Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние изученности проблемы (обзор литературы) 9
1.1. Утилизация сточных вод и их осадков 9
1.2. Особенности поведения тяжелых металлов осадков сточных вод в почвах 24
1.3. Транслокация тяжелых металлов в растительную продукцию агроценозов 31
1.4. Заключение 36
Глава 2. Объекты, условия и методы исследований 38
2.1. Характеристика объектов исследований 38
2.2. Условия проведения исследований 51
2.3. Характеристика методов исследований 55
Глава 3. Особенности поведения тяжелых металлов в дерново-подзолистой супесчаной почве в условиях применения осадков сточных вод 56
3.1. Динамика разложения осадков сточных вод в дерново-подзолистой супесчаной почве 56
3.2. Соотношение подвижных и валовых форм тяжелых металлов в дерново- подзолистой супесчаной почве при применении осадков сточных вод 60
3.3. Миграция тяжелых металлов из осадков сточных вод в дерново-подзолистой супесчаной почве 74
3.4. Суммарные показатели загрязнения тяжелыми металлами дерново-подзолистой супесчаной почвы при внесении осадков сточных вод 90
Глава 4. Масштабы поступления тяжелых металлов в сельскохозяйственные культуры при применении осадков сточных вод...95
4.1. Продуктивность сельскохозяйственных культур при применении осадков сточных вод 95
4.2. Вынос тяжелых металлов урожаем сельскохозяйственных культур..97
4.3. Коэффициенты использования тяжелых металлов из осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами 107
Глава 5. Прогноз изменения содержания тяжелых металлов в системе почва-растение в условиях применения осадков сточных вод в качестве удобрения 110
Выводы 121
Предложения 123
Библиографический список литературы 124
Приложения 140
- Утилизация сточных вод и их осадков
- Характеристика объектов исследований
- Динамика разложения осадков сточных вод в дерново-подзолистой супесчаной почве
Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из основных продуктов антропогенной деятельности человека в урбанизированном мире являются городские отходы, в том числе осадки городских сточных вод (ОСВ). Накопление ОСВ на станциях аэрации с одной стороны, осложняет их производственную деятельность, приводит к расширению сети иловых карт для хранения и обезвоживания осадков сточных вод, а с другой стороны в эпицентре городов возникают потенциальные источники загрязнения биосферы и отчуждения дефицитных земельных ресурсов (Касатиков, 1989).
В тоже время интенсификация земледелия и недостаточное внесение в почву органического вещества приводят к излишней минерализации гумуса -основного носителя её плодородия (Кирюшкин, 2005). К примеру, за последние 2-3 десятилетия содержание 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 потери в 1,5 -3,0 раза выше. Снижение плодородия почв характерно и для Калужской области: «Недостаточность финансирования привела к резкому снижению объёмов работ по мелиорации земель и внесению минеральных и органических удобрений. В результате плодородие почв продолжает истощаться, земли закисляются, закочкариваются, продуктивность земли становится низкой. Более половины пашни имеют повышенную кислотность и крайне низкое содержание подвижных форм фосфора, калия и азота. Повсеместное содержание гумуса не превышает 2%» (Доклад об использовании природных ресурсов..., 2005).
В связи с этим возникает острая необходимость максимального увеличения производства всех видов органических удобрений, в том числе нетрадиционных.
По ориентировочной оценке общее количество ОСВ на станциях России составляет свыше 10 млн.т по сухому веществу. Из существующих методов утилизации осадков наиболее надежным и экологически выгодным является почвенный путь для повышения плодородия почвы и продуктивности сельскохозяйственных культур (Пахомов и др., 2004). Выявлено, что 10 млн.т ОСВ по содержанию сухого вещества, основных элементов питания и удобрительной ценности равноценны примерно 50 млн.т навоза. Поэтому правильное применение ОСВ позволит повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечит охрану окружающей среды. ОСВ индивидуальны по своему химическому составу. На настоящий момент они новые и пока малоизученные удобрения, что нередко создает весьма подозрительное к ним отношение.
