Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические
advertisement
Е. П. Пахненко ОС А ДКИ С ТОЧНЫХ ВОД И ДРУГИЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ УДОБРЕНИЯ Е. П. Пахненко ОС А ДКИ С ТОЧНЫХ ВОД И ДРУГИЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ УДОБРЕНИЯ Допущено Учебно-методической комиссией факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 013000 (020701) и направлению 510700 (020700) «Почвоведение» 3-е издание (электронное) Москва БИНОМ. Лаборатория знаний 2015 УДК 574 ББК 28.080 П21 П21 Пахненко Е. П. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения [Электронный ресурс] / Е. П. Пахненко. — 3-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 314 с.). — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". ISBN 978-5-9963-2968-7 В книге приведен эколого-экономический анализ различных методов утилизации осадков сточных вод (ОСВ) с оценкой мировой практики применения этих методов. В России применение ОСВ в агрикультуре составляет лишь около 5%. При резком дефиците минеральных и органических удобрений раскрыты новые возможности экологически безопасного использования ОСВ в земледелии, кормопроизводстве и зеленом строительстве. Разработаны новые технологии применения ОСВ в качестве удобрений. Оценена нормативно-правовая база агротехнологий получения безопасной растениеводческой продукции. Описаны приемы предотвращения возможного загрязнения почв и иных объектов природной среды. Для студентов, аспирантов, преподавателей и научных сотрудников в области экологии и почвоведения, работников коммунального хозяйства, а также специалистов ландшафтно-паркового дизайна и газонной индустрии. УДК 574 ББК 28.080 Деривативное электронное издание на основе печатного аналога: Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения / Е. П. Пахненко. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 311 с. : ил. — ISBN 978-5-94774-597-9. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-9963-2968-7 c БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007 ○ ОГЛАВЛЕНИЕ Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Глава 1. Методы утилизации осадков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1. Состав осадков, нормативы, классификация . . . . . . . . . . . . . 6 1.2. Перспективные технологии переработки осадков . . . . . . . . 15 1.2.1. Низкотемпературный пиролиз осадков . . . . . . . . . . . . 15 1.2.2. Переработка активного ила в кормовой продукт . . . . . 16 1.3. Биотехнология переработки отходов на основе микробных ассоциаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.1. Биоудобрение на основе жидкого свиного навоза — бамил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.2. Биоудобрения на основе птичьего помета . . . . . . . . . . 22 1.3.3. Биокомпосты на основе микробных активаторов . . . . 26 Глава 2. Технологии очистки и переработки осадков сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1. Современные макротехнологии очистки городских сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Аэробная и анаэробная ферментация осадков, процессы, преимущества биологической технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Совместная термическая переработка ОСВ и твердых бытовых отходов (ТБО) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Методы рекультивации иловых площадок, депонирование осадков в котлованах и наземных холмах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Локальные системы очистки сточных вод, организмы биоиндикаторы очистки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 . . 32 . . 47 . . 48 . . 52 Глава 3. Санитарно-паразитологические показатели осадков, методы обеззараживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1. Возбудители паразитарных болезней, санитарные критерии оценки почв. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.2. Основные методы обеззараживания осадков сточных вод, приемы удаления тяжелых металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.2.1. Физические методы обеззараживания . . . . . . . . . . . . . 74 310 Оглавление 3.2.2. Химические методы обеззараживания . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Биотермические методы обеззараживания (компостирование) осадков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Приемы удаления тяжелых металлов из осадков . . . . 3.2.5. Приемы обеззараживания осадков в индустриальных странах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Устойчивость растений к болезням при внесении ОСВ в почву . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 . 82 . 88 . 92 . 96 Глава 4. Требования к осадкам сточных вод. Дозы, особенности внесения ОСВ под сельскохозяйственные культуры . . . . . . . . . 102 4.1. Показатели осадков при использовании в агроценозе 4.2. Удобрительная ценность осадков, экологический контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Дозы внесения осадков сточных вод в почву . . . . . . . 4.4. Особенности и сроки внесения ОСВ под основные сельскохозяйственные культуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 . . . . 106 . . . . 109 . . . . 122 Глава 5. Влияние осадков сточных вод на плодородие почв . . . 125 5.1. Влияние осадков на физические свойства почвы . . . . . . 5.2. Влияние ОСВ и компостов на кислотно-основные свойства почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Осадки сточных вод и компосты как источники органического вещества и азота в агроэкосистеме . . . . . 5.4. Применение осадков сточных вод и динамика фосфора в почвах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Применение осадков сточных вод и динамика калия в почвах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Коэффициент использования биоэлементов из осадков сточных вод (КИУ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 . . 