Органические дисперсные системы

органический минеральный дисперсный компост Почвы образуются при разрушении горных пород в процессе выветривания и почвообразования (выщелачивание, гидролиз и т. д.). Эти процессы приводят к образованию окислов: нерастворимых — типа SiO_2, Al₂O_3, Fe₂O₃ (точнее, их гидроокисей) и растворимых — типа RO и R₂O (R — металл). Состав поглощенных катионов определяет физическое состояние комплекса. Отдельные поглощенные катионы показывают разную сопротивляемость разрушительному действию воды. Наибольшее влияние оказывают катионы Li⁺, Na⁺, NH₄⁺, K⁺. Вследствие значительной гидратации нерастворимых соединений почвы и дальнейшего взаимодействия в процессе взаимной коагуляции образуются коагели, близкие по свойствам к гелям [12, 33, 38, 39]. Коллоидно-химические процессы определяют многообразие существующих типов почв.

Чернозёмы степной зоны средней полосы, с коими мы работали свыше 15 лет, образованы в условиях умеренной влажности [31, 33], при которых Ca²⁺ и Mg²⁺ не вымываются и, взаимодействуя с гуминовыми кислотами, образуют нерастворимые высокомолекулярные коллоидные частицы (гуматы Ca²⁺ и Mg²⁺). При коагуляции положительно заряженных частиц R₂O₃ с отрицательно заряженными гуматами и SiO₂ возникают структурированные коагели, составляющие основу для образования плодородной почвы, которую можно определить как минерально-органическую (органических веществ до 5−10%) дисперсную систему (содержание минеральных веществ доходит до 90−95) [15, 16].

Осадки сточных вод представляют собой в разной степени переработанные микроорганизмами отходы жизнедеятельности человека; их состав весьма разнообразен и в значительной степени зависит от типа питания человека, отходов овощей и фруктов и в основном представлен органическими соединениями (в сухой массе до 89%) с участием минеральных веществ до 10%, а также включает около 1% ПАВы, яйца гельминтов, тяжелые металлы, нефтяные включения и т. д.

Дисперсный состав сточных вод, представляющих собой разную степень раздробления загрязняющих веществ. По степени дисперсности загрязняющие вещества сточных вод делятся на грубодисперсные, нерастворимые коллоидные примеси, растворимые — до молекулярной степени дисперсности и растворимые до ионной степени дисперсности. Грубодисперсные осадки имеют размер частиц свыше 10 мкм — суспензии, а также эмульсии, нерастворимые в воде. В составе эмульсии находятся частицы другой жидкости, не растворенные в воде. Суспензии представляют собой твердые частицы, также не растворимые в воде; они могут всплывать или выпадать в осадок; общий их объем около 89−90% [15, 16, 17].

Нерастворимые коллоидные примеси (0, 1−0, 001 мкм) — гидрофильные и гидрофобные, включая гидроокиси, кремний, беззольный уголь и др., самопроизвольно не осаждаются, а осаждаются, когда нарушается их агрегатная устойчивость; их объем составляет 5−6%. Растворимые до молекулярной степени дисперсности (< 0, 01 мкм) растворы, придающие воде окраску, запах, БПК и ХПК обусловлены наличием примесей этой группы; их объем составляет 4−5%.

Растворимые до ионной степени дисперсности (< 0, 1 мкм) основания, кислоты и соли кислот. Извлекают эту группу сложными физико-химическими методами; последовательность операции в очистных сооружениях должна соответствовать нарастанию дисперсности; их объем занимает 1−2%.

Осадки сточных вод классифицируют по агрегатному состоянию (газообразные, жидкие, твердые и пастообразные); химическому составу (органические и неорганические); происхождению (бытовые, промышленные и сельскохозяйственные); утилизируемые как вторичные материальные ресурсы, пригодные к использованию на этом этапе развития научных технологий, и не утилизируемые — отбросы; токсическому действию — опасные и не опасные вещества. ОСВ в целом оценивается как органическая дисперсная система [19].

