Восстановление почвенного плодородия нарушенных земель с использованием осадка сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья»

Восстановление почвенного плодородия нарушенных земель с использованием осадка сточных вод

Restoration of soil fertility of disturbed lands using sewage sludge

Гильманова М.В., Грехова И.В.

Аннотация

Утилизация осадка сточных вод - глобальная проблема городов. Наличие в них ТМ является основной проблемой при использовании их в качестве удобрений. В вегетационных опытах изучали применение ОСВ Тюменских очистных сооружений в качестве органических удобрений и в составе грунтов. Внесение в почву осадка сточных вод в дозе 3,5 т/га оказало положительное действие на показатели плодородия почвы и растения тест-культуры. Увеличение доз оказало отрицательное действие на проростки пшеницы по ряду показателей. Осадок сточных вод в составе грунтов в соотношении к компонентам 1:1 и 2:1 оказал негативное влияние на корневую систему тест-культуры. Увеличение соотношения компонентов к осадку до 3 и 4 частей положительно влияло на растения тест-культуры.

Ключевые слова: осадок сточных вод, почвогрунт, рекультивация, плодородие, нарушенные земли.

Abstract

Disposal of sewage sludge is a global problem for modern cities. The presence of solid materials is the main problem when it comes to their usage as fertilizers. In the course of the vegetation experiments, sewage sludge from the Tyumen treatment facilities was studied as organic fertilizer as well as in soil composition. The introduction of sewage sludge into the soil at a dose of 3.5 t/ha had a positive effect on soil fertility and test culture plants. According to a number of indicators, the increase in doses had a negative impact on wheat seedlings. Sewage sludge in the composition of soils in the 1:1 and 2:1 ratio to the components had a negative impact on the root system of the test culture. An increase in the ratio of the components to sediment up to 3 and 4 parts influenced the plants of the test culture positively.

Keywords: sewage sludge, soil, reclamation, fertility, disturbed land.

Введение

С ростом численности населения возрастают масштабы производственной деятельности [1], поэтому проблема оптимизации взаимодействия человека и природы является актуальной, и решение ее имеет большое значение в улучшении окружающей среды [2]. Одним из результатов промышленной деятельности являются нарушенные земли. К настоящему времени собран большой экспериментальный материал о негативном влиянии техногенных ландшафтов на окружающую среду [3]. Снизить или ликвидировать негативные экологические последствия техногенных ландшафтов можно посредством той или иной технологии рекультивации: насыпка плодородных грунтов [4], [5], закрепление поверхности травянистым покровом [6], снятие плодородного слоя с последующим его использованием для рекультивации [7].

Осадок сточных вод (ОСВ) - твердая фракция органических и минеральных веществ, выделенных в процессе очистки сточных вод методом отстаивания и добавления комплекса микроорганизмов. ОСВ является одним из эффективных и дешевых органоминеральных удобрений [8].

Органическое удобрение на основе ОСВ обеспечивает биологическую рекультивацию нарушенных земель [9], карьеров, полигонов ТБО и полигонов промышленных отходов [10], а также обеспечивает повышение почвенного плодородия, как для выращивания сельскохозяйственных культур, так и декоративных растений [11], газонных культур [12], [13].

Целесообразно для восстановления почвенного плодородия применять питательные грунты на основе ОСВ при разбавлении различными компонентами [14].

Методы и принципы исследования

Объект исследований - осадок сточных вод, находившийся на иловых картах Тюменских очистных сооружений четвертый год. В составе грунта использовали песок и торф (низинный со степенью разложения 60 % месторождения Боровое). В качестве контроля выбрана тёмно серая лесная почва с содержанием гумуса 5,4 %.

ОСВ представляет собой органоминеральное серо-бурое бесструктурное твердое вещество и содержит большой спектр химических элементов минерального питания растений (табл. 1).

Изучение действия ОСВ на тест-культуру проводили в вегетационных опытах. Тест-культура - яровая пшеница.

