ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ ИЗ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ШЛАКА КОНВЕРТЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД СТАНЦИЙ АЭРАЦИИ
ORGANOMINERAL FERTILIZERS FROM STEEL-SMELTING SLAG OF CONVERTER PRODUCTION AND SEDIMENT OF SEWAGE WATER OF AERATION STATIONS

Изобретение относится к растениеводству, в частности к средствам для рекультивационных работ на местах интенсивного гражданского строительства.
Известно, что при строительстве дорог, а также промышленных, административных и жилых зданий, окружающей среде, а конкретно почве и растениям наносится порой непоправимый ущерб. Поэтому много сил и средств приходится прилагать для восстановления окружающей среды. Без укрепления почвы возникает опасность разрушения построек, образования оползней, оврагов, выветривания почвенного слоя и другие неблагоприятные последствия.
Из уровня техники известно несколько весьма различных подходов к решению этой проблемы. Один из них заключается в нанесении искусственного слоя на почву, например, асфальт, бетон, плитка и т.п. Другой подход основан на укреплении почвы корнями растений, что имеет, помимо прочего, эффект восстановления окружающей среды. Авторы отдают предпочтение именно этому подходу.
Один из известных способов рекультивации земель описан в патенте RU 2637126 [1]. Там предложен способ получения комплексной органоминеральной добавки на основе гумата калия по авторской методике. Получаемое в результате комплексное органоминеральное удобрение на основе гумата калия и птичьего помета, является мощным почвомодификатором, помогает бороться с опустыниванием земель и отказаться от минеральных удобрений. Однако, ограниченный ресурс исходных материалов и сложная процедура подготовки такого комплексного органоминерального удобрения, которая включает смешивание торфа, воды и гидроксида калия, причем смешивание осуществляют с водой температуры 30-41°C, после чего последовательно осуществляют воздушный барботаж полученной смеси с последующим ее измельчением, воздействием ультрафиолетом и вакуумированием, препятствует широкому внедрению способа по [1].
Еще один известный из уровня техники способ повысить посевные качества семян путем предпосевной обработки и, тем самым, обеспечить хорошую всхожесть применяемым для защитных работ растений, опубликован в патенте RU 2625957 [2]. Согласно описанию к [2], предлагается проводить обработку семян раствором, содержащим стимулятор роста растений, в качестве которого используют комплексный препарат, включающий в свой состав натриевые соли гиббереллиновых кислот, гумат калия или натрия и неочищенный автолизат пивных дрожжей, содержащий живые дрожжевые клетки, при дозе автолизата пивных дрожжей 1,5-3 кг на тонну семян, дозе натриевых солей гиббереллиновых кислот 6,4-9,6 г на тонну семян и дозе гумата калия (натрия) 50-200 г на тонну семян. Недостаток этого технического решения тот же, что и у [1].
Наиболее близким по замыслу является решение, описанное в патенте RU 2637319 [3]. Цель этого изобретения - обеспечить оптимальное регулирование питательного режима растения за счет каталитических свойств вулканического пепла. Поставленная цель достигается путем внесения в почвы вулканических пеплов в сочетании с минеральными удобрениями. Кроме того, внесение пеплов в почвы обеспечивает снижение ее кислотности. Таким же действием обладают и преобразованные охристые вулканические пеплы, повсеместно распространенные в средних частях профилей охристых вулканических почв. Последние содержат более высокие концентрации химических элементов. Химический состав свежевыпавших и преобразованных вулканических пеплов в сравнении с агрогенно преобразованными почвами приведен в таблице 1 в описании к [3].
Именно композиции микроэлементов, имеющиеся в нашем случае в вулканических пеплах, оказывают в первую очередь каталитическое действие на питательный режим растений, обеспечивающее полученный положительный эффект при внесении в почвы вулканических пеплов. Вулканические пеплы являются катализатором действия питательных веществ, и использовать их с максимальной эффективностью нужно в сочетании с минеральными удобрениями, снижая дозы последних.
Авторы технического решения [3] отказались от применения органических добавок и добились желаемого результата за счет рационального использования химического состава исходного материала в сочетании с минеральными удобрениями. Несмотря на некоторую необычность этого материала, данная разработка была выбрана в качестве прототипа настоящего изобретения.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в том, чтобы найти такое сочетание химических свойств широко распространенных материалов, которые могут заменить вулканический пепел и другие экзотические продукты при проведении рекультивационных работ, а также разработать способ оптимального применение такого удобрения.
