CC BY
19
УДК 631.4
DOI: 10.24412/1728-323X-2020-6-100-105
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕФЕЛИНОВОГО ШЛАМА ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА НАСЫЩЕННОСТЬ ПОГЛОЩАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА ПОЧВЫ КАЛЬЦИЕМ
И. И. Шепелев, доктор техн. наук, профессор кафедры «Экологии и природопользования» Красноярского государственного аграрного университета, Ekoing@mail.ru, Красноярск, Россия,
Е. Н. Еськова, канд. биол. наук, доцент кафедры «Экологии и природопользования» Красноярского государственного аграрного университета, nikeskov@mail.ru, Красноярск, Россия,
С. О. Потапова, аспирант кафедры «Экологии и природопользования» Красноярского государственного аграрного университета, sveta_p@kgau.ru, Красноярск, Россия, И. С. Стыглиц, аспирант кафедры «Экологии и природопользования» Красноярского государственного аграрного университета, Styglic@mail.ru, Красноярск, Россия
В данной работе с применением физико-химических методов анализа и электронной микроскопии определен минералогический состав отходов глиноземного производства и исследовано их влияние на насыщенность поглощающего комплекса почвы каль-цийсодержащими соединениями. Результаты проведенного анализа показали, что содержание оксида кальция в нефелиновом шламе достигает 55 % и рН имеет высокую щелочную среду. Подтверждена возможность нефелинового шлама для использования в качестве мелиоранта серых лесных почв из западных районов Красноярского края. Показано, что обработка почвы нефелиновым шламом глиноземного производства приводит к увеличению энергии прорастания ярового ячменя сорта Биом на 90 % и всхожести его семян на 88 %.
In this work with application of physical and chemical methods of the analysis and electronic microscopy, the mineralogical structure of the waste of aluminous production is defined and their influence on saturation of the absorbing soil complex is investigated by calcium-containing compounds. The results of the carried-out analysis showed that the calcium oxide content in nepheline slime reaches 55 % and рН has the high alkaline environment. The possibility of nepheline slime for the use as an ameliorant of gray forest soils from the western areas of Krasnoyarsk Krai is confirmed. It is shown that processing of the soil nepheline slime of aluminous production leads to the increase in energy of germination of summer barley of the Biome variety for 90 % and viabilities of its seeds for 88 %.
Ключевые слова: нефелиновый шлам, минералогический состав, кальцийсодержащие отходы, мелиорант, кислые почвы.
Keywords: nepheline slime, mineralogical structure, calcium containing waste, deoxidant, acidic soil.
Введение. Главная задача сельскохозяйственного производства — получение достаточно высокого урожая хорошего качества при сохранении и приумножении плодородия почв. Наибольшее значение для плодородия почв имеет кислотность почвенного раствора. В результате выпадений кислотных дождей происходит подкисление почвы. Об этом свидетельствуют и результаты агрохимических обследований, проведенных в разные годы прошлого столетия [1]. Площади кислых почв пашни в Сибирском регионе за этот период возросли на 10,7 % и составляют в настоящее время 33,5 % или 550 тыс. га, т. е. каждый третий гектар пашни имеет кислую реакцию почвенной среды и требующие проведения химической мелиорации-известкования [2].