В сточных водах возможен спонтанный процесс образования новых, неизвестных соединений, механизм формирования которых существующими методами установить чрезвычайно трудно. ОСВ некоторых очистных сооружений обладают выраженной фитотоксичностью, которая может быть обусловлена загрязнением этих осадков органическими соединениями, обладающими гербицидными свойствами.
Однако основным фактором, сдерживающим применение ОСВ в сельском хозяйстве, является наличие в них тяжелых металлов (ТМ), влияние которых на почву, растения и качество продукции недостаточно изучено и обосновано.
Для научно-обоснованного использования осадков городских сточных вод в качестве удобрения необходимо изучить поведение ТМ в агроэкосистемах конкретного региона с учетом химического состава собственных ОСВ с целью обеспечения экологической безопасности.
В настоящее время в России имеется мало данных по данной проблеме в региональном аспекте, в том числе и по Калужской области.
Целью работы явилось изучение поведения тяжелых металлов (ТМ) и разработка прогноза изменения их содержания в агроэкосистемах в условиях почвенного пути утилизации ОСВ различной влажности.
Для достижения поставленной цели исследований решались следующие задачи:
изучить динамику разложения ОСВ высокой влажности и обезвоженного ОСВ (ООСВ) в дерново-подзолистой супесчаной почве в условиях возделывания зерновых и пропашных культур;
изучить влияние ОСВ на изменения валового содержания ТМ, подвижных форм ТМ и изменение степени их подвижности;
установить особенности миграции ТМ при внесении ОСВ по профилю почвы и коэффициентов миграции ТМ из ОСВ;
оценить действие ОСВ на экологические показатели агроэкосистемы по величинам суммарного загрязнения (Zc) и коэффициента концентрации (Кс);
изучить масштабы биотранслокации ТМ из ОСВ сельскохозяйственными культурами;
прогнозировать изменение содержания ТМ в агроэкосистемах.
Научная новизна исследований состоит в том, что впервые на региональном уровне на основе натурных исследований в условиях дерново-подзолистых супесчаных почв изучены динамика разложения ОСВ различной влажности; изменение содержания подвижных и валовых форм ТМ, степени их подвижности; масштабы вертикальной миграции ТМ по профилю почвы и биотранслокации ТМ ОСВ сельскохозяйственными культурами; установлены коэффициенты миграции (Км) и использования (КИМо) растениями ТМ из ОСВ; рассчитаны показатели суммарного загрязнения (Zc) и коэффициенты концентрации (Кс) ТМ в агроэкосистеме, а также усовершенствована методика прогнозирования достижения содержания ТМ 0,8 ПДК в агроэкосистеме и представлен расчет суммарной и разовой дозы внесения ОСВ.
7 Практическая значимость.
Результаты исследований могут быть использованы в выборе оптимальных решений по повышению устойчивости и продуктивности агроэкосистем, формирующихся на дерново-подзолистых супесчаных почвах при использовании ОСВ. Полученные в работе экспериментальные данные могут быть использованы при разработке системы из рекомендованных и нетрадиционных удобрений для повышения плодородия дерново-подзолистых супесчаных почв и получения конкурентоспособной продукции при экологической безопасности агроэкосистем. Полученные материалы предлагается использовать в учебном процессе при обучении студентов по специальности «Агроэкология» со специализациями: «Экологическая экспертиза» и «Экологические риски и безопасность».
Апробация работы.
Основные результаты исследований, выводы, предложения и научные положения диссертации докладывались на Международной научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летию РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (Москва, 2005,2007), научных конференциях КФ РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Калуга, 2005,2006,2007), Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2006), 4 Всероссийской научно-практической конференции (Пенза, 2006), II Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Техногенные системы и экологический риск», посвященной 20-летию института атомной энергетики (Обнинск, 2005), сборнике научных работ Сибирского государственного медицинского университета (Томск, 2005,2006).
По теме диссертации опубликовано 14 работ (в том числе 1 монография «Очистка сточных вод и утилизация их осадков» и статья в рецензируемом журнале «Плодородхг»^.
