Экологические проблемы использования бытовых и производственных отходов в качестве удобрений и возможности самоочищения почв от ксенобиотиков и тяжелых металлов

В.И. ГОЛОВ,

Я.О. ТИМОФЕЕВА

Экологические проблемы использования бытовых и производственных отходов в качестве удобрений и возможности самоочищения почв от ксенобиотиков и тяжелых металлов

Обсуждаются экологические и организационные проблемы утилизации бытовых и промышленных отходов урбанизированных территорий. Рассматриваются пути и возможности использования отходов и продуктов их переработки в качестве удобрений.

Одной из наиболее острых мировых экологических проблем, особенно для урбанизированных территорий, является загрязнение окружающей природной среды промышленными и бытовыми отходами. В отечественной и мировой практике наибольшее распространение из всех способов переработки отходов получили следующие: сжигание на мусоросжигательных заводах (более 50% в мире от всего объема мусора, а в Японии более 70%), строительство полигонов для захоронения (широко распространено в России), компостирование и ферментация (большей частью в Китае), предварительная сортировка, утилизация и реутилизация [6, 10]. Основные проблемы утилизации и вторичного использования городских отходов заключаются в отсутствии на сегодняшний день рентабельных и эффективных способов их сепарирования. В настоящее время состав городских отходов существенным образом изменился как в России, так и за ее пределами. Добавилось большое количество отходов из полимерных материалов, которые нельзя сжигать из-за выделения токсичных газов (диоксины и другие хлорсодержащие ксенобиотики), опасных как для биоты, так и для биосферы в целом и в первую очередь для ее оптимального физического и химического состояния (озоновый слой, газовый состав атмосферы и т.д.).

Имеющийся в России 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 является уже недостаточным. Известно, что магнитными свойствами не обладают некоторые цветные металлы, а длительное хранение пищевых отходов приводит к их гниению и порче, особенно в теплое время года.

Поэтому, чтобы успешно утилизировать городские свалки, которые в изобилии появились за последние 10-15 лет, возникшие затруднения необходимо решать с иных позиций.

К настоящему времени уже существуют некоторые препараты и методы, помогающие успешно справляться с данными проблемами. Так, стали появляться 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 размножнение личинок мух и т.д. Скорость переработки пищевых отходов и соломы при этом возрастает в 1,5-2 раза, поэтому одного вегетационного периода (вместо двух-трех при естественном, традиционном компостировании) вполне хватает для получения кондиционного перегноя.

Если бы удалось восстановить установку отдельных пищевых контейнеров в жилых массивах и организовать централизованную обработку их указанными выше биопрепаратами, то это избавило бы коммунальные хозяйства от скоропортящегося компонента, а самое главное - пополнило бы ассортимент дефицитных органических удобрений. Начинать эту работу не обязательно централизованно и сразу в широких городских масштабах, нужно приобщить к этому хотя бы тех жителей, которые имеют дачные или приусадебные земельные наделы как в городском, так и в частном секторе для использования этих ценных удобрений на своих участках.

Наиболее вредными для окружающей среды являются те отходы, которые содержат тяжелые металлы, в том числе такие токсичные, как РЬ, С^ И§ (батарейки, теле- и радиодетали и другие отходы бытовой техники), а также упаковочные и тарные отходы, изготовленные из полимерного материала. Для первых можно рекомендовать отдельную тару их автономного сбора, как это практикуется в Японии, а для полимеров -прессование и брикетирование на мусоросжигательных заводах с последующим их использованием в строительстве или в качестве вторсырья [4, 11]. При традиционной утилизации городских отходов путем сжигания без их предварительной сепарации, как это практикуется на всех мусоросжигательных заводах России, кроме металлолома, выделяемого с помощью электромагнита, конечным продуктом являются шлаки и зольные отходы, оседающие на фильтрах. Приведем краткую характеристику последних.

Зольные бытовые отходы (ЗБО) получают, как уже упоминалось, при сжигании городских бытовых и промышленных отбросов и мусора. Такой завод по сжиганию мусора есть во Владивостоке (спецзавод № 1), утилизирующий до 15% всего количества городских отходов. Мелкую фракцию золы (без шлака) этого завода мы исследовали в течение ряда лет в качестве комплексного удобрения под основные культуры. Химический состав зольных бытовых отходов подвержен колебаниям в течение года в зависимости от состава мусора и выглядит следующим образом: 8Ю2 36-52%; Ре20з 5-11,7; А^Оз 7-16,2; СаО 13-22; К2О 2-10; Р2О5 1-3; №26 1-6; МеО 1,8-3,3; МпО 0,02; 2п 0,05-0,5; В 0,05-0,5; Мо 0,001-0,01;

