ВЫВОДЫ

1. Химический состав осадков сточных вод не стабилен. ОСВ очистных сооружений г.Курска содержит широкий набор макро- и микроэлементов, включая тяжелые металлы. Содержание общего азота в них колеблется в пределах 1,0 – 1,34%, фосфора – 0,21-0,23% и калия – 0,32-0,36%. В ОСВ обнаруживается особо контролируемые ионы металлов: свинца, хрома, кадмия, ртути и другие.

По своему химическому составу ОСВ г.Курска вполне пригоден в качестве местного органо-минерального удобрения.

2. Осадки сточных вод обладают высокой удобрительной ценностью. Определено, что в условиях вегетационного опыта на темно-серой лесной почве значительно увеличивается урожайность сельскохозяйственных культур. Прибавка урожая озимой пшеницы составила 27,0-32,6 ц/га, кукурузы 60-185 ц/га.

3. Осадки сточных вод способствуют повышению концентрации ионов Cl^-, SO₄^2-, Ca²⁺. Эти изменения как в качественном, так и в количественном отношении (увеличивается масса сухого остатка водной вытяжки) близки к эффекту при внесении навоза.

4. Осадки сточных вод положительно влияют на физические свойства почвы, в том числе на влагоемкость. Существенно возрастает в почве количество общего азота.

5. Осадки сточных вод повышают кустистость, количество и крупность зерен злаковых культур, другие показатели структурного анализа растений.

6. Нормированное внесение ОСВ в почву не повышает в растениях уровень концентрации ионов тяжелых металлов выше ПДК, их содержание находится в пределах норм, предусмотренных для сельскохозяйственных культур в животноводстве.

7. Под влиянием ОСВ не снижается качество зерна озимой пшеницы. Повышается количество сырой клейковины на 11,1 – 13,6%.

8. Наибольший биоэнергетический и экономический эффект от внесения ОСВ обеспечивается при возделывании пропашных культур (кукуруза и др). Высокое количество биоэнергии получено при использовании ОСВ совместно с известью и минеральными удобрениями.

9. Научно обоснованный возврат органического вещества, других элементов питания, содержащихся в осадках сточных вод, в биологический круговорот способствует повышению плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных культур и оздоровлению окружающей природной среды.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Осадки сточных вод г.Курска следует использовать в качестве органо-минерального удобрения в дозах от 20 до 40 т/га при влажности 50%.

Дозы ОСВ устанавливаются дифференцированно, в зависимости от типа почв, степени их окультуренности и обеспечения элементами питания возделываемых сельскохозяйственных культур, с учетом в каждом конкретном случае содержания тяжелых металлов в почве и в используемых осадках сточных вод с тем, чтобы количество особо контролируемых элементов не превышало ПДК как в почве, так и в выращиваемых растениях.

2. Внесение осуществлять не чаще одного раза в 5 лет под основную обработку почвы или под зяблевую вспашку, преимущественно под зерновые, технические и кормовые культуры (кукурузу и др).

На правах рукописи

БОГАТЫРЕВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД В КАЧЕСТВЕ УДОБРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КУРСКОЙ ОБЛАСТИ

11.00.11. – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель:

Заслуженный работник высшей школы РФ,

член-корреспондент РАЕН и РЭА,

доктор химических наук,

профессор

Жукова Людмила Алексеевна

Курск – 1999

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. С ростом численности населения возрастают масштабы производственной деятельности, поэтому проблема оптимизации взаимодействия человека и природы является актуальной и решение ее имеет большое значение в улучшении окружающей среды.

Интенсификация земледелия и недостаточное внесение в почву органического вещества приводят к излишней минерализации гумуса – основного носителя плодородия. К примеру, за последние 2-3 десятилетия содержания 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 раза выше.

Снижение плодородия почв характерно и для Курской области.

В 1985 г. в Российской Федерации внесено 457 млн.т органических удобрений включая ОСВ, в 1990 г. – 575 млн.т, а к 1995 г. эта цифра должна была увеличиться до 697 млн.т.

Согласно расчетам научных утверждений, даже такой рост внесения органики не в состоянии обеспечить бездефицитный баланс гумуса в почвах. Отсюда возникает острая необходимость максимального увеличения производства всех видов органических удобрений, в том числе нетрадиционных.

Ежегодно в нашей стране только в животноводстве накапливается около 1,0 куб.км сточных вод. В них содержится 4,5 млн.т. азота, 100 тыс.т фосфора, 700 тыс.т калия. Используя лишь животноводческие сточные воды для улучшения возделывания сельскохозяйственных культур, можно получить в пересчете на зерно дополнительный урожай свыше 7 млн.т зерна.

Наряду с применением в качестве удобрений навоза, навозной жижи, птичьего помета, компостов, соломы, опилков, лесного опада, зеленых растений, сапропеля, большой интерес представляет использование в качестве местного удобрения канализационного ила – осадка сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений (ГОС). По ориентировочной оценке общее количество ОСВ на станциях России в 1995 году составило свыше 10 млн.т по сухому веществу. Из существующих методов утилизации осадков наиболее надежным и экологически выгодным является метод почвенного удаления. Выявлено, что 10 млн.т осадков сточных вод по содержанию сухого вещества, основных элементов питания и удобрительной ценности равноценны примерно 50 млн.т навоза. Использование части ОСВ на удобрения позволит сохранить значительное количество минеральных туков, уменьшит дефицит гумуса.

Из литературных данных следует, что в большинстве случаев по удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу. Основные технические и технологические проблемы использования остаточных илов прямо связаны с сельским хозяйством. Правильное применение ОСВ позволит повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечит охрану окружающей среды. Осадки сточных вод 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. Илы 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 растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и безвредность продуктов мало изучено. Следовательно, для оптимального решения данного вопроса имеется ряд трудностей и много еще неразрешенных задач.

Для правильного использования осадков городских сточных вод в качестве удобрений, необходимо в каждом конкретном регионе организовать всестороннее изучение их химического состава, определить влияние ОСВ на плодородие почв, урожай и качество сельскохозяйственных культур.

В настоящее время в России имеется мало данных по рассматриваемым вопросам.

Разработка научных основ применения ОСВ в качестве удобрений, возврат элементов питания, в основном, естественного происхождения, в почвенную среду и в итоге оздоровление природы – главная цель наших исследований.

Цель исследований. Выявление возможности использования осадков городских сточных вод в качестве удобрения и получения экологически чистой растениеводческой продукции в Центральном Черноземье является целью исследований.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• изучить химический состав осадка сточных вод очистных сооружений г.Курска;

• выявить удобрительную ценность ОСВ и определить его влияние на показатели роста растений в зависимости от периодичности внесения и вида культур звена севооборота;

• изучить характер изменения микроэлементного состава почвы и растений под влиянием ОСВ и минеральных удобрений;

Основные положения, выносимые на защиту:

• осадок сточных вод как источник органо-минеральных веществ с широким спектром макро-микроэлементов;

• повышение плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных культур и их характеристик при использовании осадков городских сточных вод;

• санитарная чистота сельскохозяйственной продукции и оздоровление окружающей природной среды.

Научная новизна. Впервые изучен химический состав ОСВ Курских городских очистных сооружений. Разработаны научно-практические основы обеззараживания и применения его в качестве удобрения. Изучено влияние ОСВ на агрохимические свойства почвы, рост, урожай и качество различных сельскохозяйственных культур, выращенных в условиях полевых опытов. Выявлена их положительная роль в обогащении почвы органическими веществами, элементами питания растений, определены оптимальные дозы их применения в качестве удобрений.

Практическая ценность работы. Работа имеет практическую ценность. Так местный ОСВ обладает высокой удобрительной эффективностью при внесении его один раз в пять лет в дозе до 20…40 т/га сухого вещества. Разработанные рекомендации по применению ОСВ в качестве удобрения с учетом природоохранительных требований могут быть использованы в хозяйствах Центрального Черноземья.

Апробация работы. Результаты научных исследований использованы при подготовке трех научных статей, которые докладывались на научных конференциях Курской ГСХА 1997-1999 г.г.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, заслуженному работнику высшей школы РФ, член-корреспонденту РАЕН и РЭА, доктору химических наук, профессору Жуковой Людмиле Алексеевне, а также сотрудникам кафедры «Неорганической и аналитической химии», Курской государственной сельскохозяйственной академии за оказанную помощь при выполнении кандидатской диссертации и поддержку.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и предложений производству. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, включает 20 таблиц, 26 рисунков и приложения на 25 страницах. Список основной литературы включает 160 наименований, в том числе 31 зарубежных авторов.

Глава 1. Проблема утилизации осадков сточных вод очистных сооружений и пути ее решения на современном этапе (краткий обзор литературы)

Многосторонняя хозяйственная деятельность человеческого общества, вооруженного сложной техникой, ныне охватывает практически всю атмосферу, сушу и океан и вносит значительные количественные и качественные изменения в биологические циклы движения элементов в биосфере, поставив под угрозу ее бесперебойное функционирование и существование самого человека. Например, такие компоненты как мусор, отходы, отбросы в мировом масштабе накапливаются, как отмечает В.А. Ковда (1985), в объеме свыше 20х10⁹т в год. С ростом численности населения планеты, развитием научно-технического прогресса, интенсифицирующего любой труд, степень воздействия человеческого общества на биосферу в принципе будет возрастать.

С одной стороны, все больше добывается полезных ископаемых, заготавливается растительной и животной продукции, используется природных вод для производственных, жилищно-бытовых и сельскохозяйственных целей, вовлекаются в сельскохозяйственный оборот новые площади мелиорированных земель, строится городов и населенных пунктов, производственных помещений и т.д., а с другой стороны, хозяйственная деятельность человечества сопровождается накоплением различного рода отходов производства, городского коммунального хозяйства, которые загрязняют природную среду.

Вот почему с особой актуальностью встает задача утилизации возрастающего количества отходов промышленности и городского коммунального хозяйства.

1.1. Утилизация осадков городских сточных вод

Отходы городского коммунального хозяйства, в том числе и осадки сточных вод (ОСВ) в крупных городах и населенных пунктах порождают массу проблем в связи с их утилизацией.

Существует ряд способов утилизации ОСВ: сбрасывание в моря и океаны, сжигание, захоронение в почвенной среде, обезвреживание и использование в качестве органических удобрений, как добавка при приготовлении различных компостов и т.д. ( Александровская З.И. и др., 1977).В Японии, например, уже в 1981г. в эксплуатации находилось около 500 установок конечной переработки и за год перерабатывалось около 65х10⁸ м³ сточных вод, при этом количество полученного ила составило около 24х10⁵ м³. Они состоят на 80% из обезвоженного брикета, на 11% из пепла сжигания (пепла, получаемого в результате сжигания после обезвоживания) и других отходов (сухой или дигерированный ил) в количестве 9%.Указанные отходы ( 42% ) захоронивают в землю, сбрасывают в море ( 36%), в объеме 15% эффективно используют. Из эффективно используемых отходов 93% приходится на улучшение лугопастбищных и сельскохозяйственных земель. Главный упор делается на применение канализационного ила в качестве удобрений ( Фудзии К., 1984).

Имеются способы утилизации ОСВ посредством их размещения в воздухе.

Однако в данной среде можно разместить лишь воду, которая содержится в ОСВ, а также органические вещества, превращенные в углекислый газ и азотистые соединения. Остальная часть, а именно зола, если речь идет о сжигании, в большинстве случаев остается в почве. Следовательно, почва остается средой наиболее широко используемой для размещения ОСВ в форме накопления в определенных местах больших объемов ила или же использования их в качестве органического удобрения, модификатора почв (Вермиш Л., 1978).

Компостирование бытового мусора и осадка сточных вод за рубежом рассматривается как важный элемент стратегии повторного использования отходов. При этом решаются две задачи: во-первых, избавляются от отходов, создающих угрозу загрязнения окружающей среды, во-вторых, расширяют производство органических удобрений, потребность в которых очень велика.

