Внесение осадков сточных вод под сельскохозяйственные культуры

Цель работы

1) Рассчитать массу осадка сточных вод для размещения на 1 га почвы сельскохозяйственных угодий в качестве удобрения без ухудшения её экологического состояния.

2) Определить экономическую эффективность внесения осадков сточных вод данного состава в качестве удобрения под зерновые культуры.

Введение

Количество городских сточных вод и осадков очистных сооружений постоянно растет, вместе с этим обостряются проблемы, связанные с их рациональной, экономически эффективной и экологически безопасной утилизацией. Осадки сточных вод (ОСВ) представляют собой отдельный вид отходов, образование которого в условиях городов составляет 30-45% от общего количества отходов производства и потребления. Только в Москве на очистных сооружениях ежегодно образуются миллионы тонн осадков. Для их складирования (депонирования) заняты значительные площади, а экологически безопасная переработка и хранение требуют привлечения значительных материально-технических ресурсов.

Основные методы утилизации осадков сточных вод и их соотношение указаны на начало XXI века в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Основные методы утилизации осадков сточных вод(в%) в современных условиях.

Страна	Использование в сельск. хоз-ве	Захоронение на свалках	Сжигание	Сброс в море и др.технологии
Англия
Австрия				-
Германия
Дания
США
Италия			-
Финляндия			-
Швейцария				-
Швеция			-
Франция				-

В будущем европейские страны предполагают до минимума снизить или совсем исключить захоронение отходов на свалках. Сжигание осадков сточных вод также имеет два больших недостатка: выбросы в атмосферу при переработке 1 т отходов составляет 27 кг; количество тепловой энергии, которое затрачивается на сжигание отходов, на 30% превышает энергию, которая получается при их переработке.

Осадки сточных вод могут использоваться в качестве удобрений в сельском хозяйстве, зеленом строительстве, промышленном цветоводстве, в лесных и декоративных питомниках, для биологической рекультивации нарушенных территорий, создании искусственных ландшафтов.

В РФ производство осадков сточных вод оценивается в 2,5 млн.т сухого вещества в год. Основной метод утилизации – сохранение осадков на иловых картах[15] или захоронение. Термические методы переработки осадков практически не используются из-за высокой стоимости капитальных сооружений. В России осадки сточных вод используются в сельском хозяйстве в настоящее время приблизительно на 8%, причем с учетом международного опыта можно реально использовать не менее 30% образующихся осадков сточных вод, что в среднем составляет 1 млн.т при расчете на сухое вещество.

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 (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Охрана природы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений»). Анализ по городам и странам показывает, что в основном осадки сточных вод содержат органического вещества заметно больше (около 50%). Соответственно, большинство осадков 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%.

Несмотря на значительные социально-экономические, почвенно-климатические различия, осадки сточных вод крупных промышленных центров достаточно сходны по содержанию основных биоэлементов. Существенные различия наблюдаются по содержанию в них тяжелых металлов, которые изменяются в широком диапазоне концентраций и отражают различное развитие промышленных отраслей.

Подходы к определению дозы внесения осадков сточных вод зависят от страны, наличия земельного фонда, целевого назначения. В настоящее время в Российской Федерации требования к осадкам сточных вод включают: агрохимические показатели осадков (табл.3.2); допустимое валовое содержание семи тяжелых металлов (ТМ) и мышьяка в осадках (табл.3.3); микробиологические и паразитологическиепоказатели осадков.

Таблица 3.2. Агрохимические показатели осадков.

Наименование показателя	Норма
Массовая доля органических веществ, % на сухое вещество, не менее
Реакция среды (рН)	5,5-8,5
Массовая доля общего азота (N), % на сухое вещество, не менее	0,6
Массовая доля общего фосфора (P2O5), % на сухое вещество, не менее	1,5

 

Таблица 3.3. Допустимое валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка в осадках.

Металл	Концентрация, мг/кг сухого вещества (не более) для осадков группы
I группа	II группа
Цинк
Медь
Хром
Свинец
Никель
Кадмий
Мышьяк
Ртуть	7,5

Примечание: 1) При использовании в сельскохозяйственном производстве осадки по содержанию указанных металлов и мышьяка делятся на две группы: I группа более чистые осадки; II группа с содержанием тяжелых металлов в два раза большим, чем принятые для I группы.

2) При содержании любого из нормируемых элементов выше, чем указано в группе I, осадок относится к группе II.

3) В некоторых странах, кроме указанных, нормируются еще такие элементы как селен, молибден, марганец и кобальт.

Таблица 3.4. Микробиологические и паразитологические показатели осадков сточных вод.

Показатели	Нормативы
I группа	II группа
Бактерии группы кишечной палочки (БГКП) экз./кг осадка фактической влажности	10^5	10^6
Патогенные организмы, в т.ч. сальмонеллы	отсутствие	отсутствие
Яйца гельминтов, цисты кишечных патогенных простейших экземпляров	отсутствие	отсутствие

Примечание: 1) Микробиологические и паразитологическиепоказателиопасности объектов окружающей среды основаны на определении содержания возбудителей особо опасных болезней в единице массы или объема.

2) Патогенные биологические организмы, которые загрязняют осадки сточных вод и почву, представлены бактериями, вирусами, нематодами, простейшими, насекомыми и др. Они попадают в почву вместе с отходами и отбросами и сохраняют жизнеспособность в течение нескольких месяцев: стафилококки и стрептококки – 2-3 месяца, палочка брюшного тифа – 2-3 месяца, дифтерийная палочка – 1 месяц, дизентерийная палочка – 20 дней, туберкулезная – 10 месяцев. Споры возбудителей столбняка, сибирской язвы, ботулизма сохраняются в течение нескольких лет.

Осадки группы I можно вносить под все виды сельскохозяйственных культур, кроме овощных, грибов, зеленых и земляники. Осадки II группы используются при выращивании зерновых, зерно-бобовых, технических и зерно-фуражных культур. Осадки I и II групп без ограничения используются в зеленом строительстве и при рекультивации техногенно нарушенных территорий.

Исследования у нас в стране и за рубежом выявили группу позитивных и негативных факторов, которые проявляются при использовании осадков в агроценозе. (Рис 3.1)

 

ПОЗИТИВНЫЕ

НЕГАТИВНЫЕ

Органическое вещество

Макро- и микроэлементы питания

Высокая биологическая активность почв

Водно-физические свойства почв

Наличие ТМ

Патогены человека и животных

Несбалансирован-ный хим. состав

Антимикробная активность

Выделение СО2

Увеличение микроб-ной биомассы

Ферментативная активность почв

ФАКТОРЫ

 

Рис.3.1. Позитивные и негативные факторы влияния осадков сточных вод в агроценозе

 

Использование осадков в качестве удобрений допускается только после их обеззараживания.(рис.3.2)

 

Все технологии обеззараживания осадков, согласно используемым методам, можно разделить на физические, химические и биохимические.

МЕТОДЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ОСАДКОВ

физические

химические

биохимические

· Термическая обработка · Облучение ИК-лучами · Радиационное и γ-об-лучение

· Обработка молотой негашеной известью · Обработка аммиачной водой · Обработка пестицидами · Обработка препаратом «Тиозон»

· Анаэробное и аэробное сбраживание · компостирование

Рис.3.2. Методы обеззараживания осадков сточных вод.

 

Экологический контроль при использовании осадков сточных вод в качестве удобрений включает анализ почвы, собственно осадков и полученной сельскохозяйственной продукции. На участках, которые предназначены для внесения осадков сточных вод, проводится агрохимическое обследование почвы по таким показателям как рН, содержание подвижных форм фосфора, калия и тяжелых металлов (фоновое содержание свинца, кадмия, никеля, меди, ртути, цинка, хрома). При содержании в почве любого из указанных элементов в концентрации большем, чем 0,8 ПДК_п [16] внесение осадков под сельскохозяйственные культуры запрещается.

Таким образом, основным условием экологически безопасного применения осадков сточных вод на удобрение является их обеззараживание и снижение концентрации тяжелых металлов. Помимо технологий, применяемых для снижения концентрации металлов на очистных сооружениях, перспективным методом является снижение доступности их в системе почва-растение-удобрение. Попадая в почву, соединения твердых металлов претерпевают значительные изменения. На их растворимость и биодоступность большое влияние оказывают как свойства почвы, так и биологические особенности возделываемых сельскохозяйственных культур.

Рекомендации Института органических удобрений (г. Владимир) по применению осадков сточных вод предусматривают по каждому из обнаруженных в обработанных осадках металлов определять величину максимально возможного контролируемого дополнительного внесения его в почву Д_вi.

 

Д_вi = (ПДК_пi - Сф_i) · 3 · 10⁶ · К₁ · К₂ · К₃, (3.1)

 

где ПДК_пi – предельно допустимая концентрация металла в почве мг/кг;

Сф_i – исходное (фоновое) содержание металла в почве до внесения осадка сточных вод;

3 · 10⁶ – ориентировочная масса пахотного слоя почвы кг/га;

К₁- корректирующий коэффициент, учитывающий содержание в почве гумуса;

К₂ - корректирующий коэффициент, учитывающий гранулометрический состав почвы;

К₃ - корректирующий коэффициент, учитывающий концентрацию водородных ионов (рН). Коэффициенты К₁ , К₂ и К₃ представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5. Корректирующие коэффициенты.

Факторы почвы	Коэффициент
Содержание гумуса,%	К1
0,5 – 1,0	0,6
1,0 – 2,0	0,8
2,0 – 3,0	0,9
Гранулометрический состав	К2
песчаные и супесчаные почвы	0,7
суглинистые почвы	0,9
тяжелоглинистые почвы	1,0
рН	К3
< 6,5	0,4
6,5 – 7,0	0,8
7 – 7,5	1,0

 

Установлено, что определенная часть твердых металлов достаточно прочно связывается с органическим веществом почвы, а также с органическим веществом, внесенным с осадком. Поэтому чем выше содержание гумуса в почве, тем надежнее почва будет удерживать тяжелые металлы.

 

Многие виды твердых металлов связаны электростатическими силами с почвообразующими минералами. Эти связи значительно слабее на почвах более легкого гранулометрического состава. С учетом этих особенностей, доза осадков сточных вод с экологических позиций может быть увеличена на глинистых почвах и снижена на песчаных.

Закрепление твердых металлов активнее происходит в нейтральных и щелочных почвах, твердые металлы удерживаются ковалентными и координационными связями на поверхности аморфных фосфатов, карбонатов и алюмосиликатов.