+7 (342) 299 99 69

пн-пт с 900 до 1800

logotype
ГлавнаяО ТБОЛитератураТвердые бытовые отходы: антропогенное звено биологического круговоротаАгроэкологическая характеристика биотермически переработанных твердых бытовых отходов

Агроэкологическая характеристика биотермически переработанных твердых бытовых отходов

Продукт биотермической переработки твердых бытовых отходов (компост) представляет собой органо-минеральную массу темно-серого цвета со специфическим запахом.

Химический состав компоста зависит от морфологического состава ТБО, поступающих в биобараны, следовательно, изменяется по сезонам и годам. Известно (Кузьменкова, 1976), что различаются также средние концентрации макро- и микроэлементов в компостах, произведенных в различных странах.

Состав и свойства компоста зависят от условий и продолжительности хранения. Наши исследования показывают, что при хранении компоста в штабелях увеличивается его плотность, происходит уменьшение массовой доли органического вещества и, как следствие, -изменение всех физико-химических показателей качества (ТУ 2189-00503280885-2003). Содержание органического вещества в свежем компосте составляет не менее 50% сухого вещества. Потери органического вещества, в зависимости от продолжительности и условий хранения, могут достигать 15-50% и более.

В выдержанном компосте по сравнению со свежим увеличивается содержание подвижных соединений фосфора и калия, появляются нитраты (3080 мг/100 г сухого вещества) и гуминовые вещества - от 5 до 10% (Рышкова. и др., 1979).

Для всех компостов, полученных из ТБО, характерно высокое содержание органического вещества, наличие всех элементов, необходимых для питания растений, ростовых веществ и витаминов. Это послужило причиной признания их ценным удобрением (Арзамасова, Рышкова, 1979; Кузьменкова, 1973; Кузьменкова, 1976; Попов и др., 1977; Цуркан и др., 1989; Скворцов и др., 1999).

Л. Н. Александрова (1980) отмечает, что основными параметрами органических удобрений как гумусообразователей являются содержание сухого вещества, азота, зольность и химический состав органической части. Известно (Ар-замасова, Рышкова, 1979), что бытовые отходы содержат органические вещества животного и растительного происхождения, включающие углеводы, белки и лигнины.

К группе углеводов относят крахмал, и другие легко разлагаемые углеводы, находящиеся в основном в остатках овощей и фруктов, и целлюлозу, содержащуюся в бумаге, текстиле и растительных остатках. Белки представлены в составе животных (мясные, хлебные, рыбные, молочные) и растительных (овощи, фрукты и др.) остатков. Лигнины содержатся в упаковочной бумаге, кожуре овощей и фруктов и др. Примерные предельные значения указанных веществ представлены в таблице 2.1.

По содержанию этих органических веществ бытовые отходы сравнимы с растительными остатками, поступающими в почву. По содержанию прямого предшественника гумусовых веществ - лигнина ТБО близки к злаковым и корням трав (табл. 2.2).

Таблица 2.1. Содержание органических веществ в твердых бытовых отходах, % сухого вещества (Арзамасова, Рышкова, 1979)

Группа веществ

Содержание, %

Группа веществ

Содержание, %

сахар, крахмал, пектины

6-10

жиры, смолы, воск

1-2

гемицеллюлоза, целлюлоза

44-48

белки, протеины

12-15

лигнин

9-13

неопределенный остаток

11-15

При трансформации органического вещества бытовых отходов, как и при трансформации растительных остатков, происходит образование простых соединений - С02, Н20, N03 (минерализация) и сложных гумусовых веществ (гумификация).

Механизм трансформации органических остатков универсален в пределах биосферы и осуществляется не только в почвах, но и в любых других скоплениях мертвого органического вещества, доступного для микроорганизмов (Александрова, 1980). Гумусовые вещества присутствуют в свежем компосте, и количество их возрастает в процессе дозревания в штабелях (Арзамасова, Рышкова, 1979).

