Управление использованием органических отходов в сельском хозяйстве на региональном уровне

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Управление использованием органических отходов в сельском хозяйстве на региональном уровне

Специальность: 06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тиньгаев Анатолий Владимирович

Москва 2010

Работа выполнена в отделе природоохранных технологий Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ГНУ ВНИИГиМ) Россельхозакадемии ФГУП АФ НИИССВ «Прогресс»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кирейчева Людмила Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гостищев Дмитрий Петрович

доктор технических наук, профессор Никитенков Борис Федорович

доктор физико-математических наук, профессор Веницианов Евгений Викторович

Ведущая организация: ФГНУ ВНИИ систем орошения и сельскохозяйственного водоснабжения «Радуга»

Защита состоится «11» ноября 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, ул. Б. Академическая, д. 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ.

Автореферат разослан « » ____________ 2010 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук С.Д. Исаева

органический плодородие почва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Среди экологических проблем в мире и России можно выделить проблему всевозрастающего количества и разнообразия отходов производства и потребления. Ежегодно в мире образуется около 25·10⁹ т отходов, из них в России более 3,8 млрд. т. По данным Мирового института природных ресурсов объем сточных вод к 1990 году достиг 14100 км³. В России ежегодно образуется более 52 км³ сточных вод и 1,5 км³ животноводческих стоков. В отвалах и хранилищах накоплено более 31 млрд. т. твердых отходов, в том числе токсичных. Из-за недостатка полигонов для захоронения и складирования отходов производства распространена практика их вывоза в места неорганизованного складирования, под которые изъято более 100 тыс. га земель (Государственный доклад, 2009; Масаев, Пермяков, 2009). Все это способствует ухудшению экологической обстановки, вызывает загрязнение почв, поверхностных водных объектов, грунтовых вод, воздушной среды.

Вместе с тем, использование органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений в сельском хозяйстве позволяет решить несколько проблем. С одной стороны, вместе с отходами в почву поступает органическое вещество и элементы питания в доступных для растений видах, с другой, - решается проблема утилизации отходов, обеспечивающая охрану окружающей среды от загрязнения. Однако, при ненормируемом использовании или некачественной подготовке органических отходов наблюдается развитие негативных процессов: загрязнение, занитрачивание, засоление и осолонцевание почв, снижение их биологической активности за счет развития патогенной микрофлоры, ухудшение водно-физических свойств, миграция поллютантов в подземные воды, смыв в поверхностные водоисточники. Для предотвращения или снижения негативных последствий использования органических отходов в сельском хозяйстве необходимо разработать методы эффективного управления отходами с учетом особенностей их состава и природно-хозяйственных условий региона, что является актуальной и своевременной задачей научных исследований.

Рабочая гипотеза. Эффективность и безопасность использования органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений для повышения плодородия малопродуктивных и деградированных почв может быть достигнута путем разработки современных методов подготовки отходов и технологий их управления на региональном уровне.

Цель и задачи исследований. На основе детального анализа объемов, качества и территориального размещения органических отходов разработать систему поддержки принятия управленческих решений по безопасному их использованию в сельском хозяйстве для восстановления плодородия деградированных и малопродуктивных почв.

Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

- выполнить анализ формирования и особенностей состава отходов в мире и России;

- изучить состав, территориальное размещение органических отходов, образующихся в Алтайском крае и оценить их качество;

- обосновать возможность использования органических отходов для восстановления деградированных и малопродуктивных земель с целью повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур;

- создать геоинформационную систему мониторинга обращения отходов в регионе с учетом их размещения, агро- и эколого-мелиоративных характеристик почвенного покрова, а также наличия водных объектов;

- разработать математические модели для прогнозирования влияния органических отходов на запасы гумуса в почве, загрязнения почв и грунтовых вод тяжелыми металлами и другими поллютантами;

- разработать модель оптимального распределения органических отходов в сельском хозяйстве региона;

- разработать региональную систему поддержки принятия управленческих решений по использованию органических отходов в сельском хозяйстве.

Методология и методика исследований. Методологической основой являются фундаментальные положения мелиоративной науки, почвоведения и экологии. При проведении исследований использованы принципы системного анализа, позволяющие обеспечить эффективную стратегию изучения объекта исследований. Для решения поставленных задач применены методы математического моделирования, метод двухслойной неявной конечно-разностной схемы, метод Рунге-Кута, симплекс-метод, регрессионный анализ пакета Statistica.

Научная новизна исследований состоит в теоретическом обосновании и практической реализации оптимального использования органических отходов в сельскохозяйственном производстве для восстановления плодородия деградированных земель.

Впервые разработана региональная система поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве на примере Алтайского края. Усовершенствована методика прогнозирования запасов гумуса в почве, учитывающая не только процессы гумификации органических отходов и растительных остатков, но и их накопление в почве. Разработана математическая модель миграции тяжелых металлов в почве, учитывающая поступление тяжелого металла с органическими отходами, как в подвижной, так и неподвижной формах, а также переход из одной формы в другую. Впервые предложена математическая модель оптимального использования отходов в регионе с учетом интересов предприятий, формирующих отходы, и возможных потребителей отходов. Для информационной системы поддержки принятия управленческих решений разработаны состав и структура мониторинга обращения отходов в регионе на базе геоинформационных технологий. На основе многолетних экспериментальных данных получены зависимости влияния органических отходов на микробиологическую активность почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур.

На защиту выносится:

-закономерности влияния объемов и компонентного состава органических отходов на микробиологическую активность почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур.

-научно-методическое обеспечение мониторинга обращения отходов в регионе и его реализация с использованием геоинформационной технологии.

-математические модели прогнозирования динамики запасов гумуса в почве и загрязнения почвы тяжелыми металлами при использовании органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений;

-модель оптимизации распределения органических отходов на сельскохозяйственных полях, учитывающая запросы потребителя отходов и возможность их поставки с учетом интересов предприятий и сельхозпроизводителей;

-региональная система поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве для Алтайского края.

