Содержание к диссертации
Введение
1 РОЛЬ ЧЕРВЕЙ В ПЕРЕРАБОТКЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 8
1.1. Биология червей 8
1.2. Роль червей в почвообразовании 15
1.3. Влияние дождевых червей на плодородие почв 17
1.4. Вермикультивирование 19
1.5. Свойства вермикомпоста 22
1.6. Нормы внесения вермикомпоста 33
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА 35
2.1. Исследование токсичности отходов кожевенного производства 35
2.2. Подготовка субстрата 35
2.3. Вермитрансформация отходов 36
2.4. Определение свойств вермикомпоста 37
2.5. Изучение влияния вермикомпоста на растения 3 8
2.6. Изучение влияние вермикомпоста на всхожесть и энергию прорастания семян 39
2.7. Почвенный покров и его агрохимическая характеристика 41
2.8. Метеорологические условия 41
3. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕРМИКОМПОСТА НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ КОЖЕВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 45
3.1. Токсичность отходов для червей 45
3.2. Особенности вермитрансформации отходов кожевенного производства 49
3.3. Агрохимические показатели вермикомпоста 51
3.4. Содержание тяжелых металлов в вермикомпосте и исходных субстратах 53
3.5. Возможность использования вермикомпоста в детоксикации подвижных форм алюминия 57
4. ВЛИЯНИЕ ВЫТЯЖЕК ИЗ ВЕРМИКОМПОСТАНА ЭНЕРГИЮ ПРОРАСТАНИЯ, ВСХОЖЕСТЬ И СТЕПЕНЬ ПОРАЖЕНИЯ СЕМЯН 60
4.1. Влияние вытяжек на энергию прорастания 60
4.2. Влияние вытяжек из вермикомпоста на всхожесть и степень поражения семян сельскохозяйственных культур 64
5. ВЛИЯНИЕ ВЕРМИКОМПОСТА НА УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОВОЩНЫХ КУЛЬТР 77
5.1. Влияние вермикомпоста на урожайность редиса 77
5.2. Аккумуляция тяжелых металлов в овощной продукции 85
6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА КОМПОСТИРОВАНИЯ 93
7. ВЫВОДЫ 102
8. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 103
9. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104
10. ПРИЛОЖЕНИЯ 122
- Влияние дождевых червей на плодородие почв
- Изучение влияния вермикомпоста на растения
- Содержание тяжелых металлов в вермикомпосте и исходных субстратах
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В 1996 году правительство РФ приняло федеральную целевую программу "Отходы" на 1996-2000 годы. Целью программы является обеспечение создания нормативной и технологической базы для реализации единой государственной политики в сфере обращения с отходами на всех уровнях управления; уменьшение и локализация негативных воздействий отходов на окружающую природную среду; увеличение ресурс-сырьевого потенциала страны; создание эффективных технологий переработки и обезвреживания отходов; обеспечение контроля и мониторинга по влиянию отходов на состояние окружающей среды и здоровье населения (Никитин А.Т., Степанов С.А., Забродин Ю.М., 2000).
Проблема токсичных отходов - одна из самых актуальных экологических проблем третьего тысячелетия. В настоящее время образование отходов во всем мире возрастает и опережает их переработку, обезвреживание и складирование в специальных хранилищах. Во всех развитых странах сокращение и переработка твердых и опасных отходов является приоритетной задачей (Коробкин В.И., Передельский Л.В., 2001). Традиционные способы утилизации и обезвреживания твердых промышленных отходов (ТПО) приводят к негативным последствиям, таким как отчуждение земель, загрязнение почвы, подземных и поверхностных вод и атмосферного воздуха (Небел Б., 1993, Дорсет Ж., 1968, К.Ф. Форстер, Д.А. Дж. Вейз., 1990, Лозановская И.Н., Орлов Д.С, Попов П.Д., 1987, Н.М. Городний, И.А. Мельник, М.Ф. Повхан и др, 1990). Ученые многих стран считают, что, с экологической точки зрения, самым перспективным методом утилизации отходов после их сортировки являются биотехнологические методы.
