CC BY
79
ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 581.9
АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАСТЕНИЯМИ, ПРОИЗРАСТАЮЩИМИ НА ИЛОВЫХ
ПЛОЩАДКАХ БОС Г. ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД
И. В.Зыкова, В.А.Исаков, В. П. Панов *
ACCUMULATION OF HEAVY METALS IN THE PLANTS GROWING ON THE SLUDGE BEDS OF BTP
IN VELIKY NOVGOROD
I.V.Zykova, V. А-Isakov, V.P.Panov*
Институт сельского хозяйства и природных ресурсов НоеГУ, Irina.Zikova@novsu.ru Санкт-Петербургский университет технологии и дизайна, panov@sutd.ru
В статье приведены данные по содержанию тяжелых металлов в осадках, размещенных на иловых площадках с разными сроками хранения, и об аккумуляции металлов растениями, в том числе их различными частями, произрастающими на иловых площадках БОС (биологических очистных сооружений) г. Великий Новгород.
Ключевые слова: осадки биологических очистных сооружений, тяжелые металлы, иловые площадки, аккумуляция, растения
The aricle presents the data on the content of heavy metals in sludge placed on the sludge beds with different periods of storage and on accumulation of metals by plants, including their various parts, growing on the sludge beds of BTP (biological treatment plants) in Veliky Novgorod.
Keywords: sewage sludge, heavy metals, sludge beds, accumulation, plants
При использовании биологических методов очистки сточных вод тяжелые металлы могут концентрироваться в компонентах активного ила, в сотни и тысячи раз загрязняя избыточный активный ил и пре-пятствуя тем самым утилизации полезных веществ ила.
Активный ил содержит значительные количества белковых веществ, полисахаридов, микроэлементов, витаминов группы В. Использование ила как полноценного продукта, пригодного для кормления животных, птиц, рыб, в качестве удобрения в сель -ском хозяйстве является весьма перспективным [1-7]
До настоящего времени избыточные активные илы и осадки сточных вод захораниваются в илона-копителях и на иловых площадках. Оценка опасности такого хранения и исследований миграции тяжелых металлов в указанных условиях крайне ограничены.
На территории иловых площадок интенсивно произрастают различные виды растений. Нами про -анализировано содержание тяжелых металлов в различных частях этих растений: корнях, стебле, листь-
Содержание тяжелых металлов в корнях растений
ях, плодах. Согласно полученным экспериментальным данным растения накапливают тяжелые металлы в значительных количествах (табл. 1)
Особенно велико содержание меди, марганца и железа в корнях растений, выросших на иловых пло -щадках с осадком сроком хранения 1 год. В вегетативных частях растений концентрации тяжелых металлов значительно ниже (табл. 2). Средние концентрации указанных металлов в поверхностном слое осадка представлены в табл. 3. Следовательно, растения извлекают из почвы значительное количество тяжелых металлов, в первую очередь, за счет подвижных форм соединений металлов, но при этом нельзя исключать процессы взаимного перехода во время хранения осадков неподвижных форм в подвижные и наоборот. Первый процесс идет, прежде всего, за счет деятельности микроорганизмов, второй — за счет образующихся связей с частицами почвы, а также за счет самих растений: выделение в почву аминокислот, особенно семейством бобовых, которые также связывают металлы.
Таблица 1
иловых площадок с осадком сроком хранения 1 год
Вид растения Содержание Cu, мг/кг а.с .в. Содержание Mn, мг/кг а.с .в. Содержание Fe, мг/кг а.с .в.
Barbarea Vulgaris 830 4427 15257
Taraxacum 1 1559 1203 6013
Taraxacum 2 6087 1739 49220
Taraxacum 3 512 815 33625
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в вегетативных органах растений иловых площадок _с осадком сроком хранения 1 год_
Вид растения Содержание Cu, мг/кг а.с.в. Содержание Mn, мг/кг а.с.в. Содержание Fe, мг/кг а.с.в.
Barbarea Vulgaris 140 - 1905
Taraxacum 1 18 116 736
Taraxacum 2 н.п.о. 186 1903
Taraxacum 3 60 142 2453
Таблица 3
Доля содержания подвижных форм соединений металлов
Объект Cu, мг/кг а.с.в. % Zn, мг/кг а.с.в. %
Осадок 1 год хранения, валовое сод. 740 100 1860 100
Осадок 1 год хранения, подв. сод. 716 95 788 42
Таблица 4
Содержание тяжелых металлов в различных частях растений иловых площадок _с осадком сроком хранения 2 года_
Концентрация тяжелых металлов, мг/кг а.с.в.
