявил сме-шанноводорослевый сапропель.

Известно, что при промораживании природных пористых тел: грунтов, почв, торфов, сапропелей, происходит их коагуляция. Свободная вода замерзает в виде линз и ледяных слоев, которая в дальнейшем легко отделяется от субстрата. В результате интенсивность фильтрации повышается.

Влияние промораживания на фильтрационные свойства изучали на примере смешанноводорослевого сапропеля.

Время, час

Рис. 5. Процесс обезвоживания промороженного сапропеля при постоянном и переменном токе 1-й - смешанноводорослевый сапропель постоянный ток 2 - □ - смешанноводорослевый сапропель переменный ток

Как показали исследования, действительно, фильтрация протекала наиболее интенсивно в первые часы опыта и за этот период потеряно около 15% суммарной влаги.

При сопоставлении кривых (рис.5) видно, что по истечение 60-90 минут виден резкий скачок - максимум дегидротации, наиболее ярко выраженный при переменном токе (кривая 2). В последующие часы фильтрация не прекратилась, а замедлилась.

Суммарные потери влаги за весь период наблюдений при переменном токе составили (36,6±1,1)%, при постоянном - (29,4±0,8)%.

Сравнивая полученные результаты с результатами фильтрации непроморо-женного сапропеля, можно сделать вывод, что суммарные потери влаги промороженного сапропеля в постоянном поле составили 29%, непромороженного -26%

Суммарные потери влаги промороженного сапропеля при переменном токе составили 37%, непромороженного - 32%.

Как видно, интенсивность обезвоживания промороженного сапропеля возросла на 11% по сравнению с непромороженным.

Характерно, что наибольшая фильтрация промороженных образцов (около 15% потерянной влаги) зафиксирована в первые часы наблюдений. Этого нельзя сказать об исходных образцах, максимум дегидротации которых обнаружен за первый четырехчасовой период наблюдений и при этом суммарные потери влаги составили также в среднем 15%.

Немаловажен тот факт, что смешанноводорослевый сапропель, отличался пониженной водоотдачей.

Таким образом, анализируя полученные результаты в целом, видно, что в электрических полях обезвоживание образцов ускорилось, особенно при горизонтальной фильтрации. Влияние переменного тока намного эффективнее.

Наилучшие результаты зафиксированы при обезвоживании в электрических полях предварительно промороженных сапропелей.

Следующим этапом работы явилось исследование процесса минерализации сапропелей. С этой целью определялся их химический состав и некоторые физико-химические свойства.

По значению зольности исследуемые сапропели разделены на две основные " группы:

1) среднезольные (30-50%) - оз. Купуй (35%), Мелкое (38%) и Бельковское (44%)

2) высокозольные (50-85%) - оз. Сосновское (51%), Псово (52%) и Бор-Лазавское (68%).

Как показали исследования, разброс концентраций химических элементов в минеральной части незначителен (табл.1).

Групповой состав изучался для двух сапропелей - среднезольного из озера Купуй и высокозольного из озера Бор-Лазавское.

Установлено, что содержание фракций водорастворимых веществ в целом небольшое от 7,3% до 10,8%, легкогидролизуемых соединений - 38,5-40%, трудногидролизуемых соединений - 5-8,5%, гуминовых вещества - 30,7-5,7% и негидролизуемого остатка-7,4-10%.

Определены влажность, зольность и кислотность сапропелей (табл.1).

Таблица 1

Краткая характеристика исследуемых сапропелей.

