Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Эффективность использования сточных вод мебельных комбинатов в агросистемах

ВАК РФ 06.01.15, Агроэкология

Автореферат диссертации по теме "Эффективность использования сточных вод мебельных комбинатов в агросистемах"

РГ Б С'. 2 3 НОЯ 1998

На правах рукописи

Алипатова Ольга Владимировна

Эффективность использования сточных вод мебельных комбинатов в агроэкосистемах

Специальность 06.01.15 - агроэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена на кафедре агроэкологии Воронежского государств ного аграрного университета им. К.Д. Глинки в 1994-1997 гг., номер государ венной регистрации темы — 01.910015 984

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Житин Ю.И.

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Мязин Н.Г.

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Шульгин В.И.

Ведущая организация -

Государственный комитет по охране окружающей среды Воронеже!

области.

Защита состоится 17 декабря 1998 г. в 12— часов в ауд. 265 на заседаг диссертационного совета К 120.54.06. в Воронежском государственном аг университете им. К.Д. Глинки по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, ] С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАУ им. К.Д. Гт

ки.

Автореферат разослан 16 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета дмегор с.-х. наук, профессс

Воронин В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Экологически безопасное ведение промышленного и сельскохозяйственного производства предусматривает разработку и внедрение технологий с максимально замкнутым циклом потока вещества, то есть создание таких комплексов, в которых вещества на выходе из одной системы служили бы ресурсами для другой: промышленность - сельское хозяйство и др.

В связи с этим актуальным является вопрос объединения в систему предприятий лесной промышленности и сельскохозяйственного производства, которое позволило бы использовать отходы первых в качестве источника энергии и вещества для вторых.

В частности, значительный интерес представляют формальдегидсодер-жащие стоки мебельных и деревообрабатывающих предприятий, которые обладают дезинфицирующим свойством и содержат в своем составе биогенные элементы, необходимые для агроэкосистем. До настоящего времени стоки не находят повторного применения и выбывают из круговорота веществ.

Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы — оценить эффективность и степень экологической безопасности использования формальдегид-содержащих сточных вод мебельных комбинатов в агроэкосистемах.

Для достижения поставленной цели следовало решить следующие зада-

чи:

1. Исследовать условия формирования, объемы и химический состав сточных вод.

2. Провести сравнительный анализ обеззараживающего эффекта сточных вод и байтана-универсапа при протравливании семян сельскохозяйст-" венных культур.

3. Установить возможность использования стоков для обеззараживания навоза и осадка сточных вод - в качестве длительнодействующего азотного удобрения,

4. Оценить экономическую эффективность применения предлагаемых приемов.

Научная новизна. Научная значимость результатов исследований заключается в теоретическом обосновании нового способа применения сточных вод для обеззараживания семян сельскохозяйственных культур (патент № 2092052).

Экологически обоснована возможность использования осадка сточных вод в качестве длительнодействующего азотного удобрения.

Разработаны критерии использования смолосодержащих отходов мебельных комбинатов для обеззараживания навоза (патент № 2081864).

Защищаемые положения.

Формальдегидсодержащие сточные воды мебельных комбинатов экологически безопасно применять для обеззараживания семян сельскохозяйственных культур и навоза.

Осадки сточных вод мебельных комбинатов могут быть использованы в качестве пролонгированного азотного удобрения.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Разработанные способы использования отходов мебельных комбинатов способствуют в некоторой степени замкнуть круговорот веществ в экосистемах и снизить нагрузку на окружающую среду.

Использование формальдегидсодержащих сточных вод позволит заменить дорогостоящие фунгициды и восстановить редуцентное звено экосистем.

Применение осадка сточных-вод в виде длительнодействующего азотного удобрения обеспечивает уменьшение вымывания биогенных элементов из почвы и загрязнения экосистем.

Внедрение элементов малоотходной технологии позволит увеличить рентабельность производства на 9,9-33,8 %.

Апробация работы. Результаты работы доложены и получили одобрение на международных (Воронеж, 1994, 1995), межвузовских (Воронеж, 1996) научно-практических конференциях.

1 Публикации результатов исследований. По материалам исследований в соавторстве и лично опубликованы 5 научных работ, получены 2 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, предложений производству общим объемом 102 страницы машинописи. Она содержит 18 таблиц, 2 рисунка. Список используемой литературы включает 192 наименования, в т. ч. 47 иностранных источников.

Условия и методика проведения исследований.

Экспериментальная работа проводилась на полях опытной станции Вор 1-нежского государственного агроуниверситета им. К.Д. Глинки в 1994-1997 гг.

Климат местности умеренно-континентальный с неустойчивым увлажнением.

Годы проведения исследований характеризовались неравномерным распределением осадков в вегетационный период. Растения страдали от неблагоприятных условий перезимовки (1995-1996) и недостатка влаги во время формирования и налива зерна (1996).

Почва опытного участка - чернозем выщелоченный, малогумусный, маломощный, тяжелосуглинистый на покровных суглинках. Содержание гумуса (по Тюрину) в пахотном слое 3,2%, фосфора (Р2О5- по Чирикову ) в пахотном слое 7,3-13 мг, обменного калия (К20- по Масловой ) 16,4-23,8 мг на ЮОг аб-

солютно сухой почвы, pH солевой вытяжки 5,7-6,8, степень насыщенности основаниями 73,6-80,5%.

Почва вегетационного опыта — выщелоченный чернозем. Содержание гумуса — 7,5%, фосфора —13 мг, обменного калия — 24 мг на ЮОг абсолютно сухой почвы, pH—7,1.

Полевой опыт был заложен по методу расщепленных делянок, размещение вариантов - систематическое. В зависимости от целей опыта учетная площадь делянок составляла 25-50 м2, повторность трех-четырехкратная. Предшественник - занятый пар. Объектами исследований служили культуры: озимая пшеница — Воронежская 47; просо — Горлинка.

