Содержание к диссертации
Введение
Глава I Агротехнологические и агроэкологические свойства осадков городских сточных вод и компостов (обзор литературы) 10
1.1 Агротехнологические свойства осадков городских сточных вод. 10
1.2 Агроэкологические свойства осадков городских сточных вод 20
1.3 Действие осадков городских сточных вод на поведение тяжелых металлов в системе удобрение-почва-растение 26
1.4 Агротехнологические и экологические особенности компостирования осадков сточных вод 34
Глава II Программа и методика проведения исследований. 40
Глава III Результаты исследований 46
3.1 Агротехнологические особенности компостирования осадков сточных вод и растительных остатков 46
3.2 Влияние осадков городских сточных вод и органо-растительного компоста на агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы...50
3.2.1 Действие осадков сточных вод и органо-растительного компоста на агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы 51
3.2.2 Последействие осадков сточных вод и органо-растительного компоста на агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы 57
3.3 Влияние осадков сточных вод и органо-растительного компоста на макроэлементныи состав и продуктивность зерновых культур 62
3.3.1 Влияние действия и последействия осадков сточных вод и органо-растительного компоста на макроэлементныи состав зерна и соломы культур и вынос ими элементов питания 64
3.3.2 Действие и последействие осадков сточных вод и органо-растительного компоста на продуктивность зерновых культур 77
3.4 Влияние осадков городских сточных вод и органо-растительного компоста на валовое содержание и концентрацию подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое дерново-подзолистой супесчаной почвы 82
3.4.1 Действие осадков сточных вод и органо-растительного компоста на валовое содержание и концентрацию подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое дерново-подзолистой супесчаной почвы 84
3.4.2 Последействие осадков сточных вод и органо-растительного компоста на валовое содержание и концентрацию подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое дерново-подзолистой супесчаной почвы 92
3.5 Влияние осадков городских сточных вод и органо-растительного компоста на накопление тяжелых металлов в растениях зерновых культур 97
3.5.1 Действие осадков сточных вод и органо-растительного компоста на накопление тяжелых металлов в растениях зерновых культур 99
3.5.2 Последействие осадков сточных вод и органо-растительного компоста на накопление тяжелых металлов в растениях зерновых культур 108
Заключение 113
Выводы 117
Предложения производству 119
Литература 120
- Агротехнологические свойства осадков городских сточных вод.
- Программа и методика проведения исследований.
- Агротехнологические особенности компостирования осадков сточных вод и растительных остатков
Введение к работе
Актуальность проблемы. С ростом численности населения возрастают масштабы производственной деятельности. И вместе с полученными продуктами, сопровождается происхождение многих выбросов. К примеру, с развитием промышленности, ростом городов и повышением степени их благоустройства возрастает объем сточных вод, подвергаемых очистке. Утилизация сточных вод прежде осуществлялась преимущественно механическим удалением в окружающую среду без какой-либо предварительной очистки. Строительство очистных сооружений в последние два десятилетия приобрело массовый характер. Однако, решая задачи по очистке сточных вод, неизбежно возникает проблема в утилизации образующихся осадков сточных вод (ОСВ). С 80 года 20-го века, суммы производства ОСВ в западных странах сильнее возрастают [Ван Синь, 2002].
Взаимосвязь урбанизации и состояния окружающей природной среды обусловлена рядом факторов в сложной системе социально-экономического развития и взаимодействия общества и природы. Поэтому проблема оптимизации взаимодействия человека и природы является актуальной и решение её имеет большое значение в улучшении окружающей среды.
В настоящее время в сельскохозяйственной деятельности, интенсификация земледелия и недостаточное внесение в почву органического вещества приводят к излишней минерализации гумуса - основного носителя плодородия. В России за последние 2-3 десятилетия содержания гумуса в Нечерноземной зоне уменьшилось на 0,5-0,7 т/га, в Центрально-Черноземной полосе на- 1,0-1,5 т/га. Установлено, что почвы под зерновыми культурами ежегодно теряют 0,5-1,5 т/га гумуса, под пропашными, в 1,5-3 раза выше. Снижение плодородия почв характерно для России и большинства развитых стран [До-рошкевич, Убугунов Л.Л., Мангатаве Ц.Д. и т.д. 2002].
