Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрений
Опубликовано Редактор 02-02-2004 (17901 прочтений)Почвы в неодинаковой степени инактивируют поступающие элементы - токсиканты, а наличие разных форм токсикантов в почве затрудняет выбор той из них, которая была бы наиболее пригодной для целей нормирования (Ильин В.Б., 1985; Важенин И.Г., 1985; Зырин Н.Г., Каплунова Е.В., 1985; Кочуров Б.И., Зайцев В.Я., 1987).
По мнению Н.Г. Зырина (1985), в условиях кислой неокультуренной дерново-подзолистой почвы уровень кадмия в 2,5 мг/кг (10 раз больше фонового), цинка - 125 мг/кг (5раз больше фонового) уже можно считать опасным. Этими авторами выявлено также пороговое значение содержания тяжелых металлов в почве, приводящее к их накоплению в растениях, в количестве выше, чем ПДК. Для свинца - 150, кадмия - 0,2, цинка - 85 мг/кг для неокультуренной дерново-подзолистой почвы.
Соответственно, для дерново-подзолистой окультуренной - свинца -650, кобальта - 2,5, цинка - 80; для типичного чернозема: кобальта - 5,0, цинка - 115 мг/кг. В исследованиях Р.И. Первухиной (1983) была дана оценка трансформации соединений техногенных металлов в почве и доступность их для растений. Результаты эксперимента показали, что внесение кадмия в составе пыли металлургического предприятия снижает урожайность ячменя на дерново-подзолистой неокультуренной почве при содержании кадмия 10 мг/кг, на слабоокультуренной - 20 мг/кг.
Экспериментальными исследованиями, проведенными на кафедре коммунальной гигиены Днепропетровского медицинского института установлено, что повышенное содержание химических веществ в почве существенно влияет на самоочищение почвы. Уровень предельной концентрации по железу - до 5000 мг/кг, марганцу - 1000 мг/кг.
В растениях, выращенных в зоне действия промышленных выбросов, содержание железа в зерне - до 300 мг/кг или в 2 раза больше;
содержание железа в свекле колебалось от 465 до 705 мг/кг, это в 8,2-12,4% больше, чем в контроле (Шелюг М.Я., 1983).
На почвах разного типа тяжелые металлы при одних и тех же концентрациях оказывают на растения различное действие. Это обусловлено разной кинетикой и превращением этих веществ в почве. В опытах с суглинистой почвой, торфом и черноземом внесение ртути в дозе 10 мг/кг практически не вызывало изменений в элементном составе зерновых. Внесение той же дозы в песчаную почву и супесчаный суглинок привело к накоплению ртути в соломе пшеницы до 5,7 мг/кг сухой массы и невызреванию овса (Покровская С.Ф., 1987).
Работами Зимакова И.Е. (1979) было исследовано действие нитрата ртути на опесчаненной дерново-подзолистой почве на горох, кукурузу, овес, рожь и пшеницу, доза внесения в расчете на металл 0,1; 1; 10 мг/кг почвы. Наибольшая концентрация ртути наблюдалась через 30 дней, затем несколько снизилась, оставаясь в среднем постоянной, но при этом превышала фон в 5...10 раз.
Закономерное накопление кадмия растениями в зависимости от основных почвенных факторов характеризуется схемой, предложенной в работе (Рэуце К., Кырстя С., 1986).
Низкое Содержание кадмия |
Увеличение |
PH |
Снижение |
Высокое содержание кадмия |
|
Увеличение |
Содержание глины |
Снижение |
|
|
Увеличение |
Содержание гумуса |
Снижение |
|
|
Увеличение |
Щелочные удобрения физиологически кислые |
Снижение |
|
Загрязнение сельскохозяйственных угодий кадмием складывается из нескольких составляющих. Во-первых, это атмосферное поступление. В промышленно-развитых районах в среднем в год выпадает 0,2...9кг/км2 кадмия (Петрухин В.А., 1986).
Второй источник поступлений - осадки городских сточных вод. Обширная информация по данному вопросу предоставлена в ряде работ (Покровская С.Ф., 1981; Гольдфарб Л.Л., Туровский Н.С., Беляев С.Д., 1983; Касатиков В.А., 1984; Алексеев Ю.В, 1987).
И, наконец, третий источник - это минеральные удобрения. Так, в ФРГ со средними дозами фосфорных удобрений в год поступает 3...5 г кадмия на 1га (Sauerbeck D., 1980). В связи с этим фермы-производители приняли решение о введении нормы на содержание кадмия в удобрениях, которая составляет 90 мг/кг (Stadelmann F.X., 1983).
Однако, оценивая минеральные фосфорные удобрения и ОСВ как потенциальный источник загрязнения тяжелыми металлами Г.А. Соловьев и А.В. Голубев (1981) подчеркивали, что необходимо исходить из их мобильности и доступности растениям. Она зависит как от рН почвы, содержания органического вещества и сопутствующих элементов, в частности, кальция, цинка, формы кадмия. Среди процессов, играющих важную роль в поступлении кадмия в растения, является диффузия. Чем ниже рН почвенного раствора, тем выше коэффициент диффузии кадмия.
