СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОБОСНОВАННОЙ НОРМЫ ВНЕСЕНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД ДЛЯ УДОБРЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК A01C21/00 C05F7/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и экологии и может быть использовано как для эффективной утилизации осадков, так и для улучшения плодородия почв, используемых для возделывания сельскохозяйственных культур, в том числе садов и виноградников, при посадке и выращивании древесно-кустарниковой растительности на землях лесного фонда, озеленения территорий муниципальных образований, в том числе санитарно-защитных зон промышленных предприятий за счет внесения экологически обоснованной дозы осадков сточных вод или удобрений на их основе.

Уровень техники

Известен способ очистки и утилизации осадков сточных вод (далее -ОСВ), заключающийся в том, что механически обезвоженные и обеззараженные путем анаэробного сбраживания в метантенках ОСВ вносятся под основную обработку почвы машинами для разбрасывания органических удобрений типа КСО-9, РОУ-5, ПРТ-10, ПРТ-16 и др., агрегатируемых с тракторами соответствующего класса, и запахиваются на глубину 25-27 см под кормовые культуры и на глубину 20-22 см под зерновые на фураж. В основу расчета доз ОСВ положена оценка уровня химического загрязнения почвы комплексом тяжелых металлов (ТМ), которая проводится по показателям коэффициента концентрации химического вещества Кс, определяемого отношением его реального содержания в почве (С_ТМ) к фоновому и суммарному показателю загрязнения почвы (С_Ф). Для соблюдения гигиенических требований допустимая норма ОСВ составляет в среднем 15-20 т/га по сухому веществу. При повышении дозы ОСВ до 25-30 т/га величина суммарного загрязнения почвы ТМ возрастает до верхнего предела уровня слабого загрязнения [1].

Недостатком приведенного способа является учет только валовых форм тяжелых металлов, что не дает полной картины при оценке их переноса в сопредельные среды. При этом отношение к содержанию ТМ в фоновых почвах является трудноопределимых, так как нет четкой градации для определения фоновых почв. Помимо этого не учтены микробиологические показатели и лимит на содержание в почвах азота.

Известен способ очистки и утилизации механически обезвреженных и термофильно сброженных осадков сточных вод, заключающийся в том, что механически обезвоженные и термофильно сброженные осадки сточных вод вносят в почву на глубину 25-27 см под кормовые культуры и на глубину 20-22 см под зерновые на фураж в дозах, дополнительно откорректированных с учетом фонового и предельно допустимого содержания тяжелых металлов в почве с предварительным анализом их химического состава и проверкой его на соответствие требованиям: органическое вещество не менее 40% зольность не более 60% азот не менее 1,6% фосфор (Р₂О₅) не менее 0,6% калий (К₂Щ) не менее 0,2% от массы сухого вещества; патогенная микрофлора и яйца гельминтов отсутствуют.

Недостатком этого способа является отсутствие учета крайних лимитов по увеличению азота в почвах и подвижных форм тяжелых металлов. Так же не учтены допустимые пределы для содержания в почвах различных микроорганизмов, например, обобщенные колиморфные бактерии (ОКБ) и энтерококки фекальные, содержание которых допустимо в пределах 9 КОЕ/г, что может снизить санитарные требования к ОСВ по этим показателям.

Известен способ, приведенный в ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Технические условия». По предлагаемому способу при расчете дозы внесения ОСВ или удобрений из них учитывается валовое содержание тяжелых металлов, корректировка дозы по срокам использования на одном участке.

Недостатком данного способа определения является отсутствие учета допустимых пределов для содержания в почвах различных микроорганизмов, также не учитывается возможное изменение подвижных форм тяжелых металлов в почвах при внесении ОСВ, отсутствует учет лимитов по внесению минерального азота с удобрением, также нет четко прописанной последовательности определений.

Наиболее близким прототипом (аналогом) предлагаемого способа определения норм внесения ОСВ и удобрений из них является способ, описанный в документе «Типовой технологический регламент использования осадков сточных вод в качестве органического удобрения» [4], где предполагается на основании лабораторных исследований химического состава удобряемых почв и применяемых осадков сточных вод на валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка, производить расчет дозы допустимого поступления в почву с последующей корректировкой по содержанию азота.

