ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОРФЯНЫХ БОЛОТВ КАЧЕСТВЕ ПРИЕМНИКОВ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ Н. П. Ахметьева, Е. Е Лапина

В статье дается описание и оценка опытов по определению сорбционной емкости низинного и верхового торфа по отношению к биогенным веществам (соединениям азота, калия и фосфора) Европейской Нечерноземной зоны России.

В Нечерноземной зоне России торфяники распространены достаточно широко, составляя около 12 % территории. В последние годы их использование сводится к рекреационным целям - охоте, сбору ягод, лекарственных растений; в незначительной степени они используются как топливо для тепловых станций и отопления помещений, как сырье для строительных материалов, в качестве органических удобрений, начинают их использовать в медицине и косметике. В предлагаемой статье рассматривается вопрос об использовании торфяных болот в качестве приемников животноводческих стоков.

В центральных районах России торфяные болота издавна использовались для сброса в них сельскохозяйственных и промышленных отходов. Авторы статьи на протяжении последних десяти лет занимались изучением болот Тверской и Московской областей в различных аспектах, в том числе и утилизацией в них животноводческих и бытовых отходов. На примере небольших низинных и верховых болот в Конаковском районе Тверской области изучены процессы сорбции азотных соединений, калия, минерального фосфора, а также сульфатов и хлоридов; для низинного торфяного болота «Вешка» подсчитан баланс основных биогенных элементов, проведены круглогодичные наблюдения за изменением дебита и химического состава воды дрены, отводящей болотные воды в речку Крутец [1, 2].

Опыты проводились на монолитах торфа, отобранных вручную из шурфов посредством металлических цилиндров высотой 10 см и диаметром 8 см. Через образцы, отобранные с одной и той же глубины, проливались растворы N-NO3, К и Р различной концентрации. Фильтрат из образца поступал в сосуд, откуда с интервалом 10-15 минут отбирались пробы воды (для определения концентрации исследуемых веществ). Когда концентрация исходного и профильтрованного растворов становились одинаковыми, опыт заканчивался. В высушенных образцах торфа определяли количество сорбированного вещества (в пересчете на 100 г сухой породы) и строили графики зависимости сорбированного вещества от его концентрации в исходном растворе. Полученные кривые - изотермы Ленгмюра - характеризуют полную, максимально возможную величину сорбции при заданной концентрации вещества в растворе [3]. Всего было выполнено около 200 опытов. Время проведения одного опыта в среднем - около суток.

Низинный торф для исследований отбирали с глубины 0,3-0,4 м из болота Вешка. Его ботанический состав представлен древесными остатками (45 %), осоками (25 %), гип- новыми мхами (15 %), травами (10 %), сфагновыми мхами (5 %). Торф отличался высокой зольностью (40 %) и степенью разложения органического вещества (около 50 %). Согласно построенной изотерме Ленгмюра (рис. 1а), максимальная сорбция N-NO3 составляет 30 мг на 100 г сухого торфа (или 2,14 мг-экв/100г), которая достигается при исходной концентрации в 360 мг/л N-NO3 . Такие высокие концентрации нитратов в природных водах почти не встречаются, следовательно, и величина сорбции нитратов обычно

не достигает 30 мг/100г. При концентрации N-NO3 в 100 мг/л возможная сорбция равна 8-10 мг N-NO3 на 100 г породы.

alt="" />

Рис. 1. Изотермы Ленгмюра для низинного (а) и верхового торфа (б) (нитратный азот)

Верховой торф из Шумновского болота отбирали с глубины 0,1-0,2 м. Его ботанический состав - пушицево-сфагновый с редкими древесными остатками, зольность торфа 3-4 %.

Аналогичные опыты были проведены для калия (К). Максимальное поглощение К верховым торфом со степенью разложения около 20 % происходит при концентрации раствора в 3500 мг/л К и составляет 3200-3300 мг/100 г торфа (или 80-85 мг-экв/100 г). Проведенные опыты с низинным торфом болота Вешка не дали столь четкой характеристики сорбционных свойств. При одной и той же концентрации раствора К в 430 мг/л были получены значения сорбции, различающиеся в 1,5-3 раза (от 99 до 377 мг/100 г). По этим данным можно сказать лишь ориентировочно, что емкость сорбции К низинным торфом со степенью разложения 50 % составляет около 280 мг/100 г торфа (или 7,2 мг- экв/100 г). Полученные характеристики сорбции можно объяснить либо тем, что испытуемые образцы торфа отбирались на различной глубине, на неоднородных участках болота, либо ошибками потенциометрического метода определения К в лаборатории.

Проведены опыты и по определению сорбционных способностей фосфора (Р). Трудность изучения Р заключается в том, что различные его формы находятся в непрерывном взаимодействии [4]. Мы изучали сорбцию минерального Р, количество которого в торфе составляет 15-25 % от валового содержания. Исследованы сорбционные свойства подвижного минерального Р, экстрагированного по методу Кирсанова (т.е. солянокислого фосфора Ркирс), и водорастворимого минерального Р. Через образцы торфа ненарушенной структуры с естественной влажностью пропускались растворы гранулированного суперфосфата заданной концентрации. Исходный раствор получен путем растворения 20 г суперфосфата в литре дистиллированной воды, где содержание минерального Р составило 2150 мгР/л.

Рис. 2. Изотермы Ленгмюра для верхового торфа (болото Шумновское)

Сорбция водорастворимого Р имеет следующие закономерности: наибольшей сорбцией обладает верховой торф, вплоть до 320 мгР/100 г торфа (или 11 мг-экв/100 г) при концентрации раствора 2150 мгР/л. Низинный торф обладает низкой сорбционной емкостью. Она почти не зависит от концентрации исходного раствора и составляет 4-7 мгР/100 г торфа.

