Содержание к диссертации
Введение
1. Современные проблемы утилизации осадков городских сточных вод с иловых площадок очистных сооружений канализаций (обзор литературы) 8
1.1. Пути использования осадков городских сточных вод в мире и России 8
1.2. Удобрительная ценность осадков городских сточных вод 13
1.3. Экологические и санитарно-гигиенические аспекты применения осадков городских сточных вод 31
2. Объекты, условия и методы исследования 41
2.1. Объекты исследования 41
2.2. Условия исследования 48
2.3 . Методы исследования 54
3. Эколого-агрохимическая, санитарно-гигиеническая и эпидемиологическая характеристика осадков сточных вод (ОСВ). 59
4. Биометрическая, фенологическая и морфофизиологическая оценка эффективности ОСВ в качестве удобрения овса 73
4.1. Биометрия овса 73
4.2. Фенология овса 82
4.3. Морфофизиология овса 91
5. Продукционно-экологическое обоснование эффективности различных доз ОСВ в качестве удобрения овса 104
5.1. Продуктивность овса 104
5.2. Качество урожая овса 109
5.3. Фиторемедиация тяжёлых металлов овсом 112
5.4. Кормовая ценность зернофуража овса 121
6. Почвенно-экологический анализ эффективности различных доз ОСВ 123
6.1. Изменение основных параметров плодородия дерново-подзолистой супесчаной почвы 123
6.2. Биология дерново-подзолистой супесчаной почвы 128
6.3. Накопление тяжелых металлов в дерново-подзолистой супесчаной почве 132
6.4. Защитные свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы 136
7. Технологическое, экономическое и биоэнергетическое обоснование почвенного пути утилизации ОСВ г. Калуги 139
7.1. Технология применения ОСВ в качестве удобрения овса
7.2. Экономическая оценка ОСВ в качестве удобрения овса 139
7.3. Биоэнергетическая оценка овса в качестве удобрения овса 143
8. Результаты производственных испытаний ОСВ в сфере АПК Калужской области 149
Заключение 158
Выводы и предложения 161
Библиографический список 165
Приложение 186
- Пути использования осадков городских сточных вод в мире и России
- Объекты исследования
- Эколого-агрохимическая, санитарно-гигиеническая и эпидемиологическая характеристика осадков сточных вод (ОСВ).
Введение к работе
Актуальность.
Современная мировая цивилизация развивается по направлению ускоренной урбанизации. Одной из главных экологических проблем существования и развития современных городов является утилизация хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. В связи с постоянным ростом городов за счёт концентрации в них населения и промышленности эта проблема становится всё острее. А значит, увеличивается и накопление городских сточных вод. По своему химическому составу осадки городских сточных вод (ОСВ) с иловых площадок могли бы служить прекрасным удобрением для большинства сельскохозяйственных культур и мелиорантом почв [66,148].
В настоящее время в многочисленных регионах страны проводятся исследования по изучению осадков городских сточных вод с иловых площадок очистных сооружений канализаций (ОСВ ОСК) крупных городов в качестве удобрения сельскохозяйственных культур. При этом необходима комплексная система их оценок по различным критериям: экологическим, агрономическим, почвенно-агрохимическим, санитарно-гигиеническим, микробиологическим, эпидемиологическим и др.
Из литературных данных следует, что в большинстве случаев по удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу [53,85,97].
Правильное применение ОСВ в сельском хозяйстве позволяет повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур.
Однако, существует ряд ограничителей, сдерживающих применение ОСВ в сельском хозяйстве это: наличие в них тяжёлых металлов (ТМ), радионуклидов (РН), болезнетворных микроорганизмов (БМ) и гельминтов (ГМ). В каждом конкретном случае требуется специфический подход к использованию ОСВ, так как каждый крупный город имеет осадки определённого качества, количества и состава.
В связи с достаточно большим объёмом накопления ОСВ на городских иловых площадках и отсутствием ясной линии их утилизации на сегодняшний день, перед г. Калуга возникла проблема разработки научных основ применения их в качестве органо-минерального удобрения сельскохозяйственных культур и почвоулучшающей композиции.
Целью настоящей работы явилось агроэкологическое обоснование почвенного пути утилизации осадков городских сточных вод с иловых площадок г. Калуги при возделывании овса на дерново-подзолистых супесчаных почвах.
