5 ВВЕДЕНИЕ
Почвенный метод обезвреживания сточных вод известен людям с древности, однако, широкое применение он получил лишь с развитием промышленного производства и ростом городов.
В России первые поля орошения были построены в окрестностях Одессы (1887...1888г.), Москвы (1898г.) и Киева (1892г.). Это были так называемые коммунальные поля орошения, которые предусматривали естественную биологическую очистку сточных вод с одновременным использованием их для выращивания сельскохозяйственных культур. Земледельческие поля орошения получили дальнейшее развитие не только на территории СССР, но и за рубежом.
Однако следует отметить, что развитие земледельческих полей орошения сдерживается по ряду объективных причин. Основными из них являются недостаточная изученность поведения в почве и растениях отдельных специфических веществ, содержащихся в сточных водах, трудность правильного подбора сельскохозяйственных культур, рационального режима орошения, предотвращающего явления засоления и осолонцевания почвы,9 загрязнение грунтовых вод, а также невозможность выработать универсальную методику утилизации сточных вод для каждого конкретного случая. Разнообразие происхождения и состава сточных вод, физико-химические и водно-физические свойства почв, потребность в воде и адаптация сельскохозяйственных культур, гидрогеологическая обстановка района использования стоков являются основными факторами, обуславливающими индивидуальность каждого технического решения.
Изучение рациональных способов использования сточных вод имеет исключительно важное значение как в деле сбережения водных ресурсов страны, так и в охране окружающей среды.
Актуалънбость темы исследования подчеркивается тем, что взятый для проведения исследований почвенно-климатический регион характеризуется
острой аридностью климата, повсеместным распространением засоленных почв и пород, склонностью почв к вторичному засолению, заболачиванию и осолонцеванию в результате нерационального ведения орошаемого земледелия. Для раскрытия сущности темы исследовательской работы была взята территория Казачьей Холдинговой Компании ЗЛО «Краснодонское», расположенной в Иловлинском районе Волгоградской области.
Цель и задачи исследований. Цель работы - разработка научно-
¦ обоснованной системы использования и очистки животноводческих сточных
вод на полях орошения. Определение допустимого вредного воздействия загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах на подземные горизонты. Задачи исследования — разработка практических рекомендаций по сельскохозяйственному использованию сточных вод, включающих требования к составу сточных вод, направляемых на поля орошения, контроль мелиоративного состояния почвы и гидрогеологической обстановки в районе полей орошения, метод утилизации сточных вод, содержащих высокое количество биогенных веществ, санитарно - гигиеническое нормирование вредных веществ в оросительных сточных водах и в почве полей орошения, установление необходимой степени разбавления сточных вод чистой водой для орошения.
Научная новизна. В работе на основе широких исследований в системе «сточная вода - почва - растение — грунтовые воды» впервые для данных условий установлены критерии мелиоративной оценки поливных сточных вод,
<Р разработаны рекомендации по обоснованию технологии использования
сточных вод, подбору культур для полей орошения и древесных пород для зеленых зон.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и получили положительную оценку на VII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002 г), опубликованы статьи в Журналах «Мелиорация» (Волгоград, 2004г),
ф «Здоровье и экология» (Волгоград, 2004г).
• Автор работы выражает благодарность Григорову М.С. заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику РАСХН, доктору технических наук, профессору; Лобойко В.Ф. научному руководителю, зав.кафедрой «КИОВР», кандидату технических наук, доценту; Груздовой СИ. начальнику отдела экологии КХК ЗАО «Краснодонское».
Очистные сооружения канализации КХК ЗАО «Краснодонское» Иловлинского района Волгоградской области проектной производительностью
¦ 2,3 тыс. м /сутки введены в эксплуатацию в 1979 г. и обеспечивают прием на неполную биологическую очистку сточных вод от производственных объектов предприятия. Очищенные стоки перекачиваются в пруды накопители, а затем после разбавления чистой речной водой направляются на земледельческие поля орошения (ЗПО). Система утилизации стоков (ЗПО) свиноводческого комплекса была создана в 1980... 1988 гг. площадью 1185 га.
Идея поддержания естественного круговорота веществ положена в основу утилизации животноводческих стоков на оросительных системах (ЗПО), где стоки используются в качестве жидких удобрений при выращивании орошаемых кормовых культур. При этом поливная техника и другое ирригационное оборудование используется для подачи и распределения стоков в чистом или разбавленном водой виде. В этом смысле ЗПО следует рассматривать как сооружения естественной биологической очистки.
