Осадок сточных вод, неизбежный побочный продукт работы городских очистных сооружений, является ключевой проблемой во многих странах, в том числе в России, из-за его растущего объема и последствий, связанных с его удалением [1–3]. Согласно отчету Европейской комиссии, опубликованному в 2010 г., 39 % осадка сточных вод, производимого в Европейском союзе, перерабатывается в сельском хозяйстве. Однако в настоящее время во многих странах хранение подобных отходов на свалках запрещено, поэтому крайне важно найти альтернативные решения, экономически целесообразные и безвредные для окружающей среды [4]. В России осадки сточных вод подлежат утилизации сжиганием (приказ Роспотребнадзора № 629, 2019 г.), без организации длительного хранения осадков.
Проблема использования отходов сточных вод очистных сооружений (ЦБК, городских и др.) поднималась неоднократно, принимая во внимание, что в них содержатся полезные вещества для роста растений [3–5]. Во всех случаях речь шла о повышении плодородия почв и компостировании. Разработан Национальный стандарт РФ «Технические принципы обработки осадков сточных вод. Общие требования», в котором даны общие требования к осадкам, применяемым в качестве органических или органо-минеральных удобрений, для рекультивации земель и при размещении на полигонах [6]. Считается, что использование осадка сточных вод не только помогает устранить проблемы, создаваемые накоплением все большего количества осадка, но также приводит к уменьшению количества химических удобрений, которые должны были использоваться для обеспечения роста растений, в определенной мере может заменить органические удобрения [4].
При этом существуют различные возможности получения и применения органических удобрений на основе отработанного активного ила. Активный ил смешивают с другими удобрениями, компостируют, что впоследствии оказывает положительное влияние на рост растений. Несомненно, что при использовании активного ила в качестве удобрений необходимо соблюдать требования санитарно-гигиенических норм, так как главный недостаток применения и удобрений, и компостов на основе отходов активного ила – необходимость контролировать содержание тяжелых металлов (ТМ) и токсикантов, которые могут накапливаться в почве и переходить в ткани растений, вызывая торможение роста, хлороз и нарушение водного обмена. В то же время считается, что опасность попадания ТМ в грунтовые воды невелика ввиду низкой растворимости их соединений [1], особенно это имеет отношение к тепличным грунтам и при использовании доли отработанного ила при приготовлении субстратов. Для обеззараживания важна выдержка отходов активного ила, применяемых для удобрения и компостирования, на иловых картах [7, 8]. Полученный химическим и механическим способом ил можно применять в сельском хозяйстве при смешивании с почвой, торфом и др. [9].
В зоне действия предприятий целлюлозно-бумажной промышленности интерес привлекает использование отходов активного ила для выращивания посадочного материала хвойных пород в тепличных комплексах. Это относится и к Архангельскому ЦБК, который инициировал создание нового Селекционного центра с тепличным комплексом в районе г. Новодвинск Архангельской области. Ранее под эгидой комбината «Биолаборатория», (Архангельск, Г.А. Иванов) проведены экологические исследования и подготовлен регламент (срок действия 2014–2024 гг.) на производство и использование биогумуса «Архангельский», в основе которого использованы осадки сточных вод АЦБК. Отходы активного ила АЦБК относятся к веществам 5 класса опасности (Протокол 10-БО от 23.04. 2018 г.), яйца гельминтов отсутствуют (Протокол лабораторных испытаний от 2021 г.).
Для подготовки собственных субстратов для тепличного комплекса был выбран вариант смешивания биогумуса «Архангельский» с верховым торфом, заготавливаемым с месторождений региона. В Архангельской области сосредоточена четверть промышленных запасов торфа европейской части России [10], что позволяет вести промышленную разработку запасов торфа для различных направлений использования, одним из которых является лесное хозяйство. Преобладают болота верхового типа (более 80 %), торф которых пригоден для приготовления компостов и питательных грунтов согласно требованиям соответствующих стандартов [11], что подтверждено исследованиями по структуре, свойствам и гумифицирующим веществам [12].
При использовании малообъемных технологий выращивания требования, предъявляемые к среде выращивания, значительно более жесткие, чем в открытом грунте, где имеются возможности для роста корней в неограниченном объеме почвы [13]. Это связано с необходимостью развития корневых систем сеянцев в малом объеме грунта. Поэтому следует учитывать весь комплекс физико-химических свойств, не только таких, как наличие компонентов минерального питания (NPK и микроэлементы), но и таких, как влагоемкость, плотность субстрата, что обеспечит водно-воздушный режим и устойчивость комка, в том числе при посадке на лесокультурную площадь.
Цель исследований состояла в подборе компонентного состава субстратов на основе торфа и компостированных отходов активного ила (биогумус «Архангельский») с предприятий АЦБК, сравнение их водно-физических свойств с производственными аналогами, применяемыми в лесных тепличных комплексах Архангельской области.