Для достижения поставленной цели диссертационной работы решались следующие задачи:
дать эколого-агрохимическую, санитарно-гигиеническую и эпидемиологическую характеристику ОСВ г. Калуги;
- оценить биометрическую, фенологическую и морфофизиологическую эффективность ОСВ в качестве удобрения овса;
- обосновать эколого-продукционную эффективность различных доз ОСВ при возделывании овса с учётом агрометеорологических условий;
- изучить почвенно-экологическую эффективность различных доз ОСВ;
- выполнить технологическое, экономическое и биоэнергетическое обоснование почвенного пути утилизации ОСВ г. Калуги;
- провести производственные испытания ОСВ в сфере АПК Калужской области.
Научная новизна результатов исследований состоит в том, что впервые на региональном уровне дана комплексная эколого-агрохимическая, санитарно-гигиеническая и эпидемиологическая характеристика ОСВ ОСК г. Калуги; изучена биометрическая, фенологическая и морфофизиологическая эффективность ОСВ в качестве удобрения овса; исследована эколого-продукционная и почвенная эффективность ОСВ при возделывании овса; оценена эффективность ОСВ в сухие, влажные и нормальные агрометеорологические условия вегетационного периода овса; проведено технологическое, экономическое и биоэнергетическое обоснование почвенного пути утилизации ОСВ г, Калуги; проведены производственные испытания ОСВ в сфере АПК Калужской области и установлена оптимальная доза внесения ОСВ в качестве удобрения овса в 5-10 т/га по сухому веществу.
Практическая значимость результатов работы заключается в возможности их использования при составлении систем удобрения сельскохозяйственных культур в условиях дефицита дорогостоящих минеральных и острой нехватки органических удобрений в пригородной зоне г. Калуги; в целесообразности применения ОСВ ОСК г. Калуги в рекомендованной дозе 5-Ю т/га по ОСВ для повышения урожайности зерновых культур и плодородия дерново-подзолистых супесчаных почв без экологического риска в агроценозах региона; распространения предложенной комплексной методики агроэкологического обоснования почвенного пути утилизации ОСВ в других регионах; включения в учебный процесс вузов при преподавании дисциплины «Агроэкология», «Экологическая экспертиза», «Экологические риски и безопасность» и др.
Основные положения выносимые на защиту:
- комплексная характеристика ОСВ ОСК г. Калуги по классу биоопасности;
- морфофизиологическое обоснование ОСВ в качестве удобрения овса;
- продукционно-экологическая эффективность ОСВ в качестве удобрения овса;
- обоснование ОСВ в качестве почвоулучшающей композиции;
экономико-технологическое и биоэнергетическое обоснование почвенного пути утилизации ОСВ г. Калуги
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы доложены на заседаниях кафедры сельскохозяйственной радиологии и экологии КФ РГАУ - МСХА (1994, 1996, 1999, 2002, 2006), научно-практической конференции преподавателей и сотрудников КФ РГАУ-МСХА (2004, 2006, 2007), Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2004), региональной конференции КОИП (2004), Международной научной конференции МСХА (Москва, 2005), Всероссийских межвузовских научных конференциях (Томск, 2004, 2005, 2006), IV Всероссийской научно-практической конференции (Пенза, 2006), II Международной научно-практической конференции (Пенза, 2006). Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе 1 в рецензируемом журнале.
Личный вклад автора. Диссертантом выполнен основной объём экспериментальных и аналитических работ, проведены необходимые расчеты, обработка результатов и их анализ, сформулированы общие положения, выносимые на защиту, выводы и рекомендации.
Автор диссертации выражает глубокую благодарность научному руководителю, кандидату биологических наук, профессору, заведующему кафедрой с.х. радиологии и экологии Н.К. Сюняеву, искреннюю признательность коллективам ГУП «Калугаоболводоканал», ИЛКППЭ, Калужского центра химизации и радиологии, Облсанэпиднадзора, Министерства сельского хозяйства Калужской области за помощь и содействие при проведении научно-исследовательской работы и производственных испытаний.
Пути использования осадков городских сточных вод в мире и России
Из существующих способов утилизации осадков городских сточных вод во всем мире основными являются сжигание, захоронение и использование в качестве удобрения. В разных ситуациях на первый план выдвигается либо задача безопасного удаления осадка, либо получение органического удобрения и соответствующего увеличения урожая сельскохозяйственных культур [66,154,172,179,182,186].
Наиболее экономически оправданным является использование ОСВ в качестве органо-минерального удобрения сельскохозяйственных культур, возделываемых в пригородных зонах. Однако по литературным сведениям имеются ряд ограничителей для их использования в этом направлении: наличие в них тяжелых металлов (ТМ), радионуклидов (РН), загрязнённых микроорганизмов (ЗМ) и гельминтов (ГМ). В каждом конкретном случае требуется специфический подход к использованию ОСВ, так как каждый крупный город имеет осадки определённого качества, количества и состава [85].