Дефекат является основным отходом свекловичного производства и представляет собой фильтрационный осадок. Его состав определяется количеством несахаров в свекловичном соке, а также содержанием извести, используемой для его очистки. Содержит углекислую и едкую известь, азотистые вещества, сахара, безазотистые органические соединения, около 0, 3−0, 5% азота и минеральные соли, включая 0, 5−1, 0% Р₂О₅. Наиболее доступный способ использования дефеката — это его утилизация в качестве удобрения. Дефекат насыщает почву ионами кальция, недостаток которого особенно ощущается на кислых почвах [19].

Кальций является поглощающим катионом, придающим почвам структуру, наиболее прочную и благоприятную в сельскохозяйственном отношении. Кальций — единственный катион, который может насыщать почву без всякого вреда для растений, является основным компонентом почвенного поглощающего комплекса и на его долю приходится от 40 до 75% катионообменной емкости этого отхода. Благодаря высокому содержанию обменного кальция дефекат обладает агрономической структурой, физическими и физико-биологическими свойствами, которые при внесении в почву способствуют повышению её плодородия.

В процессе переработки сахарной свеклы дефекат поступает на хранение с содержанием воды 50%, обычно подсыхает 1−2 года, а затем используется для известкования кислых почв. Дефекат оценивается как минерально-органическая (содержание органических веществ до 8%) дисперсная система (содержание минеральных веществ до 92%).

Древесные опилки представляют собой дробленую древесину, отличающуюся повышенным содержанием лигнина; оценивается как органическая дисперсная система, включающая 10−15% минеральных и 85−90% органических соединений.

Перегной включает переработанные микроорганизмами отходы животноводства — навоз крупного рогатого скота и свиней, а также остатков растениеводческой продукции и представлен в основном органическими соединениями (до 90% и больше в сухой массе) с небольшим участием минеральных веществ, на долю которых приходится до 10%. Перегной (гумус — земля, почва — сложный комплекс весьма устойчивых органических и минеральных темноокрашенных соединений) сформировался в силу биологических и биохимических преобразований остатков растительных и животных организмов (распада и синтеза новых соединений).

В перегное сохраняются важнейшие элементы питания растений: углерод, азот, фосфор, сера, кальций и некоторые другие; под влиянием микроорганизмов такие элементы питания становятся доступными для растений [20, 21]. Перегной воздействует на минеральную часть почвы, способствует освобождению элементов питания растений, поглощает и удерживает в почве кальций, магний и другие химические элементы, связывает минеральные части почвы в комочки, обеспечивая создание водоустойчивой структуры; составляет основу почвообразования через процессы накопления, передвижения и разложения органических веществ. Содержание перегноя, как и его запасы в почвах сильно колеблются (таблица). В целом перегной можно оценить как высокодисперсную органическую систему.

Таблица. Содержание перегноя в почвах.

Торф — органогенная горная порода, представляющая скопление в условиях болот подвергшихся неполному разложению отмерших растений. Разложение торфа связано с глубиной процесса распада и гумификации растительных тканей и особенностями растений-торфообразователей. Торфообразование в основном проходит в верхнем слое растительных остатков. Химический состав зависит от состава растений-торфообразователей и уровня их разложения. Торф содержит битуминозные вещества, углеводы (целлюлоза и легко гидролизуемые лигнины), гуминовые кислоты, образующиеся в процессе разрушения углеводов; содержит азота при верхнем типе формирования — 2−4%, низинном — 6−18%. Используется на удобрение, на подстилку животным и птице, на мульчирование почвы, входит в состав смеси для приготовления торфоперегнойных горшочков. Из наиболее богатых азотом, фосфором и калием низинных торфов изготавливают мелкую крошку.

