Отходы животноводства как источник загрязнения пахотных земель тяжелыми металлами. Доклад Мартынов М.В. ХМм-2502. Современное животноводство относится к числу важнейших источников негативного воздействия на окружающую среду
 Скачать 39 Kb.
|
|
Актуальность Современное животноводство относится к числу важнейших источников негативного воздействия на окружающую среду. Особую опасность представляют отходы, образующиеся при содержании животных (навоз, навозные стоки, помет птиц). С навозом в почву попадает широкий спектр различных загрязняющих веществ, в том числе тяжелые металлы (ТМ). Их источниками являются корма и минеральные добавки для животных [4-5]. Наибольшее количество отходов образуется при содержании крупного рогатого скота (КРС) [6]. Согласно официальной статистике, в РФ общее поголовье КРС в сельскохозяйственных организациях на конец 2020 г. составило 8123,8 тыс. голов. Расчеты показывают, что годовой выход бесподстилочного навоза при содержании соответствующего количества животных превышает 160 млн тонн. Производство 1 кг коровьевого молока в среднем сопровождается образованием 3,3–3,7 кг навоза. Рациональная утилизация такого количества биогенных отходов представляет серьезную проблему. В настоящее время основным способом использования навоза КРС является внесение его в почву в качестве ценного органического удобрения, содержащего полный комплекс необходимых для развития растений макро- и микроэлементов. Перед внесением в почву навоз подвергается различным видам обработки, направленным на обеспечение его безопасности и повышение агрохимической ценности (разделение на фракции, компостирование, выдерживание жидкой фракции в лагунах и др.). Места для компостирования твердой фракции и лагуны для жидкой фракции обычно размещаются вблизи животноводческих комплексов, что приводит к концентрированию большого количества отходов на ограниченных площадях. Обезвреженные отходы вносят в пашню, также расположенную на небольшом расстоянии (до 5-10 км) от мест размещения отходов, поскольку транспортирование соответствующих органических удобрений на более значительные расстояния экономически нецелесообразно. Активное использование шланговых систем для внесения жидкой фракции навоза в почву еще больше сокращает расстояние от мест обработки отхода до мест его использования. ТМ проявляют тенденцию к почвенной аккумуляции, что может привести к деградации почв и другим негативным экологическим последствиям. Для снижения биодоступности ТМ чаще всего используют прием известкования, способствующий образованию малорастворимых соединений металлов, а также сорбции катионов ТМ на гидратах оксидов железа и марганца. К существенному снижение подвижности ТМ может привести внесение натуральных сорбентов, к числу которых относятся глауконты. Цель исследования: Именно поэтому цель настоящей работы состояла в изучении возможности и целесообразности использования хвостов обогащения фосфоритов (ХО) в качестве мелиорантов для ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Задачи: Изучить современные подходы к ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (по опубликованным источникам информации: научные статьи, патенты, авторские свидетельства, диссертации, стандарты, методические рекомендации и др.); Изучить (в условиях лабораторного эксперимента) влияние ХО на подвижность тяжелых металлов в почвах; Оценить агрохимическую эффективность ХО по сравнению с традиционными мелиорантами (известь); Изучить (в условиях лабораторного эксперимента) влияние почв с добавкой ХО на развитие растений (методом фитотестирования) Научная новизна: В работе впервые изучено влияние глауконитсодержащих хвостов обогащения фосфоритов (эфелей) на подвижность ТМ в различных по содержанию органического, подвижного фосфора и рН дерново-подзолистых почвах. Выполнена сравнительная оценка влияния ХО и известковых мелиорантов (СаСО3) на подвижность ТМ в различных по составу и свойствам почвах. Обоснована целесообразность использования глауконитсодержащего эфеля в качестве мелиоранта для восстановления плодородия загрязненных никелем почв. Объект исследования: Объектами исследования стали хвосты обогащения желваковых фосфоритов Вятско-Камского месторождения Предмет исследования: Влияние хвостов обогащения фосфоритов Вятско-Камского месторождения на подвижность тяжелых металлов в почве Характеристика объекта исследвания