Содержание к диссертации
Введение
Экологическая оценка воздействия отходов производства на состояние экосистемы почва-растение и пути ее оптимизации 9
1.1 Агроэкологическая эффективность применения шлаковых отходов в системе почва-растение 12
1.1.1 Отходы производства и их влияние на окружающую среду 16
1.1.2 Удобрительные свойства шлаковых отходов производства и перспективы их использования в сельскохозяйственном производстве 25
1.2 Использование гуминовых удобрений для конструирования геохимических барьеров защиты растений от токсикантов 34
1.2.1 Вермикомпост как источник получения гумусовых веществ 37
1.2.2 Комплексное применение гумата натрия в сочетании с различными препаратами 41
2 Время, место, условия, объекты и методы выполнения исследований 47
2.1 Агроэкологическая эффективность использования отходов производства в растениеводстве 47
2.2 Агрометеорологические условия в годы исследования 53
3 Экспериментальная часть 68
3.1 Влияние различных видов геохимических барьеров на рост и развитие рассады огурца и томатов 68
3.2 Влияние различных видов геохимических барьеров на формирование надземной и подземной частей растений огурца 70
3.3 Агроэкологическая эффективность применения отходов производства и цеолитов при выращивании томатов 77
3.4 Агроэкологическая эффективность применения различных типов грунтов на основе отходов производства и гуминовых удобрений при укоренении черенков смородины 87
3.4.1 Агроэкологическая оценка эффективности использования различных типов питательных грунтов на основе отходов производства и цеолитов для размножения черной смородины
одревесневшими черенками 88
3.4.2 Стимулирующее действие гумата натрия и цеолита при размножении плодово-ягодных культур 93
3.5 Агроэкологическая эффективность внесения шлаковых отходов и гумата натрия под яблоню 96
3.5.1 Агроэкологическая эффективность внесения шлаковых отходов под яблоню 98
3.5.2 Агроэкологическая эффективность применения шлаковых отходов и гумата натрия под яблоню 101
3.6 Влияние шлаков, цеолитов, осадка сточных вод, вермикомпоста и гумата натрия на состав почв и качество продукции 105
4 Экономическая эффективность использования удобрительных свойств цеолитов, шлаков, осадка сточных вод, вермикомпоста и гумата натрия при производстве плодоовощной продукции 1.16
Выводы 121
Рекомендации производству 124
Список литературы 125
Приложения 149
- Агроэкологическая эффективность применения шлаковых отходов в системе почва-растение
- Агроэкологическая эффективность использования отходов производства в растениеводстве
- Влияние различных видов геохимических барьеров на рост и развитие рассады огурца и томатов
Введение к работе
В связи с ростом городов и численности населения непрерывно возрастает и количество различного рода отходов (городского коммунального хозяйства, промышленного производства).
Одних только осадков городских сточных вод (ОСВ) в крупных городах России накапливается свыше 15 млн, т в год по сухому веществу, в том числе на биологических очистных сооружениях г. Орла, куда поступают промышленные и канализационные стоки, выход осадков сточных вод достигает 30 т/сутки сухого вещества.
Вот почему с особой актуальностью встает задача утилизации возрастающего количества отходов промышленности и городского коммунального хозяйства, в том числе осадков городских сточных вод и солевых шлаковых отсевов.
Вместе с тем следует отметить, что за последнее время наблюдается заметное снижение плодородия почв. Установлено, что для восполнения потерь необходимо, как минимум, вносить в почву до 6-10 т/га навоза или другой органической массы. Поэтому возникает острая необходимость максимального увеличения производства всех видов органических удобрений, в том числе нетрадиционных.
Использование даже незначительной части ОСВ, шлаковых отходов и природных минералов на удобрения позволило бы сохранить значительное количество минеральных туков, уменьшить дефицит гумуса.
Осадки сточных вод, отходы металлургических предприятий и цеолиты индивидуальны по своему химическому составу, поэтому для эффективного их использования в качестве удобрения необходимо в каждом конкретном регионе организовать всестороннее изучение их химического состава, определить их влияние на плодородие почв, урожай и качество сельскохозяйственных культур. Имеющиеся данные по использованию ОСВ, отходов металлургических предприятий и цеолитов в качестве удобрений в различных регионах нельзя автоматически переносить на почвенно-климатические условия Орловской области.
В связи с этим актуальным является исследование удобрительных свойств осадков сточных вод, солевых алюминиевых шлаковых отсевов, природных цеолитов и условий экологически безопасного их применения в земледелии.