Объекты исследований ТУ, % Плотность, кг/м3 рН Зольность, % N. % Са, мг/100г мё, мг/100г Р2О5, мг/100г К20, мг/100г

смешанно-водорослевый 93,1 1040,0 7,1 34,5 1,7 0,41 0,041 3,0 4Д

железистый 87,9 1069,0 5,1 50,5 2,1 0,54 0,042 1,6 3,3

известко-вистый 76,7 1179,0 7,8 67,5 1,67 0,73 0,0796 1,6 1,2

песчанистый 81,1 1130,1 6,4 52,1 2,4 0,42 0,031 6,7 3,3

Известно, что сапропели являются дисперсными многофазными системами, и процессы их водоотдачи зависят от многих факторов: концентрации органического вещества, его группового состава, плотности сапропелей. Чем больше органической части в сапропеле, тем выше его влажность. Трудности водоотдачи сапропелей связаны с их коллоидной структурой.

Поэтому сапропели проявляют высокую водоудерживающую способность и их начальная влажность закономерно снижается по мере увеличения зольности. У высокозольного известковистого сапропеля, плотностью 1179 кг/м3, влажность составляла 76,7%, а у среднезольного смешанноводорослевого сапропеля, плотностью 1050 кг/м3 начальная влажность возросла до 92%.

Реакция среды изученных сапропелей менялась от слабокислой 5,1 до слабощелочной 7,8 (см.табл.1).

Важной технологической характеристикой сапропелей является их дисперсный состав.

Как показали исследования, смешанноводорослевый сапропель отличался большей неоднородностью состава (табл.2) по сравнению с другими видами. Содержание в нем грубодисперсных фракций около 70%.

Таблица 2

Дисперсный состав смешанноводорослевого сапропеля

Фракция, мм >0,5 0,5 - 0,25 0,25-0,10 <0,05 <0,01 <0,005 <0,001

Содержание, % 17 28 24 13 13 3 3

Изучали влияние дисперсного состава на его набухание в различных средах. В водной среде таблетки практически не набухали, в 1% растворе гидроксида натрия набухание возросло до 80%, в 5% растворе - до 90%. Наибольшее набухание обнаружено в таблетках содержащих мелкие фракции.

На набухание сапропелей влияла и температура среды, с повышением температуры набухание в дистиллированной воде возросло.

Установлено, что при увеличении степени дисперсности образцов и повышении концентрации гидроксида натрия, сорбция растворителя протекала интенсивнее. Очевидно, значительное повышение набухания связано с изменением состава обменных ионов (замена кальция на натрий), пептизацией материала и увеличением эффективного коэффициента диффузии, приводящих в итоге к некоторым структурным перегруппировкам влияющим в дальнейшем на обезвоживание.

Действительно, как показали исследования, набухание возросло на 30-50% при введение в сапропель мочевины и некоторых природных добавок (рис.6).

Продолжительность набухания, сутки

Рис. 6. Зависимость набухания смешанноводорослевого сапропеля от состава сапропелеминеральных смесей (дистиллированной Н20 и 16°С) ■ - исходный сапропель □ - СМОЧ (сапропель содержит 5% СО(ЫН2)2) • - СГИПС (сапропель содержит 5% Са804*2Н20) о - сапропель, содержащий 5% древесных опилок Процесс минерализации изучался в лабораторных и в полевых условиях.

Как известно, интенсивность минерализации (по выделению СО2) зависит от химического состава, концентрации органического вещества и исходной влажности.

Интенсивность выделения диоксида углерода являлась, мерой скорости минерализации сапропелей.

Общеизвестно, что почти все органические компоненты сапропелей, за исключением битумов, являются гидрофильными веществами и им свойственна высокая насыщенность реакционно-способными функциональными группами. Именно поэтому, чем больше доля органической части в сапропеле, тем выше его влажность.

Исходная влажность смешанноводорослевого сапропеля составляла 93,1%. Увеличение влажности сопровождалось повышением интенсивности выделения СОг из разлагаемого субстрата. В данном случае количество С02 составило 1,33% (процентные потери в весе за период разложения - 14 суток).

