bbk 000000

УДК 628.169.7:614.77

Хренов К. Е., Козлов М. Н., Грачев Владимир Анатольевич, Щеголькова Н. М., Ванюшина А. Я.

Исследование свойств новых почвогрунтов, полученных с применением осадков станций водоподготовки

Аннотация

Исследованы свойства почвогрунта, полученного из осадка станций водоподготовки. Разработана новая рецептура получения почвогрунта. Биотестирование с применением двух биотестов (цериодафнии и инфузории) выявило допустимую токсичность почвогрунта, а его водопрочность характеризовалась как отличная. Комплексные исследования физических свойств показали, что при добавлении осадка станций водоподготовки в суглинок активно происходят процессы структурообразования. Почвогрунт хорошо структурирован, устойчив к неблагоприятным механическим и физико-химическим воздействиям, в том числе кислотно-основных растворов. Данный почвогрунт рекомендуется использовать для создания газонов, а также для выращивания биотопливных культур. Сформированные газоны с новым почвогрунтом показали чрезвычайно высокую устойчивость к пересыханию в условиях крайне засушливого лета 2010 г.

Ключевые слова

осадок , водоподготовка , предельно допустимая концентрация , почвенная структура , почвогрунт , буферность , биотестирование , тяжелые металлы

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Проблема техногенного загрязнения и деградации почв чрезвычайно актуальна для мегаполисов, в том числе для Москвы. К городским почвам предъявляются специфические требования: они должны обладать сопротивляемостью к неблагоприятным факторам, повышенной буферностью (свойство почвы препятствовать изменению ее реакции рН под действием кислот и щелочей). Когда плодородный слой загрязнен необратимо, необходимо полностью его заменить естественными или искусственными грунтами. Одним из путей решения проблемы загрязненных и деградированных городских почв является применение в зеленом строительстве почвогрунтов на основе осадков сооружений водоподготовки. Еще в 1990-е годы было доказано, что внесение водопроводных осадков в почву в жидком или сухом виде в качестве удобрений под посевы различных сельскохозяйственных культур (кукурузы, сахарной свеклы, люцерны и др.) способствовало повышению их урожайности [1]. Безвредность внесения осадков объясняется отсутствием в них солей тяжелых металлов и других токсикантов.

Осадок, поступающий с иловых карт очистных сооружений или после обезвоживания на центрифуге, имеет благоприятные агрохимические (достаточное содержание азота, фосфора, калия, благоприятный диапазон рН), но неблагоприятные агрофизические (отсутствие почвенной структуры, неблагоприятный водно-воздушный режим для семян и корней, способность растрескиваться при высыхании) свойства. Использовать осадок в зеленом хозяйстве возможно только в смеси с другими грунтами, однако при влажности 75–80% он имеет вязкую структуру и плохо поддается перемешиванию.

Целью работы являлась разработка технологии промышленного производства кондиционного почвогрунта на основе осадка станций водоподготовки. В 2009–2010 годах проводились испытания с использованием осадка Восточной станции водоподготовки. Смешивание осадка с другими компонентами почвогрунта производилось мешалками шнекового типа. Получаемый почвогрунт исследовался в аккредитованной лаборатории ЗАО «Роса» (химические и физико-химические исследования) и лаборатории Курьяновских очистных сооружений (биотестирование по оценке токсичности). Вегетационные опыты и исследование гранулометрического состава полученных почвогрунтов, водопрочности и структуры почвенных агрегатов проводили в Инженерно-технологическом центре МГУП «Мосводоканал».

Законодательные акты, принятые Московской городской думой и Правительством Москвы в 2007–2009 годах, предусматривают для озеленения и благоустройства использование только искусственно приготовленных кондиционных почвогрунтов, прошедших проверку в службе контроля качества [2; 3]. На городском уровне такое решение позволяет проводить тотальный контроль используемых почвогрунтов и экономить почвенные ресурсы. Эти законы позволили также заменить экологически ценные почвенные материалы (при срезке чернозема и дерновых почв) искусственными компостами и органоминеральными смесями.

