Торф
Торф (нем. Torf), горючее полезное ископаемое, образующееся в процессе естественного отмирания и неполного распада болотных растений в условиях избыточного увлажнения и затруднённого доступа воздуха. От почвенных образований Т. принято отличать по содержанию в нём органических соединений (не менее 50% по отношению к абсолютно сухой массе).
Общие сведения. Органическое вещество Т. состоит из растительных остатков, претерпевших различную степень разложения. Перегной (гумус) придаёт Т. тёмную окраску. Относительное содержание в общей массе Т. продуктов распада растительных тканей, утративших клеточную структуру, называют степенью разложения торфа. Различают Т. слаборазложившийся (до 20%), среднеразложившийся (20-35%) и сильноразложившийся (свыше 35%). По условиям образования и свойствам Т. подразделяют на верховой, переходный и низинный.
Т. имеет сложный химический состав, который определяется условиями генезиса, химическим составом растений-торфообразователей и степенью разложения Т. Элементный состав Т.: углерод 50-60%, водород 5-6,5%, кислород 30-40%, азот 1-3%, сера 0,1-1,5% (иногда 2,5) на горючую массу. В компонентном составе органической массы содержание водорастворимых веществ 1-5%, битумов 2-10%, легкогидролизуемых соединений 20-40%, целлюлозы 4-10%, гуминовых кислот 15- 50%, лигнина 5-20%.
Т. - сложная полидисперсная многокомпонентная система; его физические свойства зависят от свойств отдельных частей, соотношений между ними, степени разложения или дисперсности твёрдой части, оцениваемой удельной поверхностью или содержанием фракций размером менее 250 мкм. Для Т. характерны большое влагосодержание в естественном залегании (88-96%), пористость до 96-97% и высокий коэффициент сжимаемости при компрессионных испытаниях. Текстура Т. - однородная, иногда слоистая; структура обычно волокнистая или пластичная (сильноразложившийся Т.). Цвет жёлтый или бурый до чёрного. Слаборазложившийся Т. в сухом состоянии имеет малую плотность (до 0,3 г/см 3), низкий коэффициент теплопроводности и высокую газопоглотительную способность; Т. высокой дисперсности (после механической переработки) образует при сушке плотные куски с большой механической прочностью и теплотворной способностью 2650-3120 ккал/кг (при 40% влажности). Слаборазложившийся Т. - отличный? фильтрующий материал, а высокодисперсный используется как противофильтрационный материал. Т. поглощает и удерживает значительные количества влаги, аммиака, катионов (особенно тяжёлых металлов). Коэффициент фильтрации Т. изменяется в пределах нескольких порядков.
Краткий исторический очерк. Первые сведения о Т. как "горючей земле" для нагревания пищи восходят к 46 г. н. э. и встречаются у Плиния Старшего. В 12-13 вв. Т. как топливный материал был известен в Голландии и Шотландии. В 1658 в г. Гронингене вышла первая в мире книга о Т. на латинском языке Мартина Шока "Трактат о торфе". Многочисленные неправильные представления о происхождении Т. были опровергнуты в 1729 И. Дегнером, применившим к его изучению микроскоп и доказавшим растительное происхождение Т. В России впервые сведения о Т. и его использовании появились в 18 в. в трудах М. В. Ломоносова, И. Г. Лемана, В. Ф. Зуева, В. М. Севергина и др. В 19 в. Т. посвящены работы В. В. Докучаева, С. Г. Навашина, Г. И. Танфильева и др. В России исследования природы Т. носили ботанический характер. После Великой Октябрьской социалистической революции были созданы научные, производственные и учебные организации по комплексному изучению Т. и его использованию в народном хозяйстве (Инсторф, Московский торфяной институт и др.). Работами советских учёных выявлены географические закономерности распространения торфяных залежей, создана классификация видов Т. и торфяных залежей, составлены кадастры и карты торфяных месторождений, изучены химический состав и физические свойства Т. (И. Д. Богдановская-Гиенэф, Е. А. Галкина, Д. А. Герасимов, В. С. Доктуровский, Е. К. Иванов, Н. Я. Кац, М. И. Нейштадт, Н. И. Пьявченко, В. Е. Раковский, В. Н. Сукачев, С. Н. Тюремнов и др.). Проблемами использования Т. в СССР занимаются Всесоюзный научно-исследовательский институт торфяной промышленности (Ленинград) с филиалами в Москве и посёлке Радченко в Калининской области, институт торфа АН БССР, проблемные лаборатории Калининского, Каунасского и Томского политехнических и др. институтов.