Время, сут

Рис.7. Изменение интенсивности выделения СО2 во времени в зависимости от характера разлагающегося сапропеля -*- - смешанноводорослевой сапропель -А— железистый сапропель

«--известковистый сапропель + - песчанистый сапропель

В сапропелях повышенной зольности, напротив, возрастала роль минеральной составляющей. Следовательно, повышалась плотность образцов, и ухудшались условия аэрации и газообмена. С другой стороны, слабощелочная реакция среды подавляла деятельность ферментов и микрофлоры, пониженная же влажность не только не способствовала развитию микроорганизмов, но и затормаживала такое развитие. Все эти процессы в своей совокупности выражают тен-

16

денцию, обратную той, которая соответствует минерализации среднезольных сапропелей. В итоге скорость выделения СОг снизилась почти на порядок (см. рис.7).

Итак, наибольшую скорость минерализации имели сапропели с низкой зольностью. Медленнее минерализовались сапропели с повышенной зольностью. Наиболее высокую устойчивость к разложению органического вещества проявил известковистый сапропель.

При изучении минерализации в полевых условиях был определен химический состав сапропелей и смесей на их основе, а также их зольность (табл. 1,4).

По метеорологическим данным июль зафиксирован дождливым и теплым, а август - октябрь - умеренно засушливыми и теплыми (данные приведены в табл.3).

Таблица 3

Метеорологические данные по г. Великие Луки и Великолукскому району за 2004 г.

Сумма положительных температур воздуха

1>0°С

С>5°С

1>10°С

е>15°С

2758

2503

2238

1325

Сумма активных температур воздуха (£>10°С) - 2065°С

Сумма эффективных температур воздуха (£>5°С) - 1576°С

Динамика изменения зольности, органической части и азота в процессе минерализации приведены в таблице 4.

Как следует из таблицы 4: 1) на степень разложения органической части влияла исходная влажности сапропелей; 2) интенсивность минерализации различна и зависела от видов сапропелей; 3) минерализация сапропелей протекала интенсивнее на глубине подпахотного слоя; 4) наибольшую скорость минерализации проявил смешанноводорослевый сапропель.

Установлено, что концентрация общего азота возросла на 6-12% в пахотном слое практически во всех исходных образцах. Наибольшее, (12,3±0,3)% накопление азота наблюдалось у смешанноводорослевого сапропеля.

Таблица 4

Изменение содержания органической части, азота и зольности при минерализации

Группа сапропелей

До

минерализации

£

I

О

О

£ %

£ е

и о я

й о эт

О

Исходный сапропель (контроль)

Смешанноводорос- 26,2 1,7 34,5

левый

железистый 19,8 2,1 50,5

известковистый 13,0 1,7 67,5

После минерализации

X? с4

I

о

о

£ ¡25

§

§ о

Пахотный

подпахотный

—горизонты

14,0 0,4

20,5 0,4

8,0 2,0

10,0 0,9

7,5 1Д

14,0 0,4

15,4 9,4 7,6

м

7,9

16,3 9,5

М 6,1

86.5 80,3

59,3 76,3

79.6

84.7

При минерализации в подпахотном слое содержание азота увеличилось по сравнению с начальным, на 8-19% у всех исследованных сапропелей.

Разумеется, что изменилась и зольность сапропелей. В пахотном горизонте по отношению к начальной она увеличилась на 9-52%, в подпахотном горизонте - на 17-46%.

Понятно, что в результате минерализации снизилось и содержание органического вещества. Как видно из данных таблицы 4, в пахотном слое содержание органического вещества уменьшилось по сравнению с начальным на 4-21%. Как показали исследования в отличие от других видов, смешанноводорослевый сапропель интенсивнее разлагался в пахотном слое. При сравнении данных видно, что в пахотном слое концентрация органического вещества снизилась по сравнению с начальным на (20,8±0,6)%, а в подпахотном - на (18,3±0,5)%.

Модифицированные композиции вели себя иначе, их минерализация по сравнению с исходными сапропелями протекала активнее, о чем свидетельствует данные табл.5.