Насыщение почв ионами H+ приводит к увеличению диффузии по сравнению с естественными почвами, но внесение кальция снижает подвижность его в почвах (Алексеев А.А., Зырин Н.Г., 1980). Исследованиями (Klein-Landenkoff U., 1986) было доказано, что внесение ОСВ в качестве органического удобрения показало защитные механизмы почвы. Этому способствовало внесение известковых удобрений. Доза 85-170 ц/га снижала поступление кадмия в растения на 20-30%. Другие авторы (Bidwell A.M., Dowdy R.H., 1987) отмечали, что внесение в 15 см слой почвы до 25,2 кг/га кадмия в составе осадков сточных вод (в течение 3-х лет) повысило содержание данного элемента в зерне до 5,18 мг/кг. Однако, другими исследователями не отмечалось негативное действие кадмия, содержащегося в осадках сточных вод. Так, 39-летние исследования не выявили существенных изменений в химическом составе растений (Wedder M.D., 1987).
Тяжелые металлы находятся в почве в различной форме. Они могут включаться в твердую фазу почвы, находиться в виде свободных ионов в почвенных растворах, в виде растворимых органоминеральных комплексов или адсорбированными на коллоидных частицах. Сульфокислоты образуют растворимые хелаты металлов в широком диапазоне рН, увеличивая, таким образом, их растворимость. Эти комплексы, обычно, более стабильны, чем аналогичные комплексы гуминовых кислот (Kieken L., 1983), которые также играют роль депонента тяжелых металлов.
Поступление тяжелых металлов в растения зависит от многих факторов. Имеются данные, позволяющие вывести определенную закономерность между накоплением и принадлежностью к семейству, биологическими особенностями вида, сорта.
По данным Kuboi T., Noguchi A. (1986), наиболее устойчивыми к накоплению кадмия оказались бобовые. Умеренно накапливали этот ион злаковые, лилейные, тыквенные и зонтичные. Большие концентрации кадмия отмечались у крестоцветных, пасленовых, сложноцветных, маревых. Однако, такое деление оказалось довольно условным. Испытание разных доз кадмия (от 1 до 300 мг/кг субстрата) показало, что внутри каждой группы каждого семейства наблюдается устойчивость к данному элементу. Турнепс не проявлял признаков токсикоза даже при максимальной дозе, в то время как репа уже при 30 мг/кг проявляла признаки токсикоза.
М.С. Паниным (1980) предложен несколько иной подход к данной проблеме, но основывающийся опять-таки на способности накопления того или иного элемента растениями. По его данным, по среднему уровню накопления определенного элемента в теле растения по отношению к разным ионам разные семейства можно расположить так: Со сложноцветные, злаковые, лебедовые, розоцветные, бобовые; Си сложноцветные, злаковые, лебедовые, бобовые, розоцветные, крестоцветные; Mo - бобовые, злаки, сложноцветные, крестоцветные, гречишные.
По реакции сельскохозяйственных растений к различным металлам существует также и сортовая специфичность, которая закреплена генетически.
Исследованиями Brune H. (1984) было показано, что 10 сортов салата, выращиваемых в песке при одинаковой концентрации кадмия в питательной среде, равной 0,1 мг/л, накапливали разное количество кадмия - 0,4 до 26 мг/кг.
У растений в условиях загрязнения интенсивно работают механизмы защиты, которые предохраняют до определенного момента надземные органы от поступления избыточного количества тяжелых металлов (Ильин В.Б., Степанова М.Д., 1980). При всем этом действие токсикантов при высокой их концентрации может все же усиленно проникать в растения. Однако степень накопления в различных частях растений будет различная (Ильин В.Б., Гармаш Г.А.,1981).
Наиболее сильно идет накопление свинца в корневой системе, причем количество ионов металла может превышать контроль более, чем в 7 раз. В меньшей степени его накапливают листья и репродуктивные части растений. Это объяснимо тем, что в процессах метаболизма в растениях образуются разнообразные органические соединения с хелатирующими свойствами. При проникновении ионов тяжелых металлов в корни происходит их связывание и, как следствие, снижение подвижности.
Таким образом, имеющиеся научные материалы отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о том, насколько сложна данная проблема. В мире идет интенсивный поиск путей утилизации возрастающего количества осадков городских сточных вод – продуктов жизнедеятельности человека, а так же других видов отходов городского коммунального хозяйства. Имеющиеся литературные данные по вопросам использования ОСВ в качестве удобрений нельзя автоматически переносить не наши почвенно-климатические условия, а по отдельным разделам, например, влияние ОСВ на состав почвенных растворов и т.д. материалов практически не имеется. С учетом вышеизложенного, целью наших исследований было изучить возможности использования осадков сточных вод г. Курска в качестве удобрений.
2. Методика и условия проведения исследований.
2.1 Методика исследований
Исследования проводились на опытном поле Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова в 1996-1998г.г. Почва темно-серая лесная среднесуглинистая.
Полевые исследования проводились по следующей схеме (табл.1)
Таблица 1
1. Схема проведения опыта:
Контроль (без удобрений, без ОСВ)
20 т/га ОСВ
20 т/га ОСВ + N30P30K30
20 т/га ОСВ + N60P60K60
20 т/га ОСВ + 5 т/га извести
N60P60K60
В полевых опытах размещение вариантов было рендомизированным методом. Повторность опыта шестикратная. Размер делянок 1,0 м х 1,0 м = 1 м2.