Таблица 1 - Качественные показатели осадка сточных вод

В качестве сосудов использовали стаканы емкостью 500 мл. Набивка сосудов проводилась различными грунтами массой 500 г. Семена отбирались однородные по размеру по 20 шт. Каждая партия семян взвешивалась, для опытов брали партии семян с небольшим расхождением по массе. Семена замачивали на сутки в чашках Петри и отбирали для посева проросшие по 15 шт. на сосуд. При посеве делали ямочки глубиной 1,5 см. Пинцетом укладывали в ямки зерна ростком вниз. Заделывали ямки стеклянной палочкой. Сосуды помещали в климатостат марки КС-200 СПУ. Опыты проводили в 4 кратной повторности.

Семена проращивались при температуре 20⁰С с заданной программой смены «дня» и «ночи». Подсчет энергии прорастания проводили на 4 сутки, всхожесть - на 7 сутки. На 14 сутки сосуды изымали, отмывали корневую систему проростков, подсчитывали число корешков и проводили биометрические замеры: длина и масса корневой системы, длина и масса проростков.

С 2012 по 2013 гг. провели два вегетационных опыта. Схема вегетационного опыта № 1: 1. Почва (контроль), 2. Почва+ОСВ (3,5 т/га), 3. Почва+ОСВ (5 т/га), 4. Почва+ОСВ (25 т/га), 5. Почва+ОСВ (50 т/га). Схема вегетиционного опыта № 2: 1. Почва пашни (контроль); 2. ОСВ; 3. ОСВ:торф (3:1); 4. Почва:ОСВ (3:1); 5. Почва:торф:ОСВ (2:1:1).

Валовые и подвижные формы микроэлементов определялись на пламенном атомно-абсорбционном спектрометре Analytik jena «ConterAA 300». Валовое содержание микроэлементов согласно методике М-МВИ-80-2008. Подвижные формы микроэлементов в почвенной вытяжке ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН=4,8 (метод Крупского и Александровой в модификации ЦИНАО). Максимально допустимый уровень элементов в проростках взяли по показателям для грубых и сочных кормов.

Для статистической обработки результатов исследований применяли дисперсионный анализ данных вегетационного опыта (Доспехов Б.А., 1979) с использованием программы Microsoft Excel 2010.

Основные результаты

В первом опыте энергия прорастания повысилась при внесении ОСВ в дозе 3,5 т/га на 7 % и существенно снизилась на 19 % при внесении в почву осадка в дозе 50 т/га (табл. 1).

почвенное плодородие осадок сточный

Таблица 2 - Влияние осадка сточных вод на посевные качества семян и биометрические показатели растений тест-культуры

На всхожесть изучаемые дозы осадка не оказали существенного влияния. По числу корешков существенно превышал контроль вариант с внесением осадка в дозе 5 т/га. На всех вариантах, кроме дозы 3,5 т/га, по сравнению с контролем наблюдалось существенное уменьшение длины корневой системы проростков на 15-32 %. Длину растений существенно снизили дозы осадков 25 и 50 т/га на 35 и 45 % соответственно, не существенно повысила (на 15 %) - доза 5 т/га.

Внесение дозы осадка 3,5 т/га оказало положительное действие на массу корневой системы - превышение контроля 24 % (табл. 2). Дозы осадка 3,5 и 5 т/га существенно повысили массу надземной части растений на 14 и 8 %. Внесение дозы 50 т/га отрицательно сказалось на данном показателе - снижение относительно контроля на 41%.

Таблица 2 - Влияние осадка сточных вод на массу корневой системы и надземной части 100 растений тест-культуры, г

Применение ОСВ в качестве органического удобрения повлияло положительно на растения тест-культуры только в дозе 3,5 т/га. Более высокие дозы оказали существенное отрицательное действие на растения, поэтому нами было принято решение об изучении ОСВ в составе грунтов с разбавлением торфом и почвой.