8
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОЧНЫХ ВОД В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
1.1.Использование в сельском хозяйстве животноводческих стоков и оценка их пригодности
Проблема утилизации больших объемов стоков требуют решения путем использования животноводческих стоков для орошения кормовых культур на прифермерских полях орошения. Это позволяет рассматривать животноводческие комплексы как безотходные сельскохозяйственные предприятия, непрерывно повышать плодородие почвы и получать высокие и устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур, уменьшать забор чистой природной воды, рационально использовать водные ресурсы, исключить сброс в водоем недостаточно очищенных сточных вод.
Установление вредного воздействия на подземные воды должно осуществляться с обязательным учетом особенностей гидрогеологических
условий. При этом должны учитываться следующие основные факторы:
условия залегания и распространения водоносных горизонтов и
слабопроницаемых и водоупорных пород, строение гидрогеологического
разреза;
литологический состав и строение водоносных, слабопроницаемых и
водоупорных пород;
- фильтрационные, миграционные и емкостные параметры, определяющие закономерности движения подземных вод и перенос ими растворенных компонентов - коэффициенты фильтрации и т.д;
физические свойства и химический состав подземных вод;
характер уровенной (свободной или пьезометрической) поверхности;
гидравлический характер водоносных горизонтов (напорный, безнапорный,
напорно-безнапорный);
- строение, состав и мощность пород зоны аэрации;
условия на внешних и внутренних границах водоносных горизонтах (условия питания и разгрузки подземных вод, включая характер их взаимосвязи с поверхностными водами).
Сельскохозяйственное освоение территории, включающее проведение оросительных мероприятий, может оказывать на подземные водные объекты следующее вредное влияние:
подъем уровней подземных вод выше критических значений, вызывающий подтопление сельскохозяйственных земель, а также засоление почв при увеличении расхода подземных вод в связи с подъемом их уровня на испарение и транспирацию;
загрязнение подземных вод, связанное с поступлением загрязняющих веществ с полей орошения сточными водами, из фильтрующих накопителей животноводческих комплексов, птицефабрик, ферм, а также с поступлением загрязняющих веществ с атмосферными осадками и оросительными водами с полей, обрабатываемых с применением пестицидов, химикатов и удобрений, содержащих токсичные вещества.
Основными нормируемыми показателями при обосновании сельскохозяйственного освоения территории являются: расход воды на орошение и качество используемых для этих целей вод, фильтрационные потери из накопительных емкостей, количество применяемых при обработке земель пестицидов, ядохимикатов, удобрений, объем дренажного стока. Эти показатели должны устанавливаться таким образом, чтобы при совместном действии процессов поступления вод в водоносные горизонты и дренажных сооружений уровень подземных вод не превышал установленные значения, а качество подземных вод позволяло использовать их по заданному назначению. При этом качество используемых для орошения сточных вод по химическим, микробиологическим и паразитологическим показателям должно отвечать требованиям СанПиН 2.1.7.573-96 [48].
Имея в своем составе высокое содержание биогенных элементов и органических веществ, они создают серьезную угрозу загрязнения элементов
10
окружающей среды, и в первую очередь, подземных и поверхностных вод. В то же время, основная масса загрязнений - это элементы почвенного плодородия, изъятые при выращивании кормов и для сохранения естественного круговорота веществ, гарантирующего экологическое благополучие территории, они должны возвращаться в почву в целях повышения ее плодородия. При этом почвенные микроорганизмы минерализуют органические загрязнения, а продукты минерализации используются растениями для формирования урожая.
Многие исследователи [72, 87, 155, 158] изучали возможность использования различных видов сточных вод для орошения сельскохозяйственных культур, его влияния на продуктивность растений и изменение водно-физических свойств почвы. Никифорчук В.П., Еремеев Ю.Н., Гончаров В.А. установили, что в производственных условиях на Аксайских ЗПО урожай кормовых культур при орошении хозяйственно-бытовыми стоками в 2 раза больше, чем на богаре.
Нормирование загрязняющих веществ в навозных стоках при их использовании в качестве удобрений имеет принципиальные отличия от нормирования при их сбросе в природные водоемы, так как в почве загрязняющие вещества (биогенные элементы и органические примеси) подвергаются продолжительному воздействию почвенной микрофлоры, а продукты их минерализации используются растениями для формирования урожая.
