Приложение 3. Методические рекомендации по приготовлению и использованию биокомпостов на основе осадков сточных вод, листового опала и древесных опилок

Приложение 3
к постановлению Правительства Москвы
от 17 июня 2008 г. N 514-ПП

Методические рекомендации
по приготовлению и использованию биокомпостов на основе осадков сточных вод, листового опала и древесных опилок

1. Технология приготовления биокомпостов на основе осадков сточных вод, листового опада и древесных опилок

На протяжении многих десятилетий во всем мире осадки сточных вод используются как органическое удобрение в сельском хозяйстве. Многочисленные отечественные и зарубежные научные исследования в этой области показали, что удобрительная ценность осадков определяется наличием в них азота, фосфора, калия, а также присутствием микроэлементов - бора, молибдена, марганца, меди и др. Общее количество питательных веществ в ежегодно образующемся осадке Московских станций аэрации могло бы обеспечить элементами питания более 70 тыс. гектаров сельскохозяйственных угодий.

Несмотря на высокую удобрительную ценность осадков сточных вод, их применение агропромышленном комплексе России и в зеленом строительстве, в то время как в развитых странах Западной Европы и Америки в качестве удобрения используется около 40% всего объема образующихся осадков.

Увеличить долю использования осадков сточных вод можно за счет использования осадка в качестве основы для создания высокопитательных биокомпостов. Дополнительно город Москва может решить проблему утилизации большого количества листового опада, древесных опилок (стружки) и других органических отходов городского хозяйства.

Ввиду сложившегося дефицита минеральных удобрений и резкого удорожания их производства, истощения городских почв из-за значительной техногенной нагрузки на них, приготовление биокомпостов методом твердофазной аэробной ферментации в настоящее время представляется не только научно и экспериментально обоснованным, но и экономически выгодным направлением развития городского хозяйства.

Утилизация осадка московских станций аэрации в виде биокомпостов в зеленом строительстве и благоустройстве является одним из наиболее рациональных и экономичных методов его использования. В Москве и Подмосковье ситуация на рынке органических удобрений и почвогрунтов для такой динамично развивающейся отрасли, как городское озеленение является весьма сложной из-за их острого дефицита.

Основным препятствием для применения осадков сточных вод Московских станций аэрации всегда являлось высокое содержание в них тяжелых металлов, однако в последнее время их содержание уменьшилось в 5-10 раз из-за снижения количества и загрязненности промышленных стоков, принимаемых в канализационную сеть. В процессе компостирования за счет смешивания осадков сточных вод с влаго-поглощающими компонентами (листва, опилки и пр.) происходит еще более значительное снижение содержания тяжелых металлов в конечном продукте - биокомпосте.

Широкое использование сброженного осадка в частом виде как удобрительный материал для городского озеленения сдерживается его объективными недостатками:

- наличием специфического запаха;

- высокой вязкостью;

- непривлекательным товарным видом;

- бактериальной обсемененностью.

Наиболее рациональным способом решения данной проблемы является компостирование сброженного осадка методом твердофазной аэробной ферментации в специальных установках - биоферментерах, в результате комплекса биохимических процессов минерализации и частичной гумификации органических соединений в аэробных условиях, обусловленных деятельностью смешанных популяций микроорганизмов.

Компостирование сброженных осадков сточных вод методом твердофазной аэробной ферментации позволяет получить из них удобрение высокого качества. В процессе биоферментации происходит бактериальное обеззараживание осадка, понижение его влажности. Готовые биокомпосты имеют привлекательный товарный вид, обладают благоприятными физико-химическими и механическими свойствами, которые улучшают структуру, водно-воздушный режим и в целом плодородие почв.

Компостирование сырых осадков является хорошо изученным процессом, как в России, так и за рубежом.

