Агроэкологические аспекты снижения экотоксикологической нагрузки поллютантов на окружающую среду

Для достижения цели были поставлены следующие задачи :

• •    изучить агрохимические и агрофизические свойства осадка сточных вод , золы ;

• •    выявить удобрительную ценность ОСВ и золы ;

• •    изучить характер изменения микроэлементного состава почвы под влиянием ОСВ и золы ;

• •    оценить влияние исследуемых удобрений на снижение удельной активности радиолцезия -137 в почве .

Материал и методика исследований

Исследования проводились в отделе агроэкологии ГНУ РАСХН Всероссийский научно исследовательский институт селекции плодовых культур в 2006-2010 гг .

Почва опытного участка темно - серая лесная - содержание физической глины – 40-42%; гумус – 5,35,4%; отмечена малообеспеченность макроэлементами : доступный фосфор – 12,5-15,0 мг /100 г ; обменный калий – 12,0-12,6 мг /100 г ; рН_сол – 5,2-5,5; рН_вод – 5,8-6,0; сумма обменных оснований – 35 мг . экв ./100 г , удельная активность цезия -137 выше ПДК - 87,7 Бк / кг .

Механический анализ почвы проводили при помощи сит и пипеточным методом ( используя зависимость между размерами частиц и скоростью оседания их в стоячей воде ). Удельную активность радиоцезия -137 исследовали согласно ГОСТР 533982009; содержание гумуса в почве – по Тюрину ; рН солевой вытяжки – потенциометрическим методом ; сумму обменных оснований (S _{осн .}) – по Каппену - Гильковицу ; подвижные : фосфор ( Р 2 О 5 ) и калий ( К 2 О ) – по Чирикову ; общий азот – по Къельдалю ; тяжелые металлы в ОСВ , золе и почве определяли по Е . Сенделу , 1996 г .

Исследовали золу лузги гречихи ООО « Элита » Орловского района Орловской области , осадок сточных вод коммунального хозяйства г . Орла и их влияние на свойства почвы .

Зола – несгорающий остаток , образующийся из минеральных примесей при полном сгорании продукта , который содержит вещества , необходимые растениям : калий , фосфор , кальций , магний , сера , бор , марганец и др . макро - и микроэлементы .

Осадок сточных вод: с одной тонной сухого вещества осадка в среднем поступает в почву азота 15 кг, фосфора – 25 кг, калия – 2 кг. Азот в осадке часто находится в слабодоступной для растений форме и постепенно в течение ряда лет высвобождается в результате минерализации, это обусловливает повышенный 3-5-летний     эффект ОСВ в последействии. Фосфор более доступен, чем азот. Калий, как правило, содержится в легкодоступной для растений форме. Содержание органического вещества в осадках сточных вод 25-43%, что позволяет рассматривать их как действенный фактор усиления биологической активности почвы . Из 1т органического вещества свежих осадков образуется около 230 кг гумуса и имеет рНсол – 7,4-7,5.

Схема опыта :

• 1.    Контроль ( фон )

• 2.    Фон + ОСВ 6 кг / м ²

• 3.    Фон + ОСВ 12 кг / м ²

• 4.    Фон + ОСВ 24 кг / м ²

• 5.    Фон + ОСВ 6 кг / м ² + зола 100 г / м ²

• 6.    Фон + ОСВ 12 кг / м ² + зола 100 г / м ²

• 7.    Фон + ОСВ 24 кг / м ² + зола 100 г / м ²

Повторность опыта четырехкратная .

Результаты и их обсуждение

Одним из основных направлений утилизации мелких сыпучих сельскохозяйственных отходов типа рисовой шелухи , лузги подсолнечника , гречихи , овса , проса и т . п . является их использование для получения тепловой и электрической энергии . Утилизация растительных отходов в качестве топлива для работы определенной системы по переработке , позволяет снизить себестоимость энергии и снять остроту экологических вопросов на предприятиях по переработке крупяных культур . Это наиболее дешёвый , простой и эффективный способ кардинального решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнения .

Такой способ утилизации растительных отходов актуален , перспективен и экономически выгоден . Например , в ООО « Элита » Орловского района

Орловской области , вопрос решается с помощью использования конструкции , которая разработана руководителем предприятия Голенковым В . А ., предназначенной для выработки необходимого количества насыщенного пара для технологических нужд при сжигании лузги гречихи и природного газа для растопки . Данная конструкция позволяет устойчиво сжигать лузгу в количестве 0,5 т / ч , обеспечивая выдачу насыщенного пара давлением 3 атмосфер в количестве 1 т / ч , что соответствует потребностям производства в технологическом паре указанных параметров .

В ООО « Элита » за сутки перерабатывается около 40-50 тонн гречихи . Отходы ( лузга гречихи ) составляют примерно 30%, т . е . 12-15 тонн . Утилизация растительных отходов в высокотемпературной вихревой топке – является перспективным способом использования вторичного сырья и представляет экономический интерес .

Сжигание лузги , полученной в процессе переработки гречихи , позволяет без использования покупного топлива практически полностью обеспечить технологическую потребность производства паром . Но следует учитывать , что в результате такой операции остается зола , которая сбрасывается в золоотвалы ( рис . 1) и хранится там годами , занимает огромные территории и наносит вред окружающей среде .

В результате такой операции образуется около 300 кг золы в день, а в год – 109,5 т. Количество золы из года в год растет, а целенаправленных, экологически безопасных, экономически выгодных и научно обоснованных путей ее утилизации не существует. В то же время научные исследования показывают, что зола может стать источником макро- и микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности растений.

Рисунок 1 – Процесс переработки лузги гречихи и образование золы

Зола – доступное удобрение . Азота в ней ничтожно мало , но содержится до 30 элементов , необходимых растениям : калий , кальций , магний , железо , кремний , фосфор , сера , бор , марганец и др . Золу можно вносить в любую почву , за исключением карбонатных , имеющих щелочную реакцию , а наибольшую пользу она приносит на подзолистых и тяжелых по механическому составу почвах [3].

Характеристика золы лузги гречихи ООО « Элита » приведена в таблицах 1 и 2. Немаловажным является то , что после термообработки зола не содержит в себе семян сорняков , а также вредных бактерий , вызывающих болезни растений .

Таблица 1 – Характеристика агрохимического состава золы лузги гречихи ООО «Элита»

Показатели
N общ общ		Р 2 О 5		К 2 О		рН
% на сухое вещество
0,2		3,01		36,0		10,5
≥ 0,6		≥ 1,5		не норм.		-
Соединение оксидов, %
MgO	SiО 2		CaО	Fe 2 O 3	Na 2 О		MnО
17,25	4,99		7,23	0,41	0,29		0,34

Роль макро - и микроэлементов , содержащихся в золе , для растений весьма значима .

Таблица 2 – Содержание тяжелых металлов золе лузги гречихи

Соде	ржание тяжелого металла
Pb Cd Hg	As Cu Zn Ni Cr Со
мг/кг
0,82   0,25   0,10	1,30   21,03 20,18 31,00 13,02 12,35
ПДК
60,0     1,00    0,10    2,00    50,0    60,0    36,0    15,0    12,0

Калий играет весьма разнообразную роль в жизни растений : поддерживает необходимый водный режим в них , способствует образованию сахаров и накоплению их в товарной части продукции , повышает морозо - и засухоустойчивость , снижает поражаемость заболеваниями . При скудном питании калием в растении происходит его перераспределение : из старых органов он переходит в более молодые , способствуя их развитию . При недостатке калия угнетается развитие плодов , бутонов и зачаточных соцветий .

Фосфор участвует в обмене веществ , делении клеток , размножении , передаче наследственных свойств и в других сложнейших процессах , происходящих в растении . Он входит в состав сложных белков ( нуклеопротеидов ), нуклеиновых кислот , фосфатидов , ферментов , витаминов , фитина и других биологически активных веществ . Фосфор является одним из важных элементов питания растений . В самом начале роста растение испытывает повышенную потребность в фосфоре , которая покрывается за счет запасов этого элемента в семенах . На бедных по плодородию почвах у молодых растений после расхода фосфора из семян проявляются признаки фосфорного голодания .

Магний входит в состав хлорофилла , что определяет его важное значение в жизни растений : он участвует в углеводном обмене , действии ферментов и в образовании плодов .