Свойство почвы очищать и обезвреживать сточные воды человеку известно давно. Научное обоснование этого вопроса дано в фундаментальных исследованиях о происхождении, развитии и свойствах почвы классиками естествознания В.В.Докучаевым [74], В.Р.Вильямсом [36], К.К.Гедройцем [46, 47]. Очистка сточных вод на полях орошения обеспечивается двумя факторами:
- поглотительной способностью почвы;
- биохимической минерализацией органического вещества.
11
Поглотительная способность складывается из нескольких видов поглощения, среди которых наибольшее значение имеют: поглощение, вызываемое объемом пор и действием поверхностных сил молекулярного и ионно-электрического происхождения (физическое поглощение), и вызываемое способностью микроорганизмов и корней растений усваивать питательные вещества (биологическое поглощение).
Биологическое поглощение определяется тем, что на полях орошения с богатой почвенной микрофлорой создается огромная адсорбционная поверхность бактерий, достигающая 20 тыс. га в пахотном 20 сантиметровом слое почвы на 1 гектар [19].
Деятельностью огромного количества обитающих в почве микроорганизмов объясняется высокая санитарная эффективность обезвреживания сточных вод на полях орошения, отмечаемая в ряде работ советских и зарубежных ученых [20, 127, 144, 181]. Почвенная среда, богатая различными группами микроорганизмов, антагонистически действует на патогенную микрофлору и не представляет собой благоприятного субстрата для ее существования и размножения, поэтому патогенная микрофлора в почве постепенно отмирает.
Кроме физического и биологического видов поглощения большое значение в очистке и обезвреживании сточных вод имеет также механическое, физико-химическое и химическое поглощение. Совокупность всех пяти видов поглощения определяет самоочищающую буферную способность почвы [51] и обеспечивает надежную почвенную очистку и обезвреживание сточных вод. Исследованиями, проведенными в различных почвенно-климатических условиях, установлена высокая поглотительная способность различных почв по отношению к отдельным органическим веществам. В зоне черноземных почв лесостепи Украины профессором А.М.Можейко с сотрудниками установлена высокая их очищающая способность в отношении фенола и ряда других загрязнителей [НО, 112]. При проведении исследований по почвенной очистке сточных вод, содержащих фтористые соединения, на черноземах
12
обыкновенных в Саратовской области [146] было установлено, что слой почвы 0...45 см при поливных нормах 150...200 мм задерживает соединение фтора на 99%. Учитывая кумулятивную особенность этого элемента, содержание фторидов в оросительной воде не должно превышать 5 мг/л при оросительной норме не более 500 мм [146].
В Волгоградском Заволжье очистка сточных вод от органических веществ светло-каштановыми солонцеватыми почвами изучалась В.И.Марымовым и И.И.Тимоченко. Авторы установили полное поглощение почвой формальдегида, высокое - диметилдиоксана и капролактама, на 76% поглощались нефтепродукты [100, 101, 103, 156, 170, 172, 173].
Высокую поглотительную способность светло-каштановых тяжелосуглинистых солонцеватых почв по отношению к органическим веществам отмечают также Л.Е.Кутепов [89] и Сергеенко Л.И. [148]. В частности, Л.Е.Кутепов установил, что 60-сантиметровый слой почвы при оросительных нормах до 630 мм сорбирует свыше 80% органических загрязнений сточной воды. По результатам лабораторных, полевых и лизиметрических исследований Л.И.Сергеенко установила интенсивность поглощения ацетальдегида, метанола и метионина 60-сантиметровым слоем почвы 80... 100% при поливной норме 150...200 мм. Почвенное обезвреживание сточных вод дает лучшие результаты, чем очистка их на искусственных сооружениях. Кстати, сооружения биологической очистки не задерживают от 30 до 60% бактерий кишечной палочки и пропускают не менее 30% яиц гельминтов.
Земледельческие поля орошения обеспечивают практически полную очистку (доочистку) загрязненных сточных вод. Высокий природоохранный эффект земледельческих полей орошения подтверждается многолетним практическим опытом использования сточных вод г.Одессы, Харькова, Москвы, Самары, Тольятти, а также зарубежным опытом использования сточных вод г.Мехико, Лондона и др.[97].
