close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ферментативная биостимуляция почв при рекультивации объектов захоронения твердых бытовых отходов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ПРОЕКТ
МОРОЗОВА НАТАЛИЯ ВЛАДИМИРОВНА
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ БИОСТИМУЛЯЦИЯ ПОЧВ
ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОБЪЕКТОВ ЗАХОРОНЕНИЯ
ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
06.01.02 «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волжский, 2018 г.
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Волгоградский государственный университет»
Научный руководитель:
Семененко Сергей Яковлевич,
доктор сельскохозяйственных наук, доцент
Официальные оппоненты: Гурина Ирина Владимировна,
доктор сельскохозяйственных наук, доцент,
Новочеркасский
инженерно-мелиоративный
институт им. А.К.Кортунова (ФГБОУ ВО
«Донской государственный аграрный университет»)
Пуховский Анатолий Владимирович,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Институт мелиорации, водного хозяйства и
строительства имени А.Н.Костякова при
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный
аграрный университет имени И.Т. Трубилина»
Защита состоится « » 2018 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте
гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова по адресу:
127550, г. Москва, ул. Б. Академическая, д. 44, корпус 2, к. 520
С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ
«ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова» и на сайте http://sovet.vniigim.ru
Автореферат разослан « »
2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
С.Д. Исаева
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Существенным источником нарушения экологической безопасности служат полигоны промышленных и твердых
бытовых отходов (ТБО). Негативное влияние различных полигонов и свалок на
почвенный покров распространяется радиально на расстояние от 1,5 до 10 км. Общая площадь земель, занятая под полигоны и свалки на территории Российской
Федерации, составляет свыше 100 тыс. га. Основную экологическую опасность
полигонов захоронения отходов представляет захламление и загрязнение почв
как химическими, так и биологическими поллютантами, а также загрязнение
грунтовых вод, атмосферного воздуха. Поэтому на полигонах захоронения
твердых бытовых отходов для обеспечения экологической безопасности необходимо проведение мероприятий по рекультивации земель.
Анализ тенденций развития исследований в области рекультивации земель
на техногенных объектах показывает, что приоритет по показателям экологоэкономической эффективности отводится биотехнологическим методам санации почв. Одним из перспективных способов является способ ферментативной
биостимуляции почв, который направлен на активизацию микробиологических
процессов почвы путем обработки ее растворами ферментов класса оксигеназ.
Ферментативная биостимуляция позволяет исключить снятие поверхностного
слоя грунта и затраты на его транспортировку.
Степень разработанности темы исследования. Работы в направлении санации почв биохимическими методами начаты относительно недавно и становятся все более популярными. За последние годы ученым удалось создать фонд
экологически полезных микроорганизмов, предназначенных для производства
биопрепаратов с последующим их использованием в целях очистки почв после
разлива нефти и нефтепродуктов. Известно и широко используется более 22
биопрепаратов. Подобные технологии могут быть применимы и для рекультивации почв на полигонах и свалках захоронения ТБО в целях улучшения экологического состояния почв и возврата их в хозяйственный оборот.
Значительный вклад в исследование влияния экологических факторов на
ферментативную активность почв, особенностей обращения с отходами и в
разработку технологий по восстановлению деградированных земель внесли такие ученые, как: Гладышев Н.Г., Гурина И.В., Евтюхин В.Ф., Жилинская Я.А.,
Кукишева А.А., Мансуров М.Н., Булахтина Г.К., Маштаков Д.А., Навалихин
С.В., Овчинников А.С., Сметанин В.И., Соломин И.А., Тарасенко П.В., Терпелец В.И., Уполовников Д.А., Шашурин М.М., Шишкин Я.С. и другие. Учитывая достижения отечественных и зарубежных исследований в данной области,
актуальной является разработка способа биостимуляции почвы, активизирующей микробиологические процессы в период рекультивации земель.
Цель исследований: разработать способ ферментативной биостимуляции
почвы, обеспечивающий активизацию микробиологических процессов при про3
ведении биологического этапа рекультивации объектов захоронения твердых
бытовых отходов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- определить исходный уровень загрязнения тяжелыми металлами и водорастворимыми солями почвы на городской свалке ТБО г. Волжского;
- выбрать ферменты класса оксигеназ и обосновать оптимальные их концентрации при внесении в качестве биостимулянтов, обеспечивающих активизацию микробиологических процессов, протекающих в почве;
- оценить влияние ферментативной биостимуляции на экологическое состояние почвы при ее рекультивации на объектах захоронения твердых бытовых
отходов;
- разработать способ рекультивации земель с использованием растворов
ферментов класса оксигеназ;
- выполнить расчет эколого-экономической эффективности применения
способа ферментативной биостимуляции для рекультивации почв на объектах
захоронения твердых бытовых отходов.
Научная новизна. Впервые установлена эффективность применения ферментов класса оксигеназ для повышения биологической и ферментативной активности грунтов при проведении биологического этапа рекультивации земель
объектов захоронения твердых бытовых отходов; обоснованы оптимальные
концентрации вносимых растворов ферментов, оказывающие влияние на содержание водорастворимых солей и тяжелых металлов; определена периодичность внесения растворов фермента; установлено изменение рН растворов в зависимости от его концентрации; определено ингибирующее действие свинца и
кадмия на ферментативную активность почвы, препятствующее увеличению
концентрации растворов ферментов.
Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании
возможности и эффективности применения ферментов класса оксигеназ для
повышения биологической и ферментативной активности почвы, в выявлении
закономерностей изменения ферментативной активности почвы при проведении биологического этапа рекультивации земель объектов захоронения твердых
бытовых отходов.