Практическая значимость. Разработанная региональная система поддержки принятия управленческих решений может быть применена для научно-обоснованного размещения органических отходов на землях сельхозтоваропроизводителей, что позволит повысить урожайность сельскохозяйственных культур и плодородие почв и решить экологическую проблему, связанную с негативным влиянием отходов на окружающую среду. Разработанные математические модели могут быть применены научными и проектными организациями для изучения процессов накопления запасов гумуса и миграции тяжелых металлов в почве, а также использованы в учебном процессе. Система поддержки принятия решений может найти применение при обосновании природоохранных мероприятий и при проведении экологической экспертизы.

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении литературных источников и фондовых материалов по формированию объёмов и качества различных видов отходов и оценке возможности их использования в сельском хозяйстве. Автором разработаны эмпирические модели влияния органических отходов на микробиологическую активность почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур, математические модели и программное обеспечение динамики запасов гумуса и миграции тяжелых металлов, модель оптимизации распределения органических отходов на сельскохозяйственных землях. Выполнена компьютерная реализация и заполнение информационно-справочной и геоинформационной системы для Алтайского края. При личном участии автора проводились натурные эксперименты по использованию органических отходов на сельскохозяйственных угодьях Алтайского края.

Апробация результатов диссертационной работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на международных научных конференциях во ВНИИГиМ (Москва, 2006-2009г. г.), Юбилейной международной научно-практической конференции (Барнаул, 2003 г.), международном конгрессе по управлению отходами Вэйстэк (Москва, 2003, 2007, 2009 г.), III российско-монгольской конференции (Бийск, 2004 г.), шестом международном конгрессе Экватэк (Москва, 2004 г.), международной научной конференции в ВНИИА (Москва, 2004 г.), IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004 г.), на международной научной конференции посвященной 95-летию со дня рождения академика И.И. Синягина (Новосибирск, 2006), международной научной конференции в МГУП (Москва, 2008 г.), 4-й международной научно-практической конференции «Геопространственные технологии и сферы их применения» (Москва, 2008).

Работа награждена медалью лауреата ВВЦ на агропромышленной неделе (Москва, 2003 г.), премией Алтайского края в области науки и техники за 2004 г. и дипломом федерального агентства геодезии и картографии (Москва, 2008 г.).

Региональная система поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве внедрена в Управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды Алтайского края.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 45 научных работах, в том числе 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложена на 288 страницах машинописного текста, иллюстрирована 57 рисунками, содержит 48 таблиц. Список литературы включает 405 наименований, в том числе 53 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, дана методология и методика проведения исследований, приведены новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ понятийного аппарата, рассмотрено формирование и особенности состава различных видов органических отходов, формирующихся в мире и России; приведен опыт использования органических отходов в сельском хозяйстве; изложены требования к качеству отходов, используемых для повышения плодородия почв и предложена концептуальная модель использования органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений на региональном уровне.

В настоящее время одним из значимых источников загрязнения природной среды являются разнообразные отходы производства и потребления. Однако до сих пор в мире не существует единой классификации отходов. Отходы различаются как по происхождению (промышленные, сельскохозяйственного производства, коммунально-бытовые, и пр.), агрегатному состоянию (твердые, полужидкие, жидкие, газообразные), так и по классу их опасности для окружающей природной среды (от практически неопасных до чрезвычайно опасных). В настоящей работе автор уделил внимание проблеме формирования, сбора, обезвреживания и использования твердых и жидких органических отходов. Органические отходы представляют собой остатки сырья, вещества и побочные продукты, образующиеся в результате технологических процессов при производстве продукции или в жизни людей и содержащие органические соединения растительного, животного и промышленного происхождения. В работе рассматриваются органические отходы, представленные навозом крупного рогатого скота и свиным, птичьим пометом, сточными водами различных предприятий и их осадками. Структура органических отходов представлена на рис.1

Рисунок 1 Структура органических отходов

Твердые органические отходы складируются в отвалах, на полигонах ТБО, несанкционированных свалках, сжигаются или утилизируются. В России в отвалах и хранилищах, полигонах и несанкционированных свалках накоплено около 80·10⁹ т. отходов, а под полигонами отходов занято 0,1 млн. га (Государственный доклад, 2009). В США 90% твердых отходов захораниваются на свалках. Захоронение является наиболее распространенным методом и в Великобритании, где ежегодно около 111х10⁶ т. отходов поступает на свалки (Baker, 2005). В 2004 г. 47% отходов в государствах ЕС были захоронены на полигонах и свалках. Для свалок выбираются, как правило, земли не подверженные наводнениям или высокому стоянию грунтовых вод. Защитой от утечек отходов свалки является их перемешивание с цементом, золой с электростанций, асфальтом или органическими полимерами (Bassis, 2005)

Одним из распространенных методов уничтожения отходов является их сжигание. В государствах ЕС 17% всех отходов ежегодно сжигаются (Оценочные данные Европейской комиссии по охране окружающей среды, 2008). В Великобритании приблизительно 5% бытовых, 2% промышленных и 75% коммерческих отходов сжигаются (Baker, 2005), в США доля сжигаемых отходов составляет 28 млн. т. (Масаев, Пермяков, 2009). В России положительный опыт сжигания осадков сточных вод имеется в Санкт-Петербурге. Строительство завода по сжиганию на Центральной станции аэрации позволило решить проблему, связанную с наращиванием полигонов хранения осадка сточных вод южного бассейна Невы. К середине 90-х гг. общая площадь достигла более 150 га при ежегодном вывозе осадка 219-292 тыс. м³ (Цветков, Куприянов, 2000). В настоящее время весь объем осадков сточных вод Центральной станции аэрации подается на сжигание.