Техническое решение этой задачи обеспечивается за счет изготовления органоминеральной смеси, в основе которой лежит определенная доля сталеплавильного щебня фракции 0-5 мм, смешанная с осадком сточных вод, полученным в результате деятельности станций аэрации. При этом такая смесь будет обладать свойствами стимуляции роста растений и рекультивации почвы.
Проведенные лабораторные исследования показали, что вышеупомянутые отходы металлургического производства, добавленные в почву в определенных пропорциях, способствует быстрой рекультивации почвы, повышая всхожесть применяемым для этого растениям и, практически, не вносит в почву тяжелые металлы.
Как видно из результатов исследования, проведенных на базе Санкт-Петербургского горного университета (http://dornerud.ru/downloads/04-17%20otchet%20o%20rabote.pdf) [4], сталеплавильный щебень фракции 0-5 мм содержит те же базовые химические элементы, что и ранее упомянутый вулканический пепел, но в несколько иных пропорциях.
Однако, для повышения степени сходства с предлагаемой в [3] смесью пепла и минеральных удобрений, а также для удобства работы с тонкодисперсным щебнем необходимо было найти дополнительный связующий элемент из широко распространенных веществ. Авторы остановились на еще одном отходе, а именно, на твердом осадке сточных вод, полученных в результате деятельности станция аэрации, то есть еще одном широко распространенном отходе производства. При этом авторы использовали данные, опубликованные в ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Технические условия» [5].
Для доказательства правильности такого решения, были проведены в лабораторных условиях следующие эксперименты по выращиванию растений и возможности рекультивации почвы.
В качестве практического примера было произведено выращивание газонной травосмеси на модельных образцах, представленных почвой Липецкой области (ЛО); почвой Липецкой области и отсевом сталеплавильного щебня фракции 0-5 мм (ОСЩ); почвой Липецкой области и осадком сточных вод МУП «Липецкая станция аэрации» (ОСВ); почвой Липецкой области, осадком сточных вод МУП «Липецкая станция аэрации» и отсевом сталеплавильного щебня фракции 0-5 мм в различных массовых соотношениях (ОМС). А также была проведена оценка возможности их использования при проведении рекультивационных работ.
Исходя из расчетных данных допустимых доз внесения исследуемых материалов, были приготовлены модельные образцы и произведен посев газонной травосмеси FXA (семена газонной травосмеси FXA: 50% райграс пастбищный Кентаур, 50% райграс пастбищный Калибра). Посев семян производился в емкости размером 80×190×200 мм. Норма высева семян райграса пастбищного в качестве травосмеси для газонов составляет 60 кг/га (0,091 г/152 см2).
Райграс пастбищный хорошо приспособлен к условиям влажного умеренного климата и относится к растениям озимого среднеспелого типа развития. Появление всходов наблюдается на 5-13 сутки после посева. Главным преимуществом этой травы является ее способность образовывать густой травостой уже спустя месяц после посева. После скашивания растение быстро и равномерно отрастает, сохраняя при этом декоративный вид.
Кроме этого райграс имеет мощную разветвленную корневую систему, которая проникает глубоко в почву, скрепляя ее и удерживая грунт на небольшом уклоне. Эти свойства описаны в публикации Полевой, В.В. Физиология роста и развития растений / В.В. Полевой, Т.С. Саламатова. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1991 [6].
Кроме этого, существенное значение для направленности почвенных процессов и уровня почвенного плодородия имеет кислотность почвы (рН). Почвы со значением рН солевой вытяжки, равной 6,5-7,5 ед. рН, являются оптимальными для роста и развития растений.
Почва ЛО, использованная в качестве контрольного образца, имела рН солевой вытяжки, равный 6,6 ед. рН. Также на протяжении вегетационного периода травосмеси производился ежемесячный контроль кислотности почвы модельных образцов.
Общая аэральная часть биомассы, полученная за один вегетационный период травосмеси FXA, показала, что по полученным данным аэральной части биомассы выращенной травосмеси FXA можно судить об ее уменьшении на 7,5% в модельном образце «почва ЛО + ОСЩ» относительно контрольного образца сравнения и наличии фактора угнетения растений.
