Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрений

Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрений

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

Страницы: 1, 2, 3, 4