Цель исследований:
Изучить возможность утилизации отходов Ульяновского промыш-ленно - торгового кожевенно - обувного объединения (УПТКОО) города Ульяновска путем вермитрансформации с получением органического удобрения пролонгированного действия.
Задачи исследований:
- изучить основные отходы кожевенного производства на предмет привлекательности и доступности для червей Eisenia foetida;
- разработать рецептуру базового субстрата состоящего из нескольких отходов кожевенного производства имеющих наибольший объем в структуре отходов;
- разработать экологически приемлемую технологию переработки отходов в вермикомпост (биогумус);
- провести агрохимический анализ полученного вермикомпоста на содержание тяжелых металлов и основных элементов питания;
- изучить влияние вермикомпоста на урожайность овощных культур;
- провести агрохимический анализ полученной продукции на содержание тяжелых металлов, для выяснения возможности безопасного использования.
Научная новизна. В Российской Федерации впервые разработана технология переработки отходов кожевенного производства червями Eisenia foetida с получением вермикомпоста - ценного органического удобрения пролонгированного действия, которое можно использовать для получения экологически чистой растениеводческой продукции. Изучена роль вермикомпоста в детоксикации подвижных форм алюминия как фактора рассоления почв.
На защиту выносятся:
1 .Технологические особенности получения вермикомпоста на основе отходов кожевенного производства.
2. Результаты агрохимического анализа вермикомпоста.
3. Повышение продуктивности и качества продукции за счет рост стимулирующего действия вермикомпоста.
4. Отсутствие транслокации тяжелых металлов в системе верми- компост — почва - растение.
Практическая значимость работы. По результатам исследований опытно-промышленного бурта массой Ют, заложен промышленный бурт массой 100 т на Ульяновском промышленном кожевенно-обувном объединении. Полученный вермикомпост, после проведения необходимых агрохимических и токсикологических испытаний, реализовывался через розничную сеть и использовался для получения зеленной продукции в зимний период, для столовой УПТКОО. Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре "БЖД экологии и химии" Ульяновского государственного технического университета.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: научно-практической конференции "Проблемы экологии ульяновской области" (Ульяновск, 1997), Ш республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы республики Татарстан" (Казань, 1997), II Международной открытой сессии "Modus Academicus" (Ульяновск, 1998), Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные вопросы мониторинга экосистем аптропогенно-нарушенных территорий (Ульяновск, 2000), III "Всероссийской научно-практической конференции "Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производства" (Пенза, 2000), журнале "Научно технический калейдоскоп" (Ульяновск, 2001), I Международной научной конференции "Новые проблемы органической химии, экологии и биотехнологии" (Луга, 2001).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и предложений производству, включает 18 таблиц, 12 рисунков, 5 приложений. Список литературы включает 172 наименования, в том числе 50 иностранных авторов.
Влияние дождевых червей на плодородие почв
Ученые почвоведы давно заметили положительное влияние дождевых червей на почвенное плодородие и урожай различных культур. Г.Н. Высоцкий обратил внимание на то, что в южнорусских степях растиcтельностъ лучше там, где почва содержит большое количество червей. Опыты, произведенные М.П. Архангельским, Кравковыми и Голубевой, В.П. Ладыниным, В.К. Балуевым в разные годы с различными культурами, в различных условиях подтвердили и углубили эти данные (табл. 2).
Количество червей в сосуде Количество червей в пересчете на 1 га Общий вес растений в сосуде (г) Вес собранных зерен (г) Количествособранныхзерен
Несмотря на то, что дождевых червей можно встретить повсеместно, количество их в различных местах обитания сильно колеблется и доходит до 22 млн. экз/га (ЇСирьянова, 1936). Они предпочитают хорошо удобренные, содержащие много органики, почвы. Внесение свиного навоза в дозе 254 м /га примерно в 1,5 раза увеличивает численность червей (Unvin R. J., Levis S., 1987). Есть места, где в силу исторических или каких либо других, причин черви отсутствуют.
