Применение органических и минеральных отходов при подготовке сложных компостов для повышения плодородия почв

Практически все регионы нашей страны засорены разнообразными отходами. Полигоны переполнены, а их токсичные газообразные выделения и фильтраты отравляют воздух, надземные и подземные воды. Значительную часть органических и минеральных отходов можно, нужно и должно использовать для благородной цели - повышения плодородия почв, учитывая их глобальную значимость в составе биосферы. В настоящем сообщении остановимся на анализе физических, химических и биологических особенностей отдельных групп отходов и возможности их использования для создания сложных компостов.

Отходы как дисперсные системы.

Отходы различных производств и природного происхождения являются дисперсными системами, в которых одно вещество в виде мелких частиц равномерно распределено внутри другого. Отходы включают истинные и коллоидные (золи и гели) растворы и взвеси, отличающиеся друг от друга формами и размерами частиц, или степенью их дисперсности.

Сложные компосты, формируемые смесью различных отходов, являются полидисперсными и многофазными системами, коллоидные частицы которых образуются за счет объединения разнотипных дисперсных структур, пригодных для компостирования. Важнейшим свойством коллоидных золей является то, что их частицы имеют электрические заряды одного знака.

Благодаря этому в одном типе отхода они не соединяются в более крупные частицы и не оседают (например, фосфогипс). Высокодисперсные частицы отходов в основном заряжены отрицательно и успешно сорбируют катионы (сюда относятся органические отходы). В коллоидах сложных компостов преобладает кальций и сравнительно мало магния. Коллоидные мицеллы могут полностью насыщаться такими катионами, как кальций, магний, калий, алюминий, аммоний.

При определенных условиях коагуляция золей приводит к образованию студенистого коллоидного геля. Коллоидные растворы в сложных компостах имеют важное значение для повышения плодородия почв, участвуя в процессах почвообразования. Коллоиды обладают высокой поглотительной способностью и химической активностью в силу большой удельной поверхности своих частиц.

Часть минеральных коллоидов находится в кристаллическом состоянии, а другая представляет аморфные вещества, включающие свежеосажденные гидраты полуторных оксидов железа, алюминия, марганца, гидраты кремнезема и их комплексные осадки (коагели), высылающие постепенно. По механическим свойствам коагели схожи с полимерами. Насыщение почв коагелями, двух и трехвалентными катионами повышает водоустойчивость поглощающих комплексов, способных склеивать более крупные частицы и обладающих хорошей структурой. При низком содержании гумуса агрегаты геля в воде расплываются и сложный компост становится бесструктурным. Поэтому основным условием формирования водопрочных гелей сложных компостов является увеличение содержания в них органических составляющих.

Изучение особенностей дисперсных систем отходов - навоза КРС, свиней, куриного помета, осадков сточных вод, дефеката, древесных опилок, фосфогипса, галитов, золы и других, а также природных органических и минеральных веществ имеет важное значение, поскольку из-за разности физических и химических основ они влияют на продолжительность формирования и качество сложных компостов. В целом многофазная дисперсность различных отходов, составляющих в определенных соотношениях сложный компост, обусловливает их продолжительную и регулируемую во времени (до 4-6 лет) химическую активность .

Химические особенности сложных компостов

При смешивании отходов разных производств в твердой фазе сложных компостов и в комбинированных растворах преобладают элементы: Са, N С, К, 8, Р, М§, №, Си, Мп, Бе, Zn, Мо, С1, 81. В результате разложения, растворения, десорбции и частичного обмена элементов с участием микроорганизмов, микро- и мезофауны по мере формирования сложного компоста до «зрелого» часть элементов высвобождается и переходит в его поглощающий комплекс, а значительная часть концентрируется в твердом субстрате, состояние которого определяется уровнем поглощения воды.

При периодическом перемешивании сложного компоста и аэрации в его растворе в расчете на 1 га (60-65 т) формируется до 200 и более различных веществ, которые при высоком уровне рН проявляются как карбонаты и гидроксидные комплексы, а при низком уровне рН преобладают свободные ионы. Концентрации веществ в растворах постепенно выравниваются.

