misnikov_o_s_tehnologiya_i_kompleksnaya_mehanizaciya_otkryty (1)

81

сапропеля в водоеме и обуславливаются многими факторами: условиями питания и химическим составом питающих водоем вод, приносом минеральных веществ в результате водной и ветровой эрозии и т.п.

По форме связи зольных элементов с органическим веществом они разделются на три группы.

1.Зольные компоненты, отделяемые физическими методами (механические включения минералов, аутигенные и терригенные минеральные примеси). Эта группа характеризует качество сапропеля с позиции агротехники.

2.Зольные компоненты, переходящие в раствор при кислотной или щелочной обработке (компоненты, адсорбционно-связанные с органическим веществом, а также присутствующие в поровом растворе в ионной форме). Элементы этой группы характеризуют сапропели в отношении его применимости для химической переработки или иных целей.

3.Прочносвязанные зольные компоненты: глинистые минералы (образующие органо-глинистые соединения), а также компоненты, входящие в комплексные металлоорганические соединения с гуминовыми кислотами.

По данным А.Я. Рубинштейна, минеральные примеси в высокозольных отложениях сапропеля составляют до 70 % по отношению к общей зольности.

Рассматривая сапропели как геологические образования, следует обратить внимание на минералогический состав, который во многом определяет их физико-химические и агрохимические свойства. Из минералогического состава видно, что наряду с обломочным аллотигенным материалом в образовании отложений принимают участие продукты биологического и химического осаждения. Аллотигенные минералы представлены кварцем, полевыми шпатами, амфиболами и слюдой. Их размер изменяется в пределах от 0,001 до 0,1 мм. Эти минералы являются устойчивыми в условиях сапропелевых отложений и не оказывают существенного влияния на физи- ко-химические свойства сапропелей при их извлечении на поверхность и последующей аэрации. В некоторых видах сапропелей в значительном количестве присутствуют глинистые минералы, имеющие размер зерен менее 0,001 мм. Их генезис окончательно не выяснен, поэтому к аллотигенным минералам они отнесены условно. Тонкодисперсные глинистые частицы адсорбируют органическое вещество. В результате этого при сушке сапропели переходят из гидрофильного в гидрофобное состояние с изменением водно-физических и физико-механических свойств.

Минералогическим следствием протекающих биохимических процессов является накопление кальцита, спорадически встречаемого пирита, генетически связанного с химическими преобразованиями органического вещества.

82

Сапропель, также как торф и угли, представляет собой продукт фотосинтеза. Разнообразие животного и растительного мира озер и болот, богатое минеральное питание определяют особенности свойств и химического состава сапропеля. По сравнению с торфами они отличаются более высоким содержанием легкогидролизуемых веществ, включающих геммицеллюлозу, азотсодержащие и другие соединения.

Отложения сапропелей исключительно богаты азотом. Верхний их слой содержит до 8,0…8,5 % азота на органическую массу. Сравнительно много в сапропелях минеральных элементов как органического, так и неорганического происхождения. Наличие в составе сапропелеобразователей концентраторов отдельных компонентов, а также способность коллоидной фракции органического вещества адсорбировать элементы, привносимые в водоем питающими водами, обуславливают накопление в донных отложениях многих микроэлементов. Особенно богаты микроэлементами кремнеземистые сапропели. Содержание марганца, кобальта, бора, цинка, молибдена и других элементов в них выше, чем у других типов. Учитывая биогенное накопление микроэлементов, можно предполагать высокую их подвижность, что имеет важное практическое значение при оценке их для использования в различных отраслях народного хозяйства.

Кремнезем (окись кремния) в озерных осадках представлен двумя формами. Первая – привносная, поступает со сточными водами, вторая – активная (биогенная), синтезирована водными организмами, которые расходуют кремний на образование тканей, скелетов, а после отмирания пополняют запасы автохтонного кремнезема. Биогенная кремнекислота составляет до 15 % от сухого вещества сапропелей.

Содержание растворимого кремнезема достигает наибольших значений у органогенных и органоминеральных сапропелей. Высокие показатели общей и активной кремнекислоты обычно указывают на существование развитой гидрографической сети местности, окружающей водоем, и на приток вод в сам водоем. Количество кремнезема изменяется в широких пределах в зависимости от видов сапропелевых отложений: в золе кремнеземистых сапропелей от 4 до 80 %, в смешанных от 3 до 50 %, известковистых от 3 до 35 %.

Карбонаты в сапропелевых отложениях находятся в виде свободного углекислого кальция и кальция, связанного с органическим веществом. Последний составляет 3…4 % от массы органического вещества. Общее содержание карбонатов для всего многообразия отложений озер колеблется в широких пределах – от 1 до 55 %. В карбонатных сапропелях они составляют до 90 % от веса золы.

