г. Москва, Россия
г. Москва, Россия
Россия
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
Внесение минеральных удобрений оказывает негативное влияние на агробиоценоз. Повышение концентрации нитратного азота в поливной воде в целях использования ее в качестве азотного удобрения, не оказывающего отрицательного воздействия на окружающую среду, представляется актуальным. Изменение содержания нитратного азота определяли в поливной воде, в качестве которой использовали проточную воду городского водоснабжения (Москва); прудовую воду (Московская область); раствор калиевой селитры с концентрацией 50,9 мг/л. Поливная вода трех видов обрабатывалась при помощи высоковольтной установки. Экспериментальная электрогидравлическая установка состояла из трансформатора ТВИ-50/70 с выпрямительным блоком; системы накопления электрической энергии постоянного тока (импульсные высоковольтные конденсаторы); разрядников, предназначенных для формирования импульсных искровых разрядов с малой длительностью фронта; органов управления, позволяющих изменять технологические режимы при проведении экспериментов; рабочие органы. При проведении исследований использовали pH-метр/иономер ИТАН, согласно методике РД 52.24.367-2010. Технологический режим работы электрогидравлической установки предусматривает следующие характеристики: рабочее напряжение 42 кВ; емкость конденсаторов 0,05 мкФ; количество искровых разрядов n=1…5 тыс. шт.; формирующий промежуток между шаровыми разрядниками ФП=14 мм; рабочий промежуток между рабочими высоковольтными электродами 10 мм. Электрогидравлическая обработка воды увеличивает концентрацию соединений нитратного азота в проточной воде городского водоснабжения в 3,7 раза (с 2,9 до 10,9 мг/л), в прудовой воде – в 7 раз (с 1,2 до 8,4 мг/л), в растворе калиевой селитры – в 1,3 раза (с 50,9 до 68,4 мг/л). В обработанной электрогидравлическим способом воде повышается содержание нитратного азота, что расширяет возможности для ее использования при поливе растений
высоковольтные конденсаторы, искровые разряды, нитрат-ионы, растениеводство, удобрения, эвтрофикация, электрогидравлическая установка
Рост и развитие растений напрямую зависит от содержания питательных веществ в почве или почвенном субстрате. Поэтому для повышения урожайности необходимо применять удобрения.
Коэффициент полезного использования вносимых азотных удобрений овощами не превышает 50 %. Поэтому существует проблема вымывания его соединений в близлежащие водоемы из-за чего может происходить интенсивная эвтрофикация прудов, озер, рек, которая характеризуется чрезмерным ростом зеленой массы водорослей и фитопланктона. Это может иметь негативные последствия для источников питьевой воды, среды обитания рыб. Экономический урон от эвтрофикации в Соединенных Штатах составляет примерно
2,2 млрд долл. США в год [1].
Для повышения экологичности оптимизации условий минерального питания растений разработаны менее вредные для окружающей среды органические удобрения [2, 3].
Кроме того, большое количество отходов, хранение которых также наносит вред окружающей среде, образуется в результате работы предприятий по производству минеральных удобрений [4].
Электрогидравлическая обработка почвы положительным образом сказывается на выращиваемых растениях. В результате ее проведения возрастает способность почвы или почвенного субстрата удовлетворять потребности растений в необходимых питательных веществах в достаточном количестве [5]. В качестве объекта электрогидравлического воздействия может также использоваться поливная вода.
Цель исследований – изучение возможных способов повышения концентрации нитратного азота в поливной воде для потенциального использования в качестве азотного удобрения.
Условия, материалы и методы исследований. Работу проводили в 2020 г. в лаборатории Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (г. Москва) с использовании экспериментальной электрогидравлической установки, в состав которой входит трансформатор ТВИ-50/70 с выпрямительным блоком [6]; система накопления электрической энергии постоянного тока (импульсные высоковольтные конденсаторы) [7]; разрядники, предназначенные для формирования импульсных искровых разрядов с малой длительностью фронта [8]; органы управления, позволяющие изменять технологические режимы при проведении экспериментов; рабочие органы; высоковольтный электрод (стержень); низковольтный электрод (диск) [9, 10].
Изменение содержания нитратного азота определяли в поливной воде, в качестве которой использовали проточную воду городского водоснабжения (Москва); прудовую воду (Московская область); раствор калиевой селитры с концентрацией 50,9 мг/л.
Образцы подвергали электрогидравлическому воздействию высоковольтных искровых разрядов при следующих технологических режимах работы установки: рабочее напряжение U = 42 кВ; емкость конденсаторов
С = 0,05 мкФ; количество искровых разрядов
n = 1…5 тыс. шт.; формирующий промежуток между шаровыми разрядниками ФП=14 мм; рабочий промежуток между высоковольтными электродами РП=10 мм.
Объем воды, помещаемый в рабочий орган установки – 2,5 л. Продолжительность электрогидравлического воздействия для количества искровых разрядов n=1 тыс. шт. составляла 9…10 мин, n=2 тыс. шт. – 16…17 мин,
n=3 тыс. шт. – 25…26 мин, n=4 тыс. шт. –
3…34 мин, n=5 тыс. шт. – 45…50 мин.