Кальций влияет на обмен углеводов и белковых веществ, а также на обеспечение нормальных условий развития корневой системы растений. Потребность в кальции проявляется в самые ранние сроки развития растений: отсутствие кальция подавляет мобилизацию запасных питательных веществ (крахмала, белков) и превращение их в более простые соединения, которые используются проростками, что может привести к гибели растения.

Цинк необходим всем культурам . Он играет важную роль в белковом , углеводном и фосфорном обмене , в биосинтезе витаминов и ростовых веществ ( ауксинов ), а при резкой смене температур повышает жаро - и морозоустойчивость растений . При дефиците цинка в растениях задерживается образование сахарозы , крахмала и ауксинов , нарушается образование белков , вследствие чего в них накапливаются небелковые соединения азота , и нарушается фотосинтез . Это ведет к подавлению процесса деления клеток и влечет за собой морфологические изменения листьев ( деформацию и уменьшение листовой пластинки ) и стеблей ( задержку роста междоузлий ), т . е . к торможению роста растений .

Значимость цинка для растений также заключается в том , что он входит в состав многих ферментов , активизирует дыхательные процессы , помогает образованию и накоплению ростовых веществ – ауксинов , стимулирует образование витаминов B1 и B6, участвует в азотном обмене , повышает содержание белков , укрепляет жаро - и холодоустойчивость , сопротивляемость грибных болезням .

Медь играет важную роль в азотном обмене , синтезировании белка , в деятельности ряда ферментов . Она влияет на образование хлорофилла и препятствует его разрушению . Под влиянием меди увеличивается содержание углеводов и жиров , усиливаются окислительно - восстановительные реакции в растениях . Медь предохраняет культуры от неблагоприятных условий среды и грибных болезней .

Марганец участвует в фотосинтезе , образовании витамина C; повышает содержание хлорофилла и интенсивность дыхания ; активизирует многие ферменты ; расщепляет молекулы воды при фотосинтезе .

Кремний улучшает рост растений , способствует увеличению урожая и предохраняет растения от грибных заболеваний , повышает устойчивость растений против полегания , так как входит в состав клеточных стенок [3].

Проведенные нами исследования показывают , что зола , как удобрение , является настоящим кладезем ценных элементов для растений .

Содержание тяжелых металлов в золе : свинец , кадмий , ртуть , мышьяк не превышает предельно допустимую концентрацию ( табл . 3), а наличие необходимых элементов питания позволяет рекомендовать золу как ценное , преимущественно калийное удобрение при выращивании сельскохозяйственных культур .

Учитывая тот факт , что в золе лузги гречихи содержание азота ничтожно мало , мы поставили цель изучить условия комплексного использования отходов переработки – золы лузги гречихи и отходов коммунального хозяйства г . Орла – осадка сточных вод , являющегося азотно - фосфорным удобрением .

Проблема утилизации отходов коммунального хозяйства г. Орла является одной из многочисленных экологических проблем современного города. Ежегодно образуется и вывозится на полигон хранения, площадь которого не безгранична, около 45000 м3 осадка сточных вод. Сами по себе полигоны, как накопители и концентраторы отходов, представляют собой экологически опасные объекты из-за выделения вредных и обладающих крайне неприятным запахом испарений, а также возможного загрязнения грунтовых вод и почв.

Осадки городских сточных вод ( ОСВ ) - примеси в твердой фазе , выделенные из воды в результате механической и физико - химической очистки или их сочетания . Присутствие соединений тяжелых металлов ( ТМ ) в осадках сточных вод создает одну из трудностей их использования в качестве удобрения . Известно , что многие элементы способны накапливаться в тканях растений и оказывать токсическое действие , как на сами растения , так и организмы , их потребляющие [1, 5]. Поэтому одним из критериев пригодности ОСВ для сельского хозяйства служит уровень содержания в нем ТМ , наличие которых во многом обусловлено источником происхождения осадка . Причем специфика производства и вид удобрений могут влиять на качественный и количественный состав ТМ в почве [2, 5, 6].

