Введение 3
Глава 1. Теоретический анализ производства минеральных удобрений 8
1.1 Минеральное питание растений 8
1.2 Минеральные удобрения 14
1.3 Сырье для производства минеральных удобрений 21
1.4 Нетрадиционное сырье, применяемое в качестве добавок при
производстве удобрений 22
Вывод по 1 главе 25
Глава 2. Применение ила с очистных сооружений в качестве композиционной добавки при производстве удобрений 27
2.1 Теоретические основы проблемы накопления илового осадка
сточных вод 27
2.2 Исследование ила с очистных сооружений «Копань» Северного
промышленного узла города Тольятти 37
2.3 Использование ила с очистных сооружений в качестве
композиционной добавки при производстве удобрений 46
Вывод по 2 главе 47
Глава 3. Постановка эксперимента по разработке удобрений пролонгированного действия 49
3.1 Теоретические основы синтеза карбамидоформальдегидных смол
с использованием карбамидоформальдегидного концентрата марки КФК-85 49
3.2 Технологические приемы синтеза наполненных удобрений 58
пролонгированного действия
Вывод по 3 главе 62
Заключение 63
Список использованных источников
Для полного жизнеобеспечения продуктами питания при их оптимальной сбалансированности на каждого жителя страны необходимо производить примерно 1 тонну зерна. Данный показатель в России в 2016 г составил 0,8 тонн в пересчете на человека (было собрано около 120 миллионов тонн зерна с площади 130 миллионов гектар). Несмотря на то, что по валовому производству зерновых культур Российская Федерация входит в десятку самых хлебных держав мира, средняя урожайность относительно низка и в 2016 г. составила 26 центнеров с гектара, в то время как в Нидерландах этот показатель составляет 90 центнеров с гектара, в Германии 75 центнеров с гектара, в Китае 50 центнеров с гектара).
Высокая урожайность в первую очередь достигается благодаря применению высоких доз минеральных удобрений. В странах Евросоюза этот показатель составляет около 120 кг на 1 га, в то время как в России всего 40-50 кг на га или в пересчете на питательные вещества, такие как азот, фосфор и калий (NPK), - всего 15-20 килограмм на га. В СССР этот показатель достиг максимума в 1988 году и составил 300 кг на га [29, 48, 49].
Общеизвестный факт, что для роста и развития всех растений требуется целый комплекс различных питательных элементов в усвояемой форме и наиболее важными из них являются азот (N), фосфор (P2O5), калий (K2O). Полностью восполнить недостающие питательные элементы может только применение различных органических и минеральных удобрений [6].
К минеральным удобрениям - относятся соединения, в основном - соли, которые содержат элементы для питания растений и способствующие увеличению урожайности различных культур. Наличие в почве минерального питания сильно влияет на развитие растений и при отсутствии или недостатке элементов питания рост растений резко снижается, размер листьев и стеблей становится мелким и тонкими, уменьшается способность к формированию и развитию зерен и плодов [35].
Качество и объем урожая зависят не только от вида элементов питательных веществ, но и других различных показателей (их количество, способности к растворению и т.д.), не менее важным показателем является также и качественный состав почвы, к таким показателям можно отнести кислотность, гранулометрический состав, содержание глинистых минералов, способность удерживать влагу и множество других. [32].
Основную долю вносимых удобрений составляют азотные удобрения 50% (фосфорные и калийные - по 25-30 %) [50].
Проблема промышленного изготовления различных минеральных удобрений на сегодняшний день заключается в том, что большая часть существующих технологий ориентированы на применение высококачественного минерального сырья, кроме того, они достаточно сложны, требуют большого количества затрат на ресурсы и энергию при производстве, требуют использования дорогих реагентов. Среди основных проблем, возникающих при использовании минеральных удобрений, являются следующие: азотные удобрения из-за физиологической кислотности подкисляют почву (50 % пахотных площадей страны - закисленные); фосфорные (а также и азотные) приводят к эвтрофикации водоемов, хлорные калийные удобрения существенно снижают качество урожая, несмотря на то, что происходит увеличение урожайности.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что необходимо продолжать исследования физико-химических закономерностей технологии получения минеральных удобрений с улучшенными показателями на основе нетрадиционного низкокачественного минерального сырья с использованием отходов различных производств.
