1072
.pdfтаточно влаги, мало воздуха, процессы разложения идут медленнее. В этот гори зонт вымываются из горизонта А через горизонт Е легкорастворимые органомине ральные вещества. Горизонт В часто называют подпочвой. В нем происходит ак кумуляция соединений железа, алюминия, гуминовых соединений и глины, выно симых из водной части почвенной толщи;
горизонт С - материнская порода, неизмененная и не подвергающаяся воз действию корневой системы;
горизонт R - коренная порода, в нее возможно просачивание только по тре щинам или разломам.
Количество, состав и мощность горизонтов зависят от местных климато географических и геологических условий.
Обобщенный почвенный профиль представлен на рис. 3.1.
Мощность почвы определяется (в см) глубиной почвообразовательного про цесса от поверхности земли до неизмененной материнской породы.
Сложение почвы выражается ее порозностью или плотностью. Оно зависит от ме ханического состава почвы, формы структурных частиц, коллоидных, минераль ных и степени разложения органических веществ. Спелая почва, пригодная для по сева растений, характеризуется рыхлым сложением (пухлая, пушистая). Структура почвы определяется по величине и форме отдельных комочков, на которые она способна распадаться. Различают структуры: крупитчатую (с клеверное зерно); зернистую (с горошину); комковатую; ореховую; призматическую; столбчатую и мучнистую. Наиболее благоприятна для агрономических нужд мелко-ореховая или зернистая структура.
Цвет почвы и особенно его изменение позволяет оценить интенсивность и на правление изменения процессов, протекающих в почвах. При хорошей аэрации почвы усиливаются ржавые оттенки, указывающие на увеличение содержания окисных соединений железа. Усиление сизых оттенков свидетельствует о появле нии закисных соединений железа, что характерно для процессов заболачивания. За пасы органических веществ и степень их разложения могут быть также оценены по цвету почвы. При анаэробных условиях, в кислой среде при избыточной влажности получается бурый полуразложившийся перегной, при хорошей аэрации, достаточ ной влажности в нейтральной среде образуется черный гумус.
Рассмотренные морфологические признаки определяют физико-химические свойства почвы, которые имеют решающее значение в процессах минерализации органических отходов, поступающих в почву. Учет этих свойств и применение со ответствующих агротехнических мероприятий позволяют устранить неблагоприят ные условия и использовать почву как среду для обезвреживания отходов.
3.2. Воздушный и водный режимы
Воздушный режим почвы определяется объемом воздуха, находящегося в ее порах. Пористость и воздухопроницаемость зависят от структуры и сложения поч вы: чем меньше структурные единицы и чем рыхлее почва, тем выше пористость и воздухопроницаемость. Воздушный режим почвы можно регулировать, изменяя ее сложение и структуру механической обработкой (вспашка, рыхление, уплотнение).
Проницаемость почвы для воздуха зависит исключительно от величины ее частиц, а не от общего объема пор. Чем частицы крупнее, тем при прочих равных условиях легче и в больших количествах проходит воздух. Если воздухопроницае мость мелкого песка принять за 1, то у среднего песка она составляет 30, у крупно го песка - 950, у мелкого и среднего щебня - соответственно 5000 и 10000 ед.
Почвенный воздух характеризуется меньшим содержанием кислорода (12 - 14%) и большим содержанием углекислоты (6-8%) по сравнению с атмосферным воздухом. На свалках содержание С02 в почвенном воздухе достигает 30%, а ко личество кислорода снижается до 2 - 5 %. Содержание метана й почвенном возду хе на загрязненных участках увеличивается до 21%, а водорода - до 27% [9].
Обмен между почвенным и атмосферным воздухом происходит при повыше нии и падении барометрического давления, нагреве и охлаждении поверхности почвы, атмосферного воздуха, рытье котлованов, траншей. Почвенный воздух с высокой концентрацией вредных веществ может вызывать загрязнение приземного слоя атмосферы, находящегося в зоне дыхания человека. Он проникает в подваль ные помещения, тоннели метро и другие подземные сооружения. В этих случаях при больших концентрациях загрязняющих веществ возможно неблагоприятное влияние почвенного воздуха на здоровье и санитарные условия жизни населения. Особенно важно помнить о возможности взрывов и пожаров при содержании в почвенном воздухе, проникшем в помещения, метана, водорода и других пожаро- и взрывоопасных компонентов.