Недостатком данного способа является отсутствие учета допустимых пределов для содержания в почвах различных микроорганизмов, также не учитывается возможное изменение подвижных форм тяжелых металлов в почвах при внесении ОСВ, нет корректировки по длительности применения ОСВ, также недостаточно четко прописана последовательность определений.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является увеличение плодородия земель, предназначенных для выращивания растений на сельскохозяйственных и несельскохозяйственных угодьях за счет внесения экологически обоснованной нормы осадков сточных вод или удобрений на их основе.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:

- предотвращение загрязнения экосистемы соединениями тяжелых металлов, бенз(а)пирена, мышьяка и жизнеспособными яйцами гельминтов и патогенной микрофлорой при использовании ОСВ в качестве удобрений,

- увеличение плодородия земель за счет внесения ОСВ или удобрений на их основе с высоким содержанием органического вещества, макро- и микроэлементов,

- экологически благоприятный, безопасный и высокоэффективный способ утилизации ОСВ, накопленных на иловых картах муниципальных очистных сооружений.

Технический результат достигается за счет учета всех возможных показателей, влияние которых может привести к неблагоприятным экологическим последствиям в процессе использования ОСВ или удобрений на их основе. Для реализации такого учета, согласно изобретению, необходимо произвести отбор и анализ проб планируемых к использованию ОСВ. Анализ ОСВ должен производиться по следующим контролируемым показателям:

1) микробиологические и паразитологические: обобщенные колиформные бактерии (ОКБ), энтерококки фекальные, патогенные бактерии, в т.ч. сальмонеллы, жизнеспособные яйца гельминтов, опасные для человека и животных, цисты (ооцисты) патогенных кишечных простейших, личинки и куколки синантропных мух, патогенные вирусы,

2) валовое содержание загрязняющих веществ: свинец, кадмий, никель, хром, цинк, медь, ртуть, бенз(а)пирен, мышьяк,

3) подвижные формы тяжелых металлов: свинец, кадмий, никель, хром, цинк, медь,

4) содержание азота (минерального), фосфора (подвижная форма), калия,

5) содержание органического вещества: методы определения органического вещества в органических удобрениях,

6) солевую и водную активность ионов водорода-рН.

Технический результат реализуется следующим образом. Согласно данных лабораторных исследований устанавливается соответствие ОСВ требованиям стандартов. В случае если содержание органического вещества в ОСВ менее 20%, производится их «обогащение» за счет добавления органических компонентов с расчетом, чтобы содержание органического вещества в конечном продукте составляло не менее 30%. Рекомендуемые компоненты смеси и их соотношение приведено на фигуре 1. Процедура подготовки таких удобрений к внесению на поля предполагает придание им допустимой по однородности и фракционному составу структуры. Схема подготовки удобрений к использованию приведена на фигуре 2. В соответствии с ней ОСВ загружается погрузчиком (экскаватором или иным техническим средством) 1 на ленточный транспортер 2, который доставляет ОСВ в барабанный грохот 3, где происходит отделение крупных включений, присутствующих в массе ОСВ (куски кирпича, камней, тряпок и т.д.). После грохочения ОСВ совместно с добавками, размещенными в специальных емкостях 4, подается в валковую дробилку 5, в которой его доводят до необходимого размера фракций (рекомендуемый размер 0,25-5 мм) и происходит процесс смешивания ОСВ с добавками. Подготовленное таким образом удобрение подается в разгрузочный контейнер 6, из которого отводится в бурты 7.

После прохождения процедуры регистрации агрохимиката, он получает статус «удобрения» и его можно использовать на землях сельскохозяйственного назначения, лесного фонда и др. в экологически обоснованных нормах внесения при допустимой длительности применения. Расчет экологически обоснованных норм осуществляется исходя из химических и микробиологических показателей удобряемых почв, и производится в следующей последовательности.

Определение допустимой нормы внесения удобрений по микробиологическим показателям по формулам (1)-(3):

при ,

где НВ_БПi - допустимая норма внесения удобрений по i-му микробиологическому и паразитологическому показателю, т/га;

ДС_i - допустимое содержание i-того контролируемого микробиологического, паразитологического показателя, КОЕ/г;

С_Фi - фоновое содержание j-того контролируемого микробиологического, паразитологического показателя в почве, КОЕ/г;

С_БПi - содержание i-го контролируемого показателя в удобрении, КОЕ/г;

m - масса пахотного слоя почвы (4) либо почвы, используемой под посадку растения (5), в пересчете на сухое вещество, т.

Масса пахотного слоя почвы определяется по формуле:

где m - масса пахотного слоя почвы 1 га удобряемого участка, т/га;

10 - переводной коэффициент, учитывающий совместный перевод площади 1 га в м² и килограммов в тонны;

h - мощность пахотного слоя, м;

d - объемная масса (плотность) почвы, кг/м³.

В случае расчета массы почвы на любой посадочной площади, например, при посадке деревьев в случае прецизионного удобрения:

где ь-масса удобряемого слоя почвы, т;

S - площадь удобряемого участка, м²;

h - глубина удобряемого слоя почвы, м.

Конечная допустимая норма внесения принимается, исходя из наименьшей из числа определенных по каждому показателю:

Допустимая норма внесения химических веществ с удобрением на их основе определяется с учетом их фактического содержания в почвах до внесения по формулам (7)-(9):

при ,

где НВ_ХПш - допустимая норма внесения удобрения по i-му контролируемому химическому веществу (в т.ч. ТМ в валовой и подвижной форме), т/га;

ПДК_i - предельно допустимая концентрация i-того контролируемого химического вещества, при отсутствии утвержденных ПДК в расчете используется ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) загрязнения в почве, мг/кг;

С_Фi - фоновое содержание в почве i-того нормируемого химического вещества, мг/кг.

С_ХIIi -содержание /'-го контролируемого химического вещества в удобрении, мг/кг.

Из полученных данных выбирают минимальное значение, которое и определяет предельно допустимую норму внесения удобрения:

где НВхп-конечная норма внесения удобрения, исходя из соблюдения показателей качества почв по химическим веществам (в т.ч. ТМ в валовой и подвижной формах), т/га.

Допустимую норму внесения определяем, исходя из минимального значения:

где НВ_ЭП - экологически обоснованная норма внесения удобрения, т/га.

В конечном варианте определенная экологически обоснованная норма внесения должна быть откорректирована с учетом предполагаемого периода использования удобрения на определенном участке. Удельная (разовая) норма внесения удобрения определяется по формуле:

где Т - максимально возможный период использования удобрения на рассматриваемом участке, определяется в зависимости от величины НВ_ЭП:

- при НВ_ЭП<500 т/га - максимальный срок внесения-10 лет,

- при НВ_ЭП от 500 т/га до 1500 т/га - 20 лет,

- при НВ_ЭП от 1500 т/га до 2000 т/га - 30 лет,

- при НВ_ЭП от 2000 т/га до 3000 т/га - 40 лет,

- при НВ_ЭП>3000 т/га - 50 лет.

Следует отметить, что в случае обнаружения превышения любого из контролируемых показателей в удобряемых почвах, наличие того же показателя в удобрении, пусть даже в минимальных количествах делает внесение их недопустимым.

В качестве экологического показателя на заключительном этапе расчета определяем соответствие удобрения экологическим требованиям, исходя из содержания минерального или минерализуемого азота в них. Не допускается внесение в течение одного вегетационного периода минерального или минерализуемого азота в количестве, превышающем вынос азота урожаем возделываемых культур. Максимально возможная удельная норма внесения удобрения по содержанию минерального азота в нем определяется по формулам (13)-(15).

Расчет выноса азота урожаем производят по формуле:

где В_N - вынос азота годовым урожаем, кг/га;

У - среднестатистический (или планируемый) урожай, т/га;

C_N-содержание азота в основной и побочной продукции, кг/т.

Определение удельной нормы внесения осадков при содержании в них минерального азота более 0,7% в пересчете на сухое вещество [4]:

где Д_N - максимально допустимая норма внесения сухого вещества удобрения по минеральному азоту, т/га;

С_Nмин . - содержание минерального азота в удобрении, % сухого вещества.

При содержании минерального азота менее 0,7% расчет удельной нормы внесения удобрения проводится по формуле [4]:

где Д_N - максимально допустимая норма внесения сухого вещества удобрения по общему азоту, т/га;

К_B - коэффициент возмещения выноса азота, определяется в зависимости от плодородия почв (таблица 1);

К_И - коэффициент использования азота из удобрения, определяется в зависимости от его вида: 1) смесь осадка и избыточного активного ила - 0,4, 2) аэробно стабилизированный осадок-0,25, 3) сброженный осадок - 0,15, 4) осадок с иловых площадок - 0,15, 5) компосты на основе осадка - 0,15, 6) смесь осадка с органическими добавками -о пределяется экспериментально в зависимости от принятого соотношения компонентов;

С_Nобщ. - содержание общего азота в удобрении, % от сухого вещества.

За конечную удельную норму внесения удобрения принимаем:

Для удобства расчета предлагается ведение его в программе Microsoft Office Excel.

Осуществление изобретения.

Исходный участок относится к землям сельскохозяйственного назначения, предназначенный для выращивания сельскохозяйственных культур, расположен: ст. Мишкинская Аксайский район, Ростовская область. Почвы представлены черноземом южным. Микробиологические показатели почв представлены в таблице 2.

Качественный анализ почв на присутствие загрязняющих веществ приведен в таблице 3.

Качественный анализ удобряемых почв на содержание гумуса и питательных веществ представлен в таблице 4.

Для получения нормы внесения в тоннах на гектар, определяем массу пахотного слоя почвы по формуле (4):

Применяемое удобрение получено на основе осадков сточных вод, отобранных с иловых карт очистных сооружений канализации (ОСК) Новошахтинского производственного отделения ООО «Водные ресурсы», трехлетнего срока пребывания. Представляет собою субстрат по виду похожий на сапропель, без неприятного запаха. Микробиологические показатели удобрения на основе ОСВ представлены в таблице 5.

Качественный анализ удобрений из ОСВ на присутствие загрязняющих веществ

Качественный анализ удобрений из ОСВ на содержание питательных веществ приведен в таблице 7.

При определении нормы внесения удобрения из ОСВ учитывается номенклатура содержащихся в нем химических веществ и микроорганизмов. В случае отсутствия какого-либо компонента из приведенного перечня в составе удобрения из ОСВ, расчет по нему не ведется, даже если в почве этот компонент присутствует. Определение нормы внесения, исходя из микробиологических показателей почв и удобрений из ОСВ с учетом действующих нормативов приведен в таблице 8.

Определение нормы внесения, исходя из содержания в почвах микроэлементов и загрязняющих веществ, и химического состава применяемых удобрений из осадков сточных вод с учетом действующих нормативов приведено в таблицах 9 и 10.

Определим конечную экологически обоснованную норму с учетом всех составляющих компонентов (микробиологических и химических загрязнений) по формуле (11):

Исходя из величины экологически обоснованной нормы-НВ_ЭП, допустимая длительность применения удобрения из ОСВ 20 лет. Согласно формуле (12) определяется разовая норма внесения удобрения из ОСВ:

При внесении разовой нормы удобрения из ОСВ содержание минерального или общего азота в почвах не должно превышать величину предполагаемого выноса с урожаем возделываемых сельскохозяйственных культур. Поэтому производим расчет нормы внесения удобрения из ОСВ, исходя из стопроцентного покрытия предполагаемого выноса азота растениями за период их вегетации. Определение количества потенциально возможного выноса азота зерновыми культурами производим, исходя из среднестатистической урожайности в Ростовской области - 3,5 т/га и содержания азота в основной и побочной продукции - 28,57 кг/т (расчет произведен согласно рекомендаций, приведенных в издании «Зональные системы земледелия Ростовской области на 2022-2026 годы. Ростов-на-Дону: Альтаир, 2022. 736 с») по формуле (13):

Учитывая, что количество минерального азота в почве менее 0,7% в пересчете на сухое вещество, расчет нормы внесения по азоту удобрений из ОСВ производим по формуле (15):

Конечную удельную норму внесения удобрения из ОСВ принимаем согласно условиям формулы (16), получим - 52,27 т/га. Удельная норма в рассматриваемом примере будет внесена перед посевом сельскохозяйственных культур единовременно.

Список использованных источников

1. RU 92001318 А МПК C05F 7/00 Сергиенко Л.И. Способ очистки и утилизации осадков сточных вод. Дата подачи заявки: 1992.10.16. Опубликовано: 1995.01.20.

2. RU 2092010 С1 МПК А01С 21/00 C05F 7/00 Сергиенко Л. И. Очистка и утилизация механически обезвреженных и термофильно сброженных осадков сточных вод. Дата подачи заявки: 1992.10.16. Опубликовано: 1997.10.10.

3. ГОСТ Р 54651-2011. Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Технические условия.

4. Типовой технологический регламент использования осадков сточных вод в качестве органического удобрения. М., 2000. 12 с.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для улучшения плодородия почв. Способ включает лабораторные исследования химического состава удобряемых почв и применяемых удобрений из осадков сточных вод на валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка, исходя из чего производится расчет дозы допустимого поступления их в почву с последующей корректировкой по содержанию азота. Качественный анализ почв и удобрений из осадков сточных вод включает определение содержания бенз(а)пирена, ртути, подвижных форм тяжелых металлов, микробиологических и паразитологических показателей. С учетом всех составляющих производится определение допустимой нормы внесения удобрений по химическому, микробиологическому и паразитологическому показателям в т/га, максимально возможной экологически обоснованной нормы внесения и допустимой длительности применения на одном участке, по выражению НВосв = min {НВт; Д_N}, где НВт = НВ_ЭП/Т - удельная, разовая норма внесения удобрения, где НВ_ЭП - экологически обоснованная норма внесения удобрения, т/га, и Т - максимально возможный период использования удобрения на рассматриваемом участке, НВ_ЭП = min {НВ_БП, НВ_ХП}, где НВ_БП - конечная норма внесения, исходя из соблюдения показателей качества почв по микробиологическому показателю, т/га; НВхп - конечная норма внесения, исходя из соблюдения показателей качества почв по химическим веществам, в том числе тяжелых металлов в валовой и подвижной формах, т/га; Д_N - максимально допустимая норма внесения сухого вещества удобрения, определяемая по минеральному или общему азоту, т/га с учетом его выноса с годовым урожаем, кг/га - В_N и содержанием в удобрении в минеральной форме (C_Nмин.) или общего количества (С_Nобщ.), % от сухого вещества. Способ является экологически благоприятным, безопасным и высокоэффективным для утилизации ОСВ, накопленных на иловых картах муниципальных очистных сооружений, обеспечивает предотвращение загрязнения экосистемы соединениями тяжелых металлов, бенз(а)пирена, мышьяка и жизнеспособными яйцами гельминтов и патогенной микрофлорой при использовании ОСВ в качестве удобрений, увеличение плодородия земель за счет внесения ОСВ или удобрений на их основе с высоким содержанием органического вещества, макро- и микроэлементов. 2 ил., 10 табл.

Способ определения экологически обоснованной нормы внесения осадков сточных вод для удобрения земель, включающий лабораторные исследования химического состава удобряемых почв и применяемых удобрений из осадков сточных вод на валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка, исходя из чего производится расчет дозы допустимого поступления их в почву с последующей корректировкой по содержанию азота, отличающийся тем, что качественный анализ почв и удобрений из осадков сточных вод включает определение содержания бенз(а)пирена, ртути, подвижных форм тяжелых металлов, микробиологических и паразитологических показателей, после чего с учетом всех составляющих производится определение допустимой нормы внесения удобрений по химическому, микробиологическому и паразитологическому показателям в т/га, максимально возможной экологически обоснованной нормы внесения и допустимой длительности применения на одном участке, по выражению НВосв = min {НВт; Д_N}, где НВт = НВ_ЭП/Т - удельная, разовая норма внесения удобрения, где НВ_ЭП - экологически обоснованная норма внесения удобрения, т/га, и Т - максимально возможный период использования удобрения на рассматриваемом участке, НВ_ЭП = min {НВ_БП, НВ_ХП}, где НВ_БП - конечная норма внесения, исходя из соблюдения показателей качества почв по микробиологическому показателю, т/га; НВхп - конечная норма внесения, исходя из соблюдения показателей качества почв по химическим веществам, в том числе тяжелых металлов в валовой и подвижной формах, т/га; Д_N - максимально допустимая норма внесения сухого вещества удобрения, определяемая по минеральному или общему азоту, т/га с учетом его выноса с годовым урожаем, кг/га - В_N и содержанием в удобрении в минеральной форме (C_Nмин.) или общего количества (С_Nобщ.), % от сухого вещества.