Осадок сточных вод (ОСВ) промышленных предприятий, казалось бы, мало
пригоден для использования при получении сельскохозяйственной
продукции. В ОСВ и компостах нередко содержатся тяжёлые металлы (ТМ).
Попадая в почву, они могут отрицательно воздействовать на растения,
животных и человека, на природную среду в целом.
Между тем, внесение ОСВ в почву или производство на их основе различных компостов – один из путей решения проблемы избавления от огромного количества отходов, накапливающихся в населённых пунктах. Почва при этом обогащается питательными макро- и микроэлементами (азотом, фосфором, кальцием, магнием, молибденом, цинком, медью, марганцем, кобальтом) и органическим веществом. Благодаря внесению ОСВ и компостов удаётся экономить на минеральных удобрениях до 600-1000 руб./га.
Возникающие при использовании осадков экологические проблемы изучаются во многих научных учреждениях США, Канады, стран Западной Европы, а также Российской Федерации, Украины и Белоруссии. Во многих странах разработаны соответствующие рекомендации по применению ОСВ и компостов с учётом выполнения требований экологической безопасности. Применение ОСВ регламентируется нормативными актами, а также законодательным путём. Опыт, полученный по этому вопросу за рубежом, представляет интерес и для России ввиду потенциально высоких масштабов применения ОСВ и компостов на их основе в российском земледелии.
В зарубежной литературе приводятся данные, характеризующие ОСВ с точки зрения пригодности для использования в сельском хозяйстве. По заявлению главы Министерства охраны природы Франции, около 25% ОСВ, получаемых на очистных сооружениях страны, из-за повышенной загрязнённости ТМ не используются в качестве удобрения.
И у нас в стране до1991-93 гг. не менее 60% ОСВ не могло напрямую вноситься в почву из-за сверхнормативного содержания тяжёлых металлов.
Однако в настоящее время такое количество ОСВ не превышает 5-8% из-за спада промышленного производства, перепрофилирования работы промышленных предприятий и ужесточения контроля за качеством сбрасываемых в общегородскую канализацию промышленных сточных вод. В то же время многолетнее бесконтрольное внесение в почву ОСВ может приводить к загрязнению почв тяжёлыми металлами и попаданию их в сельскохозяйственную продукцию.
Один такой случай произошёл около 35 лет назад в окрестностях Мюнхена. Осадки сточных вод вывозили на поля пригородных районов, вследствие чего в почве возросло содержание ТМ. Органы санитарного надзора города были вынуждены ввести ограничения на использование загрязнённых почв и изъять из продажи зерно, полученное на этих почвах (в нём содержание кадмия превышало ПДК). Потребовалось проведение дорогостоящих мер по детоксикации загрязнённых почв, чтобы вернуть их в сельскохозяйственное производство. Аналогичная ситуация имела место на территориях, прилегающих к станциям аэрации российской столицы.
В сравнении с фоновыми концентрациями уровень содержания металлов в почвах, удобряемых осадками, как правило, повышен. К таким выводам пришли немецкие специалисты, обобщившие результаты 25-летних полевых опытов нескольких научных учреждений (агрохимического института при Боннском университете, Института питания растений и почвоведения при сельскохозяйственном научно-исследовательском центре Брауншвейга, Института растениеводства в Гессене и др.).
Биогеохимические исследования, проведённые лабораторией биотехнологических методов утилизации органических отходов ВНИПТИОУ в течение 25 лет, выявили наличие сверхнормативного накопления ТМ в почве при применении ОСВ не менее 15 т/га по сухому веществу ежегодно. Используемые в опыте ОСВ содержали Cd>90 мг/кг, Zn>3000 мг/кг, Cu и Cr соответственно не менее 1000-1200 мг/кг. При этом избыточное (свыше максимально допустимого уровня - МДУ) накопление ТМ в растениях начало проявляться только в конце периода наблюдения и только по кадмию. Это обусловлено низким МДУ его в растениях.
Зарубежные специалисты отмечают, что пока существует много неясного относительно тех эффектов, которые могут возникнуть в отдалённой перспективе при внесении осадков в почву. До сих пор имеется мало данных о том, какие изменения происходят в почве по прошествии длительного времени после прекращения внесения осадков. По исследованиям Ротамстендской опытной станции (Великобритания), спустя 20 лет после прекращения внесения осадков в почве опытных участков обнаружили уменьшение микробной массы, снижение активности дегидрогеназы, торможение азотфиксации гетеротрофами, синезелёными водорослями и клевером. Все эти изменения связывают с загрязнением почв ТМ.
