Бытовые и промышленные отходы: возможности утилизации и резервы самоочищения почвенного покрова

Вестник ДВО РАН. 2008. № 1

В.И.ГОЛОВ, Я.О.ТИМОФЕЕВА

Бытовые и промышленные отходы: возможности утилизации и резервы самоочищения почвенного покрова

Обсуждаются проблемы загрязнения и возможности самоочищения почв от техногенных загрязнителей, в первую очередь от бытовых и промышленных отходов. Анализируются возможные способы их утилизации, а также снижения негативных последствий от их хранения и дальнейшего использования.

Domestic and industrial wastes: possibilities of utilization and reserves of self-purification of soil cover.

V.I.GOLOV, Ya.O.TIMOFEEVA (Institute of Biology and Soil Science FEB RAS, Vladivostok).

Problems ofpollution and soil self-purification from man-made pollutants, first of all from domestic and industrial waste products, are discussed in the paper. Possible methods of their utilization and reduction of negative consequences of their storage and further use are analyzed.

Роль почвенного покрова как средства производства изучена довольно обстоятельно, в отличие от его экологической функции в биосфере, где почва является одним из определяющих факторов в поддержании гомеостаза среды обитания живых организмов. Только в последние 20-30 лет этому аспекту стали уделять должное внимание, и это вполне оправданно: почвенный покров планеты в значительной мере определяет и регулирует многие жизненно важные экологические функции биосферы (поддержание постоянного газового состава атмосферы и химического состава поверхностных, прежде всего речных, вод; сохранение накопленной в гумусовых веществах солнечной энергии и поддержание биоразнообразия живых организмов и т.д.). Поэтому познание механизмов самоочищения почв и их потенциальных возможностей представляется нам одной из актуальнейших проблем сохранения экологически приемлемой среды обитания человека.

Известно, что почвы являются если не конечным пунктом поступления загрязнителей хозяйственной деятельности человека (вне зависимости от того, где они локализуются первоначально: в атмосфере, гидросфере или литосфере), то, во всяком случае, тем звеном в цепи их миграции, где они могут длительное время сохраняться. Но почвенный покров является тем компонентом биосферы, который в большей мере, по сравнению, например, с атмосферой и гидросферой, способен к самоочищению и детоксикации загрязнителей как антропогенного, так и природного происхождения.

Одним из основных компонентов почвы, способных поглощать загрязнители, и при определенных условиях необратимо (например, тяжелые металлы - далее ТМ), являются гумусовые вещества [4]. Однако эта способность у гумусовых веществ проявляется до того момента, пока сохраняется и, разумеется, пополняется органическая часть почв. При интенсивном использовании почв гумусовый слой разрушается и ТМ, высвобождаясь, переходят в раствор и далее мигрируют в биосфере, в том числе по пищевым цепочкам. Такая ситуация сейчас наблюдается в Китае, Индии и других странах, близких к экватору, где

ГОЛОВ Владимир Иванович - доктор биологических наук, ТИМОФЕЕВА Яна Олеговна (Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток).

выращивают по 2-3 урожая в год и содержание гумуса в почвах очень низкое (около 1%). Явления дегумификации усиливаются при интенсивном применении минеральных удобрений, особенно извести, что также свойственно этим странам, которые по объему применения названных мелиорантов входят в первую пятерку стран мира.

Роль железо-марганцевых конкреций в процессе самоочищения почв от тяжелых металлов

Другим не менее значимым механизмом, способствующим самоочищению почв, является образование и рост в верхних горизонтах особых органоминеральных тел -железомарганцевых конкреций (далее ЖМК). Непременными условиями для образования и развития ЖМК являются чередование окислительно-восстановительных процессов и наличие вмещающего слоя с устойчивым геохимическим режимом. Существует большой объем информации, посвященной составу, строению, распределению и генезису ЖМК [5, 8], однако роль конкреций в поддержании химического гомеостаза почвенного покрова, и в первую очередь в отношении ТМ, до сих пор не рассматривалась.

