CC BY
18
УДК 631.416.8:624.131.4
ВЛИЯНИЕ УДОБРИТЕЛЬНЫХ ФОРМ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ЦЕОЛИТОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В УРБАНОЗЁМАХ
И.М. Тихойкина, кандидат сельскохозяйственных наук, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева Орловский государственный университет экономики и торговли E-mail: tihojkina@yandex.ru
Аннотация.В статье рассмотрены актуальные вопросы вторичного использования отходов коммунального хозяйства и промышленности в качестве нетрадиционных удобрительных форм. Обоснована необходимость экологического контроля за химическим составом и качеством шлаковых удобрений, для предотвращения избыточного накопления тяжелых металлов в урбанозёмах. Определено содержание подвижных и валовых форм тяжелых металлов в почвогрунтах в зависимости от доз удобрительных форм и их сочетаний.
Ключевые слова: удобрительные формы, почвогрунты, урбанозёмы, отходы производства, тяжелые металлы, цеолиты, осадок сточных вод.
EFFECT OF CONVENIENT FORMS BASED ON PRODUCTION WASTE AND ZEOLITES ON THE CONTENT
OF HEAVY METALS IN URBANOSYMES
I.M. Tikhoykina, Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor at the Department of Merchandising,
Expertise of Goods and Tourism Orel State University named after I.S. Turgenev Orel State University of Economics and Trade
Abstract. The article deals with topical issues of secondary use of municipal waste and industry as non-traditional fertilizer forms. The necessity of ecological control over the chemical composition and quality of slag fertilizers to prevent excessive accumulation of heavy metals in urban soils. The content of mobile and gross forms of heavy metals in soils was determined depending on the doses of fertilizer forms and their combinations.
Key words: fertilizer form, soil, urbanozem, wastes, heavy metals, zeolites, sewage sludge.
Загрязнение урбоэкосистем промышленными и бытовыми отходами идет на данном этапе усиленными темпами. В результате антропогенной деятельности ежегодно образуются огромные объемы отходов, которые при складировании занимают значительные территории, что свидетельствует о неиспользованных возможностях рециклинга. Но, следует принимать во внимание, что использование отходов, как вторичного сырьевого ресурса, может привести к масштабным неблагоприятным процессам, которые затронут все звенья экосистемы. Это касается прежде всего загрязнения почв, растительной продукции и природных вод тяжелыми металлами и органическими поллютантами. К тому же, уровень загрязнения будет обуславливаться не только химическим составом отходов, но и способами и периодичностью их внесения, дозами и сочетаниями. Однако, контролируя данные параметры, степень допустимого отрицательного влияния на природную среду можно свести к минимуму [5, 6].
Утилизация отходов в составе нетрадиционных удобрительных форм, является самым перспективным в настоящее время направлением их вторичного использования. Сельское хозяйство всегда будет нуждаться в компенсации почвенного плодородия путем внесения минеральных и особенно органических веществ. При этом именно в городах имеются широкие возможности использования вторичных природных ресурсов. По мнению ряда авторов: «Источником питательных веществ, макро- и микроэлементов для растений могут быть нетрадиционные удобрения, состоящие из отходов коммунального хозяйства и промышленности, потенциал которых довольно высок» [7].
Сэкономить существенное количество минеральных удобрений, сократить недостаток гумуса помог бы рециклинг даже небольшой части осадка сточных вод (ОСВ), шлаковых отходов и природных минералов в виде удобрений. По химическому составу эти удобрительные формы строго индивидуальны, поэтому для результативного применения вначале должны быть проведены исследования их биогенной ценности. Кроме этого, требуется тщательная разработка технологий их безопасного применения.
Устойчивость растений к воздействию неблагоприятных факторов в значительной степени зависит от свойств почв, грунтов. При оптимальных для конкретных условий свойствах грунтов растения, развивающиеся на них, легче переносят неблагоприятные факторы. Этим обусловлена необходимость замены грунтов в городе при их загрязнении.
Однако, для разных условий загрязнения, засоления и т.д. необходимы и свои грунты, устойчивые к воздействию конкретных неблагоприятных факторов. Можно применять грунты, устойчивые к засолению, но они будут неустойчивы к загрязнению свинцом. К сожалению, разработка таких целевых грунтов для условий города практически не проводится. Плохой подбор культур и грунтов для конкретных типов загрязнения является основной причиной плохого состояния газонов и лесопаркового хозяйства в городе, причиной больших ежегодных затрат на восстановление растительного покрова.
