Способы добычи озерного сапропеля с использованием безсегрегационной технологии складирования

Э.В. Горбачев

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ ОЗЕРНОГО САПРОПЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕЗСЕГРЕГАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ СКЛАДИРОВАНИЯ

Сапропель, или озерный ил - вещество преимущественно биогенного происхождения, образуется в воде на дне пресноводных водоемов, из остатков растений, листьев, насекомых и простейших животных организмов, которые быстро размножаясь накапливаются в огромных количествах, отмирают и откладываются в виде ила, слоем мощностью 0,5 до Юм. На Урале средняя мощность залежи составляет 2-3 м. Тут же осаждаются частицы почвенного перегноя, поступающие с полей в водоем. Этот осадок под действием бактерий и ферментов при малом доступе кислорода подвергается медленному и неполному разложению. Сапропель Юж. Урала в сухом состоянии содержит от 30 до 92 % органического вещества. Органическая часть сапропеля содержит азотосодержащие, биологически активные вещества (гуминовые кислоты, витамины, биостимуляторы, антибиотики) и углеводы.

Области использования приведены в табл. 1.

В настоящее время запасы сапропеля в Челябинской области составляют 1 млрд м, которые целесообразно использовать в сельском хозяйстве.

В зависимости от возраста и глубины залегания сапропель имеет коллоидную структуру различной консистенции. Верхние слои имеют вид жидкого студня, более глубокие, уплотненные, консистенцию пластилина. Наиболее интенсивно сложные гидробиологические, микробиологические, физико-механические процессы разложения протекают в верхнем слое, так как имеют доступ кислорода. В нижних и глубоких слоях, данные процессы прекращаются.

В состав сапропеля входят все необходимые вещества для питания растений. Удобрительная ценность, в наличии микроэлементов (Мп, ^, Со, В, Мо, 2п, Вг, I) в сапропеле, необходимых для развития и роста растений. Сапропель улучшает водно-физические и технологические свойства почв.

Область использования Виды продуктов или изделий

Сельское хозяйство, земледелие Сапропелевые удобрения: - компосты на основе сапропеля; - известковые материалы; удобрительные смеси; аммонизированный сапропель; сапропель для выращивания клубеньковых бактерий; сапропель для опудривания минеральных удобрений; - кондиционирующие добавки.

Животноводство, птицеводство, рыборазведение, ветеринария Сапропелевые кормовые добавки: комбикорма; средства профилактического лечения животных.

Промышленность Формовочные и стержневые смеси ( в литейном производстве); Порообразующие добавки ( получение фильтрационных труб, пористо щелевых керамических камней, производство агл спорта); Лицевой кирпич; Сапропелевое связующее (сапропелевый клей) в производстве ДВП.

Г еология Производство буровых и томпонажных растворов

Кормовой сапропель представляет собой уникальный органоминеральный комплекс, богатый микро- и макроэлементами, витаминами, гуминовыми кислотами, протеином, гормоноферментоподобными соединениями.

В составе 50 г сапропеля, вводимого в соответствии с нормой в 1 кг комбикорма, содержатся: сырой протеин - 3,2 г, кальций -10 г, фосфор -0,2, магний - 0,26 г, цинк - 2,62 мг, марганец - 37,4, медь - 0,67, кобальт -0,45 мг, витамины: Д - 15 мг, В1 - 2,4, B2 - 6,7, В3 - 25, В4 -2,5, РР - 30 мг, В12— 50 мкг.

Ввод сапропеля в комбикорма позволит значительно повысить их эффективность, снизить ввоз зерна, исключить ввоз в Россию дорогостоящих импортных добавок.

Научные опыты и производственные испытания, проведенные институтами СибНИПТИЖ, ВИЖ, ВНИИФБиП и РАСХН в хозяйствах Российской Федерации, позволили сделать следующий вывод: использование для животных и птицы корма, в которой введены сапропель в количестве до 5 % или белково-минеральная кормовая добавка, где наполнителем является сапропель, в количестве 10 %, дает хорошую эффективность - снижаются расход зерна на производство ком-

бикормов на 3 %, их себестоимость до 10 %, расход кормов на единицу продукции на 12 %, повышаются продуктивность животных и птицы на 15 %, яйценоскость птицы на 9 %, сохранность поголовья на 18 %, улучшаются воспроизводительные функции животных и птицы.

Научно-технологическое предприятие «Уралгидромехпроект» разработало технологию производства кормового сапропеля и белково-витаминно-минеральных кормовых добавок на озере «Ет-куль» Еткульского района.