Во втором опыте на всех вариантах наблюдалось существенное снижение энергии прорастания на 21-71 % по сравнению с контролем (табл. 3). Всхожесть существенно снизилась (на 7 %) только при смешивании осадка с торфом в соотношении 3:1.

Число корешков повысилось на всех изучаемых вариантах, кроме смеси осадка с торфом. Осадок и смесь осадка с торфом особенно негативно повлияли на длину корневой системы, уменьшение составило 75 и 78 %. Смесь почвы с торфом и осадком в соотношении 2:1:1 не оказала существенного действия на данный показатель. Данный грунт положительно повлиял на длину растений, несущественно по различию с контролем. Снизили данный показатель осадок и смесь осадка с торфом на 39 и 47 %.

Таблица 3 - Влияние грунтов на проростки яровой пшеницы

Масса корневой системы при проращивании семян на смеси почва+ОСВ (3:1) и почвы с торфом и осадком (2:1:1) - на 25 и 106 % (табл. 4). На вариантах ОСВ и ОСВ+торф данный показатель существенно снизился на 38 и 31 % соответственно.

Таблица 4 - Влияние осадка сточных вод на массу корневой системы и надземной части 100 растений тест-культуры, г

Осадок и смесь осадка с торфом существенно понизили массу надземной части растений на 31 и 43 %, а смесь почвы с торфом и осадком повысила на 27 %. Существенно повысилась масса растений на вариантах почва+осадок и почва+торф+осадок на 16 и 54 %.

Показатели плодородия были определены в образцах почвы контроля и вариантов, оказавших положительное действие на растения тест-культуры: дозы осадка 3,5 и 5 т/га, грунты ОСВ:торф (3:1), почва:торф:ОСВ (2:1:1).

Содержание гумуса в почве - показатель плодородия. В ОСВ повышенное содержание гумуса - 7,7 % (табл. 5). При смешивании осадка с торфом содержание гумуса почти на уровне осадка. В почве вегетационного опыта среднее содержание гумуса - 5,4 %. При смешивании почвы с осадком и торфом в соотношении 2:1:1 содержание гумуса повышалось на 14,8 %. Содержание гумуса при внесении осадка в дозах 3,5 и 5 т/га выше контроля на 4 и 10 %.

Таблица 5 - Влияние осадка сточных вод на содержание гумуса и кислотность в почве и грунтах

Результаты определения рН солевой вытяжки служат для характеристики степени кислотности почвы. Кислотность осадка сточных вод слабая, почвы - нейтральная. При добавлении осадка в почву в дозах 3 и 5 т/га кислотность остается нейтральной. В грунтах при смешивании осадка с торфом кислотность понижалась на 5,6 %, при смешивании с почвой и торфом - на 13,0 %.

У осадка сточных вод гидролитическая кислотность выше в 3,6 раза (табл. 5), а сумма поглощенных оснований меньше в 6 раз (табл. 6), емкость поглощения - в 3 раза, степень насыщенности почв основаниями - в 2 раза, чем в почве.

Смешивание осадка с торфом ухудшало еще в большей степени обменную поглотительную способность. Добавление почвы к смеси осадка с торфом улучшает показатели, но они значительно ниже, чем в почве. Внесение в почву осадка в дозах 3,5 и 5 т/га не значительно снижало обменную поглотительную способность почвы.

Таблица 6 - Влияние осадка сточных вод на обменную поглотительную способность

Микроэлементы (цинк, медь, свинец), участвуют во многих биохимических реакциях, протекающих в клетках растения. Одни из них только содействуют процессу образования протеина, а другие участвуют в построении больших молекул, и поэтому имеют критическое значение для функционирования клеток. В условиях химического загрязнения в золе растений возрастает содержание тяжелых металлов (ТМ). Зольный состав растений должен рассматриваться как один из существенных показателей гигиенического качества растений. Растение может быть опасным для животных и человека даже при высокой питательности в случае содержания недопустимых количеств тяжелых металлов. При этом растения могут не иметь признаков отравления и патологических изменений. Опасность отравления ТМ прежде всего угрожает животным. Сено, солома и ботва практически не защищены биологическим барьером. Генеративные органы растений от прямого поступления ТМ из стеблей и листьев защищены флоэмой.

