искать
Заглавное фото: TheUjulala с сайта Pixabay
 

Концепция биологической рекультивации с использованием техногенного грунта из коммунальных отходов

Авторы
Малюхин Дмитрий МихайловичГлавный эколог ООО «Новый Свет-ЭКО»
Бакина Людмила ГеоргиевнаЗаведующая лабораторией методов реабилитации техногенных ландшафтов НИЦЭБ РАН - СПб ФИЦ РАН, д.б.н.
Лоскутов Святослав ИгоревичГенеральный директор ООО НПО «БиоЭкоТех»
Пухальский Ян ВикторовичИнженер-микробиолог ФГБНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, инженер ООО НПО «Био-ЭкоТех»
Милютина Наталья ОлеговнаАспирантка СПбГУ, Институт наук о Земле, каф. Экологической геологии
Подлипский Иван ИвановичСтарший преподаватель кафедры экологической геологии геологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), к.г.-м.н., г. Санкт-Петербург
Нагиев Талех Балага оглыИнженер Ленинградского НИИСХ «Белогорка»
Поздняков Виктор АлексеевичРуководитель отдела селекции и первичного семеноводства многолетних трав Ленинградского НИИСХ «Белогорка», д с.-х н.
Поздняков Алексей ВикторовичСтарший научный сотрудник отдела селекции и первичного семеноводства многолетних трав Ленинградского НИИСХ «Белогорка»

В статье приводится описание основных подходов, применяемых в рекультивации полигонов твердых коммунальных отходов на территории России. Приводится принципиальная методологическая ошибка нормативных требований к защитным сооружениям полигонов ТК и ПО.

В условиях полевого опыта на полигоне твердых бытовых отходов изучена пригодность техногенного грунта, полученного аэробным компостированием отсевов грохочения твердых коммунальных отходов при их сортировке, для использования при рекультивации полигона в качестве плодородного грунта. Изучены агрохимические показатели техногенного грунта и его температурный режим в пределах корнеобитаемого слоя. Проведены исследования по подбору ассортимента трав, наиболее эффективных для задернения исследуемого субстрата. Выявлены существенные различия по эксплуатационным характеристикам у однолетних и многолетних злаковых трав. Особенно перспективны овсяница красная сорт Шилис и овсяница луговая сорт Шведская, которые сформировали плотный травостой, выделяющийся красивой зеленой окраской вплоть до наступления зимних холодов. Установлено, что в травах, выросших на техногенном грунте, содержание тяжелых металлов и нитратов не превышает нормативы для кормовых трав.

 

 

Обращение с отходами является одной из основных экологических проблем, которая ни в одной стране мира не решена окончательно [10]. В последние годы в России, как и во всем мире, наблюдается неуклонный рост образования твердых коммунальных (бытовых) отходов (ТКО). Ежегодно в России образуется порядка 35-40 млн тонн ТКО, и, согласно данным Росприроднадзора, только 4-5% из них вовлекаются в переработку, а остальное размещается на полигонах ТКО и несанкционированных свалках [9, 12], несмотря на то, что такой вид обращения с отходами является наименее предпочтительным согласно принятой иерархии методов [10]. Поэтому полигоны будут оставаться основным способом обращения с ТКО в ближайшие 15-20 лет [9, 10] и активное накопление отходов в природной среде продолжится.

Все вышеизложенное в полной мере относится и к городу Санкт-Петербург, на территории которого, по сведениям Росприроднадзора, производится порядка 2 млн тонн ТКО в год, а в Ленинградской области – 900 000 тонн. При этом, для приема этих отходов в Ленинградской области официально существуют около 15 полигонов [10].

Анализ практики складирования ТКО свидетельствует о том, что полигоны ТКО являются источниками длительного негативного воздействия на окружающую среду. Известно, что не только несанкционированные свалки, но и полигоны – комплексы сооружений природоохранного назначения, предназначенные для размещения, изоляции и обезвреживания отходов – могут создавать опасность загрязнения окружающей среды [10, 12].

В соответствии с действующей на территории Российской Федерации нормативной базой (Постановление Правительства РФ №800, от 10.07.2018), завершающим этапом эксплуатации полигонов, направленным на обеспечение санитарных и экологических требований, является рекультивация, которая представляет собой «мероприятия по предотвращению деградации земель и (или) восстановлению их плодородия посредством приведения земель в состояние, пригодное для их использования в соответствии с целевым назначением и разрешенным использованием, в том числе путем устранения последствий загрязнения почвы, восстановления плодородного слоя почвы и создания защитных лесных насаждений».

