Содержание к диссертации
Введение
I. Агротехнологические и агроэкологические особенности компостирования осадка сточных вод 8
1.1. Агротехнологические особенности компостирования осадка сточных вод 9
1.2. Агроэкологические свойства компоста на основе осадка сточных вод 19
1.3. Влияние компоста на основе осадка сточных вод на
содержание тяжелых металлов в системе почва-растение 22
II. Объекты и методы исследования 25
2.1. Характеристика и почвенные условия опытного участка 25
2.2. Метеорологические условия в годы проведения исследований. 30
2.3. Программа и методы исследований 31
III. Результаты исследований 37
3.1. Технологические особенности компостирования ОСВ кожевенного производства
3.2. Різучение влияния ОСВ и компоста на его основе на изменение
агрохимических свойств серой лесной тяжелосуглинистой почвы 47
3.3. Изучение влияния ОСВ и компоста на его основе на урожайность и макроэлементный состав озимой пшеницы 52
3.4. Изучение влияния ОСВ и компоста на его основе на содержание тяжелых металлов в серой лесной почве 62
3.5. Изучение влияние ОСВ и компоста на его основе на содержание тяжелых металлов в растениях 73
IV. Технология применения компоста на основе ОСВ 81
V. Экономическая оценка эффективности применения компоста 88
5.1. Расчет себестоимости компоста 88
5.2. Расчет затрат на приобретение и внесение компоста 89
5.3. Сравнительная экономическая эффективность применения компоста 90
Выводы 92
Предложения 94
Список использованной литературы 95
Приложения 1
- Агротехнологические особенности компостирования осадка сточных вод
- Характеристика и почвенные условия опытного участка
- Технологические особенности компостирования ОСВ кожевенного производства
Введение к работе
Актуальность исследований. В связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства возникает необходимость изыскания новых источников органических удобрений. В настоящее время в России, в связи с уменьшением объемов использования традиционных органических удобрений, значительно возрастает роль альтернативных видов удобрений (сидераты, осадки сточных вод, компосты, биогумус и т.д.). Значительным резервом получения питательных веществ являются осадки сточных вод и компосты на их основе [64].
С развитием промышленности и ростом городов объем сточных вод и, следовательно, осадка, получаемого при их очистке, с каждым годом возрастает. Скопление больших количеств осадков затрудняет работу очистных сооружений и создает угрозу загрязнения окружающей среды [87]. Таким образом, с одной стороны, необходимо разработать способы и технологии, обеспечивающие утилизацию осадка сточных вод (ОСВ) без загрязнения окружающей природной среды. С другой - актуальность заключается в целесообразности изысканий способов полезного использования ОСВ, представляющего по химическому составу сложную органоминеральную смесь с высокой концентрацией основных элементов питания растений, т.е. являющегося органическим удобрением [71].
Наиболее перспективным направлением переработки ОСВ является компостирование с различными наполняющими компонентами (торф, навоз, опилки и т.д.) Данный способ позволяет в короткий срок получить высокопродуктивное органическое удобрение хорошего качества, обладающее хорошей сыпучестью, с высоким содержанием питательных веществ в доступной для растений форме [69].
Использование такого вида удобрения имеет свои особенности, что обуславливает актуальность исследований с целью разработки рекомендаций по наиболее эффективному и экологически безопасному способу его применения.
5 Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в изучении агроэкологических и технологических аспектов производства и применения компоста на основе осадка сточных вод кожевенного производства, оценке экономической эффективности применения полученного удобрения в сельском хозяйстве и разработке рекомендаций по его использованию. Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
Агротехнологические особенности компостирования осадка сточных вод
Наиболее простой метод - полевое компостирование - давно используется в сельском хозяйстве для получения компоста из торфофекальных смесей.
Исследования, проведенные в 70-х годах в США, Франции, Финляндии, Японии показали, что компостирование позволяет существенно сократить топливно-энергетические расходы на обеззараживание осадков и улучшить их санитарно-гигиенические показатели (вследствие гибели болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов и личинок мух) [183]. В процессе жизнедеятельности аэробных микроорганизмов происходит потребление и расход органических веществ, поэтому биотермический процесс наиболее эффективен при компостировании сырых несброженных осадков. Однако он применяется в комбинации с анаэробным сбраживанием осадков в мезофильных условиях. В связи с тем, что процесс эффективен лишь при определенной влажности осадков (не превышающей 60%), компостированию целесообразно подвергать осадки механически обезвоженные или подсушенные на иловых площадках [106].