Внесенный осадок увеличивал валовое содержание в почве цинка: доза 3,5 т/га - на 28 %, доза 5 т/га - на 93 % (табл. 7). Во всех вариантах наблюдалось превышение ПДК по валовому содержанию цинка. ОСВ и смесь осадка с торфом превышали и ОДК. Смесь почва+торф+ОСВ (2:1:1), почва и дозы осадка не превышали ОДК. По подвижным формам превышали ПДК и ОДК осадок и его смеси с компонентами.

Содержание свинца в проростках во всех вариантах превышало МДУ. А в почве и при внесении в почву изучаемых доз осадка валовое содержание свинца ниже ПДК. Содержание свинца в осадке и смеси осадка с торфом незначительно выше ПДК, но ниже ОДК. Подвижных форм во всех вариантах содержалось значительно меньше ПДК.

Таблица 7 - Содержание тяжелых металлов, мг/кг

Медь необходима для нормального развития растений и животных. При ее недостатке болеют и отмирают листья растений, не образуются семена. Медь входит в состав ферментов - оксидаз, полифенолоксидаз, лактозы и др. По валовому содержанию и содержанию подвижных форм меди превышали ПДК осадок и смесь осадка с торфом. В почвогрунте почва+торф+ОСВ (2:1:1) и почве с внесенными дозами осадка показатели валового содержания и подвижных форм меди ниже ПДК в 3-4 и 4-15 раз соответственно. Содержание меди в растениях ниже МДУ в 4 раза.

Исходя из результатов проведенных нами исследований, было принято решение продолжать изучение состава грунтов с осадком сточных вод, подобрав другие соотношения и компоненты, т.к. данные опыты не дали однозначного ответа.

Заключение

1. Внесение в почву осадка сточных вод в дозе 3,5 т/га оказало положительное действие на энергию прорастания, всхожесть, существенно повысило массу корневой системы и массу проростков пшеницы. Увеличение доз осадка оказало существенное отрицательное действие на проростки пшеницы по ряду показателей.

2. Проростки тест-культуры испытывали угнетение при проращивании на осадке сточных вод и смеси осадка с торфом при соотношении 3:1, наблюдалось существенное снижение всех показателей. Смешивание почвы с осадком в соотношении 3:1 оказало существенное отрицательное действие на энергию прорастания и длину корневой системы. На трехкомпонентной смеси (почва+торф+осадок) проростки существенно превышали контроль по массе корневой системы и массе проростков.

3. Осадок сточных вод в качестве удобрения и в составе грунтов увеличивал содержание гумуса, но отрицательно влиял на кислотность и обменную поглотительную способность почвы.

4. В почве внесение осадка повышало содержание цинка, свинца и меди, но не превышающее ПДК или ОДК. В растениях на изучаемых вариантах содержание свинца превышало максимально допустимый уровень. Для рекультивации можно использовать грунт почва+торф+осадок в соотношении 2:1:1. Осадок в чистом виде и смеси с торфом использовать нельзя из-за повышенного содержания тяжелых металлов.

Список литературы / References

1. Моторин А.С. Особенности гидротермических условий нарушенных грунтов крайнего севера в связи с их биологической рекультивацией. / А.С. Моторин, А.В. Игловиков // Аграрный вестник Урала. - - №6 (98). - С. 66-70.

2. Андроханов В.А. Почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов: динамика и оценка / В.А. Андроханов, В.М. Курачев. - Новосибирск, 2010. - 224 с.

3. Букин А.В. Создание рекультивационной смеси на основе осадка водоподготовки Няганьской ГРЭС и торфа / А.В. Букин, А.С. Моторин, А.В. Игловиков // Агропродовольственная политика России. - - № 12 (60). - С. 70-75.