131 . . 140 . . 150 . . 157 . . 168 Глава 6. Биологическая активность почв при внесении ОСВ и компостов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.1. Содержание микроорганизмов в осадках, численность, видовой состав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.2. Биологические параметры для оценки интенсивности процессов в осадках и почве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.3. Ферментативная активность почв и применение ОСВ . . . . 184 Оглавление 311 Глава 7. Тяжелые металлы в почвах агроценозов при внесении ОСВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.1. Нормирование тяжелых металлов, их трансформация при внесении осадков в почву, источники поступления. . . 197 7.2. Фракционный состав соединений ТМ в почвах при внесении осадков сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 7.3. Приемы детоксикации ТМ в почвах агроценозов. . . . . . . . 212 7.4. Особенности применения ОСВ в агроценозах Московской области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 7.5. Расчет дозы внесения ОСВ с учетом содержания ТМ . . . . 225 Глава 8. Влияние осадков сточных вод на поступление тяжелых металлов в сельскохозяйственную продукцию . . . . . . . . . . . . . 227 8.1. Тяжелые металлы в зерне и в соломе, влияние агротехнических условий на их содержание . . . . . . . . . . . . 228 8.2. Тяжелые металлы в пропашных и овощных культурах . . . . 235 8.3. Виды и сорта сельскохозяйственных растений, устойчивые к тяжелым металлам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 8.4. Применение ОСВ и особенности поступления ТМ в растительную продукцию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Глава 9. Нетрадиционные органические удобрения и химические мелиоранты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 9.1. Состав и свойства сапропелей, использование в агроценозе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 9.2. Бикомпосты на основе сапропелей, агротехнические особенности, влияние на плодородие почвы . . . . . . . . . . . 252 9.3. Бардяной ил, свойства, особенности применения . . . . . . . 258 Глава 10. Использование осадков сточных вод в агроценозах, при лесоразведении, в зеленом строительстве . . . . . . . . . . . . . 263 10.1. Внесение осадков в агроценозах, агротехнические условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 10.2. Использование осадков сточных вод при лесоразведении и лесовосстановлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.3. Использование осадков сточных вод в зеленом строительстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 10.4. Экономическая эффективность использования осадков сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 ВВЕДЕНИЕ Количество городских стоков и осадков сточных вод (ОСВ) постоянно растет, вместе с этим обостряются проблемы, связанные с их рациональной, экономически эффективной и экологически безопасной утилизацией. Предлагаются качественно новые и совершенствуются уже используемые методы очистки стоков, обезвоживания и хранения ОСВ. Разрабатываются научно-обоснованные технологии их применения в качестве удобрений и нормативные документы по этим вопросам. Среди них международные — Директива 86/278/ЕС; «Рабочий документ», 2000; российские — ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений»; «Гигиенические требования к безопасности агрохимикатов, СП 1.2.1170-02». В стадии разработки находятся технологические регламенты. Нормативно-правовая база, регламентирующая особенности технологий, связанных с получением безопасной растениеводческой продукции и предотвращения возможного загрязнения почв, нуждается в постоянном совершенствовании на основании результатов комплексных научных агроэкологических и микробиологических исследований. Осадки сточных вод представляют собой отдельный вид отходов, образование которого в условиях городов составляет 30–45% от общего количества отходов производства и потребления. На территории России выделяется ряд регионов, где существует реальная угроза ухудшения экологической и санитарно-эпидемиологической обстановки, возникновения чрезвычайных ситуаций из-за аварий в системах городских очистных сооружений, станциях аэрации, прудах-накопителях и т. д. Только в Москве на очистных сооружениях ежегодно образуются миллионы тонн осадков. Практически все они обезвоживаются по новой технологии. Для их складирования (депонирования) заняты значительные площади, а экологически безопасная переработка и хранение требуют привлечение значительных материально-технических ресурсов. Проведение мероприятий по выводу ряда производств и модернизации системы городских очистных сооружений способствовало изменению состава осадков сточных вод. В них снизилось содержание соединений химических элементов, относящихся к потенциальным загрязнителям агроэкосистем. Появляется реальная возможность их утилизации в Московской области 4 Введение с получением качественной сельскохозяйственной продукции и обеспечением воспроизводства плодородия почв. За рубежом, в зависимости от региональных геоэкологических особенностей стран, в агропроизводстве (земледелии) используют от 10 до 90% накапливающихся ОСВ, в среднем в Западной Европе — 30–40%. В мире прослеживается устойчивая тенденция к ежегодному росту этого показателя в общих объемах утилизации. По прогнозам, в США к 2010 г. он составит не менее 60%. В нашей стране по самым оптимистическим оценкам использование ОСВ в агрикультуре пока достигает лишь 5%. Отсутствие существенных позитивных результатов в ряде агрономических экспериментов позволило высказать сомнения в целесообразности