Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Эколого-биологическая оценка использования осадков сточных вод в качестве удобрения

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Юмвихозе, Эммануэль, Москва

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОВОВЕДЕНИЯ

на правах рукописи

ЮМВИХОЗЕ ЭММАНУЭЛЬ

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД В КАЧЕСТВЕ УДОБРЕНИЯ.

Специальность /06.01.04 - Агрохимия/

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: Академик РАСХН, профессор Минеев В.Г.

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ 4

2. УДОБРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД 7 (литературный обзор)

2.1. Удобрения на основе осадков сточных вод. 7

2.2. Классификационное деление осадков городских сточных вод. 9

2.3. Взаимодействие ОСВ с почвой. 16

2.3.1. Цинк. 18

2.3.2. Кадмий. 19

2.3.3. Хром. 19

2.3.4. Никель. 20

2.4. Методы оценки подвижности тяжелых металлов в почве. 20

2.5. Регламентирование использования отходов производства и 26 коммунального хозяйства на удобрения.

2.6. Тяжелые металлы в системе почва-растение при применении 31 осадков сточных вод.

2.7. Влияние ОСВ и извести на микробное сообщество почвы. 37

2.7.1. Загрязнение ТМ и микробное сообщество почвы. 37

2.7.2. Влияние агрохимических средств на почвенную биоту. 43

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. 46

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 54 4.1. Влияние ОСВ и извести на физико-химические свойства почвы. 54

-34.2. Влияние ОСВ и извести на содержание и подвижность тяжелых 61 металлов в почве.

4.2.1. Цинк. 61

4.2.2. Кадмий. 68

4.2.3. Хром. 73

4.2.4. Никель. 77

4.2.5. Свинец. 82 4.3. Влияние ОСВ и извести на урожай растений ячменя и овса. 85 4.4 Влияние ОСВ и извести на качество овса и ячменя. 87

4.5. Влияние ОСВ и извести на поступление ТМ в растении ячменя 89 и овса.

4.5.1. Цинк. 90

4.5.2. Кадмий. 91

4.5.3. Никель. 93

4.5.4. Хром. 94

4.5.5. Свинец. 95

4.6. Влияние ОСВ и извести на микробоценоз почвы. 96

5. ВЫВОДЫ 104

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106 ПРИЛОЖЕНИЕ 119

1. ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Проблема утилизации осадков сточных вод (ОСВ) - продукта очистки сточных вод коммунального хозяйства и промышленности остро стоит в России и за рубежом. Утилизация ОСВ несколько десятилетий назад осуществлялась просто механическим удалением в окружающую среду без какой-либо предварительной обработки. С ростом городов, усилением промышленного производства, безусловно, увеличиваются объемы и уровень токсичности образующихся отходов, поэтому строительство очистных сооружений в последние два десятилетия приобрело массовый характер. Однако, решая задачи по очистке стоков, неизбежно возникает проблема утилизации образующихся осадков.

Осадки сточных вод имеют сложный полиэлементный состав со значительным содержанием органического вещества, азота и зольных элементов, и в том числе фосфора и калия. Это обусловливает их широкое использование в качестве нетрадиционных органических удобрений в сельском хозяйстве. Однако, при использовании ОСВ в качестве органических удобрений происходит загрязнение почвы тяжелыми металлами. Вызывает тревогу и судьба большого количество неспецифической, часто патогенной микрофлоры, попадающей в почву с этим удобрением (van Staa; 1991). Сами ОСВ в силу их загрязненности ТМ могут оказывать негативное влияние на почвенную микрофлору (McGrath, Brookes , Giller , 1987г.). Невозможность очистки ОСВ от ТМ поставило на повестку дня необходимость исследований поведения ТМ осадков в почве (степень подвижности, доступность растениям, сорбция, образование металлорганических соединений, влияние на почвенную биоту). Установлено, что почвы обладают существенными

протекторными свойствами и могут закреплять в недоступных для растений формах поступающие в почву ТМ. Эта способность зависит от ее агрохимических характеристик: при более оптимальных для растений параметрах плодородия почвы лучше иммобилизуют ТМ. Однако часть ТМ, попавших в почву с ОСВ, все же переходит в доступные для растений формы. Чтобы правильно охарактеризовать возможность загрязнения растительной продукции необходим набор надежных критериев. Системы современных классификаций и ПДК разработана без учета некоторых индивидуальных особенностей почв и не может дать надежную гарантию при выращивании растительной продукции. Только их опробывание в конкретных почвенно-климатических условиях с определенным набором культур позволит определить те уровни загрязнения почвы, которые не приводят к загрязнению продукции выше допустимых санитарно-гигиенических норм.