В исследованиях, проводимых во ВНИПТИОУ, ежегодное внесение избыточного количества ОСВ наряду с изменением геохимического фона почвы несколько снизило активность почвенной микрофлоры. В то же время при периодическом внесении осадков один раз в пять лет не происходит угнетения почвенной микрофлоры.
Нет пока чёткого ответа на вопрос, какое количество ТМ попадает в организм животных с кормом, полученным на удобренных осадками почвах. По некоторым данным, употребление животными таких трав приводит к задержке роста, нарушениям деятельности печени и почек, выкидышам. В одном исследовании овцам и козам в течение трёх лет скармливали кукурузный силос с высоким содержанием кадмия (примерно в 10 раз выше уровня, считающегося для кормов допустимым). Силос получен из кукурузы, выращенной на поле, удобренном высокими дозами сильно загрязнённого осадка. Наблюдения не обнаружили никаких отклонений в росте и развитии животных. Содержание кадмия в молоке коз за три года проведения опытов не изменилось. Однако анализ внутренних органов забитых животных обнаружил повышенное содержание кадмия в печени и почках.
Использование в сельском хозяйстве ОСВ связано также с рядом санитарно-гигиенических проблем. Присутствие в ОСВ значительной части хозбытовых осадков обусловливает потенциальное наличие в ОСВ патогенной микрофлоры. В них могут содержаться, в частности, различные грибы, например, fusarium, из бактерий – сальмонелла, шигелла, микобактериум, а также поливирусы, вирусы. В настоящее время санитарно-бактериологическое нормирование в ОСВ проводится по наличию бактерий группы кишечной палочки и патогенной микрофлоры.
Поступившие в почву вместе с осадками патогены долго сохраняются в окружающей среде. Поэтому применение в качестве удобрения ОСВ, не прошедших стадию сбраживания в аэротенках и 1-3-летний период выдержки на иловых картах или илонакопителях, может повлечь за собой попадание болезнетворных начал в окружающую среду.
В Западной Европе неоднократно отмечались случаи сальмонеллёза крупного рогатого скота, выпасаемого на пастбищах, удобренных жидкими необезвреженными ОСВ, особенно при несоблюдении достаточного временного интервала между внесением ОСВ и выпасом животных. Следовательно, перед тем как использоваться в качестве удобрения несброженные ОСВ должны проходить этап предварительной детоксикации. Кроме сбраживания, реагентной, термической и радиационной обработок, одним из самых простых и эффективных методов обеззараживания ОСВ является их компостирование с бытовым мусором, торфом, опилками, соломой, вермикомпостирование и т.д.
Не все виды ОСВ оказывают патогенное воздействие на почвенный биоценоз. Применение аэробностабилизированных, мезофильно- и термофильносброженных ОСВ, составляющих основную массу осадков, производимых в РФ, даже в условиях систематического применения в дозах более 30 т/га по сухому веществу, не приводит к загрязнению почвы патогенной микрофлорой. Это обусловлено естественным самоочищением почвы. Наиболее интенсивно данный процесс протекает в условиях периодического раз в 3-5 лет применения ОСВ в зернопропашных севооборотах.
Тяжёлые металлы находятся в почве в разнообразных химических формах, закономерности видообразования которых мало изучены. Однако знания о наличии и характеристиках соединений металлов очень важно для понимания поведения микроэлементов в почве и обеспеченности ими растений.
Как свидетельствуют многочисленные публикации, содержание подвижных форм ТМ в почве зависит от комплекса факторов, которые необходимо учитывать при прогнозировании поведения элементов в системе «почва – растение». На миграционную активность существенно влияют кислотно-щелочные условия. Очевидно, внесение извести, сдвигая кислотно-щелочное равновесие и вызывая сукцессию популяций почвенных микроорганизмов, способствует синтезу низкомолекулярных водорастворимых органических соединений, образующих с металлами подвижные хилатные комплексы. Таким образом, при изменении кислотности среды одновременно происходят процессы иммобилизации и хилатирования металлов.
Существуют металлы, которые в силу своих химических свойств при нейтрализации среды образуют подвижные соединения. К ним относятся молибден и хром, образующие в щелочной среде растворимые соли молибденовой и хромовой кислот.