и возможности рационального использования ОСВ в земледелии и кормопроизводстве. С учетом сложившейся в аграрном секторе страны ситуации, при резком дефиците минеральных и органических удобрений, напротив, высказывается мнение о том, что только дозы ОСВ 30–40 т/га и более могут привести к значимым изменениям агрохимических свойств почв и будут экономически рентабельны. В то же время именно в России (в Московской области, в частности) остро стоит проблема изучения последствий разового и систематического внесения высоких доз ОСВ, достигающих в 1985–1990 гг. 150–200 т/га и более. В этой связи особенно актуально проведение системного анализа накопленной ранее информации результатов комплексных исследований и накопленного практикой утилизации и использования ОСВ опыта. Биологические процессы в почвах являются системообразующими, определяют ряд важнейших экологических функций почвенного покрова, а также условия формирования полноценной и безопасной растительной продукции. Показатели, характеризующие состояние почвенной микрофлоры и интенсивность процессов микробной трансформации азота, углерода и иных биофильных элементов в почвах, можно использовать в качестве диагностического критерия устойчивого функционирования агроэкосистем и процессов восстановления их природно-ресурсного потенциала. Существующих методик для нормирования воздействия ОСВ на природные среды, оценки последствий их применения, а также эффективности агротехнологий утилизации осадков крайне недостаточно. В настоящее время однозначно не решен вопрос о критериях и параметрах использования возрастающих доз различных по предварительной очистки, условиям и срокам хранения типов ОСВ и компостов, приготовленных на их основе. Изучение состояния Введение 5 почвенной микрофлоры и показателей интенсивности биологических процессов, обобщение данных ранее проведенных полевых опытов и результатов длительного почвенно-экологического мониторинга позволят оценить уровень плодородия почв, способность самовосстановления агроэкосистем и реабилитации (ремедиации) земель после разового и систематического внесения высоких доз ОСВ. Такие исследования имеют большое научное и практическое значение, поскольку могут помочь в принятии решений о возможности экологически оправданного и безопасного использования ОСВ в земледелии, кормопроизводстве и зеленом строительстве при утилизации этого вида отходов. Глава 1 МЕТОДЫ УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ 1.1. Состав осадков, нормативы, классификация Методы утилизации осадков сточных вод и их соотношение указаны на начало ХХI века. Соотношение методов является устойчивой, но непостоянной величиной. Разработка новых технологий, забота об охране окружающей среды, государственное законодательство изменяют эти показатели в сторону возможной экологизации. Основными определяющими факторами утилизации являются следующие: а) наличие свободных территорий для складирования и хранения; б) экономические ресурсы, необходимые для капитального строительства и эксплуатации очистных сооружений; в) альтернативные экологические технологии утилизации ОСВ, которые отличаются высокой наукоемкостью. Например, в будущем европейские страны предполагают до минимума снизить, а Швеция — совсем исключить захоронение отходов на свалках. В Германии планируют увеличить использование отходов в сельскохозяйственном производстве с 25 до 40%; в настоящее время более половины их захоранивается на свалках. В Финляндии из общего количества осадков, которое используется в виде удобрений, одна треть вносится на поле, 17% — применяются для городского озеленения, одна треть — при обустройстве магистральных дорог и около 20% компостируется. В табл. 1-1 показано, что в современных условиях одним из основных методов утилизации осадков является сжигание. В развитых капиталистических странах, особенно в Японии и США, к началу 1980-х годов этот метод являлся самым распространенным. Основное достоинство метода: малая площадь, необходимая для утилизации, независимость от климата и времени года, а также малое количество зольного продукта, который можно безопасно ис- Методы утилизации осадков 7 Таблица 1-1. Основные методы утилизации осадков сточных вод (в %) в современных условиях Страна Использование Захоронение в с/х на свалках Сжигание Сброс в море, океан и др. технологии Англия 53 16 7 24 Австрия 20 49 31 — Германия 25 55 15 5 Дания 45 28 18 9 США 25 25 35 15 Италия 20 60 — 20 Финляндия 40 41 — 19 Швейцария 50 30 20 — Швеция 60 30 — 10 Франция 23 46 31 — пользовать в дорожном строительстве. Однако в современных условиях такой метод вызывает много критических замечаний. Бытовые отходы — это громадное количество органического вещества, которое безвозвратно теряется не только отдельными странами, но и планетой в целом. Газообразные продукты сжигания, такие как оксиды серы, мышьяка, тяжелых металлов, а также сероводород и хлор загрязняют атмосферу. Выброс в атмосферу при переработке 1 т отходов составляет 27 кг. При этом не учитывается, что происходят безвозвратные потери окислов биофильных элементов, таких как азот, фосфор, калий, магний, медь и других, необходимых для почвы и растений. Расчеты показывают, что количество тепловой энергии, которое затрачивается на сжигание отходов даже по современным технологиям, на 30% превышает ту энергию, которая получается при их переработке (Покровская, Касатиков, 1987). Для сжигания осадков применяют специальные печи (циклонные, барабанные, печи с кипящим слоем), но все они требуют предварительного обезвоживания осадков. При высоком содержании воды в осадках сточных вод расход тепла на испарение воды намного превышает тепловую энергию, которая получается при их утилизации. В современных