VAC 06.03.00 Лесное хозяйство
UDK 57 Биологические науки
In Russia, in the field of rapidly and dynamically developing woodworking industry, the issue of recycling waste from logging and woodworking enterprises is becoming relevant. The article reflects information about a new devel-oped technology for processing waste from logging and woodworking enterprises. The developers have proposed an environmentally friendly technology for processing organic waste into a product that has an effective reclamation effect and increases the natural potential of soils. The technology proposed by the authors is based on the unique technical capabilities of the developed installation - a highly efficient mill that grinds down to nano-sized fineness, and a highly efficient mixer that makes it possible to obtain homogeneous mixtures of various materials and different fineness. The unconventional substrate obtained in this way, due to the scientifically grounded composition and ratios of the composite components of organic waste, has effective reclamation properties that increase the soil potential, as well as restoring the fertility of the humus horizon. The use of an unconventional ameliorative substrate in nurseries increased the survival rate and growth rates of Scots pine seedlings both in the open field and in the greenhouse. Thus, the installation proposed by the authors in one technological operation enables the processing of waste from logging and woodworking enterprises and ultimately obtain a product that helps to increase soil potential of degraded lands
waste, waste processing, non-traditional substrate, processing technology, Scots pine seedlings
Введение. Проблема утилизации отходов на протяжении многих столетий являлось глобальной и актуальной. Но в сфере интенсивной глобализации человеческой деятельности, интенсификации промышленности и других различных сегментов хозяйствования вопрос переработки отходов во вторичный продукт приобрёл наиболее острую необходимость. Повторное использование отходов сильнейшим образом меняет экономические и экологические стороны нашей жизни. Именно переработка отходов во вторичный необходимый для потребления продукт соответствует главным экологическим целям — восстановлению окружающей среды, сохранению природных ресурсов, созданию здоровой экосистемы, уменьшению объема полигонов [1,2].
Интенсификация хозяйственной деятельности лесного сектора экономики в настоящее время терпит ряд серьезных экологических проблем [2]. К числу особых видов антропогенного воздействия относятся загрязнение природной среды отходами производства и потребления. Не мало важным также видом является и антропогенное воздействие на агроэкосистемы, следствием которого является деградация почв.
Деградация сельскохозяйственных земель, лесного фонда идет такими ускоренными темпами, опережающая естественные процессы восстановления, что усиливает отрицательное воздействие на окружающую среду.
В настоящее время для повышения почвенного потенциала, компенсация недостатка в почве питательных веществ компенсируют внесением минеральных удобрений [4,6-10, 13]. Однако такой подход не справляется с основным задачами сохранения и восстановления плодородия деградированных земель, повышение природного потенциала почвенного горизонта. Систематическое внесение минеральных удобрений в итоги имеют обратную сторону и усиливают отрицательное воздействие на деградированные почвы.
Поэтому актуально становиться вопрос о поиске новейший технических решений, позволяющие решить ряд насущных задач, которые снизят отрицательное воздействие на экологические экосистемы [2, 3].
В настоящее время очень актуальна проблема переработки производственных отходов различных видов отраслей. В лесном хозяйстве, имеющей огромные запасы лесной продукции, на лесосеках и на территориях предприятий по переработке древесины скапливаются огромные количества древесных отходов. В процессе лесозаготовки используется около 60% древесины. Остальная же часть приходится на отходы, которые уничтожаются путем сожжения, наносящий вред окружающей среде [2].
Однако, переработка отходов древесины в настоящее время имеет массу сфер для реализации: получение мульчи, топливных брикетов, получение органического удобрения и т.д.
На основе отходов древесины готовят органическое удобрение при помощи довольно несложного процесса компостирования [11,12]. В основе технологии при реализации данного производства выступает закладка и оборудование траншей для приготовления компостной массы, а также временной интервал. Такой компост будет целесообразным использовать с целью улучшения плодородия сильноминерализованных и суглинистых грунтов, позволяющий улучшить структуру почв.
Материалы и методы. Проанализировав сложную ситуацию с утилизацией и переработкой отходов в лесозаготовительном и деревообрабатывающем промышленном секторе группа специалистов разработали и предложили к внедрению технологию по получению нетрадиционного мелиоративного субстрата их органических отходов.
Рис. 1. УММ установка в сборе-02.