Основными физико-химическими факторами в формировании сложных компо-стов являются реакции на границах раздела твердых и жидких фаз, которые контролируют содержание главных элементов в растворе и их кислотно-щелочное равновесие. Доступность таких биофилов, как Са, М§ и К, заметно снижается из-за их выщелачивания из верхних слоев в нижние. При действии кислотных осадков ослабляется мобильность отдельных элементов. Например, мобильность фосфора и молибдена снижается из-за их связывания полуторными окислами и перевода в труднодоступные соединения. Другие элементы - Мп, Сё, Со, 2п, N1, обладающие фитотоксическими свойствами, весьма активно мигрируют в кислой среде в виде минеральных ионов.

В черноземе обыкновенном в поглощенном состоянии находятся кальций, магний, реже натрий и аммоний. При заболачивании чернозема обыкновенного, кроме кальция и магния, могут присутствовать водород и алюминий. В солонцовых почвах всегда присутствует, кроме кальция и магния, также натрий и калий. Внесение сложного компоста с участием фосфогипса и галитовых отходов (минеральные компоненты), а также навоза, куриного помета, осадков сточных вод и растительных остатков существенно усиливает роль соединений СаО, 8О₄, Бе₂0₃, 8Ю₂, М§0 и заметно ослабляет позиции натрия.

Состав и количество поглощенных катионов в сложном компосте сильно влияет на его физические и химические свойства. Особое значение в структурообразовании имеет кальций - активный коагулятор, способствующий образованию водопрочных структурных агрегатов и снижающий токсическое действие солей тяжелых металлов. Источником Са в компосте может быть фосфогипс, доломит, мел, известковая мука и другие минералы, где их доля доходит до 30%.

Формирование микробоценозов.

«Зрелый» сложный компост способен при внесении в почву улучшать физические, химические и биологические свойства её верхнего слоя и условия среды обитания отдельных организмов. Состав и структура сложного компоста в значительной степени определяются видовым и популяционным составом живых организмов и прежде всего бактерий, грибов, актиномицетов и одноклеточных водорослей.

Объединение в сложный компост отходов с различными морфологическими и химическими свойствами приводит к значительным колебаниям численности организмов в первые полторы-две недели после его образования, особенно в летний период. Наблюдается сопряженность физико-химического развития сложного компоста и изменения численности популяций и видового состава.

В свежих отходах первичные сообщества биоты разрозненны и не всегда взаимо-связанны. В летний период, в среднем на 10-й день, после смешивания различных отходов организуются отдельные эколого-трофические группы микроорганизмов, а также микро- и мезофауны, которые начинают формировать устойчивые популяции и уже к месячному сроку вегетации развивают серийные функциональные сообщества. Особенно это касается аммонифицирующих, амилолитических и олиготрофных организмов, отличающихся определенной спецификой питания.

В биомассе сложного компоста через две недели его ферментации доля микроорганизмов в составе органического вещества доходит до весьма значительных величин, что заметно удлиняет в нем круговорот углерода и азота. Так, в сложном компосте с участием свиного навоза, фосфогипса, птичьего помета и добавлением соломы ячменя общая численность микроорганизмов на 30-й день после его смешивания составила свыше 240 млн клеток, а с одним навозом - всего около 107 млн. Различные отходы в сложном компосте весьма заметно выравнивают реакцию своей среды за счет нейтрализации в целом всей подобранной смеси (например, щелочная среда свиного навоза и кислая реакция фосфогипса).

В сложном компосте в процессе разложения органического вещества активность микроорганизмов возрастает, усиливается нитрификация. Например, при включении в компост фосфогипса в сочетании с навозом КРС, осадками сточных вод и другими органическими отходами образуются карбонат Са и сульфат аммония, при этом количество доступного растениям азота увеличивается до 20-30%. Кроме того, процесс разрушения органического вещества замедляется на 20-25%, а через снижение денитрификации уменьшаются газообразные потери азота до 30%. Коагуляция органических и минеральных коллоидов в таких системах существенно сокращает их вымывание в грунтовые воды, снижает их потери через поверхностную эрозию (ветровую и водную), препятствует физическому разрушению почвы.

