Применение осадка сточных вод в составе грунтов

УДК 574.24:336.0

ПРИМЕНЕНИЕ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД В СОСТАВЕ ГРУНТОВ

И. В. Грехова, В. Ю. Грехова, А. А. Михайловская, Н. Ю. Приветкина

USE OF SEWAGE SLUDGE IN SOIL COMPOSITION

I. V. Grekhova, V. Yu. Grekhova, A. A. Mikhaylovskaya, N. Yu. Privetkina

Утилизация осадка сточных вод (ОСВ) - проблема многих городов. Но наличие в них тяжелых металлов (ТМ) является основной проблемой при использовании их в качестве удобрений и компонентов в составе грунтов. В вегетационном опыте изучали применение осадка сточных вод Тюменских очистных сооружений в составе грунтов. Установлено, что проростки тест-культуры испытывали угнетение при проращивании на осадке сточных вод и смеси осадка с торфом при соотношении 3:1, наблюдалось существенное снижение всех биометрических 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 (2:1:1) проростки существенно превышали контроль по массе корневой системы и массе проростков. ОСВ можно использовать в соотношении 2:1:1 в составе грунта: почва+торф+осадок. Осадок в чистом виде и смеси с торфом 3:1 использовать нельзя из-за повышенного содержания тяжелых металлов.

Utilization of sewage sludge is the problem of many cities. But the presence of heavy metals in them is the main problem for their use as components of fertilizers and as a part of soil composition. In vegetative experience, the use of Tyumen treatment facilities sewage sludge as a part of soil composition was studied. It is established that test culture sprouts experienced suppression when sprouted on the 3:1 mix of sewage sludge and peat, an essential decrease in all biometric indicators was observed. The 3:1 mix of soil with sewage sludge has an essential negative effect on the energy of sprouting and the length of root system. The three-component 2:1:1 mix of soil + peat + sludge the sprouts significantly exceeded control in the mass of root system and mass of sprouts. Thus, sewage sludge can be used as a part of soil composition of 2:1:1 soil + peat + sludge mix. The pure sludge form and the 3:1 mix with peat can not be used because of the increased amount of heavy metals.

Ключевые слова: осадок сточных вод, грунты, тяжелые металлы, тест-культура, посевные качества семян, морфометрические параметры проростков.

Keywords: sewage sludge, soil, heavy metals, test culture, sowing qualities of seeds, morphometric parameters of sprouts.

Утилизация осадка сточных вод (ОСВ) становится проблемой многих городов. Осадки можно использовать в составе почвогрунтов при благоустройстве полотна откосов дорог, для восстановления плодородия почв в питомниках лесных и декоративных культур, т. к. в них содержатся органические вещества, макро- и микроэлементы, необходимые для развития растений. Основной проблемой при использовании ОСВ является нередко наличие в них тяжелых металлов (ТМ) в значительных количествах. При внесении в почву они могут отрицательно воздействовать на растения, животных и человека, поэтому ОСВ должен соответствовать ГОСТам [3 - 5]. ОСВ можно использовать в составе почвогрунтов при разбавлении, например, торфом. Необходимо установить оптимальные соотношения при смешивании ОСВ с почвой и торфом.

Цель исследований: изучение применения осадка сточных вод Тюменских очистных сооружений в составе грунтов.

Для решения поставленной цели были сформулированы и реализованы следующие задачи: определить соотношение компонентов в грунте; установить влияние ОСВ в составе грунтов на энергию прорастания, всхожесть, морфометрические параметры проростков тест-культуры; провести анализ агрохимических свойств грунтов и содержания ТМ.

Условия и методика исследований

Изучение действия осадка сточных вод, предоставленного с Тюменских очистных сооружений, проводили в вегетационном опыте методом проростков по ГОСТ 12038-84, но вместо песка использовали компоненты грунтов. Схема опыта: 1. Почва (контроль), 2. ОСВ, 3. ОСВ+торф (3:1), 4. Почва+ОСВ (3:1), 5. Почва+торф+ОСВ (2:1:1). Тест-культура -семена яровой пшеницы сорта Иргина. Почва - темно-серая лесная. Сосуды помещали в климатостат марки КС-200 СПУ. Опыт проводили в 6 кратной по-вторности. Семена проращивались при температуре 20 0С с заданной программой смены «дня» и «ночи». Подсчет энергии прорастания проводили на 4 сутки, всхожесть - на 7 сутки. На 7 сутки изымали по 3 сосуда с каждого варианта. Отмывали корневую систему проростков, подсчитывали число корешков и проводили биометрические замеры: длина и масса корневой системы, длина и масса проростков. Уборку оставшихся сосудов производили на 14 сутки после посева семян. Отмывали корневую систему и определяли массу корневой системы и массу проростков.

Содержание микроэлементов определяли на пламенном атомно-абсорбционном спектрометре «СоПег-АА 300» с атомизацией в пламени и атомно-абсорб-ционном спектрометре «МГА 915» с электротермической атомизацией; гумуса - по ГОСТ 26213-91, рНсол - ГОСТ 26483-85, гидролитическая кислотность -ГОСТ 26212-91.