Воздушный режим почвы определяет интенсивность и направление основных химических (восстановительных или окислительных) и биохимических микроби альных (анаэробных или аэробных) процессов. Воздействуя на воздушный режим, можно управлять процессами разложения органических компонентов ТБО в почве.
Водный режим почвы определяется влагоемкостью, водопроницаемостью, капиллярностью и гигроскопичностью. Влагоемкость в рыхлых почвах достигает 40-50%, в плотных - около 30%. Водопроницаемость оценивается как пропускная способность влаги за определенный промежуток времени. Глинистые, бесструк турные почвы пропускают воду очень медленно, плотные глины практически во донепроницаемы. Почвы зернистой, комковатой структуры, песок пропускают во ду быстро.
Капиллярность почвы характеризуется поднятием влаги по капиллярам почвы и испарением ее за определенный промежуток времени. Почвы с плотной структу рой, с сильно развитыми капиллярами, типа глины, способны быстро иссушаться. Зернистые, структурные, песчаные почвы иссушаются медленно.
Гигроскопичность характеризует способность почвы удерживать влагу и кон денсировать пары воды на поверхности ее частиц. Гигроскопичность при прочих равных условиях тем выше, чем больше в почве гигроскопичных солей, мелких структурных и коллоидно-распыленных частиц перегноя. Крупно-песчаные почвы обладают меньшей гигроскопичностью.
Водный режим можно изменять путем механической обработки почвы, регу лируя влажность, водопроницаемость, капиллярность, гигроскопичность (рыхле ние, прикатка, уплотнение, внесение перегноя, гигроскопичных солей и т.д.).
Грунтовые воды, залегающие на глубине более 1,5-2,0 м от дневной поверх ности, не влияют на водный режим почвы. Если глубина залегания грунтовых вод
ная кислота по мере ее образования поглощается корнями растений и вымывание происходит в меньших масштабах.
Почва способна также поглощать газы. Известно, что поглощение газов по ристыми телами увеличивается с повышением давления и ослабляется с повыше нием температуры. Поглощение газов почвой тем больше, чем меньше ее частицы. Так, суглинистые почвы поглощают газы лучше, чем песчаные. Из составных час тей почвы больше газов поглощают перегной, глина, углекислая известь, гидрат окиси железа. Наименьшую поглотительную способность имеет кварц.
Способность почвы поглощать газы позволяет немедленно уничтожить зло воние ТБО, изолировав их от наружного воздуха так называемой земельной засып кой. Для этого достаточно слоя грунта толщиной 15-20 см.
При попадании ТБО в почву часто возникают проблемы в связи с возможной миграцией из них или аккумуляцией в почве солей тяжелых металлов. В ряде слу чаев важно способствовать их аккумуляции, в других - миграции из по1гвы в воду или биомассу растений привнеся в почву определенные химические соединения, можно мобилизовать Или иммобилизовать интересующие нас ЭХВ, т.е. можно бо роться с солончаками и засолением, внося в почву гипс. Целенаправленным под бором реагентов-добавок можно иммобилизовать соли тяжелых металлов в почве, уменьшив возможность их вымывания дренажными водами.
3.3. Основные физико-химические и биологические процессы
ЭХВ, входящие в состав ТБО, при попадании в почву подвергаются сложному многонаправленному воздействию большого количества физико-химических и биологических факторов.
Почленный раствор обладает повышенной избирательной способностью к растворению химических соединений. В частности, входящие в его состав экзо ферменты, выделяемые многочисленной микрофлорой почвы, способствуют более быстрому и полному растворению некоторых плохо растворимых в обычных усло виях соединений.
Хорошо структурированная почва, содержащая достаточно гумуса, имеет большую развитую поверхность на разделе фаз твердое, жидкое, газообразное. Это способствует более активному, чем в обычных условиях, протеканию многих фи зико-химических процессов, чем в обычных условиях.
Почва является системой с большой сорбционной емкостью. Поэтому основ ная масса ЭХВ, попавших в почвенный раствор, сорбируется частицами почвы.
Растворение ЭХВ и их сорбция частицами почвы являются очень важными этапами дальнейших физико-химических и биологических процессов деструкции ЭХВ и синтеза новых соединений из них в почве.