условиях многие страны применяют совместное сжигание твердых бытовых отходов и осадков сточных вод. Од- 8 Глава 1 нако при этом содержание твердых веществ в осадках должно быть не ниже 40%, а суммарная влажность не более 60%. Следовательно, в условиях Российской Федерации, особенно в Центральной Нечерноземной зоне, такой переработке будут препятствовать и климатические условия. Даже при хорошей водоотдаче перерабатываемых осадков предстоят большие экономические затраты на их обезвоживание и сушку. Следовательно, метод сжигания осадков следует реализовать только в том случае, если ни один другой более эффективный способ использования осадков невозможен. Такая система утилизации существует в Выборгском районе Ленинградской области, что связано с высокой плотностью населения и негативными климатическими условиями: высокое количество атмосферных осадков, близкое залегание грунтовых вод, высокая влажность твердых бытовых отходов. В индустриально развитых странах на одного жителя в год образуется около 19–20 кг сухого вещества осадков сточных вод, поэтому можно приблизительно рассчитать производство осадков для каждой страны, зная численность населения. Однако такие методы утилизации как сброс в океан и сжигание заведомо дают более низкие цифры. Например, при близкой численности населения в таких странах как Франция (54,2 млн человек) и Англия (56,1 млн человек) различия по производству осадков составляют 2,4 раза: производство их во Франции составляет всего 510 тыс. т, а в Англии — 1240 тыс. т. Несколько меньше дисбаланс между численностью населения и производством осадков в Италии. Высокая степень несоответствия этих показателей наблюдается в Бельгии, Нидерландах и других странах. В странах континентального климата с высокой суммой положительных температур переработка отходов осуществляется проще и с меньшими затратами. Примером такой технологии является наземное компостирование отходов в неглубоких траншеях с принудительной подачей кислорода и слабым подогревом всей смеси. Срок компостирования в условиях Лос-Анджелеса составляет всего три месяца. В РФ производство осадков сточных вод оценивается в 2,5 млн т сухого вещества в год. В качестве удобрений в сельскохозяйственном производстве используется около 7% осадков. Основной метод утилизации — сохранение осадков на иловых картах или захоронение. Термические методы переработки осадков в РФ практически не используются из-за высокой стоимости капитальных сооружений. Более широкое применение они находят в малоземельных странах, таких как Дания (Хенце и др., 2004). Методы утилизации осадков 9 Результаты научных и научно-практических разработок отечественных ученых позволили создать нормативную базу в РФ по применению осадков и компостов на их основе для удобрения сельскохозяйственных и садово-огородных культур, а также для использования в зеленом строительстве и для биологической рекультивации нарушенных земель. Эти нормативы явились основой для Государственного стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Охрана природы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений». В табл. 1-2 показано, что одним из основных показателей, по которому определяется пригодность осадков, является содержание в них органического вещества. Для использования в сельскохозяйственной практике пригодны осадки, которые содержат более 20% органического вещества на естественную влажность, так как влажность осадков этим документом не норматируется. Анализ по городам и странам показывает, что в основном осадки сточных вод содержат органического вещества заметно больше (около 50%). Соответственно, все представленные осадки имеют содержание общего азота намного больше, чем предусмотрено ГОСТ. В основном, содержание общего азота в осадках 2,0–2,5%, а по нормативу — 0,6%. Увеличение содержания органического вещества в почве находится в прямой зависимости от дозы применяемых органических удобрений. На черноземных почвах осадки и навоз, внесенные в эквивалентной дозе, оказывали одинаковое влияние на состояние гумусовых веществ, в том числе и на содержание лабильных органических веществ (ЛОВ). Повышение содержания органических веществ позитивно влияет на содержание азота в почве и, как правило, сопровождается повышением биологической активности почвы. Степень эффективности определяется взаимодействием абиотических и биотических факторов в агроценозе и прослеживается на протяжении 3–5 лет после внесения осадков. Обычно осадки сточных вод рассматриваются как надежный источник пополнения фосфора в агроценозе. Однако участие осадков в круговороте элементов устойчиво проявляется не только через поступление их с промышленным стоком, но и через процессы малого биологического круговорота в звене «почва–растения–животные–человек». В связи с этим на малоплодородных почвах с низким содержанием биогенных элементов формируются осадки, в которых содержание фосфора меньше, чем по нормативу. Низкое содержание фосфора (Р2О5) 0,65–1,2% имеют осадки городов Владимир, Иваново, Павловск и т. д. * Новые осадки Cd Ni Pb Cr Cu Zn рН(КСl) Фосфор общий (Р2О5), % Калий общий (К2О), % Кальций, % Органическое в-во, % Азот общий, % Влажность, % Показатели 0,5 — 0,2 3,7 6,9 Не нормирован Не нормирован 5,5–8,5 10 104 36 380 430 1670 0,4 3,9 30 400 500 1000 1500 3500 4,3 1,8 ³0,6 ³1,5 Санкт-Петербург (г. Павловск) — 0,2 0,4 1,2 2,0 56 — 6,3 — 0,4 4–7 3,0 — — г. Н. Новгород, 2004 г. Тяжелые металлы, 26 7 20 130 33 460 52 57 220 260 — 1010 445 276 900 960 — 3500 2,4 74,0 — 45 ГОСТ, 2001.17.4.3.07 ³20 г. Москва, Курьяновская СА, 2003 г. 84 г. Санкт-Петербург (г. Пушкин) Не нормирован г. Новосибирск, 2001 г. г. Улан-Удэ, 2002 г. 7,4 7,0 0,7 2,4 2,1 32 — г. Рубцовск, Ярославская