В развитых странах утилизация ОСВ неотъемлема от наличия линий очистки сточных вод. Часть сброженных осадков используется для кондиционирования объединенных почв (A global atlas of waste water sludge..., 1996).
За рубежом одним из важных элементов строения повторного использования отходов является компостирование бытового мусора и осадка городских сточных вод. 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 [20,186].
Наиболее широко указанный способ применяется в густонаселённых развитых странах, где остро стоят проблемы окружающей среды, и ощущается дефицит природных ресурсов. Так, в Нидерландах перерабатывается на компост 30-40 % бытовых отходов, в Австралии и Бельгии около 25 %, во Франции 8% [111].
Не потерял своего значения и традиционный способ полевого компостирования отходов в штабелях под открытым небом.
Он прост в техническом отношении, не требует больших затрат, обеспечивает высокий обеззараживающий эффект, с помощью такого способа из бытового мусора и осадка сточных вод получают компост, обладающих высокой агрономической ценностью [43].
Для интенсивности компостирования рекомендуется применять осадок сточных вод [67]. Крупнейший в Европе мусороперерабатывающий завод, компостирующий бытовые отходы и осадок сточных вод, построен в г. Флейнсбург (ФРГ). Производительность его - 400 т компоста в день. На заводе могут перерабатываться отходы города с населением 350 тыс. человек. Технологический процесс начинается с подачи мусора в загрузочную воронку мусородробилки молоткового типа, проходя через которую, масса дробится на куски размером около 200 мм в поперечнике, а затем поступает на магнитный сепаратор. Отделённый при этом металл прессуют в брикеты весом до 40 кг и реализуют как вторичный материал. Из магнитного сепаратора масса попадает в загрузочные барабаны двух компостерных барабанов длиной 40 м, диаметром 3,75 м, емкостью 200 т. Туда же поступает осадок сточных вод. Компостирование длится 24 часа при непрерывном вращении барабанов со скоростью 1,25 об/мин. В результате саморазогрева мусора температура в барабанах повышается до 60С, при этом погибают болезнетворные микроорганизмы, яйца гельминтов и семена сорных трав. Биотермический процесс протекает в аэробных условиях при постоянной подаче свежего воздуха. Отсасываемый из барабанов воздух очищается в земляном фильтре. В конце барабана помещены два грохота с ячейками различных размеров для отделения не компостируемых примесей, составляющих 20-30 % веса мусора. Затем компост измельчают и выгружают на специальную площадку для дозревания, где он минерализуется в течение 90 дней.
Завод перерабатывает весь мусор и отстой сточных вод г. Флейнсбург, который раньше сбрасывали в Балтийское море [20].
По составу питательных веществ изготавливаемый компост близок к навозу, а по количеству извести превосходит последний.
В Западной Европе и Северной Америке проблема с осадками муниципальных сточных вод решается комплексно. Половина ОСВ анаэробно сбраживается на уже действующих станциях. Около четверти всех осадков не обезвоживается и используется в сельском хозяйстве [20].
Использование ОСВ в качестве минерального удобрения является достаточно важным способом утилизации осадка городских сточных вод, при этом одновременно решается ряд задач: исключается необходимость хранения (захоронения), повышается плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, не загрязняется окружающая природная среда [112,118].
Использование осадков городских сточных вод в сельском хозяйстве -один из альтернативных способов их утилизации.
По данным итальянского института водных проблем, в странах ЕЭС ежегодно утилизируется на удобрения около 2 млн. т сухого вещества этого вида отхода городов, составляет 40% всего объема осадка, накапливающегося на станциях аэрации (в том числе и в промышленности) [112].
В Великобритании ОСВ удобряют 1,5 % сельскохозяйственных угодий. Ежегодно на поля вносят 350 тыс. т сухой массы осадка. Здесь внесение ОСВ на сельскохозяйственные угодия в качестве удобрения не рассматривают как его основную роль. Внесение ОСВ на поля рассматривается в основном в качестве способов его удаления. Это связано с тем, что по существующим оценкам при внесении на поля всего объема осадка, накапливающегося на очистных станциях страны, можно удовлетворить потребности сельского хозяйства в фосфоре на 5,4 %, азоте на 4 %, и калии на 0,25 %. Это говорит о том, что удобрительная ценность осадка городских сточных вод индивидуальна [118].