Механизм разрушения ЭХВ в почве можно представить в упрощенном виде следующим образом. ЭХВ, попадая в почву, растворяются в почвенном растворе и переносятся им к частицам почвы. Частицы почвы покрыты биологически актив ной пленкой, состоящей из тонкого слоя воды и биомассы микроорганизмов - об лигатных и факультативных аэробов и анаэробов. Микроорганизмы могут быть за носными и задержанными почвой, а могут быть и собственно почвенными, посто янно,находящимися в ней.
При контакте ЭХВ с биологически активной пленкой, окружающей частиць почвы, происходит сорбция ЭХВ и контакт их с микроорганизмами. Если ЭХВ на* холятся в растворенном виде и в форме, пригодной для усвоения микроорганизма* ми, то происходит их всасывание микробной клеткой и нод воздействием эндо ферментов начинается трансформация в соединения, необходимые микробу щ жизнедеятельности. Если ЭХВ мало растворимы в воде и находятся в форме, не позволяющей микробу прямо его усвоить, то возможна более слож ная форш взаимодействия ЭХВ и микроба. Многие виды микроорганизмов способны выде лять за пределы микробного тела специальные вещества - экзоферменты, которые могут подготовить ЭХВ к усвоению: растворить, трансформировать, расщепить ш более простые соединения и т.д. Биохимические процессы, развивающиеся под влиянием почвенных организмов, приводят к полному разложению органических веществ ТБО.
Сообщество растительных и животных организмов, приспособившихся к ус ловиям обитания в почве, по аналогии с планктоном водных объектов называют эдафоном, а самих обитателей почвы - геобионтами (организмы, ж ивущ ие в поч ве).
Животные организмы принимают участие в образовании углекислоты, спо собствуют проветриванию почвы, обогащают ее кислородом, улучшают ее физи
ческие свойства и структурность. |
1 |
Н.А. Красильников [9] отмечает, что "если подсчитать всю микробную |
массу! |
в поверхностном слое почвы на 1 га, то получим количества, измеряемые многиш сотнями килограммов и тоннами. На гектар плодородной земли приходится около 5 -7 тонн микробной, главным образом, бактериальной массы. Эта масса не явля ется лишь аккумулятором органических веществ, азота или других элементов пи тания,... это биологически активная масса, которая непрерывно развивается, не прерывно разлагается н непрерывно отмирает". Так как микробные клетки раз* множаются довольно быстро, то за несколько месяцев происходит многократная полная сменяемость биомассы, которая в процессе своего роста, развития, размно жения перерабатывает огромное количество органических и неорганических ве ществ, исчисляемое десятками тонн на 1 га.
Можно выделить следующие основные группы почвенных организмов: т венные бактерии; почвенные грибки; водоросли; простейшие (протозоа); корне mymiнематоды; дождевые черви; тысяченожки и др. Корни и другие оргаш высших растений, травянистых и деревьев, входят в состав почвенной массы. Чис ло и видовой состав микробов изменяются с глубиной почвы. Чем глубже почвеи ннй горизонт, тем меньше в нем гумуса и тем меньшее количество микробов нахо
дится в нем.
Уменьшение числа микробол по глубине почвы обусловлено задерживаний и поглотительной способностью ее верхних горизонтов, которые, являясь весьм эффективным фильтром, не пропускают большинство микробов.
Состав микрофлоры существенно меняется с глубиной. В верхнем слое, со держащем высокопнпгтельные вещества, обитают аэробы, питающиеся легко рас -творимыми веществами. В более глубоких слоях, бедных по содержанию органе чеекях веществ, приспособились жить факультативные аэробы и анаэробы, спо собные питаться трудно разлагаемыми органическими веществами жить как в ки
слородной, так и в бескислородной среде. Еще менее требовательны к питанию автотрофы - микробы, обитающие в глубоких слоях почвы. Они могут обходиться и без кислорода, и без готовой органической пищи, так как синтезируют органиче ские вещества из неорганических соединений.
Важнейшие группы почвенных бактерий: разлагающие клетчатку; гнилост ные; азотистые; серобактерии; железобактерии; фосфоррастворяющие; душистые.