Актуальность темы. Отходы производства и содержащиеся в них химические элементы оказывают значительное влияние на экологическое состояние биогеоценозов, вызывая в них необратимые изменения и деградацию почв. Все это обусловливает актуальность разработки приемов и технологий утилизации формирующихся отходов производства. Одно из направлений утилизации отходов - использование удобрительных свойств химических соединений, входящих в состав различных видов отходов производства. Исследования свидетельствуют, что наличие в составе шлаковых удобрений макро-и микроэлементов в значительной степени увеличивает ценность этих удобрений и позволяет частично решить проблему комплексного внесения в почву необходимых макро- и микроэлементов. При этом в металлургических шлаках микроэлементы в значительной степени находятся в усвояемых растениями соединений, что еще более повышает их ценность.
В связи с этим актуальным является исследование удобрительных свойств солевых алюминиевых шлаковых отсевов, осадка сточных вод и природных цеолитов и условий экологически безопасного их применения в земледелии.
Цель исследований - установить эколого-экономическую эффективность удобрительных свойств солевых отсевов алюминиевого шлака, осадка сточных вод и природных цеолитов для использования их в земледелии.
В связи с этим в задачи наших исследований входило:
- изучить агроэкологическую эффективность внесения алюминиевых шлаковых отходов под плодовые культуры;
- установить биологическую эффективность действия гуматов натрия, извлеченных из органических веществ вермикомпоста на основе отходов крупяной промышленности, на укоренение черенков смородины;
- выявить влияние различных типов питательных субстратов на приживаемость и укоренение черенков смородины;
- определить влияние удобрительных свойств осадка сточных вод, шлаковых отсевов, природных цеолитов и условий их применения при выращивании рассады огурца и томатов;
- изучить влияние исследуемых удобрительных форм на концентрацию и состав водных вытяжек из почвогрунтов, численность простейших;
- определить урожайность исследуемых культур и их качество под действием изучаемых удобрительных форм на основе отходов производства;
- установить степень токсичности и условия экологически безопасного применения удобрительных форм на основе солевых шлаковых алюминиевых отсевов и осадка сточных вод в растениеводстве;
- дать экономическую оценку эффективности использования отходов производства в земледелии.
Практическая значимость. Автором изучена эффективность внесения алюминиевых шлаковых отходов под плодовые культуры; установлена биологическая эффективность действия гуматов натрия, извлеченных из органических веществ вермикомпоста на основе отходов крупяной промышленности и влияние различных типов питательных субстратов на приживаемость и укоренение черенков смородины; установлено действие удобрительных свойств осадка сточных вод, шлаковых отсевов и экологически безопасных условий их применения при выращивании рассады огурца и томатов; показано влияние изучаемых удобрительных форм на степень токсичности водных вытяжек из конструированных геохимических барьеров (почвогрунтов); установлено влияние сорбционных свойств цеолитов на степень токсичности и условия экологически безопасного применения удобрительных форм на основе солевых шлаковых алюминиевых отсевов и осадка сточных вод в растениеводстве; дана эколого-экономическая оценка эффективности использования отходов производства в земледелии. Полученные результаты могут быть использованы при разработке нестандартных удобрительных форм на основе отходов производства и природных минералов; при проведении рекультивационных работ.
Рекомендовать использовать полученные данные при изучении почвоведения, экологии, микробиологии в качестве характеристиіш особенностей роста и развития растений в условиях экологического риска.
Научная новизна работы. Научной новизной является комплексная оценка агроэкологической эффективности использования солевых алюминиевых шлаковых отсевов, осадка сточных вод, цеолитов и гумата натрия при выращивании продукции овощных и плодовых культур. Дано научное обоснование экологически безопасного применения различных удобрительных форм на основе отходов производства, гуминовых удобрений и цеолитов. Показана эффективность создания биогеохимических барьеров на основе цеолитов, верми-компостов, шлаков, торфа и гуматов натрия, для устранения поступления токсикантов в растения при выращивании плодов яблони, огурца, томатов и укоренении черенков смородины. Установлена степень токсичности различных типов питательных грунтов на основе нетрадиционных удобрительных веществ.