Материалы и методы исследования
Для проведения исследований по изучению водно-физических свойств комбинаций субстратов на основе торфа и биогумуса из отходов активного ила АЦБК был использован торф, заготовленный с глубины торфяной залежи 40–80 см на торфяном болоте верхового типа в Приморском районе Архангельской области; степень разложения торфа 15 %. Торф был высушен и размолот с применением дробилки ТермМикс до фракций не более 0,5 см, достаточной для корректного применения при постановке вегетационных опытов с комбинированными субстратами. Мелкие фракции торфа позволяют провести равномерное смешение фракций (торф, ил и др.).
Одновременно были проведены сушка и размол действующего биогенного компонента субстрата (биогумус «Архангельский», далее для краткости обозначенный как «ил») на основе отходов активного ила с очистных сооружений АЦБК. Составлены композиции субстратов на основе торфа и отходов активного ила (по объему используемых фракций) по следующим вариантам: контроль (100 % торф и 100 % ил), 10 % ил + 90 % торф, 20 % ил + 80 % торф …. 70 % ил + 30 % торф (всего 7 вариантов с градацией ила 10 %). Для сравнения были подобраны пять образцов промышленных субстратов фирм Велторф, Pindstrup, Kekkila, используемых в лесных тепличных комплексах региона.
Водно-физические свойства субстратов изучали в лаборатории почвоведения САФУ по общепринятым методам с определением показателей, характерных для оценки торфов и торфяных субстратов [14]: плотность сухого торфа; плотность сухого вещества торфа (истинная плотность); пористость; водопоглощение (на 2 ч и 48 ч); полная влагоемкость.
В анализах (2–7 повторностей каждого показателя) использовали субстрат с частицами менее 2 мм.
Плотность субстрата – масса единицы объема в абс. сухом состоянии (г/см3) определяли насыпным способом, с использованием металлического кольца с известным объемом. Расчет плотности проводили общепринятыми способами.
Истинную плотность (плотность частиц) определяли пикнометрическим методом, используя соотношение торфа/субстрата и воды в пикнометре из расчета не более 5 г : 100 см3. Для удаления воздуха проводили кипячение. Одновременно определяли содержание гигроскопической влаги в субстрате, что необходимо для расчетов истинной плотности. Использовали стеклянные бюксы с навеской субстрата 1–3 г.
По показателям плотность и истинная плотность рассчитали пористость субстрата общепринятыми в почвоведении способами и коэффициент пористости (истинная плотность минус плотность сложения в естественном абс. сухом состоянии, деленная на плотность сложения в естественном абс. сухом состоянии).
Используя цилиндры с сетчатым дном, определили водопоглощаемость (водопоглощение) – способность торфа поглощать и удерживать воду, через 2 ч и 48 ч, что соответствует максимальной водопоглощаемости торфа. После пребывания торфа в воде (48 ч) ей давали свободно стечь в течение 3–5 ч и взвешиванием определяли количество впитанной воды после оттока/фильтрации, что соответствовало полной влагоемкости.
Результаты исследования и их обсуждение
Основные показатели водно-физических свойств композиций субстратов на основе верхового (белого) торфа и компостированных отходов активного ила представлены в таблице.
Композиционные материалы значительно (в 2 раза) отличаются по физическим свойствам (насыпной плотности, истинной плотности). Различия по водным свойствам (влагонакопление и влагоудержание) проявляются еще резче (6–8 раз). Оба компонента отличаются высокой пористостью: торф – 94 %, биогумус – 74 %.
Это сказывается не только на водных свойствах (удержание влаги, в том числе при поливе), но и при смешивании сухих субстратов с разной долей участия компонентов: происходит расслаивание компонентов, что нарушает композиционное строение формируемого субстрата. Необходимо проверять подобные вариации при смешивании субстратов в «сыром» состоянии в производственных условиях.
Физические свойства субстратов (композиций) на основе торфа и отходов активного ила
|
Вариант |
Плотность сложения, г/см3 |
Истинная плотность, г/см3 |
Влагоемкость, % |
Порис-тость, % |
Коэф- фициент пористости |
||
|
2 ч |
48 ч |
После оттока (полная полевая) |
|||||
|
Контроль (торф) |
0,046±0,003 |
0,768 |
1349,1 |
1795,0 |
1778,6 |
94,0 |
15,70 |
|
10 % ила |
0,076±0,001 |
0,875 |
715,2 |
939,7 |
931,5 |
91,3 |
10,51 |
|
20 % ила |
0,137±0,003 |
0,938 |
627,8 |
721,5 |
714,5 |
85,4 |
5,85 |
|
30 % ила |
0,188±0,004 |
1,157 |
413,5 |
484,8 |
480,5 |
83,8 |
5,15 |
|
40 % ила |
0,213±0,002 |
1,245 |
351,9 |
389,2 |
386,4 |
81,5 |
4,85 |
|
50 % ила |
0,230±0,006 |
1,371 |
348,0 |
374,8 |
372,0 |
83,2 |
4,96 |
|
60 % ила |
0,282±0,003 |
1,487 |
311,0 |
326,1 |
323,1 |
81,0 |
4,27 |
|
70 % ила |
0,297±0,007 |
1,550 |
285,7 |
296,9 |
294,4 |
80,8 |
4,22 |
|
100 % ила |
0,381±0,001 |
1,440 |
190,02 |
228,9 |
227,0 |
73,5 |
2,78 |
|
Промышленные субстраты (n = 5) |
0,119–0,176 |
1,30–1,57 |
405–536 |
510–751 |
503–725 |
88–93 |
7,1–13,6 |
При добавке активного ила в торф с градацией 10 % наблюдается закономерное клинальное изменение физических свойств формируемых субстратов. Пористость изменяется незначительно, так как показатели пористости исходных компонентов близки. Коэффициент пористости относительно стабилизируется с доли ила в субстрате, близкой к 30 %.