Имеется положительный опыт орошения сточными водами в
13
Волгоградской области. Земледельческие поля орошения г.Волжского в течении 30 лет принимали и эффективно использовали ежегодно около 25 млн.м сточных вод на площади 5000 га. При этом каких-либо проблем не возникало [87].
В целях предотвращения засоления почвы нормируется содержание анионов: общей щелочности, хлоридов, сульфатов. Исходя из многолетнего опыта использования сточных вод для орошения, максимально допустимые концентрации веществ в оросительной воде составляют:
- хлоридов < 350 мг/л,
- сульфатов < 500 мг/л.
- магний* <500,0 мг/л,
- кальций* <500,0 мг/л.
* Магний и кальций не нормируются в животноводческих стоках. Максимальное содержание этих элементов дается по Н.Г. Воронину, В.П. Бочарову [40].
При использовании стоков в качестве удобрений более важное экологическое значение имеет годовая норма внесения азота, чем его концентрация. Однако, в вегетационный период при высоких концентрациях азота возможно повреждение листовой поверхности растений. В связи с этим, в нормативных документах, в частности, в нормах проектирования оросительных систем с использованием животноводческих стоков [39], допустимая концентрация общего азота в стоках при их внесении в вегетационный период на травостой растений определяется в зависимости от культур от 1000 до 2000 мг/л. Специальные опыты, проведенные в 1979-83 гг., показали, что допустимая концентрация общего азота в свиноводческих стоках при их внесении в вегетационный период в условиях Волгоградской области составляет 1200 мг/л. [147].
Содержание органических веществ в стоках по ВНТП 01-98 [39] не нормируется, поэтому их максимальное содержание в оросительной воде устанавливается по фактическому значению (показатели ХПК и ВПК).
14
Только для обеспечения надежной работы насосных станций, трубопроводов, дождевальных машин и аппаратов, качественного полива без образования на поверхности почвы корки, влажность стоков, подаваемых на внутрихозяйственную оросительную сеть при проведении увлажнительно-удобрительных и удобрительных поливов дождеванием и поверхностным способом, должна быть не менее 96%.
Таким образом, содержание взвешенных веществ в стоках, используемых для удобрения в соответствии с ВНТП 01-98 не нормируется и требования ограничиваются тем, что размер взвешенных частицы не должен быть более 10 мм, что обусловлено техническими условиями работы дождевальной техники.
Фенол
Это бесцветное кристаллическое вещество с характерным запахом. Стабилен в воде и медленно разрушается в ней. Пороговая концентрация по запаху и привкусу в не хлорированной воде 0,0005- 0,001 мг/л. Для человека смертельная доза 14 мг/кг. Летальная доза для белых мышей 427, белых крыс 512 мг/кг. В хронических токсикологических опытах недействующая доза 0,5 мг/кг при концентрации 10 мг/л. В концентрации 1000 мг/л оказывает вредное действие на растения при использовании фенольных вод для полива. Пороговая концентрация по влиянию на санитарный режим водоемов 0,3 мг/л.
В концентрации 75 мг/л тормозит биологическую очистку сточных вод. По рекомендациям Воронина Н. Г., СЭВ и ВНИИССВ допустимая концентрация фенолов в поливных сточных водах составляет 40-50 мг/л [40].
Поверхностно активные вещества (СПАВ, НПАВ)
Это смесь натриевых солей алкилбензосульфокислот. Применяются как смачивающие, моющие и эмульгирующие вещества. Сульфанолы НП-1, НП-3 и лаурилбензосульфонат натрия используются как моющие вещества, детергент
15
ДС-РАС - как пенообразователь.
Сульфанол - сыпучий гранулированный порошок от желтого до светло-коричневого цвета, без запаха или со слабым запахом керосина; содержание натриевых солей алкилбензосульфокислот не менее 80%; сульфата натрия не более 15%. Хорошо растворяется в воде; в жесткой воде выпадает в осадок. Кормление крыс в течение 12 недель дозами 2,5-25 мг/кг (с водой и молоком) не показало отличий от контроля. Предельно допустимые концентрации поверхностно- активных веществ для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования установлена по органолептическому показателю вредности и составляет 0,5 мг/л. Предельно допустимые концентрации детергентов в поливных сточных водах по рекомендациям СЭВ и ВНИИССВ установлена в 30,0 мг/л (Сергиенко Л. И., Овцов Л. П., 1995).
