Введение к работе
Актуальность исследования. При современных масштабах деградации и отчуждения земель вследствие различных техногенных воздействий актуальность проблемы рекультивации и охраны почв не вызывает сомнений. В решении проблемы рекультивации земель важное значение имеет определение ее экономической эффективности. Перспективным методом, позволяющим частично решить эту проблему, является использование малоопасных отходов. В последнее время существенно возрос интерес к применению в качестве рекультиванта такого вида отходов, как осадки сточных вод (ОСВ). ОСВ представляют собой специфические тонкодисперсные системы, содержащие значительное количество органических веществ и элементов минерального питания для растений (Алексеев, Аллилуева, 1988; Касатиков, 1996). Органическое вещество ОСВ характеризуется сложным составом и содержит множество соединений различных классов, таких как полисахариды, белки и аминокислоты, жирные кислоты и масла, спирты, арены и т.п. Эти вещества поступают с канализационным стоком, а также являются продуктами метаболизма микроорганизмов, входящих в состав осадка. Помимо этого, в составе ОСВ часто встречаются вещества, сходные с почвенным гумусом (Воробьева, Давыдов, 2002).
Перечисленные свойства определяют перспективность использования осадков и в качестве материала для технической рекультивации территорий, нарушенных различными видами техногенного воздействия, а также для создания искусственных почвенных конструкций (например, конструирования газонов). Учитывая, что объёмы накопления этого вида отходов находятся в прямой зависимости от численности населения городов, подобное направление их утилизации является весьма актуальным с точки зрения решения эколого-экономических задач. Необходимость поиска эффективной технологии, более дешевой, по сравнению с традиционными методами технической рекультивации, особенно актуальна на территории России, где по состоянию на 1 января 2010 г. площадь нарушенных земель составила 995,0 тыс. га, что на 5,6 тыс. га больше, чем в 2008 г. (гос. доклад о сост. прир. РФ 2010). В первую очередь это связано с ростом разработок месторождений полезных ископаемых открытым способом, которые приводят к наиболее серьёзным по своим масштабам нарушениям почвенного покрова, на самовосстановление которого, необходимо длительное время. Так, по данным различных авторов, на образование 20 сантиметрового почвенного слоя в естественных условиях необходимо 1500 – 8000 лет в зависимости от региона планеты (Бурыкин, 1985).
Однако важно помнить, что в осадках сточных вод почти всегда присутствуют сильно токсичные компоненты, такие как тяжелые металлы (ТМ) и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), количество которых зависит от специфики района, в котором получены ОСВ. Помимо этого следует учитывать потенциальную сложность их применения, связанную с неблагоприятными физическими свойствами.
Следует отметить, что, несмотря на существенный опыт использования осадков сточных вод в качестве вторичного ресурса (в основном в качестве удобрений), опыт применения его в целях рекультивации техногенно нарушенных ландшафтов сравнительно невелик. Нормативная база, определяющая требования к утилизации осадков для технической рекультивации нарушенных земель в России отсутствует. Основными нормативными документами, регламентирующими использование ОСВ и компостов на их основе в качестве удобрения на землях сельскохозяйственного назначения являются санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения», СП 1.2.1170-02 «Гигиенические требования к безопасности агрохимикатов», государственный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Охрана природы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений». Эти документы регулируют применение ОСВ, основываясь на агрохимических показателях, допустимом валовом содержании тяжелых металлов и мышьяка и санитарно - паразитологическим показателям. Физические характеристики осадков (зачастую являющиеся фактором, лимитирующим возможность применения отходов в целях рекультивации) в них не рассматриваются. Следует отметить, что при рекультивации территории дозы внесения ОСВ значительно выше, чем при их использовании в агропроизводстве, а нормативная база, регламентирующая использование ОСВ в качестве рекультиванта не разработана. В связи с этим целесообразно всестороннее исследование этих отходов, как субстрата для дальнейшего почвообразования и оценка его экологической безопасности.
Цель работы: оценить экологические аспекты применения ОСВ для рекультивации нарушенных земель и возможность выполнения биогеоценотических (экосистемных) функций почвоподобными телами, сформированными на основе ОСВ.
Задачи работы:
1) Изучение в полевых и лабораторных условиях базовых физических и агрохимических свойств ОСВ и почвоподобных тел, сформированных на субстрате из ОСВ.
2) Исследование содержания токсичных компонентов в ОСВ и в составе конструктоземов на их основе. Оценка влияния ОСВ на сопредельные природные среды с точки зрения их опасности для ОПС (возможности аккумуляции, миграции и транслокации ЗВ в сопредельные среды).
3) Оценка состояния микробных сообществ в ОСВ и конструктоземах методом мультисубстратного тестирования.
4). Оценка влияния ОСВ и мелиорантов на основные функциональные показатели состояния растений.
5). Рассмотрение возможностей корректировки свойств осадка с помощью мелиорантов.
Научная новизна работы. Впервые для оценки ОСВ использован комплексный подход, основанный на сочетании исследований химических, физических и биологических свойств осадка сточных вод. Получены новые данные о фракционном составе соединений тяжелых металлов и полициклических ароматических углеводородов в ОСВ и почвоподобных конструкциях на его основе. Проведена оценка возможности миграции токсикантов в сопредельные среды и влиянии различных мелиорантов на их состояние. Методом мультисубстратного тестирования изучено состояние микробных сообществ в ОСВ и конструктоземах на его основе.
Практическая значимость. На основании полученных данных могут быть разработаны рекомендации по экологически безопасному использованию ОСВ для технической рекультивации нарушенных территорий и конструирования газонов. Научно обоснованная регламентация использования ОСВ позволит не только сократить объем осадка, подлежащего захоронению, но и сократить расходы на рекультивацию техногенно нарушенных территорий.
Личный вклад автора. Все этапы работы проведены лично автором или при его непосредственном участии: постановка модельного эксперимента, отбор и анализ образцов ОСВ и почв, математическая обработка полученных результатов. Автором разработаны рекомендации по применению осадков сточных вод для почв земель различных категорий.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на заседаниях кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ, а также на международной научно-практической конференции «Экологическое нормирование, сертификация и паспортизация почв как научная основа рационального землепользования» (Москва, 2010).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 печатных работы, в то числе 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, заключения, выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 143 страницах, содержит 24 таблицы и 11 рисунков. Список литературы включает 221 наименование, из них 80 зарубежные.
Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.б.н. Яковлеву А.С. за ценные советы и рекомендации на всех этапах работы. Помимо этого автор выражает глубокую признательность, д.б.н. Плехановой И.О., Есафовой Е.Н., к.б.н. Завгородней Ю.А., д.б.н. Смагину А.В., к.б.н. Розановой М.С., к.б.н. Горленко А.С. за оказанные помощь, внимание и поддержку при проведении исследовательской работы, а также к.б.н. Болышевой Т.Н, д.б.н. Пахненко Е.П., д.б.н. Хомякову Д.М., д.б.н. Шеину Е.В. за содействие, внимательное отношение и советы.