Таблица 2.2. Химический состав организмов, % сухого вещества (Орлов, 1990)

Объекты

Зола

Белки и азотсодер­жащие соедине­ния

 Углеводы

Липиды

Арены

моно- и олиго-сахариды

целлюлоза

др. уг­лево­ды

танины и флавоноиды

лигнин

Лишайники

1-5

2-4

3-5

8-10

50-70

1-3

1-2

8-10

Лиственные:

листья

5-10

8-12

9-15

15-25

20-25

3-6

15-20

1-2

древесина

0,5-1

1-2

2-3

45-50

20-25

4-5

10-12

20-22

Злаковые

5-7

10-12

10-12

30-32

30-35

8-10

2-4

6-10

Бобовые

5-10

20-25

22-25

20-22

25-30

3-5

2-3

5-6

Корни трав

4-6

3-4

2-3

30-35

20-25

3-5

10-12

20

Компост может быть использован для получения физиологически активных растворов гуминовых веществ (ГВ), которые можно использовать для стимулирования роста и развития культурных растений. Установлено, что содержание ГВ в компосте из ТБО составляет 5,6% сухого вещества. На основании этих данных можно заключить, что при внесении 1 т компоста (в расчете на сухое вещество) в почву может поступать 56 кг гуминовых веществ. А, как известно, гуминовые соединения по своей экологической значимости занимают особое место в составе органического вещества почв.

Увеличение содержания в почве органического углерода при внесении компоста из ТБО наблюдали в Канаде (Williamson, Lippert, 2002) и Бельгии (Soumare et al., 2003). Однако Л. Н. Александрова (1980) указывает на преобладание фульвокислот в составе гумусовых веществ компоста: при экстракции 0.1М Na4P2O7 содержание ГК и ФК в органической части удобрений составило 0-4 и 4-12% на беззольную сухую массу соответственно.

Исследования, проведенные в ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, показали, что компосты являются высокоактивным субстратом, насыщенным микрофлорой (Скворцов и др., 1999). В таблице 2.3 представлено содержание в компосте некоторых физиологических групп микроорганизмов.

Таблица 2.3. Микрофлора компоста (Волковинский, 1999)

Физиологические группы микроорганизмов

Число клеток в 1 г компоста

общее количество микроорганизмов

2-1010

актиномицеты и бактерии, использующие минеральный азот

1010

уробактерии

4-108

денитрификаторы

106

В дерново-подзолистой почве число микроорганизмов составляет всего 104-106 клеток в 1 г (31013—31015 на 1 га). При внесении 25 т компоста на 1 га поступает 5-0 клеток микроорганизмов, то есть на 2-3 порядка больше исходного содержания в почве (Скворцов и др., 1999).

Внесение компоста с высоким содержанием микроорганизмов повышает биологическую активность почв, способствует активному разложению органических соединений. В отличие от минеральных удобрений, подавляющих развитие полезных микроорганизмов в почве (Serrawittling et al., 1996), компост из-за одновременного присутствия в нем биогенов и сапрофитной микрофлоры способен активно участвовать в биогеохимическом цикле.

Результаты микробиологических исследований свидетельствуют, что соотношение групп микроорганизмов зависит от срока выдержки компоста из ТБО. Отмечено снижение количества аммонификаторов в годичном компосте, что указывает на завершение минерализации легко разлагающихся остатков органического вещества и продолжающуюся трансформацию стойких азотсодержащих соединений (Арзама-сова, Рышкова, 1979). Показано также постепенное увеличение в выдержанном компосте количества целлюлозоразлагающих микроорганизмов. Авторы предполагают, что в процессе механизированной переработки ТБО почти не происходит биохимического изменения целлюлозы. Развитие целлюлозоразрушите-лей, вызывающих интенсивное разложение клетчатки, активизируется при дозревании компоста в штабелях.