Для обогащения легко усвояемыми для растений питательными веществами торф компостируют с навозом, осадками сточных вод, минеральными удобрениями. Сфагновый мох, обладающий высокой влагоемкостью и газопоглотительной способностью, используется на подстилку животным; суточная норма торфяной подстилки на одну голову для коров — 5−6 кг, свиней — 2, 5−3, 0 кг, лошадей — 4, 5 кг. Торфяные кислоты образуются при компостировании торфа в смеси с навозом, навозной жижей, фекалиями с добавлением золы, извести, фосфорной муки. При компостировании усиливается положительное действие торфа и других компонентов компоста на плодородие почвы. При внесении в почву или в состав компоста используется в дозах, как и навоз. Рассматривается как органическая дисперсная система.

Сапропель (грязь, по-гречески глинистый ил) — органические илы, коллоидальные отложения континентальных водоемов, содержащие большое количество органического вещества и остатков водных организмов в сочетании с некоторыми количествами неорганических компонентов. Имеет оливковый цвет, бурый, иногда чёрный, при наличии известковистых и глинистых примесей — серый, розовый, желтоватый.

Сапропель имеет биологическое происхождение и формируется на дне пресноводных водоемов в результате естественных процессов бактериального разложения растительных и животных продуктов при малом доступе кислорода. Он обладает хорошей пластичностью, вязкостью, липкостью, адсорбционными свойствами; отличается многоцветностью окраски — от коричневой, темно-оливковой, зеленоватой, голубоватой, до розовой и красноватой, экологически чист и богат органическими и минеральными веществами. В любом озере находится 2−3 вида сапропеля, и его состав зависит от глубины залегания, удаленности от берега и окружения озера.

В естественном состоянии сапропель представляет студенистую, пастообразную массу с содержанием воды 70−75%, без вкуса и запаха. Образование сапропеля началось в раннем голоцене после ухода талых ледниковых вод. Сапропель богат азотом (свыше 2−4%), органическим веществом (от 55 до 75%), зольными элементами (от 25 до 35%); много фосфора (от 1 до 1, 5%), оксида кальция (2−4%). В нем содержится большое количество марганца (около 300 мг/кг), цинка (35 мг/кг), 14 аминокислот (лизин, аргинин, серин, валин, лейцин, аланин, изолейцин и др.), а также глутаминовая и аспарагиновая кислоты (до 1% на сухое вещество) и 5 витаминов, среди которых содержание витамина, А составляет 36 мг/кг. Рассматривается как органическая дисперсная система.

Сапропелиты (сапропелевые угли) — твердые горючие ископаемые из группы каустобиолитов, образовавшиеся отвердеванием (уплотнением) разложившихся остатков (в основном водорослевый планктон). Сапропелиты образованы бесструктурным коллоидным веществом сапропелевого типа. Глинистые разновидности сапропелевых углей имеют слоистое сложение. Рассматриваются как органическая дисперсная система.

Навоз — твердые и жидкие экскременты животных в смеси с подстилкой (солома, торф); полное удобрение, содержит N и все элементы зольной пищи. В 1 т полуперепревшего навоза содержится 5 кг N, 2, 5 Р₂О₅ и 6 кг К₂О. В состав навоза входит органическое вещество, внесение которого улучшает физические и химические свойства почвы; улучшается развитие почвенных микроорганизмов [20, 21, 22]. Количество и качество навоза зависит от вида животных, их кормления и подстилки. Навоз конский и овечий содержит меньше влаги и больше N и К₂О, чем навоз КРС и свиней. Эффективность навоза зависит от способов его приготовления, хранения и внесения в почву. В хорошо уплотненных штабелях в навозохранилище азота теряется меньше, чем в бесформенных кучах.