Практическая значимость работы. Способ ферментативной биостимуляции почвы, разработанный в условиях засоления почв, характеризующихся
содержанием тяжелых металлов, может быть использован для детоксикации
почв как сельскохозяйственного, так и иного назначения.
Методология и методы исследований. Методологической основой исследований являлись теоретические основы мелиоративной науки, методы системного анализа, математической статистики. Анализы почвы – определение
степени и типа засоленности почвы, содержания тяжелых металлов, ферментативной активности почвы и др. – проводились по общепринятым, адаптированным методикам на базе Аккредитованной испытательной лаборатории (центр)
4
Регионального агентства по охране
№ RA.RU.21ЭН21 от 18.11.2015 г.).
труда
(аттестат
аккредитации
Положения, выносимые на защиту:
- способ рекультивации земель с использованием растворов ферментов
класса оксигеназ в условиях засоления почвы и загрязнения ее тяжелыми металлами;
- теоретическое обоснование применения ферментативной биостимуляции
почвы водными растворами фермента класса оксигеназ в концентрациях от 2,5
до 7,5 мг/л для активизации микробиологических процессов;
- закономерности изменения ферментативной активности почвы как индикатора активизации микробиологических процессов при содержании водорастворимых ионов солей и тяжелых металлов в почве;
- рекомендации по применению ферментативной биостимуляции почвы
при рекультивации земель объектов захоронения твердых бытовых отходов.
Достоверность результатов исследований. Степень достоверности работы подтверждается данными натурных исследований, использованием общепринятых и стандартных методик постановки и проведения полевых опытов и
лабораторных исследований, сопоставимостью результатов лабораторных и полевых исследований, обработкой результатов исследований методами математической статистики.
Апробация результатов исследований. Результаты исследований были
доложены на VII Региональной научно-практической конференции «Экологическая модернизация: макро-, мезо- и микроуровни. Проблемы и перспективы
устойчивого развития региона» (г. Волжский, 2010 г.); на круглом столе «Эколого-экономические проблемы южного макрорегиона» (г. Волгоград, 2010 г.);
на круглом столе «Экологическая оптимизация регионального хозяйства» (г.
Волгоград, 2011 г.); на VIII Региональной научно-практической конференции
«Проблемы и перспективы устойчивого развития региона (г. Волжский, 2011
г.); на XVIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2013 г.), на ХIII Межрегиональной научнопрактической конференции «Проблемы устойчивого развития и экологоэкономической безопасности регионов» (г. Волжский, 2017 г).
Личный вклад автора состоит в обобщении и анализе литературных материалов, формулировке цели и задач исследований, проведении экспериментальных работ по изучению влияния ферментативного комплекса на почвогрунтыпри рекультивации объектов захоронения твердых бытовых отходов.
Автором проведены исследования по изучению ферментативной активности
почвы с применением ферментативного комплекса класса оксигеназ. Проведены полевые и лабораторные опыты и выполнена статистическая обработка результатов. Разработаны рекомендации для производства. Доля участия автора в
исследованиях составляет 82–87 %.
5
Публикации. Основные научные результаты исследований опубликованы
в 22 работах, в том числе 8 – в рецензируемых изданиях, рекомендованных
ВАК Минобрнауки России. Общий объем публикаций 6,9 п.л., из них лично соискателю принадлежит 4,10 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из:
введения, 5 глав, выводов и предложений производству, изложена на
164 страницах машинописного текста, иллюстрирована 52 рисунками, содержит 28 таблиц, 26 протоколов испытаний и 3 приложения. Список литературы
включает 190 наименований, в том числе 15 зарубежных.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит краткое изложение состояния исследуемой проблемы,
ее актуальность, сущность выполненной работы, цель и задачи исследований,
научную и практическую значимость и основные положения, выносимые на
защиту.
В первой главе «Экологические аспекты полигонного захоронения
твердых бытовых отходов и загрязнение почв» описывается протекание
биохимических процессов, связанных с разложением твердых бытовых отходов, подлежащих полигонному захоронению. Рассмотрены технология обустройства, эксплуатации и методы рекультивации полигонов твердых бытовых
отходов, применяемые в мировой практике и используемые на территории России. Описаны различные способы очистки земель от загрязнений и даны основные понятия биостимуляции.
Протекание биохимических процессов, связанных с разложением твердых
бытовых отходов, и технологии их сбора и захоронения изложены в многочисленных трудах ученых Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, Почвенного института им. В.В. Докучаева и в других исследованиях. Большинство способов рекультивации почвы методом биостимуляции разработаны
для почв, загрязненных нефтепродуктами, а способы очистки для почв при рекультивации на объектах захоронения твердых бытовых отходов практически
отсутствуют. Это обстоятельство и создает предпосылки для разработки способа ферментативной биостимуляции почв при рекультивации объектов захоронения твердых бытовых отходов.
Во второй главе «Природные условия объекта исследования»
представлена характеристика района исследования: географическое положение,
климатические условия, почвы и почвообразующие породы, экологические
аспекты деятельности почвенных микроорганизмов и ферментативная
активность почв.
Объект исследования расположен в подзоне распространения светлокаштановых почв. Почвообразующими породами являются хвалынские засоленные шоколадные глины, которые и обусловливают солонцеватость почв.