В исследованиях использовали методики, принятые в опытах по растениеводству, земледелию, почвоведению и агрохимии.
Перед закладкой опыта проводили анализ почвы:
а) Содержание гумуса в почве – по Тюрину;
б) рН солевой вытяжки – потенциометрическим методом;
в) Гидролитическая кислотность (Нг) – по Каппену;
г) Сумма обменных оснований (Sосн.) – по Каппену-Гильковицу;
д) Степень насыщения основаниями – расчетным способом (Практикум по агрохимии, 1987);
е) Подвижные: фосфор (Р2О5) и калий (К2О) – по Чирикову;
ж) Общий азот – по Къельдалю;
и) Азот щелочногидролизуемый – по Корнфилду
Все перечисленные выше методы описаны в следующих учебных пособиях и практикумах: “Агрохимические методы исследования почв” (1965); “Практикум по почвоведению” (И.С. Кауричев, 1973); “Руководство по химическому анализу почв” (Е.В. Аринушкина, 1970); “Практикум по агрохимии” (Л.В. Петербургский, 1968; А.С. Радов и др., 1985; Б.А. Ягодин и др., 1987).
Тяжелые металлы в ОСВ и почве (цинк, медь, никель, кобальт, хром, свинец), а также в растениеводческой продукции (кадмий, свинец, цинк, медь, ртуть, мышьяк) определяли по Е. Сенделу, 1996г.
Доза внесения ОСВ и минеральных удобрений подобраны таким образом, чтобы не допустить загрязнения почвы тяжелыми металлами и из расчета поддержания бездефицитного баланса гумуса. Возделывались сельскохозяйственные культуры со следующим чередованием их в звене севооборота: 1) клевер; 2) озимая пшеница; 3) кукуруза.
Осадка сточных вод было внесено 20 т/га, минеральных удобрений из расчета N30P30K30 и N60P60K60 в зависимости от варианта опыта и извести – 5 т/га. Осадок сточных вод, минеральные удобрения (аммиачная селитра, двойной суперфосфат, хлористый калий), известь вносили по квадратам, весной вручную под перекопку лопатой на глубину 30 см. Норма высева озимой пшеницы – 5 млн. всхожих зерен на 1 га; кукурузы – из расчета 70 тыс. растений на 1 га и клевера – 15 кг на 1 га.
Для клевера красного определяли высоту растений и урожайность.
Определяемая структура урожая зерновых – высота растений, продуктивная кустистость, длина колоса, число колосков и зерен в колосе, масса 1000 семян, масса надземной и незерновой части.
Анализы проводили в фазу восковой спелости зерна по среднему образцу, взятому в течение одного дня с двух рядков длиной 55,5 см в местах по диагонали делянки (с 1 кв. метра) в двух несмежных повторениях.
По кукурузе определяли высоту растений, длину, количество и массу початков на одно растение перед уборкой в двух несмежных повторностях, для чего отбирали на двух средних рядках подряд 20 растений.
Технологические и физиологические качества зерна озимой пшеницы (натура, стекловидность, масса 1000 зерен, количество сырой клейковины и массовую долю влаги) определяли согласно методике, рекомендованной Госкомиссией по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур.
Изучали не только действие ОСВ в год внесения, но и его последствие в течение двух лет.
В период вегетации проводили ручную прополку и рыхление междурядий у кукурузы. Для определения элементов структуры урожая по зерновым отбирали пробные снопы. Учет урожая – весовым методом.
Сорта и гибриды, высеваемые в опыте: клевер красный – Макаровский местный; озимая пшеница – Мироновская 808; кукуруза – Коллективный 181 (приложение 2).
Экспериментальные исследования проводили на кафедре неорганической и аналитической химии и межфакультетской химической лаборатории Курской ГСХА, государственной станции агрохимической службы “Курская”, а также испытательной химико-технологической лаборатории Курского центра стандартизации, метрологии и сертификации.
Полученные экспериментальные данные во всех опытах обработаны методом дисперсионного анализа на ЭВМ.
2.2 Условия проведения опытов
2.2.1 Краткая характеристика почвенных условий
Курская область расположена на западе Центрального Черноземья и относится к Средне-Русской провинции лесостепной зоны, для которой характерны два типа почв: черноземы и серые лесные почвы. Почвенный покров повсеместно сформировался на лессовидных отложениях суглинистых по гранулометрическому составу и богатых основными элементами питания. Физические и химические свойства лессовидных пород способствуют образованию на них плодородных почв.
В области Черноземы занимают 1460 тыс. га или 74%, а серые лесные почвы – 482 тыс. га или 24,5% (Муха В.Д. и др., 1992).
На долю светло-серых лесных почв на территории области приходится 3,6%, а серые и темно-серые лесные почвы занимают 10,4 и 10,6% соответственно. Поскольку исследования проводились на темно-серой лесной почве, то остановимся на ее характеристике более подробно.