Для создания пористой структуры осадка требуемой влажности и оптимального соотношения углерода и азота, обеспечивающих проведение биотермического процесса в аэробных условиях, компостирование осадков следует осуществлять в смеси с наполнителями. Наиболее благоприятное соотношение углерода и азота 20-30:1 [43]. В США, Франции, ФРГ, Швеции, Финляндии, Японии и других странах обезвоженные осадки сточных вод влажностью 65-80% компостируются совместно с размолотой древесной корой, листьями, соломой, древесными опилками, торфом, сухим осадком и другими добавками, которые используются в качестве разрыхляющего порообразующего, углеродсодержащего и влагопоглащающего компонента [160].
В процессе компостирования осадков протекает биотермический процесс, сопровождающийся потреблением органических веществ и повышением температуры до 50-80С, что приводит к обеззараживанию и сокращению массы осадков. Количество органических веществ при этом сокращается на 25-40%, а иногда и более в зависимости от состава осадка, метода, продолжительности и условий компостирования [54].
Процесс ферментации разделяется на две фазы. Первая фаза протекает в течение одной - трех недель, сопровождается интенсивным развитием и размножением микроорганизмов, при этом температура повышается до 50-80С. Вторая фаза - фаза созревания компоста - более длительная (от двух недель до 3-6 мес), сопровождается развитием простейших и членистоногих организмов и снижением температуры до 40С и ниже. Для равномерного прогревания и обеспечения микроорганизмов воздухом в период компостирования необходимо 2-3-разовая перебуртовка компостируемой массы [187].
При хранении компоста процесс распада органических веществ замедляется, но продолжается. При распаде одного кг органического вещества выделяется в среднем 21 МДж теплоты. С учетом теплопотерь и нагревания материала на испарение 1 кг влаги нужно затратить в среднем 4 МДж теплоты. Таким образом, при разложении одного кг органического вещества из осадка удаляется пять кг влаги; кроме того, часть влаги из осадка удаляется за счет естественного испарения. Продолжительность компостирования и общее количество удаляемой из осадка влаги зависят от применяемого метода компостирования, климатических факторов, сезона года, размеров штабелей, количества подаваемого воздуха, периодичности перебуртовки и т.п [193]. Чем выше температура окружающего воздуха, тем быстрее и интенсивнее идет процесс. В условиях с теплым климатом для интенсификации процесса может использоваться солнечная энергия.
При компостировании одним из решающих факторов является поступление в компостируемую массу осадка кислорода воздуха. Стехиометрическая потребность кислорода воздуха для осуществления процесса в соответствии с приведенными выше уравнениями в среднем составляет два кг кислорода на один кг окисленного органического вещества. Именно такое количество воздуха требуется для начала осуществления процесса в первые дни (3-6 сут) и достижения температуры обеззараживания [100]. В дальнейшем воздух требуется не только для продолжения процесса, но и для удаления из осадка влаги, поэтому его расход увеличивается. Расход воздуха зависит от влажности компостируемой массы: чем она выше, тем больше требуется воздуха. Однако увеличение подачи воздуха ведет к уменьшению температуры компостируемой массы, а следовательно, к снижению скорости процесса, поэтому подача воздуха должна регулироваться. При подготовке осадков к компостированию следует стремиться к их максимально возможному обезвоживанию [25].
Благодаря удалению влаги из осадка в процессе компостирования готовый компост получают в виде сыпучего материала влажностью 40-50%. Вследствие снижения влажности и распада органических веществ объем компоста уменьшается, в результате чего сокращаются транспортные расходы на его перевозку [13]. Готовый компост не имеет запаха, не загнивает и является хорошим удобрением. Современная технологическая схема обработки осадка в общем виде включает следующие этапы: уплотнение, стабилизацию органической части ОСВ, кондиционирование, обезвоживание, утилизацию ценных продуктов или ликвидацию осадка [188].
