CC BY
60
ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ
УДК 631.879:631.6.02
DOI: 10.24411/0235-2516-2020-10009
ОБОСНОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА
Мониторинговые исследования, выполненные на стационарном участке, показали, что за последние 25 лет значительно ухудшились агрохимические показатели мелиорированных аллювиальных почв Рязанской области. Под влиянием длительного осушения и более чем полувекового использования в сельском хозяйстве торфяно-подзолисто-глеевая почва также претерпела существенное изменение свойств: торфяный слой уплотнился, гумифицировался и минерализовался, что, в конечном итоге, привело к его трансформации в перегнойный горизонт. Для восстановления плодородия деградированных сельскохозяйственных земель и повышения их продуктивности необходимо активно разрабатывать и внедрять современные многокомпонентные органоминераль-ные удобрения, полученные, в том числе, и из осадков сточных вод. Эколого-агрохимическая оценка осадка сточных вод канализационных очистных сооружений жилищно-коммунального хозяйства Рязанской области показала, что исследованный осадок содержал: свинец 244,3 мг/кг; кадмий 0,75 мг/кг; никель 127,3 мг/кг; цинк 173,9 мг/кг; медь 95,6мг/кг, хром 27,1 мг/кг; ртуть 0,003 мг/кг и мышьяк 4,75 мг/кг, что не превышает установленных ГОСТР 17.4.3.07-2001 нормативов для осадков I-ой группы. На основе анализа результатов химико-аналитических исследований и расчета коэффициентов концентрации тяжелых металлов и мышьяка в осадке сточных вод построен эмпирический ряд их накопления: Pb > Ni > As > Cu > Zn > Cr > Cd > Hg. При определении доз внесения в почву осадка сточных вод канализационных очистных сооружений жилищно-коммунального хозяйства под сельскохозяйственные культуры на начальном этапе повышенное внимание следует обращать на поллютанты с наибольшими значениями коэффициентов концентрации (свинец, никель и мышьяк). По содержанию нормируемых металлов обследованный осадок сточных вод может служить для растений источником микроэлементов таких, как медь, цинк, никель, необходимых для нормального протекания физиолого-биохимических процессов.
Ключевые слова: агрохимические свойства, мышьяк, осадок сточных вод, поллютанты, почва, тяжелые металлы, экологическая безопасность.
JUSTIFICATION OF ENVIRONMENTALLY SAFE USE SEWAGE SLUDGE FROM SEWAGE TREATMENT PLANTS HOUSING AND COMMUNAL SERVICES
Ph.D. A.V. Ilinskiy, Ph.D. K.N. Evsenkin, Ph.D. A.V. Nefedov
ARSRI for Hydraulic Engineering and Reclamation of A.N. Kostyakov, Meshchersky branch,
e-mail: [email protected]
Monitoring studies performed on a stationary site showed that over the past 25 years, the agrochemical indicators of reclaimed alluvial soils in the Ryazan region have significantly deteriorated. Under the influence of long-term drainage and more than half a century of use in agriculture, the peat-podzolic-gley soil also underwent a significant change in properties: the peat layer was compacted, humified and mineralized, which eventually led to its transformation into a humus horizon. To restore the fertility of degraded agricultural lands and increase their productivity, it is necessary to actively develop and implement modern multi-component organic-mineral fertilizers obtained, including from sewage sludge. Ecological and agrochemical assessment of sewage sludge from sewage treatment facilities of housing and communal services in the Ryazan region. In the studied sediment, the following content of gross forms of pollutants was found: lead 244.3 mg/kg; cadmium 0.75 mg/kg; nickel 127.3 mg/kg; zinc 173.9 mg/kg; copper 95.6 mg/kg, chromium 27.1 mg/kg; mercury 0.003 mg/kg and arsenic 4.75 mg/kg, which does not exceed the standards established by GOST R 17.4.3.07-2001 for group I precipitation. Based on the analysis of the results of chemical and analytical studies and calculation of the concentration coeffi-
А.В. Ильинский, к.с.-х.н., К.Н. Евсенкин, к.т.н., А.В. Нефедов, к.с.-х.н.
ВНИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова, Мещерский филиал,
e-mail: [email protected]. ru
dents of heavy metals and arsenic in sewage sludge, an empirical series of their accumulation is constructed: Pb > Ni > As > Cu > Zn > Cr > Cd > Hg. At the initial stage, special attention should be paid to pollutants with the highest concentration coefficients (lead, nickel, and arsenic) when determining the doses of sewage sludge from sewage treatment facilities of housing and communal services for agricultural crops. According to the content of normalized metals, the surveyed sewage sludge can serve as a source of trace elements for plants and such as copper, zinc, and nickel, which are necessary for the normal course of physiological and biochemical processes.