Наиболее эффективным способом сокращения твердых отходов является их использование для получения биогаза и переработка. Согласно данным Статистической службы Европейского союза «Eurostat» за 2006 г., в Австрии, Германии, Нидерландах и в Бельгии объем утилизации отходов составил более 60%. В США, Европе, Японии, Индии применяются методы микробиологической переработки отходов животноводства и осадков сточных вод, позволяющие получать биологический газ и так называемый органический шлам, используемый в качестве удобрения. Полученное удобрение представляет собой однородную полужидкую массу, в которой концентрация питательных веществ увеличивается: валового азота и фосфора почти в 1.7, калия - в 1.3 раза (Сидоренко, 2009; Пахненко, 2007). Для утилизации твердых органических отходов с высоким содержанием концентраций солей тяжелых металлов в России используется их переработка в крупнопористый материал для строительной индустрии (Яковлев,1999).

Жидкие органические отходы подвергаются очистке, депонируются в нагнетательные скважины или утилизируются. Простейший подход к контролю качества сточных вод - их очистка на источнике формирования. Такой подход используется в Соединенных Штатах, Канаде и Европе, и во многих случаях требуется более высокий уровень технологии очистки (Zerbock, 2003). В настоящее время разработано большое количество перспективных технологий очистки сточных вод и стоков. Схемы отведения и обработки сточных вод промышленных предприятий определяются технологическим процессом, объёмом сточных вод, составом загрязнений, а также требованиями к качеству очищенной воды. При выборе способа очистки учитывают не только состав сточных вод, но и требования, которым должны удовлетворять очищенные воды, а при использовании очищенных сточных вод вторично в производстве - требования конкретных технологических процессов. Эффективность очистки различных методов можно выразить в бальной системе (табл. 1).

Таблица 1 Эффективность различных методов очистки воды (составлена автором с использованием литературных источников (Соколов, 2000; Проскуряков, Шмидт, 1977; Яковлев, 1979; Белоусов, 2009; Кашковский, 2009; Холенберг, 2008,2009 и другие)

Методы очистки воды	Бактерии	Вирусы	Микробн. токсины	Фенолы	Хлор. орган. вещ-ва	Прочие орган. вещ-ва	Ионы тяж.мет.	Избыток мин. солей	Сумма баллов
Микрофильтрация	4	2	2	2	2	2	2	2	18
УФ-облучение	5	4	2	2	2	2	2	2	21
Электродиализ	4	2	2	2	2	2	2	5	21
Ультрафильтрация	5	5	2	2	2	2	2	2	22
Ионный обмен	2	2	2	2	2	2	5	5	22
Коагуляция	3	2	3	3	4	3	4	2	24
Серебрение	5	5	3	2	2	2	2	2	23
Йодирование	5	5	4	3	2	2	2	2	25
Кипячение	5	5	5	2	2	2	2	2	25
Хлорирование	5	5	3	3	2	3	2	2	25
Сорбция	3	3	3	4	4	4	4	2	27
Электролиз	5	5	4	4	3	3	2	2	28
Озонирование	5	5	3	5	4	4	2	2	30

По сумме баллов наиболее эффективными методами очистки являются озонирование, электролиз и сорбция. Но наибольший эффект даёт их комплексное применение в различных сочетаниях.

Одним из широко применяемых методов в США является закачка жидких промышленных отходов через нагнетательные скважины в водопроницаемые, подземные геологические слои. Для удаления взвешенных частиц и органических соединений жидкие отходы фильтруются.

Все вышеприведенные методы в какой-то мере решают проблему снижения антропогенной нагрузки на природную среду, однако, учитывая наличие в отходах органических веществ и доступных для растений питательных элементов, в ряде случаев целесообразно использовать их в сельскохозяйственном производстве для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и восстановления плодородия деградированных и малопродуктивных земель.

Вопросам сельскохозяйственного использования органических отходов в качестве удобрений посвящены работы Н.Г. Андреева, М.Ф. Буданова, В.И. Владимирского, Р.П. Воробьёвой, Д.П. Гостищева, В.Т. Додолиной, И.П. Канардова, Л.Е. Кутепова, В.И. Марымова, П.Н. Матвеева, Г.Е. Мерзлой, A.M. Можейко, В.М. Новикова, Л.П. Овцова, В.П. Орлова, Н.А. Романенко, Г.П. Седовой, Б.С. Семенова, Л.И. Сергиенко, Н.И. Хлебникова, В.Ф. Шубина и др. В них в качестве основных предпосылок безопасного использования органических отходов в сельском хозяйстве определены сроки и дозы внесения отходов, подбор соответствующих культур, технология и техника внесения, агротехнические приемы возделывания сельскохозяйственных культур.

В основе механизма почвенной утилизации органических отходов лежит поглотительная способность почвы. Исследования, проведенные в различных почвенно-климатических условиях, свидетельствуют о высокой поглотительной способности почв (Марымов, 1982; Сергиенко, 1987; Diez et al., 1992; Kutera, 1990; Long-term..., 1994). Первичную ступень механизма обеспечивает механическое поглощение. В почвах задерживаются не только крупные, но и коллоидные частицы и даже бактерии, диаметры которых в несколько раз меньше самых малых капилляров. Физико-химическая и химическая поглотительная способность почвы обеспечивает очистку главным образом от минеральных примесей, в результате чего в почве закрепляются многие важные для растений питательные вещества. Растворенные минеральные вещества поглощаются почвой на 60-80% и водорастворимые органические вещества - на 85-95%. В основе химической поглотительной способности почвы заложена способность анионов создавать с катионами нерастворимые соединения или малорастворимые соли, выпадающие в осадок, который примешивается к твердой фазе почвы. Биологическая поглотительная способность почвы обусловлена процессами жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в почве. Попавшие в почву органические вещества подвергаются распаду и разложению вплоть до образования неорганических веществ (процесс минерализации), а также трансформации с образованием органического вещества почвы - гумуса (Органические удобрения…, 1984; Минеев и др., 1993). Использование органических отходов в качестве удобрений, по данным авторов, ведет к увеличению урожайности кормовых культур до 200%.