Оно требует значительных энергозатрат на продувку массы воздухом. Компостирование сброженных осадков в нашей стране до настоящего времени не имело распространения, прежде всего из-за малого количества метантенков и установок по механическому обеззараживанию. Компостирование сброженного осадка происходит быстрее и с меньшими затратами. Таким образом, сочетание процессов сбраживания с последующим компостированием методом твердофазной аэробной ферментации представляется экономически наиболее перспективным направлением подготовки осадка сточных вод к его утилизации в городском зеленом строительстве.

2. Требования к условиям компостирования при приготовлении компостов на основе осадков сточных вод, листового опада и древесных опилок

2.1. Влажность компонентов и исходной смеси

Наиболее активная микробиологическая деятельность наблюдается при влажности исходной смеси на основе осадков сточных вод равной 60-65%. Для получения смесей такой влажности необходим большой расход влагопоглощающих материалов. Меняя долю и вид наполнителя в компостируемой массе можно не только регулировать воздушный и водный режимы субстрата, но и уменьшать влажность осадков сточных вод путем увеличения пористости.

При содержании влагопоглощающих компонентов (опилки, листья) более 50% приводит к пересыханию биокомпоста и обеднению его легкоразлагаемыми органическими веществами.

Для исходных смесей в составе которых преобладает осадок сточных вод (они более влажные и плотные) рекомендуется установить режим более интенсивного перемешивания ротора биоферментера.

Влажность смеси также можно регулировать добавлением в биоферментер микробиологических добавок (затравки) в виде сгущенного активного ила или небольших порций готового биокомпоста. Они ускоряют процесс ферментации, и способствуют ускорению разогрева и стабилизируют влажность субстрата. Использование той или иной микробиологической добавки зависит от удобства (технологичности) смешения и требуемой влажности субстрата. Если влажность исходной смеси избыточна (свыше 65%), то предпочтительнее добавлять более сухой готовый биокомпост. Если начальная влажность невысокая (50- 55%), то в исходную смесь необходимо вводить сгущенный активный ил. Количество вносимого активного ила должно определяться заданной оптимальной влажностью, а доля вносимого в качестве затравки готового биокомпоста не должна превышать 10-15% по массе, а при качественном перемешивании достаточно и менее 10%.

2.2. Аэрация

При компостировании осадка сточных вод методом твердофазной аэробной ферментации главным фактором, лимитирующим разогрев субстрата, на наш взгляд, является недостаточная аэрация в противовес имеющемуся в литературе мнению о недостатке легкоразлагаемых веществ в термофильно сброженном осадке и его неспособности набрать высокую температуру в процессе компостирования.

Минимальное свободное газовое пространство исходной смеси должно составлять не менее 30%. В процессе ферментации необходимо добиваться равномерного проникновения кислорода в компостируемую смесь. Биоферментер должен быть оборудован регулируемой принудительной вентиляцией и механизмом перемешивания субстрата. Неперерывное перемешивание способствует образованию и схлопыванию микро- и макропустот, в которых за счет ваккум-эффекта происходит засасывание нагретого кислородсодержащего газа с температурой около 60°С. Это обеспечивает не только хорошую аэрацию, но и быстрый разогрев всей массы перерабатываемого сырья.

Скорость проникновения воздушной смеси в компостируемую массу должна быть на уровне 0,3 мм /сек (около 1 м/час).

Концентрация кислорода в компостируемой смеси не должна опускаться ниже 8-10%.

Потребность в кислороде неодинакова в течение всего процесса ферментации: она низка в мезофильной стадии и возрастает до максимума в термофильной стадии. В процессе остывания и созревания компоста аэрация не требуется.

2.3. Температура субстрата и подаваемого воздуха

Для ускорения микробиологических процессов и накопления питательных веществ в компосте рекомендуется продувать субстрат нагретым до 50°С воздухом, что приводит к длительному повышению температуры перерабатываемого субстрата до 60°С. При достижении температуры субстрата 55-60°С рекомендуется чередовать подачу в биоферментеры теплого воздуха с интервалом 2-3 часа, чтобы позволить термофильной микрофлоре более полно использовать свой энзиматический аппарат для переработки органического вещества. Чередование в продуве компостируемой массы теплым воздухом позволяет за более короткий срок добиться получения высококачественного биокомпоста.