По разложению различают свежий навоз, полуперепревший, перепревший и перегной. В свежем навозе подстилка остается еще прочной, на удобрение его можно использовать в компосте. Полуперепревший навоз теряет до 20−30% органических веществ, подстилка в нем сохраняет форму, в таком состоянии вносят под озимые или под зябь. Перепревший навоз представляет однородную темную массу, потеря органических веществ доходит до 50%. Перегной — рыхлая, черная, землистая масса. Количество перегноя составляет 25% от навоза свежего. Применяется для подкормки растений, в приготовлении торфоперегнойных горшочков, органоминеральных, гранулированных удобрений и смесей. Рассматривается как органическая дисперсная система [23, 24].

Навозная жижа — быстродействующее азотно-калийное удобрение, состоящее из жидких выделений животных и из продуктов разложения навоза КРС. Содержание азота от 0, 02 до 0, 8%, окиси калия — от 0, 5 до 1, 0%. Используется для полива сразу после приготовления, а также орошения сельскохозяйственных культур. Рассматривается как жидкая органическая дисперсная система.

Жидкий навоз свиней содержит 3−8% сухого вещества; в навозных стоках сухого вещества меньше 3%. Жидкий навоз имеет влажность 25−30%, что затрудняет его использование и переработку, увеличивает объем стоков. Свиной навоз включает кал, мочу, технологическую воду, безвозвратные потери корма, подстилку, физиологические выделения животных — щетина, эпидермис и др. Состав свиного навоза различен и включает органические (жиры, белки, углеводы) и минеральные вещества (вода, соли, глина, песок, газ), биологические структуры (микробы, бактерии, яйца гельминтов, вирусы, семена сорных растений), газы, включая O₂, H₂S, NH₃, CO₂, а также воду — свободную и связанную [25, 27].

Жиры, белки, углеводы обладают энергетической ценностью, разлагаются анаэробными микроорганизмами с выделением биогаза, содержат биогенные вещества и микроэлементы. Навоз содержит большие количества микроорганизмов, включая патогенные и условно патогенные, семена сорняков, выделяет вредные и дурно пахнущие вещества. Чтобы использовать для почвы, его необходимо подготавливать, поскольку неподготовленный свиной навоз может быть источником распространения дурного запаха, загрязнения окружающей среды и почвы вредными гельминтами и семенами сорняков.

Физически жидкий свиной навоз — это трехфазная суспензия, состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. Дисперсная (жидкая) фаза включает растворы: 1) минеральных солей, кислот, щелочей, 2) растворы органических соединений, 3) растворимые газы, 4) биологические структуры. Дисперсная (твердая) фаза включает: 1) нерастворимые органические вещества, 2) нерастворимые минеральные вещества, 3) биологические образования.

Количество газа относительно незначительное и свиной навоз можно представить как двухфазную систему. Дисперсионной средой является водный раствор минеральных солей, кислот, щелочей, низкомолекулярных соединений, входящих в состав экскрементов, и нерастворимых органических включений с очень малой гидравлической крупностью; дисперсная фаза — твердые частицы экскрементов, частицы корма, крупнодисперсные нерастворимые органические примеси, минеральные нерастворимые включения; биологические структуры находятся в жидкой и твердой фазе.

Твердые частицы и нерастворимые примеси (диаметр > 0, 1 мм) в жидком свином навозе находятся в грубодисперсном (крупные взвеси) и тонкодисперсном (суспензии, эмульсии, пена) состоянии, частицы диаметром от 0, 1 мм до 0, 1 мкм и находятся в виде коллоидов (диаметр 0, 1−0, 001 мкм). Растворимые соли и низкомолекулярные органические соединения находятся в молекулярно-дисперсном состоянии (диаметр <0, 001 мкм) и представляют истинный раствор; они не осаждаются в силу малого размера частиц и остаются во взвешенном состоянии.

Свойства жидкого свиного навоза делятся на физические, химические, биологические и коррозионные [35]. Физические свойства — общефизические (плотность, удельный вес, удельный объем, влажность), механические (гранулометрический состав), реологические (вязкость, коэффициент поверхностного натяжения, модуль упругости, предельное напряжение сдвига, гидравлическая крупность), органолептические (цвет, запах, вкус), теплотехнические (температура, удельная теплоемкость, удельная теплопроводность), электрические (электропроводность) [41].