Интенсивность процесса разложения органического вещества сложных компостов достигает ко времени их внесения в почву 80-90% и, как правило, сохраняется 3-4 месяца. При истощении источника ферментов переработка субстрата становится малоэффективной и органическое вещество нередко сохраняется в неизмененном виде в силу его недоступности микроорганизмам. Сохранение ресурсов сложного компоста во многом обусловлено трудно прогнозируемыми факторами среды всех отходов, соотношениями в них и С:Р, количеством органического вещества, изменением температуры и количества осадков. В условиях чернозема обыкновенного в летний период контроль за состоянием «зрелости» сложного компоста по степени развития микробоценозов можно проводить каждые 12-15 дней от начала его формирования.

Среди лимитирующих факторов в развитии живых организмов в сложном компосте проявляется иногда нехватка органического вещества и особенно его разнообразия, а в минеральном варианте - кальция, калия, серы, фосфора и т.д. В комплексе организмов-редуцентов особое место в компосте занимают грибы, которые отличаются самым экономным обменом веществ и использованием наибольшего количества углерода и азота из разлагаемых ими соединений для построения своего тела (свыше 60% расщепленных ими веществ переходит в слоевища грибов).

Для каждого типа отхода (дефеката, свиного навоза, птичьего помета и т.д.) характерно свойственное именно ему содержание органических (белки, сахара, аминокислоты, витамины, ферменты и т.д.) и неорганических соединений (аммоний, подвижный фосфор и другие), а также уровень рН. При добавлении в сложный компост растительных отходов (солома озимой пшеницы, ячменя или отходы сахарной свеклы и др.) в разложение включаются микроорганизмы, которые при благоприятных условиях (влага, температура, питательные вещества) достаточно быстро доводят их состояние до равновесного уровня.

Живые организмы в сложных компостах, использующие в качестве источника энергии и питания органический углерод, служат основной причиной трансформации органического вещества, а их биомасса является важным источником его накопления в почве. Живые организмы переводят сложные соединения в более простые, которые частично используются повторно, но в основном через химические и физические процессы, и вместе с микробными метаболитами стабилизируют органический состав почвы.

Особенности технологии севооборота

При правильном формировании сложного компоста его внесение в почву существенно пополняет в основном субстрате содержание физической глины (до 2-3%), повышает коэффициент структурности чернозема обыкновенного (на 4-7 единиц), увеличивает содержание органического вещества, вторичных минералов монтмориллонитовой группы и катионов в ППК почвы; кальций здесь выступает в качестве катализатора, поддерживающего процесс сцепления органических и минеральных коллоидов. Структура сложного компоста зависит от количества ионов кальция и магния и делится на мелкозернистую (минеральные коллоиды разбросаны и не связаны друг с другом) и комковатую (коллоиды соединены в сравнительно стойкие агрегаты). Комковатая структура превосходит по качеству мелкозернистую: хорошо пропускает влагу, не допускает застоя воды и лучше обеспечена воздухом.

Внесение в почву сложного компоста, по результатам наших исследований, оказывает положительное влияние на снижение плотности субстрата, повышает пористость слоя, полевую и полную влагоемкость в течение 4-5 лет, увеличивает порог влажности завядания и запасы влаги в слое 0-20 см. Кроме того, в почве повышается содержание многих доступных элементов питания, таких как Ca, N, P, S, K. Все это влияет на организацию севооборота и дает возможность изменить технологические приемы выращивания отдельных культур. При одноразовом внесении сложного компоста за пятилетний период на обыкновенном черноземе допускается пахота один раз в 5 лет под сахарную свёклу, а под остальные культуры применяется культивирование с помощьюТопДауна, а иногда прямо посев и уборка. Естественно, технику обработки культур при внесении сложных компостов необходимо еще совершенствовать, но первые результаты показывают, что с новой технологией существенно (до 30%) сокращаются затраты на горючее и ремонт техники.