Прием известкования известен человечеству давно, однако применение извести в целях повышения урожаев различных культур стало приводиться с прошлого столетия [3—5]. Получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур на кислых дерново-подзолистых почвах достичь практически невозможно без их предварительного известкования и применения органических и минеральных удобрений. Внесение только минеральных удобрений на кислых почвах без дополнительного внесения кальцийсодержащих соединений приводит к диспергации почвы, повышения его плотности, количественного уменьшения водостойких агрегатов размером 5—3 мм и в некоторой степени усиливает разрушение структуры грунта. Известь и минеральные удобрения являются чрезвычайно сильными средствами воздействия на все фазы почвы. В результате известкования и применения минеральных удобрений изменяются: кислотно-основное равновесие, физические, химические и биологические свойства почвы. Изменение режима питания растений приводит к изменению качества продукции, степени поражаемости растений вредителями и болезнями, изменяются источники почвенной кислотности и источники миграции различных веществ в почвах,
в том числе оснований. Недостаток кальция снижает устойчивость растений к неблагоприятным погодным условиям и вредным химическим веществам. Поэтому в настоящее время проводятся исследования по расширению ассортимента и поиску новых известковых удобрений, снижению их стоимости за счет использования нетрадиционных химических мелиорантов, которые могут существенно увеличить объемы применения средств химизации для повышения плодородия почв. В нашей стране объемы ежегодно поступающих в отвалы нетрадиционных химических мелиорантов превышают 20 млн т. При разработке технологии получения мелиорантов необходимо учитывать, что на глиноземных заводах имеется ряд не токсичных техногенных материалов, которые можно рассматривать в качестве мелиорантов для нейтрализации кислых почв. Но при этом считалось необходимым изучить влияние этих отходов на посевные свойства, всхожесть и продуктивность растений на пробах серых лесных почв в отдельных регионах Красноярского края.
Объекты и методы исследования. В Красноярском крае расположен Ачинский глиноземный комбинат, на котором ежегодно образуется огромное количество кальцийсодержащих отходов. По существующей в АО «РУСАЛ Ачинск» технологии отвальный нефелиновый шлам текущего производства в виде пульпы при соотношении твердое: жидкость, Т: Ж = 1:3, перекачивается по шламопроводам на карты шламохранилища, где происходит его отделение от водной фазы с последующим размещением его на карте № 3 шламового поля (так как шламовые карты № 1 и № 2 в настоящее время заполнены и ведется их консервация). В настоящее время из общего количества нефелинового шлама текущего производства всего лишь около 300 тыс. т используется комбинатом для выпуска портландцемента, остальной шлам — свыше 6,5 млн т в г од — поступает в шла-мохранилище [6].
Нейтрализующие свойства нефелинового шлама в качестве мелиоранта кислых почв были проверены на пробе кислых почв. Проба лесных серых почв была отобрана на поле Большеулуй-ского района Красноярского края, которая имела рН 4,5—4,7 ед. Отбор проб почвогрунтов осуществлялся согласно ГОСТ 17.4.301—83 по методу «конверта» (объединенные пробы, состоящие из пяти точечных проб с площади 5 х 5 м) с глубины 0—20 см. После подготовки свежая почва использовалась для фитотестирования и испытаний на химико-токсикологические и агрохимические показатели. В качестве объекта исследования был выбран яровой ячмень сорта Биом, который использован в качестве тест-культуры, при
проведении фитотестирования. Всхожесть и энергию прорастания семян определяли по общепринятым методикам [7, 8]. Энергию прорастания у ярового ячменя сорта Биом определяли на третьи и всхожесть на пятые сутки. Контролем служили семена, проросшие на почве контрольного участка без внесения в него нефелинового шлама.
Результаты и обсуждение. Проведенные электронно-микроскопические исследования [9] показали, что нефелиновый шлам представлен в основном пористыми частицами ларнита (двухкаль-циевого силиката) размером от 300 до 500 мкм (рис. 1). В порах обнаружены также включения соды.
Данными рентгенофазового анализа подтверждено наличие в нефелиновом шламе, кроме основной фазы ларнита (р-Са2$Ю4, й = 2,78; 2,74; 2,19 А, 1СРББ, 24—37), небольшие примеси ран-кинита (Са^1207, й = 5,48; 3,82; 3,04 А, 1СРББ, 24—37) (рис. 2). Отмечено также присутствие слабых линий соды (термонатрит, Ка2С03хИ20, й = 5,29; 4,12; 2,44 А, ЖРББ, 8—448) и карбонатов кальция (кальцит, СаС03, й = 3,04; 3,86; 1,912 А, ЖРББ, 47—1743).