Наиболее широко указанный способ переработки отходов применяется в густонаселенных развитых странах, где остро стоят проблемы охраны окружающей среды и ощущается дефицит природных ресурсов. Так, в Нидерландах перерабатывается на компост 30-40% бытовых отходов, в Австрии и Бельгии около 25%, во Франции 8% ( Покровская С.Ф., 1990).

Исследования показали, что добавление осадка при компостировании отходов создает условия для разложения целлюлозосоставляющих компонентов отходов, в частности позволяет компостировать мусор, содержащий большое количество бумаги. На некоторых компостирующих заводах США благодаря добавлению осадка сточных вод удается перерабатывать на компост отходы, содержащие до 90% бумаги (Mayer J.G.,1972). В ФРГ для этой цели используют полужидкий осадок влажностью 92-96% (доля его в составе компостируемой массы составляет 10-20%) и частично обезвоженный осадок влажностью 50-75% (доля его в массе - 14-34%) (Mach R., 1973).

Не потерял своего значения и традиционный способ полевого компостирования отходов в штабелях под открытым небом. Он прост в техническом отношении, не требует больших затрат, обеспечивает высокий обеззараживающий эффект. С помощью такого способа из бытового мусора и осадка сточных вод получают компост, обладающий высокой агрономической ценностью.

Различают 2 модификации этого способа: с использованием так называемых динамичных (с ворошением отходов) и статичных (без ворошения) штабелей; компостирование проводится в условиях принудительной аэрации. Благодаря аэрированию, улучшающему условия жизнедеятельности микроорганизмов, процесс перегнивания отходов значительно ускоряется. По методу полевого компостирования организована переработка бытового мусора, смешанного с осадком, на многих специализированных предприятиях. Так, в США на 180 из 200 компостирующих предприятий отходы перерабатывают указанным способом (Покровская С.Ф.,1990).

В Польше методом полевого компостирования получают около 4000 т компостов в год. Отбросы укладывают штабелями в три ряда (ширина каждого ряда около 2 м) с расстоянием между ними 2,5 м. Затем добавляют фекалий, бульдозер с двух сторон выравнивает мусор и формирует штабель высотой около 1,5 м.

В одном штабеле помещается около 700 м³ отбросов, а всего на заводе ежегодно закладывается 16 тыс. м³ мусора. Фекалий вносят в количестве 3 м³ на 5 м³ отбросов. При этом исходная влажность составляет 60-65%, что считается оптимальным для процесса ферментации и получения готового компоста с влажностью не менее 30%.

Для интенсификации компостирования рекомендуется применять осадок сточных вод (Кузьменкова А.М., 1976).

Крупнейший в Европе мусороперерабатывающий завод, компостирующий бытовые отходы и осадок сточных вод, построен в г. Фленсбург (ФРГ). Производительность его - 400 т компоста в день. На заводе могут перерабатываться отходы города с населением 350 тыс. человек. Технологический процесс начинается с подачи мусора в загрузочную воронку мусородробилки молоткового типа, проходя через которую, масса дробится на куски размером около 200 мм в поперечнике, а затем поступает на магнитный сепаратор. Отделенный при этом металл прессуют в брикеты весом до 40 кг и реализуют как вторичный материал. Из магнитного сепаратора масса подается в загрузочные барабаны двух компостерных барабанов длиной 40 м, диаметром 3,75 м, емкостью 200 т. Туда же поступает остаток сточных вод. Компостирование длится 24 часа при непрерывном вращении барабанов со скоростью 1,25 об/мин. В результате саморазогрева мусора температура в барабанах повышается до 60С°, при этом погибают болезнетворные микроорганизмы, яйца гельминтов и семена сорных трав. Биотермический процесс протекает в аэробных условиях при постоянной подаче свежего воздуха. Отсасываемый из барабанов воздух очищается в земляном фильтре. В конце барабана помещены два грохота с ячейками различных размеров для отделения некомпостируемых примесей, составляющих 20-30% от веса мусора. Затем компост измельчают и выгружают на специальную площадку для дозревания, где он минерализируется в течение 90 дней.

Завод перерабатывает весь мусор и отстой сточных вод г. Фленсбург, который раньше сбрасывали в Балтийское море. По составу питательных веществ изготавливаемый компост близок к навозу, а по количеству извести превосходит последний (Кузьменкова А. М., Медведев Я. В., 1976).

В итальянских городах (Болонье, Ферраре, Мадене, Бари и др.) организованы центры, занимающиеся сбором отходов и их компостированием. При помощи специального оборудования производится просеивание, перемешивание отходов и их укладка в штабеля. Процесс приготовления компостов продолжается 6-12 месяцев. К городскому мусору добавляют отходы мясной и рыбной промышленности, масличного производства, виноделия, осадок сточных вод, опилки, древесную кору. Благодаря этому содержание азота в компостах повышается до 4%, фосфора- до 3%, калия -до 2%. При компостировании отходов в штабелях добавляют бактерии в расчете 700 тыс. живых клеток на 1г компостируемой массы, из них 10-20 % приходится на актиномицеты и стрептомицеты (Cavazza C., 1973).

Одним из способов утилизации ОСВ является его использование в качестве органоминерального удобрения, при этом одновременно решается ряд задач: исключается необходимость хранения (захоронения), повышается плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, не загрязняется окружающая природная среда.

М. Нерудова (1984) отмечает, что современное производство традиционных органических удобрений в Чехословакии покрывает лишь 70% потребности пахотных земель в органических веществах. Поэтому использование всех возможных дополнительных источников органических веществ является настоятельным требованием времени.

Ил со станций очистки сточных вод общественной канализации представляет собой важнейший источник органических, питательных и биологически активных веществ. Непосредственное удобрение илом со станций очистки сточных вод является выгодным способом использования этих отходов, если они используются соответствующим образом при определенных природных и производственных условиях. Благодаря экономической выгоде, которую приносит непосредственное удобрение илом его потребителям и поставщикам, а также всему народному хозяйству, указанный способ использования ила признается и применяется во всем мире.

В бывшем СССР общий годовой объем осадков на 1986 год составлял 4-4,7 млн. т по сухому веществу. К 1990 г он должен был увеличиться до 9 -10 млн. т ( Касатиков В.А. и др., 1982).

Однако уровень использования отходов городов и осадка сточных вод в сельском хозяйстве стран СНГ пока невысок. В почву вносится не более 4-6% осадка сточных вод с очистных сооружений крупных городов. Большая часть отходов вывозится на свалки, создающие опасные очаги загрязнения окружающей среды. При этом безвозвратно теряются содержащиеся в отходах полезные компоненты.

1.2. Удобрительная ценность ОСВ

Значительная часть продуктов полеводства (прямо или косвенно) направляется в пищу человека. Следовательно, выделения человеческого организма должны содержать большие количества азота и зольных составных частей, взятых растениями из почвы. Сравнительно с извержениями травоядных, отбросы человеческого организма должны быть процентно богаче (считая на сухое вещество) азотом и фосфорной кислотой, во-первых, потому, что пища человека богаче белками, чем корм травоядных. Если, например, в пище животных (сене) содержится 1,5% азота, считая на сухое вещество, то в пище человека его бывает от 2-3% (зерна хлебов) до 15% (мясо). Во-вторых, пища людей лучше переваривается, значит, большая часть ее окисляется, давая воду и углекислый газ, а потому оставшаяся доля еще больше обогащается газом, чем в организме травоядных.

В среднем, человек выделяет в сутки около 133 г твердых извержений и 1200 г жидких. В них содержится соответственно : азота 2 и 14 г, золы 4,5 и 14г, фосфорной кислоты 1,35 и 1,78 г, оксида калия 0,64 и 2,29 г.

Маки (Mechi J.J., 1859) говорил:" 200 тонн лондонских сточных вод эквивалентны 3,5 центнерам гуано".

На целесообразность использования в земледелии отбросов человеческого организма указывает Д.Н. Прянишников (1903). Он констатирует, что в городах отходы уходят в канализацию. Очень трудно определить, какую часть из них удается использовать. Ясно лишь одно, что при недостатке удобрений вообще нельзя игнорировать большие возможности, которые представляет этот источник азота, особенно при одновременном использовании торфа.

Первые опыты по изучению удобрительной ценности канализационного ила (ОСВ) были проведены П.С. Севастьяновым (1931-1937), который пришел к заключению, что осадки сточных вод могут приравниваться к навозу и минеральным удобрениям. Аналогичные выводы сделаны и другими авторами (Шванская Л.П, 1938, Беляк Б.И., 1955, Львович А.Н., 1965).

По данным Э. Рюмбензам и Э. Рау (1969), в ОСВ содержание общего азота и фосфора в 1,5-2 раза выше, чем в навозе КРС, а именно эти элементы определяют ценность любого вида удобрений.

Высокое содержание элементов питания в ОСВ подтверждает работа О.Д. Архип (1979). Изученный им ил с городских очистных сооружений содержал в %на сырой вес : N общий - 0,8; Р₂0₅-0,9; К₂0- 0,4; нитратный азот - 6,4мг/100; аммиачный азот- 457 мг/100; подвижной фосфор - 542 мг/100 г массы.

В технологическом цикле очистки сточных вод получаются различные типы осадков, которые по своим удобрительным качествам могут резко отличаться друг от друга. Для обезвоживания ОСВ могут использовать известь, хлорное железо. В этом случае они обогащаются кальцием, железом, а иногда магнием ( Туровский И.С., 1982).

Колебания в содержании основных элементов питания в ОСВ (Горохова С.Г., 1981, Капелькина Л.П., 1984, Алексеев Ю.В. и др., 1986, Кардиналовская Р.И., 1986) составляет: по азоту 0,8...6%, фосфору 0,6...5,6%, калию 0,1...0,5%. Примерно такие же данные приводят ученые США и Канады: азот 1,1...7,6%, фосфор 1,3... 8,0, калий 0,1...0,3% (Schfдfer K., Kick H., 1970).

Несомненным достоинством ОСВ является высокое содержание органического вещества- до 75% (Schultz W., 1951, Jahnson S., 1963, Туровский И.С., 1977). Высокая оценка органического вещества дана и в работе М.М. Кононовой (1969), в которой отмечено, что органического вещество в значительной мере определяет направления процесса почвообразования, биологические, химические и физические свойства почвенной среды.

На это обращают внимание и ряд других зарубежных исследователей. Они приходят к выводу, что при многолетней обработке почва начинает испытывать недостаток в органических веществах, так как культивация ускоряет ее разрушение, а "отдача" от запашки пожнивных остатков оказывается недостаточной для возмещения потерь. Органическое вещество образует из частиц почвы агрегаты, между которыми остаются большие поры, через которые воздух может проникать к корням, а излишки воды - испаряться. При недостатке органических веществ почвенные агрегаты теряют свою прочность и распадаются. Почва становится более плотной, доступ воздуха прекращается и в результате рост корней происходит аномально. Песчаные и пылеватые почвы в наибольшей степени подвергнуты таким структурным изменениям. Внесение органических удобрений в такие почвы улучшает их качество, в результате чего полученный урожай будет выше, чем при внесении оптимального количества обычных удобрений, но без добавления органики (De Haan S., 1980).

Твердые вещества осадков оказываются более эффективными в сравнении с эквивалентным количеством хлевного навоза (Epstein E., Taylor J., 1976; Gypta S., Dowdy V., 1977; Kladivko Е., Helson D., 1979).

При увеличении пористости почвы повышается скорость инфильтрации воды и уменьшаются потери воды, а также эрозия почвы в результате поверхностного стока. Там, где на поверхность почвы вносятся жидкие осадки, поры временно закрываются и на несколько дней инфильтрация воды замедляется. Как только слой осадков начинает высыхать, он трескается, и вода легко проникает между частицами. В течение некоторого времени эти частицы предохраняют почву под собой от структурного разрушения и закупорки пор после дождя. Таким образом, более длительное воздействие приводит к увеличению скорости инфильтрации воды. Твердые вещества осадков в результате измельчения проникают в ходы дождевых червей, что ускоряет абсорбцию почвой воды, поступающей в поверхности. Поверхностное применение компостированных осадков в расчете 56 т/га увеличивает скорость инфильтрации воды на 50% по сравнению с неудобренной почвой. Действие этих осадков сохраняется, по крайней мере, в течение двух лет (Kelling K., Peterson А., 1979).