Новая продукция будет выпускаться в порошкообразном или гранулированном (размер гранул 2-4 мм) виде влажностью 12 %. Ее можно использовать в производстве комбикормов, а также непосредственно в хозяйствах при кормлении всех видов животных и птицы.

Применение новых обогатительных добавок с сапропелем в виде наполнителя (40-50 %) позволит полностью балансировать корма по питательным веществам, витаминам, микро- и макроэлементам, аминокислотам.

Нормативно-техническая документация на эти кормовые добавки разработана институтами РАСХН, апробирована институтами ВГНКИ, СибНИПТИЖ, ВИЖ, ВНИИФБиП непосредственно в хозяйствах России, согласована с Институтом питания им. Карпова, АМН РФ, Ветфармсоветом РФ, ФКК «Росхлебопродукт» и утверждена Минсельхозпродом Российской Федерации.

При современном подходе освоения сапропелевых месторождений необходимо руководствоваться тремя основными положениями:

«... - экологической допустимостью принимаемого решения;

- технической возможностью его осуществления;

- экономической целесообразностью принимаемых решений» (В.Б. Добрецов, профессор, Доктор технических наук (СПГГИ) 1995 г.).

Выполнение первого требования особенно важно, поскольку освоение озерных месторождений находится в начальной стадии и до осуществления их массовой эксплуатации необходимо достаточно корректно определиться по вопросам, как техники, так и технологии добычи и переработки сапропелевых илов.

Следовательно, необходим анализ применяемых способов добычи и технологии складирования добываемого сырья.

Современный этап развития экономики Урало-Сибирского региона характеризуется ощутимым подъемом финансовых ресурсов. Это обстоятельство доказывает необходимость развития сапропелевой индустрии в этом регионе. В настоящее время в Челябинской области применяются две технологии добычи озерных отложений:

- гидромеханизированная (земснарядом) с гидротранспортированием сапропеля в виде пульпы в усреднительные емкости, из которых усредненный по химическому составу сапропель подается в цех на переработку и в чеки для обезвоживания;

- плавучая грейферная установка с транспортированием сапропеля естественной влажности в барже, из которой фекальным насосом подается в усреднительную установку, а затем автомашинами вывозится до потребителя (3). Такая установка эксплуатируется на озере «Горьком» Курганской области с 1972 года, ей добыто 1200 тыс. м3. лечебного сапропеля («грязи»). В настоящее время, такая установка используется в санатории «Урал».

Экономическая целесообразность и социальная значимость обуславливается следующим:

- только на замене привозимых минеральных удобрений на местные сапропелевые для условий Южного Урала будет экономиться в среднем 28-30 % вкладываемых средств, а прибавка урожая и повышение эффективности животноводства и птицеводства, развитие рыборазведения обеспечат дополнительную прибыль;

- реализация программы создания сапропелевой индустрии в Урало-Сибирском регионе открывает пути решения социальных задач

- увеличение занятости населения, уменьшение миграции, приобретение новых специальностей, целевая подготовка кадров в вузах и т.д.;

- обеспечиваются условия для разведения ценных пород рыбы в очищенных озерах, организации любительского рыболовства;

- открывается возможность организации сети курортов и грязелечебниц для пациентов с различным достатком - от элитных до бесплатных для ряда категорий граждан;

-наличие перспективных рынков сбыта в России и за рубежом (ряд стран СНГ, Турции, Арабские Эмираты, Ирак).

На консистенцию сапропеля сильно влияют минеральные примеси, присутствующие нередко в значительном количестве и придающие ему характер глинистых, известковых и др. образований. В связи с этим одним из главных процессов при разработке озерных сапропе-

левых месторождений земснарядами является процесс грунтозабора, который является определяющим для обеспечения эффективной работы земснаряда. Сапропелевые месторождения относятся к полезным ископаемым со своими специфическими гидрофизическими свойствами (большим числом пластичности и плотности). Как показал 30 летний опыт добычи лечебного сапропеля на озере «Горьком» Курганской области он обладает большой липкостью, поэтому известные грунтозаборные устройства [1] не обеспечивают необходимую производительность и требований экологии по охране водных бассейнов.

Грунтозаборное устройство, при добыче сапропеля земснарядом, должно обеспечить следующее:

иметь стабильную мощность на валу привода при вариации толщины разрабатываемого слоя сапропеля;

- соответствовать вместе с конструкцией рамы допустимой нагрузке при веерном способе разработки;

- позволять разрабатывать забой слоями в пределах шести метров.