Для повышения плодородия почвы такие места заселяются червями искусственно. При заселении малоплодородных почв червями увеличивается содержание гумуса (Всеволодова - Перель Т.С., 1989), увеличивается урожайность с/х культур, продуктивность сенокосов, пастбищ, ускоряются процессы гумификации неразложившегося слоя растительных остатков (Hoogeramp М., 1984), что приводит к обогащению почв альгофлорой (Штина Э.А., Атлавинте О.П., 1987); увеличивается доступность питательных веществ для растений (Curry J.P., Boyle К.Е., 1987). Прибавка урожая сухого вещества трав составляет 70% (Stockdill S.M., 1982). В Новой Зеландии интродукция дождевых червей проведена на площади более чем 3 млн/га (Перель Т.С., 1986).
Разведение червей в искусственных условиях началось в США в конце 40-х гг. Первоначально их использовали как наживку для рыбной ловли и кормления животных (Minnich J., 1997). В последствии многие из этих ферм перешли на промышленное получение вермикомпоста. К концу восьмидесятых годов в США насчитывается около 700 хозяйств, промышленного типа, в которых различные органические отходы перерабатываются в компост с помощью дождевых червей. Вермикомпости-рование получило широкое распространение и в других странах: Великобритании, Нидерландах, Польше, Венгрии, странах Азии, Южной Америки, Австралии (Frigont Y., 1989; Аг. Jeraen С, Madsen М., 1984; Hennuy В., Gaspar G., 1986; Tusmadi G., 1990). В СССР первый опыт вермикомпостирования относится к середине 80-х годов при участии Института биологии АН Киргизии и Владимирского государственного педагогического института (Морев Ю.И., 1988; Терещенко П.В., 2001).
Новая вспышка интереса к вермикомпостированию возникла в связи с растущим загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами, радионуклидами, средствами химизации, бытовыми, сельскохозяйственными отходами и отходами промышленных предприятий.
В США в настоящее время насчитывается более 1500 крупных хозяйств по переработке сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов с помощью вермикультуры.
Принципиальную схему вермикомпомтирования можно представить следующим образом. Измельчение и перемешивание субстрата — буртование -» микробная трансформация - вермитрансформация (Глазков И., Ковалев Н., 1991; Шикула Н.К., Фантух B.C., Науменко В.И., 1992; Мельник И.А., Карнель И.П., 1998). Измельчение и перемешивание исходного материала способствует равномерному распределению влаги, оптимизации микробных и биотермических процессов.
Технология вермикультивирования в разных странах осуществляется различными способами. В Японии разработан способ содержания червей в заглубленном бассейне, где в течение суток перерабатывается до 40 т различных отходов (Городний Н.М., Мельник И.А., Повхан М.Ф. и др., 1990). В Италии переработку отходов осуществляют в стальной конусообразной башне (Genio R., 1986), в пластмассовых цилиндрах размером 100 х 120 см по системе Airfoical (Raveneau А., 1987). В Дании вермикомпостирование осуществляют в горизонтальных, вращающихся барабанах (Markussen L., 1986). В Англии навоз перерабатывается в установках замкнутого типа с предварительной сепарацией, разработана система непрерывного действия с регулированием условий обитания червей (температура, влажность, аэрация) (Barker Y., 1988; Price J.S., 1988). Во Франции полностью механизирован процесс вермикультивирования в пластмассовых поддонах.
Изучение влияния вермикомпоста на растения
После проведения агрохимического анализа, вермикомпост просеивали через сита с диаметром ячеек 1-3 мм и использовали для предпосевного внесения при выращивании редиса. Вермикомпост вносился в рядки при посеве с заделкой на 3-5 см из расчета 1,5 кг/м2, перегной 10 кг/м2. Посев редиса сорта Жара осуществлялся по схеме 5 5см при глубине заделки семян 2-3 см. Учетная площадь делянки 1м2.
Схема опыта:
1. Контроль
2. Перегной
3. Вермикомпост на основе мездры
4. Вермикомпост на основе подзола
5. Вермикрмпост на основе навоза КРС
Сроки посева: 1997 г - 15 августа, 1998 г - 18 мая и 11 августа, 1999 г - 4 мая, 2000 г - 15 июня. Фенологические наблюдения проводились в соответствии с ГОСТ 10842-64 согласно методике государственного сортоиспытания.