Полигон захоронения отходов расположен в промышленной зоне городского округа г. Волжский и функционирует с 1972 года. В настоящее время
6
принимает твердые бытовые отходы и приравненные к ним производственные
отходы III– IV класса опасности для окружающей среды. Площадь полигона
составляет 106 га. Рельеф в месте расположения полигона захоронения отходов
имеет равнинный характер без овражно-балочных систем и глубоких понижений рельефа. В пределах Волгоградской области величина гидротермического
коэффициента изменяется от 0,8…0,7 в степных северо-западных и северных
районах до 0,4…0,3 в сухостепных и полупустынных районах Заволжья и крайнего юго-востока территории. Территория Волгоградской области полностью
находится в засушливой и очень засушливой зонах.
С учетом рельефа территории для захоронения отходов на полигоне формируют «рабочие карты» с глубиной до 5–10 м и длиной 30–150 м, а изъятую
при их формировании почву используют для присыпки и послойной укладки
отходов. Смежные заполненные «рабочие карты» после процесса упрочнения
свалочного грунта, достижения им постоянного устойчивого состояния представляют собой участки полигона, нуждающиеся в проведении рекультивации.
Направления рекультивации определяют дальнейшее целевое использование
территории в народном хозяйстве.
В третьей главе «Методы проведения исследований» дано описание методик проведения полевых и лабораторных опытов, а также указаны методы
проведения анализов по изучению ферментативной стимуляции для мобилизации микробиологических процессов и рекультивации почв на объектах захоронения твердых бытовых отходов.
В ходе исследовательской работы по проведению биостимуляции почвы
(почвенно-грунтовой массы) на объектах захоронения твердых бытовых отходов были исследованы растворы ферментативного комплекса, который является
аналогом ферментативного препарата «НС-Zyme». Комплекс представляет собой смесь ферментов класса оксигеназ, выделенных из патоки сахарной свеклы,
и содержит поверхностно-активные и органические питательные вещества. Основные группы веществ, входящие в состав применяемого ферментного комплекса: ферменты класса оксигеназ (дегидраза, оксидаза, пероксидаза), поверхностно-активные вещества (спирты, белки, эфиры, карбоновые кислоты и их
соли, сульфокислоты, органические основания и некоторые другие), органические питательные вещества, имеющие значение для активности почвенной биоты.
На участке объекта захоронения твердых бытовых отходов отбирались
пробы почвы на четырех динамических площадках общей площадью 1 га для
определения содержания тяжелых металлов, нитратов, водорастворимых солей,
а также биологической и ферментативной активности почвы (рис. 1).
7
Рис. 1. Место расположения динамических площадок № 1–4 на полигоне захоронения твердых бытовых отходов
Выбор опытных участков для полевых исследований был обоснован их историей освоения. Срок захоронения ТБО на опытных участках одинаковый - 1
год, а на момент внесения ферментативного комплекса 2 года. Опытные работы
проводились по четырем вариантам. В первом варианте вносили раствор фермента с концентрацией 2,5 мг/л; во втором варианте – концентрация фермента
5,0 мг/л; в третьем варианте –7,5 мг/л и четвертый вариант – контроль без внесения ферментов. Размер делянок 20 м2. Повторность опыта четырехкратная.
Размещение вариантов по повторностям рандомизированое. Каждой повторности соответствует своя динамическая площадка.
Отбор объединенной пробы почвы проводился методом конверта по вариантам опыта с периодичностью 10 и 30 дней после обработки почвы растворами фермента. Данный подход обеспечил сопоставимость результатов по четырем вариантам опыта, независимо от того, на какой динамической площадке
производили обработку почвы, так как согласно требованиям к рекультивации
почв она должна проводиться на всей территории полигона отходов.
Лабораторные исследования осуществлялись на сосудах, емкостью 5 дм3,
которые заполнялись почвой, отобранной на полигоне. Набивка сосудов проводилась в соответствии с плотностью естественного сложения почвы. Обработка
почвы растворами фермента в различных концентрациях выполнялась по той
же схеме, что и в полевом опыте. Повторность опыта трехкратная. Первый полив осуществлялся по норме, соответствующей поливной норме 300 м3/га. Второй полив проводился через 10 дней. Перед поливами из сосудов отбирались
пробы почвы. Условия постановки и проведения лабораторных и полевых опытов обеспечили возможность сопоставления результатов.
В четвертой главе «Исследования ферментативной биостимуляции
почв при рекультивации объектов захоронения твердых бытовых отходов»
определен уровень загрязнения тяжелыми металлами и водорастворимыми со8
лями почвы на городской свалке ТБО г. Волжского, изложены результаты полевого и лабораторного опытов. Описано влияние ферментативной биостимуляции на изменение ферментативной активности почвы, на содержание тяжелых металлов и водорастворимых солей в почве. Представлен расчет по определению количества вносимого фермента и объема воды при проведении ферментативной биостимуляции почвы на объекте захоронения твердых бытовых
отходов, описана конструктивно-технологическая схема комбинированной
установки для внесения ферментативного комплекса и принцип ее работы.
Анализ проб показывает, что почвы на объекте захоронения отходов относятся хлоридно-сульфатному типу засоления и характеризуются как сильно засоленные. Содержание плотного остатка на объекте захоронения отходов в
верхнем слое 0–10 см составляет 0,75 %, в слое 10–20 см – 1,71 %, в слое 0–20
см – 1,10 %. Уровень засоления почв на объекте захоронения отходов представлен на рис. 2.
Рис. 2. Содержание водорастворимых солей почвы на объекте захоронения отходов
При исследовании исходного состояния почвы на полигоне захоронения
ТБО на содержание тяжелых металлов (далее – ТМ) выявлено превышение допустимых концентраций в следующих случаях:
- в валовой форме на динамической площадке № 2 превышение отмечается
по кадмию на 10 % в слое 20–30 см;
- в подвижной форме на динамической площадке № 2 - отмечается по меди
на 10 % в слое почвы 0–50 см;
- в валовой форме на динамической площадке № 3 отмечается превышение
по свинцу на 78,12 % в слое почвы 0–20 см.
