Эколого-экономические проблемы земледельческой утилизации сточных вод

Утилизация сточных вод в ирригации является эффективным направлением решения экологических проблем и проблем водного дефицита [1, 2]. Системы орошения сточными водами появились в первом тысячелетии до нашей эры. Возделывание сельскохозяйственных культур вблизи крупнейших городов того времени (Рим, Вавилон, Карфаген) нуждалось в искусственном увлажнении практически круглогодично. В начале ХIХ века в Англии и Германии стали создавать земледельческие поля орошения (ЗПО), предназначенные для регламентного полива сточными водами, которые перед использованием подвергались механической очистке. В 1887 г. ЗПО появились в Одессе, в 1894 г. – в Киеве, в 1898 г. – в Москве. Уже к началу ХХ века общие площади ЗПО в Европе достигли 80-90 тыс.га, и их нагрузка составляла от 40 до 100 м3/га сут. Изобретение биофильтров, аэротенков и других очистных сооружений привело к стремительному распространению типовых станций МБХО (механико-биохимическая очистка), которые стали активно вытеснять системы почвенной очистки. Важным фактором выступил и рост цен на пригород- ные земли. Новое строительство почти не велось, действующие ЗПО ликвидировались или превращались в поля фильтрации, характеризующиеся увеличением нагрузки до 120-180 м3/га сут. Однако ещё совсем недавно, в 70-80-е гг. прошлого века, в Московской области ЗПО занимали более 5 тыс.га. На них выращивали в основном многолетние травы, которые расходовали в период выпаса скота, а также для приготовления сенажа, травяной муки. За сезон проводилось 6-7 поливов, осуществляемых напуском по бороздам, склонам и дождеванием. Наиболее крупной из построенных в то время ЗПО являлась Бортническая система под Киевом с площадью орошения 23,3 тыс. га. Орошаемые земли использовались в основном под кормовые культуры: кукурузу, зернобобовые, корнеплоды, многолетние травы. Большинство этих систем подверглось резкой критике, и постепенно приходило в упадок.

Вместе с тем цивилизация не заметила, как одновременно почти все традиционные системы ирригации, работающие на природном водозаборе, стали фактически запитываться не чем иным, как именно сточными водами. Этот процесс неуклон- но развивался по мере нарастания антропогенного загрязнения природной гидросферы из-за сброса недоочищенных стоков. Международным мониторингом много лет отслеживаются масштабы «непрямого» использования стоков, то есть фактического использования сбросов городских канализаций в реки, в которых стоки стали доминировать в общем потоке, отбираемом на орошение. В 2004 г. площадь таких территорий, орошаемых по существу сточной водой, составляла около 20 млн га, в 2017 г. она приблизилась к 40 млн га. Из них около 30 млн га находятся в странах с очень примитивными системами очистки или с отсутствием очистки вообще. В результате около 1 млрд потребителей продуктов питания, выращенных на этих землях, непрерывно подвергаются опасным химическим и биологическим воздействиям. В первую очередь это касается Китая, Индии, Пакистана, Ирана – у них наибольшие площади земель, возделываемых с забором воды из сильно загрязненных источников. Многие вопросы влияния ЗПО на здоровье населения и биоразнообразие остаются недостаточно изученными [3, 4].

Кратко рассмотрим крупнейшую в мире систему ЗПО неочищенными стоками, которая функционирует в мексиканском штате Идальго. Здесь для орошения 83 тыс. га сельхозугодий используют сточные воды Мехико и его пригородов с населением, которое уже превысило 20 млн человек. Смесь сточных и ливневых вод без какой либо очистки по каналам длиной 60-65 км подается в котловину Тула, расположенную к северу от города. Некоторое самоочищение происходит в каналах и концевых прудах-накопителях, которые используются для регулирования подачи сточных вод непосредственно на ЗПО. Пруды образованы перекрытием рек, которые дополнительно разбавляют сточные воды. В центральной зоне орошения площадью 43 тыс. га проложено около 350 км подводящих каналов и 200 км распределительных. Общее количество сточных вод, используемых для орошения, со- ставляет 1-1,4 км3/год. Несмотря на примитивность этих ЗПО и весьма низкое качество поливных вод, в последние 30 лет не возникало серьезных проблем, связанных с засолением почвы, избыточным накоплением в ней натрия или тяжелых металлов. Этому способствуют хороший природный дренаж и высокое содержание кальция в местных почвах. ЗПО находятся в собственности или аренде многочисленных фермерских хозяйств. Основные выращиваемые культуры: кукуруза, бобовые, люцерна, маис, овёс, ячмень. На незначительной площади около 400 га разрешено выращивать овощи и фрукты. К числу запрещённых для производства относятся латук, капуста, столовая свекла, кориандр, редька, морковь, шпинат.

В России ЗПО обрели «второе дыхание» с постановкой задач синтеза ЗС АПВ (замкнутые системы аграрнопромышленного водопользования). Эти системы характеризуются минимальным забором воды из природных источников и отсутствием сброса загрязнений в гидросферу. Такой режим функционирования достигается оптимальной водохозяйственной кооперацией ЖКХ, промышленности и сельского хозяйства, эффективным повторным использованием всех сточных вод. При этом главным направлением утилизации очищенных городских и промышленных стоков в сельском хозяйстве является их использование в орошаемом земледелии (кормовые и технические культуры). Кратко остановимся на этих достижениях.