В процессе аэробного биотермического компостирования уничтожаются болезнетворные микроорганизмы, в том числе энтеробактерии и энтеровирусы, яйца гельминтов, личинки мух (Мирный, 2000; Левинский. и др., 1997; Скворцов и др., 1999). Температура 55-60°С губительна для большинства семян сорняков (Арзамасова, Рышкова, 1979). Компост содержит антибиотические соединения, которые уничтожают фитопатогенные микроорганизмы. Полевые исследования в 1970-х гг. показали, что компост локализует источники болезней так же эффективно, как и многие гербициды (Рышкова и др., 1979; Шершнев и др., 1999).

На основании результатов исследований, а также данных, предоставленных Санкт-Петербургскими заводами МПБО, нами разработаны «Технические условия» на компост из ТБО (ТУ 0392-001-25894576-2001; ТУ 2189-00503280885-2003). Нормативные показатели состава компоста были установлены по минимальным зафиксированным концентрациям К, Р, К и Са (табл. 2.4) и максимальным зафиксированным концентрациям тяжелых металлов (табл. 2.5). Массовая доля органического вещества в компосте может составлять более 60%, а концентрация азота и кальция - 1,5 и 6,0 % соответственно.

Таблица 2.4. Нормативные показатели состава свежего компоста из ТБО (ТУ 2189-005-03280885-2003)

№ п/п

Наименование показателя

Единицы измерения

Величина показателя

1

Внешний вид

влажный рыхлый продукт темно-серого цвета

2

Массовая доляводы

%

не более 50

3

Размер частиц компоста

мм

не более 25

4

Массовая доля стекла: 3-5 мм 5-10 мм >10 мм

% на исходную массу

не более 1,5 не более 0,2 0

5

Массовая доля полимерных материалов

% на исходную массу

не более 0,5

6

Массовая доля прочих балластных включений

% на исходную массу

не более 1,0

7

Кислотность

рН

не менее 6.5

8

Массовая доля органического вещества

% на сухое вещество

не менее 50

9

Массовая доля питательных веществ:

азот (К)

фосфор (Р2О5)

% на сухое вещество

не менее 0,8

не менее 0,5

калий (К2О)

кальций (СаО)

не менее 0,3

не менее 0,7

10

Нитраты

мг/кг сухого вещества

не более 300

11

С : N

-

не более 30

Таблица 2.5. Нормативные показатели по содержанию микроэлементов и примесей токсичных элементов для компоста из ТБО (ТУ 2189-005-03280885-2003)

№ п/п

Наименование показателя

Единицы измерения

Величина показателя

1

Содержание микроэлементов:

Cu

Zn

Co

мг/кг сухого вещества

не более 300

не более 1500

не более 25

2

Содержание примесей токсичных элементов:

Cd

Pb

Cr

Ni

As

Hg

мг/кг сухого вещества

не более 5

не более 1900

не более 250

не более 100

не более 5

не более 5

По содержанию основных элементов питания растений компост из ТБО сравним с традиционными органическими удобрениями. Химический состав навоза варьирует в широких пределах (табл. 2.6). Влажность навоза значительно выше, чем у компоста из ТБО: подстилочный навоз крупного рогатого скота - 77-80%; подстилочный свиного навоз - 77,4%; куриный помет - 67-85% (Рекомендации по применению..., 1978). Поэтому количество органического вещества и КРК на 1 т компоста из ТБО - на уровне или выше их количества на 1 т традиционных органических удобрений.

Таблица 2.6. Содержание основных элементов питания растений в органических удобрениях

Удобрение

Содержание, % на сухое вещество

органическое вещество

N

Р2О5

 К2О

навоз крупного рогатого скота

70-85

1,9-4,3

0,6-2,8

1,3-5,2

свиной навоз

75-85

2,6-6,5

1,4-3,7

1,4-5,4

помет куриный

50-75

3,6-8,0

3,0-6,7

1,3-4,0

По содержанию кальция компост из ТБО значительно превосходит навоз и торф, что подтверждают и литературные данные (Скворцов и др., 1999). Внесение компоста в дозе 30 т/га соответствует применению 1 т извести (Цуркан и др., 1989). По нашим данным, содержание кальция на тонну сухого вещества компостов из ТБО различных сроков выдержки может составлять от 55 до 118 кг.