Вид растения корень стебель листья
Cu Mn Fe Cu Mn Fe Cu Mn Fe
Крапива 99 49 9800 10 60 25 41 87 750
Сурепка 124 660 2280 140 - 1900 140 - 1900
Одуванчик 3100 90 470 2000 150 2000 2000 150 2000
Таблица 5
Доля содержания подвижных форм соединений металлов
Объект Cu, мг/кг а.с.в. % Zn, мг/кг а.с.в. %
Осадок 15-летнего хранения, валовое сод. 55 100 220 100
Осадок 15-летнего хранения, подв. сод. 40 73 96 44
Таблица 6
Содержание меди в осадке иловой площадки сроком хранения 15 лет
Горизонт Мощность горизонта, см Описание Содержание меди, мг/кг а.с.в.
А1 2-25 Темно-серый, влажный тяжелый суглинок, крупнокомковатый, пронизан корнями 40
А1 - В1 25-35 Тяжелый суглинок, серовато-сизо-бурый, глыбистый 32
В1 40-50 Сизовато-темно-бурый. Оглеение сильное, мяг-копластинчатый, глыбистый 24
В2 90-100 Темно-бурый, мягкопластинчатый, глыбистый, оглеение по ходам корней 60
После двух лет хранения осадка почва обедняется по содержанию тяжелых металлов, однако и в этом случае наблюдается извлечение тяжелых металлов растениями (табл. 4).
Следует отметить, что при указанных условиях произрастания растений извлечение тяжелых металлов зависит от вида растения и металла.
Наиболее подробно изучено извлечение тяжелых металлов растениями на площадках с осадком сроком хранения 15 лет. Средние концентрации указанных металлов в поверхностном слое осадка представлены в табл. 5. В табл. 6 показано распределение меди (валовое содержание) в осадке по горизонту. Проведенный анализ содержания меди в осадке после
его 15-летнего хранения на иловых площадках (табл. 6) свидетельствует о вертикальной миграции тяжелых металлов. Интересно изменение концентрации меди по высоте слоя осадка. Наименьшая концентрация меди обнаружена на глубине 40—50 см, т.е. на средней глубине развития корневой системы растений.
В изученных растениях во всех частях обнаружены медь (табл. 7), цинк (табл. 8), марганец (табл. 9). Несколько различается содержание металлов в корнях, листьях, стеблях, плодах, но можно отметить превышение содержания тяжелых металлов в различных частях этих растений по сравнению с растениями, выросшими на почвах, не загрязненных металлами, в 500—800 раз.
Таблица 7
Содержание меди в различных частях растений иловых площадок с осадком сроком хранения 15 лет
Концентрация меди, мг/кг а.с.в.
Вид растения корень стебель листья плоды
В.с. зола В.с. зола В.с. зола В.с. Зола
Герань лесная 20 270 10 230 12 190 30 590
Подмаренник 120 1400 20 35 130 3300 145 3370
Чистец болотный 15 400 - - 40 460 45 540
Лисохвост луговой 65 1470 35 445
Мышиный горошек 750 1870 160 2200 160 2200
Сложноцветное 20 200 45 1700 30 600 10 130
Тимофеевка луговая 70 6000 10 65 10 65 30 350
Лютик ползучий 30 40 35 115 570 7400 25 460
Нивяник обыкновенный 65 1700 20 375 15 105 50 705
Тысячелистник хрящеватый 95 7500 30 1405 50 725 75 5360
Яснотка белая 25 245 30 410 25 420 - -
Василек синий 60 255 10 130 10 130 - -
Лапчатка гусиная прямостоячая 80 150 120 400 120 400 - -
Вероника дубравная 1240 5555 70 485 70 485 - -
Чина луговая 50 160 40 500 40 500 - -
Хвощ полевой 80 170 65 720 65 720 - -
Лютик 220 660 30 670 30 670 - -
Сурепка 150 715 100 1110 100 1110 - -
Вербена 45 620 15 280 20 325 40 1290
Гравилат речной 30 70 30 300 30 300 - -
Манжетка обыкновенная 15 200 15 220 20 245 - -
Одуванчик обыкновенный 35 210 40 195 40 195 10 210
Бузина - - 20 410 50 545 - -
Ива - - 20 1140 30 490
Таблица 8
Содержание цинка в различных частях растений иловых площадок с осадком сроком хранения 15 лет
Концентрация цинка, мг/кг а.с.в.
Вид растения корень стебель листья плоды
В.с. зола В.с. зола В.с. зола В.с. зола
Герань лесная 60 720 30 530 40 5830 - -
Чистец болотный 75 1870 900 10710 900 10710 130 1500
Мышиный горошек 2175 54370 110 1480 110 1480 - -
Сложноцветное 1190 12950 660 12105 660 12105 90 1070
Тимофеевка луговая 240 21000 25 135 25 135 - -
Лютик ползучий 95 1210 20 650 125 1610 145 2270
Нивяник обыкновенный 1070 2730 40 845 1240 8900 35 530
Тысячелистник хрящеватый 80 6250 85 4410 115 1710 95 6785
Яснотка белая 35 335 20 1445 20 1445 - -
Лапчатка гусиная прямостоячая 70 130 110 360 110 360 - -
Вероника дубравная 1320 5925 7230 48870 7230 48870 - -
Чина луговая 195 595 35 450 35 450 - -
Хвощ полевой - - 1475 16115 1475 16115 - -
Лютик 5070 15000 615 13025 615 13025 - -
Сурепка 295 1430 40 430 40 430 - -
Вербена 20 300 65 780 20 390 - -
Манжетка обыкновенная 25 410 30 420 260 3460 - -
Тяжелые металлы извлекаются и кустарниками. Содержание меди в стебле бузины и ивы достигает 16—20 и 30—50 мг/кг а.с.в. соответственно, а марганца — 160 и 230—650 мг/кг а.с.в.
Даже через 15 лет хранения осадков происходит переход металлов из почвы в растения в значительных количествах. После отмирания растений, их гниения часть металлов возвращается обратно в почву, часть рассеивается в окружающую среду.
Установлено, что хранение осадков и илов, загрязненных тяжелыми металлами, на иловых площадках не предотвращает загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, попадающими различными путями в грунтовые воды, атмосферу и т.д.
Известные методы обезвреживания избыточного активного, содержащего тяжелые металлы (термическая и/или термохимическая обработка) ила, несмотря на внешнюю привлекательность, экологически не безопасны, поскольку в той или иной мере происходит загрязнение атмосферы, требуются сложные системы очистки газовых выбросов от загрязняющих веществ, очистки вторичных сточных вод [811]. А главное, данные методы не предусматривают использования полезных органических веществ илов для восполнения почвенного гумуса, потери которого в верхнем горизонте почв за последние 100 лет достигли в разных регионах от 25 до 56% [12]. Другие
Таблица 9
Содержание марганца в различных частях растений иловых площадок с осадком сроком хранения 15 лет
Концентрация марганца, мг/кг а.с.в.
Вид растения корень стебель листья плоды
В.с. зола В.с. зола В.с. зола В.с. зола
Герань лесная 35 420 48 905 95 1495 - -
Подмаренник 195 2080 80 1575 160 4220 - -
Чистец болотный 245 6000 265 - 1585 18000 - -
Мышиный горошек 1000 2500 375 5185 375 5185 - -
Сложноцветное 185 2015 55 2085 430 7890 - -
Тимофеевка луговая 205 18000 50 265 50 265 - -
Лютик ползучий 140 1810 30 1005 410 5340 - -
Тысячелистник хрящеватый 155 12500 75 3900 280 4145 - -
Яснотка белая 255 2380 100 7950 1030 14760 540 9740
Лапчатка гусиная прямостоячая 675 1300 200 650 200 650 - -
Вероника дубравная 80 370 600 4030 600 4030 - -
Чина луговая 490 1510 60 755 60 755 - -
Хвощ полевой 600 1240 165 1800 165 1800 - -
Лютик 240 715 30 610 30 610 - -
Сурепка 50 240 155 1710 155 1710 - -
Вербена 25 325 60 1200 95 1650 35 1180
Манжетка обыкновенная 80 1265 75 1080 395 5255 - -
Бузина - - 160 4860 230 2565 - -
Ива - - 625 1010 - - - -
методы обезвреживания избыточного активного ила от тяжелых металлов до настоящего времени не нашли применения в практике работы очистных сооружений. Проблемы разработки технологии обезвреживания избыточного активного ила во многом связаны с тем, что ил представляет собой многокомпонентную гидрофильную высококонцентрированную полидисперсную суспензию сложного состава, что затрудняет изучение закономерностей связывания тяжелых металлов биомассой активного ила и разработку способов регулирования его состава в части содержания тяжелых металлов.
1. Дрозд Г.Я., Зотов Н.И., Маслак В.Н. Осадки сточных вод как удобрения для сельского хозяйства // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 12. С. 33-35.
2. Беляева С.Д., Гюнтер Л.И., Гольдфарб С.Л. Результаты сертификационных испытаний осадков сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 5. С. 2932.
3. Толстопятова Н.Г. Агроэкологическая оценка эффективности активного ила // Земледелие. 2001. № 1. С. 6.
4. Бердяева Е.В., Касатиков В.А., Садовникова Л.К. Влияние осадков сточных вод на изменение химических свойств дерново-подзолистовой супесчаной почвы и содержание в ней тяжелых металлов // Агрохимия. 2001. № 10. С. 73-79.
