Бактериальное загрязнение почвы

Исследования показывают, что после удобрительных поливов жидким навозом наблюдается бактериальное загрязнение почвы (до 21 млн микроорганизмов/га). Атак как возбудители инфекционных болезней сохраняют жизнеспособность в почве почти в 4 раза дольше, чем в жидком навозе, то инфицированный навоз необходимо обеззараживать до внесения его в почву.

После внесения сточных вод в почве интенсивно проходят процессы самоочищения: уже через месяц коли-титр и титр энтерококков во всех горизонтах повысились на один-два порядка. При изучении степени очистки от бактериального загрязнения стоков свиноводческого комплекса на участках чистых перед поливом полей (общее число бактерий менее 1 млн/г; коли-титр 1,0; титр энтерококков не превышал 10,0; сальмонелл не обнаружено) выявлена зависимость от количества азота, внесенного со сточными водами (табл. 9.14); общее число бактерий во всех горизонтах почвы первого участка значительно меньше, чем на остальных. При этом супесчаные почвы обладают большей адсорбцией в отношении микроорганизмов, чем суглинистые.

Наибольшей эффективностью с точки зрения предотвращения потерь летучих фракций азота и загрязнения растений патогенными микроорганизмами и яйцами гельминтов оказался способ внесения жидкого навоза по бороздам с запашкой по сравнению с поверхностным поливом: количество микроорганизмов ниже на один-два порядка, коли-титр повышается незначительно, почва от кишечной палочки освобождается через три месяца (при поверхностном поливе — через шесть месяцев).

Аэробные и анаэробные методы обеззараживания масс животноводческих отходов применяют при возможности длительного хранения в лагунах (открытые пруды-отстойники), отстойниках-накопителях, навозохранилищах, биологических прудах, башнях, аэротенках и метантенках. В лагунах происходит биологическое аэробное или анаэробное разложение навозной жижи. При аэробном разложении жидкий навоз аэрируется с помощью турбин-аэраторов более трех месяцев при обеспечении концентрации кислорода 1—2 г/л, а осевший осадок вычищают раз в 2-3 года.

Система проста, дешева, но при этом необходимо обеспечить температуру выше 18°С (работоспособна только в летнее время), а потери аммиачного азота в лагуне достигают 90%. При механической аэрации на 1 кг навоза Молочного скота требуется 0,74 м3 (мясного — 0,44 м3) аэробной лагуны, а в лагунах с естественной аэрацией соответственно 4,15 (3,56) м3. В аэробных лагунах происходит частичное разложение органических веществ, уничтожение большинства патогенных микроорганизмов и неприятного запаха, обеспечивается сохранение минеральных веществ в легкоусвояемых формах для растений, уменьшение загрязненности.

Рис. 9.1. Схема очистки стоков свинокомплекса в рыболовно-биологических прудах: 1 — приемный резервуар, 2 — разделительная установка, 3 — площадка для биотермического обеззараживания, 4 — вертикальный отстойник, 5 — карантинные емкости, 6 — установки термического обеззараживания стоков, 7 — пруд-накопитель, 8 — водорослевый пруд, 9 — рачковый пруд, 10 — рыбоводный пруд, 11 — пруд-накопитель чистой воды

В случае дефицита имеющихся площадей целесообразно использовать систему очистки стоков в виде бассейна-перегнивателя глубиной до 1,5 м, в котором происходит механическая и биологическая очистка стоков. Бассейн, состоит из двух изолированных отделений с размерами в соотношении 1:3. Малое отделение является первичным отстойником, а в большом — осветленные сточные воды подвергаются естественному самоочищению. Осадок из малого отделения удаляется через два года.

В анаэробных лагунах при выдерживании определенного режима (рН 6,7-7,5; температура 30-38°С) потери питательных веществ меньше, они опасны с санитарной точки зрения (различные виды сальмонелл выживают в них до трех лет). На 1 кг свиного навоза необходимо обеспечить 1,2 м3 (навоза крупного рогатого скота — 0,6 м3) объема анаэробных лагун. Очистка анаэробных лагун происходит через 5—8 лет.

Время начала эксплуатации новой лагуны март-апрель. Лагуну следует заполнять водой наполовину и первые два месяца загружать на четверть проектной мощности, а в последующие шесть месяцев — до номинальной. Необходимо ежегодно измерять толщину осадка: быстрое его наслоение свидетельствует о неправильной эксплуатации системы.

Широкое применение нашли биологические пруды следующих типов: для полной очистки животноводческих стоков; для доочистки стоков, предварительно прошедших биологическую обработку; рыбоводные. Пруд рыбоводного типа, эксплуатирующийся в опытном хозяйстве ВИЖ Московской области, представлен на рис. 9.1.