Для статистической обработки результатов исследований применяли дисперсионный анализ данных вегетационного опыта [2] с использованием программы Mucrosoft Excel 2010.

Результаты исследований

Почвы, благодаря высокой катионной поглотительной способности, хорошо удерживают положительно заряженные ионы металлов [1]. Поэтому их постоянное поступление даже в малых количествах способно привести к существенному накоплению металлов в почве. Кислотность почвы влияет на подвижность металлов и усвоение их растениями. Ней-

тральная реакция среды предотвращает фитотоксич-ность многих ТМ при существенном их содержании в почве. Но такое же содержание ТМ при рН 5,5 и ниже может быть летальным для растений.

Токсическое действие ТМ на растения можно проследить по посевным качествам семян и морфо-метрическим параметрам проростков.

На всех вариантах опыта наблюдается существенное снижение энергии прорастания на 21 - 71 % по сравнению с контролем (таблица 1). Всхожесть существенно снизилась только при смешивании осадка с торфом в соотношении 3:1.

Таблица 1

Влияние осадка сточных вод на проростки яровой пшеницы

Варианты Энергия Всхо- Число Длина Длина

прорастания, жесть, % корешков, корневой проростков,

% шт. системы, мм мм

Почва (контроль) 86 93 4,7 124,6 176,5

ОСВ 55 97 5,3 31,7 107,5

ОСВ+ торф (3:1) 40 86 4,3 27,9 94,4

Почва+ОСВ (3:1) 25 91 5,0 77,2 154,6

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 68 92 5,1 114,2 183,8

НСР05 11,1 6,2 0,22 11,9 25,92

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 этот показатель. Данный грунт положительно повлиял на длину проростков, но различие оказалось не существенно. Осадок и смесь осадка с торфом существенно снизили длину проростков на 39 и 47 %.

Влияние осадка сточных вод на массу корне

На осадке сточных вод масса корневой системы на 14 сутки была на уровне 7 суток (таблица 2) и существенно ниже контроля на 37,5 %. Масса корневой системы существенно превышала контроль при проращивании семян на смеси почвы с торфом и осадком (2:1:1): на 7 сутки - на 50 %, на 14 сутки - на 104 %. На варианте ОСВ+торф данный показатель на 14 сутки проращивания существенно меньше контроля на 29,2 %.

Таблица 2

й системы и проростков яровой пшеницы, г

Варианты Масса корневой системы Масса проростков

на 7 сут. на 14 сут. на 7 сут. на 14 сут.

Почва (контроль) 0,18 0,24 0,97 1,89

ОСВ 0,15 0,15 0,67 1,75

ОСВ+ торф (3:1) 0,10 0,17 0,55 1,68

Почва+ОСВ (3:1) 0,22 0,30 0,98 2,20

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 0,27 0,49 1,23 2,92

НСР05 0,08 0,05 0,19 0,24

Осадок и смесь осадка с торфом на 7 сутки существенно понизили массу проростков на 31 и 43 %, а смесь почвы с торфом и осадком повысила на 27 %. Негативное действие осадка и смеси осадка с торфом сохранилось и на 14 сутки. Существенно превышала контроль масса проростков на вариантах поч-ва+осадок и почва+торф+осадок на 16 и 54 % (рис. 1).

В осадке сточных вод повышенное содержание гумуса - 7,7 %. При смешивании осадка с торфом содержание гумуса осталось почти на уровне осадка. В почве содержание гумуса - 5,4 %. При смешивании почвы с осадком и торфом в соотношении 2:1:1 содержание гумуса повысилось на 14,8 %.

Реакция среды оказывает сложное действие на условия питания растений, подвижность микроэлементов, активность микрофлоры, физико-химические свойства почвы. Кислотность осадка сточных вод -слабая, почвы - нейтральная. При добавлении к почве осадка кислотность остается нейтральной. У осадка сточных вод гидролитическая кислотность выше в 3,6 раза, а сумма поглощенных оснований меньше в 6 раз, емкость поглощения - в 3 раза, степень насыщенности почв основаниями - в 2 раза, чем в почве. Смешивание осадка с торфом ухудшает еще в большей степени обменную поглотительную способность. Добавление почвы к смеси осадка с торфом улучшает показатели, но они значительно ниже, чем в почве.

Рис. 1. Влияние осадка сточных вод на проростки пшеницы: 1 - почва

Для сохранения благоприятных концентраций химических элементов у растений имеется защитная система [6]. Но при избыточном поступлении из почвы тяжелых металлов она может дать сбой. И растение из-за высокого содержания тяжелых металлов может быть опасным для животных и человека. Но при этом растения сами могут не иметь признаков угнетения. Корни и вегетативные органы растений практически не защищены биологическим барьером от поступления тяжелых металлов. Генеративные органы растений (зерно, плоды, клубни и т. д.) от поступления ТМ из стеблей и листьев защищены флоэмой.

