Эколого-агрохимическая оценка применения осадков сточных вод и компостов на основе коры и лигнина при выращивании сельскохозяйственных растений на дерново-подзолистой почве тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.04, кандидат биологических наук Андронова, Лариса Анатольевна

• Андронова, Лариса Анатольевна
• кандидат биологических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Андронова, Лариса Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Происхождение, свойства и утилизация осадков сточных вод.

1.2. Влияние ОСВ на питательный режим и свойства почв.

1.3. Влияние нетрадиционных органических удобрений на урожай и качество сельскохозяйственных культур.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Краткая характеристика отходов ЦБК Архангельской области.

2.2. Природные условия района исследований.

2.3. Условия проведения полевых опытов.

2.4. Вегетационный опыт.

2.5. Модельный эксперимент.

2.6. Лабораторные методы.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Влияние ОСВ и компостов на гумусное состояние почв.

3.2. Влияние ОСВ и компостов на кислотно-основные свойства почв.

3.3. Питательный режим почв при применении ОСВ и компостов.

3.4. Влияние ОСВ и компостов на содержание и биодоступность ТМ в почве.

3.5. Урожай и качество сельскохозяйственных культур при использовании ОСВ и компостов.

3.6. Влияние ОСВ и компостов на физико-химические свойства дерново-подзолистых почв Архангельской области, урожай и качество картофеля и однолетних трав.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эколого-агрохимическая оценка применения осадков сточных вод и компостов на основе коры и лигнина при выращивании сельскохозяйственных растений на дерново-подзолистой почве»

Однако наиболее экономически выгодным является использование ОСВ для удобрения сельскохозяйственных культур (Чен, 1987). При агрономической оценке ОСВ выделяют следующие этапы: отбор образцов, химический анализ, определение фитотоксичности и биоаккумуляции, анализ почвы, куда планируется внесение ОСВ, размер выноса питательных веществ урожаем растений, возможные размеры вымывания некоторых соединений (Geneviní, 1986). Несмотря на актуальность проблемы утилизации ОСВ, в настоящее время в качестве органического удобрения применяют не более 46% от общего количества отходов (Анализ существующего положения., 1989). Использование ОСВ в чистом виде или в виде компостов на их основе в качестве удобрений и почвоулучшителей является решением проблемы их утилизации, а также дефицита органических удобрений. В России в переработку идет не более 10% осадков. Его использование в качестве удобрения сдерживается из-за не разработанности технологий, нехватки оборудования, отсутствия приемлемой системы санитарного контроля, а также экономического механизма передачи переработанного осадка потребителям (Туровский, 1975).

В ОСВ обнаружены практически все элементы таблицы Менделеева, причем содержание любого из элементов может сильно колебаться -биофильных в десятки раз, а микроэлементы и тяжелые металлы в десятки тысяч раз. Это обусловливается составом сточных вод, который, в свою очередь, зависит от специфики промышленности данного района. Для ОСВ характерно непостоянство химического состава: содержание азота колеблется от 1 до 8%; фосфора - от 0.5 до 3%, углерода - от 17 до 40% (ваШих, 1982). Состав ОСВ зависит от проведенной обработки (Нописк, 1984).

В табл. 11.1 приводится химический состав и агрохимическая характеристика ОСВ крупных станций аэрации Подмосковья и Ленинградской области (Чеботарев, 1999).

Таблица 11.1

Агрохимическая характеристика осадка сточных вод (% на сухое вещество)

Станция аэрации Зольность N0611501 Р2О5 к2о

Курьяновская 64 2,5 1,6 0,3

Люберецкая 77 5,2 2,2 0,2

Серпуховская 53 1,2 1,7 ОД

Подольская 79 0,7 0,7 0,3

Орехово-Зуевская 56 0,4 0,6 0,1

Марушкинская 78 0,9 1Д 0,4

Павлово-Посадская 54 0,5 0,5 ОД

Шатурская 96 0,2 0,4 ОД

Звенигородская 50 0,7 - од

По содержанию азота, фосфора, кальция и микроэлементов ОСВ приравнивается к навозу или даже превосходит его, но уступает ему по содержанию калия (Brame et al., 1979; Lobnik et al., 1981). По данным исследований, проведенных в ФРГ (Debruk, Vomel, 1972), 100 м осадка по своему действию эквиваленты 30 тоннам навоза. В таком количестве осадка содержится кг: 100-300 N, 100-360 Р205, 125-300 Са и 15-20 К20.

