СПОСОБ ОЧИСТКИ ДРЕНАЖНЫХ ВОД В ТЯЖЕЛЫХ МЕЛИОРИРУЕМЫХ ПОЧВАХ Российский патент 2003 года по МПК E02B11/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к способам очистки дренажных вод от питательных веществ, находящихся в грунтовых водах, которые попадают через дренажную сеть в открытые водоемы и водотоки.

Из обширного экспериментального материала известно, что только 40-60% вносимых азота, калия, фосфора удобрений усваивается растениями. Остальное количество или закрепляется в почве в недоступном для питания растений соединениях, или с грунтовыми водами попадает, в конечном итоге, в реки, ручьи, озера, вызывая там бурный рост водной растительности, микроорганизмов, цветение воды. Качество воды ухудшается, ее использование для различных нужд требует специальных методов очистки, причем питательные элементы бесполезно теряются, в то время, как стоимость минеральных удобрений достаточно высока.

Большинство работ в области гидромелиорации посвящено проблеме улучшения подвода воды к дренам и защите их от заиления (А.А. Богушевский, А.И. Голованов, В.А. Кутергин и др. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации. М.: Колос, 1981, с.252).

Известен биологический метод очистки дренажных вод от ионов азота, калия, фосфора, кальция, магния (Л.В. Кирейчева. Дренажные системы на орошаемых землях. М. - 1999, с.151), который заключается в подаче дренажных вод в специальный каскад водоемов, где происходит поглощение питательных элементов растениями и микроорганизмами. Недостатком данного метода очистки дренажных вод является высокая его стоимость из-за большой стоимости очистных сооружений и их эксплуатации.

Наиболее дешевым является сорбционный метод очистки дренажных вод (Л.В. Кирейчева. Дренажные системы на орошаемых землях. М. - 1999, с.152-153).

Известен способ очистки дренажных вод с помощью сорбекса (Л.В. Кирейчева. Дренажные системы на орошаемых землях, М., 1999, с.153-159).

В состав сорбекса входит сапропель - 65%, цеолит 25%, сульфат алюминия - 10%. Сорбекс в виде вставных фильтров устанавливают в устье дрен, в фильтрующие колодцы и траншеи. Известно, что с помощью сорбекса дренажные воды очищают от тяжелых металлов. Наши исследования по внесению сорбекса в почву на опытных делянках мелиорируемых почв показали отсутствие его эффективности при очистке дренажных вод от основных питательных элементов: азота, калия, фосфора, а также кальция, магния, и кроме того сорбекс - дорогостоящий сорбент, требуется создание специальной технологии изготовления этих фильтрующих элементов, а практическое использование в полевых условиях авторами не проводилось. В данном составе он не поглощает РК, а служит, по мнению авторов, для очистки воды в основном от тяжелых металлов, нефтепродуктов. Содержание тяжелых металлов в гидромелиорируемых почвах в большинстве случаев не превышает ПДК, а проблема состоит в очистке грунтовых вод от ионов РК.