Для вторичного использования, в том числе для нужд сельского хозяйства, нефелиновый шлам подвергают буртованию и предварительной сушке на воздухе до влажности 25 %. Подготовленную таким образом пробу нефелинового шлама отбирали для лабораторных исследований и использовали ее в качестве химического раскис-лителя.
Вторую пробу для повышения раскисляющей способности мелиоранта, приготовленного из нефелинового шлама, дополнительно подвергали измельчению в шаровой мельнице. Измельчение проводили в лабораторной шаровой мельнице МЛБ в периодическом режиме. Мелющие тела — сталь, диаметр — 1—3 см. Шаровая нагрузка — 40 кг. Загрузка минерального материала — 50 кг. Длительность измельчения составляла 30 минут, которая обеспечивала тонкость помола нефелинового шлама в шаровой мельнице до крупности слива 55—60 % класса — 0,074 мм. Измельченную пробу нефелинового шлама использовали в качестве мелиоранта для нейтрализации кислых почв. Анализ полученных экспериментальных данных (рис. 3) показал, что раскисляющая способность у мелиорантаиз измельченного нефелинового шлама значительно выше и его для нейтрализации кислой среды почвы требуется вводить значительно меньше, чем мелиоранта, приготовленного из отвального нефелинового шлама текущего производства АО «РУСАЛ Ачинск». Мелиорант из измельченного нефелинового шлама обеспечивает ему более высокую раскисляющую
способность и позволяет получить по сравнению с использованием неизмельченного шлама текущего производства повышение его эффективности в качестве мелиоранта за счет увеличения активной поверхности частиц нефелинового шлама и повышенной активности оксида кальция.
Анализ экспериментальных данных показывает, что ввод неизмельченного отвального нефе-
линового шлама в кислую почву в количестве до 10 кг/м2 не обеспечивает повышение рН солевой вытяжки кислой почвы до нейтральной среды и только ввод нефелинового шлама в количестве от 12 до 14 кг/м2 позволяет достичь нейтральной среды водной вытяжки почвы (рН = 7,0).
Применение дополнительно измельченного нефелинового шлама до крупности 55—60 %
Рис. 2. Фрагмент дифрактограммы нефелинового шлама
рН 9
/-2
10 15 20
Дозировка шлама, кг/м2
25
Рис. 3. Изменение рН почвы при вводе в нее нефелинового шлама: 1 — нефелиновый шлам текущего производства; 2 — нефелиновый шлам, измельченный до крупности 60 % класса — 0,074 мм
Рис. 4. Влияние обработки почвы нефелиновым шламом на длину ростков ярового ячменя сорта Биом: К — контрольный участок; 1 — почва с добавкой нефелинового шлама текущего производства (дозировка 12 кг/м2); 2 — почва с добавкой нефелинового шлам, измельченного до крупности 60 % класса — 0,074 мм (дозировка 5 кг/м2)
класса — 0,074 мм для раскисления пробы кислой серой лесной почвы с рН 4,5—4,7 позволяет снизить расход необходимой дозы мелиоранта до 4,5—5,5 кг/м2 за счет увеличения его раскисляющей способности. Применение измельченного нефелинового шлама с тонкостью помола до крупности менее 55 % класса — 0,074 мм позволяет достичь нейтральной среды солевой вытяжки почвы, но при этом расход измельченного мелиоранта возрастает до 6,2 кг/м2. Использование нефелинового шлама, измельченного до крупности слива более 60 % класса — 0,074 мм, хотя и обеспечивает повышение раскисляющей способности мелиоранта, но при этом требует большего времени на измельчение, что увеличивает энергетические затраты на его приготовление.
Дополнительная операция измельчения нефелинового шлама способствует более эффективному применению мелиоранта для раскисления серых лесных почв. В процессе измельчения
нефелинового шлама обеспечивается вскрытие минеральных частиц и агрегатов, входящих в его состав, и появление активных форм кальцийсо-держащих минералов и разложение алюминатов натрия и калия, что приводит к более эффективной раскисляющей способности мелиоранта, приготовленного из нефелинового шлама глиноземного производства.
