Содержание к диссертации
Введение
1. Пути утилизации и возможность использования осадков сточных вод в агроценозах (Обзор литературы)
1.1. Объемы накопления осадков сточных вод и проблемы их утилизации 7
1.2. Химический состав и удобрительная ценность осадков сточных вод 11
1.3. Влияние осадка сточных вод на эколого-агрохимические свойства и плодородие почвы 15
1.4. Изменение продуктивности агроценозов и качества урожая при использовании осадка сточных вод 19
1.5. Эффективность компостов на основе осадков сточных вод 27
1.6. Возможность накопления поллютантов в почве и растениях Экспериментальная часть
2. Объекты и методы исследований 36
3. Влияние различных видов и доз компостов на основе осадков сточных вод и навоза на агрохимические свойства дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы 41
4. Действие и последействие компостов из осадков сточных вод и навоза на урожайность и ботанический состав травостоев 49
5. Влияние органических и минеральных удобрений на химический состав многолетних трав 54
6. Использование питательных элементов из компостов на основе осадков сточных вод и навоза растениями 56
7. Влияние компостов из осадков сточных вод, навоза и минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в почве и растениях 60
Выводы 72
Список литературы
- Химический состав и удобрительная ценность осадков сточных вод
- Изменение продуктивности агроценозов и качества урожая при использовании осадка сточных вод
- Действие и последействие компостов из осадков сточных вод и навоза на урожайность и ботанический состав травостоев
- Влияние компостов из осадков сточных вод, навоза и минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в почве и растениях
Введение к работе
Сохранение и воспроизводство почвенного плодородия является основным условием развития земледелия. В связи с острым дефицитом минеральных и традиционных органических удобрений становится актуальной разработка технологий применения нетрадиционных агрохимических средств (Еськов, 2004; Сычев, Аристархов, 2004; Минеев и др., 2006). Наряду с внесением навоза, птичьего помета, компостов, соломы, сапропелей, лесного опада, большой интерес представляет использование в качестве местного удобрения сброженных осадков сточных вод городских очистных сооружений.
В свою очередь, утилизация осадка сточных вод представляет серьезную экологическую проблему ввиду возможного повышенного содержания в них тяжелых металлов. Однако при регламентированном их использовании получают высокий агроэкономический эффект. В индустриально развитых странах в среднем на одного жителя в год образуется около 19 кг сухого вещества осадка, или 52 г на человека в сутки, а в расчете на городского жителя - около 25 кг сухого вещества. В Российской федерации с численностью 141 млн. человек, в том числе городского - 101, расчетный объем выхода сухого осадка оценивается ориентировочно в 2,5 млн. т. в год (Покровская, Касатиков, 1987).
К основным методам утилизации осадков относятся сжигание, захоронение и использование в качестве удобрения (Вайсфельд, Кремер, 2002). В России термическая обработка осадков практически не используется из-за высокой стоимости очистных дымовых сооружений, и к распространенным способам их утилизации относится размещение на иловых площадках. Как показывает зарубежный опыт, одним из основных методов утилизации осадка служит сельскохозяйственное использование. Так, в среднем по странам, в качестве удобрения используется 32,4 % осадков. В нашей стране, по самым оптимистическим оценкам, применяется в агрикультуре пока лишь около 5 % . Отсутствие существенных позитивных результатов в некоторых опытах позволило ряду авторов высказать сомнения в целе сообразности и возможности рационального использования осадков в земледелии и кормопроизводстве (Тяжелые металлы..., 1994; Алексеева, 2002; Анциферова, 2003 и др.). Однако снижение уровня применения органических удобрений в сельскохозяйственном производстве РФ требует пополнения их ресурсов за счет нетрадиционных источников. По оценкам специалистов ВНИИА и других научно-исследовательских учреждений, проведенных в различных почвенно-климатических условиях, осадки сточных вод после их сбраживания в метатенках и обезвоживания могут быть использованы для удобрения, как в естественном виде, так и в виде компостов (Афанасьев, Мерзлая, 2001).