Указанные опыты показали, что внесенные с осадком в почву тяжелые металлы не сильно влияют на развитие растений. Использование осадка требует осторожности. Его следует хорошо перемешивать и строго соблюдать сроки внесения. При небольшом содержании в осадке водо-растворимого аммония часть его, связанная с органическим веществом, представляет собой источник, медленно поставляющий азот, который могут полнее использовать растения с длительным вегетационным периодом. Содержащийся в нем фосфор соответствует по действию на рост растений фосфору, извлекаемому из минеральных туков лимоннокислой вытяжкой. Недостаток калия в осадке требует его добавки в виде минерального удобрения.

Польские ученые (Kobus D., Zaban J., 1990) провели исследования с осадком сточных вод из г. Пулава на почвах различного гранулометрического состава. Отбирали образцы почв из подпахотного слоя, добавляли 5 и 10% осадка и инкубировали при 20 С в течение 24 недель. Осадок имел рН - 5,6, 16,2% органического вещества, 1,13% общего азота, 100,5мг/100г N-NH4, 1105мг/100г N-NO3, 605 мг/кг Zn, 3мг/кг Ca. Добавление осадка сопровождалось сильным увеличением численности бактерий, грибов, актиномицетов свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов (в том числе Clostridium). Не отмечено увеличения численности целлюлолитической микрофлоры. Выявлено активное разложение соединений С и N. За период инкубации количество органического углерода уменьшилось на 14-31%, N -на 0-20 %. Происходило уменьшение доли растворимых форм фосфора. Резко уменьшилось содержание подвижных форм Zn (вытяжка 0,005 М ДТПА). Сделан вывод, что ОСВ и г. Пулава может быть использован для рекультивации деградированных почв. Однако не рекомендовано применять осадок на почве с емкостью поглощения катионов <5 мэкв>

Румынские ученые (Dumitru M., Carstea S., Nastea B., Rauta C., 1989) считают, что в целях уменьшения загрязнения почв при использовании в качестве удобрений осадка городских сточных вод, последний следует применять в строго контролируемых условиях, ибо почвы по- разному реагируют на его внесение. Критериями пригодности почв для внесения в них осадка городских сточных вод является топография и уклон местности, текстура, водонепроницаемость и дренаж почв, поверхностный сток и эрозионные процессы, затопляемость территории, величина влагоемкости почв, глубина залегания грунтовых вод, рН почвы, емкость катионного обмена почвы, содержание в ней тяжелых металлов и возможность защиты источников водоснабжения населения. Применение ОСВ рекомендовано на однородных выровненных участках при уклоне до 5%. Возможно применение его и при уклоне до 15%, но при условии предотвращения поверхностного стока. Исключается использование осадка на почвах и глинистых уплотненных почвах с очень низкой или чрезмерно большой водонепроницаемостью, а также на оголенных и плохо дренированных почвах, где возможно периодическое избыточное увлажнение верхнего 50-см слоя, поскольку рН почвы оказывает существенное влияние на степень подвижности в ней тяжелых металлов, увеличивая или уменьшая их абсорбцию растениями. На кислых почвах с рН менее 5,5 вообще не следует применять осадок сточных вод. Почвы с рН 5,5-6,5 должны предварительно известковаться до величины рН, превышающей 6,5.

По мнению Water S. (1991) применение возрастающего количества ОСВ в Южной Африке на почвах сельскохозяйственного назначения - один из путей экономически выгодной его утилизации. ОСВ содержит основные элементы питания растений, в особенности N и Р, микроэлементы (Zn, Cu, Mo, Mn), улучшает физические свойства почвы, структуру, водоудерживающую способность, влагоперенос. В ОСВ различных регионов Южной Африки содержание N варьируется от 15,7 до 58,4 г/кг. Известные преимущества ОСВ могут проявляться в недостаточной степени в связи с потенциальной опасностью его для здоровья человека и животных. В ОСВ могут содержаться такие тяжелые металлы (Cr, Cd, Hg, Cu, Pb, Co, Zn, Mo), патогенные организмы (бактерии, простейшие, гельминты, вирусы), избыточное количество нитратов, токсические вещества, пестициды, полихлорированные бифенилы, алифатические соединения, эфиры, моно- и полициклические ароматические вещества, фенолы, нитрозамины. Вредное воздействие ОСВ на окружающую среду можно снизить посредством поддержания рН почвы > 6,5 (путем известкования), использования рациональной технологии внесения, осуществления контроля качественных показателей почвы, воды и растений.

На выявление питательной ценности ОСВ, их влияния на свойства почв, урожай и качественный состав выращиваемых растений направляют усилия многие американские исследователи. Так, Smith S., Henry C., Harrison R., 1992 г. провели исследования на 3-х типах почв, с количеством внесенного осадка от 23 до 470 т/га.

Отмечено изменение величин емкости поглощения, содержания органического углерода, общего азота и тяжелых металлов по профилю почв. Наиболее высоким оказалось увеличение азота в горизонте А, тогда как в горизонтах В и С - незначительное. Содержание органического углерода в целом имело ту же тенденцию к увеличению, но сильно сказывалась суммарная доза удобрений и распределение ее по годам. Емкость обмена катионов повышалась по всем горизонтам, отмечено снижение значений рН в горизонте А и В. Содержание тяжелых металлов, особенно Cd, Cr, Cu, Pb, Zn возрастало заметно, особенно в горизонте А, и сильно зависело от содержания их в осадке и норм осадка.

Skausen J., Clinger C., (1993) оценивали эффективность применения ОСВ на отвалах добычи каменного угля. Отвалы кислые. Применяли известь (4,5 т/га), вносили минеральные удобрения по N 67 Р 134 К 134 и сеяли клевер красный, овсяницу тростниковую, ежу сборную и лядвенец рогатый. Оценивали эффективность разового внесения в 1986 г. ОСВ по 0,15, 31 и 64 т/га сухого вещества, наблюдали за ростом растений и изменением свойств почвы на отвале. При внесении ОСВ надземная биомасса трав возрастала, хотя доля бобовых компонентов в травостое уменьшалось из-за большого количества азота, поступившего с осадком. При внесении высоких норм ОСВ увеличивалось в почве содержание органического вещества с 1,5 до 2,2%, количество подвижных форм Си в 4,6, Zn в 5,1, Fе в 1,4, и РЬ в 1,3 раза, но значение рН почти не изменилось. На нейтральной неразрушенной почве вблизи отвалов с естественной травянистой растительностью внесение осадка приводило к повышению продуктивности посевов в 1,5 - 2,8 раза, увеличению содержания в почве Fe, Cu, Zn, Cd, но в меньшей мере, чем на кислом отвале, величина рН после внесения осадка слабо изменилась.

Peterson A., Speth P., Corey R. (1992) провели исследования действия ОСВ на иловатой среднесуглинистой почве с кукурузой. Определили влияние осадка на урожай кукурузы, содержание питательных веществ в почве и грунтовых водах. Вносили ежегодно по 6,6 и 13,2 т/га ОСВ в пересчете на сухое вещество. С 6,6 т/га ОСВ поступало приблизительно азота 200 и фосфора 450 кг/га. Через 12 лет применения по 6,6 и 13,2 т/га ОСВ в почвах содержалось соответственно 455 и 666 кг/га фосфора. Не отмечено неблагоприятного влияния на рост растений кукурузы, очень высокого содержания свинца в почве и на баланс питательных веществ в растении. Сделаны выводы о возможности дальнейшего применения ОСВ в нормах, не превышающих потребности кукурузы в азотных удобрениях.

Caslin B. (1988) изучил возможность пополнения запаса микроэлементов за счет использования органических удобрений на легкой почве с рН 7,8 в полевом опыте по схеме: контроль (без органических удобрений), внесение при закладке опыта по 10 т/га навоза или осадка сточных вод. Органические удобрения вносили весной с последующей заделкой на глубину 25 см, а минеральные - на всех вариантах в дозе: азот - 56 кг/га, фосфор - 8 кг/га действующего вещества в форме мочевины и суперфосфата ежегодно, перед посевом с заделкой дисками. Опытная культура - сорго. В год внесения органических удобрений урожайность зерна составила на контроле 3,1 ц/га, при внесении навоза - 16,7, а осадка -33,4 ц/га. Концентрация доступного Fе в почве на контроле в начале и конце эксперимента оставалась ниже предельно допустимой. За счет внесения органических удобрений в почве повышалось содержание доступного фосфора, меди и марганца, что положительно влияло на урожайность сорго.

Clapp G., Dowdy R., Larson W., Zinden D., Normann C., Halbach T., Polta R. (1993) исследовали ОСВ на предмет разработки высокоэффективных экологически безопасных технологий. Жидкие дигестированные ОСВ вносили на террасированную водосборную площадь и выращивали кукурузу и канареечник. Применяли ОСВ в течение 19 лет (в сумме 200 т/га сухого вещества) и получили высокие урожаи кукурузы. При этом содержание в растениях азота, фосфора и калия оказалось нормальным. По мере увеличения норм ОСВ в почве возрастало количество органического и общего азота.

В опытах анализировали периодически содержание питательных веществ в поверхностных стоках, почве и грунтовых водах. Показано, что ОСВ смогут быть хорошим источником питательных веществ для растений при экологически безопасном состоянии среды.

Определенная работа по изучению и использованию ОСВ проводится и в нашей стране. Результаты исследований, проведенных на дерново-подзолистых почвах с различными видами ОСВ (Мерзлая Г.Е., Гаврилова В.А., Савельев И.Б., 1991), свидетельствуют о том, что стоки богаты питательными элементами, содержание тяжелых металлов в них находится в пределах допустимых концентраций. Применение ОСВ положительно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур. Прибавки урожая пропашных зерновых культур в микрополевом опыте от ОСВ в дозе 30 т/га сухого вещества составили 20-25%. В полевом опыте сбор сена викоовсяной смеси от внесения 10 и 30 т/га ОСВ повысился соответственно на 6,6 и 19,7%.

Наличие тяжелых металлов в зеленой массе викоовсяной смеси, выращенной при внесении ОСВ и в почве после ее уборки, в указанных опытах не превышало ПДК.

Интересен опыт Ставропольского СХИ в совхозе « Константиновский » Предгорного района с кукурузой на силос. Иловые осадки сточных вод г. Пятигорск вносили по вариантам: 1 - контроль, 2 - нитрааммофос, 3 - иловый осадок - 60 т/га, 4- то же - 120 т/га, 5- то же -180 т/га. Агрохимический анализ почв показал, что содержание гумуса и рН были постоянны во всех вариантах и во все периоды (соответственно 5,1-5,6% и 7,5-7,8%). Увеличение содержания в почве фосфора в период уборки урожая, по сравнению с предшествующим периодом, свидетельствовало о том, что после формирования репродуктивных органов происходил отток фосфора в почву. В этот период снижалось количество фосфора в зеленой массе кукурузы (Котти В.К., 1989).

Мусекаев Д.А. и др. (1987), Котти В.К. (1989) установили, что ОСВ г. Владимир заметно увеличивает сбор клубней картофеля, не способствует накоплению в картофеле токсических элементов.

В Латвийской РНПО « Плодородие » (Вайцеховска А.А., Анспок С.И., 1990) полевые опыты в звене севооборота: картофель-кормовая свекла-ячмень провели на дерново-подзолистой супесчаной, хорошо окультуренной почве. Использовали ОСВ г. Болдерей с рН 6,9-9,5, содержанием органического вещества 76%, N - 1,39%, K - 1,82%, P - 16,5мг/100г, Ca - 295, Mg - 162,1мг/100г, срок хранения 4-5 лет. В результате действия и последействия ОСВ за 2 года нормой 140т/га получено кормовых единиц с 1га 25710, нормой 70т/га - 24980, контроль - 18857. Авторами рекомендуется использование ОСВ в качестве удобрений с нормированным содержанием основной группы тяжелых металлов.