Для того, чтобы сформировать представление о состоянии микробоценоза, складывающегося в почве при внесении ОСВ необходимо дать его количественную оценку, проследить динамику численности популяции во времени.

Для рекультивации почв, уже загрязненных ТМ используются такие агроприемы как известкование, однако трансформация ТМ в почве при ежегодном внесении ОСВ на произвесткованных почвах изучено весьма недостаточно. Остается неясным возможно ли подобрать культуры, возделывание которых на загрязненных почвах, мелиорированных известью, позволило бы получить экологически чистую продукцию.

Научная новизна:

Научной новизной работы является выявление особенностей мелиорирующего действия извести на почвах ежегодно удобряющихся

осадком сточных вод высокой степени загрязнения. С одной стороны, известь способствует снижению миграции органического вещества ОСВ в нижележащие горизонты, то есть блокирует естественный процесс самоочищения почв, а с другой стороны, за счет изменения кислотно-основных свойств почв и изменения сорбционного равновесия увеличивает подвижность ряда элементов-загрязнителей, что приводит к последующему увеличению поступления их в растительную продукцию. Микробиота - неотъемлемая часть агроэкосистемы обладает высокой устойчивостью к полиметаллическому загрязнению почв. Известь, в свою очередь, может существенно изменять микробоценоз в сторону уменьшения или увеличения численности отдельных его представителей.

Цель работы:

Целью работы являлось изучение влияние длительного применения ОСВ и извести на экологическую ситуацию в агроценозе. В связи с этом решались задачи изучения влияния ОСВ и извести: -на агрохимические свойства почв, -на содержание и подвижность ТМ в почве.

-на величину урожая ячменя и овса и его качество, а также на структуру микробного сообщества почвы.

Прикладное значение:

По результатам исследования была дана комплексная эколого-биологическая и агрохимическая оценка ОСВ как нетрадиционного агрохимического средства, используемого для повышения плодородия почвы и продуктивности сельскохозяйственных культур.

2. УДОБРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД.

(обзор литературы)

2.1. Происхождение осадков сточных вод.

Осадок сточных вод (ОСВ) образуется в качестве продукта очистки сточных вод. Сточные воды поступают в отстойники, где происходит осаждение большей части грубых взвесей. Осадок уплотняется и обезвоживается, жидкая фаза поступает в аэротенки -открытые корытообразные емкости, где происходит биологическая очистка. В ходе биологической очистки сточные воды обогащаются микрофлорой, а также необходимыми для ее жизнедеятельности веществами. Процесс проходит в аэробных условиях. В результате метаболизма микроорганизмов, растворенные в воде органические вещества переходят во взвешенной состояние и образуется активный ни (АИ). Из-за сильного размножения микроорганизмов количество АИ непрерывно увеличивается, избыточный АИ коагулируют добавлением Са(ОН)2 или FeCb. После осаждения, АИ уплотняется и обезвоживается в вакууме, затем складируется в отвалах (Абрамов A.B., Чупракова В.А. 1976). Обезвоженные свежие отходы имеют влажность 35-40%, выход ОСВ и АИ составляет 180 тонн в сутки по абсолютно сухому веществу (Карпухин В. Ф. 1974).

Необходимость в очистке сточных вод, промышленных канализационных стоков и дренажных вод, возникла из-за превышения их объема по сравнению с тем, после которого естественные экосистемы уже не справляются с переработкой, компонентов сточных вод, 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. Для снижения концентрации загрязняющих осадок веществ и для дезодорации

отличные результаты дает перемешивание его с торфом при соотношении масс 1:1. Другим перспективным способом получения органического удобрения из осадка сточных вод является приготовление землерастительного компоста. Технология его приготовление предусматривает внесение больших количеств осадка с заделкой его в почву тяжелыми дисковыми боронами или фрезами, посев сидеральной культуры, развивающей большую вегетативную массу, заделку измельченной зеленой массы сидерата в верхний слой похотного горизонта и сгребание его бурты с помощью бульдозера (Минеев В.Г., 1990). Бурты выдерживают в поле несколько месяцев для полного разложения растительных остатков и используют полученный грунт в качестве удобрения. Для предотвращения биологического загрязнения необходимо проводить обеззараживание осадка физическими, химическими и биологическими приемами. Для этих целей имеются: Термическая обработка до температур, обеспечивающих гибель яиц гельминтов и подавление микрофлоры, химическая обработка специальными пестицидами или веществами, позволяющими существенно повысить щелочность среды - негашеная известь, аммиак и др., биотермическое обеззараживание в процессе компостирования (Алексеев Ю.В., 1997).