Для получения сведений по вопросам оценки влияния нетрадиционных органических удобрений на продуктивность сельскохозяйственных культур и показатели почвенного плодородия, а также баланс питательных элементов в агроэкосистемах необходимы экспериментальные исследования в условиях полевых и микрополевых опытов.
Целью работы является сравнительное изучение агроэкологической эффективности применения компостов на основе осадков сточных вод различных сроков хранения и традиционного навоза в агроценозах многолетних злаковых трав на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи: 1.Изучить влияние компостов на основе осадков сточных вод, поступающих с фильтр-прессов, и осадков длительного хранения на иловых площадках с добавлением древесных отходов, а также подстилочного навоза на агрохимические свойства почвы в условиях многолетнего микрополево-го опыта.
2.Установить влияние различных доз компостов из осадков сточных вод разных сроков хранения и химического состава и навоза на урожайность и ботанический состав травостоев.
3.Изучить влияние доз компостов и навоза химический состав трав. 4,Определить закономерности действия и последействия удобрений в изменении содержания тяжелых металлов в системе почва-растение. 4.0пределить закономерности действия и последействия удобрений в изменении содержания тяжелых металлов в системе почва-растение. Научная новизна
Впервые проведено сравнительное изучение агроэкологических особенностей действия и последействия компостов из осадков сточных вод Курьяновской станции аэрации г. Москвы с древесными отходами и традиционного подстилочного навоза в различных дозах при длительном выращивании многолетних злаковых трав на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве. Установлены закономерности в изменении агрохимических свойств почвы, урожайности и качества многолетних трав, содержания в почве и растениях тяжелых металлов в зависимости от видов и доз применения компостов из осадков сточных вод разных сроков хранения и подстилочного навоза. Показано, что применение компостов на основе осадков в повышенных, по сравнению с рекомендуемыми дозах - 35 т/га увеличивает содержание в почве гумуса, фосфора, снижает кислотность. Содержание тяжелых металлов в почве и травяных кормах при внесении компостов мало отличается от вариантов с применением подстилочного навоза. Установлены коэффициенты использования тяжелых металлов растениями из компостов на основе осадков и древесных отходов, а также коэффициенты биологического поглощения при внесении компостов в аг-роценозах многолетних злаковых трав. Практическая значимость
Результаты исследований могут быть использованы при разработки технологий экологически безопасного использования компостов на основе осадков сточных вод разных сроков хранения и древесных отходов в агро-ценозах многолетних трав, обеспечивающих повышение плодородия почв и получение биологически полноценной продукции.
Химический состав и удобрительная ценность осадков сточных вод
Осадки сточных вод многих городов могут рассматриваться как ценные органические удобрения, аналогичные навозу или компостам (Kutera, 1988; Анализ...,1989). В сухой массе осадков содержится 40-70% органического вещества, 1-3% общего азота, 1,5-6% фосфора (Р2О5), 0,15-0,35 калия (КгО), 3-5% кальция (Са), а также магний, сера, другие элементы, используемые растениями для питания. Осадки городских сточных вод обычно имеют близкую к нейтральной или щелочную реакцию (рН 6,5-8).
Наряду с питательными веществами, в муниципальных осадках могут содержаться тяжелые металлы, количество которых зависит от состава и доли промышленных сточных вод, а также способа подготовки осадков. Содержание тяжелых металлов в осадках колеблется в широких пределах и в ряде случаев может превышать установленные допустимые концентрации (Поведение..., 1999).
Этот санитарно-химический фактор может стать ограничивающим при утилизации осадков в качестве удобрения. Для предотвращения загрязнения почв и производимой растительной продукции тяжелыми металлами в большинстве стран установлены национальные нормы предельно допустимого содержания тяжелых металлов в осадках городских сточных вод, используемых на удобрение (Эффективность..., 2003).
В нормативных документах России (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001) в показатели качества осадков включено 8 элементов : кадмий, хром, медь, цинк, никель, свинец, ртуть, мышьяк. В некоторых странах нормируется содержание марганца, кобальта, молибдена, сурьмы, хрома.