В настоящее время выделяют три типа накопления углекислого кальция в современных водоемах. Первый – механический. Он представляет собой осажденные обломки карбонатных пород из флювиогляциальных потоков на ранних стадиях развития водоема. Второй – химический,

83

физико-химический и биохимический, который образовался путем осаждения из водной массы при активном фотосинтезе. Третий – биологический. Он развивается за счет деятельности харовых водорослей, откладывающих углекислый кальций из водной массы в свои ткани, и микробиологических процессов (в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий).

Соединения железа поступают с грунтовыми водами главным образом в ионной форме. Во время паводка увеличивается поступление железистых соединений в виде геля гидрата окиси железа. Сезонно, преимущественно весной и осенью, поступает железо, связанное с органическим веществом. Происходит его биогенная фиксация. На значительных глубинах в донных отложениях железо находится в виде закисной формы (сульфид железа – гидротроилит), на меньших глубинах при достаточном количестве кислорода железо накапливается в виде окисных соединений – лимонита. С поступлением в водоем грунтовых вод, обогащенных бикарбонатом железа, формируется рудное железо в виде железистых конкреций, сцементированных песчанистым и глинистым материалом. Содержание железистых соединений в осадках, равное 2…6 %, считается нормальным.

Одновременно с железом в сапропелях накапливается марганец, придающий глубоководным илам черный оттенок. По данным лимнологов, накопление железа и марганца связано не только с физико-химическими процессами, но и с деятельностью железобактерий, способных поглощать эти элементы из воды.

Соединения фосфора встречаются в виде фосфорнокислой закиси железа (вивианит) с содержанием фосфора до 6 % и в виде биогенного фосфора. Он представлен различными соединениями, связанными с органическим веществом. Стабильное содержание в сапропелях окиси фосфора 0,1…0,3 % на сухое вещество. В восстановительной среде происходит накопление минерального фосфора за счет восстановления фосфатов железа.

В сапропелевых отложениях также накапливается сера и алюминий. Сера имеет аллохтонное происхождение. Она ассимилируется в эвтрофных водоемах фитопланктоном, а в донных отложениях переходит в белковую восстановительную серу, выделяющуюся в виде сероводорода при гниении.

Сульфаты при биогенной сульфатредукции восстанавливаются до сульфидов. Сульфидная сера составляет до 1,5 % (в среднем около 0,3 %), валовая – 0,4…3 %. Содержание алюминия определяется поступлением в водоем глинистых частиц. Его валовое содержание составляет от 0,5 до 8 % на сухое вещество. В кислых сапропелях (рН менее 4,5) содержатся подвижные формы алюминия.

Средние значения элементов, входящих в органическое вещество сапропелей, следующие: углерод – 52…61 %, кислород – 25…36 %, водород –

84

6,6…8,1 и азот – 4…6 %. Более точные значения в зависимости от содержания органического вещества приведены в табл. 16.

Таблица 16. Элементный состав органического вещества сапропелей

Поскольку органические вещества у сапропелей выделяются и исследуются такими же методами, что и у торфа, то они подразделяются на битумы, гидролизуемые, гуминовые вещества и негидролизуемый остаток.

Содержание битумов, то есть веществ, извлекаемых органическими растворами, в сапропелях относительно невысокое и колеблется от 3 до 11 % на органическую массу. Более высокое их содержание наблюдается в отложениях озер, непосредственно примыкающих к торфяным месторождениям, и в сапропеле, погребенном под залежью торфа.

Общее содержание свободных аминокислот в составе легкогидролизуемых соединений достигает 2,6 % на органическое вещество. Гидролиз 2 %-ным раствором соляной кислоты переводит в раствор проллин, фенилаланин, лейцин, лизин и т.п. Присутствие в составе легкогидролизуемых веществ сапропеля в значительных количествах таких важных в энергетическом отношении компонентов, как аминокислоты и углеводы, указывает на высокие потенциальные возможности к биохимическим преобразованиям этого вида сырья в аэробных условиях.

Большой интерес в научном отношении представляют фульвовые и гуминовые кислоты. По внешним признакам они не отличаются от кислот торфа, но при исследовании методами гидролиза, гельхроматографии, ИКспектроскопии обнаружены их существенные различия. Для гуминовых кислот сапропелей характерно более высокое содержание азота и водорода. Это свидетельствует об особенностях их накопления в среде, богатой белками и жирами.