Территория распространения ЖМК весьма обширна, довольно много их и в почвах Дальнего Востока. Помимо почв ЖМК в большом количестве были обнаружены на дне океанов, морей и внутренних континентальных водоемов (озер, болот и др.). Элементы, входящие в состав ЖМК, становятся малоподвижными и недоступными для растений и выходят из биологического круговорота на неопределенное время. Поэтому почвенные конкреции следует рассматривать как биогеохимический барьер, где происходит резкое снижение интенсивности миграции и, соответственно, уменьшение концентрации элементов, в том числе и ТМ [1, 13, 14].

Для демонстрации поглотительной способности ЖМК сошлемся на результаты наших исследований в зоне экстремального загрязнения почв, приуроченной к полиметаллическому комбинату (г. Дальнегорск, Приморский край). Район проведения исследований расположен в пределах восточного предгорья южного Сихотэ-Алиня, характеризуется сильно расчлененным рельефом и преобладанием элювиальных и трансэлювиальных ландшафтов. Почвенный покров подвержен техногенной нагрузке в связи с выбросами комбината, специализирующегося на производстве свинцового и цинкового концентратов. В окружающей среде произошли устойчивые нарушения природной цикличности в содержании ТМ.

Для анализа на содержание различных форм ТМ образцы почв отбирали на разном расстоянии от источника загрязнения и на разной глубине, определяемой почвенными горизонтами. В опытном материале анализировали содержание валовой (общей) и кислоторастворимой (потенциально доступной и доступной для растений) форм элементов методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Загрязнение исследуемых почв сравнивали с региональными кларковыми содержаниями элементов в почвах [2].

Почвенный покров ближайшей к предприятию зоны (1500 м) представляет собой модель неустойчивой системы, утратившей способность к саморегуляции. По величине среднего валового содержания элементы образуют следующий убывающий ряд: Мп > РЬ > 2п > Си > N1 > Со > Сг > Сd > Мо. Общее содержание всех рассматриваемых элементов (за исключением молибдена) превышает природный геохимический фон (табл. 1). Максимальные превышения фона (в 20-50 раз) отмечены для меди, цинка, кадмия, свинца, что свидетельствует об экстремальном загрязнении почв. Интенсивное техногенное поступление при повышенном природном содержании ТМ приводит к частичной или полной гибели растительности и образованию так называемых техногенных пустынь, что мы и наблюдали на обследованной территории.

Распределение элементов по профилю почв, сформированных в нормальных естественно-природных условиях, связано с генетическими факторами и в основном зависит от

Содержание тяжелых металлов в почвах и конкрециях в зоне экстремального техногенного загрязнения

Кларк в почвах Расстояние от комбината

Элемент 1500 м 4500 м

0-9* 9-20 20-46 0-7 7-16 16-33 33-61

Мп 1510 6578 5426 5768 4748 4636 2894 3876

32840 26200 12629 24568 31001 12260 9600

2п 70 3331 2008 1205 718 1340 920 515

3150 2254 1210 805 1250 810 520

N1 46 542 621 126 186 131 152 33

2100 2500 455 540 465 470 67

Мо 1,6 1,9 1,5 16 1,9 1,2 1,4 0,7

2,4 2,4 2,8 2,3 1,5 1,5 1

Со 22 302 193 172 161 210 112 84

517 531 310 415 505 243 208

РЬ 32 3322 4148 1848 1374 1667 471 330

7441 6200 3851 3020 5281 2180 508

Сг 66 190 142 71 130 142 81 77

390 265 68 241 194 110 65

Си 20 1451 934 331 781 323 343 118

2513 1457 657 1241 452 485 359

са 0,6 26 14 12 8 6 4 2

31 17 14 11 7 5 3

* Здесь и далее в строке - глубина залегания почвенных горизонтов, см.