Важно учитывать непостоянство состава осадков по времени и возможное улучшение их агрохимических свойств, связанное с совершенствованием технологий очистки сточных вод или другими причинами. В частности, систематический анализ химического состава осадков сточных вод Курьяновской и Люберецкой станций аэрации по содержанию более чем 20 элементов, проведенный Всероссийским научно-исследовательским институтом удобрений и агропочвоведения им. Д.Н.Прянишникова и Институтом геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского, показал, что за последнее десятилетие произошло значительное, в ряде случаев на математический порядок, снижение их концентраций (Инструкция...,1989).
Так, содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод г. Москвы в 1996-1999 гг. было существенно ниже нормативных значений, в то время как в 1989 г. наблюдалось превышение ПДК по всем элементам, кроме ртути.
Изучение химического состава осадков сточных вод разных городов и других населенных пунктов свидетельствует о значительных различиях в содержании отдельных элементов, связанных с особенностями развития промышленности и региональными условиями. Например, в осадках города Новозыбкова Брянской области больше, чем в других городах, содержится хрома, в осадках г. Барнаула больше цинка, а в осадках Пушкинской станции аэрации Санкт-Петербурга - кадмия. Наблюдаемое повышенное содержание хрома в осадках часто связано с наличием на данном объекте кожевенных предприятий. Как сообщается в работе Э.Г. Дегодюка (1990), в осадке сточных вод производственного объединения "Рассвет" (г. Львов) содержалось хрома 3860 мг/кг, в то время как концентрации других тяжелых металлов были низкие (Ni-25, Си -22, Zn-130, Pb-147, Cd-4,2 мг/кг).
Значительные колебания в содержании тяжелых металлов установлены при анализе осадков сточных вод с очистных сооружений Московской области, что в основном зависит от доли поступающих в канализацию промышленных сточных вод (Чеботарев, 2002).
Осадки сточных вод, согласно расчетам индексов опасности по тяжелым металлам, на основе которых определяется класс опасности, в основном относятся к 4 классу, т.е. к малоопасным отходам.
Высокой удобрительной ценностью при незначительном содержании тяжелых металлов отличаются накапливающиеся в больших объемах осадки сточных вод заводов по производству минеральных удобрений (Грис лис, 1997). По данным обследования иловых площадок на очистных сооружениях АО "Щекиноазот", сроки хранения осадков на иловых площадках колеблются от 7 до 12 лет, а объемы осадков ориентировочно оцениваются в 10 тыс.т.
По физическим свойствам осадки иловых площадок после обезвоживания наиболее подготовлены для использования в качестве удобрений. Благодаря наличию дренажного слоя в основании площадок (гравий +песок) и трубчатых дрен, по которым иловая жидкость инфильтруется и поступает на станцию перекачки, масса осадка обезвожена до влажности 40-50%, аэрирована на глубину слоя 0-50 см, имеет землистую консистенцию от палевого до темно-коричневого цвета. С помощью бульдозера осадок перемещается с площадок на их края и становится пригодным для погрузки обычными средствами и вывозки автотранспортом за пределы очистных сооружений.
Более проблематичным является использование на удобрение осадков, находящихся на площадках с естественным дренажем (лагунах). Несмотря на длительные сроки размещения, осадки в лагунах имеют повышенную влажность и по физической консистенции малопригодны для непосредственного использования в качестве удобрения. Подсушенные на иловых площадках осадки АО "Щекиноазот" характеризуются ценными удобрительными свойствами: они содержат более 50% органического вещества, 3% и более азота и фосфора (Р2О5), кальций, имеют слабощелочную реакцию среды. Содержание тяжелых металлов - кадмия, никеля, цинка было ниже допустимого содержания для осадков первой группы по ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, а содержание хрома - выше нормативного уровня для первой группы осадков, но не превышало его - для второй (Афанасьев, 1995).