обл., 2000 г. — — 0,4 2,6 2,7 51 — — 18 0,7–1 1–3 1–5 38–70 — г. Владимир, 2001 г. 7,1 — 0,3 2,4 1,3 33 42 г. Казань, 2001 г. 4,8 4,9 0,6 0,7 2,0 48 — г. Иваново, 2001 г. 6,0–8,1 — 0,3 3,0 2,8 60 62 7,9 — 0,3 1,1 2,2 51 — г. Архангельск ОСВ с ЦБК, 2000 г. валовое содержание (мг/кг) на сухое вещество 30 22 10 12 11 56 8 6 300 130 23 370 52 141 61 180 300 86 3 14 50 70 15 8 1600 — 120 130 180 1550 340 110 720 420 53 700 360 320 — 120 3500 760 120 1600 740 70 — 180 7,3 — 0,7 4,5 2,0 48 — г. Энгельс, Cаратовская обл., 2001 г. Таблица 1-2. Состав ОСВ некоторых населенных пунктов после очистки г. Щекино, Тульская обл., АО «Азот», 1995 г. 11 95 — 570 230 970 7,7 0,7 — 3,0 3,7 60 77 Швеция, Упсала. ср. многолетние 7,3 8,0 1,1 2,9 3,9 49 — Италия, г. Пиза, 1999 г. 1,7–3,5 4 17–30 40 75–160 60 50–200 100 1300 240 600–1000 1640 7,1–7,8 9–11 0,1–0,4 3,0–4,9 0,4–1,0 28–32 — — — — — — — 7,8 0,4 1,0 2,3 3,7 52 80 Канада, 1999 г. Методы утилизации осадков 11 В связи с тем что калий является подвижным элементом, особенно в водной среде, он теряется на всех этапах продвижения и подготовки осадков. Анализы показывают, что по сравнению с конским навозом осадки имеют в 5–10 раз меньше калия. Этот элемент не нормируется, и принято считать, что если обычные осадки используются в агроценозе, то они всегда требуют дополнительного внесения минерального калия. По регламенту РФ допускается использование осадков при pHКСl 5,5–8,5, т. е. в широком диапазоне. Однако практика показывает, что большинство осадков имеют нейтральную или слабощелочную среду, а реагентные осадки после обработки их СаО имеют рН около 11, поэтому иногда их рассматривают как известковое удобрение. Есть сведения, что такие осадки имеют меньшую биогенность, чем те, которые не проходили обработку. Щелочная среда снижает подвижность в почве тяжелых металлов и поступление их в растения. Влияние тяжелых металлов на урожай возрастает по мере минерализации осадка в почве и увеличивается на второй–третий год последействия. Содержание тяжелых металлов является одним из важнейших критериев экологической оценки осадков. Учитывают концентрацию в основном наиболее опасных восьми элементов. Предельно допустимое содержание (ПДК) элементов в ОСВ населенных пунктов при утилизации в качестве удобрений по странам и континентам варьирует. Например, концентрация наиболее опасного элемента кадмия составляет для Канады 5 мг/кг, а для США — 17 мг/кг сухого вещества (табл. 1-3); допустимое содержание хрома в осадках для Дании составляет 40 мг, а для США — 1200 мг, т. е. в 30 раз больше. Для оценки влияния тяжелых металлов (ТМ) в агроценозе, особенно при внесении осадков сточных вод, существует несколько подходов: 1) оценивать влияние ТМ по содержанию валовых форм в осадках и в почве; 2) оценивать влияние ТМ по содержанию подвижных форм элемента, которые извлекаются ацетатно-аммонийным буфером из осадка и из почвы; 3) оценивать влияние осадка по содержанию ТМ в растениях. На значение этого показателя влияют экономические и технические условия региона, новые научные данные по испытанию осадков и миграции ТМ по трофическим цепям, агротехнические приемы внесения осадков и их утилизации. Например, исследования группы сотрудников ВИУА под руководством проф. Г. Е. Мерзлой в московском регионе позволили разделить осадки Курьяновской станции аэрации на старые и новые в зависимости от срока хранения. При совершенствовании технологии очистки сточных вод, а также 12 Глава 1 Таблица 1-3. Предельно допустимое содержание (ПДК) элементов в ОСВ населенных пунктов при утилизации в качестве удобрений (мг/кг сухого вещества) (2002 г.) Минимальное содержание Максимальное содержание Максимальное содержание по Российской Федерации, ГОСТ Hg 5 Канада 17 США 15 As 10 Нидерланды 75 Канада 20 Cd 5 Германия 30–39 США, Украина 30 Cr 40 Дания 1200 США 1000 Pb 1000 Швейцария 300 Швеция 500 Элемент существенного сокращения сброса промышленных загрязнений в канализацию осадки, образовавшиеся в последние годы, отличались по химическому составу от тех, которые образовались десятилетие назад. Прежде всего, новые осадки содержали заметно меньше тяжелых металлов: кадмия, свинца, никеля (Стратегия использования осадков ...2002). Агроэкологическая оценка показала преимущество нового осадка: прибавка кормовой массы ячменя и ежи сборной при внесении нового 35 т/га составила 153%, а при внесения старого осадка — 72%. С учетом почвенно-климатических условий допустимое содержание ТМ в осадках может, в отличие от ранее принятых, как снижаться (–), так и повышаться (+). Наиболее убедительно это показано для европейских стран и США в последнее время. С учетом слабой буферности почв, малого содержания в них органического вещества требования к содержанию таких элементов как свинец, хром, медь, цинк были повышены в Германии; напротив, для США, где в сельскохозяйственном производстве в основном используются черноземные почвы, ПДК для таких элементов как кадмий, никель, хром, медь и цинк были увеличены примерно на 30% против принятых ранее (табл. 1-4). В РФ содержание ТМ в осадках нормируется по I и II группам. Осадки I группы имеют более жесткие ограничения, чем нормативы II группы, которые легко рассчитываются: n — содержание элемента в I группе ´ 2. Нормативы РФ по содержанию ТМ II группы в основном соответствуют международным стандартам. Методы утилизации осадков 13 Таблица 1-4. Предельно допустимое содержание ТМ в осадках сточных вод, используемых на удобрения (в мг/кг сухого вещества) As Hg Cd Co Ni Pb Cr Cu Zn 1500 3500 Россия 20 15 30 н/н 400 500 1000 США 40 17 40 н/н 420+ 300– 1200+ 1500+ 2800+ Англия н/н 15 <1 н/н 100 1000 — Франция н/н 10 20+ 20+ 200+ 800+ 1000+ 1000– 3000 Германия н/н 