Образец ХО, используемого в работе, представлял собой сыпучий материал темно-серого цвета с зеленоватым оттенком. В гранулометрическом составе преобладают частицы размером 0,25-0,1 мм. На рисунке 2 приведена фотография образца ХО, сделанная с помощью стереоскопического микроскопа. На фотографии хорошо видны зерна глауконита зеленого цвета разных оттенков, а также бесцветные или окрашенные в другие цвета кристаллы и обломки других минералов. Большинство зерен покрыто пятнами или вкраплениями гидроксидов железа рыжевато-бурого цвета. Некоторые зерна образуют сростки с другими минералами. Примеры сростков различных минералов, входящих в состав ХО, представлены на рисунке 3. Химический состав Химический анализ образцов ХО, используемых для выполнения исследований по настоящей теме, выполнялся в испытательном центре российской академии наук, г. Черноголовка, Московской области. В таблице 1 приведены данные, характеризующие химический состав проб ХО. Согласно приведенным данным для исследуемых ХО характерен богатый химический состав, в том числе: агрохимически ценные элементы (табл. 1), такие как калий, фосфор, сера, кальций, магний, и др. способствующие активному росту и развитию растений, низкое содержание токсичных и радиоактивных элементов (табл. 2), что говорит об экологической безопасности объекта исследования, а также за счет содержания элементов, не имеющих агрохимической ценности (табл. 3) ХО имеется сродство к почвенному происхождению. Минеральный состав Основной компонент хвостов обогащения: глауконит. (табл. 4) В их состав также входят такие минералы, как кварц, кальцит, а также соединения железа, фосфатные и глинистые минералы. Фосфориты представлены в хвостах как обломки пород, как сростки и как свободные зерна апатита и других фосфатных минералов. (Рисунок 4). Форма зерен глауконита неоднородная, чаще неправильная округлая. На следующем слайде представлена химическая формула глауконита - основного компонента хвостов обогащения (эфеля) и реакция образования труднорастворимых соединений за счет некоторых анионных групп глауконита. Он способен сорбировать катионы некоторых ТМ из почвенного раствора и переводить их в менее доступное для растений состояние, а также фульвокислоты, образующие с катионами ТМ водорастворимые соединения. Влияние ХО на подвижность ТМ в почве будет определяться суммарным эффектом соответствующих разнонаправленных процессов. Влияние ХО на подвижность ТМ обусловлено следующими факторами: - образованием малорастворимых соединений при повышении рН почвенного раствора за счет известковых компонентов ХО; - образованием малорастворимых фосфатов; - адсорбцией катионов ТМ на отрицательно заряженной поверхности глауконитов (Рис. 5); - характерными для глауконитов ионообменными процессами связывания катионов. Методы исследования В исследовании использованы инструментальные, биологические, физико-химические, статистические методы анализа. (табл. 5) На слайде представлен список задействованных методв анализа Что касается проведения непосредственно самого экспермиента, то оно включало в себя 2 этапа: Влияние навозных стоков на содержание ТМ в почве Влияние ХО на подвижность ТМ в почвах На следующем слайде представлены фотографии участков отбора проб почвы для исследования. 1. В качестве участков отбора проб для проведения испытаний по влиянию навозных стоков на содержание ТМ в почве было выбрано пахотное поле, расположенное в Кировской области вблизи крупного комплекса по разведению и выращиванию КРС (Рисунки 6, 7). Поле примыкало к крытым лагунам для накопления и обезвреживания жидкой фракции навоза КРС (ЖФН). Обезвреженную ЖФН вносили в пашню с помощью шланговой системы. Почвы дерново–подзолистые, глинистые. Площадь пахотного поля – 30 га. Поле использовали для выращивания кормовых культур в соответствии с кормовым севооборотом. Предшествующая культура – кукуруза. Точечные (единичные) пробы для выполнения химического анализа отбирали на глубину пахотного слоя в октябре 2021 г. после озимой вспашки в соответствии с ГОСТ 2. В качестве участков отбора проб для проведения испытаний по влиянию навозных стоков на содержание ТМ в почве было выбрано пахотные поля, также расположенных вблизи очистных сооружений крупных животноводческих предприятий Кировской области: молочной фермы предыдущий слайд (Рисунки 6, 7) (опыт 1) и свиноводческого комплекса текущий