Важным вопросом стало и промышленное производство почвогрунтов с оптимальными параметрами, обладающими высокой биологической активностью и сохраняющими плодородие в течение длительного периода времени. Производство таких почвогрунтов с использованием отходов производства и потребления является актуальным и инновационным как в научном, так и в экономическом плане.
Осадки сточных вод содержат большое количество органических веществ, необходимых для роста и развития растений. Но их применение как удобрений сдерживается возможной вероятностью загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, а также кислотами минерального и органического происхождения
[3].
Отсюда, с одной стороны, оправданность использования в агроэкосистеме отходов производства в качестве удобрений не вызывает сомнений - это и возврат биогенных элементов в хозяйственный круговорот, сохранение ресурсов за счет сокращения применения синтетических минеральных удобрений, снижение нагрузки на окружающую среду, возникающей при складировании отходов и т.д. С другой стороны, их неконтролируемое использование для этих целей, может вызвать значительное загрязнение элементов окружающей среды, снижение почвенных характеристик и получение продукции, не отвечающей нормам безопасности.
Для снижения возможного токсического действия отходов производства в почвах, применяются цеолиты, как естественные природные сорбенты. Они характеризуются по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам высокой поглощающей емкостью. Используются цеолиты для построения геохимических барьеров при загрязнении токсикантами органического происхождения, для сорбции свинца, кадмия, стронция, цезия, из почв и вод и для многих других задач. Кроме того, цеолиты эффективно используются при создании почвогрунтов, для внесения в них макроэлементов и усиления пролонгированного действия последних [4].
Следовательно, для предотвращения возможного чрезмерного накопления тяжелых металлов в урбаноземах, необходим строгий экологический контроль за химическим составом и качеством шлаковых удобрений и почвогрунтов, т.к. при совместном внесении нескольких форм в почву будет отмечаться эффект их суммарного влияния.
Нами были изучены особенности действия и последействия различных доз удобрительных форм на основе отходов производства и цеолитов на содержание и концентрацию тяжелых металлов в почвогрунтах. Исследовались следующие удобрительные формы: солевые отсевы алюминиевого шлака Мценского металлургического завода ОАО «Цветные металлы и сплавы» Орловской области; цеолиты Хотынецкого месторождения Орловской области; осадок сточных вод г. Орла.
Характеристика темно-серой лесной среднесуглинистой почвы (гор. А1): гумус - 5,4-5,5%; фосфор -12,5-15,0 мг/100 г; калий - 12,0-12,6 мг/100 г; глина - 40-42%; рНсол - 5,2-5,5; рНвод - 5,8-6,0.
Схема опыта включала следующие варианты: 1. почва + шлак (1,5 кг/м2) + цеолит (0,75 кг/ м2) + осадок сточных вод (0,40 кг/ м2); 2. почва + шлак 1,5 кг/м2+ ОСВ 0,4 кг/м2; 3. почва + шлак 1,5 кг/м2; 4. почва + шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2; 5. контроль (темно-серая лесная среднесуглинистая почва, гор. А1). Почвогрунты готовили смешиванием исследуемых удобрительных форм в указанных дозах с темно-серой лесной почвой.
Изменение в содержании большинства исследуемых тяжелых металлов в сравнении с контролем, возникает в составе почвогрунтов под действием осадка сточных вод, шлаковых отходов и цеолитов (таб. 1).
Таблица 1 - Влияние различных сочетаний удобрительных форм на основе отходов производства и природных цеолитов на содержание валовых форм тяжелых металлов (мг/кг)
Варианты опыта Содержание мг/кг
Pb Cd Си Zn № о- Со Мп Zc
1. Почва + шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 + ОСВ 0,4 кг/м2 18,65 1,19 67 78 23 32 6,23 249 7,2
2. почва + шлак 1,5 кг/м2+ ОСВ 0,4 кг/м2 16,99 0,96 66 59 26 34 4,12 114 5,52
3. почва + шлак 1,5 кг/м2 14,88 1,15 67 59 7 27 7,25 267 4,88
4. почва+шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 15,1 1,37 64 68 18 34 7,16 257 6,80
5. контроль 6,14 0,55 48 37 21 9 6,98 256 -
ОДК 130 2,0 132 220 80 90 24 1500 -
Так в 2,4 раза происходит увеличение валового содержания РЬ, а Сг в 3 раза. Концентрация Мп в вариантах опыта с добавлением шлака и его комбинаций с цеолитом (1,5 кг/м2+ 0,75 кг/м2) практически
остается постоянной. При внесении шлака в дозе 1,5 кг/м2, коэффициент суммарного накопления был равен 0,61.