Наши исследования показывают (Витковская, Дричко, 2002), что компост из ТБО оказывает длительное нейтрализующее действие на почвенную кислотность. Использование его в качестве органических удобрений на кислых дерново-подзолистых почвах равноценно известкованию.

Использование компоста из ТБО улучшает физические и биологические свойства почвы, почвенную структуру, уменьшает эрозию, увеличивает влаго-удерживающую способность (Дуденков и др., 1984; Цуркан и др., 1989; Зеп^Шппв й а1., 1996; Жардин, 1999).

Использование компоста позволяет сократить применение минеральных удобрений. Так, согласно отчёту Всемирного Банка, фермеры Индии, использующие коммерческий компост, сократили расход удобрений на 25% (Шерш-нев и др., 1999). В Швеции подсчитали (Оа]ёоБ, 1998), что стоимость азота, фосфора и калия в органической фракции муниципальных отходов ежегодно производимых на каждые 100 тыс. человек оценивается в 600 тыс. долларов США.

В овощеводстве защищенного грунта компост из ТБО использовался в качестве биотоплива с 60-х годов ХХ столетия (Юскевич, 1966; Огакова, 1971), а не переработанные городские отбросы - гораздо раньше (Эдельштейн, 1953).

Свежий компост из ТБО характеризуется высоким биоэнергетическим потенциалом. При разложении 1 кг сухого вещества выделяется 1050-1090 кДж (Рекомендации по применению..., 1984). Установлено (Рышкова и др., 1979; Букреева. Андрианов, 1979; Рекомендации по использованию...,1983), что в качестве биотоплива компост из ТБО более эффективен, чем навоз: благоприятный тепловой режим и интенсивное выделение СО2 обеспечивают более ранний выход овощной продукции.

Смесь тепличного грунта и биотоплива представляет собой органическое удобрение, которое содержит все элементы, необходимые для питания растений. Однако, после использования компоста в качестве биотоплива, концентрации ТМ существенно возрастают за счет разложения органической фракции (Витковская, 2000; Бугаев, Витковская, 2000). Вывоз выкатки на поля может привести к загрязнению почвы тяжелыми металлами.

Как уже отмечалось ранее, ограничивающим фактором применения компоста является повышенное содержание тяжелых металлов. По нашим данным (Витковская, 2006), при существующей в России системе сбора и переработки отходов (отсутствие селективного сбора и глубокой сортировки) использование компоста в качестве органического удобрения должно быть ограничено в первую очередь из-за повышенных концентраций Pb, Zn, Cu, которые в отдельных партиях могут достигать 1900, 1500, и 300 мг/кг соответственно (табл. 2.5).

По зарубежным данным (Genevini et al., 1997) компост из ТБО (при селективном сборе отходов) мог бы рассматриваться как продукт высокого качества, если бы не повышенное содержание кадмия.

Микроэлементы, содержащиеся в компостах, подразделяют на две категории. В первую категорию входят элементы, физиологически необходимые растениям (медь, цинк, марганец, бор, кобальт). Хорошо известно, что недостаток этих микроэлементов может приводить к снижению урожайности, болезни и гибели растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Агрохимия, 1989).

В торфяных и дерново-подзолистых почвах легкого механического состава часто наблюдается недостаток меди. На таких почвах медные удобрения оказывают положительное действие на урожайность растений (Ефимов и др., 1991). Установлено (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), что содержание меди в почве ниже 2 мг/кг неблагоприятно для большинства культур (для разных видов растений уровни содержания, при которых наблюдается дефицит меди, сильно различаются).

Наиболее распространенным медным удобрением являются пиритные огарки, содержащие 0,2-0,3% меди. Их вносят один раз в 4-5 лет в дозе 500-600 кг на гектар (Агрохимия, 1989). С таким количеством пиритных огарков поступает от 1 до 2 кг меди на 1 га. В 1 тонне компоста из ТБО с исходной влажностью содержится до 150 г меди.