слайд (Рисунки 8, 9) (опыт 2), а также на территориях, не затронутых хозяйственной деятельностью (контроль 1 и контроль 2). Образцы почвы опытных групп на протяжении последних 6-и лет удобряли обеззараженными навозными стоками, откачиваемыми из лагун. Хвосты обогащения фосфоритов (эфель) отбирали на территории хвостохранилища Верхнекамского фосфоритного рудника с глубины 5-20 см. Результаты испытаний Влияние навозных стоков на содержание ТМ в почве Кислотность и содержание органического вещества оказывают существенное влияние на подвижность ТМ. Так, в кислых почвах подвижность многих ТМ увеличивается, а снижение кислотности способствует переходу катионов ТМ в менее растворимые формы (в щелочных почвах для многих ТМ наблюдается обратная зависимость). Содержащиеся в почве органические вещества могут оказывать разнонаправленное влияние на подвижность ТМ. Образование растворимых фульватных комплексов способствует повышению подвижности ТМ, а образование нерастворимых в кислой среде гуминовых комплексов приводит к закреплению ТМ в почвах. С навозными стоками в почвы поступает большое количество малогумусированных органических веществ (органические кислоты, аминокислоты, фенолы, многоатомные спирты, углеводы и др.), которые могут образовывать с катионами ТМ различные соединения. Согласно нашим исследованиям внесение навоза КРС (таблица 6) привело к существенному снижению кислотности и накоплению органического вещества в агроземе по сравнению с контрольными участками. В таблице 7 приведены данные, характеризующие содержание валовой и подвижной формы ТМ в пробах почвы, отобранных на экспериментальных и контрольных участках. Параллельно с увеличением валового содержания наблюдается рост концентрации подвижных форм ТМ (кроме Pb). Особенно сильно возрастает содержание подвижной Cu (в 16 раз). Известно, что на подвижность этого элемента большое влияние оказывает органическое вещество почвы. Накопление органических компонентов при внесении навоза может выступать в качестве ведущего фактора, способствующего обогащению почвы подвижными формами Cu. Полученные данные свидетельствуют о существенном повышении валового содержания всех изученных ТМ (кроме Pb) в пробах агрозема по сравнению с пробами почв, отобранных на контрольных участках. Валовое содержание Cu увеличилось в 7 раз, Zn и Fe – в 2,3 раза. Соответствующий эффект можно объяснить тем, что микроэлементы Cu, Zn, Fe входят в состав минеральных добавок, включаемых в рацион животных. Тревогу вызывает повышение в агроземе валового содержания таких экотоксикантов, как Cd (в 13 раз) и Ni (в 4 раза). Пока содержание этих ТМ не превышает установленных ПДК, однако наблюдающаяся тенденция заслуживает серьезного внимания, поскольку источниками соответствующих ТМ скорее всего выступают корма для животных. Влияние ХО на подвижность ТМ в почвах В таблице 8 приведены данные состава почвы по показателям, измеренным в ходе дальнейшего проведения эксперимента. В таблице 9,10 приведены данные относительной кислотности и содержание подвижной меди, полученные в ходе эксперимента. Согласно результатам эксперимента, внесение СаСО3 привело к незначительному, но статистически значимому повышению относительной кислотности во всех вариантах эксперимента, кроме варианта «Опыт 1». Содержание подвижных форм меди в грунте без добавок коррелирует с рН (Коэффициент корреляции = -0,79) с содержанием орг в-ва (r = -0,94), с содержанием подвижных форм фосфора (r = -0,95). Внесение извести оказало неоднозначное влияние на подвижность меди. Наиболее значительное повышение подвижности этого металла при внесении извести наблюдалось в почве с высоким содержанием органического вещества, что может быть обусловлено образованием устойчивых растворимых фульватных комплексов при подщелачивании. В вариантах с относительно низким содержанием органического вещества внесение извести не привело к статистически значимому изменению подвижности меди. Внесение ХО привело к аналогичному результату. В таблице 11,12 приведены данные по содержанию подвижных форм цинка и кадмия соответственно, полученные в ходе эксперимента. Для цинка характерна относительно высокая подвижность в почвах и медленный переход в связанное состояние. В образцах почвы без добавок содержание подвижного Zn коррелирует только с рН раствора (r = -0,84). Чем выше рН, тем ниже подвижность Zn. Внесение ХО и извести