Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 110000 СЕЛЬСКОЕ И РЫБНОЕ ХОЗЯЙСТВО
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В условиях нарастающего дефицита водных ресурсов дополнительным водным источником могут служить маломинерализованные дренажно-сбросные воды с рисовых оросительных систем. Разработана и прошла испытание агроинженерная технология очистки и водоподготовки дренажно-сбросных вод для повторного использования на орошение, включающая создание биосорбционного сооружения, обеспечивающего очистку от минеральных солей на специально подобранных природных минеральных сорбентах, поглощение биогенных веществ высшей водной растительностью и кондиционирование воды с применением разработанного комплексного сорбента. Результаты создания и испытания биосорбционного сооружения, проведенные на Сарпинской оросительно-обводнительной системе в республике Калмыкия, показали высокую эффективность. Наблюдалось устойчивое снижение ми-нерализации с 4,3, до 0,66 г/л, при этом значительно уменьшилось содержание хлора с 78 до 28 мг/л, а содержание кальция увеличилось со 100 до 124 мг/л, что улучшило качество воды и обеспечило возможность ее использования на ороше-ние без негативных последствий. Применение разработанной технологии позволит обеспечить экономический эффект за счет снижения затрат на подачу воды на рисовую оросительную систему.
дренажно-сбросные воды, минерализация, биогенные вещества, очистка, сорбенты, биосорбционное сооружение, орошение
Введение
Орошаемое земледелие является одним из существенных потребителей пресной природной воды в сельскохозяйственном производстве, особенно это касается рисовых оросительных систем, на которых на возделывание риса затрачивает от 13 до 28 тыс. м3/га оросительной воды [1]. При этом значительная ее часть (более 20 %) в виде дренажно-сбросных вод поступает за пределы системы, оказывая существенное негативное влияние на компоненты природной среды. Для рационального использования водных ресурсов, повышения ценности экосистемных услуг, предотвращения процессов деградации земельных угодий и загрязнения водных объектов, а также поддержания экологической устойчивости мелиорируемых агроландшафтов, необходимо улучшение качества дренажно-сбросных вод и их преимущественное повторное использование на орошение. Особенно остро это проявляется в вододефицитных регионах, где практически все природные водные объекты в силу специфики климата имеют повышенную минерализацию. Недостаточность качественных водных ресурсов сдерживает развитие растениеводства, особенно рисосеяния, для которого благоприятны климатические условия. К таким регионам относится республика Калмыкия, которая испытывает недостаток водных ресурсов из-за чего в настоящее время орошаемые площади, особенно под посевы риса в Сарпинской низменности ежегодно сокращаются. Одним из возможных направлений повышения эффективности использования водных ресурсов является очистка и водоподготовка дренажно-сбросных вод с рисовых оросительных систем с последующим их использованием на орошение [2].
Цель исследования – разработка природоподобной агроинженерной технологии очистки и улучшения качества слабоминерализованных сбросных вод с рисовых оросительных систем.
Объект и методика исследований
Сарпинская низменность республики Калмыкия характеризуется низкой влагообеспеченностью (годовая сумма осадков 243…278 мм), высокой испаряемостью (1100…1180 мм/год) и суммой активных температур (Σt > 100C = 3300…35000C). Площадь сельскохозяйственных угодий на 2019 год составляет 1,27 млн га, исторически сложившаяся специализация сельскохозяйственного производства – животноводство (овцеводство и мясное скотоводство) и земледелие (производство кормовых и зерновых: риса, озимой пшеницы и ярового ячменя). Пашня составляет в среднем по зоне 22% от площади сельхозугодий. Площадь пахотных орошаемых земель 17,6 тыс. га или 4,8 % от общей площади пашни и 1,1 % от площади сельхозугодий. В последние годы ввиду нехватки воды площади под посевы риса сокращаются: если в 2010 году по рис использовалось 5300 га, то в 2019 году 3300 га [3]. Основным источником орошения является река Волга, вода которой при низкой минерализации до 0,7 г/л может иметь разнообразный химический состав: от гидрокарбонатно-кальциевого до сульфатно-кальциево-натриевого типа. Дренажно-сбросной сток в период затопления риса имеет минерализацию 0,9-1,7 г/л, по химическому составу хлоридно-натриевый, а к концу вегетации и во вневегетационный период содержание солей возрастает до 6,0 -7,0 г/л при преобладании ионов хлора, сульфата и натрия. Оценка качества дренажно-сбросных вол показала, что они относятся к III-IV классам. Ирригационный коэффициент составляет 5,33, что характеризует воду как неудовлетворительного качества для орошения и ее использование может вызывать процессы засоления и осолонцевания почвы, а повышенные значения pH неблагоприятно сказываются на продуктивности с.-х. культур, особенно при их возделывании на тяжелых почвах. Поэтому применение ранее разработанных водооборотных технологий на рисовых оросительных системах, включающих использование неподготовленных дренажно-сбросных вод (ДСВ) на орошение [4,5,6,7] может негативно повлиять на урожайность, качество риса и плодородие почвы.