В 1985 г. в Российской Федерации внесено 457 млн.т. органических удобрений, в 1990 г. - 575 млн.т., а в 1995 г. эта цифра увеличилась до 697 млн.т.
Согласно расчетам научных утверждений, даже такой рост внесения органики не в состоянии обеспечить бездефицитный баланс гумуса в почвах. Отсюда возникает острая необходимость максимального увеличения производства всех видов органических удобрений, в том числе нетрадиционных.
Ежегодно в России только в животноводстве накапливается около 1,0 куб.км. сточных вод. В них содержится 4,5 млн.т. азота, 100 тыс.т. фосфора и 700 тыс.т. калия. Используя лишь животноводческие сточные воды для улучшения возделывания сельскохозяйственных культур, можно получить в пересчете на зерно дополнительный урожай свыше 7 млн.т. зерна [Богатырев, 1999].
В качестве удобрения в среднем в 12 западноевропейских странах и США довольно широко используется 32,4% ОСВ городских очистных сооружений, особенно в тех районах, где ощущается нехватка органических удобрений, а доставка ОСВ обходится дешево и поэтому экономически оправдана. При этом в Люксембурге в сельском хозяйстве применяют 90% годового выхода ОСВ, Швейцарии - 70%, ФРГ - 30%, Франции - 23%, Бельгии - 10%. В настоящее время в Российской Федерации на удобрение используется не более 4-6% общее количества осадков, что значительно ниже по сравнению с индустриально развитыми стратами [Захаренко, 2004].
В составе ОСВ содержится большое количество органического вещества и питательных элементов, легко переходящих в доступные для растений формы, является ценным сырьем для получения органических удобрений. Из существующих методов утилизации осадков наиболее надежным и экологически выгодным является метод почвенного удаления. Выявлено, что 10 млн.т. осадков сточных вод по содержанию сухого вещества, основных элементов питания и удобрительной ценности равноценны примерно 50 млн.т. навоза. Использование части ОСВ на удобрения позволит сохранить значительное количество минеральных туков, уменьшит дефицит гумуса.
По данным исследований, ОСВ обладают высокими запасами углерода, азота и фосфора, обогащены полезной микрофлорой, положительно влияют на физические свойства почв. Различные виды осадков содержат 20-30% углерода и 2-5% гуминовых веществ, при внесении ОСВ в почву отмечено накопление общего углерода и гуминовых веществ, преимущественно фуль-ватного характера [Отаббонг, Якименко и др., 2001].
Это обуславливает целесообразность их широкого использования в качестве нетрадиционных органических удобрений в сельском хозяйстве, городском озеленении и т.д. Одновременно решается и задача устранения больших объемов загрязняющих веществ [Мохаммед, 2001 ].
Поэтому использование ОСВ в качестве местных удобрений является также эффективным способом ликвидации этого отхода, хотя применение его требует определенной осторожности, поскольку некоторые виды ОСВ содержат повышенное количество тяжелых металлов и органических поллю-тантов [Отаббонг, Якименко и др., 2001].
В сточных водах возможен спонтанный процесс образования новых, неизвестных соединений, механизм формирования которых существующими методами установить чрезвычайно трудно. Илы некоторых очистных сооружений обладают выраженной фитотоксичностью, которая обусловлена загрязнением этих осадков органическими соединениями, обладающими гер-бицидными свойствами.
Однако основным фактором, сдерживающим применение ОСВ в растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и безвредность продуктов мало изучено. Следовательно, для оптимального решения данного вопроса имеется ряд трудностей и много еще неразрешенных задач.
В принципе, целесообразность применения многих отходов на удобрения не вызывает сомнений, так как естественное плодородие почв сформировалось исторически и поддерживается в настоящее время за счет биохимиче-
ского разложения почвообразующих минералов и органических остатков (отходов) растительного и животного происхождения.