Исследования влияния нефелинового шлама на обработку кислой почвы проводили с пробой серой лесной почвы, отобранной на поле расположенном в 3 км от дер. Бобровка Большеулуйс-кого района Красноярского края. Данная проба была принята за контрольный образец. Учитывая, что ранее были определены оптимальные дозировки нефелинового шлама для текущего производства 12 кг/м2 и для измельченного шлама — 5 кг/м2 в последующих исследованиях они были фиксированными на этом уровне. Как показали исследования, наблюдается заметное увеличение энергии прорастания ячменя ярового после обработки нефелиновым шламом (табл. 1). Более высокие показатели получены с применением измельченного нефелинового шлама.
При обработке почвы нефелиновым шламом значение лабораторной всхожести увеличивается в среднем на 13,5 %, а в случае обработки измельченным нефелиновым шламом — на 15,5 % (табл. 1).
На рис. 4 приведены данные по влиянию обработки шламом почв на длину ростков ярового ячменя. Длина ростков исходного необработанного шламом образца составила 155,4 мм, в то время как при обработке шламом — 222,8 мм и измельченным шламом — 204,4 мм.
Как видно из рис. 5, длина корней ярового ячменя, полученного в необработанной почве контрольного участка, составила 78,3 мм, обработанного нефелиновым шламом текущего производ-
Таблица 1
Оценка влияния обработки почвы нефелиновым шламом на энергию прорастанию и лабораторную всхожесть ярового ячменя сорта Биом, %
Вариант опыта Энергия прорастания, % Лабораторная всхожесть, %
Почва (контрольный образец) Почва с добавкой шлама текущего производства Почва с добавкой измельченного шлама 62 ± 4,16 80,5 ± 4,03 89,5 ± 5,12 72 ± 5,0 85,5+6,02 87,5 + 4,85
0
5
ства — 123,9 мм, а обработанного измельченным нефелиновым шламом — 110,0 мм.
Как показано на рис. 6 и 7 обработка почв нефелиновым шламом повышает массу ростков и
к 1 2
Рис. 5. Влияние обработки почвы нефелиновым шламом на длину корней ярового ячменя сорта Биом: К — контрольный участок; 1 — почва с добавкой нефелинового шлама текущего производства (дозировка 12 кг/м2); 2 — почва с добавкой нефелинового шлам, измельченного до крупности 60 % класса — 0,074 мм (дозировка 5 гк/м2)
К 1 2
Рис. 6. Влияние обработки почвы нефелиновым шламом на массу ростков ярового ячменя сорта Биом: К — контрольный участок; 1 — почва с добавкой нефелинового шлама текущего производства (дозировка 12 кг/м2); 2 — почва с добавкой нефелинового шлам, измельченного до крупности 60 % класса — 0,074 мм (дозировка 5 кг/м2)
К 1 2
Рис. 7. Влияние обработки почвы нефелиновым шламом на массу корней ярового ячменя сорта Биом: К — контрольный участок; 1 — почва с добавкой нефелинового шлама текущего производства (дозировка 12 кг/м2); 2 — почва с добавкой нефелинового шлам, измельченного до крупности 60 % класса — 0,074 мм (дозировка 5 кг/м2)
корней ярового ячменя на 0,900 г для ростков и на 0,127 г для корней при обработке неизмель-ченным нефелиновым шламом текущего производства, на 0,019 г для ростков и на 0,147 г для корней при обработке измельченным нефелиновым шламом.