Для предотвращения негативного воздействия вод требуется их очистка от биогенных загрязнителей, снижение общей минерализации до допустимых пределов и формирование благоприятного соотношения основных ионов.
Результаты и обсуждение
Во ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова» разработана агроинженерная технология очистки и обессоливания ДСВ с рисовых систем, в основу которой положена предпосылка об использовании естественных процессов сорбции минеральными природными и искусственными сорбентами и поглощение загрязняющих веществ и отдельных солей высшей водной растительностью (ВВР). ВВР обладает способностью удалять из воды загрязняющие вещества: биогенные элементы (азот, фосфор, калий), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты, что широко используется при очистке сточных вод. Принцип действия предлагаемой технологии заключается в мобилизации природных возможностей самоочищения экосистем водных объектов, что позволяет минимизировать применение материально-технических средств и энергетических ресурсов.
Прототипом являются габионные очистные фильтрующие сооружения [8]. Отличительная особенность при очистке ДСВ с рисовых оросительных систем состоит в том, что, помимо биогенных загрязнителей и тяжелых металлов, необходимо понизить минерализацию воды за счет снижения ионов хлора, натрия и магния, а также сбалансировать соотношение Са/Na и разность (СО32- + НСО3-)-(Са2+ + Mg2+). Для этого потребуется дополнительная обработка воды кальцийсодержащими веществами.
Для подбора сорбентов и изучения солепоглащающей способности растений, растущих в условиях резко континентального климата Сарпинской низменности, были проведены исследования в условиях максимально приближенных к естественным на специально разработанной установке. Для исследования были выбраны природные и искусственные материалы, обладающие сорбционными свойствами: агроионит, диатомит, сапропель, цеолит, перлит, вермикулит, а также местные солепоглощающие растения: рогоз широколистный (Týpha latifólia), осока черная (Carex nigra) и осока обыкновенная (Carex nigra). Результаты исследований показали, что для эффективного обессоливания можно использовать сорбенты агроионит, состоящий из набора слоистых алюмосиликатов группы глауконитов и глинистых минералов группы монтмориллонитов, и диатомит. Для усиления сорбционных свойств был разработан комплексный сорбент, включающий сорбенты агроионит и перлит, которые обладают разными механизмами сорбции. Указанные сорбенты в сочетании с ВВР показали наилучший эффект по очистке и обессоливанию ДСВ на модельном опыте.
Для использования в натурных условиях было разработано и запроектировано специальное биосорбционное сооружение (БСС) применительно к очистке дренажно-сбросных вод с рисовых оросительных систем. В состав БСС входят четыре ступени очистки: отстойник, фильтрующая камера с диатомитом и щебнем, комплексное биоплато, фильтрующая камера со специально разработанным комплексным сорбентом (рисунок 1).
Рисунок 1 - Структурная схема биосорбционного сооружения (профиль)
Вода в биособционное сооружение закачивается из сбросного канала в отстойник с помощью насоса, где происходит осаждение взвешенных веществ. Отстойник в составе БСС выполняет также функцию аккумулирующей ёмкости, обеспечивая приём поступающей воды. Расчет рабочего объема отстойника выполнялся по рекомендациям НИИ ВОДГЕО [9]. Скорость воды в аккумулирующей емкости-отстойнике определяется конструкцией фильтрующей камеры с зернистой загрузкой и должна обеспечивать необходимую эффективность очистки от взвешенных частиц. Следует заметить, что ДСВ, как правило, содержат незначительное количество взвешенных частиц, поэтому скорость течения определяется расходом фильтрации через фильтрующие элементы. Этот расход в зависимости от размеров сооружения может составлять от 1 л/с до 100 л/с и более. Из отстойника осветлённая вода фильтруется через камеру, заполненную щебнем средней фракции (20х40мм) и диатомитовым порошком NDP-600 с целью доочистки от взвешенных частиц и сорбции диатомитом тяжелых металлов и некоторых солей.