В то же время для объективной оценки действия конкретного удобрения, произведенного на основе тех или иных отходов, необходимы его испытание в системе агроэкологического мониторинга и разработка технологий по экологически безопасному, экономически выгодному его применению в менее ущербных звеньях экосистемы агроландшафтов [Захаренко, 2004].
В настоящее время, необходимость переработки ОСВ на удобрение не вызывает сомнений. Однако неясных и нерешенных вопросов еще много. Прежде всего, это поиски способов переработки, удовлетворительных и в экономическом, в экологическом отношениях и пригодных для разнообразных местных условий и разных масштабов переработки. В экологическом направлении усилия концентрируются на исследовании долговременных последствий внесения осадка в почву, что позволит установить, возможно ли длительное и безопасное для окружающей среды ведение сельскохозяйственного производства с применением удобрений из осадка сточных вод [Покровская, Касатиков, 1987 ].
Цель исследований. Целью исследования является выявление агроэкологи-ческих и технологических аспектов производства и применения органо-растительных компостов на основе осадка сточных вод. Изучение влияния органо-растительного компоста в сравнении с ОСВ в составе органической и органоминеральной систем удобрений на миграцию макро- и микроэлементов в системе удобрение-почва-растение на дерново-подзолистой супесчаной почве. В связи с этим в процессе исследований решались задачи по сравнительной оценке влияния систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод на:
1. Агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы по действию и последействию органических и органоминеральных систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод.
Валовое содержание и концентрацию подвижных форм тяжелых металлов (ТМ) в дерново-подзолистой супесчаной почве по действию и последействию органических и органоминеральных систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод.
Урожайность культур и их агро- и биогеохимические показатели по действию и последействию органических и органоминеральных систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод.
На экологические показатели полевого агроценоза по величинам суммарного загрязнения (Zc) и коэффициента концентрации (Кс).
Прикладное значение. По результатам исследований дана сравнительная агроэкологическая оценка использования систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод.
Научная новизна. Впервые на основе проведения полевых и лабораторных исследований рассмотрено изменение агроэкологических свойств дерново-подзолистой почвы под влиянием органо-растительного компоста на основе осадка сточных вод с получением важнейших интегральных экологически значимых показателей качества товарной продукции, валового содержания и концентрации в ней подвижных форм тяжелых металлов по действию и последействию органических и органоминеральных систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод.
Разработаны агроэкологические и технологические аспекты производства и применения органо-растительных компостов на основе осадка сточных вод. Выявлены во временном аспекте качественные различия во влиянии органических и органоминеральных систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод на урожайность культур и их агро- и биогеохимические показатели. Определены основные изменения экологических показателей полевого агроценоза по величинам Zc и Кс.
Определены экологически безопасные дозы ОРК в сравнении с ОСВ для оптимизации плодородия почвы и повышения продуктивности сельскохозяй-
ственных культур. Проведена агроэкологическая оценка состояния локальных почвенных участков и выявлена различная степень транслокации ТМ в системе «удобрение-почва-растение» по действию и последействию ОРК и ОСВ.
Практическая ценность работы. Работа имеет практическую ценность. По результатам исследований дана комплексная экологическая и агрохимическая оценка использования органических и органоминеральных систем удобрений на основе органо-растительного компоста и осадка сточных вод при разных дозах внесения ОСВ и ОРК. Результаты исследований позволяют сделать выбор оптимальных решений по повышению устойчивости и продуктивности агроэкосистем, формирующихся на дерново-подзолистых супесчаных почвах при использовании ОРК на основе ОСВ.
Разработанные предложения по производству и применению ОРК на основе ОСВ в качестве удобрения с учетом природоохранительных требований могут быть использованы на дерново-подзолистых супесчаных почвах. Полученные данные необходимы для разработки краткосрочных прогнозов и рекомендаций по снижению негативного влияния удобрений на основе осадка сточных вод на агроэкосистему. Диссертационный материал может быть использован при составлении проектно-сметной документации проектов землепользования.