Содержание углерода в ОСВ колеблется от 6,5 до 48% (среднее 26.532.5%). Качественный состав органического вещества 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) (Ломова, 1968). Все это обусловливает как всплеск микробиологической активности почвы при внесении в нее ОСВ, так и токсикоз почвы. Различные виды ОСВ содержат 2-5% подвижных гуминовых веществ, а отношение Сгк:Сфк колеблется в пределах 0,3-3,0 (Riffaldi et al., 1982).

Азот в ОСВ находится чаще всего в виде органических соединений, поскольку ОСВ содержит в большом количестве белковые вещества. ОСВ обладает более пролонгированным действием в отношении азота по сравнению с минеральными удобрениями (Оттабонг и др., 2001). По некоторым данным (Симаков и др., 1962; Синицын и др., 1978), на органический азот приходится 85-95% от общего; 95-99% минерального азота находится в нитратной форме. В процессе естественного подсушивания ОСВ и хранения происходит потеря их питательной ценности за счет минерализации органического вещества, улетучивания аммиачного и вымывания нитратного азота.

Содержание фосфора в ОСВ в среднем выше, чем в других видах органических удобрений, однако большая часть фосфора (50-80%) является практически недоступной для растений в первые годы после внесения ОСВ в почву. Усвояемость фосфора в значительной степени зависит от способа обработки илов. Данные О.С. Якименко и Э. Оттабонга (1998) свидетельствуют о том, что даже при сходных технологиях, применяемых на различных станциях очистки сточных вод, полученный ОСВ имеет неодинаковый химический состав, несмотря на близкие уровни общего содержания фосфора. Эффективность фосфора ОСВ, обработанных известью, сравнима с эффективностью монокальцийфосфата.

Калия в ОСВ содержится значительно меньше, чем в навозе. Это необходимо учитывать при сельскохозяйственном применении ОСВ для обеспечения сбалансированного питания растений.

Содержание кальция и магния в ОСВ выше, чем в традиционных органических удобрениях. Особенно велико содержание кальция при обработке ОСВ известью, но во время хранения ОСВ, вследствие вымывания потери кальция могут достигать 75%, магния - 80% и выше (Симаков и др., 1962).

Удобрительные свойства ОСВ зависят от технологии его переработки. В опытах Касатикова, Саркисяна (1988) наибольший эффект получен от термически высушенного осадка (ТВО), хотя содержание питательных веществ в нем ниже, чем в ОСВ. Обусловлено это, вероятно, различными физико-химическими свойствами изучаемых осадков. При производстве ТВО используется известковое молоко, поэтому в составе ТВО содержание СаО достигает 20% от массы зольной части.

Состав ОСВ непрерывно изменяется в процессе обработки. Например, если в сыром осадке содержится 3,22% общего азота и 0,07% подвижного азота (на сухую массу), то в сброженных осадках соответственно 3,07% и 0,27%), в подсушенных на иловых площадках - 2,26% и 0,50%, в термически высушенных - 1,68% и 0,84% (Левченко и др., 1974). Содержание отдельных элементов питания в осадке зависит от его влажности. По результатам опытов Центральной опытной станции ВИУА, осадки влажностью 97% содержат в 1,5 раза, влажностью 96% - в 2 раза больше питательных веществ, чем осадок 98%-ной влажности. Изменение влажности осадка на 1-2% увеличивает или уменьшает в нем содержание элементов питания в 1,5-2 раза (Мерзлая и др., 1995). Необходимо отметить, что содержание питательных веществ зависит от времени и условий хранения ОСВ, поскольку по мере их старения происходит минерализация.