Характеристика и почвенные условия опытного участка
Агрохимические свойства показывают, что почва имеет кислую реакцию среды. Гидролитическая кислотность достаточно низкая по сравнению с общепринятым значение (5-7 мг- экв. на 100 г. почвы), с увеличением глубины продолжает снижаться. Поглощенные основания распределены по генетическим горизонтам относительно равномерно. Для серых лесных почв свойственно увеличение данного показателя сверху вниз [46]. Такое распределение поглощенных оснований свидетельствует о значительном выносе обменных оснований (Са, Mg) в ходе почвообразования, что необходимо учитывать при обработке почвы [96]. Основными поглощенными катионами являются кальций, магний и водород. Серые лесные почвы опытного участка характеризуются довольно низким содержанием подвижных форм калия и фосфора по сравнению с общепринятыми значениями (Р2О5 -10-12 мг/100 г., К20 - 5-7 мг/100г.). Агрохимическая характеристика показывает, что почва опытного участка слабо окультурена и бесструктурна.
При проведении полевых исследований важную роль играют метеорологические условия, характеризующие вегетационный период. Климат Рязанской области умеренно-континентальный, с теплым летом и умеренно-холодной зимой. Среднемесячная температура января - 11 С, июля 19С. Переход от холодного периода к теплому (весна) резкий. Разница между средними температурами марта и апреля достигает 9-10 и более С. Переход от теплого периода к холодному более плавный, разница в средних многолетних значениях температуры сентября-октября не превышает 6-7С. Изменчивость среднемесячных температур воздуха за апрель-сентябрь довольно значительна, однако есть определенные закономерности, позволяющие в какой-то степени прогнозировать погодные условия. Среднемесячные величины температуры воздуха и количества выпавших осадков за 2002-2204гг. приведены в таблице 5.
В целом 2002 год характеризовался умеренно снежной зимой, ранней, теплой весной, теплым, в отдельные периоды жарким засушливым летом и продолжительной, с чередованием теплых (засушливых) и холодных (дождливых) периодов осенью. 2003 год характеризовался слабо снежной холодной зимой; ранней, холодной, относительно предыдущего года, весной, жарким дождливым летом и продолжительной, с чередованием теплых (засушливых) и холодных (дождливых) периодов осенью.
Последний год проведения полевого опыта отличается обильно снежной зимой, ранней и дождливой весной, умеренно жарким продолжительным летом и теплой сухой осенью. Климатические условия при проведении полевых исследований в целом были типичны для Центральной зоны [2].
Технологические особенности компостирования ОСВ кожевенного производства
В течение первых четырех недель компостирования ярко выражена термофильная стадия, при которой температура достигала 60С. Резкое снижение температуры объясняется перебуртовками компоста, после которых температурный режим восстанавливался в течении 3-4 дней. После четырех недель компостирования температура постепенно снижается. Это объясняется тем, что с разложением органического вещества степень жизнедеятельности микроорганизмов слабеет и термофильный процесс переходит в мезофильную стадию.
Для начала процесса компостирования осадок сточных вод необходимо обогатить углеродом, увеличить пористость, снизить влажность, что достигается его смешиванием с торфом и опилками. Для быстрого начала и эффективного протекания биотермического процесса необходимы определенные условия: влажность компостной массы не более 70 %, рН - 5,5 -7,5, а также рыхлая укладка компостной массы. Влажность компостной массы контролировалась в течение всего периода компостирования. Отбор проб в бурте компостной смеси для определения влажности осуществлялось вручную по периметру бурта в 10 точках на высоте 100 см и с глубины 50 см [138]. Из отобранных проб составлялась средняя по ГОСТ 26712-94. Изменения уровня влажности по мере готовности компоста представлены на рис. 6
Основным фактором, влияющим на снижение влажности компоста, является его температурный режим. Как видно из рисунка резкое снижение влажности происходит в период термофильной стадии. Некоторое увеличение влажности компоста объясняется высоким уровнем влажности в воздухе окружающей среды.
Время созревания компоста на основе торфа, осадка сточных вод и опилок в естественных климатических условиях г. Рязани составило 3,5 месяца в весенне-летнее время, в зимнее время соответственно составит - 5-6 месяцев за счет понижения температуры окружающей среды. При этом для ускорения процесса компостирования проводилось периодическое перемешивание компостной массы каждые 3-4 недели. При этом температурный режим восстанавливался в течение 3-4 дней за счет протекания аэробных микробиологических процессов.
В период компостирования за счет развития аэробного термофильного, а затем мезофильного процесса происходило разложение органической массы компостной смеси (до 25-30%) и потеря влаги с достижением влажности к готового компоста до 55-60%. За расчетную величину распада органического вещества компостной массы принято 25% от исходного количества органического вещества. Удельные расчетные нормы расхода сырья и выхода готового компоста приведены в таблице 13.