В лабораторных опытах внесение растворов фермента в концентрации 2,5–
7,5 мг/л стимулировало ферментативную активность почвы (рис. 3–5). Показателем ферментативной активности почвы являлась активность почвенных ферментов: каталазы, инвертазы, уреазы. Через 10 дней после обработки почвы
раствором фермента активность инвертазы по вариантам опыта возросла на
12,83…61,50 %, каталазы на 3,26…14,28 % по отношению к контрольному варианту.
9
Рис. 3. Активность инвертазы в сосудах лабораторного опыта
(мг глюкозы / г почвы за 24 часа)
Рис. 4. Активность каталазы в сосудах лабораторного опыта (О2 см3 / г почвы за 1 мин.)
Рис. 5. Активность уреазы в сосудах лабораторного опыта (мг NH4 / г почвы за 4 часа)
10
После последующего внесения растворов фермента положительная тенденция сохранилась: наблюдалось усиление инвертазной, каталазной и уреазной активности почвы соответственно на 30,17…95,09 %, 10,13…14,86 % и
276,20…420,63 %. Зависимость увеличения активности почвенных ферментов
при внесении раствора ферментов наиболее точно описывается полиномом 3-й
степени с коэффициентами корреляции R = 0,83 для инвертазы, для каталазы
R = 0,92 и уреазы R = 0,98. При этом, чем выше ферментативная активность после первой обработки раствором фермента, тем она выше при повторном применении. Необходимо отметить, что значения ферментативной активности почвы после третьего полива по сравнению со вторым отличались незначительно,
либо оставались на том же уровне. Для определения эффективности испытываемого фермента класса оксигеназ в концентрациях от 2,5 до 7,5 мг/л по уравнению регрессии рассчитывался показатель ферментативной активности почвы.
В результате проведения лабораторных исследований установлены следующие закономерности изменений ферментативной активности почв:
1. После внесения фермента в течение 30 дней отмечалось усиление ферментативной активности почвы по показателям активности каталазы, инвертазы, уреазы. Уровень активности удерживался выше контрольного варианта вне
зависимости от концентрации вносимого фермента.
2. Наиболее высокие значения ферментативной активности каталазы, уреазы, инвертазы по отношению к контролю отмечаются в варианте с концентрацией испытуемого фермента 7,5 мг/л.
3. По истечении 27–32 дней ферментативная активность каталазы, уреазы,
инвертазы снижается до уровня контрольного варианта (рис. 6–8).
Рис. 6. Изменение ферментативной активности каталазы при обработке почвы ферментом
11
Рис. 7. Изменение ферментативной активности уреазы при обработке почвы ферментом
в лабораторном опыте
Рис. 8. Изменение ферментативной активности инвертазы при обработке почвы ферментом в
лабораторном опыте
Процессы разложения отходов на полигоне захоронения характеризуются
в общем виде двумя типами химических реакций: окислительновосстановительными и рН-зависимыми. Изменение рН влияет на растворимость
металлов и переход их из одной формы в другую. В связи с этим при исследовании растворов ферментативного комплекса в концентрациях 2,5 мг/л, 5 мг/л,
7,5 мг/л был измерен рН этих растворов потенциометрическим методом. Отмечено, что рН в растворах фермента в вариантах 2,5 мг/л и 5 мг/л соответственно
составляет 6,21 и 5,15, среда слабокислая, а в варианте 7,5 мг/л и выше (25 мг/л)
рН среды равен 4,8…4,9, среда кислая. Водородный показатель среды рН в зависимости от концентрации изменяется по шкале в сторону от слабо кислой
среды в вариантах 2,5 и 5 мг/л и стабилизируется на концентрации 7,5 мг/л, где
среда растворов фермента определена как кислая. Данная зависимость изменения рН среды растворов фермента от их концентрации описывается степенной
функцией, где коэффициент корреляции равен 0,95 (рис. 9).
12
Рис. 9. Изменение рН среды растворов фермента в зависимости от их концентрации
Применение в лабораторном опыте растворов ферментов с более высокой
концентрацией (10 мг/л) не привело к усилению ферментативной активности почвы, она сохранилась на том же уровне, что и с концентрациями в диапазоне
2,5…7,5 мг/л. В связи с этим более высокие концентрации растворов фермента к
исследованию их эффективности не применялись.
Испытания исследуемого раствора фермента в трех различных
концентрациях – 2,5 мг/л, 5 мг/л, 7,5 мг/л показывают, что искусственно
внесенные ферменты не очень хорошо сохраняются в почве, их активность
снижается в течение месяца, они легко вымываются из почвы, так как
характеризуются низкой степенью иммобилизации в почве. Следовательно, для
ферментативной биостимуляции почв с применением данного препарата
необходимо учитывать его закрепление в почве химическим путем
(применение с другими мелиорантами), либо механическим (внутрипочвенное
введение).
Применение раствора фермента с концентрацией 7,5 мг/л является
наиболее целесообразным, так как применямый препарат не обладает высокой
степенью иммобилизации, что обусловливает необходимость его повторного
применения через месяц (27–32 дней) независимо от введенной концентрации
фермента, а увеличение концентрации фермента в растворе приведет к его
перерасходу, что является экономически не выгодно.