86

внимание однородный характер группового состава их органического вещества. Например, у торфа различных типов и видов содержание гуминовых кислот и гидролизуемых соединений может изменяться в 10 раз, а битумов даже в 100 раз, то у сапропелей содержание этих веществ изменяется в 1,5…2, а реже в 3…4 раза.

Частично это можно объяснить сравнением торфо- и сапропелеобразовательного процессов. Главной их отличительной особенностью является то, что сапропелеобразование всегда происходит в воде, а торфообразование обусловлено переменным режимом избыточного увлажнения. Сапропели образуются преимущественно из водных растений и организмов, а торф – из остатков высших растений. Условия разложения органического вещества также различны. Сапропели образуются в условиях недостаточного доступа или полного отсутствия кислорода в водной среде, что ведет к образованию соединений, богатых водородом. Этот процесс получил название битумизации, а породы сапропелевого происхождения часто называют битуминозами. Для процесса торфообразования характерно господство окислительных процессов при затрудненном поступлении кислорода, что ведет к образованию гумусовых веществ, обогащенных углеродом. Процесс носит название обуглероживания, или гумификации, а породы торфяного происхождения называют гумусовыми. С увеличением степени минерализации и уменьшением общего количества органического вещества все показатели его группового состава уменьшаются. Довольно резко снижается количество легкогидролизуемых соединений, гемицеллюлоз, фульвовых и гуминовых кислот, а также негидролизуемого остатка. Количество битумов и трудногидролизуемых соединений изменяется незначительно, а содержание водорастворимых компонентов и целлюлозы практически не изменяется (табл. 17).

Характер изменения показателей группового состава органического вещества при переходе от органических сапропелей к минерализованным наглядно подчеркивает однородность органического вещества сапропелей. Содержание отдельных компонентов органического вещества зависит главным образом от величины общей минерализации и мало отличается видовыми его особенностями.

Кислотность сапропелей невысокая. Наиболее характерные значения рН лежат в пределах от 5 до 6,5. Более низкие значения (рН = 3,8…4,8) встречаются редко, главным образом у сапропелей, залегающих под толщей верховой залежи торфа. У известковистых сапропелей с небольшим содержанием СаО (0,5…1,5 %) значения рН выше 6. Сапропели характеризуются высоким содержанием легкоусвояемых органических соединений и служат хорошей питательной средой для микроорганизмов. В отличие от торфа сапропели содержат 15…20 % усваиваемого углерода и 30…35 %

87

азота (по отношению к общему углероду и азоту). Поэтому в верхних слоях сапропелей господствующее положение занимают биохимические процессы, обусловленные жизнедеятельностью организмов и бактерий, а физикохимические факторы имеют подчиненное значение (приложение 16).

Происходит накопление органического вещества, содержащего, в зависимости от условий образования, большее или меньшее количество минеральных компонентов. Стадия фоссилизации3 заканчивается после того, как органический материал оказывается погребенным под слоем минеральных наносов или погружается на некоторую глубину в толще осадков. При этом биохимические процессы постепенно затухают, и на первый план выдвигаются физико-химические процессы. Начинается вторая стадия – диагенез, сопровождаемая уплотнением и постепенной дегидратацией органического вещества.

Из приведенных выше данных видно, что сапропель с низкой зольностью представляет собой сырье, которое можно использовать для химической переработки, а также для приготовления удобрений. Однако на практике недостаточно используется высокозольный минерализованный сапропель, в то время как именно его запасы в большом количестве находятся под торфяными залежами.

5.2. Классификации и основные направления использования сапропелей

Природное разнообразие сапропелей предопределяет широкий диапазон их практического использования. Это обстоятельство обуславливает необходимость разделения их на сравнительно однородные по составу и свойствам типы с целью наиболее рационального их применения.

К сапропелям проявляют интерес специалисты различных отраслей народного хозяйства: геологи, медики, агрономы, животноводы, хи- мики-технологи и т.д. Неодинаковые задачи, стоящие перед представителями разных областей науки, требовали исследований разных свойств озерных отложений. Это привело к появлению многочисленных классификационных систем, не согласованных с выводами смежных областей. Одни авторы в основу классификации выдвигают генетические принципы, выделяющие группы отложений в зависимости от природы формирования, другие – признаки самих отложений, третьи – физические и химические свойства, четвертые – внешние и микроструктурные особенности.

3 Фоссилизация (от лат. fossilis - ископаемый) – превращение остатков животных и растений после их смерти в окаменелости в результате воздействия ряда факторов: температуры и давления, замещения вещества скелета др. минеральными веществами, а также заполнения ими пустот в органических остатках.

88

Первой классификацией сапропелей считается классификация Лундквиста, которая отражала в названии вида его минеральную и органическую составляющие.