Однако, при использовании органических отходов в качестве удобрения существует серьезная опасность загрязнения как получаемой продукции, так и окружающей среды различными вредными веществами, поступающими в почву вместе с отходами. В органических отходах нередко наблюдается высокое содержание подвижного минерального азота, солей ТМ и других токсикантов, что вызывает необходимость введения экологических ограничений на использование.

По содержанию основных элементов питания в органических отходах при естественной влажности отмечаются существенные меж- и внутривидовые различия в зависимости от особенностей их получения, переработки и хранения. К высокому (7-10 кг/т) содержанию запасов общего азота относят подстилочный твердый и бесподстилочный полужидкий птичий помет и безреагентные осадки сточных вод; среднему (4-6 кг/т), - подстилочный навоз крупного рогатого скота (КРС), полужидкий свиной навоз, жидкий помет, реагентные осадки сточных вод; низкому (2-4 кг/т), - полужидкий и жидкий навоз КРС, жидкий свиной навоз и очень низкому (менее 2 кг/т), - стоки. В подстилочном помете, полужидком свином навозе и осадках сточных вод преобладает фосфор, подстилочном навозе, полужидком помете и жидком свином навозе - азот и фосфор, полужидком и жидком навозе КРС - азот и калий, жидком помете и стоках - азот. По содержанию макро- и микроэлементов органические отходы существенно различаются между собой.

В навозе КРС, птичьем помете не обнаружено элементов, присутствие которых в больших количествах представляло бы серьезную опасность окружающей среде и качеству продукции. Содержание регламентируемых элементов в них не превышает не только ПДК, предъявляемые к органическим удобрениям, но и, как правило, концентрацию этих элементов в почве. Валовое содержание тяжелых металлов в основном ниже ПДК для осадков сточных вод, лишь в отдельных партиях безреагентных осадков отмечается 2-5-кратное превышение Сr+3, Ni, Сu и Zn, а превышение ПДК (ОДК) для почв по валовым формам достигают 3-20 раз (Cr+3, М Си, Zn, Cd, Sn и Pb) в безреагентных и 2-6 раз (Сr+3 Си, Zn, Cd и Sn), по подвижным - соответственно 14-33 (Ni, Cu, Zn и Cd) и 3-19 (Сг+3, Ni, Cu, Zn и Cd) раз, что создает опасность загрязнения ими почвы и растениеводческой продукции (Еськов, 2006; Воробьева, 2004; Усенко, 2000).

Рисунок 2 Концептуальная модель использования органических отходов в сельском хозяйстве

Учитывая источники формирования органических отходов, многообразие их состава, наличие химического и биологического загрязнения, предложена концептуальная модель безопасного использования органических отходов в сельскохозяйственном производстве, включающая эколого-мелиоративное и экономическое обоснование использования органических отходов (рис. 2).

Важнейшей составляющей модели является мониторинг обращения органических отходов - комплексная система наблюдений за формированием, объемами и составом органических отходов, оценка и прогноз изменения состояния сельскохозяйственных угодий, а также показатели урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Прогнозами обосновывают нормы и сроки внесения органических отходов и определяют многолетнее воздействие на сельскохозяйственные земли, подземные и поверхностные воды. Оптимизация распределения отходов научно обосновывает применение органических отходов на сельскохозяйственных землях с учетом максимизации дохода сельхозпроизводителей.

Во второй главе приводится теоретическое обоснование возможности использования органических отходов в качестве удобрений.

Ранее проведенными исследованиями (Канардов, 1946,1974; Новиков, 1972, 1975, 1978; Мерзлая, 1963, 2006; Седова, 1982; Буданов, 1956,1970; Воробьёва 1995,2007; Давыдов 2000, 2004; Можейко,1958; Усенко, 2000; Додолина, 1970, 2004; Романенко, 1993, 2000; Кирейчева 2002, 2004; Кутепов, 1983; Сергиенко, 1984; Овцов 2006; Гостищев, 2000, 2007; Шуравилин 2000, 2004; Титова 2009, Iyanaga, Yokose, Jenkins 2000; Goldstein 2006) было установлено как положительное влияние органических отходов на урожайность и плодородие почвы, так и отрицательное в виде биологического загрязнения, занитрачивания, засоления, осолонцевания и загрязнения почв тяжелыми металлами. Как известно, основным показателем, определяющим эффективность использования органических отходов в сельском хозяйстве, является урожайность возделываемых культур. По результатам анализа фондовых материалов и литературных источников автором были получены регрессионные зависимости урожайности зеленой массы кормовых культур и зерна пшеницы от содержания биогенных элементов в почве при внесении органических отходов.

Для зеленой массы кукурузы получено следующее уравнение:

Y=4.14X₂+5.65X₃+0.16X₄-39.08X₅-28.57X₆+17.80X₇-27.516, (1)

где Y- урожайность зеленой массы кукурузы, т/га; X₂, X₃, X₄ - валовое содержание азота, фосфора, калия в почве после внесения органических отходов, т/га; X5, X6, X7 - содержание подвижных форм азота, фосфора, калия в почве после внесения органических отходов, т/га.

Для зерна пшеницы уравнение имеет вид:

Y=-3.7X₁+134.5X₂-24X₃-7.3X₄-28.4X₅+33.2X₆+ 3.8X₇+4.873, (2)

где Y- урожайность зерна, т/га; X₁- содержание гумуса т/га; X₂, X₃, X₄ - валовое содержание азота, фосфора, калия в почве после внесения органических отходов, т/га; X₅, X₆, X₇ - содержание подвижных форм азота, фосфора, калия в почве после внесения органических отходов, т/га.