После фильтрующей камеры сток попадает на комплексное биоплато, на котором высажена высшая водная растительность, которая произрастает непосредственно в зоне сбросного канала. ВВР также служит субстратом для дальнейшего развития различных видов водорослей, грибков, бактерий. Благодаря совместному действию сообществ растений и микроорганизмов происходит наилучшее поглощение биогенных веществ, тяжелых металлов, насыщение воды кислородом. Для повышения эффективности очистки в биоплато установлены специальные сооружения (демпферы) для гашения скорости потока, что необходимо для увеличения времени контакта воды с растительным сообществом. Кроме того, исключается проблема вымывания почвы из камеры биоплато.
На заключительном этапе вода попадает в фильтрующую камеру со специально разработанным для данного типа воды комплексным сорбентом (агроионит + перлит агротехнический), где происходит окончательная доочистка стока, кондиоцирование воды для ее последующего использования. После очистки вода перекачивается в оросительный канал для повторного использования на орошение риса или сбрасывается в водные объекты.
Проверка технологии выполнялась на Сарпинской ООС в Калмыкии. Площадь системы составляет 46,5 тыс. га. Под производство риса занято 24,2 тыс. га (это общая площадь затопления в системе). Сооружение рассчитано на подачу воды расходом 1 л/с, его параметры следующие: длина 55 м, ширина 3,2 м, объем отстойника 20 м3.
Строительство сооружения осуществлялось в мае 2021 года непосредственно возле сбросного канала с целью возможности забора воды помпой. Пуск сооружения произведен в июне 2021 г. Общий вид построенного опытного биосорбционного сооружения представлен на рисунке 2.
Вода из сбросного канала подавалась мотопомпой в начало БСС. Минерализация воды в сбросном канале составляла 4,3 г/л. С 1 по 11 июня регулярно два раза в сутки в 9-00 и 20-00 выполнялись замеры электропроводности воды на входе и выходе из биосорбционного сооружения, а также производился отбор проб воды на химический анализ. Результаты наблюдений представлены в таблице 1.
.jpg)
Рисунок 2 – Общий вид опытного биосорбционного сооружения на Сарпинской рисовой оросительной системе в Калмыкии
Таблица 1 – Результаты химических анализов проб воды в сбросном канале и на выходе из БСС
|
Дата и время отбора проб |
Минерализа- ция (г/л) |
Ca2+ (мг/л) |
Cl- (мг/л) |
SO42-(мг/л) |
NH4+ (мг/л) |
К+ (мг/л) |
HCO3-(мг/л) |
|
Сбросной канал |
4,3 |
100,5 |
78,2 |
4,23 |
1,452 |
12,446 |
204 |
|
01.07.2021 (9:00) |
0,82 |
88,92 |
69,34 |
4,2 |
1,234 |
8,235 |
186 |
|
2.07.2021 (9:00) |
0,65 |
99,12 |
66,54 |
3,87 |
1,322 |
5,774 |
200 |
|
2.07.2021 (20:00) |
0,65 |
99,65 |
65,2 |
3,9 |
1,248 |
4,961 |
178 |
|
3.07.2021 (9:00) |
0,65 |
100,23 |
63,7 |
3,76 |
1,217 |
1,935 |
176 |
|
3.07.2021 (20:00) |
0,57 |
100,15 |
52,80 |
3,55 |
1,208 |
1,483 |
165 |
|
4.07.2021 (9:00) |
0,57 |
100,20 |
48,87 |
3,45 |
1,245 |
0,814 |
164 |
|
4.07.2021 (20:00) |
0,57 |
101,33 |
46,95 |
3,5 |
1,256 |
0,776 |
159 |
|
5.07.2021 (9:00) |
0,57 |
102,47 |
44,02 |
3,29 |
1,156 |
0,762 |
153 |
|
5.07.2021 (20:00) |
0,49 |
103,60 |
41,75 |
3,23 |
1,146 |
0,567 |
148 |
|
6.07.2021 (9:00) |
0,49 |
104,73 |
39,32 |
3,25 |
1,149 |
0,379 |
143 |
|
6.07.2021 (20:00) |
0,57 |
106,17 |
36,90 |
3,16 |
1,145 |
0,316 |
142 |
|
7.07.2021 (9:00) |
0,49 |
106,34 |
34,47 |
3,08 |
1,139 |
0,255 |
138 |
|
7.07.2021 (20:00) |
0,57 |
108,72 |
32,04 |
3,02 |
1,203 |
0,243 |
134 |
|
8.07.2021 (9:00) |
0,65 |
108,8 |
34,44 |
3,1 |
1,201 |
0,132 |
132 |
|
8.07.2021 (20:00) |
0,49 |
110,6 |
33,51 |
2,99 |
1,093 |
0,135 |
129 |
|
9.07.2021 (9:00) |
0,57 |
112,4 |
32,58 |
3 |
1,099 |
0,058 |
130 |
|
9.07.2021 (20:00) |
0,65 |
114,2 |
31,66 |
2,83 |
1,054 |
0,055 |
126 |
|
10.07.2021 (9:00) |
0,66 |
117,09 |
30,49 |
2,74 |
1,055 |
0,023 |
126 |
|
10.07.2021 (20:00) |
0,65 |
116,3 |
30,45 |
2,7 |
1,053 |
0,025 |
124 |
|
11.07.2021 (9:00) |
0,65 |
120,8 |
28,27 |
2,77 |
0,959 |
0,013 |
122 |
|
11.07.2021 (20:00) |
0,66 |
124,6 |
28,12 |
2,56 |
0,954 |
0,016 |
120 |
Как видно из таблицы, в биосорбционном сооружении происходит очистка и деминерализация воды. Минерализация воды понижается с 4,3 г/л до 0,49…0,66 г/л, то есть почти в 10 раз, что связано с процессами сорбции, происходящими при контакте с диатомитом и комплексным сорбентом. Кроме того, вода обогащается ионом кальция, его содержание увеличилось за 10 дней с 100,5 мг/л до 124, 6 мг/л, то есть на 20 %, а ион хлора уменьшается с 78,2 до 28,12 мг/л, в 2,6 раза. Таким образом, соотношение Са/Na в воде улучшилось (рисунок 3).
