Проблемы и перспективы использования отходов в земледелии нижегородской области

В результате взаимодействия человека с окружающей средой возникают две проблемы, которые могут привести к глобальной катастрофе: истощение ресурсов -ресурсный кризис (например, сырье для производства фосфорных удобрений при современных темпах использования истощится менее чем за 100 лет), а также загрязнение и деградация окружающей среды (в РФ ежегодно образуется около 4 млрд т отходов, которые в основном размещаются в окружающей среде, причем места их хранения занимают огромные площади и являются источником негативного воздействия на окружающую среду).

Между тем значительная часть отходов обладает свойствами, обуславливающими возможность их хозяйственного использования, а возвращение их в материальный оборот имеет важное экологическое, экономическое и энергосберегающее значение. При определенных условиях возможно использование отходов в сельскохозяйственном производстве в качестве удобрений.

Так, например, отходы животноводства и птицеводства (навоз и помет) традиционно используются как органические удобрения, и в целом список таких отходов может быть существенно расширен. Однако следует понимать, что применение отходов (даже традиционных) может сопровождаться рядом серьезных негативных процессов, в связи с чем очень важно при утилизации отходов обеспечить как агрономический эффект, так и экологическую безопасность их использования.

Работа над данными вопросами является важнейшим исторически сложившимся направлением научно-практической деятельности кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА. В разное время объектами исследования творческого коллектива кафедры являлись:

• отход металлургического производства - томасшлак (начало ХХ века);
• отходы химической промышленности - сточные воды производства трихлорэ-тилена и окиси этилена (60-е годы ХХ века), отходы производства капролакта-ма (70-80-е годы ХХ века) и средств бытовой химии (настоящее время);
• отходы предприятий промышленного животноводства и птицеводства: навоз КРС, птичий помет, твердая фракция свиного навоза, отходы от механической и биологической очистки сточных вод свинокомплекса (иловые осадки из отстойников, избыточный активный ил из аэротенков и т.д.), а также продукты их переработки (компосты, обезвоженные на пресс-фильтрах иловые осадки, отходы установки по производству биогаза из птичьего помета и др.) (с 80-х годов ХХ века по настоящее время);
• осадки сточных вод жилищно-коммунального хозяйства и продукты их переработки (осадки, очищенные смесью кислот с последующей их нейтрализацией; вермикомпосты, для приготовления которых использовались осадки; почвог-рунты для выращивания цветов (с 90-х годов ХХ века по настоящее время);
• отходы предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию: отход производства спирта (барда послеспиртовая), сахара (свекловичный жом), молока (молочная сыворотка) и др. (с начала XXI века по настоящее время).

В настоящее время основная масса отходов, которые потенциально могут использоваться в земледелии Нижегородской области, представлена отходами промышленного свино- и птицеводства. Образуются они в огромных объемах: каждая птицефабрика примерно на 1 млн кур-несушек (которых в области порядка 20) ежегодно поставляет в окружающую среду около 45 тыс. т помета; свинокомплекс с поголовьем 150-180 тыс. свиней, при содержании их на гидросмыве - почти 500 тыс. т отходов! Нельзя не отметить при этом, что химический состав таких отходов, в силу специфики содержания, кормления и ухода, сильно отличается от классических видов свиного навоза и птичьего помета.

Отходы предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию, также характеризуются рядом проблем: имеют низкое содержание сухого вещества (а значит, и основных элементов питания), высокую кислотность (например, барда - 2,53,5 ед. рН) и специфическую микрофлору. Раньше такие отходы большей частью использовались на корм скоту, однако в настоящее время это затруднено по ряду причин (из-за постоянного увеличения объема производства спирта и сахара при явном снижении поголовья скота и пр.). Переработка этих отходов в кормовые продукты возможна, но она весьма энергоемка. В результате возникает проблема утилизации, образование прудов-накопителей возле предприятий, загрязнение окружающей среды.

Многолетний опыт работы творческого коллектива кафедры в рамках данной темы позволил сформулировать программу исследований по установлению удобрительной ценности и безопасности отходов. В общем виде такая программа, несмотря на различие изучаемых материалов, является достаточно однотипной и может включать в себя ряд этапов.

На первом этапе исследований определяется полный химический состав, бактериологические, микробиологические и другие свойства отходов, оценка которых позволяет дать предварительное заключение о потенциальной удобрительной ценности (об этом свидетельствует наличие и количество биогенных элементов, содержание органического вещества) и опасности (содержание тяжелых металлов и других загрязнителей, повышенная кислотность, неблагоприятные микробиологические показатели и т.д.).