В Курском СХИ (Жукова Л.А. и др., 1989) установлено, что ОСВ городских очистных сооружений в умеренных дозах способен повышать содержание гумуса и биологическую активность почвы, устойчивость растений к экстремальным погодным условиям. Оптимальная норма под зерновые под основную обработку - 20т/га, под кукурузу - 40т/га. На 3-й год можно возделывать сахарную свеклу за счет высокого последействия. Хорошие результаты дает внесение ОСВ под зяблевую вспашку в сочетании с известью (10/1).

Эффективно сочетание умеренной дозы ОСВ (20 т) с уменьшенной в 3 раза расчетной дозы NРК. Химический состав сельскохозяйственной продукции, выращенной с применением указанных норм ОСВ, не хуже контрольных образцов (Жукова Л.А. и др. 1992, 1993)

Л.И. Сергиенко и др. (1993) в полевых экспериментах изучены термофильно-сброшенные обезвоженные осадки Саратовской городской станции, содержащие 25-40% органического вещества, до 4,8% общего азота, 0,7-2,1% валового фосфора, до 0,8% подвижного фосфора, до 140 мг/кг обменного Ca. Сделан вывод, что применение ОСВ в качестве органических удобрений не вызывает негативного воздействия на окружающую среду и сохраняет чистоту природных ландшафтов.

Сотрудники Волго-Вятского ВНИПТИХИМ (Ишкаев Т.Х., и др., 1989) провели вегетационные опыты с кукурузой ВИР-42 и гречихой сорта Майская на дерново-среднеподзолистой почве. В качестве удобрений использовали осадки сточных вод очистных сооружений г. Казань с влажностью 64,4%, содержанием NH₄-N 3,46%, NO₃-N 0,03%, P₂O₅ 2,7%, K₂O 0,57%, Cr 1000 г/кг, Cu 500, Ni 500, Zn 67мг/кг, рН 7,2. ОСВ вносили по 50 и 100г/кг, что соответствует 125 и 250т/га, контроль без ОСВ. Анализы, проведенные через 5,10 и 15 дней после начала опыта, показали, что ОСВ усиливают биологическую активность почвы. Отмечен более интенсивный рост растений. Урожай зеленой массы кукурузы возрос на 130-139%, а гречихи на 109-121% при внесении из расчета 125 т/га. Повышенная доза (250 т/га) не оказала существенного влияния на дальнейший рост урожая.

Многие авторы (Сергиенко Л.И. и др., 1996) считают, что удобряющий эффект осадков сточных вод, главным образом определяется наличием в них азота.

Использование общего азота, содержащего в том или ином виде ОСВ, в первый год зависит, главным образом, от минерального азота, который доступен растениям сразу же, органическая же часть за счет минерализации освобождается медленно, в первый год порядка 15-17% (Nerudova M., 1984). В ОСВ, сброшенных в термофильных условиях, N усваивается в первый год примерно на 46,6%. Это объясняется высоким содержанием аммиачного азота (Дмитриев В.И., 1969).

Технологические операции по внесению илов в почву могут резко снизить общее содержание азота во вносимых илах. Если жидкий осадок вносится на поверхность почвы и сразу не заделывается, потери азота за счет улетучивания достигают 80% (Goker E.G., 1983).

Наряду с источником азота ОСВ могут играть важную роль в пополнении запасов фосфора в почве. Высокое его содержание в ОСВ связано с усиленным применением фосфорсодержащих моющих средств в быту, а также тем, что фосфор и его соединения обладают меньшей подвижностью и растворимостью в отличие от калия, который легко вымывается и уносится с очищенными водами (Schfдfer K., Kick H., 1970).

Усовершенствование технологии извлечения из сточных вод ОСВ фосфора, по сообщению De Haan (1980), позволит с учетом того, что каждый житель Нидерландов ежегодно сбрасывает в канализацию до 1 кг фосфора, извлекать данный элемент в количестве 0,9 кг, что практически позволит удовлетворить нужды растениеводства. Однако, при современной технологии очистки сточных вод, достигается максимум половинный отбор фосфора (Goker E.G., 1983).

Обобщая литературные данные, можно констатировать, что ОСВ обладает высоким удобряющим эффектом при выращивании сельскохозяйственных культур и все же при их применении должны учитываться климатические условия региона, типы почв, виды осадка и конкретно вид выращиваемой культуры.

Тяжелые металлы в определенных случаях могут выступать в роли ведущего экологического фактора, определяющего направление и характер развития биогеоценозов. Массированное загрязнение ими внешней среды может приводить к катастрофическим токсикозам растений, животных и людей, и поэтому диагностируется сравнительно легко и быстро. Более сложно оценить токсическое действие относительно невысоких концентраций тяжелых металлов, внешне медленно и малозаметно влияющих на окружающую среду. Между тем, загрязнения именно такого рода, действуя длительное время, способны вызвать сдвиги в существующем биологическом равновесии. Почва является той биологической средой, в которой происходит накопление тяжелых металлов в результате антропогенной деятельности. Основная масса техногенно рассеянных металлов, хотя и выбрасывается в воздух, очень быстро поступает на поверхность почвы (Абрамовский Б.П., 1976). Значительная часть тяжелых металлов включается в почвообразовательные процессы (сорбируется почвенным поглощающим комплексом, связывается с органическим веществом, перераспределяется по профилю). Некоторая часть поглощается растительностью. В результате получаются техногенные геохимические аномалии тяжелых металлов (Добровольский В.В., 1980).

1.3. ОСВ как источник микроэлементов

Микроэлементами, как известно, называют химические вещества, содержащиеся в организме человека, животных и растениях в ничтожно малых количествах: бор, марганец, йод, медь, цинк, кобальт, молибден, естественные радиоактивные элементы и др.

Указанные элементы, несмотря на их малое содержание, играют чрезвычайно важную роль в живой природе.

Многочисленными точными физиологическими опытами, проведенными в нашей стране (Школьник М.Я., 1950, Виноградов А.П., 1952, Пейве Я.В., 1954 и др.) доказано, что растительные и животные организмы при отсутствии отдельных микроэлементов не могут нормально развиваться, а при недостатке подвергаются эндемическим (свойственным данной местности) заболеваниям.

Выдающаяся роль в этом отношении, как отмечает А.П. Виноградов (1952), принадлежит великому естествоиспытателю нашего времени В.И. Вернадскому (1863-1945), впервые обобщившему имеющиеся опытные данные о химическом составе живых организмов и о роли в их функционировании микроэлементов. Он показал, что из 92 известных ему природных химических элементов, содержащихся в земной коре, более 60 тесно связаны с живыми организмами. К ним относятся: H, Li, Be, B, C, N, D, F, No, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Co, Se, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Gd, As, Sl, Br, Rb, Sr, Nb, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn, J, Ba, Ld, Au, Hg, Pb, Rn, U, Po, Ac и другие.

В.И. Вернадский впервые пришел к выводу, что несмотря на ничтожно малое содержание многих химических элементов в окружающей среде, они присутствуют в растительных и животных организмах постоянно и не случайно.

Особенно необходим для нормального развития и животных йод. При его недостатке в пище нарушается обмен веществ и развивается заболевание, получившее название зоба. Йод входит в состав гормона щитовидной железы- тироксина.

При отсутствии другого элемента - бора, растения погибают, а при его недостатке у них отмирают верхние точки роста, не образуются репродуктивные органы, у свеклы появляется гниль сердечка, что резко снижает урожай и качество корнеплодов.

Медь в одинаковой степени необходима для нормального развития и растений и животных. При ее недостатке болеют и отмирают листья растений, не образуются семена. Заболевание получило название белой чумы или болезни обработки. Надежными способом борьбы с ним является внесение в почву медесодержащих микроудобрений. Наиболее резко недостаток меди проявляется на торфянистых почвах. Медь входит в состав ферментов - оксидаз, полифелоноксидаз, лактазы и др. Животные при недостатке меди заболевают лизухой. Добавление малых количеств меди в пищу излечивает болезнь.

Опытами доказано, что кобальт также является необходимым питательным элементом для животных организмов. При недостатке кобальта в кормах животные болеют злокачественной анемией или сухоткой. Наиболее часто этому заболеванию подвергаются крупный рогатый скот, овцы и козы. Введение малых количеств кобальта в пищу позволяет успешно вести борьбу с сухоткой. Кобальт входит в состав витамина В12, который играет важную роль в кроветворении и обрывает течение ряда анемий.

При дефиците марганца появляются светло-зеленые пятна, поражающие в течение нескольких дней растения. Растения быстро поправляются, если их подкормить препаратами, содержащими этот элемент. У животных организмов в случае недостатка марганца наблюдается задержка в формировании скелета и замедляется рост. Марганец входит в состав окислительных ферментов - оксидаз, повышает активность ферментов-фосфатазы и др.

Внесение малых доз молибдена дополнительно к основным питательным веществам резко повышает урожай бобовых и других растений, их устойчивость к неблагоприятным условиям зимовки. Особенно богаты молибденом развивающиеся на корнях бобовых клубеньки, которые играют важную роль в усвоении атмосферного азота. Молибден принимает деятельное участие в редукции нитратов и синтезе белков.

Для нормального развития растений и животных организмов необходим и цинк. Дефицит его - причина таких заболеваний, как пятнистый хлороз, крапчатость, мелколисточность цитрусовых, побеление верхушек кукурузы и др. Цинк повышает морозостойкость растений, усиливает действие гормонов, связанных с процессами размножения и роста животных, входит в состав карбоногидразы, уреазы и некоторых других ферментов, играющих важную роль в жизненных процессах.

Редкоземельные элементы - церий, лантан, неодим, празеодим, самарий, и др. - постоянно содержатся в почвах, растениях и животных организмах. Они имеются в количестве от 0,7 до 3,5% в виде примесей в фосфорнокислых удобрениях. Значение редкоземельных элементов в жизни растительных и животных организмов недостаточно изучено. Однако имеющиеся опытные данные показывают, что от внесения малых количеств редких земель дополнительно к основным питательным веществам заметно повышается урожай и улучшается качество растений. Элементы редкоземельные у животных концентрируются преимущественно в костях (Дробков А.А., 1958).

В почве много содержится титана, но он находится в ней в труднорастворимой форме. В растениях его ничтожно мало. Титан обнаружен в крови и костях человека и животных. Какую роль играет титан в жизни организмов, выяснено также недостаточно.

Биологическая активность микроэлементов в организмах наиболее тесно связана с такими органическими соединениями, которые играют важную роль в обмене веществ и в регулировании жизненных процессов, как например, ферментами, некоторыми витаминами, дыхательными пигментами, гормонами и т.д. Указанные соединения тесно связаны в эндокринной системой органов: щитовидной железой, гипофизом, поджелудочной железой и т.д. Развитие исследований в этом направлении крайне необходимо. Весьма актуально также изучение роли и значения таких мало изученных в биологии микроэлементов, как стронций, кадмий, хром, цирконий, цезий, ванадий, мышьяк, олово, висмут, теллур и др.

При возделывании сельскохозяйственных культур наряду с основными элементами питания, происходит и вынос микроэлементов с урожаем. Г.Н. Попов и др. (1984) установили, что в условиях Среднего Поволжья повышен вынос микроэлементов сахарной свеклой, подсолнечником и бобовыми культурами. Абсолютное содержание их в сахарной свекле в 4-8 раз больше, чем в урожае яровой пшеницы. Подсолнечник потребляет особенно много бора, меди, цинка и молибдена. Люцерна и горох выносят с 1 га из почвы 82-398 г бора и 4,5-7,3 г молибдена. Зерновые культуры накапливают эти элементы в гораздо меньших количествах: 20-30 г/га бора, 0,9-1,7 г молибдена. Таким образом, по выносу микроэлементов применительно к Среднему Поволжью установлены те же закономерности, которые известны агрономической науке в отношении макроэлементов: технические культуры поглощают их в гораздо больших количествах, чем зерновые.

Общий вынос микроэлементов и расход их на единицу продукции могут изменяться в значительных пределах в зависимости от урожайности сельскохозяйственных культур, количества и соотношения питательных веществ в почвенном растворе, влажности почвы и ее важнейших агрономических свойств, уровня агротехники и других факторов.