Важным показателем состояния жидкого свиного навоза, влияющим на другие свойства, является влажность, которая зависит от системы удаления навоза. Влажность навоза при механическом содержании составляет 80−90%, при бесподстилочном — 90−95, при самотеке — около 96, при гидросмыве — 95−98% [4]. При разбавлении водой физически навоз приобретает свойства жидкости. Плотность навоза при влажности 92−99% колеблется от 1019 до 1003 кг/м³ [4].

Гранулометрический состав жидкого свиного навоза неоднороден, зависит от половозрастной группы, рациона и способа кормления. При кормлении концентрированными кормами содержание частиц размером от 0, 25−1, 00 мм составляет 64%, более 1 мм — 36%. При кормлении многокомпонентными микросмесями — соответственно 42 и 58% [4].

Реология характеризует текучесть, определяется вязкостью и напряжением сдвига. Именно текучесть определяет способ удаления, транспортировки и внесения навоза. Попадающие в навоз корма ухудшают его текучесть. Снижение вязкости по мере разбавления водой и повышения температуры является важной причиной изменения скорости расслоения и ведет к образованию осадочного и плавающего слоев с высоким содержанием твердых частиц.

Сухое вещество жидкого свиного навоза состоит из органической части (85−75%) и неорганической (15−25%) [34]. Органическое вещество включает основные (белки, жиры, углеводы) и структурные вещества (целлюлоза, лигнин, клетчатка, гемицеллюлоза), микроэлементы (Mn, Cu, Cd), биогены (N, P, K). Свиной навоз содержит 50−70% растворимого азота, хорошо усвояемого растениями [4]. Азотсодержащие соединения в навозе представлены в твердом, растворимом и коллоидном состояниях и способны переходить из одной фазы в другую. Доминирует в навозе аммонийная форма. Аммиак образуется в анаэробных условиях в процессе биологической деградации белковых форм и разложения мочевины. Содержащийся в жидком навозе фосфор органических соединений растениями используется лучше, чем фосфор минеральных удобрений. Калий в навозе представлен только растворимой формой в составе солей во взвесях и коллоидных частицах и потому легко усваивается. Растворимость питательных веществ жидкого свиного навоза повышенная.

Биологические особенности жидкого свиного навоза зависят от содержания бактериальных и грибных включений (бактерии, грибы, актиномицеты, одноклеточные водоросли, вирусы), яиц гельминтов, семян сорняков, которые представляют экологическую и агротехническую опасность. Количество биологических особей в исходном навозе достигает 7, 1· 10⁸ шт./мл, яиц гельминтов — 3−4 шт./л, семян сорняков — около 10 шт./л.

Коррозионные свойства жидкого свиного навоза определяются содержанием коррозионноактивных веществ (углекислота, растворимая известь, аммонийный азот, сульфатная и сульфитная сера, хлориды), среди которых большую роль отводят влажности навоза и внешним условиям (продолжительность воздействия, температура, доступ кислорода и др.).

Жидкий свиной навоз обладает энергетической и удобрительной ценностью благодаря наличию в нем минеральных, органических и биогенных веществ; способен вызвать биозагрязнение окружающей среды, засорение почвы, поэтому требует хорошей предварительной обработки. Минеральные и органические вещества в жидкой и твердой фазах находятся в разных формах (легко и трудноразлагаемые), и для повышения эффективности навоза требуется раздельная переработка фаз. Большие объемы жидкого навоза, отличающегося большой текучестью и растворимостью по сравнению с твердым, при внесении в почву могут быть причиной загрязнения окружающей среды.

При использовании гидросмыва для удаления навоза на свиноводческих комплексах образуется большое количество высококонцентрированных сточных вод, которые характеризуются значительным содержанием органических загрязнений, аммонийного азота и патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. Режим водоотведения на свиноводческих комплексах отличается крайней неравномерностью. Объем сточных вод, имеющих большую агрономическую ценность, варьирует в широких пределах (от 35 до 60 л/гол· сут).