На подвижность металлов в почве сильно влияет концентрация в ней органического вещества. Переход элементов в малоподвижные формы протекает интенсивно в почвах с его высоким содержанием. Мощным сорбентом почвенных микроэлементов являются вторичные глинистые минералы. В этой связи, чем тяжелее почва по механическому составу, тем активнее и в больших количествах в ней блокируются металлы. Об этом свидетельствуют результаты, полученные в опыте с глинованием.
Важно отметить, что наименее активно поглощаются никель, кадмий, цинк – т. е. микроэлементы с большим радиусом атома. Таким образом, наименьшая экологическая устойчивость характерна для почв легкого механического состава с низким содержанием органического вещества. Растения по-разному реагируют на поступление в них металлов. К группе чувствительных, то есть имеющих признаки угнетения при повышенном поступлении в них металлов, отнесены свекла столовая, морковь, репа, горох, некоторые травы – клевер (белый, горный и инкарнатный), люцерна. К группе умеренно чувствительных относятся капуста, томаты, редис и травы – костёр, некоторые виды овсяницы. Высокой устойчивостью к фитотоксическому действию тяжелых металлов характеризуется кукуруза. Определены так называемые критические концентрации ТМ в листьях растений, вызывающие снижение урожайности на 10 и 25%
В растения может переходить до 1% количества металлов, поступающих с ОСВ в почву. Несмотря на накопление металлов в зерне ячменя, внесение высоких доз ОСВ не приводит к проявлению фитотоксического эффекта.
Для регулирования внесения осадков сточных вод в почву с учетом природных требований используются законодательные акты. Правовые акты такого рода приняты в большинстве развитых стран в конце 70-х – начале 80-х годов. В них закреплены меры, обеспечивающие экологическую безопасность и предотвращение риска ухудшения санитарно-гигиенического качества сельскохозяйственной продукции.
Они включают:
установление ПДК тяжёлых металлов в осадках, компостах и удобряемых ими почвах;
гигиенические регламенты на допустимые поступления металлов в почву;
*введение ограничений на внесение осадков и компостов в почву.
На примере ФРГ и США рассмотрим более подробно действующие за рубежом законодательства такого рода. В ФРГ согласно распоряжению, введённому в 1983 г., партии осадков, поставляемые землевладельцам, должны снабжаться паспортом, в котором помимо сведений о питательных элементах содержатся также данные о загрязнённости нежелательными веществами. В случае сильного загрязнения ОСВ тяжёлыми металлами (при превышении ПДК) его использование в земледелии разрешается только санитарными органами. При внесении ОСВ необходимо предварительно проводить анализ почв на содержание ТМ и определять их кислотность рН. Не разрешается вносить ОСВ под овощные и плодово-ягодные культуры. При внесении ОСВ на пастбища устанавливаются определённые сроки ожидания при стравливании травостоя.
В США внесение ОСВ регулируется правилами, принятыми в 1979 г. При разработке этих правил руководствовались существующим природоохранным законодательством, в частности, законом о борьбе с загрязнением вод, о качестве и чистоте воды и др. Правила в общем виде регулируют внесение осадков с учётом природоохранных требований. В разделе правил, касающемся предотвращения загрязнения среды ТМ, основное внимание уделено кадмию.
Ограничения на его поступление установлены в зависимости от ёмкости поглощения почв и вида сельскохозяйственных культур. В дополнение к федеральным правилам в отдельных штатах действуют свои собственные распоряжения, регулирующие внесение ОСВ. Согласно этим распоряжениям муниципальные власти или фирмы-подрядчики, занимающиеся внесением ОСВ, должны получить разрешение у соответствующих органов.
В штате Вирджиния, например, это Управление по качеству воды. В штате Огайо – местное отделение Агентства по охране окружающей среды. Податели заявки на получение разрешения представляют в эти учреждения всю необходимую информацию, данные о составе и свойствах ОСВ, заключение санитарных органов о пригодности их для использования в качестве удобрений, сведения о предполагаемых сроках внесения осадков в почву одного и того же участка. Кроме того, они представляют данные о природных особенностях участка, где намечается внесение ОСВ (о его топографии, близости водоёмов, наличии строений, свойствах почв, доступности участка для транспортных средств, перевозящих осадок), а также данные об особенностях сельскохозяйственного производства (выращиваемые культуры, севообороты и пр.). Ведомства, выдающие разрешения, также обследуют этот участок.