Агротехнологические свойства осадков городских сточных вод.
Отходы городского коммунального хозяйства, в том числе и ОСВ в крупных городах и населенных пунктах порождают массу проблем в связи с их утилизацией.
Одним из основных вторичных продуктов в антропогенной и техногенной деятельности являются сточные воды. Сброс их в водоёмы без предварительной очистки от взвешенных иловых частиц, обеззараженных от патогенной микрофлоры, и избытка содержания химических ингредиентов в России и ЕЭС запрещён действующим законодательством.
Однако, решая технологические вопросы, связанные с очисткой сточных вод, муниципальные предприятия водопроводно-канализационного хозяйства сталкиваются с проблемой утилизации ОСВ [Касатиков и др., 1998]. ОСВ представляют собой примеси в твёрдой фазе, выделенные из воды в результате механической, биологической и физико-химической очистки или сочетания этих методов [De Hach, 1980; Grage D., 1975; Hovsentius Y., 1975].
В зависимости от способа обработки сточных вод различают следующие виды осадков:
a) Сырой осадок, выпадающий в первичных отстойниках очистных сооружений;
b) Избыточный активный ил, образующийся в результате биологической очистки;
c) Сброженный осадок - продукт анаэробного или аэробного сбраживания осадка из первичных отстойников и активного ила из вторичных отстойников;
d) Шлам - продукт химической очистки [Furrer, 1980; Туровский, 1982; Гольдфарб, 1983; Li CH.Q., 2001].
Основным продуктом очистки сточных вод является сброженный осадок, накапливающийся на иловых картах и в илонакопителях.
В основу схемы утилизации ОСВ, являющихся составной частью городских отходов, положен принцип круговорота веществ и элементов в системе земля - сельскохозяйственное производство -» человек - город - промышленное производство - земля, представленной на рисунке 1 [Касатиков и др., 1999; Li Y.X., 1999].
Использование в соответствии с данной схемой 3,0 млн.т. ОСВ в расчёте на сухое вещество, производимые в Российской Федерации, даст дополнительно для внутреннего потребления до 60 тысяч т N, 90 тысяч т Р и 9 тысяч тК.
Производимые в Российской Федерации ОСВ в количестве 3,0-3,5 млн.т. (по сухому веществу) имеют неадекватные агрохимические свойства, обусловленные технологией обработки, соотношением объемов бытовых и промышленных стоков.
ОСВ, имеющие, как правило, разнообразный макро- и микроэлементный состав, способствуют отчуждению при депонировании значительного количества удобрительных макро- и микроэлементов. В зависимости от существующих на очистных сооружениях Российской Федерации технологических схем производства ОСВ предлагается следующее их классификационное деление на типы и виды (рис. 2). В соответствии с данной классификацией основными типами ОСВ в России являются термофильно-сброженный, мезо-фильно-сброженный и аэробно-стабилизированный. Высокие энергетические затраты на производство мезофильно-сброженных и особенно термофильно-сброженных ОСВ обусловили преобладание аэробно-стабилизированных ОСВ.
Программа и методика проведения исследований.
Полевые исследования проводятся в полевых стационарных опытах Все российского научно-исследовательского, конструкторского и проектно технологического института органических удобрений и торфа (Владимирская область, п. Вяткино), заложенных по мелкоделяночной схеме. Почва опытных участков дерново-подзолистая супесчаная, подстилаемая суглинистой мореной. Пахотный горизонт находятся в толще супесчаного отложения,
Рельеф участка выровненный. Выращивание проводится для кормового целя.
Опыт 1 (2002-2003 гг.) заложен на опытном поле ВНИПТИОУ в 1982 г. ОСВ г. Владимира вносились в 1982, 1986, 1991 и 1996 гг. на всю площадь делянки. В 2002 г. на 1/2 делянки был внесен ОСВ (Фон 0), на другой 1/2 -органо-растительный компост (Фон 1).