Содержание цинка, меди и кадмия в ОСВ, грунтах и корнях растений многократно превышало их наличие на контроле (таблица 3). В растениях яровой пшеницы при проращивании на ОСВ и грунтах повышалось содержание цинка, снижалось - свинца и хрома.

Осадок и смесь осадка с торфом превышали ПДК по содержанию валовых и подвижных форм цинка, меди, кадмия и свинца. Все изучаемые варианты не превышали ПДК по содержанию никеля и хрома. В

растениях на почве и изучаемых грунтах наблюдалось превышение МДУ по содержанию свинца, кадмия и хрома.

Выводы

1. Проростки тест-культуры испытывали угнетение при проращивании на осадке сточных вод и смеси осадка с торфом при соотношении 3:1, наблюдалось существенное снижение всех биометрических показателей.

2. Смешивание почвы с осадком в соотношении 3:1 оказало существенное отрицательное действие на энергию прорастания и длину корневой системы.

3. На трехкомпонентной смеси (почва+торф+осадок) проростки существенно превышали контроль по массе корневой системы и массе проростков.

4. Для рекультивации можно использовать грунт почва+торф+осадок в соотношении 2:1:1. Осадок в чистом виде и смеси с торфом 3:1 использовать нельзя из-за повышенного содержания тяжелых металлов.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов, мг/кг

Варианты Почва, ОСВ, грунты Растения Корни

валовые формы подвижные формы

Цинк

Почва (контроль) 65,8 3,8 24,7 44,3

ОСВ 435,1 313,7 36,8 255,4

ОСВ+торф (3:1) 371,7 258,7 30,5 220,0

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 120,1 76,8 29,0 123,4

ПДК (МДУ) 30 23 50

Медь

Почва (контроль) 15,1 0,3 7,4 10,9

ОСВ 75,6 4,6 7,4 36,3

ОСВ+торф (3:1) 58,5 3,4 7,3 34,3

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 19,8 0,7 8,0 35,2

ПДК (МДУ) 55 3 30

Продолжение таблицы 3

Свинец

Почва (контроль) 21,3 0,5 20,3 17,2

ОСВ (опыт) 37,5 1,7 13,0 22,2

ОСВ+торф (3:1) 34,9 1,5 10,2 21,4

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 26,6 0,8 28,8 22,7

ПДК (МДУ) 32 6 5

Никель

Почва (контроль) 17,9 1,3 н.о 8,0

ОСВ 27,4 3,3 н.о 10,4

ОСВ+торф (3:1) 15,8 2,8 н.о 12,5

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 6,7 1,6 н.о 10,7

ПДК (МДУ) 85 4 3

Хром

Почва (контроль) 27,2 0,2 4,6 14,2

ОСВ (опыт) 31,7 0,6 н.о. 20,2

ОСВ+торф (3:1) 28,2 0,6 1,3 23,2

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 19,9 0,4 1,1 18,0

ПДК (МДУ) 100 6 0,5

Кадмий

Почва (контроль) 1,5 0,1 1,8 1,6

ОСВ (опыт) 3,3 1,4 1,9 2,8

ОСВ+торф (3:1) 3,4 1,2 1,2 2,5

Почва+торф+ОСВ (2:1:1) 2,5 0,4 1,3 2,4

ПДК (МДУ) 1 0,3

Литература

1. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в агроландшафте. СПб, 2008. 216 с.

2. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1979.

3. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001. Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений.

4. ГОСТ Р 54534-2011. Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель.

5. ГОСТ Р 54651-2011. Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Технические условия.

6. Ильин В. Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва-растение. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 220 с.

Информация об авторах:

Грехова Ираида Владимировна - доктор биологических наук, профессор кафедры общей химии ГАУ Северного Зауралья; grehova-rostok@mail.ru.

Iraida V. Grekhova - Doctor of Biology, Professor at the Department of General Chemistry, State Agrarian University of Northern Trans-Urals.

Грехова Валентина Юрьевна - соискатель, главный менеджер НПЦ «Эврика» ГАУ Северного Зауралья, rostok72@inbox.ru.

Valentina Yu. Grekhova - post-graduate student, chief manager of "Eureka" Research and Development Centre, State Agrarian University of Northern Trans-Urals.

(Научный руководитель - И. В. Грехова).

Михайловская Анжела Анатольевна - соискатель, маркетолог НПЦ «Эврика» ГАУ Северного Зауралья, rostok72@inbox.ru.

Angela A. Mikhaylovskaya - post-graduate student, marketologist at "Eureka" Research and Development Centre, State Agrarian University of Northern Trans-Urals.

(Научный руководитель - И. В. Грехова).

Приветкина Наталья Юрьевна - студентка 4 курса ГАУ Северного Зауралья, grehova-rostok@mail.ru.

Natalya Yu. Privetkina - student at State Agrarian University of Northern Trans-Urals.

(Научный руководитель - И. В. Грехова).

Статья поступила в редколлегию 17.12.2014 г.