Поглощенная влага хорошо удерживается в субстратах, отток влаги после водонасыщения в течение 3–5 ч происходил слабо, что, скорее всего, связано с низкой степенью разложения и ботаническим составом торфа (сфагнум). Фрагменты сфагнума, благодаря строению клеток, способны поглощать воду, масса которой превышает массу листа в 30–40 раз [15]. Этим и обусловлена высокая влагоемкость сфагнового торфа (максимальная влагоемкость достигает почти 1800 %). Все комбинации субстратов набирают влагу в первые два часа после постановки эксперимента: более 70 % от максимальной влагоемкости (48 ч) и хорошо ее удерживают при оттоке (таблица).
По водным свойствам (влагоемкости) заметно, что добавка даже 10 % ила с низкой способностью к влагоудержанию резко снижает влагоемкость комбинированного субстрата (в 2 раза). Увеличение доли ила в смеси торф/ил не дает резких изменений влагоемкости смесей, по мере увеличения доли ила влагоемкость субстрата клинально приближается к влагоемкости илового компонента (биогумуса). Добавка ила в пределах 10–40 % способствует снижению полной влагоемкости на 20–30 % на каждые 10 % внесения ила в торф, при больших дозах внесения ила (50–70 %) темпы снижения запасов воды в субстрате снижаются до 4–13 % на каждые 10 % внесения ила. Соотношение ила и торфа в субстрате 1:1 способствует переводу водных свойств композиционного субстрата ближе к свойствам ила, отличающегося меньшей влагоемкостью, по сравнению с торфом. Это может быть опасно при использовании таких субстратов в теплицах, вызывая его быстрое пересыхание в кассетах.
То есть увеличение доли ила в субстрате может привести к плохому удерживанию воды в кассетах, пересыханию субстрата и гибели посадочного материала. В дальнейшем необходимо провести комплексную оценку композиционного субстрата на основе торфа и активного ила как по водно-физическим, так и агрохимическим показателям и свойствам, по крайней мере в вегетационных опытах на тест-объектах.
Провели сравнение композиционных субстратов на основе верхового торфа и отходов активного ила АЦБК/биогумуса «Архангельский» с промышленными субстратами.
Градиентные добавки активного ила к верховому торфу резко повышают истинную плотность и насыпную плотность сложения субстрата. Наиболее близки показатели к эталонным субстратам: по плотности сложения – при 20–30 % ила, по истинной плотности – при 30–70 % ила в композиции. Формируемые субстраты по пористости (80–91 %) достаточно близки к эталонным субстратам (88–93 %). Однако все же предпочтение стоит отдать комбинациям с дозами ила до 50 %. Большие дозы ила снижают коэффициент пористости до значительных (в 2 и более раза) расхождений с эталонами.
По водным свойствам наиболее близки к эталонным производственным субстратам варианты комбинационных субстратов на основе торфа и активного ила АЦБК с добавкой 20–30 %. Увеличение доли ила в субстрате приводит к снижению влагонасыщения и влагоемкости субстратов и может быть опасно при использовании в теплицах, потребовать дополнительных изменений в обеспечении поливной нормы или применении специальных водоудерживающих добавок.
Заключение
Таким образом, добавка биогумуса к верховому торфу даже в 10 % по объему значительно меняет ряд водно-физических свойств. При добавке к торфу биогумуса на основе отходов активного ила повышается плотность субстрата, но снижается пористость, влагоемкость. Подсушивание субстрата при его использовании в теплицах может вызвать необходимость регулирования поливной нормы.
По комплексу показателей и сравнения с производственными аналогами наиболее выгодным является композиция с добавкой 20–30 % биогумуса на основе отходов активного ила АЦБК, которая наиболее соответствует промышленным субстратам. Этой добавки биогумуса «Архангельский» к верховому торфу вполне достаточно, чтобы обеспечить необходимые водно-физические свойства субстрата в малообъемных кассетах в типовых теплицах лесного комплекса.
В дальнейшем эксперименты по подбору композиций субстратов для использования в тепличных комплексах и выращивания посадочного материала лесных пород следует продолжить в продукционном направлении – обеспечении макро- и микроэлементами для регламентации их добавок, а также с точки зрения эколого-токсикологических свойств (содержание ТМ и патогенов). Необходима также проверка субстратов на тест-объектах и в реальных условиях при выращивании сеянцев древесных пород.
Авторы благодарят Е.М. Романова и студентов САФУ А.А. Горелову, Е.С. Моисееву, П.А. Сеулину за помощь в подготовке композиций субстратов.