ВАК 06.03.00 Лесное хозяйство
УДК 57 Биологические науки
В России в сфере быстро и динамически развивающейся деревообрабатывающей отрасли актуальным становиться вопрос утилизации отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий. В ста-тье отражена информация о новой разработанной технологии переработки отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий. Разработчиками предложена экологически чистая технология переработки органических отходов в продукт, оказывающий эффективное мелиоративное воздействие и повышающий природный потенциал почв. В основе предлагаемой авторами технологии лежат уникальные технические возможности разработанной установки - высокоэффективной мельницы, дающей помол вплоть до нано-размерной тонины, и высокоэффективного миксера, позволяющего получать гомогенные смеси различных материалов и различной тонины помола. Получаемый таким образом нетрадиционный субстрат за счет научно обоснованного состава и соотношений композиционных компонентов органических отходов, обладает эффективными мелиоративными свойствами, повышающий почвенный потенциал, а также восстанавливающий плодородие гумусового горизонта. Применение в питомниках нетрадиционного мелиоративного субстрата повысило приживаемость и темпы роста сеянцев сосны обыкновенной как в открытом грунте, так и в теплице. Таким образом, предлагаемая авторами установка за одну технологическую операцию позволяет осуществлять переработку отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий и получать в конечном итоге продукт, способствующий повышать почвенный потенциал деградированных земель
отходы, переработка отходов, нетрадиционный субстрат, технология переработки, сеянцы сосны обыкновенной
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. Антонов, Г.И. Оптимизация лесовыращивания с использованием биоконверсии древесно-опилочной массы в условиях красноярской лесостепи/ Г.И. Антонов , О.Э. Кондакова, А.П. Барченков , Н.Д. Сорокин Н.Д., Антонов Г. И.// Лесоведение.- 2018. - №1 с. 56-64 - https://doi.org/10.7868/S0024114818010059 DOI: 10.7868/S0024114818010059
2. Вураско, А.В. Ресурсосберегающая технология получения технической целлюлозы из недревесного расти-тельного сырья и области ее применения/ Е.И. Симонова, А.Р. Минакова //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2018. №2 (30). С.21-32. DOI 10.15593/2409-5125/2018.02.02
3. Галдина, Т.Е. Влияние нетрадициооных удобрений на выращивание посадочного материала в лесных питомниках/ Т.Е. Галдина, С.Е. Самошин.//Успехи современного естествознания. 2018. № 11-1. С. 24-29. URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36900 (дата обращения: 27.01.2021).
4. Ковалева, Н.М. Влияние азотного удобрения на формирование нижних ярусов в сосняках красноярской ле-состепи/ Н.М. Ковалева, Р.С. Собачкин // Лесоведение. 2016. № 1. С. 25-33. ISSN 0024-1148
5. Мухортов, Д.И. Оптимизация технологических параметров производства нетрадиционных органических удобрений в лесных питомниках/ Д.И. Мухортов, Е.М. Романов, А.А. Мамаев //Лесное хозяйство. 2011. № 3. С. 21-23.
6. Соколов, А.И. Влияние многолетнего применения минеральных удобрений на рост сосны в толщину в посе-вах на пало-вых вырубках с песчаными почвами. I. Последействие 30-летнего ежегодного приме-нения калий-ных удобрений на рост сосны в толщину и качество древесины/ А.И. Соколов, А.Н. Пеккоев, В.А. Харитонов // Лесн. журн. 2016. № 6. С. 42–55. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.42
7. Шапченкова, О.А. Влияние азотных удобрений на свойства подстилки и живой напочвенный покров в со-сновых насаждениях Красноярской лесостепи/ О.А. Шапченкова, Н.М. Ковалева, В.В. Иванов, Р.С. Собачкин, Д.С. Собачкин, А.Е. Петренко // Лесоведение. 2015. № 1. С. 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