Использование сочетания шлака с осадком сточных вод способствует увеличению валового свинца в 2,77 раза, хрома в 3,78 раза в сравнении с контролем. Увеличение Cd в 1,74 раза было вызвано последействием от добавления шлака и осадка сточных вод.
Повышение содержания валовых форм Сг в 3,78 раза, а РЬ в 2,77 раза по сравнению с контролем, обеспечило внесение комбинации шлаков и осадка сточных вод. Практически не происходит аккумуляции Со и Мп. В зависимости от комбинации исследуемых удобрительных форм, степень накопления кадмия колеблется от 1,74 до 2,49. Наблюдается увеличение содержания в 1,3 - 2,11 раза в почвогрунтах таких биофильных микроэлементов как цинк и медь. Содержание Cd, Сг, РЬ, Си и 2п повышается в слое 0-20 см темно-серой лесной почвы с внесением всех удобрительных форм. Полученные коэффициенты концентрации (Кс) и суммарный индекс загрязнения (2с) применяли для оценки аккумуляции тяжелых металлов в почве.
По данным таблицы 2, построен убывающий ряд элементов по величине Кс фонового варианта: Cr>Pb>Cd>Zn>Cu>Mn>Co>Ni. При внесении шлака, цеолита 0,75 кг/м2 и ОСВ 0,4 кг/м2 установлена самая высокая степень накопления тяжелых металлов. Это вызвано вторичным внесением тяжелых металлов в почвогрунты вместе с металлургическим шлаком.
Таблица 2 - Коэффициент накопления валовых форм тяжелых металлов в почвогрунтах под действием _различных удобрительных форм_
Варианты опыта Содержание мг/кг
Pb Cd Си Zn № о- Со Мп
1. Почва + шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 + ОСВ 0,4 кг/м2 3,04 2,16 1,39 2,11 1,09 3,56 0,89 0,97
2. почва + шлак 1,5 кг/м2+ ОСВ 0,4 кг/м2 2,77 1,74 1,38 1,59 1,24 3,78 0,59 0,45
3. почва + шлак 1,5 кг/м2 2,42 2,09 1,39 1,59 0,33 3,0 1,04 1,04
4. почва+шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 2,47 2,47 1,33 1,84 0,86 3,78 1,03 1,01
Следовательно, сравнивая значения суммарного индекса загрязнения (2с) по вариантам опыта, можно сделать вывод, что слой 0-20 см относится к слабозагрязненному по степени загрязнения почвы.
Изучаемые удобрительные формы также изменяют концентрацию в почве подвижных форм тяжелых металлов, экстрагируемых аммиачно-ацетатным буферным раствором со значением водородного показателя -4,8. Это главным образом зафиксировано для следующих металлов: Cd, РЬ, 2п и Сг (таблица 3).
Таблица 3 - Влияние отходов производства и цеолитов на концентрацию подвижных форм тяжелых металлов в _темно-серой лесной почве (мг/кг)_
Варианты опыта Содержание мг/кг
РЬ Cd Си Zn № Сг Со Мп Zc
1. Почва + шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 + ОСВ 0,4 кг/м2 2,03 0,22 3,11 6,60 2,38 0,12 - 24 2,31
2. почва + шлак 1,5 кг/м2+ ОСВ 0,4 кг/м2 2,08 0,26 5,54 7,42 2,73 0,17 - 22 3,78
3. почва + шлак 1,5 кг/м2 2,25 0,32 8,76 7,93 0,71 0,36 - 25 5,67
4. почва+шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 1,25 0,24 2,92 5,20 1,40 0,23 - 28 1,05
5. контроль 0,84 0,20 5,74 2,38 2,62 0,15 - 30 -
ПДК 6,0 - 3,0 23,0 4,0 6,0 5,0 140 -
Установлено уменьшение показателя Кс для вариантов опыта по сравнению с фоном. Построенубывающий ряд по величине Кс: Zn>Pb>Cr>Cd>Cu>Ni>Mn. Необходимо обратить внимание на его отличие отсходного ряда по валовому содержанию тяжелых металлов. Это объясняется вариативностью соединенийметаллов с различными элементами цеолитов и осадка сточных вод.
Варианты опыта со всеми удобрительными формами, по значению Zс относительно контроля, локализуются следующим образом: фон + шлак > фон + шлак + ОСВ > фон + шлак + цеолит + ОСВ > фон + шлак + цеолит (таблица 4).