 

Методология концепции рекультивация полигонов ТКО как эколого-геологических систем

Полигоны – это специальные сооружения, предназначенные для изоляции и обезвреживания ТКО. Они должны гарантировать санитарно-эпидемиологическую безопасность населения. На полигонах обеспечиваются статическая устойчивость ТКО с учетом динамики уплотнения, минерализации, газовыделения, максимальной нагрузки на единицу площади, а также возможности последующего рационального использования участка после закрытия полигонов, в зависимости от направления рекультивации.

Основной задачей по устройству и возведению полигона является создание необходимых условий для обеспечения защиты окружающей среды, заключающихся в применении инженерных и технических решений, гарантирующих экологическую безопасность района проектирования полигона. Таким образом, основное назначение полигонов – это максимально возможная изоляция их содержимого (отходов) от окружающей среды на неограниченное (фактически бесконечное) время.

Если рассматривать полигон как термодинамическую систему, то по первому закону термодинамики – математическому выражению количественной стороны закона сохранения и превращения энергии – внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий: полигон на стадии окончательной рекультивации представляет собой концентрат (аккумулятор) огромного количества энергии химических связей сложных органических и минеральных веществ. Согласно второму закону термодинамики, устойчивыми являются только системы с низкой энтропией, т.е. основным способом достижения которой является постоянное и эффективное рассеивание легко используемой энергии (энергии окисления органических и минеральных веществ массы отходов). Отсюда следует, что абсолютно изолированная термодинамическая система с большим запасом потенциальной энергии, стабильно существовать продолжительное время не может. В этом заключается принципиальная методологическая ошибка нормативных требований к защитным сооружениям полигонов ТК и ПО, возведение которых рекомендуется рядом нормативных документов.

Логично будет предположить, что устойчивость полигонов ТК и ПО можно значительно повысить, если в комплексе защитных инженерных сооружений предусмотреть внедрение системы контролируемого забора энергии в виде веществ (газ, фильтрат) и (или) тепловой энергии.

Основным продуктом энергетического обмена полигона ТБО с окружающей средой является жидкая фаза отходов (фильтрат), которая образуется за счет инфильтрации атмосферных осадков и перехода в подвижную форму растворимой части бытового мусора. Химический состав отжимной жидкости сильно изменяется в зависимости от возраста полигона и от сезона года [10].

Система сбора фильтрата рассчитывается и устанавливается до начала приема отходов, на поверхность защитного экрана ложа полигона и состоит из (рис. 1):

  • сети перфорированных труб;
  • магистрального трубопровода, который должен открываться в заранее установленную (на этапе сооружения защитного экрана) на ложе полигона емкость, из которой, по мере её заполнения, фильтрат откачивается на поверхность.

Дальнейший его путь может быть следующим: либо рециркуляция, либо очистка на локальных очистных сооружениях. Для приведения в соответствие второго способа утилизации фильтрата всем природоохранным нормам необходимы большие капиталовложения и сложные инженерные сооружения, поэтому чаще применяют рециркуляцию фильтрата – поливают (орошают) им массу ТКО на полигоне, предварительно стабилизировав кислотно-щелочной баланс буферными системами.

Такой способ утилизации отжимной жидкости бытовых отходов приводит к снижению токсичности, уменьшению объема (за счет испарения при орошении массы отходов) и ускорению биохимического разложения (за счет увеличения влажности отходов, стабилизации рН растворов внутри полигона, возвращения в зону реакции питательных биофильных элементов (N, P, K, Na) и т.д.), но не решает проблему полностью.

 

Рис. 1. Пример конструкции дренажной системы полигона ТКО и кольцевых защитных сооружений зоны складирования [10]: 1 – дамба обвалования; 2 – система сбора ливневых и талых вод; 3 – противофильтрационный экран («стенка в грунте»); 4 – дренаж
Рис. 1. Пример конструкции дренажной системы полигона ТКО и кольцевых защитных сооружений зоны складирования [10]: 1 – дамба обвалования; 2 – система сбора ливневых и талых вод; 3 – противофильтрационный экран («стенка в грунте»); 4 – дренаж

 

Структура комплекса активной дегазации ТКО разработана и опробована в странах Западной Европы и США и состоит она из перфорированных горизонтальных и вертикальных труб (коллекторов), устанавливаемых в тело полигона в момент заключительного перекрытия отходов (и/или в процессе послойного заполнения), а также насосной станции и комплекса очистки газа от примесей (состав биогаза может насчитывать около 50 примесей, в основном Н2О, СО2 и NO2). Газ в дальнейшем можно использовать в качестве источника тепловой энергии и электричества. Потенциальная газопродуктивность тонны смешанных ТКО – 120-200 м3 [10], причем время стабильной газогенерации составляет около 10-50 лет.