Особое внимание следует обратить на стабильность состава и свойств отходов в зависимости от технологического процесса, условий и сроков их хранения. Затем проводится оценка воздействия отходов на живые организмы - биотесты, в качестве которых используются одноклеточные водоросли, инфузории или дафнии, а также сельскохозяйственные культуры в период прорастания (наиболее уязвимая фаза органогенеза). И, наконец, определяется общая токсичность субстратов, созданных на основе почвы и изучаемого отхода.

Второй этап включает 3 позиции:

• проведение модельных лабораторных и вегетационных опытов, что позволяет получить предварительные данные о влиянии отхода на растения и свойства почвы. При определении последних (показатели состояния почвы), кроме стандартных химических показателей, следует провести оценку микробоценоза, так как зачастую утилизация отхода вызывает микробиологический стресс (показатели биологической активности почвы вполне адекватно отражают уровень опасности отхода);
• прогнозирование кислотной нагрузки на почвенно-биотический комплекс, расчет баланса элементов питания и токсикантов в системе и т.д.;
• выполнение экспертной оценки воздействия планируемой утилизации отхода на сопредельные среды (поверхностные и грунтовые воды, воздух, естественный фитоценоз и пр.).

По сути, первые два этапа дают ответ на вопрос о принципиальной возможности использования отхода в качестве органического удобрения, и в случае, если она установлена, необходимо перейти к заключительной части работы - к третьему этапу.

На третьем этапе следует провести_полевые опыты (не менее 3-х лет), задачей которых является оценка фактического воздействия изучаемого отхода на урожайность, качество и безопасность растениеводческой продукции, свойства почвы и состояние окружающей среды, а также производственные испытания в условиях, близких к тем, в которых предполагается утилизация отходов.

Только на основе результатов всех трех этапов исследования можно вынести решение о возможности использования отходов в качестве удобрений. В случае, если это решение вынесено, следует разработать безопасную технологию утилизации.

Рекомендуемая технология утилизации отхода должна включать следующие разделы:

• сведения по характеристике территории (сведения о климате, почвах, геологических и гидрологических особенностях, а также ландшафтную характеристику территории; особое внимание следует уделить степени защищенности водоносных горизонтов, наличию водоохранных зон, существующему уровню загрязнения почв - к примеру, нельзя утилизировать отходы, если содержание металлов в почве превышает 0,8 ПДК и т.д.);
• требования к химическим, микробиологическим, физическим и другим свойствам отходов, которые будут определять возможность внесения каждой конкретной партии отхода (для некоторых отходов эти требования содержатся в нормативных документах, в частности в ГОСТах, при отсутствии таковых необходимо разработать ТУ);
• способ безопасного хранения отхода (если оно предполагается) и способ подготовки к внесению (если требуется);
• расчет безопасных доз внесения отходов с учетом экологических ограничений;
• определение оптимальных способов и сроков внесения отхода;
• общие технологические и природоохранные требования, обеспечивающие безопасное внесение отхода;
• систему контроля состояния компонентов окружающей среды (почвы, грунтовых и поверхностных вод) и получаемой растениеводческой продукции (ее качество и безопасность).

Кроме использования отходов в сельскохозяйственном производстве, в последние годы нами разрабатывается параллельное направление - оценка возможности использования отходов для рекультивации нарушенных земель. Такое использование возможно с целью формирования плодородного слоя почв или для заполнения техногенных депрессий рельефа. Последнее позволяет значительно сократить как площади, выделяемые для размещения отходов производства и потребления, так и вернуть в хозяйственный оборот земли, нарушенные, например, в результате добычи полезных ископаемых открытым способом (неустойчивые, подвергающиеся интенсивной эрозии ландшафты).

Причем перечень отходов, который может быть использован в качестве инертного наполнителя для заполнения карьеров, значительно шире, чем отходов, которые можно использовать для формирования плодородного слоя почв. Однако и здесь нужно очень жестко придерживаться ряда принципов, которые позволят избежать загрязнения окружающей среды.

В рамках этого направления нами предложены:

• критерии оценки и нормативные показатели материалов, которые могут быть использованы для рекультивации (как инертного наполнителя, так и материалов, используемых для формирования плодородного слоя) - требования не только к химическому составу, но и к реакционной способности, к сходству с природными материалами рекультивируемого объекта и т.д.;
• схема эксперимента по установлению возможности применения отхода для рекультивации земель (моделируется насыпной слой, который интенсивно промывается водой, затем в промывных водах определяется содержание загрязняющих веществ);
• рекомендации по обезвреживанию токсичных компонентов отходов (образование нерастворимых инертных соединений, увеличение сорбционной способности субстрата и т.д.).

В целом работа в направлении использования вторичных материальных ресурсов является одной из самых востребованных и актуальных в настоящий момент времени.