Компостирование - разложение органического вещества с помощью микроорганизмов. При этом процессе температура достигает 80 градусов. В первой фазе этого процесса размножаются мезофильные организмы, во второй фазе органическое вещество продолжает разрушаться термофильными бактериями. Согласно Jager (1981) для оптимального протекания этого процесса должны соблюдаться следующие условия:

- высокое содержание органического вещества

- соотношение C:N равно 20-25

- нейтральное значение рН

- высокое содержание активных микроорганизмов

- влажность 50-60%

- равномерное снабжение кислородом.

В ряде стран ведутся активные исследования по совершенствованию способов очистки и компостировании осадка с различными отходами. Там широко распространены компостирования в биореакторах. При этом из осадка получают удобрения, отвечающие санитарно гигиеническим требованиям. Термическая сушка (при температуре 600800 градусов), обеспечивающая высокую эффективность, требует больших затрат энергии. В настоящее время усиленно внедряется термофильное сбраживание (при температуре 60°С) в аэробных условиях (Туровский, 1975).

Широкое распространение получает компостирование осадка с торфом, оно проводится как в полевых условиях, так и на промышленных установках.

Схема обработки осадка в общем виде включает следующие этапы:

1. Уплотнение;

2. Стабилизация органической части осадка;

3. Кондиционирование;

4. Обезвоживание;

5. Утилизация ценных продуктов или ликвидация осадков.

2.2. Классификационное деление осадков городских сточных вод.

В зависимости от способа обработки сточных вод различают несколько видов осадков: сырой осадок, выпадающий в первичных отстойниках очистных сооружений. Сырой осадок - водная суспензия с концентрацией полидисперсной твердой фазы 0.5-1%, в которой содержится от 0 до 90% органических веществ. Он имеет вид

студенистой вязкой массы темно-серого цвета. Сырой осадок небезопасен с санитарно-гигиеническом точке зрения. -Избыточный активный ил, образующийся в результате биологической очистки.

-Сброженный осадок, - продукт анаэробного сбраживания осадка из первичных отстойников и АИ из вторичных отстойников в мезофильных (32°С) и термофильных (52°С) условиях.

АИ - представляет собой массу темного цвета, частицы размером более 1 мм. В свежем виде активный ил почти не имеет запах или пахнет землей. Но загнивая дает специфический гнилостный запах. По механическом составу, активный ил относится к суспензиям состоящим на 90% по массе, из частиц размерами меньше 1мм., образующихся в процессе биологической очистки сточные воды. Физические свойства АИ сильно меняются в зависимости от влажности, в свою очереди влажность илов зависит от способа сушки и условий хранения. АИ отличается высокой влажностью 99.2-99.7%. После отстойников - уплотнителей влажность уменьшается чаще всего до 98%, а при флотационном уплотнении - до 97-96%, в термогравитационных уплотнителях до 9596%. в других специальных уплотнителях влажность активного ила может быть снижена до 90%. Так при влажности 88-91% ил характеризуется сметанообразной консистенцией. При влажности 85-87% и ниже АИ имеет вид влажной почвы.

В осадке сточных вод обнаружены практически все элементы таблицы Менделеева (табл. 1). Причем содержание любого из элементов может сильно колебаться - биофильных в десятки раз, а микроэлементы и тяжелые металлы в десятки тысяч раз (от долей мг/кг до десятых долей процента). Это обусловливается составом сточных вод, который, в свою очередь, зависит от специфики промышленности данного района.

Таблица 1.

Содержание наиболее существенных элементов в ОСВ (Сшстай, 1983).

Элемент Разброс Медиана Мода Элемент Разброс Медиана Мода

В процентах.