Препятствием широкого применения ОСВ в сельском хозяйстве с санитарной точки зрения является наличие в нем токсичных элементов, в первую очередь тяжелых металлов (Catroux, 1982; Linssen, Ries, 1986; Witter et al, 1987). К сожалению, в настоящее время практически отсутствуют достоверные сведения о содержании ТМ в сточных водах и ОСВ целлюлозно-бумажных комбинатов. Имеющиеся данные относятся в основном к ОСВ бытовых сточных вод и другим видам производств (табл. 11.2). Вместе с тем, эти сведения могут представлять определенный интерес. Причиной наличия в составе ОСВ ТМ может быть как применение специальных реагентов в ходе технологического процесса производства целлюлозы, так и коррозия технологического оборудования под действием растворов кислот, применяемых в производстве (Садовникова и др., 1993). ОСВ могут содержать относительно большое количество таких металлов, как Cd, Со, Cr, Си, Hg, Ni, Pb и Zn (Kirkham, 1981; Cappon, 1984). ТМ находятся во всех фракциях вещества ОСВ, которое можно разделить по плотности: от <0.7 г/см (органические и органоминеральные рентген аморфные вещества) до >3.3 г/см (кристаллы минералов). В ОСВ обнаружены следующие минералы: кварц, полевой шпат, слюда, тальк, каолинит, кальцит, гипс, доломит, барит, сфалерит и халькопирит (Essington, 1990). Набор минералов зависит от геологических особенностей данного региона, набора используемых в быту на производстве при очистке сточных вод минералов (гипс, мел, кальцит, асбест, тальк, кремний, глины). Хотя основная часть ТМ в ОСВ связана с органическим веществом, однако, наиболыпе содержание на единицу веса обнаруживается в сверхтяжелой (>3.3 г/см) фракции - в кристаллах минералов. В отходах керамического производства свинец связан с кремнием. Однако, свинецсодержащие силикаты нестабильны и в ОСВ свинец переходит в форму карбонатов и фосфатов.

Таблица 11.2

Содержание тяжелых металлов в ОСВ станций аэрации (мг/кг сухого вещества) (Чеботарев, 1999).

Станция аэрации Си Сг № Мп Сё РЬ 2п

Курьяновская 450 780 190 1650 70 70 2100

Люберецкая 1110 790 230 1860 116 131 3100

Серпуховская 1113 640 360 472 . 69 53 2650

Подольская 790 395 306 482 36 31 948

Орехово-Зуевская 1624 1176 241 560 179 134 1120

Марушкинская 265 156 47 936 2 86 1014

Павлово-Посадская 259 140 216 1620 2 38 486

Шатурская 38 47 19 57 1 47 81

Звенигородская 550 365 45 165 2 80 1600

Сестрорецк 158 670 50 1900 - - 1150

Кингисепп 182 - 23 191 - - 600

Луга 151 3046 20 370 - 7 - 538

Тихвин 143 2333 18 709 4 134 1806

Сё, Си, РЬ, №, Ъ\ осаждаются в виде сульфидов при анаэробной обработке ОСВ. Сг осаждается в виде Сг(ОН), а точнее, в виде СгООН и СгО (подобно гетиту и гепатиту). Также обнаружены следующие ассоциаты элементов: Сг-Ре, гп-Бп, Сг-2п-Ре, 8п-Ре-Си-2п, \V-Se (Езвш^оп, Mattiogod, 1990). В состав ТМ входят элементы, необходимые для роста растений (Си, Мп, Zn), отрицательное влияние которых на растения проявляется только при внесении в почву в избыточном количестве (Алексеев, 1987).

Для нормирования поступления ТМ в почву с ОСВ во многих странах установлены определенные ограничения на их содержание (табл. 11.3).

Таблица 11.3

Требования к содержанию металлов в ОСВ, используемых для удобрения не более мг/кг сухого вещества) (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989 г.)