4. Алексеенко В.А. Эколого-геохимические изменения в биосфере. Развитие, оценка / В.А. Алексеенко // М.: Университетская книга, Логос, 2006. - 520 с.

5. ГОСТ Р 54534-2011. Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель. - Введ. 2013-01-01. - М.: Стандартинформ, 2019. - 613 с.

6. Моторин А.С. Развитие искусственно созданного на биологическом этапе рекультивации фитоценоза в условиях крайнего севера. / А.С. Моторин, А.В. Игловиков // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - - №6 (247). - С. 50-56.

7. Чибрик Т.С. Биологическая рекультивация нарушенных промышленностью земель / Т.С. Чибрик, Г.И. Батурин // Екатеринбург, 2003. - С. 37.

8. Герасимова М.И. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация / М.И. Герасимова, М.Н. Строганова, Н.В. Можарова и др. Учебное пособие. - Смоленск: Изд-во «Ойкумена», 2003. - 268 с.

9. Игловиков А.В. Инновационные технологии рекультивации нарушенных земель в условиях крайнего севера / А.В. Игловиков, А.А. Денисов, Н.В. Санникова. // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. - - №2 (37). - С. 41-49.

10. Ивлев А.М. Деградация почв и их рекультивация / А.М. Ивлев, А.М. Дербенцева. - Владивосток: Издательство: ДВГУ, 2002. - 77 с.

11. Крамарев С.М. Детоксикация техногенно-загрязненных подвижными формами металлов черноземов обыкновенных с помощью природных сорбентов - гуминовых кислот / С.М. Крамарев, Т.Ф. Яковишина, И.И Иванов // Дождевые черви и плодородие почв: Мат. 2 Междунар. науч.-практ. конф. - Владимир, 2004. - С. 265-266.

12. Чибрик Т.С. Основы биологической рекультивации / Т.С. Чибрик. - Екатеринбург, 2002. - 172 с.

13. Ивлев А.М. Деградация почв и их рекультивация / А.М. Ивлев, А.М. Дербенцева // Учебное пособие. - Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2002. - 77 с.

14. Аргунов Н.Д. Актуальная тема утилизация сточных вод / Н.Д. Аргунов, О.Б. Ватуев, В.М. Веселов // Агрохимический вестник. - - №4. - С. 56-59.

Список литературы на английском языке / References in English*

1. Motorin A.S. Osobennosti gidrotermicheskikh uslovii narushennykh gruntov krainego severa v svyazi s ikh biologicheskoi rekultivatsiey [Features of Hydrothermal Conditions of Disturbed Soils of the Far North in Connection with their Biological Reclamation]. / A.S. Motorin, A.V. Iglovikov // Agrarniy Vestnik Urala [Agrarian Bulletin of the Urals]. - 2012. - No.6 (98). - P. 66-70. [in Russian]

2. Androkhanov V.A. Pochvenno-ekologicheskoe sostoyanie tekhnogennykh landshaftov: dinamika i otsenka [Soil and Ecological State of Technogenic Landscapes: Dynamics and Assessment] / V.A. Androkhanov, V.M. Kurachev. Novosibirsk, 2010. - 224 p. [in Russian]

3. Bukin A.V. Sozdanie rekultivatsionnoi smesi na osnove osadka vodopodgotovki Nyaganskoi GRES i torfa [Creating a Reclamation Mixture Based on the Sediment of Water Treatment at Nyagan State District Power Plant and Peat] / A.V. Bukin, A.S. Motorin, A.V. Iglovikov // Agroprodovol'stvennaya politika Rossii [Agricultural and Food Policy of Russia]. -2016.- No.12 (60).- P. 70-75. [in Russian]

4. Alekseenko V.A. Ekologo-geokhimicheskie izmeneniya v biosfere. Razvitie, otsenka [Ecological and Geochemical Changes in the Biosphere. Development, Evaluation] / V.A. Alekseenko // M.: University Book, Logos, 2006. - 520 p. [in Russian]