Примечание. Числитель - валовое содержание элемента в почве, знаменатель - в конкрециях.

их первичного содержания в коренных породах, особенностей гидрологического режима, растительности и других природных условий. В нашем случае характер распределения валовых форм ТМ по вертикальному профилю почвы принял неестественный вид, он полностью зависит от состава выбросов предприятия и показывает, что основные запасы марганца, цинка, хрома, кобальта, меди и кадмия сконцентрированы в верхней части профиля. Максимальное содержание никеля и свинца отмечается в средней части профиля почв, второй пик их концентрации приходится на верхний горизонт. Распределение молибдена соответствует естественному характеру его поведения в почвах, не подверженных влиянию загрязняющих факторов. Содержание ТМ в почвах, расположенных на удалении 4500 м от источника, указывает на то, что их концентрация выше регионального кларка, но ниже, чем в почвах первого участка (1500 м) (табл. 1). Признаки угнетения растительности на этой территории проявляются слабо.

В почве, сформированной на расстоянии 1500 м от источника загрязнения, в потенциально доступной для растений форме (кислоторастворимой) находится до 60% свинца, цинка, меди, около 50% никеля, хрома, кобальта и 13% кадмия, что способствует их накоплению в растительной биомассе, приводя к негативным последствиям. Анализ распределения этой фракции по профилю показывает, что максимум концентрации большинства элементов связан с гумусовым горизонтом. В почве участка, расположенного на расстоянии 4500 м от источника загрязнения, отмечается достоверное снижение концентрации кислоторастворимых форм всех изученных ТМ.

В качестве критерия оценки устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами был использован химический состав почвенных ЖМК, что позволило не только произвести диагностику загрязнения, но и судить об интенсивности и направленности процессов поглощения ионов ТМ из почвенного раствора твердыми частицами почвы и обратного

перехода их из твердой фазы в раствор [13, 14]. Во сколько раз интенсивность процесса накопления элементов в конкрециях опережает таковую во вмещающей почвенной массе, определяли с помощью расчета коэффициента накопления [5].

Конкреции, выделенные из исследуемых почв, представляют собой плотные образования темно-бурого или коричнево-бурого цвета, в большинстве случаев правильной шарообразной формы, с шероховатой и мелкопористой поверхностью. Преобладающий размер конкреций 1,5-4 мм в диаметре.

При сопоставлении результатов анализа по содержанию ТМ во вмещающих почвенных горизонтах и конкрециях установлено существенное увеличение концентрации большинства элементов в последних. Из данных, представленных в табл. 2, видно, что стяжению в конкреции в наибольшей мере подвержены Со, Мп, РЬ, и N1, у которых коэффициенты накопления наиболее высокие. Значительно менее интенсивно стягиваются в конкреции Си, Сг, Мо, слабо накапливаются Сd и гп.

Таблица 2

Интенсивность аккумуляции тяжелых металлов в железомарганцевых конкрециях

Расстояние от источника загрязнения, м Глубина, см Коэффициент накопления

1500 0-9 Мп

9-20 Мп

20-46 N1

4500 0-7 Мп

7-16 Мп

16-33 РЬ

33-61 Си

Обращает на себя внимание тот факт, что на фоне интенсивного снижения содержания тяжелых металлов в почвах их содержание в конкрециях уменьшается постепенно, по мере удаления от источника загрязнения, в результате чего даже на значительном расстоянии от горно-химического комбината содержание ТМ в конкрециях в несколько раз превышает природный геохимический фон, что свидетельствует о положительной экологической функции данного механизма.

Профильное распределение кислоторастворимых форм ТМ в конкрециях, так же как в почвах, выявляет их высокое содержание в гумусово-аккумулятивном горизонте. В подвижном состоянии находится от 5% (медь, хром, молибден) до 25% (свинец, никель) от их общего содержания. Это значит, что большая часть тяжелых металлов, входящих в состав конкреций, на неопределенное время исключается из биологического круговорота, накапливается в верхних горизонтах и не поступает в почвенно-грунтовые воды и литосферу. В зоне интенсивного воздействия поллютантов возможности почв по ограничению миграции металлов практически исчерпаны. Разумеется, ухудшение

физико-химических свойств почв неизбежно ведет к снижению их плодородия и затем к полной деградации.

Возможности утилизации и использования

бытовых и промышленных отходов в качестве удобрений

В мировой практике наибольшее распространение получили следующие способы переработки отходов [6, 11]: уничтожение на мусоросжигательных заводах (более 50% в мире от всего объема мусора, а в Японии более 70%), компостирование и ферментация (большей частью в Китае), предварительная сортировка, утилизация и реутилизация (в Японии, Германии и др.); в России широко распространено строительство полигонов для захоронения мусора.

Имеющийся у нас в стране опыт извлечения, например, металлических отходов из неметаллических с помощью электромагнитов, а также разделение органических (в основном пищевых) и неорганических отходов путем накопления первых в отдельных контейнерах на сегодняшний день уже недостаточен.

К настоящему времени уже существуют некоторые препараты и методы, помогающие успешно справляться с данными проблемами. В торговой сети появляются биопрепараты (ЭМ-1, «Байкал», «Сенная палочка»), которые в значительной степени ускоряют процесс минерализации и компостирования органических отходов, соломы и мусора [9, 12], причем без таких дискомфортных явлений, как неприятный гнилостный запах, массовое размножение личинок мух и т.д. Скорость переработки пищевых отходов и соломы при этом возрастает в 2-3 раза, поэтому двух-трех месяцев или максимум одного вегетационного периода вполне достаточно для получения кондиционного перегноя.

Но наиболее вредными для окружающей среды являются отходы, содержащие ТМ, особенно такие токсичные, как РЬ, Са, (батарейки, теле- и радиодетали и другие элементы бытовой техники), а также упаковка и тара из полимерного материала. Для первых можно рекомендовать автономный сбор, как это практикуется в Японии, а для вторых - прессование и брикетирование на мусоросжигательных заводах с последующим использованием в строительстве или в качестве вторсырья [10]. При традиционной же утилизации городских отходов - без предварительной сепарации, как это делается на всех мусоросжигательных заводах в России, конечным продуктом (кроме металлолома, выделяемого с помощью электромагнита) являются шлаки и зольные отходы, оседающие на фильтрах.

Зольные бытовые отходы (ЗБО). Владивостокский мусоросжигательный завод № 1 утилизирует до 15% от всего количества городских отходов. Средний выход ЗБО в течение года составляет около 2000 т. Нами в течение 2 лет ежемесячно исследовалась мелкая фракция золы (без шлака) этого завода в качестве комплексного удобрения под основные культуры. Химический состав ЗБО (по результатам анализов 24 проб), подверженный колебаниям в течение года в зависимости от состава мусора, таков (в %): Я102 - 36-52; Те203 -5-11,7; А1203 - 7-16,2; СаО - 13-22; К20 - 2-10; Р205 - 1-3; №20 - 1-6 ; МяО - 1,8-3, 3; МпО - 0,02; гп - 0,05-0,5; В - 0,05-0,5; Мо - 0,001-0,01; Яп - 0,3-0,5; РЬ - 0,003-0,6; Сг - 0,07-0,08; N1 - 0,002-0,005; Са - 10-30 мг/кг, Со - 10-20, В1 - 30-50, Ая - 5-10 мг/кг; присутствуют также другие незначительные примеси, чувствительность определения которых лежит за пределами возможностей химического, спектрального и атомно-абсорбционного методов анализа. Согласно результатам наших исследований, ЗБО - это комплексные удобрения, содержащие многие биогенные (калий, фосфор, кальций, магний) и микроэлементы (цинк, марганец, медь, бор, молибден).