Температуру объектов исследования измеряли термодатчиком иономера. У контрольных образцов воды и раствора калиевой селитры она составляла 15…16 ⁰С, у экспериментальных по мере увеличения количестве разрядов с 1 тыс. шт. до 5 тыс. шт. – возрастала до 18…24 ⁰С соответственно. Процесс электрогидравлической обработки воды всегда сопровождается незначительным повышением температуры ее, что не оказывает влияния на достоверность исследования.
Концентрацию нитрат-ионов определяли непосредственно после электрогидравлической обработки pH-метром/иономером ИТАН в соответствии с методикой РД 52.24.367-2010 [11] в трехкратной повторности.
Измерения проводили в присутствии индифферентного электролита, который выступал в качестве буферного раствора, сохраняющего установленное значение ионной энергии в опытных пробах воды. Эта особенность допускает градуировку измерительного средства в единицах концентрации, а не активности нитрат-ионов. Содержание нитратного азота в образцах воды определяли вычислением градуировочной зависимости величины электродного потенциала от значения отрицательного логарифма активности нитрат-ионов [12].
Анализ и обсуждение результатов исследований. Обработка искровыми разрядами приводила к снижению концентрации нитрат-ионов Наименьшей она была зафиксирована в растворе калиевой селитры, наибольшей – в
проточной воде (см. табл.).
Для исключения неточностей и подтверждения достоверности результатов эксперименты по количественному измерению содержания нитратного азота повторяли при одинаковых технологических условиях и режимах в течение пяти дней. Погрешность измерений не превышала 5 %. Концентрация нитрат-ионов и нитратного азота в воде обратно пропорциональны, снижение содержания нитрат-ионов привело к повышению количества нитратного азота (см. рисунок). В результате при увеличении числа искровых высоковольтных разрядов, генерируемых в воде, концентрация нитратного азота в абсолютных единицах в проточной воде городского водоснабжения увеличивалась с 2,9 до 10,9 мг/л, в прудовой воде – с 1,2 до 8,4 мг/л, в растворе калиевой селитры – с 50,9 до 68,4 мг/л, или в 3,7, 7,0 и 1,3 раза.
Выводы. Обработку поливной воды электрогидравлическим методом можно считать одним из способов повышения концентрации нитратного азота. В проточной водопроводной воде она возрастала в 3,7 раз (с 2,9 до 10,9 мг/л), в прудовой – в 7 раз (с 1,2 до
8,4 мг/л), в растворе калиевой селитры – в 1,3 раза (с 50,9 до 68,4 мг/л).
1. Eutrophication of U.S. Freshwaters: Analysis of Potential Economic Damages / W. K. Dodds, W. W. Bouska, J. L. Eitzmann, et al. // Environ. Sci. Technol. 2009. 43 (1). P. 12-19. doi:https://doi.org/10.1021/es801217q.
2. Partial substitution of chemical fertilizer with organic amendments affects soil organic carbon composition and stability in a greenhouse vegetable production system / H. Luan, W. Gao, S. Huang, et al. // Soil and Tillage Research. 2019. Vol. 191. P. 185-196. doi:https://doi.org/10.1016/j.still.2019.04.009.
3. Organic and inorganic fertilizers respectively drive bacterial and fungal community compositions in a fluvo-aquic soil in northern China / H. Pan, M. Chen, H. Feng, et al. // Soil and Tillage Research. 2020. Vol. 198. 104540. doi:https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104540.
4. Власян С.В., Шестозуб А.Б., Волошин Н.Д. Получение азотного удобрения на основе отхода производства кальциевой селитры // Технические науки - от теории к практике. 2013. № 17-2. С. 27-32.
5. Electrotechnology as one of the most advanced branches in the agricultural production development / V.I. Baev, I.V. Yudaev, V.A. Petrukhin, et al. // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development Сер. «Advances in Environmental Engineering and Green Technologies» Hershey, Pennsylvania. 2018. С. 149-175.
6. Мусенко А.А., Степанычев Ю.А. Моделирование электрогидравлической установки для обработки воды // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 3 (32). С. 313-318.
7. СВЧ-установка для обеззараживания зерна и продуктов его переработки / А.А. Белов, В.Ф. Сторчевой, М.В. Белова и др. // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2014. № 6. С. 101-107.
8. Energy-saving system development based on heat pump / A.N. Vasiliev, I.G. Ershova, A.A. Belov, et al. // Amazonia Investiga. 2018. Vol. 7. No. 17. P. 219-227.
9. Белопухов С.Л., Дмитревская И.И., Сторчевой В.Ф. Портативный озонатор «Трифон» для предприятий АПК // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2016. № 1. С. 30-32.
10. Модульная установка для обработки зерна / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, А.А. Васильев и др. // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2014. № 5. С. 27-30.
11. Optimization of microclimate parameters inside livestock buildings / G. N. Samarin, A. N. Vasilyev, A. A. Zhukov, et al. // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019. Vol. 866. P. 337-345.
12. Innovations in technologies of agricultural raw materials processing / M.V. Belova, G.V. Novikova, O.V. Mikhailova, et al. // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11. No. 6. P. 1269-1277.