Жидкий навоз из свинарника по самотечному коллектору поступает в приемный резервуар, а из него перекачивается в разделительную установку (2). Твердую фракцию складируют на площадке для биотермического обеззараживания (3) и используют в качестве органического удобрения. Жидкую фракцию направляют в отстойник (4) для отстаивания и осветления. Осадок из отстойника обезвоживают с помощью центрифуги и также складируют на площадке для биотермического обеззараживания (3). Осветленные стоки из отстойника и фугат с центрифуг направляют в карантинные емкости для выдержки в течение недели.

После этого стоки поступают в цепь биологической очистки, состоящую из каскада прудов разного назначения (табл. 9.15).

В пруде-накопителе (7) осветленные стоки выдерживаются независимо от времени года; здесь осуществляется анаэробное сбраживание органических веществ стоков микроорганизмами. Из пруда-накопителя частично минерализованные стоки поступают в водорослевый пруд (8), который обеспечивает утилизацию фитопланктоном биогенных элементов органического вещества. За счет фотосинтетической реаэрекции происходит обогащение стоков кислородом, что приводит к распаду органического вещества, освобождению биогенных элементов и накоплению планктонных водорослей.

В рачковом пруду (9, рис. 9.1) из-за наличия богатого питательного субстрата происходит массовое развитие ветвистоусых и веслоногих рачков, червей и личинок насекомых. Далее из рачкового пруда стоки, содержащие зообиомассу и биомассу фитопланктона, поступают в рыбоводный пруд (10), обеспечивающий благоприятные условия для развития сеголеток карпа. Очищенные в рыболовно-биологических прудах стоки поступают в пруд очищенной воды (11), вода из которых используется для орошения полей, Но и такая система не обеспечивает полного освобождения от патогенных микроорганизмов.

Чтобы снизить зловоние в зоне животноводческой фермы и создать более благоприятные условия для обслуживающего персонала и животных, в Голландии была разработана система комбинации анаэробных и окислительных каналов. При этом окислительные ямы размещали под животноводческими помещениями (а иногда для предохранения их от воздействия низких температур и в самом помещении).

Эти ямы перед началом эксплуатации заполняются водой до определенной глубины и постоянно аэрируют с помощью: вентиляционной установки. Это заставляет содержимое ямы быть в постоянном движении, что приводит к образованию пены. Чтобы не допустить протекания анаэробного процесса с образованием гнилостных газов и сероводорода аэрацию необходимо поддерживать в течение всего времени обработки. Конструктивное выполнение окислительных каналов и ям разнообразно.

Окислительные каналы конструкции ВНИИМЖ наиболее компактны и состоят из двух ступеней циркуляции. Это два замкнутых канала, расположенные один внутри другого и имеют глубину до 1,5 м. Поперечное сечение канала — трапеция с верхним основанием 5,5 м и нижним — 3 м. В центральной продольной части каждого канала установлено по два роторных аэратора; вращающийся ротор первого аэратора захватывает лопастями воздух и подает его в жидкость, а второй, прогоняя по каналу жидкость, перемешивает ее с этим воздухом. Навозная жижа одновременно подается во внутренний канал, перемешивается с воздухом и находящимся в канале активным илом. В результате за время движения по каналу навозная жижа обрабатывается илом и после этого удаляется из верхних слоев самотеком или насосом.

На молочно-товарных фермах Краснодарского края используются системы подпольного накопления и хранения навоза (накопительные ямы). Так, на одном из комплексов края на 1200 коров их содержат на решетчатых полах, под которыми устроены навозохранилища (две траншеи 108×5,5 м, глубиной 3,5 м), в которых может долго сохраняться жизнеспособность патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов: в одном литре навоза поверхностного слоя содержится до 150 яиц трихостронгилов, 80 трихоцевалов.

Это потребовало обеззараживать навоз биотермически (при его хранении температура поднималась до 600С, и навоз частично обеззараживался). Животных содержали на подстилке. Применение воздуходувок, размещенных под решетчатым полом, улучшает микроклимат в помещении. Необходимо учитывать, что хотя при аэрировании навоза в каналах происходит снижение числа сальмонелл на два порядка, они постоянно выделяются из: вытекающего потока в значительном количестве.

Применяется и эффективная схема очистки стоков свиноферм, в которой фильтром служит почва, покрытая слоем известняка или шлака. Сточные воды, прошедшие через такой фильтр, практически не загрязняют водоемы. Можно осуществлять разделение жидкого свиного навоза с помощью фильтров из нержавеющей стали. Твердую фракцию подвергают аэробному разложению в течение 90 дней, после чего вывозят на поля. Жидкая фракция после фильтрации попадает в канал и в систему очистки, воду после которой можно использовать для водопоя.