(фотография авторов)
Предлагаемая технология является комплексной, либо она предназначена для получения новых материалов из различных отходов производства и потребления. В основе данной технологии лежат уникальные технические возможности применения «Универсальных Многоцелевых модулей» (рис. 1) в качестве высокоэффективной мельницы, дающей помол вплоть до нано-размерной тонины любых материалов, независимо от их твердости и пластичности, и высокоэффективного миксера, позволяющего получать гомогенные смеси различных материалов и различной тонины помола.
Предлагаемая технология позволяет перерабатывать любые отходы лесозаготовки и деревообработки: опил, стружку, древесную пыль, щепу, горбыль, срезку, тонкомерную древесину, «лежалые» отходы, которых, как уже упоминалось выше, накопилось с избытком.
Основным звеном в решении задач по переработке древесных отходов в нетрадиционный мелиоративный субстрат является высокоэффективная технология, основанная на использовании различных модификаций «Универсальных Многоцелевых модулей» в качестве основных стандартных блоков в экологических технологических цепочках (рис. 2) при составлении их на любую запланированную мощность и производительность выхода конечного продукта переработки.
Рис. 2. Схема технологической цепочки экологически чистой технологии переработки отходов лесозаготовительных и деревоперерабатывающих предприятий в нетрадиционный мелиоративный субстрат.
(Схема авторов А.В. Кулакова)
Сами «Универсальные многоцелевые модули» по своей сути относятся к области интенсивного измельчения и перемешивания сыпучих/жидких сред.
- (позволяющие в десятки тысяч раз увеличивать скорости протекающих в применяемых технологиях соответствующих реакций).
Высокая же эффективность применения «Универсальных Многоцелевых модулей» в экологических технологических цепочках определяется тем, что все эти процессы протекают в их рабочих зонах одновременно, как и множество физических и химических процессов, приводящих к ним. Итак, универсальность и высокая эффективность их обусловлена:
а) множеством и активностью протекающих в их рабочих зонах процессов:
- дробление посредством «стесненного удара»;
- электромагнитная эрозия;
- плазменное воздействие;
- ультразвук (при обработке в жидкой среде);
- б) высокой плотностью энергии магнитной индукции в его рабочей зоне (при B ~ 104 Гс, W ~ 0.4 Дж/см3 = 4 105 Дж/м3), в сотни раз превышающей плотность энергии в рабочих зонах других подобных устройств;
- в) почти ста процентным КПД;
- г) низкой материалоемкостью.
В основу модулей положены высокоэффективные:
- дезинтеграторы (мельницы, дающие помол до нано-размеров различных перерабатываемых материалов независимо от их твердости и вязкости);
- миксеры (позволяющие получать гомогенные смеси различных веществ и качественные суспензии почти несмешиваемых жидкостей, таких как вода масло);
- активаторы физических/химических процессов.
Объектом исследования явились 55 % отходы деревоперерабатывающих и лесозаготовительных предприятий и 45 % другие органические отходы (ТБО органического состава, солома, лузга, листопадный опад, бесподстилочный навоз, каныга), которые перерабатывались в технологической цепочки из «УММ» в однородную гомогенную смесь (нетрадиционный мелиоративный субстрат). Данная смесь за счет научно обоснованного композиционного состава наделена уникальными свойствами органического удобрения и мелиоративного субстрата и целесообразна в использовании для повышения функциональных свойств почв, деградированных земель.
Опытные объекты по изучению влияния нетрадиционного мелиоративного субстрата на рост сеянцев в открытом грунте располагались в Учебно-опытном лесхозе ВГЛТА. Были заложены опытные экспериментальные участки общей площадью 0,3 га. С целью определения дозы внесения нетрадиционного мелиоративного субстрата на физико-химические свойства почв изучаемая смесь различного состава вносилась в дозах от 0,5 до 10 т/га. Нетрадиционный мелиоративный субстрат вносился осенью по черному пару в год, предшествующему посеву. Для изучения влияния нетрадиционного мелиоративного субстрата на биометрические показатели сеянцев сосны обыкновенной производилась их выкопка на однометровых отрезках. Высота 1-летних сеянцев сосны обыкновенной определялась путем сплошного перечета на однометровых отрезках. Динамика роста двухлетних сеянцев сосны обыкновенной определялась путем измерения высоты в 15.05., 18.06., 17.07., 18.09.2019г.