Проверка адекватности полученных многочленов выполнена по результатам многолетних исследований, проведенных автором совместно с ФГУП АФ НИИССВ «Прогресс» в Алтайском крае при использовании осадка сточных вод г. Барнаула в ОПХ “Докучаево”. При учете урожайности пшеницы и кукурузы было установлено, что на всех вариантах с внесением осадка урожайность выше, чем на контроле, причем прибавка урожайности тем больше, чем выше норма внесения осадка сточных вод (рис. 2).

Величина достоверности аппроксимации (R²) для урожайности зеленой массы кукурузы и зерна пшеницы составила 0,83 и 0,85, соответственно.

Примечание: 1- контроль; 2 - внесение в почву ОСВ нормой 10 т/га; 3 - внесение в почву ОСВ нормой 30 т/га; 4 - внесение в почву ОСВ нормой 50 т/га; 5 - внесение в почву ОСВ нормой 80 т/га;

Рисунок 2 Урожайность зеленой массы кукурузы в зависимости от количества вносимых осадков сточных вод (ОСВ)

Наряду с биогенными элементами, влияющими на урожайность сельскохозяйственных культур, в органических отходах содержатся токсичные вещества - тяжелые металлы, мышьяк и другие поллютанты, оказывающие негативное влияние на почвенную микрофлору. Малые концентрации микроэлементов оказывают стимулирующие воздействие на рост бактерий в почве, а повышенные их концентрации оказывают ингибирующие воздействие. Тяжелые металлы особенно токсичны для микробиоты. В загрязненных тяжелыми металлами почвах наблюдается ослабление развития микроорганизмов и энзиматической активности, что приводит к снижению урожайности (Hattori, 1989; Lokwood, 1994; Kabata-Pendias, 1989,2005).

Для оценки изменения почвенной микрофлоры, характеризующей интенсивность и направленность микробиологических процессов, критерием которых служат микробиологическая активность почвы, по результатам анализа фондовых материалов и литературных источников была выявлена зависимость микробиологической активности почвы от количества и качества внесенных в почву твердых органических отходов по разложению льняной ткани. Степень разложения льняной ткани в зависимости от содержания подвижных форм микроэлементов имеет вид:

Y=-447,39As²+0,128573Zn²-678,11Pb²+310,045Ni²+4224Cr²+420,74Cd²-758,14, (3)

где Y - степень разложения льняной ткани, %; As, Zn, Pb, Ni, Cr, Cd - содержание подвижных форм микроэлементов в почве, %.

Величина достоверности аппроксимации (R²) составляет 0,97.

Для проверки адекватности зависимости также были использованы результаты многолетних исследований автора и сотрудников ФГУП АФ НИИССВ «Прогресс» в Алтайском крае по использованию осадка сточных вод (ОСВ) г. Барнаула (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Примечание: 1-контроль; 2 - внесение в почву ОСВ нормой 10 т/га; 3 - внесение в почву ОСВ нормой 20 т/га; 4 - внесение в почву ОСВ нормой 30 т/га; 5 - внесение в почву ОСВ нормой 50 т/га; 6- внесение в почву ОСВ нормой 80 т/га; 7 - осадок сточных вод.

Рисунок 3 Степень разложения льняной ткани в зависимости от подвижных форм микроэлементов за вегетационный период (%)

При внесении в почву осадка сточных вод в объеме до 50 т/га происходит увеличение, микробиологической активности почвы за счет роста бактерий в почве. При большей дозе происходит снижение микробиологической активности вследствие увеличения содержания тяжелых металлов в почве. Микробиологическая активность является важным экологическим ограничением при установлении объема внесения органических отходов в почву.

Еще одним из важнейших экологических показателей влияния органических отходов на почвы являются бактериологическая и гельминтологическая оценка, которые определяют степень загрязнения микроорганизмами и яйцами гельминтов. Животноводческие стоки содержат в большом количестве микроорганизмы, поэтому они при орошении культур в определенные периоды могут представлять эпидемиологическую опасность. Это может оказать отрицательное влияние на санитарное состояние выращиваемых культур, а также на окружающую природную среду за счет возможного выноса микроорганизмов в грунтовые воды при избыточном увлажнении.

Для обеспечения безопасного использования органических отходов в качестве удобрений разработаны следующие требования: применение сточных вод для орошения не должно приводить к ухудшению водно-физических свойств почв; в сточных водах содержание жизнеспособных яиц гельминтов и цисты кишечных патогенных простейших не должно превышать 1 экземпляр в 1 дм³. Орошение сточными водами не допускается на территории I и II поясов зоны санитарной охраны источников централизованного хозяйственно-типового водоснабжения; на территории выклинивания водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород, не перекрытых водоупорным слоем. При использовании на орошение сточных вод уровень грунтовых вод на пашне должен находится не выше 1,2 м, на сельхозугодиях-1,0 м, в исключительных случаях допускается 0,8 м. Безопасное использование осадков сточных вод в качестве удобрений осуществляется на основе регламента в соответствии с технологической документацией с учетом местных условий, в том числе свойств и гидрологического режима почв, радиационного фона, содержания нормируемых загрязнений в осадках и почве, общего и минерального азота, подвижных форм фосфора и калия, особенностей возделываемых культур. (Овцов, Воробьева, Тиньгаев и др., 2002). Не допускается применять осадки в водоохранных зонах и их прибрежных защитных полосах, а также в пределах особо охраняемых природных территорий; поверхностно в лесах, лесопарках, на сенокосах и пастбищах; на затопляемых и переувлажненных почвах; на территориях с резко пересеченным рельефом, а также на площадках с уклоном в сторону водоема более 3є; в пределах II пояса зон санитарной охраны источников централизованного питьевого водопользования.