Некоторые хозяйства практикуют разделение навоза при помощи центрифуг: твердую фракцию используют для удобрения садов и огородов, а жидкую — для удобрения пастбищ или после выпадения из нее осадка (через полгода) — повторно в свинарниках. Не менее эффективна технология очистки навозных стоков с помощью сепараторов и прессов. После сепарации жидкая фаза поступает в отстойник, а затем — в аэробный пруд. При этом способе очистки содержание взвешенных частиц в стоках снижается с 20,2 г/л до 264 мг/л, БПК5 — с 7460 до 31 мг/л.

Очищенные стоки используются для смыва навоза. Значительный эффект наблюдается, если после сепарирования навоза жидкую фазу подвергнуть термической обработке в нескольких ступенях реакторов в течение недели. Ступени реакторов оборудованы специальными устройствами рециркуляции, в которых недостаточно обработанная жидкость возвращается на повторную обработку. Но и при этом полного уничтожения патогенных микроорганизмов не происходит. Для определения вероятности инфицирования навоза его целесообразно выдержать в емкостях до четырех дней, что соответствует инкубационному периоду большинства инфекционных болезней (чума, ящур).

Технология переработки (или утилизации) навоза определяется способом его уборки из животноводческих помещений. Если это гидросмыв навоза, то происходит его сильное разбавление с получением мало концентрированных стоков. Но при этом не менее чем в пять раз увеличивается количество отходов, что повышает затраты на его обработку. Но хуже то, что существенно увеличиваются сроки выживания в них возбудителей инфекционных болезней и яиц гельминтов. Непосредственная уборка навоза из помещений вручную нереальна для крупных комплексов и опасна для обслуживающего персонала на животноводческих фермах средней величины (табл. 9.16).

Необходимо учитывать, что в процессе биохимических превращений в экскрементах образуются новые соединения (аммиак, метан, нитриты), дополнительно загрязняющие почву, воду и атмосферу.

Заслуживает внимания биотехнология переработки органических отходов с помощью дичинок синантропных мух, которая позволяет трансформировать эти отходы в полезные вещества в 20 раз быстрее, чем это происходит в природе. В процессе питания личинок мух субстрат превращается в сыпучую дезодорированную массу, где не может происходить выплод мух. За неделю из 1 т органических отходов влажностью (20-90)% получается до 50% органического удобрения (биоперегноя) и до 20% — биомассы насекомых.

Рис. 9.2. Схема установки для высокотемпературной переработки навоза

Биоперегной, как прекрасное удобрение, обладает пестицидным действием и содержит до 60% органического вещества.

Биомасса личинок содержит до 60% протеина с полным набором аминокислот и"30% жира. Включение биомассы в рацион цыплят в количестве 11 % позволяет заменить на 40% пищевые продукты (пшено, яйцо), снизить себестоимость продукции и увеличить выход мяса на 12%.

Установлены предельно допустимые концентрации (мг/кг) нитратов (по нитрат-иону): для зеленых кормов — 200, картофеля — 300, свеклы — 800, зернофуража — 300 мг/кг.

Наиболее токсичными для большинства животных являются нитриты, образующиеся при анаэробном и микробиальном восстановлении нитратов, или при бактериальном окислении ионов аммония. Нитриты окисляют гемоглобин, что приводит к потере способности переноса кислорода.

Особенно опасными являются загрязнения водоемов аварийными сбросами (при наводнениях, с дождевыми или грунтовыми водами) с объектов сельского хозяйства, в которых имеются биогенные вещества (фосфор, азот и аналогичные). Это вызывает бурный рост первичной биопродукции в водоемах и снижение качества воды.

Опыт эксплуатации очистных сооружений животноводства в развитых странах показал, что наиболее целесообразным путем использования стоков является их утилизация в качестве удобрения при обеспечении соблюдения требований охраны окружающей среды (расстояние перевозки жидкого навоза не более 8 км, соблюдение норм внесения жидкого навоза, запрет внесения жидкого навоза по мерзлой земле или на затопляемых участках). Использование жидкого навоза в качестве удобрения является наиболее дешевым способом его утилизации, но это требует наличия огромных площадей. Об удобрительной ценности навоза судят по наличию в нем питательных для растений веществ, что зависит от вида животных, технологии их кормления и содержания, состава кормов (табл. 9.17).

Примером утилизации навоза методом термообработки может служить установка свинооткормочного комбината «Новый свет» Гатчинского района (рис. 9.2).

Из навозопровода (1) навозная масса набирается в приемную емкость, из которой насосом через центробежную механическую форсунку (4) в виде мельчайших капель вводится в трубу-сушилку (6), где происходит отбор влаги потоком нагретого воздуха. Топливо в камеру сгорания (5) подается через форсунку (4), а воздух — от вентилятора высокого давления (2).