Объекты исследования
Дерново-подзолистые почвы являются основной составляющей структурой почвенного покрова Калужской области, и их генезис отражает весь комплекс природных и антропогенных факторов почвообразования данного региона, как единого регионального (РЛ) или единого территориально-природно-экономического комплекса (ТПЭК) [134].
Главным объектом исследования явились параметры плодородия почв территории Калужской области на различных иерархических уровнях организации.
Калужская область расположена в центре восточно-европейской равнины, бассейнах рек Верхней Оки и Верхней Десны, на западе центрального федерального округа, на юго-западе Центрального экономического района. Область занимает территорию площадью 29,9 тыс. км [134].
В геологическом отношении область расположена на Евразийской литосферной плите, Восточно-Европейской платформе, Русской плите между Московской синеклизой и Воронежской анеклизой. В строении плиты выделяются два структурных комплекса: нижний - кристаллический фундамент, сложенный метаморфическими образованиями, сильно дислоцированными и прорванными интрузиями магматических пород различного состава и возраста; верхний - осадочный чехол мощностью от 300 до 1200 м, представленный горизонтально или слабо наклонно-залегающими отложениями рифея, венда, палеозойской, мезозойской и кайнозойской групп. На фоне общего Восточно-Северного падения слоев к центру синеклизы, относящийся к структурным элементам первого порядка, развиты структуры второго и третьего порядка (прогибы, дисперсии и поднятия) [1,134].
В ортографическом отношении территория области приурочена к северному склону Среднерусской возвышенности и юго-восточным отрогам Смоленско-Московской возвышенности [1,134].
В физико-географическом отношении на территории области выделяется Брянско-Жиздринское полесье, Брянско-Сухиничская равнина, Спас-Деменская гряда, Угорско-Протвинская низина, части Среднерусской Смоленско-Московской возвышенностей. Колебания высот составляет от 113 до 279 м над уровнем моря. В состав области входят три крупнейшие физико-географические провинции.
В климатическом отношении Калужская область находится в зоне переходного климата от мягкого морского Западной Европы к континентальному Западной Сибири, в Атлантико-континентальной области умеренного пояса. Расположенная на возвышенной равнине, область одинаково открыта со всех сторон холодным северным и тёплым южным и западным ветрам. В целом климат области умерено-континентальный с чётко выраженными сезонами года. Средняя годовая температура воздуха составляет +4,4С при среднемесячной температуре июля + 18С и января - 10С. Средняя относительная влажность составляет 79% (минимум в мае - 68%, максимум в декабре - 87%). По годовой сумме осадков область относится к зоне достаточного увлажнения - 650 мм/год с колебаниями 550-750 мм (КУ 1). В течение года преобладает преимущественно циклоническая погода, осадки выпадают часто: около половины всех дней в году [9, 236].
Водные ресурсы области представлены поверхностными и подземными водными объектами. Всего на территории области выделяют свыше 15 водоносных горизонтов. Подземные воды являются основным источником водоснабжения населения, промышленных и сельскохозяйственных предприятий области. Они также выполняют определённую геологическую работу, создавая карстовые формы рельефа [1,134].
В геоморфологическим отношении на территории Калужской области выделяют рельефы области Московского оледенения - зандровые (водоледниковые) равнины слабо- и среднерасчленённые и различной мощности многочисленными дюнами; эрозионные равнины, сложенные лессовидными суглинками [1,134].
В ландшафтном отношении на территории области можно отметить ландшафты мореных равнин Московского оледенения с дерново-подзолистыми почвами на морене или покровном суглинке с елово-широколиственными и березово-сосновыми лесами и сельскохозяйственными землями; ландшафты краевой зоны Московского оледенения с дерново-подзолистыми почвами на покровных суглинках с елово-широколиственными и сосново-березовыми лесами и серыми лесными почвами с широколиственными и березово-осиновыми лесами, а также сельскохозяйственными землями; ландшафты зандровых (водноледниковых), морено-зандровых и денудационно-зандровых (доледниковых, перекрытых песками) равнин Московского и Днепропетровского оледенений с дерново-подзолистыми почвами, с широколиственно-хвойными и осиново-березовыми лесами и сельскохозяйственными землями; ландшафты эрозионных равнин в пределах днепропетровского оледенения с преобладанием серых лесных почв на лессовидных суглинках значительной мощности, с участием широколиственных и березово-осиновых лесов; ландшафты речных долин [134].
Эколого-агрохимическая, санитарно-гигиеническая и эпидемиологическая характеристика осадков сточных вод (ОСВ).