В соответствии с вышеуказанными требованиями группой авторов [2] было усовершенствовано роторное грунтозаборное устройство В.А. Мороза, позволяющее разрабатывать связные липкие грунты, в том числе и озерные сапропели.

Основная цель усовершенствованной конструкции ковша заключается в том, чтобы обеспечить:

а) эффективное резание грунта за счет установки режущей кромки ковша под оптимальным углом резания;

б) эффективное перемещение нарезаемой стружки связанного грунта по внутренней поверхности ковша без залипания за счет постоянной кривизны стенки без изломов продольной, образующей стенки;

в) исключение очагов закипания грунта в плоскости ковша за счет сохранения ширины нарезаемой стружки постоянной во всех поперечных сечения ковша;

г) подачу нарезанной стружки во всас за счет подвижной передней стенки ковша выполненной из цепей;

д) уменьшение непроизводственных затрат связанных с подъемом и очисткой рабочего органа;

е) минимизация технических и технологических отказов.

Земснарядом, оборудованным двух роторным грунтозаборным

устройством с усовершенствованным ковшом в Магнитогорске, при

дноуглублении заводского водохранилища было разработано 500 тыс. м3 сапропелей заросших камышом.

Применение предлагаемой конструкции не вызывает изменений в конструкциях рамы грунтозаборного устройства земснаряда па-пильонажного устройства, приводов и энергоснабжения.

При определении производительности землесосного снаряда, оборудованного усовершенствованным разрыхлителем, при разработке сапропелей применима формула А.И. Харина [3]

Q — КОр • S • ^ • пг • 60, м3/ г

где К - коэффициент полноты выбирания срезанной породы; Dp -диаметр ротора в метрах; S - подача земснаряда вперед в метрах; Т -толщина стружки в направлении папильонировании в метрах; пг -число черпаний в минуту.

Исследования [1, 4] установлено. Что для бункерного роторного разрыхлителя К = 0,9, для без бункерного К = 0,8. Толщина разрабатываемого слоя должна быть равна диаметру ротора, а подача земснаряда вперед должна быть в пределах 8= 0,2-0,3 м. Толщина стружки в направлении папильонирования при работе на сапропелях должна быть в пределах 1 = 0,2-0,3 м. Средняя скорость папильонирования может быть определена по формуле:

V — I • пг, м / с

где пг - число черпаний определяют по выражению: пг = 60 Ур Ъ/ПБр

где Ур - оптимальная окружная скорость вращения ротора по диаметру центра тяжести ковшей в м/с; Ъ - число ковшей, шт.

Для определения окружной скорости И.П. Будько [4] рекомендует эмипиеческую формулу:

Vp — КЬу]0,45 Ор • g, м / с

где КЬ = 0,4 - коэффициент расчетной скорости вращения при разработке связных грунтов; g - ускорение силы тяжести в м/с.

Проведенные опытные работы на озере «Горьком» - Курганской области показали, что наиболее целесообразно добычу сапропеля производить землесосными снарядами с подачей сапропеля по трубам. Как показали опытные работы при намыве сапропеля торцовым способом происходит фракционирование частиц по длине отстойника, о чем свидетельствуют данные приведенные в табл. 2.

проб 1,0-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005- 0,001 0,001

У выпуска пульпы 0,01 56,24 12,49 13,86 6,20 11,20

На расстоянии 10 мм от выпуска 0,01 52,49 12,49 16,41 7,40 11,20

На расстоянии 50 мм от выпуска 0 30,0 10,0 11,80 21,10 27,60

Из табл. 2 видно, что у выпуска пульпы откладываются в основном зольные частицы, тогда как наиболее ценные гумусные частицы уносятся в конец отстойника. Такое неравномерное распределение химических элементов по площади отстойника не соответствует агротехническим требованиям.

При определенном разнообразии способов разработки сапропелевых месторождений наиболее технологичным и дешевым является гидромеханизированный способ добычи. Положительные качества гидромеханизации при разработке обводненных месторождений состоят в следующем:

• возможность осуществления поточной технологии (добыча-транспорт-намыв);

• подача пульпы на значительное расстояние;

• относительно небольшие затраты энергии и труда.

В тоже время применение средств гидромеханизации имеет ряд недостатков:

• в естественной залежи сапропель представляет дисперсную структуру коагуляционного типа, при механическом воздействии, сапропель образует пятно мутности; потребность в больших площадях под отстойники или карты намыва; естественная сегрегация при намыве сапропеля в чеки или гидроотвалы, что приводит к низкому качеству конечного продукта.