Keywords, agrochemicalproperties, arsenic, sewage sludge, pollutants, soil, heavy metals, environmental safety.
В последние десятилетия глобальную экологическую значимость приобрела проблема использования в народном хозяйстве и преобразования во вторичные ресурсы ранее накопленных органических отходов [1-5]. К таким отходам, в частности, относятся осадки сточных вод (ОСВ), представляющие основной вид отходов канализационных очистных сооружений жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), целью эксплуатации которых является защита природных водных объектов от загрязнения хозяйственно-бытовыми сточными водами [6]. ОСВ представляют собой твердую фракцию сточных вод, состоящую из органических и минеральных веществ, выделенных в процессе очистки сточных вод методом отстаивания (сырой осадок), и комплекса микроорганизмов, участвовавших в процессе биологической очистки сточных вод и выведенных из технологического процесса (избыточный активный ил) [7]. На очистных сооружениях крупных городов Российской Федерации ежегодно накапливается свыше 15 млн. т осадков городских сточных вод [8]. При длительной утилизации таких отходов, прослеживается тенденция увеличения содержания тяжелых металлов, а в отдельных случаях и степени их подвижности [9].
Снижение плодородия и деградация почв сельскохозяйственных земель во многом связаны с отрицательным балансом питательных веществ, климатическими изменениями, техногенным загрязнением, несоблюдением технологий эксплуатации мелиорированных земель [10-12]. В аллювиальных почвах из-за неблагоприятных погодных условий, приведших к отсутствию должного количества паводковых вод, и экономических трудностей в сельском хозяйстве затруднено восполнение дефицита органического вещества и макроэлементов. Проведенные Мещерским филиалом на стационарном участке мониторинговые исследования показали, что за последние 25 лет значительно ухудшились агрохимические показатели мелиорированных аллювиальных почв Рязанской области. Содержание Р2О5 уменьшилось на 74 мг/кг, К2О - на 64 мг/кг, органического вещества - на 0,33%, увеличение кислотности почвы составило 0,6 ед. рН [10]. Установлено, что под влиянием длительного осушения и более чем полувекового использования в сельском хозяйстве торфяно-подзолисто-глеевая почва также претерпела существенное изменение свойств: торфяный слой уплотнился, гумифициро-
вался и минерализовался, что, в конечном итоге, привело к его трансформации в перегнойный горизонт [13]. Для восстановления плодородия деградированных сельскохозяйственных земель и повышения их продуктивности необходимо активно разрабатывать и внедрять современные агромелиоративные приемы, в том числе и с использованием инновационных многокомпонентных органомине-ральных удобрений [5, 10, 11, 13, 14]. Внесение ор-ганоминеральных удобрений обеспечивает улучшение структуры почвы, повышает содержания органического вещества, снижает токсичное действия поллютантов и повышает урожайность [15-19].
Экологически безопасным способом утилизации ОСВ является их переработка (аэробная, анаэробная, вермикомпостирование) с возможностью последующего создания на основе полученных ком-постов комплексных многофункциональных орга-номинеральных мелиорантов [4, 10, 20]. При таком способе переработки органических отходов удобрения становятся более концентрированными, биологически активными, в них происходит перегруппировка питательных веществ, которые из труднодоступной для растений формы переходят в доступные, они приобретают оптимальные физико-механические свойства и освобождаются от жизнеспособных семян сорняков и патогенных организмов [2, 21]. К факторам, сдерживающим широкое использование осадков сточных вод ЖКХ для реабилитации деградированных мелиорированных земель и повышения их продуктивности в сельском хозяйстве, следует отнести: неудовлетворительные физические свойства осадка с иловых площадок; слабое внедрение на станциях очистки сточных вод передовых технологий по подготовке ОСВ к использованию в сельском хозяйстве; недостаточную информированность потенциального потребителя об их удобрительной ценности, особенностях использования и токсикологической безопасности, а также отсутствие специальной техники для внесения ОСВ в почву [22, 23]. В России для бездефицитного баланса гумуса ежегодная потребность почвы в органических удобрениях составляет около 650 млн. тонн, при имеющихся в настоящее время ресурсах 220-230 млн. т. Ежегодное применение органических удобрений в среднем в год составляет 53-54 млн. т, то есть менее 10% от потребности или около четверти от имеющихся ресурсов [24]. По мнению Г.Е. Мерзлой [3], в обозримом бу-
дущем в нашей стране в качестве удобрения можно будет использовать до 1 млн. т в год ОСВ и компо-стов на их основе из расчета на сухое вещество, что может существенно улучшить как экологическую обстановку, так и питательный режим почв. В полевом опыте на дерново-подзолистой супесчаной почве Владимирской Мещеры внесение компоста на основе ОСВ в дозе 10 т/га способствовало увеличению урожайности горчицы белой на 15% [25]. При этом особенности использования ОСВ в качестве удобрений во многом будут определяться содержанием в осадках и почве нормируемых поллю-тантов [7]. В этой связи особую актуальность приобретает проблема изучения содержания тяжелых металлов и мышьяка в осадках сточных вод.