Основываясь на данных, при нормировании поступления меди в почву c компостом из ТБО следует учитывать, что:

  • зтот элемент - один из наименее подвижных в почве и аккумулируется в гумусовых горизонтах;
  • медь влияет на биологическую активность почвы и может переходить в доступную для растений форму в самых различных условиях;
  • многие сельскохозяйственные культуры могут накапливать медь в концентрациях, представляющих опасность для здоровья людей;
  • многократное внесение меди может привести к накоплению ее до концентраций, токсичных для некоторых культур.

Низкое содержание доступного для растений цинка наблюдается на карбонатных почвах, особенно легкого механического состава (Ефимов и др., 1991). В качестве удобрения применяют цинкосодержащие молотые шлаки, содержащие 2-7% Zn - в дозе 0,5-1,5 ц/га. При этом в почву поступает от 10 до 40 кг цинка на 1 га. В одной тонне влажного компоста из ТБО содержится до 750 г цинка.

При нормировании поступления цинка в почву c компостом из ТБО следует учитывать:

  • цинк более растворим в почве, нежели другие тяжелые металлы, и наиболее подвижен в кислых легких минеральных почвах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989);
  • растворимость и доступность цинка в почвах обнаруживают отрицательную корреляцию со степенью насыщенности кальцием и с содержанием соединений фосфора (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989);
  • в области высоких значений рН на растворимость и доступность цинка влияет образование растворимых Zn-органических комплексов и комплексных анионных форм цинка (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Bloom-field, 1981);
  • растворимые Zn-органические комплексы очень подвижны в почвах и легкодоступны растениям (Lagerwerff, Milberg, 1978).

Наличие таких элементов, как Cu, Zn, Mn и Co, позволяет рассматривать компосты из ТБО как источник необходимых для роста и развития растений микроэлементов, при условии нормированного внесения их в почву.

Вторую категорию составляют элементы, представляющие опасность для окружающей среды (свинец, хром, никель, кадмий). Такие токсичные элементы, как ртуть, мышьяк и сурьма содержаться в компосте Санкт-Петербургских заводов в допустимых концентрациях (на уровне ПДК для почвы).

Как видно из данных, представленных в таблице 2.7, ранее концентрации химических элементов в компостах из ТБО крупных промышленных городов изменялись в узких диапазонах.

Следует отметить, что ТМ в различных количествах присутствуют во всех видах минеральных удобрений и пестицидов, и являются естественными примесями, количество которых зависит от элементного состава сырья и технологии его переработки. Особенно обогащены тяжелыми металлами природные фосфаты (Рэуце, Кырстя, 1986; Алексеев, 1987; Минеев, 1988; Карпова и др., 1990; Потатуева. и др., 1994; Баращенко и др., 1999; Волошин, 2001; Носовская и др., 2001). Они по существу являются полиминеральным сырьем (табл. 2.8).

Концентрации ТМ в некоторых фосфоритах могут колебаться в широких пределах. Так, в 12-ти образцах фосфоритов из Африки, США и Перу содержание общего Cdсоставляло 5-47 мг/кг, Со 6-104 мг/кг, Cu 5-41 мг/кг, Cr 18-331 мг/кг, и 2-9, Мп 11-6553, N1 1-61, РЬ 7-43, ЯЬ 3-18, Ъп 54-576 мг/кг (КротЫекои, ТаЬа1аЬа1, 1994). Согласно имеющимся оценкам (Черников, 2002) на 1 т Р2О5 в некоторых фосфорных рудах приходится 3-40 кг Бг.

Таблица 2.7. Химические элементы в компосте из бытовых отходов крупных промышленных городов

Элемент

Пределы содержания, мг/кг

Коэффициент концентрирования относительно кларка

нё

2-7,5

200-750

1,1-4,7

-

2п

1144-1997

23-40

5-70

2,5-35

Ві

6-10

20-33

РЬ

158-646

6-25

Сё

2-7

6-23

Си

108-535

4-20

Бг

73-353

3-12,5

W

3-6

3-6

Мо

1-4

1-4

6-38

0,3-2

В

50-61

1,3-1,6

Со

3-11

0,4-1,5

Концентрация Сё в калийных и натриевых удобрениях (Австралия) достигает 50-170 мг/кг; концентрации Ъп и РЬ в калийных удобрениях (Индия) составляют 4-55 и 42-160 мг/кг соответственно (Минеев, 1988).