8 Объём и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, объектов и методов исследования, результатов исследования, выводов и предложений. Работа изложена на 154 страницах компьютерного текста, включает 17 таблиц, 54 рисунка. Список литературы включает 162 наименования, в том числе 36-иностранных.
Утилизация сточных вод и их осадков
Биологическая очистка сточных вод известна уже более 100 лет. Применение её в условиях, близких к естественным (поля фильтрации, биологические пруды), на сахарных заводах России, например, началось еще в 90-е годы XIX века и до настоящего времени не утратило своего значения (Ксенофонтов, 1990).
Метод биологической очистки - это естественный микробиологический процесс самоочищения, протекающий в водоёмах, перенесенный в искусственные условия и максимально интенсифицированный (Ломова, 1968). Необходимость в очистке сточных вод, возникла из-за превышения их объёма по сравнению с тем, после которого естественные экосистемы уже не справляются с переработкой компонентов сточных вод и, вследствие этого, загрязняются. Поэтому была предложена система очистки сточных вод до уровня, пригодного для сброса в естественные экосистемы, или после дополнительной обработки, для непосредственного использования человеком (Лозановская и др., 1998). Схемы биологической очистки сточных вод
Сооружения для биологической очистки сточных вод по высоте, как правило, располагаются таким образом, чтобы вода из одного сооружения в другое, поступала самотеком. Сооружения для механической очистки сточных вод составляют первую группу, в которую входят последовательно: решетки, песколовки и отстойники.
Самостоятельную группу составляют сооружения по обработке осадка — метантенки (аэробные стабилизаторы или двухъярусные отстойники для станций малой пропускной способности), иловые площадки или сооружения механического обезвоживания и сушки осадка.
Ко второй группе относятся сооружения для биологической очистки, в которых окисляются оставшиеся после механической очистки органические загрязнения. Очистка сточной воды заканчивается процессом обеззараживания.
Выбор метода очистки и подбор состава сооружений представляют собой сложную технико-экономическую задачу и зависят от многих факторов: необходимой степени очистки сточных вод, рельефа местности, энергетических факторов, характера грунтов, размера площади для очистных сооружений, расхода сточных вод, мощности водоема и др.
Если сточные воды сбрасываются в реку с большим расходом воды и по расчету необходимой степени очистки сточных вод можно ограничиться только их механической очисткой, состав сооружений может быть принят по схеме, приведенной на рис. 1. На рис.2 приведена технологическая схема физико-химической очистки сточных вод.
Физико-химическая очистка городских сточных вод применяется редко и для очистки относительно небольших количеств сточных вод. Чаще она применяется для очистки промышленных сточных вод.
Для биологической очистки городских сточных вод с расходом до 50000 м3/сут чаще всего применяют биологические фильтры (биофильтры) различных конструкций и работающие по различным технологическим схемам.
На рис.3 приведена технологическая схема биологической очистки сточных вод на биофильтрах. В состав сооружений механической очистки сточных вод включен преаэратор — сооружение, в котором осуществляется кратковременная продувка сточных вод воздухом, способствующая повышению эффекта их осветления в первичном отстойнике.
После сооружений механической очистки (решетки, песколовки, преаэратор и первичные отстойники) вода поступает на биофильтры и затем во вторичные отстойники, в которых задерживается биологическая пленка (биопленка), выносимая водой из биофильтров. Из вторичного отстойника вода направляется в контактный резервуар, дезинфицируется и сбрасывается в водоем.
Проходя через фильтрующую загрузку биофильтра, загрязненная вода вследствие адсорбции оставляет в ней взвешенные и коллоидные органические вещества, не осевшие в первичных отстойниках, которые создают биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Микроорганизмы биопленки, окисляют органические вещества и получают необходимую для своей жизнедеятельности энергию. Часть растворенных органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а в теле биофильтра: увеличивается масса биологической пленки. Отработавшая и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.