Разработка рецептуры почвогрунтов велась параллельно с их испытанием в вегетационных опытах. Эксперименты проводились на базе Инженерно-технологического центра МГУП «Мосводоканал» в условиях закрытого грунта (теплица). В результате вегетационных опытов определено, что плодородный почвогрунт должен содержать торф (низинный, верховой или переходный), минеральный грунт (песок, суглинок) и осадок станций водоподготовки.

Ни песок, ни торф не могут создать прочную почвенную структуру. Эту функцию выполняет осадок, «склеивая» частицы песка и торфа. Являясь источником легкодоступного питания для растений, осадок стимулирует микробиологическое разложение торфа, что увеличивает содержание питательных веществ в почвогрунте, поддерживая его на необходимом уровне несколько лет без добавления минеральных удобрений. Кроме того, торфоминеральные смеси без добавления других органических компонентов быстро пересыхают, имеют высокую потенциальную воспламеняемость, а также низкое содержание легкодоступных минеральных солей (торф содержит в основном трудноокисляемое органическое вещество).

Этих недостатков лишен полученный почвогрунт, который долго не пересыхает и не воспламеняется. Готовый кондиционный почвогрунт содержит 15–20% органического вещества, азот, фосфор и калий в доступных для растений формах (в массовом соотношении 7:4:1), имеет рН 6,5–7,5.

Токсичность почвогрунта определялась в лаборатории Курьяновских очистных сооружений на приборе «Биотестер-2» по хемотаксису инфузорий в водной вытяжке из почвогрунтов и по выживаемости цериодафний. Токсичность осадков сооружений водоподготовки не превышала нормативно допустимую величину (не более 0,4). Грунты с токсичностью менее 0,4 относятся к отходам пятого класса опасности (практически не опасные). Получаемый почвогрунт имел токсичность 0,12–0,23, что позволяет отнести его к категории допустимой степени токсичности.

Низкое содержания металлов в осадке сооружений водоподготовки позволяет использовать его в качестве компонента, снижающего концентрацию токсикантов в почвогрунтах (табл. 1). При этом металлы, присутствующие в нем, являются питательными микроэлементами для растений. В итоге почвогрунт становится кондиционным сбалансированным удобрением.

При производстве искусственных почвогрунтов одной из основных задач является формирование благоприятной для выращивания растений почвенной структуры, которая непосредственно определяет водный и воздушный режим, а также косвенно влияет на способность почвогрунта удерживать загрязняющие вещества в пределах корневого слоя, не позволяя им вымываться в грунтовые воды.

В исследованиях использовались следующие методы оценки почвенной структуры: гранулометрический анализ почв (метод пипетки Качинского-Робинсона-Кехля); определение процентного содержания гранулометрических фракций по классификации Н. А. Качинского; определение плотности сложения грунта буровым методом; определение плотности твердой фазы пикнометрическим методом; исследование структурности по сухому просеиванию и водопрочности почвогрунтов методами мокрого просеивания Н. И. Саввинова и Андрианова [4]. Изучалась структура следующих почвогрунтов: песок (контрольный образец); песок с добавлением 20% осадка сооружений водоподготовки по объему; суглинок (контрольный образец); суглинок с добавлением 20% осадка по объему. Агрофизические исследования проводились после трех месяцев выращивания двух травяных культур (ибериса и газонной травы) в условиях закрытого почвогрунта с искусственным освещением. За это время в опытах с газонной травой в фитоконтейнерах образовалась заметно выраженная дернина, а в опытах с цветочной культурой – комковатая структура.