Анализ ферментативной активности почвы в полевых опытах показал, что
через 3 года после начала эксперимента возросла активность каталазы, и почва
из разряда «бедной» по обогащенности этим ферментом, согласно классификации Звягинцева Д.Г. (1978), перешла в разряд «средней обогащенности». Содержание ферментов инвертазы и уреазы также увеличилось, хотя почва и
осталась по шкале оценки в разряде «бедной обогащенности» (рис. 10–12).
13
Рис. 10. Динамика активности каталазы в почве полигона ТБО за период 2010–2013 гг.
Рис. 11. Динамика активности уреазы в почве полигона ТБО за период 2010–2013 гг.
Рис. 12. Динамика активности инвертазы в почве полигона ТБО за период 2010–2013 гг.
В содержании водорастворимых солей в водной вытяжке почвы на опытных площадках после обработки раствором фермента отмечается снижение
хлорид-ионов на 6,66…19,26 %, ионов кальция на 47,64…58,64 % и увеличение
14
общей щелочности на 15,90…33,87 %, ионов магния на 18,3…98,3 %, сульфатионов на 15,11…28,27 %, суммы ионов калия и натрия на 18,78…34,58 % по
отношению к контролю (рис. 13.).
Рис. 13. Катион-анионный состав водной вытяжки почвы в слое 0–20 см на площадках
полигона полевого опыта, мг на 100 г почвы
Изменение содержания водорастворимых ионов солей и, в частности, их
снижение объясняется взаимосвязью между почвенной мицеллой и ферментативным комплексом. При обработке почвы раствором фермента с концентрацией 2,5 мг/л, фермент удерживается около почвенной мицеллы и поглощает избыток ионов солей из почвенной среды, переводя их в труднорастворимые
комплексные соединения. В результате этого в водной вытяжке фиксируется
снижение содержания ионов солей. При обработке почвы раствором фермента с
концентрацией 5 мг/л он разрывает почвенную мицеллу в результате разности
потенциалов между ними, связанной с увеличением концентрации фермента.
Из диффузного слоя почвенной мицеллы освобождаются водорастворимые ионы солей, поступающие в почвенную среду. При обработке почвы раствором с
концентрацией 7,5 мг/л фермент полностью обволакивает почвенную мицеллу,
происходит процесс ее коагуляции (слипание почвенных мицелл между собой и
образование комковатой структуры почвы). Поглощается избыток ионов солей
из почвенной среды.
При обработке почвы растворами фермента на полигоне захоронения
твердых бытовых отходов отмечается снижение содержания тяжелых металлов
в валовой форме: кадмия на 54,29…80 %, свинца на 39,22…43,14 %, цинка на
62,16…71,28 %. При этом происходит увеличение содержания меди на
24,24…50,0 % по отношению к контрольному варианту (рис. 14).
15
Происходит также снижение содержания тяжелых металлов в подвижной
форме: кадмия на 20,05…57,89 %, свинца в среднем на 26,87 %, цинка на
37,5…54,68 %. Однако, содержание меди увеличивается на 30 % по отношению
к контрольному варианту (рис. 15).
Рис. 14. Содержание тяжелых металлов в валовой форме в почвенном слое 0–20 см
на площадках полигона полевого опыта, мг/кг
Рис. 15. Содержание тяжелых металлов в подвижной форме в почвенном слое 0–20 см
на площадках полигона полевого опыта, мг/кг
Снижение содержания ТМ в валовой форме (потери) обусловлены их вымыванием в нижележащие слои под действием вносимых растворов фермента,
в подвижной форме это связано с адсорбирующими процессами почвенных мицелл, природой вносимого ферментативного комплекса как органического вещества, а также активацией метаболических процессов у почвенных микроор16
ганизмов, о чем свидетельствует повышение ферментативной активности почвы.
При возврате земель в сельскохозяйственный оборот требуется биологическая рекультивация. Для этой цели используют многолетние травы, способные
развивать мощную корневую систему и накапливать в ризосфере микробную
массу – микоризу. В лабораторных условиях были испытаны семена растения
костреца безостого Bromopsis inermis (Leyss) Holub на всхожесть и ростовые
процессы при обработке ферментным препаратом. Первые всходы появились
на третьи сутки в емкостях, обработанных растворами фермента. Массовые
всходы оформились на 4–5 сутки. Всхожесть 100 %. В контролном опыте, без
обработки растворами фермента, первые единичные всходы растений появились только на 5–6 сутки. Всхожесть составила 87 %. Интенсивность фотосинтеза определяется продуцированием органического вещества и идентифицируется по накоплению сухого вещества в зеленых частях растений. Растения в сосудах с почвой, обработанной растворами фермента, равномерно расположены
по поверхности, одинакового роста, окраска листьев зеленая, поддерживалось
тургесцентное состояние, количество биомассы растений наблюдалось на 25 %
больше, чем в контроле.
Для проведения ферментативной биостимуляции почвы разработана конструктивно-технологическая схема комбинированной установки, предназначенная для внутрипочвенного внесения фермента (рис. 16).
Рис. 16. Схема установки для внесения ферментативных реагентов
17
Комбинированная установка состоит из: 1 – цистерны – емкости для раствора фермента; 2 –
распределительного устройства; 3 – прикатывающих роликов; 4 – распределителя форсунок
для внесения в почву раствора фермента; 5 – помпы для создания давления и перемешивания
раствора фермента; 6 – ножевых дисков; 7, 8, 9 – гидравлических цилиндров; 10 – рамы; 11 –
шарнирного устройства с дополнительным распределителем.