Для обработки смеси осадка из первичных отстойников (сырой осадок) и биологической пленки из вторичных отстойников чаще всего применяют метантенки. Сброженный (минерализованный) осадок, выгружаемый из метантенков, поступает на сооружения для его обезвоживания (Абрамов и др.,1976; Кириченко и др., 1975; Карпухин, 1974). В качестве сооружений для обезвоживания сброженного осадка используются вакуум-фильтры, фильтр-прессы или центрифуги (Туровский и др., 1975,1976). В тех случаях, когда необходима более низкая влажность, чем могут обеспечить аппараты механического обезвоживания, осадок сточных вод подвергают термической сушке в сушилках со встречными струями с классификацией частиц по размеру (Современное состояние..., 1974). В результате получают обеззараженный, сыпучий, полидисперсный продукт, сохраняющий первоначальное органическое вещество (Туровский и др., 1974). Обезвоженный осадок чаще всего используется в качестве органоминерального удобрения в сельском хозяйстве.
Характеристика объектов исследований
Научно-исследовательская работа по теме диссертационной работы проводилась на Опытном поле Калужского филиала Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева с 2004 по 2006 годы. Основными объектами исследования явились: 1. почва - дерново-подзолистая супесчаная на водно-ледниковых отложениях, подстилаемая мореной; 2. сельскохозяйственные растения - овес сорта Привет и Скакун, ячмень сорта Эльф и Носовский 9, картофель сорта Лосунак; 3. осадки сточных вод различной влажности. Характеристика Опытного поля Учебно-опытное поле Калужского филиала Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева расположено на территории Карачевской птицефабрики, входящей в Пригородную зону областного центра г. Калуги. Данный участок расположен между д. Белая и д. Черносвитово. Район местонахождения учебно-опытного поля характеризуется умеренно-континентальным климатом, с теплым летом, умеренно холодной зимой, устойчивым снежным покровом и хорошо выраженными переходными сезонами. Теплом здесь могут быть обеспечены все сельскохозяйственные и плодово-ягодные культуры. Полное оттаивание почвы наблюдается 23-24 апреля. По влагообеспеченности район расположения учебно-опытного поля можно отнести к зоне достаточного увлажнения. Две трети годового количества осадков выпадает в виде дождя, одна треть в виде снега. По природно-географическому районированию Опытное поле относится к Угрино-Суходревскому району Смоленско-Московской провинции. Оно представляет собой плоскую или слабоволнистую равнину, пересеченную ложбинами и долинами рек, зандровые равнины с поверхности сложены песками, местами с включениями валунов, гальки и гравия. Пески всюду подстилаются мореной. На слабоповышенных элементах рельефа с небольшим уклоном к ложбинам стока сформировались дерново-среднеподзолистые супесчаные и песчаные почвы на водно-ледниковых отложениях, подстилаемых мореной. В ложбинах стока грунтовые воды находятся ближе к поверхности, здесь же происходит застой дождевых и талых вод, все это способствует оглеению профиля почв. В таких условиях сформировались дерново-подзолистые глееватые почвы. К ложбинам примыкают слабопониженные участки равнины, где сформировались дерново-среднеподзолистые слабо глееватые почвы. Более половины территории учебно-опытного поля занято лесом. По почвенному районированию Калужской области территория опытного поля относится к Калужскому почвенному району, Тульского почвенного округа. Почвенный покров учебно-опытного поля представлен дерново-подзолистыми почвами нормального увлажнения, а также переувлажненными их разновидностями. Почвенная разновидность - дерново-среднеподзолистые супесчаные и песчаные почвы. По рельефу дерново-подзолистые супесчаные и песчаные почвы приурочены к слабо повышенным водоразделам. Для этих почв характерно наличие хорошо развитого гумусового горизонта на пашне и менее развитого на целинных участках. Пахотный горизонт (Апах) имеет светло-серую окраску, часто с белесовато-бурыми пятнами припашки нижележащего горизонта и характеризуется непрочно-комковатой структурой или бесструктурной. Мощность пахотного горизонта колеблется от 24 до 37 см на пашне и от 9 до 20 см на целинных участках. Ниже залегает хорошо выраженный оподзоленный горизонт А2 , мощностью от 9 до 20 см, который имеет белесую или буровато-белесую окраску, непрочно-плитчатую структуру. Дальше, как правило, залегает переходный подзолисто-иллювиальный горизонт АгВ, характеризующийся белесой окраской с бурыми или красно-бурыми пятнами, структура слабо выражена. У дерново-среднеподзолистых песчаных и супесчаных почв на двучлене смена пород происходит на разной глубине, начиная с 45 см до 150 см. В том случае, когда морена подстилает водно-ледниковые отложения на глубине 100 см и более, иллювиальные горизонты Bj и Вг представлены бесструктурным песком буровато-белесого или желтовато-белесого цвета. Когда водно-ледниковые отложения подстилаются мореной (глубина 45 см и далее), то иллювиальные горизонты имеют красно-бурый цвет, суглинистый механический состав и линзы крупнозернистого песка.