Пассивные методы дегазации основываются на природных процессах конвекции и диффузии и устанавливаются в местах низкого газообразования и отсутствия перемещения газа. Не применяются для полигонов с внутренними изолирующими слоями и емкостью более 40 000 т, для старых хранилищ ТКО с невысоким уровнем выделения биогаза или для полигонов с высоким уровнем фильтрата.

Скважины для пассивной дегазации монтируются после закрытия полигона (рис. 2), путем устройства буровых колодцев диаметром 50 см до отметки 6-7,5 м от поверхности рекультивированного полигона, в которые помещается перфорированная полиэтиленовая (или поливинилхлорида, полипропилена высокой плотности, стеклопластика) труба, диаметром 20 см. Пространство между трубой и стенками скважины послойно заполняется песчано-гравийной смесью с послойным уплотнением, с крупностью скелетной фракции 20-40 мм и с минимальным количеством пылевых частиц (не более 10%), с содержанием карбонатов менее 10%, до отметки – 0,75 м, бетоном до отметки – 0,65 м. Перфорация выполняется сверлом 18 мм по окружности через каждые 600 мм, отверстия расположены в шахматном порядке на расстоянии 50-100 мм друг от друга.

В массиве рекультивируемого слоя выше горизонтальной гидроизоляции устанавливается металлическая (или тонкостенная железобетонная) труба диаметром 50 см. На поверхности монтируется оголовок с антивандальной системой и крышкой с пассивной вытяжной вентиляцией, препятствующей попаданию дождевой воды в колодец. Площадь вокруг скважины на расстоянии 1,5-2 м изолируется глинистыми грунтами мощностью около 0,3-0,4 м для обеспечения крепления скважины и препятствования проникновения внутрь скважины поверхностных вод.

 

Рис. 2. Пример конструкции газоотводящей скважины пассивной дегазации свалочных грунтов [10]
Рис. 2. Пример конструкции газоотводящей скважины пассивной дегазации свалочных грунтов [10]

 

Глубина газодренирующей скважины обоснована возможным капиллярным поднятием фильтрата выше максимального уровня залегания и попадания в ствол, что может привести к интенсификации микробиологических процессов и кольматажу отверстий в стволе, что понижает газоприток и в конечном итоге выводит скважину из строя.

Расчетное количество скважин должно согласовываться с данными «Методики по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронений твердых бытовых отходов» (М., 2003) и ТСН 30-308-2002, согласно которым количество дегазационных скважин (газовыпусков) назначается из расчета 1 скважина на 7500 м3 отходов, а общее необходимое количество – не более 2-х на гектар свалочного тела.

С целью исключения возможности латеральной миграции газообразной фазы из свалочного тела через неизолированное ложе полигона необходимо предусмотреть дегазацию с помощью метаноокисляющих изолирующих покрытий (биофильтров). Работа биофильтра основана на способности метанотрофных микроорганизмов использовать метан в качестве источника энергии и углерода, и полностью разлагать метан на оксид углерода и воду. В качестве окислительных биофильтров могут использоваться торф, опил, компост или соответствующим образом подготовленный техногенный грунт из компоста ТКО.

Биофильтр представляет собой трапециевидную призму из сорбционного материала под слоем поверхностного изоляционного слоя с размерами: ширина по низу – 1,8 м, ширина по верху – 0,6 м, высота – 0,4 м с уложенной дренажной трубой диаметром 200 мм, обернутой в геоткань и имеющей вертикальный отводящий трубный выпуск сквозь изоляционное покрытие. Примерный внешний вид конструкции биофильтра представлен на рисунке 3.