Парогазовая смесь и транспортируемая потоком воздуха навозная масса из трубы-сушилки (6) поступает в циклон-разделитель (7). Подсушенная навозная масса из циклона-разделителя (7) скапливается в емкости (8). Парогазовая смесь через камеру сгорания и вторую трубу-сушилку через циклон-отделитель (9) поступает в конденсатор, где происходит ее охлаждение и конденсация пара. Сухая навозная масса (12) поступает на выход для использования, а из конденсатора удаляют воздух (10), и конденсат (13). Для обеспечения работы конденсатора используется вода (11).

Если земельных площадей не достаточно, то утилизацию навоза проводят его высушиванием в роторной сушилке (до влажности. 15%) и компостированием. Температура внутри сушильного барабана (до 1500С) обеспечивает обеззараживание конечного продукта. Компостирование навоза уменьшает его объем примерно в два раза, а вес на 50-80%.

В некоторых странах Европы, где существует перепроизводство сельскохозяйственной продукции используют метод «консервации» полей залужением их многолетними травосмесями с организацией на них сенокосно-пастбищных полей. Это увеличивает запасы гумуса, улучшает плодородие почвы, происходит биологическое разрыхление и оструктурирование почвы, биологический перевод азота воздуха в органические азотосодержащие соединения, биологическая борьба с сорняками, вредителями и болезнями.

Присутствующие в жидком навозе сложные безазотистые (клетчатка, лигнин, целлюлоза), азотосодержащие, (белки, мочевая кислота, мочевина); и органические вещества распадаются под действием микроорганизмов с образованием газообразных продуктов (аммиак, углекислый газ, газообразный водород, сероводород) и воды. Получающийся аммиак в аэробных условиях под действием нитрифицирующих бактерий окисляется до азотной кислоты. Соли азотной кислоты накапливаются в почве, нитраты могут использоваться при синтезе белков растений. При дефиците кислорода наблюдается обратный процесс — восстановление газообразного азота из солей азотной кислоты. Наблюдаются также потери фосфора при неправильном хранении навоза, в результате чего микроорганизмы могут превратить фосфаты в газ (фосфористый водород), который улетучивается.

Сельское хозяйство является крупнейшим потребителем пресной воды. Использованная для орошения земель вода возвращается в водоемы с огромным числом взвешенных веществ, различных соединений, пестицидов, вымываемых из почвы. Сброс неочищенных стоков в водоемы приводит к уменьшению в них кислорода (растворенный в воде кислород расходуется на окисление органических и неорганических веществ), что приводит к гибели планктона, бентоса, рыбы и других дышащих кислородом организмов. В результате усиленно развиваются анаэробные микроорганизмы, т.е. нарушается биологическое равновесие, происходит загнивание водоема.

Поэтому необходимо обеспечивать выполнение нормативов, характеризующих воду после сброса сточных вод: количество растворенного кислорода не менее 4 мг/л, биохимическая потребность в кислороде (БПК) не должна превышать 3 (пятидневная) и 6 (двадцатидневная) мг/л, содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более чем на 0,25 мг/л (для водоемов 1-й категории) и 0,75 мг/л (для водоемов 2-й категории), минеральный состав — не более 1000 мг/л, рН 6,5—8,5. Не допускается наличие ядовитых веществ в концентрациях, оказывающих вредное влияние на животных.

В воде не должно быть возбудителей опасных болезней, что определяется показателем загрязненности сточных вод патогенными бактериями группы кишечной палочки (БГКП), оцениваемая величиной коли-титра (в каком количестве мл воды имеется одна БГКП) или коли-индекса (количество БГКП, находящихся в 1 л воды). Бактериальная обсемененность сточных вод может достичь 132 млн/мл (коли-титр 10-8 мл), а дренажной воды 78 млн/мл (коли-титр 10-4 мл). Из этого видна степень опасности использования недостаточно очищенных сточных вод для окружающей среды, жизнедеятельности людей и животных.

Среди антропогенных микробных систем широко распространены экосистемы, связанные с процессами очистки сточных вод в первую очередь в аэротенках и метантенках. Аэротенки применяются чаще и могут быть двух типов: вытеснители или смесители. В аэротенке-вытеснителе жидкость подается в его начало и выходит в конце, а в аэротенке-смесителе она подается по всей длине аэротенка и собирается в отводный канал. Содержимое аэротенка постоянно перемешивается подающимся в него воздухом, поступление и удаление сточных вод происходит непрерывно. Время выдержки жидкости в аэротенке составляет от двух до десятков часов.

Чрезмерное внесение азотных удобрений или неправильное их хранение, стоки от животноводческих ферм приводят к загрязнению поверхностных и грунтовых вод нитратами.