Оптимальной температурой, для осуществления полного цикла микробиологического разложения компостной смеси на основе осадка сточных вод, являются температуры 55-60°С.

Продув смесей с повышенной влажностью теплым воздухом может частично компенсировать интенсивное перемешивание, ускорить разогрев субстрата до высоких температур, позволит достичь полного обеззараживание и ускорения темпов компостирования.

2.4. Отношение углерода к азоту

Исходные смеси для компостирования, в состав которых входит 30-50% влагопоглощаюших материалов (древесные опилки и листва) обеспечивают получение наиболее качественных биокомпостов на основе осадков сточных вод. Для компостирования методом твердофазной аэробной ферментации рекомендуется использовать сброженный осадок сточных вод, так как свежий осадок обладает неблагоприятными водно-физическими свойствами.

Увеличение в исходных смесях доли осадка сточных вод (до 70-80%) признано нецелесообразным из-за потерь элементов питания с влагой и в газообразной форме. Увеличение доли древесных опилок и листвы в исходных смесях замедляет процесс ферментации (созревания) биокомпоста и снижает его питательную ценность для растений.

Оптимальное соотношение углерода к азоту в смесях для приготовления биокомпостов методом твердофазной аэробной ферментации на основе осадков сточных вод составляет C:N = 13-16. Расширение и сужение соотношение между углеродом и азотом увеличивает время компостирования и снижает качество готового компоста.

2.5. Физические и химические свойства исходной смеси

Для гумификации клеточных оболочек древесных опилок и листвы необходимо разрушение изолирующих их слоев пробковой ткани, которое достигается предварительным дроблением исходных компонентов на более мелкие частицы. Чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность, открытая для работы микроорганизмов, тем быстрее будет проходить компостирование.

Одна из наиболее затратных частей процесса подготовки исходных компонентов к компостированию - это размол опилок и листвы с последующим внесением добавок и смешиванием. Однако дробление позволяет на 10-20% увеличить выход компоста с единицы веса перерабатываемой массы, что в 2-3 раза окупает затраты на эту операцию. Как следствие снижается количество отходов при контрольной сепарации компоста с 25-35% до 10-15% от веса перерабатываемой компостной массы.

Для механизированных установок по биоферментации с перемешиванием и принудительной аэрацией наилучшими размерами частиц являются 5-10 мм .

Разные группы микроорганизмов по-разному реагируют на изменение реакции среды. Так как в начале процесса компостирования основное участие принимают бактерии, рекомендуется, чтобы исходная смесь для компостирования имела слабокислую или близкую к нейтральной реакцию среды.

2.6. Минеральные добавки

С увеличением в исходной смеси доли компонентов, содержащих большое количество целлюлозы и лигнина (свыше 50% древесных опилок и листвы), получить качественный биокомпост можно дополнительным обеспечением питания микрофлоры компоста, что достигается внесением азота и фосфора. Азот и фосфор можно давать в виде минеральных удобрений (азотные - мочевина, аммиачная селитра; фосфорные - фосфоритная мука, двойной суперфосфат). К измельченным опилкам и листве перед загрузкой в биоферментер рекомендуется добавить 1% азота и 0,25% фосфора в расчете на сухую массу.

2.7. Время компостирования

При достижении равномерной по всему объему компостируемой смеси температуры 50-55°С полная дегельминтизация наступает через четверо суток, а потеря всхожести семян сорных растений через 4-5 дней. Сигналом готовности биокомпоста является падение температуры в смеси до 25-30°С, которая контролируется при помощи термодатчиков совмещенных с влагомерами.

Основная фаза микробиологического процесса (термическая фаза) осуществляется за 3-5 суток. Биокомпост бывает полностью готов к использованию на 8-10 сутки.