Изучение влияния применения нетрадиционного мелиоративного субстрата в кассетах осуществлялась в АО «ПК Воронежской области». Нетрадиционный мелиоративный субстрата добавляли к торфу для заполнения кассет. Закладывали эксперимент в пяти повторностях по 100 кассет с разными соотношениями торфа и нетрадиционного мелиоративного субстрата. В качестве контроля служили чистый торф и чистый нетрадиционный мелиоративный субстрат. В кассеты высевали семена сосны обыкновенной. Всхожесть определяли путем наблюдения на 5, 7, 10, 15 дни. Биометрические показатели сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой определяли в сентябре текущего посеву год. Обработку полученных измерений обрабатывали при помощи статистической программы «Stadia».
Результаты и обсуждения. Основой очень высокой эффективности предлагаемой экологически чистой технологии заключается в разработке и использовании квантового плазменного конденсата, что позволит переработать отходы производства без вредных выбросов в атмосферу.
Экологически чистая технология представляет собой цепочку УММ, представляющих собой трехфазные электромагнитные двигатели с распределенными роторами в виде игл, формирующих в их рабочих зонах активный феро-магнитный вихревой слой, проходя через который исходное вещество обрабатывается (измельчается, смешивается, активизируется и т.д.), универсальность которых проявляется в том, что они могут одинаково высокоэффективно использоваться в различных отраслях промышленного производства.
Таким образом, для получения нетрадиционного мелиоративного субстрат включающий в себя следующий композиционный состав: ТБО органического состава (10%), древесные отходы (35%), отходы деревообрабатывающего производства (20), отходы сельского хозяйства (солома, лузга) (10%), листопадный опад (5%), бесподстилочный навоз (10-20%), каныга (10-20%) мы предлагаем разработанную экологически чистую технологию, в основе которой УММ, позволяющая за одну технологическую операцию получить готовый к употреблению продукт - нетрадиционный мелиоративный субстрат.
Основным и главным звеном технологического решения производства нетрадиционного субстрата является научно обоснованное соотношение сырьевых компонентов, что позволяет получать конкурентоспособный продукт, обладающий мелиоративными свойства, а также наделенный функциями органического удобрения.
Нетрадиционный субстрат за счет научно обоснованного состава и соотношений композиционных компонентов органических отходов, обладает эффективными свойствами как мелиорант, а также как органическое удобрение. Разлагаясь в земле, нетрадиционный субстрат развивают гумусовый слой почвы, чем значительно повышают ее плодородие и содержание в ней питательных веществ. Кроме того, внесение нетрадиционного субстрата, способствует регуляции биологических процессов в почве и активизирует деятельность почвенных микроорганизмов, что способствует значительно повысить почвенный потенциал деградированных земель и повысить приживаемость, рост сеянцев (табл. 1, рис.3) и продуктивность лесных культур.
Наши эксперименты по практическому применению полученного продукта на экологически чистой технологии, позволяют с уверенностью рекомендовать наши разработки для питомников и тепличных комплексов.
Таблица 1
Средняя высота 1-летних сеянцев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) с предварительной внесением удобрений при подготовке почвы (2018г).
|
№ п/п |
Наименования варианта |
Высота сеянцев сосны обыкновенной, см |
Процент от контроля |
|
|
М±m |
tфакт. |
|||
|
1 |
Контроль (без внесения) |
2,4±0,10 |
- |
100,0 |
|
2 |
Нетрадиционный субстрат (3000) |
4,2±0,14 |
10,3* |
171,9 |
|
3 |
Органические удобрения NPK (16:16:16) |
2,5±0,07 |
0,3 |
101,8 |
Примечание здесь и далее: 1 - * - tфакт. ≥ tтабл. (различие по сравнению с контролем достоверно при НСР05). 2 – tтабл. = 1,98. (*Результаты получены авторами)
Рис. 3. Динамика роста в высоту 2-летних сеянцев сосны обыкновенной (2019 г.) на участках с предварительным внесением удобрений, нетрадиционного субстрата при подготовке почвы
(*Результаты получены авторами.)
Рисунок 4 - Средняя динамика прорастания семян сосны обыкновенной в кассетах
(*Результаты получены авторами.)
Рисунок 5 – Однолетние сеянцы сосны обыкновенной, выращенные в закрытом грунте с добавлением приготовленного нетрадиционного мелиоративного субстрата в кассеты (2019г.)