По своим физическим и химическим свойствам и уровню плодородия серые лесные почвы значительно отличаются от черноземов. Они имеют повышенную кислотность и нуждаются в известковании. Пахотный слой имеет распыленную структуру, поэтому при увлажнении почвы заплывают и при высыхании на поверхности образуют корку. Период физической спелости у них значительно короче, чем у черноземов, что создает дополнительные организационные трудности при их обработке.
Среди лесных почв лучшими и наиболее распространенными на территории области являются темно-серые лесные. По своему строению, свойствам и плодородию темно-серые лесные почвы стоят близко к черноземам оподзоленным. Гумусовый горизонт темно-серых лесных почв значительно мощнее, чем у серых и колеблется от 40 до 60 см. Гумуса в пахотном слое темно-серых лесных почв содержится 3-5%, фосфором и калием растения на этих почвах обеспечены средне, а азотом недостаточно. Они пригодны для возделывания всех полевых культур, районированных в зоне (Д.А. Лепнев, 1968).
Опытный участок расположен на водоразделе. Рельеф опытного участка ровный, склон северо-восточной экспозиции не превышает 1-2°, имеются незначительные микропонижения. Почвенный покров однородный и представлен темно-серыми лесными почвами среднесуглинистого гранулометрического состава.
Водопрочность структуры и водопроницаемость почвы невысокая, поэтому она склонна к уплотнению и заплыванию.
Почва по содержанию гумуса относится к слабоокультуренным. Процент гумуса и общего азота резко уменьшается по профилю. Реакция почвы пахотного слоя (рН) меньше 5, а с глубиной несколько возрастает. В пахотном слое довольно значительна величина гидролитической кислотности и низкая величина суммы обменных оснований, степень насыщенности почв основаниями возрастает по профилю. Величина гидролитической кислотности соответствует почвам средней нуждаемости в известковании. Обеспеченность подвижными формами фосфора и калия высокая и повышенная, поэтому они не являются лимитирующим фактором.
2.2.2 Агроклиматические ресурсы и метеоусловия в годы проведения опытов
Рост и развитие сельскохозяйственных культур в значительной степени зависит от погодных условий, складывающихся в период вегетации растений. Климат Курской области умеренно-континентальный. Годовой приход солнечной радиации равен 89 ккал/см2. По сезонам это тепло распределяется следующим образом: зима – 7, весна – 29, лето – 40 и осень – 13 ккал/см2.
Годовая сумма осадков составляет 533-640 мм., но их распределение неравномерно и в отдельные годы наблюдаются засухи и суховеи, которые при цветении растений оказывают отрицательное влияние. На теплый период с преобладанием жидких осадков приходится 65%, а на холодный с преобладанием твердых осадков 35% их годового количества.
Сумма активных температур воздуха (2300-2450°С) достаточна для выращиваемых сельскохозяйственных культур. По данным метеостанции Курск, расположенной в 4 км от опытного поля, среднегодовая температура воздуха составляет 5,4°С с колебаниями от 3,8 до 7,3°С. Самым холодным месяцем является январь, среднемесячная температура которого –8,6°С, а самым теплым – июль со среднемесячной температурой 19,3°С. Продолжительность теплого периода со среднемесячной температурой выше 0°С (с 27 марта по 11 ноября) – 229 дней, вегетационного со среднемесячной температурой выше 5°С (с 13 апреля по 18 октября) – 188 дней, период активной вегетации со среднесуточной температурой выше 10°С равен 152 дням (с 29 апреля по 27 сентября). Средняя дата последнего весеннего заморозка 27 апреля, а первого – осеннего 9 октября.
Температура воздуха за время проведения опытов была различна. Так, например, средняя температура воздуха за 1996 г. ниже на 0,2°С или 4,7%; за 1997 г. выше на 0,1°С или 1,8% и за 1998 г. уже выше на 0,7°С или 12,9% по сравнению со средней многолетней соответственно.
Осадки по годам проведения опытов распределились неравномерно. В 1996 г. выпало 580 мм осадков, что приблизительно соответствует среднему многолетнему значению. В 1997 г. осадков выпало 767 мм, что на 30,6% больше, по сравнению со средним многолетним значением, а в 1998 г. осадков выпало 681,5 мм, что на 16,1% выше среднего многолетнего значения.
Метеорологические условия в годы проведения исследований представлены в приложении №1.
3. Технология переработки промышленных и коммунальных стоков на очистных сооружениях г. Курска
3.1. Характеристика очистных сооружений г. Курска
Очистные сооружения мощностью 150000 м3 включают сооружения, обеспечивающие механическую и биологическую очистку. По проекту сточные воды должны содержать загрязнения в концентрации по биологическому поглощению кислорода (БПК) – 278 мг/л. Сточная вода отвечает этим требованиям.
Биологическая очистка включает в себя:
- адсорбцию загрязняющего воду вещества на активном компоненте;
- минерализацию загрязнений микроорганизмами в аэробных условиях.
Первый процесс длится около 10-15 минут, а второй довольно длительное время.