Изменение продуктивности агроценозов и качества урожая при использовании осадка сточных вод
В год внесения во всех вариантах органических удобрений наблюдалось увеличение содержания фосфора в почве (рис 2). При внесении ком-постов на основе осадков разного срока хранения в дозе 10 т/га в год действия количество фосфора увеличивалось по сравнению с контрольным вариантом в 1,3-1,5 раза. По мере минерализации органического вещества содержание подвижного фосфора снижалось, что связано с его потреблением сельскохозяйственными культурами и вымыванием в нижележащие слои почвы. Такая же закономерность отмечена и в варианте с низкой дозой навоза. Иной характер фосфатного режима наблюдался при повышении доз органических удобрений. При внесении компоста из осадка с фильтр-прессов содержание подвижного фосфора в почве повысилось по сравнению с контролем в 3 раза и оставалось стабильным во все годы. Использование компостов из осадка длительного хранения в повышенной дозе привело к постепенному увеличению содержания фосфора в почве с 22,0 в год внесения до 26,3 мг/100 г в пятый год последействия удобрений. При этом содержание фосфора в почве имело более низкие значения, чем в вариантах с компостом из свежего осадка в той же дозе.
Использование как традиционных, так нетрадиционных органических удобрений улучшает фосфатный режим почвы. Навоз по своему влиянию на содержание фосфора в почве уступает компосту на основе свежего осадка, внесенного в повышенной дозе. С ростом доз органических удобрений обеспечивается стабильное увеличение содержания фосфора в почве.
Осадки сточных вод характеризуются низким содержанием калия. Поэтому изменения в содержании этого элемента при внесении компостов на основе осадков в почве не произошло. Навоз по сравнению с компоста-ми содержал в 9-10 раз больше этого элемента. Внесение его в почву способствовало увеличению содержания обменного калия. В пятый год последействия содержание калия снизилось во всех вариантах с применением органических удобрений. Более высокие значения этого показателя - 9,3 мг/100 г К20 были получены в варианте с навозом в дозе 35 т/га (рис.3).
Содержание азота в почве по вариантам опыта в годы наблюдений изменялось незначительно.
В 2006 г. был проведен анализ агрохимических свойств почвы в слоях 0-20 и 20-40 см. (табл.4). На пятый год последействия внесение как компостов на основе осадков сточных вод, так и навоза, как правило, не оказывало воздействия на кислотность почвы. Некоторое снижение кислотности по отношению к контролю без удобрений наблюдалось в вариантах с использованием компостов из осадков длительного срока хранения и навоза, внесенных в дозе 35 т/га. В варианте с внесением минеральных удобрений отмечалось увеличение кислотности относительного контрольного варианта. Вниз по профилю изменения значения рН не происходило. Содержание кальция в почве увеличивалось в подпахотном слое во всех вариантах опыта, что связано с его вымыванием. Максимальные значения его содержания получены для варианта с компостом на основе осадка с фильтр-пресса, внесенного в дозе 35 т/га. В варианте с минеральными удобрениями в слое 0-20 см наблюдалось снижение содержания кальция в почве относительно контроля, в слое 20-40 см различий в содержании кальция в вариантах с минеральными удобрениями и контрольном не было. Внесение навоза в почву в дозе 35 т/га способствовало увеличению содержания подвижного калия даже на пятый год последействия, в остальных вариантах существенных различий в содержании калия в почве не наблюдалось.
Действие и последействие компостов из осадков сточных вод и навоза на урожайность и ботанический состав травостоев
Как отмечалось ранее, осадки сточных вод обладают высокой удобрительной ценностью и при научно обоснованном использовании дают высокий агрономический эффект. Однако данные о доступности питательных веществ осадков растениям ограничены (Афанасьев, Мерзлая, 2000).
В условиях проведенного опыта установлено, что, несмотря на высокие концентрации азота и фосфора в осадке, они слабо усваиваются растениями.
Коэффициенты использования азота растениями из осадков сточных вод и минеральных удобрений различаются незначительно и варьируют от 38 (компост из свежего садка в дозе 10 т/га) до 52% (минеральные удобрения) (табл.7). Коэффициенты использования растениями калия из осадков значительно в 3 раза выше, чем из минеральных удобрений (табл.9). Обратная закономерность наблюдается для фосфора (табл.8), где максимальные значения коэффициента использования (85%) получены при использовании минеральных удобрений, максимальные значения коэффициента при использовании органических удобрений (47,2%) , получены для варианта с навозом внесенном в дозе 10 т/га. Для компостов наиболее высокое значение коэффициента использования элемента (13,1) характерны для компостов на основе свежего осадка, внесенного в дозе 10 т/га.