Реализация работы. Рекомендуемые дозы внесения шлаковых солевых алюминиевых отсевов под плодовые семечковые культуры прошли производственную проверку в опытном плодовом хозяйстве ООО "Тагино1 Глазу-новского района и ЗАО Агрофирма "Маслово" Орловского района Орловской области и подтвердили выводы, изложенные в диссертационной работе. Они предложены для внедрения в хозяйствах Орловской области.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов ОрелГАУ в 2003 г. и международной научной конференции г. Москва (2005 г.), Липецк (2004 г.), Пенза (2005 г.). Результаты исследования опубликованы в 8 научных работах и 2 патентах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, в том числе 6 параграфов, заключения, списка использованной литературы, включающего 236 наименований, в том числе 25 на иностранном языке, общий объем диссертации составляет 148 страниц текста, включая 20 таблиц, 19 рисунков и 38 приложений.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю д. с.-х. н., профессору Степановой Л.П. и научному консультанту д. с.-х. н., заслуженному деятелю науки РФ, директору ГНУ ВНИ конструкторского и проектно-технологического института органических удобрений и торфа Еськову А.И., а также коллективам кафедр земледелия, физиологии и биотехнологии растений, кормопроизводства ОрелГАУ.
Агроэкологическая эффективность применения шлаковых отходов в системе почва-растение
Металлургические шлаки - ценное сырье для производства различных материалов. Однако эти материальные ресурсы используются пока недостаточно. В нашей стране годовой выход шлаков черной металлургии составляет свыше 70 млн. т. Из этого количества используется около 53%, остальное идет в отвалы. В большем объеме перерабатываются доменные шлаки (74% от выхода). За ними идут шлаки ферросплавного производства - их используется 44,3%. Сталеплавильных шлаков перерабатывается только 12% (Куликов Я.П., 1974; Романенко А.Г., Орининский Н.В., 1971; Довгопол В.И., Панфилов М.И.; Филиппова Е.И., 1970; Филиппова Е.И., Панфилов М.И., 1975; Лапин В.В., 1956; Романенко А.Г., 1977).
В шлаковых отвалах накопилось свыше полумиллиарда тонн отходов, и занимают они тысячи гектаров полезных земель. В черной металлургии транспорт шлака в отвалы и содержание отвалов обходится ежегодно в 10 млн. руб. На средства, затрачиваемые на уборку шлаков, можно было бы построить несколько современных шлакоперерабатывающих комплексов (Полтавец В.В., 1972).
Использование шлаков - это экономия труда, средств, природных ресурсов. Переработка и использование шлаков улучшат их географическое размещение, а, следовательно, уменьшат дальность перевозки материалов.
Развитие переработки отходов металлургии - существенная часть комплексного использования минерального сырья и топлива. Большое значение приобретает переработка шлаков для защиты окружающей среды (Ведь Е.И.: Зажарский И.К., Брыизин В.А. и др.,1972; Строганов А.И., 1962; Лапкина Ю.В., Васильева С.Н., Утков В.А.Д968; Жордания М.С., Джапаридзе Ш.Д., Панфилов МИ., 1971).
В зависимости от состава шихтовых материалов, применяемых при выплавке чугуна, шлаки подразделяются натри группы; основные, нейтральные и кислые. К основным относятся шлаки, имеющие модуль основности (отношение суммы (CaO+MgO) в процентах к сумме (Si02+Al203) в процентах выше единицы, у нейтральных он равен единице и у кислых - менее единицы. Основные шлаки получают при плавке криворожских руд на высокосернистом коксе из донецких углей; они имеют высокое содержание окиси кальция (46-49%) и сравнительно невысокое - глинозема (до 10%) (Воловик Г.А., 1961; Полтавец В.В., 1972; Ефименко Г.Г., Гимельфарб А.А., Левченко В. Е., 1974; Воскобойников ВТ., Еднерал П.Ф., Кудрин В.А., 1973; Соколов Г.А., Гультяй И.И., 1965; Романенко А.Г., 1977; Астреева О.М., 1969).
Большинство основных шлаков, главным образом тех, которые содержат свыше 43% окиси кальция и менее 8% глинозема, при медленном охлаждении в результате полиморфного превращения двухкальциевого силиката склонно к силикатному распаду. Использование таких шлаков для производства пемзы и щебня без предварительной стабилизации затруднено, а иногда и невозможно.
В то же время продукты распада таких шлаков могут использоваться в сельском хозяйстве в качестве известковых удобрений, а также в строительстве, поскольку на 50-70% они состоят из пылевидной фракции.
Нейтральные шлаки содержат 40-44% окиси кальция. К ним относятся доменные шлаки металлургических заводов европейской части России, получаемые при плавке руд КМА и Северо-Западного района на коксе с использованием печорских и кузнецких углей (Григорьев B.C., Гиндис ЯЛ., 1969; Ери-хемзон-ЛогвинскийЮ.Л,, 1967).