Цель исследования - оценка агрохимических свойств, содержания тяжелых металлов и мышьяка в ОСВ канализационных очистных сооружений ЖКХ Рязанской области для изучения возможности его дальнейшего применения в качестве компонента комплексного мелиоранта для повышения продуктивности деградированных сельскохозяйственных земель.
Объекты и методы исследования. Для проведения химико-аналитических исследований по изучению агрохимических свойств, содержания тяжелых металлов и мышьяка был использован ОСВ канализационных очистных сооружений, предоставленный ЖКХ Рязанской области.
Комплексные химико-аналитические испытания ОСВ выполнены в 2019 г. с привлечением аккредитованной лаборатории ФГБУ «Станция агрохимической службы «Рязанская» с использованием стандартных методик определения агрохимических характеристик и содержания токсичных элементов. Определение массовых долей валовых форм меди, цинка, свинца, кадмия, никеля и хрома осуществлялось по методике ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-02; массовой доли валовой формы ртути - с использованием МУ по определению тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства; массовой доли валовой формы мышьяка - с использованием МУ по определению мышьяка в почвах фотометрическим методом. Определение массовых долей органического вещества осуществлялось по методике ГОСТ 27980, общего фосфора - по ГОСТ 26717, общего калия -по ГОСТ 26718, общего азота - по ГОСТ 26715.
Определение массовой доли влаги выполнено согласно ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.58-08, кислотности -по ГОСТ 27979. Оценка массовой концентрации тяжелых металлов, мышьяка и значений агрохимических показателей осадка сточных вод выполнена в соответствии с ГОСТ Р 17.4.3.07-2001.
Результаты и их обсуждение. Химико-аналитические исследования и их сопоставление с параметрами стандарта показали, что по своим агрохимическим свойствам ОСВ канализационных очистных сооружений жилищно-коммунального хозяйства, удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 17.4.3.07-2001: содержание валовых форм свинца, кадмия, никеля, цинка, меди, хрома, ртути и мышьяка не превышает установленных стандартом нормативов для осадков I группы (табл. 2).
ОСВ I и II - групп допускается использовать в качестве удобрений в промышленном цветоводстве, зеленом строительстве, лесных и декоративных питомниках, для биологической рекультивации нарушенных земель и полигонов ТБО; ОСВ I -группы также допускается использовать в качестве удобрений под сельскохозяйственные культуры, за исключением овощных, зеленных культур, грибов и земляники; ОСВ II - группы также используют в качестве удобрений под зерновые, зернобобовые, зернофуражные и технические культуры [7].
Ввиду того, что специфика работы конкретных канализационных очистных сооружений и региональные особенности могут оказывать существенное влияние на концентрации поллютантов в составе ОСВ, приближая их к пределам допустимых концентраций [1], нами для каждого из представленных тяжелых металлов и мышьяка был рассчитан коэффициент концентрации, определяемый как отношение содержания элемента в ОСВ к его нормативному значению. По результатам оценки коэффициентов концентрации элементов (рисунок) был построен эмпирический ряд накопления поллютантов в ОСВ: Pb > № > As > Си > Zn > & > Cd > Щ. Анализ результатов показывает, что из рассмотренных поллю-тантов в ОСВ канализационных очистных сооружений ЖКХ Рязанской области более активно концентрируются свинец, никель и мышьяк, при этом, в соответствии с ГОСТ Р 17.4.1.02-83, мышьяк относится к первому классу опасности химических веществ, свинец и никель - ко второму классу опасности.