Образование торфа. Т. - предшественник генетического ряда углей (по мнению ряда учёных). Место образования Т.- торфяные болота (см. Болото),встречающиеся как в долинах рек (поймы, террасы), так и на водоразделах (рис. 1).
Происхождение Т. связано с накоплением остатков отмершей растительности, надземные органы которой гумифицируются и минерализуются в поверхностном аэрируемом слое болота, называемом торфогенным горизонтом, почвенными беспозвоночными животными, бактериями и грибами. Подземные органы, находящиеся в анаэробной среде, консервируются в ней и образуют структурную (волокнистую) часть Т. Интенсивность распада растений-торфообразователей в торфогенном слое зависит от вида растения, обводнённости, кислотности и температуры среды, от состава поступающих минеральных веществ. Несмотря на ежегодный прирост отмершей органической массы, торфогенный горизонт не прекращает своего существования, являясь природной "фабрикой" торфообразования. Поскольку на торфяных месторождениях произрастает много видов растений, образующих характерные сочетания (болотные фитоценозы), и условия среды их произрастания отличаются по минерализации, обводнённости, реакции среды, сформировавшийся Т. на разных участках торфяных болот обладает различными свойствами.
Известен так называемый погребённый Т., который отложился в периоды между оледенениями или оказался перекрытым рыхлыми отложениями разной мощности в результате изменения базиса эрозии. Возраст погребённого Т. исчисляется десятками тысячелетий; в отличие от современного, погребённый Т. характеризуется меньшей влажностью.
Классификация торфа. В соответствии с составом исходного растительного материала, условиями образования Т. и его физико-химическими свойствами Т. относят к одному из 3 типов: верховому, переходному и низинному. Каждый тип по содержанию в Т. древесных остатков подразделяется на три подтипа: лесной, лесотопяной и топяной. Т. разных подтипов отличается по степени разложения. Т. лесного подтипа имеет высокую степень разложения (иногда до 80%), у топяного Т. - минимальная степень разложения; лесотопяной Т. занимает промежуточное положение. Подтипы Т. делятся на группы, состоящие из 4-8 видов (табл. 1). Вид - первичная таксономическая единица классификации Т. Он отражает исходную растительную группировку и первичные условия образования Т., характеризуется определённым сочетанием доминирующих остатков отдельных видов растений (а также характерных остатков). Пластообразующими видами Т. называют совокупность нескольких первичных видов Т., мало отличающихся друг от друга по своим свойствам и образующих большие горизонтально залегающие однородные слои. Отложения пластообразующих видов той или иной протяжённости и мощности (толщины), закономерно сменяющиеся в определённой последовательности, образуют торфяную залежь. На характер строения залежи определённой климатической зоны влияют геоморфологические, геологические, гидрогеологические, гидрологические условия каждого конкретного участка болота. В зависимости от сочетания отдельных видов торфов по глубине торфяной залежи последние подразделяются на типы. В промышленной классификации торфяных залежей выделяются 4 типа: низинный, переходный, верховой и смешанный. Первичная единица классификации - вид торфяной залежи (рис. 2). В Европейской части СССР выделяются 25 основных видов торфяных залежей, в Западной Сибири - 32.
