Способы приготовления питательного раствора для полива с использованием электрофизических воздействий

Введение. В соответствии с Приказом Министерства здравоохранения РФ от 19.08.2016 № 614 «Об утверждении Рекомендаций по рациональным нормам потребления пищевых продуктов, отвечающих современным требованиям здорового питания», были определены соответствующие нормы потребления по основным продовольственным группам (включая овощи) из расчета объемов потребления в год на одного человека. Годовая рациональная норма потребления картофеля на 1 человека в России составляет 90 кг, овощей и бахчевых культур – 140 кг. На рисунке 1 представлена динамика изменения объемов потребления овощей населением в целом по Российской Федерации за 2004-2018 гг. [1].

Рисунок 1 Динамика изменения объемов потребления овощей населением [1] Общая площадь земель в России под огороды на 2022 год составляет 4930,4 мл га. [2]. Представлена тенденция роста площади занимаемых под овощеводство в таблице

• 1    [3].

Таблица 1 - Площадь, занимаемая под овощеводство по годам. [3]

Показатель	год
	2005	2010	2015	2019
Посевная площадь овощей тыс. га	641	662	694	517
Валовый сбор овощей всех хозяйств млн.	11,3	12,1	16,1	14,1
Частная организация	2,1	2,1	2,9	4,0
Хозяйства населения	8,4	8,7	10,8	7,3
Фермерские хозяйства	0,8	1,4	2,4	2,8

Из таблицы 1 видно, что идёт развитие производства овощей частными организациями, при этом в последнее время происходит сокращение основных посевных площадей государства, что отрицательно сказывается на валовом сборе овощей.

Для повышения урожайности при выращивании овощных культур необходимо проводить полив. Основными источниками воды для орошения являются: поверхностные воды, подземные воды, водопровод, прошедшие очистку сточные воды, опресненные воды [4].

Норма полива составляет 20–30 литров воды на 1 кв. м огорода, частота зависит от погодных условий и состояния почвы [5]. Для осуществления полива, вода должна соответствовать нормативным требованиям, указанным в таблице 2. Основная проблема, что в воде из данных источников содержатся минералы, соли и бактерии. Для растений жесткость воды также вредна. При использовании её для полива на постоянной основе, то в грунте начинают накапливаться тяжелые соли, нарушается проводимость и усвоение питательных элементов [6].

Таблица 2 - Рекомендуемый состав поливной воды [7]

Показатель	огурец (грунт)	томат (грунт)	малообъемная культура
Водородный показатель (рН)	6 – 7	6 – 7	6 – 7
Общая щелочность мг-экв/л	менее 7	менее 7	менее 4
Кальций мг/л	менее 350	менее 350	менее 100
Натрий мг/л	100	150	30 - 60
Хлориды мг/л	100	150	50
Сульфаты (в пересчете на серу) мг/л	60	100	60

В многих регионах существует проблема нехватки воды для полива, которая актуальна не только в России. Например, Китай не может удовлетворить спрос на сельскохозяйственное орошение, поскольку сокращение водных ресурсов составляет 1 млрд м3 / год [8]. Также В Египте сталкиваются с проблемой качества воды там доминирующим типом воды является бикарбонат натрия, за которым следуют сульфат натрия и хлорид натрия, что приводит к засолению почв этого региона [9].

Засоление является наиболее распространенной проблемой. Каждый год из-за засоления в районе Танджи теряется около 10 миллионов гектаров земли [10].

Это напрямую сказывается на урожайности, так как происходит ухудшение почвы и появляется вероятность болезни растений. В этом направлении проводил исследование Дармонов Е.Д. Он вывел, что в поливных условиях содержание солей в поливных водах в количестве 1–1,5 г/л служит дополнительным источником аккумуляции солей в почвах. При этом нарушается солевое равновесие и качество [11].

На основании данных таблиц 2 и 3 можно сделать вывод, что рекомендуемые элементы в воде для полива отличается от фактических ее значений, что негативно влияет на урожайность, поэтому одним из путей повышения урожайности может стать предварительная обработка воды.