Рисунок 3 – Диаграмма изменения минерализации и химического состава воды на входе в БСС и выходе из него
Роль высаженных растений заключалась в поглощении биогенных элементов NH4+ и К+, произошло снижение NH4+ с 1,45 до 0,94 мг/л, а иона калия с 12,4 до 0,016. Вода, прошедшая через БСС, полностью соответствует качеству оросительной воды, которая подается на рисовую оросительную систему. Экономический эффект достигается за счет снижения затрат на подачу воды. Так, по данным ФГБУ "Управление "Калммелиоводхоз" в 2021 году плата за оказание услуг по подаче 1 куб.м.воды с учетом НДС составила 0,17 руб./куб.м в зоне безмашинного подъема и 0,5 руб./куб.м в зоне машинного подъема.
Заключение
В качестве одного из возможных мероприятий по экономии водных ресурсов на рисовых оросительных системах и охране окружающей среды может стать повторное использование дренажно-сбросных вод на орошение риса или сопутствующих культур. Для этих целей разработано и прошло производственную проверку в Калмыкии новое инженерное биосорбционное сооружение, обеспечивающее эффективное снижение минерализации воды и ее очистку от биогенных элементов. Снижение минерализации составило с с 4,3 г/л до 0,49…0,66 г/л, а аммонийного азота с 1,45 до 0,94 мг/л, также наблюдалось уменьшение содержания хлора и увеличение содержания кальция, что благоприятно сказалось на качестве воды.
В зависимости от объема дренажно-сбросных вод и территориальных возможностей рисовых систем для строительства биосорбционных сооружений, экономия водных ресурсов может составить более 30%.
1. Амелин В.П., Владимиров С.А. Эколого-ландшафтные основы устойчивого рисоводства: монография / КубГАУ. - Краснодар, 2008. - 447 с.
2. Кирейчева Л.В. Дренажные воды как альтернативные водные ресурсы для орошения // Мелиорация и водное хозяйство. 2018 №4. С. 13-17
3. Suprun, V.A., Shiryaeva, M.A. Engineering biosorptional construction for drainage water treatment// IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, 723(4), 042021
4. Н.В. Островский В.О. Шишкин Технология повторного использования дренажно-сбросного стока на внутрихозяйственном звене рисовых систем //Известия Нижневолжского Агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование № 3 (47), 2017 c. 1-9
5. Островский, Н.В. Технологическое обоснование автономных водоподъемников для повторного использования сбросных вод в низовом звене рисовых систем [Текст] : дис. ... канд. техн. наук / Н.В. Островский. - Краснодар, 2000. - 146 с.
6. Кизюн Ж.В. Технологические приемы использования дренажно-сбросных вод для орошения на внутрихозяйственном звене рисовых систем, автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Краснодар-2014.-170 с.
7. Водооборотная рисовая оросительная система / А.Н. Семененко, А.В. Сербинов, В.В. Лысенко. Труды Куб СХИ. Вып. 224(252). - Краснодар, 1983. - с. 127-132.
8. Чесалов С.М., Лион Ю.А., Птицын В.В., Малоземов А.В. 2014. Габионные очистные фильтрующие сооружения для очистки поверхностных сточных вод // ВСТ. Водоснабжение и санитарная техника. №9. С.69-76.
9. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты. - М., ФГУП «НИИ ВОДГЕО» 2006. 56с.