Содержание примесных элементов в различных удобрениях может в десятки и сотни раз превосходить их среднее содержание в почвах. Поэтому химизация сельского хозяйства сопровождается увеличением концентраций примесных элементов в почве, следовательно, и в сельскохозяйственных растениях, и в организме человека (Дричко, 1990).

Таблица 2.8. Типоморфные элементы-примеси фосфорных удобрений и кормовых добавок

Вид продуктов

Коэффициенты концентрации относительно кларка

 50-25

25-10

10-5

до 5

Удобрения

Нитроаммофос из апатита

-

-

АБ, Бе, Ьа, Б

У, Бп

Аммофос из апатита

-

-

АБ, Бе, Ьа, Б, Бп

У, Бг

Аммофос из фосфорита

-

Сё, Бп

У, РЬ

Двойной суперфосфат из фосфорита

-

АБ, Б, Ьа

У, Бе, Бг, Сё, Бп

МЬ

Фосфоритная мука из фосфорита

Б

Сё, РЬ, Бп Бг

У, Ьа, Бе, 2п

Кормовые добавки

Диаммоний фосфат и монокальций фосфат Кальций фосфат кормовой

Сё, Бп Б, У, Ьа, Сё, Бп

У, Бг, Ьа Се, РЬ

Как в России, так и за рубежом отмечены случаи загрязнения почв при использовании ТБО и осадке сточных вод (Левинский и др., 1997; Геохимия..., 1990; Соколов, Черников, 1999; Тяжелые металлы в..., 1997; Schulz, Romheld, 1997; Berrow, 1986; Аристархов, Харитонова, 2002).

Нормирование поступления химических элементов в почву с удобрениями и мелиорантами возможно в два этапа:

  1. установление ПДК примесных элементов в веществе, вносимом в почву;
  2. установление лимитирующих показателей, таких как доза и периодичность внесение вещества.

Во многих странах установлены нормы и стандарты на содержание тяжелых металлов в самих отходах (Сюта, Васяк, 1983). В России отсутствуют ПДК ТМ в удобрениях. В «Технических условиях» на удобрения за допустимую концентрацию ТМ принимают ПДК для почвы.

Поступление примесных элементов в агроэкосистемы при интенсивном использовании средств химизации должно регламентироваться следующими параметрами:

  1. концентрация примесного элемента в удобрении;
  2. концентрация примесного элемента в почве;
  3. буферная способность почвы (гранулометрический состав, рН и содержание гумуса);
  4. доза внесения удобрения;
  5. периодичность внесения удобрений;
  6. скорость перехода элемента в системе удобрение - почвенный раствор;
  7. коэффициенты накопления элемента растениями;
  8. скорость самоочищения почвы (константы выноса растениями и водами).

Одним из основных параметров, который необходимо учитывать при определении ориентировочных периодов очищения почвы от примесных элементов, поступивших с органическими удобрениями, является скорость высвобождения химических элементов в процессе трансформации органического вещества. При этом необходимо также оценивать скорости распределения химических элементов по структурным компонентам системы почва - почвенный раствор - поверхностные и грунтовые воды-растения (Витковская, 2001).

В настоящее время компост из ТБО может использоваться для повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур только при условии обоснованного нормирования и жесткого контроля доз и периодичности внесения в почву.

Технические условия на компост из ТБО разработаны нами исходя из положения, что после использования компоста (как разового, так и многократного) в качестве удобрения, концентрация в почве любого из тяжелых металлов не должна превышать 0,8 предельно допустимой их концентрации (ПДК) в почве (ТУ 2189-005-03280885-2003).

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голосов)
  • Комментарии к статье
  • Вконтакте
  • Facebook

Содержимое второго блока