20 5– н/н 200 900– 900– 1000– 2000– Швейцария н/н 10 30 100 200 1000 1000 100 3000 Финляндия 30 100 500 1200 1000 3000 5000 н/н — 800 2000 Примечание: н/н — содержание элемента не нормируется; (–) предельно допустимое содержание элемента снижено или (+) увеличено в последние годы. По РФ ПДК по ГОСТ — 2001, II группа нормирования В зависимости от технологии переработки ОСВ на очистных сооружениях осадки делятся на следующие типы: термофильносброженный, мезофильно-сброженный, аэробно-стабилизированный. В связи с высокими энергозатратами первые два типа осадков составляют небольшую долю; в основном преобладают осадки анаэробно-стабилизированные. Каждый тип осадков делится на два вида: реагентные и безреагентные. По введению флокулянтов реагентные осадки разделяют на реагентные с введением неорганических и реагентные с введением органических флокулянтов. Безреагентные осадки различают по способу хранения и утилизации (рис. 1-1). Исследования у нас в стране и за рубежом, выполненные в основном в последнее десятилетие, выявили группу позитивных и негативных факторов, которые проявляются при использовании осадков в агроценозе (рис. 1-2). Интенсивность проявления как позитивных, так и негативных тенденций определяется в основном почвенно-климатическими условиями. На окультуренных, буферных почвах происходит нивелирование негативных процессов. Напротив, в условиях малогумусных слабоокультуренных почв негативные факторы проявляются более ощутимо. 14 Глава 1 Рис. 1-1. Классификация осадков городских сточных вод по РФ (Справочная книга по производству и применению..., 2001) Рис. 1-2. Позитивные и негативные факторы влияния осадков сточных вод в агроценозе (Пахненко, 2000) Методы утилизации осадков 15 1.2. Перспективные технологии переработки осадков 1.2.1. Низкотемпературный пиролиз осадков Новым наукоемким процессом утилизации осадков является низкотемпературный пиролиз. Он реализуется в Японии, Италии, разрабатывается учеными Германии и других стран. Наибольшее число пиролизных установок построено на базе переработки твердых бытовых отходов. Намного меньше их работает на смеси бытовых отходов со сточными водами. Основная цель — не только переработка отходов, но и утилизация органики с получением основного продукта — «сырой нефти». Исследования Штутгартского университета (Германия) показывают, что для переработки можно использовать любые органические отходы, но чем выше содержание органического вещества, тем выше КПД процесса. Особенно высокую отдачу при переработке дают активный ил и иловые отложения на дне городских водоемов. Пиролиз отходов осуществляется при температуре 250–400 °С. Особенностью низкотемпературного пиролиза является то, что перерабатываемый осадок переходит в углеводороды сначала в газообразном состоянии, а после их конденсации образуется «сырая нефть». В отличие от простого сжигания, наблюдается меньшая загрязненность атмосферы, позитивно вовлекаются в переработку и многие газообразные продукты процесса. При пиролизе удачно используются некоторые компоненты осадков, такие как силикатные продукты и соли меди. Необходимо отметить, что указанные вещества выполняют роль катализаторов в процессе перегонки, поэтому их дополнительное внесение при пиролизе не требуется. Наиболее сложным является удаление из состава «сырой нефти» соединений азота. Их количество в осадках сточных вод и в активном иле изменяется в широких пределах от 0,7 до 5,0% (Анализ существующего положения... ,1989) и определяется уровнем потребления белковых компонентов, экономическим уровнем развития социальной сферы, интенсивностью сельскохозяйственного производства в разных странах. Естественно, что в осадки сточных вод попадает азот, как технический, так и биологический, который синтезируется растительностью. При пиролизе происходит обеднение почвы азотом, т. е. идет его отчуждение из биологического круговорота. По сравнению с природной нефтью полученный продукт пиролиза имеет очень высокое содержание «вредного» азота. Технологи предполагают, что удаление большей части азота возможно в виде аммиачных солей. Основная проблема пиролиза — снижение влажности осадков с 95% в исходных до 60%. Поэтому большие масштабы переработки сырой и 16 Глава 1 объемной биомассы — высокоэнергозатратный механизм. Одна из современных пиролизных установок в г. Милане (Италия) потребляет и перерабатывает 10 т в сутки абсолютно сухих остатков. Несмотря на определенные преимущества пиролиза перед другими способами утилизации, следует отметить, что происходят безвозвратные потери органического вещества (что крайне опасно с позиций сохранения почвенного плодородия), а также выпадение из сферы биологического круговорота многих биофильных макрои микроэлементов. Доля осадков сточных вод, которые используются в сельскохозяйственном производстве, в последние годы растет. Так, за четверть века внесение осадков сточных вод в почву увеличилось более чем в 4 раза в США. С 2005 г. по законодательным актам в ФРГ прекращается вывоз на захоронение осадков сточных вод с содержанием органического вещества менее 5%, что связано с биологизацией земледелия и отсутствием в стране реальных источников органического вещества, таких как торф, сапропель и т. д. 1.2.2. Переработка активного ила в кормовой продукт Последние 40 лет в экономически развитых странах — США, Канаде, Чехословакии — проводятся исследовательские работы. Установлено, что активный ил, который образуется после биологической очистки сточных вод обладает высоким кормовым качеством. Продукт содержит белки, свободные аминокислоты и группу витаминов, кроме того, некоторое количество липидов. Особенно удачной оказалась технология внесения небольшой (2–3%) добавки активного ила в