Коэффициент структурности по результатам сухого просеивания вычисляется как отношение суммы (%) агрономически ценных макроагрегатов размером 0,25–10 мм к сумме агрегатов размером менее 0,25 мм и более 10 мм. Чем выше это отношение, тем лучше структура почвы. Коэффициент структурности для песка при внесении осадка не изменился под цветочной культурой (контрольный образец – 2,9, опытный – 2,7) и увеличился в 1,6 раза под газонной смесью (опытный образец – 4,7). Коэффициент структурности для суглинка при внесении осадка не изменился под цветочной культурой (контрольный образец – 1,1, опытный – 1) и увеличился в 2,7 раза под газонной смесью (опытный образец – 3). Результаты оценки почвенной структуры представлены в табл. 2.

Показатель водопрочности по Андрианову характеризует скорость разрушения почвенных агрегатов при увлажнении и выражает степень их сохранности после 10-минутного увлажнения в лабораторных условиях.

Из табл. 2 видно, что после внесения осадка сооружений водоподготовки водопрочность песка увеличивается в 1,6–1,8 раза, суглинка – в 1,2 раза. Характеристика водопрочности, определенная по методу Н. И. Саввинова, представлена на рис. 1.

Характеристика водопрочности по методу Н. И. Саввинова может быть выражена в процентном содержании суммы водопрочных агрегатов размером более 0,25 мм. Если эта величина попадает в градацию 60–75% – водопрочность отличная, более 75% – избыточно высокая (что может свидетельствовать о потенциально возможном процессе слитообразования в почвах). В опытах с осадком сооружений водоподготовки водопрочность характеризовалась как отличная (рис. 1), однако под цветочными культурами она была близка к избыточно высокой. Данный анализ показал, что технологии получения почвогрунта с использованием осадка сооружений водоподготовки необходимо совмещать с созданием газонов, а не цветников, по крайней мере, в первый вегетационный период.

Образование почвенных агрегатов разных размеров при добавлении осадка в суглинок свидетельствует об активно протекающем процессе структурообразования. Таким образом, результаты проведенных исследований подтвердили предположения о том, что осадок станций водоподготовки будет являться структурообразующим компонентом.

Осадок станций водоподготовки содержит значительное количество солей и гидроксидов алюминия, обладающих амфотерными свойствами. Поэтому было выдвинуто предположение, что почвогрунт может проявлять повышенную сопротивляемость к изменению кислотно-основного баланса в городских условиях, когда в почву непрерывно поступают загрязняющие вещества (кислотные дожди, цементная пыль, зола ТЭЦ), способные изменить кислотно-основные условия.

Оценка буферности проводилась на основе кислотно-основного титрования. В почвогрунт, изготовленный на основе торфа и 30% осадка сооружений водоподготовки последовательно добавляли разные дозы кислоты и щелочи, после чего замерялся показатель рН. Сравнение проводилось с песком, переходным торфом и верхним слоем легкосуглинистой городской почвы с содержанием гумуса 1,5%. Результаты кислотно-основного титрования почвогрунта представлены в табл. 3. Опыт показал, что новый почвогрунт обладает повышенной буферностью к кислотно-основному воздействию и удерживает благоприятный уровень рН (5,5–7,5) в отличие от торфа, песка и почвы.

В 2009–2010 годах в Инженерно-технологическом центре на территории Курьяновских очистных сооружений были организованы и проведены опыты по выращиванию цветочной культуры (ибериса), газонных трав и технической культуры (рапса) на почвогрунтах различной рецептуры. Результаты экспериментов представлены в табл. 4 и 5.

Внесение осадка заметно увеличивает всхожесть семян (табл. 4), что обусловлено созданием благоприятного водно-воздушного режима с первых дней существования почвогрунта (смеси готовились непосредственно перед посевом). Несмотря на плохие погодные условия (аномальная засуха), наблюдалось увеличение урожайности технических культур до 66% по сравнению с контрольным образцом (табл. 5).