1. Характеристика отходов, образующихся на канализационных очистных сооружениях _в процессе очистки сточных вод жилищно-коммунального хозяйства_
Наименование отходов Технологический процесс образования отхода Класс опасности Образование отхода, т/год Обращение с отходом
Мусор с защитных решеток Очистка сточных вод на механических решетках 4 65,7 Размещение в контейнерах
Песок Очистка сточных вод в песколовках 4 160,6 Размещение на песковых картах
Осадок сточных вод Очистка сточных вод в первичных отстойниках и биохимической очистки 4 4015,0 Стабилизация и размещение на иловых площадках и в прудах
2. Изучение агрохимических свойств, содержания тяжелых металлов и мышьяка в осадке сточных вод канализационных очистных сооружений жилищно-коммунального хозяйства
Определяемый компонент Единица измерения Результат измерений Норматив содержания (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001)
I группа II группа
Массовая доля влаги % 54,22 -
pHкa ед. рН 6,3 5,5-8,5
Массовая доля на сухое вещество:
Органическое вещество % 28,3 > 20
Общий фосфор % 2,40 > 1,5
Общий калий % 0,19 -
Общий азот % 2,07 > 0,6
Массовая доля валовых форм тяжелых металлов:
Свинец (РЬ) мг/кг 244,3 < 250,0 < 500,0
Кадмий (Cd) мг/кг 0,75 < 15,0 < 30,0
Никель (№) мг/кг 127,3 < 200,0 < 400,0
Цинк ^п) мг/кг 173,9 < 1750,0 < 3500,0
Медь (Од) мг/кг 95,6 < 750,0 < 1500,0
Хром (Сг) общ. мг/кг 27,1 < 500,0 < 1000,0
Мышьяк (Аз) мг/кг 4,75 < 10,0 < 20,0
Ртуть (Щ) мг/кг 0,003 < 7,5 < 15,0
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
свинец кадмии никель
мышьяк ртуть
Рис. Сравнительная оценка коэффициентов концентрации тяжелых металлов и мышьяка в осадке сточных вод жилищно-коммунального хозяйства
В комплексном решении вопросов охраны окружающей среды от органических отходов канализационных очистных сооружений ЖКХ, а также реабилитации деградированных сельскохозяйственных земель необходимо использовать подход «замкнутого цикла». Он рассматривает утилизацию органических отходов, образующихся на канализационных очистных сооружениях ЖКХ и в сельском хозяйстве, как последний этап технологического цикла, на конечной стадии которого необходимо осуществлять использование таких отходов в качестве основы для многофункциональных мелиорантов при реабилитации, восстановлении плодородия и повышении продуктивности деградированных сельскохозяйственных земель.
Компостирование за счет разбавления позволяет снизить содержание в ОСВ токсичных и вредных веществ до норм, установленных гигиеническими
нормативами [23]. В настоящее время авторами проводятся исследования по разработке инновационных агромелиоративных приемов, направленных на реабилитацию деградированных мелиорированных земель и повышение их продуктивности с использованием современного органоминерального мелиоранта на основе удобрительного биокомпоста, полученного в результате ускоренного компостирования отходов животноводства совместно с ОСВ канализационных очистных сооружений ЖКХ. При этом большое значение приобретает комплексное изучение эколого-агрохимических свойств компонентов мелиоранта, что в дальнейшем позволит дать оценку его воздействия на плодородие почвы, урожайность и качество получаемой растениеводческой продукции.
Таким образом, по содержанию нормируемых в осадке металлов обследованный ОСВ канализационных очистных сооружений ЖКХ может
1
0
цинк
служить для растений источником микроэлементов, необходимых для нормального протекания физиолого-биохимических процессов таких как медь, цинк, никель. При определении доз внесения в почву ОСВ под сельскохозяйственные культуры на начальном этапе повышенное внимание следует обращать на поллютанты с наибольшими значениями коэффициентов концентрации (в нашем случае - свинец, никель и
мышьяк). Соблюдение требований экологической безопасности при применении ОСВ канализационных очистных сооружений ЖКХ в качестве удобрений в сельском и лесном хозяйствах и в рекреационных целях должно обеспечиваться в составе мероприятий производственного экологического контроля за содержанием нормируемых поллютантов в ОСВ, почве и выращиваемой растениеводческой продукции.
Литература
1. Совещание «О практических аспектах утилизации прошедших обработку осадков сточных вод» 19 апреля 2017. Рекомендации. - URL: http://agrarian.council.gov.ru/activity/activities/other_activities/79450/ (дата обращения 24.12.2019).
2. Сычев В.Г., Мерзлая Г.Е., Петрова Г.В., Филиппова А.В., Попов В.И., Мищенко В.Н. Эколого-агрохимические свойства и эффективность верми- и биокомпостов. - М.: ВНИИА, 2007. - 276 с.
3. Мерзлая Г.Е. Использование органических отходов в сельском хозяйстве // Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, 2005, т. XLIX, № 3. - С. 48-54.