Табл. 1. -? Классификация видов торфа. Тип Лесной подтип Лесотопяной подтип Топяной подтип Древесная группа Древесно-травяная группа Древесно-моховая группа Травяная группа Травяно-моховая группа Моховая группа Низинный Ольховый Берёзовый Еловый Сосновый низинный Ивовый Древесно-тростнико-
вый Древесно-осоковый низинный Древесно-гипновый Древесно-сфагновый низинный Хвощёвый Тростнико-вый Осоковый Вахтовый Шейхцерие-вый ни-
зинный Осоково-гипновый Осоково-
?сфагновый низинный Гипновый- низинный Сфагновый низинный Переходный Древесный переходный Древесно-осоковый переход-ный Древесно- сфагновый переходный Осоковый переходный Шейхцерие-вый пере-
ходный Осоково- сфагновый переходный Гипновый переходный Сфагновый переходный Верховой Сосновый верховой Сосново-пу- шицевый Сосново- сфагновый Пушицевый Шейхцерие-вый верхо-
вой Пушицево- сфагновый Шейхцерие-во-сфагно-
вый Медиум-торф Фускум- торф Комплекс-
ный верховой Свагново-мочажин- ный
Торфяные месторождения - промышленные скопления торфа, четко ограниченные территориально и не связанные с др. скоплениями. Размер площади, занимаемой торфяными месторождениями и болотами в мире, составляет около 350 млн. га, из них около 100 млн. га имеет промышленное значение. На территории Западной Европы расположен 51 млн. га, Азии - свыше 100 млн. га, Северной Америки - свыше 18 млн. га. Данные о запасах Т. и его добыче в СССР и за рубежом приведены в табл. 2. Разведанные запасы Т. в СССР по районам приведены в табл. 3.
Изученность торфяного фонда по экономическим районам страны неравномерна. Так, в Центральном районе РСФСР свыше 70% фонда разведано детально, а в Западно-Сибирском детальная разведка составляет 0,6% фонда района и 82,8% - прогнозная оценка.
Поиск торфяных месторождений включает анализ картографических и аэрофотосъёмочных материалов, поисково-разведочный этап дополняется полевыми работами. Предварительная разведка выполняется на месторождениях площадью свыше 1000 га для определения целесообразности их использования. Детальная разведка производится с целью получения данных для составления проекта разработки и использования торфяного месторождения.
Табл. 2. - Запасы и добыча
торфа в СССР? и за рубежом
?(1975) Страна Запасы торфа,
Млрд. т (40%
?влажности) Годовая добы-
ча торфа,
?Млн. т
СССР
Финляндия
Канада
США
Швеция
ПНР
ФРГ
Ирландия 162,5 25,0 23,9 13,8 9,0 6,0 6,0 5,0 90,0 1,0 1,0 0,3 0,3 1,3 1,5 5,0 Табл. 3. - Распределение
?разведанных запасов торфа
?в СССР (1975)
Республика, эко-
номический район
Общая пло-
щадь торфя-
ных месторож-
дений в грани-
цах промыш-
ленной зале-
жи, млн. га
Запасы
торфа,
млрд. т
(40% влаж-
ности)
РСФСР?????..
Северо-Запад-
? ный
Центральный
Центрально-черно-
зёмный
Волго-Вятский
Поволжский
Уральский
Западно-Си-
? бирский
Восточно-Си-
бирский
Дальневосточ-
? ный
Калининград-
? ская обл.
Украинская ССР
Белорусская ССР
Латвийская ССР
Литовская ССР
Эстонская ССР
Грузинская ССР
Армянская ССР 56,6 8,9 1,4 0,04 0,5 0,1 2,7 34,1 3,1 5,7 0,1 9,9 1,7 0,5 0,3 0,6 0,02 0,001 149,9 19,8 5,2 0,1 2,0 0,3 9,1 103,9 4,0 5,2 0,3 2,3 5,4 1,7 0,8 2,3 0,1 0,0024
Разработка торфяных месторождений. Разработке Т. предшествуют осушение и подготовка поверхности. Подготовка поверхности месторождения выполняется после сооружения осушительной сети и окончания предварительного осушения залежи (рис. 3). Независимо от того, для каких целей будет использоваться залежь, с её поверхности удаляется древесная, а иногда и моховая растительность, разрабатываемый слой залежи на глубине 25-40 см освобождается от древесных включений или они измельчаются на фракции менее 8-25 мм. Разделённая картовыми канавами и валовыми каналами на определённые участки (карты) поверхность поля планируется в продольном направлении перпендикулярно валовым каналам и профилируется с поперечным уклоном в сторону картовых канав шнековым профилировщиком. Выполнение этих работ способствует понижению уровня грунтовых вод и уменьшению влажности торфяной залежи до 86-89%, что обеспечивает производительную работу механизмов по добыче, сушке и уборке Т. Все операции подготовки поверхности торфяного месторождения механизированы (см. Торфяные машины). Удаление древесной растительности при подготовке включает срезку (валку) деревьев и кустарника с одновременным пакетированием и укладкой деревьев в пакетах на поверхность залежи специальной машиной (рис. 4). Затем пакеты грузятся на тракторные прицепы-самосвалы и вывозятся на промежуточные прирельсовые склады. Пни и древесные включения корчевальными машинами извлекаются из залежи или перерабатываются машинами глубокого фрезерования (рис. 5) с последующей сепарацией и вывозкой древесных остатков за пределы полей. Для получения Т. с усреднёнными кондиционными свойствами применяются машины для перемешивания залежи или дренажно-обогатительные машины, извлекающие фрезами или барами торфяную массу из слоя залежи, перерабатывающие и расстилающие слой Т. на поверхности поля. Мелкие древесные остатки и щепа убираются с рабочей поверхности карт машинами с накалывающим или барабанно-цепным рабочим органом.