В результате работы этих бактерий углеводы распадаются на воду и углеки слоту. Жиры сначала расщепляются на глицерин и жирные кислоты, которые затем разрушаются до воды и углекислоты. Белки распадаются на простейшие протеины, а затем на аминокислоты и аммиак. Сера белков переходит в сероводород, окис ляющийся в серную кислоту и сульфаты, углекислота - в карбонаты, фосфор - в фосфорную кислоту и фосфаты.
Аммиак, окисляясь под воздействием нитрифицирующих бактерий, превра щается в азотистую кислоту и ее соли, а затем под воздействием нитратных бакте рий нитриты окисляются до азотной кислоты и ее солей - нитратов. Схематически цепочку превращения аммиака в почве можно представить в следующем виде: ам миак - азотистая кислота и ее соли - азотная кислота и ее соли. Этот процесс полу чил название нитрификации.
При избытке углеводородов и других органических веществ в почве может идти обратный процесс - восстановление нитратов до нитритов и аммиака (денит рификация).
Наряду с процессами разложения органических веществ и минерализацией продуктов их распада до углекислоты, воды, сульфатов, нитратов, карбонатов, фосфатов и т.д., в почве идут и многообразные процессы синтеза сложного орга нического продукта, который получил название гумуса. По внешнему виду гумус представляет собой темную, коричневого цвета массу, похожую на перегной. В со став его входят лигнины, протеины, углеводы, жиры, органические кислоты. Ос новные компоненты гумуса - гумин, ульмин, креновая кислота. Синтез гумина ве дут аэробные бактерии, ульминовой кислоты - анаэробы, а креновой кислоты - грибки. По мнению большинства исследователей синтез входящих в гумус соеди нений происходит, в основном, вне микробной клетки за счет реакций конденса ции продуктов распада органических веществ при участии экзоферментов бакте рий.
Загрязняющие вещества ТБО разлагаются в почве с различной интенсивно стью, широко варьируются время их распада и полнота расщепления от многих ус ловий - химической природы ЭХВ, температуры, влажности, аэрации, величины нагрузки ЭХВ на почву, наличия развитой микрофлоры, pH, отсутствия веществ бактериоцидов и т.д.
При прочих равных условиях клетчатка разрушается довольно быстро боль шой группой микроорганизмов как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
Крахмал и сахара в почве быстро разлагаются из-за высокой питательной ценности для большинства микробов, живущих в почве. Образующийся при этом водород широко используется в аэробных и анаэробных условиях микробами для синтеза органических кислот, входящих в состав гумуса.
Разложение жиров, по сравнению с другими процессами, протекает очень медленно. На скорость разложения влияет избыточная влажность почвы. Она чрез
вычайно замедляет распад. В тяжелых влажных почвах разложение жира идет медленно, а в легких сухих песчаных - сравнительно быстро. Важно наличие) почвах плесневых грибков (Aspergillus), которые играют главную роль в разруше нии жиров.
Разрушение белков в почве протекает по-разному, в зависимости от многих условий. Очень важно, чтобы была нейтральная, а лучше слабощелочная среда (pH). При аэробных условиях процесс нитрификации идет быстрее. Наиболее эф фективна нитрификация при влажности 50 - 70 %. При влажности более 80 % нит рификация замедляется из-за ухудшения аэрации и создания благоприятных усло вий для развития анаэробных бактерий. При температуре выше 20°С нитрифика ция идет намного быстрее; оптимальная температура для нитрификации 25—30°С.
Кроме микроорганизмов, большую роль в разложении органических веществ
впочве играют животные организмы. На 1 га почвы содержится более одного млн. простейших, на 1 м2 - более нескольких десятков дождевых червей, нематод и дру гих животных, которые активно поедают мертвые растительные и животные ос татки и выделяют в почву экскременты. За несколько лет вся почвенная масса про ходит через пищеварительный тракт червей, обогащаясь при этом биологически активными веществами, известью. Черви переносят органическое вещество по вер тикальному профилю почвы, усредняют его содержание. Почвенные животные мо гут аккумулировать в себе загрязняющие вещества. Исключительно важна роль почвенных животных в формировании почвенного профиля, гумусовых слоев, структуризации почвы.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что почва, населенная геобионтами (микро- и макроорганизмами), структуризованная, аэрируемая, с благопри ятным температурным, воздушным и влажностным режимом, является хорошей средой для обезвреживания органических веществ ТБО, в ней они окисляются и превращаются в простейшие минеральные и органические соединения, безопасные
всанитарном отношении.