Сточные воды городов на 2/3 составляют отходы вод, обеспечивающей пищевые, гигиенические, хозяйственные и другие нужды населения -хозяйственно-бытовые воды: стоки жилых помещений, бань, прачечных, столовых, туалетов от мытья полов и др. Они содержат в качестве примесей примерно 58% органических веществ и 42% минеральных. Примесные органические вещества наряду с естественными отходами содержат и ксенобиотические ингредиенты, например, моющие средства, которые трудно поддаются очистке и обезвреживанию [83].
Для очистки бытовых сточных вод и доочистки производственных, предварительно очищенных на предприятиях и смешанных в городской канализационной сети с бытовыми сточными водами (протяженность системы канализации в Калуге - более 250 км), обычно применяют методы биологической очистки [148].
Использование методов биологической очистки является классическим примером экологической биотехнологии. Тысячелетиями отходы человеческой деятельности перерабатывались естественным путём с участием микроорганизмов. И в настоящее время биологическая очистка основана на способности микроорганизмов трансформировать сложные органические соединения, содержащиеся в сточных водах. Под влиянием различных физиологических групп микроорганизмов происходит разрушение белковых соединений, азотсодержащих веществ, ксенобиотиков и нефтяных загрязнений. В сточной воде зачастую содержится и достаточное количество необходимых биогенных элементов для поддержания активной жизнедеятельности микроорганизмов-минерализаторов [165].
Биологическая очистка основана на способности микроорганизмов использовать в качестве источников питания загрязнения сточных вод. Этот метод применяют преимущественно для удаления растворенных органических веществ, но биоокислению могут подвергаться и различные минеральные соединения - аммиак, нитраты, нитриты, сульфиды. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы часто разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат ионы, частично используют для наращивания своей биомассы.
Наиболее часто на городских очистных сооружениях выполняются три основных операции.
1. Предварительное удаление из сточной воды твердых частиц.
2. Разрушение растворенных органически веществ природными аэробными микроорганизмами с наращиванием массы активного ила.
3. Удаление активного ила на иловые карты и его анаэробное разложение [83,145].
Подобная схема существует и на Калужских городских очистных сооружениях (ГОС), проектная мощность которых - 160 тыс. м /сут.
На Калужских городских очистных сооружениях биологической очистки используется способ аэробного обезвреживания сточных вод в аэротенках [148].
В системах аэробной очистки доминирующим процессом биологического окисления является аэробное дыхание, при котором конечным акцептором электронов окисляемых органических веществ служит молекулярный кислород. Микроорганизмы аэробных систем объединены в макроколонии (хлопья активного ила), которые образуются в результате биофлокуляции и состоят преимущественно из аэробных гетеротрофных бактерий, потребляющих растворенные органические вещества. Кроме бактерий, биоценоз очистных сооружений включает простейших одноклеточных животных, питающихся бактериями. В меньшем количестве присутствуют коловратки, черви, личинки насекомых, а также грибы и водоросли. Видовой состав биоценоза определяется составом сточных вод, технологией и режимом биологической очистки, в состав биоценоза входят обычно около 20 видов микроорганизмов. Несмотря на существенные различия сточных вод, элементарный химический состав активных илов варьирует незначительно, например, для системы очистки коксохимического завода он отвечает брутто-формуле C97H199O53N28S2, завода азотных удобрений C90H167O52N24S8, городских сточных вод C54H212O82N8S7. Активный ил представляет собой амфотерную коллоидную систему, при рН=4-9, имеющую отрицательный заряд. Сухое вещество активного ила содержит 70-90% органических и 10-30% неорганических веществ [133,148].
Важной основой метода биологической очистки в аэротенках является способность микроорганизмов выделять биофлокулянты и с их помощью слипаться в крупные частицы - хлопья ила, оседающие в гравитационном поле Земли, вследствие чего удается простым и недорогим способом отделять микроорганизмы от очищенной воды. Рециркуляция сгущенного в отстойнике активного ила позволяет поддерживать его концентрацию в аэротенке на уровне 1-6 кг/м3, что значительно интенсифицирует процесс биологической очистки в сравнении, например, с биопрудами.
Избыточный активный ил отправляется на обработку и утилизацию. Обработка ила (механическое обезвоживание) производится совместно со скопом - сырым осадком из первичных отстойников. Ежесуточно образуется в среднем 1000-1200 м такой смеси с соотношением 30 % ила 70 % скопа, общим содержанием твёрдой фазы 4-5 кг/м, представляющей собой трудно фильтруемую суспензию. Последнее обстоятельство представляет процесс разделения твердой фазы и воды в отдельную проблему [83,133,148,165].