Для повышения урожайности применяются питательные растворы, чтобы исключить нехватку необходимых компонентов для развития растений. Питательные элементы растения получают посредством автоматизированных систем, подающих питательный раствор (воду с растворенными в ней минеральными компонентами) непосредственно к корневой системе [12]. В кислых почвах группа микроорганизмов развита очень слабо, что и является одной из основных причин низких урожаев сельскохозяйственных культур [13]. Поэтому при использовании питательных растворов показатель рН является ключевым в питании растений. Большинство питательных элементов доступно для растений только в диапазоне от 5,5 до 6,3 рН. Соблюдение этого диапазона обеспечивает наибольшую доступность всех необходимых питательных веществ для растений [14]. Основные микроэлементы долгое время могли присутствовать в составе питательных смесей только в виде сульфатов [15]. Ситуация изменилась, когда в составе питательных смесей появились хелаты. Особенностью хелатов является их способность удерживать в своем составе катионы микроэлементов, не давая им вступать в реакции с другими солями и «выпускать» их в раствор тогда, когда их концентрация в нем снижается [16].

Таблица 3 - Средний химический состав поливных вод, г/л. [11]

	Дерновоподзолистые	Серые лесные	Черноземные	Каштановые	Сероземные
Кальций мг/л	750	650	500	450	350
Натрий мг/л	400	350	300	200	250
Хлор мг/л	500	400	350	300	250
Калий мг/л	150	125	100	75	75

Для растений азот, калий, фосфор, сера, кальций, магний являются основными минералами. Последовательность приготовления питательного раствора: в первую очередь растворяют удобрения, не содержащие в своем составе ионы кальция и фосфора; во вторую – растворяют удобрения, которые их содержат. Растворение удобрений ведут при температуре воды 20-30°С [17].

Для того чтобы повысить урожайность и снизить негативные воздействия, такие как засоление и ухудшение микрофлоры при использовании воды для полива, требуется предварительно обрабатывать воду, так как качество воды влияет на щелочность почвы, что напрямую влияет на количество урожая.

Цель исследования - проанализировать существующие методы подготовки воды для полива.

Материалы и методы : Для анализа актуальности темы использовалась электронная библиотека elibrary, по этой тематике было опубликовано 29 статей, работали 79 авторов. Список организаций, проводящих исследования представлен в таблице 4, авторы публиковавшие статьи представлены в таблице 5, публикация статей по данной тематике по годам в таблице 6.

Таблица 4 - Организации, публикующие статьи по этой тематике [18]

№	Название организации	Количество статей
1	Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации	10
2	Федерально научный агроинженерный центр ВИМ	10
3	Федеральный научный центр овощеводства	4
4	Кубанский государственный аграрный институт	2
5	Актюбинский университет им. Баишева	1
6	Бресткий государственный технический университет	1
7	Воронежский государственный технический университет	1

Таблица 5 - Авторы, проводящие исследования в данном направлении [18]

№	Авторы	Количество статей
1	А. А. Белов	2
2	А.Ф. Гусейнов	2
3	А. А. Мусенко	2
4	В.А. Фартуков	2
5	Ю.М. Аверина	2
6	В.И. Барабаш	1
7	Т.Н. Боровикова	1
8	О.А. Болдырева	1
9	А.Н. Васильев	1
10	О.В. Горелик	1

Таблица 6 - Количество публикаций по годам [18]

№	Год	Количество статей
1	2022	2
2	2021	3
3	2020	1
4	2019	2
5	2018	3
6	2017	3
7	2016	5
8	2015	2
9	2014	1
10	2011	1

На основании данных, можно сказать, что тема является актуальной, по ней постоянно ведутся исследования и выпускаются публикации.

Результаты и обсуждение :

• ⁴⁸                  Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 2 (39)

Основные существующие методы обработки воды представлены в таблице 7.

Таблица 7 Существующие методы обработки воды [19]

Способ очистки вод	Процессы, используемые в методе	Недостатки	Достоинства
Физический	Отстаивание, фильтрация воды, процеживание воды и др.	Низкий уровень очистки	Низкая себестоимость
Химический	Нейтрализация, окисление, восстановление	Использование химических реактивов	Высокая эффективность при больших объемах воды
Физикохимический	Коагуляция, обратный осмос, ЭГ-удар и др.	Высокая себестоимость	Высокая производительность
Биологические	Биофильтры, биологические пруды	Необходимость в больших земельных участках	Отсутствие химии