Таблица 5

Изменения содержания органической части и азота в процессе минерализации

До минерализации После минерализации

Группа С0бш» % С/>Г Собщ» % СМ

сапропелей Исходный сапропель (контроль) Пахотный / подпахотный горизонты

Сапропель с древесной золой

смешанноводорослевый 28,6 1,6 17,9 5,2/6,6 15,0/22,0 0,3/0,3

железистый 22,4 2,2 10,2 10,6/9,1 9,5/11,0 1,1/0,8

известковистый 15,6 1,8 8,7 4,6/4,6 8,0/15,0 0,6/0,3

Сапропель с древесными опилками

смешанноводорослевый 27,4 1,6 17,1 25,9/19,1 6,0/22,0 4,3/0,9

железистый 21,6 2,3 9,4 18,0/21,7 10,0/13,0 1,8/1,7

известковистый 15,2 1,8 8,4 19,8/13,0 3,0/9,5 6,6/1,4

Сапропель с мелкозернистым песком

смешанноводорослевый 29,3 1,5 19,5 5,9/7,2 14,0/21,5 0,4/0,3

железистый 23,8 2,1 11,3 8,4/10,2 7,5/13,0 1,1/0,8

известковистый 14,7 1,7 8,6 4,6/4,6 8,0/19,0 0,6/0,2

Вновь можно констатировать, что как исходный смешанноводоросяевый-еа--пропель, так и композиции на его основе минерализовались в большей степени, по сравнению с другими видами. Из композиций особенно выделялись смеси в сочетании с древесной золой и с мелкозернистым песком. Как установлено:

- концентрация азота в них возросла в пахотном на (13,4±0,4)%, в подпахотном горизонтах - на (20,2±0,5)%;

- зольность увеличилась в среднем в пахотном слое на 60%, в подпахотном -на 55%;

- потери органического вещества составили в пахотном слое - 23 % и в подпахотном - 22%.

Сопоставляя приведенные данные, видно, что смеси на основе других видов сапропелей, также минерализовались неплохо и содержание в них органического вещества снизилось в среднем на 2-23% по отношению к начальному.

Исходя из динамики изменения концентрации азота (табл.5), процесс разрушения органического вещества в подпахотном горизонте протекал интенсивнее и глубже.

Очевидно, что присадки и избыточная влажность в подпахотном слое в отсутствии кислорода инициировали гидролиз и деструкцию органической части.

Хуже минерализовались композиции на основе всех исследованных сапро-пелей в сочетании с опилками. Наличие опилок (трудногидролизуемых веществ) затормаживало процесс разрушения органического вещества.

Таким образом, наибольшие потери органического вещества обнаружены у смешанноводорослевого сапропеля. Медленнее минерализовались сапропели повышенной зольности и низкой влажности. Наиболее высокую устойчивость к разложению органического вещества проявил известковистый сапропель. Это и понятно, так как из-за повышенной плотности и слабощелочной реакции среды, ухудшались условия аэрации и газообмена, что не способствовало развитию микроорганизмов.

Можно заключить, что в целом минеральные добавки приводили к более интенсивному разрушению органической части, особенно в композициях на основе смешанноводорослевого сапропеля.

Таким образом, модифицирование сапропелей целесообразно с точки зрения удешевления продукта. Оно способствовало разрыхлению структуры, и в конечном счете, приводило ускорению минерализации. Важно и то, что добавки, обогащая сапропель калием, кальцием, фосфором и магнием, по-существу, являются отходами производств.

Основные выводы

1. Исследованы сапропели из 6 различных по проточности и заторфованно-сти озер Великолукского района Псковской области.

Проведена классификация по ряду признаков и выделены 6 видов. Детально изучены 4 вида сапропелей: смешанноводорослевый (среднезольный), железистый (высокозольный), известковистый (высокозольный) и песчанистый (высокозольный).