 

Рис. 3. Схема конструкции метаноокисляющего биофильтра
Рис. 3. Схема конструкции метаноокисляющего биофильтра

 

Согласно современным нормативным документам, в частности постановлению правительства РФ №800, рекультивация включает в себя два этапа: технический и биологический. Технический этап рекультивации включает формирование откосов с нормативными углами наклонов, строительство дренажных систем, дегазацию, планировку поверхности с созданием рекультивационного многофункционального покрытия и другие операции. Завершается технический этап рекультивации нанесением, формированием и планированием плодородного слоя, и здесь сразу же появляется одна из основных экологических и экономических проблем при рекультивации – дефицит почвогрунтовых ресурсов для создания рекультивационных покрытий. Известно, что для рекультивации 1 га полигона требуется до 10 тыс. м3 почвенно-растительного грунта, что соответствует нарушению 5 га природных земель, то есть до 5 раз может быть превышена площадь рекультивируемого объекта [4]. С целью экономии природных ресурсов и ускорения биологических процессов при проведении рекультивационных работ почва может быть заменена органогенными субстратами из отходов производства и потребления. Общепризнанным является факт высокого биологического потенциала органической фракции ТКО, а технология переработки отходов методом компостирования позволяет получать компост, близкий по своим свойствам к традиционным органическим удобрениям. С точки зрения авторов, наиболее рациональным и доступным является получение из органической части ТКО техногенного грунта и последующее использование его в качестве плодородного грунта при эксплуатации и рекультивации полигонов и других нарушенных земель.

В настоящее время авторами разработана технология использования техногенного грунта из органической части ТКО в качестве перекрывающего/изолирующего/плодородного материала в технологических циклах эксплуатации и рекультивации полигонов [8]. Несмотря на эффективность и перспективность подобного направления утилизации органической части ТКО, подобные работы практически не проводятся на других полигонах. Небольшое количество данных, подтверждающих эффективность и экологическую безопасность применения подобных субстратов (компостов/грунтов техногенных) при эксплуатации и рекультивации полигонов и других нарушенных земель, ограничивало до настоящего времени широкое внедрение подобных технологий, что, на взгляд авторов, требуется изменить в кратчайшие сроки.

Биологический этап рекультивации предусмотрен всеми действующими в настоящее время нормативными документами, и в большинстве случаев применение биологического этапа совершенно необходимо, так как процессы самозарастания могут растянуться на несколько десятков лет. Так, Л.С. Застенским [5] для условий Белоруссии выявлено, что при формировании рекультивационного слоя из минеральных суглинистых грунтов процессы гумусообразования происходят очень медленно, и за 15 лет образуется лишь 1,5-2 см сплошного гумусового горизонта. В экстремальных условиях северных регионов эти процессы еще более затруднены, и без специальных мероприятий биологического этапа рекультивации восстановление нарушенных ландшафтов практически не происходит [1].

Одной из наиболее важных операций последующего биологического этапа является подбор ассортимента многолетних трав, который наряду с другими мероприятиями (подготовка и обработка почвы, посев трав и уход за посевами), обеспечивает наиболее активное зарастание рекультивируемой поверхности и формирование экологически безопасных экосистем на территории бывшего полигона ТБО.

В связи с этим основной целью данной работы явилось изучение эффективности применения техногенных грунтов из органической части ТКО в качестве плодородного грунта на заключительной стадии технического этапа и подбор ассортимента травянистых и древесных растений для этого субстрата на биологическом этапе рекультивации полигона ТКО.

 

Объекты и методы

Полевой эксперимент, результаты которого излагаются в данной работе, был проведен на опытной площадке полигона «Новый Свет-ЭКО» в Гатчинском районе Ленинградской области. Техногенный грунт, использованный в эксперименте в качестве плодородного слоя, являлся продуктом утилизации отсева грохочения ТКО при аэробном полевом компостировании в буртах на специально оборудованной площадке на полигоне. Он применялся при достижении состояния зрелости после 6 месяцев компостирования. Основные агрохимические показатели грунтов техногенных определяли дважды – перед закладкой опыта и в конце вегетационного сезона, после учета биомассы. При лабораторных исследованиях пользовались общепринятыми методами [13]. Содержание органического углерода определяли методом Тюрина, подвижные формы фосфора и калия определяли в вытяжке Кирсанова, фосфор – колориметрически по Дениже, калий – на пламенном анализаторе ПАЖ-2. Подвижные формы азота определяли фотоколориметрическим методом, нитратный азот – с дисульфофеноловой кислотой, аммонийный – с реактивом Несслера. Содержанию тяжелых металлов определяли методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой.

Температуру субстратов измеряли в течение вегетационного сезона с апреля по октябрь почвенным термометром на глубине корнеобитаемого слоя (15-20 см) в пределах каждой опытной площадки в 6-8 точках в дневное время (с 12 до 15 час). Измерения проводили один раз в неделю.

