Совершенствование оросительной системы по использованию опресненной дренажно-сбросной воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование оросительной системы по использованию опресненной дренажно-сбросной воды

Н.Н. Хожанов

М.С. Мирдадаев

Аннотация

Актуальность. Рассмотрены вопросы повторного использования дренажно-сбросных вод в среднем течении р. Сырдарья. Для опреснения дренажно-сбросной воды используются измельченные естественные солеросные растения (солодка голая, верблюжья колючка и другие) и 20%-ой концентрации глауконитовой глины или же фосфогипса, которые разбавляются дренажносбросной водой, что способствует получению требуемой концентрации, позволяющей при выходе обеспечить снижение минерализации дренажно-сбросной воды до нормативных показателей. Материалы и методы. При выполнении лабораторно-полевых исследований применен системный метод изучения эколого-мелиоративных процессов в корнеобитаемой зоне почв различных орошаемых агроландшафтов Казахстана, включающий обоснование и выбор типичности опытнопроизводственных участков для исследований, методы оценки качества водных ресурсов, методику проведения лабораторных и полевых исследований, а также изучение процессов миграции органоминеральных соединений в корнеобитаемом слое почв, ионообменных сорбций между почвенным раствором и почвенно-поглощающим комплексом и динамики пищевого режима почв при использовании минерализованной воды. Результаты и обсуждение. Проработка по опреснению и обогащению дренажно-сбросных вод включает удаление избытка солей путем смешивания дренажно-сбросной воды в определенной концентрации с глауконитовой глиной совместно с измельченными солеросными растениями. Химическая активность глауконита, обусловленная особено - стями строения и вещественного состава минерала, убеждает в наличии большого потенциала его как естественного аминосиликата, который может служить в качестве важнейшего материального фактора в реализации идей искусственного литогенеза. Известно также, что глауконит в высокой степени обладает химической инерционностью, что подтверждается наличием ряда факторов буферности, а также при внесении в среду (грунт, вода) алюмосиликатов происходит смешение реакции среды. Предлагается оросительная система, включающая водяные насосы первого подъема, опреснительную емкость в виде трапециадального канала длиной 50-100 метров, в середине которой устроено сооружение, куда вносится биомелиорант, состоящий из 20%-ной концентрации фосфогипса или глауконита, навоза крупного рогатого скота и верблюжьей колючки, тем самым обеспечивает рациональное использование поливных земель. Выводы. Отработка высокотехнологических методов по управлению возвратными, коллекторно-дренажными, сбросными и подземными водами в системе сельского хозяйства позволять оздоровить эколого-мелиоративное состояние орошаемого земледелия, поднять организационно-технический уровень обводненных пастбищ и увеличить эколого-чистую продукцию агропромышленного комплекса.

Ключевые слова: оросительные системы, минерализация воды, арычная вода, дренажная вода, фосфогипс, глауконитовая глина.

Abstract

Improvement of the irrigation system for the use of desalinated drainage and waste water