2. Изучен химический состав сапропелей. Установлено, что разброс концентраций химических элементов в минеральной части незначителен.

Содержание азота - от 1,7 до 2,4 %., оксида калия - от 1 до 4 мг/100 г, оксида фосфора - от 2 до 8 мг/100 г, кальция - от 0,4 до 0,7 мг/100 г.

3. Определен групповой состав органической части сапропелей. Установлено невысокое содержание водорастворимых фракций (7,3-10,8%), повышенное содержание легкогидролизуемых и гуминовых веществ - 40 и 30%, в которых концентрация гуминовых кислот составляет 21%, фульвокислот - 9%.

4. Изучены некоторые агрохимические и агрофизические свойства сапропелей. Реакция среды находилась в диапазоне от нейтральной до слабощелочной.

Минимальную влажность имел высокозольный (76,7%), максимальную -смешанноводорослевый (93,1%). В его дисперсном составе обнаружено 70% грубодисперсных фракций.

Наибольшие значения зольности, плотности и поверхностного натяжения установлены у известковистого сапропеля (67,5%, 1179,0 кг/м3, 107,9 мН/м). Наименьшую зольность, плотность и величину поверхностного натяжения проявил смешанноводорослевый сапропель (34,5%, 1040,0 кг/м3, 57 мН/м).

5. При обезвоживании сапропелей, промороженных в полевых условиях, вырисовывается закономерность: модифицирование электролитами приводило к повышению до 23% водоотдачи сапропелей. Наиболее активным явился двойной суперфосфат.

Минимальная водоотдача (7%) наблюдалась при испарении влаги. Максимальная (23%) - при одновременном протекании процессов фильтрации и испарения.

6. Исследованы процессы обезвоживания сапропелей в электрических полях.

Выявлена динамика изменения удельного сопротивления различных сапропелей при обезвоживании. Установлена линейная зависимость удельного сопротивления исследуемых образцов от их влажности. Из всех видов сапропелей наибольшую водоотдачу проявил известковистый, основная масса влаги кото-

poro удалена за период в 2 раза меньший, чем у других сапропелей. Сказанное подтверждает наличие скачкообразного роста величины удельного сопротивления.

1) Электрические параметры постоянного тока: напряжение - 30 В, сила тока - 60 тА. Установлено, что водоотдача известковистого сапропеля повысилась по сравнению с другими видами:

- при горизонтальной - на 11% по сравнению с железистым;

- при вертикальной - на 5%.

2) Электрические параметры переменного тока: напряжение - 30 В, сила тока-20-100 тА.

Доказана повышенная интенсивность обезвоживания известковистого сапропеля:

- при горизонтальной фильтрации 50% против 31% для других видов;

- при вертикальной 27% против 22% соответственно.

Различная водоотдача при фильтрации в двух взаимно-перпендикулярных направлениях свидетельствует об анизотропности структуры сапропелей.

Установлено, что обезвоживание сапропелей в переменном поле (~ на 23%) эффективнее, чем в постоянном.

7. Вырисовывается закономерность: предварительное промораживание сме-шанноводорослевого сапропеля приводило к повышению его водоотдачи в электрических полях. Доказана повышенная интенсивность водоотдачи в переменном поле при горизонтальной фильтрации.

8. Изучена минерализация органического вещества сапропелей в лабораторных условиях. Установлена закономерность: чем больше зольность сапропелей, тем выше их устойчивость к разрушению органической части.

9. Исследована динамика изменения физико-химических свойств исходных и модифицированных сапропелей при минерализации в полевых условиях.

У исходных сапропелей (контроль) зольность возросла по отношению к начальной на 9-52% в пахотном и на 17-46% в подпахотном слоях. На 52% и

46% соответственно повысилась зольность у смешанноводорослевого сапропеля.

У модифицированных сапропелей зольность возросла по отношению к начальной на 4-60% в пахотном и на 5-55% в подпахотном слоях.