Заключение. Анализ полученных результатов проведенных исследований показал, что обработка почвы нефелиновым шламом глиноземного производства приводит к увеличению: энергии прорастания ярового ячменя сорта Биом на 90 %; всхожести его семян на 88 %; длины ростков на 43 % и корней на 58 %; массы ростков на 64 % и корней на 69 %. На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что нефелиновый шлам может быть использован в качестве м елиоранта — раскис лителя почв, ускорителя роста растений и источника ценных микроэлементов [10]. Более эффективным можно считать измельченный нефелиновый шлам за счет наличия активных форм кальцийсодержащих минералов и более эффективной его раскисляющей способности. Вместе с тем действие шлама текущего производства с экономической точки зрения можно считать более целесообразным, так как влияние измельченного нефелинового шлама на почву менее продолжительное по времени и требуется чаще его внесение в кислую почву.
Проведенные исследования показали, что нефелиновый шлам АО «РУСАЛ Ачинск» содержит в своем составе кальцийсодержащие соединения (более 54 % мас.) и имеет сильно щелочную среду (рН = 11,5—12,0), не содержит вредных токсичных соединений и может быть применен в качестве химического мелиоранта кислых почв. Предварительное лабораторное опробование нефелинового шлама подтвердило возможность его использования для раскисления серых лесных почв, взятых с одного из участка в Большеулуй-ском районе. При этом первоначальное рН почвы с этого участка находилось на уровне 4,6—4,8, после внесения нефелинового шлама значение рН увеличилось до 7,0—7,2. Учитывая, что данный мелиорант является техногенным материалом и образуется в шламовых накопителях в очень больших количествах, он может быть востребован для нейтрализации кислых почв на всей территории Сибирского региона. Применение мелиоранта кислых почв, приготовленного из отходов глиноземного производства АО «РУСАЛ Ачинск», позволит повысить плодородие почв и продуктивность сельскохозяйственных культур за счет поглощения катионами почвы кальцийсо-держащих отходов и устойчивого функционирования агроценоза.
Библиографический список
1. Танделов Ю. П. Эффективность минеральных удобрений и мелиорантов на кислых почвах Красноярского края // Химия в сельском хозяйстве. — 1997. — № 1. — С. 8—11.
2. Ермолаев С. А., Сычев В. Г. Агрохимическое и агроэкологическое состояние почв России // Плодородие. — 2001. — № 1. — С. 4—7.
3. Танделов Ю. П. Плодородие кислых почв земледельческой территории Красноярского края. — Красноярск, 2012. — 161 с.
4. Кузьмич М. А., Величко В. А. Промышленные отходы как известьсодержащие мелиоранты // Химия в сельском хозяйстве. — 1986. — № 5. — С. 14—19.
5. Бугаков П. С., Чупрова В. В. Агрономическая характеристика почв земледельческой зоны Красноярского края: учеб. пособие. — Красноярск: КрасГАУ, 1995. — 176 с.
6. Шепелев И. И., Стыглиц И. С., Еськова Е. Н., Жижаев А. М. Исследование химических и токсичных свойств нефелиновых шламов с целью их использования в сельском хозяйстве // Вестник КрасГАУ. — 2016. — № 2. — С. 13—18.
7. ГОСТ 12039—82. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения жизнеспособности. — М.: Стандарт-информ, 2011.
8. ГОСТ 12038—84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. — М.: Стандартинформ, 2011.
9. Шепелев И. И., Бочков Н. Н., Головных Н. В., Сахачев А. Ю. Химико-технологические особенности ресурсосберегающих процессов при утилизации твердых отходов металлургического производства // Изв. вузов. Химия и химическая технология. — 2015. — Т. 58, вып. 1. — С. 81—86.
10. Патент РФ 2630243. Способ получения мелиоранта кислых почв / И. И. Шепелев, Е. Н. Еськова, Н. И. Пыжикова, И. С. Стыглиц, П. А. Барсуков. — Заявл. 17.10.2016, опубл. 06.09.2017, бюл. № 25.