Технологии возделывания сельскохозяйственных культур осуществлялись согласно рекомендациям.

Полевые опыты были заложены по схемам:

Опыт I.

1. Контроль - без обработки семян протравителем

2. Байтан-универсал — 2 кг/т семян

3. Сточная вода (СВ) - 10 л/т семян

4. Сточная вода - 30 л/т семян

5. Сточная вода—50 л/т семян

6. Сточная вода - 10 л/т семян + ОСВ 0,5 ц/га

7. Сточная вода — 10 л/т семян + ОСВ 3,5 ц/га

Опыт П. ,

1. Контроль

2. Осадок сточных вод (ОСВ) - 0,5 ц/га

3. ОСВ —2,0 ц/га

4. ОСВ — 3,5 ц/га

5. ОСВ —5,0 ц/га

Опыт III.

1. Контроль — без внесения органических удобрений

2. Навоз подстилочный без обработки — 20 т/га

3. Навоз — 20 т/га + 0,5 % СВ — 1 ц/га

4. Навоз — 20 т/га + 1,0 % СВ — 2 ц/га

5. Навоз — 20 т/га + 1,5 % СВ —3 ц/га

Вегетационный опыт заложен в четырехкратной повторное™. Объектом изучения являлись озимая пшеница Воронежская 47, ячмень Одесский 115 и горох Таловский 50. Схема опыта:

1. Контроль — без обработки семян

2. Байтан-универсал — 2 кг/т семян

3. Сточная вода — 10 л/т семян

4. Сточная вода — 15 л/т семян

Эксперименты по проращиванию семян озимой пшеницы, биотестирование почвы, наблюдения в ходе опыта, оценка физических и биохимических свойств зерна, химические анализы растительных и почвенных образцов проводились в соответствии с общепринятыми методиками ( Юдин Ф.А., 1980; ГОСТ 12044.81; ГОСТ 26483-85; Доспехов Б.А., 1985; Василенко И.И., Комаров В.И., 1987; Минеев В.Г., Ремпе Е.Х., 1990).

Результаты опытов и анализов обрабатывали статистическим методом дисперсионного анализа с применением персонального компьютера.

Результаты исследований

Изучение методов утилизации сточных вод мебельных комбинатов в агроэкосистемах

1. Характеристика физико-механических свойств и химического состава сточных вод мебельных комбинатов

Объектом данного исследования являются сточные воды Воронежского акционерного объединения "Мебель Черноземья". Стоки образуются при мытье прессов в процессе облицовки пластей мебельного щита при соблюдении действующих технических регламентов.

В начальный момент времени сточные воды представляют собой эмульсию карбамидоформапьдегидной смолы (КФС) в воде. В зависимости от объема смывной воды концентрация смолы в воде варьирует в пределах 10-40 %. Годовой объем стоков на двух городских предприятиях достигает 200 м3.

При отстаивании сточных вод в течении 2-48 часов происходит расслоение эмульсии, образование осадка сточных вод в виде отвержденной КФС и надсмолыюй воды. Время структурирования ОСВ зависит от марки КФС, ее качества, концентрации эмульсии, качества смывной воды.

Осадок сточных вод — это творогоподобная масса, представляющая собой полимерную фракцию КФС; белый гигроскопичный продукт с массовой долей влаги 70-80 %; максимальный размер конгломератов — 15-20 мм.

Надсмольная вода — полупрозрачная жидкость без посторонних включений; массовая доля растворенного формальдегида — 0,1-2,0 %; массовая доля сухого остатка — 1,0-1,5 %. В состав компонентов надсмолыюй воды входит неотвержденная фракция КФС, молекулярная масса которой является промежуточной между мономерной и полимерной. Вследствие этого данный компонент надсмольной воды был нами обозначен как олигомерная фракция КФС.

Анализ химического состава сточных вод свидетельствует о достаточно высоком содержании в них азота — 26-28% (табл. 1). В то же время практически отсутствуют такие важные элементы питания, как фосфор и калий.

Таблица 1

Химический состав сточных вод АО "Мебель Черноземья" (1994-1996 гг.)

Образец . с рН Общий азот, % Фор-маль де- гид, % КФС % № К Са Си Мп Бе № Ъа. РЬ Сй н8 Со

Надсмоль-ная вода, мг/л 7,08,5 1,0 0,1-2 1,01,2 23 4,0 100 36 0,006 0,06 0,1 0,15 0,06 0,31 0,27 н/о 0,3

Осадок сточных вод, мг/кг 7,08,0 2628 1,21,3 7075 - - - - 0,64 0 39 0,55 2,2 2,7 0,2 а/о 2,0

ПДКв почве, мг/кг ™ • - 100 1000 150 300 100 3 2,1 30

Сточные воды имеют слабощелочную или нейтральную реакцию — рН-7,0-8,5, вследствие чего опасная тенденция к подкислению почвы при внесении промышленных отходов в агроэкосистему исчезает.

В надсмольной воде содержится свободный формальдегид до 2% в растворенном виде, обладающий биоцидными свойствами, а также низкомолекулярные продукты конденсации карбамида и формальдегида.

Микроэлементы, необходимые растениям для полноценного развития — цинк, марганец, медь, кобальт, — содержатся в сточных водах мебельного комбината в количествах, не превышающих ПДК этих элементов в почвах.

Содержание тяжелых металлов в ОСВ и надсмольной воде значительно пиле ПДК этих элементов в почве и разрешенных к использованию в агроэко-системах сточных водах. Таким образом, анализ химического состава сточных вод свидетельствует о высоком содержании в них азота и микроэлементов, необходимых для нормального функционирования агроэкосистем, и незначительной концентрации токсикантов.

2. Анализ применения в агроэкосистемах сточных вод мебельных комбинатов в качестве протравителей семян

Важнейшим требованием при внесении антропогенных отходов в экосистему является соблюдение экологической безопасности. Основная часть нагрузки выпадает на почвенно-биотический комплекс (ПБК).