Закладку опытов по подбору травянистых и древесных растений, проведение биометрических учетов и наблюдений осуществляли согласно методическим указаниям, разработанным во Всероссийском институте кормов им. В.Р. Вильямса. Площадь опытных делянок 6 м2. В опытах на полигоне были использованы следующие виды растений: овсяница луговая сорт Шведская; овсяница красная сорт Шилис; райграс однолетний Изорский; райграс пастбищный Ленинградский 809; клевер луговой Волосовский. Из семян этих видов были составлены смеси, состав которых был следующим:

Смесь 1 – овсяница красная 50% + клевер луговой 50%;

Смесь 2 – райграс пастбищный 50% + клевер луговой 50%;

Смесь 3 – овсяница красная 30% + клевер луговой 70%;

Смесь 4 – райграс пастбищный 50% + клевер луговой 25% + овсяница красная 25%;

Смесь 5 – райграс пастбищный 50% + овсяница красная 50%;

Смесь 6 – овсяница красная 50% + клевер луговой 25% +райграс однолетний 25%;

Смесь 7 – райграс пастбищный 50% + райграс однолетний 50%.

Норма высева 2,5 г/м2.

На опытных делянках с посевом травяных смесей проводили два укоса – в середине лета (20 июля) и в конце (17 августа). При этом были проведены следующие биометрические замеры: определена надземная биомасса растений (сырая), измерена средняя высота и оценена плотность посевов, общее проективное покрытие, высота растений и их мощность в баллах. Оценку мощности травостоя проводили глазомерно по 5-балльной шкале. Так же при общей оценке учитывали облиственность, кустистость, выравненность и густоту стояния посевов. Кроме травяных смесей были проведены монопосевы следующих видов растений: овсяница красная, овсяница луговая, клевер луговой. А также в дополнение к основному опыту были заложены монопосевы следующих видов растений: фацелия рязанская, синяк обыкновенный, козлятник восточный, овес и горчица белая для оценки их всхожести и декоративности.

В качестве контроля были оставлены делянки под самозарастание.

Наряду с травами были испытаны два вида древесных растений – сосна Pнnus sylvйstris и тополь (гибридные формы) Populus sp. Их высаживали в количестве 81 шт. на делянку. Состояние саженцев оценивали в конце вегетационного сезона по выживаемости и внешнему виду.

Статистическую обработку экспериментальных данных осуществляли с помощью программ анализа данных AtteStat (версия 12.5). Для визуализации исходных данных и результатов их статистического описания использована программа PAST (версия 3.21). Сравнение вариационных рядов двух независимых групп выполняли с применением критерия Манна-Уитни. Аналитическая повторность – четырехкратная. Различия считали значимыми при р<0,05.

 

Результаты и обсуждение

Известно, что пригодность субстратов в качестве плодородного грунта для продуктивного роста растений определяется прежде всего их агрохимическими свойствами. В этой связи были проведены исследования грунтов техногенных, используемых в эксперименте в качестве плодородного слоя, которые позволили дать его агрохимическую характеристику (табл.1).

 

Табл. 1. Агрохимические свойства грунтов техногенных в начале и конце опыта в сравнении с фоновой дерново-подзолистой почвой

 

 

Примечание: *p<0,05 для различий между грунтом и почвой на таком же сроке

 

Установлено, что техногенный грунт является весьма благоприятным в агрохимическом отношении субстратом для произрастания растений, а по содержанию питательных веществ существенно превосходит фоновую дерново-подзолистую почву. Так, максимальное содержание органического углерода (11% и более) наблюдается в техногенных грунтах, в дерново-подзолистой почве содержание органического углерода достигает 2,5%. Техногенный грунт характеризуется нейтральной реакцией среды (рН=7,0±1,0) в отличие от слабокислой почвы с рН 5,5±1,0; высоким содержанием органического углерода, а также основных питательных элементов – азота, фосфора и калия. По содержанию фосфора и калия техногенный грунт превышал аналогичные показатели в почве на порядок; азот аммонийный и азот нитратный содержались в сопоставимых с почвой количествах, однако содержание общего азота, а, следовательно, и его запасы, были в исследуемом субстрате более чем в 3 раза выше, чем в почве. Сравнение агрохимических показателей в начале эксперимента и в конце (осенью, после учета биомассы) с комплексными нормативами (ПДК) позволило сделать вывод о том, что в течение вегетационного сезона эти показатели практически не изменились.