ASSESSMENT OF THE IMPACT OF NEPHELINE SLUDGE OF ALUMINA PRODUCTIONS ON THE SATURATION OF THE SOIL ABSORBING COMPLEX WITH CALCIUM
I. I. Shepelev, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Ecology and nature management department of Krasnoyarsk State Agrarian University, Ekoing@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia
E. N. Eskova, Ph.D. in Biology, Associate Professor the Ecology and nature management department of Krasnoyarsk State Agrarian University, nikeskov@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia
S.O. Potapova, post-graduate student of the Ecology and nature management department of Krasnoyarsk State Agrarian University, sveta_p@kgau.ru, Krasnoyarsk, Russia
I.S. Stiglitz, post-graduate student of the Ecology and nature management department of Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk, Russia
References
1. Tandelov Yu. P. Effektivnost mineralnyh udobrenij i meliorantov na kislyh pochvah Krasnoyarskogo kraya [Efficiency of mineral fertilizers and ameliorants on the sour soils of Krasnoyarsk Krai. Chemistry in agriculture]. 1997. No. 1. P. 8—11 [in Russian].
2. Ermolaev S. A., Sychev V. G. Agrohimicheskoe i agroekologicheskoe sostoyanie pochv Rossii [Agrochemical and agroeco-logical condition of soils of Russia. Fertility]. 2001. No. 1. Р. 4—7 [in Russian].
3. Tandelov Yu. P. Plodorodie kislyh pochv zemledelcheskoj territorii Krasnoyarskogo kraya [Fertility of the sour soils of the agricultural territory of Krasnoyarsk Krai]. Krasnoyarsk, 2012. 161 р. [in Russian].
4. Kuzmich M. A., Velichko V. A. Promyshlennye othody kak izvestsoderzhashiemelioranty [Industrial wastes as lime-containing emeliorant. Chemistry in agriculture]. 1986. No. 5. Р. 14—19 [in Russian].
5. Bugakov P. S., Chuprova V. V. Agronomicheskaya harakteristika pochv zemledelcheskoj zony Krasnoyarskogo kraya: ucheb.posobie [Agronomical characteristic of soils of an agricultural zone of Krasnoyarsk Krai: studies. grant.]. Krasnoyarsk, Krasnoyarsk State Agrarian University. 1995. 176 р. [in Russian].
6. Shepelev I. I., Styglitz I. S., Eskova E. N., Zhizhaev A. M. Issledovanie himicheskih i toksichnyh svojstv nefelinovyh shlamov s celyu ih ispolzovaniya v selskom hozyajstve [Study of chemical and toxic properties of nepheline slimes for the purpose of their use in agriculture. Bulletin of Krasnoyarsk State Agrarian University]. 2016. No. 2. Р. 13—18 [in Russian].
7. GOST 12039—82 — Semena selskohozyajstvennyh kultur. Metody opredeleniya zhiznesposobnosti [GOST 12039—82 — Seeds of crops. Methods of determination of viability]. Moscow, Standartinform. 2011 [in Russian].
8. GOST 12038—84. Semena selskohozyajstvennyh kultur. Metody opredeleniya vshozhesti [GOST 12038—84. Seeds of crops. Methods of determination of viability]. Moscow, Standartinform. 2011 [in Russian].
9. Shepelev I. I., Bochkov N. N., Golovnykh N. V., Sakhachev A. Yu. Himiko-tehnologicheskie osobennosti resursosberegay-ushih processov pri utilizacii tverdyh othodov metallurgicheskogo proizvodstva [Chemical and technological features of resource-saving processes at utilization of solid waste of metallurgical production]. Izvestia vuzov. Himiya i himicheskaya teh-nologiya. 2015. Vol. 58, No. 1. Р. 81—86 [in Russian].
10. Patent RF 2630243. Sposob polucheniya melioranta kislyh pochv [Patent RF 2630243. Way of receiving ameliorant of the sour soils]. I. I. Shepelev, E. N. Eskova, N. I. Pyzhikova, I. S. Styglitz, P. A. Barsukov. Zayavl. 17.10.2016, opubl. 06.09.2017, byul. № 25 [in Russian].