Почвенный покров Поволжья неоднороден. По направлению с севера на юг сменяются: дерново-подзолистые и серные лесные почвы, черноземы оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные и южные, темно-каштановые, каштановые, светло-каштановые и бурые почвы. Среди каштановых и бурых почв имеется много солонцов.

Наиболее низким содержанием большинства микроэлементов характеризуется дерново-подзолистые и серные лесные почвы. Как правило, в них мало бора, меди, кобальта, молибдена. Марганца и цинка в этих почвах больше, чем в обыкновенных и типичных черноземах.

В лесостепной зоне Поволжья низкая обеспеченность микроэлементами характерна для черноземов оподзоленных, а в ряде случаев и выщелоченных. Вместе с дерново-подзолистыми, серыми лесными почвами и черноземами карбонатными они нуждаются в первоочередном применении микроудобрений.

Одним из источников пополнения почв необходимыми микроэлементами могут быть осадки городских сточных вод. По литературным данным (Ильин В.Б. и др., 1991) содержание микроэлементов в ОСВ колеблется в достаточно широких пределах: медь 50-4000, цинк 70-40000, марганец 60-4000, кобальт 2-300 мг на 1 кг сухого вещества.

Установлено (Попов Г.П. и др., 1984), что с урожаями сельскохозяйственных культур на уровне 30-35 ц зерновых, 200-300 ц картофеля и 50-60 ц сена с 1га ежегодно выносится по 100-600 г цинка и марганца, 30-200 г меди, 1-6 г кобальта, 3-15 г молибдена. Расчеты показывают, что внесение 1-4 т сухого вещества ОСВ с содержанием указанных элементов на уровне ПДК может на 8-10 лет обеспечить бездефицитный баланс микроэлементов в севообороте. Это очень важно, поскольку почвы с низкой обеспеченностью микроэлементами составляют в различных районах страны от 10 до 40% пашни, а промышленное производство микроудобрений весьма ограничено.

1.4. Гигиенические аспекты применения ОСВ

В последнее время в специальной научной и сельскохозяйственной литературе появился термин "тяжелые металлы", который сразу же приобрел негативной звучание. С ним связано представление о чем-то токсичном, опасном для живого, будь то животные или растения. Тяжелые металлы - группы химических элементов, имеющих плотность более 5 г /куб. см. Термин заимствован из технической литературы, где металлы классифицируются на легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, т.е. к тяжелым относить металлы с атомной массой более 40 (Алексеев Ю.В., 1987). Представление об обязательной токсичности тяжелых металлов является заблуждением, так как в эту же группу попадают медь, цинк, молибден, кобальт, марганец, железо- элементы, большое позитивное биологическое значение которых давно обнаружено и доказано. Важны концентрации в которых они необходимы живым организмам. Справедливее использовать термин "тяжелый металл" в случае, когда речь идет об опасных для животных организмов концентрациях элемента с относительной массой более 40. Микроэлементом он становится тогда, когда находится в почве, растении, организме животных и человека в нетоксичных концентрациях или используется в малых количествах как удобрение или минеральная добавка к корму.

Однако, имеется группа металлов, за которыми закрепилось только одно негативное понятие - «тяжелые», в смысле «токсичные». Такая группа включает ртуть, кадмий и свинец. По общему мнению их считают наиболее вероятными и опасными загрязнителями окружающей среды, так как они широко используются в промышленности и на транспорте.

В культурном ландшафте наибольшее распространение имеют цинк, свинец, ртуть, кадмий, хром. Набор металлов, поступающих в ландшафт, зависит прежде всего от характера человеческой деятельности в данном регионе. При сильном развитии автомобильного транспорта и при наличии густой сети автомобильных дорог, реально ожидать обогащения ландшафта свинцом, поступающим в окружающую среду от двигателей внутреннего сгорания.

Поступление в среду кадмия может быть связано с широким использованием в сельском хозяйстве фосфатов, содержащих указанный элемент в виде примеси.

Ртуть в культурном ландшафте появляется в результате использования ее соединений в качестве фунгицидов и при производстве целлюлозы. Не исключено попадание ртути в почву с компостом из бытового мусора, содержащего использованные люминесцентные лампы.

Хром оказывается в окружающей среде в результате применения в качестве удобрений осадков сточных вод канализации городов с развитой часовой, кожевенной и тяжелой промышленностью, а также при известковании почв шлаками металлургических производств, содержащих этот элемент.

Обогащение ландшафта цинком может произойти при систематическом использовании в качестве органических удобрений осадков сточных вод городов, а также при сжигании на полях отходов резины.

Уран, торий, радий могут поступать в растения из почвы за счет фосфатных минеральных удобрений, а также из атмосферы в местах, где в больших количествах сжигается каменный уголь. Стабильный стронций поступает в ландшафт с простым суперфосфатом и фосфогипсом, полученными из апатитов.

Заметное загрязнение среды медью наблюдается в местах интенсивного виноградства, где этот элемент широко используется для борьбы с заболеваниями растений. В ландшафтах, практически не затронутых хозяйственной деятельностью, содержание тяжелых металлов незначительное.

Кадмий сопутствует цинку и часто обнаруживается вместе с ним, образует многочисленные основные, двойные и комплексные соединения. В загрязненных почвах он содержится в количествах, равных десятым долям миллиграмма на килограмм.

Ртуть относится к весьма редким элементам и в природе мигрирует преимущественно в газообразном состоянии и в водных растворах. В ландшафте, в основном, рассеивается и лишь в незначительном количестве может сорбироваться глинами и илами. В чистых почвах ее содержание составляет сотые доли миллиграмма на килограмм, а в почвах интенсивного хозяйственного использования достигает миллиграммов.

Свинец является наиболее распространенным элементом. В агроландшафте он преимущественно мигрирует в бикарбонатной форме, а также в органических комплексах. Свинец легко адсорбируется глинами, и в них его содержание повышено. В условиях промывного типа водного режима (в таежных и других ландшафтах влажного климата) наблюдается некоторая подвижность свинца, но значительно меньшая, чем кадмия, цинка и меди.

Знание природных концентраций тяжелых металлов в почвах и растениях дает возможность судить о состоянии чистоты или загрязненности и принимать меры, направленные на сохранение почвенного плодородия и качества растениеводческой продукции. В.П. Цемко с соавторами (1980) предлагает следующую группировку почв по степени загрязнения: к слабо загрязненным относятся почвы с содержанием элемента от 2 до 10 кларков, к средне - от 10 до 30 кларков, к сильно - свыше 30 кларков.

Известно, что техногенное загрязнение оказывает влияние не только на биоту почв, но и на их физические, физико-химические и химические свойства.

Почвы в неодинаковой степени инактивируют поступающие элементы - токсиканты, а наличие разных форм токсикантов в почве затрудняет выбор той из них, которая была бы наиболее пригодной для целей нормирования (Ильин В.Б., 1985; Важенин И.Г., 1985; Зырин Н.Г., Каплунова Е.В., 1985; Кочуров Б.И., Зайцев В.Я., 1987).

По мнению Н.Г. Зырина (1985), в условиях кислой неокультуренной дерново-подзолистой почвы уровень кадмия в 2,5 мг/кг (10 раз больше фонового), цинка - 125 мг/кг (5раз больше фонового) уже можно считать опасным. Этими авторами выявлено также пороговое значение содержания тяжелых металлов в почве, приводящее к их накоплению в растениях, в количестве выше, чем ПДК. Для свинца - 150, кадмия - 0,2, цинка - 85 мг/кг для неокультуренной дерново-подзолистой почвы.

Соответственно, для дерново-подзолистой окультуренной - свинца -650, кобальта - 2,5, цинка - 80; для типичного чернозема: кобальта - 5,0, цинка - 115 мг/кг. В исследованиях Р.И. Первухиной (1983) была дана оценка трансформации соединений техногенных металлов в почве и доступность их для растений. Результаты эксперимента показали, что внесение кадмия в составе пыли металлургического предприятия снижает урожайность ячменя на дерново-подзолистой неокультуренной почве при содержании кадмия 10 мг/кг, на слабоокультуренной - 20 мг/кг.

Экспериментальными исследованиями, проведенными на кафедре коммунальной гигиены Днепропетровского медицинского института установлено, что повышенное содержание химических веществ в почве существенно влияет на самоочищение почвы. Уровень предельной концентрации по железу - до 5000 мг/кг, марганцу - 1000 мг/кг.

В растениях, выращенных в зоне действия промышленных выбросов, содержание железа в зерне - до 300 мг/кг или в 2 раза больше;

содержание железа в свекле колебалось от 465 до 705 мг/кг, это в 8,2-12,4% больше, чем в контроле (Шелюг М.Я., 1983).

На почвах разного типа тяжелые металлы при одних и тех же концентрациях оказывают на растения различное действие. Это обусловлено разной кинетикой и превращением этих веществ в почве. В опытах с суглинистой почвой, торфом и черноземом внесение ртути в дозе 10 мг/кг практически не вызывало изменений в элементном составе зерновых. Внесение той же дозы в песчаную почву и супесчаный суглинок привело к накоплению ртути в соломе пшеницы до 5,7 мг/кг сухой массы и невызреванию овса (Покровская С.Ф., 1987).

Работами Зимакова И.Е. (1979) было исследовано действие нитрата ртути на опесчаненной дерново-подзолистой почве на горох, кукурузу, овес, рожь и пшеницу, доза внесения в расчете на металл 0,1; 1; 10 мг/кг почвы. Наибольшая концентрация ртути наблюдалась через 30 дней, затем несколько снизилась, оставаясь в среднем постоянной, но при этом превышала фон в 5...10 раз.

Закономерное накопление кадмия растениями в зависимости от основных почвенных факторов характеризуется схемой, предложенной в работе (Рэуце К., Кырстя С., 1986).

Загрязнение сельскохозяйственных угодий кадмием складывается из нескольких составляющих. Во-первых, это атмосферное поступление. В промышленно-развитых районах в среднем в год выпадает 0,2...9кг/км² кадмия (Петрухин В.А., 1986).

Второй источник поступлений - осадки городских сточных вод. Обширная информация по данному вопросу предоставлена в ряде работ (Покровская С.Ф., 1981; Гольдфарб Л.Л., Туровский Н.С., Беляев С.Д., 1983; Касатиков В.А., 1984; Алексеев Ю.В, 1987).

И, наконец, третий источник - это минеральные удобрения. Так, в ФРГ со средними дозами фосфорных удобрений в год поступает 3...5 г кадмия на 1га (Sauerbeck D., 1980). В связи с этим фермы-производители приняли решение о введении нормы на содержание кадмия в удобрениях, которая составляет 90 мг/кг (Stadelmann F.X., 1983).

Однако, оценивая минеральные фосфорные удобрения и ОСВ как потенциальный источник загрязнения тяжелыми металлами Г.А. Соловьев и А.В. Голубев (1981) подчеркивали, что необходимо исходить из их мобильности и доступности растениям. Она зависит как от рН почвы, содержания органического вещества и сопутствующих элементов, в частности, кальция, цинка, формы кадмия. Среди процессов, играющих важную роль в поступлении кадмия в растения, является диффузия. Чем ниже рН почвенного раствора, тем выше коэффициент диффузии кадмия.

Насыщение почв ионами H⁺ приводит к увеличению диффузии по сравнению с естественными почвами, но внесение кальция снижает подвижность его в почвах (Алексеев А.А., Зырин Н.Г., 1980). Исследованиями (Klein-Landenkoff U., 1986) было доказано, что внесение ОСВ в качестве органического удобрения показало защитные механизмы почвы. Этому способствовало внесение известковых удобрений. Доза 85-170 ц/га снижала поступление кадмия в растения на 20-30%. Другие авторы (Bidwell A.M., Dowdy R.H., 1987) отмечали, что внесение в 15 см слой почвы до 25,2 кг/га кадмия в составе осадков сточных вод (в течение 3-х лет) повысило содержание данного элемента в зерне до 5,18 мг/кг. Однако, другими исследователями не отмечалось негативное действие кадмия, содержащегося в осадках сточных вод. Так, 39-летние исследования не выявили существенных изменений в химическом составе растений (Wedder M.D., 1987).