Известно использование цеолита в качестве сорбента (Н.Ф. Челищев, Р.В. Челищева. Использование природных цеолитов. Вестник сельскохозяйственной науки, 1978, 2, с.126-131, прототип). Цеолит при внесении его в почву в измельченном состоянии длительное время удерживает в почве основные питательные элементы растений и тем самым повышает урожайность сельскохозяйственных культур (пат. РФ 2132122, кл. А 01 С 21/00, С 09 К 17/00, 1996), решая проблему очистки дренажных вод от питательных элементов на хорошо фильтруемых почвах. Но на тяжелых почвах с большим содержанием глины использование цеолита вместе с почвой или в виде прослоек малоэффективно, т.к. скорость фильтрации воды порядка нескольких см/сутки. Наличие растворимых РК в этой влаге второстепенно, основная проблема в слабофильтруемых грунтах - ускорить отвод воды из почвенной толщи путем различных способов и приемов (кротование, глубокое рыхление и т. д.). Кроме этого использование цеолита в качестве сорбента - недешевый способ очистки грунтовых вод с его применением, поскольку для качественного решения данной задачи требует большое количество цеолита - 250 т/га. С учетом того, что месторождения цеолита находятся, в основном, в Сибири, стоимость использования цеолита увеличивается из-за высокой стоимости его транспортировки, например, до полей Нечерноземной зоны.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в эффективном и дешевом способе очистки грунтовых вод от питательных элементов в дренированных тяжелых почвах. Поставленная в изобретении задача решена путем внесения в почву сорбента, в качестве которого в почву вносят смесь сапропеля с почвой, взятой с поля, где прокладывают дренажные траншеи, при соотношении компонентов 1:5, причем, смесь сапропеля с почвой вносят ниже отметки следа глубокого рыхления в виде сплошной ленты толщиной 20 см по трассе дрены на ширину дренажной траншеи, а глубокое рыхление осуществляют не параллельно к направлению дрен.

Высушенный и промороженный в отстойниках сапропель (способ его получения - путем намыва в отстойники) после фрезерования и погрузки в транспорт представляет собой сыпучий материал диаметром фракции до 3 мм, влажностью до 60%. Он с трудом намокает в воде даже в размолотом состоянии, поэтому его следует смешать с почвой, лучше пахотного горизонта (более богатой органикой), для заселения его почвенной микрофлорой и фауной. В контакте с почвой он становится активным сорбентом. Соотношение 1:5 было определено экспериментально для характерной глинистой почвы Тверской области. Собственно, сапропель издавна использовался как органическое удобрение. Его внесение в почву приводит к переходу РК почвы и самого сапропеля в растворимые формы, например, при соотношении 1:30, 1:10 (см. табл.3). При соотношении компонентов 1: 5 его сорбционные свойства превалируют над удобрительными, он служит поглотителем.

Для дерново-подзолистых почв Нечерноземья пахотный слой в большинстве случаев составляет 20 см, именно в этот слой вносятся удобрения, он обрабатывается и лучше оструктурен, богаче гумусом, чем нижележащие слои. Поэтому этот слой был выбран в качестве компонента смеси.

Засыпав смесь почвы и сапропеля в дренажную траншею, мы получаем сорбционную прослойку, через которую поток влаги будет фильтроваться к нижележащим дренам, попутно освобождаясь от растворенных ионов РК.

При глубоком рыхлении в глинистых грунтах основной поток влаги будет двигаться по следам рыхлителя перпендикулярно направлению осей дрен. Пересекая рыхлую дренажную засыпку дренажной траншеи следы рыхлителя подводят воду сверху к сорбционной прослойке и далее через нее к дрену.

Заявленный способ очистки дренажных вод в тяжелых мелиорируемых почвах иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показана схема засыпки дренажной траншеи; на фиг. 2 - схема взаимного расположения дренажной траншеи и направления глубокого рыхления.

Способ очистки дренажных вод включает в себя следующие операции:
- приготовленную смесь сапропеля с почвой при соотношении компонентов 1: 5 отсыпают на засыпку дренажной траншеи сплошным слоем в 20 см, причем, смесь сапропеля с почвой вносят ниже отметки следа глубокого рыхления по трассе дрены на ширину дренажной траншеи:
- окончательная засыпка траншеи грунтом;
- глубокое рыхление почвы перпендикулярно или под острым углом к направлению осей дрен (но не параллельно).

Способ осуществляется следующим образом.