5. GOST R 54534-2011. Resursosberezhenie. Osadki stochnykh vod. Trebovaniya pri ispolzovanii dlya rekultivatsii narushennykh zemel [GOST R 54534-2011. Resource Saving. Sewage Sludge. Requirements for Use for the Restoration of Distu [In Russian]rbed Lands]. - 2013-01-01. - M.: Standartinform, 2019. -- 613 p. [in Russian]

6. Motorin A.S. Razvitie iskusstvenno sozdannogo na biologicheskom etape rekultivatsii fitotsenoza v usloviyakh krainego severa [Development of Phytocenosis Artificially Created at the Biological Stage of Reclamation under the Conditions of the Far North]. / A.S. Motorin, A.V. Iglovikov // Sibirskiy vestnik sel'skokhozyaystvennoy nauki [Siberian Bulletin of Agricultural Science]. - 2015.- No.6 (247).- P. 50-56. [in Russian]

7. Chibrik T.S. Biologicheskaya rekultivatsiya narushennykh promyshlennostyu zemel [Biological Reclamation of Lands Disturbed by Industry] / T.S. Chibrik, G.I. Baturin // Ekaterinburg, 2003. -- p.37. [in Russian]

8. Gerasimova M.I. Antropogennye pochvy: genezis, geografiya, rekultivatsiya [Anthropogenic Soils: Genesis, Geography, Reclamation] / M.I. Gerasimova, M.N. Stroganova, N.V. Mozharova et al. Textbook. - Smolensk: Oikumen Publishing House, 2003. - 268 p. [in Russian]

9. Iglovikov A.V. Innovatsionnye tekhnologii rekultivatsii narushennykh zemel v usloviyakh krainego severa [Innovative Technologies for Reclamation of Disturbed Lands in the Far North] / A.V. Iglovikov, A.A. Denisov, N.V. Sannikov. // Vestnik Gosudarstvennogo agrarnogo universiteta Severnogo Zaural'ya [Bulletin of the State Agrarian University of the Northern Trans-Urals]. - 2017. - No.2 (37). - P. 41-49. [in Russian]

10. Ivlev A.M. Degradatsiya pochv i ikh rekultivatsiya [Soil Degradation and Reclamation] / A.M. Ivlev, A.M. Derbentseva. - Vladivostok: Publisher: FENU, 2002. - 77 p. [in Russian]

11. Kramarev S.M. Detoksikatsiyatekhnogenno-zagryaznennyh podvizhnymi formami metallov chernozemov obyknovennykh s pomoshchyu prirodnykh sorbentov - guminovykh kislot [Detoxification of Technologically Contaminated Mobile Forms of Blacksoil Metals using Natural Sorbents - Humic Acids] / S.M. Kramarev, T.F. Yakovishina, I.I. Ivanov // Dozhdevyye chervi i plodorodiye pochv: Mat. 2 Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Earthworms and Soil Fertility: 2 Int. Science-to-Practice Conf.] - Vladimir, 2004.- P. 265-266. [in Russian]

12. Chibrik T.S. Osnovy biologicheskoi rekultivatsii [Fundamentals of Biological Reclamation] / T.S. Chibrik. - Yekaterinburg, 2002. - 172 p. [in Russian]

13. Ivlev A.M. Degradatsiya pochv i ikh rekultivatsiya [Soil Degradation and Reclamation] / A.M. Ivlev, A.M. Derbentseva // Textbook. - Vladivostok: FENU Publishing House, 2002. - 77 p. [in Russian]

14. Argunov N.D. Aktualnaya tema utilizatsiya stochnykh vod [Relevant Topic of Wastewater Disposal] / N.D. Argunov, O.B. Vatuev, V.M. Veselov // Agrokhimicheskiy vestnik [Agrochemical Bulletin]. -2013. - No.4. - P. 56-59. [in Russian]

Размещено на Allbest.ru