Тяжелые металлы находятся в почве в различной форме. Они могут включаться в твердую фазу почвы, находиться в виде свободных ионов в почвенных растворах, в виде растворимых органоминеральных комплексов или адсорбированными на коллоидных частицах. Сульфокислоты образуют растворимые хелаты металлов в широком диапазоне рН, увеличивая, таким образом, их растворимость. Эти комплексы, обычно, более стабильны, чем аналогичные комплексы гуминовых кислот (Kieken L., 1983), которые также играют роль депонента тяжелых металлов.

Поступление тяжелых металлов в растения зависит от многих факторов. Имеются данные, позволяющие вывести определенную закономерность между накоплением и принадлежностью к семейству, биологическими особенностями вида, сорта.

По данным Kuboi T., Noguchi A. (1986), наиболее устойчивыми к накоплению кадмия оказались бобовые. Умеренно накапливали этот ион злаковые, лилейные, тыквенные и зонтичные. Большие концентрации кадмия отмечались у крестоцветных, пасленовых, сложноцветных, маревых. Однако, такое деление оказалось довольно условным. Испытание разных доз кадмия (от 1 до 300 мг/кг субстрата) показало, что внутри каждой группы каждого семейства наблюдается устойчивость к данному элементу. Турнепс не проявлял признаков токсикоза даже при максимальной дозе, в то время как репа уже при 30 мг/кг проявляла признаки токсикоза.

М.С. Паниным (1980) предложен несколько иной подход к данной проблеме, но основывающийся опять-таки на способности накопления того или иного элемента растениями. По его данным, по среднему уровню накопления определенного элемента в теле растения по отношению к разным ионам разные семейства можно расположить так: Со сложноцветные, злаковые, лебедовые, розоцветные, бобовые; Си сложноцветные, злаковые, лебедовые, бобовые, розоцветные, крестоцветные; Mo - бобовые, злаки, сложноцветные, крестоцветные, гречишные.

По реакции сельскохозяйственных растений к различным металлам существует также и сортовая специфичность, которая закреплена генетически.

Исследованиями Brune H. (1984) было показано, что 10 сортов салата, выращиваемых в песке при одинаковой концентрации кадмия в питательной среде, равной 0,1 мг/л, накапливали разное количество кадмия - 0,4 до 26 мг/кг.

У растений в условиях загрязнения интенсивно работают механизмы защиты, которые предохраняют до определенного момента надземные органы от поступления избыточного количества тяжелых металлов (Ильин В.Б., Степанова М.Д., 1980). При всем этом действие токсикантов при высокой их концентрации может все же усиленно проникать в растения. Однако степень накопления в различных частях растений будет различная (Ильин В.Б., Гармаш Г.А.,1981).

Наиболее сильно идет накопление свинца в корневой системе, причем количество ионов металла может превышать контроль более, чем в 7 раз. В меньшей степени его накапливают листья и репродуктивные части растений. Это объяснимо тем, что в процессах метаболизма в растениях образуются разнообразные органические соединения с хелатирующими свойствами. При проникновении ионов тяжелых металлов в корни происходит их связывание и, как следствие, снижение подвижности.

Таким образом, имеющиеся научные материалы отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о том, насколько сложна данная проблема. В мире идет интенсивный поиск путей утилизации возрастающего количества осадков городских сточных вод – продуктов жизнедеятельности человека, а так же других видов отходов городского коммунального хозяйства. Имеющиеся литературные данные по вопросам использования ОСВ в качестве удобрений нельзя автоматически переносить не наши почвенно-климатические условия, а по отдельным разделам, например, влияние ОСВ на состав почвенных растворов и т.д. материалов практически не имеется. С учетом вышеизложенного, целью наших исследований было изучить возможности использования осадков сточных вод г. Курска в качестве удобрений.

Глава 2. Методика и условия проведения исследований.

2.1 Методика исследований

Исследования проводились на опытном поле Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова в 1996-1998г.г. Почва темно-серая лесная среднесуглинистая.

Полевые исследования проводились по следующей схеме (табл.1)

Таблица 1

1. Схема проведения опыта:

1. Контроль (без удобрений, без ОСВ)

2. 20 т/га ОСВ

3. 20 т/га ОСВ + N₃₀P₃₀K₃₀

4. 20 т/га ОСВ + N₆₀P₆₀K₆₀

5. 20 т/га ОСВ + 5 т/га извести

6. N₆₀P₆₀K₆₀

В полевых опытах размещение вариантов было рендомизированным методом. Повторность опыта шестикратная. Размер делянок 1,0 м х 1,0 м = 1 м².

В исследованиях использовали методики, принятые в опытах по растениеводству, земледелию, почвоведению и агрохимии.

Перед закладкой опыта проводили анализ почвы:

а) Содержание гумуса в почве – по Тюрину;

б) рН солевой вытяжки – потенциометрическим методом;

в) Гидролитическая кислотность (Н_г) – по Каппену;

г) Сумма обменных оснований (S_осн.) – по Каппену-Гильковицу;

д) Степень насыщения основаниями – расчетным способом (Практикум по агрохимии, 1987);

е) Подвижные: фосфор (Р₂О₅) и калий (К₂О) – по Чирикову;

ж) Общий азот – по Къельдалю;

и) Азот щелочногидролизуемый – по Корнфилду

Все перечисленные выше методы описаны в следующих учебных пособиях и практикумах: «Агрохимические методы исследования почв» (1965); «Практикум по почвоведению» (И.С. Кауричев, 1973); «Руководство по химическому анализу почв» (Е.В. Аринушкина, 1970); «Практикум по агрохимии» (Л.В. Петербургский, 1968; А.С. Радов и др., 1985; Б.А. Ягодин и др., 1987).

Тяжелые металлы в ОСВ и почве (цинк, медь, никель, кобальт, хром, свинец), а также в растениеводческой продукции (кадмий, свинец, цинк, медь, ртуть, мышьяк) определяли по Е. Сенделу, 1996г.

Доза внесения ОСВ и минеральных удобрений подобраны таким образом, чтобы не допустить загрязнения почвы тяжелыми металлами и из расчета поддержания бездефицитного баланса гумуса. Возделывались сельскохозяйственные культуры со следующим чередованием их в звене севооборота: 1) клевер; 2) озимая пшеница; 3) кукуруза.

Осадка сточных вод было внесено 20 т/га, минеральных удобрений из расчета N₃₀P₃₀K₃₀ и N₆₀P₆₀K₆₀ в зависимости от варианта опыта и извести – 5 т/га. Осадок сточных вод, минеральные удобрения (аммиачная селитра, двойной суперфосфат, хлористый калий), известь вносили по квадратам, весной вручную под перекопку лопатой на глубину 30 см. Норма высева озимой пшеницы – 5 млн. всхожих зерен на 1 га; кукурузы – из расчета 70 тыс. растений на 1 га и клевера – 15 кг на 1 га.

Для клевера красного определяли высоту растений и урожайность.

Определяемая структура урожая зерновых – высота растений, продуктивная кустистость, длина колоса, число колосков и зерен в колосе, масса 1000 семян, масса надземной и незерновой части.

Анализы проводили в фазу восковой спелости зерна по среднему образцу, взятому в течение одного дня с двух рядков длиной 55,5 см в местах по диагонали делянки (с 1 кв. метра) в двух несмежных повторениях.

По кукурузе определяли высоту растений, длину, количество и массу початков на одно растение перед уборкой в двух несмежных повторностях, для чего отбирали на двух средних рядках подряд 20 растений.

Технологические и физиологические качества зерна озимой пшеницы (натура, стекловидность, масса 1000 зерен, количество сырой клейковины и массовую долю влаги) определяли согласно методике, рекомендованной Госкомиссией по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур.

Изучали не только действие ОСВ в год внесения, но и его последствие в течение двух лет.

В период вегетации проводили ручную прополку и рыхление междурядий у кукурузы. Для определения элементов структуры урожая по зерновым отбирали пробные снопы. Учет урожая – весовым методом.

Сорта и гибриды, высеваемые в опыте: клевер красный – Макаровский местный; озимая пшеница – Мироновская 808; кукуруза – Коллективный 181 (приложение 2).

Экспериментальные исследования проводили на кафедре неорганической и аналитической химии и межфакультетской химической лаборатории Курской ГСХА, государственной станции агрохимической службы «Курская», а также испытательной химико-технологической лаборатории Курского центра стандартизации, метрологии и сертификации.

Полученные экспериментальные данные во всех опытах обработаны методом дисперсионного анализа на ЭВМ.

2.2 Условия проведения опытов

2.2.1 Краткая характеристика почвенных условий

Курская область расположена на западе Центрального Черноземья и относится к Средне-Русской провинции лесостепной зоны, для которой характерны два типа почв: черноземы и серые лесные почвы. Почвенный покров повсеместно сформировался на лессовидных отложениях суглинистых по гранулометрическому составу и богатых основными элементами питания. Физические и химические свойства лессовидных пород способствуют образованию на них плодородных почв.

В области Черноземы занимают 1460 тыс. га или 74%, а серые лесные почвы – 482 тыс. га или 24,5% (Муха В.Д. и др., 1992).

На долю светло-серых лесных почв на территории области приходится 3,6%, а серые и темно-серые лесные почвы занимают 10,4 и 10,6% соответственно. Поскольку исследования проводились на темно-серой лесной почве, то остановимся на ее характеристике более подробно.

По своим физическим и химическим свойствам и уровню плодородия серые лесные почвы значительно отличаются от черноземов. Они имеют повышенную кислотность и нуждаются в известковании. Пахотный слой имеет распыленную структуру, поэтому при увлажнении почвы заплывают и при высыхании на поверхности образуют корку. Период физической спелости у них значительно короче, чем у черноземов, что создает дополнительные организационные трудности при их обработке.

Среди лесных почв лучшими и наиболее распространенными на территории области являются темно-серые лесные. По своему строению, свойствам и плодородию темно-серые лесные почвы стоят близко к черноземам оподзоленным. Гумусовый горизонт темно-серых лесных почв значительно мощнее, чем у серых и колеблется от 40 до 60 см. Гумуса в пахотном слое темно-серых лесных почв содержится 3-5%, фосфором и калием растения на этих почвах обеспечены средне, а азотом недостаточно. Они пригодны для возделывания всех полевых культур, районированных в зоне (Д.А. Лепнев, 1968).

Опытный участок расположен на водоразделе. Рельеф опытного участка ровный, склон северо-восточной экспозиции не превышает 1-2, имеются незначительные микропонижения. Почвенный покров однородный и представлен темно-серыми лесными почвами среднесуглинистого гранулометрического состава.

Морфологическое описание почвенного профиля темно-серой лесной почвы опытного участка характеризуются следующими показателями:

Водопрочность структуры и водопроницаемость почвы невысокая, поэтому она склонна к уплотнению и заплыванию.

Почва по содержанию гумуса относится к слабоокультуренным. Процент гумуса и общего азота резко уменьшается по профилю. Реакция почвы пахотного слоя (рН) меньше 5, а с глубиной несколько возрастает. В пахотном слое довольно значительна величина гидролитической кислотности и низкая величина суммы обменных оснований, степень насыщенности почв основаниями возрастает по профилю. Величина гидролитической кислотности соответствует почвам средней нуждаемости в известковании. Обеспеченность подвижными формами фосфора и калия высокая и повышенная, поэтому они не являются лимитирующим фактором.

2.2.2 Агроклиматические ресурсы и метеоусловия в годы проведения опытов

Рост и развитие сельскохозяйственных культур в значительной степени зависит от погодных условий, складывающихся в период вегетации растений. Климат Курской области умеренно-континентальный. Годовой приход солнечной радиации равен 89 ккал/см². По сезонам это тепло распределяется следующим образом: зима – 7, весна – 29, лето – 40 и осень – 13 ккал/см².

Годовая сумма осадков составляет 533-640 мм., но их распределение неравномерно и в отдельные годы наблюдаются засухи и суховеи, которые при цветении растений оказывают отрицательное влияние. На теплый период с преобладанием жидких осадков приходится 65%, а на холодный с преобладанием твердых осадков 35% их годового количества.