Отмечено, что большая часть вносимого с осадками азота расходуется в первый год вегетации. В то же время содержание подвижного фосфора остается повышенным и после снятия урожая. Широкорядный посев способствовал хорошему кущению растений и заполнению всего пространства между рядами, что характерно при выращивании растений по высокому агрономическому фону.

Результаты проведенных экспериментов показали, что применение осадков в виде комплексных удобрений может рассматриваться как одно из решений для получения высоких урожаев зерна и биомассы для производства биотоплива.

В 2010 г. для озеленительных работ было изготовлено около 50 тыс. м³ кондиционного почвогрунта. Сформированные газоны показали чрезвычайно высокую устойчивость к пересыханию в условиях крайне засушливого лета 2010 г. Посаженные травы не погибли без полива ни на одном из газонов и быстро восстановились после первых дождей (рис. 2).

Таким образом, разработанный почвогрунт может применяться для выращивания растений и озеленения газонов, спортивных площадок, дорожных откосов. Его создание расширяет ассортимент растительных питательных смесей, поскольку обладает высокими противоэррозионными свойствами, а также высокой буферностью по отношению к неблагоприятным условиям городской среды. Кроме того, он может применяться при посадках технических культур (рапса, горчицы или быстрорастущих пород деревьев) для получения биотоплива.

Предлагаемый состав почвогрунта позволяет в течение длительного времени сохранять структуру почвы газона, в том числе на спортивных площадках, что обеспечивает снижение затрат на их содержание. Для создания оптимально сбалансированных условий при выращивании конкретных культур в зависимости от их потребности в питательных веществах в состав почвогрунта могут быть введены минеральные удобрения, микроэлементы, стимуляторы роста. Для сокращения времени создания газона в состав смеси почвогрунта могут быть включены семена растений.

Разработанная технология позволяет решать сразу несколько важнейших экологических задач в городских агломератах:

• утилизация отходов станций водоподготовки и сокращение площади полигонов под их депонирование;
• снижение затрат на доставку почвогрунтов из области в город;
• уменьшение степени техногенного загрязнения и деградации почв созданием достаточного количества кондиционных почвогрунтов.

Утилизация осадков в почвогрунты уже позволила МГУП «Мосводоканал» полностью отказаться от их вывоза с Восточной станции водоподготовки на полигоны. Так, в зеленом хозяйстве города в 2010 г. применено 50 тыс. м³ кондиционных высококачественных почвогрунтов.

Выводы

Новая рецептура получения почвогрунта разработана с использованием осадка станций водоподготовки. Результаты биотестирования с применением двух биотестов (цериодафнии и инфузории) выявили допустимую токсичность почвогрунта, а также отличную водопрочность. Исследования показали, что при добавлении осадка станций водоподготовки в суглинок активно происходят процессы структурообразования. Проведенные комплексные физические исследования характеризуют почвогрунт как хорошо структурированный, устойчивый к неблагоприятным механическим и физико-химическим воздействиям, в том числе кислотно-основных растворов. Данный почвогрунт рекомендуется использовать для создания газонов, а также для выращивания биотопливных культур. Сформированные газоны с новым почвогрунтом показали чрезвычайно высокую устойчивость к пересыханию в условиях засушливого лета 2010 г.

Список цитируемой литературы

1. Мерзлая Г. Е., Афанасьев Р. А. Применение осадков водопроводных станций на удобрение / Агро XXI. – Всероссийский НИИ удобрений и агропочвоведения им. Д. Н. Прянишникова (http://www.agroxxi.ru/docs/051999/051999008.htm).
2. Постановление Правительства Москвы от 27 июля 2004 г. № 514-ПП «О повышении качества почвогрунтов в городе Москве».
3. Постановление Правительства Москвы от 8 сентября 2009 г. № 973-ПП «О внесении изменений в постановление Правительства Москвы от 27 июля 2004 г. № 514-ПП».
4. Вадюнина А. Ф., Корчагина З. А. Методы исследования физических свойств почв. – М.: Агропромиздат, 1986.