Продуктивность растений

Улучшение структурного состояния пахотного слоя, водного, воздушного, теплового и пищевого режимов в результате внесения сложных компостов влияет на продуктивность посевов, способствует увеличению урожайности возделываемых культур. Например, при одноразовом внесении сложного компоста осенью 2007 г. или весной 2008 г. увеличение продуктивности сахарной свеклы составило 40 ц/га, озимой пшеницы - 5, кукурузы - 12, озимого ячменя - 5, подсолнечника – 3 ц/га. Самые высокие урожаи были получены на кукурузе - 25, озимой пшенице - 12, сахарной свёкле - 52 ц/га.

6. Качество продукции.

Внесение сложного компоста оказало заметное влияние на качество продукции сельского хозяйства. Так, у сахарной свеклы при заметном повышении урожая корнеплодов повысилась сахаристость: у мелких корнеплодов (от 200 до 350 г) на 5,5%, средних (500 г) - на 4% и крупных (>550 г) - на 0,8%. При выращивании озимой пшеницы два года подряд содержание клейковины в зерне повысилось на 3, а протеина - на 1,5 единицы. При выфащивании кукурузы на фоне внесения сложного компоста концентрация нитратов в зерне уменьшилась в 2 раза и увеличилось содержание фосфора на 25%.

7. Отходы — мелиорант загрязненных нефтью земель.

Отходы могут служить мелиорантом для загрязненных нефтью почв. Проведенные исследования показали, что при среднем нефтяном загрязнении сельскохозяйственных земель (80 000 мг/кг почвы) очистку верхнего слоя почвы можно провести без его вывоза с использованием смеси минеральных и органических отходов в течение 1 года. Концентрация нефтепродуктов за этот период снижается в 70-80 раз. Скорость деградации углеводородов и восстановления почв требует ряда научных и производственных испытаний с учетом конкретных показателей их состояния и климатических условий среды.

8. Отдельные отходы — загрязнители почвы.

Негативным фактором применения отходов являются фтор, стронций и другие тяжелые металлы, ПАВы, а также различные патогенны и яйца гельминтов. В черноземе обыкновенном фтор активно вступает в реакции с органическими и органоминеральными соединениями с образованием труднорастворимых фторидов. Что касается стронция, то на большей территории края его дозы в почвах весьма умеренные, а содержание подвижного кальция в почвенном растворе с внесением фосфогипса повышается, поэтому активность стронция заметно блокируется. Кислая среда минеральных отходов диссоциирует ПАВы и мацерирует оболочку гельминтов. Через подбор количественных соотношений отдельных отходов (органических и минеральных) обеспечивается соответствующая реакция сложного компоста, направленная на снижение или даже удаление конкретных загрязнителей почвы.

В заключение следует отметить, что отходы производства и потребления являются дисперсными системами, которые заметно различаются коллоидным состоянием, составом и коагуляционными свойствами. Минеральные отходы не образуют устойчивых коллоидов из-за низкой растворимости и гидратации компонентов, отсутствия взаимной коагуляции и образования структурных агрегатов. Органические отходы, переработанные микроорганизмами, представляют дисперсную систему с высокой гидратацией в процессе взаимной коагуляции органических и минеральных коллоидов, в результате чего формируются гелеобразные структуры, являющиеся источниками увлажнения и плодородия.

Совмещение различных отходов создаёт устойчивые агрегаты, заметно улучшает физические (аэрация, инфильтрация и др.), химические (обогащение органическими веществами, Са, 8, 81 и микроэлементами) и биологические (увеличение количества и численности популяций бактерий, грибов, актиномицетов) свойства почвы. Обогащенная с внесением сложного компоста почва, отличается взаимной коагуляцией положительно заряженных частиц с отрицательно заряженными гуматами и кремнием, на основе которых формируются структурируемые коагели, составляющие основу её плодородия.

Рациональное использование отходов основных направлений производства и потребления будет способствовать высвобождению земельных территорий и практической выгоде при их использовании под посевы сельскохозяйственных культур. Применение сложных компостов способствует химическому и биологическому многообразию, расширяет экологические ниши и существенно улучшает агрономическое качество верхнего слоя почвы в течение 5-6 лет.