Сорг. 6,5-48 30.0 31.0 № 0.01-3.1 0.24 0.57

0.1-17.6 3.9 3.9 Са 0.1-25 3.9 4.9

КН^-К 5-67600 920 6540 м§ 0.03-1.97 0.45 0.54

ЖЬТЯ <0.1-14.3 140 490 Ва <0.1-0.9 0.02 0.08

Рвал <0.1-14.3 2.3 0.5 Бе <0.1-15.3 1.1 1.3

0.6-1.5 1.1 1.1 А1 0.1-13.5 0.4 1.2

К 0.02-2.64 0.30 0.40

вмг/кг

РЬ 13-19700 500 1360 Мп 18-7100 260 380

Хп 101-27800 1740 2790 В 4-760 33 77

Си 84-10400 850 1210 Аб 6-230 10 43

№ 2-3520 82 320 Со 1-18 4 5.3

Сс! 3-3410 16 110 Мо 5-39 30 28

Сг 1099000 890 2620 0.2-10600 5 733

Примечание: распределение исходных данных является лог-нормальным поэтому наряду с арифметической средней (модой) приведено и геометрическое среднее (медиана).

Содержание углерода в ОСВ колеблется от 6,5 до 48% (среднее 26.5-32.5%). Качественный состав углерода ОСВ разнообразен: микробные клетки и продукты их разложения, целлюлоза, хитин, гуминоподобные вещества, лигнин, химические соединения идущие с канализационным стоком (белки, полисахариды, жирные кислоты, масла, нефтепродукты и отходы органического синтеза); соединения, образующиеся в процессе обработки сточных вод и хранения ОСВ (соединения, являющиеся продуктом жизнедеятельности микробной

массы, фталовые сложные эфиры, воска и смолы, полиспирты и полисахара, аминокислоты, бензоидные структуры). Все это обусловливает как всплеск микробиологической активности почвы при внесении в нее ОСВ, так и токсикоз почвы.

Органическое вещество ОСВ, как и другие органические удобрения, можно разделить на фракции гуминоподобных и фульвоподобных кислоторганических веществ (Boyd S.A., 1979., Deiana S., 1990., Lindsay W.L., 1978., Sposito G., 1979). Фракции ГК и ФК в ОСВ отличаются от истинных ГК и ФК почвы. В таблице 2 приведены данные по содержанию основных элементов в ФК ОСВ и почвы.

Таблица 2

Элементный состав ФК ОСВ и почвы, в % (Sposito G., 1979).

Элемент ОСВ Почва

Углерод 30-47 40-55

Водород 5.2-7.2 1.5-7.0

Азот 1.8-3.7 0.7-3.5

Кислород 36-51 39-50

Сера 4.5-11.6 0.1-1.7

В фульвокислотах ОСВ по сравнению с таковыми почвы резко увеличено содержание серы. Это обусловлено повышенным содержанием таких соединений как органические сульфоновые сложные эфиры, образующиеся в процессе анаэробного брожения ОСВ, серосодержащие аминокислоты, частично разрушенные линейные алькибензольные сульфонаты (детергенты), сульфонатные кислые полисахариды и неорганические сульфаты, ассоциированные с ФК. ФК ОСВ по структуре более ароматичны, и содержат большое количество сульфоновых S03H - групп (Sposito G. And all., 1979). Что касается гуминоподобная фракция ОСВ по сравнению с обычными гуминовыми

кислотами почвы имеют более низкое отношение С/Н, повышенное содержание N, более низкую общую кислотность, меньщее содержание карбоксильных групп, более низкую адсорбционную способность. ГК ОСВ более алифатичны, чем ГК почвы (Deiana S., С. Gersa, В. Manuza, R. Rausa and R. Seeber, 1990).

Азот органической части связан с твердой фазой ОСВ, неорганический азот (нитратный и аммиачный) является водорастворимым. ОСВ содержит 1-10% органического азота, в основном, это аминокислоты, гексозамины и амиды. В составе неорганического азота до 90% представлено аммонийной формой. Это связано с преимущественно анаэробным состоянием ОСВ. В совокупности аммонийная и нитратная формы азота составляют 25-50% от общего азота. Однако при хранении ОСВ на иловых площадках и компостировании аммиачный азот улетучивается, а нитратный уходит с дренажными водами, поэтому в итоге старые ОСВ, содержат чрезвычайно малое количество неорганического азота (менее 1%).

Содержание фосфора в АИ в средним выше, чем в других видах органических удобрении. Однако большая часть фосфора (50-80%) практически недоступно дня растении по крайней мере, в первые год после внесения ила в почву. Илы, обработ