При выборе способа и техники полива животноводческими стоками учитывают почвенно-мелиоративные и климатические условия объекта, состав и режим орошения возделываемых культур, размеры и рельеф орошаемой площади, возможность механизации и автоматизации полива, а также санитарно-гигиенические и водоохранные требования. При организации полей орошения животноводческими стоками должны быть получены сведения об эпидемиологической и эпизоотической ситуациях в данной зоне в местных учреждениях санитарно-эпидемиологической и ветеринарной служб. Выполнение вышеуказанных требований позволит предотвратить возникновение инфекционных и инвазионных заболеваний среди населения и животных.

Для накопления, систематизации и анализа информации об источниках органических отходов, объемах и местах их захоронения, границах административных, природных и природно-хозяйственных единиц, почвах, реках, озерах, подземных водах, периодах наблюдения и оценках окружающей среды, качества органических отходов для использования их в сельском хозяйстве автором разработана система мониторинга обращения органических отходов ( рис.4).

Рисунок 4 Принципиальная структура мониторинга обращения органических отходов

Универсальным инструментом для мониторинга обращения отходов и прогнозирования состояния почвы, водных объектов и подземных является применение математических методов, вычислительной техники и геоинформационных технологий. Для отображения свойств объектов в структуре геоинформационной системы выделяется информационная модель, база данных, аналитическая база и программный комплекс.

Геоинформационная система (ГИС) мониторинга обращения отходов на региональном уровне разработана в пакете MapInfo Professional (рис. 5).

Рисунок 5 Общий вид геоинформационной системы мониторинга обращения отходов в регионе на примере Алтайского края

ГИС мониторинга обращения отходов в регионе предназначена для наблюдения за объемами, качеством и размещением органических отходов и состоянием окружающей среды, оценки фактического и прогнозного состояния окружающей среды при использовании органических отходов в качестве удобрений. С целью прогнозирования влияния органических отходов на окружающую среду используется комплекс математических моделей.

Третья глава посвящена совершенствованию и разработке моделей прогнозирования влияния органических отходов на агрохимические свойства почв сельскохозяйственных угодий.

Вместе с отходами в почву поступает органическое вещество, которое увеличивает содержание органического вещества почвы, определяющее как эффективное, так и потенциальное ее плодородие.

Моделированием запасов гумуса и его динамики в почве занимались многие российские и зарубежные ученые (Костычев 1886; Бирштейн 1911; Иенни 1948; Wildung et al. 1975; Smith 1979a; 1979b; Bunnel et al. 1977; Hunt 1977; Smith 1979; Гильманов 1978; Базилевич, Гильманов 1985; Образцов 1990, Минеев 1990; Тейт 1991; Малкина-Пых, Пых 1994; Балаев, Петренко 1999; Гайдаш 1999; Groenendijk 1999; Шевчук 2007; Голованов 2007 и др.).

Существующие модели прогнозирования запасов гумуса в почве не в достаточной степени отражают процессы формирования и гумусонакопления в системе «органические отходы - почва - растение». Автором усовершенствована модель А.И. Голованова, в которой, наряду с процессами гумификации внесенного органического вещества, учитывается накопление органического вещества, которое на данный момент времени не подверглось гумификации. Это представляется очень важным моментом, так как позволяет обосновывать периодичность и нормы внесения отходов, не допуская ухудшения свойств почв и загрязнения подземных вод.

Первое дифференциальное уравнение модели характеризует изменение запаса гумуса за счет гумификации органических отходов и растительных остатков, а также учитывает потери гумуса. Второе и третье уравнение, соответственно, учитывают изменение содержания в почве органического вещества, органических отходов и растительных остатков, не подвергшихся разложению.

(4)

где G- запас гумуса в почве, т/га; G_орг - содержание в почве органического вещества органических удобрений не подвергшихся разложению (т/га), т/га; G_раст -содержание в почве органического вещества растительных остатков не подвергшихся разложению (т/га), т/га; k_гумо - изогумусовый коэффициент органических отходов, год^-1 (Лозье, Матье, 1998); k_мино - коэффициент минерализации органических отходов, год^-1 (Лозье, Матье, 1998); P - норма внесения органических отходов, т/га за год; k_гумр - коэффициент гумификации растительных отходов, год^-1(Васильев, 1984); k_минр - коэффициент минерализации растительных отходов, год^-1 (Васильев, 1984); R - выход органического вещества растительных остатков, т/га за год; B_мин- коэффициент минерализации гумуса, за период; В_эр - коэффициент потери при эрозии, за период; G_физ - физические потери гумуса т/га, за год (Голованов, 2007).

G_физ можно оценить, зная его содержание в почвенном растворе, куда переходит наиболее подвижная часть гумуса в виде фульвокислот (Голованов, 2008):

G_физ = 0,01gС_г, т/(га•год),(5)

где g - ежегодная промываемость почвы, мм; С_г - растворимость гумуса, кг/м³.

Коэффициент «В» учитывает разложение или минерализацию гумуса (В_мин), а также его потери при эрозии (В_эр) (Голованов, 2008):

В = В_мин + В_эр, год^-1 (6)

Коэффициент минерализации гумуса на сельскохозяйственных угодьях зависит от типа почвы.

Коэффициент В_эр связан с интенсивностью эрозии (Голованов, 2008):

В_эр = 0,0001W_эр/(гh), (7)

где W - масса удаленной почвы, т/га в год; г - плотность почвы, т/м³; h - слой удаленной почвы, м. По данным А.И. Голованова, коэффициент В_эр для слабо эродируемых почв равен 0,00125 год^-1, для средне эродируемых - 0,00417 год^-1, сильно эродируемых - 0,00833 год^-1.