4. Ильинский А.В. Использование органического удобрения, полученного при метангенерации навоза // Сельский механизатор, 2019, № 10. - С. 24-25.
5. Кирейчева Л.В., Перегудов С.В., Шилова Е.Ю. Использование удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства для повышения плодородия малопродуктивных почв // Агрохимический вестник, 2010, № 1. - С. 22-24.
6. Зуб А.А. Обоснование необходимости утилизации осадков сточных вод. Донецкий национальный технический университет, Донецк. - URL: http://masters.donntu.org/2017/feht/ zub/hbrary/artide6.pdf (дата обращения 24.12.2019).
7. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений. - М.: Стандартинформ, 2008. - 7 с.
8. Якимова Т.С. Влияние осадков городских сточных вод на качество растениеводческой продукции // Агрохимический вестник, 2013, № 2. - С 25-26.
9. Дабахова Е.В., Титова В.И., Гейгер Е.Ю. и др. Оценка воздействия утилизации отходов на состояние агроэко-системы и проблемы нормирования // Агрохимический вестник, 2011, № 2. - С 13-15.
10. Ильинский А.В., Нефедов А.В., Евсенкин К.Н. Обоснование необходимости повышения плодородия мелиорированных аллювиальных почв АО «Московское» // Мелиорация и водное хозяйство, 2019, № 5. - С. 44-48.
11. Кобякова Т.И., Уфимцева Л.В. Оценка показателей плодородия почв сельскохозяйственных угодий северной лесостепи Зауралья // Агрохимический вестник, 2018, № 5. - С. 2-5.
12. Спицына С.Ф. Экологическая целесообразность применения микроэлементов в Алтайском крае // Агрохимический вестник, 2005, № 5. - С. 2-3.
13. Шевченко В.А., Нефедов А.В., Ильинский А.В., Морозов А.Е. Особенности трансформации осушенных тор-фяно-подзолисто-глеевых почв при длительном сельскохозяйственном использовании // Вестник российской сельскохозяйственной науки, 2018, № 3. - С. 25-28.
14. Лагутина Т.Б., Попова Л.А., Шалагинова Л.Н. Влияние нетрадиционных органических удобрений на плодородие и агроресурсный потенциал аллювиальных дерновых почв Архангельской области // Агрохимический вестник, 2016, № 4. - С. 19-22.
15. Титова В.И. Особенности системы применения удобрений в современных условиях // Агрохимический вестник, 2016, № 1. - С. 2-7.
16. Кирейчева Л.В., Тиньгаев А.В. Использование органических отходов для повышения плодородия сельскохозяйственных угодий // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук, 2008, № 6. - С. 22-24.
17. Кирейчева Л.В., Яшин В.М., Ильинский А.В. Санация и восстановление плодородия техногенно загрязненных почв // Агрохимический вестник, 2008, № 5. - С. 8-10.
18. Мерзлая Г.Е. Афанасьев Р.А. Эффекты последействия минеральных и органических удобрений на дерново-подзолистой почве // Плодородие, 2019, № 1(106). - С. 15-17.
19. Газизов Р.Р., Яппаров А.Х., Биккинина Л.-М.Х., Суханова И.М. Влияние осадков сточных вод на плодородие выщелоченного чернозема и урожайность яровой пшеницы // Агрохимический вестник, 2016, № 4. - С. 16-19.
20. Сельмен В.Н., Ильинский А.В. Перспективы использования органоминеральных удобрений, полученных на основе осадков сточных вод // Экологические аспекты мелиорации, гидротехники и водного хозяйства АПК. Материалы международной научно-практической конференции. - М.: Изд-во ВНИИГиМ, 2017. - С. 225-228.
21. Касатиков В.А. Использование осадков городских сточных вод // Агрохимический вестник, 2013, № 4. - С. 44-46.
22. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Уч. пособие для химических, химико-технологических и биологических спец. вузов. - М.: Высшая школа, 2002. - 234 с.
23. Аргунов Н.Д., Ватуева О.Б., Веселов В.М., Саломатина Н.А., Пильгун В.А. Некоторые свойства и особенности осадков сточных вод // Агрохимический вестник, 2013, № 4. - С. 39-43.
24. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения. - М.: МСХ РФ, 2011. - 162 с.
25. Рауэлиаривуни А.С., Васенев И.И., Касатиков В.А., Шабардина Н.П. Оценка последействия обогащенных компостов ОСВ на дерново-подзолистых супесчаных почвах Владимирской Мещеры // Агрохимический вестник, 2013, № 2. - С 42-46.