Навозные стоки представляют собой сложную дисперсную систему, компоненты которой находятся в грубодисперсном, коллоидном и растворенном состояниях. ХПК стоков колеблется в пределах 7600−40 000 мл О₂/дм³, взвешенные вещества составляет 8000−39 600 мг/дм³, аммонийный азот — 48−1430, фосфаты 430−900, мочевина 1500−7200 мл/дм³, число яиц гельминтов колеблется от 100 экз./дм³ и выше.

Гранулометрический состав стока неоднороден и зависит от вида применяемых кормов, способов удаления и транспортировки. При этом взвеси с размером частиц до 1 мм из стоков удаляются трудно и составляют 35−60%. Для очистки стока используют совместно механические, физико-химические и биологические методы, причем последние нуждаются в аэробных условиях (аэротенки).

Концентрация азота в жидком навозе составляет в среднем 250−400 мл/дм³, но доочистка требует больших затрат, поэтому содержание азота остаётся не всегда допустимым для сброса в водоем. Кроме того, процессы нитрии денитрификации безвозвратно удаляют азот в атмосферу, снижая агрономическую ценность таких вод. Предлагаемая нами технологическая схема предусматривает очистку стоков с использованием фосфогипса и перегноя и позволяет после отстаивания в течение 1, 5−2, 0 часов снизить концентрацию аммонийного азота и фосфатов в среднем на 50%, а остаточную концентрацию взвешенных веществ удержать на уровне 20−30 мг/л. Жидкая часть отхода может быть очищена в значительной степени от органических отходов, а также от гельминтов.

Удаление органических отходов и азота положительно сказывается на последующей биологической очистке осадка, после которой навоз будет представлять комплексное органоминеральное удобрение, годное впоследствии к использованию. Очищенную сточную воду можно повторно использовать для гидросмыва навоза, поскольку концентрация в ней загрязнений не превышает по БПК — 10−12 мг О₂/л; по азоту аммонийному — 0, 5−2, 0 мг/л; фосфору — 1, 5−2, 0 мг/л; взвешенным веществам — 10−12 мг/л. Предлагаемая система очистки может быть замкнутой и использоваться повторно для гидросмыва. Жидкий свиной навоз рассматривается как органическая дисперсная система.

Прокисшие молочные продукты в основном относятся к дисперсным системам, состоящим из двух и более фаз: одна сплошная — дисперсионная среда, а другая, распределенная в виде отдельных частиц в дисперсной среде — дисперсная фаза.

Молочные продукты — сложная полидисперсная система; дисперсные фазы находятся в ионно-молекулярном состоянии (фаза истинного раствора), в виде коллоидных (коллоидная фаза) и грубодисперсных частиц различной величины (фаза эмульсии). Провести строгую границу между дисперсными фазами и дисперсионной средой молока нельзя, поскольку водные растворы одних веществ являются дисперсионной средой для других.

В коллоидно-дисперсном состоянии в прокисшем молоке находятся сывороточные белки, казеин и основная часть соединений кальция. Прокисшее молоко — типичная природная эмульсия жира в воде. В оболочке шариков жира помимо белков и липидов находятся следующие элементы: Cu, Fe, Mo, Zn, Ca, Mg, Se, Na, K — от 5 до 25% и нативное железо — от 28 до 59%, содержание Cu в 1 г оболочки составляет от 5 до 25 мкг, Fe — от 70 до 150 мкг. Фосфаты кальция отличаются малой растворимостью и незначительной степенью диссоциации, небольшая их часть находится в виде истинного раствора, а основная — в виде коллоидного раствора. Между ними устанавливается равновесие. Сдвиг равновесия зависит от рН молока, температуры и других факторов. Рассматривается как органическая дисперсная система.