При работе аэротенка через него медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом. Подача воздуха производится воздуходувными машинами через фильтростные пластины. Кислород воздуха способствует жизнедеятельности микроорганизмов, частично подавляя развитие патогенных микроорганизмов. Аэрация способствует также большему контакту активного ила с загрязнениями. Одним из основных условий работы аэротенков является получение бактериального хлопка активного ила, способному к быстрому уплотнению, осаждению и отделению от очищаемой жидкости. Активный ил в аэротенках образуется за счет суспензии сточной жидкости, адсорбции коллоидов и размножения на этом субстрате микроорганизмов. Основную часть активного ила составляют бактерии. На 1 г активного ила приходится 1012 бактерий. Видовой состав бактерий зависит от характера загрязнений. Кроме бактерий в иле находятся одноклеточные организмы и более сложные организмы – коловратки, черви. При нормальной работе аэротенка бактерии и простейшие находятся в равновесии. Нарушение равновесия – это сигнал предупреждения ухудшения работы аэротенка. Наиболее благоприятным условием для процесса очистки в аэротенках является соотношение в поступающей воде: БПК:N:Р = 100:5:1.
Степень очистки зависит от дозы ила – это количество в граммах сухого вещества на 1 л сточной жидкости. Для очистных сооружений г.Курска данная доза составляет в регенераторе – 5-8 г/л и аэротенке – 2,5-3,5 г/л. Качество активного ила характеризуется иловым индексом – это объем ила в мл, занимаемы во влажном состоянии после 30 минут отстаивания 1 г сухого вещества. Если иловой индекс больше 100, то ил плохой, осаждаемость его плохая. Скорость осаждения хлопка активного ила зависит от его плотности. Мелкие микроорганизмы образуют плотный ил, а длинные нитчатые формы, разветвленные организмы образуют рыхлый, плохо осаждаемый ил.
Причинами, нарушающими работу аэротенка являются:
- перегрузка сооружения органическими веществами;
- образование анаэробных зон;
- недостаток биогенных элементов (С, N, Р);
- резкое изменение рН среды и температуры;
- присутствие в сточной воде токсичных веществ.
Биохимическая очистка полная, если биохимические процессы в сооружении доходят до начала реакции нитрификации. Условно степень очистки определяют также по остаточному БПК очищенной сточной воды. При полной очистке БПК < 20 мг/л.
Схема работы аэротенка.
Сточная жидкость смешивается с активным илом. Эта смесь аэрируется воздухом на всем протяжении аэротенка. Это необходимо не только для жизнедеятельности микроорганизмов, но и для поддержания во звенном состоянии ила. Во втором отстойнике происходит отделение ила от сточной воды. Ил снова поступает в аэротенк, первая секция которого является регенератором, т.е. сточная вода не подается. Активный ил обладает огромной адсорбционной способностью. Но эта способность со временем уменьшается. Процесс восстановления ее происходит за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Этот процесс называется регенерацией. Однако, в процессе окисления загрязнений происходит увеличение биомассы, поэтому избыточную часть ила удаляют из вторичного отстойника путем откачивания.
В жидкости, очищаемой в аэротенках, происходят следующие изменения:
- снижение концентраций загрязнений вследствие разбавления жидкостью, транспортирующий активный ил;
- адсорбция загрязнений на активном иле, протекающая первые 15-30 минут;
- постепенное уменьшение органических веществ, растворенных в воде надсорбированных на активном иле;
- постепенное уменьшение азота аммонийных солей и нитратов.
При нарушении технологического режима происходит миграция ила из толщи жидкости в ее поверхностные слои. Иловая жидкость становится мутной. Основными минерализаторами органических веществ являются бактерии, которые, питаясь иловыми частицами переводят ряд сложных веществ в более простые. Инфузории и другие простейшие выполняют роль регуляторов развития бактерий, тем самым создают благоприятные условия для процесса минерализации, а также способствуют флокуляции мелкодисперсной взвеси за счет выделения в среду слизи. Простейшие благоприятствуют накоплению в среде азота, повышая ценные качества активного ила как удобрения. Кроме того, простейшие выполняют роль индикаторов, характеризующих работу очистных сооружений. Так при сильном загрязнении воды органическими примесями в иле развиваются мелкие амебы. Инфузории при неблагоприятных условиях притерпевают изменения по своей форме. При хорошей работе аэротенка в активном иле встречается большое количество видов простейших. Особенно характерны Aspidisca, Stylonichia, Vorticella convollaria, Opercularia. Если наблюдается дефицит питательных веществ происходит уменьшение размеров инфузорий.
3.2 Технология переработки осадка сточных вод
Подлежащие спуску в канализацию сточные воды: коммунальные и производственные поступают через приемники в трубы внутренней канализационной сети, затем в стояк, из которого уже выводятся в наружную канализационную сеть.
Наружная канализационная сеть представляет собой разветвленную сеть труб и каналов. Сточные воды, протекая по этим трубам самотеком и переходя постепенно из мелких труб в более крупные комплекторы, направляются на очистные сооружения. В большинстве случаев еще приходится строить станцию перекачки.
Для выделения крупных загрязнений применяются решетки, представляющие собой вертикально или наклонно поставленные на пути движения сточных вод прутья с прозорами различной величины. Для выделения мелкой взвеси применяются отстойники. По характеру своей работы отстойники бывают периодического и непрерывного действия. Отстойники непрерывного действия основаны на том, что чем медленнее движется в них жидкость, тем более мелкие частицы выпадают в осадок. Сточная вода поступает в отстойники непрерывно. Отстойники бывают горизонтальными и вертикальными. Горизонтальные отстойники округлой формы, в которых жидкость поступает не в центр, а собирается по периферии и называются радиальными.