Сумма активных температур воздуха (2300-2450С) достаточна для выращиваемых сельскохозяйственных культур. По данным метеостанции Курск, расположенной в 4 км от опытного поля, среднегодовая температура воздуха составляет 5,4С с колебаниями от 3,8 до 7,3С. Самым холодным месяцем является январь, среднемесячная температура которого –8,6С, а самым теплым – июль со среднемесячной температурой 19,3С. Продолжительность теплого периода со среднемесячной температурой выше 0С (с 27 марта по 11 ноября) – 229 дней, вегетационного со среднемесячной температурой выше 5С (с 13 апреля по 18 октября) – 188 дней, период активной вегетации со среднесуточной температурой выше 10С равен 152 дням (с 29 апреля по 27 сентября). Средняя дата последнего весеннего заморозка 27 апреля, а первого – осеннего 9 октября.

Температура воздуха за время проведения опытов была различна. Так, например, средняя температура воздуха за 1996 г. ниже на 0,2С или 4,7%; за 1997 г. выше на 0,1С или 1,8% и за 1998 г. уже выше на 0,7С или 12,9% по сравнению со средней многолетней соответственно.

Осадки по годам проведения опытов распределились неравномерно. В 1996 г. выпало 580 мм осадков, что приблизительно соответствует среднему многолетнему значению. В 1997 г. осадков выпало 767 мм, что на 30,6% больше, по сравнению со средним многолетним значением, а в 1998 г. осадков выпало 681,5 мм, что на 16,1% выше среднего многолетнего значения.

Метеорологические условия в годы проведения исследований представлены в приложении №1.

2.3 Формула расчета допустимого внесения осадка сточных вод в почву

Принцип расчета основан на том, что после внесения ОСВ суммарное содержание токсикантов в почве (с учетом рассеивания в пахотном слое) не должно превышать ПДК:

Ф + Д  ПДК, где

Ф – фоновое содержание токсиканта в почве, мг/кг;

Д – дополнительное внесение токсиканта в пахотный горизонт с ОСВ, мг/кг;

ПДК –предельно допустимая концентрация, мг/кг.

В 1982 году и неоднократно позже были опубликованы следующие расчетные формулы (Л.Л. Гольдфарб и др., 1983; В.А. Касатиков и др., 1984):

Д_общ. = (ПДК – Ф)х2600 (кг/га), где

Ф – исходное содержание токсиканта в почве до внесения ОСВ, мг/кг;

2600 – масса пахотного слоя почвы, т/га, в пересчете на сухое вещество.

Средняя ежегодная доза (Д_ср.) внесения ОСВ в почву рассчитывали по формуле:

т/га по сухому веществу

50 – максимальный общий срок в годах внесения ОСВ на один и тот же участок;

С_ос – концентрация определяемого элемента в осадке, мг/кг.

Максимальная разовая доза внесения ОСВ в почву при частоте один раз в пять лет составляет:

Д_макс. = 5 х Д_ср., т/га по сухому веществу

Глава 3. Технология переработки промышленных и коммунальных стоков на очистных сооружениях г. Курска

3.1. Характеристика очистных сооружений г. Курска

Очистные сооружения мощностью 150000 м³ включают сооружения, обеспечивающие механическую и биологическую очистку. По проекту сточные воды должны содержать загрязнения в концентрации по биологическому поглощению кислорода (БПК) – 278 мг/л. Сточная вода отвечает этим требованиям.

Биологическая очистка включает в себя:

• адсорбцию загрязняющего воду вещества на активном компоненте;

• минерализацию загрязнений микроорганизмами в аэробных условиях.

Первый процесс длится около 10-15 минут, а второй довольно длительное время.

При работе аэротенка через него медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом. Подача воздуха производится воздуходувными машинами через фильтростные пластины. Кислород воздуха способствует жизнедеятельности микроорганизмов, частично подавляя развитие патогенных микроорганизмов. Аэрация способствует также большему контакту активного ила с загрязнениями. Одним из основных условий работы аэротенков является получение бактериального хлопка активного ила, способному к быстрому уплотнению, осаждению и отделению от очищаемой жидкости. Активный ил в аэротенках образуется за счет суспензии сточной жидкости, адсорбции коллоидов и размножения на этом субстрате микроорганизмов. Основную часть активного ила составляют бактерии. На 1 г активного ила приходится 10¹² бактерий. Видовой состав бактерий зависит от характера загрязнений. Кроме бактерий в иле находятся одноклеточные организмы и более сложные организмы – коловратки, черви. При нормальной работе аэротенка бактерии и простейшие находятся в равновесии. Нарушение равновесия – это сигнал предупреждения ухудшения работы аэротенка. Наиболее благоприятным условием для процесса очистки в аэротенках является соотношение в поступающей воде: БПК:N:Р = 100:5:1.

Степень очистки зависит от дозы ила – это количество в граммах сухого вещества на 1 л сточной жидкости. Для очистных сооружений г.Курска данная доза составляет в регенераторе – 5-8 г/л и аэротенке – 2,5-3,5 г/л. Качество активного ила характеризуется иловым индексом – это объем ила в мл, занимаемы во влажном состоянии после 30 минут отстаивания 1 г сухого вещества. Если иловой индекс больше 100, то ил плохой, осаждаемость его плохая. Скорость осаждения хлопка активного ила зависит от его плотности. Мелкие микроорганизмы образуют плотный ил, а длинные нитчатые формы, разветвленные организмы образуют рыхлый, плохо осаждаемый ил.

Причинами, нарушающими работу аэротенка являются:

• перегрузка сооружения органическими веществами;

• образование анаэробных зон;

• недостаток биогенных элементов (С, N, Р);

• резкое изменение рН среды и температуры;

• присутствие в сточной воде токсичных веществ.

Биохимическая очистка полная, если биохимические процессы в сооружении доходят до начала реакции нитрификации. Условно степень очистки определяют также по остаточному БПК очищенной сточной воды. При полной очистке БПК  20 мг/л.

Схема работы аэротенка.

Сточная жидкость смешивается с активным илом. Эта смесь аэрируется воздухом на всем протяжении аэротенка. Это необходимо не только для жизнедеятельности микроорганизмов, но и для поддержания во звенном состоянии ила. Во втором отстойнике происходит отделение ила от сточной воды. Ил снова поступает в аэротенк, первая секция которого является регенератором, т.е. сточная вода не подается. Активный ил обладает огромной адсорбционной способностью. Но эта способность со временем уменьшается. Процесс восстановления ее происходит за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Этот процесс называется регенерацией. Однако, в процессе окисления загрязнений происходит увеличение биомассы, поэтому избыточную часть ила удаляют из вторичного отстойника путем откачивания.

В жидкости, очищаемой в аэротенках, происходят следующие изменения:

• снижение концентраций загрязнений вследствие разбавления жидкостью, транспортирующий активный ил;

• адсорбция загрязнений на активном иле, протекающая первые 15-30 минут;

• постепенное уменьшение органических веществ, растворенных в воде надсорбированных на активном иле;

• постепенное уменьшение азота аммонийных солей и нитратов.

При нарушении технологического режима происходит миграция ила из толщи жидкости в ее поверхностные слои. Иловая жидкость становится мутной. Основными минерализаторами органических веществ являются бактерии, которые, питаясь иловыми частицами переводят ряд сложных веществ в более простые. Инфузории и другие простейшие выполняют роль регуляторов развития бактерий, тем самым создают благоприятные условия для процесса минерализации, а также способствуют флокуляции мелкодисперсной взвеси за счет выделения в среду слизи. Простейшие благоприятствуют накоплению в среде азота, повышая ценные качества активного ила как удобрения. Кроме того, простейшие выполняют роль индикаторов, характеризующих работу очистных сооружений. Так при сильном загрязнении воды органическими примесями в иле развиваются мелкие амебы. Инфузории при неблагоприятных условиях притерпевают изменения по своей форме. При хорошей работе аэротенка в активном иле встречается большое количество видов простейших. Особенно характерны Aspidisca, Stylonichia, Vorticella convollaria, Opercularia. Если наблюдается дефицит питательных веществ происходит уменьшение размеров инфузорий.

3.2 Технология переработки осадка сточных вод

Подлежащие спуску в канализацию сточные воды: коммунальные и производственные поступают через приемники в трубы внутренней канализационной сети, затем в стояк, из которого уже выводятся в наружную канализационную сеть.

Наружная канализационная сеть представляет собой разветвленную сеть труб и каналов. Сточные воды, протекая по этим трубам самотеком и переходя постепенно из мелких труб в более крупные комплекторы, направляются на очистные сооружения. В большинстве случаев еще приходится строить станцию перекачки.

Для выделения крупных загрязнений применяются решетки, представляющие собой вертикально или наклонно поставленные на пути движения сточных вод прутья с прозорами различной величины. Для выделения мелкой взвеси применяются отстойники. По характеру своей работы отстойники бывают периодического и непрерывного действия. Отстойники непрерывного действия основаны на том, что чем медленнее движется в них жидкость, тем более мелкие частицы выпадают в осадок. Сточная вода поступает в отстойники непрерывно. Отстойники бывают горизонтальными и вертикальными. Горизонтальные отстойники округлой формы, в которых жидкость поступает не в центр, а собирается по периферии и называются радиальными.

Отстойники, специально предназначенные для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей называются песколовками. После первых отстойников сточные воды поступают в аэротенки. В аэротенках идет биологическая очистка. Биологическая очистка основана на жизнедеятельности микроорганизмов, способствующих минерализации органических веществ.

Аэротенк – наиболее совершенная для биологической очистки сооружение. В нем искусственно создаются необходимые для окисления органического вещества условия путем введения требуемого количества микроорганизмов и кислорода. Аэробные микроорганизмы вводятся в виде активного ила. Они служат той твердой фазой, на которой происходит в аэротенке адсорбция органических веществ. Необходимый для окисления органических веществ кислород поступает с воздухом, вдуваемым в аэротенк воздуходувками. В аэротенках происходят биологические процессы и химическое окисление органических веществ.

После аэротенков сточная вода поступает во вторичные отстойники.

Содержание в очищенной воде небольших количеств нитратов (0,5-1,0 мг/л) указывает на окончание процесса окисления органических загрязнений.

На качество очистки сточной воды в аэротенках влияют три важных фактора: период аэрации, концентрация активного ила, степень его регенерации и расход воздуха. В связи с тем, что приток сточных вод изменяется в больших пределах, меняется период их аэрации. Чем выше БПК сточных вод, поступающих в аэротенки, тем больше должен быть период аэрации.

После биологической очистки вода поступает во вторые отстойники, где в основном происходит осаждение ила, который вынесен из аэротенка. Затем этот ил, который уже в значительной степени утратил свою адсорбционную активность, возвращается в регенератор для регенерации. Вторичные отстойники устроены по тем же принципам, как и первичные. Поступающая сточная вода содержит 40-50% ила. Количество активного ила, составляющего его прирост, должно отбавляться и направляться на подсушку или на сбраживание. Сточная вода после вторых отстойников поступает в контактные резервуары, куда подается хлорная вода.

Правилами спуска сточных вод в водоемы, установленными Государственной санитарной инспекцией, предусматривается дезинфекция спускаемых сточных вод. В качестве дезинфектанта в настоящее время в канализационной практике применяется хлор. Хлорная вода поступает в смеситель, где и смешивается со сточной водой. Быстрее всего входит в соединение с хлором газы и растворимые вещества в сточной воде. Все процессы происходят одновременно, но с различными скоростями.

Сероводород, находящийся в сточной воде и придающий ей гнилостный запах уничтожается мгновенно. Хлор, действуя на сточные воды, не оказывает влияния на бактерии, поэтому хлорирование проводят осветленных вод. Количество хлора, необходимое на дезинфекцию сточных вод, составляет 5-10 мг/м³. Время контакта – 30 минут.