В растительных образцах определяли содержание нитратов - по-тенциометрически по ГОСТ-Р 50465-93, витамина С - титромитрически по Мурри, цинка, меди, свинца, кадмия, никеля, хрома - атомно - адсорбционным методом по ГОСТ 30178-96, мышьяка - по ГОСТ 26930-86, ртути - по ГОСТ 26927-86, стронция-90 по ОСТ 10070-95, цезий -137 по ОСТ 10071-95.Для определения всхожести использовались семена редиса сорта "Жара", укропа сорта "Грибовский" и моркови сорта "200 Пх Парижская каротель".
Семена предварительно до посева замачивались 10 часов в колбах с вытяжками:
1) 100 г биогумуса на основе навоза крупнорогатого скота заливали 1 литром 0,5%-ного раствора NaOH.
2) 100 г биогумуса на основе мездры заливали 1 литром 0,5%-ного раствора NaOH.
3) 100 г биогумуса на основе навоза крупнорогатого скота заливали 1 литром 2%-ного раствора Na2C03.
4) 100 г биогумуса на основе мездры заливали 1 литром 2%-ного раствора Na2C03.
5) 100 г биогумуса на основе навоза крупнорогатого скота заливали 1 литром Н20.
6) 100 г биогумуса на основе мездры заливали 1 литром Н20.
7) раствор гумата натрия (стандартный).
8) "Радуга" - продукт фирмы "ФАРТ" 5 мл на 1 литр Н20. 9) контроль (Н2О).
Семена проращивали в чашках Петри, используя фильтровальную бумагу. Предварительно бумага нарезалась соответственно размеру посуды, увлажнялась до полной влагоемкости и укладывалась в 4 слоя.
Семена укропа сорта "Грибовский" закладывались 5.05.99 по 50 штук в каждую чашку Петри, при температуре помещения около 15С.
Семена редиса сорта "Жара" закладывались 26.05.99 по 100 штук в каждую чашку Петри, при температуре помещения около 20С. Семена моркови сорта "200 П х Парижская каротель" закладывались 1.06.99 по 50 штук в каждую чашку Петри, при температуре помещения около 20С.
Семена раскладывались в чашки Петри вручную равномерно на расстоянии 0,5-1,5 см друг от друга сверху на фильтровальную бумагу. Каждая чашка Петри подписывалась с указанием варианта и повторносте опыта. Проращивание осуществлялось в темноте. Повторность опыта 4 в каждой культуре. Число вариантов опыта 9.
Учет проросших семян укропа сорта "Грибовский" для определения всхожести проводился через 21 день, а энергии прорастания - через 3 суток.
Учет проросших семян редиса сорта "Жара" для определения всхожести проводился через 7 суток, а энергии прорастания - через 3 суток.
Учет проросших семян моркови сорта "200 П х Парижская каротель" для определения всхожести проводится через 10 дней, а энергии прорастания - через 3 суток.
День закладки семян на всхожесть и день подсчета энергии прорастания или всхожести считались за одни сутки. Учет проросших семян проводился строго в определенное время (время заложения опыта, 12 ).
Всхожими считались семена, имевшие нормально развитый корешок размером не менее длины семени.
Каждые 3 дня (с момента заложения опыта) по каждой повторности отдельно подсчитывалось число проросших и пораженных семян. Нормально проросшие и пораженные семена удалялись.
Детоксикацию подвижных форм алюминия определяли следующим образом: в колбу объемом 100 мл, вносили 1 г вермикомпоста, затем приливали 5 мл раствора содержащего 0,01 мэкв/см алюминия. Время экспозиции от 10 минут до 5 часов. Затем в фильтрате определяли содержание алюминия, относительно контроля, согласно методике фотоколориметрического определения алюминия с ксиленоловым оранжевым (Ягодин Б.Я., Дерюгин И.П., Жуков Ю.П. и др., 1987).
Содержание тяжелых металлов в вермикомпосте и исходных субстратах
Результаты первого анализа на содержание тяжелых металлов показал высокое содержание хрома в подзоле и вермикомпосте на его основе (15000 и 25000 мг/кг соответственно), привело к необходимости проверки технологической схемы производства. В результате было выяснено, что стоки после красильно-жировальных процессов, включающих элементы додубливания, через станцию обезвоживания осадка поступали в общую канализацию. На основании результатов анализа и проведенной проверки была изменена технологическая схема. Стоки после красиль-но-жировальных процессов направлены в канализацию для хром содержащих стоков, а затем в специальный отстойник.