Технологическая схема производства биокомпостов на основе осадков сточных вод, древесных опилок и листвы рекомендуется осуществлять в следующей последовательности:

- измельчение древесных опилок и листвы до размера частиц 5-10 мм;

- внесение минеральных добавок, стимулирующих ее разложение;

- перемешивание опилок и листвы;

- смешивание опилок и листвы со сброженным осадком сточных вод;

- подача полученной смеси в ферментер;

- подача нагретого воздуха с постоянным перемешиванием;

- после разогрева смеси, чередование в подаче воздуха;

- созревание компоста, сопровождающееся снижением температуры смеси;

- выгрузка и контрольная сепарация биокомпоста.

Полученные биокомпосты на основе сброженного осадка с добавлением древесных опилок и листового опала представляли собой рассыпчатую нелипнущую рыхлую массу темно-серо-буровато-коричневого цвета, состоящую из частиц размером от 1-2 мм до 0,6 см, практически не обладающую неприятными запахами. В биокомпостах вариантов 66% осадка + 16% листьев + 16% опилок и 83% осадка + 8% листьев + 8% опилок, целлюлозосодержащие компоненты почти полностью разложились и морфологически выражались незначительно. В остальных биокомпостах вариантов 33% осадка + 33% листьев + 33% опилок и 50% осадка + 25% листьев + 25% опилок, листва и особенно древесные опилки прослеживались. При содержании в исходной смеси менее 60% осадка сточных вод требуется контрольная сепарация готового биокомпоста для удаления крупных, неразложившихся частиц органического вещества. Просеянные крупные фрагменты рекомендуется возвращать в рецикл.

В целом при вышеизложенных условиях биокомпостирования для получения качественного продукта рекомендуется следующий состав исходных смесей - не менее 60% сброженного осадка сточных вод и по 20% листьев и опилок.

3. Технология применения почвосмесей на основе котлованных грунтов

Основное направление использования биокомпостов на основе осадков сточных вод - это благоустройство и городское озеленение. Биокомпосты можно использовать для приготовления почвосмесей при проведении работ по рекультивации нарушенных земель, замене старых газонных покрытий, замене истощенного плодородного слоя городских почв. Также биокомпосты можно использовать в качестве мульчирующего материала, вместо опасного в пожарном отношении торфа.

Вышеперечисленные свойства биокомпостов позволяют применять их (при условии соблюдения нормативов по содержанию тяжелых металлов) в зеленом строительстве, в питомниках, декоративном цветоводстве, а также при рекультивации нарушенных земель (карьеров, бывших свалок и т.д.). Следует отметить хорошие физико-механические характеристики компостов как мелиоранта городских почв с повышенной плотностью, кислотностью и засоленностью.

Использование осадков сточных вод для приготовления компостов должно осуществляется на принципах отсутствия отрицательных экологических и социальных последствий, вреда здоровью человека и домашних животных.

Требования к порядку применения биокомпостов на основе осадков сточных вод в качестве удобрения направлены на защиту окружающей среды от загрязнения и рациональное использование природных ресурсов. Внесение биокомпостов на основе осадков сточных вод в почву должно осуществляться в дозах, исключающих накопление в агроценозах элементов в количествах, превышающих действующие на территории Российской Федерации санитарно-гигиенические нормативы.

Применение биокомпостов на основе осадков сточных вод с целью повышения биологической продуктивности почв сельскохозяйственных угодий не должно приводить к превышению санитарно-гигиенических нормативов на вещества и элементы в почве по номенклатуре показателей санитарного состояния почв ГОСТ 17.4.2.01, при рекультивации нарушенных земель (в том числе городских почв) допускается формирование плодородного слоя почвы с категориями санитарного состояния слабозагрязненная по бактериологическим и гельминтологическим показателям в соответствии с классификацией "Оценочных показателей санитарного состояния почвы населенных мест", 1987.

Исходя из того, что в составе осадков сточных вод содержится ряд тяжелых металлов, способных к активной транслокации в растения, необходимо нормирование внесения биокомпостов на основе осадков сточных вод в почву с учетом концентрации в них тяжелых металлов.

Определение допустимого количества тяжелых металлов, поступающих в почву в составе биокомпостов на основе осадков сточных вод, основано на том, что после их внесения содержание контролируемого элемента в пахотном слое не должно превышать ПДК.