Доменные шлаки состоят более чем из 15 компонентов. В производственных условиях при полном анализе шлаков определяют обычно 7 составных частей: Si02, А1203, СаО, MgO, МпО, FeO и S. В некоторых специфических случаях в шлаках могут содержаться Na20, К20, ВаО, Р205, Ті02, Сг203, Ni203, V205 и др. Главные компоненты шлака - СаО, Si02, АЬОз и MgO. Однако, привычное представление о шлаке, состоящем из трех наиболее важных составных частей - СаО, Si02 и А1203 - сохраняется до сих нор. Влияние MgO на свойства шлаков, например, на обессеривающую способность, нередко считают аналогичным влиянию СаО (Довгопол В.И., Соболев Л. Д., 1986).
Рассмотрение шлака, как трехкомпонентной системы, допустимо лишь при относительно постоянном небольшом содержании MgO. На многих металлургических заводах количество MgO в шлаках за последние годы заметно увеличилось. Естественно, что доменные шлаки более правильно рассматривать как четверные системы. Доля FeO, МпО и S в шлаках невелика и их влияние на свойства шлака незначительно.
Химические составы и физические свойства доменных шлаков весьма разнообразны (табл. 1). По химическому составу шлаки подразделяют на основные (в них преобладают СаО и MgO), кислые (в них больше Si02 и А1203) и нейтральные (содержания основных и кислотных окислов равны). Отношение содержания СаО и MgO к содержанию Si02 и А1203 называют степенью (или модулем) основности Мо. Обратное отношение SiO2+Al203 к CaO+MgO называют степенью (модулем) кислотности Мк. Если содержание АЬОз в шлаках изменяется незначительно, то основность шлака выражают отношением (CaO+MgO):Si02. При почти постоянном содержании в шлаках MgO основность определяется отношением CaO:Si02 (Романенко А.Г., 1977).
Агроэкологическая эффективность использования отходов производства в растениеводстве
Один из способов утилизации вторичных природных ресурсов, в том числе отходов металлургической промышленности - использование их для химической мелиорации и удобрения почв. При этом, земледелие обеспечивается относительно дешевыми удобрениями (в ряде случаев почти готовыми известковыми, фосфорно-известковыми или микроудобрениями) и выполняются задачи охраны окружающей среды - уменьшается загромождение территорий отвалами, предотвращается загрязнение.
Возможность применения органических отходов производства и металлургических шлаков в земледелии определяется наличием в их составе необходимых для роста и развития растений макро- и микроэлементов таких как фосфор, калий, кальций, железо, бор, медь, молибден, кобальт и др. В практику они вошли под названием "нестандартные удобрения".
Цель исследований - установить эколого-экономическую эффективность удобрительных свойств солевых отсевов алюминиевого шлака, осадка сточных вод и природных цеолитов для использования их в земледелии.
Задачи исследований:
- изучить агроэкологическую эффективность внесения алюминиевых шлаковых отходов под плодовые культуры;
- установить биологическую эффективность действия гуматов натрия, извлеченных из органических веществ вермикомпоста на основе отходов крупяной промышленности, на укоренение черенков смородины;
- выявить влияние различных типов питательных субстратов на приживаемость и укоренение черенков смородины;
- определить влияние удобрительных свойств осадка сточных вод, шлаковых отсевов, природных цеолитов и условий их применения при выращивании рассады огурца и томатов;
- изучить влияние исследуемых удобрительных форм на концентрацию и состав водных вытяжек из почвогрунтов, численность простейших;
- определить урожайность исследуемых культур и их качество под действием изучаемых удобрительных форм на основе отходов производства;
- установить степень токсичности и условия экологически безопасного применения удобрительных форм на основе солевых шлаковых алюминиевых отсевов и осадка сточных вод в растениеводстве;
- дать экономическую оценку эффективности использования отходов производства в земледелии.
Исследования проводили в 2001-2005 гг. на кафедре земледелия Орловского государственного аграрного университета, в опытном плодовом хозяйстве ООО "Тагино" и лаборатории биотехнологии ВНИИ СПК на темно-серых лесных среднесуглинистых почвах в типичных для региона климатических условиях.