При проведении визуальных оценок травостоев на опытных делянках были зафиксированы изменения развития у многолетних бобовых и злаковых по сравнению с тем, что свойственно региону проведения эксперимента: снижение темпов развития в первой половине вегетации и ускорение развития во второй половине. В какой-то степени эти изменения аналогичны особенностям развития травянистых растений на засоленных (солонцеватых) почвах южных районов страны, и, вероятно, могут быть связаны с повышенной степенью минерализации грунтовых растворов в техногенных грунтах. Этим же, по-видимому, можно объяснить и выявленное в эксперименте более активное образование биомассы злаковых (райграсов и овсяниц) по сравнению с бобовыми: известно, что солеустойчивость у злаковых выше, чем у бобовых [15].

Неоднократно высказывалась мысль, что солеустойчивость сортов и видов растений связана с экологическими (в частности, почвенно-климатическими) условиями места их происхождения и основного ареала возделывания. Более высокая солеустойчивость злаковых по сравнению с бобовыми может объясняться в значительной степени тем, что центрами происхождения и формирования многих из них являются аридные районы Северной Африки и Юго-Восточной Азии, отличающиеся значительным распространением засоленных земель.

Выявленные особенности развития изучаемых травянистых растений привели к тому, что во время первого учета зеленой массы (выход в трубку-колошение злаковых трав) только посевы двух видов райграса достигли укосной спелости (табл.2).

 

Табл. 2. Хозяйственно ценные признаки травостоев и древесных растений, вегетационный сезон 2017 г.

 

 

Примечания. *p<0,05 сравнение по укосам ** М = мощность (баллы)

 

Райграс однолетний и райграс пастбищный обеспечили наивысший урожай зеленой массы – 1,24 и 1,21к г/м2, при высоте 104,2 см., соответственно. В двойной смеси с клевером луговым и в тройной – плюс овсяница красная урожай ниже (0,9-1,1 кг/м2) при высоте стеблестоя в 43,0-111,2 см. К первому укосу сформировался плотный травостой (88-93%). При втором укосе через месяц по высоте подтянулся клевер луговой, кусты в фазе розетки достигали 11,8-16,0 см высоты. Активный рост овсяницы красной продолжался до выпадения снега в ноябре месяце. Подобные положительные характеристики отмечены и для травостоя овсяницы луговой сорта Шведская. Ко времени первого укоса злаковых трав травостой клевера лугового, как в чистом виде, так и в смесях 1, 3, 4 был развит слабо, что не позволило провести учет зеленой массы растений. Подобное наблюдалось и в травосмеси 5. В конце июня в начальных стадиях роста и развития также была овсяница луговая.

Декоративность и способность формировать крепкий газон на техногенном грунте видами овсяниц – одна из находок данного исследования. Овсяница красная и овсяница луговая – еще слабо окультуренные виды, не затронутые активной селекцией, они оказались вполне эффективными для рекультивации полигона ТКО и для выполнения черновой работы – нивелирования антропогенной нагрузки на среду [11].

Медоносы (фацелия, синяк, горчица) обладали слабой холодостойкостью, при первом слабом морозе (0-2?) растения пожухли и прекратили рост, проявив, таким образом, малую пригодность для использования их при рекультивации полигона ТБО.

Помимо травянистых растений, были высажены селекционные образцы сосны (Pinus sylvestris) и однолетние саженцы и гибридные формы тополя (Populus sp.) – 3-е скрещивание Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Молодые саженцы прижились у сосны на 29,4% и у тополя на 36,4%. Отмечено засыхание верхушки у отдельных особей молодых саженцев тополя. По этим предварительным результатам использование сосны и тополя в качестве посадочного материала при рекультивации полигонов ТКО путем нанесения грунтов техногенных с посадкой в них вышеприведенных видов малоперспективно и нуждается в дальнейших исследованиях.

Необходимо подчеркнуть, что визуальные наблюдения, проводимые и после 2-го укоса, выявили, что на большинстве опытных площадок активная вегетация продолжалась гораздо дольше обычного, вплоть до ноября. Эта особенность, по нашему мнению, связана со специфическим температурным режимом на полигоне при использовании грунта техногенного в качестве поверхностного слоя, а именно, со значительно более высокими температурами корнеобитаемого слоя по сравнению с фоновыми почвами.