Страна Со Аэ Си Zn РЬ Сг Сс1 нд

США — 150 — 750 1500 500 500 50 —

Франция 20 100 — 1500 3000 300 200 15 8

ФРГ — 200 — 1200 3000 1200 1200 20 20

Нидерланды — 50 — 500 2000 500 500 10 10

Австрия — — 100 500 2000 100 — ■ — 10

Швейцария 100 200 — 100 3000 1000 1000 30 10

ОСВ целлюлозно-бумажной промышленности в значительной степени представлен веществами фенольной природы - лигносульфонатами, лигнином и продуктами их деполимеризации. Многие фенольные соединения (ФС) являются физиологически активными веществами и могут оказывать как стимулирующее, так и ингибирующее влияние в зависимости от концентрации, химической природы и вида растения. Токсичность чаще проявляется в плохо аэрируемых и тяжелых почвах (Емцев и др., 1981).

В нашей стране принят ряд документов для нормирования содержания загрязнителей в почве и растениях. ОСВ должны соответствовать нормативным требованиям, разработанным Минздравом СССР и Минжилкомхозом РСФСР (СанПин 2.1.7.573-96) (табл. 11.4).

Таблица 11.4 Нормативные требования к осадкам сточных вод.

Показатель Норма Метод

Влага, % не более 82 ГОСТ 26713-86

Органическое вещество, % на сухой продукт, не менее 20 ГОСТ 26714-85

Кислотность, рН (КС1) 5,5-8,5 Установленная техническая документация

Валовое содержание

Свинец, мг/кг не более 1000 Атомно-абсорбционный метод

Мышьяк, мг/кг не более 20 Атомно-абсорбционный метод

Ртуть, мг/кг не более 15 Атомно-абсорбционный метод

Кадмий, мг/кг не более 30 Атомно-абсорбционный метод

Никель, мг/кг не более 400 Атомно-абсорбционный метод

Хром, мг/кг не более 1200 Атомно-абсорбционный метод

Марганец, мг/кг не более 2000 Атомно-абсорбционный метод

Цинк, мг/кг не более 4000 Атомно-абсорбционный метод

Медь, мг/кг не более 1500 Атомно-абсорбционный метод

Колититр, г не менее 0,01 Оценочные показатели санит. состояния почвы населенных мест№ 173/9-77, М., 1977

Яйца гельминтов (жизнеспособные), шт 0 Оценочные показатели сан. состояния почвы населенных мест № 173/9-77, М., 1977

Патогенные энтеробактерии, клеток (по эпидпоказаниям) 0 Оценочные показатели санит. сост. почвы населенных мест № 173/9-77, М., 1977

Безусловно, ОСВ представляет собой сложную многокомпонентную систему, причем очевидно наличие двух противоречивых составляющих. С одной стороны, ОСВ содержит большое количество органического вещества и практически полный набор питательных элементов, но с другой стороны, наличие в ОСВ ТМ в виде разнообразных органоминеральных и минеральных соединений, как водорастворимой, так и неполярной природы в сочетании со способностью почвы накапливать ТМ в потенциально подвижных и доступных растениям формах может привести к опасности применения ОСВ в качестве органического удобрения.

1.2. Влияние ОСВ на питательный режим и свойства почв

ОСВ способствуют повышению плодородия почвы благодаря обогащению ее органическим веществом и питательными элементами. Улучшение агрохимических свойств почвы при использовании ОСВ и компостов на его основе отмечалось во многих исследованиях (Никушина, Шурина, 1988; Синицын и др, 1979; Калина, 1982; Захаров, 1983; Ефимов и др., 1984).

Сырой осадок можно применять на рекультивируемых участках, на лесных культурах, на землях, вышедших из сельскохозяйственного пользования. ОСВ пригодны для удобрения любых сельскохозяйственных культур, однако выгоднее использовать их под сахарную и кормовую свеклу, кукурузу на силос и под овощные культуры (Оепеуин et а1., 1986).

Для внесения твердых и жидких осадков применяют машины и технологии, разработанные для применения соответственно твердых и жидких органических удобрений (Попов и др. 1988). Осадок вносят на поля непосредственно перед вспашкой. Внесение ОСВ или компостов на их основе не исключает возможности применения других органических и минеральных удобрений под сельскохозяйственные культуры в соответствии с региональными технологиями их возделывания, но при этом должно учитываться количество элементов, поступающих в почву с осадками. Особенно необходимо обратить внимание на поступление в почву фосфора, ввиду значительных концентраций его во многих видах осадков (Dies,

Weigelt, 1980).