5. Дорошкевич С.Г., Убугунов Л.Л. Влияние органо-минеральных удобрительных смесей на основе осадков сточных вод и цеолитов на агрохимические свойства аллювиальной дерновой почвы // Агрохимия. 2002. № 4. С. 5-10.
6. Беляева С.Д., Гюнтер Л.И., Ситников В.А., Покровская Е.В. Организация работ по использованию осадков сточ-
ных вод в качестве удобрения // Водоснабжение и санитарная техника. 2002. № 12 (часть 1). С. 30-33.
7. Вознесенский В.В., Феофанов Ю.А. Экологические технологии: проблемы переработки и утилизации осадков сточных вод // Инженерная экология. 1999. № 1. С. 2-7.
8. Бикбулатов И.Х., Шаринов А.К. Термическая обработка осадков сточных вод в изолированных иловых картах // Инженерная экология. 2001. № 1. С. 16-18.
9. Малкин В.П., Курин В.Н. Обезвреживание промышленных сточных вод термическим методом // Экология и промышленность России. 2001. Июнь. С. 9-10.
10. Туманов Ю.Н., Галкин А.Ф., Соловьев В.Б. Плазменный пиролиз твердых бытовых отходов // Экология и промышленность России. 1999. Февраль. С. 8-10.
11. Official Journal. 16.07.1999. № 182. 18 p.
12. Достанко М.Д. Вермитехнология // Жизнь и безопасность. 1999. № 3-4. С. 458-465.
1.
Bibliography (Transliterated)
Drozd G.Ya., Zotov N.I., Maslak V.N. Osadki stochnykh vod kak udobreniya dlya sel'skogo khozyaystva // Vodosnabzhe-nie i sanitarnaya tekhnika. 2001. № 12. S. 33-35.
2. Belyaeva S.D., Gyunter L.I., Gol'dfarb S.L. Rezul'taty sertifi-katsionnykh ispytaniy osadkov stochnykh vod // Vodos-nabzhenie i sanitarnaya tekhnika. 2001. № 5. S. 29-32.
3. Tolstopyatova N.G. Agroekologicheskaya otsenka effektiv-nosti aktivnogo ila // Zemledelie. 2001. № 1. S. 6.
4. Berdyaeva E.V., Kasatikov V.A., Sadovnikova L.K. Vliyanie osadkov stochnykh vod na izmenenie khimicheskikh svoystv dernovo-podzolistovoy supeschanoy pochvy i soderzhanie v ney tyazhelykh metallov // Agrokhimiya. 2001. № 10. S. 7379.
5. Doroshkevich S.G., Ubugunov L.L. Vliyanie organo-mineral'nykh udobritel'nykh smesey na osnove osadkov sto-chnykh vod i tseolitov na agrokhimicheskie svoystva allyuvi-al'noy dernovoy pochvy // Agrokhimiya. 2002. № 4. S. 5-10.
6. Belyaeva S.D., Gyunter L.I., Sitnikov V.A., Pokrovskaya E.V. Organizatsiya rabot po ispol'zovaniyu osadkov stoch-nykh vod v kachestve udobreniya // Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika. 2002. №12 (chast' 1). S. 30-33.
7. Voznesenskiy V.V., Feofanov Yu.A. Ekologicheskie tekhnologii: problemy pererabotki i utilizatsii osadkov stoch-nykh vod // Inzhenernaya ekologiya. 1999. № 1. S. 2-7.
8. Б1кЬи1а1оу 1,КЬ., 81аппоу А.К. Тегт^ейкауа оЬгаЬ^ка ойаСкоу 81ос1тук11 уос! V ¡2оНгоуаппук11 Поуук кайак // 1^11епегпауа eko1ogiya. 2001. № 1. 8. 16-18.
9. Ма1кт У.Р., Кипп УЖ Obezvrezhivanie рготувЫеппукЬ 81осЬпукИ уос! 1егписЬе!зкт1 metodom // Еко^1уа 1 рго-тувЫеппов^ Rossii. 2001. 1уип'. 8. 9-10.
10. Титапоу УиЖ, Оа1кт А.Б., 8о1оу'еу У.Б. Р^теппуу ro1iz 1уегСукЬ Ьу1оуукИ о1кЬоСоу // Eko1ogiya i рго-тувЫеппов^ Rossii. 1999. БеугаГ. 8. 8-10.
11. ОЙ^а1 .Тоигпа1. 16.07.1999. №> 182. 18 р.
12. Бо§1апко М.Б. Уermitekhno1ogiya // Zhizn' i bezopasnost^ 1999. №> 3-4. 8. 458-465.