приводит к некоторому повышению подвижности этого элемента, при этом корреляционная связь с рН снижается. Аналогичные закономерности установлены и для Cd. Выявленные закономерности хорошо согласуются с опубликованными данными В таблице 13, 14 приведены данные по содержанию подвижных форм свинца и никеля соответственно. Что касается свинца то, между рН и Рbподв., а также между Рbподв. и содержанием органического вещества в данном варианте эксперимента прослеживались положительные корреляционные связи (R = 0,87 и 0,95 соответственно). Можно предположить, что увеличение рН способствовало переходу свинца в раствор в форме фульватных комплексов. Самое значительное снижение Рbподв. Под влиянием CаCО3 наблюдалось в варианте «Контроль 2». Почва этого варианта отличалась самой высокой кислотностью и низким содержанием органического вещества. При внесении в почву ХО соответствующие корреляции не выявлялись, что свидетельствует о различии механизмов связывания Pb разными мелиорантами. Очевидно, ведущими механизмами снижения Рbподв. в почве под влиянием ХО являются сорбция и ионный обмен. Наиболее значительное снижение Рbподв. при добавлении ХО наблюдалось в образцах почвы с самым высоким содержанием это элемента в почвенном растворе (Опыт 1 и Контроль 2). В кислых почвах (Контроль 2) процесс связывания Pb протекает наиболее эффективно. Однозначный мелиорирующий эффект для почв установлен для ХО по отношению к Ni. Во всех образцах почвы наблюдалось снижение содержания этого элемента при внесении глауконитсодержащих хвостов обогащения фосфоритов, что хорошо согласуется с результатами других исследований. В настоящее время для реабилитации Ni-загрязненных почв используется прием известкования. Таким образом, в большинстве вариантов внесение ХО обеспечило более выраженный мелиоративный эффект, чем внесение CaCO3. Фитотестирование (Табл. 15, 16) В таблице 15, 16 приведены данные по влиянию ХО на развитие проростков ржи озимой сорта «Саратовская 7» и проростков горчицы сорта «Семеновская»в грунте, загрязненном ТМ. Заключение Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что навоз КРС может представлять серьезную опасность в плане загрязнения пахотных земель в районе размещения животноводческих хозяйств тяжелыми металлами. Повышение подвижности ТМ в почвах, используемых для выращивания кормовых растений, может оказать негативное влияние на качество и безопасность производимой животноводческой продукции. Для предотвращения соответствующих последствий необходима разработка и внедрение технологий, позволяющих перерабатывать навоз животных в удобрения, пригодные для транспортирования на значительные расстояния Полученные в рамках настоящей работы данные также свидетельствуют о том, что внесение ХО обеспечивает более надежный результат, чем внесение известняка. По отношению к другим ТМ внесение ХО обеспечивает эффект аналогичный эффекту известкования. Выводы В результате выполненных исследований установлено: Для ремедиации загрязненных ТМ почв наиболее широкое применение находят почвенные мелиоранты (натуральные сорбенты, известковые материалы), способные уменьшать подвижность и, соответственно, биодоступность ТМ. Внесение ХО в почву однозначно приводит к снижению подвижности Ni. Влияние ХО на подвижность других ТМ неоднозначно и во многом зависит от содержания в почве органического вещества и уровня рН. Выявленная способность ХО связывать Ni может иметь большое значение для разработки мелиорантов для почв, загрязненных этим токсичным элементом. Проблема ремедиации Ni-загрязненных почв приобретает в настоящее время все большую остроту и актуальность В условиях лабораторного эксперимента установлено, что глауконитсодержащие хвосты обогащения фосфоритов по мелиорирующему эффекту не уступают карбонату кальция. Снижение подвижности ТМ происходит за счет адсорбции катионовТМ на отрицательно заряженной поверхности глауконита, а также за счет образования малорастворимых карбонатов, фосфатов, гидроксидов. В результате фитотестирования почв с добавкой ХО не выявлено угнетающее воздействие соответствующих мелиорантов на развитие растений, что свидетельствует о безопасности соответствующего материала. Практическая значимость Результаты работы могут иметь существенное практическое значение для разработки новых направлений использования такого отхода производства, как хвосты обогащения фосфоритов. |