На подвижность тяжелых металлов наибольшее влияние оказывают сорбционные свойства цеолита и органические вещества осадка сточных вод.
Учитывая это, следует отметить, что на снижение подвижности РЬ, Си, Cd наибольшее влияние оказало добавление в почвогрунты цеолита. А на снижении подвижности Cd, Си, Со и Мп, ярко выраженное действие имело добавление к почве осадка сточных вод, однако это же сочетание удобрительных форм обусловило повышение подвижных форм № и Zn.
Таблица 4 - Коэффициенты накопления подвижных форм тяжелых металлов в почвогрунтах под действием _различных удобрительных форм_
Варианты опыта Содержание мг/кг
Pb Cd Cu Zn Ni Со Mn
1. Почва + шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 + ОСВ 0,4 кг/м2 2,42 1,1 0,54 2,77 0,91 0,80 0,80
2. почва + шлак 1,5 кг/м2+ ОСВ 0,4 кг/м2 2,48 1,3 0,97 3,11 1,04 1,13 0,73
3. почва + шлак 1,5 кг/м2 2,68 1,6 1,53 3,33 0,27 2,40 0,83
4. почва+шлак 1,5 кг/м2+ цеолит 0,75 кг/м2 1,49 1,2 0,09 2,18 0,53 1,53 0,93
Преобладающее воздействие наконцентрацию свинца, хрома, кадмия, меди и цинка оказало внесение сочетания цеолитов, осадков сточных вод и шлаковых отсевов в почвогрунтах. Количество подвижного свинца в контрольном варианте составляло 13,7% от валового содержания в почве, а от влияния шлака его количество увеличивалось до 15,1% в подвижной форме.
По результатам проведенных исследований установлено, что использование органических веществ осадка сточных вод позволило снизить количество подвижного свинца до 12,2%, что на 3% меньше концентрации свинца от внесения шлака в почву. Значительное влияние на консолидацию свинца в валовые формы обеспечивает, главным образом, цеолит, концентрация подвижных форм Pb снижается до 8,3%. На 4,2% уменьшилась концентрация подвижного свинца при совместном внесении шлака, осадка сточных вод и цеолита. Последействие внесения цеолита и осадка сточных вод оказывает существенное влияние на фиксацию кадмия.
Воздействие цеолита и его совместное внесение в почвогрунты с осадком сточных вод, сказывается на уменьшении подвижности цинка и меди. А увеличению подвижности марганца и никеля способствует органическое вещество осадка сточных вод.
Таким образом, в районах повышенной экологической нагрузки необходимо проектировать грунты и составы для конкретного типа почв, характера и уровня загрязнения с применением сорбционных свойств цеолитов, органических и минеральных соединений осадка сточных вод и шлака.
Литература
1. Патент 2299873 Российская Федерация, МПК C 05 G 1/00. Состав для повышения плодородия почвы / Л.П. Степанова, Е.И. Степанова, И.М. Тихойкина. - №2005127403/12; заявл. 31.08.05; опубл. 27.05.07, Бюл. №15.
2. Касатиков В.А.,Чемерис М.С., Яшин И.М., Пескарев А.А. Последействие внесения ОСВ и известкования на содержания подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое почвы и их транслокацию в растительную продукцию// Плодородие. 2012. №5. С. 45-47.
3. Степанова Л.П.,Тихойкина И.М., Коренькова Е.А., Таракин А.В., Степанова Е.И. Изменение биогенности питательных грунтов и вермикомпостов на основе отходов производства и цеолитов // Вестник РУДН. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». 2013. № 1. С. 58-72.
4. Степанова Л.П., Цыганок Е.Н., Тихойкина И.М. Экологические проблемы земледелия // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2012. № 1 (34). С. 11-17.
5. Тихойкина И.М., Ашихина Л.А., Тихойкин Д.В. Агроэкологическое обоснование применения почвогрунтов для реабилитации антропогенно преобразованных почв // Актуальные проблемы качества и безопасности потребительских товаров: мат. II Всероссийской заочной научной конференции молодых ученых. - Орел: Изд-во ОрелГИЭТ, 2013. С. 68-71.
6. Тихойкина И.М., Кузнецова А.С., Тихойкин Д.В. Актуальные вопросы рециклинга промышленных отходов // Научные записки ОрелГИЭТ. 2013. № 1 (7). С. 319 - 321.
7. Чемерис М.С., Кусакина Н.А., Осинцева Л.А. Комплексная агроэкологическая оценка применения нетрадиционных удобрений // Вестник Новосибирского государственного агарного университета. 2015. №3. С. 71-84.
