Efficiency of Application of Municipal Wastewater Sludge During Reclamation of Oily Gray Forest Soil

Alina A. Utombaeva; Утомбаева Алина Александровна; Tatyana V. Kuznetsova; Кузнецова Татьяна Васильевна; Anatoly A. Vershinin; Вершинин Анатолий Андреевич; Erik R. Zainulgabidinov; Зайнулгабидинов Эрик Ренатович; Andrey M. Petrov; Петров Андрей Михайлович

doi:10.36906/2311-4444/23-3/10

Efficiency of Application of Municipal Wastewater Sludge During Reclamation of Oily Gray Forest Soil

Authors: Utombaeva A.A.¹, Kuznetsova T.V.¹, Vershinin A.A.¹, Zainulgabidinov E.R.¹, Petrov A.M.¹
Affiliations:
1. Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences(SBE IPEM TAS)
Issue: No 3 (2023)
Pages: 113-126
Section: Ecology and nature management
URL: https://vestnik.nvsu.ru/2311-1402/article/view/321312
DOI: https://doi.org/10.36906/2311-4444/23-3/10
ID: 321312

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Under the conditions of a model experiment, the effect of granular sludge of urban wastewater on the characteristics of reclaimed gray forest medium-carbonaceous soil with different levels of oil pollution was studied. The main physicochemical and microbiological characteristics of wastewater sludge, information on the content of biogenic elements, toxicity and efficiency of petroleum products destruction in soil samples incubated with and without granulate under different approaches to reclamation are presented. The introduction of granulate of wastewater sludge into oily gray forest medium-carbonaceous soil enriches the microbial pool, leads to an increase in the carbon content of the microbial mass. The additional introduction of biogenic elements with granular sediment of wastewater increases the resistance of microbocenoses to pollutant, reduces the time for restoration of properties and fertility of oily soil. It has been shown that the introduction of granular sewage sludge into soil samples containing 2.7–19.7 g/kg of petroleum products at the rate of 10 t/ha leads to 1.7–2.5-fold intensification of destruction processes, reduces the toxic effect of the pollutant, which indicates the possibility of its effective use in the reclamation of oily soils.

Keywords

sewage sludge, soil, petroleum products, reclamation, toxicity, plants, microbial pool, biogenic elements

Full Text

Несмотря на попытки всемирного развития «зеленой энергетики», потребление нефти и продуктов ее трансформации в качестве топлива и ресурса для нефтехимической и химической промышленности не только не сокращается, но и увеличивается. В процессе добычи, транспортировки и хранения нефтепродуктов (НП) происходят их аварийные и технологические разливы, что приводит к загрязнению окружающей среды. Вопросы, касающиеся восстановления нефтезагрязненных земель, поднимаются давно, но до сих пор не потеряли своей актуальности. В настоящее время методы биологической рекультивации рассматриваются как наиболее перспективные. Относительно традиционных физико-химических методов почвенной ремедиации во многих случаях эти методы являются наиболее дешевыми и эффективными.

Усмановым с соавторами в процессе исследовательских работ было установлено, что загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами приводит к изменению скорости роста и развития растений [19], показано, что высокие концентрации нефтепродуктов приводят к замедлению развития или гибели растений, что связано с нарушениями водного обмена, затруднением поступления питательных веществ, кислородным голоданием [18].

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами требует проведения комплекса рекультивационных мероприятий, направленных на восстановления свойств и плодородия почв, скорейшее возвращение в хозяйственную деятельность земельных ресурсов.

Рекультивационные мероприятия наряду с приемами технической рекультивации, могут включать внесение повышающих окислительную активность почвенных микроорганизмов органических и минеральных удобрений, посадку растений, обогащение почвы специально селекционированными микробными комплексами, другие направленные на интенсификацию деструкционных процессов в нефтезагрязненной почве приемы. Проведение восстановительных, в том числе фиторекультивационных мероприятий, повышает скорость окисления поллютанта, интенсивность процессов восстановления свойств нефтезагрязненных почв [10; 13]. Фиторемедиация включает весь спектр метаболических процессов по поглощению, аккумуляции и разложению поллютантов, обеспечивает стабильное протекание процесса биологического распада углеводородов при относительно невысокой стоимости затрат, не требует снятия плодородного слоя почвы, может применяться на больших площадях. Развитие корневой системы растений улучшает газообмен в глубинных слоях почвы, способствует развитию нефтеокисляющей микробиоты в естественной среде [13].

Рост численности населения крупных городов России приводит к увеличению, образующихся в процессе очистки сточных вод опасных для окружающей среды и здоровья человека осадков, что требует поиска путей их безопасной утилизации.

Во многих странах мира практикуется внесение осадков городских сточных вод (ОСВ) в почву в качестве удобрения, поскольку они содержат большое количество азота, фосфора и других веществ, необходимых для питания растений, богаты органическими веществам [15; 17].

Однако вносить в почву необработанные осадки сточных вод следует с осторожностью. Всегда существует опасность загрязнения грунтовых вод и почв тяжелыми металлами, патогенной микрофлорой, яйцами гельминтов, дурно пахнущими веществами, которые имеются в составе осадков и илов [2; 17].

Невозможность прямого вторичного использования содержащих биологически доступное органическое вещество и биогенные элементы ОСВ определяется необходимостью их предварительного обеззараживания. Термомеханическая обработка осадков решает данную проблему, что позволяет рассматривать обработанный осадок как гранулированный продукт, который может быть использован при рекультивации загрязненных и деградированных почв, в качестве органо-минерального удобрения. Правильное применение ОСВ в качестве комплексных органо-минеральных удобрений, богатых азотом, фосфором и калием позволяет рентабельно повышать плодородие исходно бедных почв и урожайность культур [1].

Цель исследования – изучить влияние внесения гранулированного осадка городских сточных вод на характеристики серой лесной среднесуглинистой почвы в зависимости от уровня нефтяного загрязнения и выбранного подхода к рекультивации.

В эксперименте использовали серую лесную среднесуглинистую почву имеющую следующие характеристики: гумус – 4,4%; органическое вещество – 2,8%; pH_вод – 6,25; P (P₂О₅) _подв – 10,3 мг/100 г; K(К₂О)_подв – 8,1 мг/100 г; N_вал – 0,21%.

Почвы были искусственно загрязнены парафинистой, сернистой смолистого типа нефтью Ямашинского месторождения. Содержание НП в исходных опытных образцах составляло: 2,7 г/кг; 6,1 г/кг; 14,4 г/кг; 19,7 г/кг в вариантах В1, В2, В3, В4, соответственно.

С целью изучения возможности интенсификации процессов восстановления свойств нефтезагрязненной почвы в работе был использован термомеханически обработанный ОСВ МУП «Водоканал» г. Казани в виде достаточно устойчивого к влаге гранулята (далее «Гранулят»).

Гранулят характеризуется высоким содержанием биологически доступных органических веществ (табл. 1), отсутствием гельминтов и патогенной микрофлоры [22] и фактически является комплексным органо-минеральным удобрением, с потенциальной возможностью стимуляции почвенных микробиологическихпроцессов [12].

Таблица 1. Основные характеристики гранулята ОСВ

Влажность, %	Орг. в-во, %	Зольность, %	N_общ., %	Р_общ., %	К_общ., %	Р_подв., мг/кг	рН_сол.	Класс опасности
6,3	60,4	39,6	3,0	1,5	0,18	2000	6,2	IV

Проведенный эксперимент включал три параллельных опыта, в которых исследовались (табл. 2):

– чистые и загрязненные нефтью почвенные образцы без гранулята (опыт Т);

– чистые и загрязненные нефтью почвенные образцы, содержащие гранулят из расчета 10 т/га (опыт М);

– чистые и загрязненные нефтью почвенные образцы, содержащие гранулят из расчета 10 т/га в которые была посажена смесь растений (опыт Ф).

Проводимые опыты условно обозначены: Т – техническая рекультивация; М – микробиологическая рекультивация; Ф – фито-микробиологическая рекультивация.

В опыте Т контролем (К) служила чистая почва, в опытах М и Ф чистая почва с гранулятом.

Таблица 2. Варианты опытов

Т	М	Ф
Чистые и загрязненные нефтью почвенные образцы	Чистые и загрязненные нефтью почвенные образцы, содержащие гранулят из расчета 10 т/га
42 суточная инкубация в условиях перемешивания и увлажнения	42 суточная инкубация в условиях перемешивания и увлажнения	42 суточное культиви-рование растений в условиях увлажнения

В эксперименте в качестве опытных емкостей использовали пластиковые горшки диаметром 11 см и объемом 550 мл, содержащие по 400 г почвы. Количество повторностей в каждом варианте – 3. Инкубирование почв проводили в лабораторных условиях в течение 6 недель при температуре 19–25^оС, влажности 20–25%, 16-часовом освещении фитолампами с интенсивностью 4000 люкс. Пробы Т и М в ходе эксперимента периодически перемешивались.

Выбор растений для лабораторно-вегетационного опыта определялся результатами ранее проведенных исследований [20]. В опыте Ф была использована смесь из двух растений: однодольного – рожь посевная (Secale cеreale L.) и двудольного – вика посевная (Vicia sativa L.), которые высевали в почвенные образцы в соотношении 1:1 (6 + 6 растений). Местоположение вегетационных сосудов ежедневно меняли. Через 14 суток инкубации в каждой емкости оставляли по 6 растений (3 + 3). На 42 сутки эксперимента растения аккуратно удаляли, а почвенные образцы анализировали.

Качественный и количественный состав микроорганизмов изучали методом посева почвенной суспензии на диагностические среды с использованием общепринятых методов [9]. Содержание углерода микробной биомассы (Смик) определяли согласно [3–5].

Определение содержания валовых форм азота и фосфора проводили по [14], подвижного фосфора по ГОСТ 26204-91 [6]. Содержание НП в почве определяли ИК-спектрофотометрическим методом на анализаторе КН-2м [16]. Определение острого токсического действия проводили согласно ФР.1.39.2006.02264 [21] на трех тест-растениях: пшеница обыкновенная (Triticum vulgare L.); рожь посевная (Secale cеreale L.); вика посевная (Vicia sativa L.).

Режим термомеханической обработки ОСВ МУП «Водоканал» г. Казани обеспечивает получение гранулята, характеристики которого не ограничивают возможность его использования в качестве удобрения под зерновые, зернобобовые, зернофуражные и технические культуры, в промышленном цветоводстве, зеленом строительстве, лесных и декоративных питомниках, для биологической рекультивации нарушенных земель и полигонов ТБО [7; 8; 22].

Гранулят ОСВ содержит необходимые для развития растений и почвенных микроорганизмов органические вещества и биогенные элементы [11], что существенно повышает ценность получаемого продукта (табл. 1), содержит широкий перечень микроорганизмов, способных обогатить микробоценозы нарушенных в ходе сельскохозяйственной деятельности, при антропогенном и техногенном воздействии земель (табл. 3).

Таблица 3. Микробиологические характеристики гранулята ОСВ

Микроорганизмы	Количество, КОЕ/г абс. сух. массы
Гетеротрофные	1·10⁹
Углеводородокисляющие	29.5·10⁶
Актиномицеты	4.9·10⁷
Микромицеты	≤100
Бактерии, утилизирующие минеральный азот	1.0·10⁸
Целлюлозоразрушающие	0.5·10⁴
Нитрификаторы	1

Начальное содержание (Н) углерода микробной массы (Смик) в образцах серой лесной почвы практически линейно зависело от дозы внесенной нефти (рис. 1). Начальное содержание Смик в почвенных образцах с гранулятом достоверно не отличалось от образцов без гранулята.

Рис. 1. Содержание углерода микробной биомассы в зависимости от концентрации поллютанта и подхода к рекультивации серой лесной почвы

Инкубирование почвенных образцов опыта Т не привело к значительному росту Смик, содержание которого также линейно зависело от дозы, исходно внесенной в почвенные образцы нефти.

В отличие от опыта с технической рекультивацией, в опыте М максимальное содержание Смик была зарегистрировано в варианте с минимальной испытанной концентрацией поллютанта (В1), с последующим снижением значений Смик по мере увеличения содержания НП в почве. В вариантах В1–В3 опыта Ф содержание Смик имело близкие значения. В вариантах В4 во всех опытах концентрация Смик отличалась незначительно.

Инкубация нефтезагрязненных образцов приводила к увеличению численности большинства исследованных групп микроорганизмов, однако в опытах с гранулятом она была выше, чем в образцах без гранулята (табл. 4). Гранулят ингибировал рост бактерий, утилизирующих минеральный азот (БУМА), стимулировал развитие гетеротрофных (ОМЧ), углеводородокисляющих (УОМ), целлюлозоразрушающих (ЦР) микроорганизмов и нитрификаторов, численность последних в вариантах В1 и В2 опыта М была в десятки, а опыта Ф в сотни раз выше, чем в опыте без гранулята. В вариантах с максимальным содержанием поллютанта (В4) влияние гранулята на микробный пул в опытах нивелируется.

Таблица 4. Изменение численности микроорганизмов в нефтезагрязненных образцах с гранулятом и без после их 42 суточного инкубирования (кратность относительно начального содержания, раз)

Группы микроорганизмов	Варианты
	В1			В2			В3			В4
	Т	М	Ф	Т	М	Ф	Т	М	Ф	Т	М	Ф
ОМЧ	2,3	5,4	6,1	0,9	3,2	2,6	1,5	3,7	3,0	1,1	1,1	1,2
УОМ	2,0	2,0	4,4	1,6	2,1	2,5	1,2	2,3	1,6	1,7	1,2	2,2
Актиномицеты	1,2	0,4	0,3	0,1	0,2	0,3	0,1	0,8	0,3	0,04	0,01	0,1
Микромицеты	1,2	23,6	31,1	1,1	22,8	26,3	1,3	12,7	24,5	1,1	0,9	12,7
БУМА	1,8	0,5	0,3	0,6	0,3	0,3	2,4	0,6	0,2	2,6	0,4	0,3
ЦР	1,7	7,2	9,1	0,2	3,0	3,8	0,5	2,9	4,6	0,8	0,04	1,2
Нитрификаторы	8,0	86,0	138,5	1,0	32,0	139,6	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0

Численность микроорганизмов в опытных образцах после инкубации в целом согласуется с результатами определения содержания Смик.

Учитывая роль биогенных элементов в функционировании почвенного биоценоза и деструкции поллютантов, представлялось важным проследить за изменением их содержания в процессе инкубации.

Внесение гранулята в исходную почву приводило к увеличению валового содержания азота в образцах К-В4 на 14–25%, при отсутствии корреляции между содержанием азота и НП в почве. Валовое содержание фосфора в образцах после внесения гранулята также повысилось, причем в вариантах В3 и В4 значительно, увеличение составило 59% и 39%, соответственно.

В вариантах опыта Т после инкубирования валовое содержание азота и фосфора в пробах практически не изменилось (рис. 2). Содержание N_вал в опытах с гранулятом было закономерно выше, чем без него. Причем в большинстве образцов после культивирования растений оно было выше, чем в опыте с микробиологической рекультивацией. Валовое содержание фосфора в опытах М и Ф после инкубации было выше, чем в опыте без гранулята.

Рис. 2. Валовое содержание азота и фосфора (Р₂О₅) в почвенных образцах после эксперимента

Следует отметить, что доля подвижных форм фосфора в опытах с гранулятом также была выше, чем в опыте без него (табл. 5).

Таблица 5. Доля подвижных форм фосфора в почвенных образцах после эксперимента

Варианты	Опыты
Варианты	Т	М	Ф
К	0,07	0,11	0,10
В1	0,05	0,10	0,09
В2	0,03	0,09	0,09
В3	0,05	0,07	0,06
В4	0,04	0,09	0,10

Результаты проведенных анализов показали, что в вариантах, исходно содержавших 2,7 г/кг нефтепродуктов, эффективность их деструкции во всех опытах имела близкие значения. При более высоких концентрациях поллютанта в присутствии гранулята интенсивность разложения НП была в 1,7–2,5 раза выше (рис. 3). В опыте Ф, в отсутствие перемешивания почвы в вариантах В3 и В4 скорость разложения поллютанта была ниже, чем в опыте М.

Рис. 3. Эффективность деструкции нефтепродуктов при разных подходах к рекультивации серой лесной почвы

Наряду со снижением содержания НП во всех опытах наблюдалось уменьшение токсичности по отношению ко ржи посевной и вике посевной (рис. 4, 5). После инкубирования все варианты опыта Ф были не токсичны для ржи посевной, при этом в вариантах В1 и В2 наблюдалась стимуляция роста корней (рис. 4). Хотя конечное содержание нефтепродуктов в опытах с микробиологической и фито-микробиологической рекультивацией сопоставимо, в вариантах В3 и В4 опыта М сохраняется токсическое действие поллютанта на растения (фитоэффект более 20%). В опыте без гранулята (Т) в вариантах В2-В4 зарегистрировано острое токсическое действие на рожь посевную.

Рис. 4. Влияние остаточного содержания нефтепродуктов на рост корней ржи посевной (Н – токсичность нефтезагрязненных проб до инкубирования)

После инкубации незначительная токсичность для вики посевной проявлялась в варианте В3 опыта Т и варианте В4 опыта Ф. При микробиологической рекультивации варианты В1 и В2 оказывали стимулирующее действие на рост корней вики, а в остальных вариантах опыта токсичность отсутствовала (рис. 5).

Рис. 5. Влияние остаточного содержания нефтепродуктов на рост корней вики посевной

Хотя исходные загрязненные нефтью образцы для пшеницы обыкновенной были менее токсичны, чем для ржи и вики, после инкубации большинство почвенных образцов ингибировали рост корней пшеницы, причем токсичность в вариантах В2-В4 опыта М, была выше, чем вредное воздействие исходных нефтезагрязненных образцов (рис. 6).

Рис. 6. Влияние остаточного содержания нефтепродуктов на рост корней пшеницы обыкновенной

Полученные результаты еще раз подтверждают более высокую устойчивость ржи и вики посевных в сравнении с пшеницей обыкновенной к токсичному действию нефти и продуктов ее трансформации [20].

Проведенные исследования показали, что внесение гранулята осадков сточных вод в нефтезагрязненную серую лесную среднесуглинистую почву обогащает микробный пул, приводит к увеличению содержания углерода микробной массы.
Дополнительное внесение с гранулированным осадком сточных вод биогенных элементов повышает устойчивость микробоценозов к поллютанту, сокращает сроки восстановления свойств и плодородия нефтезагрязненной почвы.
В присутствии гранулята интенсифицируются процессы окисления содержащихся в почве нефтепродуктов, эффективность деструкции которых определяется, как их концентрацией, так и выбранным подходом к биологической рекультивации.
Сопоставление токсичности почвенных образцов с разным уровнем нефтяного загрязнения после технической, микробиологической и фито-микробиологической рекультивации показало, что ответная реакция на остаточное содержание поллютанта зависит от вида, выбранного в качестве тест-объекта растения.
Результаты проведенных опытов позволяют выбрать наиболее экономически и экологически эффективную технологию рекультивации почв при разных уровнях их нефтяного загрязнения.
Использование осадков сточных вод городских очистных сооружений в виде гранулированного продукта позволит утилизировать опасный для окружающей среды отход, снизить затраты и получить дополнительный экологический эффект при рекультивации нефтезагрязненных почв.