Одной из первых классификаций русских сапропелей, представляющей исторический интерес, является классификация, предложенная К.К. Гильзеном. Она основывалась на химических и физических свойствах сапропелей: удельном весе, механическом составе, общем химическом составе. Затем появляется классификация сапропелей М.М. Соловьева и Л.А. Белоголовой. Она была основана на понимании сапропелей как илов, в которых наряду с минеральными частицами содержится значительное количество органического вещества. Тип отложений определяется авторами по процентному содержанию золы в сухом веществе и подразделяется на основании морфологической характеристики на разновидности.

При построении своей классификации Н.В. Кордэ исходила из многофакторности их формирования, «комплексного подхода, учитывающего по возможности результаты всех видов анализа: механического, минералогического, химического, биологического, а также данных геологического исследования местности». Автор предлагала основываться на конкретных, определимых признаках как общих показателях взаимодействия факторов осадконакопления. К ним относится содержание органического вещества, которое отражает наиболее общие процессы, протекающие в водоеме, сложные взаимоотношения факторов абиотических (аллювиальный, делювиальный привнос золы) и биотических (степень развития жизни в водоеме). Вторым признаком является количественное соотношение между органической и неорганической частями отложений, которое является показателем взаимодействия этих факторов.

По содержанию органического вещества (ОВ) Н.В. Кордэ выделяет три группы сапропелей: собственно сапропели (ОВ более 50 ); обедненные сапропели (ОВ от 50 до 15 %); высокозольные отложения (ОВ ниже 15 %). За группой выделяется тип отложений, для чего учитывается совокупность физико-химических свойств: удельный вес, вязкость, механический, минералогический, химический и биологический состав, а также внешние признаки: цвет, консистенция.

Принципы генетической классификации Н.В. Кордэ заложены в основу системы озерных отложений, разработанных для практических целей сотрудниками ПГО «Торфгеология» Н.А. Стекловым и Е.Д. Ильиной, О.Н. Успенской и А.Я. Рубинштейном. В связи с тем что на соотношение различных органических и минеральных компонентов в сапропелевых отложениях влияют различные природные процессы, а свойства накоплений являются только отражением их характера, высшая классификационная

89

единица (тип сапропеля) определяется в зависимости от взаимодействия процессов внутри и вне водоема (табл. 18). Аллохтонный тип сапропеля образовывался при превалировании привноса кластического материала в водоем, автохтонный – при преобладании процессов, происходящих в самом водоеме, и, наконец, смешанный тип – при совокупности двух вышеназванных. Классы сапропелей выделяются в зависимости от происхождения и характера накопления компонентов. Внутри классов определяются виды, характеризующие состав органической и минеральной частей.

Более простым вариантом рассматриваемой классификации является систематизация образования сапропелей О.Н. Успенской и А.Я. Рубинштейна. По количеству органического вещества выделяется тип сапропелевых отложений:

органические (> 70 %);

органогенные (50…70 %);

органоминеральные (40…50 %);

минерализованные (10…30 %).

Вдвух первых типах при выделении нижней таксонометрической единицы учитывается преобладание в органической части остатков животного и растительного происхождения, а в третьем и четвертом – количественное содержание в минеральной части оксидов кремния, кальция, железа, а также глинистых и песчаных частиц.

Интересен тот факт, что нижний предел по зольности материала совпадает с классификацией Л.С. Амаряна, который, исходя из рассмотрения специфики состава структуры, дисперсности и механических свойств органогенных материалов, а также на основе классификационных показателей: полной влагоемкости, коэффициента пористости, предельного сопротивления сдвигу, предложил классификацию сапропелей, включенных в

органоминеральную подгруппу грунтов. Эта классификация разделяет сапропель на слабоминерализованный (А с < 50 %), среднеминерализованный (А с = 50…70 %) и сильноминерализованный (А с = 70…90 %). В зависимости от зольности, изменяются физико-механические характеристики сапропелей, и поэтому их можно разделять только по количеству содержания органического вещества.

Классификация А.П. Пидопличко подразделяет сапропели в зависимости от качественных особенностей на два типа: А – минеральные отложения, лишенные органических веществ (озерные карбонаты), Б – сапропели. В пределах типа Б, в зависимости от количества золы, выделяются

подтипы. Первый подтип объединяет в себе многозольные сапропели (А с > 30 %), а второй подтип – малозольные (А с < 30 %). Подтипы подразделяются на группы по содержанию преобладающих химических соединений, которые в свою очередь разбиваются на виды в зависимости от преобладания остатков животных и растительных организмов.

Таблица. 18. Классификация сапропелевых отложений Н.А. Стеклова и Е.Д. Ильиной