Исследование почвы на содержание тяжелых металлов при внесении сточных вод в агроэкосистему показывает, что при соблюдении рекомендуемой технологии накопления элементов в почве не происходит, т.к. концентрация тяжелых металлов в 4-20 раз ниже, чем ПДК исследуемых элементов в почве.

Для комплексной и экспрессной оценки состояния ПБК, которая учитывает эффекты синергического взаимодействия нескольких токсикантов, наличие

их метаболитов, применялись методы биотестирования почвы и исследования целлюлозолитической активности почзи (табл. 2).

Таблица 2

Результаты биотестирования почвы полевого опыта (1995-1997 гг.)

Разложение целлюлозы Проращивание редиса

вариант уменьшение массы образца, г эффективность разложения, % длина корня, мм токсичность почвы, %

Контроль 0,62 100 63,4 0

Байтан - универсал - 2 кг/т семян 0,46 74,2 61,2 3,5

Сточ. вода -10 л/т семян 0,51 82,2 63,2 ... 0,3

Сточ. вода -30 л/т семян 0,66 106,4 63,9 0

Сточ. вода -50 л/т семян 0,51 82,2 65,0 0

НСРо,95 0,12-0,14 — 1,5-1,7 —

При использовании в качестве протравителя семян байтана-универсала

интенсивность разрушения клетчатки снижается на 20-25%, а применение сточной воды оказывает гораздо меньшее влияние на процессы разрушения целлюлозы и не нарушает функционирование почвенно-биотического комплекса агро-экосистем.

Оптимальной дозой для протравливания семян является 10 л/т. При уменьшении дозы препарата происходит снижение эффекта обеззараживания. При увеличении дозы фунгицида снижается энергия прорастания семян, наблюдается общее ингибирование развития растений (табл. 3).

Эффективность сточной воды объясняется синергическим действием формальдегида и комплекса микроэлементов, содержащихся в ней, а также пролонгированным дезинфицирующим действием олигомерной фракции КФС.

КФС, растворенная в воде, уменьшает летучесть формальдегида из раствора, увеличивает степень соприкосновения активного вещества с поверхностью семян за счет своего обволакивающего, пленкообразующего действия. В результате уменьшаются потери препарата с поверхности семян, улучшаются санитарно-гигиенические условия работы с семенным материалом.

1 Таблица 3

Результаты лабораторных опытов по проращиванию семян озимой пшеницы

Наименование препарата Доза препарата, кг/т семян Прорастание (всхожесть),% Инфицирование, %

1. Контроль + фон заражения - 90 100

2. Байтан-ушшерсал 2 90 75

3. Сточная вода 10 90 12

4. Сточная вода 30 71 10

5. Сточная вода 50 38 7

6. Сточная вода - 3 суток 10 35 24

7. Сточная вода - 7 суток 10 30 15

При использовании надсмолыюй воды, находившейся в контакте с осадком сточных вод более 3-х суток, отмечается эффект ингибирования прорастания семян на 56-60%, что связано с накоплением в надсмольной воде токсичных для растений продуктов полимеризации формальдегида и других химических реакций. При непосредственном контакте осадка сточных вод с семенами ингибируется их прорастание.

В вегетационном опыте всхожесть семян исследуемых культур, обработанных сточной водой, не изменялась по сравнению с контролем и варьировала в пределах 90-95 % у озимой пшеницы, 94-96 % - ячменя, 40-50 % — гороха.

Низкая всхожесть семян гороха объясняется значительным повреждением пс следних брухусом.

Максимальная продукгавность озимой пшеницы наблюдалась при обработке семян сточной водой в дозе 10 л/т, превышение по сравнению с вариантом с байтаном-универсалом составило 10,4 %.

Урожайность зерна ячменя увеличилась при обработке семян байтаном-унивесалом на 108 % по сравнению с контрольным вариантом, а применение сточной воды позволило повысить продуктивность посевов на 96 %.

Максимальный урожай семян бобовой культуры формировался в варианте со сточной водой в дозе 10 л/т — 33,8 г/сосуд, превышение над контролем составило 3,4 %. Увеличение дозы до 15 л/т приводит к снижению урожая семян гороха на 2,1 %.

Важно отметить, что при использовании фунгицидов в оптимальных нормах повышалась не только урожайность зерна, но и улучшалось его качество. В частности, содержание азота в зерне озимой пшеницы увеличивалось на 0,25 %, ячменя — на 0,02-0,08 %, гороха — на 0,02-0,06 %.

Таблица 4

Характеристика посевов озимой пшеницы в полевом _опыте (1995-1997 гг.)__

Вариант Урожайность зерна, ц/га Высота растений, см Масса 1000 зерен, г Азот в зерне, %

Контроль 19,4 60,1 40,6 1,92

Байтан-универсал -2 кг/т семян 19,8 59,4 44,8 1,97

Сточ. вода (СВ) -10 л/т семян 23,6 57,0 40,6 2,13

СВ - 30 л/т семян 19,7 55,5 40,3 1,95

СВ - 50 л/т семян 11,1 52,5 36,8 1,83

НСРо.95 1,8-2,4 4,4-5,6 8,6-9,1 -

В полевом опыте максимальная урожайность зерна озимой пшеницы формировалась при обработке семян сточной водой 10 л/т - 23,6 ц/га, что превышает контроль на 21,6 % (табл. 4).

Содержание азота в зерне увеличивалось по сравнению с контролем при обработке семян байтаном-универсалом - на 0,05 %; сточной водой — на 0,21 %. Увеличение доЬы сточной воды в 3-5 раз приводит к снижению содержания азота на 0,09 %.

3. Применение осадка сточных вод мебельных комбинатов в качестве азотного удобрения

Высокое содержание азота в ОСВ — 26-28% — предполагает возможность использования данного продукта в качестве азотного удобрения.

Азот находится в продукте в виде амшшых групп, входящих в состав полимерных молекул КФС. С течением времени происходит самопроизвольная деструкция молекул отвержденной КФС, при которой образуются в конечном итоге мономёрные продукты — карбамид и формальдегид. Постепенный процесс деструкции ОСВ является причиной пониженной скорости выделения доступного для растений азота. В среднем скорость выделения азота в 3-14 раз ниже, чем у карбамида (мочевины).

Внесение ОСВ в агроэкосистемы в дозе 0,5 ц/га не приводит к увеличению показателя токсичности почвы и ингибированию процессов разрушения клетчатки, что позволяет судить о безопасности его внесения в обоснованных дозах.

Наблюдения и анализы, проведенные в осенний период, позволяют судить о том, что при норме внесения 0,5 ц/га ОСВ способствует лучшему развитию растений озимой пшеницы. Так высота растений на контрольном варианте колебалась в пределах 15,9-16,3 см, а при использовании азотсодержащих удоб-

рений — 16,5-18,8 см. При большей норме внесения ОСВ наблюдалась тенденция к ухудшению развития растений.

Сходная закономерность проявилась при анализе числа' побегов. В контрольном варианте - 3,9-4,8 шт/растение; в варианте с использованием ОСВ — 4,9-5,3 шт/растение.

Содержание подвижного азота в почве в данный период колебалось в пределах 14,93-17,47 мг/кг и 17,38-18,45 мг/кг соответственно. Отличие от контрольного варианта составило 5,6-16,4 %.

На VIH этапе органогенеза озимой пшеницы содержание азота в пахотном горизонте колебалось в пределах 12,38-13,04 мг/кг на контроле, а в варианте с использованием ОСВ в дозе 50 кг/га —13,24-14,94 мг/кг.

Содержание азота в растениях на данном этапе варьировало от 1,43-1,5 • Уо до 1,75-1,81% соответственно. Различия в содержании азота между контрольным вариантом и вариантом с применением ОСВ составило в почве 6,9-14,3% и 19,9-22,4% в растениях. ,

На XII этапе органогенеза озимой пшеницы содержание азота в пахотном горизонте составляло 6,68-8,48 мг/кг на контрольном варианте, а при использовании ОСВ — 8,62-11,41 мг/кг, превышение составило 29,0-34,5%. Максимальная урожайность зерна озимой пшеницы формировалась при внесении в почву ОСВ в дозе 0,5 ц/га - 25,5 ц/га, что превышает контрольный вариант на 30,1 % (табл. 5).

Масса 1000 зерен в варианте с внесением ОСВ в дозе 0,5 ц/га на 11 % больше по сравнению с контролем. Но увеличение нормы внесения ОСВ до 3,55,0 ц/га приводит к сокращению этого показателя на 18,3-21,7 %.

Важно отметить, что при использовании азотсодержащих отходов в оптимальных нормах содержание азота в зерне озимой пшеницы увеличивалось на 0,31% по сравнению с контролем.

Таблица 5

Харатеристика посевов озимой пшеницы при использовании ОСВ в качестве азотного удобрения (1995-1997 гг.)

>

№ Вариант Урожайность Высота Масса ' Азот в зер-

зерна, ц/га стеблей, 1000 зе- не, %

см рен, г

1. Контроль 19,5 60,1 40,6 1,92

2. ОСВ - 0,5 ц/га 25,5 51,5 45,2 2,23

3. ОСВ-2,0 ц/га 19,6 47,3 45,2 1,96

4. ОСВ - 3,5 ц/га 19,1 47,7 36,9 1,95

5. ОСВ - 5,0 ц/га 16,3 46,7 35,4 1,92

НСРо.95 1,4-2,1 2,0-2,3 2,1-2,5 -

Таким образом, изучение содержания азота в пахотном горизонте почвы и биомассе растений в различные фазы органогенеза озимой пшеницы свидетельствует о том, что внесение ОСВ в почву обеспечивает растения азотом на протяжении периода вегетации.

4. Применение формальдегидсодержащих сточных иод для обеззараживания животноводческих отходов

В случае использования сточных вод в качестве обеззараживающей добавки при компостировании навоза токсичность формальдегида, являющаяся препятствием для сброса сточных вод на биоочистные сооружения, становится положительным качеством эффективного дезинфектанта.

Проведенные наблюдения и анализы показывают, что добавление в навоз 0,5 % сточной воды при компостировании снижает всхожесть семян сорняков на 30-33 %. Высота и масса сегетальной растительности уменьшается на 19,9 % и 32,3 % соответственно. Таким образом, синергическое действие компостирования и биоцидных свойств компонентов сточной воды снижают конкурирую-

щую способность сорной растительности, вследствие чего складываются благоприятные условия для роста и развития культурных растений (табл. 8).

Таблица 6

Характеристика посевов проса на унавоженной почве с использованием формальдегидсодержащих сточных вод (1995-1997 гг.)

Вариант Число сорняков, шт/м2 Высота сорняков, см Биомасса сеге-тальной растительности, ц/га Урожайность зерна проса, ц/га Высота растений, см

Контроль без навоза 15,2 29,7 1,5 8,3 59,5

Навоз 20 т/га 24,0 95,3 11,7 8,8 94,1

Навоз 20 т/га + сточ. вода 0,5 % 16,0 76,3 8,0 18,0 86,4

Навоз 20 т/га + сточ. вода 1 % 17,2 67,7 5,1 17,5 78,7

Навоз 20 т/га + сточ. вода 1,5% 16,0 64,6 4,1 ' 16,8 81,3

НСРо.95 2,0-2,2 5,0-7,7 1,1-1,3 1,3-2,4 3,5-4,9

Урожайность проса увеличивается по сравнению с контролем на 103117 %, а по сравнению с вариантом с применением необработанного навоза — на 96-110%.

Концентрации тяжелых металлов в навозе после компостирования с применением сточных вод меньше, чем ПДК исследуемых элементов в почве, в 325 раз.

Добавка сточных вод в ходе компостирования навоза в дозе 5 кг/т приводит к снижению целлюлозолитической активности почв на 4,0-5,5 %, однако, результаты биотестирования показывают, что показатель токсичности не выхо-

дит за пределы ошибки опыта и варьирует от 2,6 % до 3,1 %. Следовательно, внесение отходов в агроэкосистему по предлагаемым технологиям не нарушает функционирование ПБК и является экологически безопасным приемом.

5. Оценка эколого-экономической эффективности применения отходов мебельных комбинатов в агро-экосиетемах

Расчет экономических нормативов показал преимущества возделывания сельскохозяйственных культур при использовании сточных вод мебельных комбинатов в качестве фунгицида, азотного удобрения пролонгированного действия и обеззараживающей добавки при компостировании навоза (табл. 7).

Уровень рентабельности производства зерновой продукции при замене дорогостоящего протравителя байтан-универсал на сточную воду увеличивается на 25,8 %.

Таблица 7

Экономическая эффективность применения сточных вод мебельных комбинатов в качестве фунгицидов и азотных удобрений

Показатель Конт- Байтан- Сточная Конт- ОСВ - 0,5

роль универсал - 2 кг/т семян вода -10 кг/т семян роль ц/га

Урожайность, ц/га 19,4 19,8 23,6 19,5 25,5

Стоимость препа- - 60000 0 - 0

рата, руб/т

Всего затрат, 846,6 877,5 851,6 843,9 853,9

руб/га

Себестоимость 43,6 44,3 36,1 43,3 33,5

зерна, руб/ц

Чистый доход, 123,4 112,5 328,4 131,1 421,1

руб/га

Уровень рентабельности, % 14,6 12,8 38,6 15,5 49,3

В производственных испытаниях, проведенных в колхозе "40 лет Октября" Каширского района Воронежской области, урожайность зерна озимой пшеницы, как при использовании сточной воды, так и при обработке семян байта-ном-универсалом, в 1997 составила 28,7 ц/га. Фактический экономический эффект от внедрения нового способа обработки семян составил 91,8 тыс. руб./г ч, на весь объем внедрения 14,7 млн. руб. (в ценах 1997 г.).

Применение ОСВ в качестве азотного удобрения приводит к увеличению рентабельности на 33,8 %, а использование сточных вод при компостировании навоза — на 12,8 %.

Экономический выигрыш от применения данных технологий сочетается с экологическим эффектом, т.к. в результате утилизации отходов сокращаются затраты на транспортировку отходов, отчуждение дефицитных пригородных земель для размещения полигонов, а также предотвращается загрязнение окружающей среды в результате вымывания.

Предлагаемые приемы соответствуют принципам малоотходной технологии, согласно которым отходы хозяйственной деятельности человека выступают в качестве материальных ресурсов для других производственных процессов и вовлекаются таким образом в круговорот веществ в биосфере.

Основные выводы:

1. Анализ химического состава сточных вод свидетельствует о высок, м содержании в них биогенных элементов, необходимых для функционирования агроэкосистемы.

2. Содержание тяжелых металлов в ОСВ и надсмольной воде значительно ниже ПДК этих элементов в почве и разрешенных к использованию сточных водах.

3. Обеззараживание семян сточной водой в дозе 10 л/т не нарушает функционирование почвенно-биотического комплекса, не приводит к накоплению тяжелых металлов в почве и растениях и обеспечивает повышение урожайности озимой пшеницы на 4,2 ц/га.

4. Осадок сточных вод при норме внесения 0,5 ц/га может быть использован в качестве пролонгированного азотного удобрения. Урожайность зерна озимой пшеницы увеличивается по сравнению с контрольным вариантом на 30,1 %, содержание азота в нем - на 0,31 %.

5. Обработка навоза сточной водой приводит к снижению жизнеспособности семян сорняков и обеспечивает благоприятные условия для роста, развития и формирования урожая культурных растений. Урожайность проса увеличивается по сравнению с вариантом, в котором использовался необработанный навоз, на 96-110 %.

6. Предлагаемые приемы использования сточных вод в агроэкосистемах позволяют снизить себестоимость зерна на 17,2-22,6 % и увеличить уровень рентабельности производства зерновой продукции на 9,933,8%.

Предложения производству

Для обеззараживания семян сельскохозяйственных культур рекомендуется применять сточные воды мебельного комбината с нормой расхода 10 л/т.

Осадок сточных вод при норме внесения 0,5 ц/га целесообразно использовать в качестве азотного удобрения.

Для снижения засоренности агроценозов необходимо проводить обработку навоза сточными водами с нормой расхода 5 кг/т.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Алипатова О.В. Изучение биологической активности препаратов, полученных на основе сточных вод, содержащих мочевиноформальдегид-ную смолу // Экологические проблемы с/х производства / Материалы междунар. конф.- Воронеж, 1994:- С. 143-144.

2. Алипатова О.В. Утилизация отходов мебельных комбинатов в сельском хозяйстве // Повышение эффективности агропромышленного производства в условиях современных форм хозяйствования / Материалы междунар. науч.-пракгич. конф. молодых ученых и специалистов.- Воронеж, 1995, май,- С. 148.

3. Житин Ю.И., Алипатова О.В. Экологические аспекты применения сточных вод мебельных комбинатов в агроэкосистемах // Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга / Материалы Российского молодежного науч. симпозиума.- Воронеж, 1990, май. - С.203

4. Житин Ю.И., Алипатова О.В. Использование цеолитсодержащих бентонитов для нейтрализации токсикантов в агроэкосистемах // Резервы стабилизации аграрного производства. - Материалы науч. конф. про-фессорско-препод. состава, науч. сотр. и аспирантов ВГАУ по итогам исследований за 1991-1995гг. - Воронеж, 1996,- С.75.

5. Алипатова О.В. Применение формальдегидсодержащих сточных вод мебельной промышленности для дезинфекции животноводческих отходов // Агроэкологический вестник.- Воронеж, 1997,- С.4-10.

6. Пат. 2081864 RU С1 С 05 F 3/00. Способ обеззараживания навоза/ Житин Ю.И., Алипатова О.В. (РФ). Заявлено 03.04.95. Опубл. 20.06.97. Бюл. № 17.

7. Пат. 2092052 1Ш С1 А 01 N 47/28, 35:02. Способ обеззараживания семян злаковых культур / Житин Ю.И., Алипатова О.В. (РФ). Заявлено 06.03.95. Опубл. 10.10.97. Бюл. № 28.

Подписано к печати /2. //• /99&г. Формат 60*84 1/16 Бумага кн.-журн. Гарнитура Машинопись. Усл. п. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №

Воронежский государственный аграрный университет им.К.Д.Глинки Типография ВГАУ 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Алипатова, Ольга Владимировна, Воронеж

Воронежский государственный агроуниверситет

им. К.Д. Глинки

на правах рукописи

Алипатова Ольга Владимировна

УДК 574.45:631.9|:684.002.8

Эффективность использования сточных вод мебельных комбинатов в агроэкосистемах

Специальность 06.01.15 - агроэкология

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель — доктор сельскохозяйственных наук, профессор ЖИТИНЮ.И.

Воронеж -1998

Содержание

о

уществующих технологических решении и техно: [равленных на снижение концентрации основных : |щих компонентов в сточных водах мебельных ко

[ и методика проведения исследований..................1

[ат и метеорологические условия .......................................1

ы и их агроэкологическая характеристика...........................2

»дика проведения исследований............................................2

Основные выводы

.72 78

Предложения производству.......................................................79

Список литературы.....................................................................80

Приложения...............................................................................103

Введение /

Актуальность проблемы. Экологически безопасное ведение промышленного и сельскохозяйственного производства предусматривает разработку и внедрение технологий с максимально замкнутым циклом потока вещества, то есть создание таких комплексов, в которых вещества на выходе из одной системы служили бы ресурсами для другой: промышленность - сельское хозяйство и др.

В связи с этим актуальным является вопрос объединения в систему предприятий лесной промышленности и сельскохозяйственного производства, которое позволило бы использовать отходы первых в качестве источника энергии и вещества для вторых.

В частности, значительный интерес представляют формальдегидсодер-жащие стоки мебельных и деревообрабатывающих предприятий, которые обладают дезинфицирующим свойством и содержат в своем составе биогенные элементы, необходимые для агроэкосистем. До настоящего времени стоки не находят повторного применения и выбывают из круговорота веществ.

Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы — оценить эффективность и степень экологической безопасности использования формальде-гидсодержащих сточных вод мебельных комбинатов в агроэкосистемах.

Для достижения поставленной цели следовало решить следующие задачи:

1. Исследовать условия формирования, объемы и химический состав сточных вод.

2. Провести сравнительный анализ обеззараживающего эффекта сточных вод и байтана-универсала при протравливании семян сельскохозяйственных культур.

3. Установить возможность использования осадка сточных вод в качестве длительнодействующего азотного удобрения и препарата для обеззараживания навоза.

4. Оценить экономическую эффективность применения предлагаемых приемов.

Научная новизна. Научная значимость результатов исследований заключается в теоретическом обосновании нового способа обеззараживания посевного материала протравителем на основе сточных вод (патент № 2092052).

Экологически обоснована возможность использования осадка сточных вод в качестве длительнодействующего азотного удобрения.

Разработаны критерии использования смолосодержащих отходов мебельных комбинатов для обеззараживания навоза (патент № 2081864).

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Разработанные способы использования отходов мебельных комбинатов способствуют в некоторой степени замкнуть круговорот веществ в экосистемах и снизить нагрузку на окружающую среду.

Использование формальдегидсодержащих сточных вод позволит заменить дорогостоящие фунгициды и восстановить редуцентное звено экосистем.

Применение осадка сточных вод в виде длительнодействующего азотного удобрения обеспечивает уменьшение вымывания биогенных элементов из почвы и загрязнения экосистем.

Внедрение элементов малоотходной технологии позволит увеличить рентабельность производства на 9,9-33,8 %.

Апробация работы. Результаты работы доложены и получили одобрение на международных (Воронеж, 1994, 1995), межвузовских (Воронеж, 1996) научно-практических конференциях.

Публикации результатов исследований. По материалам исследований в соавторстве и лично опубликованы 5 научных работ, получены 2 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, предложений производству общим объемом 102 страницы машинописи. Она содержит 18 таблиц, 2 рисунка. Список используемой литературы включает 192 наименования, в т. ч. 47 иностранных источников.

Защищаемые положения.

Формальдегидсодержащие сточные воды мебельных комбинатов экологически безопасно применять для обеззараживания семян сельскохозяйственных культур и навоза.

Осадки сточных вод мебельных комбинатов могут быть использованы в качестве пролонгированного азотного удобрения.

1. Обзор существующих технологических решений и технологий, направленных на снижение концентрации основных загрязняющих компонентов в сточных водах мебельных комбинатов

(Обзор литературы) Все процессы, которые осуществляет человек, будь то воспроизводство живого вещества в земледелии или промышленная переработка, связаны не только с созданием новых веществ, новых материалов, но и с накоплением различных отходов, которые могут быть жидкими, твердыми или газообразными. Эти отходы в больших концентрациях приводят к загрязнению экологических систем (Ивлев A.M., 1986; Рэуце К., Кырстя С., 1986; Tiwy J., 1990; Небел Б., 1993; Ливчак И.Ф. и др., 1995).

В последние десятилетия особого внимания заслуживает деревообрабатывающая промышленность, нарушающая в значительной мере биогеохимический цикл углерода и загрязняющая экосистемы техногенными элементами.

В частности, скачок в ее развитии напрямую связан с появлением синтетических смол разного качества, служащих адгезивом при производстве древесностружечных плит (ДСП) (Доронин Ю.Г. и др., 1987).

Помимо основного адгезива — карбамидоформальдегидной смолы (КФС) — в связующую смесь при производстве ДСП добавляются малые количества (0,5 - 1,5 %) гидрофобных агентов: наполнителей, позволяющих снизить количество смолы без ущерба для качества; биоцидов — веществ, предотвращающих гниение материала; пирофоров, понижающих горючесть материала; модификаторов, придающих специфические свойства ДСП.

Верткин А.Ю., Даргене Ю.П., 1985; Мазур В.Ф. и др., 1987; Резников В.П., 1990 отмечают, что развитие производства древесностружечных плит, клееных материалов, мебельных деталей часто сопровождается ухудшением

экологической ситуации, в том числе увеличением количества сточных вод, образующихся при синтезе и переработке клеящих и пропиточных КФС. Хотя предприятия по производству мебели, фанеры и древесностружечных плит не являются водоемкими, однако, по составу загрязняющих веществ стоки этих предприятий относятся к категории вредных, и мероприятия по их обезвреживанию являются обязательными.

По условиям формирования и концентрации токсикантов формальдегид-содержащие стоки разделяют на три категории:

- высокотоксичные концентрированные — конденсат, образующийся при производстве смол, Сф0рм= 30-50 г/дм3, ХПК = 50000-20080 мг 02/мл вещества;

- среднеконцентрированные СВ от промывки оборудования цеха смол и смесителей завода ДСП, вальцев, пропиточных ванн, Сф0рм. = 0,01-1,0 г/дм3, ХПК = 1000-5000 мг 02/мл вещества;

- слабоконцентрированные СВ от мойки прочего технологического оборудования, включая мойку полов, Сф0рм. = 0,001-0,010 г/дм3, ХПК = 2001000 мг 02/мг вещества, ПДКрв (р.в. - рыбохозяйственных водоемов) формальдегида равна 0,1 мг/л, для водоемов культурно-бытового водопользования ПДК = 0,05 мг/дм3. Количество образующихся сточных вод изменяется в зависимости от их категории в пределах 0,7 - 15 м /сут. (Доронин Ю.Г. и др., 1988).

При внесении в экосистему основные компоненты сточных вод - формальдегид и КФС - оказывают существенное отрицательное воздействие на ее биотическую часть (KamataE., 1966; Hsiao S.-H., Villaume J.E., 1978; Hohnloser W., OsswaldB., 1980).

В частности Доманом Н.Ж. (1961) выявлено отрицательное воздействие формальдегида, адсорбированного из атмосферы листьями бобов и ячменя, на фосфатную составляющую и состав аминокислот.

Он обладает мутагенным действием на прокариотическую и нижнюю эукариотическую тест-системы (Brusick D.J., 1983). При воздействии 50 мг формальдегида на 1 мл среды с популяцией Aerobacter aerogenes происходят обратимые изменения в базовом соотношении РНК и ферментов, метаболизи-рующих формальдегид (Neely W.B., 1966).

В экспериментах по обработке пыльцы лилий в газовой камере, содержащей формальдегид в концентрации 0,44 мг/м3, в течение 5 часов обнаружено значительное снижение длины пыльцевых трубочек. Исследователи сделали вывод, что по отношению к пыльце растений действие формальдегида сравнимо с действием диоксида азота (Wolverton В., 1984).

Формальдегид, как высокореакционноспособное вещество, укрепляет и денатурирует белки, повышая их бактерицидные и дубильные свойства, способен оказывать наркотический эффект на центральную нервную систему, вызывать раздражение мышечных мембран (Malorny G., 1976; Sangines L. et all, 1984). Причем выяснено, что эффективность газообразного формальдегида ниже по сравнению с водными растворами соответствующих концентраций (SnehB., 1983).

Пределы восприятия запаха формальдегида составляют — 0,15 - 0,30 мг/м3; раздражение вызывает концентрация 0,3 - 0,9 мг/м3 ; пределы толерантности - 0,9- 6,0 мг/м3 (Vershueren К., 1983; Acheson E.D., 1984). 10 - 15 мл 35 % раствора формальдегида при приеме перорально достаточно, чтобы убить человека (Formaldehyde. Environmental Health Criteria, 1989).

Однако, накопления формальдегида в атмосфере не происходит, так как период полураспада его составляет несколько часов (Roffael Е., 1993).

Биоаккумуляция формальдегида в почве невозможна, т.к. он легко разлагается с помощью ряда микроорганизмов (Lahmann.E., Jander К., 1968; Kitchens J.F., 1976; Kitchens J.F., et all, 1976; Hsiao S.-H., 1978; Sardinas A.V., et all, 1979). В водной среде формальдегид также подвергается относительно быстрому биоразложению, причем в аэробных условиях — в 1,5 раза быстрее, чем в анаэробных (Kamata Е.Д966).

Существует достаточно много литературных источников (Лурье Ю.Ю., Белявцев A.H., 1969; Клячко В.А., Апельцин А.П., 1971; Аширов А., 1983; Немцева А.Д., 1989; Свиридов В.В. и др., 1995; Salem S.S.A., 1996), где в разной степени раскрывается проблема очистки сточных вод.

В работах Лисовской Э.В., Мелещенко К.Ф.(1964), Прусака А.П., Станкевич К.И. (1990) описываются технологические способы химического связывания формальдегида в сточных водах аммиаком, известью.

Анохин А.Е (1991) приводит технологию очистки формальдегидсодер-жащих стоков смесью хлорида железа, аммиачной воды и флокулянта полиак-риламида. Очищенная вода повторно используется для промывки оборудования, а твердые отходы могут иметь применение в качестве наполнителя в белой эмали для разметки дорог.

Используется также способ озонирования и аэрации. Серьезным недостатком озонирования, как метода очистки, является возможность появления промежуточных трудноокисляемых продуктов, вследствие чего биохимическое потребление кислорода и окисляемость воды практически не снижается, что требует биохимической доочистки воды (Короткина Л.Г. и др., 1986).

Имеются технологические способы сокращения стоков при использовании их:

- для разбавления клеев и связующих;

- для повторного применения после очистки от осадка и примесей;

и

- для сжигания жидких и твердых отходов КФС, смешивая их с сухими опилками (Левшаков A.B., Левшакова С.А., 1988).

Одним из простейших способов снижения концентрации формальдегида до допустимой нормы является разбавление сточных вод (Бельчинская Л.И. и др., 1990). Но это требует привлечения большого дополнительного объема различного типа вод и является эколого-экономически не эффективным приемом.

ЦНИИФ (г.Санкт-Петербург) разработал новую водостойкую карбами-доформальдегидную смолу марки КФ-ВНФ с массовой долей сухого остатка 51-53 % и свободного формальдегида 0,5-0,9 %, применение которой позволяет сократить количество сточных вод в мебельной промышленности на 7080% (Доронин Ю.Г. и др., 1988).

В работе Прусака А.П., Станкевич К.И. (1990) предлагаются направления по снижению концентрации формальдегида в сточных водах за счет синтеза невакуумированных малотоксичных смол, снижения норм удельного расхода смол при их модификации, применения вспененных связующих.

Кроме химических способов для обезвреживания промышленных отходов используют дожигание формальдегидосодержащих стоков (Анохин А.Е., Тетерин Л.А., 1991). Этот способ требует больших затрат на строительство и топливо в виде газа, мазута, электроэнергии. Кроме значительных энергозатрат к недостаткам этого способа относится образование токсичных продуктов окисления — оксидов азота и серы.

Бельчинской Л.И., Ткачевой O.A., (1993); Бельчинской Л.И. и др., (1996) проблему формальдегидсодержащих стоков было предложено решать физико-химическими способами, а именно с помощью природных глинистых минералов, обладающих сорбционной активностью. Определены основные критерии применения природных сорбентов, разработаны условия получения на их ос-

нове материалов с улучшенными сорбционными характеристиками для поглощения формальдегида из газовых и жидких промышленных отходов. Выяснен механизм сорбции формальдегида в системах природный минерал - раствор формальдегида. Разработана, прошла промышленные испытания и внедрена технологическая схема очистки воды, позволяющая снизить концентрацию формальдегида до уровня ПДК.

Разработанные технологические решения обеспечили снижение экологического ущерба при очистке и утилизации сточных вод на 36 - 97 %. Эколо-го-экономический эффект от общего приведенного ущерба составляет при использовании данных технологических решений по охране водной среды от 20 до 97%.

Предложено также утилизировать смоляную часть сточных вод для получения газонаполненных пластмасс на основе КФС (Бельчинская Л.И., Попова Т.К., 1992; Алипатова О.В. и др., 1993). При разработке состава и технологических условий получения пенопластов выяснены определенные закономерности процесса, позволяющие получать продукты с заданными свойствами. Для снижения объемной массы, повышения эластичности пенопластов в исходный состав вводились модификаторы. Материалы с подобными качествами могут служить для декоративно-облицовочных целей.

Полимеры на основе КФС, получившие название "Мипора", используются в строительстве в качестве тепло- и звукоизоляционного материала, для изоляции хранилищ, холодильных установок, сосудов для перевозки жидкого кислорода, для заполнения пустотелых конструкций в транспортном машиностроении. Жидкий заливочный карбамидоформальдегидный пенопласт применяют для улучшения структуры почвы, борьбы с ветровой эрозией почвы (Энциклопедия полимеров, 1974). Их достоинствами являются: низкая плотность — 0,02 - 0,4 г/см3, негорючесть, высокие тепло- и звукоизоляционные

характеристики, устойчивость к действию агрессивных химических реагентов, гигроскопичность.

Однако, недостаток полученных продуктов — токсичность, связанная с выделением формальдегида при самопроизвольной деструкции отвержденной КФС (Hsiao S.-H., Villaume J.E., 1978; Lehmann W.F., Roffael E., 1992). Данный недостаток резко ограничивает области эксплуатации изделий из КФС. В исследованиях Meyer В.(1979) показано, что выделение формальдегида зависит от условий хранения материала. На открытом воздухе относительный показатель выделения формальдегида достигает максимума в начале срока хранения, а затем снижается. В закрытом помещении характер кривой изменения скорости выделения формальдегида более пологий.

Другими факторами, влияющими на выделение формальдегида, являются температура, относительная влажность воздуха, скорость воздухообмена, наличие химических поглотителей формальдегида, а также период с момента изготовления данного материала (Marutzky R., Mehlhorn L., May H.-A., 1980). По данным Cohn (1984) уровень выделения формальдегида сокращается в 4 раза за 3000 дней. В 1982 году в США Комиссия по защите прав потребителей (CPSC) запретила использование карбамидоформальдегидных пенопластов в офисных зданиях и школах. Позднее это решение было отменено Федеральным судом.

В связи с этим ведутся поиски замены токсичных пеноматериалов, а также замены КФС в клеевых составах, чтобы исключить контакт человека с продуктами деструкции КФС и полимеров на ее основе.

Биохимическая очистка сточных вод, основанная на процессах самоочищения водоемов, может проходить в искусственно созданных биохимических прудах, однако, такая очистка носит сезонный характер и имеет низкую скорость процесса самоочищения. Кроме того, нецелесообразно применять

биоочистку для стоков с концентрацией > 1 г/л, содержание взвешенных частиц должно быть не более 0,1 г/л, а общее солесодержание не выше 10 г/л (Acheson E.D. et all, 1984).

Выделены штаммы почвенных микроорганизмов, для которых формальдегид является единствен