рацион кур и свиней. Привесы животных увеличивались примерно на 20% по сравнению с контрольной группой. Технология получения кормового белка осуществляется пока чаще на пилотных установках. Основные процессы производства следующие: измельченные отходы целлюлозы перемешиваются с осадками сточных вод, к ним добавляются органические легкоусваиваемые субстраты, а также необходимые минеральные вещества. На этой основе выращивается активная ассоциация микроорганизмов. Микроорганизмы гидролизуют инертную биомассу, усваивают азот и другие биоорганические соединения. Основную ассимиляцию биомассы осуществляют грибы, температура процесса находится в пределах 25–45 °С. Таким образом дополнительного введения энергии не требуется. Такая заманчивая перспектива пока слабо реализуется на практике, хотя, по утверждениям американских ученых, проблему переработки отходов в кормовой белок можно считать решенной (Montigny, Steurns-Smith, 2001; Thacker, Macyk, 1995). Методы утилизации осадков 17 Рис. 1-3. Микробиологическая переработка отходов животноводства, жидкий свиной навоз (по И. А. Архипченко, 1999) Наиболее сложной частью этой технологии является составление и подбор микробной ассоциации, которая бы сочетала в себе устойчивость к изменению температуры процесса и усвоение гетерогенных органических остатков, которые в настоящее время включают много полимерных соединений, слабо поддающихся разложению. В РФ разработана технология получения кормового белка на основе более однородных и качественных отходов (Архипченко, 1994; Архипченко, 2000): жидкого свиного навоза, который образуется на промышленных фермах в процессе гидросмыва. Фракции такого навоза используются: 1) для компостирования с торфом; 2) сбраживания в метатенках с получением биогаза. Микробная ассоциация представлена следующими группами микроорганизмов: Methanobacterium, Methanospirillus, Methanosarzina, Bacteroides. В процессе очистки сточных вод важную функцию выполняют простейшие рода Opercularia. Следует отметить, что эта технология осуществляется при влажности исходного продукта 86–92%, при изменении влажности в сторону увеличения в ассоциации появляются другие микробные доминанты, такие как Proteus, Bacillus, Fusarium, Nocardia. Основные процессы переработки и получаемые продукты представлены на рис. 1-3. 18 Глава 1 1.3. Биотехнология переработки отходов на основе микробных ассоциаций Биотехнология переработки отходов на основе активных микробных ассоциаций позволяет получать в отечественной практике высокоэффективные микробнотрансформированные удобрения, которые к настоящему времени успешно прошли испытания в полевых и вегетационных опытах. Доказано их позитивное влияние на свойства почвы, продуктивность растений, а их качество существенно выше, чем при внесении эквивалентной дозы минеральных удобрений, нативного жидкого навоза, куриного помета и т. д. 1.3.1. Биоудобрение на основе жидкого свиного навоза — бамил Наиболее устойчивые и обнадеживающие результаты обеспечивает применение микробнотрансформированной органики на основе отходов животноводства и птицеводства. В России во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии разработаны технологии, обеспечивающие получение новых видов микробных удобрений: бамила, омуга, экуда и пудрета. Институт в рамках государственных программ имеет опытные пилотные установки для получения экспериментальных партий биоудобрений. Бамил — биоудобрение на основе свиного навоза. Это органическое удобрение, изготавливаемое из активного ила, полученного в результате аэробной биологической очистки навозной жижи свинокомплексов. Бамил состоит из органических компонентов осадка сточных вод, высушенной биомассы активного ила и микробных метаболитов. В состав удобрения входят также жизнеспособные микроорганизмы. В основе получения бамила лежит направленное культивирование ассоциаций аэробных микроорганизмов на стоках свиноводческих ферм. Комплексная оценка физиологического состояния микробных сообществ в экосистеме очистных сооружений позволила выявить факторы, лимитирующие окислительные процессы, регулировать активность микроорганизмов и структуру микробоценоза (Архипченко, 1991). По химическим параметрам биоудобрение бамил отличается от органических удобрений более высоким содержанием элементов минерального питания. Так, в бесподстилочном навозе содержится 0,72% азота, 0,47% фосфора и 0,21% калия. В бамиле содержание NPK составляет соответственно 5, 1,8 и 0,8% (Архипченко, 1996). Это позволяет вносить бамил в почву в более низких дозах, а изве- Методы утилизации осадков 19 стный химический состав и возможность его регулирования позволяют рассчитывать дозы, эквивалентные определенным дозам минеральных удобрений. Содержание микроэлементов в бамиле достаточно для нормального роста и развития растений и составляет Zn — 0,05%, Fe — 1%, Mn — 0,8%, Cu — 0,5%. Доминирующее положение в микробоценозе бамила занимают представители родов Bacillus (B. subtilis, B. cereus, B. megaterium, B. pumilis, B. brevis), Micrococcus, Artrobacter. Они способны к образованию устойчивых спор и наиболее широко распространены во всех природных субстратах (Барболина, 1997). Бактерии данных родов участвуют в процессах разложения различных органических субстратов (мочевины, фосфорорганических соединений и т. д.), составляя группу гидролитиков. Представители рода Bacillus относятся к различным трофическим группам: аммонификаторам, уробактериям, микроорганизмам, использующим минеральные соединения азота, денитрификторам и т. д. Кроме того, бактерии рода Bacillus способны, используя корневые выделения растений, обеспечивать быструю хелатизацию минеральных солей, снимая ионную блокаду корня. Высокая эффективность бамила