Экраны можно создавать как в процессе укладки дренажных труб в траншеи, так и для уже действующей дренажной системы. В первом случае, после укладки дрен 1 на дно траншеи и засыпки 2 их рыхлым грунтом на 30-50 см, производят отсыпку смеси почвы+сапропеля 3 слоем до 20 см и окончательно засыпают траншею грунтом. Глубина расположения прослойки с сапропелем варьирует в зависимости от вида грунта, глубины закладки дрен и т.п. конкретных условий укладки дренажа. Во втором случае вскрывают дренажную засыпку на глубину 50 см, проводят засыпку смеси и до поверхности - почвой. После создания экрана осуществляют глубокое рыхление любым способом, но чтобы отметка дна следа рыхлителя 4 была на 5-10 см выше отметки экрана 3. Второе непременное условие: глубокое рыхление производится перпендикулярно или под острым углом к заложенным дренам, но не параллельно.

В мелиорируемых глинистых почвах миграции влаги к дренам происходит достаточно медленно с коэффициентами фильтрации порядка 0,01 м/сут. Поэтому кроме укладки дренажа проводят дополнительные мероприятия, чтобы ускорить приток влаги к дренам.

Основной поток влаги в предлагаемой схеме будет двигаться не через глинистый монолит, а по подошве следа рыхлителя к рыхлой дренажной засыпке и через нее, фильтрующую прослойку со смесью сапропеля и грунта в дрену.

Величина дренажного стока и количество растворимых солей в нем неодинаково в течение года. Нормативные данные (Нормативные данные по предельно допустимым уровням загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды. Справочный материал. Санкт-Петербург, 1994) по предельно допустимым уровням (ПДУ): для калия (катиона) 50 мг/л (60 мг К₂О/л), кальция 180 мг/л, нитрат-иона 40 мг/л, аммоний солевой 0,5 мг/л, для фосфора ПДУ нет.

Анализ дренажных вод для мелиорируемого массива, состоящего из 6 полей общей площадью 20 га показал, что превышение ПДУ имеет место весной, осенью и в дождливое лето. Это характерно для аммонийного и нитратного азота и т.п. Однако имеющееся даже небольшое количество питательных ионов в дренажных водах (ниже ПДУ) достаточно для возникновения обильной водной растительности (камыш, тростник и т.д.) в сбросных каналах, которые периодически приходится выкашивать.

Поглощающая способность слоя сапропель+почва, используемая в данной заявке, сохраняется до 5 лет при внесении минеральных удобрений ( РК)₉₀ ежегодно. В конце этого срока производят отбор дренажных вод с анализом на содержание РК. Если они превысят нормативы, то с помощью плуга с винтовым корпусом с глубиной пахоты до 50 см слой сорбента разрушается и с полным оборотом пласта оказывается на поверхности почвы. Обычными почвообрабатывающими машинами (плуги, бороны и т.п.) происходит подготовка поля для посева с/х культуры. Вдоль трассы дрен образует слои, обогащенные питательными элементами. Можно опять создать слой поглотителя на нужной глубине и т.д. При большом содержании РК в смеси почва+сапропель возможно сгребание этой смеси в кучи бульдозером с погрузкой в разбрасыватель органических удобрений РОУ-5 с последующим рассеиванием по полю.

Пример конкретного использования.

Для проверки способности создаваемых экранов из смеси почва+сапропель 5: 1 очищать грунтовые воды от питательных веществ из пахотного слоя почвы при вымывании их осадками ставили лизиметрические опыты в 3-х кратной повторности в полевых условиях. Лизиметры были размером 50•50 см, глубиной 40 см и врытые в землю так, чтобы поверхность земли совпадала с поверхностью почвы в лизиметрах. Пахотный слой толщиной 20 см, подпахотный - тоже 20 см. Минеральные удобрения и смесь почвы с сапропелем (5:1) вносили в пахотный слой. Лизиметрические воды анализировались стандартными химическими методиками. Доза известковых удобрений определялась по гидролитической кислотности.

В табл.1 приведена характеристика почвы, используемой в смеси с сапропелем.

В табл.2 - характеристика сапропеля из озера Заликовское Тверской области.