Результаты, полученные в опыте согласуются с данными других авторов (Анспок, Штиканс, Визла 1981; Kutera, 1988; Нормативные показатели содержания азота, фосфора и калия в органических удобрениях.., 1991).
По данным проведенных исследований (табл.10), внесение компостов из осадков сточных вод повышло содержание кадмия в почве по сравнению с контролем без удобрений и вариантом с навозом. В большей мере эта зависимость проявлялась при внесении компоста из осадка с иловых площадок в высокой дозе 35 т/га сухой массы. Повышения содержания никеля и свинца в почве в вариантах низких доз обоих видов компостов не отмечено, в то время как высокая доза компоста из осадка с фильтр-прессов заметно увеличивала содержание этих элементов в почве.
Содержание меди и цинка в почве повышалось от внесения обоих компостов в обеих исследуемых дозах. При этом по всем вариантам опыта валовое содержание исследуемых тяжелых металлов в почве было низким и не превышало существующих ОДК (ГН 2.1.7.020-94).
В 2003 г. определяли валовое содержание ТМ в почве в пахотном и подпахотном слоях. По сравнению с первым годом исследований на третий год последействия удобрений в пахотном слое почвы заметно снизилось содержание хрома и марганца. Что касается других элементов, то четких закономерностей в изменении их содержания в почве на третий год последействия удобрений не наблюдалось.
Применение компостов на основе обоих видов осадков и навоза, как в низких, так и высоких дозах увеличивало валовое содержание в подпахотном слое почвы содержание хрома и свинца. При этом аналогичная зависимость в миграции указанных элементов отмечалась и в контрольном варианте, где удобрения не вносили.
Миграция цинка и меди в более глубокий горизонт при внесении всех изучаемых видов и доз органических удобрений была слабовыражен-ной (приложение 4).
Определение содержания тяжелых металлов в растениях в среднем за годы исследований показало, что с внесением компостов в них повысилось содержание кадмия, никеля, меди и хрома по отношению к контролю без удобрений. При этом содержание меди, кадмия, свинца в растениях, удобренных компостом из осадка с фильтр-прессов, в обеих дозах мало отличалось от вариантов с навозом. При внесении компоста из осадка с иловых площадок, т.е. длительного срока хранения, в растительной массе по сравнению с вариантом навоза накапливалось больше никеля и цинка. Однако во всех вариантах с компостами содержание в растениях тяжелых металлов (кроме цинка) не превышало МДУ в кормах для сельскохозяйственных животных (табл.11). При внесении минеральных удобрений в растениях меньше, чем на контроле, содержалось кадмия, цинка и никеля, но больше свинца и марганца.
Таким образом, анализ растительной продукции показал, что содержание тяжелых металлов в растениях зависело от вида и количества внесенного компоста, увеличиваясь по большинству показателей при внесении компостов на основе осадка длительного срока хранения с ростом его дозы, но, не превышая при этом, как правило, максимально допустимого уровня.
На основании данных, полученных в результате исследований, был рассчитан показатель суммарного элементного загрязнения почвы, согласно которому почва всех вариантов может быть отнесена к средне загрязненной. Наименьшая степень загрязнения (Zc=0,7) получена в варианте с минеральными удобрениями, максимальная (Zc=3,9) - при внесении компоста из свежего осадка в повышенной дозе (приложение 5).
Влияние компостов из осадков сточных вод, навоза и минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в почве и растениях
Степень биологического поглощения тяжелых металлов растениями характеризуется коэффициентом, который представляет собой отношение концентрации загрязняющего элемента в полученной продукции к его содержанию в почве. Во всех исследуемых вариантах были получены невысокие значения коэффициента биологического коэффициента (табл.17). Только для цинка не зависимо от удобрения и дозы его внесения, значение коэффициента превышает 1, что говорит о том, что для данного элемента корнеобитаемый слой не может являться биологическим барьером. Таблица 17.Влияние удобрений на коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов растениями
Таким образом, внесение компостов на основе осадков сточных вод разного срока хранения не оказало существенного воздействие на загрязнение почвы ТМ, значения концентрации ТМ в почве не превышают предельно допустимых. Полученная продукция по степени загрязнения относится к средне загрязненной. Установлено, что, несмотря на высокие концентрации тяжелых металлов, как в осадке, так и в навозе, они слабо усваиваются растениями.