Повышенное содержание тяжелых металлов в вермикомпостах относительно исходных субстратов объясняется уменьшением объема вермикомпоста, относительно субстрата (табл. 9).
- валовая/подвижная формы.
Повторный анализ, проведенный после изменения технологической схемы, дал следующие результаты (табл. 9).
Согласно Дополнению № 1 к перечню ПДК и ОДК тяжелых металлов и мышьяка в почве № 6229-91 (1995), содержание тяжелых металлов в вермикомпосте не превышает ОДК их в почве. Валовое содержание кадмия очень близко к показателю ОДК для нейтральных и близких к ним глинистых и суглинистых почв, однако, содержание подвижных форм значительно ниже.
Особое беспокойство вызывает содержание хрома. Соединения шестивалентного хрома Сг (VI) легко проникают сквозь биологические мембраны и, достигая клеточных органелл, вызывают ряд токсических и мутагенных эффектов. Для соединений же трехвалентного хрома Сг (III) эти мембраны - серьезное препятствие, так как пищеварительным трактом соединения трехвалентного хрома Сг (III) усваиваются в незначительных количествах.
Исходный хром имеет степень окисления равную шести и в биосфере концентрация соединений хрома с такой степенью окисления строго контролируется. В процессе подготовки к дублению хром из шестивалентного переходит в трехвалентный, так как дубящим действием обладают соединения Сг (Ш), в составе комплексного иона которых находится гидроксильная группа - так называемые основные соли хрома. Например, Cr(OH)S04, образующийся при восстановлении хромпика в среде серной кислоты: К2Сг207 + 3 H2S04 + R = K2SO4 + 2 Cr(OH)S04 + RO3 + Н20, где R - органический или неорганический восстановитель.
Именно в виде основного сульфата поступает хром в настоящее время на УПТКОО для дубления кож.
Основные соли хрома достаточно хорошо растворимы в воде. В процессе дубления гидролитическое равновесие реакции: 2[Cr(OH)(H20)5]2+S042 = [Cr(OH)2(H20)4]2+S042 + H2S04 смещается в правую сторону вследствие поглощения гольем более основной соли. В результате этого гидролиз протекает дальше с образованием в дубящем растворе новых количеств серной кислоты, которая увеличивает растворимость основных солей хрома, тем самым увеличивая их миграционную способность. Изменение растворимости соединений хрома происходит и при осуществлении последующей за дублением операции нейтрализации, в результате которой образуется гидроксид хрома (III), обладающий меньшей растворимостью по сравнению с основными сульфатами хрома.
На стадии микробного компостирования в результате биохимических процессов гидроксид хрома (III) превращается в оксид хрома Q2O3, который не растворим в воде, но под действием многоосновных карбо-новых кислот, выделяемых микроорганизмами и растениями, он может превращаться в растворимые соединения, т.е. переходить потенциально в подвижные формы. Превращение Сг (VI) в Сг (III) может происходить как за счет связывающих металлсульфгидрильных групп, содержащихся в мукоидном секрете, постоянно выделяемом эпителием дождевых червей, так и за счет симбиотических микроорганизмов. Возможно так же поглощение шестивалентного хрома Сг (VI) эпителием червей и последующим метаболическим восстановлением. Последнюю гипотезу косвенно подтверждает то, что Сг (VI), в отличие от Сг (III), не найден в тканях дождевых червей,
Полное выведение хрома из круговорота происходит в процессе вермикомпостирования, когда он включается в состав внутрисферных комплексов гумуса или становится частью алюмосиликатного каркаса. В последнем случае хром может стать доступным для растений только при значительном изменении значения рН почвы. При нейтральных или близких к ним значениях рН почвы не происходит поступления хрома в растения, в частности в редис.
Полученные нами данные свидетельствуют о возможности использования такого подхода для детоксикации подвижного хрома.