Из специальной литературы видно, что на время введения в США федеральных правил и распоряжений штатов о внесении осадков сточных вод произошли изменения в оценке той опасности, которая возникает при этом для окружающей среды и здоровья человека. Благодаря применению высокочувствительных методов анализа, в отходах были обнаружены ранее неизвестные вещества, характеризующиеся высокой токсичностью. Претерпели изменения представления относительно химизма нежелательных веществ, прежде всего ТМ в почве и их поведения в системе «почва-растение-животное». Так, было выявлено, что поведение металлов в этой системе носит более сложный характер, чем это предполагали ранее. Признаётся, что при разработке ныне действующих в США правил внесения ОСВ не были учтены некоторые факторы, которые, как стало известно, влияют на доступность ТМ растениям. В их числе свойства самих осадков. Не учитывалось, в частности, что доступность металлов, поступивших при внесении ОСВ, обработанных разными способами (с использованием хлорного железа или алюминиевых квасцов), различна.
Как правило, за рубежом проводится оценка почв по их пригодности для внесения осадков и компостов, исходя из интенсивности протекающих в них процессов самоочищения. Такую оценку делают на основании данных о кислотности почв, содержания в них глинистой фракции, органического вещества, об их проницаемости, подверженности эрозии, затоплению и др.
В Австрии на основании этих данных проводится картирование почв по их устойчивости к загрязнению ТМ. Эти карты широко используются при разработке программ применения ОСВ и компостов из отходов.
О том внимании, которое придаётся за рубежом сохранению экологии при внесении отходов, свидетельствует опыт Франции. В этой стране при Министерстве окружающей среды создана специальная служба контроля за изменением уровня содержания ТМ в почвах, удобряемых осадками. Полученные в ходе наблюдений данные позволяют выделить в средней и долгосрочной перспективе тенденции изменения содержания металлов, что даёт возможность в случае необходимости заблаговременно принять меры для предотвращения нежелательных последствий загрязнения.
Во многих развитых странах накоплен положительный опыт использования ОСВ и компостов, не наносящего ущерба природной среде. Так, в округе Ольденбург (ФРГ) внесение осадков в почву хозяйств проводится под надзором сотрудников местного филиала Сельскохозяйственной палаты, следящих за соблюдением требований распоряжения относительно утилизации органических отходов в земледелии. Поставляемые земледельцам партии осадков (отпускается бесплатно!) снабжаются сертификатами с данными о содержании в ОСВ питательных элементов и загрязняющих веществ. На основании этих данных сотрудники филиала рассчитывают дозы осадков. Они же регулярно проводят анализы удобряемых осадками почв и составляют кадастр почв, в которые были внесены ОСВ. Земледельцам вменяется в обязанность вести учёт количества внесённых осадков, а также поступающих с ними в почву питательных элементов и токсических веществ.
В нашей стране внимание к использованию ОСВ не такое масштабное. В Российской Федерации в 1996 г. опубликован СанПин 2.1.7.573-96, регламентирующий гигиенические требования к использованию сточных вод и осадков для орошения и удобрения. В 2001 г. введён в действие соответствующий ГОСТ. Основными ведомствами, регламентирующими применение ОСВ в сельском хозяйстве РФ, являются областные комитеты природных ресурсов и областные государственные центры санитарно-эпидемиологического надзора.
В заключение статьи хотелось бы назвать некоторые технологические приёмы, позволяющие уменьшить загрязнённость ОСВ тяжёлыми металлами. Это прежде всего ряд мер, имеющихся в распоряжении промышленных предприятий, таких как отказ от сброса в канализационную сеть сильно загрязнённых сточных вод, предварительная обработка осадков и т.д.
Перспективным показало себя экстрагирование металлов из осадков микробиологическими методами (есть положительный опыт в Канаде). Помогает решить задачу раздельный сбор отходов с выделением органической фракции, обеспечивающей меньшую загрязнённость компоста ТМ, как это делается, например, в Дании, Швейцарии, Японии. Поучителен опыт Швеции, где правительство ввело запрет на использование кадмия в некоторых отраслях промышленности, что привело к снижению загрязнённости ОСВ металлами.
Виктор Касатиков, д.с-х.н., проф., ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский, конструкторский и проектно-технологический институт органических удобрений и торфа» (ВНИПТИОУ), г.Владимир
Василий Фатеев, к.т.н., главный эколог,
Олеся Кагина, ведущий инженер-эколог, ОАО «Сафьян», Рязань