Известно, что органогенные субстраты (органические удобрения – навоз, помет, бытовые и пищевые отходы, торфокомпосты) при компостировании могут значительно нагреваться вследствие экзотермических реакций. Так, навоз при компостировании в буртах может разогреваться до температуры 60-70°С, на чем основано его обеззараживание от семян сорной растительности и патогенной микрофлоры [14]. Для полигонов ТКО значительное разогревание масс внутри массива отходов и образование биогазов – одна из серьезных экологических проблем. Однако, с другой стороны, в практике овощеводства широко распространены методы выращивания таких культур, как тыквы и кабачки, на компостных «подушках», что обеспечивает для этих теплолюбивых растений оптимальный температурный режим. В этой связи был изучен температурный режим корнеобитаемого слоя грунта техногенного в течение вегетационного сезона, поскольку он является одним из важнейших экологических факторов для роста растений. Сравнения проводили с температурой фоновой почвы, расположенной в непосредственной близости от полигона. Полученные результаты обобщены на рисунке 4.

Установлено, что для техногрунта из компоста ТКО свойственен специфический температурный режим, связанный с активным протеканием экзотермических процессов биохимического разложения органического вещества, вследствие чего наблюдалось увеличение температуры корнеобитаемого слоя с середины лета до конца осени, и в октябре она составляла 27-32°С, превышая дневную температуру воздуха на 20-24°С. Такой своеобразный температурный режим позволил продлить вегетационный период злаковых многолетних трав до декабря 2017 г.

 

Рис. 4. Изменение температуры корнеобитаемого слоя техногрунта (компоста из ТБО), воздуха и почвы в течение вегетационного сезона (Примечания. &#171;усы&#187; - минимальное и максимальное отклонения результатов измерения от среднего значения)
Рис. 4. Изменение температуры корнеобитаемого слоя техногрунта (компоста из ТБО), воздуха и почвы в течение вегетационного сезона (Примечания. «усы» - минимальное и максимальное отклонения результатов измерения от среднего значения)

 

Известно, что основным неблагоприятным фактором, препятствующим широкому применению компостов/грунтов техногенных из ТКО в качестве удобрений или плодородного грунта при озеленении, является повышенное содержание тяжелых металлов. Поэтому при использовании этих органогенных отходов в качестве удобрений или плодородных грунтов при рекультивации или в озеленении санитарно-химические исследования являются обязательными. Проведенными ранее исследованиями [7] было установлено, что все изученные пробы компоста соответствовали нормативам для компостов из ТБО/ТКО. По двум элементам – свинцу (три пробы) и меди (одна проба) отмечено незначительное превышение нормативов для компостов из ТКО – в 1,1-1,3 раза. Тем не менее, в данном эксперименте было сочтено целесообразным оценить экологическую безопасность выросших на исследуемом грунте техногенном трав и определить в них содержание нормируемых санитарными нормами показателей – тяжелых металлов и нитратов, поскольку на объектах с высоким уровнем содержания токсичных элементов необходимо контролировать химический состав естественно произрастающего или искусственно созданного травостоя. Так как использованные в эксперименте культуры потенциально могут рассматриваться как кормовые для сельскохозяйственных животных, сравнение полученных результатов проводили по существующей в РФ системе оценки кормов для сельскохозяйственных животных, а именно: содержание токсичных элементов - по ВМДУ 123-4/281-8-87, а содержание нитратов согласно нормам предельно допустимой концентрации (ПДК нитратов и нитритов в кормах для сельскохозяйственных животных и основных видах сырья для комбикормов, утв. Главным государственным ветеринарным инспектором СССР 18 февраля 1989 г.). В качестве контроля была использована проба трав, отобранная с откоса, отсыпанного грунтом, образовавшимся в результате землеройных работ. Полученные результаты представлены на рисунке 5.

 

Рис. 5. Коэффициенты концентрации содержаний тяжелых металлов и NO<sub>3</sub>- в биомассе укосов травосмесей 3, 6 и 7 по отношению к контрольной пробе
Рис. 5. Коэффициенты концентрации содержаний тяжелых металлов и NO3- в биомассе укосов травосмесей 3, 6 и 7 по отношению к контрольной пробе

 

По результатам анализа диаграммы, данных ВМДУ 123-4/281-8-87 и ПДК нитратов в продуктах питания можно сделать ряд заключений:

  • превышений допустимого нормативного уровня содержания определяемых параметров в растительной биомассе укосов с экспериментальных площадок не обнаружено;
  • установлено незначительное превышение ПДК нитратов в контрольной пробе (в 1,1 раза), что может быть связано с техногенным происхождением грунта и его загрязнением лабильными группами органических веществ;
  • при исследовании не обнаружено кобальта, поэтому выводов по распределению данного тяжелого металла в работе нет. Часть определяемых тяжелых металлов находится ниже пределов обнаружения в контрольных пробах (никель и ртуть), пробах биоматериалов укосов (содержание хрома выше предела только в контроле, а ртути только в смеси №3);
  • содержание нитратов, цинка и марганца во всех пробах не превышает контрольное, коэффициент концентрации меньше единицы;
  • наиболее загрязненной, относительно контроля, является проба травосмеси №3, ряд металлов по степени превышения контроля в порядке уменьшения – Ni16.7>Hg14.0>Pb5.3>Fe4.9>Cd4.1;
  • все исследуемые образцы характеризуются повышенным содержанием Ni, Pb и Fe.