Для прогнозирования запасов накопления гумуса в почве при использовании органических отходов в качестве удобрений было разработано программное обеспечение. Адекватность модели проверялась на лугово-черноземных почвах Рубцовского района при внесении осадка сточных вод ежегодной нормой 20 т/га. Осадок сточных вод вносили с 1993 по 1996 год. В 1999 году проводили исследования по изменению запаса гумуса в почвенном слое. Почвы среднемощные слабогумусированные среднесуглинистые. Плотность сложения пахотного горизонта составляла 1,17 г/см³. Пористость верхних горизонтов более 50%, максимальная гигроскопичность изменяется в пределах 5,2-7,2%, а наименьшая влагоемкость - 19,8-24,2%. Валовое содержание азота, фосфора и калия в пахотном горизонте, составляли соответственно 0,28; 0,15 и 2,24%. Содержание подвижных форм азота, фосфора и калия - 21,1; 168,4 и 403 мг/кг. Емкость поглощения - 27,8-28,4 мг-экв/100 г. Степень насыщенности основаниями высокая. Осадок сточных вод г. Рубцовска характеризовался содержанием органического вещества 51,7 %, азота общего - 0,92 %, фосфора общего - 0,43 %, калия общего - 0,84 %. По содержанию тяжелых металлов (хрома, свинца, меди, марганца) подсушенный ОСВ относится к 1-й группе в соответствии с ГОСТом Р17.4.3.07-2001- использование без ограничений; по содержанию цинка - ко 2-й группе и по содержанию никеля - к 3-й группе.

Сравнение расчетных запасов гумуса в почве с фактическими результатами агрохимических исследований показало, что коэффициент несходимости Тейла не превышает 25% для каждого из вариантов, что свидетельствует о достаточной адекватности разработанной модели.

Выполненный по модели прогноз запаса гумуса в почве при внесении осадка сточных вод ежегодно в течение первых 4-х лет показал увеличение гумуса до 7 года, затем наблюдается его снижение (рис. 6). В течение 4 лет в почве накапливаются негумифицированные отходы и происходит загрязнение почвы.

Рис. 6 Прогноз по запасу гумуса в почве Рубцовского района при использовании осадка сточных вод в качестве удобрений первые 4 года

С целью соблюдения экологических требований был выполнен прогноз изменения запасов гумуса при периодическом внесении осадка один раз в четыре года нормой 20 т/га. Расчеты показали, что в этом варианте не произойдет накопление негумифицированного осадка сточных вод в почве и не произойдет её загрязнение.

Одной из важных оценок влияния отходов на почву и окружающую среду является динамика поступления тяжелых металлов и их миграция в почвенном профиле. При избыточном накоплении часть тяжелых металлов может перейти в растительную продукцию, что вызовет ее загрязнение.

Некоторые математические модели миграции представлены в работах А.С. Фрида, А.Б. Рубина, В.Г. Грановского, В.М. Прохорова, А.Н. Николаенко, И.В. Ефремова, Ю.А. Мажайского, Ю.А. Пыха, И.Г. Малкиной-Пых, В.Н. Башкина, С.В. Успенского, А.И. Голованова, S.R. Ramireddygari, R.S. Govindaraju, W. Reihera, L. Breuera, S. Xu и др.

Модели миграции тяжелых металлов можно условно разделить на группы: балансовые, статистические, модели конвективно-диффузионного переноса и вероятностные модели. Рассмотренные в работе существующие модели прогнозирования миграции тяжелых металлов в почве не достаточно полно отражают процессы накопления и миграции тяжелых металлов в системе «органические отходы - почва - грунтовые воды - растение». При использовании твердых и жидких органических отходов в почву поступают тяжелые металлы (ТМ) как в форме растворимых соединений, так в виде суспензий и нерастворимых соединений, закрепленных на поверхности гумусовых веществ, комплексных соединений с гумусом, гидратированными окислами алюминия, железа, марганца, а также в виде малорастворимых солей. Направленность и интенсивность процессов закрепления металлов в почве определяется характеристиками металлов, составом почвенного раствора, свойствами почвы, факторами внешней среды.

Автором предложена новая модель миграции в почве тяжелых металлов при использовании твердых и жидких органических отходов. В модели, наряду с конвективно-диффузионном переносом тяжелого металла в почвенном растворе, его сорбцией, твердой фазой и выносом растительностью, учитывается поступление тяжелого металла в растворимой и неподвижной форме с органическими отходами, а также переход в почве из неподвижной формы в растворимую форму. Влагоперенос в модели описан известными дифференциальными уравнениями. Концептуальная схема модели миграции тяжелых металлов включает в себя 4 основных блока: органические отходы, почва, грунтовые воды, растительность (рис. 7).

Рис. 7 Концептуальная схема модели миграции тяжелых металлов в системе «органические отходы - почва - грунтовые воды - растение»

Согласно концептуальной схеме, математическая модель имеет следующий вид:

(8)

где H - обобщенный потенциал почвенной влаги, м; H = P + x; P - капиллярный потенциал, м; х - вертикальная координата , м ; W - объемная влажность; - капиллярная влагоемкость, м^-1; K(W) - коэффициент влагопроводности, м/сут; e - функция отбора влаги корнями растений, сут; V - скорость влагопереноса, м/сут; Q_pf- содержание ТМ в твердой фазе почвы, мг/кг; Q_pr - содержание ТМ в почвенном растворе, мг/кг; S_pr - интенсивность перехода ТМ из почвенного раствора в твердую фазу почвы, мг/кг; S_pf - интенсивность перехода ТМ из твердой фазы почвы в почвенный раствор, мг/кг; S_p-интенсивность отбора ТМ корнями растений, мг/кг в сут; D-коэффициент конвективной диффузии, м²/сут; g - скорость миграции ТМ сорбированного дисперсным взвешенным веществом, м/сут; t - время, сут.

Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от их содержания в почвенном растворе:

,

где - коэффициент поглощения ТМ растениями.

Ввиду малой концентрации тяжелых металлов в почвенных растворах и большой емкости поглощения почвы, можно использовать линейное уравнение изотермической сорбции Генри:

,

где - коэффициент изотермы сорбции

Система уравнений была дополнена начальными и граничными условиями. Начальные и граничные условия влагопереноса в почве описывают исходное распределение потенциалов влаги (или влажности) в почве, значения потоков влаги в почве на верхней и нижней границе области расчета (Рекс, Якиревич, 1986).