Решающим аргументом в дискуссии о повторном использовании сточных вод Тузлов-Аксайской ЗС АПВ в земледелии стала инициатива местных сельскохозяйственных предприятий, проявивших готовность взять на себя затраты по транспортировке и распределению очищенных сточных вод на ЗПО общей площадью 1000 га (выращивание кормовой свеклы, кукурузы, люцерны). Подача кондиционированной воды на ЗПО обеспечила показатели урожайности, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Средняя урожайность кормовых культур при различных технологиях, применяемых на ЗПО, т/га

Преимущества сточной воды над речной при внутрипочвенном поливе объясняется тем, что речная содержит больше химических загрязнений, чем сточная, прошедшая очистные сооружения.

Синтезу Волго-Ахтубинской ЗС АПВ предшествовали многолетние агрономические и агротехнические исследования, которыми установлено:

– наиболее пригодны для орошения биологически очищенные городские сточные воды, а также производственные сла-бозагрязненные сточные воды промрайона после специальной гидроботанической очистки;

– гидроботанически очищенные производственные сточные воды не оказывают отрицательного влияния на кормовые сорта яровой пшеницы и люцерны, а качество урожая этих культур по показателям «сырого протеина», жира, клетчатки, «сырой золы» и отдельных зольных элементов не уступает качеству контрольной продукции;

– светло-каштановые солонцеватые тяжелосуглинистые почвы обладают высокой адсорбционной способностью в отношении органических веществ сточных вод (формальдегида, ацетильдегида, метионина, метанола);

– ассимиляция органических веществ 60-сантиметровым слоем почвы составляет 80-95%;

– поглощенная почвой органика в концентрациях 100-500 мг/л обеззараживается в почве и растениях в течение 3-9 сут. после полива.

На базе многолетних научных исследований создан комплекс инженерных сооружений ЗПО общей производительностью 70 тыс. м3/сут. Он включает в себя: систему подачи в накопители прошедших

МБХО городских (50 тыс. м3/сут) и прошедших гидроботаническую очистку производственных слабозагрязненных сточных вод (20 тыс. м3/сут); два накопителя общей вместимостью 20 млн м3 для регулируемого смешения и аккумулирования в зимний период обоих потоков; насосные станции по перекачке сточных вод из накопителей на ЗПО; сами ЗПО в виде крупных чеков по 10 га общей площадью 6300 га. Урожайность кормовых сортов яровой пшеницы на ЗПО 1,8-2,4 т/га, люцерны за три укоса 14-18 т/га. Себестоимость зерна яровой пшеницы на ЗПО в два раза ниже, чем без орошения. Названные цифры урожайности незначительно уступают показателям орошаемых массивов Волгоградской области с речным водозабором.

При проектировании ЗПО Прикумской ЗС АПВ был детально изучен опыт Ставропольского края по утилизации сточных вод, прежде всего г.Изобильный и прилегающих поселков. На территории опытнопроизводственного хозяйства были созданы ЗПО общей площадью 750 га. Расход хозяйственно-бытовых сточных вод 78 тыс.м3/сут, проходящих МБХО (песколовки, отстойники, биофильтры, аэротенки). Затем сточные воды поступают в пруд-накопитель вместимостью 5,7 млн.м3, где происходит их доочистка. Сток используется на ЗПО только в вегетационный период. При летнем посеве кукурузу поливают сточными водами 3 раза. Средняя поливная норма 680 м3/га. Урожайность зеленой массы кукурузы молочно-восковой спелости составила 68,9 т/га, а без полива – 35,2 т/га. Разработанную технологию утилизации сточных вод внедрили на ЗПО площадью 150 га. За два года было принято и использовано

3185 тыс.м3 хозяйственно-бытового стока. Средняя урожайность зеленой массы кукурузы в производственных условиях составила 56,9 т/га, а на участках без орошения – 18,1 т/га. Люцерна на опытном участке ЗПО поливается 3-5 раз. Оросительная норма 3600-3700 м3/га. Общая урожайность зеленой массы за три укоса в первый год составила 35,5 т/га, а без орошения – 16,2 т/га. На второй год соответственно 38,6 т/га и 18 т/га. Кроме того, со второго укоса при поливе было получено 0,5 т/га семян, а на участках без полива только 0,3 т/га. Среднее водопотребление при поливе сточными водами составило 50,8 м3/га сут, а на участках без полива – 35,0 м3/га сут. При таких параметрах сезонное поглощение сточных вод травостоем люцерны может достигать 8600 м3/га.

Нарастающее загрязнение природной гидросферы и дефицит ирригационных ресурсов сельского хозяйства – два мощнейших фактора, которые требуют интенсификации исследований в сфере земледельческой утилизации сточных вод. Как всякие решения, одновременно снимающие несколько эколого-экономических противоречий, данное технологическое направление с энтузиазмом воспринимается некоммерческими организациями экологического профиля. Это показывает и зарубежный, и отечественный опыт. В частности, некоммерческий сектор принял активное участие в проектировании строительстве и эксплуатации вышеназванных объектов Волгоградской, Ростовской областей, Ставропольского края.