Рис. 3. Изотермы Ленгмюра для низинного торфа (болото Вешка)

Таким образом, наши опыты показали, что верховой торф по сравнению с низинным обладает большей максимальной сорбционной емкостью по отношению к соединениям азота, фосфора и калия, что не противоречит данным других исследователей [5, 6]. Аналогичные опыты проводились для изучения сорбционных свойств сульфатов и хлоридов. Установлено, что эти вещества обладают низкой сорбционной способностью. Они весьма мобильны и вследствие этого могут служить маркерами для определения ареалов распространения в болотных или грунтовых водах таких загрязнителей среды, как городские свалки или склады минеральных удобрений.

В низинное болото Вешка сбрасывают животноводческие стоки от фермы крупного рогатого скота (около 300 голов), свинофермы (около 380 свиней) и силосной ямы.

Анализы воды из пруда показывают, что вода здесь наиболее чистая. Временами содержание К здесь более 12 мг/л (ПДК по нормам ЕС для калия), однако содержание

N-NO3 не превышает 1.0 MrN/л, а P-PO4 - 0,3 мг/л. Анализ воды на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой показал, что она содержит повышенное количество Sr, что свидетельствует о подтоке напорных вод известняков верхнего карбона в торфяную залежь. Подток пресных чистых вод карбона следует рассматривать как положительное явление, так как эти воды разбавляют повышенные концентрации загрязняющих веществ, поступающих с окрестных животноводческих ферм.

Таблица 1

Гидрохимическая характеристика сточных, болотных и поверхностных вод

Примечание: * приводится по [5].

Много внимания уделено изучению химического состава и дебиту ручья-дрены, вытекающей из болота. Нами проводились режимные наблюдения, позволившие определить вынос биогенных веществ из болота, и с другой стороны - рассмотреть вопрос о возможном загрязнении реки Крутец. Пробы воды отбирали из истоков ручья, в 0,1; 0,3 и 0,6 км ниже по течению, а также в р. Крутец в течение трех лет (2005-2007). Анализ данных говорит о том, что вниз по течению ручья происходит сокращение содержания некоторых показателей: уменьшается цветность воды, содержание Cl-, SO42-, N-NO3- и N-NH4 +, а также К+. На рис. 4 представлена межгодовая и сезонная изменчивость цветности и калия в дрене (точка отбора на расстоянии 0,3 км от истока).

Рис. 4. Межгодовая и сезонная динамика цветности (градусы по Pt-Co шкале) и калия (мг/л) в дрене

(болото Вешка) в период 2005-2007 годы

Из рисунка видно, что за указанное время концентрации выносимого из болота калия колебались в пределах 7-124 мг/л, величины цветности - 17-150 градусов.

Данные режимных наблюдений легли в основу расчета баланса по N, K и P для болота Вешка. Учитывались процессы, происходящие в болоте - привнос загрязнений

за счет животноводческих стоков, силосной ямы, за счет разгрузки загрязненных грунтовых вод и поверхностного стока. Вынос загрязнения из болота подсчитывался за счет денитрификации, поглощения биогенных веществ растительностью, выноса веществ дреной-ручьем [2]. По нашим расчетам, использование болота Вешка в качестве приемника животноводческих стоков может длиться в течение 100-120 лет (т.е. еще 30-40 лет). Определение времени сохранности болота при имеющемся уровне антропогенной нагрузки по В. И. Косову и В. В. Панову (только по азоту) дает еще меньшую цифру [8]. В дальнейшем болото может стать источником загрязнения водной среды окружающей территории.

Литература Ахметьева Н. П., Лапина Е. Е., Кудряшова В. В. Сорбционные свойства пород зоны аэрации и их роль в защите грунтовых вод от загрязнения // Геоэкология. - 2006. - №4. - С. 337-341. Ахметьева Н. П., Лапина Е. Е., Лола М. В. Экологическое состояние природных вод водосбора Иваньковского водохранилища и пути по сокращению их загрязнения. - М.: УРСС, 2008. 230 с. Пинский Д. Л. Ионообменные процессы в почвах. - Пущино, 1997. - 166 с. Блэк К. А. Растения и почва (перевод с английского).- М.: Колос, 1973. - 503 с. Беляев А. Ю., Джамалов Р. Г., Кричевец Г. Н., Полякова В. Л., Юшманов И. О. Эффект гистерезиса сорбции биогенов болотными отложениями // Водные ресурсы.- 2005. - Т. 32. - № 2. С. 205-213. Зозуля В. Л. Поглотительная способность торфяников Верхневолжского района // Водные ресурсы. - 2006. - Т. 33. - № 3. - С. 357-362. Овцов Л. П. Экологическая оценка осадков сточных вод и навозных стоков в агроценозе. - М.: МГУ, 2000. - 318 с. Косов В. И., Панов В.В. Торфяно-болотные системы в экосфере. - Тверь: ТГТУ, 2001. - 186 с.

THE USING OF PEAT-BOGS AS CATCHERS FOR MANURE

N.              P. Akhmetieva, E. E. Lapina

The description and estimate of experiments on the definition of the sorption capacity of the high-moor turf and low-moor turf with respect to biogenic matter (compounds of N, P K) is produced in this paper.

Calculation of the biogenic matter balance for the eutrophic marsh Veshka showed, that the using of this peat-bog as catcher for manure may be possible during 100-200 years. The pollution of environment will happen if using will be continued.

УДК 631.363; 636.087.72