Принимая во внимание исследования растворов ферментов класса оксигеназ как мощных биокатализаторов, можно сделать вывод, что они улучшают
аэрацию почвы, обеспечивают интенсивное развитие почвенной микрофлоры,
способствующей оптимизации пищевого режима почвы и, как следствие,
улучшают рост и развитие растений.
Таким образом, в результате проведенных исследований могут быть даны
следующие методические рекомендации по применению ферментативной биостимуляции почвы. При рекультивации земель целесообразно определить водовместимость грунта слоем не менее 20 см. Это позволит уйти от обустройства дренажа для отвода фильтрационных вод, что важно при использовании
данного способа в других почвенно-климатических районах. Для равномерного
распределения по поверхности и проникновения раствора фермента в толщу
грунта на глубину 20 см необходимо провести выполаживание поверхности и
ее дискование.
Состав работ включает:
- приготовление раствора фермента в концентрации 7,5 мг/л в объеме воды, соответствующей водовместимости почвогрунта в слое глубиной до 20 см;
- раствор фермента равномерно распределяют по поверхности рекультивируемого участка или вносят внутрипочвенно;
- для проведения ферментативной стимуляции почвы при рекультивации
объектов захоронения твердых бытовых отходов рекомендуется использовать
предложенную комбинированную установку, предназначенную для внутрипочвенного внесения раствора фермента;
- через 10 дней проводят дискование почвы и повторное внесение раствора
фермента в том же объеме и концентрации, что обеспечит увеличение содержания в почве фермента – уреазы. Далее периодичность внесения раствора фермента составляет один раз в месяц.
.
В пятой главе «Оценка величины предотвращенного экологического
ущерба в результате загрязнения окружающей среды» представлены обзор
методик в области оценки предотвращенного экологического ущерба окружающей среде и результаты расчета эколого-экономического эффекта при применении технологии ферментативной биостимуляции почв на объекте захоронения твердых бытовых отходов.
Оценка величины предотвращенного экологического ущерба земель в результате применения ферментативной биостимуляции почвы полигона ТБО
выполнена согласно «Временной методики определения предотвращенного
экологического ущерба», утвержденной Государственным комитетом Россий18
ской Федерации по охране окружающей среды (Данилов-Данильян В.И., 1999)
по формуле:
n
п
У прс = SUM (Нс ·Si· Кэ · Кп),
i=1
п
где У прс – оценка величины предотвращенного ущерба от захламления
земель i-й категорией отходов (i = 1, 2, 3, ..., n) за отчетный период времени
(тыс. руб./год); Si – площадь земель (га), где загрязнение от захламления отходами i-го вида за отчетный период времени удалось предотвратить; Нс – норматив стоимости земель, тыс. руб./га; Кэ – коэффициент экологической ситуации
и экологической значимости территории; Кп – коэффициент для особо охраняемых территорий.
За расчетный период времени был принят период эксплуатации земельного
участка (1972–2014 гг.). Период поступления загрязнений с фильтратом отходов в почву составляет 42 года. Результаты расчета оценки величины предотвращенного ущерба земель от размещения отходов в результате применения
ферментативной биостимуляции почвы представлены в табл. 1.
Таблица 1. Исчисление в стоимостной форме оценки величины
предотвращенного ущерба земель от размещения отходов в результате
применения ферментативной биостимуляции почвы
Показатель
Si, га,
i = 173
Нс, тыс. руб./га;
Кэ
Кп
Уппрс
Уппрс, на площади 1 га
Объект размещения отходов
106
174
1,9
1,0
254 626 797,6
2 402 139,6
В качестве эколого-экономического эффекта принята разность между величиной предотвращенного ущерба от загрязнения почв на объектах захоронения ТБО, размер которого определяется в соответствии с утвержденной государственной методикой и прямыми затратами на реализацию мероприятий по
рекультивации земель. Прямые затраты на реализацию этапов биостимуляции
почв площадью 1 га на объекте захоронения отходов составили 292 197,6 руб.
Предотвращенный экологический ущерб от размещения отходов на площади 1
га составил 2 402 139,6 руб., эколого-экономический эффект от применения технологии ферментативной биостимуляции почв на объектах захоронения твердых
бытовых отходов составляет 2 109 942 руб./га.
19
ВЫВОДЫ
1. Анализ тенденций развития исследований в области рекультивации почв
на техногенных объектах показывает, что приоритет по показателям экологоэкономической эффективности отводится биотехнологическим методам санации почв. Обоснована перспективность и целесообразность разработки способа
ферментативной биостимуляции при рекультивации объектов захоронения
твердых бытовых отходов.
2. Выполненное определение исходного уровня загрязнения почвы на городской свалке ТБО г. Волжского, показало, что почвы в исходном состоянии
характеризуются хлоридно-сульфатным типом засоления, сильно засоленные с
содержанием ионов солей, равным 1,19 %. Значения содержания тяжелых металлов превышают допустимые концентрации: в валовой форме по кадмию на
10 % в слое 20–30 см, по свинцу на 78,12 % в слое почвы 0–20 см; в подвижной
форме - по меди на 10 % в слое почвы 0–50 см.
3. Впервые обоснован выбор в качестве биостимуляторов ферментов класса оксигеназ и разработан способ рекультивации земель. Теоретически обосновано применение ферментативной биостимуляции почв и установлены оптимальные концентрации вносимых растворов ферментов - 2,5–7,5 мг/л. Результаты лабораторных опытов показали интенсификацию микробиологических
процессов, связанных с ферментативной активностью почвы, по следующим
показателям: активность инвертазы возрасла на 30,17…95,09 %, уреазы – на
276,20…420,63 %, каталазы – на 10,13…14,86 %. С учетом степени иммобилизации фермента обоснована периодичность и концентрация его внесения в почву: 1 раз в месяц при концентрации 7,5 мг/л.