При расчете коэффициентов корреляции максимальные значения (0,84) получены для корреляции между содержанием тяжелых металлов в растительной продукции и подвижных форм тяжелых металлов в почве, невысокие значения коэффициента (0,44) характерны для взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в растительной продукции и валовым содержанием тяжелых металлов в почве. Коэффициент корреляции между содержанием валовых и подвижных форм тяжелых металлов равен 0,73.
Согласно результатам, полученным на производственных условиях, при внесении осадка сточных вод в качестве удобрения наблюдалось повышение содержания тяжелых металлов относительно контрольного варианта, и в почве, и в получаемой продукции (табл.18). В почве, при внесении осадка наблюдалось увеличение концентраций ТМ в 1,5-2 раза. Однако все полученные концентрации не превышали предельно допустимых. Внесение осадков сточных вод в почву привело к увеличению содержания элементов загрязнителей в получаемой продукции. Таблица 18. Влияние осадка сточных вод на накопление тяжелых металлов в почве и растениях
При выращивании многолетних трав содержание кадмия повышалось в 2 раза и приближалось к МДУ при низких значениях свинца и цинка. Выводы
1. Одним из эффективных способов утилизации сброженных осадков городских сточных вод является приготовление на их основе компостов с последующим использованием в качестве органических удобрений при выращивании кормовых культур - ячменя и многолетних злаковых трав.
2. Компосты, приготовленные из сброженных осадков сточных вод Курьяновской станции аэрации г. Москвы с добавлением 10 % к массе смеси по сухому веществу древесных отходов (опилок), характеризуются высокой удобрительной ценностью. Компост из осадка, хранившегося на иловых площадках свыше 10 лет, содержит в сухой массе 48% органического вещества, 2,1% общего азота, 5,2% фосфора (Р2О5), 0,22 % калия (КгО) при рН 7,2; компост из осадка, поступившего с фильтр-прессов, содержит 52% органического вещества, 2% общего азота, 5,3% Р2О5, 0,24% КгО при рН 7,4. По содержанию органического вещества общего азота и калия оба вида компоста уступают подстилочному навозу крупного рогатого скота, но более чем в 2 раза превосходят навоз по содержанию фосфора.
3. Компост из осадка сточных вод с фильтр-прессов по содержанию тяжелых металлов соответствует ГОСТ 17.4.3.07-2001. Компост из осадка длительного хранения на иловых площадках загрязнен цинком и кадмием, содержание которых соответственно на 31 и 40% превышает допустимые концентрации. Общее содержание тяжелых металлов в этом компосте в 2 раза выше, чем в компосте из осадка с фильтр-прессов и в 10 раз выше, чем в навозе.
4. Внесение компостов из осадков улучшало агрохимические свойства дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы, увеличивая по отношению к контролю содержание органического вещества, особенно при внесении повышенных доз (35т/га), улучшая реакцию почвенной среды и фосфатный режим (содержание фосфора увеличилось в 1,3-1,5 раза относительно контроля). Применение компостов на основе осадков ввиду низкого содержания в них калия не влияло на калийный режим почвы, в то время как внесение навоза в дозе 35 т/га даже на 5-й год последействия позволяло поддерживать содержание подвижного калия в почве на уровне варианта с минеральными удобрениями.
5. Использование компостов на основе осадков сточных вод разных сроков хранения положительно влияло на продуктивность агроценоза многолетних трав. Наиболее эффективным было применение компоста на основе осадка сточных вод с фильтр-прессов в повышенной дозе 35 т/га. При этом компост, в среднем за 6 лет исследований оказывал практически равное с навозом действие на урожайность трав. Средняя прибавка урожая от компоста в этом случае составляла 87% по отношению к контролю без удобрений.