8п 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; Ag 5-10 мг/кг. Присутствуют также другие незначительные примеси, чувствительность определения которых находится за пределами возможностей химического, спектрального и атомноабсорбционного методов анализа. Здесь представлены результаты анализов 24 проб, которые отбирались ежемесячно в течение двух лет. Средний выход зольных бытовых отходов в течение года составляет около 2000 тонн. Согласно нашим исследованиям их необходимо рассматривать как комплексные удобрения, содержащие многие питательные элементы (калий, фосфор, кальций, магний и микроэлементы - цинк, марганец, медь, бор, молибден), чем и объясняются высокая эффективность и популярность этих отходов. Однако сдерживающим фактором их широкого и более интенсивного применения служит высокое содержание тяжелых металлов (свинца, кадмия, олова и др.).

Как показали результаты наших полевых и вегетационных опытов, применение ЗБО было весьма эффективно на многих культурах. Прибавка урожая продуктивной части основных культур в вегетационных опытах колебалась 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. Для картофеля прибавки составили 16-24%, для капусты 5-22, для томатов 9-27 и для редиса от 3 до 16% в зависимости от дозы. Оптимальными дозами (агрохимическими), 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 20 т/га вызывала симптомы отравления. При внесении экстремальных доз (10 и 20 т/га) на нижних листьях капусты появлялась коричневатобурая окраска (по краям), рост прекращался, кочаны не завязывались [2].

Определение тяжелых металлов в продуктивной части выращиваемых культур показало, что более интенсивно они накапливаются в корнеплодах (редисе, свекле, моркови). Содержание тяжелых металлов в листьях капусты, клубнях картофеля и плодах томата было незначительным. Исключение составляет цинк, содержание которого на максимальных дозах увеличивалось в 2-3 раза. Таким образом, с рекомендуемыми дозами (1-2 т/га) зольно-бытовых отходов будет внесено на 1 гектар пашни: свинца от 3 до 6 кг, кадмия 10-100 г, олова 2-10 кг, цинка от 5 до 30 г и ртути 13 г. Если принять объемную массу почв за единицу (обычно эта величина для тяжелых почв на Дальнем Востоке составляет 1,1-1,3 г/см3), концентрация тяжелых металлов в почвах увеличивается незначительно. Содержание свинца увеличится 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 максимально допустимой дозы ЗБО (с экологических позиций) - 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 органо-минеральных удобрений и без ограничений - в лесных питомниках при выращивании цветов, проведении городских озеленительных работ.

Помимо традиционных городских отходов, свойственных Владивостоку, у нас в крае есть ряд городов и поселков городского типа, где в силу сложившейся специализации промышленного производства и добывающих предприятий скапливаются специфичные отходы, которые вполне успешно можно использовать в качестве удобрений.

Борогипс. Борогипс является отходом борного химического производства после обработки природных бородатолитов серной кислотой, поэтому состоит в основном из гипса (65-75%), кварца (18-23%), гидроокислов железа и алюминия (до 2 %) и остатков бородатолита (1-2%). Средний химический состав борогипса выглядит следующим образом (%): 8Ю2 20-25 А12О3 0,2-0,5

8О4 35-45 MgO 0,3-0,6

СаО 25-30 В2О3 (кислоторастворимый) 0,6-1,0

Бе2О3 1-2 В2О3 (водорастворимый) 0,1-0,2

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

Как показали наши многолетние исследования, борогипс является весьма эффективным комплексным минеральным удобрением, содержащим серу, бор, кальций и магний при дополнительном внесении его по фону основных (^Р,К) удобрений и извести. Борогипс увеличивал урожай основных культур (сои, пшеницы и овощных) на 20-30% [1]. В настоящее время по нашим ТУ выпускается в небольших масштабах удобрение «Новинка», представляющее собой борогипс с добавлением основных элементов питания, а также его добавляют в торфогуминовые удобрения, выпуск которых освоило ООО «Биотекс-групп» (г. Комсомольск-на-Амуре). Однако, имея ограниченный рынок сбыта в своей стране из-за бедственного положения в сельском хозяйстве, предприятие не может существенным образом увеличить их производство и применение.

Угольная пыль. Поскольку каменные и бурые угли представляют собой спресованную растительную массу прошлых биологических эпох, то их состав близок к составу современных наземных растений. 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 органо-минеральных удобрений для основных элементов минерального питания и тем самым пролонгировать их действие.