3.4. Загрязнение почвы биологическими и химическими компонентами ТБО и ее самоочищение
Почва считается биологически загрязненной, если в ней присутствуют возбу дители инфекционных заболеваний, яйца глистов, яйца и куколки паразитирую щих насекомых. Все эти биологические загрязнения могут попадать в почву вместе с ТБО. Наиболее опасным биологическим загрязнением считается занос в почву возбудителей инфекций, как сибирская язва, газовая гангрена, ботулизм, столбняк.
Биологическое загрязнение почвы оценивается с помощью прямых и косвен ных показателей. В качестве прямых показателей используются данные о количе ственном содержании в пробах почвы патогенных микробов, в качестве косвенных - содержание кишечной палочки (B.Coli) и анаэробов (содержание бактерий Перфрингенс). Эти бактерии являются санитарно-показательными (индикаторными) микроорганизмами, по их содержанию можно судить о присутствии или от сутствии патогенных микробов.
В качестве количественного критерия используется титр - наименьшее коли чество материала среды (вода, почва), в котором содержится одна кишечная па-
ломка или бактерия Перфрингенс. В соответствии с этим титр обозначается как ко- ли-титр или титр Перфрингенс. В табл.3.1 приведены показатели биологического загрязнения почвы.
|
|
|
|
|
Таблица 3.1 |
|
|
Показатели биологического |
загрязнения почвы |
||
|
|
Число личинок и |
Число яиц |
Коли-титр |
Титр анаэро |
Почва |
куколок мух в |
гельминтов в |
|
бов (титр Рег- |
|
|
|
0,25 м3 почвы |
1 кг почвы |
|
firingens) |
Чистая |
|
0 |
0 |
1 и выше |
0,1 и выше |
Мало |
загряз |
Единичные эк |
До 10 |
оо01 |
0,1-0,001 |
ненная |
|
земпляры |
|
|
|
Загрязненная |
10-25 |
От 11 до 100 |
0,01-0,001 |
0,001-0,0001 |
|
Сильно |
за |
25 |
Больше 100 |
0,001 и ниже |
0,001 и ниже |
грязненная |
Самоочищение почвы от биологического загрязнения происходит в результа те того, что в незагрязненной почве всегда существует мощный биоценоз, в состав которого входит большая группа антагонистов патогенных микробов. Антогонисты выедают патогенные микробы, уничтожают их за счет выделения антибиоти ков, воздействия бактериофагов. Часто причинами гибели микробов служит недос таток питательных веществ, неблагоприятный температурный и влажностный ре жимы.
В загрязненной почве процессы естественного самоочищения от биологиче ского загрязнения резко ослаблены. Это необходимо учитывать в практической деятельности.
В почве обычно имеются благоприятные условия для развития домашней и других видов мух. Наилучший способ борьбы с мухами - исключение возможности их контакта с гниющими ТБО, так как самки мух откладывают в них огромное ко личество яиц. В гниющих отбросах есть все условия для развития яйца до личинок, куколок и окрыленной мухи.
Самоочищение почвы от яиц, куколок и окрыленных мух происходит в ре зультате выедания их почвенными животными организмами, а также в результате неблагоприятного температурного и влажностного режимов.
Почва является благоприятной средой для развития геогельминтов. Меха низм самоочищения почвы от яиц и личинок геогельминтов аналогичен механизму самоочищения ее от яиц и куколок мух. В связи с этим важным является предот вращение попадания в почву жизнеспособных яиц глистов вместе с ТБО.
Согласно теории и практике нормирования содержания ЭХВ в почве нельзя расценивать сам факт попадания ЭХВ и нахождения их в почве в виде примесей как химическое загрязнение. Для оценки такого загрязнения принято использовать количественный критерий - предельно допустимую концентрацию ЭХВ в почве (ПДКп ЭХВ).
ПДКп ЭХВ - это максимальное его количество (в мг/кг пахотного слоя абсо лютно сухой почвы), установленное в экстремальных почвенно-климатических ус ловиях, при котором гарантируется отсутствие отрицательного прямого или опо