В научно-техническом предприятии «Уралгидромехпроект» с участием автора разработан безсегрегационный способ складирования.

В соответствии с разработанной технологией сапропелевая пульпа от земснаряда, конструкция которого специально разработана «Уралгидромехпроект» для добычи сапропеля, подается в вибрационный бункер - обезвоживатель (ВБО), который представляет собой цилиндрический сгуститель с присоединенной к нему при помощи эластичной манжеты конической воронки с вибровозбудителем. Подступающая пульпа предварительно сгущается в статических условиях. Затем сапропель под действием вибраций уплотняется в конической воронке. Вода, насыщенная микроэлементами, вытесняется вверх и через сливные окна вытекает в сливной желоб.

Сгущенный сапропель разгружается через регулируемый затвор. Влажность сапропеля после обезвоживания в аппарате ВБО составит 25-75 %.

Сапропель после ВБО по ленточному транспортеру подается в чеки, в которых после вымораживания и обработки замороженного сапропеля получается органическое удобрение.

Чеки представляют собой участок земли, оборудованный дренажной системой, спланированный, как правило, прямоугольным. Количество чеков определяется масштабами добычи с учетом коэффициента их оборота (0,5). Высота дамб обвалования выбирается в зависимости от толщины намываемого слоя. При расчетной толщине слоя намыва 1 м, высота дамбы должна быть 1,5 м, ширина по верху от 2 до 5 м, заложение откосов принимается 1,0:2,5. Располагаются чеки на участках с хорошо фильтрующим основанием. Размеры чеков выбираются в зависимости от производительности установки и принятой технологической схемы уборки органического удобрения из чеков, а также седиментационных свойств пульпы.

Параллельно с подачей сапропеля в чеки сапропель подается в цех по производству кормовых добавок.

На Южном Урале есть озера, имеющие большое зеркало воды. На таких озерах добычу и переработку сапропелевых месторождений выгоднее вести плавучими, автономными модулями.

Такая добычная установка представляет собой технологический комплекс на плавучей платформе для добычи и переработки сапропелей естественной влажности [2]. Комплекс состоит из следующих узлов:

- плавучий корпус способный находиться на плаву при полной нагрузке технологическим оборудованием;

- добычной орган, дающий возможность добывать и транспортировать сапропель естественной влажности на борт;

- узел обезвоживания сапропеля с диапазоном 90-75 % влажности

- лечебные грязи, 90-60 % влажности - удобрения, 90-25 % влажности

- кормовые добавки;

- узел гранулирования, узел расфасовки, средства доставки расфасованного сапропеля с плавучего транспортного средства на другие виды транспорта или на место временного складирования.

На большинстве крупных озер Южного Урала наблюдается дисбаланс всей экологической системы озера. Эти негативные процессы в большинстве своем приобрели необратимый характер. В настоящий момент возникла реальная угроза утраты многих озерных экосистем. Прогрессирующее развитие процессов заиления озер требует разработки неотложных мер по восстановлению с решением задач по рациональному использованию озерных отложений.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Расщупкин Д.В., Пеняскин Т.Т. Испытания роторных и фрейзерных разрыхлителей земснарядов. Монтажные и специальные работы в строительстве. М., 1988, №3 с. 18-19.

2. А.С. 767295. Черпаковый двухроторный разрыхлитель Пеняскин Т.И. и др.

- опубл. В Б.К., 1980, №36

3. Харин А.И. Разработка грунтов плавучими зем. снарядами. М., Строиз-дат.1966, 234с.

4. Будько И.П. Область применения и сравнительная оценка работы некоторых типов грунтозаборных устройств. Сб. трудов ВНИИГС, Л., 1969, вып. 29, с. 53-60.

5. Тимченко А.И. Геолого-генетические проблемы фосфоритообразования /Горный вестник. Специальный выпуск. - 1996.

6. Воробьев О.Г., Добрецов В.Б., Назаров Е.А. Роль сапропеля в развитии региональных производительных сил. Региональная экология. - 1994.

7. Пеняскин Т.И. Гидромезханизация добычи озерного сапропеля на Южном Урале. Современное состояние и перспективы использования сырьевой базы Челябинской области. Сборник научных статей, посвященный 300 лет горногеологической службе России. - 2002.

— Коротко об авторах ---------------------

Горбачев Э.В. - ОАО «УралСибгидромеханизация».