Основная задача исследований заключалась в изыскании возможностей для применения осадка сточных вод в сельскохозяйственном производстве, где можно было бы построить свою деятельность на них, как на вторичных материальных ресурсах. Необходимо всестороннее изучение, а затем и внедрение ОСВ в технологический процесс при выращивании сельскохозяйственных культур, продукции цветоводства, а также с целью восстановления и поддержания агроценозов без нарушения экологического равновесия.

Характеристика осадка сточных вод коммунального хозяйства г. Орла приведена в таблице 3.

Как видно из таблицы 3 содержание тяжелых металлов в осадке сточных вод коммунального хозяйства г . Орла не превышает предельно допустимую концентрацию ., согласно ГОСТ Р 17.4.3.07-2001. Изучаемый осадок сточных вод характеризуется высоким содержанием основных элементов питания и массовой долей органических веществ .

В почве должны отсутствовать возбудители болезней , яйца гельминтов , а микроэлементы содержаться в количествах , не вызывающих эндемические заболевания . Осадок сточных вод полностью соответствует санитарно бактериологической и гельминтологической оценке .

Таблица 3 – Характеристика осадка сточных вод г. Орла

Изучаемый объект	рН       С орг		N общ          1           Р 2 О 5          1            К 2 О
			% на сухое вещество
Агрохимическая характеристика
Осадок сточных вод	7,7	20-21		1,6               1		4,33		0,57
Содерж ание тяж елых металлов
Изучаемый объект	Pb	Cd 1		Hg 1	As 1	Cu 1	Zn 1	Ni 1	Cr
	мг/кг
Осадок сточных вод	2,37	1,74		0,41	5,40	11,14	108,49	160,0	480,0
ПДК	500	30		15	20	1500	3500	400	1000

Опыты , проведенные в отделе агроэкологии ГНУ ВНИИСПК РАСХН , показали высокий положительный результат совместного применения золы лузги гречихи и осадка сточных вод коммунального хозяйства г . Орла при выращивании декоративных культур , отличающихся требовательностью к элементам питания .

Оценку удобрительных свойств осадка сточных вод и золы , проводили установлением характера изменения физико - химических и агрофизических свойств почвы с различными дозами ОСВ и использованием золы ( табл . 4).

Для почв особую значимость приобретают агрофизические свойства , и , прежде всего хорошая оструктуренность , обуславливающая как благоприятный водный , воздушный и тепловой режимы , так и интенсивное развитие корневой системы растений .

Под воздействием осадка сточных вод и золы улучшается агрегатное состояние почв , отмечается увеличение агрегатов размером 10-0,25 мм с 55,9% в контрольном варианте до 75,5% при внесении ОСВ 24 кг на 1 м ² совместно с золой . Коэффициент структурности был наибольшим в этом варианте – 3,0.

Таблица 4 – Агрохимическая характеристика почвы опытных вариантов

Варианты опыта	рН	N общ общ	Р 2 О 5	К 2 О	Гумус, %
		% на сухое вещество
Контроль (фон)	6,3	1,65	0,45	0,42	4,04
Фон + ОСВ 6 кг/м2	6,4	1,84	0,50	0,44	4,17
Фон + ОСВ 12 кг/м2	6,5	1,86	0,53	0,47	4,29
Фон + ОСВ 24 кг/м2	6,8	2,07	0,57	0,49	4,56
Фон + ОСВ 6 кг/м2 + зола 100 г/м2	7,7	1,83	0,57	0,52	4,15
Фон + ОСВ 12 кг/м2 + зола 100 г/м2	8,0	1,88	0,59	0,54	4,29
Фон + ОСВ 24 кг/м2 + зола 100 г/м2	8,5	2,11	0,63	0,57	4,57

Как видно из данных таблицы 4 использование добавок осадка сточных вод и золы лузги гречихи обусловливает изменение агрохимических свойств почв. Возрастающие дозы осадка снижают кислотность почвы, если в контрольном варианте рН почвы составила 6,3 единицы, то при внесении осадка величина рН увеличивалась до значений 6,4-6,8 единиц, в комплексе с золой - 7,7 - 8,5, что характеризует нейтральную среду.

Осадок сточных вод как концентрированное удобрение , совместно с золой , обеспечивает повышенное содержание азота , фосфора и калия в грунтах и других зольных элементов , зольность составила 74,1-76,2%.