Внесение сапропеля приводит к созданию более прочной структуры почвы: модуль деформации возрастает почти в 2 раза (с 3,02 до 6,97 кг/см³ для дозы 480 т/га), предельное напряжение на границе уплотнения увеличивается также почти в 2 раза (с 0.084 кг/см³ до 0,134 кг/см³ для дозы 480 т/га). Дренажная засыпка оказывается более прочной, чем почва, что немаловажно для проходимости сельскохозяйственных машин и агрегатов.

Схема опыта следующая: 1-ый вариант - внесение в почву ( РК)₉₀ + СаСО₃ 1 Гк (контроль, фон); 2-ой вариант - фон+смесь сапропеля с почвой в отношении 1: 30 (8 кг сапропеля на 1 м² площади лизиметра); 3-й вариант - фон+смесь сапропеля с почвой 1: 10, 4-ый вариант - фон+смесь в отношении 1:5 (48 кг сапропеля на 1 м² площади поверхности лизиметра); 5-ый вариант - фон +0,5 см прослойка цеолита (отношение цеолит: почва 1:20). Для 5-го варианта такое отношение способствовало максимальному поглощению РК.

Качество очистки дренажных вод от элементов питания растений характеризуется количеством присутствующих в них элементов РК: NO₃, NH₄, K₂O, P₂O₅.

В табл.3 представлены средние данные за двухлетний период наблюдений по выносу питательных веществ из почвы при вышеуказанной схеме опыта и для сравнения с прослойкой цеолита 0,5 см. Данные по уменьшению или увеличению выноса элементов представлены в табл.3 в виде второй строки (числа со знаком ±) в каждой горизонтальной графе в % к контролю.

Наиболее существенное влияние на вынос элементов питания калия, фосфора и азота оказывало соотношение сапропеля к почве 1:5. Вынос калия снизился на 56%, азота на 52% и т.д. по отношению к контролю. Меньшие дозы сапропеля не оказывали влияния на уменьшение выноса элементов из почвы, и даже увеличивали его.

При 20 м расстоянии между дренами, шириной дренажной засыпки до 1,5 м на 1 га мелиорируемой пашни пойдет 36 т или 48 кг на 1м² площади засыпки.

При данной схеме использования смеси сапропеля и почвы 1:5 используется дешевое местное полезное ископаемое - сапропель, повсеместно встречаемое в Нечерноземной зоне. Эта смесь не хуже привозного цеолита (основные месторождения находятся на Украине и в Сибири) в процентном отношении уменьшает вынос питательных элементов из почвы, сохраняя ее плодородие. В итоге экономятся не только вносимые минеральные удобрения, но соблюдаются экологические требования к качеству воды, сбрасываемой в открытые водоемы и водотоки Нечерноземья. Предлагаемый способ расширяет возможности использования природных сорбентов в программе повышения плодородия почв.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к способам очистки дренажных вод от питательных веществ, находящихся в грунтовых водах. В качестве сорбента в почву вносится смесь сапропеля с почвой при соотношении компонентов 1:5 ниже отметки следа глубокого рыхления. Эта смесь вносится в виде сплошной ленты толщиной 20 см по трассе дрены на ширину дренажной траншеи. Глубокое рыхление осуществляется не параллельно к направлению осей дрен. Это приводит к экономии вносимых минеральных удобрений и соблюдению экологических требований к качеству воды, сбрасываемой в открытые водоемы и водотоки Нечерноземья. А также расширяются возможности использования природных сорбентов в программе повышения плодородия почв. 3 табл., 2 ил.

Способ очистки дренажных вод в тяжелых мелиорируемых почвах, включающий внесение в почву сорбента, отличающийся тем, что в качестве сорбента в почву вносят смесь сапропеля с почвой при соотношении компонентов 1:5, причем смесь сапропеля с почвой вносят ниже отметки следа глубокого рыхления в виде сплошной ленты толщиной 20 см по трассе дрены на ширину дренажной траншеи, а глубокое рыхление осуществляют не параллельно к направлению осей дрен.