Нефтепродукты
Нефть и нефтепродукты являются токсическими химическими загрязнителями сточных вод. Наличие нефти и нефтяных масел свойственно промышленным, хозяйственно-бытовым, условно-чистым и ливневым сточным водам.
Исследования по почвенной очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты, и установлению допустимых концентраций в сточных водах и в почве земледельческих полей орошения, проводились в течение 1987-1990 гг. на опытном участке полей орошения, в лизиметрическом павильоне и в лаборатории Волжского опорного пункта ВНПО "Прогресс".
В полевом лизиметрическом опыте была выявлена следующая закономерность. При концентрациях от 50 до 200 мг/л нефтепродукты обезвреживаются в почве в течение 13 дней после полива. Через 13 дней после полива содержание их в пахотном слое почвы не превышает фон (табл.1.1.). Из этого следует, что межполивные периоды при содержании нефтепродуктов в
16
сточных водах до 200 мг/л должны составлять 13... 15 суток при водных нагрузках рассчитанных по водопотреблению сельскохозяйственных культур. Нефтепродукты в фильтрате обнаруживались в полевом лизиметрическом опыте в концентрациях, составляющих 0,5% от внесенной концентрации. Исходя из этого, можно судить о высокой сорбционной емкости светло-каштановых солонцеватых почв по отношению к нефтепродуктам. Слой почвы 300 см очищает сточные воды с содержанием нефтепродуктов от 50 до 200 мг/л на 99,0...99,5%.
Содержание нефтепродуктов в фильтрате, мг/л
Таблица 1.1.
Вариант опыта Продолжительность экспозиции, сутки
3 5 7 10 13
Контроль (речная вода) 0,084 0,097 0,076 0,078 0,087
Сточная вода +50 мг/л НП 0,186 0,136 0,122 0,100 0,079
Сточная вода + 1 00 мг/л НП 0,460 0,214 0,163 0,118 0,086
Сточная вода + 200 мг/л 11П 1,390 0,660 0,436 0,210 0,090
Однако, сравнение концентраций нефтепродуктов в фильтрате с предельно допустимыми концентрациями для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования показывает, что не превышается установленный норматив (0,3 мг/л) на третий день после полива только на варианте с концентрацией 50 мг/л. В варианте с концентрацией 100 мг/л содержание нефтепродуктов в фильтрате не превышает предельно допустимую концентрацию для водоемов на 5, а в варианте с концентрацией 200 мг/л на 10 день. Поглощенные почвой нефтепродукты частично поступают в растения и них обезвреживаются, частично разлагаются в самой почве. Нефтепродукты обнаруживаются в растениях в течение 13 дней после полива. Через 13 дней содержание нефтепродуктов в опытных растениях не превышает контрольный фон (табл. 1.2.).
17 Содержание нефтепродуктов в растениях, мг/кг сухого вещества
Таблица 1.2.
Вариант опыта Продолжительность экспозиции, сутки
4 6 11 13
Контроль (речная вода) 0,009 0,008 0,008 0,008
Сточная вода + 50 мг/л ПИ 0,097 0,065 0,020 0,009
Сточная вода +100 мг/л НП 0,127 0,890 0,015 0,009
Сточная вода + 200 мг/л 11П 0,395 0,160 0,017 0,008
Исходя из вышеизложенного, допустимую концентрацию нефтепродуктов при использовании на светло-каштановых почвах следовало бы принять равной 50 мг/л. При предельно допустимой концентрации для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения в 0,3 мг/л и с учетом почвенного поглощения (99,0%), максимально допустимое содержание нефтепродуктов в поливной воде составит 30,0 мг/л,
Формальдегид
Бесцветный газ с резким специфическим запахом. Содержится в сточных водах производства основного органического синтеза, синтетического каучука, резинотехнических изделий и др.
Пороговая концентрация по запаху 20,0 мг/л. Придает неприятный запах мясу рыб при содержании в воде 0,24 мг/л. Весьма токсичен для людей и теплокровных животных. Летальная доза для человека 142 мг/кг. Летальная доза для мышей и крыс 385-424 мг/кг. В хронических токсикологических опытах на крысах недействующая концентрация при поступлении с питьевой водой 0,5 мг/л,
В водоемах в концентрации 20 мг/л окисляется, а 80-100 мг/л тормозит окисление органического вещества. Максимальная концентрация, не влияющая на очистку сточных вод на биофильтрах, 300 мг/л, а для адаптированных |