N.N. Khozhanov, M.S. Mirdadaev

Introduction. The article deals with the issues of reuse of drainage and waste water in the middle course of the Syrdarya River. For desalination of drainage and waste water, crushed natural salt plants (licorice, camel's thorn and others) and 20% concentration of glauconite clay or phosphogypsum are used, which are diluted with drainage and waste water, which helps to obtain the required concentration, which allows, at the exit, to ensure a decrease in the salinity of the drainage and waste water to standard values. Materials and methods. When performing laboratory and field studies, a systematic method was used to study ecological and reclamation processes in the root zone of soils of various irrigated agrolandscapes of Kazakhstan, including the justification and selection of the typicality of pilot production plots for research, methods for assessing the quality of water resources, methods for conducting laboratory and field studies, as well as studying the processes of migration of organomineral compounds in the root layer of soils, ion-exchange sorption between the soil solution and the soil-absorbing complex, and the dynamics of the food regime of soils when using mineralized water. Results and conclusions. Works on desalination and enrichment of drainage and waste water include the removal of excess salts by mixing drainage and waste water in a certain concentration with glauconite clay together with crushed salt plants. Since the chemical activity of glauconite, due to the peculiarities of the structure and material composition of the mineral, convinces of the presence of great potential as a natural amino silicate, which can serve as the most important material factor in the implementation of the ideas of artificial lithogenesis. It is also known that glauconite has a high measure of chemical inertia, which is confirmed by the presence of a number of buffering factors in them, which, when aluminosilicates are introduced into the medium (soil, water), contribute to mixing the reaction of the medium. An irrigation system is proposed, including water pumps of the first lift, a desalination tank in the form of a trapezoidal canal 50-100 meters long in the middle of which there is a facility where a bio-ameliorant is introduced, containing from a 20% concentration of phosphogypsum or glauconite, cattle manure and camel thorn, provides rational use of irrigated lands. The development of high-tech methods for managing return, collector-drainage, waste and groundwater in the agricultural system will allow improving the ecological and reclamation state of irrigated agriculture, raising the organizational and technical level of watered pastures and increasing the environmentally friendly production of the agro-industrial complex.

Keywords. Irrigation system, salt regime, salt balance, mineralization, irrigation water, drainage water, concentration, phosphogypsum, glauconite clay.

Основная часть

Территория Казахстана расположена в четырех климатических зонах - лесостепной, степной, полупустынной и пустынной. Отдаленность от океанов и большая территория обусловливают резко континентальный характер климата Казахстана, его зональность и дефицит осадков. Основные запасы водных ресурсов республики сконцентрированы в поверхностных и подземных источниках. В целом водные ресурсы Казахстана размещены неравномерно по регионам. Так, на восточный район приходится 34,5% всех водных ресурсов, северный - 4,2%, центральный - 2,6%, юго-восточный - 24,1%, южный - 21,2%, западный - 13,4% [4].

Общая площадь Казахстана составляет 272 млн га, и из них в настоящее время 180 млн. га находится под угрозой деградации, что составляет 60% от общей территории страны. Деградация сопровождается интенсивным засолением почвы, которое приводит к увеличению территории солончаковых пустынных районов во внутренних бессточных бассейнах и засолению орошаемых земель [5]. Из года в год прогрессируют процессы деградации земель, такие как эрозия и дефляция почв (более 30 млн га), засоление почв, химическое загрязнение и осолонцевание почвы (60 млн га), дегумификация пахотных земель (более 10 млн га) [3]. Таким образом, ситуация вынуждает провести исследования направленные на оздоровления деградированных и засоленных почв, поэтому в условиях острого дефицита водных ресурсов необходима разработка альтернативных методов возделывания сельскохозяйственных культур, а именно совершенствование технологии повторного использования минерализованных дренажносбросных вод. По статистических данных, в южных районах Казахстана ежегодный сток дренажной воды составляет порядка 5,5-6,2 млрд м3, что позволяет дополнительно оросить до 1,0 млн га орошаемых земель.

Исходные свойства фосфогипса (ФГ) и их динамика в процессе хранения зависят от природы фосфатной руды, типа и эффективности процесса переработки, способа утилизации, а также возраста, расположения, мощности и проницаемости пород и геологических слоев в основании полигона или отвала, где размещают ФГ. ФГ представляет собой порошкообразный материал, непластичный, состоящий в основном из дигидрата сульфата кальция CaSO₄-2H₂O (> 90% гипса) и фторсиликата натрия Na₂SiF₆. Из-за остаточной фосфорной, серной и плавиковой (следы) кислот, содержащихся в пористом ФГ, он является кислотным побочным продуктом (рН < 3). Отфильтрованный материал содержит 25-30% влаги. Вертикальная проницаемость ФГ находится в диапазоне от 110-3 до 2-10-5 см/с. Содержание свободной воды в ФГ сильно варьирует в зависимости от условий дренирования и местных погодных условий. Растворимость ФГ зависит от его рН и состава растворителя, он обладает высокой растворимостью в морскойводе (~ 4,1 г/л). Плотность частиц - в диапазоне от 2,27 до 2,40 г./см³, объемная плотность - от 0,9 до 1,7 г/см³. Хранение высушенного продукта выполняют в хвосто - хранилище [2] или, после нейтрализации известью, что практикуют в мире [11], в виде пульпы в шламосборнике [6]. В прошлом в отношении использования ФГ были избыточные предубеждения, что сказывается и на текущей ситуации [10]. Утилизация ФГ в мире составляет 15%: компонент цемента [8], модификатор асфальтового битума [12], наполнитель бесцементных строительных блоков [7], стабилизатор почвы при дорожном строительстве [1]. Остальное количество ФГ попросту сваливается - суша, прибрежные территории, мировой океан (в Европе запрещено с 1998 г.) [9].

Материалы и методы. При выполнении лабораторно-полевых исследований применен системный метод изучения эколого-мелиоративных процессов в корнеобитаемой зоне почв различных орошаемых агроландшафтов Казахстана, включающий обоснование и выбор типичности опытно-производственных участков для исследований, методы оценки качества водных ресурсов, методику проведения лабораторных и полевых исследований, а также изучение процессов миграции органоминеральных соединений в корнеобитаемом слое почв, ионообменных сорбций между почвенным раствором и почвенно-поглощающим комплексом и динамики пищевого режима почв при использовании минерализованной воды.

Целью исследований является практическое использование дренажно-сбросных вод для орошения сельскохозяйственных культур путем снижения минерализации на основе применения местных материалов фосфогипса, глауконитовой глины, верблюжьей колючки и навоза, которое направлено на рациональное использование природных ресурсов.

Результаты и обсуждение. В условиях дефицита водных ресурсов использование для орошения сельскохозяйственных культур минерализованной коллекторно-дренажной воды позволяет преобразовать сельскохозяйственное производство вне зависимости от капризов природы. По сведениям из литературных источников, для рационального использования оросительной системы предложены многочисленные варианты. Так, например Данильченко Н.В. (Оазисное орошение подземными водами. М.: «Колос», 1983, с. 69-72, рис. 6б, рис. 8) предлагает оросительную систему, включающую скважины, водяные насосы первого подъема, трубопроводы, водохранилище и водяные насосы второго подъема. Однако качество подаваемой на орошение воды в данной технологии невысокое, а также большие затраты на снабжение системы электроэнергией.

Задачей настоящего исследования является повышение качества подаваемой на орошение воды и снижение ее расхода, а также уменьшение затрат на энергоснабжение оросительной системы, качественное опреснение коллекторно-дренажной воды, повторно используемой для орошения сельскохозяйственных культур.

Решение названной задачи достигается тем, что оросительная система, включающая водяные насосы первого подъема, опреснительную емкость в виде трапециидального канала длиной 50-100 метров, в середине которой устроено сооружение, где вносится биомелиорант, состоящий из 20%-ной концентрации фосфогипса или глауконита, навоза крупного рогатого скота и верблюжьей колючки, обеспечивает рациональное использование оросительной системы.

Сущность исследования поясняется рисунком 1, на котором показана в разрезе предлагаемая оросительная система.

Оросительная система включает 1 (коллекторно-дренажная сеть), 2 (насос подъема коллекторно-дренажной воды), 3 (опреснительная емкость), 4 (сооружение для погрузки биомелиоранта), 5 (насос для подачи опресненной воды на внутрихозяйственные оросители), 6 (внутрихозяйственные оросители) и 7 (поле орошения).

Оросительная система работает следующим образом. Вода из коллекторно-дренажной сети закачивается насосом (2) в опреснительную емкость, где заранее в сооружении для погрузки биомелиоранта подготовлена расчетная его доза и после 20-25 дней готовую воду можно насосом для подачи опресненной воды подать на внутрихозяйственный ороситель для проведения поливов сельскохозяйственных культур. Для опреснения 1000 м³ дренажно-сбросной воды израсходуется порядка 500 л биомелиоранта, тем самым для поливной площади 10 гектаров при выращивании кукурузы на силос потребуется порядка 6000 м³/га х10 = 60000 м³ опресненной воды. При этом исходная минерализация коллекторно-дренажной воды, составляющая 0,200-0,400%, при выходе позволяет снизить до 0,028 - 0,068% по иону хлора.

минерализация дренажный солеросный оросительный

5. Насос для подачи опресненной воды на внутрихозяйственные оросители

6. Внутрихозяйственные оросители

7. Поля орошения

Оросительная система по использованию опресненной дренажно-сбросной воды

Предлагаемая оросительная система за счет использования для орошения коллекторно-дренажной воды путем разбавления биомелиоранта обеспечивает уменьшение фильтрационных потерь оросительной воды, позволяет повысить качество подаваемой на орошение воды и снизить ее расход, что сокращает забор речного стока, который может быть направлен на увеличение посевной площади сельскохозяйственных культур.

Оросительная система способствует стабилизации почвенного плодородия орошаемых земель, за счет биомелиоранта улучшается водно-воздушный и тепловой режим почвы, что обусловливает ускорение возврата деградированных участков в сельскохозяйственный оборот и ускоряет процесс внедрения новых направлений по совершенству технологических решений и рационального использования водно-земельных и энергетических ресурсов территории.

Наши проработки по опреснению и обогащению дренажно-сбросных вод включают удаление избытка солей путем смешивания дренажно-сбросной воды в определенной концентрации с глауконитовой глиной совместно с измельченными солеросными растениями. Химическая активность глауконита, обусловленная особеностями строения и вещественного состава минерала, убеждает в наличии большого потенциала его как естественного аминосиликата, который может служить в качестве важнейшего материального фактора в реализации идей искусственного литогенеза. Известно также, что глауконит в высокой степени обладает химической инерционностью, что подтверждается наличием в ряда факторов буферности, также при внесении в среду (грунт, вода) алюмосиликатов происходит смешение реакции среды.

Для опреснения дренажно-сбросной воды используются измельченные естественные солеросные растения (солодка голая, верблюжья колючка и другие) и 20%-ная концентрация глауконитовой глины или же фосфогипса, которые разбавляются дренажносбросной водой, что позволяет получить требуемую концентрацию, необходимую для снижения минерализации дренажно-сбросной воды до нормативных показателей.

Лабораторные исследования свидетельствуют о том, что при добавлении на 100 мл минерализованной воды от 10 до 30 мг глауконитовой глины, фосфогипса и биомелиоранта содержание иона-хлора находилось в пределах 0,383-0,400%, а на вариантах золы, солодки и верблюжьей колючки оно колебалось в пределах 0,118-0,131%. На 15 день опреснение по иону хлора составило 0,065-0,074%, а на 30 день - 0,011-0,017%. Такая же тенденция отмечается и по плотному остатку (таблица 1).

Таблица 1. Содержание иона-хлора и плотного остатка, %

По отношению плотного остатка варианты золы, солодки и верблюжьей колючки на 30 день опреснение составляет порядка 0,667-0,800%, т.е. по классификации минерализации вода переходит от слабоминерализованной к пресной воде. По ирригационному коэффициенту качество воды (К>18), т.е. вода может быть применена как для полива сельскохозяйственных культур, так и для водопоя животных в отгонных пастбищах.

По содержанию иона-сульфата исследуемые варианты свидетельствуют, что в день смешивания ее колебания в зависимости от до биомелиоранта колебались в пределах от 0,802 до 1,862%. На вариантах глауконита, фосфогипса и биомелиоранта отмечаются тенденции увеличения с наращиванием отстаивания препарата, когда как в вариантах золы, солодки и верблюжьей колючки отмечается резкое снижение иона - сульфата до 0,173-0,307% (таблица 2).

Это дает нам основание, что при совместном применении указанных препаратов происходит резкое снижение химизма солей в водных ресурсах.