Органо-растительный компост (ОРК) приготовлен в 2001 г. из безреа-гентного аэробно-стабилизированного ОСВ г. Владимира и зеленой массы люпина. На опытном поле в августе заложен бурт с послойным чередованием ОСВ и зеленой массы люпина. Соотношение компонентов 1:0,5 по массе. Осадок сточных вод, органо-растительный компост и минеральные удобрения весной 2002 г. внесены под основную обработку почвы. Предшественник - пласт многолетних трав (клевера). Чередование культур: ячмень-овес-клевер. Все агротехнические приемы в опыте выполняются вручную.
Примечание: Дозы ОСВ и компоста даны на 50% влажность. Повторность опыта 4-х кратная. Размещение делянок рендомизированное. Площадь де -42 лянки 3,15 м2. Общая площадь 226,8 м2. Вокруг опыта защитная полоса шириной 0,5м.
Опыт 2 (2002-2003 гг.) заложен на опытном поле ВНИПТИОУ. Задача опыта 2 - выявить сравнительное влияние ОСВ и органо-растительного компоста на его основе при однократном применении органических удобрений на агрохимические свойства почвы, содержание в ней тяжелых металлов, величину урожая и его качество. Почва дерново-подзолистая супесчаная, подстилаемая суглинистой мореной. Предшественник — овес (уравнительный посев). Чередование культур: ячмень-овес-клевер.
В опыте используется ОСВ г. Владимира и органо-растительный компост, приготовленный из данного ОСВ и викоовсяной смеси. Органические удобрения вносятся под первую культуру звена севооборота под основную обработку почвы. Все агротехнические приемы обработки почвы выполняются вручную.
Примечание: Дозы ОСВ и компоста приведены к 50% влажности и выровнены по Р2О5. Повторность опыта 5-ти кратная. Площадь делянки Зм2. Вокруг опыта защитная полоса шириной 0,5м.
Опыт 3 (2003-2004 гг.) заложен на опытном поле ВНИПТИОУ. Задача опыта - изучить влияние органо-растительного компоста в сочетании с известью и минеральными удобрениями на агрохимические свойства почвы, содержание в ней тяжелых металлов, урожайность сельскохозяйственных культур и его качество.
Реакция среды пахотного слоя слабокислая, сумма поглощенных оснований - 6,92 мг.экв./ЮОг, содержание Р2О50бщ. - 8,5, K2Oo6lIl. - 4,1 мг/100г поч -43 вы. Почва дерново-подзолистая супесчаная, подстилаемая суглинистой мореной. Органо-растительный компост приготовлен в 2002 г. из безреагентно-го ОСВ г. Владимира и викоовсяной смеси. Соотношение компонентов: 1:1 по массе. ОРК имеет влажность 61%, рН 7,3, содержание на сухое вещество: No6ui.-0,63%, Р2О5общ.-0,7%, К2Ообщ.-0,25%. Чередование культур: ячмень-овес-клевер. Органо-растительный компост и минеральные удобрения вносились весной 2003 г. под первую культуру звена севооборота под основную обработку почвы. Все агротехнические приемы обработки почвы выполнялись вручную.
Примечание: Дозы органо-растительного компоста приведены к 50% влажности. Повторность опыта 5-ти кратная. Размещение делянок рендоми-зированное. Площадь делянки Зм . Исследования проводились в звене севооборота ячмень-овес-клевер с целью выяснения действия и последействия ОРК в сочетании с мелиоративным приемом на агрохимические и биогеохимические свойства почвы и растений.
Агротехника возделывания культур общепринятая для нечерноземной зоны. Уборка урожая проводилась вручную. Учёт урожая зерна и соломы проводили поделяночно. Математическая обработка урожайных данных проводилась методом дисперсионного анализа.