Как показали результаты наших исследований, применение ЗБО весьма эффективно при выращивании многих культур. Прибавка урожая в вегетационных опытах составляла от 15 до 51% у сои и от 19 до 98% у салата в зависимости от дозы и типа почвы (на тяжелых почвах эффективность была выше). В полевых опытах увеличение урожаев было

более скромным: у картофеля 16-24%, у капусты 5-22, у томатов 9-27, у редиса от 3 до 16% в зависимости от дозы. Оптимальной дозой (агрохимической), судя по прибавкам урожая, были 1 т/га для бобовых и крестоцветных и 2 т/га для картофеля и других культур. В некоторых опытах максимальный урожай был зафиксирован при внесении 5 т/га, увеличение дозы до 10 т/га, как правило, не повышало урожай испытываемых культур, а доза 20 т/га вызывала симптомы отравления [2]. Однако сдерживающим началом интенсивного применения удобрений из ЗБО служит высокое содержание ТМ.

Определение ТМ в продуктивной части выращиваемых культур показало, что более интенсивно они накапливаются в корнеплодах (редисе, свекле, моркови) и незначительно в листьях капусты, клубнях картофеля и плодах томата. Исключение составляет цинк, содержание которого в растениях при внесении максимальных доз увеличивалось в 2-3 раза.

Нетрудно подсчитать, что с рекомендуемыми дозами (1-2 т/га) зольно-бытовых отходов на 1 га пашни будет внесено: свинца 3-6 кг, кадмия 10-100 г, олова 2-10 кг, цинка 5-30 г и ртути 1-3 г. Концентрация ТМ в почвах при этом увеличивается незначительно: содержание свинца возрастет на 1-2 мг/кг (при ПДК 100 мг/кг), олова - на 1 мг/кг (кларк -10 мг/кг), кадмия - на 0,02 мг/кг (ПДК от 1 до 5 мг/кг по разным источникам) и ртути на 0,001 мг/кг (при ПДК 2 мг/кг). Следовательно, при внесении дозы ЗБО 2 т/га концентрация основных загрязнителей в почвах меняется несущественно. Однако при длительном и ежегодном их применении экологическая обстановка может постепенно ухудшаться. До более полного и детального изучения последствий применения ЗБО их можно небольшими дозами использовать в качестве добавок при производстве комплексных органоминеральных удобрений и без ограничений использовать в лесных питомниках, при выращивании цветов, проведении озеленительных городских работ.

Борогипс, являющийся отходом борного химического производства, образуется после обработки природных бородатолитов серной кислотой. Химический состав борогипса (в %): БЮ2 - 20-25; 804 - 35-45; СаО - 25-30; Бе203 - 2; А1203 - 0,2-0,5; МяО - 0,3-0,6; В203 (кислоторастворимый) - 0,6-1,0; В2О3 (водорастворимый) - 0,1-0,2.

Значительные запасы этих отходов сосредоточены вблизи Дальнегорского (Приморский край) химкомбината (около 10 млн т) и на Комсомольском (Хабаровский край) бывшем сернокислотном заводе (до 100 тыс. т) в хвостохранилищах в виде пульпы, поэтому после высушивания они представляют собой тонкоизмельченный порошок.

Как показали наши многолетние исследования, борогипс - весьма эффективное комплексное минеральное удобрение, содержащее серу, бор, кальций и магний, при дополнительном внесении его по фону основных (М Р, К) удобрений и извести. Борогипс увеличивал урожай основных культур (сои, пшеницы и овощных) на 20-30% [3]. В настоящее время по ТУ 2181-006-02698186-98, разработанным в Биолого-почвенном институте (автор В.И.Голов) выпускается удобрение «Новинка», представляющее собой борогипс с добавлением основных элементов питания. Борогипс также добавляют в торфогумино-вые удобрения ТУ 03911-014-02698186-2001 (БПИ, В.И.Голов) выпуск которых освоило ООО «Биотекс-Агро» (Комсомольск-на-Амуре).

Угольная пыль. В угле и, соответственно, в угольной пыли содержится до 70% углерода, от 0,5 до 2% азота, от 2 до 10% серы, до 70% гуминовых кислот (в расчете на органическое вещество), а также большой набор необходимых микроэлементов. Угольная пыль, которая в больших количествах накапливается при добыче угля и его коксовании, может быть использована в качестве источника углерода, серы, азота и микроэлементов (В, Мо, 2п, V и др.). Гуминовые кислоты, содержащиеся в углях, как показал опыт, могут служить естественными адсорбентами при изготовлении комплексных органоминеральных удобрений для основных элементов минерального питания и тем самым пролонгировать их действие.

Запасы угля, особенно бурого, разведанного на Дальнем Востоке, весьма обширны, поэтому имеются возможности использовать его не только в качестве топлива, но и в других целях (в углехимии и в сельском хозяйстве). В литературе есть сведения о положительной реакции сельскохозяйственных растений на внесение некондиционных углей, особенно активированных микроорганизмами [7]. Активные препараты угольной пыли могут найти широкое применение при озеленении городов и населенных пунктов, залужении отвалов и дамб, борьбе с эрозией и дефляцией почв, а также в качестве удобрений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Голов В.И., Тимофеева Я.О. Возможности самоочищения почв от избытка тяжелых металлов с помощью железо-марганцевых конкреций // Вестн. ТГЭУ 2005. № 3. С. 110-112.

2. Голов В.И. Круговорот серы и микроэлементов в основных агроэкосистемах Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 2004. 315 с.

3. Голов В.И. Применение борогипса в качестве серного и борного удобрения на почвах Дальнего Востока // Агрохимия. 1996. № 4. С. 68-78.

4. Добровольский В.В. Роль гуминовых кислот в формировании миграционных массопотоков тяжелых металлов // Почвоведение. 2004. № 1. С. 32-39.

5. Зайдельман Ф.Р., Никифорова А.С. Генезис и диагностическое значение новообразований почв лесной и лесостепной зон. М.: Изд-во МГУ, 2001. 215 с.

6. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология в вопросах и ответах. Ростов н/Д: Феникс, 2005. 384 с.

7. Костенков Н.М., Голов В.И., Ознобихин В.И. Результаты изучения эффективности применения гумуссодержащей суспензии (ГСС-Биогум) на почвах Приморья // Аграрная политика и технология производства сельскохозяйственной продукции в странах АТР: тез. докл. Междунар. науч. конф. Уссурийск: ПСХА, 2002. С. 66-73.

8. Росликова В.И. Марганцево-железистые новообразования в почвах равнинных ландшафтов гумидной зоны. Владивосток: Дальнаука, 1996. 290 с.

9. Северина В.Я. Практическое руководство по применению продуктов серии ЭМ (ЭМ-технологий). Владивосток: Рея, 2004. 47 с.

10. Хирояма Тацумити. Прогресс технологии очистки отходов, содержащих вредные соединения в Японии // ПДК. 1987. Т. 25, № 9. С. 2-12.

11. Хирояма Тацумити. Современные тенденции в области переработки твердых городских отходов // ПДК. 1985. Т. 16, № 7. С. 2-9.

12. De Baere Т., Van Muner R., Deboosere S., Verstraete W. Anaerobic fermentation of refuse // Res. Conserv. 1987. N 14. Р. 295-308.

13. Latrill C., Elsass F., van Oort F., Denaix L. Physical speciation of trace metals in Fe-Mn concretions from a rendzic lithosol developed on Sinemurian limestone (France) // Geoderma. 2001. Vol. 100. P. 127-146.

14. Liu F., Colombo C., Adamo P., He J.Z. et al. Trace elements in manganese-iron nodules from a Chinese Alfisol // Soil Sci. Soc. Am. J. 2002. Vol. 66. P. 661-670.