В СССР Т. добывается фрезерным (более 95% общей промышленной добычи), экскаваторным и бескарьерно-глубинным способами. Прообраз экскаваторного способа - элеваторный, которым до Октябрьской революции 1917 добывалось около 1,3 млн. т (1913) кускового Т. Выемка Т. осуществлялась вручную. Элеваторные машины транспортировали Т.-сырец из карьера, перемешивали его и формовали в кирпичи. Операции по сушке, уборке и погрузке производились вручную. В 20-е гг. был разработан способ гидравлической добычи торфа ("гидроторф") с полной механизацией производственных процессов. Он применялся с 1922 до 1962. Комплексно-механизированный экскаваторный способ включает выемку Т. из залежи ковшевым устройством, переработку Т.-сырца, его формование и выстилку торфяных кирпичей на поле сушки, уборку и складирование. Фрезерная добыча Т. получила развитие в СССР с конца 40-х гг. Она полностью механизирована и отличается меньшими трудоёмкостью, металлоёмкостью и энергоёмкостью. Основные технологические операции фрезерного способа добычи Т.: измельчение верхнего слоя (фрезерование) залежи на глубине до 25 мм, сушка сфрезерованного Т., уборка и штабелирование готового Т. Продолжительность высыхания слоя от 1 до 2 сут. Число таких циклов в сезоне 20-28; при пневматическом способе уборки до 40-50 циклов. Для добычи Т. фрезерным способом применяются 3 схемы: уборочно-перевалочная (рис. 6), бункерная механическая и бункерная пневматическая. Добытый торфяными машинами Т. в среднем около 6 мес хранится в полевых штабелях. Наиболее эффективный способ хранения и борьбы с самовозгоранием Т. - изоляция штабелей от атмосферного воздуха слоем сырого Т.; внедряется (1975) изоляция полимерной плёнкой.
Бескарьерно-глубинным способом добывают кусковой Т. для коммунально-бытовых нужд. Сущность его заключается в экскавации Т. из узких траншей, переработке, формовании и выстилке торфяных кирпичей на поле добычи - сушки с одновременным задавливанием траншей добывающей машиной.
В процессе переработки Т. благодаря увеличению удельной поверхности диспергируемого материала улучшаются свойства продукции. Диспергирование Т.-сырца повышает коэффициент объёмной усадки, являясь предпосылкой получения не только плотной, но и прочной продукции. Переработка снижает влагоёмкость топливного Т. Механическая переработка Т. осуществляется рабочими органами различных типов: шнековыми, шнеково-ножевыми, спирально-конусными, конусными, щелевыми, дробильными, перетирателями.
Комплексное использование торфа. В 16-17 вв. из Т. выжигали кокс, получали смолу, Т. применяли в сельском хозяйстве, медицине и т.д. В конце 19 - начале 20 вв. началось промышленное производство торфяного полукокса и смолы. В 30-50-х гг. Т. стали использовать в энергетике, а также для производства газа и как коммунально-бытовое топливо. В 50-х гг. проведены исследования по энерготехнологическому применению Т. Возможность использования Т. из одного месторождения одновременно для сельского хозяйства и промышленности привела к созданию нового направления - комплексного использования Т.; этому способствуют многообразные свойства различных его твидов. Так, в верховом слаборазложившемся Т. содержание углеводов достигает 40-50%; в сильноразложившемся Т. гуминовые кислоты составляют 50% и более. Отдельные виды Т. богаты битумами, содержание которых достигает 2-10%. Малоразложившийся верховой Т. обладает высокой водо- и газопоглотительной способностью, низким коэффициентом теплопроводности.