Агротехнологические особенности компостирования осадков сточных вод и растительных остатков
ОСВ не всегда могут использоваться непосредственно в качестве удобрения в сельском хозяйстве, при озеленении городов и т.д. Основными сдерживающими факторами часто являются неудовлетворительные физические свойства ОСВ, наличие в ряде случаев повышенного содержания тяжелых металлов. В частности, ОСВ обычно представляют собой пастообразную массу со специфическим запахом, которая при подсыхании приобретает глыбистую комковатую структуру, затрудняя равномерное внесение их в почву с помощью серийных технологических средств [Касатиков, Касатикова, Ша-бардина, 1999].
В мире идет интенсивный поиск путей утилизации возрастающего количества ОСВ — продуктов жизнедеятельности человека. В настоящее время, одним из способов утилизации ОСВ является его использование в качестве органоминерального удобрения. На практике часто применяется компостирование ОСВ с другими отходами или заменяющими их веществами (навоз, торф, опилки, древесная кора, биомасса растений) [Богатырев, 1999].
На участках, предназначенных для удобрения осадком, до его внесения должно быть проведено агрохимическое обследование почвы по следующим показателям: рН, содержание подвижных форм фосфора, калия, тяжелых металлов. Необходимыми условиями для использования ОСВ в качестве удобрения являются обеззараживание, допустимое содержание потенциально опасных элементов и веществ, технологическая пригодность по физическим свойствам к внесению техническими средствами при утилизации [СанПиН 2.1.7.573-96].
Компостирование ОСВ во многих странах рассматривается как важный элемент стратегии повторного использования отходов. При этом решаются две задачи: во-первых, избавляются от отходов, создающих угрозу загрязнения окружающей среды, во-вторых, расширяют производство органических удобрений, потребность в которых очень велика. Основными условиями, соблюдение которых обеспечивает прохождение процесса компостирования, являются влажность (70-78%), кислотность (6,8-7,2), соотношение углерода и азота (20-30), плотность смеси, равномерность смешивания, температура окружающей среды (более 10 градусов), аэрация, минеральные добавки [Есь-ков, Новиков, Лукин и др., 2001].
В настоящее время уровень ежегодного накопления ОСВ в России превышает 3 млн. т. по сухому веществу, что позволяет получать из них до 2,5 млн. тонн качественного компоста. При этом в Российской Федерации ежегодные потери органического вещества при возделывании сельскохозяйственных культур составляют 0,5-1,0 т/га. [Еськов, 2004].
Целью данных научных исследований было изучение технологических особенностей получения органо-растительного компоста на основе ОСВ.
Органо-растительный компост готовился из безреагентного аэробно-стабилизированного ОСВ очистных сооружений г. Владимира и викоовсяной смеси. Соотношение компонентов в компостной смеси - 1:1 (по сухому веществу).
Компостирование компостной смеси на основе ОСВ и викоовсяной биомассы осуществлялось в биобарабане при 72% влажности. Процесс компостирования осуществлялся 2 месяца с 6 августа по 10 сентября 2002 г. При этом в компостной массе производилось ежедневное измерение температурного режима в 10 точках. Десятого сентября компост был складирован в бурт и был отобран средний образец для агрохимического анализа и определения тяжелых металлов.
Технологический процесс компостирования осуществляется в следующей последовательности. Компостная смесь оптимального состава готовится на бетонной площадке. Реактор представляет собой горизонтально расположен -48 ный барабан диаметром 1 м и длиной 4 м с теплоизоляцией установленный на четырех опорных роликах и имеющий загрузочный и выгрузной люки. Вращение барабана осуществляется от электропривода, частота вращения его 24 об./час. Регулируемая подача воздуха в объеме от 3,5 до 6 л/кг смеси в час осуществляется вентилятором ВЦ-4-75-2,5.
На рис. 3 хорошо видна динамика температуры при компостировании. С третьего дня температура повышается до 50 градусов, до девятого дней держится выше 50-60 градусов. При этой температуре, значительно улучшается санитарно-гигиеническая характеристика осадка, термофильное сбраживание в аэробных условиях, погибают яйца гельминтов, патогенная микрофлора.