Серьезной проблемой в деле очистки сточных вод является ликвидация загрязнений и осадков, задерживаемых на решетках и отстойниках. При длительном хранении осадка в отстойниках, когда промежуток между очистками полгода, было замечено, что осадок подвергается гнилостному брожению и количество осадка уменьшается. Происходит это в следствии действия анаэробных микробов. При длительном гнилостном процессе, все органическое вещество может быть переведено в растворимое состояние. Для ускоренного процесса брожения применяются специальные сооружения – метантеки с температурой 27-28С и использованием газа метана. Осадок сточных вод содержит азот, фосфор, калий и другие вещества, которые делают его ценным как удобрение. Но для использования осадка в качестве удобрения необходимо уменьшить его влажность. Наиболее простой способ обезвоживания – подсушивание его на иловых площадках, где влажность уменьшается с 90-95% до 55-60%. При этом осадок уменьшается в объеме и теряет свою текучесть.

Ежегодно на иловые площадки очистных сооружений г.Курска выбрасывается 15 тыс. тонн ОСВ.

3.3 Состав сточных вод и условия приема их в городскую канализацию

Сточной водой называется вода, использованная на бытовые или производственные нужды и получившая при этом загрязнения, которые изменяют ее первоначальный химический состав и физические свойства. К сточным водам относят также загрязненные воды атмосферных осадков, воду от полива улиц, мытья машин, транспорта. Выделяют три категории сточных вод: хозяйственно-бытовые, промышленные стоки и ливневые.

В высокоразвитых в индустриальном отношении городах количество производственных сточных вод значительно больше, чем бытовых. Однако, не вся вода производственных предприятий попадает в системы городских канализаций. Состав бытовых сточных вод достаточно однотипен и устойчив, в следствие относительного однообразия хозяйственной деятельности человека. Состав производственных сточных вод весьма разнообразен и зависит не только от вида производства, но и от принятого технологического процесса. Что касается атмосферных осадков, то для них характерны эпизодичность образования и резкая неравномерность по расходу и качеству воды. В систему дождевой канализации попадает большое количество воды от моечных машин и автотранспорта. Эти воды сильно загрязнены, они содержат примеси горючих и смазочных веществ, которые с большим трудом поддаются биохимическому окислению. Спуск таких вод без предварительной их очистки резко ухудшает состояние водоема. Смесь бытовых, промышленных и ливневых вод при общей системе канализации называется городскими сточными водами.

Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные системы, загрязненные веществами, которые могут находится в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии. Коллоидные и нерастворенные вещества образуют грубо и тонкодисперсные системы: суспензии, эмульсии, пену. В сточных водах всегда присутствуют как органические, так и неорганические компоненты загрязнений. Органические вещества в бытовых стоках находятся в виде белков, углеводов, жиров и продуктов физиологической переработки. Кроме того, бытовые стоки содержат крупные примеси – тряпье, бумагу, отбросы растительного происхождения. Из неорганических компонентов в этой категории стоков всегда присутствуют в виде ионов калий, натрий, кальций, магний, хлор. Бытовые стоки обязательно имеют в своем составе биологические загрязнения, которые представлены бактериями, в связи с чем, эти стоки представляют существенную эпидемиологическую опасность для человека. Состав промышленных сточных вод разнообразен: нефтепродукты, кислоты, соединения железа, хрома, меди, цинка, а также жиры, красители. Тяжелые металлы попадают от промышленных предприятий.

ПДК различных веществ изложены в «Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами».

Существуют критерии при установлении ПДК:

• отсутствие вредных веществ для ила и на процесс биологической очистки;

• остаточное содержание вредных компонентов в биологически очищенной воде.

Концентрация не должна превышать ПДК с учетом конкретных условий.

3.4 Обезвреживание сточных вод и методы дезинфекции

Бактериальное заражение источников водоснабжения нередко было началом многих разных эпидемий, охватывающих целые области. Эпидемии являлись прямым результатом отсутствия дезинфекции воды. Одним из наиболее действенных и доступных средств борьбы, как против бактериальных, так и против ряда химических мер загрязнения воды, является обработка ее хлором. Хлор как сильный окислитель разрушает органические соединения, находящиеся в воде, убивает бактерии, способствует гидролизу и изменяет строение молекул, тем самым переводя многие из них в неядовитые соединения. Хлор – газ желто-зеленого цвета, тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде. Хлор – активный элемент, соединяется с металлами и почти со всеми катионами. Быстрее всего входят в соединение с хлором газы, затем жидкость, растворенные в ней вещества, а потом уже нерастворенные вещества.

Все процессы проходят одновременно, но различны скорости течения реакций. Особенно быстро входят в соединение с хлором газы, имеющие в своем составе водород. Хлор, действуя на сточные воды, содержащие нерастворенные загрязнения, не оказывает влияние на бактерии, содержащиеся внутри этих загрязнений, поэтому хлорирование проводят осветленных вод. Это требует меньшего количества хлора и дает лучшие результаты. Для сточной воды после биологической очистки необходимо 5-10 г/м³ хлора. Хлорируема вода перед выпуском в водоем должна содержать остаточное количество хлора – 0,5-1,0 г/м³.

Для того, чтобы хлор действовал на бактерии, находящиеся в сточных водах, необходимо хорошее перемешивание его со сточной водой и достаточное время от 15 до 30 минут.

Контакт сточной воды с хлором осуществляется в специальных резервуарах. Хлор находится в баллонах под давлением 5,6 атмосфер при температуре 0С. Из баллонов хлор поступает в хлораторы, а затем в воду в виде хлорной воды.

Глава 4. Результаты исследований.

4.1 Агрохимическая характеристика темно-серой лесной почвы

Жидкая фаза почвы является непосредственным источником воды и питательных веществ, которые растения извлекают из почвы – этим определяется важнейшая роль жидкой фазы в питании растений (Возбуцкая А.Е., 1968).

Данные водных вытяжек дают хороший сравнительный материал по содержанию и составу водорастворимых веществ в почве и поэтому этот метод находит применение для генетической характеристики многих почв. Методом водных вытяжек пользуются также при исследовании динамики почвенных процессов, изучении режима питательных веществ почвы, выявления присутствия в ней вредных для растений солей и для решения многих других практических задач (Аринушкина Е.В., 1961).

Состав и концентрация почвенного раствора зависит от целого ряда процессов: биологических, физико-химических, химических и физических, которые протекают в почве по разному, в зависимости от температуры, влажности и аэрации. Между жидкой и твердой фазами почвы постоянно существует динамическая адсорбционное равновесие. Все это делает состав и концентрацию почвенного раствора весьма подвижными и приводит к необходимости изучения их в динамике. Метод водной вытяжки является условным и дает лишь качественное представление о составе почвенного раствора и его концентрации.

В водной вытяжке определяли катионы (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺) и анионы (HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-).

В настоящем разделе приводим содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (табл.2)

Таблица 2

2. Содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (мг-экв/100г сухой почвы), 1996 г.

Также были определены ионы тяжелых металлов в почве, данные которых представлены в табл.3

Таблица 3

3.Содержание ионов тяжелых металлов в темно-серой лесной почве (мг на 1 кг почвы), 1996 г.

Как видно из таблицы 3, содержание ионов тяжелых металлов в почве в пределах нормы.

После окончания проведения полевых опытов был сделан химический анализ на содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (табл.4)

Таблица 4

4.Содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (мг-экв/100 г сухой почвы), 1998 г.

Агрохимическая характеристика почвы представлена в табл.4.1.4

Количество НСО₃^- в почвенном растворе сильно варьирует в зависимости от интенсивности процессов окисления органического вещества и образования углекислоты (жизнедеятельность микроорганизмов, дыхание корневой системы растений). Об этом свидетельствуют и наши данные. В начальный период роста растений, когда в почвенной среде не активизировались биологические процессы и корневая система была маломощной, содержание НСО₃^- в почве было невысоким. Однако в последующем, к концу вегетации, когда развилась мощная корневая система и активизировались обменные процессы, количество НСО₃^- возросло. Но, в целом внесение ОСВ не оказывает довольно сильного влияния на концентрацию аниона НСО₃^- в почвенной среде.

Как показывают результаты исследований, заметно увеличилась концентрация анионов Cl^- и SO₄^2- на 0,70 и 2,06 мг на 100 г абсолютно-сухой почвы и в незначительной степени увеличилась концентрация катионов Mg²⁺, K⁺ + Na⁺ в почвенном растворе.

Особенно заметно возрастало содержание катиона Ca²⁺ с 8,10 до 14,09 мг на 100 г абсолютно-сухой почвы. При внесении ОСВ общее содержание катионов и анионов в водных вытяжках из почв возрастает, среди них ведущее место занимает ион кальция. Увеличение количества Ca²⁺ в почвенном растворе изменяются в связи с изменением анионов: чем больше в почве образуется Н₂СО₃ и НNO₃, тем больше количество Ca²⁺ вытесняется водородом из поглощенного состояния в раствор.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно считать, что осадки сточных вод при их использовании в качестве удобрения увеличивают содержание сухого остатка в водных вытяжках из почв, изменяют соотношение анионно-катионного состава, но не оказывают при этом существенного влияния на степень засоленности почв.

ОСВ положительно влияет на агрохимические свойства темно-серой лесной почвы: улучшает плодородие, способствует смещению реакции среды к слабощелочной, а также обеспечивает необходимым набором макро- и микроэлементов.

За периоды возделывания клевера красного, озимой пшеницы и кукурузы определяли влажность почвы. Результаты данных исследований приведены в приложениях 3-5.

4.2 Химический состав ОСВ очистных сооружений г. Курска.

Осадок сточных вод г.Курска имеет вид рассыпчатой рыхлой земли 50-55 % влажности, технологичен к погрузке, транспортировке и внесению. Результаты анализов валового химического состава ОСВ, полученные в химической лаборатории Государственной станции агрохимической службы «Курская» и химической лаборатории кафедры неорганической и аналитической химии Курской ГСХА, представлены в табл.6

Таблица 6

6. Валовой химический состав ОСВ (г.Курска), 1996 г.

Химический состав ОСВ, в зависимости от поступающих промышленных и коммунальных стоков на очистные сооружения, а также методов определения колеблется в достаточно широком диапазоне. ОСВ характеризуется широким набором макро- и микроэлементов, включая и тяжелые металлы.

Из таблицы 6 следует, что наличие ионов тяжелых металлов в осадке сточных вод ниже уровня ПДК.

Следует отметить, что в ОСВ содержится 1,0-1,34% общего азота, 0,21-0,23% общего фосфора, 0,32-0,36% общего калия при рН – 4,8-5,0.

4.3 Влияние ОСВ на рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур.

4.3.1 Рост и развитие клевера красного

Влияние ОСВ на клевер красный изучалось в мелкоделяночном опыте в прямом действии, с учетом высоты растений и урожайности. Результаты роста и развития клевера красного приведены в табл.7

Таблица 7

7. Влияние ОСВ на рост растений клевера красного (полевой опыт 1996 г. – прямое действие).

Как видно из таблицы 7, в год внесения ОСВ рост и развитие клевера красного имеет довольно интересную особенность. Например, во всех вариантах опыта высота растений клевера красного, за исключением последнего, превышала в 1,9-2,3 раза значение на контроле.

К моменту уборки отклонения по высоте растений довольно значительны. Так, например, в вариантах опыта с 20 т/га ОСВ + N₆₀P₆₀K₆₀ и 20 т/га ОСВ + 5 т/га извести высота растений клевера красного имеет максимальные значения и достигает 29,0 и 29,5 см соответственно.

Н
а рис. 1 приведена диаграмма, показывающая влияние ОСВ на рост и развитие растений клевера красного .

Рис.1 Высота растений клевера красного по вариантам опыта: 1 – контроль, 2 – 20 т/га ОСВ, 3 – 20 т/га ОСВ + N₃₀P₃₀K₃₀, 4 – 20 т/га ОСВ + N₆₀P₆₀K₆₀, 5 – 20 т/га ОСВ + 5 т/га извести, 6 – N₆₀P₆₀K₆₀

Таким образом, внесение ОСВ способствует довольно быстрому нарастанию зеленой массы клевера красного и обеспечивает его высокую урожайность.