,

где:

Ф - исходное содержание металла в почве до внесения биокомпоста на основе осадка сточных вод;

Д - дополнительное поступление данного металла в пахотный слой с биокомпостом на основе осадка сточных вод;

ПДК - допустимый уровень металла в почве, мг/кг.

Величина допустимого поступления в почву того или иного металла с биокомпостом () определяется по формуле:

,

где:

М - масса пахотного слоя почвы, т/га в пересчете на сухое вещество;

К - коэффициент регрессии, зависящий от физико-химических свойств почвы.

Средняя ежегодная доза внесения биокомпоста на основе осадка сточных вод в почву рассчитывается по формуле:

,

где:

- средняя ежегодная доза внесения биокомпостов на основе осадка сточных вод в почву, т/га на сухую массу;

Т - максимальный общий срок внесения биокомпостов на основе осадка сточных вод на один и тот же участок, год.

Максимальная разовая доза внесения биокомпостов на основе осадка сточных вод в почву () при частоте внесения один раз в пять лет составит 5 (т/га по сухому веществу).

После расчета по каждому тяжелому металлу в качестве рекомендуемой к применению дозы берется наименьшая, то есть по лимитирующему металлу.

Расчет максимально допустимой дозы внесения биокомпостов на основе осадков сточных вод проводится по металлам, накопление которых в почве может приводить к нарушению экологического равновесия городских почв (кадмию, меди, никелю, свинцу, хрому и цинку).

По содержанию тяжелых металлов и элементов готовые биокомпосты на основе осадков сточных вод можно разделить на четыре группы (таблица 1). Элементом, определяющим групповую принадлежность биокомпоста, является элемент, содержание которого в наибольшей степени превышает допустимый его уровень в компосте, соответствующий уровню группы.

Таблица 1

Санитарно-технические показатели биокомпостов на основе осадков сточных вод

Название элемента	Группа 1	Группа 2	Группа 3	Группа 4	Метод определения
	основные с/х культуры в садоводстве		зерновые, кормовые, технические	кормовые и технические, питомники
	не более	в пределах
	мг/кг сухого вещества
Никель	50	50-100	100-150	15-300	ГОСТ Р 8.563-96
Хром	1000	100-300	300-500	500-1000
Свинец	200	200-400	400-600	600-800
Кадмий	5	5-10	10-15	15-30
Цинк	800	800-1500	1500-2000	2000-3000
Медь	250	250-500	500-800	800-1500
Ртуть	2	2-3	3-4	4-6
Мышьяк	3	3-5	5-10	10-15

В соответствии с групповой принадлежностью биокомпостов определяется технология их применения в городском озеленении, цветоводстве, питомниках декоративных и плодовых культур, а также в садоводстве, семеноводстве и под основные сельскохозяйственные культуры (кроме картофеля). При применении компоста на почвах с независимо от их физических, физико-химических свойств и генетической принадлежности проводится предварительное известкование, исходя из уровней гидролитической кислотности в дозе, равной 1,5-2,0 ед., но не менее 2 т/га доломитовой муки. Компост 1-2 групп применяется на всех почвенных разностях.

Группа 1: Применение в агрономически оптимальных дозах при непосредственном использовании в качестве удобрения, но не более 10 т/га в год по сухому веществу.

Группа 2: Применение в дозах не более 5 т/га в год по сухому веществу или один раз в три года, но не более 15 т/га с ежегодным контролем за фоновым содержанием кадмия и цинка в почве.

Группа 3-4: Применение в дозах 5-10 т/га по сухому веществу раз в 3-5 лет с обязательным контролем за изменением фонового содержания элементов в почве.

Биокомпост с показателями, превышающими их группы, запрещено использовать в сельском хозяйстве и садоводстве. Используется он в качестве компонента почвенных смесей в зеленом строительстве городов и при рекультивации промышленных отвалов, не используемых в дальнейшем для выращивания растительной продукции, идущей в пищу человека и животных.