Установлено, что минеральные добавки способствовали процессу разложения органического вещества, разрыхлению композиций и улучшению их водоотдачи.

Наиболее интенсивно минерализовались композиция на основе смешанноводорослевого сапропеля и золы.

Сказанное подтверждают полученные данные. Содержание органического вещества снизилось по сравнению к начальной на 23% в пахотном и на 22% в подпахотном слоях.

Исходя из динамики изменения концентрации азота, можно сделать вывод, что процесс разрушения органического вещества в подпахотном слое протекал интенсивнее и глубже.

Из всех исследованных сапропелей наиболее высокая устойчивость к разрушению органического вещества зафиксирована у известковистого сапропеля.

На основании полученных данных разработаны рекомендации по практическому использованию сапропелей.

Предложения производству

1. Одним из доступных видов органических удобрений является сапропель модифицированный природными добавками (зола, песок, в соотношение 95:5).

2. В целях повышения водоотдачи целесообразно промораживание сапропеля.

3. В кислых почвах следует использовать известковистый сапропель, предварительно обезвоженный в электрическом поле.

Список работ по теме диссертации: 1. Иванова Т.А., Конкин И.И., Керечанина Е.Д. Набухание сапропелей. //Сб. н. тр. «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного производства. Псковской области». Великие Луки: ВГСХА, 2004. С. 41-43.

2. Иванова Т.А., Керечанина Е.Д. Смачивание сапропелей. //Сб. н. тр. «Новые фармакологические средства в ветеринарии. Материалы XVI Международной научно-практической конференции». Санкт-Петербург, 2004. С. 50-51.

3. Иванова Т.А., Керечанина Е.Д., Разуплотнение сапропелей модифицирующими добавками. Великие Луки. ВГСХА. 2005. С. 61-62.

4. Керечанина Е.Д., Иванова Т.А. Физические свойства модифицированного сапропеля. //Сб. н. тр. «58-ая научно-практическая конференция студентов, посвященная 75-летию университета». Мичуринск. 2006. С. 55-57.

5. Керечанина Е.Д., Иванова Т.А. Вытеснение водных растворов из порового пространства сапропелей и органическими электролитами. //Сб. н. тр. «Молодые ученые в реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК»». Уфа. 2006. С. 69-70.

6. Керечанина Е.Д., Иванова Т.А. Экологические аспекты использования сапропелей. //Сб.н.тр. «10-ая Международная экологическая конференция». «Экология России и отдельных территорий». Новосибирск. 2005. С. 44-46.

7. Керечанина Е.Д. Использование природного субстрата. Роль водно-физических свойств сапропеля. //Материалы конференции «Инновации молодых ученых с.х. России». Москва МСХА им. Тимирязева. 2005. С. 48-49.

8. Иванова Т.А., Керечанина Е.Д. Использование сапропеля в земледелии. //Сб.н.тр. «Инновационные технологии развития сельскохозяйственного производства». Великие Луки: ВГСХА. 2006. С. 41-43.

9. Иванова Т.А., Керечанина Е.Д. Гранулометрический состав сапропеля. //Сб.н.тр. «Конференция агропромышленного комплекса. Состав и перспективы развития» Великие Луки: ВГСХА. 2005. С. 51-52.

Ю.Иванова Т.А., Керечанина Е.Д. «Разложение органической части сапропелей при минерализации в полевых условиях». Пенза. 2008. С. 46-47. 11.Иванова Т.А., Керечанина Е.Д. Минерализация сапропелей в полевых условиях. //Земледелие. 2009. №1. С. 24-25.

Лицензия ЛР № 040831 Подписано к печати 02.09.09 Формат 60 х 90/16 Усл. печ. 1.7 п.л. Тираж ЮОэкз.

Заказ 104

Редакционно-издательский отдел ФГОУ ВПО «ВГСХА» 182100, г. Великие Луки, пл. Ленина, 1