Отстойники, специально предназначенные для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей называются песколовками. После первых отстойников сточные воды поступают в аэротенки. В аэротенках идет биологическая очистка. Биологическая очистка основана на жизнедеятельности микроорганизмов, способствующих минерализации органических веществ.
Аэротенк – наиболее совершенная для биологической очистки сооружение. В нем искусственно создаются необходимые для окисления органического вещества условия путем введения требуемого количества микроорганизмов и кислорода. Аэробные микроорганизмы вводятся в виде активного ила. Они служат той твердой фазой, на которой происходит в аэротенке адсорбция органических веществ. Необходимый для окисления органических веществ кислород поступает с воздухом, вдуваемым в аэротенк воздуходувками. В аэротенках происходят биологические процессы и химическое окисление органических веществ.
После аэротенков сточная вода поступает во вторичные отстойники.
Содержание в очищенной воде небольших количеств нитратов (0,5-1,0 мг/л) указывает на окончание процесса окисления органических загрязнений.
На качество очистки сточной воды в аэротенках влияют три важных фактора: период аэрации, концентрация активного ила, степень его регенерации и расход воздуха. В связи с тем, что приток сточных вод изменяется в больших пределах, меняется период их аэрации. Чем выше БПК сточных вод, поступающих в аэротенки, тем больше должен быть период аэрации.
После биологической очистки вода поступает во вторые отстойники, где в основном происходит осаждение ила, который вынесен из аэротенка. Затем этот ил, который уже в значительной степени утратил свою адсорбционную активность, возвращается в регенератор для регенерации. Вторичные отстойники устроены по тем же принципам, как и первичные. Поступающая сточная вода содержит 40-50% ила. Количество активного ила, составляющего его прирост, должно отбавляться и направляться на подсушку или на сбраживание. Сточная вода после вторых отстойников поступает в контактные резервуары, куда подается хлорная вода.
Правилами спуска сточных вод в водоемы, установленными Государственной санитарной инспекцией, предусматривается дезинфекция спускаемых сточных вод. В качестве дезинфектанта в настоящее время в канализационной практике применяется хлор. Хлорная вода поступает в смеситель, где и смешивается со сточной водой. Быстрее всего входит в соединение с хлором газы и растворимые вещества в сточной воде. Все процессы происходят одновременно, но с различными скоростями.
Сероводород, находящийся в сточной воде и придающий ей гнилостный запах уничтожается мгновенно. Хлор, действуя на сточные воды, не оказывает влияния на бактерии, поэтому хлорирование проводят осветленных вод. Количество хлора, необходимое на дезинфекцию сточных вод, составляет 5-10 мг/м3. Время контакта – 30 минут.
Серьезной проблемой в деле очистки сточных вод является ликвидация загрязнений и осадков, задерживаемых на решетках и отстойниках. При длительном хранении осадка в отстойниках, когда промежуток между очистками полгода, было замечено, что осадок подвергается гнилостному брожению и количество осадка уменьшается. Происходит это в следствии действия анаэробных микробов. При длительном гнилостном процессе, все органическое вещество может быть переведено в растворимое состояние. Для ускоренного процесса брожения применяются специальные сооружения – метантеки с температурой 27-28°С и использованием газа метана. Осадок сточных вод содержит азот, фосфор, калий и другие вещества, которые делают его ценным как удобрение. Но для использования осадка в качестве удобрения необходимо уменьшить его влажность. Наиболее простой способ обезвоживания – подсушивание его на иловых площадках, где влажность уменьшается с 90-95% до 55-60%. При этом осадок уменьшается в объеме и теряет свою текучесть.
Ежегодно на иловые площадки очистных сооружений г.Курска выбрасывается 15 тыс. тонн ОСВ.
3.3 Состав сточных вод и условия приема их в городскую канализацию
Сточной водой называется вода, использованная на бытовые или производственные нужды и получившая при этом загрязнения, которые изменяют ее первоначальный химический состав и физические свойства. К сточным водам относят также загрязненные воды атмосферных осадков, воду от полива улиц, мытья машин, транспорта. Выделяют три категории сточных вод: хозяйственно-бытовые, промышленные стоки и ливневые.
В высокоразвитых в индустриальном отношении городах количество производственных сточных вод значительно больше, чем бытовых. Однако, не вся вода производственных предприятий попадает в системы городских канализаций. Состав бытовых сточных вод достаточно однотипен и устойчив, в следствие относительного однообразия хозяйственной деятельности человека. Состав производственных сточных вод весьма разнообразен и зависит не только от вида производства, но и от принятого технологического процесса. Что касается атмосферных осадков, то для них характерны эпизодичность образования и резкая неравномерность по расходу и качеству воды. В систему дождевой канализации попадает большое количество воды от моечных машин и автотранспорта. Эти воды сильно загрязнены, они содержат примеси горючих и смазочных веществ, которые с большим трудом поддаются биохимическому окислению. Спуск таких вод без предварительной их очистки резко ухудшает состояние водоема. Смесь бытовых, промышленных и ливневых вод при общей системе канализации называется городскими сточными водами.
Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные системы, загрязненные веществами, которые могут находится в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии. Коллоидные и нерастворенные вещества образуют грубо и тонкодисперсные системы: суспензии, эмульсии, пену. В сточных водах всегда присутствуют как органические, так и неорганические компоненты загрязнений. Органические вещества в бытовых стоках находятся в виде белков, углеводов, жиров и продуктов физиологической переработки. Кроме того, бытовые стоки содержат крупные примеси – тряпье, бумагу, отбросы растительного происхождения. Из неорганических компонентов в этой категории стоков всегда присутствуют в виде ионов калий, натрий, кальций, магний, хлор. Бытовые стоки обязательно имеют в своем составе биологические загрязнения, которые представлены бактериями, в связи с чем, эти стоки представляют существенную эпидемиологическую опасность для человека. Состав промышленных сточных вод разнообразен: нефтепродукты, кислоты, соединения железа, хрома, меди, цинка, а также жиры, красители. Тяжелые металлы попадают от промышленных предприятий.
ПДК различных веществ изложены в “Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами”. Существуют критерии при установлении ПДК:
- отсутствие вредных веществ для ила и на процесс биологической очистки;
- остаточное содержание вредных компонентов в биологически очищенной воде.
Концентрация не должна превышать ПДК с учетом конкретных условий.
3.4 Обезвреживание сточных вод и методы дезинфекции
Бактериальное заражение источников водоснабжения нередко было началом многих разных эпидемий, охватывающих целые области. Эпидемии являлись прямым результатом отсутствия дезинфекции воды. Одним из наиболее действенных и доступных средств борьбы, как против бактериальных, так и против ряда химических мер загрязнения воды, является обработка ее хлором. Хлор как сильный окислитель разрушает органические соединения, находящиеся в воде, убивает бактерии, способствует гидролизу и изменяет строение молекул, тем самым переводя многие из них в неядовитые соединения. Хлор – газ желто-зеленого цвета, тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде. Хлор – активный элемент, соединяется с металлами и почти со всеми катионами. Быстрее всего входят в соединение с хлором газы, затем жидкость, растворенные в ней вещества, а потом уже нерастворенные вещества.
Все процессы проходят одновременно, но различны скорости течения реакций. Особенно быстро входят в соединение с хлором газы, имеющие в своем составе водород. Хлор, действуя на сточные воды, содержащие нерастворенные загрязнения, не оказывает влияние на бактерии, содержащиеся внутри этих загрязнений, поэтому хлорирование проводят осветленных вод. Это требует меньшего количества хлора и дает лучшие результаты. Для сточной воды после биологической очистки необходимо 5-10 г/м3 хлора. Хлорируема вода перед выпуском в водоем должна содержать остаточное количество хлора – 0,5-1,0 г/м3.
Для того, чтобы хлор действовал на бактерии, находящиеся в сточных водах, необходимо хорошее перемешивание его со сточной водой и достаточное время от 15 до 30 минут.
Контакт сточной воды с хлором осуществляется в специальных резервуарах. Хлор находится в баллонах под давлением 5,6 атмосфер при температуре 0°С. Из баллонов хлор поступает в хлораторы, а затем в воду в виде хлорной воды.
4. Результаты исследований.
4.1 Агрохимическая характеристика темно-серой лесной почвы
Жидкая фаза почвы является непосредственным источником воды и питательных веществ, которые растения извлекают из почвы – этим определяется важнейшая роль жидкой фазы в питании растений (Возбуцкая А.Е., 1968).
Данные водных вытяжек дают хороший сравнительный материал по содержанию и составу водорастворимых веществ в почве и поэтому этот метод находит применение для генетической характеристики многих почв. Методом водных вытяжек пользуются также при исследовании динамики почвенных процессов, изучении режима питательных веществ почвы, выявления присутствия в ней вредных для растений солей и для решения многих других практических задач (Аринушкина Е.В., 1961).
Состав и концентрация почвенного раствора зависит от целого ряда процессов: биологических, физико-химических, химических и физических, которые протекают в почве по разному, в зависимости от температуры, влажности и аэрации. Между жидкой и твердой фазами почвы постоянно существует динамическая адсорбционное равновесие. Все это делает состав и концентрацию почвенного раствора весьма подвижными и приводит к необходимости изучения их в динамике. Метод водной вытяжки является условным и дает лишь качественное представление о составе почвенного раствора и его концентрации.
В водной вытяжке определяли катионы (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) и анионы (HCO3-, Cl-, SO42-).
В настоящем разделе приводим содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (табл.2)
Таблица 2
2. Содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (мг-экв/100г сухой почвы), 1996 г.
Анионы |
Катионы |
||||
HCO3- |
Cl- |
SO42- |
Ca2+ |
Mg2+ |
K+ + Na+ |
3,30 |
9,72 |
12,40 |
8,10 |
2,04 |
17,30 |
Также были определены ионы тяжелых металлов в почве, данные которых представлены в табл.3
Таблица 3
3.Содержание ионов тяжелых металлов в темно-серой лесной почве (мг на 1 кг почвы), 1996 г.