может быть объяснена положительным действием на растения питательных и физиологически активных веществ и косвенным действием, обусловленным активизацией полезной микробной популяции и усилением фунгистазиса (Архипченко, 1991; Архипченко, 1995; Банина, 1995; Гусарова, 1995; Науменко, 1995; Сизова и др., 1995; Чугунова и др., 1995; Жемчужина, 1995; Барболина, 1997; Фисинин и др., 1998; Pahnenko и др., 2000, Ермаков, 2001; Кутьева и др., 2001; Дурынина и др., 2001). Проведенные исследования показали, что бамил является более эффективным удобрением, обеспечивающим повышение урожая сельскохозяйственных культур на 40–160% по сравнению с контролем. Действие биоудобрения зависело от типа почв и выращиваемой культуры, проявляя максимальный эффект на слабоокультуренных почвах. При применении бамила содержание нитратного азота в растениях было в 10 раз ниже, чем в варианте с минеральными удобрениями. Отмечено ускорение созревания плодов томатов, что очень важно для получения ранней продукции. Бамил стабильно повышал урожайность картофеля на 10–15 т/га, сена многолетних трав — на 7–8 т/га, пшеницы в последействии — на 0,8–1 т/га. В вегетационных опытах на дерново-подзолистой почве бамил в дозе 2 г/кг почвы удвоил урожай зерна ячменя (Жемчужина, Федотова, 1995; Архипченко, Барболина, 1998; Кутьева и др., 2001). В полевых опытах ВНИИСХМ и Аграрного университета в Санкт-Петербурге было установлено положительное действие бамила 20 Глава 1 на качество сельскохозяйственной продукции. Так, содержание крахмала в клубнях картофеля увеличилось на 6% по сравнению с контролем и на 4,6% по сравнению с минеральными удобрениями; витамина С — в 1,5 раза; белка в зерне овса — на 1,5% (Архипченко, 1995). Внесение бамила улучшает агрохимические свойства почв. Изучение влияния бамила и полного минерального удобрения на дерново-подзолистых почвах показало несомненное преимущество бамила. Так, использование бамила увеличивает содержание в почве нитратного азота в 2–3 раза, кислотность почвы при этом не препятствует накоплению нитратов. Микробная ассоциация бамила проявляет фосфатмобилизующую активность; 7 г фосфора бамила эквивалентны 10 г фосфора суперфосфата. Изучение механизма стимуляции роста растений позволило выявить в бамиле физиологически активные соединения, представленные триптофансодержащими белками, аминокислотами: триптофаном, тирозином, фенилаланином (Архипченко, Барболина, 1998). По данным Барболиной (1997), триптофан является важным компонентом аминокислотной фракции, так как служит метаболическим предшественником индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) — ауксина, стимулирующего развитие корневой системы растений за счет увеличения всасывающей поверхности корня, уровня минерального питания и устойчивости растений к заболеваниям. Показано, что содержание L-триптофана в различных типах почв колебалось в диапазоне 1,4–5,8 мкг/кг почвы. Известно, что при внесении органических удобрений значительно стимулируется синтез почвенными микроорганизмами витаминов группы В. Кроме того, удобрения сами являются дополнительным источником веществ этой группы. В результате исследований было установлено высокое содержание в бамиле некоторых витаминов группы В. Внесение биоудобрения обеспечивает повышение содержания биотина в 5–10 раз, никотиновой кислоты — в 3–6 раз, пиридоксина — в 2–3 раза. Витамины принимают непосредственное участие в наиболее важных жизненных процессах, происходящих в растительном организме, оказывают влияние на формирование микробных ассоциаций, регулируя их качественный и количественный состав, воздействуют на рост и развитие симбиотических бактерий, регулируя взаимоотношения с растениями (Архипченко, 1996). Бамил как комплекс органических и минеральных соединений оказывает интенсивное воздействие на микробные ассоциации и микробиологические процессы в почве. Применение этого удобрения во всех случаях стимулировало развитие микроорганизмов раз- [...] Минимальные системные требования определяются соответствующими требованиями программы Adobe Reader версии не ниже 11-й для платформ Windows, Mac OS, Android, iOS, Windows Phone и BlackBerry; экран 10" Учебное электронное издание Пахненко Екатерина Петровна ОСАДКИ СТОЧНЫХ ВОД И ДРУГИЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ УДОБРЕНИЯ Ведущий редактор канд. биол. наук В. В. Гейдебрехт Художник С. Инфантэ Компьютерная верстка: Л. В. Катуркина Подписано к использованию 19.03.15. Формат 130×200 мм Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» 125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3 Телефон: (499) 157-5272 e-mail: info@pilotLZ.ru, http://www.pilotLZ.ru Количество городских стоков и осадков сточных вод (ОСВ) постоянно растет, вместе с этим обостряются проблемы, связанные с их экономически эффективной и экологически безопасной утилизацией. В данном учебном пособии проведен эколого-экономический анализ различных методов утилизации осадков сточных вод с оценкой мировой практики применения этих методов. Предлагаются качественно новые и совершенствуются уже используемые методы очистки стоков, обезвоживания и хранения ОСВ. На территории России выделяется ряд регионов, где существует реальная угроза ухудшения экологической и санитарно-эпидемиологической обстановки, возникновения чрезвычайных ситуаций из-за аварий в системах городских очистных сооружений, станциях аэрации, прудах-накопителях и т. д. Описаны приемы предотвращения возможного загрязнения почв и иных объектов природной среды. Для студентов, аспирантов, преподавателей и научных сотрудников в области экологии и почвоведения, работников коммунального хозяйства, а также специалистов ландшафтнопаркового дизайна и газонной индустрии.