( фотография автора)
Применение нетрадиционного мелиоративного субстрата в питомнике путем предварительного внесения при обработке почвы с нормой 3 т/га существенно повышает рост сеянцев сосны обыкновенной на первом году (на 71,9 % выше от контроля) (таб. 1). Эффект от такого применения мелиоративного субстрата сохраняется и на втором году выращивания сеянцев сосны обыкновенной, о чем свидетельствует динамика роста (рис. 3). На протяжении всего вегетационного периода наблюдается интенсивный рост сеянцев на площади с добавлением нетрадиционного мелиоративного субстрата, который превышает рост сеянцев без внесения удобрений и субстрата, а также с внесением минеральных комплексных удобрений (рис. 3).
В тепличном комплексе проводили эксперименты по добавлению нетрадиционного мелиоративного субстрата к торфу в соотношении 1:2 (субстрат : торф) для заполнения кассет. В кассеты высевали семена сосны обыкновенной.
Эффективность применения нетрадиционного мелиоративного субстрата при выращивании сеянцев в кассетах свидетельствует о повышении выхода и качества посадочного материала на 1 год (рис. 4, 5). Смесь нетрадиционного мелиоративного субстрата и низинного торфа в соотношении 1: 2 по своим свойствам близок к субстрату на основе верхового торфа, всхожесть и сохранность всходов на этом субстрате существенно выше, чем при использовании субстрата на основе низинного торфа и чистого нетрадиционного мелиоративного субстрата (таб. 2 )
Отмечено, что влияние применения нетрадиционного субстрата проявляется при посеве в кассеты. Количество всходов сеянцев сосны обыкновенной в кассетах увеличилось на 20% от контроля на пятый и седьмой день наблюдения. В целом всхожесть повысилась на 40 % от контроля и 22 % при внесении минеральных удобрений.
Выводы.
Основным направлением применения отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий в лесном хозяйстве является производство нетрадиционных удобрений и субстратов, использование которых позволяет повысить почвенное плодородие, интенсифицирует рост древесных и кустарниковых растений в лесных питомниках, теплицах и лесных плантациях. Но для эффективного и широкого спектра применения нетрадиционного субстратов на основе органических отходов необходимо внедрять новейшие экологически чистые технологии, позволяющие снижать экономические затраты и отрицательное воздействие на экологические экосистемы.
Применение технологии из цепочки «Универсальных Многоцелевых модулей», дающий помол до нано-размерной тонины и перемешивающий до гомогенной смеси различные материалы и различной тонины помола, позволяет в одну технологическую операцию получить готовый к употребления продукт.
Технология с УММ позволит экономить на создании полигонов для компостирования, которые оказывают отрицательное воздействие на экологию.
Предлагаемая технология позволит перерабатывать не перерабатываемые отходы, тем самым заменять процесс утилизации отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий сжиганием на более экологически чистые приемы, уменьшая отрицательное воздействие на экосистемы.
Таким образом, своей разработанной технологией мы решаем несколько экологически важных задач, позволяющие повысить экологическую безопасность окружающей среды в секторе лесного хозяйства:
- Сырьем для нетрадиционного субстрата выступают органические отходы разных сфер деятельности, в том числе 55% отходы лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий.
- Нетрадиционный субстрат при научно обоснованной рецептуре при практическом применении гарантирует значительно более высокую аэрацию и более быстрый дренаж, создает высокоэффективную среду, существенно изменяет и улучшает плодородный слой почвы, тем самым повышает выход продукции с 1 га на 50%, обладает дозирующими свойствами потребления микроэлементов растениями. Все это способствует сохранению и восстановлению почвенного плодородия деградированных земель, повышение природного потенциала почвенного горизонта.
Применение разработанной технологии позволит утилизировать органические отходы производства и потребления, которые образуются из природных материалов, перерабатывать в функциональный продукт (нетрадиционный мелиоративный субстрат) обладающего выше перечисленными свойствами, без вредных выбросов в атмосферу.