Исходя из наблюдаемого прироста аэральной части биомассы на 3,9-30,2% относительно контрольного образца, можно судить о положительном эффекте, достигаемом при совместном добавлении ОСВ и ОСЩ в почву ЛО.
Из анализа данных о высоте листьев, видно, что темп роста растений травосмеси FXA, высаженной на модельных образцах практически одинаков.
Стоит отметить, что наибольшую высоту листьев относительно контрольного образца имели растения, высаженные на модельных образцах «почва ЛО + ОМС». Это связано с поступлением одновременно дополнительных органических и минеральных веществ с ОСВ и ОСЩ.
При поступлении дополнительных веществ только с ОСЩ в модельном образце «почва ЛО+ОСЩ» наблюдалось увядание растений,
и, как следствие, в результате была получена наименьшая доля аэральной части биомассы и наименьший прирост листьев растений относительно контрольного образца.
При поступлении дополнительных веществ только с ОСВ наблюдался одинаковый темп роста растений модельного образца «почва ЛО + ОСВ» и контрольного образца сравнения, и в результате был получен одинаковый прирост листьев.
Сопоставив полученные данные роста растений, можно сделать вывод, что отклонений от контрольного образца сравнения (почва ЛО), превышающих 20%, не наблюдалось ни в одном модельном образце, что говорит об отсутствии токсичного воздействия ОСВ, ОСЩ или ОМС на развитие газонной травосмеси, состоящей из райграса пастбищного.
Кроме этого, стоит отметить, что на протяжении вегетационного периода таких заболеваний, как хлороза и некроза у растений не наблюдалось.
На протяжении всего вегетационного периода травосмеси FXA ежемесячно проводился контроль кислотности почвы модельных образцов.
3
Определение рН солевой вытяжки модельных образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 26483-85 «Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО» [7]. Сущность метода заключалась в извлечении обменных катионов, нитратов и подвижной серы из почвы раствором хлористого калия концентрацией 1 моль/дм (1 н.) и потенциометрическом определении рН.
3
Отобранные пробы модельных образцов доводились до воздушно-сухого состояния. После чего готовились солевые вытяжки: к навеске модельного образца массой 4 г добавлялся экстрагирующий раствор (раствор хлористого калия концентрацией 1 н.) объемом 100 см и в течение 3 минут производилось перемешивание полученной суспензии. Определение рН солевой вытяжки модельных образцов проводилось с использованием титратора потенциометрического АТП-02 с функцией рН-метра
Анализ растений, выращенных с применением ОСВ, ОСЩ и ОМС, выявил отклонения в содержании меди, никеля и цинка по отношению к контрольному образцу.
Так, использование в качестве рекультиванта ОСЩ приводит к увеличению содержания меди в растениях в 2 раза, никеля в 1,1 раза, цинка в 1,3 раза относительно контрольного образца. В результате использования в качестве рекультиванта ОСВ происходит увеличение меди в 1,3 раза, содержание никеля и цинка остается на уровне контрольного образца сравнения.
При использовании в качестве рекультиванта ОМС с различными массовыми соотношениями ОСВ и ОСЩ наблюдается минимальное увеличение содержания металлов относительно контрольного образца в растениях выращенных на модельном образце «почва ЛО + ОМС (ОСВ : ОСЩ=3:1)»: в 1,6 раз по меди и 1,8 раз по цинку, по никелю содержание находится на уровне контрольного образца сравнения.
Вследствие того, что исследуемые модельные образцы планируется использовать в качестве удобрений II группы, то сравнение содержания аккумулированных металлов в растениях производится с предельно-допустимыми (ориентировочно-допустимыми) концентрациями (ПДКП (ОДКП)) металлов в почве.
Несмотря на то, что содержания металлов в выращенных растениях на модельных образцах «почва ЛО + ОСВ», «почва ЛО + ОСЩ», «почва ЛО + ОМС (ОСВ : ОСЩ=1:3)», «почва ЛО + ОМС (ОСВ : ОСЩ=1:1)», «почва ЛО + ОМС (ОСВ : ОСЩ=3:1)» выше значений контрольного образца, ОДКП по этим элементам в почве не превышена. Следовательно, можно судить об отсутствии токсического воздействия тяжелых металлов на растения за один вегетационный период.
Анализ использования различных образцов в качестве органоминеральных удобрений показал положительное влияние на первоначальный рост и дальнейшее развитие газонной травосмеси относительно контрольного образца.