Т. высокой степени разложения находит разнообразное применение в сельском хозяйстве (табл. 4). Его используют для приготовления компостов (рис. 7), смесей с минеральными туками и известью, для производства торфоаммиачных и торфоминерально-аммиачных удобрений (см. Органо-минеральные удобрения). Т., содержащий вивианит, применяют как фосфорное удобрение, известь - как известковое удобрение. Низинный Т., внесённый в больших дозах (500 т/га и более), способствует окультуриванию дерново-подзолистых почв, улучшению их физических и физико-химических свойств.
В овощеводстве и цветоводстве из Т. в смеси с др. компонентами (навоз, минеральные удобрения и прочее) готовят торфо-перегнойные кубики (см. Горшки рассадные) и теплично-парниковые почвосмеси. Неразложившийся Т. может служить биотопливом; хорошо разложившийся проветренный Т. используют для мульчирования посевов. В животноводстве верховой Т. - хорошая подстилка для крупного рогатого скота, птицы и др. Отдельные виды сильноразложившегося Т. содержат значительное количества битумов и применяются для производства восков. На торфяном сырье низкой степени разложения в СССР создан единственный в мире завод (Ленинградская область) по выпуску спирта и фурфурола. Производятся тепло- и звукоизоляционные торфяные плиты, торфяные полые горшочки и др. Активный уголь из Т. изготовляют в ФРГ, Нидерландах, СССР. Для коммунально-бытовых целей прессуются торфяные брикеты (СССР и Ирландия).
Технология переработки Т. развивается в 2 направлениях. Первое основано на выделении из Т. отдельных составляющих - битумов, гуминовых кислот, углеводов и др. Эти компоненты извлекаются при незначительных изменениях исходного вещества и либо являются готовой продукцией, либо служат сырьём для дальнейшей переработки. Второе направление заключается в глубоком разложении Т. с превращением его в совершенно новые вещества. Это продукты термической и окислительной деструкции, гидрировання и т.д. См. также Торфяная промышленность.
Табл. 4. - Агрохимическая характеристика торфа (в % на абсолютно сухое вещество торфа)
Тип торфа
Зольность
Содержание органических веществ РН (в КСl вытяжке) Химический состав Nобщ. CaO P2O5 K2O Fe2O3
Верховой
Переходный
Низинный
"
" 1-5 3-8 До 12 12-20 20-50 99-95 97-92 Свыше 88 88-80 80-50 2,8-3,6 3,6-4,8 4,8-5,8 4,8-6,6 4-7,0 0,9-2,0 0,9-3 1,1-3,8 1,6-3,9 1,5-3,7 0,1-0,7 0,5-1,7 1,2-4,8 1,2-7,5 0,3-31 0,03-0,2 0,04-0,3 0,05-0,4 0,05-2,0 0,05-7,5 0,05-0,1 0,05-0,1 0,1-0,2 0,2-0,5 0,3-0,9 0,03-0,5 0,1-1,0 0,2-3,0 0,1-9,0 0,2-26,0 Лит.: Успенский Н. Н., Указатель русской литературы по торфу, М., 1930; Библиографический указатель литературы по торфу, т. 1-11, М. - Калинин, 1960-75; Макаров И. К.. Нейштадт М. И., К истории литературы по торфу, "Торф", 1930, ? 3-4; Тюремнов С. Н., Торфяные месторождения, 2 изд., М. - Л., 1949; Чуханов З. Ф., Хитрин Л. Н., Энерготехнологическое использование топлива, М., 1956; Торфяные месторождения и их комплексное использование в народном хозяйстве, М., 1970; Использование торфа и выработанных торфяников в сельском хозяйстве, Л., 1972; Торф в народном хозяйстве, М., 1968; Лиштван И. И., Король Н. Т., Основные свойства торфа и методы их определения, Минск, 1975.
? Н. А. Копёнкина (Образование торфа, Классификация торфа),
? М. И. Нейштадт (Краткий исторический очерк),
? В. И. Чистяков.