Начальные и граничные условия содержания тяжелого металла в почве описывают исходное содержание ТМ в почве, изменение содержания ТМ в почве на верхней и нижней границе области расчета:

Q_pr| _t=0 = Q_pr0; Q_pf| _t=0 = Q_pf0,

где Q_pr0, Q_pf0 - начальная концентрация тяжелого металла в почвенном растворе и твердой фазе почвы, мг/кг;

(уравнение Данквертса-Бреннера), где Q_prn - концентрация ТМ в органических отходах в растворимой форме (между внесением органических отходов Q_prn=0).

,

где Q_pfn - концентрация ТМ в органических отходах в неподвижной форме (между внесением органических отходов Q_pfn=0).

;

В модели первое уравнение описывает движение влаги в зонах неполного и полного водонасыщения почвогрунта. Второе уравнение определяет скорость влагопереноса в почве. Третье уравнение характеризует интенсивность изменения неподвижной формы тяжелого металла в почве, а четвертое в почвенном растворе. Для решения системы дифференциальных уравнений использовался метод двухслойной неявно конечно-разностной схемы, заключающийся в сведении системы дифференциальной уравнений, имеющей континуальный характер, к конечной системе уравнений, выражающих данные через несколько соседних точек результата.

Для прогнозирования миграции тяжелых металлов в почве при использовании органических отходов в качестве удобрений и проверки адекватности модели была разработана компьютерная программа. Проверка адекватности модели выполнялась также на лугово-черноземных почвах Рубцовского района при использовании осадка сточных вод нормой 20 т/га.

В качестве критерия оценки достоверности решения предложенной математической модели использован коэффициент несходимости Тейла. Модель считается адекватной, если коэффициент несходимости Тейла не превышает 25%. Сравнение результатов прогноза содержания тяжелого металла, полученных с помощью математической модели, с результатами агрохимических исследований на период 1993-1999 гг.., показало, что коэффициент несходимости Тейла не превышает 25% для каждого из вариантов, что свидетельствует о достаточной адекватности предложенной модели и возможности практического применения программы для прогноза миграции тяжелых металлов на длительные промежутки времени.

Результаты натурного и расчетного значения накопления цинка в почве при ежегодном внесении осадка сточных вод г. Рубцовска представлены на рисунке 8.

Выполненный по модели прогноз накопления цинка в почвенном профиле при использовании осадка сточных вод свидетельствует о постепенном увеличение валового содержания Zn в верхнем почвенном слое 0-0,2 м на 20 год внесения в 1,4 раза (рис. 9).

Рис. 8 Фактическое и расчетное содержание Zn в пахотном слое почвы при ежегодном внесении 20 т осадка сточных вод г. Рубцовска

Рис. 9 Прогноз содержания Zn в почве при ежегодном внесении 20 т осадка сточных вод г. Рубцовска



Прогноз распределения Zn по профилю почвы при ежегодном внесении 20 т/га осадка сточных вод г. Рубцовска на 20 год показал, что содержание цинка в нижних слоях (2 - 2,5 м) практически не изменится.

Таким образом, предложенная математическая модель накопления и миграции тяжелых металлов в почве позволяет не только получать информацию о возможном загрязнении почвенного профиля при использовании в качестве органического удобрения твердых и жидких органических отходов, но и давать рекомендации о периодичности их использования в качестве нетрадиционных органических удобрений.

В четвертой главе, согласно концептуальной модели распределения органических отходов в сельском хозяйстве, дана постановка задачи оптимального использования отходов в регионе с целью увеличения прибыли сельхозтоваропроизводителей и уменьшения затрат предприятий- поставщиков отходов.

Решением аналогичных задач оптимизации размещения сельскохозяйственного производства и использования водных и земельных ресурсов занимались И.С. Ванштейн, И.К. Левит-Гуревич, Г.И. Рузайкин,1968; Н.И. Дружинин,1976; В.А. Кардаш, 1966; О.П. Кисаров,1975; Л.М. Рекс, 2000, И.Ф. Юрченко, 2000; С.Н. Дубенок, 2001. и др.

В работе предложен механизм регулирования обращения отходов в регионе с целью их эффективного использования. Эколого-экономическое равновесие при обращении органических отходов достигается заинтересованностью предприятий, формирующих отходы, безопасно их утилизировать, а сельхозтоваропроизводителей эффективно использовать. Такой подход направлен на создание системы экономической мотивации для перехода региона на использование органических отходов в сельском хозяйстве. Экономическим механизмом регулирования воздействия на окружающую среду предприятиями-источниками органических отходов будет служить внедрение повышенных экологических налогов (штрафных санкций). Использование органических отходов в качестве удобрений сельхозтоваропроизводителем приведет к уменьшению затрат на минеральные удобрения, повышение плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Дополнительным стимулом использования органических отходов в сельском хозяйстве для потребителей может послужить взятие части расходов или оплаты за утилизацию предприятием- источником отходов.

При использовании органических отходов в регионе в качестве удобрений одним из весомых аргументов для сельхозтоваропроизводителей будет служить увеличение прибыли, что можно выразить следующей постановкой задачи:

,(11)

где D_kqjm - доход в k-ый период j-ого сельхозпроизводителя при использовании q-ого отхода на m - ом участке с учетом дисконтирования (уменьшение затрат на минеральные удобрения, повышение урожайности, оплата за утилизацию);Р_kqjm - расход в k-ый период m - ого участка при использовании единицы q-ого отхода j-ого сельхозпроизводителя с учетом дисконта (доставка и внесение органических отходов на сельскохозяйственные угодья); П_lm - принадлежность m-ого участка l- c/х производителю; U_qjm - признак использования q-ого отхода j-ого предприятия на m-ом `участке.

...