4. Выполнена оценка влияния ферментативной биостимуляции на экологическое состояние почвы при ее рекультивации на объектах захоронения твердых бытовых отходов. Как показали полевые исследования, внесение растворов
ферментов обусловливает снижение содержания подвижных форм тяжелых металлов и ионов солей в сравнении с контрольным вариантом. Выявлено снижение содержания кадмия на 20,05…57,89 %, свинца на 26,87 %, цинка на
37,5…54,68 %. Снижение содержания хлорид-ионов составило 6,66…19,26 %,
ионов кальция - 47,64…58,64 %.
5. Для оценки безопасности применения растворов фермента были проведены лабораторные исследования его фитотоксичности с использованием костреца безостого Bromopsis inermis (Leyss) Holub. По результату исследований
определено, что количество биомассы растений в вариантах с применением
растворов фермента больше, чем в контрольном на 25 %.
6. Установлены закономерности изменения ферментативной активности
почвы как индикатора активизации микробиологических процессов при содержании водорастворимых ионов солей и тяжелых металлов в почве. Применение
ферментативной биостимуляции почвы в полевых исследованиях выявило увеличение ферментативной активности почвы по показателям: активность инвертазы – на 29,20 %, уреазы – на 9,19 %, каталазы – на 14,0…20,0 %. Анализ ферментативной активности почвы в полевых опытах показал, что через 3 года по20
сле начала эксперимента возросла активность каталазы, и почва, по шкале
сравнительной оценки активности ферментов, из разряда «бедной обогащенности» этим ферментом перешла в разряд «средней обогащенности»; акитивность
ферментов инвертазы и уреазы также увеличилось, хотя почва и осталась в разряде бедной обогащенности.
7. Выполнен расчет эколого-экономической эффективности применения
способа ферментативной биостимуляции для рекультивации почв на объектах
захоронения твердых бытовых отходов. Предотвращенный экологический
ущерб от размещения отходов в результате применения разработанного способа составил 2 402,140 тыс. руб./га и 254 626,800 тыс. руб. для площади всего полигона захоронения ТБО. Разработаны рекомендации по проведению ферментативной биостимуляции почвы при рекультивации земель с применением растворов фермента класса оксигеназ.
21
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:
1. Морозова, Н.В. Микробиологическая детоксикация земель под свалками твердых бытовых отходов / Л.И. Сергиенко, Н.В. Морозова
// Аграрная наука. – 2012. – № 2. – С. 14–16 (0,35/0,17 п. л.)
2. Морозова, Н.В. Ферментативная активность почв на полигонах твердых бытовых отходов / Л.И. Сергиенко, Н.В. Морозова // Аграрная наука. –
2013. – № 1. – С. 10–11 (0,25/0,12 п. л.)
3. Морозова, Н.В. Биологическая рекультивация земель на полигонах захоронения твёрдых бытовых отходов / Л.И. Сергиенко, Н.В. Морозова
// Экология урбанизированных территорий. – 2014. – № 1. – С. 49–53
(0,5/0,25 п.л.)
4. Морозова, Н.В. Оценка комплексного риска для здоровья населения
при многокомпонентном загрязнении окружающей среды в городах Волгоградской области / Д.С. Сухоносенко, Д.М. Гасанова, Н.В. Морозова // Известия
высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. –
2014. – № 5. – С. 88–93. (0,7/0,23 п.л.)
5. Морозова, Н.В. Оценка субъективного восприятия источников опасности населением г. Волжского и Волгограда / Д.С. Сухоносенко, Е.А. Кононенко,
Н.В. Морозова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Общественные науки. – 2014. – № 5. – С. 25–32. (0,7/0,23 п.л.)
6. Морозова, Н.В. Сравнительный анализ субъективного восприятия источников опасности населением крупного города Волжского и малого города
Николаевска / Д.С. Сухоносенко, О.А. Объедкова, Н.В. Морозова
// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер. Общественные науки. – 2015. – № 4 (188). – С. 42–49. (0,9/0,3п.л.)
7. Морозова, Н.В. Рекультивация почвы методом ферментативной биостимуляции на объекте захоронения / С.Я. Семененко, Н.В. Морозова
// Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее
профессиональное образование. – 2017. – № 3 (47). – С. 78–85. (0,9/0,5 п.л.)
8. Морозова, Н.В. Использование ферментативной биостимуляции для рекультивации почвы / С.Я. Семененко, Н.В. Морозова // Агрохимия. – 2018. –
№ 8. – С. хх. (0,9/0,5 п.л.)
в других изданиях:
9. Морозова, Н.В. Утилизация твердых бытовых отходов – неотложная
задача для г. Волжского / Н.В. Морозова // XI Межвузовская научнопрактическая конференция молодых ученых и студентов, г. Волжский, майиюнь 2005 г.: тезисы докладов. – Волгоград: Волгоград. науч. изд-во, 2005. – С.
229–230. (0,1 п.л.)
10. Морозова, Н.В. Утилизация ТБО – неотъемлемая задача для города
Волжского / Н.В. Морозова // X Региональная конференция молодых исследо22
вателей Волгоградской области, Волгоград, 8–11 ноября 2005 г.: тезисы докладов. – Волгоград: ВолгГАСУ, 2006. – С. 86–88. (0,1 п.л.)