1. Antonov, G.I. Optimizaciya lesovyraschivaniya s ispol'zovaniem biokonversii drevesno-opilochnoy massy v usloviyah krasnoyarskoy lesostepi/ G.I. Antonov , O.E. Kondakova, A.P. Barchenkov , N.D. Sorokin N.D., Antonov G. I.// Lesovedenie.- 2018. - №1 s. 56-64 - https://doi.org/10.7868/S0024114818010059 DOI: 10.7868/S0024114818010059
2. Vurasko, A.V. Resursosberegayuschaya tehnologiya polucheniya tehnicheskoy cellyulozy iz nedrevesnogo rasti-tel'nogo syr'ya i oblasti ee primeneniya/ E.I. Simonova, A.R. Minakova //Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika. 2018. №2 (30). S.21-32. DOI 10.15593/2409-5125/2018.02.02
3. Galdina, T.E. Vliyanie netradicioonyh udobreniy na vyraschivanie posadochnogo materiala v lesnyh pitomnikah/ T.E. Galdina, S.E. Samoshin.//Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2018. № 11-1. S. 24-29. URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36900 (data obrascheniya: 27.01.2021).
4. Kovaleva, N.M. Vliyanie azotnogo udobreniya na formirovanie nizhnih yarusov v sosnyakah krasnoyarskoy le-sostepi/ N.M. Kovaleva, R.S. Sobachkin // Lesovedenie. 2016. № 1. S. 25-33. ISSN 0024-1148
5. Muhortov, D.I. Optimizaciya tehnologicheskih parametrov proizvodstva netradicionnyh organicheskih udobreniy v lesnyh pitomnikah/ D.I. Muhortov, E.M. Romanov, A.A. Mamaev //Lesnoe hozyaystvo. 2011. № 3. S. 21-23.
6. Sokolov, A.I. Vliyanie mnogoletnego primeneniya mineral'nyh udobreniy na rost sosny v tolschinu v pose-vah na palo-vyh vyrubkah s peschanymi pochvami. I. Posledeystvie 30-letnego ezhegodnogo prime-neniya kaliy-nyh udobreniy na rost sosny v tolschinu i kachestvo drevesiny/ A.I. Sokolov, A.N. Pekkoev, V.A. Haritonov // Lesn. zhurn. 2016. № 6. S. 42–55. (Izv. vyssh. ucheb. zavedeniy). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.42
7. Shapchenkova, O.A. Vliyanie azotnyh udobreniy na svoystva podstilki i zhivoy napochvennyy pokrov v so-snovyh nasazhdeniyah Krasnoyarskoy lesostepi/ O.A. Shapchenkova, N.M. Kovaleva, V.V. Ivanov, R.S. Sobachkin, D.S. Sobachkin, A.E. Petrenko // Lesovedenie. 2015. № 1. S. 44–51.
8. Franklin J.A., Zipper C.E., Burger J.A., Skousen J.G., Jacobs D.F. Influence of herbaceous ground cover on forest establishment and growth on eastern US coal surface mines // New Forests. 2012. No. 43. PP. 905-924. doi: 10.1007 / s11056-012-9342-8
9. Genikova N.V., Kharitonov V.A., Kryshen A.M. Influence of long-term periodic fertilization on the structure of the stand and ground cover in the conditions of mid-taiga cowberry pine forests (Republic of Karelia) // Izv. universities. forest. zhurn. 2020. No. 2. p. 35-50. DOI: 10.37482 / 0536-1036-2020-2-35-50
10. Genikova N.V., Kharitonov V.A. The aftereffect of long-term application of mineral fertilizers on the species com-position and structure of the ground cover in pine crops on sandy soils // Izv. universities. Lesn. zhurn. 2018. No. 1. P. 18–28. DOI: 10.17238 \ issn0536–1036.2018.1.18
11. Romanov Evgeny, Mukhortov, Dmitry, Nureeva Tatiana. (2016). Application of organic waste composts when producing forest planting material. Glasnik Sumarskog fakulteta. 2016.133-150. 10.2298 / GSF1613133R.
12. Mukhortov D.I., Romanov E.M. und Mamaev A.A. 2011 Optimization of technological parameters for the production of non-traditional organic fertilizers in forest nurseries. Forestry. 2011. No. 3. S. 21-23.
13. Sullivan T.P., Sullivan D.S. Old-Growth Characteristics 20 Years after Thinning and Repeated Fertilization of Lodgepole Pine Forest: Tree Growth, Structural Attributes, and Red-Backed Voles. Forest Ecology and Management, 2017, vol. 391, pp. 207–220. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2017.02.021