Динамика разложения осадков сточных вод в дерново-подзолистой супесчаной почве
Почвенный путь утилизации ОСВ в сельском хозяйстве становится основным в мировой практике (Sewage sludge..., internet). Такое использование осадков в агросфере требует соблюдения требований нормативно-правовых документов. Одним из требований является проведение постоянных мониторинговых исследований за состоянием агроэкосистем в условиях применения осадков с целью составления долгосрочных прогнозов и принятия решений об эффективности почвенного пути утилизации осадков сточных вод в АПК данного региона. Основной целью мониторинга является научное познание процессов, протекающих в почве при внесении ОСВ различной влажности.
ОСВ имеет специфический органо-минеральный полиэлементный состав, причем органическая часть имеет лабильную форму. Почва, в свою очередь, есть природная, стабильная и сложная биокостная система со своей функциональной деятельностью. При смешивании этих двух сложных систем возникают разнообразные процессы взаимодействия.
На первой стадии такого взаимодействия, по-видимому, должны превалировать процессы разложения органического вещества осадков сточных вод, высвобождения ТМ и перехода их в почвенный раствор. В научной литературе эти вопросы освещены крайне слабо (Pitchell, 1999).
Поэтому задачей наших исследований на первом этапе явилась разработка методики по изучению динамики разложения осадков сточных вод различной влажности в условиях возделывания зерновых и пропашных культур и проведение соответствующих исследований.
Методика изучения динамики разложения осадка сточных вод в почве была следующей. С учетом схемы опыта смешивались аликвотные части воздушно-сухой массы почвы и осадка сточных вод, затем эта смесь помещалась в плотный капроновый мешочек и точно взвешивалась на весах. После этого доводилась до влажности наименьшей влагоемкости и помещалась на глубину 10 см пахотного слоя почвы делянки. В каждую делянку укладывались по три мешочка со смесью. Эти мешочки систематически вынимались и взвешивались при одной и той же влажности, соответствующей воздушно-сухому состоянию. По убыли массы рассчитывалось количество разложившегося активного ила. Обычно выемка мешочков проводилась перед посевом и после уборки соответствующей культуры.
На рис. 10 представлена динамика разложения ОСВ в зависимости от дозы в течение 3-х лет (с использованием зерновых культур). Темпы разложения ОСВ уменьшаются по мере увеличения дозы вносимой в дерново-подзолистую супесчаную почву. При 1 т/га максимальный процент разложения (57%), при 30 т/га минимальный процент разложения (31%).
Наиболее интенсивно ОСВ внесенный в дерново-подзолистую супесчаную почву разлагается по истечении 1-го года.
На рис. 11 представлена динамика разложения ОСВ в зависимости от дозы в течение 3-х лет (с использованием пропашных культур). Темпы разложения ОСВ уменьшаются по мере увеличения дозы вносимой в дерново-подзолистую супесчаную почву. При 1 т/га максимальный процент разложения (63% ), при 30 т/га минимальный процент разложения (31% ). Наиболее интенсивно ОСВ внесенный в дерново-подзолистую супесчаную почву разлагается также по истечении 1 -го года.