Ионы химических элементов |
Фактическое содержание |
ПДК |
Zn2+ |
49,1 |
70 |
Как видно из таблицы 3, содержание ионов тяжелых металлов в почве в пределах нормы.
После окончания проведения полевых опытов был сделан химический анализ на содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (табл.4)
Таблица 4
4.Содержание катионов и анионов в водной вытяжке темно-серой лесной почвы (мг-экв/100 г сухой почвы), 1998 г.
Анионы |
Катионы |
||||
HCO3- |
Cl- |
SO42- |
Ca2+ |
Mg2+ |
K+ + Na+ |
4,07 |
10,42 |
14,46 |
14,09 |
2,09 |
17,32 |
Агрохимическая характеристика почвы представлена в табл.4.1.4
Количество НСО3- в почвенном растворе сильно варьирует в зависимости от интенсивности процессов окисления органического вещества и образования углекислоты (жизнедеятельность микроорганизмов, дыхание корневой системы растений). Об этом свидетельствуют и наши данные. В начальный период роста растений, когда в почвенной среде не активизировались биологические процессы и корневая система была маломощной, содержание НСО3- в почве было невысоким. Однако в последующем, к концу вегетации, когда развилась мощная корневая система и активизировались обменные процессы, количество НСО3- возросло. Но, в целом внесение ОСВ не оказывает довольно сильного влияния на концентрацию аниона НСО3- в почвенной среде.
Как показывают результаты исследований, заметно увеличилась концентрация анионов Cl- и SO42- на 0,70 и 2,06 мг на 100 г абсолютно-сухой почвы и в незначительной степени увеличилась концентрация катионов Mg2+, K+ + Na+ в почвенном растворе.
Особенно заметно возрастало содержание катиона Ca2+ с 8,10 до 14,09 мг на 100 г абсолютно-сухой почвы. При внесении ОСВ общее содержание катионов и анионов в водных вытяжках из почв возрастает, среди них ведущее место занимает ион кальция. Увеличение количества Ca2+ в почвенном растворе изменяются в связи с изменением анионов: чем больше в почве образуется Н2СО3 и НNO3, тем больше количество Ca2+ вытесняется водородом из поглощенного состояния в раствор.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно считать, что осадки сточных вод при их использовании в качестве удобрения увеличивают содержание сухого остатка в водных вытяжках из почв, изменяют соотношение анионно-катионного состава, но не оказывают при этом существенного влияния на степень засоленности почв.
ОСВ положительно влияет на агрохимические свойства темно-серой лесной почвы: улучшает плодородие, способствует смещению реакции среды к слабощелочной, а также обеспечивает необходимым набором макро- и микроэлементов.
За периоды возделывания клевера красного, озимой пшеницы и кукурузы определяли влажность почвы. Результаты данных исследований приведены в приложениях 3-5.
4.2 Химический состав ОСВ очистных сооружений г. Курска.
Осадок сточных вод г.Курска имеет вид рассыпчатой рыхлой земли 50-55 % влажности, технологичен к погрузке, транспортировке и внесению. Результаты анализов валового химического состава ОСВ, полученные в химической лаборатории Государственной станции агрохимической службы “Курская” и химической лаборатории кафедры неорганической и аналитической химии Курской ГСХА, представлены в табл.6
Таблица 6
6. Валовой химический состав ОСВ (г.Курска), 1996 г.
Показатели химического состава |
ОСВ |
ПДК |
SiO2
Zn2+ |
8,82
265,0 |
2500 |
Химический состав ОСВ, в зависимости от поступающих промышленных и коммунальных стоков на очистные сооружения, а также методов определения колеблется в достаточно широком диапазоне. ОСВ характеризуется широким набором макро- и микроэлементов, включая и тяжелые металлы.
Из таблицы 6 следует, что наличие ионов тяжелых металлов в осадке сточных вод ниже уровня ПДК.
Следует отметить, что в ОСВ содержится 1,0-1,34% общего азота, 0,21-0,23% общего фосфора, 0,32-0,36% общего калия при рН – 4,8-5,0.
4.3 Влияние ОСВ на рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур.
4.3.1 Рост и развитие клевера красного
Влияние ОСВ на клевер красный изучалось в мелкоделяночном опыте в прямом действии, с учетом высоты растений и урожайности. Результаты роста и развития клевера красного приведены в табл.7
Таблица 7
7. Влияние ОСВ на рост растений клевера красного (полевой опыт 1996 г. – прямое действие).
Варианты опыта |
Высота, см |
Отклонение, см |
Контроль (без удобрений, без ОСВ) |
13,0 |
– |
Как видно из таблицы 7, в год внесения ОСВ рост и развитие клевера красного имеет довольно интересную особенность. Например, во всех вариантах опыта высота растений клевера красного, за исключением последнего, превышала в 1,9-2,3 раза значение на контроле.
К моменту уборки отклонения по высоте растений довольно значительны. Так, например, в вариантах опыта с 20 т/га ОСВ + N60P60K60 и 20 т/га ОСВ + 5 т/га извести высота растений клевера красного имеет максимальные значения и достигает 29,0 и 29,5 см соответственно.
Богатырев Сергей Михайлович
11.00.11. – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов
Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Курск – 1999