Наиболее эффективным методом для обработки воды на участках является физикохимический способ, так как установки имеют малые габариты и высокую производительность в сравнении с другими способами. Основной способ физического-химического метода, это электрофизическое воздействие. Благодаря его применению происходит обеззараживание воды, а также вода может наделяться минералами, которые полезны для растений. Например, введение в схему водоподготовки устройств, создающие в обрабатываемой жидкости высокочастотные ультразвуковые колебания, позволяет диспергировать микробиологические включения в среде и перевести ее в инактивную фазу, усиливает эффект УФ излучения, это особенно актуально для систем, использующих воду с поверхностных источников. В УФ установках применяют излучение с длиной волны 254 нм. Для питьевой воды при пропускании излучения (λ = 254 нм), равном 85% на 1 см, обеспечивается бактерицидная доза не менее 16 мДж/см2. Для сточных вод при пропускании излучения (254 нм), равном 70% на 1 см, обеспечивается бактерицидная доза не менее 30 мДж/см2. Схема установки представлена на рисунке 2 [20].

Рисунок 2 - Схема УФ установки [20]

Основными недостатками являются:

• -    Воздействие ультрафиолетового излучения кратковременно и не имеет

продолжительного действия, за счет чего вода при выходе из ультрафиолетовой установки более не обеззараживается.;

• -    Если процент железа в воде превышает определенный показатель, то эффективность УФ лучей снижается, поэтому необходимо дополнительное обезжелезивание;

• - . Наличие в воде крупных примесей снижает эффективность бактерицидной обработки. Взвеси создают непроницаемую оболочку, через которую не могут проникнуть бактерицидные лучи. Поэтому (УФ) обеззараживание сточной воды ультрафиолетом можно выполнять после тщательно физической многоступенчатой фильтрации

Также существуют установки использующие СВЧ эффект. СВЧ-энергия – это эффективный источник тепла, который в большинстве применений обладает несомненными преимуществами перед традиционными источниками воздействия на обрабатываемые среды. Он не вносит каких-либо загрязнений при нагреве, отличается гибкостью в применении. Сочетание СВЧ-нагрева с другими факторами воздействия дает возможность разрабатывать новые методы и технологическое оборудование для выполнения различных задач. Так, например, при комбинированном воздействии СВЧ-излучения и перекиси водорода на питательную среду в условиях потока стерилизация достигается при 41–42 °С. Обеззараживание воды осуществляется в следующей последовательности: предварительно дехлорированная водопроводная вода заражалась спорообразующей формой микроорганизмов и подвергалась комбинированному воздействию СВЧ-энергии [21].

1-Внутренний электрод; 2- безэлектродная УФ-лампа 3-внешний электрод коаксиальный; 4- кварцевая трубка; 5- емкость ; 6-патрубки для прокачки воды; 7 — объём занятой водой; 8- отрезок прямоугольного волновода; 9- петля связи; 10- СВЧ-генератор; 11-торцевые фланцы; 12- вентилятор.

Рисунок 3 - Схема СВЧ установки [22]

Основные недостатки:

• - Высокая энергоемкость процесса и высокие капитальные затраты на оборудование.

• - Высокая эффективность процесса обеззараживания питьевой воды может быть достигнута с использованием микроволновой обработки воды и последующей фильтрации воды с применением фильтров из нанопорошков оксидов металлов.

• - СВЧ обработка наиболее эффективна в комбинированном сочетании с другими

методами обработки.

Также применяется обработка воды озонированием. Технологический процесс озонирования включает в себя последовательные стадии очистки воздуха:

• -    синтез озона;

• -    охлаждение и осушка озона;

• -    смешение озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой;

• - отвод и деструкция остаточной озоновоздушной смеси;

• -    вывода озоновоздушной смеси в атмосферу.

После растворения О 3 обеспечивается время контакта озона с водой для осуществления химических реакций окисления и удаления из воды избыточного количества воздуха и озона. Для этого применяется контактно-сепарационный аппарат, вода из которого направляется на угольный фильтр для доочистки от органики и деструкции озона [22].

Остаточный озон

1 – концентратор кислорода; 2 – озонатор; 3 – озономер ; 4 – контактная колонка, 5 – пористый диспергатор озоно-кислородной смеси; 6 – деструктор остаточного озона; 7 – кран для заливки пробы воды для озонирования; 8 – гидравлический затвор; 9 – сливной кран для отбора обработанной озоном пробы.

Рисунок 4 - Схема озонирующей установки [23]

Основные недостатки:

• -    недолговечность стерильности. При добавлении солей хлора вода защищена от биологических патогенов длительное время. После распада озона она остается стерильной лишь до попадания новых микроорганизмов. Через несколько часов может требоваться

дополнительная очистка;

• -    бытовые озонаторы часто выходят из строя. Обнаружить их поломку или неправильную работу бывает непросто. По этой причине возможны интоксикации озоном в процессе обработки воды;

• -    качественные приборы для озонирование стоят дорого, позволить себе их могут не

все.

В электрогидравлических технологиях реализуется принцип «электрогидравлического эффекта», когда электрическая энергия переходит в механическую, при появлении электрического разряда [24]. Во всех установках с ЭГ эффектом заложен один принцип, когда переменный ток движется на повышающий трансформатор для увеличения его в несколько раз. Ток выпрямляется за счет диодов, и заряд идёт на конденсатор, тем самым происходит накопление энергии до необходимого значения. После этого происходит разряд на формирующем промежутке (воздухе) и переходит на разряд в ёмкости [25]. Электрогидроудар сопровождается громким хлопком и движением воды [26]. Для увеличения гидродинамического эффекта при импульсном разряде в жидкости, импульс должен иметь минимально возможную длительность, максимальную крутизну фронта и апериодическую форму [27]. Электрогидравлический эффект, наблюдаемый при обработке воды, способен обогащать её питательными веществами, необходимыми для роста и развития растений [28]. Есть данные, что ЭГ удар в воде сопровождается обеззараживающим эффектом [29]. Обработка искровыми разрядами приводила к снижению концентрации нитрат-ионов в водопроводной и атмосферной сточной воде. Наименьшей она была в атмосферной сточной воде после продолжительности обработки 5 мин., наибольшей – в водопроводной воде – 1 мин. Снижение концентрации нитрат-ионов привело к повышению содержания нитратов в обработанной воде, так как согласно применяемому методу измерения эти величины обратно пропорциональны.

Следует отметить, что содержание нитратов в контрольном образце водопроводной воды составляло 4,4 мг/л, в контрольном образце атмосферной сточной воды – 6,3 мг/л. [30].

1 – вентиль; 2 – крепление болтовое крышки верхней; 3 – корпус; 4 – втулка сборки положительного электрода; 5 – гайка-заглушка положительного электрода; 6 – изолятор положительного электрода; 7 – стержень-шпилька положительного электрода; 8 – крепление болтовое крышки нижней; 9 – втулка сборки отрицательного электрода; 10 – гайка-заглушка отрицательного электрода; 11 – изолятор отрицательного электрода; 12 – стержень-шпилька отрицательного электрода; 13 – наконечник полусферический; 14 – крышка.

Рисунок 5 - Схема электрогидроударной установки [30]

При обработке воды электрогидроударом повышается содержание нитратного-азота, что может положительно сказаться для повышения урожайности овощных культур.

Основные недостатки эдектрогидроудара:

• -    установка создаёт высоковольтные разряды, что требует надежной защиты при работе;

• -    низкая производительность;

• -    необходимость разработки эффективных режимов работы при различных свойствах материалов;

• -    необходим контроль параметров режима работы.

Выводы. Существуют проблемы с качеством воды при поливе. Питательные растворы способствуют повышению урожайности за счёт внесения полезных минералов, помогающих росту растений. Для осуществления подготовки воды для полива могут быть реализованы электрофизические методы воздействия. Эффективность методов воздействия зависит от свойств обрабатываемой жидкости и реализуемого режима работы установки. Перспективным способом электрофизической подготовки воды для полива в ЛПХ является применение ЭГ-удара.

https://dpva.ru/Guide/GuideTechnologyDrawings/WaterSupplyWasteWater/WaterInRF/#13 дата запроса 06.04.2023

Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 2 (39)                        ⁵³

https://dpva.ru/Guide/GuideTechnologyDrawings/WaterSupplyWasteWater/WaterInRF/#13 request date 04/06/2023

Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 2 (39)                        ⁵⁵

Water Management, 71: 2005. - P. 145-166.