Полученные данные прироста аэральной части биомассы и высоты листьев растений говорят о положительном эффекте при выращивании газонной травосмеси в результате добавления осадков сточных вод МУП «Липецкая станция аэрации» и отсева сталеплавильного щебня фракции 0-5 мм в почву Липецкой области.
По окончании вегетационного периода газонной травосмеси было определено содержание накопленных металлов в выращенных растениях методом атомно-эмиссионной спектрометрии. Количество металлов в листьях растений не превышает их ОДК в почве.
Сопоставив полученные данные по всхожести семян растений, прироста аэральной части биомассы, высоты листьев, а также содержания аккумулированных металлов, можно сделать вывод, что наиболее благоприятными условиями для развития растений является использование в качестве рекультиванта органоминеральной смеси с массовым соотношением осадков сточных вод МУП «Липецкая станция аэрации» и отсева сталеплавильного щебня фракции 0-5 мм, равным 3:1.
Кроме этого, стоит отметить, что в результате привнесения органоминеральных добавок изменяется уровень кислотности почвы. Поэтому особое внимание при выборе травосмеси, используемой в посеве на рекультивированных территориях, необходимо уделить ее устойчивости к изменению кислотности среды.
Контроль прироста аэральной части биомассы растений. О происходящих в растениях процессах роста может свидетельствовать ряд признаков, к которым относятся увеличение массы растений и их частей, числа клеток, линейных размеров (длины, высоты, толщины, диаметра). В отдельности каждый из этих признаков не всегда достоверно указывает на наличие в растениях процессов роста. Полное представление о росте возможно получить при одновременном учете нескольких показателей.
На четвертые сутки после посева газонной травосмеси FXA наблюдался всход семян, при этом лабораторная всхожесть семян в контрольном образце составила 81%, всхожесть в остальных образцах на 2-6% выше, что обусловлено привнесением в почву дополнительных веществ.
При использовании отходов промышленности и коммунального хозяйства в качестве удобрения почв сельскохозяйственных угодий необходимо осуществлять систематический контроль за загрязнением почв и продукции растениеводства тяжелыми металлами.
Исследования по определению содержания аккумулированных металлов в выращенных растениях за один вегетационный период проводились в соответствии с Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства (издание 2-е, переработанное и дополненное) [8].
В конце вегетационного периода травосмеси FXA аэральная часть травяного покрова срезалась и высушивалась до воздушно-сухого состояния в хорошо проветриваемом помещении
Полученные золы смачивались несколькими каплями бидистиллированной воды, затем к ним добавлялось по 10 см3 азотной кислоты, разбавленной 1:1, растворы доводились до кипения и выдерживались в течение 30 минут. После чего содержимое тиглей фильтровалось через бумагу «белая лента» в мерные колбы объемом 50 см3, и раствор доводился до метки бидистиллированной водой.
Полученные данные прироста аэральной части биомассы и высоты листьев растений говорят о положительном эффекте при выращивании газонной травосмеси в результате добавления осадков сточных вод МУП «Липецкая станция аэрации» и отсева сталеплавильного щебня фракции 0-5 мм в почву Липецкой области.
Сопоставив полученные данные по всхожести семян растений, прироста аэральной части биомассы, высоты листьев, а также содержания аккумулированных металлов, можно сделан, вывод, что наиболее благоприятными условиями для развития растений является использование в качестве рекультиванта органоминеральной смеси с массовым соотношением осадков сточных вод и отсева сталеплавильного щебня фракции 0-5 мм, равным 3:1.
Практическим применением такого рекультиванта предполагаются работы по реанимации придорожных зон, площадей, на которых было завершено гражданское и промышленное строительство, а также озеленение городов и поселков.
ССЫЛКИ
1. Патент RU 2637126
2. Патент RU 2625957
3. Патент RU 2637319
4. Отчет о исследовательской работе «Разработка рецептуры приготовления органоминеральной смеси на основе отсева сталеплавильного щебня и осадка сточных вод», части 1 и 2, 2017 год. (http://dornerad.ru/downloads/04-17%20otchet%20o%20rabote.pdf).
5. ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Технические условия»
6. Полевой, В.В. Физиология роста и развития растений / В.В. Полевой, Т.С. Саламатова. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1991.
7. ГОСТ 26483-85 «Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО».
8. Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства (издание 2-е, переработанное и дополненное).