A study of ways to use phosphogypsum as a fertilizer or as a component of a complex fertilizer

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 

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% 

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

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

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.96.1

Фосфогипс обычно содержит около 12-16% фосфора (P2O5), 20-30% гипса (CaSO4·2H2O) и некоторое количество других минералов и примесей. Его химический состав может варьироваться и включает CaO (30-42%), SO3 (44-52%), P2O5 (1-2%), F (0,1-1%), Al2O3 (0,3-5%), Fe2O3 (0,2-2%), SiO2 (0,3-10%) и H2O (25-40%). Этот состав определяет применимость фосфогипса в производстве удобрений и строительных материалов, а также его потенциальную полезность как источника серы и других элементов. Анализ химического состава фосфогипса существенен для оценки его качества и применимости в различных сферах. Исследования показали его эффективность как источника фосфора для многих растений.

Рисунок 2 - Процесс обработки фосфогипса

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.96.2

Процесс обработки фосфогипса включает несколько этапов. Сначала фосфогипс подвергается фильтрации для удаления крупных примесей и частиц, после чего происходит сушка с целью удаления лишней влаги, что способствует повышению его хранения и уменьшению риска размножения микроорганизмов. Затем фосфогипс обрабатывается с использованием специальных химических добавок, направленных на удаление серы и других примесей, при этом важно, чтобы эти добавки не оказывали токсичного воздействия на почву и окружающую среду. Наконец, обработанный фосфогипс может быть прессован в гранулы или гранулирован для улучшения его удобства использования в качестве удобрения. Для обеспечения экологической безопасности состава фосфогипса могут применяться методы фильтрации и очистки, включая использование специальных фильтров или обратного осмоса для удаления мелких примесей и тяжелых металлов. После обработки фосфогипс представляет собой экологически безопасный состав, который может быть использован в качестве удобрения. Однако следует помнить, что необходимо соблюдать рекомендации по дозировке при использовании фосфогипса.

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.

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.