Запасы угля на Дальнем Востоке весьма обширны, и в этом отношении наш регион выглядит намного предпочтительней других регионов РФ. В литературе есть сведения о положительной реакции сельскохозяйственных растений на внесение некондиционных углей, особенно активированных живыми вирулентными полезными штаммами микроорганизмов [7].

Широкое применение активные препараты угольной пыли могут найти при озеленении городов и населенных пунктов, залужении отвалов и дамб, борьбе с эрозией и дефляцией почв, а также напрямую в качестве удобрений.

При использовании нетрадиционных удобрений и отходов важно знать и учитывать защитные свойства почв или возможности их самоочищения. Эти возможности (буферные свойства) в свою очередь, как показали исследования многих ученых, зависят от содержания гумусовых кислот, тонкодисперсных частиц, оксидов Бе и А1, карбонатов и реакции среды [8, 5]. Основным связующим компонентом для загрязнителей в почве являются гуминовые кислоты, количество которых определяется в основном содержанием органического вещества. Причем эти связи могут быть настолько прочными, что токсиканты, такие как диоксин или медь, не поглощаются растениями и не вымываются из почв осадками. Поэтому для увеличения потенциальной возможности поглощения и самоочищения почв путем их разложения микроорганизмами до безопасных компонентов, как это происходит со многими пестицидами и другими ксенобиотиками, в первую очередь необходимо постоянно заботиться о пополнении почв органическим веществом. Для этого, помимо использования традиционных органических удобрений (навоз, торф, птичий помет), которых сейчас очень мало, необходимо шире применять нетрадиционные источники таковых - сапропели, сидераты, солому, отходы деревообрабатывающей и пищевой промышленности, а также ком-посты, приготовленные по вышеприведенной технологии. Существенным фактором, увеличивающим поглотительную способность гуминовых кислот, является реакция почвенной среды: при нейтральной и щелочной реакции она значительно выше, чем при кислой. Поэтому известкование почв или систематическое внесение физиологически щелочных удобрений будет увеличивать их потенциальную поглотительную способность и тем самым повышать экологическую устойчивость данных почв.

Другим, менее знакомым, но не менее эффективным механизмом самоочищения почв являются железо-марганцевые конкреции (ЖМК), которые в большом количестве накапливаются в периодически переувлажняемых почвах, к которым относятся большинство пахотных почв Дальнего Востока. ЖМК способны прочно связывать и выводить из круговорота на неопределенно длительное время такие тяжелые металлы, как свинец, марганец, никель, хром, кадмий и др. [3]. Интенсивный рост ЖМК отмечен в почвах, подверженных как естественному, так и искусственному затоплению, например при возделывании риса. Кроме того, нами было замечено, что при длительном и систематическом применении минеральных удобрений и мелиорантов, содержащих тяжелые металлы в качестве примесей, они через некоторое время обнаруживались в ЖМК,

отобранных с этих вариантов. Это дает ключ к пониманию и в какой-то степени регулированию данного процесса.

В этой статье мы кратко остановились на проблеме использования только тех бытовых отходов, которые в последние годы представляют интерес для нашей региональной науки и на изготовление различных удобрений из них существуют ТУ, а также получено практическое подтверждение эффективности их применения.

Литература

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

2. Голов В.И. Круговорот серы и микроэлементов в основных агроэкосистемах Дальнего Востока / В.И. Голов. - Владивосток: Дальнаука, 2004. - 316 с.

3. Голов В.И. Возможности самоочищения почв от избытка тяжелых металлов с помощью железо-марганцевых конкреций / В.И. Голов, Я.О. Тимофеева // Вестник ТГЭУ. 2005. № 3. С. 100-112.

4. Зорина Л.Г. Утилизация пластических масс / Л.Г. Зорина, Н.В. Островская // Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов. Материалы Дальневосточного международного инновационного форума. Хабаровск, 2003. С. 115-116.

5. Ильин В.Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области / В.Б. Ильин, А.И. Сысо. - Новосибирск: СО РАН, 2001. - 230 с.

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

7. Костенков Н.М. Результаты изучения эффективности применения гумус-содержащей суспензии (ГСС-Биогум) на почвах Приморья / Н.М. Костенков, В.И. Голов, В.И. Ознобихин // Аграрная политика и технология производства сельскохозяйственной продукции в странах АТР. Уссурийск, 2002. С. 66-73.

8. Орлов Д.С. Гуминовые вещества в биосфере / Д.С. Орлов. - М.: Наука, 1993. - 237 с.

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

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

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

12. De Baere. Anaerobic fermentation of refuse / Baere De, Muner Van, S. Deboosere, W. Verstraete // Resources Conservetion. № 14. 1987. Р. 295-308.

© Голов В.И., Тимофеева Я.О., 2005 г.