Таким образом , внесение золы и осадка сточных вод обусловливает положительное действие на агрохимические свойства почвы и обеспечивает продолжительное сохранение благоприятных агрофизических свойств .

Для улучшения агрохимических и агрофизических свойств почвы мож но рекомендовать :

• - внесение золы лузги гречихи в почву в дозе 100 г / м ² в комплексе с осадком сточных вод коммунального хозяйства г . Орла в дозе 24 кг / м ².

Особое значение для Орловской области , территория которой подверглась радиационному загрязнению , имеет снижение токсичности радиоцезия -137 в почве . В 1986 году произошла страшная катастрофа – авария на Чернобыльской АЭС . В результате аварии имел место выброс в окружающую среду радиоактивных веществ , в том числе изотопов урана , плутония , йода -131 ( период полураспада 8 дней ), цезия -134 ( период полураспада 2 года ), цезия -137 ( период полураспада 33 года ), стронция -90 ( период полураспада 28 лет ). На сегодняшний день основным загрязнителем является радиоактивный цезий – 137. В результате аварии на Чернобыльской АЭС территория Орловской области частично относится к зоне радиоактивного загрязнения [4].

Таблица 5 – Удельная активность радиоцезия-137 в осадке сточных вод, золе лузги гречихи и почве опытных вариантов

Варианты опыта	Удельная активность цезия -137, Бк/кг
Контроль (фон)	87,7
Фон + ОСВ 6 кг/м2	76,1
Фон + ОСВ 12 кг/м2	39,2
Фон + ОСВ 24 кг/м2	39,2
Фон + ОСВ 6 кг/м2 + зола 100 г/м2	48,7
Фон + ОСВ 12 кг/м2 + зола 100 г/м2	36,1
Фон + ОСВ 24 кг/м2 + зола 100 г/м2	36,0
ОСВ	24,7
Зола	32,1
ПДК	0-50

В своих исследованиях мы оценивали влияние золы и осадка сточных вод на содержание радиоцезия -137 в почве . Характеристикой радиоактивного загрязнения почвы является плотность загрязнения почвы ( поверхности ) – активность радионуклида ( Бк ) на единице площади поверхности (1 кв . м . - квадратный метр ) при глубине пробоотбора 20 см .

Обычно в международной системе единиц измерений ( СИ ) приводится в Бк / кв . м , кБк / кв . м =1000

Бк / кв . м или раньше ( до и после Чернобыльской аварии ) использовалась единица Ки / кв . км . 1 Ки / кв . км =37 кБк / кв . м .

Активность радиоцезия -137 при применении золы и осадка сточных вод значительно снижается с 87,7 Бк / кг на контрольном участке до 39,2 при применении ОСВ 12 и 24 кг / м ²; при внесении золы до 36,0 Бк / м ² ( табл . 5). Удельная активность радиоцезия в золе и осадке сточных вод была ниже уровня ПДК .

Для сниж ения удельной активности радиоцезия – 137 в почве рекомендовать :

• - внесение в почву золы лузги гречихи 100 г / м ² в комплексе с осадком сточных вод коммунального хозяйства г . Орла в дозе 12 кг / м ².

Выводы

• 1.    При комплексном применении исследуемых отходов – осадка сточных вод коммунального хозяйства г . Орла и золы лузги гречихи ООО « Элита » Орловского района Орловской области отмечено снижение экотоксикологической нагрузки поллютантов ( тяжелые металлы , радиоцезий ) на экосистемы .

• 2.    Применением нетрадиционных удобрений удалось добиться улучшения агрофизических и агрохимических показателей почвы .

Теоретический и научно - практический журнал . Основан в 2005 году

Учредитель и издатель : Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Орловский государственный аграрный Университет »

Сдано в набор 14.05.2011

Подписано в печать 28.06.2011 Формат 60х84/8. Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс.

Объём 14,8 усл. печ. л. Тираж 300 экз.

Издательство Орел ГАУ, 302028, г. Орел, бульвар Победы, 19.

Лицензия ЛР№021325 от 23.02.1999 г.

Ж урнал рекомендован ВАК Минобрнауки России для публикаций научных работ, отражающих основное научное содержание кандидатских и докторских диссертаций

Содерж ание номера