Влияние различных видов геохимических барьеров на рост и развитие рассады огурца и томатов
Огурец - культура очень требовательна к условиям выращивания и уровню обеспеченности элементами минерального питания. Большое внимание следует уделять аэрации субстрата. При недостатке кислорода в корнеоби-таемом слое нарушается рост растений, что проявляется в искривлении побегов, махровости листьев, опадении цветков, а также в утолщении, искривлении, побурении и отмирании корней.
Одной из причин слабой аэрации может быть применение для выращивания овощных культур чистого торфа, особенно с высокой степенью разложения. В условиях теплиц торф быстро минерализуется, теряет структуру, ухудшается аэрация корневой системы. Введение в торф крупнозернистых добавок (гравий, перлит, вермикулит и т.д.) увеличивает количество крупных пор (скважистость) и позволяет увеличить срок использования субстрата. Другой причиной снижения аэрации корневой системы является выращивание растений в полиэтиленовых мешках. Замкнутое пространство и плохой отток дренажных вод приводят к кислородному голоданию корневой системы и ее угнетению.
Чистый перлит по водно-воздушным свойствам является оптимальным субстратом для выращивания огурца, но, в то же время, это инертный материал со слабой буферностью, в котором сложно поддерживать баланс питательных элементов. Верховой торф одновременно сочетает высокую пористость и высокую влагоемкость. Для растений оптимальным является содержание влаги в пределах 78-85% от массы субстрата. В этом случае до половины объема пор (35-50%) занято воздухом, что достаточно для нормального роста и развития растений. Так, при обильном поливе в порах остается до 20% воздуха, что является приемлемым нижним пределом для томата, но недостаточно растениям огурца, оптимумом для которого является 30-40%. Чтобы улучшить соотношение воздушной и водной фаз, снизить плотность и увеличить аэрацию субстрата, рекомендуется использовать при выращивании огурца торфо-перлитные смеси в соотношении (%) торф:перлит - 30:70 или 50;50. Лучше всего для составления смесей использовать гранулированный перлит с частицами 2-5 мм и содержанием пылевидной фракции (частицы менее 1 мм) не более 5%. Торфо-перлитные смеси можно использовать в течение 3-4 лет при ежегодной стерилизации субстрата и добавлении 10-15% свежего перлита от общего объема. После регенерации и добавки 25-30% перлита от первоначального объема субстрат практически восстанавливает свои свойства, что значительно уменьшает текущие затраты.
Оптимальный объем субстрата для выращивания огурца - 8-15 л на одно растение. В СНГ, Финляндии, Израиле наиболее распространен субстрат из смеси верхового торфа и перлита в объемном соотношений 7:3 или 1:1, расширяется использование такого субстрата в Голландии, Дании, Англии, странах Восточной Европы. Все чаще используется субстрат из чистого гранулированного перлита фракции 2-8 мм, объемная масса - 0,10-0,13 г/см3. Перлит, применяемый в виде субстрата или его компонента, не должен содержать пылевидных включений.
По мнению специалистов наиболее подходящим для выращивания растений огурца в теплицах при условии многолетнего использования является субстрат, состоящий из 70% перлита и 30% верхового сфагнового торфа. Такой субстрат хорошо дренирует излишки влаги, содержит достаточно воздуха, оптимальное количество объемных катионов (10-15 мг-экв/100 г), что обуславливает его буферность и возможность регулировать соотношение элементов питания.
Заправку субстрата минеральными удобрениями можно проводить в процессе смешивания компонентов и при влагозарядковом поливе, используя питательный раствор необходимой концентрации и оптимального соотношения элементов питания. После заправки субстрат должен иметь следующие показатели: рН -5,5-6,2; ЕС - 1,8-2,2 мСм/см; N (N03) - 170-180 мг/л; Р205 -30-35 мг/л; К -250-270 мг/л; Mg - 40-45 мг/л; СаО - 160-180 мг/л; S - 80-90 мг/л; микроэлементы (мг/л) Fe - 1,5 мг/л; Мп - 0,5; Zn - 0,35; Mo - 0,06; Си - 0,06; В - 0,06 (Кравцов С.А., 2004; Ягодин Б А, 1964).
Все вышеперечисленное имеет важное значение при подготовке питательных субстратов для выращивания рассады огурца в тепличных хозяйствах. В связи с этим нами было изучено влияние различных типов питательных грунтов, приготовленных с использованием алюминиевых шлаковых отсевов, природных цеолитов, торфа, вермикомпоста и гумата натрия на рост и развитие рассады огурца. Наблюдения проводились в фазу 1-го настоящего листа перед высадкой рассады в грунт, затем до формирования плодов.