11. Морозова Н.В. Применение ферментных препаратов для рекультивации почв под городскими свалками на примере г. Волжского
/Н.В. Морозова // XII Межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов, г. Волжский, 15–18 мая 2006 г.: тезисы докладов. –
Волгоград: Волгоград. науч. изд-во, 2007. – С. 224–226. (0,1 п.л.)
12. Морозова, Н.В. Строительство мусороперерабатывающего завода в
г. Волжском как неотложная задача благоустройства города / Н.В. Морозова //
XI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 8–10 ноября 2006 г.: тезисы докладов. – Волгоград: ВолгГАСУ,
2007. – С. 136–138. (0,1 п.л.)
13. Морозова Н.В. Концепция обращения с твердыми бытовыми отходами
на территории Волгоградской области и ее реализация на примере г. Волжского
/ Н.В. Морозова // Эколого-экономические проблемы Южного макрорегиона:
материалы круглого стола, г. Волгоград, 30 марта 2010 г.: Волгоград: Изд-во
ВолГУ. – 2010. – С. 32–35. (0,2 п.л.)
14. Морозова, Н.В. Экологические аспекты утилизации твердых бытовых
отходов / Н.В. Морозова // Молодые ученые и студенты к 55-летию города
Волжского: XV Межвуз. науч.-практ. конф. молодых ученых и студентов,
г. Волжский, 25–30 мая 2009 г.: тезисы докладов. – Волгоград: Волгоград. науч.
изд-во, 2010. – С. 128–129. (0,1 п.л.)
15. Морозова, Н.В. Экологические проблемы захоронения твердых бытовых отходов и возможность их решения на примере г. Волжского
/ Н.В. Морозова // Экономическая модернизация: макро-, мезо- и микроуровни.
Проблемы и перспективы устойчивого развития региона: материалы Регион.
науч.-практ. конф., г. Волжский, 9 ноября 2010 г. – Волгоград: Изд-во ВолГУ,
2010. – С. 176–184. (0,52 п.л.)
16. Морозова, Н.В. Опыт утилизации твердых бытовых отходов за рубежом и возможность его применения в г. Волжском / Н.В. Морозова // Экологическая оптимизация регионального хозяйства: материалы круглого стола, г.
Волгоград, 30 марта 2011 г.: Волгоград: Изд-во ВолГУ 2011. – С. 149–152. (0,15
п.л.)
17. Морозова, Н.В. Аналитический обзор современных технологий утилизации твердых бытовых отходов и критерии их выбора для г. Волжского / Н.В.
Морозова // Проблемы и перспективы устойчивого развития региона: материалы VIII регион. науч.-практ. конф., г. Волжский, 29–30 ноября 2011 г. – Волгоград: Изд-во ВолГУ , 2011. – С. 98–102. (0,23 п.л.)
18. Морозова, Н.В. Лимитирующие факторы проведения биологической
санации почв на городской свалке твердых бытовых отходов на примере
г. Волжского / Н.В. Морозова // XVI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 8–11 ноября 2011 г.: тезисы
докладов. – Волгоград: ВолгГАСУ, 2012. – С. 28–30. (0,17 п.л.)
23
19. Морозова, Н.В. Биологическая рекультивация земель на объектах захоронения твердых бытовых отходов на примере г. Волжского / Н.В. Морозова //
XVIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: тезисы докладов, Волгоград, 5–8 ноября 2013 г. Направление № 16 «Архитектура, строительство и экологические проблемы». – Волгоград: ВолгГАСУ,
2014. – С. 8–10. (0,17 п.л.)
20. Морозова, Н.В. Биостимуляция почв на объекте захоронения отходов
ферментативным комплексом / Н.В. Морозова // Проблемы устойчивого развития и эколого-экономической безопасности региона: материалы XI Региональной научно-практической конференции, 16 апреля 2015 г., г. Волжский / редкол. М.М. Гузев, А.В. Плякин, М.В. Леденева. – Волгоград: Изд-во ВолГУ,
2015. – С. 155–158. (0,2 п.л)
21. Морозова, Н.В. Изменение биохимической активности почвы урбанизированных территорий под воздействием ТМ / В.А. Кушпрак, Н.В. Морозова //
Проблемы устойчивого развития и эколого-экономической безопасности региона: материалы XII Межрегиональной научно-практической конференции, 10,
18 марта 2016 г., г. Волжский / редкол.: М.М. Гузев, М.В. Леденева, А.И. Кочеткова. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2016. – С. 125–128. (0,2/01 п.л.)
22. Морозова, Н.В. Влияние возгорания травяного покрова (пала) на состояние и процесс восстановления почвы Волго-Ахтубинской поймы
/ А.В. Бондарев, Н.В. Морозова // Проблемы устойчивого развития и экологоэкономической безопасности регионов: материалы XIII Межрегиональной
научно-практической конференции, г. Волжский, 30–31марта 2017 г.
/ редкол.: М.М. Гузев, А.И. Кочеткова ; ВГИ (филиал) ВолГУ. – Волгоград:
Изд-во ВолГУ, 2017. – С. 168–172. (0,26/0,13)
24
Для заметок
25
Морозова Наталия Владимировна
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ БИОСТИМУЛЯЦИЯ ПОЧВ
ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОБЪЕКТОВ ЗАХОРОНЕНИЯ
ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Специальность: 06.01.02 «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
В авторской редакции
Подписано в печать 28.06.2018 г. Формат 60*84/16
Бумага офсетная. Гарнитура Тайм. Усл. печ. л.
Тираж 100 экз. Заказ №
26
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 124 Кб
Теги
отходов, ферментативного, бытовые, объектов, почва, биостимуляции, захоронения, твердых, рекультивация
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа