ПОВЫШЕНИЕ БИОЭНЕРГЕТИКИ ПОЧВ РОССИИ

Салова Т.Ю.¹, Громова Н.Ю.²

¹Доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (ФГБОУ ВО СПбГАУ), ²Кандидат технических наук, Тверской государственный технический университет (ФГБОУ ВО ТвГТУ)

ПОВЫШЕНИЕ БИОЭНЕРГЕТИКИ ПОЧВ РОССИИ

Аннотация

Проведена оценка безопасности техногенных почв Тверского региона  в рамках биомониторинга методом биотестирования. Предложена модель рекультивации почв, в основе которой лежат методы биоконверсии техногенных отходов, гумификации почв, биотестирования. Метод биотестирования проводится с использованием наиболее устойчивого тест растения. Эффективные гумифицированные продукты используются для повышения содержание органического вещества почв и продуктивности энергетических растений и снижения материальных и энергетических затрат на рекультивацию почв.

Ключевые слова: почвы, мониторинг, биотестирование, гумификация, рекультивация.

Salova T.Yu.¹, Gromov N.Yu.²

¹PhD in Engineering, Saint-Petersburg agrarian University, ²PhD in Engineering, Tver state technical University

INCREASING BIOPOWER OF RUSSIAN SOILS

Abstract

The author has estimated the safety of technogenic soils in the Tver region as a part of biomonitoring with the help of biotesting method. A model of soil reclamation is proposed as well, it is based on bioconversion methods of man-made wastes, humification of soils, and biotesting; the biotesting method includes the most stable tests of plants. Effective humified products are used to increase the organic matter content of soils and the productivity of energy plants and to reduce the material and energy costs for soil reclamation.

Keywords: soils, monitoring, biotesting, humification, reclamation.

Производство энергии из возобновляемых источников, включая биомассу, динамично развивается в большинстве европейских стран. Значительное внимание в мире уделяется проблеме переработки биомассы с целью получения биотоплива с использованием биоэнергетического сырья (высокопродуктивных неприхотливых к выращиванию растений). Выращивание таких культур (многолетние травы, рапс, соя, подсолнечник, кукуруза, мискантус, свитчграс, ива, тополь и другие) зависит от типа почв, местонахождения участка и доступа к влаге, вида ландшафта и его плодородия. Энергетические растения  используются в  системах (Швеции и Дании) отопления комбинированного производства тепловой и электрической энергии.

Почвы являются универсальным регулятором состояния стабильности природных экосистем, качество которых оценивается ее плодородием, индексом биологического разнообразия, продуктивностью растений.

Антропогенная деятельность приводит к интенсивному накоплению токсичных отходов в поверхностном слое почвы, где происходит постепенное их депонирование, что в свою очередь, приводит к изменению химических и физико-химических свойств почвенно-биотического комплекса, к изменению видового разнообразия, гибель или угнетению наиболее чувствительных видов, нарушению миграции подвижных элементов питания, угнетению (изреженности) растительного покрова.

Оценку безопасности функционирования техногенных систем во многих странах (Германии, Франции, Великобритании, Канаде, США, Японии и других) проводят методом биотестирования. При длительном воздействии токсичных веществ, живые организмы испытывая стресс, суммируют все без исключения биологически важные изменения. Выявить начало снижения защитных функций живых организмов бывает чрезвычайно трудно.

Возобновление органического вещества почв в естественных биоценозах за счет эффективных гумифицированных продуктов позволит ускорить процесс гумификации, повысить продуктивность энергетических растений и снизить материальные и энергетические затраты на гумификацию почв [1, С.32].

Биотестирование природных и техногенных почв Твери проводили в соответствие с Международным стандартом ИСО 11269-2 с помощью тест растений, типичных для данного региона и оценка миграции основных биогенных элементов (азота) методом меченых атомов.

В качестве объектов исследования использовали следующие варианты почв Тверского региона: строительный песок (контроль 1), почвы известного состава (ТУ 0391-030-57302407-05) (контроль 2), техногенные почвы неизвестного состава: санитарно-защитные зоны ТЭЦ-1 (зона 3), Механического завода (зона 4), природные дерново-подзолистые почвы. Основные агрохимические показатели контроля 2 pH = 5,5-6,5, содержание азота - 300-550 мг/кг, фосфора (P₂O₅) - 300-550 мг/кг, калия (K₂O) - 450-850 мг/кг. Биотесты почв – семена растений ячменя, кресс – салата.

При мониторинге почв Тверского региона интегральную оценку изменений в почвенно-биотическом комплексе природных и техногенных систем проводили методом биотестирования (Рис. 1).

Рис. 1 - Изменение длины корней и стеблей салата при поливе: а) дистиллированной, б) водопроводной водой

В контрольных субстратах развитие корневой системы и надземной вегетативной массы салата при поливе дистиллированной и водопроводной водой происходит равномерно (Рис. 1 а, б). Длина корней и стеблей в контроле 2 в два раза больше, чем в контроле 1, что связано с присутствием как минеральной, так и органической составляющей почвы. В техногенных зонах 3 и 4 при поливе дистиллированной водой рост корней замедляется ≈ в 1,5 раза, а стеблей не изменяется. При этом замедление роста корней в зоне 4 больше, чем в зоне 3 (Рис. 1а). При поливе водопроводной водой длина корне в зоне 4 увеличивается, а в зоне 3 уменьшается. Длина стеблей изменяется незначительно (Рис. 1б). Присутствие минеральных солей в воде стимулирует рост корней и тем самым снижает негативное действие техногенной зоны 4. При поливе водой из реки Тьмака наблюдается уменьшение длины корневой системы ячменя. На рост корней и стеблей салата смена водопроводной воды на речную воду не оказывает влияния.

В связи с тем, что влияние антропогенного фактора не одинаково на рост корней и стеблей тест растений в работе было изучено влияние типа воды на степень прироста (Рис. 2 а, б).

Анализируя данные, представленные на рисунке 2 а можно заметить, что степень прироста салата во всех зонах меньше, чем в контрольных субстратах и уменьшается в ряду при поливе речной водой: Зона 3 › зона 4 › зона 1. Таким образом, при биотестировании техногенных зон г. Твери в данной работе выявлено, что наибольшую опасность для здоровья людей представляют зоны, расположенные вблизи тепловых электростанций (ТЭЦ-3 или ТЭЦ -1). Наиболее загрязнена река Тверца в устье р. Волга, что согласуется с санитарно-токсикологическими показателями качества.

Рис. 2 - Изменение степени прироста тест растений а) салата, б) ячменя при поливе водой: 1 –дистиллированной, 2 – водопроводной, 3 – речной

 

Для повышения качества техногенных почв используют травянистые растения семейства бобовых. По результатам исследований были выбраны наиболее опасные почвы (санитарно-защитных зон ТЭЦ-3, ТЭЦ-1, экскаваторного завода, механического завода) для формирования стабильного фитоценоза.

Биологический этап рекультивации этих почв предложено проводить с помощью гумифицированной почвы, полученной анаэробной ферментацией эффективными микроорганизмами целлюлозо-лигниновых отходов (ЭМ-технологии)  [2, С.233].

Для получения гумифицированного продукта по инновационной технологии (ЭМ-технологии) использовали сообщество эффективных микроорганизмов, которые содержатся в биологически активном препарате «Тамир», и целлюлозо- лигнинсвые отходы:пищевые отходы, промышленные (опилки), сельскохозяйственные (солома ячменя).

Препарат «Тамир» разработан на основе японского аналога ЭM Waste Treatment и предназначен для ускоренной утилизации бытовых и сельскохозяйственных отходов (остатков пищи, ботвы, сорных растений), а также для восстановления дренажа, устранения неприятных запахов [3, С.270]. Основным преимуществом анаэробной ферментативной переработки целлюлозо-лигниновых отходов от других систем утилизации является минимальная затрата энергии на процесс ферментации и производство дополнительной энергии в виде биогаза. Установка получения гумифицированных продуктов занимает небольшую площадь и, благодаря герметичности ферментаторов, в атмосферный воздух не выделяются токсичные выбросы. Для перемешивания субстрата при ферментации используется гидравлическая система, система подачи биомассы в реактор в зависимости от влажности гумифицированного продукта осуществляется при помощи насосов (при 85 - 98 %-й влажности) или шнекового устройства (при 75 - 80%-й влажности). Получаемый биогаз – побочный продукт производства, собирается во внешних газгольдерах и используется виде топлива на технологические нужды (подогрев воды в теплообменнике), что позволяет снизить долю энергетических затрат в себестоимости готовой продукции. В основе методологии количественной оценки факторов риска лежат принципы безопасного и стабильного функционирования экосистем путем регулярных наблюдений (мониторинга биосферы или техносферы) в пространстве и времени по приоритетным стандартным показателям безопасности [4].

По проведенным результатам исследования предложена модель рекультивации почв, в основе которой лежат методы биоконверсии техногенных отходов, гумификации почв, биотестирования.

1. Оценку безопасности функционирования техногенных систем целесообразно проводить методом биотестированием с использованием наиболее устойчивого тест растения, затем провести подготовку техногенной почвы к посеву тест культур внесением гумификатора.
2. Внесение гумифицированной почвы в техногенную почву ускоряет корнеобразование, всхожесть, цветение, плодоношение. Эффективность действия гумификатора почв оценивается приростом урожая тест культур. Процесс рекультивации заканчивается формированием стабильного фитоценоза.

Список литературы / References

1. Салова Т.М. Основная обработка почвы и урожай /Т.М. Салова, Ю.С. Адомяко //Земледелие. -1985. - №7. – С. 31-32.
2. Громова Н.Ю., Салова Т.Ю. Техногенные системы и экологический риск / Н.Ю. Громова, Т.Ю. Салова //Санкт-Петербург: Политехнический университет. –2011. –305 с.
3. Громова Н.Ю. Влияние гумифицированного продукта на рост и развитие тест растений в техногенных системах /Н.Ю. Громова // Энергетический вестник Санкт-Петербургского аграрного университета. – Санкт-Петербург. – 2010. – C. 259-272.
4. Способ получения гумифицированной почвы / Салова Т.Ю., Громова Н.Ю., Громова Е.А. // Бюллетень изобретений и полезных моделей. – 2014. – № 6. – Пат. РФ № 2508281.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Salova T.M. Osnovnaya obrabotka pochvy i urozhay [Basic Soil Cultivation and Harvest] / T.M. Salova, Yu.S. Adomyako // Zemledeliye [Agriculture] – 1985. – No 7. – P. 31-32. [In Russian]
2. Gromova N.Yu., Salova T.Yu. Tekhnogennye sistemy i ekologicheskiy risk [Technogenic Systems and Environmental Risk] / N.Yu. Gromova, T.Yu. Salova // St. Petersburg: Polytechnic University. - 2011. -305 p. [In Russian]
3. Gromova N.Yu. Vliyaniye gumifitsirovannogo produkta na rost i razvitiye test rasteniy v tekhnogennykh sistemakh [Influence of Humified Product on Growth and Development of Test Plants in Technogenic Systems] / N.Yu. Gromova // Energeticheskiy vestnik Sankt-Peterburgskogo agrarnogo universiteta [Enegretic Bulletin of the St. Petersburg Agrarian University] – St. Petersburg. - 2010. - P. 259-272. [In Russian]
4. Sposob polucheniya gumifitsirovannoy pochvy [Method for Obtaining Humified Soils] / Salova T.Yu., Gromova N.Yu., Gromova EA // Bulleten izobreteniy i poleznykh modeley [Bulletin of Inventions and Utility Models]. - 2014. - No. 6. - Pat. No. 2508281. [In Russian]