CC BY
12
- Биологические науки -
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗЕМЛЕДЕЛЬЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД
И.В. Гордин, д-р техн. наук, профессор, г.н.с. Институт программных систем РАН (Россия, г. Переславль-Залесский)
DOI:10.24412/2500-1000-2021-3-2-139-142
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект №19-010-00096
Аннотация. Рассмотрены основные этапы развития технологии утилизации сточных вод в сельском хозяйстве. На разных этапах приоритетными оказывались или природоохранные аспекты утилизации, или аспекты ирригационного дефицита. Сворачивание технологии земледельческой утилизации началось с изобретением и широким распространением очистных сооружений. Вместе с тем подчеркивается, что эти сооружения не смогли приостановить рост загрязнения природной гидросферы. В результате большинство ирригационных систем планеты фактически используют сточные воды. Рассматриваются вопросы возврата к земледельческой утилизации по мере развития замкнутых систем водопользования.
Ключевые слова: экономика природопользования, загрязнение гидросферы, утилизация сточных вод, ирригация, эколого-экономическая эффективность.
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 XIX 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 XX века общие площади ЗПО в Европе достигли 80-90 тыс.га, и их нагрузка составляла от 40 до 100 м /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 м/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 Борт-ническая 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-
- Биологические науки -
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 км /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 аграрно-
промышленного 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.
- Биологические науки -
Таблица 1. Средняя урожайность кормовых культур при различных технологиях, при-
меняемых на ЗПО, т/га
Технология орошения Источник водоснабжения Кукуруза Соя
сухое вещество зерно
Без орошения 7,8 3,5 1,1
Поверхностный полив Речная вода (р.Аксай) 19,6 7,2 2,8
Сточные воды 19,1 7,0 2,7
Внутрипочвенный полив Речная вода (р.Аксай) 28,3 9,8 2,6
Сточные воды 32,0 10,3 3,4
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, метиони-на, 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
"3
МБХО городских (50 тыс. м /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 опытно-производственного хозяйства были созданы ЗПО общей площадью 750 га. Расход хозяйственно-бытовых сточных вод 78 тыс.м3/сут, проходящих МБХО (песколовки, отстойники, биофильтры, аэротен-ки). 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 м /га. Урожайность зеленой массы кукурузы молоч-но-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
Биологические науки
3185 тыс.м 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 м /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 м /га.
Библиографический список
1. Гордин И.В., Новожилов А.В., Новожилова Ю.С., Чередниченко А.В. Отечественный опыт преодоления кризиса в системе обращения с отходами // Экономика природопользования. - 2020. - №3. - С. 111-120.
2. Рюмина Е.В. Экологические издержки экономики. - М.: Изд-во МБА, 2011. - 111 с.
3. Новые финансовые механизмы сохранения биоразнообразия // К итогам Проекта ГЭФ «Сохранение биоразнообразия в Российской Федерации / Гусев А.А., Моткин Г.А., Рюмина Е.В., Тишков А.А. и др. - М.: НИЦ «Экопроект», 2002. - 204 с.
4. Финансовые источники, механизмы сохранения биоразнообразия в России и международный рынок экосистемных услуг / Анализ и методические рекомендации / Гурман В.И., Гусев А.А., Львов Д.С., Моткин Г.А., Рюмина Е.В. и др. - М.: Изд-во НТВ-Дизайн, 2002. - 48 с.
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.
ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC PROBLEMS AGRICULTURAL
WASTEWATER DISPOSAL
I.V. Gordin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Scientific Officer Institute of Software Systems RAS (Russia, Pereslavl-Zalessky)
Abstract. Main stages of development of waste water utilization technology in agriculture are considered. At different stages, either the environmental aspects of recycling or the aspects of irrigation shortages were prioritized. The curtailment of agricultural recycling technology began with the invention and widespread distribution of treatment facilities. At the same time, it is emphasized that these structures could not stop the growth ofpollution of the natural hydrosphere. As a result, most irrigation systems on the planet actually use wastewater. Issues of return to agricultural recycling as closed systems of water use develop are considered.
Keywords: environmental economics, hydrosphere pollution, wastewater disposal, irrigation, environmental and economic efficiency.