 

Выводы

Техногенный грунт /компост из ТКО, использованный в качестве плодородного поверхностного слоя при рекультивации полигона, характеризуется благоприятными агрохимическими свойствами, слабо загрязнен тяжелыми металлами и пригоден для роста и развития травянистых растений.

Опыты, проведенные по подбору ассортимента трав для рекультивации полигона ТБО/ТКО, выявили высокую эффективность злаковых растений (райграса пастбищного, райграса однолетнего, овсяницы луговой и овсяницы красной). Особенно перспективными являются овсяницы, особенно сорт Шведская селекции ЛенНИИСХ «Белогорка».

Травы, выросшие на техногенном грунте, не превышают допустимых значений по содержанию тяжелых металлов и нитратов и являются экологически безопасными даже при использовании их в сельском хозяйстве.

Требуется масштабирование подобного рода исследований, особенно для условий с небогатыми почвами и тяжелыми климатическими условиями, где применение техногенных грунтов позволит нивелировать неблагоприятные условия местопроизрастания окружающей среды.


Список литературы

1. Арчегова И.Б., Панюков А.Н., Кузнецова Е.Г., Ковалева В.А. Роль биологического фактора в процессе формирования почвы в таежной зоне. Вестн. СПбГУ Сер. 3 Биология. 2016; 2:127-39.

2. Бехтин Н.С. Методические указания ВИК по селекции многолетних трав. М.; 1985.

3. Dubrova S.V., Podlipskiy I.I., Kurilenko V.V., Siabato W. Functional city zoning. Environmental assessment of eco-geological substance migration flows. Environmental Pollution. 2015; 197:165-172.

4. Жилинская Я.А. Рекультивация полигонов захоронения твердых бытовых отходов продуктами механо-биологической переработки отходов. Автореф дисс. Канд. Техн. наук. Пермь; 2010.

5. Застенский Л.С. Эколого-агротехнические основы облесения рекультивируемых карьеров. Автореф. дисс. д-ра с.-х. наук Л.;1983.

6. Зеньков И.В., Мордвинов А.В., Волков А.В., Сибирякова О.В., Кирюшина Е.В., Вокин В.Н. Технология формирования почвенного слоя в рекультивации земельных участков под промышленными и твердыми бытовыми отходами. Экология и промышленность России. 2013; 3:40-3.

7. Малюхин Д.М., Бакина Л.Г., Орлова Е.В., Орлова Е.Е. Агроэкологическая оценка органогенных субстратов, используемых при рекультивации полигона ТБО. Агрохимия. 2016; 10:80-8.

8. Малюхин Д.М., Колычев Н.А., Бакина Л.Г., Теплякова Т.Е. Техногенный грунт из органической фракции ТКО. Твердые бытовые отходы. 2018;5(143):40-4.

9. Подлипский И.И. Аккумулятивная биоиндикация в инженерно-экологических изысканиях. Инженерные изыскания. 2014; 1:44-52.

10. Подлипский И.И. Полигоны бытовых отходов как объекты геологического исследования. Вестн. СПбГУ Сер 7 Геол. Геогр. 2010;1:15-31.

11. Поздняков В.А., Бекушева Т.Н., Поздняков А.В. Гармонизация биогеохимических анкетных данных и мест репродукции новых сортов многолетних трав. Труды Кубанского ГАУ. 2016;5(62):101-4.

12. Пронько Н.А., Крашенинников Д.А., Афонин В.В. О восстановлении нарушенных свалками и полигонами земель Саратовской области. Аграрный научный журн. 2017;2:20-3.

13. Соколов А.В., ред. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука; 1975.

14. Тюрин В.Г., Мысова Г.А., Бирюков К.Н., Аббасов Т.Г. Режимы обеззараживания навоза при ускоренном его компостировании. Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии. 2012;2(8):58-60.

15. Удовенко Г.В. Солеустойчивость культурных растений. Л.: Колос; 1977.

 

 

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению