Исследование способов использования фосфогипса в качестве удобрения или компонента комплексного удобрения
Исследование способов использования фосфогипса в качестве удобрения или компонента комплексного удобрения
Аннотация
В работе обсуждается использование фосфогипса (ФГ), получаемого при производстве фосфорной кислоты, в сельском хозяйстве, в частности, при производстве удобрений и улучшении почвы. В нем подчеркивается значительное содержание питательных веществ в фосфогипсе, особенно фосфора и серы, которые полезны для роста растений. Изучаются проблемы и потенциал использования фосфогипса в качестве удобрения, включая его влияние на структуру почвы, обмен питательных веществ и усвоение растениями. Приводятся ссылки на различные исследования, указывающие как на преимущества, так и на потенциальные недостатки применения фосфогипса, такие как его кислая природа, потенциальное выделение вредных соединений и его взаимодействие с другими компонентами почвы. Кроме того, в тексте обсуждается сочетание фосфогипса с известью для повышения кислотности почвы и доступности питательных веществ для растений, а также его роль в снижении потерь азота и улучшении его усвоения в сельскохозяйственных системах. Исследование подчеркивает продолжающиеся усилия по оптимизации применения фосфогипса в сельском хозяйстве, направленные на совершенствование методов ведения сельского хозяйства, повышение урожайности сельскохозяйственных культур и обеспечение экологической устойчивости.
1. Введение
При производстве фосфорной кислоты (H3PO4) методом мокрой кислотной обработки с использованием природных фосфатных пород в качестве сырья образуются крупные твердые отходы – фосфогипс (ФГ), содержащие значительное количество полезных для почвы и растений элементов питания, особенно фосфора и серы. На промышленном производстве фосфорных удобрений образуется около 4-6 т ФГ на тонну производимой фосфорной кислоты. Удобрения, содержащие фосфогипс, восполняют дефицит и обеспечивают оптимальные условия для растений. Фосфор является одним из основных питательных элементов, необходимых для роста растений. Фосфогипс при первоначальном хранении высококислый (pH=1) из-за остаточной серной кислоты и состоит в основном из дегидратированного сульфата кальция, но также содержит большое количество примесей, включая фториды, сульфаты, природные радионуклиды, металлы и другие микроэлементы. По мере обезвоживания и выветривания фосфогипса в хранилищах кислотность постепенно снижается. Фосфогипсовые отвалы также могут выделять в атмосферу газообразный радон и соединения фтора (SiF4, HF) в значительных количествах. Одной из основных проблем отвалов ФГ является выделение 222Rn в результате альфа-распада 226Ra. В более ветреных районах также нельзя игнорировать распространение мелких частиц фосфогипса. Сегодня использование фосфогипса в удобрениях является распространенной практикой. Однако, все еще проводятся исследования для оптимизации его применения и определения новых возможностей использования. Ученые и сельскохозяйственные специалисты продолжают исследовать влияние фосфогипса на состояние почвы, питательный обмен и усвоение фосфора растениями. Изучаются возможности использования фосфогипса в сочетании с другими удобрениями или добавками для достижения оптимальных результатов. В целом, исследования по использованию фосфогипса в удобрениях ведутся непрерывно для улучшения практик сельского хозяйства и увеличения урожайности . Добавление фосфогипса в почву помогает бороться с компактацией почвы и улучшает ее структуру. В результате улучшается водопроницаемость почвы и доступность воздуха для корней растений, способствует улучшению водонепроницаемости почвы и способности почвы удерживать влагу. Это особенно полезно в засушливых регионах, где доступ к воде ограничен. ФГ способствует повышению обмена газов между атмосферой и корнями растений. Это может улучшить дыхание растений и обмен кислорода. Содержащийся сульфат кальция является важным питательным элементом для растений. Добавление в почву улучшает доступность для растений и способствует их росту и развитию. Фосфогипс способен связывать алюминий и другие токсичные ионы в почве, что позволяет растениям лучше расти и развиваться. Содержащийся фосфор в виде гидроксиапатита, делает его менее доступным для растений по сравнению с традиционными фосфорными удобрениями. Это означает, что растения хуже усваивают этот фосфор и его эффективность ниже. Содержит кальций и серу, которые оказывают положительное влияние на структуру почвы и подавляют развитие некоторых болезней и вредителей. Однако, если фосфогипс используется в больших количествах, происходит избыточное накопление кальция в почве, негативно сказывающиеся на росте растений. Неконтролируемое распространение фосфогипса приведет к загрязнению почвы и воды. Фосфогипс совмещается с другими удобрениями или веществами, такими как: аммиачная селитра (NH4NO3); калийные удобрения; органические удобрения; микроэлементы – железо, цинк, медь или марганец.
Классическим источником фосфора в удобрениях были фосфориты, но использование фосфогипса стало интересным альтернативным решением. ФГ широко используется для снижения выбросов газов при компостировании. Хотя химический состав фосфогипса варьируется в зависимости от разных источников, в основном он состоит из дегидрата сульфата кальция (CaSO4· H2O) (> 90%) с незначительным количеством фосфата, кремнезема, глины и других микроэлементов. Фосфогипс может снизить выбросы метана при компостировании навоза крупного рогатого скота за счет увеличения содержания сульфатов, но существенно не влияет на содержание общего углерода, и минерального азота в продукте компостирования. Добавление фосфогипса не влияло на выбросы NH3, но увеличивало содержание минерального азота в компосте, возможно, из-за ингибирования процесса нитрификации для производства закиси азота (N2O). Фосфогипс является кислым и может увеличивать содержание аммония (NH4+) в компосте за счет снижения выбросов NH3 при компостировании свиного навоза. Добавление фосфогипса в количестве 10% от сырья (сырой массы) снижает выбросы NH3 на 23,5% и, таким образом, увеличивает минеральный азота компоста, хотя выбросы N2O были увеличены на 17,4% . Применение фосфогипса в сельском хозяйстве угрожает агроэкологическим системам и безопасности пищевых продуктов из-за большого количества экологически и биологически доступных потенциально токсичных элементов (ПТЭ) в ФГ. Недавно было обнаружено, что биоуголь сильно иммобилизует и адсорбирует ПТЭ, а также подавляет фитодоступность ПТЭ. Следовательно, в этом контексте были проведены лабораторные эксперименты с использованием партий и колонок для проверки наличия ПТЭ в ФГ при различных температурах пиролиза и различном процентном содержании биоугля в рисовой шелухе. Впоследствии были проведены горшечные эксперименты для проверки влияния добавления рисовой шелухе на концентрации ПТЭ в сельскохозяйственных культурах при добавлении ФГ в различные типы почв, и было определено влияние комбинации рисовой шелухе и ФГ на урожайность сельскохозяйственных культур. Результаты экспериментов с партиями и колонками показали, что температура пиролиза и доза биоугля значительно снижает ПТЭ концентрации в ФГ. Температура приготовления (600 °C) и вносимая доза (60% по массе) рисовой шелухе были оптимизированы с помощью модели смешанного эффекта. По сравнению с контролем применение комбинации на суглинистой почве или песке значительно увеличилось урожайность сельскохозяйственных культур. Комбинация значительно снизила концентрации ПТЭ (As, F, Cd и Pb на 39, 41, 75 и 86% соответственно в водяном шпинате и на 100%, 64%, 75% и 88% соответственно в спаржевом салате) в съедобных частях сельскохозяйственных культур по сравнению только с обработкой ФГ .
Фосфогипс лучше используется только на почвах с рН выше 5. Если почва имеет низкий рН (кислотную среду), то в результате реакции с кислотностью может высвобождаться токсический алюминий. Добавление щелочных веществ или регуляторов pH может помочь нейтрализовать любые кислые вещества, присутствующие в фосфогипсе. Низкий уровень pH почвы вызывает негативное воздействие на биогеохимию почвы. Эти пагубные эффекты могут ухудшить заглубление корней, поглощение питательных веществ и воды и, как следствие, снизить урожайность . На протяжении сотен лет доломитовая известь (CaCO3 + MgCO3) применялась для улучшения кислотности почвы. Внесение извести повышает рН почвы и насыщенность почвы основаниями, тем самым повышая плодородие почвы и образуя комплексы с обменным алюминием (Al3+), который токсичен для растений . Обычной практикой является внесение извести в качестве основного материала путем вспашки и боронования при обычной обработке почвы. Однако в системах без обработки почвы основным методом является отсутствие заделки, когда известь наносится на поверхность почвы. Действие этого продукта ограничивается небольшим слоем почвы вокруг самих частиц извести, ограничивая его эффективность в коррекции кислотности верхнего слоя почвы. Воздействие известкования в подпочве может иметь место, но зависит от текстуры почвы, нормы известкования, внесения с течением времени и управления системой. Новой стратегией повышения эффективности поверхностного известкования является сочетание извести с фосфогипсом. Сульфат связывает Al3+, делая его недоступным для поглощения растениями и способствуя заглублению корней. Разложение этих более глубоких корней создает биопоры, которые увеличивают подвижность извести по всем слоям почвы. Таким образом, фосфогипс дополняет известь обоими важными действиями в профиле почвы. Помимо улучшения химических свойств почвы, сочетание извести и фосфогипса значительно улучшает физические и биологические свойства, такие как структура почвы, состав и функции микробных сообществ. Известь и фосфогипс также могут изменять эффективность N–удобрения, поскольку внесение удобрений в почву влияет на микробиологически опосредованные N-реакции и N-динамику во взаимодействии системы почва-растение. Повышение рН почвы после известкования также вызывает каскадную реакцию N-цикла.
Реакция удобрений на основе аммония может привести к подкислению почвы в результате нитрификации. Одним из способов нейтрализовать подкисляющий эффект удобрений на основе аммония является внесение извести и фосфогипса, стимулирующих нитрификацию в кислых почвах и улучшающих усвоение азотных удобрений сельскохозяйственными культурами. Чтобы уменьшить потери азота в результате выщелачивания, улетучивания и выбросов N2O из сельскохозяйственной системы, извлечение азота растениями должно быть максимальным. Внесение извести и фосфогипса усиливает рост корней в более глубоких слоях, где азот, полученный из удобрений, может быть перемещен вертикально. После сбора урожая растительные остатки становятся временным хранилищем азота, к которому могут получить доступ последующие культуры в результате разложения остатков и минерализации, тем самым уменьшая потери N при удобрении
, , .По сравнению с известняком, фосфогипс был изучен несколькими исследователями как возможное дополнение к известкованию для снижения токсичности Al и увеличения доступности Ca в подповерхностных слоях почвы. Было показано, что это химическое улучшение почвы способствует большему распространению и развитию корней. Из-за высокой подвижности сульфатов добавление фосфогипса к внесению извести более эффективно для увеличения количества и стабилизации гуминовых соединений в подпочве, чем индивидуальное внесение извести и внесение почвенных добавок увеличивает хранение OУ. Таким образом, целью данного исследования было оценить поступление сухого вещества и изменения общего, дисперсного и связанного с минералами органического углерода, общего и дисперсного азота и содержания гуминовых веществ в профиле под влиянием поверхностного внесения извести и фосфогипса в рамках долгосрочного эксперимента по выращиванию культур в условиях отсутствия обработки почвы .
В процессе компостирования животноводческого навоза образуются биохимически стабильные органические материалы, способные к легкой обработке и равномерному нанесению на почву. Однако происходят значительные потери азота (N) по сравнению с другими питательными веществами, такими как фосфор (P), что может вызвать дисбаланс питательных веществ, такой как снижение соотношения N к P (N / P), а также экологические проблемы, такие как загрязнение атмосферы. Улетучивание NH3 и, соответственно, потери азота могут быть снижены путем совместного внесения ферментированной жидкости и цеолита или смеси ферментированной жидкости и цеолита с опилками вместо рисовой шелухи. Использование опилок в качестве наполнителя может привести к уменьшению улетучивания NH3 и, следовательно, потере азота из-за более высокой способности удерживать NH4+ в опилках по сравнению с рисовой шелухой. Так как содержание углерода (C) и общее количество сухого вещества (а также концентрации питательных веществ) в готовом компосте являются важными параметрами при его использовании на полях, были проведены исследования потерь углерода и сухого вещества в компостной смеси. Смешивание наполнителей (рисовой шелухи и сосновых опилок) с навозом приводило к увеличению общей концентрации углерода, однако снижало общую концентрацию азота и фосфора в компостирующей смеси из-за более высокого содержания углерода и более низких концентраций азота и фосфора в наполнителях по сравнению с исходным навозом , .
2. Методы и принципы исследования
Существуют различные методы применения фосфогипса в сельском хозяйстве. Во-первых, его можно вносить в почву в виде гранул или порошка, используя как источник фосфора и серы для растений, а также как средство для снижения кислотности и обеспечения долгосрочного питания. Во-вторых, фосфогипс способен улучшать структуру почвы, разрыхляя её и обеспечивая лучшее дренирование, что уменьшает плотность и повышает влагоемкость. Третий метод заключается в использовании фосфогипса для защиты от эрозии путем создания барьеров, предотвращающих потерю плодородного слоя. И, наконец, он может быть применен в качестве препарата для защиты растений от болезней, таких как мучнистая роса или черная ножка .
Рисунок 1 - Состав фосфогипса
Рисунок 2 - Процесс обработки фосфогипса
3. Обсуждение
Фосфогипс может представлять опасность в качестве удобрения в следующих случаях: в случае высокого содержания тяжелых металлов, включая свинец, мышьяк, кадмий и другие, а также при наличии радиоактивных веществ, которые могут попадать в пищевую цепочку через растения. Кроме того, его использование может привести к увеличению кислотности почвы и неправильному балансу элементов питания, если он применяется в неподходящих дозах или условиях. Перед применением фосфогипса необходимо провести анализ его состава и происхождения, а также оценить его воздействие на почву и растения.
Фосфогипс становится безопасным для использования в качестве удобрения при соблюдении определенных условий: отсутствие сильной кислотности почвы, нормальный уровень солей в почве, соблюдение рекомендуемой дозировки, предотвращение пересыхания почвы и аккуратное хранение и использование для предотвращения потери его химических свойств.
Евростандарты по использованию фосфогипса в качестве удобрения устанавливают следующие требования. Сначала, содержание гипса (CaSO4·2H2O) должно составлять не менее 90% от общей массы фосфогипса. Влажность фосфогипса не должна превышать 5% от общей массы. Размер частиц должен соответствовать определенным требованиям для обеспечения равномерного распределения и легкости внесения на почву. Кроме того, фосфогипс должен быть свободен от посторонних примесей, таких как камни, пыль, металлические предметы и т.д. Должны быть соблюдены определенные требования по содержанию вредных элементов, таких как свинец, кадмий и тяжелые металлы. Также должно быть снижено содержание фтора, чтобы избежать негативного влияния на растения. Фосфогипс должен обладать определенной растворимостью гипса для обеспечения эффективного усвоения растениями. Наконец, упаковка и маркировка должны соответствовать требованиям в отношении идентификации продукта и безопасности.
В Российской Федерации использование фосфогипса в качестве удобрения подчиняется разнообразным факторам, таким как тип почвы, климатические условия, и потребности в урожайности. Обычно рекомендуется следующее: оптимальная концентрация фосфогипса в почве составляет примерно 300-500 кг/га, что означает, что на одну сотку земли приходится примерно 3-5 кг фосфогипса. Кроме того, к фосфогипсу могут применяться и другие удобрения для полноценного питания растений, такие как аммиачная селитра или удобрения с содержанием калия, в зависимости от требований культурных растений и рекомендаций. Цена фосфогипса варьируется от 1 000 до 2 000 рублей за тонну, но может достигать 6 000-8 000 рублей за тонну. Количество фосфогипса, безопасное для внесения в почву, зависит от нескольких факторов, включая pH почвы и содержание других элементов. Обычно рекомендуется вносить не более 20-30 кг на гектар в год. Однако для точного расчета следует провести анализ почвы и учесть ее особенности.
4. Заключение
Всеобщее изучение и использование фосфогипса в удобрениях представляют широкие перспективы для улучшения производительности сельского хозяйства, оптимизации ресурсов и снижения негативного экологического воздействия. Эта проблематика привлекает внимание исследователей, агрономов и сельскохозяйственных производителей, стремящихся найти новые подходы и решения для повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Учитывая разнообразие и противоречивость результатов, полученных в существующих исследованиях, требуются дополнительные научные изыскания, направленные на более глубокое понимание влияния фосфогипса на сохранение азота в процессе компостирования. Это необходимо для оценки потенциала этой доступной добавки в промышленном компостировании.