Таблица 2. Содержание иона - сульфата, % и показатель рН

Предлагаемая технология опреснения минерализованной воды при совмещении глауконитовой глины, фосфогипса и биомелиоранта с верблюжьей колючкой, солодкой может значительно ускорить процесс опреснения. По расчетам следует, что разбавление 100 кг биомелиорантов на 1 тонну минерализованной воды позволяет снизить минерализацию без применения дорогостоящих опреснительных установок.

В мировом водопотреблении доля опресненной воды пока еще очень мала, несмотря на высокий темп строительства опреснителей и рост их мощностей. Но учитывая тенденцию развития техники опреснения и растущую остроту проблемы охраны водной среды надо полагать, что со временем доля опресненной воды будет возрастать. Водные ресурсы каждой географической области вполне определены, и дальнейшие возрастающие потребности в воде можно будет удовлетворить только за счет очистки и повторного использования сточных вод и опреснения минерализованных вод. Возможно, уже в самом ближайшем будущем методы очистки и опреснения воды займут важнейшее место в сельскохозяйственном строительстве многих стран.

Отработка высокотехнологических методов по управлению возвратными, коллекторно-дренажными, сбросными и подземными водами в системе сельского хозяйства позволит оздоровить эколого-мелиоративное состояние орошаемого земледелия, поднять организационно-техническую уровень обводненных пастбищ и увеличить экологически чистую продукцию агропромышленного комплекса.

Таким образом, предлагаем для использования данной технологии построить малую оросительную систему с площадью до 300 гектаров, которая позволит рационально использовать водно-земельные и энергетические ресурсы местности (рисунок 1).

Библиографический список

1. Горлов А.А., Кречетов П.П., Рогова О.Б. Изменение химического состава почв под влиянием фосфогипса // XXIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2016». 2016. С. 34-35.

2. Лапшина И.З., Тургумбаева Х.Х., Бейсекова Т.И. Физико-химические свойства фосфогипса, размещенного на отвале Жамбылского завода минеральных удобрений // Промышленность Казахстана. 2012. №5. С. 56-58.

3. Медеу А.Р. Республика Казахстан. Ч. 3. Окружающая среда и экология. Алматы: Print-S, 2010. 520 с.

4. Национальный доклад о состоянии окружающей среды и использовании природных ресурсов Республики Казахстан за 2011-2014 годы.

5. Орлова М.А., Сапаров А.С. Глобальный саморегулируемый круговорот солей в природе. Алматы: Полиграфия-SERVIS K°, 2009. 209 с.

6. Экологические и агроэкономические аспекты применения фосфогипса в сельском хозяйстве / С.В. Кизинек, А.Х. Шеуджен, Н.И. Аканова, М.Ю. Локтионов, А.Н. Лиманский // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013. Т. 2. №9 (13). С. 206-216.

7. A novel Two-step Hydration Process of preparing cement-free non-fired bricks from waste phosphogypsum / Zhou Jun, Dongxue Yu, Zhu Shu, Tiantian Li, Yun Chen, Yanxin Wang // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 73. P. 222-228.

8. Calcium sulphoaluminate cements made with phosphogypsum: Production issues and material properties / Shen Yan, Jueshi Qian, Junqing Chai, Yunyan Fan // Cement and Concrete Composites. 2014. Vol. 48. P. 67-74.

9. Contamination and restoration of an estuary affected by phosphogypsum releases / M. Villa, F. Mosqueda, S. Hurtado, J. Mantero, G. Manjon, R. Perianez, F. Vaca, R. Garda-Tenorio // Science of The Total Environment. 2009. V. 408. I. 1. P. 69-77.

10. Craig Peppin, Carlson Carrie Challenges in Processing Phosphates. FEECO International. http://feeco.com.

11. Environmental impact and management of phosphogypsum (Review) / T. Hanan, M. Choura, F.A. Lopez, F.J. Alguacil, A. Lopez-Delgado. Madrid, 2012.

12. Valorization of phosphogypsum waste as asphaltic bitumen modifier / A.A. Cuadri, F.J. Navarro, M. Garcia-Morales, J.P. Bolivar // Journal of Hazardous Materials. 2014. Vol. 279. P. 11-16.

Размещено на Allbest.ru