Актуальность исследований в области производства минеральных удобрений заключается в том, что на фоне непрерывного истощения источников высококачественного минерального сырья необходимо осуществлять поиск инновационных технологий получения комплексных минеральных удобрений с оптимальным соотношением NPK и улучшенными физико-химическими свойствами с применением нетрадиционного природного сырья и отходов различных производств.
Одним из основных аспектов при разработке удобрений является - экологичность. И с этой точки зрения удобрения не могут оказывать негативнеого воздействия на окружающую среду.
Проблематика разрабатываемых технологий производства новых удобрений обусловлена тем, что процессы переработки низкокачественных образцов сырья на конечные удобрения даже по существующим технологиям усложняются в значительной степени в связи с присутствием в сырье большого количества разнообразных примесей, каждая из которых может влиять как на технологию, так и на свойства конечного продукта (даже при получении удовлетворительных по физико-химическим свойствам удобрений в процессе использования их при возделывании сельскохозяйственных культур остаточные примеси могут оказать существенное отрицательное воздействие как на урожай, так и на качество производимой продукции).
В связи с этим, совокупность нерешенных проблем в области получения однокомпонентных и комплексных минеральных удобрений на основе низкокачественного природного сырья с использованием различных промышленных отходов послужила основой для определения цели и постановки задач исследования.
Цель работы: разработка комплексного минерального удобрения пролонгированного действия с использованием в качестве добавки осадочные породы (иловые отложения) с очистных сооружений Северного промышленного узла городского округа Тольятти, а также оценка его агрохимической эффективности в вегетационных опытах.
Для достижения указанной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
1. Обосновать выбор илового осадка в качестве нетрадиционного сырья для использования в качестве компонента при изготовлении новых пролонгированных комплексных минеральных удобрений с улучшенными физико-химическими свойствами;
2. Разработать физико-химические основы переработки основных промышленных азотных удобрений, таких как карбамид, аммиачная селитра и их смеси на пролонгированные азотные - карбамидоформальдегидные удобрения и комплексные удобрения;
3. Оценить влияние разрабатываемых удобрений на развитие растений в вегетационных опытах на различных типах почв с целью изучения скорости их растворения, одновременно оценивая качество урожая, а также определить экономическую эффективность разрабатываемых удобрений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан новый подход к получению пролонгированных комплексных минеральных удобрений, базирующийся на затворении быстрорастворимых азотных удобрений;
2. Установлены основные параметры, оказывающие влияние на скорость растворения пролонгированных азотных и комплексных азотсодержащих удобрений.: соотношение компонентов [Карбамид (Кмд): Карбамидо-формальдегидный концентрат (КФК): Сульфат-аммония (СА); Кмд: КФК: СА: Аммофоск (Ам) и др.].;
3. Впервые изучено влияние новых видов предлагаемых удобрений на развитие и рост растений;
4. Изучен новый способ переработки иловых осадков с очистных сооружений.
Практическая значимость и результаты испытаний.
- реализован новый универсальный способ получения пролонгированных комплексных минеральных удобрений с помощью затворения быстрорастворимых азотосодержащих удобрений карбамидо - формальдегидным концентратом, который в свою очередь, является регулятором скорости растворения гранул и данный подход позволил получить пролонгированную, гранулированную композицию;
- разработан новый способ переработки иловых отложений с очистных сооружений.
Предлагаемые технологии позволят расширить ассортимент сырья для получения новых минеральных удобрений за счет вовлечения в переработку нетрадиционного сырья - ила с очистных сооружений. Изготовление и применение в перспективе новых удобрений с улучшенными физико-химическими свойствами позволит уменьшить загрязнение окружающей среды, по таким показателям как окисление почв, эвтрофикация водоемов и т.д.
Достоверность экспериментальных данных обеспечена использованием современного лабораторного оборудования и физико-химических методов исследований в соответствующих специализированных сертифицированных лабораториях. Результаты проведенных экспериментов не противоречат результатам других исследователей.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обоснование инновационного подхода для производства пролонгированных многокомпонентных комплексных минеральных удобрений, основывающегося на затворении быстрорастворимых азотных удобрений, компонентами которого являются также элементами питания растений;
2. Обоснование параметров, регулирующих скорость растворения пролонгированных азотных и комплексных азотсодержащих удобрений;
3. Обоснование основных показателей качества вышеперечисленных удобрений и критические значения соотношений, обеспечивающие получение удобрений с улучшенными физико-химическими свойствами;
4. Обоснование нового способа переработки таких отходов, как ил с очистных сооружений некоторых производств и городских очистных сооружений, с получением азотных удобрений пролонгированного действия.
В ходе диссертационного исследования был произведен анализ существующих на сегодняшний день способов получения азотных удобрений. Результат анализа показал, что, несмотря на все положительные эффекты от их внесения в почву существует большое количество проблем, связанных с их применением. К ним можно отнести высокую растворимость, закисление почвы и другие негативные последствия, требующие современных подходов при решении этих проблем.
В данной работе изучена проблематика накопления осадков сточных вод, рассмотрены существующие способы переработки иловых отложений очистных сооружений, предложены варианты переработки осадков сточных вод в качестве композиционной добавки при производстве удобрений.
В ходе проведения экспериментальной части опытным путем было установлено количественное содержание вредных примесей и тяжелых металлов в осадке сточных вод с очистных сооружений «Копань» Северного промышленного узла города Тольятти. По полученным данным сделан вывод, что он может быть использован в качестве компонента композиции при изготовлении различного вида удобрений, применяемых под посадки лесохозяйственных культур, расположенных вдоль автомагистралей, в питомниках по выращиванию декоративных и лесных культур, в разведении цветов, а также для рекультивации истощенных почв, окультуривании нарушенных земель и откосов вдоль автомобильных магистралей, при осуществлении рекультивации свалок ТБО. В ходе проведения опытной части обнаружено, что в иле содержится до 50% карбонатов, таким образом, исследуемый ил может выступать и в качестве раскислителя и в качестве органического минерального удобрения. Добавка минеральных удобрений усиливает питательные свойства ила.
Был выполнены обширные исследования по разработке азотных комплексных удобрений пролонгированного типа. В результате проведенных экспериментов получено шесть новых видов удобрений пролонгированного типа, включающих в себя не только распространенные формы связанного азота, но и другие не менее важные для роста растений элементы, такие как: фосфор, калий и магний.
Для оценки синтезируемых комплексных удобрений впервые в отечественной научной литературе введен критерий пролонгации.
Опытным путем доказан положительный эффект пролонгации разработанных удобрений. Был сделан вывод, что в зависимости от состава получаемого удобрения эффект пролонгации варьирует в широких пределах. Это очень важно при подборе питательных веществ для сельскохозяйственных зерновых и овощных культур.
Поставлен ряд опытов, по апробации на тест-объекте Кресс-салате полученных азотных удобрений пролонгированного типа. В ходе постановки опыта, столкнулись с необходимостью более детального выбора сельскохозяйственных культур для проведения экспериментальной части и получения достоверных результатов. Так же существует необходимость в расчете дозировки, выбора способа внесения и концентрации полученных удобрений. Выполнение данных задач требует фундаментального исследования на различных культурах.
На настоящий момент достигнуты договоренности с работниками Государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения Самарской области «Безенчукский аграрный техникум» о продолжении работы по изучению и исследованию разработанных удобрений, о проведении апробации его в качестве удобрений на посевных культурах.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
